超小自聚焦光纤探头的研究进展

梯度折射率（Gradient-index,GRIN）光纤探头是一种全光纤型超小光学镜头,在心血管等狭小空间组织内窥影像检测中具有广阔的应用前景。但其发展一直缺少系统的理论体系。本文讨论探头设计、制作和性能测试等方面的关键问题。基于GRIN光纤探头聚焦性能的特征参数,对解析设计方法与数值仿真设计方法进行比较分析。针对超小GRIN光纤探头的制作难题,研究一种光纤熔接和切割的高精度一体化集成装置,描述GRIN光纤探头的制作方法。此外,分析了超小GRIN光纤探头聚焦性能检测的方法及装置。本文为超小GRIN光纤探头的设计、制作及性能测试提供了一个方法体系。     

光纤水听器探头技术研究

光纤水听器的探头技术是光纤水听器系统的基础，本给出了国内外光纤水听器探头设计的一些典型方案。并对它们进行对比分析。就光纤水听器探头技术的几个重要参数指标进行了评价。     

光纤探头光谱特性校正方法研究

介绍了光纤用于可见光光谱传输衰减的校正方法。通过对光源不同情况下光谱数据的采集,得到光纤传输的衰减校正函数,用于对光纤衰减的校正,效果良好。     

深度分辨漫反射测量光纤探头设计及特性

漫反射光谱人体成分检测研究中,光纤探头接收漫反射光子穿透深度及传输路径对检测效率及灵敏度影响较大,而传统的检测光纤探头无法实现对特定深度漫反射光子选择性接收。针对人体成分检测需要,提出了采用一定入射-接收角度及半球透镜耦合的漫反射测量光纤探头结构。在三层皮肤模型基础上,结合光纤探头形式改进Monte Carlo程序,计算光纤探头接收漫反射光子穿透深度,有效光子比例,有效信息载荷以及真皮层检测灵敏度。结果表明,设计的光纤探头可实现真皮层漫反射光子选择性接收,检测效率以及测量光谱受非目标层组织结构及光学参数影响较小,可有效提高人体成分无创检测灵敏度。     

光纤麦克风传感探头设计的理论分析

鉴于光纤传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰且光纤本身的低损耗、耐腐蚀和安全可靠等优良特性,将光纤传感器应用到麦克风中可使麦克风的体积显著降低而灵敏度和抗电磁干扰性显著提高。提出一种新型反射式光纤麦克风的设计方法,采用Y形单根多模反射式光纤传感探头结构形式,给出了光纤麦克风的系统框图。由光纤出射光场分布理论出发,给出弹性膜片在声场作用下,中心形变大小h与出射光光强调制函数I(Z″)的关系。根据实际应用中有关参数的取值,用Matlab软件模拟出膜片形变后变形量h与光强调制函数I(Z″)的关系曲线。     

各向同性光纤探头的制作及介质中散射光的探测

利用高散射性球和光纤制成了各向同性的光纤探头,对该探头接收不同方向入射光的特性测试表明,在10°~350°之间散射球输出信号相对变化率小于10%.用所制作的光纤探头探测散射介质中的相对能流率分布所得的实验结果与理论结果相符合.     

含有高阶参量的生物组织光学漫反射的半经验解析模型

漫反射光谱技术对生物组织快速和无创测量具有非常重要的意义,但缺乏精确的关于漫反射的解析解限制了该技术有效的应用.本文根据光子迁移理论和二阶相似关系推导了半经验公式,然后利用Monte Carlo方法研究了二阶参量γ对半经验公式的影响.研究表明,当小孔径收集漫反射光时,反射率与γ成二次函数关系.与其他含有高阶参量γ的解析模型相比,本文提出的半经验解析模型具有简单的数学形式,这为生物组织光学参量测量和漫反射光谱应用提供了新的理论和技术支持.     

