基于L型轮辐结构膜片的窄频光纤F-P声波传感器研究

光纤声传感器被广泛应用在工业、医疗等领域。为了提高光纤F-P声传感器的性能,本文提出了一种L型轮辐结构的F-P传感膜片。膜片的厚度为15μm、梁宽度为0.5 mm、中心膜片的半径为1 mm。膜片由激光加工技术在304不锈钢上刻蚀而成。实验对1000 Hz下的传感器灵敏度进行研究,将传感器应用于光声池共振频率为1600 Hz的光声光谱气体检测系统中,并实现对50~100×10^(-6)的乙炔(C_(2)H_(2))气体浓度测量。实验结果表明,该传感器在1000 Hz下的声压灵敏度为25.4 nm/Pa,传感器可实现的最小可探测声压(MDP)为38.2μPa/Hz^(1/2)@1 kHz,声压信噪比为76.8 dB。实验所得到的光声光谱二次谐波信号的峰值与乙炔浓度呈现良好的线性关系,乙炔浓度的响应度为1.8 pm/10^(-6)。该传感器在光声光谱等单频声信号检测领域具有广泛的应用前景。

以创新能力培养为导向的光纤光学实验课程体系重构与实践

光纤光学是光电信息领域中标志性的高新技术,该领域技术和产业的后备力量培养具有重要的战略性意义。为完善光纤光学实验课程体系的建设,满足社会发展中对光电子领域人才的动态需求,提出了以创新实践能力培养为导向,多层次教学内容构建、教研资源整合、导学结合教学方法设计、评价反馈机制完善为措施,以期培养学生的专业综合素质,提升学生的创新实践能力和科学素养,提高实验课程授课质量。

计算光学成像实验教学设计——以基于空间光调制器的计算鬼成像实验为例

依托东北大学秦皇岛分校计算光学成像实验室,设计了“基于空间光调制器的计算鬼成像实验”教学案例。在实验内容方面采用了基础—应用—创新的层次化设计思路,在教学实践方面引入了现代化的实验手段和方法,在平台建设方面整合了软硬件开发资源。实验案例教学有助于学生了解计算光学成像的前沿发展动态,培养学生的实践创新能力和专业综合素质。

具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器

提出了一种基于铽镝铁(TbDyFe)的具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器。传感器由光纤布拉格光栅(FBG),拱形微纳光纤和TbDyFe组成,拱形微纳光纤通过紫外胶(UV glue)粘接在TbDyFe上。与非拱形微纳光纤相比,拱形光纤可将TbDyFe的伸长转化为光纤曲率半径的变化,引起干涉波长偏移,从而实现磁场灵敏度的提高。随着磁场强度升高,拱形微纳光纤的干涉波长蓝移,灵敏度为47.81 pm/mT,FBG对磁场不敏感,拱形微纳光纤传感器的磁场灵敏度比非拱形高11.66倍。升温过程中拱形微纳光纤的干涉波长发生蓝移,温度灵敏度为43.02 pm/℃,FBG的干涉波长发生红移,温度灵敏度为9.34 pm/℃。磁场传感器显示出良好的重复性和线性,级联的FBG对磁场不敏感,可以实现对磁场传感器的温度补偿。

干涉型光纤海洋参数传感器的分布式测量方法研究

光纤传感器因其灵敏度高、体积小等优点在海洋监测领域得到了广泛关注.目前高性能的海洋温盐深参数监测光纤传感器大都基于干涉原理,难以实现同一系统内多个传感器的复用,不能满足海洋环境参数高时空分辨力的监测需求.基于调频连续波原理,提出一种适用于干涉型海洋参数光纤传感器的大容量复用方法.利用不同干涉仪端面反射光与参考光形成Mach-Zehnder干涉光谱的特征频率确定不同传感器的位置,通过不同端面特征频率间的拍频还原了单个传感器的光谱.设计并搭建了干涉型海洋参数传感器的分布式传感系统,实现了系统中传感器的定位以及光谱信号还原,并通过理论计算证明分布式传感系统中至少可以实现500个传感器的复用.本论文的研究可以为高性能干涉型光纤传感器的海洋参数链式监测提供技术支持.

