基于光纤耦合长光程LED-DOAS技术的大气NO_2测量研究

大气中NO2的含量在10-9量级。研究了一种以发光二极管(LED)为光源的光纤耦合长光程差分吸收光谱(DOAS)系统,用于测量大气NO2。对比了四种不同类型和波段的蓝光LED,确定以中心波长451nm的CREE宝蓝LED为测量光源。在0.8km的测量光程、2min的测量时间分辨率的情况下,在445nm~465nm光谱反演波段内得到NO2的探测限为3.36×10-9。利用系统对大气NO2的浓度进行了一整天的连续观测,通过对吸收光谱的分析计算,反演出的大气NO2浓度在(7~31)×10-9之间变化。测量结果表明,将光纤耦合技术与LED光源的长光程DOAS系统相结合后,可实现大气NO2的高灵敏、高时间分辨率探测。     

基于ZEMAX的LED光源与光纤的耦合系统设计

在原有金属卤化物光源与光纤耦合结构的基础上,提出了一种新的光纤耦合方案,为了满足光供电系统的光功率需求,根据几何光学的理论,提出一种新的LED光源阵列排布方案。在对LED的发光特性研究的基础上,设计了一种新的光学准直方法,运用ZEMAX软件进行仿真,并对透镜参数进行了优化,准直结果角度控制在了±4°范围内。针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了聚焦耦合设计,弥散斑的RMS尺寸大小为7.410μm,GEO点尺寸为16.091μm,光学系统95%以上的能量集中在20μm范围之内,达到了很好的耦合效果。     

基于Herriott型长程池的光学设计的研究

提出了一种改进的Herriott型长光程模拟装置,该装置由平面反射镜和凹面反射镜组成,具有等效光程长和便于光路调控的优点.本文讨论了光束直径、镜面尺寸、旋转角度、和镜面反射率对光程和光路调节的影响,并利用ABCD矩阵变换方法分析了系统的稳定性.理论模拟计算了基长为0.6m的装置实现144 m有效光程传输所需的参数和结果.     

高功率掺铒光纤宽带光源

本文提出并实现了一种新型结构的掺铒光纤超荧光光源。这种光源通过改变两级的参数来分别调整光谱和输出功率,从而获得了较高功率的定带输出。第一级的双程结构提高了光源的效率。这种结构的光源可以广泛应用于光谱测量、光纤传感器。尤其是光纤陀螺等很多领域。     

基于光纤收发一体LP-DOAS系统对大气HONO和NO_2的测量

介绍了一种基于施密特-卡塞格林望远镜的光纤收发一体长光程差分光学吸收光谱(LP-DOAS)系统,并应用于实际大气HONO和NO_2的测量。该测量系统采用光纤收发一体设计,相比于目前广泛使用的卡塞格林式差分光学吸收光谱系统更能充分利用望远镜主镜有效面积,具有较高的光学效率。分析了暗电流,偏置以及望远镜内部反射光对系统的影响,在晴好天气下,望远镜内部反散光所占大气谱光强比例小于1%。且通过与传统卡塞格林式差分光学吸收光谱系统进行了实际大气NO_2的测量对比,相关系数r达到0.968,验证了新系统测量的准确性。利用该测量系统在河北固城开展了对大气HONO和NC_2高灵敏度、高时间分辨率的外场观测,在光程为2 490 m下系统对HONO和NO_2探测限(2σ)分别为84.2和144.6ppt。测量期间的平均时间分辨率约为30 s,HONO和NO_2浓度最大值分别为3.2和37.8 ppb,最小值均低于探测限,并根据观测期间的数据结果计算夜间HONO/NO_2平均值为0.12。     

基于高浓度掺铒光纤的平坦宽带光源设计

为了实现高平坦的自发辐射输出,提出并设计了一种基于974nm泵浦源和高掺杂浓度掺铒光纤的平坦宽带光源。系统以泵浦波长974nm的激光二极管作为泵浦源,先将泵浦光分为两路对掺铒光纤分级泵浦,再将铒离子产生的自发辐射光合并输出,并调节铒纤长度和泵浦功率对输出光谱进行优化。仿真结果表明：泵浦功率为160mW,两段掺铒光纤长度分别为7m和2m时,可以在1530～1610nm得到带宽为80nm,功率为20.348mW,平坦度为±1.268dB的光谱输出。该系统在不额外增加滤波器且光纤总长小于10m的前提下,实现平坦宽带输出,有望在光纤传感系统中得到应用。     

