基于可拉伸反射基底介质超光栅的太赫兹增强吸收谱

提出了一种利用纳米银浆作为反射层的可拉伸介质超光栅的亚波长增强结构,在指纹谱检测时可以有效提升待测物周围的局域场而实现超宽带太赫兹吸收谱信号增强。当太赫兹波以一定角度照射到可拉伸弹性衬底介质超光栅上表面时,对衬底进行一系列拉伸,不同的拉伸因子激发出一系列导模共振,对应的介质超光栅响应曲线上的谐振峰频率覆盖0.46~0.61 THz。选择0.2~1.0μmα-乳糖薄膜作为待测微量分析物时,各拉伸因子对应的谐振峰幅度随待测物的吸收谱大幅度改变,其包络线组成的吸收谱峰值比没有介质超光栅周期结构时,最多增强111倍。该基于金属基底的可拉伸微结构为微量分析物的太赫兹高灵敏度检测提供了一种新的有效方法。

复原胞超光栅中负透射的鲁棒性

基于多重散射理论,研究了复原胞超光栅在发生负向透射,即透射光与入射光在法线同侧时,复原胞的结构对负向透射效率的影响.复原胞由2个不同半径的介质纳米柱组成,它们沿一条线排列起来构成超光栅.结果表明,要实现完美效率,复原胞超光栅对小柱子的半径及其在复原胞内的位置并没有非常严格的要求.这意味着复原胞结构对负向透射现象具有很好的鲁棒性,制备和实现高效的复原胞介质超光栅非常可行.

基于超光栅的3D打印全介质太赫兹超透镜

超透镜是基于超表面和超光栅的器件,可实现对入射光振幅、相位、偏振等的灵活调控,具有轻薄、易集成的特点。但超透镜的制作周期时间长、成本高,寻找一种易加工、低成本、高效的方法制造超透镜是非常有必要的。本文设计了一种高效波前控制电磁波的太赫兹(Terahertz,THz)全介质超光栅,当电磁波垂直入射时,超光栅将电磁波束弯曲至T-1衍射级。通过仿真模拟可知,当P偏振光入射时,可将83.44%的透射能量集中在T-1衍射级,S偏振光入射时可达到82.73%。基于设计的超光栅,当0.14THz电磁波入射时,设计了数值孔径为0.39的超透镜,利用3D打印技术加工工艺制备,并搭建扫描测量系统验证该设计。测量结果表明,超透镜焦距为114.5mm,与仿真设计相一致,同时测得了光斑的大小,最后搭建的THz透射成像系统表征了超透镜的成像能力。这项工作在光学传感、通信和超分辨率成像中具有潜在的应用价值。

高侧壁垂直度超浅铌酸锂光栅耦合器的加工工艺及耦合效率

利用聚焦离子束(FIB)在铌酸锂(LN)表面形成100 nm及以下深度的超浅光栅耦合器结构。为了提高刻蚀侧壁垂直度、避免开口展宽效应对光栅形貌的影响,在LN表面覆盖非晶硅(α-Si)作为掩膜层,实际刻蚀深度为α-Si层厚度和LN表面目标刻蚀深度之和,且刻蚀过程中产生的开口效应仅存在于α-Si层。通过氢氧化钾(KOH)溶液选择性地去除α-Si层,留下的LN表面结构侧壁陡直且无开口展宽效应。制备了刻蚀深度108 nm的超浅光栅耦合器,在924 nm波长处,其耦合效率为23.3%。制备了刻蚀深度70 nm的超浅光栅耦合器,在935 nm波长处,其耦合效率为14.4%。该研究为LN光栅耦合器的发展与应用提供了有益指导。

基于超弱光纤光栅的声波传感探头增敏方法研究

针对光纤直接探测声波时灵敏度低的问题,提出一种超弱光纤光栅缠绕式薄壁圆筒的声波传感探头增敏方法。理论分析了薄壁圆筒半径、壁厚、弹性模量等参数对光纤探头声增敏的影响,仿真分析了光纤缠绕方式对探头谐振频率的影响,优化设计了弹性管式探头的结构。搭建了基于超弱光纤光栅声波传感系统,并对探头的声敏特性进行了测试。实验结果显示,探头的声压灵敏度最高可达到6.39746 rad/Pa(-103.8798 dB re rad/μPa),在1000~2000 Hz的平均声压灵敏度为3.30341 rad/Pa(-109.6208 dB re rad/μPa);相较于未增敏的裸光纤,探头的平均声压灵敏度提高了约31 dB。

基于超弱光纤布拉格光栅的声速测量方法

利用超弱光纤布拉格光栅对振动的敏感特性,提出了一种基于分布式光纤声学传感的声速测量方法。通过测量声速传递过程中不同超弱光纤布拉格光栅传感器接收到声音信号的时差来计算声速。该方法可以测量不同温度下的声速,其测量值与理论值误差小于0.5%。为声速测量提供了新的方法。