多孔塑料光纤氨传感探头的制备与应用

基于交联共聚技术,以藻红为荧光指示剂,苯乙烯为聚合单体、双甲基丙烯酸一缩二乙二醇酯为交联剂,研制了苯乙烯聚合多孔塑料光纤,用于微量氨的传感分析。研究了荧光指示剂在共聚体中的固定技术,考察了传感探头在不同聚合交联度、惰性致孔剂、荧光指示剂浓度条件下对氨的响应性能的影响。在最优条件下,聚苯乙烯多孔塑料光纤探头透明、刚性、耐水和耐化学性能好,透光率为88%—92%,对氨的检测线性浓度范围为2×10~(-4)—9.1×10~(-3)mol/L,并具有较好的稳定性和可逆性。     

共路径光相干成像系统光纤探头的研究

本文提出了基于楔形光纤以及端面成角度光纤的共路径光相干成像系统探头,实现背向散射信号在其端部的共路径相位干涉,从而获得待测件断面成像信息.首先,建立了共路径光相干成像系统光路及探头相位干涉的理论模型,分析了各光纤探头尺寸与干涉信号强度、系统性能的关系.其次,分别设计出楔形光纤、端面成角光纤探头,开展了共路径光路干涉实验,搭建了工作波长为1 550 nm的共路径光路测试系统.然后,根据不同待测样品的散射率,设计并研制了不同角度的楔形光纤探头,分析了不同尺寸的光纤探头对系统性能的影响,针对不同样品开展了固定探头探测实验.实验结果表明,楔形光纤端部可直接对输出光聚焦,照射在被测样品上,且其端面成一定角度时,可调节输出分光比,实现对参考信号的调节,提高了系统信噪比.为进一步开展共路径光相干成像系统的研究奠定了基础.     

近红外漫反射光谱中散射对化学定量分析模型的影响

结合国内外研究发展现状,分析了近红外光谱分析与检测技术中影响模型稳健性及预测模型精度的原因,特别是散射的影响。阐述了近红外光与样品组织之间的相互作用机理,及近红外光谱法定量分析模型中散射对漫反射光的影响,总结了光学方法中光学特性参数(散射系数、吸收系数)的主要检测技术的研究进展。探讨了近红外光谱检测与分析技术为基础的定量模型中为改善、增强模型稳健性所用的方法及效果,如中心化、附加散射校正(MSC)等预处理算法;偏最小二乘法(PLS)、主成分回归方法(PCA)等不同的多元校正方法。采用现有的数据预处理方法,可以改善散射对模型的稳健性的影响,但要在浓度范围较大、样品物理状态复杂的情况下消除散射引起的模型预测误差仍需要探索新的方法。     

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内,扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm,相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm,最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

金属覆层光纤探针近场特性研究

采用有限积分法对用于近场光学显微镜的旋转对称光纤探针进行了数值模拟计算,研究了光纤探针开口附近亚波长范围的电磁场及其能量密度的分布.计算结果表明,在探针外,光场为沿探针轴线方向的近逝波,其空间光场的分布与激励光场及其极化方向有关,在激励光场的极化方向出现了由感应电荷引起的边缘增强效应.同时研究了近场光纤探针的空间分辨率和样品处的电磁场能量,结果表明光纤探针孔的尺寸及其与样品的作用距离是影响探针的分辨率和样品内电磁场能量的重要因素.     

高反射近红外隔热薄膜的制备与研究

通过溶剂热法制备氯氧化铋(BiOCl)粒子,研究BiOCl粒子对近红外光的反射作用,将其应用于薄膜中制备成阻隔太阳光光热的复合薄膜。通过X射线衍射(XRD)和电子能谱(EDS)表征BiOCl的晶相结构和化学组成,采用扫描电子显微镜(SEM)观察其微观形貌。用紫外-可见光-近红外分光光度计分析BiOCl粒子在波长范围220~2 500 nm内的吸收和漫反射光谱。最后将BiOCl分散在聚乙烯醇(PVA)溶液中,采用涂覆工艺制备成BiOCl/PVA复合薄膜,研究BiOCl含量对薄膜隔热性能的影响。结果表明,在本实验中制备的BiOCl为尺寸均一的微球结构,外径为3~5 μm;由大量纳米片交织构成,形成开放的通道。禁带宽为3.69 eV,大于计算值2.62 eV,表明BiOCl粒子表面的光生载流子浓度发生了变化,使吸收边发生蓝移。BiOCl在可见光区(300~750 nm)平均反射率为67.3%,在近红外区(750~2 500 nm)平均反射率达到了99.8%以上。随着添加BiOCl含量的增加,PVA薄膜的隔热性能持续提高,当BiOCl添加量为1.5%时,使隔热箱内部的温度下降了4.5 ℃。由于近红外光的入射频率高于复合膜中BiOCl粒子本身的振动频率,引起了其振动粒子的高反射,对分布于近红外区的能量起到了很好的阻隔反射作用,降低了隔热箱内部的温度。     

