利用白光干涉技术测量块状材料的群折射率

对群折射率的精确而快速测量是光学工程领域一个基础而又亟需解决的难题,本文提出了一套光谱型迈克尔逊白光干涉系统的解决方案.该系统充分利用了微型光纤光谱仪一次测量便可获得所有干涉信息的特点,无需机械扫描装置,具有结构简单和测量快速的优点.与传统的窗口傅里叶变换算法相比,本文采用小波变换直接从干涉信号的小波脊中提取群延迟,减小了由相位求导得到群延迟过程中引入的误差放大效应,进而提高了群折射率的测量精度.基于此迈克尔逊白光干涉系统,在不同干涉位置处对两块不同厚度的石英和BK7玻璃进行了测量,实验结果表明此方法在宽 关键词： 白光干涉 群折射率 小波变换 傅里叶变换     

白光在LiNbO_3∶Fe晶体中写入的任意折射率分布光波导

在理论分析Li NbO3∶Fe晶体中光致折射率变化分布与写入光的强度分布之间关系的基础上,提出了一种在该晶体中写入具有任意折射率分布光波导的新方法.利用由白光经电寻址空间光调制器得到的强度分布不同的片光辐照晶体,分别写入了折射率呈误差函数分布和平方律分布的光波导结构.采用干涉法测量了晶体中的光致折射率变化,并用推导出的折射率变化分布解析表达式很好地拟合了测量数据.实验结果表明,该方法是可行的.利用白光光源结合高分辨率的空间光调制器有望在多种光折变材料中制备出具有任意折射率分布的高质量光波导.     

白光在LiNbO3∶Fe晶体中写入的任意折射率分布光波导

在理论分析LiNbO3∶Fe晶体中光致折射率变化分布与写入光的强度分布之间关系的基础上，提出了一种在该晶体中写入具有任意折射率分布光波导的新方法.利用由白光经电寻址空间光调制器得到的强度分布不同的片光辐照晶体，分别写入了折射率呈误差函数分布和平方律分布的光波导结构.采用干涉法测量了晶体中的光致折射率变化，并用推导出的折射率变化分布解析表达式很好地拟合了测量数据.实验结果表明，该方法是可行的.利用白光光源结合高分辨率的空间光调制器有望在多种光折变材料中制备出具有任意折射率分布的高质量光波导.     

用光纤迈克耳孙干涉仪测量折射率

对测量群折射率的白光干涉和光纤迈克耳孙(Michelson)干涉仪技术进行了改进.采用样吕夹片和样品与探测纤端面接触的方法,可以使群折射率的测量过程简单化.根据反射峰宽度的变化,可以调整样品反射界面与光纤的准直性,提高测量精度.     

测量光纤折射率分布还原算法的研究

用透射式微分干涉法测量光纤内部折射率分布,其原理是利用旋转检偏器对测量光束进行调制,从相位分布和光程分布中计算出折射率分布。其中,从光程分布中解算出折射率分布的算法是关键。讨论了该算法的数学模型,推导了测量公式,并对算法的稳定性和误差进行了分析。利用自行研制的系统对渐变折射率分布光纤进行实测,与在NR 9200光纤测量仪上的结果进行了比较,对主要误差源进行了分析和计算机模拟。实测和模拟计算结果表明,该算法原理正确,系统稳定,测量精度优于10-3,完全可以用来测量光纤折射率分布。     

垂直扫描白光干涉信号的计算机快速模拟

提出一种垂直扫描白光干涉信号的计算机快速模拟方法。该方法考虑到白光光源光谱分布及垂直扫描干涉系统对白光干涉信号的影响,通过正弦函数多项式拟合的方式减少模拟算法的运算量,消除了现有方法中数值积分运算量大,不便于实际分析的缺点。采用白光LED作为光源,用该方法对白光干涉信号进行模拟分析,并用直接数值积分信号模拟结果与白光干涉垂直扫描测量装置获得的实测信号进行对比,验证了该方法的准确性。     

色散及视觉函数对白光干涉测折射率影响的分析

对使用迈克耳孙干涉仪白光干涉测量透明介质折射率实验中出现的3种异常现象的原因进行了分析。在考虑介质色散并对人视觉函数作适当简化的情况下,求得了干涉条纹可见度、可见白光干涉条纹时动镜的移动范围和折射率的表达式,并由实验对其结果进行了验证。结果表明,运用此方法测量所得的平行板透明介质折射率并非通常由相速度所定义的相折射率,而是白光在介质中由群速度所定义的群折射率。此方法可以用测量到的群折射率和已知的相折射率求得介质在中心波长处的色散。     

对白光干涉法测量透明介质折射率实验的探讨

在时域中求解得到,光路中存在色散介质的情况下,白光双光束干涉光强度.由此证明了:用白光干涉法测量得到的是白光在色散介质中的群折射率,而并非相关报道中认为的折射率;讨论了介质厚度及色散对于涉条纹的可见度和干涉条纹显现时动镜移动范围的影响.上述结论得到了实验验证.     

