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...     

用于实现散射介质中时间反演的数字相位共轭的相干性

抑制散射介质对光的散射,调控光在散射介质中的传输,是光通信、生物光子学、光镊等领域的重要课题.设计并实现了基于宽谱光源和数字相位共轭的可调控光在散射介质中传输的时间反演实验系统.实验获取了不同相干长度下物光和参考光束之间的光程差与干涉图样、相位图及时间反演信号之间的关系,分析了光源相干性对调控光在散射介质中传输的影响.实验结果表明,基于宽谱光源的相干特性和数字相位共轭技术,通过调节光程差能选择性获取同一散射角度及相同传输路径的光束的相对相位,再利用空间光调制器对参考光束进行调控,实现光束的反向传播,从而选择性实现对同一散射角度及相同传输路径的光的时间反演.     

适合于内窥成像的共路型光学相干层析成像系统

提出了一种采用光纤型迈克耳孙干涉仪进行光程补偿的菲佐型光学相干层析成像(OCT)系统.该系统的传感探头为共路干涉结构,以解决现有内窥光学相干层析成像系统中存在的探头运动导致图像失真、以及更换使用不同探头时需进行色散和偏振态调节等问题.光程补偿和振动干扰实验结果表明,光程补偿方法正确可行,系统对环境干扰不敏感.利用研制的系统对反射镜和近红外卡进行了成像实验,验证了系统的有效性.提出的方法非常适合于内窥成像,并给出了把系统扩展为内窥光学相干层析成像系统的具体实现过程.     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。     

无吸收光栅的X射线相位衬度成像实验研究

通过对基于空间相干源和具有分析光栅功能的X射线转换屏的微分干涉X射线相位衬度成像 系统的理论分析, 利用线发射体阵列结构阳极X射线管和光助电化学刻蚀技术 研制的相位光栅和具有分析光栅功能的X射线转换屏, 组建了一种无吸收光栅的X射线微分干涉相衬成像系统. 在此系统上开展了生物样品的实验研究, 获得了较传统吸收成像更为清晰和更多样品结构信息的相位衬度图像. 从而试验验证了该系统方案设计的可行性, 为X射线相衬成像技术从实验室走向临床应用提供了有效途径.     

动态光散射一体化光纤探头的优化设计方法

光纤探头将发射光纤、接收光纤及自聚焦(GRIN)透镜集成为一体,可替代传统动态光散射装置的光路系统,能有效提高空间相干性,但目前尚缺乏光纤探头结构参数的最优设计方法。依据动态光散射光路系统空间相干性的要求,分析了光纤探头的结构参数,给出了优化设计的方法,确定了光纤探头两透镜间距和夹角的最佳取值范围。实验结果表明:光纤探头两透镜夹角为19°,间距为1.5 mm时,可满足光路系统空间相干性的要求,接收信号的信噪比最高,相关函数的截距达到0.83,使用最优拟合累积分析法反演的颗粒平均直径相对误差小于2%。     

基于传像束的小视场双目结构光三维形貌恢复

提出基于传像束传像和双目结构光相结合的三维测量系统,实现对无法直接成像场景,如爆轰、冲击等环境下的小视场物体三维面形测量。测量时,结构光直接投影到待测物体表面,变形条纹图像首先被成像到传像束前端面,再被传递到传像束后端面,并最终被成像到相机像平面,再由三频相位展开技术计算出对应相位分布后,即可根据双目匹配计算出待测物体高度。实验表明,传像束系统能完成高精度的微小物体三维形貌重建,且由于传像束的引入,增加了测量系统的灵活性。     

高精度定量相位显微成像方法研究

定量相位显微成像在工业检测、生物医学和光场调控等领域具有重要的应用价值。常用的定量相位显微成像技术通过干涉的方法来获取相位的定量分布,干涉装置的稳定性、光学衍射极限的限制、相位再现时的解包裹问题、激光照明下的相干噪声,以及动态观测过程中的样品离焦等因素都会影响定量相位显微成像的分辨率和精度。本文围绕高精度定量相位显微成像中的上述关键问题展开研究,通过构建物参共路的同步相移数字全息显微结构实现稳定的实时测量;采用结构光照明的超分辨相位成像方法实现对微小物体的超分辨相位成像;利用双波长照明将纵向无包裹相位测量范围扩大到微米量级;使用低相干LED照明解决相干噪声问题;提出了基于结构光照明和双波长照明的数字全息显微自动调焦方法,可以满足对不同类型样品的长时间跟踪观测。     

