基于半導體材料色散特性的慢光干涉儀光譜性能研究.pdf

1、干涉儀在科學研究與工業(yè)生產(chǎn)中都有著重要的應用，縱觀干涉儀的發(fā)展歷程，其性能指標的提高與現(xiàn)代科學技術的進步以及人們對光的本質(zhì)的理解都有著密切聯(lián)系。近年來光速減慢方面的研究成為了光學領域新興的研究熱點，并加深了人們對光的傳播特性的理解，也給予了人們一種新的技術手段以改進傳統(tǒng)干涉儀的光譜性能。目前，基于光速減慢技術改進傳統(tǒng)干涉儀光譜性能方面的研究尚處于原理性驗證階段，在這些改進方案中一般采用氣體光速減慢介質(zhì)，但其穩(wěn)定性差、無法集成化、實驗條件

2、苛刻的缺點在很大程度上制約了在技術領域上的應用。相比之下，固體光速減慢介質(zhì)克服了上述的缺點，所以其應用前景較為廣闊。鑒于此，本論文致力于基于半導體材料的光速減慢特性改進傳統(tǒng)干涉儀光譜性能的機理和原理性研究，期望能夠為基于固體介質(zhì)的光速減慢特性改進傳統(tǒng)干涉儀光譜性能方面的研究及其發(fā)展做出一定的貢獻。
　　首先，分析了影響傳統(tǒng)干涉儀基本性能的主要因素，并明確了光學材料的色散特性與光譜性能之間的依賴關系。同時基于光波在半導體材料禁帶附近

3、的傳播特性，建立了基于半導體材料光速減慢特性的慢光干涉儀理論模型，并通過分析影響慢光干涉儀時間相干性的因素，首次給出了慢光干涉儀的光源線寬與群延遲時間之間的相互關系與所滿足的物理規(guī)律，為在慢光干涉實驗中選擇恰當?shù)墓庠刺峁┝死碚撘罁?jù)。
　　其次，通過分析影響干涉儀光譜靈敏度的主要因素，設計了基于砷化鎵光速減慢效應的多光束楔型慢光干涉儀，并首次在近紅外光譜區(qū)域900nm附近實現(xiàn)了干涉儀的光譜靈敏度的顯著提高，并證明群折射率是影響慢光干

4、涉儀光譜靈敏度的主要因素，而并不與所采用光學材料的折射率有關。同時，通過與具有相同干涉結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多光束楔型干涉儀進行比較，證明利用慢光介質(zhì) GaAs在其禁帶附近的色散特性，可以使傳統(tǒng)干涉儀的光譜靈敏度提高3倍以上。
　　再次，按照連續(xù)調(diào)諧慢光介質(zhì)的群折射率或介質(zhì)厚度這兩種方式，建立了改變干涉儀兩臂之間相對群延遲時間的傅里葉變換慢光干涉儀理論模型，并創(chuàng)造性地給出了兩種方法所滿足的不同的物理規(guī)律與所能夠正確應用的客觀條件。同時，設計了

5、基于慢光介質(zhì) GaAs的可調(diào)諧介質(zhì)厚度傅里葉變換慢光干涉儀，并實驗證明在波長1064nm處，約10mm左右的介質(zhì)厚度變化范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)約5GHz的光譜分辨率，并證明相對群延遲時間是影響其光譜分辨率的主要因素。同時，通過與具有相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)傅里葉變換干涉儀進行比較研究，證明基于GaAs的光速減慢效應，可以使傳統(tǒng)傅里葉變換干涉儀的光譜分辨率提高約6倍左右。同時，通過本文的方法，首次證明了可以有效克服以調(diào)諧群折射率大小的方法來改變相對群延遲

6、時間時，傅里葉變換慢光干涉儀只能以頻率失諧量與相對群延遲時間為傅里葉變換對的局限性，可以從干涉圖中直接獲得入射光波的光譜分布信息。
　　最后，給出了半導體材料高阻砷化鎵的光學特性與其光速減慢效應隨溫度的變化關系，并創(chuàng)造性地提出了通過控制溫度變化調(diào)諧慢光干涉儀工作光譜范圍的新方法，以改進目前普遍存在的慢光干涉儀工作光譜范圍過窄的問題，并證明基于此種新方法，可以使慢光干涉儀在更寬的光譜范圍內(nèi)正常工作。同時，分析了III-V族與II-V