应用电光调制干涉系统对甲烷气体浓度监测的研究

对甲烷气体浓度的监测应用领域很多,而目前绝大多数采用的是化学反应方法,存在安全性低、稳定性差等缺点,而采用光学干涉法定性定量分析稳定性高、抗干扰能力强。设计了电光调制的干涉系统进一步提高其探测精度。在干涉系统中,利用可变折射率晶体LiNbO₃的电光调制特性,对晶体折射率进行调制,增大静态光程扫描范围,提高光谱分辨率。系统对晶体两侧分别加载相位相反的调制信号,使其在不改变干涉具尺寸的条件下提高光谱分辨率。通过推导折射率调制度与光程差的函数关系,仿真计算可知比同尺寸干涉系统光谱分辨率提高了近一个数量级。实验采用SGT-3型声光调制器,1 650 nm红外激光器对不同浓度的甲烷气体进行检测,实验结果显示,此方法比传统的热释电法精度好、稳定性高,更适合在矿井等复杂环境下应用。     

基于电光调制提高静态傅里叶干涉具光谱分辨率的研究

在静态干涉系统中,采用电光调制可变折射率晶体LiNbO₃做静态傅里叶干涉具的材料,两侧分别加载相位相反的调制信号,从而在不改变静态傅里叶干涉具尺寸的条件下提高光谱分辨率。通过推导光程差函数与折射率调制度的函数关系,计算得在折射率调制度为0.030的条件下,比同尺寸干涉具光谱分辨率提高了16.7倍,达到2.836 cm-1。仿真结果表明折射率调制度会因波长增大而减小,光程差函数会随干涉位置的增大而产生偏大的现象。实际探测过程中,由于光谱范围500～1 100 nm相对较窄,波长变化造成的光谱探测失真不大,可以通过标定补偿,所以应用该方法可以有效地提高静态干涉系统的光谱分辨率。     

基于电光调制沃拉斯顿棱镜组提高光谱分辨率的研究

为了在基本不改变光学干涉器件尺寸的条件下提高静态光谱分析设备的光谱分辨率,在分析了各种提高静态干涉系统光程扫描范围方法的基础上,设计了基于电光调制沃拉斯顿棱镜组的光学干涉系统。系统采用沃拉斯顿棱镜组的光学结构,计算了其相应的光程差函数,同时,又利用电光调制技术对晶体折射率进行调制,并推导了一个调制周期内的光程差变化范围,最后给出了系统的综合光程差函数及光谱分辨率。实验采用三块尺寸、结构角都一致的沃拉斯顿棱镜构成沃拉斯顿棱镜组,通过SGT-3型声光调制器调制信号。结果显示,经消冗余处理后干涉条纹图像可有效融合,调制后的干涉图像虽略有畸变,但经线性校正后满足光谱分布函数还原的要求。相比同尺寸的静态干涉系统而言,光谱分辨率提高了近一个数量级。     

基于弹光调制的红外光谱吸收法在室内VOC检测中的研究

为了保证静态干涉系统在气体定性定最分析方面稳定性高、抗干扰能力强的特点,设计了基于弹光调制实现光程静态扫描的干涉检测系统.系统由红外激光器、起偏器、弹光调制器、检偏器及CCD组成.通过弹光调制器使弹光晶体的主折射率随调制信号周期性的变化,从而产生周期性变化的光程差.通过对调制相位变化的计算,可知得到调制度随晶体长度、调...     

一种新型静态成像光谱系统的研究

静态干涉系统具有稳定性好、抗干扰能力强的优势,但其缺点是光谱分辨率低并且光谱测试范围不易调整。针对静态干涉型成像光谱系统光谱分辨率低且不可调等问题,设计了一种新型静态成像光谱系统。系统由光束整形模块、新型静态干涉调制模块以及成像模块构成。光束整形模块将入射光缩束并整形为平行光,进而保证入射干涉具后可以获得较好的干涉效果;新型静态干涉调制模块对入射光进行相干处理。在双折射干涉结构的基础上进行了改进,在不改变原有静态干涉具尺寸的基础上提高了系统的光谱分辨率,并实现了光谱分辨率的静态调制;成像模块完成对目标区域二维可见光图像的采集。系统核心部件由两组光轴相互正交的Wollaston棱镜作为分光器件,在两棱镜间放置电光调制模块,实现光程的静态扫描。分析了新型静态成像光谱系统的工作原理,给出了入射角、折射角等主要参数的函数表达式,并构建了系统的数据模型。通过绘制系统光线追迹图的方式,得到了该系统横向剪切量的函数方程,并对影响横向剪切量的各个参数进行了分析与讨论。通过仿真计算了改变结构角、晶体厚度以及调制度等参数对横向剪切量的影响程度,并定量计算了两个参数对系统光谱分辨率的影响程度。由仿真分析结果可知,增大结构角与加宽调制晶体厚度都可以为系统提供更大的光程差。故通过电光调制的方式实现横向剪切量的静态扫描是可行的,可以实现静态光谱图像的获取。在实验中对660 nm激光进行了测试。新型静态干涉模块采用孔径20 mm×20 mm,厚度10 mm的两块光轴相反的Wollaston棱镜与厚度10 mm的电光调制晶体构成。当调制度分别是0.000 2和0.000 6时,成像模块采集得到干涉条纹具有明显差异。当调制度增大时,其干涉条纹密度增大,说明采用越大的调制度,系统对应的光谱静态扫描能力越强,对光谱分辨率的控制越好。由此可见,本静态成像光谱系统在控制电光晶体调制度的条件下具有光谱分辨率可调的特性,验证了系统的可行性。     

