双程前向结构掺铒光纤光源稳定性的实验研究

为了获得高稳定的光纤陀螺掺铒光纤光源,理论分析了平均波长受温度变化的影响因素,实验研究了双程前向(DPF)结构掺铒光纤光源平均波长温度稳定性。主要通过优化铒纤长度来减小铒纤的本征温度系数对光源稳定性的影响,优化泵浦功率使其引起平均波长的变化达到最小。最终获得了掺铒光纤光源在双程前向结构下的优化铒纤长度12.2m和优化泵浦功率150mW,对比分析了包括优化铒纤长度在内的三个长度下,不同泵浦功率对光源的平均波长、输出功率和谱宽的影响;测量了不同长度铒纤的本征温度系数,获得了平均波长稳定性为-0.452ppm/°C的双程前向光纤光源。     

受激布里渊光纤陀螺拍频稳定性

受激布里渊光纤陀螺利用两束布里渊散射光的拍频来指明陀螺的旋转角速度,拍频的稳定性将直接影响到布里渊光纤陀螺的稳定性.在分析了受激布里渊光纤陀螺基本工作原理的基础上,详细分析了受激布里渊光纤陀螺中温度、克尔效应与光学泵浦游失效应对拍频稳定性的影响,分析了受激布里渊光纤陀螺拍频温度系数和产生模式跳变的温度间隔;实验测得单模光纤环的布里渊散射光频率随温度的变化率为1.26KHz/℃;给出了综合考虑克尔效应和泵浦游失效应影响的陀螺拍频输出曲线,这些结果为布里渊光纤陀螺的进一步实现提供了一定的理论和实验依据.     

应用于三轴光纤陀螺中的双程后向ASE光源

根据三轴光纤陀螺的高精度需求,采用大功率高稳定性的高精度双程后向方案掺铒光纤光源。通过对ASE光源的理论分析建立数学模型,并根据所用掺铒光纤及泵浦光源的参数对光源进行谱型分析,确定光路方案。再以掺铒光纤和泵浦激光器的温度特性和补偿为研究重点,对掺铒光纤的长度和掺杂浓度以及泵浦功率和铒纤的匹配性进行试验,最终采用铒纤长度19 m,泵浦波长974.6 nm,泵浦功率140 m A,得到光源光功率为20 m W,平均波长变化量小于0.5′10~(-6)/℃,满足光纤陀螺对ASE光源的要求。     

消除消偏光纤陀螺克尔效应的一种方法

研究了非线性克尔效应对光纤陀螺噪声的贡献,得到了可以通过采用宽谱光源和调制光路中的光功率来减小甚至消除克尔效应引起的非互易相位差的结果。采用调制光功率的方法消除克尔效应。为了避免因调制光功率降低探测器信噪比,通过分析探测器的噪声原理得到了保证足够信噪比的最小功率输入。设计了光纤放大器光源来实现这种光功率的调制。分别分析了泵浦光功率和泵浦方式对光源的影响,进一步协调了光纤放大器光源的输出功率和放大增益,首次证明了光纤放大器光源的优越性。在实验中,采用了光纤放大器光源的光纤陀螺的随机游走系数被减小到了原来的0.8。     

泵浦激光功率和气室温度对SERF陀螺仪的影响（英文）

SERF陀螺仪工作在无自旋交换弛豫(SERF)状态下,电子自旋和核子自旋强烈耦合。通过研究电子自旋与核子自旋的耦合方程,分析了泵浦激光的功率和气室温度对SERF陀螺仪磁场补偿的影响,并搭建了SERF陀螺仪实验平台系统进行验证。研究结果表明:原子核自旋补偿磁场正比于泵浦激光功率,泵浦激光功率在9.7 m W至105.6 m W的变化范围中,自旋补偿磁场的变化达到8.9 n T;气室温度在107.5℃至149.3℃变化范围中,自旋补偿磁场变化为4.5 n T,无明显的相关性,并且相对于气室温度的变化,补偿磁场对泵浦激光功率变化更加敏感。     

基于纠缠数态和奇偶校验的光纤陀螺仪相位测量性能分析

针对多光子最大纠缠NOON态难以直接作为光纤陀螺仪的双模输入态,且当输出态的光子数差算符为0时标准光强差测量方案将失效的问题,提出了一种基于纠缠光子数态和奇偶校验方案的双端口输入/输出光纤陀螺仪结构。阐述了基于关联数态的纠缠光纤陀螺仪的工作原理和奇偶校验测量方法,首次推导了双模纠缠光子数态光纤陀螺仪的相位估计误差公式,并将双光子、四光子双模纠缠数态输入与具有相同光子数（光功率）的最大纠缠NOON态输入以及经典相干态输入的Sagnac相位测量精度进行了对比。理论分析表明,利用纠缠光子数态（不一定是最大纠缠态）结合奇偶校验测量可以突破散粒噪声限制而达到海森堡极限,所提方法仅需对量子光学陀螺仪的输出端进行奇偶校验即可实现,是增强光学陀螺仪输出精度的一种新方法。     

