纤维集成式光流控传感器

纤维集成光学可方便地实现器件的光耦合,显著提高光流控器件的集成度,在光流控器件领域有重要的潜在应用价值.微结构光纤具有μm量级的孔道结构,容纳气体/液体的体积可低至μL(nL)量级,是痕量检测的理想载体.这种一维孔道结构为样品与光波导提供了长程作用场所,突破了传统光纤光学的局限,在分析检测研究领域显示了无可替代的优势.以空心双芯光纤及悬挂芯光纤为例,介绍几种纤维集成式光纤内光流控器件,通过折射率、气压、化学发光、荧光检测以及在线电泳分离检测的几个简单模型,说明了基于特种光纤的"纤内"微流检测结构及功能的实现。

表面芯光纤器件实验室

由于光纤端面尺寸小且可以长距离传输,功能单元和功能材料易于微纳尺度纤内集成,因而更适合发展集成器件.Lab-on-fiber集成器件已成为纤维集成光学的研究热点.该文详细介绍了两种具有较强倏逝场的表面芯光纤(外表面和内表面),重点研究表面芯光纤光学特性及基于表面芯光纤的器件传感应用.该类器件制备简单,在生物化学传感领域有重要应用.

频率可调谐的双偏振非对称传输器件

为了研究太赫兹超构材料的可调谐非对称传输特性,本文基于相变原理提出一种类S型的双层结构,采用有限积分算法求解其偏振传输特性。利用温度调控二氧化钒的相变特性,实现了频率可调谐的双偏振非对称传输效应。在宽角度入射范围内,45°线偏振光的非对称传输特性保持着较高的工作效率,倾斜入射角为60°时,效率优于0.4,且绝缘态和金属态下的谐振频率几乎保持不变,谐振频率的可调谐度为16.3%。本文所提出的频率可调谐双偏振非对称传输器件在偏振调控、太赫兹通信和太赫兹芯片领域具有潜在的应用前景。

光纤X射线传感器剂量衰减的仿真研究

光纤X射线传感器由于其可实现实时在线剂量测量的特点而引起了广泛的关注。实验中采用Gd_(2)O_(2)S︰Tb作为闪烁体材料,利用蒙特卡罗仿真方法计算了两种嵌入不同尺度闪烁材料的光纤X射线传感器所导致的剂量衰减。并探讨了射野大小、水深和闪烁体体积对剂量扰动的影响。结果表明:嵌入长7 mm,直径0.7 mm闪烁体的光纤X射线传感器在光纤后部表现出显著的剂量衰减,范围为深度5~10 mm。而嵌入长2 mm,直径0.4 mm闪烁体的光纤X射线传感器的剂量衰减被限制在光纤内部。光纤传感器的剂量衰减量与闪烁体的体积、射野大小和水深等因素有关,其中闪烁体的体积为主要影响因素。为了减少由于传感器带来的剂量衰减,在制作过程中应该限制嵌入光纤传感器内部的闪烁体体积。

结构调制型长周期光纤光栅温度传感器研究

燃油系统的温度监测对于飞行器的安全、性能和可靠性至关重要。本文提出并测试了一种基于激光蚀刻法在保偏光纤上制备的长周期光纤光栅温度传感器,有望用于飞机内部液体温度监测。通过解调该种光纤光栅谐振峰的波长变化,可以实现对环境温度的精准测量。试验结果表明,该传感器具有83.1pm/℃的温度灵敏度和0.32 pm/με的低应变响应。由于光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰,不易产生电火花等特性,在替代电学传感器使用时可以提升飞行器的安全性。

基于表面等离激元的纤端集成Airy光束

光纤具有端面尺寸小且柔韧性好的优势,纤端器件(lab on tip)无需严格的空间准直和耦合光路,具有集成度高、操作灵活、系统稳定等特点.该文详细介绍了基于表面等离激元的全光纤纤端单Airy和双Airy光束设计的基本理论、产生条件及方法.利用聚焦离子束刻蚀技术在纤端金属表面制作缝和槽等微结构,实现了多种Airy光束.紧凑型全光纤纤端集成特种光束发生器件在光捕获、微粒子操纵、光束整形中将具有重要的应用.

