二维及三维流场的光学测量方法

对于复杂的非定常流动 ,流场的测量往往要求无干扰、非接触 ,并且能够瞬时记录流场的二维甚至三维信息。对近年来流场测量领域发展快速、应用广泛的几种光学测量方法 ,如 PIV技术及其由此发展而来的 DPIV和 HPV技术 ,做一些介绍和比较。     

温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响

利用气体折射率与压力之间的关系,可采用激光干涉仪对气体动态压力进行非接触测量,研究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。通过量子力学角度对气体状态方程进行维里展开,建立气体压力与折射率的模型,基于Edlen经验公式进行最新修正,探究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。结果表明,在低压范围内静态压力一定时,-20～80℃范围内温度变化与气体折射率成反比,折射率的改变量约为10~(-6)/℃,每1℃的温度变化相当于产生311.47Pa压力,温度改变对气体低压测量影响较大,应保证测量范围内温度控制优于±0.05℃,才能满足激光干涉法测量气体动态压力的要求。     

用干涉原理测定液体折射率的新方法

介绍了一种利用干涉原理测定液体折射率的新方法。其基本特点是不需要取样 ,直接无干扰地测定平行平板液池内介质的折射率 ,在适当控制实验条件的情况下 ,测量精度可以达到小数点后 5位。对如何简化计算并消除池壁参数的影响以提高测量精度等问题进行讨论 ,给出了分析结果。以水为检测对象 ,进行了实验验证     

干涉法测量光学材料非线性折射率的方法研究

提出了一种基于楔形平板等厚干涉原理测量光学玻璃非线性折射率变化的方法。在理论分析的基础上,建立了变形的等厚干涉条纹变化△e／e与待测玻璃平片（K9玻璃）折射率变化量△nb之间的数学模型;在选取一定的实验条件下,获得等厚干涉实验测量干涉图样,并利用MATLAB对实验所得的干涉图进行图像数据处理分析计算,恢复出非线性变化光学玻璃材料的折射率变化量△nb该方法的测量精度可达10^-6。     

扩散燃烧流场的PIV测试方法探讨

由于能提供高时空分辨率的瞬时流场信息,二维粒子成像速度仪(PIV)已广泛应用于燃烧流场的测量.本文利用PIV对甲烷同轴射流扩散燃烧的流场进行了测量,针对测量中出现的示踪粒子导入、火焰发光干涉、光强不均、数据处理等问题进行了分析和实验,获得了有效的解决办法和满意的测量结果.     

轴对称流场干涉条纹折射率的模拟计算

提出一种获取流场干涉条纹折射率分布的新方法。该方法首先采用不等间隔的环带分割轴对称流场,使折射率变化大的地方获得的数据点密,然后通过对Abel变换进行离散数值计算来获取流场的折射率分布。通过模拟轴对称流场的实时全息干涉条纹证明了该方法不仅简单易行,而且所获取的折射率分布精度高。     

一种基于迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统的研究

浓度是表征溶液性质的重要物理参数之一。本文设计了一种基于旋转比色皿结合迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统。将液体加入比色皿并旋转5°,利用CCD采集光强数据和自编的计数程序,可实时测量旋转前后干涉条纹移动数目之差,并由此计算NaCl和葡萄糖溶液的折射率和浓度。对质量百分比浓度为0、10%和20%的NaCl溶液进行了折射率测量和误差分析,发现与相关理论值的相对误差仅为0.61%、0.63%和2.2%。葡萄糖溶液的浓度—折射率关系曲线也呈现出线性良好、可靠性高的特点。总之,基于迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统具有测量非接触、结果可靠、高效实用的特点。     

利用数字全息干涉术观察RuO2:LiNbO3晶体中畴反转的区域特性

利用马赫-曾德尔干涉光路和4f光学透镜系统,以部分畴反转的掺钌铌酸锂晶体(RuO2:LiNbO3)的透射光作为物光来记录全息图,并在数值再现过程对其进行频域滤波以实现物场波前信息的数值重建,检测出在一定电压作用下晶体内部折射率变化的二维分布.检测结果证实:晶体中发生畴反转的区域与发生电色效应的区域严格相符.数字全息干涉术非接触、无干扰、无破坏的优势在准实时监控、检测和分析铌酸锂晶体畴反转方面有很好的应用前景.     