基于碳点的小型自校正比率荧光光纤铬(Ⅵ)传感器

荧光比率传感探针检测方法能够克服环境(如样品基质、猝灭剂等)和仪器等外部因素影响,得到更加可靠的检测结果。本文合成用于组成比率型荧光纳米探针的两种荧光碳点(CDs),在365 nm紫外光的激发下,这两种碳点分别在440 nm和570 nm处具有荧光发射峰,且对Cr(Ⅵ)具有相反的响应。通过水凝胶将比率荧光探针包覆在设计的光纤尖端上,能够实现Cr(Ⅵ)浓度的在线检测。利用飞秒激光微加工系统制作的齿形光纤结构,有利于荧光探针的激发和传感器荧光的收集。为进一步降低传感器成本、缩减传感器体积,采用低成本的LED灯珠作为激发光源。采用比率荧光探针包覆,克服LED灯珠光源稳定性差的缺点,使传感器可以实现自校正。实验表明,即使光源强度波动较大,该传感器连续7次测量的相对标准偏差(RSD)仅为3.1%。在0~200μM范围内,该传感器对Cr(Ⅵ)具有良好的线性关系,检出限(LOD)为0.9μM。该传感器能够应用于实际样品中Cr(Ⅵ)的检测,说明该传感器的具有实用性和可靠性。

基于无芯光纤与光栅级联的反射式大量程高分辨力海水温度传感器

针对海洋环境探测中海水温度的大量程高分辨力测量需求,本文提出并验证了一种基于无芯光纤(NCF)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的反射式传感器。传感器的制作过程包括将刻有FBG的单模光纤与带有涂覆层的NCF熔接,之后在NCF的端面上镀金膜形成反射镜,最后将光纤结构封装于毛细管中。其中,无涂覆层的NCF是多模波导,而有涂覆层的NCF可以看作反谐振反射波导,理论分析可知多模干涉和反谐振效应叠加得到输出光谱。由于聚合物涂覆层的热光系数较高,干涉波长的位置随着温度变化发生明显偏移。根据FBG中心波长和干涉波长所在位置,通过对应的拟合曲线可以计算出准确的温度值。实验结果表明,在-6℃~54℃温度范围内,最小可探测温度分辨力为0.0001℃。该反射式光纤传感器具有加工方便、结构紧凑、灵敏度高等优点,在大范围高分辨力海水温度测量中具有很大的应用潜力。

基于双光子聚合3D打印的光纤法珀微波导腔制备及传感特性研究

将光纤法布里-珀罗(法珀)微腔与微波导相结合,提出一种光纤法珀微波导腔高灵敏度折射率传感器。光纤法珀微腔可以将光场限制在微米量级的区域内,并对腔内的微波导结构起支撑保护作用;微波导在保证结构良好导光能力的同时,基于其强倏逝场特性,进一步提升整体结构的折射率灵敏度。此外,基于飞秒激光双光子聚合高精度3D打印技术,可实现波导直径仅为2μm的光纤法珀微波导腔,并保证良好的制备重复性。实验结果表明:随着光纤法珀微波导腔传感器腔内液体折射率的增加,传感器的干涉光谱发生蓝移,在1.3346~1.3764折射率范围内灵敏度可达525.81 nm/RIU,与仿真获得折射率灵敏度(555.14 nm/RIU)结果接近;该传感器还展现了优良的线性响应特性,线性拟合系数可达0.9948;相比于传统无微波导的光纤法珀微腔结构,干涉光谱峰值提升了8.2 dB,折射率灵敏度提升了近4倍。

光纤光微流激光血红蛋白传感器

提出一种光纤光微流激光(FOFL)生化传感器,基于罗丹明螺环衍生物的“开-闭”环机制测量血红蛋白(Hb)的浓度,将薄壁空心光纤(HOF)作为光学微腔,利用一种非荧光螺环酰肼,即罗丹明B酰肼(RBH)来实现荧光响应。Cu^(2+)可诱导RBH内部螺环打开,触发荧光“关-开”响应。由实验结果可知,具有类酶催化特性的血红蛋白能加速RBH的开环反应,在一定条件下增加荧光产物的浓度。以开环荧光产物作为增益介质,FOFL可放大由不同血红蛋白浓度引起的荧光产物浓度差异,以此建立起FOFL积分强度与血红蛋白浓度的关系,构建用于血红蛋白检测的FOFL传感器。在特定的实验条件下,该传感器的检测限约为0.56 pmol/L,动态范围达到4个数量级。