基于微梯形弹光晶体的大光程差PEM研究

针对目前基于弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)的傅里叶变换光谱测量技术(PEM-FTS)的光谱分辨率低,并且PEM调制光程差有限、多次反射对入射光斑大小要求高且光能利用率低等缺点。提出一种基于微梯形八角结构弹光晶体的大光程差PEM方法。通过改进弹光晶体结构,使其为微梯形八角结构,两个通光面略微成一定夹角,该结构PEM不仅可以有效提高PEM调制的最大光程差,而且对入射光斑要求较小。理论推导分析了该PEM的最大调制光程差,并推导得出任意角、任意位置入射时PEM的最大调制光程差公式;通过多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics 4.3a对PEM的振动模态和应力分布进行分析;结合PEM的最大调制光程差和光能利用率,分析了寻找最佳入射角的方法。设计加工该PEM,其中弹光晶体选用硒化锌晶体,压电晶体选用压电石英晶体。采用波长为632.8 nm的氦氖激光进行实验分析,实验结果显示,在相同驱动电压下,该PEM的最大调制光程差是普通PEM的19.25倍,与理论仿真的相对误差为1.3%。     

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。     

利用石英晶体的线性电光和电致旋光强度调制

提出并实验研究了利用石英晶体自身特性产生光学偏置的线性电光调制器。利用某些电光晶体的自然旋光性和自然双折射,并合理设计晶体尺寸及其晶轴与光传播方向之间的夹角,可以提供所需要的光学偏置以实现大动态范围的线性电光调制。对于兼有电光和电致旋光效应的晶体,例如石英晶体,应考虑综合利用这两种效应对电光调制的贡献。实验研究了一块石英晶体的电光强度调制特性,在27V～4.5kV工频调制电压范围内,调制输出信号与调制电压之间的线性相关系数大于0.9999。     

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。     

窄带傅里叶变换光谱仪中平稳高斯噪声的理论分析

在本文所研究的空间调制型傅里叶变换光谱仪中, 在窄的光谱带宽内进行探测可以有效提高光谱的分辨率. 为了研究光源辐射噪声对系统的影响, 本文将辐射噪声归纳为一种高斯窄带的平稳随机过程, 利用线性系统分析方法, 根据统计学原理推导了辐射噪声作为随机变量通过干涉系统前后的输入信噪比与输出信噪比. 然后, 对于一个具有窄带矩形光谱的系统进行了计算仿真, 得出了信噪比增益随着光程差在不同自相关度和互相关度取值时的变化情况. 仿真结果表明, 不同光程差下的信噪比增益在相关度空间是一单调的平滑曲面, 增益极值始终沿着相关度圆的半径和周线移动, 并且经过一个光程差又回到初始的位置. 根据对信噪比增益的分析, 可以将噪声的相关度取值控制在某一范围之内, 并作为系统光源设计与测试的依据.     

新式横向剪切干涉系统对天然气管道泄漏野外监测的研究

针对机械扫描式光谱分析设备抗震、抗干扰能力差等问题影响其在野外检测天然气管道泄露的精确度,设计了一种新式的抗震型横向剪切干涉系统。将分束镜作为机械扫描部分产生光程差,通过两个分束镜之间的连杆将引入的外部震动、干扰等相互抵消。计算了产生干涉条纹的干涉强度,分析了旋转分束镜对应角度的光程差函数,并求解了正向旋转和逆向旋转的最大角度,即可调节的最大光程范围。实验采用天然气罐放气模拟天然气管道泄露过程,在有干扰的条件下对本系统和WQF530型光谱仪的测试数据进行对比。实验结果显示,在室内没干扰的条件下,两者相对误差都在1%左右。但在有干扰的实际环境中,WQF530型光谱仪误差明显变大,均超过10%,而本系统的误差在5%以下。所以,本系统具有有效降低由于外部干扰造成的检测误差,比传统机械扫描式干涉设备更适用于野外探测。     

