绝对编码光栅的相位细分及其在位移测量中的应用

提出通过光栅条纹相位的精密测量,获取光栅高精度位移信息的方法。具体方法是对光栅图像采用多码道设计,用CCD二维图像传感器获取测量段光栅图像多码道信息。对最低码道图形的周期函数序列进行傅里叶变换、基频滤波和逆傅里叶变换获得光栅截断相位分布,其余码道信息提供相位展开的级次,以此获得测量段光栅的绝对相位分布。用光刻的手段制作了实用的绝对编码光栅,基元码道的尺寸是:27.36μm用于明条纹,27.36μm用于暗条纹,最小基元码道空间周期为54.72μm,光栅长度为14008.32μm。在步长近似3μm的位移测试中,与比对的标准仪器记录值比较,标准偏差为0.2057μm,精度在亚微米量级。重复性实验表明,位置测试的稳定性为0.09μm(标准差),得到600倍以上细分的分辨力。     

具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 mm的时候,位移灵敏度为123 pm/mm,温度补偿前,温度对位移的影响是234.9 μm/℃;温度补偿后,温度对位移的影响为17 μm/℃.本位移传感器量程大、线性好、准确度高,不易受恶劣环境影响.     

具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 m...     

全息平面变间距光栅位移传感器研究

基于变间距光栅位移传感器的基本原理,研究了高线密度变化率全息平面变间距光栅的制作方法.所作的变间距光栅已应用在变间距光栅位移传感器中,原理样机测试结果表明,系统分辨率可以达到0.05 mm,相对误差可以控制在0.2% FS之内,优于设计指标.     

侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器

研究了采用侧面压迫式增敏和端面拉伸式增敏的无源光纤光栅水声传感器。采用灌注和弹性片端面增敏两种方案分别对光纤光栅传感器进行增敏。研究结果表明灌注方案谐振频率过低(300Hz),高频灵敏度过低(小于-205dB),且制作工艺要求比较复杂;弹性片端面增敏方案采用铍铜片进行增敏,在100～1000Hz频率范围内灵敏度为(-175±2)dB。对端面增敏传感器进行了封装,并应用于水声的检测实验。实验表明,该传感器在灵敏度及灵敏度频响指标上已经可以满足应用要求。     

弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵

提出一种细尺寸、大孔径、高增益的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵。根据匹配干涉方法选用反射率一致、中心波长相同以及3 dB带宽较宽的弱反射光纤光栅阵列;根据水声传感原理确定弱反射光纤光栅阵列的栅距以应用于5～10 Hz甚低频水声信号探测。采用光纤涂覆机对弱反射光纤光栅阵列二次涂覆,阵列中心波长整体一致漂移,栅距基本不变。采用扎纱机和护套机在二次涂覆弱反射光纤光栅阵列外铺设凯夫拉纤维和聚氨酯保护套形成水听器拖曳线列阵。测试拖曳线列阵水听器单元的声压-相位灵敏度在1 rad/μPa条件下分别为-136.97 dB@5 Hz、-139.64 dB@7.5 Hz、-139.36 dB@10 Hz;分析流噪声引起的水听器自噪声功率谱,拖速为8 m/s、频段为1～100 Hz的谱值在45～95 dB(1μPa~2/Hz)范围内。实验和分析结果表明,所提出的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵甚低频段灵敏度高、流噪声低,有望增强无人航行器的甚低频水声信号探测功能。     

适用于宽带光的闪耀光栅衍射强度分布规律研究

变栅距光栅线位移传感器是一种新型波长编码位移传感器,为进一步提高传感器波长解调的精度和减小光源的体积,提出适用于全工作波段的恒定闪耀角变栅距光栅结构。首先采用经典光学的方法推导出变栅距闪耀光栅衍射强度分布公式,从理论上证明该光栅结构可实现在全工作波段提高变栅距光栅线位移传感器衍射光强。此外,制作出变栅距闪耀光栅样件证实了工艺可行性。在相同的条件下,对一组参数相同的闪耀光栅和矩形槽形光栅进行了衍射光强比对实验,得到变栅距闪耀光栅的衍射光强约为矩形变栅距光栅的衍射光强的1.7倍,并与按此衍射光强分布公式计算的结果一致。     

