激光入射角对干涉带通滤光片输出性能的影响

利用红外光谱分析技术,研究了激光入射角度对干涉带通滤光片输出性能的影响。激光入射角的变化对滤光片的峰值波长、峰值透过率等性能参数具有明显的影响;分析了中红外滤光片对3.8μm波段激光的透射性能,给出了滤光片的输出特性与入射激光角度的变化关系。     

高斯光束斜入射窄带滤光片的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导了高斯光束斜入射角度调谐窄带滤光片后的透射光强表达式.在此基础上研究了入射角对高斯光束的透射特性的影响.计算和实验结果表明：随着入射角的增大,透射光强的光斑会出现一定程度的展宽现象|当入射角度较小时,输出为单一光斑,但其光强峰值位置产生了一定的偏移,并不在呈现高斯分布|当入射角度较大时,输出则为一系列的离散光斑.     

高斯光束斜入射窄带滤光片的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导了高斯光束斜入射角度调谐窄带滤光片后的透射光强表达式.在此基础上研究了入射角对高斯光束的透射特性的影响.计算和实验结果表明:随着入射角的增大,透射光强的光斑会出现一定程度的展宽现象;当入射角度较小时,输出为单一光斑,但其光强峰值位置产生了一定的偏移,并不在呈现高斯分布;当入射角度较大时,输出则为一系列的离散光斑.     

非平行条件下高斯光束斜入射窄带滤光片的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导了斜入射状态下非平行角度调谐滤光片的高斯光束透射光强表达式.在此基础上研究了高斯光束的入射角以及非平行滤光片两端面间所存在楔角对透射光强分布的影响.计算和实验结果都表明,滤光片的透射光强分布不仅与入射角有关,非平行滤光片两端面间楔角的大小和正负特性还会在很大程度上影响斜入射时滤光片的光场分布、透...     

高斯光束斜入射非平行法布里-珀罗干涉仪后的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导出了高斯光束斜入射非平行法布里-珀罗干涉仪射后的透射光强表达式,在此基础上,着重研究了高斯光束入射角的大小以及法布里-珀罗干涉仪两反射端面的不平行度对透射光强分布的影响。研究结果表明：入射角的大小和干涉仪的不平行度对透射光的强度分布、峰值强度的大小和峰值强度的位置有很大的影响;在入射高斯光束具有较小的腰斑半径或法布里-珀罗干涉仪的两端面的反射率较大时,必须考虑高斯光束沿传输轴线的衍射效应;楔角为负的非平行法布里珀罗出射光斑的光强在“反跳”处急剧下降到零,可利用这一特点对距离进行精确测量。     

WMS的玻璃药瓶内氧气含量检测及其标定方法改进

应用激光波长调制光谱(WMS)技术,建立了一种开放光路短光程检测玻璃药瓶内氧气含量的方法。选择氧气分子位于760.885(13 142.58 cm-1)的吸收谱线,通过多次调试优化了系统相关参数,给出了实时扣背景及实时谱线校正等数据处理的方法和步骤。采集七种不同氧气含量的玻璃药瓶样本,获取相应的二次谐波信号,分别建立二次谐波峰值、半高谱峰面积与浓度的线性回归方程进行定量预测。实验结果表明,其拟合系数分别为0.996 6和0.997 8,后者相比前者的标定方法提高了0.12%。采用完全交互验证的方法来评价两个模型的预测精度,其预测的均方根误差(RMSEP)分别是0.003 1和0.002 0,后者相比前者降低了37.69%。对浓度是4%的气体样品,比较不同时间的20次测量结果,标准差分别为0.002 2和0.001 6,后者相比前者降低了27.3%,同时其测量灵敏度分别为0.198%和0.097%,后者相比前者的灵敏度提高了约51%。证明了该系统及数据处理方法对玻璃药瓶内氧气含量检测是可行的,且利用半高谱峰面积更丰富的幅值信息来反演气体浓度可以降低波峰失真影响,检测精度更高,稳定性更好。     

