光纤超声传感器的射频域自相干解调技术

在光纤光声成像技术中,检测灵敏度是决定光纤超声传感器成像质量的关键性因素之一。以小型化正交双频光纤激光器为超声敏感元件,建立更好的信号解调技术对声致相位变化进行检测,以实现高灵敏度超声检测和光声成像。引入射频域自相干解调技术对超声波引起的激光频率变化进行读取,实验结果表明,该技术具有超声响应信号放大效果,传感器的灵敏度在8~32 MHz的超声频率内获得了显著提升,将最小可检测声压从9.0 Pa降低到5.7 Pa。进一步地,将该超声检测技术应用于活体光声显微成像,发现在同等光强的激发条件下,图像信噪比获得逾4 dB的提升。该技术为光纤光声成像技术的应用拓展奠定了坚实的技术基础。

大视场光纤光声功能显微成像技术研究(特邀)

为满足对动物模型血管结构与氧合功能进行高分辨率、大视场的成像监测需求,提出一种基于光纤超声传感器的光声显微成像技术。该技术采用振镜与电机组合扫描的方式,实现了对动物模型血管结构的高分辨率成像。通过利用不同血氧饱和度下血红蛋白吸收谱的差异,采用双波长激发方式获取血氧饱和度信息。应用该技术对麻醉状态下小鼠脑皮层进行了大范围光声功能成像,观察到麻醉剂对活体血流动力学的差异性影响。此外,对过敏性休克大鼠肠道表面的微循环状态变化进行了成像研究,观察到了过敏性休克状态下血液循环功能的异常变化。实验结果表明,该系统能够在厘米量级范围内,以单血管级空间分辨率对活体动物微循环功能异常进行可视化。该技术为研究疾病过程中血液循环状态的变化提供了新的技术手段。

保偏微纳光纤倏逝场传感器

近年来,保偏微纳光纤以其高双折射特性和强倏逝场效应引起了研究者的关注.本文从保偏微纳光纤的结构类型、制备方法和模式双折射特性等出发,介绍了目前不同类型保偏微纳光纤倏逝场传感器的构造特征与实现方法,利用保偏微纳光纤在两个垂直偏振方向的倏逝场对外界的不同响应,可制成偏振相关的干涉型或光栅型等传感器件.本文探究了包括超高折射率灵敏度特性和温度不敏感特性等的内在产生机理,并考察了保偏微纳光纤倏逝场传感器在折射率、湿度、磁场和特异性DNA分子探测等方面的应用,其结果对微纳光纤及其传感器的研究和应用具有重要的意义.

新型高灵敏度微纳光纤应变传感器

本文使用火焰熔融拉锥的方法,通过控制火焰的高度及拉锥速度,成功制备了具有微拱型渐变区的新型微纳光纤器件。理论计算表明,微拱型渐变区有利于激发出强度相当的高阶微纳光纤传输模式,从而增加了传输光谱中由模间干涉导致的透射谷的深度。实验表明,该新型微纳光纤器件透射谷深度达到18 d B,当轴向应变量增加时,透射谷向短波长方向移动,轴向应变灵敏度为-13.1 pm/με,比光纤光栅应变传感器提高一个数量级,是传统直线型微纳光纤灵敏度的3倍,线性度为99.15%。这种具有微拱型渐变区的微纳光纤器件具有灵敏度高、机械性能好以及便于与现有光纤系统集成等优点。并且结构简单,易于制备,可广泛应用于各种物理、化学和生物传感和探测领域。

磁流体型光纤磁场传感研究进展:从标量到矢量

磁流体具有优异的磁光特性,为光纤磁场传感器的实现提供了一种新途径,经过十多年发展,已经成为光纤磁传感领域的一个重要研究方向。目前,已有大量的基于不同结构和原理的磁流体型光纤磁场传感器被相继提出,且总体上经历了从标量到矢量磁场传感的发展,文章以该发展脉络为主线,对磁流体的磁光特性、传感器的实现方法进行梳理和总结,最后指出当前仍存在的一些问题并进行展望。

分布式光纤传感器的编码技术研究

基于光纤中的瑞利、布里渊、拉曼等散射效应以及弱反射阵列的分布式光纤传感(DOFS)能够对光纤损耗、温度、应变、振动、声音等多种参量实现长距离、高空间分辨率的实时监测,受到了越来越多的关注,具有非常广阔的应用。在DOFS中使用编码脉冲序列增加DOFS的信号能量,是提高传感性能的一个重要技术途径。因此,编码技术的应用一直是DOFS研究的一个重要领域。综述了DOFS中编码技术的研究进展,阐述了编码技术提高传感性能的技术原理,归纳了不同编码方案的设计和实现方法,分析了不同类型DOFS的技术特征及其相应的编码技术应用方法。最后,对DOFS中的编码技术的发展进行了展望。

