“片上光学传感技术”专辑导读

<正>光学传感技术具有高精度、快速、实时、非接触和无污染等优点,在材料分析、生物医药、食品安全、智慧农业、环境监测、公共安全等领域,已经成为一种重要的检测手段。随着大数据和物联网等技术的迅速发展,光学传感技术也在不断进步,向着实时化、智能化和网络化的方向发展,能够更好地满足各种应用场景的需求,如即时诊疗、在线检测、无人系统搭载监测和遥感等。然而,大多数光学传感技术需要依赖复杂、昂贵的光谱分析系统,存在体积大、质量大、     

回音壁模式光学微腔传感

回音壁模式光学微腔具有很高的品质因子和较小的模式体积,能极大地增强腔内光场与物质相互作用,已经成为超高灵敏光学传感的优异平台,也是国际学术前沿之一。文章简介了回音壁微腔传感研究现状与热点、微腔传感平台及传感机制原理;着重列举了微腔传感的部分典型应用,例如纳米尺度单个颗粒检测、温度传感、磁场传感、化学气体传感以及压力/应力等物理量传感等;最后对光学微腔传感的研究进行了展望。     

基于SiQDs/CoOOH纳米片传感器的抗坏血酸检测研究

抗坏血酸是一种重要的食源性抗氧化剂,因此,高效、准确地检测抗坏血酸在食品分析中具有重要的意义。该研究提出了基于硅量子点(SiQDs)组装在钴羟基氧化物(CoOOH)纳米片上的抗坏血酸(AA)荧光检测传感平台。所制备得到的SiQDs具有良好的水溶性、 pH稳定性和耐光漂白性。将其组装在CoOOH纳米片表面,其荧光可以由于CoOOH纳米片引起的内滤效应而被猝灭,而AA能够快速有效地还原CoOOH纳米片,导致SiQDs的荧光恢复。基于以上研究成果,我们利用荧光光谱、紫外可见吸收光谱对SiQDs和CoOOH的光学性质进行了考察,同时探讨了传感平台检测AA的可行性,并对该传感平台检测AA的机理进行了研究。     

高Q光学微球腔角速度传感效应验证

根据角速度传感的基本原理,搭建了以高Q光学微球腔为核心敏感部件的角速度传感实验测试系统。实验中通过调制、解调技术得到了光学微球腔的谐振曲线及其相对应的解调曲线,并采用PID反馈控制电路实现了微球腔谐振点的实时跟踪锁定,谐振点锁定精度约为10 kHz。通过对系统提供低、高2组不同的旋转角速度进行实验测试,并对数据进行处理分析,得到系统输出信号幅度的变化趋势与测试转台提供的旋转角速度变化情况相对应的结果。初步验证了高Q光学微球腔的角速度传感效应,为后续深入研究高Q光学微谐振腔角速度传感器件奠定了基础。     

干涉型全光学光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术,声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元,但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中,利用光学声波传感器对光声信号进行探测,避免了电子探测元件的使用,具有环境适应性强、灵敏度高等优点,且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展,并展望了其未来的发展方向。     

基于光学表面波的折射率传感成像技术

从表面波的原理、测量技术分类及关键性技术等多方面进行论述,概括了基于全内反射、表面等离子体共振、石墨烯等多种光学表面波的折射率传感的历史发展,进一步探讨了表面波折射率传感成像的技术优点。研究表明表面波传感成像作为一种高精度定量化的无标记显微成像技术,在医学光学精准诊疗方面具有重要价值。     

分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.     

光学电流传感器传感头的研究

设计了一种光路全闭合的光学电流传感头、推导出传感头双射折和被测量关系的解析式，得出了若干重要的结论，给出了实验结果。此传感头已在１１０ｋＶ变电站投入试运行。     

基于Ring-down光学谐振腔的新型瓦斯传感器

提出将光谱吸收型传感技术和Ring-down光学谐振腔理论相结合的设计思路,将吸收光强与气体含量之间的定量关系与Ring-down光学谐振腔理论有机结合起来,设计了基于Ring-down光学谐振腔理论的光学瓦斯(甲烷)气体传感器气体吸收腔,以解决传统瓦斯传感器因为气体的谱宽很窄而难以提高微弱信号检测精度和灵敏度的问题....     