封装西林药瓶残留氧气检测中的谐波基线校正和去噪方法

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术的成熟和快速非接触气体浓度测量的优点,十分适合用于对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测。采用TDLAS技术对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测,检测系统的光路经过空气和玻璃药瓶,玻璃瓶壁对激光的散射和衰减是检测系统的主要干扰,给二次谐波信号的稳定性带来了很大影响。设计和搭建了基于TDLAS的封装西林药瓶残氧量检测系统。针对从系统中提取出的二次谐波信号,提出了一种基于小波变换的基线消除和噪声滤除方法, 解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题,克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰,效果明显。选用“sym6”小波,将实验测得的信号进行五层小波分解,根据每一层小波分解得到的低频分量求出相应的基线斜率,对五个基线斜率进行加权平均得到原始信号的基线斜率。由求得的基线斜率,对原始信号经过去基线处理,再进行小波分解和软阈值处理后得到重构信号。对氧气浓度为21%的西林瓶的测量结果表明,处理后谐波信号和理论信号之间的相对误差由处理前的1.26%下降到了0.12%,证明了此方法可以很好地解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题,克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰,为氧气浓度测量提供很高质量的信号。     

非共振条件下高斯光束斜入射法布里-珀罗干涉仪的透射特性

基于多光束干涉原理,研究了当高斯光束的载波频率与法布里—珀罗(F P)干涉仪的谐振频率存在偏差(即非共振)时,高斯光束斜入射F P干涉仪的透射特性。结果表明,与共振情况相比,非共振条件下透射光束的峰值强度及其所对应的位置、以及光斑的大小随入射角的变化都发生了显著的改变。     

角度调谐滤光片准直系统发散角抑制技术研究

入射光束的发散角会影响角度调谐窄带滤光片的透射特性,出现透射通带变小及发散损耗增大的情况,且该现象随着入射角度的增大而更加明显.分析了出现这些现象的原因,并根据拉赫不变量定理设计了扩束棱镜组来压缩入射光束的发散角.并利用二次滤波技术进一步提高了透射光谱的矩形度和稳定性.根据该方法设计了针对100 GHz密集波分复用系统...     

胶质红外量子点薄膜入射角对荧光特性的影响分析

胶质红外量子点优异的光学性能使其荧光特性具有广泛的应用前景，在实际应用中通常需要封装成薄膜形态以保持稳定的荧光特性。然而，分散形式的改变可能会导致量子点荧光效率降低以及荧光角度特性变化。因此，建立了红外量子点荧光强度探测系统，对胶质红外量子点薄膜在不同角度激发光入射时产生的荧光分布情况进行研究。实验及分析结果表明，激发光与样品表面夹角大小在10°～170°之间的较大范围内入射时，在反射及透射荧光区域均可探测到荧光峰值强度70%～80%以上的荧光出射，在这一范围内的反射荧光与透射荧光强度差异和荧光强度随激发光入射角度的变化规律分别与样品中量子点的浓度以及分布形态有关。同时，随着入射激光能量的增强，样品出射荧光强度对于入射角度变化的“平坦”范围进一步扩大。     

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。     

基于激光偏振特性的水下声信号探测方法研究

水下航行体辐射的声波传播到水-空气分界面上时,会在水表面形成微扰,使水表面元产生微倾角.提出一种利用激光偏振特性对水下声信号进行探测的方法,不直接利用散射光强信息,而是利用激光在布儒斯特角附近入射水表面时,反射光偏振特性随入射角剧烈变化的特点对水表面微扰进行高精度探测.建立了该方法的理论模型,得到了入射波、出射波垂直分...     

基于双向反射函数的水下激光引信回波仿真方法

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求,开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度,推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布,根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明:目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降,目标距离在6~12m内变化时,信号峰值动态范围为11.5dB;目标距离为8m,激光入射角在0~45°内变化时,信号峰值动态范围为9.2dB.为验证仿真方法的正确性,在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验,实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.     

激光诱导荧光毛细管电泳DNA检测系统信噪比分析

建立了用于DNA分析的激光诱导荧光检测毛细管电泳系统,分析了垂直入射激发光在毛细管中的行进和高分子溶液电泳筛分介质的瑞利散射及毛细管壁折反射引起的激发光背景噪音.利用光线追迹法计算了折反射引起的背景噪音随激发光和收集方向角度不同时的分布曲线以及荧光在各个方向的分布曲线.两种噪音比较表明,散射噪音比激发光背景噪音低4个数量级,可以忽略.模拟表明,光轴方向荧光最强,90°方向最弱,变化在6.5％内.激发和收集方向成105°时,背景噪音最小,可以获得最大的信噪比,最后对模拟结果进行了实验验证.     

