带有实时温度补偿功能的微型光谱仪研制

解调飞机上变栅距光栅位移传感器的微型光谱仪在受到严重的高低温冲击后会出现温度漂移。针对航空领域中变栅距光栅位移传感器的解调系统研制了一种具有实时温度补偿功能的微型光纤光谱仪。为了实现实时温度补偿,分析了温度变化对微型光谱仪的影响,并对传统的交叉式Czerny-Turner光路进行了优化,用ZEMAX软件模拟得到：在相同的受热产生的变形条件下,优化的C-T光路光谱漂移量相比优化前的更小且整体漂移线性度更好。在此基础上提出了一种引入参考光来实现实时温度补偿的方法,并最终基于改进的C-T光路制作了一个体积为80 mm×70 mm×70 mm、工作波段在500～1 000 nm、积分时间为8 ms～1 000 ms、光学分辨率约为2 nm的微型光纤光谱仪,用实验验证了优化的C-T光路的光谱温度漂移情况及温度补偿方案的可行性。实验结果表明在近60 ℃范围内的温度冲击下,研制的微型光谱仪能够达到波长标准误差小于0.1 nm,波长最大误差小于传感器系统所要求的0.3 nm,满足初始的设计要求。该微型光谱仪的创新之处在于采用了优化的交叉式C-T光路作为色散系统且基于引入参考光的方法实现了实时温度补偿功能。     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.     

全光纤傅里叶变换光谱仪的关键技术研究

研究一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪结构的全光纤傅里叶变换光谱仪(fiber fourier transform spectrometer, FFTS)。设计了光程调制范围可达2 cm的压电陶瓷光纤相位调制器,代替传统傅里叶变换光谱仪中的动镜产生光程扫描。实验中采用1 310 nm DFB激光器作为参考光源,对测试光干涉图进行等光程间隔采样,以消除压电陶瓷非线性光程调制产生的误差。通过对测试光干涉图做傅里叶逆变换得到测试光光谱图。利用该FFTS系统测量了ASE宽带光源的光谱,并将测量结果和光栅光谱仪测量结果进行了对比,结果表明两者所测ASE光谱线型一致。最后,利用光纤光栅作为样品,对FFTS系统的光谱分辨率进行了检测,光谱分辨率达到了0.78 cm-1。     

光谱仪的微型化及其应用

和传统光谱仪相比,微型光谱仪的分辨率较低,但由于它体较小、价格便宜等优点广泛应用于许多测量、控制领域。讨论了微型光谱仪结构特点、关键技术和发展趋势;对多种微型光谱仪的工作原理和相应的工艺流程做了较为详细的总结;结合国内微型光机电系统制作工艺,分析了几类微型光谱仪的制作难点及其设计方案的可行性。探讨了在分辨率要求不太高的情况下微型光谱仪的多个潜在应用领域。     

近红外微型光谱仪光学系统设计与模拟

基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C-T结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案。采用ZEMAX软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析。最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1 700 nm,分辨率<10 nm,谱面展宽为12.74 mm,F数为8.128 388,系统体积为51.26 mm×41.81 mm×22 mm。     

微型近红外光谱仪分析系统的研制

近红外光谱技术是光谱测试技术、化学计量学技术与计算机技术的有机结合,文章立足于食品有效成分无损定量检测的目标,介绍了微型近红外光谱分析系统的研制过程。作为系统测试的基础, 文章重点研究了适用于在线实时分析的微型化近红外光谱仪,研制出的微型近红外光谱仪样机工作波长:850～1 690 nm,分辨率小于10 nm。通过对样机主要参数的测试表明,性能接近国外同类产品水平。另外, 化学计量学与计算机技术的结合是系统的核心,提出了基于最小二乘的局部加权回归(LS-LWR)的建模方法。最后,应用研制出的系统对葡萄糖水溶液定量测试实验表明,其预测集的相关系数达到了0.995, 预测标准偏差为0.06。     

一种提高线阵CCD微型光谱仪波长分辨率的新算法

采用一种新的波长算法,通过获取光谱峰的位置信息,对相邻像元间的波长进行细分,将线阵CCD微型光谱仪波长的测量分辨率提高到了1pm。实验测量结果表明:测量光纤布喇格光栅(FBG)的波长稳定性优于1pm;测量光纤外腔式Fabry-Perot干涉仪(EFPI)的波长稳定性为5pm;计算速度比采用插值算法更快,有效地提高了波长测量的分辨率和采样频率,可以实现光纤传感信号的高速高精度解调。     

微型宽波段光谱仪光学系统设计

针对国内基于M型Czerny-Turner结构的宽波段微型光谱仪研究较少的情况,对微型宽波段光谱仪进行了设计,并提出了完整的设计流程。根据几何光学原理,分析了光学系统各个参数之间的约束关系,据此设计、计算得到了光学系统的基本参数,并使用Zemax进行仿真。为了提高仪器的紫外响应,在CCD的前端增加了Lumogen镀膜的滤光片。实际制做的光谱仪测量结果表明:光谱仪的分辨率在200 nm~1100 nm全波段范围内达到1.5 nm,中心分辨率达到1 nm,满足设计需求。     

