光子扫描隧道显微镜和扫描隧道显微镜联用系统的研制

报导我们研制的一套光子扫描隧道显微镜（ＰＳＴＭ）和扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）联用系统的初步实验结果。联用系统采用的基本结构为早先研制的一台ＰＳＴＭ，另外增加了一个ＳＴＭ通道，通过真空蒸镀金膜制作了既导电又导光的光纤探针，联用系统用ＳＴＭ通道隧道电流反馈控制探针高度。初步实验结果表明，ＰＳＴＭ和ＳＴＭ通道既能分别单独成像，亦能用导电导光探针实现ＰＳＴＭ和ＳＴＭ同时成像。     

热拉伸和化学腐蚀相结合制备弯曲光纤探针

提出了原子力/光子扫描隧道显微镜(AF/PSTM)系统的关键部分——双功能弯曲光纤探针的制作方法.采用热拉伸与动态、静态两步化学腐蚀相结合的方法制作出AF/PSTM弯曲光纤探针，弯曲角度约为150°，尖端曲率半径优于100nm，锥角范围为60°—90°.将这种双功能弯曲光纤探针应用在新研制的AF/PSTM系统上，同时获得了样品的光学与形貌图像，实现了图像分解. 关键词： 原子力/光子扫描隧道显微镜 光纤探针 热拉伸 化学腐蚀     

物理(Ⅰ)学科“八五”重点项目成果简介

“八五”期间,物理（Ⅰ）学科共执行重点项目１４项,已全部完成,通过专家评议验收结题,现把主要成果介绍如下：１扫描隧道显微镜表面结构研究该项目研制成功以扫描隧道显微镜为中心,配有低能电子衍射、俄歇电子能谱的超高真空表面分析系统,并利用此系统在金属／半导...     

近场拉曼光谱实验装置及CVD金刚石膜的近场拉曼光谱

我们把拉曼光谱仪与实验室自制的近场扫描光学显微镜结合起来 ,建立了近场拉曼光谱系统 ,从而实现了高空间分辨拉曼光谱的测量。利用该装置 ,我们研究了热丝化学气相沉积法生长的金刚石膜 ,在约 2 0微米的范围内 ,观察到金刚石拉曼峰与非金刚石碳拉曼峰强度比随样品不同位置的变化     

计算机控制的扫描隧道显微镜

本文介绍了我们研制的计算机控制的扫描隧道显微镜．该仪器由扫描隧道显微镜主体、电子控制机箱和计算机控制系统组成．文中着重介绍了仪器主体和电子反馈线路的设计思想及作为三维扫描控制器件的压电陶瓷管的使用方式，讨论了一些关键技术问题．     

菠菜品质安全参数的拉曼点扫描快速检测方法

针对蔬菜品质安全无损伤检测的实际市场需求,结合叶菜表面农药残留等品质安全参数的不均一性,以实验室自行搭建的拉曼光谱硬件系统为基础,开发了叶菜气吸平整装置,编写了基于LabVIEW开发平台的GUI应用程序。该系统通过设定扫描步长等参数,实现了整个菠菜样品的拉曼光谱自动点扫描检测,包括对所有扫描点的拉曼信号进行自动采集、显示和存储。检测过程中,系统软件实时监控相机、二维平移台的运行状态。同时,针对菠菜原始光谱特性编写了基于有效峰线性拟合基线校准方法的拉曼光谱荧光剔除程序,实现了对样品所有扫描点数据的自动基线校准及叠加平均处理。菠菜样品的点扫描实验结果显示,一次扫描不仅可以获得菠菜样品每一扫描点的叶绿素含量及毒死蜱农药残留等品质安全参数的分布情况,而且还可以获得整个样品各参数的平均信息。该点扫描拉曼系统有效提高了不均匀样品的品质安全参数的检测精度。     

探针尖带金属微粒的光子扫描隧道显微镜成像数值模拟

引入了色散介质的时域有限差分法散射场方程,并针对光子扫描隧道显微镜的带金属尖光纤扫描成像问题进行三维的数值模拟。在考虑了光纤和样品相互作用的情况下,采用等效入射波法设置入射波,探针扫描模式为等高扫描模式,从成像分辨力和灵敏度的角度,比较了不同入射角、不同的光纤一样品间距,不同金属类型,及不同金属尖大小的成像情况。数值模拟结果显示,带金属颗粒光纤探针尖的光子扫描隧道显微镜在成像分辨力和灵敏度上有显著的改进,而带不同类型金属颗粒情况下对分辨力影响不大,灵敏度是银最好。     