基于光纤白光干涉测量技术的折射率测量仪

设计了基于光纤白光干涉测量技术的折射率测量仪,用来测量尺寸较小、形状简单的透光材料折射率。与传统折射率检测方法相比较,光纤折射率测量仪具有设备尺寸小、测量精度高、操作简易、便于携带等优点。实验测得某种石英玻璃的折射率值为1.464,与标准值偏差为0.02,误差为1.4%;测得某种普通玻璃的折射率为1.502,与标准值偏差为0.002,误差为0.1%;测得K9玻璃的折射率为1.507,与标准值偏差为0.009,误差为0.6%。     

用光纤白光干涉技术测量晶体的弹光系数

运用折射率椭球分析晶体的弹光效应,给出了三方晶系沿光轴方向的应力与折射率的变化关系.针对晶体的各向异性和折射率随应力变化很小的因素,利用白光干涉技术空间分辨率高的特点,将白光干涉技术拓展到研究各向异性材料的光学性质. 并对测量群折射率的光纤迈克尔逊白光干涉技术进行了改进.采用光栅位移传感器和全保偏光纤提高反射扫描镜的位移准确度.通过测量石英晶体在不同外力下折射率的变化情况,确定了晶体的弹光系数. 石英晶体的弹光系数P33和P13分别为0.110和0.279,其准确度达到0.001.     

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 comparative study of spliced optical fibers

A fusion-spliced optical fiber is examined with a laser sheet of light. A CCD camera is used to record the transverse interference pattern from the fiber. The buckling on the fiber material in one direction of the spliced point is distinct inside the transverse interference pattern. The refractive index profile inside the fiber core, obtained at different illumination directions, is calculated using a new method showing the change in the refractive index due to fusion splicing of the fiber. A simple theoretical model is introduced to simulate the anomalous behavior in the transverse interference fringes due to a slight change of the optical parameters.     

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1,相关系数为0.93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0.96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。     

透射式微分干涉显微镜测量光纤折射率分布

提出一种由两组偏光棱镜组成的透射式微分干涉系统,用来测量光纤的折射率分布。系统利用旋转检偏器对测量光束进行调制,从相位分布和光程分布中计算出折射率分布。介绍了测量原理、测量公式、系统组成及典型应用。用该系统对光纤折射率进行实际测量,给出渐变折射率光纤的二维分布,及折射率沿轴向的分布图,同时还在NR 9200光纤测试仪上进行了测试。结果表明,系统原理正确,结构简捷,具有足够分辨率和测量精度,抗干扰能力强,不破坏光纤,还可测量包层和芯层的直径,发现光纤加工过程中的缺陷,特别适合加工、焊接等工艺过程中的检测。     

Study on measurement of refractive index profile of GI-POF by light scattering

This paper is devoted to the study on measurement of refractive index profile of graded-index polymer optical fiber (GI-POF) by light scattering. Using Generalized Airy theory and Debye series of an inhomogeneous cylinder, the scattering intensity distributions are obtained of Airy structure of rainbows for different refractive index profile. The results show that positions of Airy peaks depend closely on refractive index profile of GI-POF. Since each order of rainbow penetrates it to different depths, such methods could be used to provide information of the refractive index profile of GI-POF. For GI-POF with given diameter, positions of Airy peaks of rainbows are simulated as a function of refractive index profile, which can be used to inverse unknown parameters of refractive index profile. The least square method is used in inversion of refractive index profile with the given refractive index of the cladding. The results obtained agree with theoretical values with high precision. The method has the advantages of non-instructive and on-line measurement, and can be used for the measurement of other inhomogeneous droplets.     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

A simple reflection-type two-dimensional refractive index profile measurement technique for optical waveguides

We report a new configuration of a reflection-type confocal scanning optical microscope system for measuring the refractive index profile of an optical waveguide. Several improvements on the earlier design are proposed; a light emitting diode at 650 nm wavelength instead of a laser diode or He-Ne laser is used as a light source for better index precision, and a simple longitudinal linear scanning and a curve fitting techniques are adapted instead of a servo control for maintaining an optical confocal arrangement. We have obtained spatial resolution of 800 nm and an index precision of 2 × 10⁻⁴. To verify the system’s capability, the refractive index profiles of a conventional multimode fiber and a home-made four-mode fiber were examined with our proposed measurement method.     

锗在吸收边附近的压力—折射率系数

目前半导体锗在吸收边附近(1550 nm)的压力-折射率系数在实验和理论上并未研究清楚.本文通过测量在不同压力下镀在光纤端面的高结晶度锗薄膜的反射率,来计算得到锗在吸收边附近的压力-折射率系数.本文的实验结果显示,锗在吸收边附近出现反常色散现象,即折射率随能量变化呈正相关,并且其压力-折射率系数出现反常,为正值,这是由于多晶结构中的激子吸收所引起.通过引入描述激子色散的临界点模型,得到锗在吸收边附近的反常色散范围和压力-折射率系数呈正值的范围.本文的结果将有助于基于锗薄膜的通信C波段光学器件的研究.