差动临界角法高精度动态检焦技术研究

基于临界角检焦技术具有光能量损耗小、组装相对简单、调试相对容易、系统分辨率高等特点,当引入差动信号处理技术,可放大提取的检焦信号,提升检测灵敏度和提高检焦曲线的光滑度,同时可实现更大的焦面检测范围,减少由于基底本身存在不平整影响到的检焦误差。本论文首先从差动临界角法检焦技术的基本原理出发,通过Fresnel公式和牛顿公式得到离焦量与离焦信号的关系。其次搭建差动临界角法检焦验证系统,利用四象限光电探测器采集单个临界角棱镜的离焦信号,并对两个垂直放置的四象限光电探测器接收到的离焦信号进行差动计算,以获得差动K值大小与离焦量z之间的关系。实验结果表明:采用波长532 nm的激光,数值孔径0.3的投影物镜时,检焦线性范围可达22μm;采用数值孔径0.45的投影物镜时,检焦线性范围可达14μm,差动临界角检焦法分辨率可达25 nm。

人工微结构太赫兹传感器的研究进展

近年来,太赫兹技术得到迅速发展,在通信、反恐、检测和医药等领域展现了广泛的应用潜力。尤其是许多生物分子和材料在太赫兹波段存在特征的吸收光谱,而且太赫兹波能量低损伤小等特点,使得太赫兹生化传感器越来越受到关注。然而,由于太赫兹波的波长较长与生物分子等的尺寸差别非常大,导致相互作用比较弱,从而限制了太赫兹传感器的性能。通过微纳电磁结构对光场空间分布和频率分布的调控,增强太赫兹波传感器的灵敏度是当前的研究热点。文中将重点介绍各种微纳结构太赫兹传感技术的原理和研究现状,并通过梳理其发展趋势和当前的性能制约因素,讨论此方向将来的发展方向和应用前景。

飞秒激光双光子聚合三维微纳结构加工技术

飞秒激光双光子聚合微纳加工技术作为重要的三维微纳结构制备手段,已成为国际前沿研究热点。该技术利用激光与物质相互作用的双光子非线性吸收效应和阈值效应,可以突破经典光学理论衍射极限,实现纳米尺度的激光加工分辨力,在三维功能性微纳器件制备领域正在发挥着十分重要的作用。本文在介绍飞秒激光双光子聚合三维微纳加工技术的光物理和光化学过程基本原理的基础上,重点回顾人们在改善加工线宽及分辨力、提高加工效率等方面的研究进展与发展概况。该技术所制备的各种微光学器件、集成光学器件、微机电系统以及生物医学器件,不仅充分展示了飞秒激光双光子聚合三维微纳加工技术的高空间分辨力和真三维加工特点,也为其在相关前沿领域的应用提供具有启发性的思路。最后,对该技术实现高精度、高效率、低成本、大面积、多功能的三维微纳结构加工所存在的挑战和未来发展方向,进行了讨论和展望。

基于卫星高光谱遥感的水体和林木面积测绘

高光谱卫星的出现和发展为遥感测绘提供了新的技术手段。与传统卫星图像相比,高光谱卫星图像含有更为丰富的光谱信息,能够对目标物进行更为准确的鉴别、分类、定位和测绘。以“珠海1号”高光谱卫星(OHS-C)所提供的高光谱卫星图片为样本,利用地物反射光谱结合自适应算法实现了对林木和水体的精确鉴别、增强标记和面积测量。利用比值法对光谱进行处理,在无需复杂校准的情况下便可去除大气情况及时间季节对光谱的影响。实验结果表明林木和水体鉴别的特异性和灵敏度均高于97%。依据本文设计的鉴别模型,计算得西丽水库官方水域计算总面积数约为4.6 km^(2),与官方数据的误差仅约为0.144 6 km^(2);计算得淇澳岛的绿化面积为22.171 3 km^(2),该岛总占地面积为23.8 km^(2),按照90%绿化面积计算得误差小于0.751 3 km^(2),且误差主要源于商用卫星的空间分辨率不足。

