互相关法在光纤液滴指纹图分析中的应用

为了实现光纤液滴指纹图的实时分析,引进了互相关分析法.在对乙醇溶液测量的过程中,将50％浓度的乙醇溶液对应的光纤液滴指纹图作为参考指纹图,然后将测得的光纤液滴指纹图与参考指纹图进行互相关,得到光纤液滴指纹图的相关曲线,从中提取与液体参量有关的各种信息.利用互相关分析法对各种浓度的乙醇溶液进行了处理,得出了相关峰高度与浓度的单调关系,验证了互相关法的可行性.     

蘸粘式光纤液体分析仪的折射率传感特性研究

提出了一种测量液体折射率的光纤液体分析仪。利用液体表面张力的作用,在光纤探头端形成一个液滴。该液滴的作用相当于一个平凸透镜,发射光纤出射的光经液滴表面折射、未扰液面的反射和液滴表面的再次折射后进入接收光纤。根据菲涅耳公式,光线在各个界面的透射系数和反射系数与液体的折射率有关,且对于不同的液体,光线的传输路径不同。基于球面折射成像和反射式强度调制原理,分析了光线的传输路径,并建立了接收光纤接收到的光强与液体折射率的关系模型。对不同浓度的NaCl溶液进行了测量,实验结果符合理论预期,表明该方法可以用于液体折射率的测量。     

双圈同轴光纤传感器在润滑油介质中的输出特性

针对双圈同轴式光纤(TCCOF)位移传感器用于滑动轴承油膜厚度检测时,由于传播介质为润滑油,传感器输出特性会受到影响,本文根据折射定律分析了传播介质对光纤最大入射角的影响,考虑传播过程中的光损并利用光场的准高斯分布规律建立了润滑油环境下的传感器数学模型,同时通过仿真计算得到了传播介质不同时的传感器输出特性。在此基础上,搭建了相应的传感器标定实验平台进行验证。结果表明:空气中TCCOF传感器的灵敏度为0.691/mm,润滑油中TCCOF传感器的灵敏度为0.464/mm;TCCOF传感器在润滑油测量环境中可减小光功率不同对传感器特性的影响;TCCOF传感器灵敏度随着反射面曲率半径的增大而增大;由于具有对称结构,当反射面为圆柱面时,TCCOF传感器可减小探头周向安装角度对其输出特性的影响。因此,在利用TCCOF传感器进行油膜厚度检测时,必须在相应润滑油环境下及相应的反射面情况下进行传感器标定。     

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.     

准二维各向同性激光冷却的光场仿真

在各向同性激光冷却原子实验中,光场分布是影响冷原子分布的重要因素,可以利用真空腔的结构和激光的注入方式的不同来调控腔内的冷原子分布。本文提出了一种扁平形漫反射腔体结构,并对冷却光的不同注入方式和不同尺寸的腔体结构形成的光场分布进行了仿真。仿真结果表明,与自由空间光入射相比,激光由光纤入射能够获得更均匀的准二维分布的光场,因此可以通过调节光纤的入射角度及光纤参数,实现对光场均匀度的优化。此外,随着腔体边长的等比放大,腔内光功率密度呈负指数幂衰减。扁平形漫反射腔形状接近二维,在准二维分布的光场和特殊的扁平形腔体结构的作用下,能够获得呈准二维分布的冷原子,在量子传感及量子精密测量领域具有重要的应用前景。     

基于倏逝场耦合的石墨烯波导光传输相位特性仿真与实验研究

石墨烯材料应用到各种光波导器件中正成为新一代光子器件的重要发展方向之一,目前基于石墨烯的光纤和集成光子器件研究越来越受到国内外的重视. 本文建立了一种由微纳光纤耦合光倏逝场,并在石墨烯薄膜中传输的模型. 通过有限元分析法,研究了光在这种石墨烯波导中传输光场的强度分布和相位特性,并通过实验进行了验证. 结果表明,沿着微纳光纤-石墨烯光波导传播的倏逝场的强度分布和相位均受石墨烯材料作用,石墨烯材料能有效聚集和导行波导中传输的高阶模,在单位传输长度上具有更密集的等相位面. 本文提出了一种利用微纳光纤耦合光倏逝场研究石墨烯相位响应特性的新方法,对基于石墨烯波导的新型调制器、滤波器、激光器和传感器等光子器件的设计和应用具有一定的参考意义. 关键词： 石墨烯平面光波导 倏逝波 光场强度 相位     

Bessel光束经椭圆环形孔径后的衍射光场

基于菲涅耳衍射积分理论及硬边孔径的复高斯函数展开法导出了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场表达式, 数值模拟了其光场的强度分布. 研究了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场变化及其传播过程; 在实验上利用轴棱锥输出的近似无衍射Bessel光, 通过椭圆环形孔径, 使用电荷耦合器件拍摄得到不同传播距离处的光强分布. 理论结果和实验结果均表明无衍射光束经椭圆环形孔径后会产生空心光束.     

