一种三环并联Rayleigh后向散射式光纤转动传感器

以单环后向Rayleigh散射式光纤转动传感器原理为基础,提出了一种三环形腔并联Rayleigh后向散射式光纤转动传感器新结构.利用三个2×2单模光纤耦合器,建立了并联三环形腔Rayleigh后向散射式光纤转动传感器的理论模型,给出了用光时域反射计（OTDR）探测到的信号强度表达式.通过计算机仿真优化了参量,选择三环的长度分别为1 500 m、1 078 m和680 m.三个2×2光纤耦合器的耦合系数分别为95.23%、94.88%和95.26%构建了测试系统,对不同转速所探测到的后向Rayleigh散射信号进行测量,得到与理论相一致的实验结果.三环的采用,增加了测试的有效数据,使其更有利于识别,提高了测量转速的准确度.     

数字微镜器件反射效率测试方法及装置北大核心CSCD

为了获得数字微镜器件的真实光学特性,提出了其反射特性测试方法,并搭建实验装置对数字微镜器件的相对反射效率进行了测试,搭建了测试光路;利用该光路分别测得数字微镜器件和铝反射镜作为反射元件时相机接收到的光斑能量分布曲线,并对曲线进行积分;将2种测试条件下获得的积分值做除法,得到数字微镜器件的相对反射效率。测试结果表明,在使用632.8 nm波长激光器作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为45.33%,在使用白光LED作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为71.75%,经过多次测试发现2种测试模式下的重复精度均为±5%左右。上述测试结果可对今后使用数字微镜器件开发相关仪器时的能量传递效率计算以及器件选择起到一定参考作用。     

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1,相关系数为0.93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0.96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。     

基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究

开展了基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究,提出了单端固定开口波纹薄筒光纤声增敏方法,建立了光纤声增敏装置波节间距、单波节轴向刚度、光纤长度等参数对光纤相位灵敏度的影响理论模型.制作了3种规格的光纤声增敏传感装置进行声传感实验.实验结果表明,声增敏传感装置相位灵敏度达到2.975 rad/Pa,最小声探测信号达到60.1 dB,3种规格的声增敏传感装置的灵敏度测试值与理论分析基本一致.研究结果为高灵敏度的光纤分布式声传感的进一步发展提供了理论和实验基础.     

基于反射光谱特征辨识的光纤气压与温度集成监测方法

针对飞行器机载环境多参量综合测试需求,研究了一种基于反射光谱特征辨识的光纤布拉格光栅(FBG)气压与温度集成监测方法,给出了基于膜片式结构的双参量传感机理及其理论模型。采用基于耦合模理论的OptiGrating软件,得到不同气压与温度条件下光纤布拉格光栅传感器仿真反射光谱。在此基础上,借助弹塑性和恢复性能优良的平膜片感压机构,构建了膜片式双光纤气压/温度集成监测模型。研究表明,恒温条件下应变传感光纤光栅反射光谱随气压增加而逐渐向短波方向偏移,其中心波长灵敏度约为0.803 0 nm·MPa-1,且反射谱主峰及其旁瓣峰值均随气压变化呈现良好线性关系;当气压恒定而温度变化时,处于仅感温不受力状态的温度传感光纤光栅反射光谱中心波长灵敏度约为9.39 pm·℃-1;当气压与温度交叉变化时,能够实现对变温条件下的微小气压变化实时监测。传感光纤光栅受非均匀应变效应反射光谱存在一定啁啾现象,其反射光谱旁瓣峰值波长随环境温度、气压变化均会发生偏移,具有良好线性关系,且在不同气压下反射光谱对应的同一阶数旁瓣峰值幅度相等。该研究能够为航空航天器系统多物理参量在线综合测试提供有益帮助。     

