拓扑绝缘体纳米结构及其磁性掺杂
发布时间:(2013-07-30)
课题信息:
  课题名称: 半导体激光器自混合干涉效应研究
  指导教师:夏巍(06246);
  选题学生:韩玉洁(07140540)
  题目类型: 毕业设计
  课题性质:B.理论研究类
  适合学院: 物理科学与技术学院(物理学类(含物理学、应用物理学),通信工程,通信工程)
  毕业设计(论文)场所:
  课题简介:
      激光自混合干涉是指由于外部物体反射或者散射,而导致光反馈回激光腔内引起光功率波动的现象。由于反馈光携带了外部物体的信息,因此可以从光功率的波动中提取出目标物体的运动情况。本课题从半导体激光器的工作机理、速率方程组出发,结合外部光反馈条件,研究自混合干涉效应的基本理论,自混合干涉信号的特性以及干涉系统的优化。
  题目任务:
      1. 建立半导体激光器自混合干涉系统的理论模型; 2. 理论研究半导体激光自混合干涉信号在不同光反馈水平 下的特性; 3. 探索自混合干涉效应用于位移、振动、速度等物理量的 测量原理。
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开题报告信息:
  本课题研究的目的及意义:
      激光自混合干涉技术是在光反馈效应的研究和消除不利光反馈影响的过程中产生的,激光器输出的光被外部振动物体反射或散射后,其中一部分光又反馈回激光器内腔,反馈光携带了目标的振动信息,与腔内光相混合后,调制激光器的输出,形成自混合干涉。半导体激光器的自混合干涉振动测量因精度高,且具有传统干涉系统所无法比拟的光路简单、干涉信号含有方向信息、自准直、结构紧凑、成本低而引起关注,被广泛应用于测量位移、速度、距离、振幅等。由于在很多应用场合可以取代复杂的干涉系统而逐渐成为一个崭新的有深远应用前景的专业研究领域。随着激光自混合效应研究的深入和先进制造技术的提升,多参数的同步高分辨率测量已经成为激光自混合技术和先进光学检测领域的重要发展需求。
  本课题国内外同类研究现状:
      1963年,King等在其实验中发现一个可动外部反射镜引起激光强度波动,即一个条纹移动对应半个光波波长的位移,强度波动深度与传统双光束干涉系统相当。 1980年,Lang和Kobayashi的研究成果利用复合腔模型,考虑到反馈的影响,修正了激光速率方程,将半导体激光器的动态特性研究提升到新的阶段。此模型清楚表明半导体激光器的动态特性依赖于外腔的长度、反馈强度、注入电流和激光器的线宽增益系数,只有满足新的谐振条件的光子才能够产生输出光。 1987年,Shimizu在使用自混合干涉仪进行Doppler测速研究时,观察到较强光反馈时,激光器输出强度为一类锯齿波信号,且该类锯齿波的倾斜方向与Doppler速度方向有关,这一现象又一次引起研究者深入探究自混合干涉机理。 此后,从光反馈角度分析,1988年,Groot对锯齿波干涉信号的产生原理进行分析解释,提出用三镜F-P腔模型结构等效自混合干涉系统,从R.Lang Kobayashi方程出发,给出描述系统输出光强的数学表达式,并分析了自混合相干测距及测速结果,解释了类锯齿波现象。其模型分析结果与实验结果相吻合。自此以后,自混合干涉机理的探讨摆脱了传统光干涉理论。 自1993年以来开始明确用“自混合”术语来描述光反馈现象,逐渐形成了现在的激光自混合干涉理论,用于位移、振动、形貌重建、颗粒运动、玻璃厚度和折射率等方面的测量以及心率监测、血液流速测量等医学领域。 在国内,1998年禹延光、强锡富等在激光自混合干涉式位移测量方面取得一系列重大成果:研制了差动型激光自混合干涉式位移测量系统;多重光反馈的激光自混合干涉系统模型;含预反馈的激光自混合干涉型位移测量结构。 2005年,王鸣教授课题组改进了外腔相位调制法,提出了正弦相位调制技术,相位解调可利用四象限积分法、FFT分析法或正交解调技术来完成,达到纳米级的测量精度。 