四边形周期结构负折射介质光子晶体光纤的设计

提出了一种纤芯与介质柱为负折射率材料、衬底为正折射率材料的新型四边形周期结构光子晶体光纤(PCF)。介绍了它的结构设计,研究了光子带隙效应导光特性。与传统四边形周期结构光子晶体光纤相比,该种光纤可以实现带隙效应导光传输,取填充比f=0.7时可获得光子带隙传输范围为880~4140nm,可应用于远红外光通信中。     

基于内壁芯光纤的调制器件

提出一种基于中空内壁悬挂芯光纤构造而成的光纤集成调制器.该光纤具有孔道结构,纤芯悬挂于孔道内壁.合成了含有超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的磁流体,通过将空心光纤与多模光纤熔融连接,将磁流体封装在空心光纤内部,作为悬挂纤芯的包层.磁流体通过倏逝场对光产生吸收作用,由外磁场控制吸收强度,实现对纤芯的光调制.波长为632.8 nm的光经过拉锥耦合点耦合进入、传出调制元件.实验结果表明,在不同磁场强度下,仅仅2.0×10-3 μL的磁流体就可以对系统光衰减产生明显影响.当磁场强度为38 914 A/m时,饱和调制深度为43％;系统的响应时间低于120ms.该系统还可用于光开关,光纤滤波器和磁传感器等.     

光子晶体光纤的拉曼增强效应研究

拉曼散射是一种弱效应。从拉曼散射及其散射截面角度出发,通过将光子约束在一个极小的截面上并延长传输,即增加了拉曼散射截面,从而达到增强拉曼散射的效果。而光子晶体光纤特有的光子带隙效应与此方式类似,可将某一特定波长的光束缚在中心孔芯内传输。运用光子晶体光纤技术,设计了光子晶体光纤的拉曼效应增强系统。最后通过实验发现:光子晶体光纤用于拉曼效应增强是可行的,为后续微量物质、气体等检测提供了一种比较高效的分析方法。     

1.55μm高非线性高双折射光子晶体光纤

通过调整结构参数,优化设计了一种高非线性高双折射的光子晶体光纤(PCF)。该光纤的包层结构由大小不同的圆形空气孔按六边形排列,纤芯中心沿着x轴引入两个椭圆空气孔。采用全矢量有限元法,并以完美匹配层作为边界条件分析了该光纤结构的模场分布、有效折射率、有效面积、非线性系数及双折射特性,并且分析了光纤结构参数对这些特性的影响。分析表明,调节最内层纤芯周围的大空气孔和椭圆空气孔的大小可有效地控制非线性系数和双折射特性。数值分析显示:适当地调节结构参数后,该光纤在波长1.55μm处的非线性系数最大值可达53.5 W-1·km-1;双折射系数为1.092 9×10-2,比传统光纤高两个数量级。该光纤在对于非线性和双折射需求高的通信系统中具有好的应用前景。     

一种新型的高压电器温度在线测量系统

基于螺旋形液晶填充光子晶体光纤的温度传感特性,提出一种新型的高压电器温度传感器系统。该传感器系统由宽带光源、螺旋形液晶、光子晶体光纤、光纤F-P腔(Fabry-Perot cavity)滤波器、信号处理放大电路等组成。将螺旋形液晶封装在光子晶体光纤的纤芯空气孔中,利用光子晶体光纤对温度和弯曲不敏感特性以及螺旋形液晶的螺距对温度变化非常敏感的特性,传感器的选择反射光波长依赖于温度的变化,采用光纤F-P腔滤波器解调出光波长的变化,利用反射波长与温度之间的关系,实现温度的测量。测量系统选用合适液晶,可以得到不同的温度测量范围,能对高压电器温度进行在线检测,测量精度可以达到±0.1℃以内,并具有本征安全、高精度、高电绝缘和抗电磁干扰、对应变和环境光变化不敏感以及与普通传输光纤兼容性好等优点。     