空心微瓶腔回音壁模式谐振的调谐方法及应变传感特性

提出了一种双柄空心微瓶腔结构,利用微纳光纤耦合激发出了回音壁模式(WGM)谐振,通过控制轴向拉伸应变,实现了回音壁模式的谐振波长和品质因子Q的调谐,通过非对称拉锥的方式改变微腔结构,增大了双柄微腔结构轴向拉伸对腔长和壁厚的改变量,从而使谐振波长的调谐范围达到了0.66 nm。所提结构在激光器、滤波器和传感检测等应用方面具有实际意义。实验中进一步探究了非对称双柄回音壁模式微腔的应变传感特性,结果表明,WGM谐振峰对轴向拉伸应变的灵敏度可达0.795 pm/με,分辨率小于25με,线性度达0.999。由于回音壁模式谐振腔具有极窄的谐振峰,该传感方法能够实现更高的传感分辨率,为高分辨率应变传感提供了新思路。

基于D型光纤光斑图的折射率传感特性研究

本文设计并制备了一种单模-D型-多模光纤结构,利用光纤传导模式间的干涉以及D型光纤的非对称结构,获得对外界变化响应极其灵敏的光斑图,并基于纹理特征算法解调出光斑的特征值,由特征值与折射率之间的一一对应关系实现折射率传感。对传感特性的研究中,从仿真与实验的角度讨论了不同抛磨长度、抛磨深度对传感特性的影响,仿真与实验结果均表明,抛磨长度2 mm和抛磨深度18μm参数的D型光纤结构折射率传感特性最佳,仿真与实验结果一致,证明了研究方法的正确性以及D型光纤光斑传感器进行折射率传感的可行性。实验中,能量值(EN)折射率测量灵敏度最高可达-1.86/RIU,拟合度达到0.964,相关性值(COR)折射率检测灵敏度最高可达-0.23/RIU,拟合度达到0.979。由于光斑检测的分辨力极高,因此,该方法为高分辨力折射率测量提供了很好的思路。

面向血管芯片微通道的红细胞形变学研究

由于红细胞具有双凹形结构和较好的超弹性响应,其能通过大尺度的拉伸和收缩变形穿梭于细长的毛细血管,为维持人体生命活动所需的氧气承担了重要输运工作.本文采用COMSOL有限元软件,依托流-固耦合模块进行了红细胞在不同粗细血管､血浆黏度,以及血液流速等关键影响因素的动态模拟.通过仿真计算可知红细胞能够轻松通过3μm孔径的毛细血管,相比6μm孔径的毛细血管承受了4.5倍的流体剪切力.同时5.5 mPa·s黏度的血浆诱使红细胞形成降落伞形状,并且中间凹陷结构消失逐渐沿着流速方向水平凸出.本文对T型和Y型微通道的流速进行了研究,两者的仿真结果都指出非对称流体环境使红细胞形成镰刀弯钩形状.另外,较高流速的支路通道在汇聚口较快诱发红细胞弯钩形状消失,逐渐演变为呈直杆形平躺流动.

基于双光子聚合三维打印微环谐振器的温度和盐度传感器研究

研制一种飞秒激光双光子聚合三维(3D)打印的片上微环谐振器,并通过实验验证其性能。通过双光子聚合3D打印卓越的制备工艺,助力波导间的精准耦合,实现微米级尺寸、纳米级精度的超小型化片上微纳聚合物波导微环谐振器结构。实验结果表明:当环境温度从5℃变化到35℃时,所设计的片上微环谐振器的灵敏度可达243 pm/℃,达到同类微环谐振器温度灵敏度的2~3倍,接近级联谐振环的温度灵敏度。此外,该传感器对海水盐度(质量分数)也具有良好的敏感特性,在海水溶液的盐度从20‰变为230‰的过程中,传感器的盐度灵敏度可达28.2 pm/‰。该双光子聚合3D打印片上微环谐振器具有灵敏度高、结构紧凑、制造成本低廉等优势,为实现狭窄空间内温度和盐度的传感应用提供有效的技术支持。

面向人体健康防护的光纤生化传感技术

光纤生化传感器因具有不受电磁干扰、绝缘性好、安全防爆、损耗低和耐腐蚀等优点,在人体健康防护领域表现出了良好的应用价值:及时且有效地监测污染物可为环境污染物的有效控制提供数据支撑,从源头上减少疾病的发生;准确且灵敏地检测疾病标志物可诊断人体疾病的情况,从而使得疾病的预防和早期治疗成为可能.对应用于人体健康防护中的光纤生化传感器进行全方位地概述:首先,介绍其使用的光纤传感原理;然后,总结并分析应用于气体和水质污染物监测的光纤生化传感技术;接着,总结并分析应用于人体呼出气体和生物体液检测的光纤生化传感技术;最后,讨论光纤生化传感器在人体健康防护领域实际应用的一些限制因素以及未来的发展方向.