基于单端探测温度和折射率的MZI光纤传感器

提出并演示了一种基于单端探测的光纤传感器,可同时测量温度和折射率。微结构光纤探头由两个玻璃光纤微球拼接在一起,并在该探头的末端利用真空电子束蒸镀一层铝膜以增加反射,从而形成微球结构的马赫-曾德尔型光纤传感头。实验结果表明,该器件的温度灵敏度和折射率可分别达到50.77 pm/℃和-21.94 nm/RIU。这项工作提出了一种低成本、高分辨率的基于光纤方法实现的多功能传感应用。单端探测的马赫曾德尔型光纤传感器小尺寸的优势可应用到小体积气体的测量,而它的全二氧化硅设计提供了高温或化学严酷环境的兼容性。     

光纤传感颜色识别系统的设计与实现

利用光电传感技术进行颜色识别可以克服传统识别方法的许多不足,能辨别出微小的颜色变化并大幅度提高测试精确度。通过探测物体的后向反射光,一种采用反射式数字光纤传感器设计的颜色识别系统得以实现。由于不同颜色的被测物体对光信号吸收和反射能力不同,它可以根据反射光的强弱来识别颜色。实验证明采用光纤传感器可以实现近距离范围内对被测物体任意区域的非接触式测量,测量范围宽、测试精度高,在表面探测中具有很好的应用前景。     

光源谱宽对法布里-珀罗干涉式光纤传感器工作灵敏度的影响

对干涉式光纤传感器来说,光源的谱宽直接影响着传感器的工作特性。从法布里—珀罗干涉式光纤传感器出发,推导其灵敏度的理论表达式,并用MathCAD软件进行了数学分析。讨论了光源谱宽对传感器灵敏度的影响。介绍了具有温度反馈功能的法布里—珀罗光纤干涉实验系统,给出了用该实验系统拍摄的谐振曲线照片。从该系统进行的两个重要的实验(不同干涉腔长的灵敏度对比实验和不同干涉长度的光源实验)表明,法布里—珀罗干涉式光纤传感器的灵敏度与光源谱宽的理论表达式是正确的,理沦公式与实验结论能很好地吻合。最后指出了该方法可以用于分析其他类型的干涉式光纤传感器的灵敏度问题,为光源的选择提供了参考。     

基于调谐二极管激光吸收光谱的燃气管道泄漏探测研究

根据可调谐二极管激光吸收光谱及谐波探测的原理,建立以分布反馈式半导体激光器为可调谐光源,利用多次反射池进行点式采样的实验装置。基于甲烷分子1 653.7 nm附近的吸收线,实验研究二次谐波信号对甲烷浓度的响应线性,并实现空气中甲烷本底含量的测量。研究结果表明可调谐二极管激光气体检测技术可为城市燃气管道泄漏探测提供了一种灵敏度高、抗干扰能力强的有效手段。     

热透镜技术中反射和透射两种探测方式的比较分析

热透镜技术按照测量方式的不同可以分为反射式和透射式两种。这两种方式的灵敏度强烈地依赖于样品的热物理性质,对于不同的样品,选择合适的测量构型尤为重要。采用高斯激光束作为加热光源,分别从理论和实验上比较分析了模式不匹配的反射式和透射式两种热透镜探测构型在测量以BK7玻璃和石英为基底的高反射光学薄膜弱吸收中的应用,结果表明,对以BK7玻璃为基底的样品,采用反射式探测构型具有较高的灵敏度,而对以石英为基底的样品而言,采用透射式探测构型则具有更高的灵敏度,为实际光学薄膜吸收损耗测试灵敏度的提高提供了理论和实验依据。     

反射相差对光学玻璃电流传感器测量灵敏度和稳定性的影响

在光学玻璃电流传感器中，如果在光线反射转向时的光的ｐ，ｓ分量之间引入反射相差，则会降低传感器的测量灵敏度和稳定性，本文对这种影响进行了理论上的分析，并给出了数值模拟的结果。     

