光声光谱仪用三维扩展光源光场整形系统设计与实验

三维非相干扩展光源相比红外激光光源具有功率高、光谱范围宽、价格低等优势,在高精度、多组分光声光谱仪中具有极高的应用价值.然而,其存在方向性差、能量密度低、形状不规则等现实问题,需要在光学系统设计过程中进行光场整形.光声光谱仪要求在小体积范围内收集并优化厘米级三维扩展光源向全空间的辐射,经一系列波长及频率调制元件后,最终实现毫米级半径、厘米级长度的圆柱体光场分布.本文根据光学扩展量概念和边缘光线原理,在光学系统设计与优化的过程中突破传统完全基于点光源的设计模式,贯穿了扩展光源概念,基于自行设计的测量方法和装置直接获取了三维扩展光源的发光特性,并以微元的形式进行精准三维扩展光源建模.借助非球面实现了光声光谱仪用三维扩展光源光场整形系统的设计并进行了相关实验验证.以Hawkeye IR-Si272光源为例,分别实现了光声光谱仪光声池入池光功率和侧壁噪声仿真值与实验值的较小偏差,二者具有一致性.相比原厂聚光系统,自行设计的光声光谱仪用光源系统入池光功率从0.86 W提升至1.32 W,侧壁噪声从50.3%下降至19.7%,实现了百万分之一量级微量气体浓度检测.

聚合物封装的纵向微结构光纤分布式压力传感系统

提出了一种基于纵向微结构光纤的分布式压力传感方案,该方案同时采用波长编码与频率编码技术,实现了单根光纤上的准分布式压力测量,具有实现大容量复用、高空间分辨率和高精度测量的潜力。采用硫化硅橡胶聚合物材料对光纤进行封装,使纵向微结构光纤的压力灵敏度提升至1.032×10-3相对波长变化/MPa,是裸光纤光栅压力灵敏度的500多倍。构建了包含6个光纤微结构的单纤传感系统,并进行了分布式压力测试实验,实验结果显示出很好的线性度和较高的测量精度。该传感方案具有长距离、高分辨率测压(HRM)的潜力,可广泛运用于土木结构健康监测、管道泄漏监控、人体体内压力分布式传感等工程领域中。

光分组交换系统中载波抑制光标签的研究

为了研究高带宽利用率和大容量的光分组交换系统,对载波抑制调制原理进行理论分析,提出了一种载波抑制调制光标签的方案,并对基于载波抑制调制的光标签系统进行了仿真分析和实验研究。结果表明,载波抑制光标签的中心载波抑制比达到21.3d B;在622Mbit/s和1.25Gbit/s的标签调制速率下,系统传输距离超过40km时,依然能保持低于10-10的误比特率;以误比特率10-10为标准,在传输距离为40km时,两种标签调制速率的功率代价分别为1.7d B和1.9d B。此结果说明载波抑制光标签在光分组交换系统中具有串扰小、功率代价低等特点,信号质量好,适合远距离传输。

基于光纤光栅的睡眠质量监测系统

针对空巢老人和卧床病人,设计了基于LabVIEW的睡眠质量实时监测系统。采用光纤布拉格光栅(FBG)作为传感单元,将压力装换为波长漂移,随后通过合理的选取不同峰值波长的20个FBG,使用波分复用技术来构成整个传感网络。使用光纤光栅传感解调仪(Micron Optics SM-125)实现频率为2HZ的数据采集,并将其与计算机连接,数据处理及功能实现采用LabVIEW程序编写。最终实现了睡眠位置、单位时间内翻身次数的睡眠质量实时监测的功能。

基于云平台的互动式教学方法研究与实践

目前,高校的教育模式还是以课堂讲授为主,辅以讨论、习题、实验、实习等。这种注入式教学模式注重的是教师在课堂上单方面的知识灌输,缺乏师生之间的互动和交流,学习是一种被动式的,教学效果欠佳。本文提出了一种新型的基于云平台和精品资源共享的开放互动式教学模式,探索了新型的实践式教学和国际化教学,并在部分班级进行了试点。在这种新型的教学模式下,学生和教师之间能够实现实时沟通,真正做到以学生为中心的互动式教学,提高学生的学习兴趣,增强学习主动性,可以有效地改变现有的教学现状,改善教学效果。同时这种教学模式也具有较好的可移植性和可推广性。

