腔增强原理的光学检测技术
腔增强吸收光谱技术
腔增强吸收光谱技术
腔增强吸收光谱技术（Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy，CEAS）是一种高灵敏度的光谱分析技术，用于检测气体或液体样品中的微量分子。
这一技术的原理涉及将样品引入光学腔中，然后使用高度反射的镜子以增强光的相互作用，从而提高吸收光谱的检测灵敏度。
以下是腔增强吸收光谱技术的基本原理和特点：
1.光学腔：腔增强吸收光谱技术使用具有高度反射的镜子构成的
光学腔，形成一个光学共振腔。
这个腔用于多次反射光线，从
而增加样品与光相互作用的机会。
2.样品引入：样品（通常是气体或液体）被引入腔中，光线穿过
样品多次，与样品中的分子相互作用。
分子吸收特定波长的光。
3.光谱测量：通过在腔中引入一个宽带光源，测量样品的吸收光
谱。
光谱中的吸收线与样品中的分子特定振动或转动模式相对
应。
4.高灵敏度：由于光线在腔内多次反射，光路增加，使得腔增强
吸收光谱技术具有非常高的灵敏度。
它可以检测到样品中的微
量分子，通常在ppm（百万分之一）或ppb（十亿分之一）浓
度范围内。
5.应用领域：腔增强吸收光谱技术广泛用于环境监测、大气科学、
化学分析、生物医学、食品安全和材料科学等领域。
6.仪器复杂性：腔增强吸收光谱技术的仪器通常比传统吸收光谱
仪器复杂，需要高度精确的光学部件和稳定的光源。
总之，腔增强吸收光谱技术是一种用于检测微量气体或液体中分子的高灵敏度技术。
它在科研和工业应用中有着广泛的用途，用于分析和监测多种化学物质。
一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析
⼀种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析摘要：通过理论探讨和实验仿真，分析了⼀种新型谐振腔增强型光电探测器RCEP(Resonant Cavity Enhanced Photodetector)的结构及性能，该RCEP的基本结构是将吸收层插⼊到谐振腔当中，并指出这种新型器件较传统器件可获得较⾼的量⼦效率和响应速度，⽽其具有的波长选择特性，使这种新型器件可在光波分复⽤WDM(Wavelength Division Multiplexing)系统中获得⼴泛应⽤。
关键词：谐振腔增强型(RCE)；光电探测器；量⼦效率；驻波效应随着光波分复⽤(Wavelength Division Multiplexing，WDM)通信技术的发展，具有波长选择特性和⾼响应速度的光探测器已经在光通信中显⽰出了它的巨⼤优势。
这⾥探讨⼀种新型的光电探测器——谐振腔增强型光电探测器(Resonant Cavity Enhanced Photodetector，RCEP )，该RCEP的基本结构是将吸收层插⼊到谐振腔当中。
由于谐振腔的增强效应使其在较薄的吸收层情况下即可获得较⾼的量⼦效率，同时减少了光⽣载流⼦在吸收层的渡越时间，提⾼了器件的响应速度，因⽽能够解决传统探测器量⼦效率和响应速度之间的相互制约⽭盾。
此外，由于谐振腔的作⽤使该器件本⾝具有波长选择特性，⽆需外加滤波器，因⽽有可能成为波分复⽤光纤通信系统中的新⼀代光探测器。
1 RCE器件的结构及量⼦效率分析量⼦效率是⽤来表征光电转换效率的物理量，定义式为式中，Lp是光⽣电流强度，Eo是电⼦电荷，Po是⼊射光强度。
图l为RCE器件的结构原理图。
图中，吸收区是⼀种窄禁带的半导体材料，顶部与底部的DBR由交替的⾮吸收的宽禁带材料构成，吸收区与顶部DBR和底部DBR之间的隔离区也为宽禁带材料。
在实际应⽤中，器件的反射镜⼀般由介质或半导体材料的1／4波长堆栈构成，简化设计时，顶镜可以利⽤半导体材料和空⽓的界⾯构成，提供约30％的反射率。
光学谐振腔的三个作用
光学谐振腔的三个作用引言光学谐振腔是一种光学设备，广泛应用于光学通信、激光器、量子光学等领域。
它通过反射和干涉的原理，显著地改变光的传播性质。
光学谐振腔具有三个主要作用，本文将详细探讨这三个作用以及其在不同应用领域中的意义和应用。
一、增强光与物质相互作用光学谐振腔可将光与物质的相互作用增强到极高的程度，这是其最重要的作用之一。
通过将光反复来回反射在腔内，光场与物质之间的相互作用长度可以被增加数倍甚至数百倍，大大提高了光与物质的相互作用强度。
1. 提高光吸收率光在材料中的吸收与材料本身的吸收率相关，光学谐振腔可以将光场多次反射回材料中，从而增加光在物质中的传播距离，提高光的吸收率。
这对于敏感的光学测量或光催化反应等方面尤为重要。
2. 增强非线性光学效应光学谐振腔还可以增强物质中的非线性效应，如二次谐波和三次谐波产生。
非线性效应通常具有很小的效应，需要高强度的光场才能观察到。
光学谐振腔提供了一种有效的方式来增强非线性光学效应，使其易于观察和应用。
3. 增加光与物质的耦合效率光学谐振腔可以通过调整腔内的模式和腔内介质的折射率，提高光与物质之间的耦合效率。
这对于一些需要高效能量传输或高灵敏度测量的应用非常重要。
二、选择性光谱滤波光学谐振腔具有高品质因子（Q-factor），可以选择性地过滤出特定频率的光。
这个作用在光通信和光传感领域中具有重要意义。
1. 光通信中的应用光学谐振腔可以用作光通信中的滤波器，通过选择性地传输或反射特定频率的光，实现光信号的调制和解调。
这样可以增强光信号的传输效率和抗干扰能力。
2. 光传感中的应用光学谐振腔可以选择性地增强某些特定波长的光信号，从而提高传感器的响应灵敏度。
例如，在光纤传感中，通过将光传输到光学谐振腔中，可以增强传感器对目标物理量的响应信号。
3. 光谱分析中的应用光学谐振腔提供了一种高分辨率的光谱分析技术。
通过调整光学谐振腔的结构参数，可以实现对特定波长的高精度光谱分析。
光学腔及其相关技术PPT课件
温度调谐
通过改变光学介质温度， 实现对腔内光场的调谐。
光学腔的增益技术
介质增益
波导增益
利用特定光学介质作为增益介质，实 现对腔内光场的增益放大。
利用波导结构中的增益介质，实现对 腔内光场的增益放大。
光纤增益
利用掺杂光纤作为增益介质，实现对 腔内光场的增益放大。
03
光学腔的应用
光学腔在激光器中的应用
02
光学腔的相关技术
光学腔的稳定性控制
01
温度控制
通过温度调节系统，保持光学腔 内的温度稳定，以减小热效应对 腔内光场的影响。
振动隔离
02
03
腔长控制
采用隔振系统，减小外界振动对 光学腔稳定性的影响，提高光场 的稳定性。
通过自动控制系统，实时监测和 调整光学腔的长度，保持腔长稳 定。
光学腔的耦合技术
光学腔在量子信息中的应用
光学腔可以用于实现量子比特的相干 控制和读出，是量子计算和量子通信 中的关键元件。
通过将量子比特与光学腔耦合，可以 实现量子比特的初始化、逻辑门操作 和测量。
光学腔在生物医学中的应用
光学腔可以用于生物医学成像和诊断，例如拉曼光谱和荧光光谱等。
通过将光学腔与生物样品结合，可以实现对生物分子的高灵敏度和高分辨率检测。
激光产生
光学腔可以提供反馈机制，使光 子在腔内循环，增强光子与物质
的相互作用，从而产生激光。
激光调谐
通过改变光学腔的长度或折射率， 可以对激光的波长进行调谐，以满 足不同应用的需求。
激光放大
光学腔可以增强光子在物质中的传 播，从而实现激光的放大。
光学腔在光谱学中的应用
光谱分辨率
光学腔可以限制光子的传播方向，提高光谱分辨 率，用于物质成分的分析和检测。
高性能谐振腔增强型光探测器及具有波长解复用功能的光探测器阵列的研究的开题报告
高性能谐振腔增强型光探测器及具有波长解复用功能的光探测器阵列的研究的开题报告一、研究背景和意义随着通信技术的不断发展，对高速、高灵敏度、高信噪比的光探测器的需求越来越迫切。
谐振腔增强型光探测器是一种近年来新发展起来的高性能光探测器。
它通过将半导体材料制成腔体结构，从而实现强化光与介质的相互作用，提高了光探测的灵敏度和速度，使其在高速通信、光学传感等领域具有广泛的应用前景。