基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

准分布式光纤传感系统在土木工程、能源勘测、航空航天、国防、化工等领域一直发挥着不可替代的重要作用。以微波光子学为基础的准分布式光纤传感解调技术被广泛应用于光纤复用系统的快速、高精度的信号解调与传感器定位。与传统的光学波长解调方案相比,该技术大幅提高了系统的解调速率,弥补了传统解调方法在传感器定位方面的缺陷。本文主要介绍了近年来国内外在基于微波光子学的准分布式光纤传感解调领域的研究进展,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗准分布式传感系统两方面入手,对比分析了现有的数种微波解调光纤准分布式系统的优缺点,并对基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术的未来发展方向进行了总结与展望。     

基于直接检测相干光时域反射计的高分辨率分布式光纤传感技术

研究了基于瑞利散射的高性能定量检测分布式光纤传感技术。在相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的基础上,用窄线宽激光器和微波电光调制实现对光频移的精确控制,构成直接检测相干光时域反射计(COTDR)传感系统。通过分析光频移产生的传感光纤瑞利散射光干涉图样的变化,得到了传感量(温度或应变)的定量信息。对直接检测COTDR传感系统进行了理论分析,并进行了COTDR工作过程和散射信号相关特性的仿真分析,验证了高分辨率分布式光纤传感原理。在此理论分析基础上,采用微波电光调制得到了可变光频移,组建了直接检测COTDR实验系统,实现了25 km分布式光纤温度传感实验,可测量到25 km光纤末端0.1℃的温度变化。     

用于动态应变测量的快速分布式布里渊光纤传感

近些年,分布式布里渊光纤传感因具有分布式应变和温度的测量能力,以及在结构健康监测领域的重要应用而受到广泛的研究。在多种传感方案中,布里渊光时域分析(BOTDA)技术具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点,受到广泛关注。传统的BOTDA系统平均和扫频过程比较费时,只适宜进行静态或缓慢的应变测量。通过分析BOTDA系统的分布式传感原理,总结了限制其快速分布式传感测量的主要因素。针对这些限制因素,综述了近期快速BOTDA系统取得的一系列的进展,主要包括基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统、基于光学捷变频技术的快速BOTDA系统、基于斜坡法的快速BOTDA系统、基于光学啁啾链的快速BOTDA系统、基于光学频率梳技术的快速BOTDA系统,指出通过单一或者多个新技术组合而成的快速BOTDA系统具有更好的性能和更广阔的应用前景。     

光纤白光干涉技术的回顾与展望

光纤白光干涉技术与方法是光纤技术领域中独具特色的一种测量方法和传感技术,是光纤技术多领域交叉应用中较为有代表性的一个分支.该项技术在宽谱光干涉特性研究、绝对形变光纤传感测量、光波导器件的结构及其对光波反射特性参量的检测、光纤陀螺环中光偏振态横向耦合测量与评估以及医学临床诊断的组织结构形态的光学层析技术等方面,都具有广泛...     

相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法

相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点,能够实现对微弱扰动的分布式检测,在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景.然而,与传统的OTDR传感系统不同,Φ-OTDR系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声,对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰,从而限制了Φ-OTDR传感系统在实际应用环境下的传感性能.本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析,并提出了相应的噪声抑制方法.实验结果表明,本文提出的方法可以有效抑制Φ-OTDR传感系统中的光学背景噪声,并显著提高传感系统性能.     

