袖珍型数字式光纤耦合比色仪

为满足现代生产生活中对颜色快速测量的需求,设计了一种基于RGB三基色原理,采用光纤波导及融合技术、应用白平衡调节手段的数字式比色仪。仪器由白光LED光源、Y型混合石英光纤束光波导探头、微透镜发射耦合及透镜准直接收部件、以颜色传感器和MSP430单片机为核心的信号采集及处理部件等组成,采用C语言编程进行数据采集、存储、白平衡调整、颜色识别及显示。经与比色卡对比测试,其测量准确度和速度相对于当前广泛应用的比色卡均有很大提高。

基于对称光纤模式选择耦合器的多波长高阶横模光纤激光器

提出并实现了一种基于对称光纤模式选择耦合器和单模-少模-单模光纤滤波器的环形腔高阶横模光纤激光器,获得了多波长、高纯度的LP11模式激光输出。实验结果表明,该激光器可以稳定地工作在单波长、双波长、三波长和四波长状态,对应的LP11模式激光纯度分别为97.60%、97.54%、97.34%和97.19%。对称光纤模式选择耦合器制造工艺简单,性能稳定,为高阶横模光纤激光的获得提供了一种新的可选方案,在光通信、光传感等领域具有潜在的应用价值。

熔融度对熔锥型光纤耦合器特性的影响研究

熔锥型光纤耦合器是一种重要的光无源器件,在光纤通信、光学传感等领域有着广泛应用。通过实验的方法,深入研究熔融度对光纤耦合器耦合效率、光学性能和机械稳定性的影响。通过调整加热温度和熔融时间等参数,控制光纤材料的熔融程度。在光纤熔融拉锥过程中,采用不同的加热方式和熔融工艺,以获得不同熔融度的光纤耦合器,发现熔融度对耦合效率、光学性能和机械稳定性有重要影响。研究结果为进一步优化熔锥型光纤耦合器的设计和性能提供了重要指导,对促进光纤通信和光学传感技术的发展具有重要意义。

光纤耦合微通道反应系统原位监测海水氨氮和亚硝酸盐的研究

原位监测海水中氨氮(NH_(3)-N)和亚硝酸盐(NO_(2)^(-))对于水体富营养化评价十分重要。针对现有的氨氮、亚硝酸盐原位监测仪器难以在同一检测模块中分别实现荧光和分光光度分析,仪器高效集成及利用受到限制等问题,本文基于光纤耦合微通道反应系统,通过光波长切割、光纤波导和微通道反应Z型检测池等技术集成和条件优化,提出了在同一光纤偶联微反应系统中实现氨氮荧光分析和亚硝酸盐分光光度分析的原位测定技术。结果表明,该技术实现了荧光和可见光光度法的模式切换并可分别测定NH_(3)-N和定;不同的盐度对氨氮和亚硝酸盐测定影响较小;不同浊度下氨氮测定误差为-6.6%~2.5%,浊度补偿校正后NO_(2)^(-)测定误差小于0.1%。将该仪器应用于养殖海水中开展氨氮和亚硝酸盐的原位分析,仪器原位监测值与实验室方法测定值相符合。本文所提出的技术在同一模块中分别实现了氨氮和亚硝酸盐的荧光和分光光度两种模式的原位监测,为海水营养盐原位监测仪器的集成化设计提供了新的思路。

大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能

针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题,本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律,分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明,光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低,其中模场直径为28μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时,通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17μm时最大有效对准时间为7.05 ms,与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。

一种基于3×3光纤耦合器的激光波长测量方法

针对现有激光波长测量方法复杂、成本高、缺乏普遍适用性的问题,提出了一种基于3×3光纤耦合器的激光波长测量方法,理论推导了测量方法的基本原理,并搭建了激光波长实验测试验证系统。利用光纤延时线(FDL)改变干涉仪测量臂的传输时延,采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)采样得到该时延变化量对应的干涉信号条纹半周期数,根据半周期数与时延差之间的关系,计算出待测激光波长。实验测试结果表明:当用该测量方法测量出激光波长分别为1310.84、1550.78 nm时,使用光谱仪测得的激光波长分别为1310.56、1550.63 nm,两者结果几近一致。

水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析

水下连接器是水下观测网的关键零部件,采用油液密封方式实现低损耗连接,但该方式会导致光连接结构复杂、工程研制难度大。为解决此问题,对比陆基光纤网络的连接方式,提出接触式光纤连接器水下原位湿插拔的方案。基于水体吸收特性、朗伯-比尔定律以及液体的表面张力等理论进行原理分析,在光纤端面形成厚度在5μm以内的水膜且该厚度水膜对1310,1550 nm波段的吸收损耗可忽略不计;然后,以1550 nm波段为例,对光纤在空气、水、硅油的耦合损耗情况进行实验分析,并利用设计的光插针结构进行性能验证。实验数据显示,光纤水下原位湿插拔的平均损耗为0.17dB,光插针的原位湿插拔平均损耗为0.23 dB。由此表明,接触式光纤耦合设计能够满足水下湿插拔的低损耗连接要求。本文为水下光纤湿插拔连接器领域提供了新思路,提出在确保水体清洁的情况下可直接进行水下原位湿插拔的设计方案,有望打破国外以油液密封方式建立的技术垄断。

