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光学谐振腔的传输特性研究

物理学报 2021年

作者：王雅君王俊萍张文慧李瑞鑫田龙郑耀辉山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学极端光学协同创新中心

量子噪声已成为当前精密测量应用中的一种重要限制因素，与其相关的问题已成为研究热点。光学谐振腔作为操控量子噪声的一种重要光学器件，其传输特性决定了输出信号噪声的演化特性。本文通过理论分析光学谐振腔输出的强度、相位与频率... 详细信息

量子噪声已成为当前精密测量应用中的一种重要限制因素，与其相关的问题已成为研究热点。光学谐振腔作为操控量子噪声的一种重要光学器件，其传输特性决定了输出信号噪声的演化特性。本文通过理论分析光学谐振腔输出的强度、相位与频率的对应关系，对比了过耦合腔、阻抗匹配腔与欠耦合腔传输函数、能量传输、噪声传递的频谱特性，证明其具有功率分束、频率滤波、噪声转换等特性，为量子噪声的分析与操控等应用研究提供了基础，将推动精密测量领域的发展。

关键词：光学谐振腔传输函数噪声频谱量子噪声

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低真空测量光学谐振腔的设计与分析

真空科学与技术学报 2022年第10期42卷 737-744页

作者：黄新宇余清洲杨庆喜陈肇玺王进王新广陈仕琳中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所合肥230031 中国科学技术大学合肥230026

基于磁约束核聚变运行真空测量需求和强磁场高辐照运行环境要求,本文设计了一种光学真空测量手段,介绍了该方法的原理,结合理论计算与有限元仿真,模拟分析了温度、气压和振动等主要因素对光学谐振腔测量不确定度的影响,并提出优化方案,... 详细信息

基于磁约束核聚变运行真空测量需求和强磁场高辐照运行环境要求,本文设计了一种光学真空测量手段,介绍了该方法的原理,结合理论计算与有限元仿真,模拟分析了温度、气压和振动等主要因素对光学谐振腔测量不确定度的影响,并提出优化方案,验证了光学谐振腔应用于聚变环境测量的可行性。本研究为光学谐振腔的工程化设计提供了理论指导与依据,也为优化提高测量装置精确度提供了可行性方案。

关键词：聚变堆真空测量气体压力光学谐振腔

SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔中Ti超导薄膜特性的研究

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计量学报 2023年第4期44卷 549-554页

作者：刘海燕孙潇莹李劲劲王雪深陈建高鹤周哲海徐骁龙北京信息科技大学机械行业现代光电测试技术重点实验室北京100192 中国计量科学研究院北京100029 沈阳化工大学辽宁沈阳110142

设计良好的光学谐振腔是提高超导转变边沿传感器(TES)光学效率的有效手段,光学谐振腔结构厚度的变化,不仅对TES的光学效率有影响,而且会产生不同的残余应力进而影响TES的超导特性。研究了以超导Ti膜为TES功能层材料,同时选用SiO_(2)-SiN... 详细信息

设计良好的光学谐振腔是提高超导转变边沿传感器(TES)光学效率的有效手段,光学谐振腔结构厚度的变化,不仅对TES的光学效率有影响,而且会产生不同的残余应力进而影响TES的超导特性。研究了以超导Ti膜为TES功能层材料,同时选用SiO_(2)-SiN_(x)体系作为光学谐振腔薄膜。通过对数值仿真,确定了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔薄膜厚度变化对Ti-TES光学吸收效率的影响。分析了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔不同薄膜厚度的变化自身应力随之变化的趋势,最后制备了不同厚度SiO_(2)-SiN_(x)光学谐振腔的TES,并进行光学吸收效率的测试,验证了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔薄膜厚度对Ti-TES光学吸收效率变化的规律。

关键词：计量学 TES 超导薄膜光学谐振腔 SiO_(2)-SiN_(x)体系 Ti膜

电感型光学超导转变边沿探测器件光学谐振腔设计

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计量学报 2023年第8期44卷 1159-1162页

作者：王振宇钟青曾九孙李劲劲徐骁龙王雪深中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 中国计量科学研究院北京102200

为提高电感型光学超导转变边沿探测器件的探测效率,针对波长633 nm的光子,厚度15 nm的铌(Nb)膜光子吸收层,设计了一种基于Al全反射层、SiO2和SiNx减反层的谐振腔结构。通过仿真,选取低反射率参数分布区间,利用终点探测曲线作为谐振腔性... 详细信息

