研究生专业技术课程科教融合的创新实践探索--以微弱信号检测与处理课程为例

研究生教育是我国高等教育体系的重要组成部分,肩负着培养具备创新能力的科技领域人才的神圣使命。在新工科背景下,如何实现课堂教学与科学研究融合、达到学术素养和工程能力共同提升的培养目标,已成为高校教育教学改革面临的新课题。该文选取北京航空航天大学仪器科学与技术和光学工程两个一级学科开设的专业技术课微弱信号检测与处理,阐述在研究生专业技术课程教学中,通过融入本学科在国内具有影响力和技术优势的光纤陀螺、光纤电流互感器、空芯光纤微弱散射光检测三个典型科研实例,进行科教融合、提高教学质量的创新实践探索。

反谐振空芯光纤冷原子导引

利用852 nm导引光产生的偶极势阱将经激光冷却的87Rb冷原子团装载并导引进入反谐振空芯光纤中。提出了空芯光纤内原子系综的光学深度理论模型,利用该模型对光学深度透射谱进行拟合获得谐振光学深度。在此基础上利用飞行时间法估算空芯光纤内原子团的径向温度和原子数目等参数。系统性地实验研究了偶极势阱深度、原子团初始温度、原子团初始空间位置等条件对导引结果的影响,确定了空芯光纤导引冷原子团实验的参数优化方向,为基于空芯光纤的冷原子干涉仪技术奠定了基础。

光子晶体光纤陀螺技术及其首次空间试验

光子晶体光纤具有抗辐射、抗弯曲、抗磁场干扰和温度敏感性低等优势,是空间用光纤陀螺的理想选择。针对空间用光纤陀螺,提出了四层孔和双层孔陀螺用光子晶体光纤结构,突破了光子晶体光纤长距离拉制关键技术,批量制备了陀螺用长距离低损耗实芯光子晶体光纤与空芯光子晶体光纤,利用开发的光子晶体光纤周向散射、背向散射、温度、磁等性能测试设备,全面测试与验证了光子晶体光纤性能优势。实现了光子晶体光纤耦合器、敏感环等光学器件,研制的高精度光子晶体光纤陀螺样机于2017年4月随“天舟一号”货运飞船发射成功,实现了光子晶体光纤陀螺的首次空间应用,于2020年12月用于某卫星主控,这是国际首次此类型陀螺用于卫星主闭环控制,验证了其可行性和优势,为将来广泛应用奠定了基础。

基于光子带隙中模式截止特性的单模传输研究

空芯光子带隙光纤拥有优越的环境适应性,但光纤中的高阶模使其在多种场合下的应用受到制约。利用光子带隙内高阶模式在小于截止波长时被强烈抑制,而基模在该波段可以稳定存在的特性,提出了实现单模传输的方法,并通过实验验证了该方法的可行性。在此基础上仿真分析了包层参数对单模传输波段的影响,计算结果表明,单模传输波段的带宽随材料折射率的增加而增加,折射率由1.445提高到2时,带宽增加2.9倍;相对倒角由0.2提高到0.8时,单模传输波段的工作波长移动310nm以上。

PBF在1550nm传输波段受径向压力的影响研究

为了研究光子带隙光纤在1550nm波长下受径向压力的影响,采用有限元法做仿真计算进行了定量研究,并通过搭建实验系统对比分析了实测与仿真计算结果的差异。结果表明,限制损耗随径向压力变化的灵敏度为0.00067(d B/km)/(N/m),归一化分界面场强F参量随径向压力的变化率为0.68×10-6/(N/m),折射率随径向压力的变化率为1.0×10-8/(N/m)。该研究为光子带隙光纤在光纤传感领域的应用提供了一种实验分析途径。

实芯保偏光子晶体光纤散射测量与分析

实芯保偏光子晶体光纤在双折射、温度、抗辐照等方面具有独特的优势,非常适合于光纤陀螺应用,然而其损耗较大,影响着光子晶体光纤陀螺性能的提高,空气孔内壁表面粗糙度引起的散射是导致损耗的原因之一。针对实芯保偏光子晶体光纤散射损耗,建立了光纤散射模型,仿真计算散射损耗为0.179dB/km;搭建了全自动测试装置,测量灵敏度可达1pW,散射角测量范围可达15°～165°,光纤旋转角度分辨率可达1°,实现了三维散射球的测量,得到散射损耗为0.23dB/km,验证了理论仿真结果的可靠性。

光子晶体光纤陀螺技术

介绍了北京航空航天大学在光子晶体光纤陀螺技术方面的研究进展。在光纤研制方面,设计并拉制了适用于1550 nm高精度光纤陀螺的Φ110μm细径实芯保偏光子晶体光纤和适用于850 nm小型化光纤陀螺的Φ100μm超细径实芯保偏光子晶体光纤,突破了km级空芯光子晶体光纤的批量制备技术。在陀螺应用方面,干涉式实芯光子晶体光纤陀螺精度突破0.001(°)/h,实现了国际上光子晶体光纤陀螺的首次空间试验验证;干涉式空芯光子晶体光纤陀螺实现了优于0.4(°)/h的样机精度;同时还探索了空芯光子晶体光纤在谐振式光纤陀螺上的应用。

独立反谐振纤芯低损耗光子带隙光纤

光子带隙光纤具有弯曲损耗小、对环境变化不敏感等优点,是极端应用条件下高稳定光纤陀螺的理想光纤。但光子带隙光纤的传输损耗大,缺乏适用于光纤陀螺的低损耗、小模场光子带隙光纤。提出了独立反谐振纤芯光纤构型,将纤芯与包层进行空间隔离,利用纤芯壁反谐振效应抑制基模与表面模的耦合,利用反谐振与光子带隙双重效应将光限制在纤芯中传输,从而实现了光子带隙光纤小模场、低损耗的特性。理论分析结果表明,所提出的光纤构型可将模场直径为~8μm的光子带隙光纤的损耗降低至<3.5 dB/km。采用两步法制备的光纤基本复现了设计结构,但占空比与设计值存在偏差,导致带隙偏移,实验测得所制备光纤的最小损耗为~25 dB/km@1200 nm。