专业物理实验内容与模式的改革与探索

专业物理实验课程对于培养物理系大学生的动手能力、创新能力和科研能力具有非常重要的作用。针对教学过程中发现的一些问题,总结近几年从事专业物理实验课程教学的经验,对实验课程内容、教学模式和考核方式等进行深入分析,提出了专业物理实验课程改革的方法。     

pH值对溶胶-凝胶法制备的掺铝氧化锌薄膜光电性能的影响

采用溶胶-凝胶法在普通载玻片上制备出c轴择优取向的ZnO: Al(ZAO)透明导电薄膜,研究了溶胶pH值对其结构、表面形貌、电学和光学性能的影响.结果表明:随着pH值的降低晶粒尺寸增大;当溶胶pH值从8.4降低到6.8时,薄膜的电阻率先降低而后略有升高,当pH值为7.2时其电阻率达到最小值2.6×10-3 Ω·cm,进一步分析表明,溶胶pH值的变化影响了薄膜晶界散射,而后者又使载流子迁移率发生了变化;薄膜的透光率在可见光部分随着pH值的降低而升高,而禁带宽度则从3.36 eV降到3.32 eV.     

基于焦耳热的光纤布喇格光栅电压传感器研究

设计了一种基于焦耳热的新型光纤布喇格光栅电压传感器以用于小电压的精确监测.实验中通过真空蒸镀法在光栅周围镀上一层金属镍,并将光栅密闭封装在充满气凝胶的铜管中.电压传感通过所镀金属镍层在通电过程中产生的焦耳热引起栅区温度升高,导致光纤光栅反射谱中心波长漂移,从而实现电压与光纤光栅中心波长漂移量的变换.实验表明,封装后的直流电压灵敏度达到520pm/V2,并可用于较低频率的交流传感,且系统结构简单、精度高、易于实现.     

小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测，基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构，编写了上位机软件，嵌入了不同的寻峰算法，可适用于不同噪声环境下中心波长的计算，以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例，提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法，提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验，结果表明，阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果，且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算，所得系统精度为5.89 pm，与模拟评测结果的误差小于1.7 pm，验证了模拟评测的可行性。     

基于光纤腔衰荡技术的液体挥发过程监测法

提出一种基于光纤腔衰荡系统并以一小段包层腐蚀光纤作为传感头的液体挥发测量方法,同时搭建相应的实验装置进行了实验研究.从模式理论出发分析单模光纤传输模场的能量分布,并采用有限元法数值模拟光纤端面能量的分布,结果表明:包层越细的单模光纤对应越大的消光系数,即泄露出来的倏逝波能量越大,从而对外界环境更敏感,但是较细包层的单模光纤存在的损耗更大.综合分析得出腐蚀光纤的最佳直径应为26μm,最佳腐蚀长度为1cm.通过实时监测衰荡谱的衰荡时间变化,得到了30℃恒温环境下,乙醇与丙三醇混合溶液中乙醇浓度随挥发时间的变化曲线.实验结果表明,混合溶液中乙醇的浓度随挥发时间呈单指数规律衰减,该变化规律与理论分析相符.由于液体浓度与其折射率成正比,随着乙醇的挥发,混合溶液的折射率逐渐接近光纤包层的折射率,使其对腐蚀光纤纤芯中泄漏的倏逝波能量的吸收程度逐渐增大,环腔的衰荡时间也相应逐渐减小.此外,该监测方法在常温下具有较低的温度交叉敏感性.     

顺磁性铽玻璃法拉第效应温度特性实验研究

利用具有温度控制的磁光调制倍频法,测量了Tb20顺磁性铽玻璃在293K~343K范围内不同温度下的本征旋转和费尔德常量的温度响应特性.结果表明,这种铽玻璃具有敏感的温度响应.以此种玻璃制作各种磁光器件,特别是在准确度要求很高的零锁区激光陀螺中作为法拉第偏频器件时,必须进行温度补偿.最后给出了两种可能的温度补偿方法.     

光腔衰荡光谱法中衰荡时间的优化提取

采用列文伯格 马夸尔特算法（L M）和最小二乘法（LS）对带有高斯白噪音的两种模拟衰荡信号进行了拟合分析.结果表明:L M相对于LS所得结果更准确,相对误差更小,抗噪音能力更强,且重复性更好.搭建了两种光腔衰荡光谱法系统,分别得到连续和脉冲衰荡信号,依据理论分析结果对实验数据进行了处理,所得结论与模拟结果一致.     

利用激光谐振腔测量透明介质薄板的光学均匀性

提出了一种利用激光谐振腔测量透明介质薄板光学均匀性的新方法.该方法将对折射率微差的测量转化为对激光谐振频率的变化进行测量.两种样品的实验对比结果表明，该方法可以实现10－5量级以上灵敏度的光学均匀性测量.最后分析了实验结果的误差及适用的灵敏度测量范围.     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.