不同光程对山茶油掺假近红外检测精度的影响

利用近红外光谱在不同光程下对山茶油中掺杂大豆油的掺伪量进行定量检测研究,着重分析光程对掺伪量检测精度的影响。将大豆油按一定质量分数掺入山茶油获取实验样本,掺伪质量分数范围为1%～50%。利用QualitySpec型光谱仪采集样本在不同光程(1,2,4,10 mm)下的透射光谱,通过对比不同建模方法、预处理方法及建模波段范围所建立的掺伪量定量预测模型,分析光程对掺伪量检测精度的影响。研究结果表明,光程由1 mm增加到4 mm时,掺伪量定量预测模型性能随着光程的增加而逐渐变好,检测精度逐步提高;光程由 4 mm增加到10 mm时,掺伪量定量预测模型性能变差,检测精度下降,4 mm为较优的光程。在1,2,4和10 mm下所建立的较优掺伪量定量预测模型的预测集决定系数 (R2_P)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.923, 0.977, 0.989, 0.962和4.58%, 2.54%, 1.72%, 3.20%。     

变量筛选方法结合局部线性嵌入理论用于近红外光谱定量模型优化

变量筛选策略结合局部线性嵌入(local linear embedding, LLE)理论用于近红外光谱(near infrared spectroscopy, NIRS)定量模型优化。蒙特卡罗无信息变量消除方法(monte carlo uninformation variable elimination, MCUVE)和连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)以及两者结合的变量筛选策略用于NIRS冗余变量的剔除;偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)和LLE-PLSR用于复杂样品光谱定量模型的构建。结果表明：MCUVE方法既能有效的提取信息变量,同时可以提高模型的预测精度;LLE-PLSR可以得到比PLSR方法更加准确的定量分析模型;MCUVE结合LLE-PLSR是一种有效的光谱定量分析方法。     

近红外光谱的数据预处理研究

进行了小麦样品近红外光谱数据的预处理研究,一般仪器记录的样品近红外光谱数据中包含有一系列噪声和干扰信号,因此适当的预处理是进行后续光谱定标、建模及模型传递的基础,对可靠地获得准确分析结果具有很重要的作用。结合小麦样品蛋白质含量近红外光谱分析工作,对由近红外光栅光谱仪和傅里叶变换近红外光谱分别记录的66种小麦样品光谱数据,采用高斯一阶、二阶导数小波变换方法进行了预处理。对比常用的一阶差分预处理,证明高斯函数导数小波变换方法是十分有效、实用的,预处理后光谱曲线非常光滑、噪声消除效果明显,富含有用光谱分析信息的区域更加清晰显示,因而非常有助于后续的光谱定标、建模和模型传递工作。     

红木的近红外光谱分析

红木珍贵、种类多,大多数人对红木种类及真伪难以或无法鉴别。利用近红外光谱技术对国家标准中八类红木的近红外光谱进行分析,研究结果表明:(1)近红外光谱与红木色度学参数(L*,a*和b*)之间存在非常高的相关性,预测值与实测红木L*,a*和b*值的相关性分别达到0.988,0.991和0.993;(2)利用化学计量学中的主成分分析(PCA)方法可以将八类红木清楚地区分成八个相应的类别,利用三个主成份信息绘制的三维PCA得分图比二维图更能直观地展现八类红木的区别。研究结果说明应用近红外光谱技术识别红木类别具有可行性,这为开发红木的鉴定或识别提供新的方法和研究思路。     

Study on effective probe depth of optical coherence tomography system by Monte Carlo simulation

The intensities of Class I and Class II signals at several different probing depths and different coherence lengths are analyzed using a Monte Carlo model with a pencil beam, and the result shows that the longitudinal resolution has influence on the effective probe depth. A Monte Carlo model for optical coherence tomography system with a focused Gaussian beam is proposed. The intensities of Class I and Class II signals at different probing depth for different radius and depth of focus of the beam are simulated using this model. We found that increasing of the depth of focus and decreasing of the beam radius can finitely increase effective probing depth. When the effective probing depth is fixed, optimal signal intensity can be achieved by altering the beam radius or the depth of focus.     

含有双层谐衍射元件的红外双波段光学系统消热差设计

用投影无热差图和双层衍射元件选玻璃的原则,选择了适用红外双波段消热差、消色差的玻璃组合.为提高衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法.利用双层谐衍射元件设计的折衍混合双波段光学系统视场角10°,F#为2,有效焦距115 mm.系统在3.4~4.2 μm和8~11 μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上;－40~100℃温度范围内,中心视场的调制传递函数值变化最大为0.09、边缘视场的调制传递函数值变化最大为0.13.