全声波方程波场深度延拓倏逝波压制研究

与经典的单程波深度偏移方法相比,全声波方程波场深度偏移方法在成像质量和计算效率方面会面临新的难题,还有诸多理论问题值得深入研究,其中倏逝波的压制问题是全声波方程波场深度延拓及深度偏移方法面对的一项特殊挑战.为了解决该问题,本文提出了两种新的倏逝波压制策略.策略I是以经典频率-波数域方法为基础,提出广义低通滤波器方法;策略II是以能量守恒原理为基础,来解决波场延拓中倏逝波的振幅爆炸问题.对梯度速度模型的脉冲响应计算表明,本文提出的两种倏逝波压制策略在横向速度变化剧烈情况下的数值结果都是稳定的,并且能够实现与有限差分方法相同的波场延拓计算精度.在对盐丘模型成像时,在相同计算参数下,本文所提新策略解决了在使用传统低通滤波器压制倏逝波时无法对高角度构造进行准确成像的缺点.相较于压制倏逝波的谱投影方法,本文所提新策略不仅在成像质量上达到了与之相同的水平,而且具有更高的计算效率.通过一系列数值模拟实验表明:与传统倏逝波压制策略相比,本文所提新策略在实现全声波方程波场深度延拓及成像时,更好地平衡了计算效率和计算精度,具有更好的实用价值.

基于倏逝波照明的空间移频超分辨成像技术研究

空间移频超分辨成像技术利用样品表面的微纳结构对照明倏逝波的散射,使其转换为传播波,并将倏逝波携带的高频空间信息转换成低频信息,可被远场的显微物镜所接收,实现超分辨成像.其极限分辨率由照明的倏逝波波长决定,但分辨率仅在倏逝波波矢方向上有提升.在现有的棱镜全反射倏逝波生成方案中,倏逝波的最短波长受棱镜折射率的限制,因此其最高分辨率也受限制;且生成的倏逝波波矢为单一方向,因此分辨率存在方向差异性.为解决上述问题,建立了完整的空间移频超分辨成像仿真模型,并提出了一种新型倏逝波生成方案,可利用微纳结构产生波长更短、具有全方向波矢的倏逝波.结果显示,新方案可产生波长更短的倏逝波,并消除成像分辨率的方向差异性,从而避免现有方案中的多方位成像和图像后处理.空间移频超分辨成像技术具有大视场、高分辨、结构简单、操作方便、无需逐点扫描、可与普通光学显微镜兼容等优点,改进后将具有更广阔的应用空间.

基于倏逝波的光纤生物传感器研究

构建了一种以光纤束作为激发光信号和荧光信号传输通道的光纤生物传感器结构.根据光纤探针的倏逝波理论和模式匹配理论对光纤探针的几何形状进行了设计,制作了数组光纤探针并根据需要对其中一部分进行荧光标记.选择了光纤探针置于空气中和水溶液中两种情况,对光纤传感器系统进行了信号检测实验,对比标记了的和未标记的相同几何结构参数的光纤探针两者在系统中被探测的信号差异.从二者的差别区分出系统所探测的倏逝波激发的荧光信号,证明了该光纤传感器系统的可行性.

倏逝波全光纤免疫传感器的开发及性能研究

利用倏逝波与荧光免疫分析原理,研制了一种倏逝波全光纤免疫传感器。该系统利用单多模光纤耦合器,使得激发光的传输、荧光的收集与传输均通过光纤来实现,减少了系统的光学分离元件,结构简单、紧凑、可实现仪器小型化;同时该系统光传递效率高、损耗低、信噪比高;单多模光纤耦合器和探头之间采用可拆卸的连接结构,可以实现多种样品的顺序检测。研究表明:光纤探头的最佳锥角度为0.37;系统对Cy5.5荧光染料的检测灵敏度可达到10-9mol/L;系统检测Cy5.5标记的羊抗大鼠IgG的最低浓度为10μg/L,检测时间为10min。

线性锥形光纤倏逝波传感器的灵敏度分析

倏逝波的透射深度、均匀感应区域的感应芯径和感应长度是线性锥形光纤倏逝波传感器灵敏度的主要影响因素。为了实现灵敏度的最优化设计,分别建立了倏逝波透射深度与锥形参数之间关系及有效吸收路径与感应芯径和感应长度之间关系的数学模型,讨论了不同锥形参数(发射角、锥度比、锥长)下倏逝波的透射深度,不同感应芯径和感应长度下倏逝波的有效吸收路径,并进行了仿真。仿真结果表明,选择锥形光纤几何体和合适的发射角,可使透射深度增大近3倍,当锥度比为0.4时,倏逝波透射深度最大;减小感应芯径,增大感应长度可提高倏逝波的有效吸收路径,增强纤芯表面的倏逝波与周围吸收介质的作用强度。研究结果可用来指导制作高灵敏度线性锥形光纤倏逝波传感器。