光纤陀螺用光纤光源的新型自动温度控制

光源良好的平均波长稳定性是保证光纤陀螺标度因子稳定性的重要条件。而光纤光源平均波长的变化主要源于环境温度的变化。为了使光源获得更好的输出特性,需要对光源泵浦温度进行精密控制。文中阐述了一种基于FPGA和MAX1968芯片设计的光纤陀螺用光纤光源泵浦温度自动控制(ATC)技术。控制过程中提出了一种新的控制算法--递进式PID。与传统PID算法相比,递进式PID算法的最大特点是其各个参数可以随外界环境而变化。经试验测定,泵浦的温度稳定性能够稳定在±0.03℃以内,因而泵浦具有很好的平均波长稳定性。     

激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振特性的影响

针对激光器光谱线宽不可能严格为零的问题,在激光相干理论的基础上,采用光波场叠加的方法计算了布里渊光纤谐振腔的循环光强,详细分析了激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振谱线宽度和精细度的影响,并进一步分析了光谱线宽对谐振腔受激布里渊散射阈值的影响,最后,引入了线宽压缩的概念分析了布里渊光纤陀螺的灵敏度。分析表明,除了耦合器插入损耗外,激光器光谱线宽也是影响精细度的重要因素,具体影响程度与激光器光谱线宽及谐振腔本征谱线宽度间的相对大小有关,受激布里渊散射阈值随激光器线宽的增加而近似线性增加,另外在其他参数相同的情况下,布里渊光纤陀螺的灵敏度比谐振式光纤陀螺高大约三个数量级。本文为布里渊光纤陀螺的光源选择及光路参数的优化设计过程提供了理论依据。     

纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究

本文采用纳米压入仪在晶向为〈111〉和〈100〉的两种单晶硅片表面压入1000nm,卸载后得到深度约为550~570nm的压痕。使用共聚焦显微拉曼光谱仪对压痕周边区域进行测量,采用场扫描成像技术得到了压痕周边拉曼频移、半高宽、峰强等拉曼信息,通过分析由频移求得残余应力场的分布。在实验的基础上讨论了残余应力场的分布,以及晶向对应力场分布的影响,近似给出了压痕边缘最大压应力与微裂纹尖端最大拉应力。对其他拉曼信息的分析表明,半高宽和峰强信息与材料晶格结构的变化相关,在一定程度上也可以反映残余应力的作用。     

光源稳定性对光纤陀螺性能的影响及解决方案

分析了光源出纤功率和波长波动对陀螺性能的影响，并理论研究了双程后向结构掺铒光纤超荧光光源的特性。结果表明，在任意反射镜参数下，只要选取适当的掺铒光纤长度，该结构光源总能实现不依赖于泵浦功率的平均波长高稳定性运行；在高稳定性的前提下，反射镜参数优化后的该结构光源有较宽的频带宽度和较高的输出功率。得出了该结构光源可以满足高精度惯导级光纤陀螺对光源稳定性要求的结论。     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

碳纳米管应变传感器的性能分析：实验偏振模式的影响机制

碳纳米管作为一种拉曼力学传感介质具有优异的力学性质及共振、偏振拉曼特性。将碳纳米管散布在基体材料中,即可实现局部应力/应变的测量。受到光学衍射极限的限制,常规的远场拉曼光谱得到的是一定区域内众多碳管的平均散射信息。本文综合考虑了采样点内各方向碳管的影响,并对碳管散射的共振状态、碳管的分布状态、拉曼系统的偏振构型及偏振方向等实验因素对碳纳米管应变传感器性能的影响进行了深入分析,采用分峰和重构的方法定量地给出了不同实验模式下采样点内的拉曼信息组成以及各种实验模式的测量精度。分析和对比表明,采用双偏振构型且偏振方向沿荷载施加方向时的测量精度最高,即最优的实验模式。     

光纤模斑谱传感器复合材料固化监测研究

提出利用一种新型光纤传感器，通过测量光纤末端近场模斑谱反映光纤埋置周围树脂折射率的变化．计算了随着树脂固化过程中折射率变化的功率谱密度分布，给出截止频率与折射率的近似关系．给出了利用这种传感器进行复合材料树脂固化监测的实验结果．发现这种光纤传感器的信号可以用来反映固化凝胶点和固化结束点．由于固化后光纤仍保持光波导特性，该光纤还可以用来监测结构受环境的扰动如温度变化、振动等．     