基于PASCO平台的透明材料折射率的测量

将迈克耳孙干涉仪和PASCO实验平台相结合,设计了一种高精度、高效率测量透明材料折射率的方法.首先分析PASCO迈克耳孙干涉仪测量材料折射率的原理,然后利用高性能PASCO传感器和计算机对干涉条纹进行图像采集和数据处理,得到待测透明材料的折射率信息.最后对材料折射率的不确定度进行探究.实验结果表明,旋转角度θ对折射率的不确定度影响最大,厚度d次之,干涉条纹计数K影响最小.PASCO实验平台配合迈克耳孙干涉仪可以准确、高效的记录干涉条纹在"吞吐"时光强的变化,降低条纹计数测量的不确定度,从而提高透明材料折射率的计算精度.同时该方法还可用于和透明材料折射率相关的其他特性的测量.     

半导体激光器的自混合散斑干涉测量流体速度

提出了一种简便的激光自混合散斑干涉测量流体速度的方法。根据散斑和法布里-珀罗腔的理论,提出了半导体激光器的自混合散斑干涉模型。研究了流体运动时在半导体激光器内产生的自混合散斑干涉效应(SMPI),给出了激光器输出增益的变化及其概率密度分布。得到了激光自混合散斑干涉平均频率与流体速度之间的关系。模拟计算和实验结果验证了这个关系。利用散斑干涉的平均频率与流体速度的关系测量了高分子材料溶液的速度,并在溶液浓度和背景光变化时,对流体速度进行了测量、比较和分析。实验表明。在溶液浓度不太低时,测量误差小于8％。     

基于扩散相关光谱的血流检测方法研究

组织血流信息在临床诊断和治疗中具有重要的作用,无创血流检测是医患双方的期望。研究采用了近红外扩散相关光谱方法对生物组织血流进行无创检测,理论分析了散射光斑强度的变化和被测组织中血细胞运动状态的函数关系,建立了检测组织血流的理论模型及检测系统。该系统通过求解组织表面散射光斑电场强度的时间自相关函数来推断组织中血细胞的运动状态,进行组织血流的定量分析。采用健康人体前臂袖带加压实验模型对该系统进行了验证,实验结果验证了该系统进行组织无创血流检测的可行性,同时也表明该系统可以提供从浅层到深层的组织血流变化信息。     

一种新型温度自补偿高灵敏度折射率计

基于高频CO2激光脉冲写入的新型超长周期光纤光栅(ULPFG),提出了一种可实现温度自补偿的新型高灵敏度折射率计。理论与实验表明,新型超长周期光纤光栅不同闪耀阶次谐振峰对外界折射率与温度变化的灵敏度各自不同,特别的是,该光栅存在对外界折变不敏感的谐振峰,测量中除了可以利用该峰实现温度同时测量外,还可以补偿另一个测量折变的谐振峰因温度变化带来的测量误差。该折射率计具有制作简单、成本低、强度好,灵敏度高等优点,当外界折射率在1.43~1.45范围内变化时,其折射率测量灵敏度可达每单位折射率240 nm,在实际工业应用中具有较大的潜在实用价值。     

基于平行平板的折射率高精度非接触测量

常用的测量折射率的方法如偏向角法、自准直法、临界角法、 V棱镜法等,这些方法通常需特制三棱镜与待测件。待测样品不一致且过程复杂,测试定标周期长,难于自动化。为了保证待测材料的完整及实现自动化测量,进行了基于平行平板的折射率非接触测量的尝试。运用该方法进行折射率的测量,不需特制三棱镜并且待测件与待测样品一致。分析表明,通过选择合适的测量角度,该方法旋转角度精度为a=0.003（即10）,导轨精度为L=0.000 8 mm,平行平板厚度测量精度为d=0.001 mm。     