离轴螺旋长周期光纤光栅特性研究

本文研究一种具有大恒温区的新型四电极电弧放电装置,用于制备高质量离轴螺旋长周期光纤光栅.较大的恒温加热区更利于释放光纤应力,使得光纤器件的离轴量小.为了确定高质量离轴螺旋长周期光纤光栅的关键参数,借助于光束传播法研究单模光纤在不同耦合长度、螺距、纤芯折射率、包层折射率、纤芯直径、包层直径、离轴量条件下对螺旋长周期光纤光栅透射光谱的影响.由于传统方法难以对微小离轴量的螺旋长周期光纤光栅进行离轴量测量,采用光谱对比反推离轴量的方法对螺旋器件的离轴量做出估计.根据理论计算获得的透射光谱与实际光谱的对比,得到螺旋光纤离轴量的估值分别为0.12,0.13和0.16μm.最后,对所研装置制备的离轴螺旋长周期光纤光栅的抗扭转性能及光栅制备的重复性进行实验,实验表明,制备的光栅有一定的抗扭转性及较好的光谱重复性.

中红外氟铟基玻璃及光纤激光器最新研究进展(特邀)

3~5μm波段包含了大气的传输窗口和许多气体分子的吸收带,因而3~5μm中红外光纤激光器在大气遥感、生物医学、材料加工等领域具有广阔的应用前景。近年来,中红外光纤激光器的输出波长不断向长波长扩展,而实现中红外光纤激光输出的关键在于增益光纤材料的选择。氟铟基玻璃具有较宽的中红外透过窗口和较低的声子能量,因而氟铟基玻璃可以作为增益光纤材料应用于中红外光纤激光器领域。文中综述了从20世纪80年代至今,稀土离子掺杂氟铟基玻璃及氟铟基光纤激光器的代表性研究成果,回顾了氟铟基玻璃组分和玻璃结构的研究历程,介绍了氟铟基光纤的制备工艺,简述了稀土离子掺杂氟铟基玻璃和稀土离子掺杂氟铟基光纤激光器的最新研究进展。2018年,加拿大拉瓦尔大学的Maes等人利用Ho^(3+)掺杂氟铟基光纤作为增益介质,在中红外光纤激光器研究领域取得突破性进展,在室温下获得了输出功率接近200 mW的3.92μm光纤激光输出。最近,利用1150 nm激光作为泵浦源以及自研的Ho^(3+)/Pr^(3+)共掺杂氟铟基光纤作为增益介质,实现了~2.9μm波段中红外光纤激光输出,其最大输出功率为1.075 W,相应斜率效率为17.6%。未来,通过制备双包层氟铟基光纤和氟铟基光纤光栅,有望搭建全光纤化中红外光纤激光器,实现更高功率的3~4μm波段中红外光纤激光输出。

基于相变材料Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)的光纤存储器

光纤的典型功能是通信和传感,该文赋予光纤存储的功能,设计了一种全光纤存储器,以满足光纤通信系统智能化发展的需要。利用单模光纤(single-mode fiber, SMF)与多模光纤(multimode fiber, MMF)同轴焊接,并通过磁控溅射方法将Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)(GST)材料沉积在MMF端面,端面出射的类贝塞尔光束可以切换GST的相态。MMF的长度影响端面光场,最终选择1.5 mm长的MMF以实现具有任意级别访问能力、高光学对比度、稳定重复性良好的非易失性存储器。该存储器可以实现11级存储,并能够在11个存储等级间进行任意且稳定的切换,光学对比度达到50%,重复循环至少34次。

制备高质量螺旋光纤的四电极宽恒温区特性研究

为了制备高质量螺旋光纤器件,提出一种四电极电弧光纤加热的方法。基于磁流体动力学模型建立四电极电弧等离子放电的有限元仿真模型,研究了电极夹角、电极距离与施加电压对电弧放电温度场的影响。根据实际情况,进行了相应的温度场仿真计算,结果表明四电极电弧放电形成了较宽的恒温区,宽恒温区不仅有利于光纤应力的释放,同时减少了光纤偏移带来的影响。基于仿真结果,研制了四电极电弧放电的宽恒温区等离子热熔扭转加工系统,当系统中被加热光纤最高温度约为1050℃时,被加热光纤轴向上的恒温区长度约为2.12 mm。用研制的系统制备了不同光纤与不同周期下的螺旋长周期光纤光栅,在波长1.21~1.3μm,透射光谱的光强波动小于1 dB,光强平均值大于-1 dB;在波长1.3~1.35μm,光强平均值大于-1 dB;最深的透射光谱波谷大于22 dB。为更进一步验证所研系统的性能,用单模光纤、偏芯光纤、偏双芯光纤制备了不同周期的螺旋光纤结构,结果显示加工得到的螺旋光纤结构的包层边界清晰且平直,无显著的螺纹结构;光纤中央芯无显著的螺旋加工痕迹;光纤偏芯光滑且连续。