探地雷达FDTD数值模拟中不分裂卷积完全匹配层对倏逝波的吸收效果研究

介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏逝波产生的机理,分析了决定逝波性吸收性能的影响因素.均匀介质的波场快照、检测点的反射误差及全局反射误差对比,说明了3种边界条件对传输波都具有较好的吸收能力,而对低频倏逝波的吸收表现迥异,其中CPML因为引入了参数α,对倏逝波的吸收效果最佳,但离散化造成的全域误差也最大.最后,应用加载UPML和CPML边界条件的FDTD程序,开展了GPR二维剖面法、宽角法矩状地电模型及三维复杂模型的正演,展示了倏逝波反射对雷达正演剖面及波场快照的影响.进一步对比了UPML与CPML对倏逝波的吸收表现优劣,结果显示,CPML可有效减少边界反射误差,并能取得满意的精度,综合考虑对倏逝波的吸收、全域误差、编程难易程度等因素,在GPR正演中推荐使用CPML.

倏逝波荧光免疫传感器在环境检测中的研究进展

倏逝波荧光免疫传感器是利用光波在波导内,以全反射方式传输时在波导界面产生倏逝波,结合荧光免疫分析原理进行检测的一类新型传感器.该类传感器具有特异性强、灵敏度高、检测速度快、费用低、操作简便等优点,在环境检测、医学临床、食品卫生等领域具有广泛的应用前景.在介绍倏逝波荧光免疫传感器原理、结构及其特点的基础上,综述了该类传感器在环境检测领域的研究进展.

光纤Bragg光栅倏逝波传感器

提出光纤Bragg光栅(FBG)倏逝波传感器测量化学溶液折射率的方案,研究Bragg反射波长的漂移量与光栅包层直径之间的关系,理论分析得出:光栅包层直径越小,Bragg波长的漂移量受外界折射率变化的影响越大。用氢氟酸溶液腐蚀光栅包层的方法,制作不同包层直径的光纤Bragg光栅倏逝波传感器。实验表明:在相同的外部折射率变化范围内,光栅直径越小,传感器的折射率灵敏度越高,实验结果与理论分析一致。

本征型光纤倏逝波化学传感器的研究

为了克服传统光纤化学传感器的不足,提出了基于倏逝波原理的本征型光纤化学传感器。根据光线理论数值分析了传感器几何结构参数,溶液折射率与灵敏度的关系。通过化学腐蚀方法制备出不同参数结构的传感器,进行实验系统设计,并用不同浓度亚甲基蓝溶液对这些传感器进行了实验研究。实验结果与数值计算结果一致,传感区纤芯越细,越长,其灵敏度越高。

利用光纤倏逝波生物传感器检测食品中大肠杆菌O157:H7

目的建立一种应用光纤倏逝波生物传感器快速检测食品中大肠杆菌O157:H7的方法。方法对光纤用大肠杆菌O157:H7抗体包被制备检测探针,用纳米量子点对抗体进行偶联制备检测抗体,并确定其检测的灵敏度和特异性,同时通过对人工污染样品的检测确认该方法检测实际样本的可行性。结果建立的光纤倏逝波生物传感器检测大肠杆菌O157:H7的灵敏度达到50 CFU/mL,并具有较强的特异性。结论利用光纤倏逝波生物传感器检测食品中污染的大肠杆菌O157:H7方法快速、准确,具有较强应用价值。

微小孔近场衍射中的传播波和倏逝波

用角谱法分析了微小孔近场衍射中的传播波和倏逝波 ,并对平面波圆孔衍射进行了数值计算 ,得到了一些新的结论 .

传播波与倏逝波对全息重建影响的研究

通过分析近场声全息中传播波和倏逝波的声场分布与声源大小、辐射频率及测量距离的关系,得出了传播波和倏逝波在空间声场中的变化规律、影响因素以及两者之间的对应关系,确定了可利用的倏逝波传播距离。在此基础上,提出了一种改进的远场声全息方法:首先利用传统远场声全息方法重建声源,然后通过传播波与倏逝波的关系,得出声源面上相应的倏逝波成分,两者叠加获取接近于近场声全息的重建结果。最后,通过仿真和实验验证了这一结果。

基于倏逝波衰减特性的空间频域滤波器研究

平面近场声全息方法在全息面大小有限时存在由于测量距离增大而造成全息面空间频域能量泄漏而引起的不适定性问题。本文利用不同空间频率的平面倏逝波的衰减只与倏逝波波长相关的特性 ,提出了一种基于倏逝波随测量距离变化可利用准则的新型空间滤波器 ,在不引起不适定性问题的同时最大限度的利用了有用的倏逝波信息。通过模拟比较利用不同范围的倏逝波信息的声场重建结果 。