光纤耦合激光束输出光空间分布及其影响因素分析

通过分析光纤出射端面的光强分布,研究了光纤传输过程中激光二极管出射光束进入光纤时的指向角对出射端面光场分布的影响.提出一种影响光纤输出端光场的新因素,对数值孔径和光纤芯径两个影响因素进行了补充.在光纤传输过程中,将激光二极管出射的光束等效为大量光线,在二极管输出光的位置以及空间分布确定的情况下,使用光线追迹方法依次分析了单束和多束光的指向角以及光纤长度对出射面光强分布的影响.结果显示:单束入射光指向角的偏差会引起光纤输出端面光强极值位置的偏移,多束的情况可以导致光纤输出端光强呈现明显的环状分布,得出了入射光束指向角的偏差是影响光纤出射面光强分布和峰值位置的重要因素的结论,而光纤长度的变化对上述分布状况同样存在影响.     

基于布里渊散射的结构应力光纤测试技术研究

本文通过分析一定功率的脉冲光射入光纤中的布里渊散射规律,介绍了分布式光纤测量测量轴向应力的基本原理。制作实验装置,测量单独的应变模型,分析散射回来的波形图,初步了解应力在光纤布里渊散射波谱上的图像特征。将应力作用于光纤的不同位置,对比它们与无应力作用诗所得到的散射波形之间的图像差异,研究其对光脉冲在光纤传输过程中的影响规律。结果表明,应力的作用大小,作用位置的不同都会对脉冲光的传播造成影响,主要在于影响布里渊散射的斯托克斯光和反斯托克斯光。本次研究所得可以为分布式光纤测量提供参考,为分布式光纤在测量微型形变的应用中有一定的促进作用。本次研究的创新点在于使用滑轮的方法,解决同等应力在分布光纤的不同位置作用效果。     

光纤耦合激光束输出光空间分布及其影响因素分析

通过分析光纤出射端面的光强分布,研究了光纤传输过程中激光二极管出射光束进入光纤时的指向角对出射端面光场分布的影响.提出一种影响光纤输出端光场的新因素,对数值孔径和光纤芯径两个影响因素进行了补充.在光纤传输过程中,将激光二极管出射的光束等效为大量光线,在二极管输出光的位置以及空间分布确定的情况下,使用光线追迹方法依次分析...     

梯度磁场作用下光纤中磁流体光透射特性研究的建模与分析

对光纤中磁流体在梯度磁场作用下的光透射特性进行了研究,提出光纤中磁流体的光透射率变化主要来源于梯度磁场引起的磁流体密度分布变化。根据郎之万函数和流体理论,推导了光纤中磁流体在梯度磁场作用下的密度分布,并根据Beer-Lambert定律,得到磁流体光功率透射衰减和纳米粒子局部密度的关系,从而建立光纤中磁流体在梯度磁场作用下光透射特性的理论模型。进而对光纤中磁流体在不同梯度磁场作用下的光透射功率进行数值分析,得到不同磁场强度和磁场梯度下光纤中磁流体透射功率的变化规律。最后将数值分析的结果和实验数据进行对比,验证了模型的合理性, 同时也验证了梯度磁场作用下磁流体光透射功率的变化主要来源于磁流体密度分布变化的推论。     

Dropwise chains as the elements of water fog spatial structure

Video images of water fog drops were acquired under standard atmospheric conditions with weak turbulence of the environment. Pair correlation functions of the drops were performed and traces of the spatial arrangement of the drops inside the fog determined. The fog structure carriers are the drop chains with a fixed interdroplet distance. The possible influence of the drop chains on the shear viscosity and fog surface tension has been analysed.     

Near-field observation of beam steering in a photonic crystal superprism

The optical near-field technique is applied to provide a direct experimental observation of the refracted beam propagation inside a photonic crystal structure displaying a superprism effect. The obtained results show a 35° light beam angle deviation for a wavelength variation from 1500 to 1600 nm. The experimentally determined beam divergence is in good agreement with modeling predictions and previously performed transmittance experiments. A marked self-collimation propagation over a broad 20 nm wide spectral range centered at λ=1550 nm is experimentally demonstrated. The developed technique opens promising perspectives for the invisibility cloaking structures investigation.     