基于光电调制式的多点多气体光纤传感网络

针对混合气体环境下长距离传感网络构建需求,提出并实现了一种基于光电调制式的多气体一体化的光纤传感网络结构。该系统结合了电学式探测和光纤组网传输的双重优势,搭建基于误差前向反馈神经网络算法(BP神经网络)的软件平台以消除交叉干扰,实现了25 km以上多点多气体光纤传感网络。实验中成功实现对H_2、CH_4、CO_23种混合气体同时定量浓度检测和交叉干扰消除,测量灵敏度100 ppm左右,并进行了温度影响分析,进一步降低系统浓度误差,整体系统误差为4 ppm左右,其网络测试效果良好。

2μm全光纤结构铥钬共掺光纤激光器

为了实现高效、全光纤化的2μm激光输出,采用中心波长为1569nm附近的级联双包层铒镱共掺光纤放大器来抽运铥钬共掺单模光纤、1550nm/2000nm波分复用器、光纤耦合器构成的环形腔全光纤激光器。当915nm LD抽运驱动电流为6.9A时,获得的最大输出激光功率为57.23mW,斜率效率约为12%,线宽约为4.5nm,阈值抽运功率约为180mW。结果表明,该光纤激光器性能可靠,其在光纤传感、激光医疗等领域将有巨大应用前景。

基于45°倾斜光栅的重复频率可切换被动谐波锁模光纤激光器

基于非线性偏振旋转(NPR)技术,搭建了一台重复频率可切换的被动谐波锁模掺铒光纤激光器。腔内45°倾斜光纤光栅(45°TFG)作为一种理想的光纤型起偏器,与两侧偏振控制器(PC)一起实现非线性偏振旋转效应,实现激光器的稳定锁模输出。在673 mW恒定泵浦功率下,通过调节腔内的PC,观测到了从基频到37阶谐波等多种锁模状态。该激光器可产生稳定的最高重复频率脉冲为783 MHz,对应的谐波阶数是37阶,且具有41 dB的边模抑制比(SSR)。高重复频率且稳定性好的脉冲可用于特定的应用中,如现代光通信系统、光学传感等。

45°倾斜光纤光栅波长可调谐调Q光纤激光器

本文提出了一种基于45°倾斜光纤光栅与带通滤波器的连续可调谐全光纤调Q掺铒激光器,45°倾斜光纤光栅与其两侧的偏振控制器可以实现非线性偏振旋转效应,调Q的产生则是因为非线性偏振旋转效应使环形腔中的激光产生强度依赖损耗从而导致脉冲压缩。在泵浦功率为655 mW时,通过调节具有中心波长选择作用的带通滤波器,调Q状态下可以实现光谱在1512 nm～1552 nm范围内的连续可调,平均输出功率从0.282 mW逐渐增加到4.884 mW,脉冲重复频率从23.7 kHz逐渐增加到119.0 kHz。据我们所知,这是目前为止基于非线性偏振旋转效应与光谱带通滤波器实现的可调谐调Q的光纤激光器中连续可调谐波长范围最宽的。

基于45°倾斜光纤光栅的光纤激光频率梳(特邀)

利用45°倾斜光纤光栅(45°-TFG)作为光纤型起偏器,搭建了一台高可靠性高稳定性的掺铒锁模光纤激光器,并以此为基础实现了重复频率f_(rep)和载波包络偏移频率f_(ceo)的精确锁定。当泵浦功率为228 mW时,基于45°-TFG的锁模激光振荡器可实现3 dB光谱带宽为60.4 nm、脉冲宽度为68 fs的超短脉冲输出,在12 h内功率的均方根稳定性达到0.033%,且在较大的泵浦范围内均能维持较好的展宽锁模状态。经过自主搭建的非线性脉冲放大、超连续谱产生以及f-2f自参考拍频干涉光路,获得了信噪比为32 dB的f_(ceo)信号。最后通过搭建基于锁相环的主动反馈控制电路,将f_(rep)和f_(ceo)信号溯源至一台GPS时频系统,最终测得f_(rep)和f_(ceo)信号归一化后在1 s门时间内频率稳定度为2.38×10^(-12)和6.41×10^(-16)。这是首次实现基于45°-TFG的光纤激光频率梳,表明了基于45°-TFG的锁模光纤激光器在实际应用中的潜力。