基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器

提出了一种基于倏逝波原理的光纤马赫-曾德尔湿度传感器,传感器是在2个单模光纤粗锥的传感臂中心通过绝热火焰熔融拉锥处理而成。光由传感器输入端传入,经过第1个粗锥时,将激发出若干高阶模,各模式光传输经过细锥区进入第2个粗锥时被耦合进入传感器输出端。当外界湿度变化时,细锥区倏逝场随之变化,最终导致透射谱能量变化。通过测量透射谱能量变化,可以实现环境湿度传感测量。实验结果表明,在35%~85%RH的湿度变化范围内,透射谱的能量具有相同变化趋势,处于水蒸气吸收峰附近的干涉谷湿度响应灵敏度可达0.157dBm/%RH,温度交叉灵敏度仅为0.014%RH/℃。该传感器因其制作简单、灵敏度高,温度交叉敏感小等特点,具有很好的应用前景。

光纤倏逝波生物传感器光纤探头的耦合光束限定

根据光纤的模式匹配理论计算了给定条件下光纤探头的模式匹配半径,以此匹配半径为基础分析了激发光在锥型光纤探头中的光线传输轨迹.结果表明,在此条件下如不对光纤探头的耦合光束进行限定,将有一部分激发光在锥型光纤探头中因不满足全反射的传输条件而透射出光纤探头,从而使传感器系统得到虚假检测信息·针对此问题,在光纤倏逝波生物传感器的系统设计中给出了具体的解决方法·

光纤倏逝波生物传感器的结构研究

光纤倏逝波生物传感器的性能主要体现在探测能力和简便性两个方面,为了提高其探测极限和野外适应性,针对光纤探头的倏逝场激发能量和系统结构的整体性进行了较为系统的研究,分析了三种不同发展阶段的系统结构,设计和搭建了一种目前发展的基于光纤束的荧光光纤倏逝波生物传感器系统,以此系统为基础进行了实验检测并取得了较为满意的检测效果。最后给出了下一阶段的系统结构发展方向并分析了其优越性和可行性。

光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术

采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10^(-4)(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10^(-7)cm^(-1).W·Hz^(-1/2).

一种新型本征倏逝波型光纤传感器的研究

研究开发了一种新型本征型光纤倏逝波传感器。采用有机玻璃板和大半圆弧高抛光PVC管构成光纤支架,将60/125μm阶跃多模光纤隔一定距离剥除等长度涂覆层后缠绕于光纤支架上,其无涂覆层部分位于上下两PVC管之间,经化学腐蚀后获得裸芯总长度大于0.5 m的新型高灵敏本征型光纤倏逝波传感器。实验结果表明:该传感器对亚甲基蓝的探测浓度可达到10-8 mol/L量级,灵敏度达到2.66 L/μmol,其灵敏度高,结构简单,易制备,成本低,适用于溶液、气体里痕量物质的检测。

CdSe/ZnS量子点在倏逝波光纤pH传感中的应用

将新型量子点荧光传感技术与光纤倏逝波传感技术相结合,发展了一种基于量子点荧光效应并结合倏逝波传导进行溶液酸碱度检测的新型传感技术,具有灵敏度高、检测速度快、便于微环境检测、可实现远程探测、实时监测和原位分析等特点。详细介绍了用于倏逝波传感的锥柱组合型光纤荧光探头的制备方法,量子点在光纤探头表面的修饰流程,光谱与强度两种光纤pH传感平台的建立,并分别从响应范围、线性度、重复性和稳定性等方面对CdSe/ZnS量子点应用于光纤pH传感进行了评价。结果表明,在pH值为2~12的范围内,CdSe/ZnS量子点的荧光光谱信号的峰位在强酸和强碱的情况下都会产生红移,且红移量随pH值的变化呈线性关系,其量子点荧光强度信号随pH值的减小呈线性降低关系,通过在强酸和强碱下交替测试的实验表明其具有较好的重复性,利用荧光强度传感平台进行实时监测的实验表明其具有较好的稳定性。因此,将CdSe/ZnS量子点用于倏逝波光纤pH传感具有可行性,在生物化学、环境监测、医学临床、食品安全等领域的pH值测量方面有着广泛的应用前景。

声场中倏逝波特性及改进全息重建方法的研究

近场声全息是通过在紧靠被测声源物体的近场测量面上记录全息数据,不但可以记录传播波成分,还可以获得反映声场高空间特性的倏逝波成分。通过分析传播波和倏逝波在声场中的分布情况与声场空间位置、声源大小及频率的关系,得出了传播波和倏逝波在空间声场中的变化规律、影响因素以及二者之间的对应关系。通过对不同背景噪声下倏逝波的传播情况确定了可利用倏逝波传播距离。在此基础上,提出了一种改进的声全息方法,通过用这种方法,可得出声源面上传播波与倏逝波成分,获取等效于近场声全息的重建结果。最后,通过仿真验证了这一结果。