同时，为了实现多信道光通信和多波长成像等应用，需要具有波长解复用功能的光探测器阵列。
该技术能够实现同一设备上对多个波长的信号进行解复用和检测，从而提高了光信号的处理效率和精度。
因此，对于高性能谐振腔增强型光探测器及具有波长解复用功能的光探测器阵列的研究具有重要的实际意义和应用前景。
二、研究内容和方法本研究旨在设计、制备和测试高性能谐振腔增强型光探测器及具有波长解复用功能的光探测器阵列，具体研究内容和方法如下：1. 设计并制备高性能谐振腔增强型光探测器。
该方法主要包括以下步骤：设计谐振腔结构参数，选择合适的半导体材料进行制备，利用微细加工技术制作出具有高品质因子的谐振腔结构，并通过表征测试对其性能进行评估和分析。
2. 探究和分析谐振腔增强对光探测性能的影响机制。
该过程主要采用仿真和实验方法，分析谐振腔增强对信号检测能力、响应时间和重复率等性能指标的影响机制，为进一步优化腔体结构提供理论基础。
3. 设计并制备具有波长解复用功能的光探测器阵列。
该方法主要包括以下步骤：设计多通道反射镜阵列，利用纳米加工技术制作具有多空间频率特性的多通道反射镜，结合谐振腔增强型光探测器，实现对多波长的信号解复用。
4. 对设计的光探测器及阵列进行测试和性能评估。
该过程主要基于测试和分析技术，对制备的高性能谐振腔增强型光探测器及具有波长解复用功能的光探测器阵列进行性能测试和评估，并与现有的光探测器进行比较，验证其优越性。
三、研究意义和预期成果本研究旨在设计、制备和测试高性能谐振腔增强型光探测器及具有波长解复用功能的光探测器阵列。
法布里珀罗腔fp腔的原理及应用
法布里珀罗腔(fp腔)的原理及应用1. 简介法布里珀罗腔（Fabry-Perot cavity）是一种光学腔，由两个高反射率的光学镜片夹持而成。
它是一种基于干涉效应的光学器件，可以用于光谱分析、激光器和光纤通信等领域。
本文将介绍法布里珀罗腔的原理及其应用。
2. 原理法布里珀罗腔的原理基于光的干涉现象，两个平行的高反射率光学镜片之间形成一个干涉空腔。
当光线从一个镜片入射后，一部分光会被反射回来，而另一部分光会透过镜片进入腔内。
在腔内，光线来回多次反射，形成了干涉现象。
具体的原理可以用以下步骤来说明：•光线从入射面射入法布里珀罗腔，一部分光被反射回来，一部分光透过进入腔内。
•光线在腔内来回反射，形成了构成干涉的光束。
•反射光与透射光相互干涉，形成干涉图样。
法布里珀罗腔的干涉图样取决于入射光的频率和反射镜的特性。
当入射光的频率与腔内干涉频率相匹配时，干涉峰会出现，从而形成谐振。
由于一系列干涉峰的出现，法布里珀罗腔可以实现对特定频率的光的增强。
3. 应用法布里珀罗腔在光学领域有广泛的应用，下面将介绍几个常见的应用领域。
3.1 光谱分析法布里珀罗腔可以用于光谱分析，通过改变入射光的频率，可以得到不同频率的干涉峰，从而实现对光的频谱分析。
光谱分析在物质分析和光学研究中具有重要意义，法布里珀罗腔的高分辨率和灵敏度使其成为一种常见的光谱分析工具。
3.2 激光器法布里珀罗腔也可以作为激光器的腔体。
当激发介质位于法布里珀罗腔中时，光在腔内来回反射增强，从而形成激光输出。
法布里珀罗腔激光器具有窄谱线宽、较高的功率和较长的寿命等优点，被广泛应用于激光技术领域。
3.3 光纤通信法布里珀罗腔还可以用于光纤通信系统中。
在光纤通信中，法布里珀罗腔可以作为滤波器或反射器件，实现对特定波长光的选择性传输和控制。
通过调节法布里珀罗腔的参数，可以实现光纤通信的波长调制和调制多路复用等功能。
4. 总结法布里珀罗腔是一种基于光的干涉现象的光学器件，具有广泛的应用领域。
光学谐振腔原理
光学谐振腔原理一、引言光学谐振腔是一种光学器件，利用反射镜将光束反复地来回传播，形成驻波场，从而增强光的强度。
它广泛应用于激光器、光纤通信等领域。
本文将详细介绍光学谐振腔的原理。
二、基本结构光学谐振腔由两个反射镜组成，其中一个镜子是半透明的，可以将一部分光线透过去。
当激光器发出一束单色激光时，它被反射镜反射回来，在两个反射镜之间来回传播，并在其中形成驻波场。
三、驻波场的形成当激光束从一个反射镜进入谐振腔时，它被反射回来，并在另一个反射镜上发生多次反射。
如果两个镜子之间的距离是整数倍的波长，则会形成一个驻波场。
在这个场中，电磁波的振幅和相位都是固定不变的。
四、增益介质为了使谐振腔中的激光能够不断地增强，需要在腔内加入一个增益介质。
增益介质是一种能够放大光信号的物质，如激光晶体、半导体等。
当激光通过增益介质时，它会被放大，并在反射镜上反射回来。
五、谐振条件为了使光学谐振腔正常工作，需要满足一定的谐振条件。
首先，两个反射镜之间的距离必须是整数倍的波长。
其次，增益介质必须具有足够的增益，以补偿光损失。
六、应用领域光学谐振腔广泛应用于激光器、光纤通信等领域。
在激光器中，它可以使激光输出更加稳定和强大。
在光纤通信中，它可以使信号传输更加远距离和高速。
七、总结本文详细介绍了光学谐振腔的原理和基本结构，以及驻波场的形成、增益介质、谐振条件和应用领域等方面。
通过深入了解这些知识点，我们可以更好地理解光学谐振腔的工作原理，为实际应用提供更加有效的支持。
研究光学微腔中的光学共振现象
研究光学微腔中的光学共振现象光学微腔是一种能够在其中储存光子并使其产生共振现象的微型结构。
近年来，光学微腔的研究成为了光学领域的热点之一。
在这篇文章中，我们将探讨光学微腔中的光学共振现象的研究进展以及其在应用中的潜力。
首先，我们来了解一下什么是光学微腔。
光学微腔是一种具有高度反射边界的微型结构，通常由高折射率材料制成，例如二氧化硅或氮化硅。
这种结构能够通过将光子限制在其内部，使其具有长的光学传输路径，并且能够将光子有效地囚禁在其中。
通过调节微腔的尺寸和形状，可以实现不同波长范围内的光子共振。
光学微腔中的光学共振现象是指当入射光频率等于微腔的固有频率时，光子的振荡将得到放大，从而形成共振峰。
这种共振现象类似于弦乐器上的共振，当弦乐器的共振频率与音调匹配时，声音会变得更加响亮。
类似地，当光子的频率与微腔的固有频率匹配时，光强也会得到增强。
这种光学共振现象不仅可以用于增强光的强度，还可以用于增强光与物质的相互作用。
光学微腔中的光学共振现象在光学通信、传感和量子信息等领域有着广泛的应用。
例如，在光学通信中，光学微腔可以用作高速调制器和光放大器，可以实现高速数据传输和光信号处理。
在传感领域，由于光子在微腔中的长传输距离和高增益特性，光学微腔可用于检测微小的物理和化学变化，如生物分子的结合和温度的变化。
在量子信息学中，光学微腔可以作为量子比特和量子存储的载体，用于实现量子计算和量子通信。
光学微腔中的光学共振现象的研究已取得了一系列重要的成果。
目前，国际上已经实现了各种类型的光学微腔，如马氏型光学微腔、球形微腔和光子晶体微腔等。
这些微腔不仅具有高品质因子（Q因子），还能够在不同波长范围内生成共振峰。
通过优化微腔的尺寸和材料，可以实现更高的光子增益和更低的损耗。
此外，近年来，各种新型的光学微腔结构也被提出和研究。
例如，光学陷阱微腔利用光学力将光子限制在微腔中，形成共振现象。
这种结构具有更高的Q因子和更长的光学传输路径，有望在传感和量子信息领域有更广阔的应用前景。
原子系综中光学腔增强的Duan-Lukin-Cirac-Zoller写过程激发实验