基于少模光纤的模分复用光传输技术

基于少模光纤的模分复用技术可将现有单模光纤通信传输系统容量提高数倍乃至数十倍,被公认为能够突破传统单模光纤通信系统传输容量瓶颈的有效技术手段。本文综述了用于对光纤中模式进行复用和解复用的模分复用器、传输用少模光纤、长距离传输提供中继的少模光放大器等方面的研究进展,介绍了利用上述器件开展的模式复用光传输系统实验,展望了模分复用光传输的未来研究方向。

分数阶傅里叶变换及其在光通信中的应用

分数阶傅里叶变换是传统傅里叶变换的一种扩展形式,它能够在介于时域和频域之间的分数域内分析和处理信号。由于分数阶傅里叶变换的一些独特的性质,已经被广泛应用于解微分方程、量子力学、图像处理和信号处理当中。本文介绍分数阶傅里叶变换,综述其在滤波器、神经网络、图像处理和无线通信等领域的应用;结合本课题组近年来的工作成果,重点介绍了其在光通信领域中的典型应用;展望了分数阶傅里叶变换在光通信中的发展趋势。

线性光采样模拟前端研制与128Gb/s信号测试

面对100 Gb/s光纤传输系统性能监测需求,自主研制完成高速线性光采样模拟前端。其内部由1个被动锁模光纤激光器产生脉宽为2 ps、重复频率为96.25 MHz的采样光脉冲,待测偏振复用四相移键控(PDM-QPSK)信号和采样光脉冲进入光混频器后完成偏振相位分集探测,利用模拟带宽为400 MHz的平衡探测器完成光电转换后,将4路模拟信号传入主机进行数字化处理,获得高速光信号时域分析结果。通过优化设计,实现被动锁模光纤激光器的脉冲功率、中心波长、重复频率稳定输出。利用商用128 Gb/s PDM-QPSK信号对工程样机和安捷伦调制信号分析仪N4391A展开对比测试,测试结果表明工程样机可获得相同的时域参数分析结果。

基于随机光纤光栅的窄线宽随机光纤激光器

为实现低起振阈值、高斜率效率的短腔窄线宽随机激光输出,提出一种基于随机分布光栅阵列的窄线宽随机光纤激光器。基于随机分布光栅阵列的随机光栅可有效提升随机光纤激光器的起振阈值与泵浦功率。在满足光局域化的前提下,利用随机光纤光栅超窄反射峰搭建超窄线宽随机光纤激光器,该激光器实现了1.33kHz的窄线宽随机激光输出,起振阈值为24.5mW,斜率效率约为10%,且激光输出功率与中心波长处于稳定状态。与其他激光器相比,所提激光器具有更低的起振阈值、更高的斜率效率、更短的腔长及相对简单的结构,有望在光通信、高功率窄线宽光纤激光器、光纤传感等领域得到进一步应用。

面向激光显示应用的红绿蓝掺镨氟化物光纤激光器研究进展

在分析激光投影、激光线扫描和激光点扫描三类显示技术的原理、特点及光源需求的基础上,对几种常见的激光显示用光源进行了性能比较,讨论了其关键技术及存在的问题。重点探讨了掺镨(Pr3+)氟化物可见光光纤激光器的研究现状和发展趋势以及其作为激光显示引擎的可行性。由于掺镨氟化物光纤激光器具有宽带可调谐特性,可以通过选择红绿蓝(RGB)三基色的波长使激光显示色域最大化,从而提高激光显示系统的色彩表现力。

