光反馈腔衰荡光谱技术中纹波效应的测量及其特性分析（英文）

为研究光反馈腔衰荡光谱技术中纹波效应的产生机理,基于所建立的腔长为49.1cm的V型微晶玻璃衰荡腔在不同环境、不同光谱范围所测得的腔损耗谱,利用数据处理方法详细分析并讨论纹波效应的周期和振幅等典型特征。分析认为,纹波效应呈现出明显的部分干涉特点,光谱纹波的周期和振幅特性分别受折叠腔结构和折叠腔镜表面污染状态影响,而与光谱扫描区域关系不明显;这表明纹波效应主要来源于折叠腔镜表面散射场的部分干涉效应。

高灵敏度光纤磁场传感器的设计与模型研究

根据磁致伸缩效应和光纤腔衰荡技术设计了高灵敏度的磁场传感器。基于Jiles-Atherton模型、二次畴转模型和光纤衰荡技术波长解调原理,建立了磁场传感器的数学模型,模型反映了磁场-应变-光纤腔衰荡时间之间的耦合机制。对不同预应力作用下Terfenol-D棒的磁致伸缩输出应变、衰荡时间、系统灵敏度与磁场之间的变化规律进行了理论分析和仿真研究,结果表明,该传感器具有很高的灵敏度,可通过改变预应力实现不同量程范围内的磁场测量,研究可为发展新型的高灵敏度磁场传感器提供了理论指导。

激光扫描图象数据采集系统非线性失真的反馈补偿

为获取低几何畸变高重复性的激光扫描图象，我们提出了一种基于闭环象素时钟发生器的激光扫描器非线性误差补偿方案，使用以驱动数据采集系统ＡＤ转换的象素时钟频率正比于扫描器运行的角速度，从而用采样时间间隔的非均匀性换取了采样点空间位置的均匀性。

Sagnac效应在连续波腔衰荡微量气体浓度测量系统中的应用

基于环形光路的Sagnac效应及腔衰荡测量技术原理,本文提出了一种新型的连续波腔衰荡微量气体浓度测量系统。系统中利用环形光路的Sagnac效应,将光纤环作为一个等效反射镜,与高反射率镜形成衰荡腔,实现衰荡腔的反射率可调,从而降低系统对入射光强度的要求,对信号处理提供了条件。在此基础上,文中对环形光路Sagnac效应和腔衰荡测量技术原理进行理论分析及推导,得到反射率与光纤环转速的关系、连续波腔衰荡微量气体浓度测量公式以及光纤环转速对微量气体浓度测量系统的影响,并通过仿真实验验证所设计系统的各项性能指标。

CRDS-CARS-PLIF技术精确定量测量火焰OH浓度实验研究

在预混甲烷/空气燃烧的平面火焰炉上,采用脉冲式光腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)实现了对OH分子浓度的定量测量。根据光腔衰荡吸收光谱理论,选取OH的A2Σ+-X2Π(0,0)电子跃迁带中的P1(2)吸收谱线构搭建了一套激光波长在308.6 nm的脉冲CRDS实验装置。脉冲CRDS装置中的衰荡光腔是由一对反射率为99.7%的高反射镜组成且其衰荡腔的腔长为270 cm,并测量空腔(光腔中无火焰)的衰荡时间为2.33μs。通过理论分析影响浓度精确测量的实验参数,分别采用平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence,PLIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering,CARS)和脉冲CRDS三种技术精确测量OH的有效吸收长度、高温火焰的温度和有效的光腔衰荡时间。当在平面火焰炉上燃烧预混的甲烷(1.1 L·min^(-1))和空气(15 L·min^(-1))且在距离炉面高度为6 mm时,采用PLIF技术测量的有效吸收长度比直接选用燃烧器炉面直径作为吸收长度的精度提高7.1%,室温下利用CARS技术测量的温度要比热电偶测量的温度精度提高45%,衰荡光腔内有火焰且选用非OH吸收波长时测得的光腔衰荡时间要比采用空腔时测得的光腔衰荡时间精度提高21.6%。因此,通过以上多种测量技术相结合的方式精准测量各实验参量,最后得到OH分子数密度在距离炉面高度为6 mm时达到最大值(3.59×10^(13)molecules·cm^(-3))且OH浓度精度要比于未修正的OH浓度提高了35.6%。另外,在不同当量比下(Φ=0.7~1.1),OH粒子数密度都会随着距离炉面高度的增加而减少,通过曲线拟合发现OH浓度随着距离炉面高度的增加呈e指数衰减。在同一燃烧高度的富氧燃烧状态下,OH浓度随着当量比的增加而增加;当甲烷流量保持恒定时,富氧燃烧状态下的OH浓度要高于低氧燃烧状态下的OH浓度。在燃烧场中,采用这种多光谱技术相结合(CRDS-CARS-PLIF)的精准测量方式不仅能够实现对OH浓度精准的定量测量提高了测量精度,还可为定量测量其他燃烧产物分子的浓度提供技术支撑,对研究燃烧化学反应起着至关重要的作用。

半导体激光器自混合效应对连续光腔衰荡技术的影响

根据光腔衰荡(CRD)原理开展了高反镜反射率测量技术的研究。采用基于半导体激光器自混合效应的连续光腔衰荡技术(SM-CRD)测量高反射率腔镜,不但简化了CRD技术应用的结构装置,同时也大大提高了入射光与衰荡腔之间的耦合效率。给出了半导体激光器由于自混合效应引起的频谱变化,分析了反馈光强度对半导体激光器输出特性的影响。使用反射率为99.914%的腔镜建立了1064nm高反射率测量装置,测量精度达到10-5量级。实验结果表明,使用该装置测量腔镜的反射率,不但大大降低了系统的成本,而且有利于提高系统的测量精度和稳定性。

连续波腔衰荡光谱技术中的标准具效应

建立了一套高灵敏度调谐式连续波腔衰荡光谱测量系统,该系统以分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,利用其电流调制及调谐的特征进行衰荡和腔损耗谱测量,系统重复测量精度约为0.65×10^(-6)。对实验中出现的标准具效应进行了实验和理论分析,证实了这种效应来自衰荡腔的外部弱反射,并通过分析找出了系统中主要的反射面源。提出了标准具效应的软、硬件消除方法,实验结果表明,软件处理中数据拟合的标准误差约为0.4×10^(-6),硬件改进后腔损耗谱振荡起伏标准差由原来的9.2068×10^(-6)减少为0.4561×10^(-6)。

光纤电流传感器性能分析及环形衰荡结构设计

针对当前光纤电流传感器较难同时实现较高灵敏度和较好稳定性的问题,根据法拉第效应,从理论上建立了基于琼斯矩阵的直通式、反射式全光纤电流传感器的数学模型;利用OptiSystem软件进行仿真,得到直通式、反射式全光纤电流传感器的线性灵敏度分别为0.24和0.37。提出了光纤环形衰荡结构,将强度调制转换为时间调制,从而消除了光源及外界环境对系统性能的影响,使系统同时实现较高的灵敏度和较好的稳定性。通过理论及实验证实了该方案的可行性。