基于高掺锗石英光纤的中红外超连续谱产生

采用波长为2μm、脉冲宽度为50 ns的掺铥光纤调Q激光器作为抽运光源,纤芯掺锗浓度为75%的石英光纤为非线性介质,进行了中红外超连续谱产生的研究。实验过程中在掺锗石英光纤的抽运光输入端熔接一截100~200μm长的多模光纤以提高光纤的空间耦合效率和损毁阈值,通过优化掺锗石英光纤的长度,最终在1.9μm(受光谱仪测量范围限制)~2.9μm范围内获得了较平坦的超连续谱输出,10 d B带宽和20 d B带宽分别达到950 nm和980 nm,而且其长波限接近目前报道的基于同类光纤的超连续谱的最大长波限。     

国产掺镱双包层光纤的激光特性

 采用MCVD方法研发了掺镱双包层光纤，并对其结构特性、荧光特性和激光特性进行了测试和研究。其D形内包层尺寸为400/450μm，数值孔径为0.36,纤芯直径约为16μm，数值孔径约为0.18。荧光谱线的范围为1 000~1 140 nm，1 030 nm处的峰宽大于50 nm。采用大功率激光二极管单端泵浦6 m长的双包层光纤，在泵浦入纤功率为61 W时， 获得了32 W的激光输出，斜率效率为64%。该光纤在高功率处未发现饱和现象，通过优化光纤参数与泵浦方式还可以提高转化效率和输出功率。实验表明该光纤可以取代进口光纤用作高功率激光器件。     

基于光栅应变传感器的纳米测量机探针设计

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度,且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求,提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针,即探针里有一个熔融的球形顶端,FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理,并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析,结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明,在轴向载荷条件下,用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试,得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率,其性能满足实际测量需要。     

混合集成微型光纤光谱仪的设计模拟及实验

提出了一种混合集成微型光纤光谱仪。该系统采用一种全息凹面光栅作为分光成像元件，以线阵CMOS图像传感器作为探测元件，实现400～800nm波长范围内的光谱检测。整个系统的光学元件少、光能传输效率高、结构简单紧凑、体积小。通过结构与参量的优化设计、计算机模拟和初步试验表明这是一种较为理想的微型光谱仪。     

Microanalysis of clay‐based pigments in painted artworks by the means of Raman spectroscopy

FT Raman spectroscopy and micro‐Raman spectroscopy with lasers of three different wavelengths (1064 nm, 785 nm and 532 nm) were used for analysis of reference samples of natural clay pigments including white clay minerals (kaolinite, illite, montmorillonite), green earths (glauconite and celadonite) and red earths (natural mixtures of white clay minerals with hematite). In addition, eight micro‐samples obtained from historical paintings containing clay pigments in ground and colour layers have been examined. Powder X‐ray diffraction and micro‐diffraction were used as supplementary methods. It was found that laser operating at 1064 nm provided the best quality Raman spectra for distinguishing different white clay minerals, but the spectra of green and red earths were affected by strong fluorescence caused by the presence of iron. Green earth minerals could be easily distinguished by 532 or 785 nm excitation lasers, even in small concentrations in the paint layers. On the other hand, when anatase (TiO₂) or iron oxides (such as hematite) were present as admixtures (both are quite common, particularly in red earths), the collection of characteristic spectra of clay minerals which form the main component of the layer was hindered or even prevented. Another complicating factor was the fluorescence produced by organic binders when analysing the micro‐samples of artworks. In those cases, it is always necessary to use powder X‐ray micro‐diffraction to avoid misleading interpretations of the pigment's composition. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

光热效应用于光纤光镊焦点位置的研究

光镊是利用光穿过处于系统焦点的物体时产生的动量变化对其施加力的作用,因此确定光镊系统焦点位置是极其重要的.但目前缺少有效确定光镊焦点的方法.本文提出利用测量皮安培量级电流的膜片钳技术,基于光在溶液中产生的光热效应来确定光纤端面出射光斑的焦点.基于水的吸收光谱,选用波长为980nm、845nm和功率为100mW的激光作为光源.由于光热效应引起溶液电导的改变,影响流过玻璃微电极的电流,再用标准温度引起电流变化对膜片器放大器记录的电流标定,将电流值转换成温度值,获得微电极尖端点的温升值.用三维微操纵器控制玻璃微电极的空间位置,获得温度空间分布,从而确定该光斑焦点位置.     

