基于虚像相位阵列的光谱检测中角色散均匀性的研究

随着光谱学的不断发展,光谱检测作为一种快速无损的检测手段逐渐被应用于越来越多的领域中。而随着对信息精度要求的不断提高,如何得到高分辨率和低波长误差的光谱信息,是设计光谱检测系统时必须解决的问题。传统的色散元件如衍射光栅,虽然有较大的波长响应范围,但是通常只能提供nm量级的分辨率而无法满足当下的高光谱分辨率的要求。虚像相位阵列(VIPA)具有大角度色散特性,可以有效提高系统的光谱分辨率,因而近年来不断被用于精细光谱检测的研究。但其波长和色散角度对应关系存在非线性,而且同一波长易产生多个衍射级次的光斑,从而造成额外的光能损失。因此,本文主要基于VIPA的交叉色散光路就如何降低VIPA色散的非均匀性的问题进行了理论分析和实验验证。首先基于傍轴理论的色散定律展开理论分析探讨了入射光腰尺寸、入射角度等参数对于VIPA色散的非线性程度和衍射级次数量的影响。然后通过进行仿真记录了宽光谱光源在不同VIPA倾斜角度条件下各波长衍射级次的数量,以及各波长对应的光斑质心的坐标值。计算各情况下的质心坐标与拟合曲线之间的距离均差,比较了不同角度条件下线性度的好坏。最后根据理论分析和仿真实验的结果进行实验。实验中记录了VIPA的交叉色散光路在不同的VIPA倾斜条件下出现的衍射级次数量,并利用一个波长可变的激光器得到了不同波长的光源在VIPA倾斜2°的实验条件下各衍射级次光斑的质心坐标。同样通过计算不同衍射级次光斑的质心与拟合曲线之间的距离均差分析不同衍射级次的线性度好坏。实验证明通过控制入射光束参数,可以一定程度上降低VIPA色散的非均匀性。VIPA倾斜角度越大且越靠近探测器中央位置的衍射级次线性度越好。

基于虚像相位阵列的二维光谱映射

基于虚像相位阵列的二维光谱映射在研制高分辨率和高信噪比的光学滤波器、实现复杂的二维光谱处理以及光谱成像等研究领域具有广泛的应用前景。论文通过理论分析和数值仿真研究了虚像相位阵列的基本理论和二维光谱映射的特性。通过实验实现了光谱在二维平面上的成像。首次结合衍射级次和损耗对虚像相位阵列的入射条件进行了系统地分析,并讨论了其光谱分辨率和进行光谱成像时的空间分辨率。

虚像相位阵列的二维成像原理及其应用

虚像相位阵列(VIPA:virtually-imaged phased array)是一种具有大角度色散的光学器件,利用其大角色散的特性,可以用来制作高分辨率滤波器和色散补偿器。将虚像相位阵列和衍射光栅结合实现二维成像是光谱处理领域的重大进步。从二维成像原理出发,详细介绍其在研制高分辨率和高信噪比的光学滤波器、实现复杂的二维光谱处理以及光谱成像等研究领域的最新应用。

红光波段虚像相位阵列光谱仪研究

利用虚像相位阵列(VIPA)的强色散能力发展而来的VIPA光谱仪是一种新型的高性能光谱测量装置,兼具宽光谱覆盖范围、高时间分辨率及高光谱分辨率等优点。基于60 GHz自由光谱区(FSR)的石英VIPA,研制了一台可用于红光波段光谱测量的VIPA光谱仪,并测量了633 nm多模激光器的出射光谱。在100μs的时间分辨率下,获得了单次3.1 nm测量谱宽、2.0 pm(1.5 GHz)的高光谱分辨率,连续4 h运行显示光谱漂移小于0.50 pm。通过采用衍射光栅扫描装置、更短曝光速度的面阵CCD和更大FSR的VIPA,有望进一步提高光谱仪性能。