原子系综中光学腔增强的Duan-Lukin-Cirac-Zoller写过程激发实验*袁亮1)2) 温亚飞1)2) 李雅1)2) 刘超1)2) 李淑静1)2)徐忠孝1)2) 王海1)2)†1) (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, 太原 030006)2) (极端光学协同创新中心, 太原 030006)(2020 年8 月24日收到; 2020 年12 月9日收到修改稿)原子系综中的Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)过程是产生光与原子(量子界面)量子关联和纠缠的重要手段. 当一束写光与原子发生作用时, 将会产生斯托克斯(Stokes)光子的自发拉曼散射, 并同时产生一个自旋波(spin-wave)存储在原子系综中, 上述过程即为DLCZ量子记忆产生过程. 这一过程被广泛地研究. 本文将87Rb原子系综放入驻波腔, 并使Stokes光子与光学腔共振, 我们观察到有腔且锁定的情况下Stokes光子产生概率比无腔时增大了8.7倍. 在此条件下研究了Stokes光子产生概率和写光功率的关系, Stokes光子产生概率随写光功率线性增大.关键词：Duan-Lukin-Cirac-Zoller方案, 自发拉曼散射, Stokes光子, 驻波腔PACS：03.67.–a, 03.67.Bg, 03.65.Ud DOI: 10.7498/aps.70.202013941 引 言在远距离量子节点之间实现纠缠是量子通信和量子中继的难点之一, 为实现量子中继器[1,2]、远距离量子通信[3]和量子密码[4], 量子节点间纠缠态的分布无疑提供了很有前途的途径. 实现基于原子系综的可伸缩长距离量子通信的最有价值的协议之一是Duan, Lukin, Cirac和Zoller(DLCZ)在2001年提出的协议[3], 由于该方案原理简单, 迅速成为热点研究课题, 相应地发展出大量衍生方案.然而, 大多方案的一个显著缺点是纠缠光子产率低, 使得长距离纠缠分发难以成功. 高制备速率和纠缠自旋波光子对的确定性产生是量子中继器和量子网络的重要组成部分. 实现光子-原子纠缠的方式有多种, 其中冷原子系综的自发拉曼散射(SRS)[5−13]是应用最广泛也是比较简单的方法之一. SRS的具体过程为一束特定频率的光(写光)与原子相互作用, 产生一个自旋波激发存储在原子中的同时发射出一个Stokes光子到空间中, 这一过程叫做SRS的写过程; 之后由一束其他频率的光(读光)从相反的方向与原子作用, 这将会把spin-wave读出, 同时向空间中发射一个反斯托克斯(anti-Stokes)光子, 这一过程为读过程. 许多实验已经通过SRS实现了原子-光子纠缠的产生[7,9,14−16].在原子系综中实现纠缠就要求写激发率较低, 这样可以避免读出噪声过大而引起纠缠降低, 因此, 纠缠光子对的低产生率限制了纠缠在量子中继器中* 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2016YFA0301402)、国家自然科学基金(批准号: 11475109, 11274211, 11604191, 11804207, 61805133)和山西省“1331 工程”重点学科建设计划(批准号: 1331KSC)资助的课题.† 通信作者. E-mail: wanghai@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 成功分布的总时间和量子通信的长距离[17,18]. 为了能够在低激发率的条件下增加纠缠光子对的产生速率, 人们提出了许多方案[19,20], 包括山西大学光电研究所的研究小组先后实现的空间多模存储[21]和时间多模存储[22]. 但在时间倍增多模自旋波产生过程中, 需要将写激发光多次施加到原子系综中, 由此将引起大的噪声[21], 而使得纠缠降低[23].Simon 等[23]提出一个改进方案: 通过光学腔与Stokes 光子共振, 可以将噪声大大抑制. Heller 等[24]通过将原子系综嵌入低精细度光学腔内, 使Stokes 光子与腔共振, 大大抑制了时间多模存储操作中产生的额外噪声. 本文研究了原子系综中光学腔增强的DLCZ 写过程激发实验, 利用驻波腔实现了Stokes 光子产率的倍增, 有腔且锁定的情况下Stokes 光子产生概率比无腔时增大了8.7倍.2 实验装置及能级结构87Rb 5S 1/2,F =2⟩→ 5P 1/2,F ′=1⟩5S 1/2,F =2⟩→ 5P 1/2,F ′=2⟩5S 1/2,F =2⟩ 5S 1/2,F =1⟩|5S 1/2,F =1,m =0⟩|5S 1/2,F =1⟩→ 5P 1/2,F ′=2⟩|5S 1/2,F =1,m =0⟩|5P 1/2,F ′=2,m =1⟩ 5S 1/2,F =2,m =0⟩5S 1/2,F =2,m =2⟩|+⟩(|−⟩)|R ⟩(|L ⟩)k m =k w −k s |Φ⟩=√χ|Φ⟩=√χ(cos θ|+⟩|R ⟩+sin θ|−⟩|L ⟩)|+⟩(|−⟩)|a,m a ⟩→|b,m b =m a ⟩(|a,m a ⟩→|b,m b =m a +2⟩)|R ⟩(|L ⟩)σ+(σ−)cos θ我们实验利用 冷原子系综的SRS 过程来实现光与原子纠缠的产生. 图1为写过程的实验能级图, 俘获的原子可以处在基态的任一能级上, 因此需要将原子制备到实验所需的能级上, 两束态制备光的频率锁定在 和 上, 其中一束光为左旋圆偏振, 另一束为右旋圆偏振. 两束泵浦光偏振必须相反才能保证将所有的原子从的原子制备到 上. 以处在 上的原子为例, 在一束频率锁定在 红失谐20 MHz 的写光与该能级上的原子发生作用后, 处在 上的原子就会吸收能量跃迁到 能级上, 由于自发拉曼过程, 原子会自发地落到 ( )能级, 此时原子内部会存储一个 的自旋波激发, 并且激发出一个 Stokes 光子. 整个过程中, 自旋波激发、写光和Stokes 光子的波矢量满足 . 在写过程完成后, 获得了自旋波-光子纠缠态, 表示位于能级 上的自旋波极化, 代表 偏振态的Stokes 光子, 公式中的 代表C-G(Clebsch-Gordan)系数.3◦2◦实验装置如图2所示, 将雪茄型原子长轴定义为Z 轴, 写光场与Z 轴夹角为 , 并与原子相互作用, 写光功率设置得比较低, 目的是为了避免读出噪声较大引起的纠缠降低. 两束光斑直径为3.8和3.9 mm 且互相重合的泵浦光与量子化轴Z 轴的夹角为 左右并与原子相互作用, 功率均为45 mW.写光、泵浦光脉冲宽度分别为70和250 ns.为了增强信号光与原子间的耦合强度, 在同等写光功率下增加Stokes 光子的产率, 且不引入额外的噪声, 在冷原子周围放置了驻波腔. 腔由两个焦距为400 mm 的平凹镜组成, 反射率分别为R =80%和R = 99%. R = 99%的平凹腔镜固定在压电陶瓷(PZT)上, 用于主动锁定腔长. 腔的长度为0.6 m, 腰斑大小为0.7 mm, 实验测得的自由光谱区(FSR)为256 MHz. 腔中所有的光损耗主要包括腔内其他光学元件的4%的损耗以及冷原子真空室的5%损耗. 冷原子驻波腔的精细度为19.1. 使用Pound-Drever-Hall (PDH)锁模方案来主动稳定腔长, 并使Stokes 信号光场和锁定光场同时与腔共振. 锁定光通过一个透射率94%的分束镜耦合到主光路, 并透过两个腔镜进入到探测器. 俘获原子的过程中腔处于锁定状态, 由于锁定光与信号光共振, 所以实验过程中锁定光关闭,腔处于短暂的失锁状态, 以防止锁定光进入探测光路.在实验过程中, 首先要关掉MOT (magneto optical trap), 并将腔失锁, 之后写光脉冲与原子作用, 产生了一个spin-wave 的同时一个Stokes| 2>| 1>| >| >=1 =25S 1/2=1 =25 1/287Rb σ+σ−图 1 实验能级图 (a)表示SRS 中的写过程, W 表示写光光场, ( )代表左(右)旋圆偏振的Stokes 光子87Rb σ+σ−Fig. 1. Relevant atomic levels. (a) is the writing pro-cess of the SRS process, The coupling light field are writing light field(W ), ( ) represents left (right) polarization of Stokes.