全光多输入多输出信号处理中光采样耦合器的优化

光采样耦合技术是全光多输入多输出(MIMO)信号处理中的关键技术。模式相关损耗(MDL)和插入损耗(IL)是影响器件性能的关键因素,矩阵条件数可以用于衡量光采样耦合器的性能。对支持3个线偏振模式(LP_(01),LP_(11a),LP_(11b))全光MIMO信号处理的光采样耦合器进行了理论分析。在3个采样点的情况下,对采样光斑的大小和位置进行优化,将矩阵条件数作为优化条件,并将MDL和IL分别降低至0.03dB和1.90dB。研究发现,通过增加采样点的数目可以降低器件的IL,优化后得到的MDL和IL分别为0.04dB和1.56dB。尽管增加采样点的数目可以降低IL,在少模光纤及采样点的几何限制下,仍存在最优采样点数目。

基于机器学习的布里渊信号分析方法的研究进展

分布式光纤布里渊传感器可以测量上百公里光纤上每一点的温度和应变,被应用于桥梁、隧道、输电线路和油气管道等国家重大工程的状态监测。布里渊传感的核心是测量与光纤温度和应变相关的布里渊频移,一般通过测量光纤的布里渊信号谱来得到。布里渊谱的谱线理论上满足洛伦兹线型,其峰值所对应的频率即为布里渊频移。为了降低采样精度和噪声的影响,从布里渊谱中提取布里渊频移最常用的方法是洛伦兹曲线拟合法。然而曲线拟合对初始值敏感,当信噪比较低时,拟合误差显著增加,并且曲线拟合的运算时间较长,降低系统的响应速度。为了提高提取布里渊频移的精度和速度,研究人员采用机器学习算法处理布里渊谱以提取布里渊频移,从而取得比传统拟合算法更好的结果。本文主要介绍近几年机器学习算法在提取布里渊频移中取得的成果,包括奇异值分解、支持向量机和人工神经网络的应用原理和效果。

基于倾斜光栅的可调谐线偏振掺镱光纤激光器

提出了一种基于45°倾斜光纤光栅和光纤布拉格光栅的线性腔结构的可调谐线偏振掺镱光纤激光器。利用45°倾斜光纤光栅作为起偏器件实现了中心波长为1065.90 nm、3 dB带宽为0.03 nm、偏振消光比高于35 dB的线偏振激光输出,输出激光的偏振消光比在4 h内稳定性良好。基于光纤布拉格光栅反射波长的温度特性实现了中心波长在1065.92~1066.87 nm范围内的连续可调,在波长可调谐状态下输出激光的偏振消光比保持在30 dB以上。

基于倾斜光纤光栅的连续可调谐锁模激光器

以45°倾斜光纤光栅为起偏器,采用非线性偏振旋转技术,搭建了一台基于45°倾斜光纤光栅和锥型光纤的波长可调谐被动锁模光纤激光器。当输入抽运功率为454 mW时,可实现稳定的锁模脉冲输出,输出脉冲的中心波长为1568.8 nm,输出功率为2.31 mW,3 dB带宽为4.5 nm,脉宽为1.3 ps。锥型光纤作为可调节衰减器,改变了腔内的损耗,实现了波长从1568.8 nm到1560.24 nm的连续可调谐。该激光器可以应用在传感、光谱测量和通信等领域。

基于Lyot滤波器的脉冲态可切换掺镱光纤激光器

采用由一对保偏45°倾斜光纤光栅构成的Lyot滤波器,设计了一台脉冲态可切换的掺镱光纤激光器。该Lyot滤波器集成了起偏器和梳状滤波器的功能,为激光器实现耗散孤子锁模提供了光谱滤波效应,从而使激光器产生了中心波长为1038.82 nm、脉冲宽度为5.2 ps的耗散孤子脉冲。随着泵浦功率的增加,非线性偏振旋转反馈机制的切换导致激光器的锁模脉冲态发生了耗散孤子脉冲与类噪声脉冲之间的多重切换。脉冲态切换过程中仅需调节泵浦功率,而不需要改变偏振控制器的状态。该脉冲态可切换激光器可以用于设计更精准可控的多功能光源。