利用Mach-Zehnder干涉仪提升啁啾脉冲信噪比

基于内置电光晶体的Mach-Zehnder干涉仪,利用Mach-Zehnder干涉仪双光束干涉原理和晶体的线性电光效应,提出了一种新的能有效提高啁啾脉冲信噪比的扫描滤波方法。定量分析了其扫描滤波谱特性,探讨了预脉冲噪声延时对信噪比提升效果的影响,并讨论了电光晶体的电压控制参数对信噪比提升效果的影响。研究结果表明:预脉冲噪声的延时和控制电压的变化会对滤波效果产生较大影响,利用该扫描滤波方法可将啁啾脉冲激光信噪比提升约2个量级,且信号光透过率高达95%以上。     

Operator model for frequency modulation of radiation in the optical range

Frequency modulation is achieved in the optical range by changing the length of Fabry-Perot interferometer. Either the geometric dimensions of the interferometer or its optical path length can be changed. The optical path length of the interferometer can be controlled by changing the refractive index of an electrooptical crystal in the cavity.Translated from Izvestiya VUZ. Fizika, No. 5, pp. 35–39, May, 1971.     

High angle phase modulated low coherence interferometry for path length resolved Doppler measurements of multiply scattered light

We describe an improved method for coherence domain path length resolved measurements of multiply scattered photons in turbid media. An electro-optic phase modulator sinusoidally modulates the phase in the reference arm of a low coherence fiber optic Mach-Zehnder interferometer, at a high phase modulation angle. For dynamic turbid media this results in Doppler broadened phase modulation interference peaks at the modulation frequency and its multiples. The signal to noise ratio is increased by almost one order or magnitude for large modulation angles and the shape of the spectral peaks resulting from the interference of Doppler shifted sample waves and reference light is not changed. The path length dependent Doppler broadening is compared with the theoretical predictions in the single scattered and diffusive regimes. The experimentally measured optical path lengths are validated with the Monte Carlo technique.     

基于F-P腔法的纳米精度非线性误差校准系统研究

为了研究可用于纳米、亚纳米精度的非线性误差校准系统,采用差拍F-P干涉法,在中国计量科学研究院研制的差拍F-P干涉仪基础上,设计并制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。通过与电容式测微仪的比对实验,证明了系统的抗干扰能力得到了改善,在大于半波长的测量范围内,系统的非线性度优于3.86nm。     

Suppression of Multiple-Beam Interference Noise in Testing an Optical-Parallel Plate by Wavelength-Scanning Interferometry

Measurements of optical parallel plates in a Fizeau interferometer lead to problems from multiple-beam interference noise unless the back surface of the plate has an additional treatment to prevent its reflection from reaching the detector. Such internal-reflection noise can be separated from the fundamental interference signal by its modulation frequency in a wavelength-scanning interferometer. However, to completely eliminate the noise, the air-gap distance between the testing and reference surfaces of the interferometer must be adjusted to a specific value, depending on the thickness and refractive index of the plate. This adjustment requires an undesirable change in the air gap, which is related to the phase modulation rate of the interferometer, and also requires additional information regarding the testing plate, which makes the measurement laborious. We show that if we add new symmetries to the sampling functions of the phase measuring algorithm, we can obtain significantly greater tolerance for the air-gap error. A new 19-sample algorithm allows a tolerance of ±23% while keeping the systematic errors at less than λ/200. The periodicity of the new algorithm and an integrating bucket technique also provide more options for the thickness of the testing plate, which guarantees an air-gap distance more independent of this thickness.     

An enhanced common path interference optic measurement system for refractive indices and thickness

This study proposes a common path interference optical system for the measurement of refractive indices and thickness of uniaxial crystal material. The measurement system comprises an accurate Mach–Zehnder laser interferometer, a single-axis rotary stepping motor, and a computer. The laser interferometer is composed of a single-frequency He–Ne laser, two-beam splitters and two reflectors. The Mach–Zehnder laser interferometer measures the optical length difference by using its linear measurement accuracy. The proposed solution procedure enables both the refractive indices and the thickness of the optical waveplate to be obtained. The proposed design differs from conventional designs in that it does not use a heterodyne modulator with a lock-in technique. It is shown that the refractive indices and thickness of the tested optical elements can be measured rapidly and accurately.