基于微纳光纤的气溶胶探测应用技术

为获得激光装置密闭空间内部气溶胶分布变化情况,提出了一种基于微纳光纤传感的密闭空间气溶胶检测方法。首先通过理论计算微纳光纤表面吸附气溶胶后传输能量的变化情况,得到能量损耗与气溶胶折射率、尺度之间的关系。利用火焰熔融扫描拉锥法拉制微纳光纤,并放置在激光装置中实验验证。实验结果表明:利用直径为1.5μm的微纳光纤可以有效检测密闭空间内直径为1μm和2μm尺度的颗粒污染物,并可以通过微纳光纤的附加损耗评估颗粒污染物的数量及尺寸,得到附加损耗与空间环境洁净度之间的关系,且理论与实验结果符合较好。     

多模式拉制微纳光纤

搭建了基于火焰加热法的微纳光纤拉制装置,通过软件控制,实现了3种模式下的微纳光纤拉制.基于传统的单边拉制和双边拉制,引入了Flame brush拉制方式,增加了火焰加热区域.根据测量结果优化了拉制模式中的参量,成功拉制出传输损耗、束腰直径及束腰长度均良好的微纳光纤.     

熔锥型微纳光纤耦合器的理论与实验研究

针对熔融拉锥系统制得的熔锥型微纳光纤耦合器,选择适当的连续函数描述其光场分布,采用归一化的三角分布和矩形分布的加权叠加,以及高斯分布和三角分布的加权叠加实现了模场沿耦合器区域的连续变化;利用局部模式耦合理论推导出腰区及腰区附近锥形区的耦合系数计算公式,并得到微纳光纤耦合器输出光功率随拉伸长度的变化曲线.计算结果表明,随着拉伸长度的增加,光能量在两臂中来回交替耦合的程度变小并且呈现包络样,直至腰区耦合功能消失.通过实时监测拉制微纳光纤耦合器的输出光功率,得到火焰扫描宽度以及氢气流量对双纤失去耦合效应拉伸长度的影响:火焰扫描宽度(均匀腰区)越宽,拉伸长度临界值越大;氢气流量(熔融度)越大,拉伸长度临界值越小.实验结果显示,当光纤耦合器腰区直径达到1.6μm时,耦合功能消失,两输出端口光功率相同且恒定,微纳光纤耦合器具备稳定的光学传输特性.     

基于PDMS的光纤端面微纳结构转移法

微纳光纤传感器将微纳加工与光纤传感技术有机结合，具有重大的科研意义和产业化潜力。现有加工方法无法达到任意复杂三维结构可制备化，从而限制了微纳光纤传感器的发展。介绍了一种新型微纳加工方法，该方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上实现微纳结构的制备，之后将薄膜连同微纳结构一同转移到光纤端面，在光纤端面实现人为定义三维立体微纳结构。通过在扫描电镜下对制备的样品进行检测，确认PDMS薄膜及其上三维结构可被无损转移至光纤端面。该方法具有易制备、低成本且可加工三维微纳结构的特点。     

微纳光纤耦合器无标生物传感特性

提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器,并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。通过熔融拉锥法拉制出腰椎直径为3μm的光纤耦合器,并进行折射率检测实验。实验测得折射率灵敏度为1402.3nm/RIU,对检测结果进行拟合,得到拟合曲线的相关系数为0.99459。微纳光纤耦合器的弱耦合模型的计算结果和实验结果相符。将此微纳光纤耦合器用于检测羊免疫球蛋白(IgG)抗原,得到了2pg/mL的检出限;10次解离再生实验验证了该传感器的重复性,表明了微纳光纤耦合器在无标生物传感中具有高检测灵敏度的潜力和较好的实用价值。     

基于PSO算法的DTS传感模型的参数辨识与优化

基于光纤拉曼散射效应和Monte-Carlo法,建立了一种分布式光纤拉曼温度传感系统(DTS)传感模型。应用改进的PSO算法对所建立的传感模型进行参数辨识,分析了种群数目、迭代次数、惯性权重、加速度因子等参数选值对算法的影响,选取了最佳参数组合。搭建了分布式光纤温度传感系统实验平台,运用所建立的DTS传感模型对分布式光纤温度传感系统进行相关的仿真及预测。实验及仿真结果表明,传感模型在空间分辨率为1m时,预测误差≤±0.25%;该分布式光纤温度传感系统测温误差≤±0.40℃。     

