弹光调制干涉图最大光程差的稳定性及检测技术研究

为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究。弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关。因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿。经试验验证,采用670.8 nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471 μm的检测,其测量误差小于0.167 nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2 nm。     

准连续激光调制吸收谱的多谐波分析

使用准连续二极管激光器进行多重调制光谱检测时,发现吸收光谱信号中存在着丰富的倍频、和频以及差频成分;从激光与气体吸收谱线的非线性作用角度研究了倍频、和频及差频等信号存在的必然性;从实验角度对信号特征进行研究,发现其中有些和频、差频成分的幅度比传统调谐二极管激光吸收光谱技术中的二次谐波信号的幅度更大,有望在准连续调制谱技术中提高检测的灵敏度。     

双强度调制偏振光谱测量原理及仿真

针对单强度调制偏振光谱测量技术存在混叠且有效光程差有限的缺点,提出双强度调制偏振光谱测量新方法,该方法通过双强度调制干涉信号的和差处理,即保证单强度调制偏振光谱测量的优点,又能有效消除混叠现象,提高有效光程差和光谱分辨率,再对和差处理后的干涉信号进行傅里叶变换即可得到被测偏振光谱。文章对双强度调制偏振光谱测量方法进行了理论推导,并通过MATLAB对模拟入射光偏振光谱的干涉信号和傅里叶反演光谱进行仿真;仿真结果显示,该方法和差处理后可有效消除混叠且有效光程差提高一倍。通过理论分析和仿真验证了该方法的可行性,为进一步的工程实现提供理论支撑。     

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器(photoelastic-modulator, PEM)的调制频率高(几十kHz以上),调制干涉信号频率更高,普通阵列探测器无法有效采集,提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔(Fourier-Bessel)变换的光谱测量方法,并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术(dual-photoelastic-modulator-based imaging spectrometer, Dual-PEM-IS)。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上,以对光进行拍频调制,并产生载有被测光的低频调制分量(比驱动频率小2～3个数量级,普通CCD可实现探测),通过对调制信号中的低频成分进行Fourier-Bessel变换可得到目标光谱,使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式,并通过仿真和实验验证其可行性,分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响,为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。     

差分速度调制分子离子激光光谱技术

从理论上分析了速度调制激光光谱技术的技术特点及谱线线型,并在实验上采用差分速度调制激光光谱技术在可见光波段测量得到N⁺₂,CO⁺的光谱信号． 关键词：     

一种时间分辨激光诱导击穿光谱的测量方法

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种动态光谱。时间分辨LIBS光谱测量是研究激光诱导等离子体演化和谱线自吸收的重要技术。结合激光诱导击穿光谱测量的时序特性,提出一种利用常规性能光谱探测设备获得微秒级时间分辨LIBS光谱的测量方法。通过控制毫秒级光谱探测设备的积分延迟时间,获得不同延时下的LIBS光谱信号,对所得光谱进行处理得到相应特征谱线拟合强度,将所测的特征谱线强度按照一定的时间间隔进行差分,得到差值即为差分间隔时间内特征谱线的积分强度。采用差分时间间隔应大于系统最差时序精度,同时优选无重叠干扰和背底连续的谱线信号进行分析。以等离子体产生后持续时间为横坐标,计算所得谱线差值强度为纵坐标,即可获得特征谱线的强度演化曲线。通过实验验证,使用积分时间为毫秒量级光谱仪和时序精度为0.021微秒控制系统,该方法可以实现微秒量级时间分辨LIBS光谱测量,可用于表征LIBS光谱特征谱线演化过程,降低了LIBS光谱时间分辨测量系统成本。     

一种用多色光作为激发源产生拉曼光谱的新算法

探讨用多色光代替激光作为拉曼光源的新型拉曼光谱仪的可能性。根据拉曼光谱原理, 并通过数学分析, 发现当用多色光照射在样品上时, 所得到的散射光经散射频率校正后在不同频率上的强度分布可以写成样品的Raman-Rayleigh联合散射谱和激发光光源的功率谱的卷积。利用傅里叶变换算法,有可能从多色光照射样品所得到的散射光谱中导出样品的拉曼光谱。基于上述原理,可能发展出不用激光的新一代拉曼光谱仪。     

光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测,实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术,是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外,还具有信号只跟样品光吸收有关,不受散射光影响,零背景, 信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和国防危化品检测等领域得到了越来越多的应用,呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术,近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍,并分析了其应用前景和未来发展趋势。     

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析, 针对布里渊散射光信号的特点, 应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号. 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光, 和布里渊散射光进行相干检测, 根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号, 从而得到分布式传感信号. 分别实现了25 km光纤的分布式温度和应变传感, 达到3℃的温度分辨率、100 με的应变分辨率和10 m的空间分辨率.     