基于双电场叠加效应的诱导电荷电渗调控方法

为了从多种细胞群体中提取纯净细胞群或者从复杂的样本中提取所需成分,提出了一种基于双电场叠加效应的诱导电荷电渗调控新方法,研究诱导电荷电渗漩涡的重塑机理及其颗粒操控性能.首先,建立多物理场耦合仿真模型并研究双电场叠加作用下诱导电荷电渗漩涡的非对称演变机理.其次,设计并加工颗粒操控器件,搭建颗粒操控实验系统.然后,研究不同电压下非对称诱导电荷电渗漩涡对单种颗粒的聚集和纵向偏移特性.最后,研究非对称诱导电荷电渗漩涡对不同颗粒的聚集和分离特性.结果表明:此方法能够以简单的控制方式实现微尺度颗粒的聚集、偏移和分离,其在环境检测、疾病诊断领域方面具有巨大的应用潜力.

在纤式回音壁模式微球谐振腔及其传感特性

提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔,并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先,分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况,以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球,将其嵌入空心光纤,形成在纤式谐振腔结构,从而在微球中激发回音壁模式,并与空心光纤端面的反射光相互作用,产生法诺共振。实验结果表明,激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外,通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性,灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单,在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。

一种微粒相互作用及其介电泳动力学仿真新方法

采用有限元法进行粒子电极化强度的计算,以此得到对应的介电泳力和次级介电泳力.粒子的极化强度依托软件COMSOL Multiphysics 5.3a的AC/DC模块计算得到,粒子追踪模块用于实现介电泳力、次级介电泳力、流体力,以及排斥力的粒子动力学仿真.AC/DC模块和粒子追踪模块的多物理场耦合新方法能够满足正、负介电泳效应的粒子运动分析和研究,且粒子轨迹与常用的粒子仿真算法的运算结果有较高的相似性.同时仿真结果还表明,为了更准确地预测实验观测结果,粒子承受金属电极形成的正、负介电泳效应需要考虑次级介电泳力.

阿尔茨海默病多病程自适应筛查模型的构建

人口老龄化导致更高的阿尔茨海默病患病率,造成沉重的家庭和社会负担。尽早发现是延缓和逆转病程的关键,但现有检测方法无法满足价格低廉、低侵入性、快速、可靠的筛查与检测需求。生理液体光谱技术已在医学检测方面显示出了潜力,但在阿尔茨海默痴呆症检测上所面临的挑战是血浆光谱中阿尔茨海默病相关特征信息难以提取以及多病程复杂分类的难题。本文从信息空间建立、特征挖掘以及筛查与检测体系构建的角度展开研究,建立模型特征波数驱动的阿尔茨海默病多病程自适应筛查与诊断体系。针对阿尔茨海默病早期、中期和晚期3个不同病程阶段,模型检测的灵敏度分别为90.0%、87.5%、100%;特异性分别为83.3%、93.7%、100%。实验结果表明,基于阿尔茨海默病多病程自适应筛查与诊断模型具有较好的检测灵敏度和特异性。

自适应人工蜂群优化极限学习机在拉曼光谱血液定量分析中的应用

提出了一种基于自适应差分进化人工蜂群优化极限学习机预测血液各组分浓度的方法。首先应用人工蜂群算法对输入权值和隐含层阈值迭代寻优;其次结合差分进化进一步提高模型精度且避免后期易陷入局部最优等问题;由于差分进化算法交叉率和变异率存在凭经验给定的不确定性,最后引入了自适应调整的思想提出自适应差分进化人工蜂群算法优化极限学习机算法的模型,将其应用于血液成分定量分析中。实验表明,自适应差分进化人工蜂群算法优化的极限学习机模型具有较高的预测精度,模型具有较强的稳健性。

流-固-电多物理场耦合模型的红细胞流变学研究

红细胞(red blood cell,RBC)受到流体应力发生机械形变的研究越发成熟,但在结合电场、声场、光场或热力场等多物理场的研究依旧不足.通过COMSOL有限元软件建立了流-固-电(流场、固体场和电场)的3场物理耦合模型,对球形和正常RBC 2种不同形状的RBC分别进行迁移模拟研究.与流-固耦合模型相比,发现电场形成的电渗流使细胞运动迁移时,球形细胞受到的von Mises应力高于正常细胞.电渗流效应形成180μm/s的流速导致RBC变为卷曲“C”形姿态,因形状差异,球形和正常RBC在遇到针尖障碍物时的旋转方向不同.针对本文提出的多物理场耦合模型,两种细胞运动轨迹的差异显示了电渗流对不同形状细胞实施空间分离的可行性.