基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究

菲涅耳非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)利用在空间光调制器(spatial light modulator,SLM)上加载双透镜模式对同一物点光分束自相干,并通过改变加载的相位因子得到不同的相移全息图.本系统利用SLM可分区编码调制特性,将FINCH成像中SLM上分三次加载的0°,120°,240°相位双透镜掩模各提取1/3组成一幅复合相移模式加载,并研究了三种相位分布方式对FINCH成像质量的影响.结果表明:三个相位在SLM上分布间隔越大,再现像越清晰.在此基础上,提出了一种新的掩模加载方式,在SLM加载透镜阵列,每一个相位因子对应一个双透镜,具有一个光轴.实验表明,通过这种加载方式,通过SLM后形成的三个相移图能够一次在电荷耦合器上记录,并且三个相移图不重叠,然后通过MATLAB编程计算将不同相移角度的全息图分别提取出来,通过三步相移计算合成一幅包含有物光波的复值全息图,最后通过数值再现算法重建待测样品.此系统可用于对光源相干性较低的实时成像系统,也为微小形变测量、动态物体的观测提供了新方法,为非相干数字全息术的发展提供了新思路.     

基于激光微加工的新型光纤法布里-珀罗折射率传感器

提出了一种新型的光纤法布里-珀罗(F-P)折射率传感器,该传感器由单模光纤头端面和靠近该端面的由157 nm激光加工而成的短空气腔构成.短空气腔两个端面的反射光和光纤头端面的反射光发生干涉形成了传感器的反射谱干涉条纹.干涉条纹的对比度受光纤头端面外部的折射率影响,在干涉条纹包络的波谷处具有最大的对比度,外部待测折射率可通过计算该处的对比度得到.传感器对温度不敏感同,测量范围广.在1.33至1.441范围内,折射率灵敏度约为27 dB,分辨率约为1.12X10-4;在1.45～1.62范围内.折射率灵敏度约为24 dB,分辨率约为1.26×10-4.     

激光诱导金纳米棒图案化光纤SERS探针

研究了激光诱导沉积制备光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针,并对探针的SERS性能进行检测。探讨光纤探针制备过程中金纳米棒溶液的浓度对探针灵敏度的影响。结果表明,将不同浓度的金纳米棒溶液进行激光诱导,在光纤端面会形成金纳米棒团簇和分散两种纳米结构。金纳米棒溶液的浓度、激光功率、诱导时间等因素都会对诱导沉积图案产生影响。实验利用功率为5 mW的激光进行诱导,在1.5×10-9,1.0×10-9和7.5×10-10 mol·L-1的金纳米棒溶液中,经5 min沉积,制备出不同图案的光纤SERS探针。采用晶种法合成金纳米棒,用透射电子显微镜（TEM）观察金纳米棒形貌,并根据TEM图像分析计算了合成金纳米棒的长径比约为3.8。用扫描电子显微镜（SEM）观察金纳米棒的形貌以及激光诱导沉积后的纤维修饰端形貌,7.5×10-10 mol·L-1的金纳米棒溶液进行激光诱导,金纳米棒在光纤端面分布较为分散,而1.5×10-9和1.0×10-9 mol·L-1的金纳米棒溶液进行激光诱导,光纤端面都有大量的金纳米棒聚集成团。以4-氨基苯硫酚（4-ATP）为样品分子,通过拉曼光谱对光纤探针的SERS性能进行检测;为了方便比较,选取了拉曼频移1 079.972 cm-1处的拉曼强度作图,结果表明,金纳米棒浓度为7.5×10-10 mol·L-1时,经激光诱导制备出的光纤探针性能较好。采用时域有限差分法(FDTD)模拟形成的图案的热点分布,进而解释了金纳米棒浓度为7.5×10-10 mol·L-1时制备的光纤探针性能较好的原因。为了检验光纤探针的重复性,将测试SERS光谱后的光纤浸入无水乙醇中24小时,使4-ATP充分溶解在酒精中,15天后,再次检测光纤探针的SERS检测性能,得到与之前检测同样的光谱图,证明得到的光纤SERS探针具有较强的可重复利用性。激光诱导制备光纤探针具有操作简单、成本低廉、探针制备时间短等优点,能够实现高灵敏度光纤SERS探针的重复、批量制备。     