大芯径集束光纤强激光耦合装置设计

光纤传输是常用的激光传输方式,随着光纤制备工艺的提升,大芯径、大数值孔径的传能光纤被广泛应用于多模激光传输。高效的激光耦合是光纤稳定传输的前提,为实现宽波段、高功率密度的激光耦合,根据混合模类高斯光束传输变换特性和耦合装置初始参数,结合像差分析,设计了一套大芯径四合一集束光纤与单芯光纤之间的非球面镜耦合装置,并通过机械装置装调实验得到了最高60.6%的光纤耦合效率。搭配自研激光共振电离飞行时间质谱仪,实现了钕同位素三色三步光电离路径对应激光饱和功率密度的测量,验证了装置满足复色激光共振激发电离特定同位素的光谱实验需求。

用于毛细管回音壁谐振的光纤楔形端面耦合器

面向毛细管微反应器固相状态检测需求,提出了一种激发微管腔回音壁谐振的光纤楔形端面耦合器。建立了光纤楔形端面耦合模型,通过理论研究楔形端面与微管腔倏逝场耦合原理,仿真模拟楔形端面光场分布情况,并分析了光纤楔形端面与微管腔耦合谐振的光谱特征。研磨制备耦合器件,搭建实验系统进行实验验证。实验采集到洛伦兹凹谷型耦合谐振谱,与理论仿真分析相一致。谐振谱1563.074 nm波长附近的自由光谱范围约为1.734 nm,Q值约为6.15×103。所提出的光纤楔形端面耦合器具有较好的器件鲁棒性,耦合谐振结构简单,易于器件集成和小型化。

Φ-OTDR系统非对称光纤耦合器相位解调方法研究

针对3×3光纤耦合器三路输出信号非旋转对称易导致相位解调产生误差的问题,提出了基于3×3光纤耦合器两路输出信号的非对称光纤耦合器相位解调系统理论,通过软件仿真分析验证了系统对单频周期信号与三次谐波信号的相位解调能力,并在相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)上开展了光纤振动传感系统相位解调性能测试。实验结果表明,系统能够实现200~4000 Hz频率范围内的相位解调,振动定位绝对误差在±10 m以内,系统空间分辨率为21 m。本方法在减少系统硬件成本的基础上,为Φ-OTDR系统光纤耦合器分光比与相位差不恒定问题提供了新的解决思路与参考方案,可在交通安全监测等领域进行应用推广。

100W长纳秒脉冲光纤耦合输出532nm绿光激光器

设计了一种100 W长纳秒脉冲光纤耦合输出的532 nm绿光激光器,使用3个增益介质为Nd:YAG晶体的侧泵模块,结合主振荡功率放大技术、激光偏振复用放大技术和腔外激光倍频技术,实现了在重复频率10 kHz下输出532 nm激光109.5 W、脉冲宽度205 ns、倍频效率56.7%,两维光束质量分别为15.3和17.5。对200μm数值孔径0.22的光纤耦合输出进行了研究,最终实现101.6 W的532 nm绿光光纤耦合输出,耦合效率92.3%,1 h内功率波动约为0.83%(RMS)。这种高功率长纳秒脉冲的光纤耦合输出激光器可与水射流进行结合,对铜、碳化硅、陶瓷等特殊材料进行水导激光加工,其在光伏、芯片加工、电动汽车、3D打印等领域具有重大的应用价值。

空间光-光纤耦合技术进展与实验研究

总结了国内外空间光-光纤耦合技术在无线光通信中的研究进展,以提高空间光-光纤耦合效率为主线,介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括空间光光纤耦合自动对准技术、自由空间光模式转换技术、空间光光纤耦合自适应光学波前校正技术、马卡天线的收发一体化技术。介绍了大气湍流中透镜阵列和单透镜耦合至单模光纤的耦合性能、大气湍流中马卡天线作为接收天线时的空间光耦合性能方面的研究进展。最后展望了无线光通信中的空间光-光纤耦合技术的发展前景。

耦合光纤和GIS技术的地下通信光缆智能系统优化设计

针对传统光纤故障监测系统存在定位偏差大、效率低、不够直观等问题,提出了一种基于耦合光纤和GIS的监测方法,建立了地下通信光缆故障监测系统,并以某市建设东路N#配电房到中原东路N#配电房地下通信光缆为例,验证了智能监测方法的有效性。结果表明:系统能够对地下通信光缆故障进行精确定位,且精度误差小于1 m,能够实现地下通信光缆故障的智能化监测和维护管理。

用于荧光显微技术的多波长激光耦合系统

为了满足荧光显微镜技术对多波长单模耦合输出激光的需求,研究了400~680 nm内多波长激光耦合进单模光纤的技术,设计了三片式耦合透镜组很好地消除了不同波长耦合时的色差以提高耦合效率,同时考虑光纤耦合调试难度大的问题,设计了能快速简单完成耦合调节的耦合光纤部件结构以及耦合调试的方法,通过实验测试荧光成像常用的4种波段激光(405,488,561,638 nm),耦合效率均大于65%。实验结果达到了较高的光纤耦合水平,证明该多波长激光耦合器性能优异。同时,由于耦合器装调简单且成本低,本文的工作具有进一步商业化的价值,且为多波长单模耦合激光器国产化打下了坚实的基础。