λ/4λ/2λ/4λ/4σ−σ+光子被激发到空间中, Z 轴方向的Stokes 光子会在腔内共振. 从80%的腔镜透射出腔外的Stokes 会由多模光纤收集, 经过94%的耦合镜后进入探测光路. 由于实验环境的限制, 非信号光可能进入到探测光路影响实验结果, 因此在探测光路上放置三个由F-P 腔加工成的窄带滤波器过滤掉非信号光, 只让信号光透过. 考虑到光纤等光学元件引入相位差导致的偏振变化, 因此要再经过一组玻片, , 对圆偏相位补偿, 之后经过一个 玻片将 和 偏振的光子转换成H 和V 偏振,最后由PBS 投影到不同的方向探测. 由于光路上光学元件以及探测器的损耗影响, Stokes 光子的探测效率为30%.87Rb 图3所示为实验过程的时序图. 整个过程以30 Hz 频率多次重复, 每个重复周期用时33.3 ms,冷却 冷原子团耗时23.3 ms, 之后的0.5 ms 期间, 作用一个时长为20 µs 的态制备光用来进行态制备, 将原子泵浦到实验所用到的能级上, 为后续实验做准备, 接下来的10 ms 时间用来实现Stokes 光子的产生收集以及探测. 态制备之后, 写光脉冲与原子作用并在某一角度利用单模光纤收集Stokes 光子, 若探测器没有响应, 则说明没有探测到信号光子, 自旋波激发也没有被存储到原子中,但原子的状态已经被破坏, 就需要态制备光重新作用于原子, 之后再次发射写光脉冲, 再次进行探测,这个过程的时长为1.5 µs, 多次循环, 直到探测到信号光子后, 停止发射写光, 最终探测到的Stokes 光子信号都会由单光子探测器转变成电信号输入到FPGA(field programmable gate array)中进行分析.3 实验结果与理论分析在原子系综中, 原子与写脉冲相互作用后, 通过SRS 机制同时产生Stokes 光子和spin-wave.高的Stokes 光子的产生率是实验的目标之一, 但是较高的写光功率会导致读出噪声较大, 因此要选择合适的写光功率降低读出噪声. 在合适的写光功率下, 如何产生更多的Stokes 光子是本实验的主要目的.R =r 2p 考虑原子处于一个理想单端腔中, 其中一个腔镜的反射率为100%, 另一个反射率 , 腔内无损耗. 假设腔内有一个原子处在激发态, 且腔内没有光子. 在没有腔的情况下, 单位时间内沿腔方向发射单个光子的概率为 ; 当添加空腔时, 有几种方法可以使单光子透射出腔外. 首先, 它可能在透射后直接出来. 其次, 它可能已经在空腔中进行了一次往返, 或者两次, 甚至更多次. 写下可能的概率幅:t 2=T =1−R p n 2π其中 为第二个腔镜的透射率, 表示腔内光子n 次往返后出射到腔外的概率. 通过调整腔长, 可以实现腔长为光子半波长的整数倍, 光子在腔中往返一次之后相位会增加 的整数倍.PBSPumpFilters94%BSLensCMPZTCMW r it eaxisPD-PD+λ/4λ/2图 2 实验装置图. 其中PZT 代表压电陶瓷; CM 表示腔镜; BS 表示分束镜; Filter 表示标准具滤波器; , 分别代表四分之一玻片和二分之一玻片; PBS 为偏振分束棱镜; PD 表示单光子探测器λ/4λ/2Fig. 2. Experimental setup. PZT represents the piezoelectric ceramic transducer; CM, cavity mirror; BS, beam splitter; Filter, F-P etalon; , , quarter wave plate and half wave plate; PBS, polarization beam splitter; PD, single photon detector.图 3 实验时序图. 图中Cleaning 为态制备过程, Write 代表写过程, Locking 表示腔锁定时序, MOT 代表冷原子俘获过程Fig. 3. Time sequence of experimental cycle. Cleaning, the state cleaning process; Write, the writing process; Locking,the locking cavity process; and MOT, the cold atom prepar-ation process.可以计算出单位时间内光子发射出腔外的概率为增强因子为F 2F /π其中 为腔的精细度, 若驻波腔与Stokes 光子共振, 那么相当于Stokes 光子的产生概率增加了倍. 然而, 实际上腔的损耗是实验中不可忽略的重要因素, 考虑腔内损耗后单位时间内光子发射出腔外的概率为增强因子为l 其中腔内损耗为 .N N S ηN 因此在光与原子的量子界面中, 对比了在有无驻波腔的两种不同情况下, 激发率随写光功率的变化. 假设每个写光脉冲都能激发出一个Stokes光子, 但是由于光路损耗以及仪器探测效率等因素的影响, 不一定每次都可以探测到, 所以设脉冲总数为 , 实际的激发率为探测到的Stokes 总数 除以总的探测效率 再除以总的脉冲数 , 表示为实验所得结果如图4所示.图中黑色的点代表没有驻波腔时激发率随写光功率的变化, 而红色的点代表驻波腔在锁定时激f ′en≃8.717发率随写光功率的变化, 红色和黑色的线代表拟合. 可以看出, 两者均为线性变化, 但由于Stokes 光子在腔内共振, 因此由于增强效应, 随着写光功率的增强, 相比于无腔的情况下, 写激发率迅速增大. 在原子处所加驻波腔的精细度为19.1, 经过理论计算, 腔锁定的情况下, 同等写光功率的激发率是无驻波腔时激发率的 倍, 与实验数据的8.7倍大致符合.4 结 论本文基于DLCZ 方案在冷原子系综中实现了光与原子纠缠, 并将冷原子系综放置在驻波腔内测量了激发率与写光功率的关系, 且与无驻波腔时做了对比. 实验数据分析表明: 在写光功率相同的条件下, 有驻波腔时激发率是无驻波腔时的8.7倍,且写激发率与写光功率呈线性关系. 本文的工作为在DLCZ 方案中降低时间多模操作中引起的噪声[21]提供了实验解决方法.参考文献S angouard N, Simon C, de Riedmatten H, Gisin N 2011 Rev.Mod. Phys. 83 33[1]Y uan Z S, Chen Y A, Zhao B, Chen S, Schmiedmayer J, PanJ W 2008 Nature 454 1098[2]D uan L M, Lukin M D, Cirac J I, Zoller P 2001 Nature 414413[3]G isin N, Ribordy G, Tittle W, Zbinden H 2002 Rev. Mod.Phys. 74 145[4]B ao X H, Reingruber A, Dietrich P, Rui J, Dück A, StrasselT, Li L, Liu N L, Zhao B, Pan J W 2012 Nat. Phys. 8 517[5]C hen S, Chen Y A, Strassel T, Yuan Z S, Zhao B,Schmiedmayer J, Pan J W 2006 Phys. Rev. Lett. 97 173004[6]C hen S, Chen Y A, Zhao B, Yuan Z S, Schmiedmayer J, PanJ W 2007 Phys. Rev. Lett. 99 180505[7]K uzmich A, Bowen W P, Boozer A D, Boca A, Chou C W,Duan L M, Kimble H J 2003 Nature 