为提高电感型光学超导转变边沿探测器件的探测效率,针对波长633 nm的光子,厚度15 nm的铌(Nb)膜光子吸收层,设计了一种基于Al全反射层、SiO2和SiNx减反层的谐振腔结构。通过仿真,选取低反射率参数分布区间,利用终点探测曲线作为谐振腔性能的判断依据,通过磁控溅射工艺和化学气相沉积工艺制备了谐振腔,并使用分光光度计测试了反射率,结果表明:制备的谐振腔可将633 nm光波反射率降低至0.9%,并对506~690 nm宽波段光也有良好的减反效果(反射率<1%)。

关键词：计量学超导转变边沿超导Nb膜反射率光学谐振腔化学气相沉积磁控溅射

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光学谐振腔运动时电磁场的能量和动量

激光杂志 2015年第11期36卷 110-112页

作者：苑新喜中国地质大学(武汉)数学与物理学院武汉430074

依据电磁场的相对论变换,计算了平行平面开放式光学谐振腔匀速运动时一个周期内电磁场的平均能量和平均动量,结果表明:该电磁场的能量和动量不仅与谐振腔的运动速度有关,还与运动方向有关,完全不能类比于运动粒子的相对论能量和动量。再... 详细信息

依据电磁场的相对论变换,计算了平行平面开放式光学谐振腔匀速运动时一个周期内电磁场的平均能量和平均动量,结果表明:该电磁场的能量和动量不仅与谐振腔的运动速度有关,还与运动方向有关,完全不能类比于运动粒子的相对论能量和动量。再者,在谐振腔分别沿其轴向运动和沿垂直轴向运动这两种情形下,该电磁场的能量和动量都有巨大差异。

关键词：光学谐振腔狭义相对论能量动量

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光学谐振腔加速度敏感度的定量分析

光学谐振腔加速度敏感度的定量分析

作者：吕莎莎中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)

学位级别：硕士

具有高频率稳定度的窄线宽激光被广泛应用于高分辨率激光光谱学,光学原子钟,冷原子系统,引力波探测等研究领域。Pound-Drever-Hall激光稳频方法是实现高稳定窄线宽激光的重要途径之一,在该方法中激光器的频率稳定性主要取决于作为频率... 详细信息

具有高频率稳定度的窄线宽激光被广泛应用于高分辨率激光光谱学,光学原子钟,冷原子系统,引力波探测等研究领域。Pound-Drever-Hall激光稳频方法是实现高稳定窄线宽激光的重要途径之一,在该方法中激光器的频率稳定性主要取决于作为频率参考的光学谐振腔的长度稳定性。但是振动会导致腔体的形变,进而产生激光频率噪声。为了降低振动对激光频率稳定性的影响,除了采用振动隔离以外,近年来逐渐发展起另外一种全新的方法,即通过合理设计支撑结构以及几何形状来大幅度地降低光腔自身对振动的敏感度。这一方法利用有限元分析进行数值模拟,能够大量地节省设计时间和降低实验成本,在提高光腔的稳定性方面发挥着重要的作用。虽然目前利用有限元分析的数值模拟方法已经被广泛地应用于光腔的优化设计上,但是对整套方法还缺乏一个系统和全面的描述,同时在一些具体的模拟方法、可靠性分析以及实验验证方面上还需要进行深入的研究。例如在进行振动敏感度的分析前首先需要确定腔体的形变和光腔长度变化之间的定量的关系。为了最后得到光腔的加速度敏感度还需要采用有限元方法来分析光腔的形变,这方面仍存在着一个值得探讨的问题。在有限元分析中对腔体支撑进行建模时目前通常采用两种方式,即直接在腔体表面上取几块小区域进行约束或者使用刚性材料作为支撑,而实际应用中广泛采用的是软性支撑。这样通过有限元分析得到的结果就有可能存在偏差。此外在对加速度敏感度的分析和优化中如何考虑光腔的加工和安装偏差的影响,也是有待进一步探讨的问题。本文首先推导了光学谐振腔的形变所导致的腔长变化。该结果具有普适性,可以用来分析不同形状、不同尺寸以及不同支撑方式的光腔的加速度敏感度。在此基础上通过有限元分析获得腔体受到振动后的形变量,就可以确定光腔的加速度敏感度。此外将该分析做了进一步的推广,考虑了腔体加工偏差和腔镜安装偏差对由振动导致的腔长变化的影响。为了缩小数值模拟和实际系统之间的差距,本文在有限元分析中模拟了采用软性支撑的光腔,该建模方式更接近于实际情况。在分析中发现当采用软性支撑的腔体在受到振动时会出现较大的整体转动,干扰了对腔长变化量的计算。为解决该问题引入一种旋转坐标系的方法,可以将腔体的整体转动效应扣除掉。加入这一步骤后,分析了一种采用软性材料支撑的长方体腔的加速度敏感度,并将之与直接在腔体表面上取几块小区域进行约束时的结果进行了比较。此外通过大量的数值计算考察了有限元分析结果对多个关键建模参数的敏感性,包括网格尺寸、摩擦系数以及对支撑结构各部分的简化程度。为了进一步验证整套分析方法的可靠性,将本文的分析结果与新近发表的关于光腔振动敏感度的分析和测量结果进行了比较。当直接在腔体表面上约束光腔的运动时,本文与文献中的数值模拟结果是一致的。相比于直接在腔体上进行约束,本文通过采用软性支撑方式获得的数值模拟结果与实测值的符合程度更好。最后采用这里介绍的方法对一个200 mm长的水平放置的切槽圆柱腔的支撑方式进行了优化。在优化中采用了直接在腔体表面约束和软性支撑两种方式,并对相应的优化结果进行了比较。这里所总结的分析方法可用于定量分析各种类型光腔的加速度的敏感度,并在此基础上对光腔的几何形状和支撑方式进行优化。随着更多的实验验证以及在此基础上的对建模方式和计算方法的不断改进,该方法的准确度将得到进一步的提高,能够在更加广泛的研究领域中发挥更大的作用。