用GPS卫星信号探测空中目标

利用GPS卫星信号全天候、全球实时覆盖的特点,研究以GPS卫星信号为辐射源,连续接收空中目标飞经GPS信号场的全息信号,设计了基于特征点触发采集的信号采集系统,提取目标的前向散射信号,根据目标的飞行速度确定信号的频带。在此基础上,进行目标前向散射信号的频谱分析,检测由于前向散射效应引起的信号电平突变,从而实现了对空中目标的探测。模型飞机和民航客机的探测试验结果表明,以GPS卫星信号作为辐射源,可以有效地探测到低空和高空目标飞行物。     

有限液体负载下压电平板声板波理论分析

主要推导平板声板波受有限液体负载后能量衰减与波速改变情形, 以部分波传理论分析该受液体负载的压电平板波传行为, 并以一128$^{\circ}Y$向切角的铌酸锂芯片为例,分析前20个声板波受水与甘油负载下 的能量衰减,并固定某一平板板波, 针对不同甘油厚度负载下, 计算其相速度与衰减变化,该理论分析对于液体负载下的平板板波传感器应用具有极大的参 考价值.     

光纤色散及损耗对光纤探针信号传输的影响

对光纤色散及损耗给光纤探针信号前沿和幅度造成的影响进行了理论估算。通过实验对这种影响进行了实际测量。实验中采用四种长度不同的光纤。结果表明，在采用数值孔径为0.37的阶跃石英光纤传输时，光纤色散对光纤探针信号前沿的展宽为5414 ns/km，光纤损耗对光纤探针光信号的影响为4.40.2 dB/km。因此，在光纤需要长距离传输时，有必要采取措施对色散的影响加以控制。     

基于拉曼光谱的TMPTO热氧化特性研究

针对三羟甲基丙烷油酸酯(TMPTO)热氧化性能改进需求,将DXR激光显微拉曼光谱仪与Linkam FTIR600控温台联用,研究了热氧化过程中TMPTO及添加烷基二苯胺类抗氧剂辛/丁基二苯胺(T557)和二壬基二苯胺(T558)油样的拉曼特征峰随时间的变化规律,探讨了热氧化过程中TMPTO分子结构变化特点及烷基二苯胺类抗氧剂的作用机理.研究发现:随着氧化时间的延长,TMPTO基础油分子中=C-H、C=C及-CH_2-的拉曼峰随氧化时间延长逐渐减弱,且C=C结构的变化遵循一级反应动力学规律;在恒温175℃连续氧化条件下抗氧剂T557和T558能够减缓TMPTO分子中=C-H、C=C及-CH_2-的拉曼峰衰减,其中C=C结构的热氧化反应速率常数从0.14 h~(–1)降至0.02 h~(–1).     

人工扰动信号在湍流边界层中的衰减

将人工扰动引入湍流流场,使用功率谱分析方法,研究边界层外层的较大频率范围内的人工扰动信号沿流向和法向的衰减,获得了人工扰动在湍流边界层中的衰减趋势．     

高频纵向导波在钢杆中传播特性的研究

计算了钢杆中纵向轴对称导波模态的衰减频散曲线和群 速度频散曲线. 分析了1~3MHz范围内高频纵向轴对称超声导波在钢杆中的传播特 性. 理论分析表明,各高阶纵向模态都存在一个衰减最小值,在此衰减最小值所对应频率下 的高阶模态能传播较远距离,可用于钢杆导波检测. 建立实验系统,采用轴对称同端激 励接收的方法,根据第1次端面回波做出群速度和端面回波幅值随频率变化曲线,实验结 果与理论分析基本吻合. 表明考虑材料衰减特性的钢杆频散曲线可以作为实验指导依据.     

光子纠缠光纤陀螺仪的相位检测灵敏度分析

针对量子输入通常需要双输入/双输出的特征,提出了一种采用双环行器的光子纠缠光纤陀螺光路结构。阐述了基于N00N态的光子纠缠光纤陀螺仪的工作原理,首次推导了N00N态光子纠缠光纤陀螺的德布罗意波的量子干涉公式,并将N00N态与具有相同光子数（光功率）的一般光子数态（22）输入以及经典输入的相位检测灵敏度进行了对比。分析表明,N00N态作为理想的最大路径纠缠态,可以突破散粒噪声极限而达到海森堡极限,而其它非经典态由于输出态的生成概率,其二阶符合计数及高阶符合计数存在一个固有效率,可能较难突破散粒噪声极限。