The detection of thin embedded layers using normal incidence ultrasound

A theoretical investigation of the use of normal incidence ultrasonic reflection measurements for the detection and characterization of thin layers embedded between two much thicker media has been carried out. It has been shown that the form of the relationship between the normal incidence longitudinal reflection coefficient and frequency is defined by the reflection coefficients at zero frequency and at half the resonance frequency of the layer. The reflection coefficient at zero frequency is solely a function of the impedances of the media on either side of the layer, while that at half the resonance frequency of the layer is a function of the impedances of all three media. In general, the sensitivity of the reflection coefficient to the presence of the layer increases as the product of frequency and layer thickness increases, the maximum sensitivity being at half the resonance frequency of the layer. Unfortunately, with thin layers, it is generally not practical to test at this frequency. However, the reflection coefficient curve can, in principle, be reconstructed from data measured at lower frequencies and the sensitivity of the reflection coefficient at lower frequencies to the characteristics of the layer can be predicted from the sensitivity at half the resonance frequency. The sensitivity is also critically dependent on the relative impedances of the three media and is generally greatest when the half spaces on either side of the layer have the same impedance. With favourable impedances, it is possible to detect layers whose thickness is a small fraction of the wavelength of the ultrasonic waves employed. However, with other combinations of impedances, the detection of much thicker layers is not possible.     

一种改进型菲涅尔棱体的设计与分析

通过对光学材料和器件内全反射角的优化设计，提出一种改进型菲涅尔棱体模型，使入射光在器件内以相同的内反射角θ在两种不同玻璃材料和空气构成的界面上发生两次全反射，由反射引起的相位延迟的变化可以相互补偿，从而设计出对入射角不敏感的相位延迟器.计算表明，入射角变化±2°时，该相位延迟偏差不超过0.36°，且保持了原型菲涅尔棱体正入射和正出射的优点，大大方便了使用. 关键词： 相位 全内反射角 折射率     

圆极化波反射聚焦超表面

基于圆极化波入射条件下的高效同极化反射超表面实现了对圆极化反射波相位的自由调控, 设计了一维圆极化波反射聚焦超表面. 在中心频率f=16 GHz附近, 右旋圆极化平面波入射时, 反射波聚焦于焦距L=200 mm的实焦点; 左旋圆极化波入射时, 反射波近似聚焦于焦距L=-200 mm的虚焦点. 仿真计算得到聚焦波束的波束宽度、焦深. 结果表明, 这种圆极化反射聚焦超表面具有很好的聚焦效果, 同时具有长焦深和宽带特性.     

纳米ZnO薄膜的反射及偏振特性研究

用电子束蒸发镀膜法制备了纳米ZnO薄膜．通过测量其X射线衍射谱,计算出纳米ZnO颗粒的平均粒径大小为30nm．实验研究了纳米ZnO薄膜的反射和偏振性质,结果表明：当振动方向平行于入射面的线偏振光（简称P光）入射纳米ZnO薄膜时,不存在严格意义上的布儒斯特角,但对于入射角却存在一个临界角β．当入射角小于β时,反射光的振动面随着入射角的增大向左旋转;当入射角大于β时,振动面转而向右旋转;当振动方向垂直于入射面的线偏振光（简称S光）入射纳米ZnO薄膜时,反射光的振动面始终向左旋转．     

基于光纤微结构加工和敏感材料物理融合的光纤传感技术

将功能敏感材料与光纤在物理层面进行有机融合,充分发挥光纤传感器在结构集成、材料集成等方面的优势,将有望发展新型的光纤传感器件和系统.本文综述了飞秒激光光纤微加工技术分别在标准的单模光纤和光纤光栅上制备微结构,再结合敏感材料制备技术,实现在物理层面上光纤传感器材料和结构的集成和融合,探索实现新型高性能的光纤传感新技术.     

