超小自聚焦光纤探头的研究进展

梯度折射率（Gradient-index,GRIN）光纤探头是一种全光纤型超小光学镜头,在心血管等狭小空间组织内窥影像检测中具有广阔的应用前景。但其发展一直缺少系统的理论体系。本文讨论探头设计、制作和性能测试等方面的关键问题。基于GRIN光纤探头聚焦性能的特征参数,对解析设计方法与数值仿真设计方法进行比较分析。针对超小GRIN光纤探头的制作难题,研究一种光纤熔接和切割的高精度一体化集成装置,描述GRIN光纤探头的制作方法。此外,分析了超小GRIN光纤探头聚焦性能检测的方法及装置。本文为超小GRIN光纤探头的设计、制作及性能测试提供了一个方法体系。     

超小自聚焦光纤探头研究用场追迹数值模拟技术

研究场追迹数值模拟技术在超小自聚焦光纤探头设计与分析中的应用方法.首先,论述场追迹的概念及其基本原理;其次,论述场追迹在VirtualLab软件中的实现方法;最后,研究超小自聚焦光纤探头在基于场追迹的物理光学软件VirtualLab中的建模与分析方法,并进行仿真结果与实验结果的比较分析.结果显示,如设无芯光纤的长度为0.36 mm,自聚焦光纤透镜的长度分别为0.10,0.11和0.12 mm,计算所得的工作距离分别为0.75,0.63和0.51 mm,光斑尺寸分别为32,24和19 μm.理论计算结果与实验结果符合,表明基于场追迹的数值模拟技术是研究超小自聚焦光纤探头设计与分析方法的一个有效手段.     

余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性

为了研究光束在梯度折射率介质中的传输规律,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,推导出余弦高斯光束在梯度折射率介质中传输的解析表达式,对余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性进行了分析,并进一步讨论了介质梯度折射率系数和调制参数对传输特性的影响。结果表明,余弦高斯光束在梯度折射率介质中传输时,轴上光强分布呈现周期性变化,横向光强分布受梯度折射率系数和调制参数影响较大。余弦高斯光束传输时具有不稳定性,通过适当调节参数,可在空间某位置实现余弦高斯光束的整形。     

余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性

 为了研究光束在梯度折射率介质中的传输规律,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,推导出余弦高斯光束在梯度折射率介质中传输的解析表达式,对余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性进行了分析,并进一步讨论了介质梯度折射率系数和调制参数对传输特性的影响。结果表明,余弦高斯光束在梯度折射率介质中传输时,轴上光强分布呈现周期性变化,横向光强分布受梯度折射率系数和调制参数影响较大。余弦高斯光束传输时具有不稳定性,通过适当调节参数,可在空间某位置实现余弦高斯光束的整形。     

基于拉锥结构的全光纤型内窥OCT探针研究

本文报道了一种基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针. 基于大纤芯多模光纤的低光束发散特性, 使用大纤芯多模光纤代替透镜作为成像元件, 并在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗. 首先利用光学仿真软件(Rsoft)确定探针的最佳结构, 然后通过拉锥、切割以及熔接工艺实现探针制作, 并对探针的出射光束特性与插入损耗进行测量, 最后将该探针与扫频光学相干层析成像主系统联机, 对人体指尖皮肤及鸡气管壁组织进行成像. 该探针直径为250 μm, 不锈钢保护管外径为325 μm, 硬端长度1 cm, 插入损耗约为0.3 dB, 空气中有效成像范围达800 μm. 该探针为内窥光学相干层析成像技术在心血管疾病的应用提供了高紧凑度、高传输效率与高灵活性的选择.     