改进的Herriott型光学长程池

用凹面反射镜和平面反射镜组成结构简单、光路易调的光多次反射装置,计算了这种光学系统的稳定性条件。考察实际入射光束的直径和发射角,给出了最大反射次数的求法。制成适用于钛宝石激光光声光谱仪的光56次通过的长程池。理论计算的反射光斑分布与实验观测一致。这个技术有利于提高光声光谱和吸收光谱的探测灵敏度。     

光纤照明用LED耦合装置设计

光纤照明用LED光源耦合装置多采用透镜组,其汇聚光斑小,但透镜组光能损失大。针对LED光源发光特性及聚合物光纤孔径大的特点,提出LED灯珠侧式安装和反射器切割移位优化法,设计一种基于椭圆反射器的光纤照明用LED耦合装置。运用John OFarrell的逼近算法计算出不同偏心率的椭圆反射器结构参数,结合光纤光学参数仿真比较耦合光效,得到一组偏心率和光纤直径匹配的高效耦合装置结构参数,并运用该方法设计了一款光纤直径10 mm、数值孔径0.5的光纤照明用LED耦合装置,其理想耦合光效达93.35%。     

使用近红外LED光源测量塑料薄膜的厚度

自制近红外LED厚度传感器综合实验仪.LED发出波长为0.936μm的单色红外光,由硫化铅探测器接收单色光源照射到被测塑料薄膜后光的强度,信号经放大器放大由控制器计算显示被测塑料薄膜的厚度.选定最佳工作距离14mm、最佳工作电流100mA进行实验,厚度测量相对偏差在2.0%以内.     

基于LED光源与聚合物光纤束的能量均匀透镜耦合器设计

研究了以大功率发光二极管(LED)作为光源的聚合物光纤束(POFB)透镜耦合器的原理和设计方法,基于能量补偿和坐标迭代法设计了一种能量均匀分布自由曲面透镜耦合器。透镜耦合器由两个折射曲面和两个反射曲面以及一个环形柱透镜面组成,折射曲面将修正的朗伯型大功率LED光束中发散角度较小的光线均匀分配在POFB端面上;反射曲面将LED光束中发散角度较大的光线作为补偿光线进行能量重新分配以提高目标面的照度均匀性,并以光纤束端面的照度均匀性和有效光利用率为优化目标对透镜耦合器结构进行优化设计。光学仿真结果表明,当采用3535规格的LED作为光源时,设计的耦合器可使直径为0.5 mm的20×20根POFB端面照度均匀性达到92%,有效光利用率达到71%。     

新颖的双通道输出高功率掺铒光纤宽带光源

在分析L波段放大自发辐射(ASE)谱产生原理的基础上,设计出一种新颖的双级结构掺铒光纤ASE宽带光源,该光源可在两个端口分别输出高功率的C波段和L波段的ASE谱.设计将C波段ASE谱注入到掺铒光纤中作为L波段ASE谱的二次抽运源,使得L波段ASE谱功率得到了有效提高.优化光源结构参量后从两个端口分别获得了12.97 dBm和12.81 dBm的C波段和L波段ASE宽带谱.将两个输出端口组合得到了功率为15.9 dBm,泵浦转换效率达到21.6%的C+L波段超宽带ASE光源.     

一种实现光源与光纤耦合的方法

本文介绍了一种用显微镜筒与透镜构成的光学系统来实现光源与光纤耦合的方法。该方法具有光路系统小巧方便、耐用、耦合效率高等优点。     

芯泵浦高功率宽带谱平坦长波段光纤光源

为了获得高功率、宽带宽及谱平坦的长波段掺铒光纤光源,基于2级双程芯泵浦,应用偏振复用技术实现泵浦瓦级供给,在泵浦总功率和光纤总长度都不变的情况下,数值分析了4种光源结构的输出特性受泵浦和光纤分配比例的影响。结果表明,4种结构基本都能工作于L波段（1 565 nm~1 610 nm）,带宽受结构影响较小,但只有双程后向+双程后向结构可同时拥有高输出功率和高平坦度。其在总泵浦功率750 mW,第一级泵浦功率为300 mW,第二级泵浦功率为450 mW时,和光纤总长度21 m,第一级光纤长度为18 m,第二级光纤长度为3 m时,可实现输出功率314 mW,带宽32.41 nm,中心波长1 584.84 nm,平坦度2.23 dB的L波段超荧光光源。     