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

层状GRIN板折射率分布的自动测量

采用溶液 凝胶扩散共聚法成功地合成了二元体系的甲基烯酸苄酯 甲基烯酸甲酯 (BZMA MMA)层状梯度折射率板 ,折射率分布是其主要性能指标。给出了一种测量该制品折射率分布的简便实验装置和自动实现方法。该测量方法基于激光干涉的原理 ,由计算机自动跟踪干涉条纹的移动来计算梯度折射率材料的折射率分布。实验表明 ,该方法简单易行 ,具有较高的折射率测量精度 ,为科学评价自研制梯度折射率材料的性能提供了保证     

基于液晶/聚合物光栅的高转化效率有机半导体激光器

采用有机半导体发光材料聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔]作为增益介质,低官能度光敏单体制备的液晶/聚合物光栅作为外部反馈谐振腔,制备出参数可独立控制的分离式结构的有机半导体激光器.液晶/聚合物光栅中液晶分子的取向影响光栅折射率调制量,从而影响光栅的反馈能力,最终影响激光器出射激光的性能.通过研究发现决定液晶分子取向的主要有两种与光栅周期有关的作用力,利用这一原理制备不同周期的光栅,光栅周期小于450 nm时,相分离出的液晶分子取向由光栅矢量方向变为光栅沟槽方向,此时光栅的折射率调制量增加,光反馈能力增强.采用周期为395 nm的液晶/聚合物光栅制备二级布拉格散射的有机半导体激光器,相较于大周期光栅(593 nm)制备的激光器,激光阈值由0.70μJ/pulse降低至0.18μJ/pulse,转化效率由2.5%提高到6.4%,且出射激光垂直于基板表面发射,有利于后续的处理及应用.     

CO2激光脉冲边缘写入的长周期光栅折射率特性研究

报道了一种用高频CO2激光脉冲在普通通信光纤包层边缘单侧写入的新型长周期光纤光栅。研究发现,这种长周期光纤光栅的折射率变化主要发生在光纤包层区域,而纤芯的折射率变化较小;同时该光栅的附加损耗低于0.5 dB。进一步折射率特性实验研究表明,由于其特殊的折变结构,这种光栅具有较高的外界环境灵敏度,当外界折射率在1.41~1.45范围内变化时,其谐振波长漂移量高达15.52 nm,比实验测得的用传统方法写入的长周期光纤光栅谐振波长漂移量高出近3倍,这种光栅结构在光纤传感中将具有重要的应用。     

Determination of the Refractive Index of Water‐dispersible Granules for Use in Laser Diffraction Experiments

Modern laser light scattering equipment can cover a very broad particle size range by using complex algorithms, such as the Mie theory. A disadvantage of this theory, however, is that it requires the knowledge of the refractive index of the particles, which is not straightforward for powdered organic substances. In this study, thiram, a common dithiocarbamate fungicide, was used as a model compound. In a first part, a method was elaborated to determine the refractive index, based on refractive index measurements of solutions of the compound of interest in a range of solvents. Two different extrapolation techniques were compared. Both techniques were validated by applying them to the determination of the refractive indices of poly(vinyl acetate) and poly(methyl methacrylate). Secondly, the influence of the refractive index value on the generated particle size distribution in the laser diffraction software was investigated. It was observed that widely different particle size distributions can be generated by the laser diffraction software for a single experimental data‐set. Therefore, accurate refractive index information is required to obtain reliable particle size distribution results.     

用光学方法测量液体的物理参数

实验发现,激光束照射在振动的液面上,表面波对入射光可产生衍射;插入液体里的金属细丝被拉出液面时,由于液体的润湿效应,其周围的液体拉伸一定高度而断裂。以上两种实验现象机理,可用于液体表面张力系数的测定。激光经小孔透射样品池中的液体介质,在液体上表面发生遮光效应,根据其机理,建立了一种测量液体折射率的新方法。     

结合计算层析与光学相干层析测量折射率分布

通过将计算层析技术与光学相干层析技术相结合,测量散射介质非均匀折射率分布。该方法测量散射样品折射率分布时,通过光学相干层析技术测量散射样品折射率分布在多个方向上的投影,采用计算层析技术实现对样品折射率分布的层析重建,克服了传统折射率光学测量方法如单纯的基于光学相干层析原理的焦点追迹法和光程匹配法,不能测量散射介质非均匀折射率分布的缺点。采用该方法在实验中对梯度折射率棒的径向相对折射率分布进行层析重建,取得了较好的实验结果。