一种新的USED CARS相位匹配实现技术

相位匹配是相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温的关键技术之一,针对现有非稳腔空间增强探测(USED)相位匹配方式中存在的背景辐射大、光路调试不灵活以及斯托克斯光利用率低的不足,提出了一种新的USED CARS相位匹配实现方案:即设计一个与斯托克斯光斑大小相当、呈45°斜角的斜反镜,用于反射全部斯托克斯光,并以斜反镜代替传统USED CARS中的环反镜,让泵浦光从斜反镜后方射入,从而形成USED相位匹配方式。新的USED CARS相位匹配方案中:由于斜反镜面积相对于环反镜大为减小,使得因反射而进入光路的背景辐射大幅降低;斜反镜本身可作为光路调节元件,因而增加了光路调试灵活度;斯托克斯光被斜反镜全部反射用于产生CARS信号,提高了其利用效率。基于平面火焰炉稳态火焰开展的测温实验结果表明:新的USED CARS相位匹配方案不但克服了传统USED CARS中存在的不足,而且具有更小的标准差,是一种更为有效的相位匹配方法。     

可调空间分辨USEDCARS技术研究

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术是一种非常重要的燃烧诊断技术,该技术具有非常强的抗干扰能力和非常高的测量精度。但空间分辨力不足会使CARS技术产生很强的空间平均效应,引起成CARS光谱畸变,进而造成CARS光谱分析困难,无法通过CARS光谱反演燃烧场参数。针对非稳腔空间增强探测CARS（USEDCARS）技术存在的空间分辨不足以及空间分辨力不易改变的特点,分析了影响USEDCARS技术测量空间分辨力的各种因素,采用一组轴棱锥对USEDCARS系统中的泵浦激光进行环状光束整形,并通过调节轴棱锥之间的距离获得了不同直径的环状光束,在此基础上,建立了空间分辨可调USEDCARS诊断系统。开展了空间分辨力分析实验,获得了CARS信号强度随空间位置的分布数据,以CARS信号总强度95%包含的空间区域代表CARS的纵向空间分辨力,以此计算得到了CARS系统空间分辨力为1.7～6.5 mm连续可调。其中,高分辨力情况,达到了现有BOXCARS技术的空间分辨力。利用所建立的空间分辨可调USEDCARS诊断系统测量了酒精/空气预混火焰温度参数,获得了不同空间分辨条件下的CARS光谱。空间分辨力为1.7 mm时,获得了高质量CARS光谱,通过光谱拟合给出了所测火焰的温度信息。分辨力分别为4.9和6.5 mm时获得了较强的CARS信号,但存在光谱畸变。结果显示,空间分辨力对CARS信号的强度和空间平均效应有很大地影响,提高测量的空间分辨力可以有效消除空间平均效应,获得准确的CARS光谱,增强光谱拟合精度,同时空间分辨可调的特性使该系统能够更好地适应不同实验条件下的诊断工作。     

甲烷-空气预混V形火焰的CARS实验研究

本文将相干反斯托克斯(CARS)理论光谱计算和实验光谱分析的方法应用于预混V形火焰燃烧的温度测量实验,利用N2的Q支CARS谱线,使用单脉冲宽带方法获得了预混V形火焰的CARS信号光谱强度特性,测量了V形火焰水平方向和竖直方向上的温度分布特征,从中得出了火焰锋面的厚度,分析了火焰锋面的皱褶与摆动对CARS信号的影响。同时测量了不同燃料系数下V形火焰燃烧产物的温度,得出了温度随燃料系数的变化趋势,为进一步研究预混 V形火焰的结构提供了依据。     

NO气体的空间交叉CARS

采用具有高空间分辨率的空间交叉BOX CARS相位匹配方法,完成了对NO气休室温下、Q支(v=0→v=1)振转CARS谱的测量,研究了它与NO气体压强及激光线宽的关系.从CARS基本理论出发,考虑到激光线宽及不同线型,计算出理论曲线,与实验谱线进行了比较,洛伦兹线型的理论模拟和实验结果符合较好.     