基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器

在金属-电介质结构的基础上提出了一种基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器,并采用有限元法研究了横磁(TM)和横电(TE)偏振光入射后结构所表现出的负反射和镜面反射等特性.计算结果表明,当偏振光的入射角设定在20?—70?时,入射的TM光发生强烈的负反射,而TE光的负反射很弱,并随着波长的增加而急剧下降.分析可得偏振分束光栅的理想负反射点和反射面的完美对称响应效果.通过仿真得到了理想负反射点的取值范围.结合严格耦合波法软件,计算不同偏振光入射时负反射和镜面反射条件下的反射率,其消光比高达10~6.     

Detection of hydrogen at room temperature with catalyst-coated multiple ZnO nanorods

A variety of different metal catalyst coatings (Pt, Pd, Au, Ag, Ti and Ni) deposited on multiple ZnO nanorods have been compared for their effectiveness in enhancing sensitivity for detecting hydrogen at room temperature. Pt-coated nanorods show a relative response of up to 8% in room-temperature resistance upon exposure to a hydrogen concentration in N₂ of 500 ppm. This is a factor of two larger than that obtained with Pd and more than an order of magnitude larger than that achieved with the remaining metals. The power levels for these sensors were low, ∼0.4 mW for the responses noted above. Pt-coated ZnO nanorods easily detected hydrogen down to 100 ppm, with a relative response of 4% at this concentration after 10-min exposure. The nanorods show a return to their initial conductance upon switching back to a pure-air ambient with time constants of the order of a few minutes at room temperature. This slow response at room temperature is a drawback in some applications, but the sensors do offer low-power operation and ppm detection sensitivity. PACS 78.66.Hf; 73.61.Ga; 73.40.Qv     

Tailored Pd-Au layer produced by conventional evaporation process for hydrogen sensing

Here we propose two methods using conventional evaporation process to produce tailored Pd/Au composite thin films for hydrogen sensing. In the first method Pd and Au are evaporated simultaneously using different evaporation rate. In the other, alternated nano-layer of Pd and Au are evaporated. Some characteristics of the thin films and their response to hydrogen when they are deposited over optical fibers are experimentally analyzed. Optical fiber sensors for detection of hydrogen concentration lower than 4% and response time of 10 s approximately are demonstrated. The possibility to precisely control the proportion of the constituents of Pd-alloys thin films to produce optical fiber hydrogen sensors with fast response makes these methods very attractive.     

基于2S2G棱镜的新型反向表面等离子共振生物传感器

提出了一种基于反向表面等离子体共振原理,由Ge_(20)Ga_5Sb_(10)S_(65)-钯-石墨烯分子-生物分子四层结构构成的新型生物传感器。当生物分子之间发生相互作用时,引起生物分子层折射率的变化,从而导致反向表面等离子体共振角的偏移。在此基础上,根据传输矩阵法推导了传感器的输出光谱,重点讨论了本文提出的传感器与传统传感器相比,在灵敏度、分辨率、动态检测范围以及检测信号信噪比方面取得的进展。另外,通过对比研究,深入分析了辅助介质层石墨烯厚度对传感器性能的影响。最后,利用近红外光作为提出的传感器的入射光,分析了在近红外区域传感器性能的改善。研究结果表明:单层石墨烯分子使传感器性能达到最佳;反向表面等离子共振峰强度约为入射光强的80%~90%,使传感器的输出信号具有较大的信噪比;在可见光区域,当入射光波长为632.8nm时,提出的反向表面等离子共振生物传感器的分辨率是基于SiO_2棱镜耦合反向表面等离子共振生物传感器的1.9倍,是传统表面等离子共振生物传感器的3.5倍,提出的传感器的动态检测范围约是现有传感器的2倍;利用Ge_(20)Ga_5Sb_(10)S_(65)棱镜可使反向表面等离子共振生物传感器检测光波长由可见光区域扩展到近红外区域,当入射光为1 000nm时,传感器的分辨率是可见光区域的3~4倍。该研究对基于反向表面等离子体共振原理生物传感器的实现与发展具有重要意义。