用于精密位移测量的微型光栅传感器开发

基于双光栅干涉扫描原理,通过复用透射光栅实现干涉扫描型光栅位移传感器的小型化开发。开发了适用于精密位移测量的光栅传感器原理样机。传感器的电路系统包括信号转换放大电路模块和置于传感器D-SUB接口外壳内的信号处理电路模块。通过15 pin接口输出四路电平为2.5±0.5 V的模拟差分信号,差分信号接口可用于高倍细分而达到高分辨率,具备RS422接口适配能力,可以提高传感器远距离传输的抗干扰能力。以电容传感器为基准,光栅位移传感器原理样机实现了±30 nm的重复性精度,满足10 mm/s的测量速度需求,10 s短时位移稳定性达到5 nm,6 h的长时间稳定性达到70 nm。     

纳米膜修饰长周期光纤光栅生物传感特性研究

针对长周期光纤光栅用作折射率传感器时对低浓度溶液不敏感的问题,提出了一种纳米膜修饰的光栅生物传感器,实现了抗原生物分子的低浓度测量。实验结果表明,经薄膜修饰后的光栅传感器,对低浓度的抗原溶液探测的灵敏度有了显著提高。当羊抗兔IgG浓度(质量浓度)为固定值0.01mg·mL~(-1)时,随着兔IgG浓度的增加,覆膜长周期光纤光栅峰值损耗响应明显。实验测得周期为445,460,500μm的生物传感器对应的浓度灵敏度分别为2101.5,1306.5,575.9dB·mg~(-1)·mL。待测抗原浓度仅与光栅峰值损耗有关,实验测得兔IgG最小浓度为0.0003125mg·mL~(-1)。该传感器灵敏度高、无需标记、稳定性强,且结构简单不易受电磁干扰,在生物传感领域拥有广阔的应用前景。     

激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

光斑质量直接影响激光位移传感器测量的精度。为了提高激光位移传感器传感探头光学系统的成像质量,设计了传感探头四片式微小型光学系统。本文在理想成像基础上,分析光束在光学系统中能量传递的变化规律,对比光电探测器的感光能力,利用光学设计软件(ZEMAX)实现了激光位移传感器传感探头微小型光学系统的设计。通过理论计算分析,严格控制传感探头孔径光阑的大小,对光学系统进行优化处理,成像最大弥散斑半径低于3. 3μm,空间分辨率120lp/mm以下的传递函数MTF(Modulation Transfer Function)值大于0. 5,光线扇形图的最大像差小于5μm,畸变量低于0. 1859%。该光学系统具有良好的成像效果,可以满足激光位移传感器探测系统对成像系统成像光斑质量的要求,以保证传感器的测量精确度优于5μm。     

一种设计环形汇聚光栅反射镜的新方法

提出了一种利用数学变换来快速设计环形汇聚光栅反射镜的方法.通过分析具体的物理场景,抽象出已有条形汇聚光栅的"线"汇聚特性与所要设计的"点"汇聚特性在数学上对应的变换关系,然后用该数学变换对条形汇聚光栅进行外形上的变换,外形变换后的条形光栅即为可以实现"点"汇聚的环形光栅.用有限元算法对设计的环形汇聚光栅进行仿真,仿真证明采用该方法设计的环形光栅可以很好地实现高反、高汇聚.采用这一方法,设计了直径为29.788μm的环形光栅反射镜,当垂直入射的径向偏振光从设计的环形光栅表面反射回来后将发生汇聚,汇聚焦点位于环形光栅表面10μm处.经计算,反射镜的数值孔径为0.8302,反射率为0.9163,在焦点所在的汇聚面上,汇聚光栅电场分布的半高宽为1.5548μm.     

飞秒激光用多层介质膜脉宽压缩光栅的设计

以薄膜光学的干涉理论和衍射光学的傅里叶模式理论为基础，给出了0.8μm飞秒激光器用多层介质膜脉宽压缩光栅的理论设计；设计采用H3L(HL)^9H0.5L2.4H的多层介质膜为基底，当刻蚀后表面浮雕结构的占宽比为0.35，线密度为1480线/mm，槽深为0.2μm，顶层HfO₂的剩余厚度为0.15μm时，对于Littrow角度(36.7°)和TE波模式入射的衍射光栅其-1级衍射效率达到95％以上. 关键词： 飞秒激光 脉宽压缩光栅 多层介质膜     

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

 光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。     

Temperature-insensitive strain measurement using differential double Bragg grating technique

A novel differential double Bragg grating sensor for temperature-insensitive strain measurement is presented. The sensor consists of two identical weak measuring and reference gratings separated by some distance. The reference grating is placed inside the silica capillary that made it almost strain insensitive. The basic idea in differential double Bragg grating sensor is to measure the energy of the oscillating term in the reflection spectrum of double Bragg grating structure. The normalized energy of the interference term depends on the pitch difference of the two gratings and does not change when pitch variations of both gratings are equal with temperature variation. Therefore, the normalized energy of the interference term can be used for the temperature-insensitive strain measurement.     