基于虚像相位阵列的光谱测量技术研究与应用

虚像相位阵列(VIPA)具有色散角度大、结构简单、成本较低等优势,对波分复用、色散补偿、脉冲整形等领域产生了重大影响。虚像相位阵列与衍射光栅结合解决了光谱混叠现象,使其在光滤波器、光谱成像、光谱处理等领域的应用成为可能。基于虚像相位阵列的光谱仪具有采集时间短、频谱测量范围宽、光谱分辨率高等优点,能应用于气体检测、分子科学、微生物学等领域,因此成为研究热点。基于ZEMAX光学软件对VIPA二维成像进行了仿真,分析了VIPA的厚度和入射角对其衍射、损耗、光谱分辨率和空间分辨率的影响,讨论了VIPA用于成像时的最佳厚度和角度,最后阐述了基于VIPA的布里渊和光频梳光谱仪,论述了不同类型光谱仪的性能和应用,并对未来进行了展望。

基于虚像相位阵列共焦布里渊光谱技术的弹性模量测量

生物组织和材料的弹性模量是决定其力学性能的关键因素,对生物医学和材料监测等领域至关重要。提出了一种基于虚像相位阵列的弹性模量测量方法,虚像相位阵列与共聚焦显微系统相结合,能够快速获得生物组织和材料的布里渊光谱频移,从而计算得到其弹性模量。首先,理论上分析了材料的弹性模量和布里渊光谱频移之间的关系;然后,介绍了虚像相位阵列的原理及系统的各组成部分;最后,对样品材料进行光谱测试,分别测得了聚乙烯、二氧化硅玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的光谱,求得纵向弹性模量M分别为7.23 GPa、83.4 GPa和8.92 GPa,并且测得了PMMA的布里渊光谱图像。结果表明:虚像相位阵列与衍射光栅级联使用,能够改善标准具的级次重叠现象,提高布里渊光谱的分辨率和采集速率,该系统设计的激光和背向散色光抑制模块,显著提高了布里渊信号的对比度,在材料特性、结构监测和生物医学等方面具有重要意义。

基于虚像相位阵列的锯齿形滤波器研究

边缘滤波器被广泛地应用在光纤光栅传感中,其工作原理是将波长偏移量转换成光功率的变化,具有响应速度快、动态检测范围大的优点。为了实现一种周期性边缘滤波器——低损耗锯齿形(JAWS)滤波器,提出并验证了一种有限反射虚像阵列(FRVIA)。FRVIA具有较低的后端面反射率,其输出光强分布、光谱分辨率、输出孔径等方面与VIPA存在显著差异。通过数值仿真,对低损耗滤波器的参数进行优化,实现了占空比高达70%、损耗低于14 dB的低损耗JAWS滤波器。

单级虚像相位阵列光谱仪应用于角膜及晶状体二维成像光谱色散率研究(特邀)

基于单级虚像相位阵列(VIPA)的布里渊散射光谱信号检测技术具有结构简单、光通量高的特点,在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织,但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没,限制了其信噪比和分辨率的提高,成为临床进一步应用的技术瓶颈。针对这一问题,从理论和实验两方面探究了提升单级VIPA布里渊光谱检测系统性能的方法。利用VIPA的傍轴近似色散模型,理论分析了柱面透镜前准直光束的半径、柱透镜焦距、球面透镜焦距和VIPA倾斜角度对单级VIPA光谱仪色散率的影响。研究结果表明,影响色散率的主要因素是球面透镜焦距、VIPA倾斜角度和探测器分辨率。在实际测试系统中,对一种变焦镜头与高分辨CMOS相机结合的信号接收装置进行有效的参数设计与系统匹配,实现了色速率与散射信号强度的平衡,优化了光谱仪系统各项参数,提升了该检测系统的性能。应用该单级VIPA光谱仪,实现了猪眼角膜和晶状体二维频移成像。该研究结果对于单级VIPA光谱仪在临床诊疗领域的应用具有重要意义。