平顶高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,推导出平顶高斯光束在梯度折射率介质中传输时的解析表达式,对平顶高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性进行了分析,讨论了介质梯度折射率系数和光束阶数对传输特性的影响。研究表明,平顶高斯光束在梯度折射率介质中传输时轴上光强分布呈现周期性变化,其周期决定于介质梯度折射率系数,而与光束的阶数无关;轴上峰值处的横向光强分布受梯度折射率系数和光束阶数的影响较大,横向光强的最大值随着梯度折射率系数的增大而增大。     

光源对相干层析系统特性的影响

在分析相干层析系统成像机理的基础上，从理论上研究了光源对系统成像特性的影响，在考虑干涉条纹的强度用概率函数处理的条件下，由分析得出相干层析成像系统相当于一个复振幅的线性空间不变系统，从而给出相干函数和光源的功率谱密度之间的关系。通过对使用不同光源的系统相干传递函数比较，得出了采用具有较大线宽的低相干光源，系统的空间分辨率更好，可使测量更精确的结论。本文的工作为光学相干层析成像系统的优化设计提供了理论依据。     

金纳米星诊疗剂的光热特性及其在光热治疗和光学相干层析成像中的应用研究

为了开发一种优异的用于光热治疗和光学相干层析成像的金纳米星诊疗剂,对金纳米星的制备、光热特性以及光热治疗和光学相干层析成像中的应用进行研究.利用尖端结构增强金纳米材料的局域表面等离子体共振特性,通过种子介导法制备了多枝化的金纳米星,多尖端的结构使其具有明显的光热效果,并探究了其作为光热治疗的诊疗剂和光学相干层析成像造影...     

带金属尖四棱锥小孔光探针光斑近场分布数值模拟

采用时域有限差分法(FDTD)研究了带金属尖四棱锥小孔光探针光斑近场分布特性,分析了金属尖的长度、尖端半径及距离小孔位置等因素对近场电场分布的影响.讨论了该类光探针的电磁波通过等离子体激元方式从小孔传输到金属尖的机理.Taminiau等人用不同方法获得的计算结果在本文的计算结果中得到了印证.在此基础上,本文重点分析、讨论了Pohl等人在1984—1986年获得20—25nm高分辨率图像的原由,讨论了该实验系统的成像机理和类型的归属.计算结果表明:Pohl等人的实验系统成像机理已离开小孔径扫描近场光学显微镜类型,报告认为应归属金属尖散射扫描近场光学显微镜一类.本结果对设计性能优良的光探针具有参考意义.     

The probe gain with and without inversion in a four—level atomic model：light amplification at a short wavelength

We propose a new four-level atomic model for achieving light amplification at a short wavelength, where direct incoherent pumping into the top level is avoided by the advantage of coherent pumping. In this model, the lower level of the probe transition is an excited state but not the usual ground state. By analytical as well as numerical calculations, we find that the probe gain, either with or without population inversion, which depends on the relation between spontaneous decay rates $\g_{42}$ and $\g_{21}$, can be achieved with proper parameters. We note that the Raman scattering gain always plays an important role in achieving the probe amplification.     

A sapphire fibre thermal probe based on fast Fourier transform and phase-lock loop

A sapphire fibre thermal probe with Cr³⁺ ion-doped end is developed by using the laser heated pedestal growth method. The fluorescence thermal probe offers advantages of compact structure, high performance and ability to withstand high temperature in a detection range from room temperature to 450℃. Based on the fast Fourier transform (FFT), the fluorescence lifetime is obtained from the tangent function of phase angle of the non-zeroth terms in the FFT result. This method has advantages such as quick calculation, high accuracy and immunity to the background noise. This FFT method is compared with other traditional fitting methods, indicating that the standard deviation of the FFT method is about half of that of the Prony method and about 1/6 of that of the log-fit method. And the FFT method is immune to the background noise involved in a signal. So, the FFT method is an excellent way of processing signals. In addition, a phase-lock amplifier can effectively suppress the noise.     

偏斜光线抽运下的回音壁模式光纤激光辐射特性

研究了偏斜光线抽运下的回音壁模式光纤激光辐射特性.实验发现,在抽运光以偏斜光线方式沿光纤的近轴向抽运时,回音壁模式的光纤激光辐射中,既存在光电矢量和光纤径向垂直的横电波(TE),也存在光电矢量和光纤径向平行的横磁波(TM);随增益包层染料溶液折射率的增加,径向模式数和角模式数相同的TE波和TM波之间的波长差单调减小,回音壁模式激光辐射的中心波长向短波方向移动,辐射的波长范围变窄.用回音壁模式激光的辐射理论结合激光染料的四能级模型,满意地解释了实验结果.     