光子晶体光纤拉制中工艺参数的控制

分析了光子晶体光纤拉制中各工艺参数之间的相互影响,建立了工艺参数与最终光纤结构之间的对应关系.在温度和送料速度的协调控制下,通过调节气压参数可有效控制气孔结构.实验拉制出孔径孔距比分别为0.45和0.8的单模以及高占空比光子晶体光纤.在制备非均匀孔径光子晶体光纤时,仅靠调控工艺参数往往难以拉制出理想结构,本文以一种单偏振单模PCF结构为例,对预制棒结构进行了优化设计.计算表明可由此拉制出满足要求的光子晶体光纤. 关键词： 光子晶体光纤 工艺参数 气压控制 气孔结构     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

微磨削斜面光纤透镜平面度试验研究

为了研究微磨削参数对斜面光纤透镜平面度的影响,减小微磨削方法加工斜面光纤透镜的平面度误差,采用正交试验法对直径Ф125 μm单模光纤的30°斜面光纤透镜的微磨削进行了试验。结合微磨削的磨削力模型和材料力学弹性梁变形理论, 分析微磨削过程中随着磨削用量的变化所导致的光纤透镜被磨削斜面的平面度的变化规律。理论分析和实验结果表明:光纤悬伸长度对斜面光纤透镜平面度的影响最大,增大光纤悬伸长度将导致较大的斜面光纤透镜平面度的轮廓误差,恰当的磨削用量组合能够获得较小的平面轮廓误差。通过试验磨削出了平面度误差为3 μm的30°斜面光纤透镜。     

基于微加工工艺的光纤消逝场传感器及其长度特性研究

用硅光刻工艺和二氧化硅湿法腐蚀工艺制作了针状封装结构的光纤消逝场传感器.该结构的传感器体积小、试剂消耗量少,减轻了测量过程中光纤的变形,密封的结构可以有效地防止传感器受到污染.从理论和实验角度研究了不同长度的光纤消逝场传感器的测量结果,分析了传感光纤长度对传感器吸光度的影响,指出随着传感器传感光纤长度的继续增加,会使后续增加的传感光纤对传感器灵敏度的贡献越来越小. 关键词： 硅光刻工艺 针状封装 光纤消逝场传感器 传感光纤长度     

Device for the precise shape correction of optical surfaces by ion-beam and reactive plasma etching

A device for the precise shape correction of optical surfaces of any irregular shape (convex, concave) up to 300 mm in diameter by means of ion-beam and reactive plasma etching is described. The possibilities of the device allow the fabrication of optical elements with a root-mean-square deviation from the desired shape on the level of 0.3 to 1.0 nm.     

Laser-fabricated glass microlens arrays

We report the fabrication of large, laser-formed refractive microlens arrays on doped borosilicate glass. Tuning the laser heat-source properties was found to give precise control over the melt process and the resulting lenslet geometries. Measurements of focal length, index, and surface shapes show excellent uniformity across these arrays.     

大偏离度非球面检测畸变校正方法

在高数值孔径(NA)投影光刻物镜中,随着数值孔径的增加,非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测,一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500μm的偶次高次非球面进行了计算全息图(Computer-Generated Hologram,CGH)设计,设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后,针对此设计方案,定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明,不同径向位置的成像倍率偏差(畸变)最大达到了2.7∶1,并且由于畸变的存在,低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后,针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变,提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法,并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明,畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%,可以满足高精度非球面检测加工的要求。     

硅晶格微区结构特征与Raman谱线宽

本文主要讨论半导体器件的晶格质量问题，检测评估工艺过程对基质晶格所造成的损伤程度。文中得出Ｒａｍａｎ线宽与格位扭曲角＜θ＞＿（ｒｍｓ）的关系，一个良好的器件，Ｒａｍａｎ谱半高宽应控制在３一６ｃｍ￣（－１）以内，对应的＜θ＞ｒｍｓ约为１～３     

相变致冷镜的有限元结构优化

 镜体的结构决定了相变致冷镜抑制腔镜在高能激光辐照下的热变形的效果。比较不同结构形式的相变致冷镜镜面热变形的有限元软件计算结果，并通过一阶非线性优化方法，得到较优的放射状结构：硅基基体外径80mm，厚度12.5mm，光斑直径40mm,吸收功率密度为79.58kW/m²，当其最优沟槽深度为99mm，宽度为0.4mm时，光照10s时镜面热变形达到最小值0.37μm。     