紧聚焦条件下相干反斯托克斯拉曼散射信号场的矢量分析

在相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微镜中,共线传输的紧聚焦高斯光束激发具有不同形状和尺寸的待测样品所产生的CARS信号场的空间分布决定了整体系统的结构特点.建立了紧聚焦条件下球形样品产生CARS信号场的理论模型.利用矢量波动方程分析了紧聚焦条件下线偏振的高斯光束的光场强度和相位分布.利用格林函数求解该模型中CARS信号场的矢量波动方程,模拟计算得到了不同直径球形样品的远场CARS信号场的空间分布.理论分析和模拟计算结果表明,对于小体积的球形样品,前向和背向传输的CARS信号场强度接近,因此采用大数值孔径物镜背向探测方式即可获得高对比度图像.对于大体积球形样品,CARS信号场的强度大幅增强,且发射方向主要集中在前向的一定立体角内.因此,采用小数值孔径物镜即可有效收集前向传输的CARS信号.     

宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场

 报道了采用单次脉冲非稳腔空间增强探测 相干反斯托克斯喇曼散射（USED CARS）技术诊断常压下固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度。采用宽带USED CARS技术，在固体燃剂瞬态燃烧场获得了较高信噪比的单次激光脉冲氮气Q支CARS实验谱，用CARS理论计算软件拟合CARS实验谱，给出了固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度在不同高度的分布，固体燃剂燃烧场温度约2 250K、氮气相对浓度16%～20%。     

用BOXCARS技术诊断含铝固体燃剂燃烧场

介绍了用单脉冲BOXCARS技术测量含铝固体燃剂燃烧场的温度及氮气的浓度。分析了激光光束质量对CARS信号强度的影响,给出了在燃烧场中取得的单脉冲CARS光谱,并进行了理论拟合,得到了燃烧场的温度及组份浓度数据。在燃烧场中心高5mm处温度值约为2550K,氮气浓度平均为25.5%。测量了燃烧场中不同高度处CARS光谱,给出了燃烧场温度、氮气浓度随高度变化的曲线,对结果进行了分析。     

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.     

基于受激布里渊散射的宽带宽和高精度的微波频率瞬时测量

提出了一种基于受激布里渊散射效应的瞬时频率测量方法.未知信号经过强度调制作为泵浦光,矢量网络分析仪产生的信号经过相位调制作为扫描信号光,当泵浦光和扫描信号光之间满足相位匹配条件时,受激布里渊散射效应发生并实现相位调制到强度调制的转换,未知信号的频率被测量.实验验证可以测量0.5 GHz-27 GHz的微波信号的频率,最大误差小于20 MHz.     

相位调制激光多普勒频移测量方法的改进

本文对现有相位调制激光多普勒频移测量方法进行了改进,通过定义新的鉴频参量来同时利用相位调制信号直流和交流分量中的有用信息进行多普勒频移测量.由于相位调制信号直流分量中包含着调制信号光的Fabry-Perot干涉仪光强透过率,所以这一改进本质上是将基于Fabry-Perot干涉仪的边缘技术激光多普勒频移测量方法的优势引入到相位调制测量方法中,以提高其自身的性能.理论上证明改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法无需对信号光的光强进行测量,所以可以进一步简化探测系统的结构和较少噪声混入的通道.另外,通过对改进前后鉴频和测量灵敏度曲线进行对比,还证明了其具有更高的测量灵敏度和动态范围.实验上对硬目标反射的频移可控信号光进行测量,不但证明了理论的正确性,而且证明了改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法,测量动态范围提高约1倍,测量标准偏差降低约35%.     

利用准直管法测凹透镜的焦距

介绍了利用准直管精确测量凹透镜焦距的方法，该方法借助一个焦距较长的凸透镜与被测凹透镜组成无焦系统，可以使准直管出射光束的张角发生改变；用一辅助凸透镜与一测微目镜进行平行光束的会聚，测出准直管玻罗板线对在辅助凸透镜焦平面上所成像的大小；经过相应计算可得到被测凹透镜的焦距。     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

基于平行光管法的薄凸透镜焦距测量

薄凸透镜是光学仪器中最重要、最基本的元件，在天文、军事、医学等众多领域发挥着重要作用。焦距是薄透镜、反射镜等光学系统最重要的特性参量，因而准确测量薄透镜的焦距则显得尤为重要。实验室测量薄凸透镜焦距的方法有物距像距法、自准直法、光电法、平行光管法等。由于采用前3种方法测量透镜焦距的精度偏低，针对该问题，提出利用平行光管法测量薄凸透镜的焦距，并对实验误差作简单分析。实验结果表明，该方法可以高精度地测量薄凸透镜焦距，相对误差仅为0.138%。因此，采用平行光管法的薄凸透镜焦距测量方法是有效可行的。     

Coherent anti-Stokes Raman scattering and normal anti-Stokes Raman scattering due to LO phonons in GaP using cw diode lasers

Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and normal anti-Stokes Raman scattering (NARS) have been measured in (001) GaP at room temperature due to the 403 cm⁻¹ LO phonons using a continuous wave (CW) 785.0 nm fixed-wavelength pump laser and a CW Stokes laser tunable in the 800-830 nm wavelength range. CARS measurements are normally made using pulsed lasers. The use of CW diode lasers allows a more accurate comparison between the measured and calculated values of the CARS signal. The pump and Stokes laser beams were linearly polarized perpendicular to each other, same as the pump and normal Stokes/anti-Stokes scattered light for the GaP sample used in this work. The pump and Stokes laser powers incident upon the GaP sample, located in the focal plane of a 20 mm effective focal length lens, were <20 and 50 mW, respectively. The diameter of the laser beams in the focal plane of the focusing lens was determined to 40±5 μm. The pump and Stokes laser beam intensities incident upon the 0.3 mm thick GaP sample were <2 and 5 kW cm², respectively. The powers of the CARS and NARS signals were measured using a Raman spectrometer. The signal output of the Raman spectrometer was calibrated using the pump laser and several neutral density filters. The Raman linewidth (full-width at half-maximum) of the LO phonons was determined to be 0.95±0.05 cm⁻¹, using the variation of the CARS signal with the wavelength of the Stokes laser. The measured powers of the CARS and NARS signals are about a factor of 5 and 1.5, respectively, smaller than those calculated from the corresponding theoretical expressions.     

凸透镜焦距测量方法的探索简

凸透镜焦距的测量方法和不确定度评价已经有很多研究,本文着重研究测量方法,提出了应用实物成虚像、虚物成实像方法来测量凸透镜的焦距,并与实物成实像方法进行比较和分析。本文的实验研究拓展了透镜焦距测量的方法,同时更加深入研究了透镜成像的规律,开拓了实验思路。     

新方法精确测量凸透镜焦距

凸透镜在光学应用中有很大的作用,而它焦距的测定方法有很多。本文应用分光计、可调狭缝设计一种新方法精确测量凸透镜的焦距。     

Measuring laser divergence

A standard method of measuring the divergence is to measure the beam diameter in the focal plane of a lens based on the proposition that the beam diameter is equal to the focal length of the lens multiplied by the incident beam divergence. The proof of the proposition is relatively easy by geometric optics. Proof of the proposition for a laser beam provides insight into the application of the mode matching formulae. The mode matching formulae provide a ready means of choosing a lens to match one mode to another where the data for both modes is known. The results obtained here allow ready application to the more general case of calculating the output mode for a known input mode and a given focal length.     

电机补偿式焦度仪镜片参数的计算

针对目前市场上测量眼镜片相关参数全自动焦度仪测量范围小、测量精度较差等问题,研制了基于电机补偿原理的焦度仪。该焦度仪采用步进电机带动分划板做线性运动对分划板的位置进行补偿,通过改变焦度仪光学系统的物像关系来提高焦度仪的测量精度,扩大它的测量范围。测量时放入待测镜片,待整个调节过程结束后,电器部件会将每个接收到的图像进行分析计算后取平均值,得到待测镜片的各项参数。利用本样机对一些典型镜片进行了测量,结果显示所有镜片的误差范围均在±0.02 m-1内,表明本文研制的焦度仪完全符合国家计量检定规程的计量检定要求。     

Interferometric focal length measurement of power-distributed lenses

An interferometric method for measuring the focal length of power-distributed lenses is described. The test lens is illuminated by a regular pitch interferometric pattern produced by a reflective diffraction grating interferometer. In order to measure the focal length, a CCD camera digitizes the image of the pattern magnified by the lens, and fast Fourier transformed to reconstruct the phase modulo 2π along each row. The change in spatial frequency is determined by unwrapping the phase along each row of the digitized imaged pattern. The technique is used for measuring the focal length distribution inside the progression corridor of both positive and negative progressive lenses.     

基于数字图像处理方法的焦距测量技术研究

介绍了基于数字图像处理方法测量透镜焦距的玻罗板分划线快速自动甄别法。该图像处理方法鲁棒性好,采用Canny法进行分划线边缘检测。用重心法计算所有线条的重心,从重心往两边搜索线条,判断选取间隔大的刻划线对,可以提高测量精度。实验数据表明该方法的相对测量不确定度能达到8.5×10-4。为实现以数字图象处理为基础的焦距客观测量提供了一种可行的技术途径。