大气相位畸变的分层模型及模拟探测实验

分析了多层探测和校正的理论依据,提出瑞利导星和钠导星共用探测两层湍流的概念。介绍了该方案的优越性,论证了它的可行性及实施方法。在此基础上进行了原理性实验,所得结果与理论分析基本吻合。     

Study on effective probe depth of optical coherence tomography system by Monte Carlo simulation

The intensities of Class I and Class II signals at several different probing depths and different coherence lengths are analyzed using a Monte Carlo model with a pencil beam, and the result shows that the longitudinal resolution has influence on the effective probe depth. A Monte Carlo model for optical coherence tomography system with a focused Gaussian beam is proposed. The intensities of Class I and Class II signals at different probing depth for different radius and depth of focus of the beam are simulated using this model. We found that increasing of the depth of focus and decreasing of the beam radius can finitely increase effective probing depth. When the effective probing depth is fixed, optimal signal intensity can be achieved by altering the beam radius or the depth of focus.     

Theoretical analysis on double Rayleigh backscattering noise in optical fibreRaman amplifiers and its suppression

In this paper, amplified double Rayleigh backscattering noise (DRB) in the optical fibre Raman amplifier is analysed. Expressions are presented for both forward pumping and backward pumping schemes. Calculation is performed to show the effective suppression of DRB noise by employing an optical isolator. The optimal position for the isolator is determined and is found to be insensitive to the power levels of the signals and pumps. The results show that a reduction of the DRB noise by almost 2 to 3 orders can be reached.     

钕玻璃的温敏特性及光纤温度传感器

本文从理论上通过对钕玻璃中Nd～(3+)离子光吸收特性的分析,阐明了其光吸收对温度依从性的原因.在实验中,试制了几种不同类型的钕玻璃光纤温度传感探头.对Nd～(3+)离子光吸收的温度特性进行了验证,其结果和理论分析相一致,实验表明钕玻璃是一种性能良好的光纤温敏传感材料.     

Propagation of chirped nonlinear pulses in a lossy highly birefringent single-mode optical fibre

A new model of the nonlinear propagation of optical solitons with initial linear frequency chirp through lossy highly birefringent fibres, allowing the improvement of the practical results concerning the distortionless signal transmission in ultrahigh-speed communications, is presented within the framework of a system of coupled nonlinear Schroedinger (CNLS) equations. This model demonstrates the existence of bound chirped solitons in a lossy single-mode highly birefringent fibre.     

宽场光学相干断层成像系统的实验研究和模拟

改进和完善宽场光学相干断层成像技术(WFOCT)的主要方法是从光源、系统光路等方面进行改进.研究WFOCT系统的成像状态和环境状态对系统的横向分辨率的影响,借助ZEMAX光学设计软件模拟该系统的干涉效果,在实验中采用八步移相法来解析样品的二维图像信息,将解析出来的样品图像赋值到图像变量中进行存储显示.实验与模拟结果表明:模拟仿真获得的干涉信号含有对比度和平行度很高的干涉条纹,证明了利用ZEMAX软件模拟仿真干涉系统的可行性.     

非球面系统中高斯光束传输的数值计算

高斯光束的理论公式从整体上描述了光束的传输特性,但并没有描述光束内每一光子的传播行为。基于高斯光束的单叶双曲面特性,建立了一个新的高斯光束光子传输模型。该模型将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体,光子传播方向是在过该光子初始发射点的双曲面的两条直母线中等概率选择。基于该模型,通过计算大量光子经光学系统的传播轨迹可获得高斯光束的几何构形、光强分布、光子光程分布及其传播方向。对实际非球面光学系统的计算结果充分验证了该方法可全面、准确地模拟高斯光束的传输特性,且数值计算效率高。     

Tunable properties of light propagation in photonic liquid crystal fibers

Tunable properties of light propagation in photonic crystal fibers filled with liquid crystals, called photonic liquid crystal fibers (PLCFs) are presented. The propagation properties of PLCFs strongly depend on contrast between refractive indices of the solid core (pure silica glass) and liquid crystals (LCs) filing the holes of the fiber. Due to relatively strong thermo-optical effect, we can change the refractive index of the LC by changing its temperature. Numerical analysis of light propagation in PLCF, based on two simulation methods, such as finite difference (FD) and multipole method (MM) is presented. The numerical results obtained are in good agreement with our earlier experimental results presented elsewhere [1].