基于半導(dǎo)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(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中都有著重要的應(yīng)用，縱觀干涉儀的發(fā)展歷程，其性能指標(biāo)的提高與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人們對(duì)光的本質(zhì)的理解都有著密切聯(lián)系。近年來(lái)光速減慢方面的研究成為了光學(xué)領(lǐng)域新興的研究熱點(diǎn)，并加深了人們對(duì)光的傳播特性的理解，也給予了人們一種新的技術(shù)手段以改進(jìn)傳統(tǒng)干涉儀的光譜性能。目前，基于光速減慢技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)干涉儀光譜性能方面的研究尚處于原理性驗(yàn)證階段，在這些改進(jìn)方案中一般采用氣體光速減慢介質(zhì)，但其穩(wěn)定性差、無(wú)法集成化、實(shí)驗(yàn)條件

2、苛刻的缺點(diǎn)在很大程度上制約了在技術(shù)領(lǐng)域上的應(yīng)用。相比之下，固體光速減慢介質(zhì)克服了上述的缺點(diǎn)，所以其應(yīng)用前景較為廣闊。鑒于此，本論文致力于基于半導(dǎo)體材料的光速減慢特性改進(jìn)傳統(tǒng)干涉儀光譜性能的機(jī)理和原理性研究，期望能夠?yàn)榛诠腆w介質(zhì)的光速減慢特性改進(jìn)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(xiàn)。
　　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(xué)材料的色散特性與光譜性能之間的依賴關(guān)系。同時(shí)基于光波在半導(dǎo)體材料禁帶附近

3、的傳播特性，建立了基于半導(dǎo)體材料光速減慢特性的慢光干涉儀理論模型，并通過(guò)分析影響慢光干涉儀時(shí)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(shí)間之間的相互關(guān)系與所滿足的物理規(guī)律，為在慢光干涉實(shí)驗(yàn)中選擇恰當(dāng)?shù)墓庠刺峁┝死碚撘罁?jù)。
　　其次，通過(guò)分析影響干涉儀光譜靈敏度的主要因素，設(shè)計(jì)了基于砷化鎵光速減慢效應(yīng)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(shí)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(xué)材料的折射率有關(guān)。同時(shí)，通過(guò)與具有相同干涉結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多光束楔型干涉儀進(jìn)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(duì)群延遲時(shí)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(yīng)用的客觀條件。同時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)證明在波長(zhǎng)1064nm處，約10mm左右的介質(zhì)厚度變化范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)約5GHz的光譜分辨率，并證明相對(duì)群延遲時(shí)間是影響其光譜分辨率的主要因素。同時(shí)，通過(guò)與具有相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)傅里葉變換干涉儀進(jìn)行比較研究，證明基于GaAs的光速減慢效應(yīng)，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(shí)，通過(guò)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(lái)改變相對(duì)群延遲

6、時(shí)間時(shí)，傅里葉變換慢光干涉儀只能以頻率失諧量與相對(duì)群延遲時(shí)間為傅里葉變換對(duì)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(dǎo)體材料高阻砷化鎵的光學(xué)特性與其光速減慢效應(yīng)隨溫度的變化關(guān)系，并創(chuàng)造性地提出了通過(guò)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(jìn)目前普遍存在的慢光干涉儀工作光譜范圍過(guò)窄的問(wèn)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(shí)，分析了III-V族與II-V