基于相位敏感光时域反射技术的导线舞动状态监测

利用相位敏感光时域反射(phase-sensitive optical time-domain reflectometer,Φ-OTDR)技术对导线进行舞动状态识别和实时监测.首先通过预绞丝将光纤复合相线(optical phase conductor,OPPC)安装在室内舞动试验机上,然后由激振器对OPPC施加不同的激振频率,最后分析不同激振频率下Φ-OTDR系统测量信号的特征.当激振频率不同时,Φ-OTDR系统测量信号具有不同的频率特征.

光纤偏振器件与组件的分布式串音测量研究进展

偏振串音是指光纤偏振器件与组件中两个正交偏振传输模式之间在微扰点发生的能量相互耦合的现象,而沿传输方向串音的连续分布既能够直接反映其光学偏振性能,如起偏、椭偏、消偏等特性,也能间接反映其制备工艺和外部环境状态,如连接与固定处的应力和应变、温度状态等。因此,偏振串音是光纤偏振器件与组件的固有性能和环境影响的综合体现,有望发展成为在线测试、诊断评价光纤偏振器件与组件性能的通用特征参量。基于白光干涉原理的光学相干域偏振测量(OCDP)技术是实现分布式偏振串音检测的最优方法,它利用扫描式白光干涉仪实现不同偏振模式间的干涉,对分布式串音发生的空间位置及幅值强度进行精确测量,具有超高灵敏度、超大动态范围、超长测量长度等优点。本文以光纤偏振器件与组件——保偏光纤环和多功能集成光学调制器作为分布式偏振串音精确测量与应用的范例,介绍了基于OCDP技术的分布式串音测试原理,回顾了测量误差的来源及相应的抑制方法,如由测试光路的参数非理想引入的静态误差以及由测试环境变化引入的动态误差,展示了不同环境温度下光纤偏振器件与组件的精确测试结果。最后,结合光纤偏振器件与组件复杂多变的工作环境,对分布式串音测量方法的发展进行了展望。

光纤光栅三维拉力传感器设计

基于光纤光栅传感技术设计了一种用于监测变电站套管受力状态的光纤光栅三维拉力传感器.通过有限元仿真和实验测量结合的方式,实现了三维拉力传感器解调的设计和测试,在3个方向的灵敏度为0.01~0.02με·N-1.对传感器进行加载测试,测试结果与加载结果基本一致,在600 N加载范围内平均误差为5.13%,光纤光栅三维拉力传感器能够实现对三维拉力的准确测量.

液晶及其不同填充结构对光子晶体光纤传输特性的影响

本文研究了各向异性材料对光子晶体光纤光传输特性的影响。由于靠近纤芯的空气孔对光子晶体光纤的影响最大,所以本文分别对靠近纤芯的2个空气孔、3个空气孔和6个空气孔进行填充。对填充各向异性材料的光子晶体光纤的色散、限制损耗和有效模场面积进行了模拟,并对其传输特性进行了详细的分析和讨论。同时进行了各向异性液晶材料填充光子晶体光纤的实验研究。结果表明在通讯波段,填充液晶的光子晶体光纤与相应的有效折射率仿真结果基本一致。该填充光子晶体光纤有较低的限制损耗,在1 550nm达到10-9。较小的有效模场面积和明显的色散零点,因而它在通讯领域有较高的潜力和应用。

角钢结构光纤光栅位移传感器的研究

本文提出将两个纤维增强复合材料(FRP)封装的光纤光栅(FBG)安装于角钢梁的两个面上,用来实现对角钢梁位移大小和方向的测量,实现对角钢结构的健康检测。本文将传感器分别安装在角钢梁不同面上的各个位置,通过有限元分析模拟了角钢梁结构的位移和传感器应变传递的关系,对传感器的安装位置进行优化设计,并进行了实验验证。仿真模拟和实验结果表明,传感器安装在合理位置能够实现角钢梁一端位移的大小测量和方向判别。研究结果对于利用光纤传感器实现对角钢构成的结构如桥梁、电塔、吊车等的健康监测提供了基础研究。