钻孔压灌桩的超弱光纤光栅应变场监测方法

提出了一种在长螺旋钻孔压灌桩中引入超弱光纤光栅的应变场监测方法。分析了超弱光纤光栅多点应变传感原理,设计了一种定点式标距1 m的超弱光纤光栅光缆,对灵敏度进行了标定,在10000με范围内的平均应变灵敏度为1.15 pm/με。在广州市有轨电车试验桩项目中,采用预拉力方式将光缆与钢筋笼结合后埋设,经过28天固化后对多根长螺旋钻孔压灌桩进行了静载测试和分析。试验表明,超弱光纤光栅传感系统工作频率1 Hz,应变精度1可实现对桩基应变场的多点、大量程、高精度的线性监测,验证了超弱光纤光栅传感器在桩基监测中的可行性。

基于超表面的远场多波束调控综述

超表面作为二维的的超材料,在保留其对电磁波调控能力的同时,具有剖面低、损耗小、易与其它器件集成的优点。自广义斯涅耳定律被提出以来,传统由透镜和棱镜等光学元件沿传播路径逐渐积累的相变方式开始被离散相位取代,极大地提升了超表面设计的灵活性。通过对超表面局部幅度和相位信息进行调控,可以改变入射波的传输方向,使其朝着不同方向传播。文章首先简要概述几种实现多波束激发的超表面平台,然后介绍了基于超表面平台对远场波束多波束调控的前沿进展,并对未来发展方向进行了展望。

基于神经网络的高角色散宽带介质超光栅的快速优化

由于超材料和超表面的亚波长结构单元的形状和尺寸具有很大的设计自由度,可对电磁波的振幅、相位、波前和方向等进行复杂而精确的调控,同时随着结构参数数量的增加,结构设计的时间往往呈指数增长。提出了一种基于反向传播(BP)神经网络快速优化超表面结构的方法,实现了兼具高衍射效率、宽带宽和高角色散等优势的太赫兹介质超光栅。利用有限次数的严格耦合波分析建立的数据集来训练BP神经网络,可准确预测任意结构参数的超光栅衍射光谱,并通过遍历所有结构参数快速筛选出具有最高衍射效率且宽带宽的超光栅,相比传统的遍历计算方法速度提高了一万倍,证明了基于BP神经网络的超表面优化方法的高效性以及精准性,同时为太赫兹波段提供了一种性能优异的衍射元件。

基于相移超结构光栅的ROF单边带调制系统（英文）

提出了一个利用相移超结构光栅构建的典型ROF单边带调制系统。改变倾斜角,光栅就会呈现不同的传播特性。将不同的相移插入光栅的不同位置就会得到不同的透射谱特性。因此该光栅可视为滤波器应用于单边带调制系统中。反射谱的负斜率特性使得低阶边带会经历更高的衰减。所以,仅仅使用一个相移超结构光栅就可以简单地实现双边带到载波单边带的转换。与此同时,还可以通过改变光栅的倾斜角优化光载波抑制比。在实验中,60 GHz的毫米波信号产生的同时光载波抑制比也由33.02 dB优化到1.31 dB,经过30 km光纤传输后的最小误码率可以达到1.966e-44,所以仅仅通过一个相移超结构光栅就可以大大提高链路性能。

基于超弱光纤光栅的LAMOST内部温度监测方法

针对大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)观测过程中内部空间温度场扰动的问题,提出了一种基于超弱光纤光栅的空间温度监测方法。理论分析了单涂层超弱光纤光栅传感器的感温原理,设计了一种免应力的超弱光纤光栅感温光缆,对光缆的温度特性进行标定,灵敏度约为10.8 pm/℃,在-20~50℃范围内线性度优于0.9997。将23个间距1 m的铠装光栅光缆沿LAMOST的M B反射镜及廊道布设,实时监测内部温度的变化,监测结果反映了M B反射镜前温度梯度的变化过程,以及观测行为及外部环境对镜筒温度分布的影响,为分析大型光学望远镜内部的温度场提供了参考。

基于超结构光纤光栅的自发布里渊散射检测系统设计与实现

为解决光纤背向散射信号中自发布里渊散射信号提取困难的问题,针对自发布里渊散射信号的频谱特点,设计并制作了一种双峰、波长可调结构的超结构光纤光栅滤波器。该滤波器具有滤波抑制比高、滚降特性好、线宽窄、中心波长可调、插损低、稳定性高等特点。通过两级超结构光纤光栅的级联,对瑞利散射信号的抑制达到约30 dB,可以把自发布里渊散射信号的2个峰同时提取出来。在此基础上,搭建了基于布里渊散射技术的全分布式光纤传感实验系统,对长度约为32 km的传感光纤进行了实验测量,在对被测光纤上长度为130、150 m的两段光纤分别施加1200μ,ε温度变化20°C时,系统较清楚地显示出应力、温度对被测光纤的作用效果。测量结果表明,该系统可以实现光纤温度及应力的变化监测。