423 731[8]M atsukevich D N, Chaneliere T, Bhattacharya M, et al. 2005Phys. Rev. Lett. 95 040405[9]M atsukevich D N, Chaneliere T, Jenkins S D, et al. 2006Phys. Rev. Lett. 97 013601[10]S imon J, Tanji H, Thompson J K, Vuletic V 2007 Phys. Rev.Lett. 98 183601[11]Z hao B, Chen Y A, Bao X H, et al. 2008 Nat. Phys. 5 95[12]Z hao R, Dudin Y O, Jenkins S D, et al. 2008 Nat. Phys. 5 100[13]d e Riedmatten H, Laurat J, Chou C W, et al. 2006 Phys.Rev. Lett. 97 113603[14]M atsukevich D N, Chaneliere T, Jenkins S D, Lan S Y,Kennedy T A, Kuzmich A 2006 Phys. Rev. Lett. 96 030405[15]Y ang S J, Wang X J, Li J, Rui J, Bao X H, Pan J W 2015Phys. Rev. Lett. 114 210501[16]K orzh B, Lim C C W, Houlmann R, et al. 2015 Nat.[17]Power/µW/%图 4 有无驻波腔时激发率随写光功率的变化对比Fig. 4. Excitation probability as the function of power of write light field with cavity and without cavity.Photonics 9 163Y in H L, Chen T Y, Yu Z W, et al. 2016 Phys. Rev. Lett. 117 190501[18]C ollins M J, Xiong C, Rey I H, et al. 2013 Nat. Commun. 42582[19]X iong C, Zhang X, Liu Z, et al. 2016 Nat. Commun. 7 10853 [20]T ian L, Xu Z, Chen L, Ge W, Yuan H, Wen Y, Wang S, Li [21]S, Wang H 2017 Phys. Rev. Lett. 119 130505W en Y, Zhou P, Xu Z, Yuan L, Zhang H, Wang S, Tian L, Li S, Wang H 2019 Phys. Rev. A 100 012342[22]S imon C, de Riedmatten H, Afzelius M 2010 Phys. Rev. A 82 010304(R)[23]H eller L, Farrera P, Heinze G, de Riedmatten H 2020 Phys.Rev. Lett. 124 210504[24]Optical cavity enhancement experiment of Duan-Lukin-Cirac-Zoller writing excitation process in atomic ensemble*Yuan Liang 1)2) Wen Ya -Fei 1)2) Li Ya 1)2) Liu Chao 1)2) Li Shu -Jing 1)2)Xu Zhong -Xiao 1)2) Wang Hai 1)2)†1) (State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Instituteof Opto- Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)2) (Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)( Received 24 August 2020; revised manuscript received 9 December 2020 )AbstractThe Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) process in the atomic ensemble is an important means to generate quantum correlation and entanglement between photons and atoms (quantum interface). When a write pulse acts on atoms, the DLCZ quantum memory process will be generated, which has been extensively studied. In the process a spontaneous Raman scattering (SRS) of a Stokes photon is generated, and a spin-wave excitation stored in the atomic ensemble is created at the same time. The higher probability of the generation of Stokes photons will cause more noise and reduce entanglement. On the contrary, the low generation probability of Stokes photons affects the success probability of entanglement distribution on a quantum repeater. How to increase generation probability of Stokes photons without causing more noise is an urgent problem to be resolved. In this work, a 87Rb atomic ensemble is placed in a standing wave cavity which resonates with the Stokes photon. This cavity has a trip length of 0.6 m and a free spectral range (FSR) of 256 MHz. The optical loss of all the optical elements in this cavity is 9%, of which 4% loss originates from the other optical elements and 5% loss from the vacuum chamber of the magneto-optical trap (MOT). The fineness of the cavity with the cold atoms is measured to be ~19.1. By calculating the total probability of Stokes photon emission out of the cavity, we derive the enhancement factor