光热效应用于光纤光镊焦点位置的研究

光镊是利用光穿过处于系统焦点的物体时产生的动量变化对其施加力的作用,因此确定光镊系统焦点位置是极其重要的.但目前缺少有效确定光镊焦点的方法.本文提出利用测量皮安培量级电流的膜片钳技术,基于光在溶液中产生的光热效应来确定光纤端面出射光斑的焦点.基于水的吸收光谱,选用波长为980 nm、845 nm和功率为100 mW的激光作为光源.由于光热效应引起溶液电导的改变,影响流过玻璃微电极的电流,再用标准温度引起电流变化对膜片器放大器记录的电流标定,将电流值转换成温度值,获得微电极尖端点的温升值.用三维微操纵器控制玻璃微电极的空间位置,获得温度空间分布,从而确定该光斑焦点位置.     

A sub‐micrometer resolution hard X‐ray microprobe system of BL8C at Pohang Light Source

A microprobe system has been installed on the nanoprobe/XAFS beamline (BL8C) at PLS‐II, South Korea. Owing to the reproducible switch of the gap of the in‐vacuum undulator (IVU), the intense and brilliant hard X‐ray beam of an IVU can be used in X‐ray fluorescence (XRF) and X‐ray absorption fine‐structure (XAFS) experiments. For high‐spatial‐resolution microprobe experiments a Kirkpatrick–Baez mirror system has been used to focus the millimeter‐sized X‐ray beam to a micrometer‐sized beam. The performance of this system was examined by a combination of micro‐XRF imaging and micro‐XAFS of a beetle wing. These results indicate that the microprobe system of the BL8C can be used to obtain the distributions of trace elements and chemical and structural information of complex materials.     

激光加工微型光纤折射率传感器的工艺与特性

提出一种由157 nm激光制造的新型微型光纤法布里-珀罗折射率传感器的制作方法,传感头由靠近单模光纤端的具有光纤顶端微通道的法布里-珀罗空气腔组成,将单模光纤顶端的微通道作为检测介质的入口.分别在珐珀腔的反射界面镀以薄膜作为反射镜面来确保高的光对比度.试验中获得了1 130.887 nm/refractive-index的分辨率.和其他的光纤传感器相比,这种传感器具有体积小,结构坚固,高分辨率,线性良好,测量范围宽等优点,能够满足实际应用的要求,特别是对需要小型传感器的场合.     

Morphology and size dependence of silver microstructures in fatty salts-assisted multiphoton photoreduction microfabrication

The morphology and size dependence of silver microstructures in a novel microfabrication process, fatty salts-assisted multiphoton photoreduction (MPR), were investigated by using the fatty salts with different carbon chain lengths (C _n : n=4,5,7,9) under varied powers and irradiation times of a femtosecond near-infrared laser with the wavelength of 800 nm. Not only the feature size of the silver structures was reduced but also the surface smoothness was improved by increasing the chain length of the fatty salts. The highest resolution of a silver line was obtained to be 285 nm, which exceeded the diffraction limit. The fatty salts-assisted MPR microfabrication approach would provide an efficient protocol for fabricating metallic micro/nanostructures with fine morphology and size and could play an important role in the fabrication of the metallic micro/nanostructures for applications in photonics and electronics as well as in sensors.     

基于主成分分析法的高性能波长计研究与实现

波长探测作为科学技术中的一个基本工具,在分析化学、生物传感和光学通信等众多领域具有重要作用。从多模光纤信号传输理论出发,在绝热、准直模型中建立基于模式干涉效应的强度干涉图像理论;实验测量时,在光纤尾端引入缓变（斜率约为0.01）锥形区域设计,保证收集到侧面辐射信号的同时,也近似满足理论模型和数值仿真结果。在搭建的显微共焦成像系统中,连续扫描窄带激光器进行干涉图像存储,经过区域选取、向量拼接以及奇异值分解等步骤得到由器件特性决定的校样矩阵。波长的探测过程共分为两个步骤：在工作带宽内纳米量级粗略扫描光波长得到粗略校准矩阵,一维待测信号强度图像与之进行内积相关性运算后,选取数值最高的波长值作为预估波长单元;在此基础上精细扫描得到精细校样矩阵,选取三个最大主成分并定义与波长欧氏距离最小值确定最终探测波长。采用内积相关性运算联合主成分分析法不仅可以将波长探测分辨率提高到20 pm、准确率达到96.7%,探测效率较其他光谱重建算法提高50倍。实验证实该波长计工作范围至少为400～700 nm,器件尺寸仅为π×(20 μm)2×0.5 mm。该器件在高性能、便携式和低成本方面较同类器件有较大提升,在光谱重建效率也集成了高效算法,能够广泛应用于光纤传输系统的波长实时探测。     

光电探测器阵列光敏元宽度对谱线峰值位置影响的研究

本文针对采用光电阵列探测器进行信号采集的光谱分析系统,分析了探测器阵列光敏元宽度对光谱峰值定位的影响.指出由于光敏元具有一定宽度,导致非对称型光谱峰值的亚象元定位误差,并提出用反卷积消除这种误差.