基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器

设计并研制了一种新型的基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器.该光纤弯曲传感器由两根光纤组成的光纤带固定于弹性弯曲结构上来产生迈克尔逊干涉信号,用光纤折射率匹配液填充微型腔,并施加音频振荡信号对相位干涉信号实现低频调制.采用相位生成载波技术对相位干涉信号进行调制和解调,实现了对曲率变化高精确度的检测.实验测试了该光纤弯曲传感器的相位干涉信号与光纤带弯曲曲率的关系,并与理论分析对比.结果表明该光纤弯曲传感器具有43.96 rad/m－1的灵敏度及0.004 m－1的高分辨率.     

基于空芯微结构光纤拉曼探针的实验研究

表面增强拉曼散射(SERS)技术可有效增强样品分子的拉曼信号,对生物分子检测具有较高的灵敏性,因此在生化方面有着许多潜在的应用.而将空芯微结构光纤与SERS技术相结合不仅能够远端实时、分布式地检测,同时还可以增加光场与待测物的有效作用面积,减少传统光纤探针无法避免的石英背景信号等问题.本文基于空芯微结构光纤进行SERS探针的制备及性能测试研究,利用真空物理溅射法在空芯光纤内镀纳米Ag膜,从而制备成SERS探针,通过实验检测不同浓度的罗丹明6G (R6G)酒精溶液的拉曼信号.结果表明,在探针的近端正面成功探测到了浓度低至10~(-9)mol/L的R6G拉曼信号,在探针的远端反面探测到的浓度可小于10~(-6)mol/L.该实验结果为研究高灵敏度的SERS探针提供了一种新的手段.     

A novel reconfigurable radio-over-fiber system based on flexible optical devices

In this paper, a reconfigurable Radio over Fiber system based on optical switches, optical multimode interference power splitter and tunable optical filters is designed, which can achieve quadrature phase shift keying wireless modulation in optical domain and switch carrier frequency between 30 and 60 GHz. The scheme can make good use of bandwidth resource and realize signal transmission in fiber within 10 km.     

光纤传感技术结合紫外光谱快速检验马来酸氯苯那敏片

建立一种光纤传感技术结合紫外-可见吸收光谱快速定性、定量分析药物的方法.将光纤探头浸入待测药物溶液中,氘灯光源发出的光通过光纤传输到探头,由探头感受经溶液吸收的光信号,并再次通过光纤反馈到检测器,最终通过计算机即时显示待测药物的光纤紫外-可见吸收光谱,并利用光谱中最大、最小吸收波长及吸光度与对比图谱比较获得定性、定量信...     

基于波长双环路结构的新型光电振荡器的研究

提出了一种新型的基于波长双环路结构的光电振荡器方案. 在此方案中, 利用两个激光器产生两束波长不同的连续光, 分别通过两段长度不同的光纤构成双环路结构, 利用光学游标效应可以获得单一的起振模式. 通过理论分析可知, 不同波长的两束光载波在耦合时, 几乎不会产生随机拍噪声. 实验中, 获得了X波段(8-12 GHz)内频率可调谐的高质量微波信号. 通过测量, 信号的边模抑制比达到60 dB, 相位噪声为-132.6 dBc/Hz@10 kHz. 同时, 利用锁相环技术, 通过光纤拉伸器有效补偿系统的腔长漂移, 因此振荡频率的稳定性得到极大改善. 系统的频率漂移在2 h内小于±84.3 mHz. 另外, 测得的微波线宽为5.3 mHz, Q值在10¹²量级, 具有很高的谱纯度.     