of this standing wave cavity when the cavity loss is l. When this cavity is locked with PDH frequency locking technique, we observe that the production probability of the Stokes photons is 8.7 times higher than that without cavity due to the optical cavity enhancement effect. Under this condition, the relationship between the generation probability of Stokes photons and the power of write beam is studied. The write excitation probability changes linearly with the power of write beam. This work provides an experimental solution to reducing the noise caused by time multimode operation in DLCZ scheme.Keywords: Duan-Lukin-Cirac-Zoller protocol, spontaneous Raman scattering (SRS), Stokes photon, standing wave cavityPACS: 03.67.–a, 03.67.Bg, 03.65.Ud DOI: 10.7498/aps.70.20201394* Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2016YFA0301402), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11475109, 11274211, 11604191, 11804207, 61805133), and the Fund for “1331Project” Key Subjects Construction of Shanxi Provincie, China (Grant No. 1331KSC).† Corresponding author. E-mail: wanghai@。
光学微腔传感器在生物检测中的应用
光学微腔传感器在生物检测中的应用随着生物学和医学领域的快速发展，对于高灵敏度和高选择性的生物检测技术的需求日益增加。
光学微腔传感器作为一种新兴的生物检测技术，因其具有高灵敏度、高选择性和实时监测等优势受到广泛关注，并逐渐成为生物检测领域的研究热点。
光学微腔传感器是一种基于微腔共振原理的传感器，其工作原理是通过光与微腔中的模式耦合，当微腔中某种物质发生变化时，会引起微腔的谐振频率或品质因子发生变化，从而通过检测这些变化实现对目标物的检测。
在生物检测中，光学微腔传感器具有广泛的应用前景。
首先，光学微腔传感器能够实现对生物分子的快速、高灵敏度的检测。
由于微腔中光的传播路径很长，从而提高了传感器的检测灵敏度。
其次，光学微腔传感器具有较高的选择性，能够实现对不同分子的特异性检测。
这对于生物学研究和医学诊断具有重要意义。
最后，相对于传统的生物检测技术，光学微腔传感器具有实时监测的特点，允许对生物分子的动态变化进行实时跟踪，更好地理解和研究生物体内的复杂生理过程。
在生物检测中，光学微腔传感器的应用包括但不限于以下几个方面：1. DNA检测：DNA检测是生物学研究和医学诊断中的重要环节。
光学微腔传感器可以通过特异性探针与目标DNA结合，从而实现DNA的快速、高灵敏度检测。
这一技术的应用可帮助科学家研究基因突变和疾病相关基因的变异，以及进行遗传病的早期诊断和预后判断。
2. 蛋白质检测：蛋白质是生物体中重要的功能分子，对于蛋白质的检测有着重要的意义。
光学微腔传感器可以通过蛋白质的结合与分离实现对蛋白质的检测。
其高灵敏度和高选择性的特点使得光学微腔传感器在蛋白质互作网络研究、蛋白质功能研究和蛋白质组学研究中发挥着重要作用。
3. 病毒和细菌检测：感染性疾病的早期诊断和追踪对于公共卫生具有极其重要的意义。
光学微腔传感器作为一种高灵敏度检测技术，可以用于病毒和细菌的快速检测。
研究人员可以通过与病毒和细菌的特异性结合实现对其的检测，从而了解感染病程的进展，辅助医学诊断。
光学谐振腔原理
光学谐振腔原理引言光学谐振腔是光学研究中的重要实验装置，其原理基于光的干涉现象。
通过将光束限制在一个封闭的空间中来增强干涉效应，可以实现光的长程传输和增强。
光学谐振腔的基本原理1.光学谐振腔是由两个或多个反射镜构成的封闭空间。
其中一个镜子是半透明的，允许部分光线通过。
2.光从半透明镜子进入谐振腔后，会在镜子之间来回多次反射，形成驻波模式。
3.反射次数越多，光在腔内的传播距离越长，干涉效应越强。
谐振腔的性质1. 良好的光束模式光学谐振腔可以选择特定的模式，如基本模式、高斯光束等。
这些模式具有良好的光束质量和光强分布。
2. 谐振频率选择性谐振腔只对特定频率的光具有选择性透过性，对其他频率的光具有反射性。
这种频率选择性可以用来实现光的滤波功能。
3. 谐振增益在谐振腔中，光线多次来回反射，与介质发生交互作用。
如果在腔中加入带有激发能级的介质，可以实现光增益，即光信号的放大。
4. 谐振腔的失谐当谐振腔的频率与输入光的频率不完全匹配时，会出现失谐现象。
失谐会影响光的输出强度和相位。
典型谐振腔结构1. Fabry-Perot腔Fabry-Perot腔是最简单的谐振腔结构，由两个平行的反射镜构成。
光从一个反射镜进入，经过多次来回反射后透过另一个反射镜出射。
2. 球面腔球面腔是两个曲面反射镜构成的谐振腔。
曲面反射镜可以使光具有更高的反射效率和光束质量。
3. 圆柱腔圆柱腔是两个平行平面和一个曲面反射镜构成的谐振腔。
圆柱腔常用于气体激光器和光纤激光器。
谐振腔中的光学效应1. 空腔增强谐振腔可以将光束在腔内进行多次来回反射，使干涉效应加强。
这种空腔增强效应可以增加光的传播距离和光程。
2. 良好的相干性谐振腔中的光在多次反射后，相位关系得到保持，具有良好的相干性。
3. 良好的波长选择性谐振腔对特定波长的光具有选择透过性，可以实现波长选择性的光学元件。
应用领域1. 激光器光学谐振腔是激光器的核心部件，可以实现激光放大和模式选择。
《共振光隧穿光学谐振腔的Q值增强研究》范文
《共振光隧穿光学谐振腔的Q值增强研究》篇一一、引言随着现代光学技术的发展，光学谐振腔作为一种关键的光学元件，其性能优化和应用范围扩展引起了广泛的关注。
在众多优化手段中，共振光隧穿现象在提高谐振腔的Q值（品质因数）方面表现出显著的效果。
本文将针对共振光隧穿光学谐振腔的Q值增强进行深入研究，分析其工作原理，并通过实验验证其有效性。
二、共振光隧穿光学谐振腔的工作原理共振光隧穿是一种量子光学现象，指在特定条件下，光子可以在介质中实现长距离传输的同时保持其量子态不变。
光学谐振腔是由两个或多面反射镜组成的封闭光学系统，通过在内部反射来增强和存储光信号。
将共振光隧穿技术应用于光学谐振腔中，能够有效降低谐振腔内部的能量损失，从而提高谐振腔的Q值。
三、Q值增强的方法与理论分析为了提高光学谐振腔的Q值，我们需要减小光在谐振腔内部的能量损失。
这可以通过以下几个方面来实现：1. 优化材料选择：选择具有较低损耗和较高反射率的材料，降低光的传输损耗。
2. 引入共振光隧穿技术：通过设计合适的结构，使光在介质中发生共振隧穿现象，降低能量损失。
3. 改进谐振腔设计：通过优化反射镜的形状、间距等参数，提高谐振腔的稳定性，降低散射损耗。