双光束超分辨激光直写纳米加工技术

随着纳米技术的不断发展,各行业领域对纳米尺寸结构的加工需求与日剧增,激光直写加工技术作为一项重要的三维微纳结构加工手段,在多个现代科学技术领域得到了广泛应用。针对三维微纳结构制备,双光束超分辨激光加工技术,结合双光子聚合(TPP)过程与受激发射损耗(STED)纳米显微技术的原理,实现了超光学衍射极限的加工分辨率,为三维纳米结构加工技术及其应用提供了新的发展方向。本文将阐述基于双光束超分辨激光加工技术超光学衍射极限的基本原理,并回顾该技术在改善加工线宽及分辨率等方面的研究进展,以及在相关领域中的应用。最后就如何实现低成本、高效率、大面积、多功能性材料加工存在的挑战和未来发展方向进行了讨论。

基于4π聚焦系统的电磁矢量光学斯格明子的产生

光学斯格明子为实现结构光场以及时空光场的拓扑属性提供了新的研究方法与研究思路。本文在4π聚焦系统中,通过对两对入射柱矢量光束进行偏振与相位调控,实现了聚焦光场纵向分量与横向分量的独立控制,在焦平面上得到了Néel型与Bloch型的电磁矢量光学斯格明子。在4π聚焦系统内调控两对反向传播的径向偏振光时,焦平面处将产生Néel型的电场矢量斯格明子。将其中一对替换为角向偏振光时,焦平面处将同时产生Bloch型的电场矢量斯格明子与相位超前π/2的磁场矢量斯格明子。本工作为进一步研究自由空间中微纳尺度电磁矢量光学斯格明子与物质的相互作用提供了理论基础。

基于大偏置量熔接的反射式光纤型干涉仪的折射率传感特性

提出并实现了一种基于大偏置量熔接的单端反射式光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪。在一段数百微米长的单模光纤两端以大偏置量对称地错位熔接两段光纤,将其中一段光纤的端面镀制薄金膜作为反射镜面,使在外界环境和光纤包层材料内传输的光产生相位差,并在器件反射端能够观测到较强的干涉光谱。实验发现,该干涉光谱随外界折射率(RI)变化可发生较高灵敏度的漂移,当偏置量为62.5μm和空腔长度为554μm时,测得其水环境的折射率灵敏度和空气中的温度灵敏度分别为-13257nm/RIU(RIU为单位折射率)和37.33pm/℃。与已报道的同类型器件相比,所提传感器具有折射率灵敏度高、结构紧凑、可单端测量以及稳定性好等优点,在生物化学传感和环境污染监控等领域中具有良好的应用前景。

基于飞秒激光打印的二氧化钒光谱动态调控结构

具有动态调控能力的微纳光学器件是近年来微纳光子学领域的研究热点,二氧化钒(VO2)作为一种常见的功能性可调谐材料,其相变前后晶态的转变导致材料本身电磁参数的变化,可用于实现对光谱的动态调控。本文利用VO2的相变特性和光敏树脂单体的光聚合特性,通过在甲基丙烯酸酯单体中掺入VO2纳米晶,制备出了有效折射率可变的光敏型聚合物纳米复合材料。在此基础上,结合飞秒激光加工技术,开发出了具有相变调控特性的高精度二维、三维微纳光学结构的一次加工成型技术。测试结果表明,该方法所研制出的微纳光学结构,在外界温度达到相变临界温度时,结构中VO2纳米晶发生热致相变,导致结构整体的有效折射率发生变化,实现了对短波段光谱的动态调控。

基于飞秒激光微孔加工的温度补偿型光纤微流传感器

研究一种基于激光微孔加工的温度补偿型光纤微流传感器。采用飞秒激光诱导水击穿的方法,在光纤布拉格光栅(FBG)和光纤镀金端面之间,刻写一条垂直于纤芯的均匀微流通道,制作单端反射式传感器,并对光谱进行快速傅里叶分析,可同时获得FBG和法布里-珀罗(F-P)谐振腔的波长信息。实验结果表明:FBG和F-P谐振腔对外界环境温度及微流折射率具有不同的响应特性。通过检测FBG光谱频移可得到温度信息,再从F-P谐振腔光谱中扣除温度的影响部分,即可得到温度补偿的折射率信息。实验得到传感器在中心波长为1550nm处的折射率灵敏度约为1.2038nm·RIU-1(RIU为单位折射率),该数值可通过光纤结构进行优化,设计的传感器具有结构简单、操作方便及可实时检测等优点,在生物化学、医学等传感领域中拥有良好的应用前景。