Design of fiber Bragg grating-based Fabry–Perot sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature

A new sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature is proposed. The sensor consists of Fabry–Perot cavity formed by two identical uniform fiber Bragg gratings. To make the cavity serves as humidity sensor, moisture sensitive polymer, which is polyimide, is coated on the FBG and on the cavity with different thickness. When the sensor is exposed to the relative humidity change, the polyimide will expand and stretch the fiber and induces strain on the FBG and on the cavity. The induced strain alters the grating period, cavity length and effective refractive index of fiber. The simulation results show that the humidity sensitivity and thermal sensitivity are 1.92 pm/%RH and 8.87 pm/°C, respectively, for polyimide coating thickness of 10 μm on the FBG and 15 μm on the cavity.     

复合金属光栅模式分离与高性能气体传感器应用

为实现近红外波段表面等离子体共振(SPR)模式的分裂和移动, 同时提高光栅基SPR传感器的品质因数, 提出了一种由双金属光栅构成的新型复合结构光栅, 并研究了其气体传感特性. 运用有限时域差分算法对该结构进行了数值模拟, 发现由复合金属光栅激发的SPR出现模式分裂的现象. 通过增大双金属光栅阵列间的相对位移改变原结构的对称性, 导致复合金属光栅分裂的SPR模式朝相反方向移动. 当相对位移量进一步增大到双光栅合并成新的单一光栅时, 随光栅结构对称性的恢复, 分裂的两共振模式最后又重新合并为一个模式. 如果待测物的折射率为1.01≤n_a≤1.05, 当相对位移量为0时, 基于复合光栅结构气体传感器的折射率灵敏度为1207.5 nm/RIU, 且品质因数达到1290.7; 当相对位移量为100 nm时, 与双共振模式对应的折射率灵敏度分别为1205.0 nm/RIU和1210.0 nm/RIU, 品质因数分别为1295.4和762.3. 因此, 复合光栅SPR传感器具有超高品质因数的性能, 使得它在生物化学传感领域中有巨大的应用潜力.     

Design and fabrication of planar blazed grating for LC rear-projection display system

Design and fabrication of planar blazed grating for single-panel LC rear-projection display system are presented. The structure of planar blazed grating is designed to disperse the incident visible light and achieve a high diffraction efficiency in a specified direction corresponding to a specified order. Two economical fabrication methods are studied. By ultrahigh-precision cutting technology, the continuous-relief planar gratings with the structure line width 0.96 and 1.5 μm are fabricated. In addition, other grating with the structure line width 2.5 μm is fabricated by using excimer laser dragging. Comparing the two fabrication results, the second one has smoother surface and smaller spacing error but the vertex angle is not enough sharp and the structure line width is limited.     

二元光栅抗反射特性的耦合波分析

基于严格耦合波分析理论和遗传算法,研究了亚波长矩形光栅(即二元光栅)的抗反射特性。针对光通信中的1.55μm波长设计了抗反射矩形光栅。探讨了光栅周期、占空比和光栅深度的变化对抗反射特性的影响。给出了光栅的抗反射特性所适用的入射角度及波长范围。当入射角度小于30°,在光纤传输系统中入射光波长为C波段和L波段时,反射效率小于0.4%,有效地减小了光纤传输系统的回波损耗。     

Optimization of top polymer gratings to improve GaN LEDs light transmission

We present a grating model of two-dimensional (2D) rigorous coupled wave analysis (RCWA) to study top diffraction gratings on light-emitting diodes(LEDs). We compare the integrated-transmission of the non-grating,rectangular-grating,and triangular-grating cases for the same grating period of 6μm,and show that the triangular grating has the best performance. For the triangular grating with 6-μmperiod, the LED achieves the highest light transmission at 6-μ gratingbottom width and 2.9-μm grating depth. Compared with the non-grating case, the optimized light transmission improvement is about 74.6%.The simulation agrees with the experimental data of the thin ploymer grating encapsulated flip-chip(FC) GaN-based LEDs for the light extraction improvement.     

Fiber-optic liquid-level sensor using a long-period grating

A liquid-level sensor based on the refractive-index sensitivity of long-period fiber-optic gratings is proposed and demonstrated. The form of the transmission spectrum of the long-period grating is dependent on the fraction of the length of the long-period grating that is surrounded by the liquid. The sensor shows a large linear range, with sensitivity of 4.8% change in transmission per millimeter, for a long-period grating with a length of 40 mm and a periodicity of 400mu;m .