ICF流体力学不稳定性实验用柱状激波管的研制

在惯性约束聚变(ICF)实验中,点火靶丸表面(界面)的粗糙度和缺陷所产生的流体力学不稳定性是决定点火成功与否的关键因素之一,设计和研制流体力学不稳定性分解实验用靶是解决该问题的主要技术手段。结合国内外的研究现状和神光-Ⅱ激光装置的特点,设计并研制了一种新型柱状激波管。该靶型由三种介质组成,分别为调制聚苯乙烯(CH)圆片、柱状碳气凝胶(CRF)和CH微套管。调制CH圆片和柱状CRF通过微加工技术装配到CH微套管内,封装后形成柱状激波管。介绍了该靶型的设计原理和详细的制备工艺,并对相应的靶参数进行了测量。结果表明:柱状CRF气凝胶具有较好的成型性,长度、直径和密度分别为1000μm、730μm和250mg·cm-3;CH圆片的厚度和直径分别为15μm和730μm,表面调制图形的周期和峰谷差分别为100μm和4.3μm;实验得到的柱状激波管的轴向和径向最大装配误差分别为2μm和3μm。     

镜面起伏对1.55μm Si基MEMS光滤波器的影响

用传输矩阵方法,在简化的光学模型基础上,分别讨论了分布式Bragg反射镜DBR(Distributed Bragg Reflector)的生长精度及镜面起伏对1.55 μm Si基MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)可调谐光滤波器透射谱的影响.计算表明:DBR生长误差仅使主透射峰位置发生变化,而镜面起伏是导致主透射峰性能劣化的主要原因,它使得FWHM增大,透射峰强度下降.理论计算结果能较好地解释实验现像.在此基础上,进一步讨论了引起镜面起伏的多种原因,并提出了可能的解决方法.     

Large scale fabrication of nitrogen vacancy-embedded diamond nanostructures for single-photon source applications

Some color centers in diamond can serve as quantum bits which can be manipulated with microwave pulses and read out with laser,even at room temperature.However,the photon collection efficiency of bulk diamond is greatly reduced by refraction at the diamond/air interface.To address this issue,we fabricated arrays of diamond nanostructures,differing in both diameter and top end shape,with HSQ and Cr as the etching mask materials,aiming toward large scale fabrication of single-photon sources with enhanced collection efficiency made of nitrogen vacancy(NV) embedded diamond.With a mixture of O_2 and CHF_3 gas plasma,diamond pillars with diameters down to 45 nm were obtained.The top end shape evolution has been represented with a simple model.The tests of size dependent single-photon properties confirmed an improved single-photon collection efficiency enhancement,larger than tenfold,and a mild decrease of decoherence time with decreasing pillar diameter was observed as expected.These results provide useful information for future applications of nanostructured diamond as a single-photon source.     

Optical triangulation for dynamic gauging of cylindrical parts

The optical triangulation technique was applied to gauge cylindrical parts undergoing rotation. From the fabrication point of view, it may be assumed that the actual shape of cylindrical parts could be an ellipse. This deviation of shape from the desired circular cross-section and the departure of the actual rotation axis from the geometric axis of parts were dynamically monitored.     

On the characteristics of commonly nonideal rectangular ridge dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguides in practical fabrication processing

In this paper, four commonly nonideal structures of the ideal rectangular dielectric ridge dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguides (DLSPPWs) in actual fabrication processing were studied. The mode effective index, propagation length, field distributions, effects of geometric deviation, lateral field confinement and figures of merit of fundamental mode were calculated at the telecommunication wavelengths. It was found that, the propagation length, the lateral field confinement and figures of merit of four nonideal rectangle ridge DLSPPWs were changed compared with the ideal rectangular dielectric ridge DLSPPW. However, the field distributions were kept, and, the characteristics of nonideal rectangle ridge DLSPPWs were affected by the geometric deviation. This study presents the characteristics of commonly nonideal rectangle ridge DLSPPWs and provides substantial information for processing and optimizing the rectangular dielectric ridge DLSPPWs in practical fabrication processing.