大功率掺Yb双包层光纤宽带超荧光光源

利用波长为976nm的半导体激光器抽运掺Yb双包层光纤,制成了大功率光纤宽带超荧光光源,最大超荧光输出功率为54.11mW;此时斜率效率为69．35％,中心波长为1082nm,3dB带宽为17．2nm。     

基于光纤旋转连接器的光纤耦合效率研究

基于渐变折射率透镜准直器一定程度上可以提高空间光-光纤耦合效率,但会引入光纤与渐变折射率透镜装配误差和渐变折射率透镜间位置误差。鉴于以上两种误差情况,本文提出了修正光纤与渐变折射率透镜装配误差的位移法和基于楔形棱镜和平板玻璃的光束指向调整法。首先运用光线传输矩阵的数学分析方法建立了光线传输模型,分析当光纤与渐变折射率透镜存在距离误差和位置误差下耦合效率的变化,最后利用位移法降低了距离误差对插入损耗的影响,使系统插入损耗降低至0.2 dB。在存在位置误差下利用光束指向调整法降低插入损耗至0.7 dB。这两种方法可以有效提升光纤旋转连接器耦合效率。     

空间扫描型光纤法布里珀罗传感解调中LED光源的影响研究

结合恢复单色频率绝对相位解调算法研究了光源输出参数对空间扫描型光纤法布里珀罗传感解调影响。建立了相位解调值随光源中心波长变化的数学模型,通过改变光源光功率和光谱进行了解调实验研究。结果表明压力解调值的误差值与光源输出光功率有关;当温度升高时光源光谱会产生红移,使压力解调值产生误差;解调值与光源光谱中心波长满足二次函数关系。实验结果与理论分析一致,在140kPa范围内保证0.1%的解调误差时,光源光谱中心波长波动小于1.79nm。     

球形端面光纤与黑体光源耦合效率分析

为提高黑体光源的入纤强度,采用球形端面光纤为接收光纤,建立球形端面光纤与黑体辐射腔光能耦合模型,分析球形端面光纤参数、黑体腔参数等对光能耦合效率的影响.搭建黑体腔与球形端面光纤的光能耦合实验系统,在800～1 000℃条件下开展了光能耦合实验,结果表明:随着球形端头直径的增加,耦合光能先增大后减小;当曲率半径约为85μm时,光能耦合强度最高.相对于平端面光纤而言,耦合效率提高约60%.     

基于LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术探测HONO和NO2

介绍了基于近紫外发光二极管LED (中心波长约372 nm,半高宽13 nm) 光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术,同时用于探测痕量气体HONO和NO₂. LED出射光经准直后耦合进入长度为70 cm,由两块高反射率镜片组成的高精密光学腔内. 分别测量了氮气消光谱和氦气消光谱,通过两者瑞利散射截面的差异而引起光谱强度的变化来标定镜片反射率.在360—390 nm反演波段内,镜片反射率在390 nm处最大且为0.99962, 对应测量NO₂/HONO混合物时的最大光程约1.71 km,并利用最小二乘拟合反演出了 HONO和NO₂的浓度值.当光谱采集时间为1000 s时, HONO和NO₂的探测灵敏度(1σ) 分别为0.6 ppbv和1.9 ppbv.实验结果表明,该技术为实现大气痕量气体的高灵敏度在线监测提供了另一种可能的途径.     

基于LED光谱可调谐光源的光电探测器相对光谱响应测量研究

提出了采用LED光谱可调谐光源测量光电探测器相对光谱响应,详细论述了测量原理和算法,计算中将辐射传输积分方程改写成求和方程,求和值与积分值的近似程度与波长间隔大小的选择有关,仿真分析了不同色温黑体作为探测目标时硅光电探测器和CCD在不同波长间隔下的信号求和值与积分值差异。仿真结果表明：10 nm波长间隔时,探测器信号求和值和积分值差异在0.2%以内,是波长间隔的理想值。最后分析了影响该方法测量精度的因素及其解决方案。该测量方法结构简单,避免了单色仪等仪器的测量传递误差。     

光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究

在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。