微小型光纤陀螺组合分时复用技术

为了有效减小多轴光纤陀螺组合的功耗、体积和重量,实现光纤陀螺组合的微小型化,应用分时复用技术,提出了一种基于3×3耦合器,工作在850 nm短波长的光纤陀螺分时复用组合结构。分析了陀螺输出数据处理方法,得到了分时复用光纤陀螺组合的相对极限零偏稳定性。建立了分时复用光纤陀螺切换模型,揭示了分时复用导致光纤陀螺轴向切换必然存在一个过渡过程,分析了过渡过程对陀螺组合静态、动态特性的影响。结果显示,光纤陀螺组合的相对零偏稳定性是传感方法的2.1倍,最大输入信号检测带宽为1.1 kHz,标度因数的不对称性和非线性度均小于50×10-6。最后,通过仿真进行了实验验证,结果表明,该技术可以用于中低精度微小型多轴光纤陀螺组合中。     

纤芯失配的光纤Mach-Zehnder折射率传感器

基于Mach-Zehnder干涉仪原理,利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器;多模光纤在后面的单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同的模式有不同的模式折射率,经中间单模光纤传输到错位熔接点处时,不同模式光之间将产生光程差,经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。结果表明：溶液折射率变化为1.358 9~1.392 2时,干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系,可用于折射率的测量;折射率变化为1.372 0~1.392 2时,传感器响应曲线具有很好的线性度,线性拟合系数为0.998,对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高,可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。     

使用低精度光学陀螺进行地速测量的实验研究

介绍一种基于调制锵调原理和线性系统理论，使用光学陀螺测量地速的简单方法，简称矢量调制法。矢量调制法使用机械转动方法，将地速信号在光纤陀螺之前调制成为正弦波，由于线性传感器的频率保持性和叠加特性，在光纤陀螺之后对输出信号解调，将得到准确的地速响应，由此去除常见的测量误差。初步试验表明，使用低精度光纤陀螺能够测量地球自转角速率，从2～9mY直流量和范围（-18mV，1mV）的噪声、干扰中分离出地速响应，与计算值0.03mV接近。     

基于遗传算法的光波导-光纤自动调芯系统的研究

开发了一种新的自动调芯方法,在光纤-波导-光纤的自动对接中导入了遗传算法原理。数值仿真表明该方法达到了小于0.0001dB的插入损耗。完成了调芯系统样机,单模光纤-单模波导-单模光纤的自动对接实验显示,在1310nm和1550nm波长上,光纤-波导端面耦合损耗平均值分别为0.134dB和0.109dB,标准误差分别为0.009dB和0.012dB,调芯时间累计不超过8m in。     

一种全光纤型可调光衰减器的研究

设计了可调光衰减器的特性检测装置,在两光纤锥纤芯半径a =20 ,间距u =158 ,重叠长度L =100 ,锥角 ,纤芯折射率 =1.47,包层折射率 =1.46的基本参数设置下,运用耦合波理论,通过改变其中任一参量,分析了衰减量与改变参量的关系,并讨论了可调光衰减器的波长微损耗特性,在对气体浓度测量和组分识别时,利用此性质能够确保气体浓度测量的可靠性和单值性。     

全孔径背向散射诊断光学系统

基于新的激光聚变驱动装置的需要,设计了全孔径背向散射诊断光学系统并介绍了光学设计中涉及的若干关键技术。采用低反射率的楔形反射镜衰减背向散射光能量,降低后继元件对光学薄膜损伤阈值的要求。通过缩束镜缩小光束口径,减小光学元件尺寸;同时采取折叠光路结构来缩小系统体积。对空间滤波器和光学滤片进行组合,屏蔽了打靶倍频光干扰及不同散射类型的相互串扰。采用光学白板对色散严重的背向散射光进行漫反射匀化,使光谱测量系统获得完整的光谱信息。最后,选取抛物面为空间分布成像目标面,通过分析空间分布成像光束的结构设计了成像镜头。设计的诊断光学系统具有散射时间测量、光谱测量、空间分布成像、能量测量等功能,光学测量模块尺寸为1.9m×0.9m×1.5m。该全孔径背向散射诊断光学系统在新的激光聚变驱动装置中具有潜在的应用价值。     