微光纤干涉型生物传感器

光纤生物传感器利用倏逝场效应与待测物质发生相互作用,通过检测生物识别分子与目标分子特异性结合反应引起的光信号变化实现对待测物的检测。光纤传感器由于具有尺寸小巧、可柔性弯曲等优点,从而有望为现代医学提供一种在体原位检测的新手段。微光纤干涉型生物传感器以微光纤模式干涉仪作为换能器,通过光学波导增敏和界面增敏,可实现超高灵敏度生物分子检测,甚至可达到单分子检测水平。因此,介绍了微光纤模式干涉仪原理、制备技术、折射率敏感特性、生物传感器实现和界面增敏技术。

基于单螺旋扭转结构的取样布拉格光纤光栅及其传感特性

提出一种新型取样布拉格光纤光栅传感器,用于温度和轴向应变的传感。为了制作该传感器,利用特种光纤熔接机在单模光纤上制造出单螺旋扭转结构,然后在单螺旋结构上利用紫外激光侧写和相位掩模板技术刻写布拉格光纤光栅。该取样光栅反射谱具有等间距、窄带宽的特点,并且可通过调整单螺旋扭转率来自由改变取样周期。通过实验研究了传感器对温度和光纤轴向应变的响应,结果表明:当单螺旋扭转周期P=504.0μm(扭转率α=12.47rad/mm),布拉格光栅周期Λ=544.6nm,器件长度L=5.0 mm时,温度和轴向应变灵敏度分别为10.12pm/℃和1.12pm/με。较同类型取样光栅传感器,该传感器具有制作简单、灵活性高、稳定性高和成本低的优点,且在多波长光纤激光器和多通道光谱滤波器等领域展现出应用潜力。

裸露纤芯边孔光纤布拉格光栅制备及其折射率传感特性研究

提出并实现了两种结构的裸露纤芯边孔光纤布拉格光栅(SH-FBGs)的折射率传感器。第一种,采用光纤侧面抛磨法抛磨刻有FBG的边孔光纤(SHF)的一个空气孔,得到D形横截面SH-FBG传感器,在1.380折射率附近灵敏度约为24.0 nm/RIU(RIU为单位折射率)。另一种,通过化学腐蚀法腐蚀刻有FBG的边孔光纤的两个空气孔,得到X形横截面SH-FBG传感器,在1.333~1.340折射率范围内,折射率灵敏度约为15.1 nm/RIU,该数值可通过腐蚀方案进一步得到优化。由于X形SH-FBG传感器对应两个偏振的模式,表现出对外部折射率变化的响应不同而对温度变化的响应相同的特性,因此可作为与温度无关的折射率传感器。设计的两种传感器具有的空气孔可以作为微流通道,有助于实现在线检测和给药,具有结构简单、操作方便等优点,在生物化学、医学等领域中拥有良好的应用前景。

基于大空气孔保偏微结构光纤偏振回旋滤波器的光微流折射率传感器

提出一种基于大空气孔保偏微结构光纤偏振回旋滤波器(PM-MOF-RF)的光微流折射率传感器。保偏微结构光纤(PM-MOF)沿轴向引入周期性往复扭转结构,可实现光纤中正交偏振模的谐振耦合,通过偏振检测,可得到类似于长周期光栅的透射光谱,从而获得偏振回旋滤波器(PRF)。基于耦合模理论,对该器件的透射光谱进行仿真。在该器件两端与单模光纤(SMF)连接处分别接入一小段C形光纤,可将待测液体导入和导出MOF的空气孔而不影响SMF与MOF的光信号耦合,从而得到一个全光纤的光微流折射率传感器。通过有限元分析方法模拟微流折射率在1.333附近变化时PM-MOF的相模式双折射色散曲线,进而可得不同微流折射率的透射光谱,通过追踪光谱波长漂移,得到7196.4nm/RIU(RIU为折射率单元)的折射率灵敏度,同时可知当按比例缩小光纤尺寸时,可将其灵敏度提升至16754.0nm/RIU。

全新布里渊散射可切换微波光子滤波器

提出了一个新的基于布里渊散射效应的微波光子滤波器。该滤波器可通过调谐系统中光滤波器的中心波长，实现高解析度带通滤波器与陷波滤波器之间的灵活切换，并且通过调谐产生受激布里渊散射的泵浦光的波长可实现滤波器通带或阻带的中心频率在很大频率范围内连续调谐。该滤波器为全光结构，因此具有非常大的调谐范围（调谐上限仅受限于试验中使用的矢量网络分析仪的显示频率上限）。系统中采用相位调制器，因此没有偏置电压漂移问题。实验结果展示了一个带通与陷波滤可灵活切换的高解析度微波光子滤波器，并且通带和阻带的中心频率在9～26.5 GHz范围内连续可调谐，其中带通滤波器的通带具有极窄3 dB带宽，约28 MHz（由光纤本身布里渊增益区线宽所决定）。