2008年,叶会英等人根据自混合干涉模型中干涉函数和相位方程的特性,通过对得到的归一化干涉信号进行反余弦运算和相位解包裹运算,得到正确光反馈相位,再根据相位方程求出初始相位,进而求出位移。 2011年,张玉燕等人改善了相位解调算法,提出了种简单实用的位移重建方法,可使用在不同反馈条件下,测量精度较高,具有广阔的应用前景。 2014年,禹延光等人提出了一种能够同时测量振动和半导体激光器的多个参数的方法,将测速实验结果和现有的Lang-Kobayashi方程相结合,推导出新的线性方程组,利用该方程组成功的反演速度信号、线宽展宽因子和光回馈因子。 2015年,王明将电子信号频率的下转换处理方法,引入正弦相位调制下激光器自混合干涉技术,实现了纳米级别的位移测量。 从上世纪90年代起,国内外学者探究基于半导体激光自混合干涉的测振仪,并证明了该方法可以有效地用于测量振动。自混合传感器在这方面的应用有着很大优势,如高灵敏度、宽带宽和极大的测量范围。
  本课题研究内容:
      对于半导体激光自混合干涉振动测量技术,半导体激光器既是光源又是探测器、结构非常简单、成本低廉,所以在很多领域可以取代传统复杂的激光干涉系统而逐渐形成极具应用前景的研究领域。国际上对这个领域的研究由来已久,且很多国家都已将这一现象从实验室阶段推向了实际应用,极大的开拓了自混合干涉现象的应用范围。自混合干涉效应及其应用涉及激光器性能、光反馈效应、干涉测量等内容,研究内容颇多,又自混合干涉技术起步较晚,对其干涉机理和应用的研究还很不完善,有待研究。 因此,本论文设定研究内容为:首先,回顾激光自混合干涉机理的研究历史,综述自混合干涉效应的技术;其次,从理论上研究一般激光自混合干涉效应,分析系统参数对实验干涉信号的影响;最后,建立半导体激光器自混合干涉效应的一般模型,通过matlab仿真实验观察实验结果。
  本课题的实行方案、进度及预期效果:
      实行方案: Lang-Kobayashi理论和三镜腔理论是研究激光自混合干涉效应的主要理论方法。一方面,研究Lang-Kobayashi理论的基础激光速率方程组,该理论能有效描述激光自混合效应对激光器载流子密度和光场光子密度的影响。另一方面,基于激光自混合干涉效应的三镜腔理论模型,通过计算机模拟仿真,系统分析在弱反馈条件下,激光器参数对激光自混合信号的影响即激光器谐振腔长度,有效折射率对激光自混合效应的影响。 进度: (1)2018年1月: 确定论文主题方向,进行论文题目的筛选,以论文题目为核心,对相关资料进行收集和翻阅。 对已搜集的资料加以整理,论证分析论文的可行性、实际性,将论文题目和大致范围确定下来,进行开题报告。 (2)2018年2月 整合已有资料、构筑论文的大纲。根据查找的数据和相关资料,进行深入详实的论文编写工作。从理论研究角度对论文进行编写,过程中发现问题研究其解决方案,推敲整合,并进行修改完善,准备论文中期检查。 (3)2018年3月 构建实验模型,进行仿真试验,完成论文的初稿部分,向指导老师寻求意见,优化论文的结构,润色语句,修改不当之处,补充不足之处。 (4)2018年4月 论文资料整合,最终定稿,为最终的答辩做好各方面准备,熟悉论文内容,增强自己对论文内容的把握,进行一定的思维发散,设计论文答辩。 预期效果: 进度上按时完成论文写作各项工作。研究上既能通过对L-K速率方程组进行求解得到稳态解,进而分析各物理参数对半导体激光器自混合干涉效应的影响;又能够直观的用三镜腔模型描述自混合干涉效应,并通过仿真实验观察各参数对干涉效应的影响。
  已查阅参考文献:
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  论文年度:2018
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