四、实验设计与结果分析为了验证共振光隧穿技术在提高光学谐振腔Q值方面的有效性，我们设计了一系列实验。
首先，我们选择了具有不同材料和结构的谐振腔进行对比实验。
然后，通过引入共振光隧穿技术，观察谐振腔Q值的变化。
实验结果表明，在相同条件下，引入共振光隧穿技术的谐振腔Q值得到了显著提高。
此外，我们还发现，通过优化材料选择和改进谐振腔设计，可以进一步提高Q值的增强效果。
五、结论与展望本文对共振光隧穿光学谐振腔的Q值增强进行了深入研究。
通过理论分析和实验验证，我们发现引入共振光隧穿技术可以有效降低光学谐振腔内部的能量损失，从而提高其Q值。
此外，通过优化材料选择和改进谐振腔设计，可以进一步提高Q值的增强效果。
随着现代光学技术的不断发展，光学谐振腔在通信、激光器、传感等领域的应用将更加广泛。
中美科学家发明增强拉曼光谱检测新技术
ａ ｓｒｅｓ” ｂｏｂ ｒ ，并 且 将 有 关 这 种 物 统 中单个 电子或 光子 的量 子 涨落 ）
质 的详 细资 料写 成报 告 刊登 在 了 对 整 个 激 光 器 几 乎 没 有 影 响 。
网上报纸期 刊 （ ｒ ｉ） 。 （ Ｘｖ ａ ）上
单个 原子 激光 器 ，其 激光 出
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｔｅ ｄ ｓ ａｃ ｒｎ ｓ
的来 自耶鲁大 学 （ ａ ｎｖｒ ｔ 原子 激光 ．不 但 具有 传统 激 光器 Ｙ ｌＵ ｉ ｓｙ ｅ ｅ ｉ）
该 项 成 果 发 表 于 最 新 一 期
物 理学 家研究 队伍在 不 久前 开始 的属 性 ，还展 示 了单 个原 子相 互 《 自然 ・ 物理学》杂志上 。 就 “ 光产 生过 程是 否 有朝 不止 作用的量子力学性 质 。 激
定波长光 就会被 吸收 。
表 面增强拉 曼光谱 是 一 种非
到腔洞 系统 中，使光线得 以增 强 。 常强 大 的高 灵敏 分析 技术 ，它可 单原 子激 光 器可 促进 人 们 了 以探 测 和分析 物 质表 层所 吸 附的 解单 个原 子 与单个 光 子之 间 的相 各类 分子 。对 于 有些 体 系 ，它 的 互作 用 ，由单 原 子激 光器 产生 的 灵 敏 度 甚 至 达 到 检 测 单 分 子 水
澳开发 出能量更 强
单原子激光器
非经 典光将 实 现对 光 子流 量 的精 平 。但 是 ，它 的 应 用 具 有 很 大 局 细 控制 ，在 光 子信 息工 程 中具 有 限 性— —仅 有 少 数 几 种 金 属 很大 的应 用前景 。 自 １５ ９ ８年研制 （ 、银 、铜 ）可产 生如 此 强 大 金
布 被 困在其 中 ，而 多余 的能 量就 会 大学 的科 学 家 瑞 纳 ・ 拉 特 与 皮
宽带腔增强吸收光谱技术
宽带腔增强吸收光谱技术
宽带腔增强吸收光谱技术
宽带腔增强吸收光谱技术是一种新兴的分子检测技术，用于分析液体
和气体中的分子结构。
这一技术是通过宽带腔增强吸收光谱测量原子
或分子的吸收特性，从而获取分子结构信息。
它可以更准确地测量有
效性，还可以在更高的灵敏度和分辨率下测量离子和分子的光谱特性，从而更好地揭示分子的结构信息。
宽带腔增强吸收光谱技术的原理是：腔内的入射光被扩展，形成一个
宽带腔，它能够激发分子的特性吸收谱线，并使其增强。
宽带腔的结
构使得激发的分子的光谱特性比外部空气环境中的激发特性更明显，
因此可以更准确地测量出有效性和分子结构信息。
宽带腔增强吸收光谱技术可以用于检测气体和液体中的各种有机和无
机分子，从而获得更有效的结构信息。
它可以用于研究生物分子的结构，也可以用于环境污染物的检测。
宽带腔增强吸收光谱技术可以比
一般的技术更快、更准确地获取有关分子结构的信息，从而为化学研
究和应用提供了更强大的工具。
光学增强技术在生物检测和诊疗中的应用
光学增强技术在生物检测和诊疗中的应用光学增强技术是指利用光学原理与技术对物体的特性进行提高或放大处理，以达到更好的观察和测量效果。
近年来，随着科学技术的进步和生物医学领域的快速发展，光学增强技术也在生物检测和诊疗中得到了广泛的应用，其成为生物医学领域中不可或缺的工具。
一、荧光显微技术荧光显微技术是一种基于荧光现象原理的检测技术，通过激发样品中特定分子的荧光信号，实现对样品中生物分子结构、功能及代谢状态的检测和分析。
通过它可以对细胞或组织内生物分子的表达和活性等特性进行直接观测，并且不会破坏样品的完整性。
荧光显微技术非常高效且灵敏，可以检测出极小浓度的生物分子。
荧光显微技术被广泛应用于细胞生物学、生物化学、医学、环境科学和食品工业等领域。
在临床医学中，荧光显微技术可以被用来检测DNA、RNA、蛋白质等生物分子的表达和定位，同时还可以观察细胞的分裂、凋亡功能以及细胞迁移等生命过程。
二、显微拉曼技术显微拉曼技术是一种非破坏性的检测技术，可用于分析物质分子的振动结构信息。
显微拉曼技术运用了拉曼散射的原理，将样品辐射的激光光束散射为不同频率的反射光束，观察反射光束的频率变化可以获得样品的分子结构信息。
显微拉曼技术具有非常高的分辨率和精度，可以在微观尺度上检测和分析生物分子或细胞组织样本的化学成分。
显微拉曼技术在生物医学领域中被广泛应用。
它可以对细胞内代谢物、蛋白质结构和分子组成等生物分子进行非破坏性的检测和分析。
显微拉曼技术在医学影像学、分子诊断和药物开发等方面都具有广泛的应用前景。
三、光学相干断层扫描技术光学相干断层扫描技术又称为光学相干层析成像技术（OCT），是一种非侵入性的生物成像技术。
OCT利用光学干涉原理，将样品内的反射光束转化为图像，以获取与物质反射率相关的光学信号。
OCT技术的优势在于它可以非破坏性的观察和测量组织样本的微观结构，包括眼底血管、神经组织、癌细胞和动脉形态等。
OCT广泛应用于眼科、皮肤科、神经科和心血管科领域。
腔增强原理光学检测技术
腔加强原理的光学检测技术煤矿示踪气体光学检测仪器整体方案图如图1，光源产生的红外光束经光调制器后变为脉冲式光束，脉冲光束穿过充满待测气体的光加强腔，光声检测器用于丈量光学腔内光脉冲强度，反应环节用于放大调整光源。
由于加强腔镜的距离与光波长产生共振，惹起光加强腔内压力变化，产生声学驻波，信号办理环节拾取声学驻波强度，将声波变换为电信号，其信号强度与待测六氟化硫气体浓度存有近似于指数的对应关系，经过单片机运算即可确立六氟化硫气体浓度。
光源。
依据红外段六氟化硫气体的汲取特征和高精度迁徙分子汲取数据库，六氟化硫在500～1600cm－1段都有较显然的汲取谱线图，中红外可调谐激光光源在性能上比较理想，但价钱昂贵，难以推行应用，综合考虑煤矿井下扰乱气体种类、成本和发光效率等要素，采纳的是中心波长为1000cm－1的碳化硅黑体光源，联合中心波长为1000cm－1，狭缝宽度为±200cm－1的滤光片，配合红外有关气体滤波室，即可以获得纯净、稳固合用、成本适中的红外光源［4］。
2)光调制器。
检测速度是仪器效能评估的重点指标之一，惯例光学检测仪器的光调制器经过周期性的堵塞连续光产生脉冲光，在2个脉冲之间，调制光的光强度是0，反应信号中止致使腔锁定体制慢，仪器检测速度很低，难以知足煤矿用户实质需求，因此截断器怎样有效的中断地开启反应信号是提高仪器检测速度的重点［5］。
为此，采纳使光强度不降到0的方案，使调制光的强度在较高与较低之间推行切换，在光强度较低时间段，光强度略大于0，保证反应信号不中止，进而缩短反应回路的响应时间。
截断器构造图如图2，截断器用于将连续光束调制为非零脉冲光束，其主体构造设计为旋转圆盘，由透射系数略高于0的低透射部分和透射系数大概等于l的高透射部分构成［6］。
截断器以恒定角速度旋转，在低透射部分上时，堵塞了光的绝大部分，经过截断器后的光强度较低，只会激发气体中的很少部分气体分子，但为检测器反应信号已经充分了，在高透射部分上时，经过截断器以后的光强度较高，会激发了气体中的好多分子，致使热能增添，惹起气体室中压力局部上涨，为光声检测器供给检测信号。
光学腔及其相关技术.