基于啁啾光纤光栅的粮仓测温网络研究

为了解决传统光纤光栅测温系统中单根光纤上带光纤光栅探头数量少、回波光强弱以及复用能力差的问题,设计研究了基于啁啾光纤光栅的测温系统。通过啁啾调制技术提高了回波光的带宽,从而增强了信号的可处理性并大大提高了带探测点位的数量。推导了啁啾调制的光栅周期表达式,给出了调制方法及波长范围。实验采用LPT-102型宽带光源与F-P光纤解调仪等,调制带宽为1 535.0～1 555.0 nm,并结合WR-201型温度传感器作标定。对20～60 ℃范围内每1 ℃改变进行测试,实验结果显示,传统光纤光栅探头与啁啾光纤光栅探头的测试温度误差相近,都符合设计要求。相比而言,啁啾FBG的测试数据对应的波长偏移具有较为明显的单调线性的特征,即数据稳定性更高,同时,采用啁啾FBG的系统带光纤光栅探头数量明显优于传统光纤光栅测温系统。由此可知,本系统在不增加光纤个数及不降低温度测试精度的基础上,实现了大幅提高带探测点位数量的设计要求。     

基于小波变换的蓝宝石荧光光纤温度计

采用激光加热小基座法生长出掺Cr3+的蓝宝石光纤荧光温度传感头，它具有结构紧凑，耐高温等特点，测温范围从室温到450℃。使用基于小波变换的数据处理方法，有效去除信号中的噪声，提高了信噪比。在对荧光测温机理和有关光纤技术进行分析的基础上，采用与调制荧光信号相关的双参考源相位锁定测量方案，可在无激励光干扰的情况下对荧光寿命进行实时测量。根据噪音和信号在小波变换下表现出的不同性质，提出以小波变换为基础的温度信号特征提取及消噪方法。与其它处理方法相比，小波变换方法可以克服傅里叶变换对突变信号不起作用的缺点，同时又比Gabor变换具有可变窗口的优点。该方法可以缩短测量时间，提高测量分辨率。     

Theoretical Analyses on the Resolution of Collection Mode Scanning Near-Field Optical Microscopy

Numerical simulations have been carried out in the framework of waveguide theory to model collection mode scanning near-field optical microscopy (SNOM). The theoretical model includes the optical fiber end and describes the metal coated aperture on the probe tip. The developed formalism goes beyond the existing Bethe-Bouwkamp theories for electromagnetic transmission of subwavelength apertures. The finite coating and optical fiber end are now taken into account. The new features enable us to simulate the near-field probes that are widely used in the collection mode SNOM. The emphases of the numerical analyses have been mainly on the resolution mechanism of the microscopy. Influence on the resolution from important parameters of the probe tips, such as the size of the apertures and the probe-sample distance, is extensively studied. The resolution dependence has been analyzed in the light of the near-field coupling efficiency of the probe tip. An optimum tip size has been found which is balanced between the significant signal transmission and the resolution of the device.     

针对水质监测的紫外-可见光谱双光程融合优化算法

紫外-可见光谱法多参数水质在线监测系统面对复杂水体时,常需要频繁改变探头光程以保持光谱较高的信噪比。然而,适合的光程往往需要大量实验才可确定,难以满足在线监测系统对实时性、精度、灵敏度、稳定性等的实际需求。研究了一种紫外-可见光谱双光程融合优化算法,将同时采集的长短两种光程光谱使用了滑窗法估计它们光谱噪声方差分布,确定光谱强噪声区间;由于长短光程光谱的信号强度不同,使用了遗传算法计算得到双光谱融合的最佳增益匹配倍率;最后,按噪声方差分布使用分段加权方式得到较高信噪比的双光程融合光谱。实验结果表明,利用该法对重庆长寿湖水样、嘉陵江某排污口及邻苯二甲酸氢钾标准溶液三种样本进行测试,其融合光谱在200～250 nm区域的强噪声得到抑制,零值干扰左推至220 nm之前,样本的峰值信噪比均有显著提高,证明了算法的有效性和普适性。该算法无需大量实验以获得最佳光程,对于拓宽紫外-可见光谱水质在线监测系统的应用范围具有较为重要的现实意义。