一种基于两块PEM调制器的光谱测量方法（英文）

弹光调制干涉信号范围为百赫兹到数十吉赫兹之间,而由于探测器阵列无法对该等级频率实现有效响应,因此,该情况使弹光调制器在光谱成像工作中受到限制。为了解决该问题,发展了一种使用两块具有相近谐振频率的PEM,并基于该频率差进行光信号调制的方法。该方法将两个弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率f_1和f_2上,被测光通过双弹光调制器实现差频调制,因此干涉信号中产生载有被测光的低频调制分量,低频调制频率是以δ_i(σ,t)=δ_(0i)(σ)sin(ωit)为基频的一系列倍频信号,该低频调制信号使用普通探测器即可实现探测,再将直流和高频信号滤波后,仅对调制信号后的低频成分进行对应的运算即可得到被测光谱。由于该频率差比所使用PEM的谐振频率低2至3个数量级,因此,该方法可使探测器获得更多的响应时间,而且由于该方法并不需要所使用的两块PEM具有严格一致的谐振频率和相同的光程差,降低了系统本身的设计难度。     

Path-length distribution and path-length-resolved Doppler measurements of multiply scattered photons by use of low-coherence interferometry

We report first results of measurements by low-coherence Doppler interferometry of the path-length distribution of photons undergoing multiple scattering in a highly turbid medium. We use a Mach-Zehnder interferometer with multimode graded-index fibers and a superluminescent diode as the light source. The path-length distribution is obtained by recording of the heterodyne fluctuations that arise from the Brownian motion of particles in an Intralipid suspension as a function of the optical path length. The experimental path-length distribution is in good agreement with predictions of Monte Carlo simulations. In the heterodyne spectrum, an increase of the mean Doppler frequency with path length is observed.     

激光自外差相干测量中分布反馈半导体激光器电流调谐非线性的补偿方法

半导体激光器的电流调谐非线性对自外差相干测量的精度影响很大.研究了分布反馈半导体(DFB) 激光器的电流调谐特性,据此提出一种数学模型补偿方法.利用已知光程差下的差拍频率,建立了动态调频 系数的数学模型.以此模型对DFB激光器的电流调谐非线性进行补偿,可以将差拍信号频率预测值的相对误差 减小约3%,提高了系统的测量精度.数学模型补偿方法简化了测量系统的结构,适用于高精度的电流调谐 激光在线测量系统.     

Speckle diagnostics of multiple scattering media with the use of frequency-modulated laser radiation

A method for probing randomly inhomogeneous multiple scattering media with the use of frequency-modulated laser radiation is considered. The method is based on analysis of the dependence of the blinking index of time-averaged speckles formed upon scattering of the probing radiation in a medium on the frequency modulation depth of the probing radiation. In the case of a binary frequency modulation, the blinking index of the detected speckle-modulated radiation is determined by the cosine Fourier transform of the probability density of the optical path-length difference of partial components of the scattered field in the probed medium. The values of the probability density of the optical path-length difference reconstructed with the use of the proposed method from the measured blinking index of speckles for model scattering media (fluoroplastic layer and layer of TiO₂ particles on a glass substrate) are in a good agreement with the results of statistical simulation of the probing radiation transfer in multiple scattering media.     

Measurement of the frequency modulation transfer function of a laser using a Mach–Zehnder interferometer

A technique is presented for determining the frequency modulation transfer function of a laser. The method is based on a Mach–Zehnder interferometer, with a significant difference in the optical path lengths of the two arms. A frequency-modulated laser beam incident on the interferometer produces a phase-modulated photocurrent signal with an effective modulation index that is related to the amplitude of the optical frequency modulation. Techniques for determining both the amplitude and the phase of the optical frequency modulation from the photocurrent signal are described.     