多芯光纤活动连接器光学性能评价

为了实现对多芯光纤在光网络系统中的接续并评价连接效果，给出了一种多芯光纤活动连接器的制备方法，用光学连续波反射计和光学低相干反射计分别构建了多芯光纤活动连接器插入损耗和回波损耗测量系统。详细地分析了外在因素和端面质量对多芯光纤活动连接器插入损耗和回波损耗的影响，提出了多芯光纤活动连接器制备和对接时需要满足的三项质量控制条件：精准对芯、物理接触和不相对转动。所制备的多芯光纤活动连接器具有标准的LC型接口，采用三维轮廓仪对多芯光纤活动连接器端面的三维参数（顶点偏移、曲率半径和光纤凹凸度）以及粗糙度进行了表征。用构建的测量系统测得制备的四芯光纤活动连接器中所有纤芯通道实现了平均0.089 dB的低插入损耗和52.31 dB的高回波损耗。为多芯光纤活动连接器走向实际应用提供了制备方法和性能评价方案。     

用于微米球形颗粒超分辨尺度测量的背向弹性散射光谱的获取

背向弹性散射光谱法可用于研究生物细胞内部颗粒的结构组成,本文探讨了背向弹性散射光谱测量获取光谱的不同实验方法及其优缺点。针对微米量级的球形颗粒测量,基于实验分析比较了目前普遍使用的光纤探头测量和透镜系统测量这两种背向散射光谱获取方法的优缺点。研究表明,由于透镜系统获取光谱所对应的散射角有更明确的定义,故透镜系统获取光谱与Mie散射计算的互相关拟合系数(0.96)高于光纤探头优化条件下获取光谱的结果(0.93)。因此,在提取颗粒尺度精度要求较高时,应该选用透镜测量方法,并且采用滤波去噪声信号处理的手段来提高颗粒尺寸提取精度;而提取颗粒尺度精度要求不高时,光纤探头光谱获取方法具有简单易行的优点。     

磁流体包覆无芯-三芯-无芯光纤结构的磁场传感器

本文提出了一种磁流体包覆的无芯-三芯-无芯光纤结构的磁场传感器。将两段2 mm的无芯光纤熔接在50 mm的三芯光纤两端,并将此结构插入70 mm长的毛细管中,通过向毛细管里注射磁流体,使无芯-三芯-无芯这一结构浸没在磁流体里。无芯光纤用来激发三芯光纤的包层模,并实现模间干涉。通过测量透射谱波谷波长的漂移或探测透射谱波谷的强度损耗可以实现对磁场强度的检测。实验结果表明:该传感器在磁场强度为8～16 mT内,透射谱的特征波长漂移随之线性变化,在1 606 nm附近的波长漂移灵敏度为68.57 pm/mT;该波长附近的透射谱强度损耗变化在相同的磁场强度范围内呈现良好的线性度,对应的强度灵敏度为0.828 7 dB/mT。该传感结构制作简易,灵敏度高,成本低廉,在磁场传感领域中有一定应用价值。     

全对称振动陀螺的结构设计与参数优化分析

针对振动陀螺的高性能和微型化发展趋势,研制了一种新型的全对称振动陀螺。依据振动陀螺工作原理,并采用压电驱动和压电检测的工作方式,建立了全对称振动陀螺整体的结构模型,通过有限元方法,进行了模态分析,找到了压电片、横梁结构参数及中心质量柱对陀螺模态频率的影响规律,得到了优化的结构参数(横梁:9 mm×2 mm×0.5 mm;中心质量柱4 mm×4mm×10 mm),并完成了样机制作和试验验证。结果表明:振动陀螺的模态频率随着横梁的长、宽、厚和中心质量柱的高均有规律变化,当材料一定时,可以通过改变陀螺的结构参数达到模态匹配的效果。该陀螺的工作原理和结构设计是合理可行的,具有较好的应用前景。研究工作对其他固态振动陀螺的结构设计和参数优化提供了参考。     

双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度特性

对适用于温度传感的双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪进行了研究,并通过将一根单模双芯光纤熔接在两根单模光纤之间,制得了双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪型梳状滤波器.用干涉原理分别分析了该器件传输谱的自由空间谱宽与波长、双芯光纤的长度和两纤芯间的有效折射率差的关系,实验检测了它的温度特性.结果显示,随着温度的升高,该器件的传输谱发生红...     