微结构光纤SPR传感器进展

光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)传感器是未来SPR传感技术发展和系统微型化的自然延伸,但光纤型SPR传感器无法有效解决灵敏度低以及实现多通道测量困难两大瓶颈问题.近年来,该课题组借鉴微结构光纤构建微缩集成SPR传感器的思路,对微结构光纤SPR传感器技术进行了初步探索,其目的是既提高SPR传感器探测灵敏度,同时又解决生物化学传感的多通道测量这两个关键问题.利用微结构光纤实现SPR传感器,可极大地缩小SPR系统的体积,更易于光学器件在光纤中的集成,因而具有广阔的应用前景.

共振线极化光实现原子矢量磁力仪的理论研究

共振线偏振光激发原子张量磁矩,本文理论研究在矢量磁场和射频场的共同作用下,张量磁矩进动的模型,求解刘维尔方程获得透射光时域完整解析解,包括直流、一次和二次谐波分量.研究发现:当进动的拉比频率Ω>1/(22^(1/2))时,两谐波间的干涉效应使直流分量和一次谐波对称成分的单吸收峰劈裂成双峰,裂距((Ω~2+Ω~4-Ω~2-1)^(3/2))^(1/2),一次谐波反对称成分在共振处产生干涉条纹.研究结果显示,谐波间的干涉也可导致直流分量和二次谐波线宽仅为一次谐波线宽的38%,且存在磁场取向临界点,在不同的取向区间分别利用直流及两谐波共振信号辨析磁场变化,可获得最佳测磁灵敏度;同时还可通过共振时直流分量及两谐波对称成分振幅来确定磁场与激光极化方向的夹角,利用两谐波反对称成分相移的差值来确定待测磁场在垂直光极化方向投影与射频场方向的夹角,进而实现结构简单的张量磁矩进动型矢量磁力仪.这种磁力仪适合构成磁力仪阵列,可用于磁定位、水下磁异常源的检测和地磁导航等领域.

染料掺杂液晶可调谐光纤荧光光源的研究

本文提出了染料掺杂液晶填充空心光纤构造荧光可调谐光源.基于染料分子能级结构理论分析B4400荧光光谱依赖温度的变化特性,采用脉宽8 ns,波长为532 nm YAG倍频脉冲激光器抽运,向列相液晶作基体,实验分析染料B4400掺杂液晶填充空心光纤荧光光谱选择性荧光放大规律及温度调谐特性.结果表明:通过控制染料浓度可控制荧光输出功率水平;当温度升高时,中心波长发生红移,中心波长调谐范围为590—605 nm;荧光谱宽呈单调展宽,调制范围为228—236 nm;染料掺杂液晶填充空心光纤荧光光源可实现一定范围内的温度调谐.

地磁场对铯原子磁力仪共振谱线的影响

为了研究地磁场对铯原子磁力仪灵敏度的影响,利用Breit-Rabi方程对Cs原子基态F g=4能级的塞曼分裂进行了理论分析;并重点讨论了在磁场强度约为0.05 mT的地磁场中,铯原子基态超精细结构的非线性塞曼效应对原子磁力仪共振谱线的影响.结果显示非线性塞曼效应使共振谱线宽度由20 Hz变为53 Hz,相对幅值衰减50%左右,在不考虑引入额外系统噪声的前提下,磁测灵敏度将由微弱磁场条件下的0.3 pT/Hz1/2蜕化为1.6 pT/Hz1/2,由此得出地磁场下提高原子磁力仪灵敏度的技术瓶颈所在,提出将泵浦光频率改为F g=4→F e=4跃迁来突破这一瓶颈的技术方案.

基于二维材料非线性效应的多波长超快激光器研究进展(特邀)

多波长超快激光器在光通信、医学诊断和光学传感等各种应用中有着十分重要的应用前景。2009年以来,石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等二维材料在超快光子学领域的发展非常快速。它们独特的非线性光学特性,使之能够被用作快速响应、宽带运转的可饱和吸收体且能够容易地集成到激光器中。研究发现,基于二维材料的非线性光学器件是研究激光器内非线性脉冲动力学演化的理想平台。在文中,回顾了二维材料在多波长超快激光器中应用的最新进展。进而,阐述了多波长的耗散孤子、矩形脉冲和亮暗孤子对等脉冲类型。最后,提出了这类多波长超快激光器面临的挑战和应用前景。