qⅣ iz0
0
d2
d1
3、从Ⅱ到Ⅳ的ABCD矩阵为：
d2 1 A B f C D 1 f d1 d 2 d1fd2 d 1 1 f
2 iz0 1 CqⅡ D BD ACz0 i 2 qⅣ AqⅡ B B 2 A2 z 0 z0
l4
5
l5 l6
l3
l1
6
l2
以6为例
以位置6为起点，写出环形腔的ABCD矩阵如下：
0 1 l 6 1 l 5 1 l 4 1 l 3 1 0 1 l 2 A B 1 l1 1 C D 0 1 2 R 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2 R 1 0 1
Z：外界扰动；Y：规整过的反馈信号；H（f）为PID的增益；
G（f）为激光器系统的增益，输入电压与激光频率变换的关系
控制理论基础
闭环增益
扰动增益
G f H f 的相位180，则开环增 益不能为1.
控制理论基础
开环增益
G f H f 1
X X ref
设计要求：开环增益GH以及 PID增益尽可能大；如果GH大， 则可以稳定到参考值，但是如果 H太小，非常容易失锁。
激光
耦合思路：
1、阻抗匹配：T4=T1+T2+T3+Lcav； 2、模式匹配：腔外的高斯光束与腔内高斯光束一致。
高斯光束参数的测量
刀口法测量高斯光束参数理论分析
高斯光束横截面内的强度分布为：
2P 2( x 2 y 2 ) I ( x, y, z ) exp[ ] 2 ( z ) 2 ( z)
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腔增强原理的光学检测技术
煤矿示踪气体光学检测仪器总体方案图如图1，光源产生的红外光束经光调制器后变成脉冲式光束，脉冲光束穿过充满待测气体的光增强腔，光声检测器用于测量光学腔内光脉冲强度，反馈环节用于放大调整光源。
因为增强腔镜的距离与光波长产生共振，引起光增强腔内压力变化，产生声学驻波，信号处理环节拾取声学驻波强度，将声波转换为
电信号，其信号强度与待测六氟化硫气体浓度存有近似于指数的对应
关系，通过单片机运算即可确定六氟化硫气体浓度。
1)光源。
根据红外段六氟化硫气体的汲取特性和高精度迁移分子汲取
数据库，六氟化硫在500～1600cm－1段都有较明显的汲取谱线图，中
红外可调谐激光光源在性能上比较理想，但价格昂贵，难以推广应用，综合考虑煤矿井下干扰气体种类、成本和发光效率等因素，选用的是
中心波长为1000cm－1的碳化硅黑体光源，联合中心波长为1000cm－1，狭缝宽度为±200cm－1的滤光片，配合红外相关气体滤波室，即能够
得到纯净、稳定适用、成本适中的红外光源［4］。
2)光调制器。
检测
速度是仪器效能评估的关键指标之一，常规光学检测仪器的光调制器
通过周期性的堵塞连续光产生脉冲光，在2个脉冲之间，调制光的光
强度是0，反馈信号中断导致腔锁定机制慢，仪器检测速度很低，难以满足煤矿用户实际需求，所以截断器如何有效的间断地开启反馈信号
是提升仪器检测速度的关键［5］。
为此，采纳使光强度不降到0的方案，使调制光的强度在较高与较低之间实行切换，在光强度较低时间段，光强度略大于0，确保反馈信号不中断，从而缩短反馈回路的响应时间。
截断器结构图如图2，截断器用于将连续光束调制为非零脉冲光束，
其主体结构设计为旋转圆盘，由透射系数略高于0的低透射部分和透
射系数大致等于l的高透射部分组成［6］。
截断器以恒定角速度旋转，在低透射部分上时，堵塞了光的绝绝大多数，通过截断器后的光强度
较低，只会激发气体中的极少部分气体分子，但为检测器反馈信号已
经充足了，在高透射部分上时，通过截断器之后的光强度较高，会激
发了气体中的很多分子，导致热能增加，引起气体室中压力局部上升，为光声检测器提供检测信号。
3)光声检测器。
红外光检测器设计受成本、尺寸、封装形式等因素制约，以MEMS技术为基础的红外线检测技
术通过芯片级的封装工艺，实现了器件的高精度、低成本和小型化，
为阐述的技术提供了器件支撑，通过优化增强腔数学解析模型，得到
光声信号与气体浓度、温度和腔结构参数的关系［7］，结合MEMS技术，研制了光声基于光声检测原理的配套检测器。
4)反馈环节。
反馈
环节由分光器、偏振检测器和反馈回路等组成，用于测量输出镜输出
的光强度，通过反馈回路修正光频率，使光波长与增强腔的谐振频率
基本一致，难点在光检测器中用于微弱信号处理的锁相放大器设计，
锁相放大器利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现信号处理，能够在较强的噪声中提取有效信号，在微弱信号检测方面优势明显。
设计的锁相放大器的基本结构包括信号通道、参考通道、相敏检测器
和低通滤波器等，锁相放大器的基本结构图如图3，信号通道对调制正弦信号输入实行放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作，
并滤除部分干扰;参考通道对参考输入信号实行调整，以适合相敏检测
器对信号幅度的要求，并对参考输入信号实行移相处理，以使检测结
果达到最佳［8］。
3整机集成
煤矿示踪气体光学检测仪器整机结构示意图如图4，仪器信号采样及
操纵单元主体结构原理图如图5，仪器电源原理图如图6。
光源用于产
生中心波长为1000cm－1左右的可调制红外光;光调制器用于周期性地
中断光源发出的光束，将连续的红外光调制在特定“截断”频率上的
一系列脉冲光;在包含半透明镜的光学腔内，气体室同意气体通过气体
入口和气体出口流动穿过，并在输入镜之前设置光隔离器，以减小从
光源到腔镜反射，脉冲光通过输入镜，进入到光学腔，在腔镜间穿过
待测气体多次反射，六氟化硫气体分子周期性汲取红外光汲取红外光
能量，将气体分子激发到更高能级，导致气体分子热能增加，气体室
内压力上升，其后在下一个脉冲到达前减小压力;反馈回路通过偏振检
测器测量光学腔中光强度，通过锁相放大器放大、调整和拾取有效测
量信号，并回馈给光源，光源根据反馈信息将光波长调谐到与2个腔镜之间的距离产生共振;光声检测器安装在气体室中心处，拾取由汲取光在气体中产生的声波，将声波转换为电信号，根据信号强度，调制光调制器的旋转速度，领共振频率与脉冲光截断频率相匹配，使压力变化产生截断频率上的声学驻波，其信号强度与待测六氟化硫气体浓度存有近似于指数的对应关系，通过单片机运算即可确定六氟化硫气体浓度。
4结语
腔增强汲取光谱检测技术是一种新型的汲取光谱技术，设计的测量系统，测量了六氟化硫的汲取光谱，结果表明，基于腔增强原理开发的光谱检测仪器相比与基于直接汲取光谱原理的检测仪器，机械结构同样简单，而在检出限和灵敏度这2个关键技术指标上，前者分别到了后者无法比拟达的6×10－9和灵敏度1×10－9，接近了傅里叶光谱分析仪等大型复杂光谱设备的水平，能够用于六氟化硫等微量气体汲取光谱方面的测量。
腔增强原理的光学检测技术。