原子力与光子扫描隧道组合显微镜

介绍了超高分辨光于扫描隧遭显微镜（PSTM）的计冗历程,为解决第一代（单光束照明）光千扫捕隧逼显傲镜中存在人为假象和样品光学图像与形貌图像难于分离两个难题,用“对称双光束照明方法消假象,用原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF／PSTM）图像分解方法分离样品光学透过率、折射率与形貌图像。研制成功新一代原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF／PSTM）样机。该样机在一次扫描中已获得两幅原子力显微镜图像（形貌与相位）和两幅光学图像（透过率和折射率）,有效地减少了假象,分解了样品光学折射率、透过率与形貌图像。     

基于光纤环形激光器和光放大的100 km光纤布拉格光栅传感系统

在基于掺铒光纤-拉曼混合放大的可调光纤环形激光器的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统结构基础上,提出了延长传感距离的新方法。该方法以环形掺铒光纤激光器作为光源,采用双波长拉曼放大的方法对信号进行低噪声的双向放大,系统中间的两段掺铒光纤再利用剩余的抽运功率产生自发辐射光和放大传感信号,使得整个系统能够在超长的传感距离上获得很高的信噪比。实验表明使用一只40 mW的掺铒光纤放大(EDFA)抽运源、一只170 mW的拉曼抽运源和一只2 W的拉曼抽运源,可以使整个系统的传感距离达到100km,并且传感系统的光纤布拉格光栅反射信号均能获得超过57 dB的优良信噪比,从而实现在超长距离上的光纤布拉格光栅传感。     

基于拉曼组合放大的长距离光纤传输系统

本文改进了一种实现长距离自适应补偿光纤传输的方法.在利用光纤光栅形成的谐振腔产生激光对信号光进行拉曼放大的基础上,再利用双抽运光对信号光进行拉曼放大,从而获得更高的拉曼增益以实现更长距离的自适应补偿光纤传输.使实验自适应补偿传输距离达125km(为目前国际上已报道的最长自适应补偿光纤传输距离).实验测量并理论分析了该长距离光纤传输系统的开关增益、放大的自发辐射噪声、噪声指数和光功率分布的特性,实验结果与理论模型符合很好.     

分布型光纤拉曼光子温度传感器系统的测温精度

在分布型光纤拉曼光子温度传感器（ＤＯＦＲＰＴＳ）系统中,自发拉曼光子是温度信息的载体,在２ｋｍ光纤上实时采样１０００个点,用于空间温度场分布的测量。系统采用拉曼光时域反射技术,对所测点进行定位。对分布光纤拉曼光子温度传感器系统的测温精度进行了讨论,由系统的信噪比来确定测温精度,提出了改善测温精度的方法,实际系统的测温精度达±１℃。     

LIBS-Raman光谱联合水下探测系统及初步试验

水下激光诱导击穿光谱技术(LIBS)和水下激光拉曼光谱技术(Raman)已在深海成功获得应用,这两种技术探测对象互补、器件类似,两者联合探测可更好的进行深海研究。针对此需求研发了一套LIBS-Raman光谱联合水下原位探测原理样机,整个系统集成于L790 mm×Φ270 mm的舱体内,在舱体前端有光学窗口和水密插头,舱体内部主要包括脉冲激光器、光谱仪、嵌入式计算机和供电转换装置,甲板控制终端通过水密电缆实现对系统的供电、控制和数据采集。该联合系统采用一台双波长脉冲激光器同时作为LIBS和拉曼光谱的激发光源,LIBS采用1 064 nm波长,拉曼光谱采用532 nm波长。双波长激光器发出的光束经分光镜分为两路,经过后向散射光路收集的两路信号分别进入两个小型光纤光谱仪进行分光探测,LIBS采用AvaSpec-ULS2048光谱仪,拉曼光谱采用QE 65000光谱仪。利用搭建的原理样机在青岛近海进行水下原位探测,在实验室开展了水中固体靶的探测,实验结果证明了LIBS-Raman联合光谱探测装置的可行性。下一步将优化系统并开展深海探测应用。     

基于空芯光纤增强拉曼光谱气体探测方法研究

拉曼光谱技术具有多组分同时探测、分析周期短和非接触等特点,被应用于多个领域,但是由于较低的探测灵敏度,限制了拉曼光谱技术的发展。针对提高拉曼光谱技术对气体探测灵敏度问题,本文设计并搭建了一套基于空芯光纤气体拉曼光谱增强系统,开展了空芯光纤拉曼光谱系统和后向散射拉曼光谱实验系统对比实验研究。实验结果表明,空芯光纤对信号、背景和噪声都具有放大效果,以空气中氮气和氧气为探测物质,与后向拉曼光谱信号相比,在相同探测时间情况下,信号强度增强60倍以上,信噪比增强约6倍;在相同探测强度情况下,探测时间仅为后向散射的1/60,噪声为后向散射拉曼系统的1/2。     

