超小自聚焦光纤探头的研究进展（英文）

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。     

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.     

基于表面等离子体共振原理的空芯光纤传感器

设计了一种基于表面等离子体共振原理,使用空芯光纤作为光波导、外表面镀金属膜的光学材料圆柱体作为探头的新型折射率传感器。通过建立光学模型进行分析,在理论上推导出了这种传感器的传输光谱损耗公式,并针对该传感器在不同的光纤长度、探头材料、检测物质折射率等参数设置下的检测性能进行了分析,获得了各种参数对其性能的影响。由于该传感器可针对不同折射率的检测物质灵活地更换合适探头材料,相对于传统的表面等离子体共振光纤传感器,在易用性和性价比等方面具有更好的应用价值。     

基于双远心镜头的空间分辨PDV探头研制

为了在材料动力学实验和结构响应研究中实现对平面靶约5 mm范围内多点速度的同时测量,基于光纤密排阵列和双远心镜头研制了一种与光子多普勒测速仪配套使用的具备空间分辨能力的激光发射接收探头。介绍了探头的光学设计和结构设计,并进行了装调和测试。输出光斑特性测试结果表明,探头垂轴放大率与设计值吻合,聚焦位置处最小光斑直径为109μm,最大为202μm。探头对漫反射靶的接收效率测试结果表明,探头中各光纤互不串扰,靠近中心的光纤的接收效率较大,而两侧的偏小。     

超小自聚焦光纤探头研究用场追迹数值模拟技术

研究场追迹数值模拟技术在超小自聚焦光纤探头设计与分析中的应用方法.首先,论述场追迹的概念及其基本原理;其次,论述场追迹在VirtualLab软件中的实现方法;最后,研究超小自聚焦光纤探头在基于场追迹的物理光学软件VirtualLab中的建模与分析方法,并进行仿真结果与实验结果的比较分析.结果显示,如设无芯光纤的长度为0.36 mm,自聚焦光纤透镜的长度分别为0.10,0.11和0.12 mm,计算所得的工作距离分别为0.75,0.63和0.51 mm,光斑尺寸分别为32,24和19 μm.理论计算结果与实验结果符合,表明基于场追迹的数值模拟技术是研究超小自聚焦光纤探头设计与分析方法的一个有效手段.     

手持/便携式激光拉曼测试装置中探头的设计与实验研究

从手持/便携式角度出发,采用双光纤光路设计了激光拉曼测试装置中的探头,并确定关键器件性能、型号及尺寸.利用Zemax软件进行光学模拟仿真,得到入射光路的工作焦距为13.5mm,像方数值孔径为0.23;收集光路的像面焦距为13.46mm,数值孔径为0.235.用SolidWorks软件进行机械设计,TracePro软件进行探头整体光路模拟,通过计算机数字控制机加工和3D打印两种方式制作得到整体尺寸为50mm×33.5mm×17mm的探头.用设计的拉曼探头对酒精样品进行了测试,测得酒精拉曼光谱与商用产品测得的结果基本一致,且在200～300cm~(-1)波数范围内有更好的信号表现.对K粉及冰毒进行了拉曼光谱测试,实测数据与理论数据基本一致.实验结果表明拉曼探头的设计达到了预期效果,并具有良好的性能.     

基于渐变折射率透镜的低损耗1×N微结构光纤耦合方法

提出了一种新型的、基于单个径向渐变折射率(GRIN)透镜的1×N光纤耦合方法,并基于水平入射以及垂直斜面入射光线的传播方程建立了用于求解点光源发出的光束在GRIN透镜斜面入射后的成像点的计算方法。通过将透镜前端面加工成多斜面棱镜,将输入光分为多束,光束聚焦位置可以通过系统参数来调整;被分割开的光束经会聚、优化像差后,实现1×N低损耗耦合,并进行了仿真研究;通过优化斜面倾角、物距等关键参数实现了光纤低损耗耦合。该设计方案结构简单,易于装配,为各类光子晶体光纤、多芯光纤、光纤组束和光纤合光提供了实用的耦合方法。     

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。     

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...     

保偏光纤双折射分析及全光纤拍长测试方法比对研究

理论分析了保偏光纤双折射效应,应用有限元法建立了保偏光纤的三维模型,得到了其横截面上的应力分布及归一化的双折射参数。选择3种全光纤构成的纯光学系统进行对比拍长测试实验,实验结果和理论模型计算结果十分吻合,并对比研究了几种测试方法的优缺点。选定一种光路结构简单有效的双折射测试系统,对高双折射光子晶体光纤进行测试,测得了其归一化的双折射参数,并计算得其拍长约为1.2mm。研究结果对不同复杂结构保偏光纤的建模理论分析和拍长性能测试及高双折射光子晶体光纤设计制作后的性能测试有一定的实用价值。     