用于太阳光泵浦光纤激光聚光系统的改进型复合抛物面聚光器的设计

为研制适用于太阳光泵浦光纤激光器的聚光系统,在分析了传统复合抛物面聚光器(CPC)用于耦合光纤的可行性及其缺陷的基础上,提出了一种改进型CPC用于光纤耦合。完成了由主级抛物面反射镜和次级改进型CPC组成的太阳光泵浦多级聚光方案,并与普通CPC和透镜组构成次级聚光器的方案以及无次级聚光器的方案进行了对比。光线追迹仿真模拟结果表明:改进型CPC能够克服普通CPC出射光线发散的缺陷,从而提高与光纤的耦合效率,当主镜接收角度在±0.55°范围内,其耦合效率维持在93.53%-96.43%,该结果优于其他方案。

反向保偏光纤耦合器偏振特性研究

为了提升高能偏振光纤激光器输出激光偏振态稳定性,通过阐述反向保偏光纤耦合器反向消光比基本原理,采用信号光源与(6+1)×1反向保偏光纤耦合器研制相结合,取得了反向保偏光纤耦合器信号保偏光纤直径、信号保偏光纤应力区物理变化等因素和反向保偏光纤耦合器反向消光比的关系。结果表明,信号保偏光纤直径越小,输出偏振激光的偏振态越稳定,反向消光比大于49 dB,同时促进反向保偏光纤耦合器抽运光纤臂耦合效率提升至98%以上;正向偏振激光输出光纤应力区物理结构变化越明显,经反向保偏光纤耦合器反向输出偏振激光的偏振态越不稳定。该研究可为制备高消光比、高能偏振光纤激光器提供参考。

基于压电陶瓷振镜的单模光纤闭环补偿系统设计

在激光通信过程中,由于卫星平台的振动、机械转台的噪声等会使入射光轴与接收光轴之间存在随机角抖动,影响通信系统的性能。研究了随机角抖动对空间光到单模光纤耦合效率的影响,提出基于CCD相机和快速倾斜镜的闭环补偿系统。在实验室内搭建实验平台,测试了不同抖动幅度对单模光纤耦合效率的影响,验证了补偿系统对提高耦合效率的可行性。实验结果表明,闭环补偿系统最大可提高耦合效率为24%;在同样的抖动频率下,抖动幅度增加时,其补偿效果更明显;补偿系统对于低频抖动的补偿效果比高频更加明显。这些研究内容为解决随机角抖动对单模光纤耦合效率的影响提供了数据参考与技术支持。

激光加工用5kW光纤耦合半导体激光器

针对国内大功率半导体激光光纤耦合存在的问题,设计了光纤耦合聚焦系统,研制了5kW光纤耦合半导体激光器。比较了常见圆光斑光纤耦合与半导体激光方光斑光纤耦合的区别;对国产阵列型半导体激光堆栈,采用光束质量均匀化、偏振合束、多波长合束多路耦合等方式增加能量,将激光耦合进芯径为800μm,数值孔径(NA)为0.2的传能光纤中,实现了光纤耦合半导体激光输出光功率5 109W,光纤耦合效率85.69%,系统整体电光转换效率49.48%;在聚焦镜焦距为250mm时其激光功率密度达到2×105 W/cm2,可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和焊接等领域。该激光器除了传能光纤外,其余部件均为为国产和自主研发,对我国国产高功率光纤耦合半导体激光器的开发具有重要的推动作用。

高效率半导体激光器光纤耦合模块

随着半导体激光光源在激光加工领域的应用不断扩展,以激光二极管阵列制成的光纤耦合模块由于存在耦合效率低的缺点,已不能满足激光加工低成本的需求,因此研制高耦合效率的半导体激光器光纤耦合模块变得十分重要。本文将8只波长为808 nm、输出功率为5 W的单管半导体激光器通过合束技术耦合进光纤,制备了一种高效率的半导体激光器光纤耦合模块。光纤芯径为200μm、数值孔径(NA)为0.22,光纤输出功率为33.2W,耦合效率超过83%,这种高效率半导体激光器光纤耦合模块,可用于激光打标、塑料加工等领域。

多线阵半导体激光器的单光纤耦合输出

设计并研制了一种多线阵半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用了分子束外延方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用6只准直的线阵半导体激光器,器件腔长为1.2mm,单个发光单元宽度为100μm,发光单元周期为500μm,单线阵器件包括19个发光单元,单线阵器件的连续输出功率为50W,每只单线阵器件的准直输出光束经过空间合束后再通过光束对称化变换实现了多线阵器件输出的高光束质量功率合成,采用平凸柱透镜实现了合束光束与400μm芯径、数值孔径0.22石英光纤的高效率耦合,整体耦合效率达到65%,最大耦合输出功率达到195W,光纤端面功率密度达到1.55×105W/cm2.