基于虚像相位阵列布里渊光谱仪的自由光谱范围校准方法

基于虚像相位阵列(virtual image phased array,VIPA)的布里渊光谱技术是一种高分辨率光谱探测技术。它具有实时监测、高灵敏度等优点。目前该技术主要通过VIPA的自由光谱范围(free spectral range,FSR)与像素映射关系获取频率信息。然而,入射光角度变化会造成FSR波动。传统的测量手段均基于FSR不变的前提下进行,不能对测量过程中入射角度改变导致的FSR变化进行实时标定,从而造成测量结果出现误差。本文针对这一问题,通过分析布里渊散射特点和VIPA干涉原理,提出基于单模光纤布里渊频移的FSR实时校准方法以及相应的像素与频率映射关系计算方法。该方法利用单模光纤的布里渊斯托克斯与反斯托克斯光频移作为参考,减小由入射光角度变化引起的FSR波动造成的频率测量误差。实验利用该方法实现了532 nm波长下不同折射率环境中的微纳光纤布里渊频移的快速测量。

基于单光子探测器阵列的光谱测量系统

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题,提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统,利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力,将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合,并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明:该系统不仅灵敏度高,还实现了0.006 nm的波长分辨率;与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比,该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。

基于虚像相位阵列的高分辨率光纤光栅传感解调

用虚像相位阵列(VIPA)和红外成像系统来实现高分辨率的布拉格光纤光栅(FBG)的波长解调,通过VIPA结合衍射光栅,使输出的光束按波长分布到二维平面上,实现波长与成像面上空间坐标的一一映射,然后使用红外成像系统来检测。整套装置没有可移动部件,具有很好的可重复性、稳定性和可靠性。通过实验对该方法进行了验证,具有较高的分辨率,系统的分辨率小于2pm。

虚像相位阵列的研究进展及应用

虚像相位阵列(VIPA),是一种新型的色散补偿器件,它可以产生大范围的角度色散,并且可以对色散和色散斜率进行同步独立的补偿。其次,它还有一些更吸引人的性能,比如非常小的偏振态依赖性,色度色散的机械可调性和小封装的可行性等,适合于下一代密集波分复用(DWDM)高速光通信系统。详细介绍VIPA的工作原理及其研究进展,同时还介绍了它的一些最新应用和发展动向。

基于虚像相位阵列光谱仪的宽带高分辨率CO_(2)吸收光谱测量技术研究

为了使光谱仪能同时兼顾宽吸收光谱范围和高光谱分辨率两种特性,搭建了一台近红外虚像相位阵列光谱仪,单帧谱宽约为25nm(140cm^(-1)),光谱分辨率为4.5pm(0.024cm^(-1)),结合改进的旋转光栅结构,实现了1.26~1.50μm的宽光谱检测。使用超连续光源及光学吸收多通池,在1.43~1.45μm处,以CO_(2)为例开展了宽带高分辨光谱测量技术研究,使用图像增强算法提高了弱吸收的光谱提取精度,考虑光谱仪的仪器展宽进而提升了气体参数反演准确度。实测光谱与理论光谱的对比结果验证了系统测量的准确性与可靠性。

基于SLD的谱域OCT测距系统设计与实现

谱域光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)系统的成像深度受光谱仪的光谱分辨率限制。传统谱域OCT系统的光谱仪仅使用光栅作为色散器件,所能实现的最大成像深度只有几个毫米,无法测量有较大轴向深度的样品。使用虚像相位阵列(Vitual Image Phased Array,VIPA)与光栅两个色散元件,结合VIPA的大角度色散与光栅的宽光谱范围,搭建了正交色散光谱仪。结合相应的光学器件设计了OCT测距系统并进行测距实验,实验结果证明该系统成像深度不小于22.5 mm,且能够实现5.23 pm的超高分辨率。

光纤传输系统的色散补偿技术及其应用

本文分析色散对光传输系统的影响,并讨论目前光传输系统的各种色散补偿方案。

改进的锯齿形光谱滤波器

锯齿形光谱(JAWS)滤波器的光谱成分比较复杂,是一种较难实现的光谱滤波器。本文通过数值仿真对基于虚像相位阵列(VIPA)的JAWS滤波器的主要参数如线性度、占空比和信噪比(SNR)等进行了优化,并进行了实验验证;通过对JAWS滤波器插损的分析,将反射式的工作方式改变为透射式的工作方式,使整个滤波器的附加损耗从20dB减小到小于6dB;同时,滤波器的性能也有了明显的进步。