动态化学腐蚀法制备大锥角近场光纤探针

基于液压传递原理,设计出一种用动态化学腐蚀法制备大锥角近场光纤探针的装置.实验结果表明,在传统的化学腐蚀法制备光纤探针的过程中,通过控制腐蚀液液面的上升速度,可以有效地控制探针针尖的形状以及锥角的大小.在此基础上,还论述了分步控制光纤与腐蚀液液面的相对位移的方法在大锥角光纤探针的制备中所具有的独特优越性.利用所制备的大锥角近场光纤探针在扫描近场光学显微镜上对直径为200nm的小球进行探测,其力学像证实该探针具有较高的形貌分辨率(约为50nm). 关键词： 动态化学腐蚀法 大锥角 近场光纤探针     

热拉伸和化学腐蚀相结合制备弯曲光纤探针

提出了原子力/光子扫描隧道显微镜(AF/PSTM)系统的关键部分——双功能弯曲光纤探针的制作方法.采用热拉伸与动态、静态两步化学腐蚀相结合的方法制作出AF/PSTM弯曲光纤探针，弯曲角度约为150°，尖端曲率半径优于100nm，锥角范围为60°—90°.将这种双功能弯曲光纤探针应用在新研制的AF/PSTM系统上，同时获得了样品的光学与形貌图像，实现了图像分解. 关键词： 原子力/光子扫描隧道显微镜 光纤探针 热拉伸 化学腐蚀     

基于拉锥结构的全光纤型内窥OCT探针研究

本文报道了一种基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针. 基于大纤芯多模光纤的低光束发散特性, 使用大纤芯多模光纤代替透镜作为成像元件, 并在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗. 首先利用光学仿真软件(Rsoft)确定探针的最佳结构, 然后通过拉锥、切割以及熔接工艺实现探针制作, 并对探针的出射光束特性与插入损耗进行测量, 最后将该探针与扫频光学相干层析成像主系统联机, 对人体指尖皮肤及鸡气管壁组织进行成像. 该探针直径为250 μm, 不锈钢保护管外径为325 μm, 硬端长度1 cm, 插入损耗约为0.3 dB, 空气中有效成像范围达800 μm. 该探针为内窥光学相干层析成像技术在心血管疾病的应用提供了高紧凑度、高传输效率与高灵活性的选择.     

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。     

Ultrathin fiber probes with extended depth of focus for optical coherence tomography

We report on a novel scheme for extending the depth of focus (DOF) of ultrathin (125 μm diameter) fiber probes for optical coherence tomography (OCT) using a simple phase mask consisting of graded-index (GRIN) fiber. The technique is compatible with existing all-in-fiber probe fabrication techniques, and our simulations show that it can provide a DOF gain of ~2 at a modest ~5 dB reduction of peak sensitivity. In a prototype device using commercially available GRIN fiber, a DOF gain of 1.55 is obtained, validated by beam profiling and OCT imaging.     

Numerical simulation of a gradient-index fibre probe and its properties of light propagation

In order to verify the properties of the light propagating through a gradient-index (GRIN) fibre probe for optical coherence tomography (OCT), numerical simulation using the optical software GLAD is carried out. Firstly, the model of the GRIN fibre probe is presented, which is consisted of a single mode fibre (SMF), a no-core fibre (NCF), a GRIN fibre lens and an air path. Then, the software GLAD is adopted to numerically investigate how the lengths of the NCF and the GRIN fibre lens influence the performance of the Gaussian beam focusing through the GRIN fibre probe. The simulation results are well consistent with the experimental ones, showing that the GLAD based numerical simulation technique is an intuitive and effective tool for the verification of the properties of the light propagation. In this paper, we find that on the conditions of a constant GRIN fibre lens length of 0.1 mm and an NCF length of 0.36 mm, the working distance of the probe will be 0.75 mm and the focus spot size is 32 μm.     

Simultaneous Measurement of Particle Size and Particle Velocity by the Spatial Filtering Technique

The objective of this study was to compare the measuring results of a fiber‐optical probe based on a modified spatial filtering technique with given size distributions of different test powders and also with particle velocity values of laser Doppler measurements. Fiber‐optical spatial filtering velocimetry was modified by fiber‐optical spot scanning in order to determine simultaneously the size and the velocity of particles. The fiber‐optical probe system can be used as an in‐line measuring device for sizing of particles in different technical applications. Spherical test particles were narrow‐sized glass beads in the range 30–100 μm and irregularly shaped test particles were limestone particles in the range 10–600 μm. Particles were dispersed by a brush disperser and the measurements were carried out at a fixed position in a free particle‐laden air stream. Owing to the measurement of chord lengths and to the influence of diffraction and divergent angle, the probe results show differences from the given test particle sizes. Owing to the particle‐probe collisions, the mean velocity determined by the probe is smaller than the laser Doppler mean velocity.     

无线光通信系统中的光接收机设计

介绍了无线光通信的特点，比较了光电检测器、光纤接收模块、自聚焦透镜和多模光纤接收机耦合三种设计方案，提出了自聚焦透镜和多模光纤之间的耦合设计是最优方案。详细讨论了自聚焦透镜和多模光纤之间的耦合设计和电信号处理过程。试验证明，采用该方案后系统输出信号的信噪比显著提高，完全可以满足通信系统的要求。