超结构光栅DBR半导体激光器的数值模拟

利用传输矩阵法模拟了超结构光栅DBR半导体激光器的光谱特性。计算中,把超结构光栅DBR半导体激光器的增益区、位相区和超结构光栅DBR的每一个节距看成基本单元。在阈值以下,对于有源区和超结构光栅DBR的不同注入电流,发射光谱显示出不同的输出特征。同时,这种方法还反映出激光器的阈值条件和可调谐的特征。

基于超弱光纤光栅阵列的地表位移监测方法

为了满足采煤沉陷区地表位移精准监测的需要,提出1种基于超弱光纤光栅(uwFBG)阵列的浅层土体位移监测方法。设计1种标距为4 m的uwFBG应变光缆并对其进行适用性分析,该光缆应变灵敏度为1.14 pm/με,迟滞性实验误差小于0.1%。结合自主开发的uwFBG解调装置,构建uwFBG的位移自动化监测系统,并应用于重庆市北碚区天府镇某采煤沉陷区的监测。研究结果表明:浅层土体经过自然沉降和温差补偿后,关键区域在2个月内的累计位移变化约为2 mm,与监测点GNSS(全球导航卫星系统)测量结果吻合,验证了超弱光栅阵列地表位移监测方法的可行性。

啁啾超结构光纤布拉格光栅的一种新研究方法

从耦合波理论出发,利用传输矩阵分析了啁啾超结构光纤光栅,得到了其反射谱的解析式,数值计算结果表明:超结构光纤光栅的光栅总长度、折射率调制深度、占空比、取样周期和啁啾系数等参数都会影响反射谱的峰值和带宽。为超结构光纤光栅的设计提供了理论依据。

相移超结构光纤布拉格光栅OCDMA编/解码器及其相关特性

研究了基于相移超结构光纤布拉格光栅(SSFBG)的光码分多址(OCDMA)编/解码器的结构及实现双极性编/解码的原理。利用传输矩阵法仿真了器件的相关特性,推导了因光栅周期不同而导致的编/解码器之间布拉格波长偏差对器件相关特性的影响。结果表明,随着码字长度的增加,器件的相关特性得到改善;但是当保持码片间隔不变而增加码字长度时,编/解码器的相关特性对布拉格波长偏差更加敏感,对于长度为31的Gold序列,当码片间隔为6 ps,布拉格波长为1.555μm时,布拉格波长偏差<0.02 nm方可得到编/解码器之间良好的相关特性;这表明同一码字可以在不同的布拉格波长下重复使用,此特性有望用于波分复用(WDM)型OCDMA系统中。

应变和温度变化对超结构光纤光栅光谱的影响

对由FBG(布拉格光纤光栅)和LPFG(长周期光纤光栅)构成的SFG(超结构光纤光栅),采用耦合模方程的相似变换解法,研究了应变梯度和温度梯度对SFG的透射谱和反射谱的影响。模拟结果表明,SFG在应变梯度或温度梯度的作用下,其反射光谱和ν阶包层模的透射光谱按确定规则独立漂移,据此可以同时求出光栅所在位置的应变和应变梯度,或温度和温度梯度。

菲波纳契准周期超结构光纤光栅

采用相位掩模板扫描法,在单模光敏光纤中制备了中心波长为1541.86nm,菲波纳契序数为0～9的准周期超结构光栅.通过模拟引入相移过程中纤芯折射率的改变对制作参量进行了优化.传输矩阵分析与实验结果均表明,该超结构光纤光栅的透射谱呈现分形结构,在中心波长附近有六循环和自相似特性.所制备超结构光栅可作为C波段分形结构滤波器件在光通信和全光集成领域得到应用.

基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究

根据凹面光栅的几何像差理论,提出了一种基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计方法,该方法利用遗传算法和光学设计软件ZEMAX两次优化来获得最优的光学结构参数。以设计一个远紫外成像光谱仪为实例,工作波段110～180nm,狭缝尺寸50μm×5mm,数值孔径0.1,利用ZEMAX软件对设计结果进行了分析和评价,结果表明,不同波长的光学传递函数在奈奎斯特频率101P/mm处均大于0.7,点列图半径的均方根值小于14μm,在工作波段内获得了良好的成像质量,满足空间分辨率0.5mrad,光谱分辨率0.6nm的设计要求,也证明了该优化设计方法是可行的,可在其他波段推广应用,对光栅色散型成像光谱仪的设计具有指导意义。

超结构布喇格光栅滤波器的研究

用傅立叶方法和耦合模理论分别对取样光纤光栅进行了分析,并采用数值模拟的方法分析了占空比T对取样光纤光栅光谱特性的影响。研究表明,反射率较低时,取样光栅的反射峰间隔及数目基本上由取样周期P决定。但当T>0.1时,反射峰间隔变得与T有关。该结构对一般文献中得到的反射峰间隔表达式提出了置疑。在文中理论的指导下,提出了一种经济有效的光纤光栅梳状滤波器的制作方法。