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

Effect of angle of incidence on self-mixing laser Doppler velocimeter and optimization of the system

Based on the theory of speckle and self-mixing interference in laser-diode, three-facet cavity model is introduced to analyze laser Doppler effect based on self-mixing interference in the case of a rough surface, and numerical solution of the signal is obtained. Simulation results of speckle-modulated Doppler signal based on self-mixing effect and tracking accuracy at different incident angles are given using parameters employed in the experiment. Simulation results indicate incident angle of around 30° is most suitable when both tracking accuracy and signal amplitude are considered. Experimental waveforms agree well with simulation results, and similar conclusions as simulation predictions about changing trend of tracking accuracies of the system at different incident angles can be made. Combining with difference frequency analog phase-lock loop (PLL) technique and appropriate sampling time, a laser Doppler velocimeter with tracking accuracy better than 1.3% in the range of 10-470 mm/s is realized.     

一种用于谐波检测过程中消除谐波背景方法的研究

针对可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）连续检测技术中,二次谐波背景信号存在漂移的现象,提出改变激光器中心电流实时提取背景信号,以消除连续检测过程中背景信号的漂移对浓度反演的影响。依据波长调制理论推导了二次谐波背景信号的理论表达式,并分析了实际情况下影响二次谐波背景信号的因素。给出激光器在不同工作温度时电流和输出光强度之间的关系曲线,并分析了改变激光器中心电流实时提取背景信号的可行性。结合背景信号搜索方法设计了基于LabVIEW的背景信号提取流程图。设计以氨气为检测对象的TDLAS实验系统,选取了氨气的吸收谱线以及对应的吸收中心电流。在激光器电流全工作区间内只存在唯一吸收峰的情况下,确定实验中各参数的数值及搜索背景的电流范围。实验结果表明：该方法可实时提取谐波背景信号。结合线性最小二乘法拟合反演可有效地减小检测误差及背景信号对浓度反演精度的影响,提高浓度的检测精度及准确性。在连续检测实验中,反演浓度的标准差由2.688 3降到1.856 1,减小背景信号漂移对检测浓度准确性的影响,提高了连续检测的准确性。     

错位光纤干涉激光谱结合BP神经网络的温度传感研究

在分析不同温度时单模错位光纤干涉光谱对应波长的条件下,搭建三层BP神经网络模型对温度传感进行研究,解决了常规光纤测温系统复杂和精度不高的问题。对建立的网络模型参数进行探讨,将采集的激光波长与对应的温度数据,经BP神经网络训练,对比得到最佳网络结构,达到在训练完成的网络输入层输入激光波长值时,便可在输出层得到对应的温度预测值。结果证明,实验输出的预测温度值与实际温度值之间表现出明显的相关性,即预测值能够逼近实测值。温度校正和预测相关系数分别达到0.999 61和0.979 27,校正标准误差与预测标准误差分别为0.017 5和0.144 0,得到预测集的平均相对误差为0.17%,剩余预测误差RPD可达到5.258 3,RPD大于3.0,说明定标效果良好,所建模型可用于实际的检测。另外,将该算法用于了带校正的双耦合结构单模错位光纤测温系统中,结果表明BP神经网络方法能够较好的处理错位光纤测温系统中激光光谱数据和温度之间的非线性关系,预测温度值与实测温度值之间的相关度为0.996 58,得到预测温度值与实际温度值之间平均相对误差为0.63%,从而提高了光纤测温传感器的精度和稳定性,同时也验证了该算法在光纤传感上的可行性,也为错位光纤的压力、曲率等其他物理量传感的精确测量提供了新思路。     

开放光路TDLAS气体检测系统光学接收组件设计

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中,由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行,从而导致系统探测灵敏度下降的问题,分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量,设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件,并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明:优化设计的光学接收组件接收角为4.9°,光学效率为78.24%,与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高,适用于实际检测过程。