关键词：激光稳频光学谐振腔光频率标准有限元分析

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结构改进的厘米尺寸谐振腔的磁场传感特性

物理学报 2021年第16期70卷 16-22页

作者：于长秋马世昌陈志远项晨晨李海周铁军杭州电子科技大学电子信息学院杭州310018

基于光力谐振腔的磁力仪在应用时主要受限于灵敏度和检测带宽两个指标.本文设计了一种厘米尺寸的回音壁模式谐振腔结构,可探测6 Hz至1 MHz频率范围内的交变磁场,在无磁屏蔽、室温环境下、无直流偏置磁场时,其最佳灵敏度在123.8 kHz可达5... 详细信息

基于光力谐振腔的磁力仪在应用时主要受限于灵敏度和检测带宽两个指标.本文设计了一种厘米尺寸的回音壁模式谐振腔结构,可探测6 Hz至1 MHz频率范围内的交变磁场,在无磁屏蔽、室温环境下、无直流偏置磁场时,其最佳灵敏度在123.8 kHz可达530 pT·Hz^(-1/2),探测带宽和最佳灵敏度分别为同尺寸谐振腔的11倍和1.67倍.该磁场传感器仅需100μW的光功率,功耗很低.后续通过优化系统噪声、提升器件磁场响应能力等手段可进一步提升其传感性能,有望在电力系统故障监测和医学诊断等领域发挥其应用潜力.

关键词：磁场传感光学谐振腔回音壁模式

利用模糊算法实现光学谐振腔锁定优化(特邀)

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红外与激光工程 2022年第12期51卷 25-30页

作者：陈一路冯艳妮闫智辉贾晓军山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

光学谐振腔不仅可以增强激光和物质的相互作用,而且能够抑制激光的噪声,是开展精密测量、量子光学等研究的重要工具。激光和光学谐振腔共振的稳定锁定是其应用的关键。然而,在实际环境中锁定效果会受机械振动、温度变化等因素的影响。... 详细信息

光学谐振腔不仅可以增强激光和物质的相互作用,而且能够抑制激光的噪声,是开展精密测量、量子光学等研究的重要工具。激光和光学谐振腔共振的稳定锁定是其应用的关键。然而,在实际环境中锁定效果会受机械振动、温度变化等因素的影响。提出了将模糊算法应用于PDH(Pound-Drever-Hall)技术,使比例积分微分控制器的三个参数能够根据外界环境变化进行调节以实时获得最优参数,有效提升了光学谐振腔的锁定的抗干扰能力。如果外界干扰仍然过大以至于失锁,系统可以使其自动重新锁定。该系统有效增强了光学谐振腔的实用性,为光学谐振腔在精密测量、量子光学实验中的应用提供了技术基础。

关键词：光学谐振腔 PDH技术比例积分微分控制模糊算法

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光学谐振腔

高等函授学报（自然科学版） 1998年第1期11卷 21-23页

作者：陈五高华中师范大学物理系