光学电功率传感器研究综述

综述了现有各种光学电功率传感器的传感机理和主要特点,提出了电功率传感器研究中存在的问题、方法和研究方向。光学电功率传感器一般具有测量范围大、响应频带宽和电气绝缘能力强等优点。根据光载波中是否含有电功率调制信号,可将光学电功率传感器分为直接调制型和间接调制型两类;与光学电压、电流传感信号相比,直接调制型光学电功率传感信号更加微弱,且其有功功率传感信号为直流信号,易与光载波强度波动混淆。对于单晶体型电功率传感器,一般要求传感介质兼具线性电光、磁光效应,或者具有双横向电光Pockels或Kerr效应;此外,选择传感介质时应全面考虑其多重光学效应及其相互关系,并应考虑如何避免或抑制传感信号的温度漂移。光学电功率传感器在智能电网、微波功率及电磁脉冲功率测量等领域具有潜在的应用前景。     

基于毛细管电泳的量子点荧光共振能量转移检测

荧光共振能量转移（FRET）技术作为一种能在生物活体和体外检测纳米级距离变化的工具,为研究生物大分子内部结构、性质、反应机理及其动态监测,乃至定量分析等提供了一条快速简便的途径。由于量子点（QDs）具有独特的光学性质（宽吸收、窄发射、抗光漂白及荧光可调）,近年来基于QDs的FRET体系已在生物医学传感、免疫及活细胞内生物大分子的相互作用方面得到了广泛应用。     

固态金刚石氮空位色心光学调控优化

在金刚石氮空位色心的高灵敏传感探测研究中,光学调控是氮空位色心实现高效光学初态制备及信息提取的关键.本文基于高浓度的金刚石氮空位色心系综检测展开,采用脉冲光学探测磁共振技术,系统地研究了激光初态极化时间、信息读取时间与激光功率的关联特性,并进一步研究了激光入射偏振角与传感信息精度的关系.探究了各个激光参数对高浓度金刚石氮空位色心系综[111]轴上光学探测磁共振谱中第一个共振峰的影响,并通过实验结果进行分析,最终选取在光功率密度为45.8 W/cm²下的最优实验参数(300μs的极化时间, 700 ns的读取时间,激光入射角为220°)进行了光学磁探测共振测试,与优化前的实验参数(极化时间为50μs,读取时间为3000 ns,入射角度为250°)相比,典型的磁检测灵敏度由21.6 nT/Hz1/2提升到5.6 nT/Hz1/2.以上研究结果表明我们已经实现光学精密调控的优化测量,这些研究结果也为高浓度氮空位色心系综精密调控实现温度和生物成像、量子计算及量子信息等领域调控传感检测提供了有效参考.     

用光纤传感技术检测水的浊度

光纤传感技术用于检测水的浊度,得到优于用常规方法的效果,免去取样和对检水振荡的繁琐手续,可实现实时的远距离监测。原理液体的混浊度与液体中含有的悬浮物(如水中的泥沙、有机物、微生物和矿物盐等)的量有关。含悬浮物越多,混浊度就越大。悬浮物的存在使液体成为光学非均匀介质。光在这样的液体中传播时产生散射。     

超分子有机薄膜

利用超分子有机薄膜技术能制成新的传感分子电子器件、光学器件和生物分子器件等，受到跨学科高技术研究领域的重视。本文描述了超分子有机薄膜的制备方法以及在各应用领域的研究状况。重点介绍了我们研究组在近20年工作中，利用LB膜技术，在光电器件、气体传感技术和光学非线性，特别是在生物传感技术方面的研究成果。按照生物体系提供的信息，模拟合成功能分子，建造有组织的分子组装体，以便用来研究依赖于分子排列的生物物理化学效应。     

用于光谱吸收式气体传感系统的空芯波导的小型化研究

基于空芯波导的柔韧性可以将若干米长的波导弯曲至半径若干厘米的圆盒内,配合光源及检测器即可得到光程长、气体容积小、响应速度快的小型化气体传感系统。建立了一种基于几何光学理论的弯曲波导传输模型,通过仿真与实验研究了弯曲空芯波导的传输与传感特性,总结了通过优化波导长度、弯曲半径、系统信噪比、波导孔径及光源发散角等参数降低系统检测极限、提高灵敏度的方法。