多带隙联合的声子晶体滤波梁弹性波传播特性

提出了一种包含Bragg散射、整体局域共振和局部局域共振机理的多带隙联合声子晶体滤波梁,通过传递矩阵法与Bloch定理求得无限周期结构各阶带隙为0～170 Hz、180～262.6 Hz、552.3～597 Hz、974～1 563 Hz、1 903～2 667 Hz;并调节结构参数,得出带隙调制规律和带隙机理。同时,与其他3种工况声子晶体梁带隙特征进行对比分析,证明了声子晶体滤波梁在带隙宽度、丰富度以及弹性波衰减率方面均有着相对优势,具备更好的过滤或抑制结构中弹性波的性能。此外,求解近声子晶体滤波梁的振动传递系数,得出在各阶带隙范围内,弹性波的传播存在明显衰减,验证了带隙的存在。最后为探究弹性波在带隙/通带范围内的波动模式,分别提取位于带隙/通带范围梁体位移分布,发现在带隙频率范围内的弹性波沿波动方向快速衰减,表现出带隙特性;通带频率范围内的弹性波无明显变化或衰减,表现出通带特性。     

FBG级联MZI的温度和酒精溶液浓度传感特性研究

为了测量白酒蒸馏过程中的温度和酒精溶度,制作了一种基于马赫曾德仪(MZI)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的可同时测量温度和酒精溶液浓度的光纤传感器。FBG是利用飞秒激光逐线刻写的方式在单模光纤(SMF)中制作的周期为2.2μm,布拉格波长为1 591.21 nm,透射谱深度可达23 d B的4阶光纤布拉格光栅;MZI是将细芯光纤和SMF采用纤芯错位和锥腰扩大熔接技术制作的腔长为8.7 mm,对比度为28.5 d B的透射式光纤干涉传感器。基于多光束干涉理论对传感器的温度和酒精溶液浓度传感特性进行分析,利用MZI干涉波谷与FBG透射峰的灵敏度差异,结合灵敏度系数矩阵实现对温度和酒精溶液浓度的同时测量。实验中,传感器的酒精溶液浓度和温度灵敏度分别可达-41.37 pm/%和58.96 pm/℃。该传感结构在白酒酿造产业有潜在的应用前景。     

神光-Ⅲ主机近背向散射诊断光学系统设计

通过分析激光聚变中近背向散射光的收集方式,提出了采用金属环形椭球镜有效收集神光-Ⅲ主机装置的近背向散射光并测量其能量份额的方法。给出了椭球镜参数的设计方法。大口径椭球镜采用4块拼接形式,便于进入入口为φ1.0 m的靶室;镜体采用超硬铝材、三角形减重槽设计,实现了高稳定性、轻量化。介绍了光学系统总体结构,并对其集光效果进行了模拟评价。分析了镜体设计中的关键问题,并提出采用点激光器阵列进行中间过程面形监测的方法,避免了工序反复。分析了系统杂散光来源,采取了物理隔离、光学吸收和滤光片过滤等措施降低杂散光干扰。研制的环形椭球镜外径为1 200 mm,内径为400 mm,最大离轴量为1 411 mm,最大厚度为67 mm,重量约为48 kg;对5 mm的物方视场,像点光斑大小约为φ1.2 mm。实验显示该近背向散射诊断系统可满足神光-Ⅲ主机背向散射诊断的需求。     

谱域光学相干层析成像量化技术及其在生物组织定量分析中的应用

研究了谱域光学相干层析(SDOCT)成像系统的量化技术,通过量化OCT图像来获得生物组织内部的信息特征对组织光学散射特性进行定量分析.给出并讨论了单次散射模型,具有轴向点散射函数(PSF)的单次散射模型和多次散射模型,利用平均A-scan算法和非线性最小二乘法曲线拟合,研究不同浓度IntralipidTM溶液的散射特性.实验显示,IntralipidTM溶液的散射系数与浓度在1％～10％间基本呈线性关系,验证了具有PSF的单次散射模型比较适用于本文的谱域光学相干层析成像系统.利用该模型对小鼠的新鲜肝脏进行量化研究,得到小鼠新鲜肝脏在波长λ.为1550 nm时的散射系数为8.9 mm-1.本文的研究为该项技术今后在临床医学上对各种疾病的诊断和治疗奠定了基础.