一种用于拉曼光谱研究的毛细管/双光纤传感器

:本文提出了一种用于拉曼光谱研究的新型毛细管/双光纤传感器,对传感器构型和特性进行了研究,并将其用于四氯化碳样品的研究。结果表明,毛细管传感器的信噪比和灵敏度较普通方法有较大提高     

光纤喇曼放大泵浦光与信号光的关联研究

分析了信号光入射后可能发生的效应基于电磁场理论,综合光纤受激喇曼散射(SRS)效应、建立了光纤喇曼放大泵浦光与斯托克斯光、信号光的关联方程,给出了系统增益形成正反馈条件的表达式,结果表明:在光纤参量满足增益正反馈的条件下,当SRS增益对应于非饱和增益工作状态时入射信号光得到放大,SRS增益愈高则放大倍数愈高,并有区段上SRS增益相对低时其关联程度相对高.     

基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统

报道了一种基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统(Brillouin optical time domain analyzer,BOTDA).利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大以补偿光纤损耗及布里渊抽运波的消耗,从而使光纤后端的测量分辨率得到改善,测量分辨率在整段传感光纤趋于一致,同时避免了调制不稳定性引起的频谱扩展,克服了传统BOTDA存在的信号强度指数下降的弊端,使传感精度得到进一步提高.实验实现了50 km传感距离, 温度分辨率达0.6 ℃,空间分辨率为50 m.实验测量并分析了基于双向拉曼放大的BOTDA信噪比和光功率分布特性. 关键词： 分布式光纤传感 受激拉曼放大 布里渊增益 布里渊光时域分析     

在单模光纤中放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应

在单模光纤中,输入的激光功率大于阈值时．出现放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射现象。实验发现：放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射具有温度效应．与反斯托克斯拉曼背向自发散射一样,放大的拉曼散射光的光子通量受到光纤温度的调制。反斯托克斯拉曼背向白发散射的放大效应抑制了单模光纤中的相干噪声,改善了系统的信噪比。实验还发现．放大的反斯托克斯扎曼背向自发散射空域曲线上放大的端点位置随激发功率的增高前移并具有一定的规律性。放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应作为一种新的测温原理,已应用于远程30km分布光纤温度传感器系统。     

Temporal filtering using time lenses for optical transmission systems

An optical signal processing scheme using time lenses in a 4-f configuration for optical communication systems is proposed. The first time-lens combined with a dispersive element such as an optical fiber produces the Fourier transform of the input signal and the second time lens combined with an optical fiber placed after the temporal filter produces the inverse Fourier transformation. Typically, in an optical signal processing scheme based on space/time-lens, the signal at the output is space/time-reversed because of the direct Fourier transformation after the spatial/temporal filter, which is undesirable for a practical optical communication system. Here, we propose a technique to implement both direct and inverse Fourier transformation using time lenses which has no spatial analogue. As a result, the bit sequence at the output is not time-reversed. Two applications of the proposed scheme, a demultiplexer for wavelength division multiplexing (WDM) systems and a higher-order dispersion compensator, have been discussed and numerically implemented.     

Analytical investigations on crosstalk in fiber Raman amplification for WDM systems

In this paper, the analytical investigations for the crosstalk in fiber amplification for WDM channels have been reported. The crosstalk between WDM channels with external Raman amplification including second-order dispersion terms has been investigated. It has been shown that the higher-order dispersion severely degrades the performance of optical communication systems. To ensure small crosstalk, the signal gain and the injected pump power should be limited to the value well below the threshold of Raman amplification. Analytical formula for signal interference ratio (SIR) and gain in fiber Raman amplifier including the impact of second-order dispersion terms for WDM systems has been derived at different wavelengths. It has also been shown that there is increase in crosstalk due to second-order dispersion.     

Input Power Conditions for Distributed Fiber Optic Temperature Sensors in Raman Optical Time-Domain Reflectometry

The critical power of the input pulse in which spontaneous Raman scattering is not seriously disturbed by stimulated Raman scattering in a fiber optic temperature sensor has been investigated experimentally and theoretically. The critical power determines the critical distance, which is nearly equal to the distance where optical time-domain reflectometry (OTDR) signal of the stimulated Raman scattering becomes maximum. From this fact, a new method to determine the critical input power with the OTDR system has been proposed, which may be applicable to most distributed fiber optic temperature sensors. It has been determined that the critical power of the input pulse is 4 watts for an infinitely long silica fiber.Presented at the International Commission of Optics Topical Meeting, Kyoto, 1994.