基于慢光技术的新型傅里叶变换干涉仪光谱特性研究

The research on the application of controllable slow light is a hot topic in modern physics, which not only enhances our understanding of the essence of light, but also provides novel techniques in various fields. Current researches show that the slow light techniques have great potential applications in spectroscopy, optical gyroscopes, laser radar, image transportation and optical telecommunication et al. Based on the previous researches on high-spectral-sensitivity interferometer of slow light techniques and the facts that large group delay time can be obtained from the large group index in slow light medium and thus determine the spectral resolution of Fourier transform interferometer, we propose the research on novel Fourier transform interferometer based on the slow light technique to improve the spectral performances of traditional Fourier transform interferometer and enhance its spectral resolution. If we can prove experimentally that the spectral resolution of Fourier transform interferometer can be greatly improved using the slow light techniques, it will enhance the spectral performances of spectral instruments such as spectral resolution and sensitivity, promote the applications of slow-light techniques in various fields, and further provide an advanced scheme for domestic manufacturers to study the high-end markets and compete the overseas peers, and shorten the technique gaps with developed countries.

可控慢光技术的应用性研究是当前光物理研究的热点课题，不仅可以使人们对光的本质有更为深入的认识，而且能够在更多领域为人们提供崭新的技术手段。目前的研究结果表明，慢光技术在光谱学、光学陀螺、激光雷达、图像传输、光通讯等领域具有巨大的潜在应用价值。本研究是在前期研究基于慢光技术的高光谱灵敏度干涉仪的基础上，利用慢光介质的大群折射率效应可获得较大的群延迟时间，以及其决定傅里叶变换干涉仪的光谱分辨率这一事实，提出开展基于慢光技术的新型傅里叶变换干涉仪的研究，来实现对于传统傅里叶变换干涉仪光谱性能的改进，显著提高其光谱分辨率。实验上验证基于慢光技术可以显著提高传统傅里叶变换干涉仪的光谱分辨率，会有助于提高光谱仪器的光谱分辨率与光谱灵敏度等性能指标，推进慢光技术在更多领域的应用，也能够为国内光谱仪器厂家在研究级高端市场与国外同行竞争提供一种先进的技术方案，缩短与国际先进国家的技术差距。

干涉仪在科学研究与工业生产中都有着重要的应用，纵观干涉仪的发展历程，其性能指标的提高与现代科学技术的进步以及人们对光的本质的理解都有着密切联系。近年来光速减慢方面的研究成为了光学领域新兴的研究热点，并加深了人们对光的传播特性的理解，也给予了人们一种新的技术手段以改进传统干涉仪的光谱性能。目前，基于光速减慢技术改进传统干涉仪光谱性能方面的研究尚处于原理性验证阶段，在这些改进方案中一般采用气体光速减慢介质，但其稳定性差、无法集成化、实验条件苛刻的缺点在很大程度上制约了在技术领域上的应用。相比之下，固体光速减慢介质克服了上述的缺点，所以其应用前景较为广阔。鉴于此，本课题组致力于基于半导体材料的光速减慢特性改进传统干涉仪光谱性能的机理和原理性研究，期望能够为基于固体介质的光速减慢特性改进传统干涉仪光谱性能方面的研究及其发展做出一定的贡献。. 本课题组基于半导体材料砷化镓（GaAs）的光速减慢效应，设计了通过调谐介质厚度来改变相对群延迟时间的傅里叶变换慢光干涉仪，并进行了原理性验证实验，证明相对群延迟时间是影响傅里叶变换干涉仪的光谱分辨率的主要因素，并在波长1064nm处，在约10mm左右的介质厚度变化范围内，实现了5 GHz的光谱分辨率。同时，通过与具有相同结构的传统傅里叶变换干涉仪进行对比研究，证明通过基于GaAs的光速减慢效应，可以提高干涉仪的光谱分辨率约6倍左右。同时，本研究结果也证明通过本课题组所提出理论，可以克服以调谐群折射率大小的方法来改变相对群延迟时间时，傅里叶变换慢光干涉仪只能以频率失谐量与相对群延迟时间为傅里叶变换对的局限性，从傅里叶变换慢光干涉仪的干涉图中可以直接获得入射光波的光谱分布信息。上述实验结果非常完整地论证了所建立理论模型的合理性，并有利地证明了通过慢光介质的大群延迟时间效应可以显著改进传统傅里叶变换干涉仪光谱性能，提高光谱分辨率。此外，通过电磁感应透明技术、相干布居振荡技术以及耦合谐振透明技术等产生慢光的方法，可以有效控制光波在介质中的传播速度，在较短的介质长度内获得很大的群延迟时间，而这将为进一步改进傅里叶变换慢光干涉仪的光谱分辨率提供依据。