Extraordinary variation of pump light intensity inside a four-level solid-state laser medium

A theoretical investigation of the absorption of the pump light at different intensities through a four-level solid-state laser medium is presented. It is found that the variation of the pump intensity inside the laser medium cannot always simply be dominated by Beer's law. Transmission of the pump light through this laser medium is closely related to the pump intensity itself. In fact, when the pump intensity is relatively low, whose values depend on the characteristics of the medium, the variation of the pump light through the laser medium is consistent with Beer's law. However, while the pump intensity is high enough, the relationship between the transmission of the pump light and its propagation distance is demonstrated to be linear. These theoretical results have been confirmed by the experiment with a medium of YAG:Nd.     

Refractive index profiling of a GRIN optical fiber using a modulated speckled sheet of light

A method for calculating the refractive index of GRIN optical fiber from its transverse interference pattern is presented.In this method the transverse interference fringe pattern through an optical fiber using a sheet of light is applied to get the refractive index profile of it. The optical fiber is not immersed in a matching liquid as used in different techniques [Barakat N, El-Hennawi HA, El-Zaiat SY, Hassan R. Pure Appl Opt 1996;5:27].In this method a sheet of He–Ne laser light is allowed to illuminate the fiber. The light sheet is divided into two parts, the first is refracted through the fiber while the second is used as a reference beam. Interference pattern will be obtained between these two rays displaying the refractive index variation along the fiber radius.The fringe shift of such interference pattern has been measured and used to calculate the deflection angle of light refracted by the fiber and the cladding. An equation is derived to calculate the refractive index profile difference ratio δn at different positions across the fiber cross section in terms of the corresponding deflection angle and is verified experimentally.The optical path difference between these two rays (refracted and reference beam divided by the fiber) has been derived and the fringe shift obtained has been used to calculate the refractive index profile of the fiber.Introducing a ground glass screen on the passage of the two light beams (refracted and reference beam divided by the fiber), two superimposed identical speckle patterns are formed leading to the formation of a third speckle pattern modulated by a grid structure displaying the optical thickness of the fiber.     

A new laser shadowgraphy method for measurements of dynamic contact angle and simultaneous flow visualization in a sessile drop

A new laser shadowgraphy method is presented to measure the dynamic contact angle of a sessile drop on a nontransparent metal substrate and simultaneously visualize flow motions inside the drop. A collimated laser beam is refracted into the drop, then reflected on the substrate surface and finally refracted out of the drop to form a shadowgraphic image on a screen. The instant diameters of the refracted-shadowgraphic image, cooperated with the corresponding instant contact-diameters of the drop measured from the magnified top view, are used to determine the instant contact angles of the sessile drop. At the same time, flow motions, if any, in the drop can be visualized from the refracted-shadowgraphic image. The new method is demonstrated to be a very simple, accurate, and unique optical technique for simultaneous measuring of the dynamic contact angle of a liquid drop spreading on a nontransparent metal substrate with flow visualization in the drop.     

自然光在多层介质分界面上折射时的偏振度

通过光在介质的分界面上折射时产生的偏振现象,利用非磁性介质的菲涅耳公式及入射、折射时的光强关系,从理论上详细推导了自然光在两介质分界面上折射时其偏振度的数学表达式,探讨了透射光的偏振程度与介质层数的关系.实验测试的结果表明,在考虑误差存在的情况下,实验曲线与理论曲线的变化趋势基本相符;对于同一介质,折射光的偏振度随入射角的增大而单调地增加.     

光在非均匀介质中传播规律的演示

光在介质中的传播规律遵循费马原理,如：在均匀介质中,光沿直线传播．在非均匀介质中,光的传播轨迹比较复杂,与非均匀介质的状态有密切关系．尽管海市蜃楼和沙漠幻影是大自然中能够看到的光在非均匀介质中的传播现象,但只有在一定条件下才能出现,不是随时可以看到的．为了能在光学教学中让学生能够看到光在非均匀介质中的传播,本文利用白糖溶液和水之间扩散形成的浓度非均匀区域,实现了光线的非直线传播．通过光线实际传播的路径,计算了非均匀区域液体折射率的相对变化．这一演示实验取材简单,容易实现,对学生思维训练具有一定的借鉴意义．     

微纳结构光纤光谱学

微纳结构光纤光谱学是指以空芯微结构或微纳光纤为样品池,光和物质在纤芯内部或表面进行相互作用的光谱学技术。本文回顾空芯和微纳光纤导光的基本原理,介绍气体、液体样品池构建的理论和方法,综述基于光谱吸收、光热、光声、荧光、拉曼等效应的微纳结构光纤光谱学的最新进展及今后可能的发展方向。微纳结构光纤对光场的束缚能力强、模场能量在空气中的比例高,可实现光和物质在其中的高效、长距离相互作用。微纳结构光纤样品池的采用,可提升传统光谱学系统的性能或构建新型的光谱学系统;应用传输光纤与其他光学元器件进行柔性连接,可促进光谱学仪器和传感器的小型化和实用化。