基于改进型弹光调制结构的VOC气体浓度检测系统

由于传统弹光调制系统受调制晶体尺寸的限制,光谱分辨率较低,致使其气体浓度探测精度不高。为了提高系统光谱分辨率,设计了一种改进型弹光调制系统,通过使入射光在晶体内多次反射增大光程差,从而获取更高的光谱分辨率。整个系统由激光器、弹光调制器、起偏器、检偏器及光电探测器构成。弹光晶体上加工一个楔角θ,并在两个面上镀反射膜从实现增大有效光程的效果。计算了楔角对光程、调制相位以及能量的函数关系。最终确定了合适的楔角值,并给出了相应的光程函数表达式。实验分别对三种常见的VOC气体进行浓度分析,样气浓度采用PTM400-VOC型气体分析仪定标,并与传统弹光调制系统进行对比。结果显示,改进型弹光调制系统气体浓度检出限可达0.010 mg·m-3,相比传统弹光调制系统高一个数量级以上,气体浓度检测误差为3.4%,也优于传统型。综上所述,改进型弹光调制系统不但具备静态结构高稳定性的优点,同时还大幅提高了系统的光谱分辨能力及浓度检测精度。     

全息照相中光程差实时监控的一种方法

采用调节全息干涉条纹并使对比度达到最大的方法，使物光和参考光的光程差处于激光器的相干长度范围内，实现光程差的实时监控，并使全息记录光路配合达到最佳状态。此方法对使用短相干长度激光器拍摄优质全息图具有重要的意义。     

回转件弯扭测量系统及其不确定度分析

为了准确诊测轴系振动特性,基于激光多普勒的频移原理,提出一种能同时测量旋转轴系弯曲振动、扭转振动和轴系旋转速度的方法。设计了能分离弯扭振动的多普勒外差干涉光路,结合光学差拍及参考光技术,构建了测量系统数学模型。对影响激光多普勒弯扭振动测量的主要因素进行了分析,讨论了各参量对测量结果的影响,并给出了相应的测量不确定度。在置信水平为95%时,瞬时转速的不确定为0.079 r/min,弯曲振动速度分量的不确定为0.001 4 mm/s,其精度能满足旋转状态下轴系振动的综合测量要求。     

Frequency-swept ultrasound-modulated optical tomography in biological tissue by use of parallel detection

A frequency-swept ultrasonic beam was focused into a biological tissue sample to modulate the laser light passing through the ultrasonic beam inside the tissue. Parallel detection of the speckle field formed by the transmitted laser light was implemented with the source-synchronous-illumination lock-in technique to improve the signal-to-noise ratio. The ultrasound-modulated laser light reflects the local optical and mechanical properties in the ultrasonic beam and can be used for tomographic imaging of the tissue. Sweeping the ultrasonic frequency provides spatial resolution along the ultrasonic axis, which is scalable with the frequency span of the sweep. Two-dimensional images of biological tissue with buried objects were successfully obtained experimentally.     

基于弹光调制的甲醛气体浓度检测系统的研究

由于室内甲醛超标造成的环境污染日益增多,为了快速、准确地对室内空气中甲醛气体的浓度进行定量分析,设计了基于弹光调制的甲醛气体浓度检测系统,由红外光源、滤光片、弹光调制器、红外探测器等构成,由弹光调制器控制弹光晶体折射率周期性变化,折射率造成的光程变化提供了反演光谱分布函数的光程差。通过HITRAN光谱数据库推导了系统可获得的光程差函数。实验采用红外光源与窄带滤波片结合,中心波长透过率在90%以上,采用硒化锌晶体作为弹光调制晶体,系统的驱动频率为100 kHz。对三种不同环境下不同位置分别采集十组样气进行分析,同时采用标准光谱仪和本系统进行甲醛气体浓度检测。实验结果显示,当甲醛气体浓度较高时,系统性能良好;当甲醛气体浓度较低时,系统信噪比下降,检测精度略有降低,但仍能满足设计要求。