光子晶体光纤的拉曼增强效应研究

拉曼散射是一种弱效应。从拉曼散射及其散射截面角度出发,通过将光子约束在一个极小的截面上并延长传输,即增加了拉曼散射截面,从而达到增强拉曼散射的效果。而光子晶体光纤特有的光子带隙效应与此方式类似,可将某一特定波长的光束缚在中心孔芯内传输。运用光子晶体光纤技术,设计了光子晶体光纤的拉曼效应增强系统。最后通过实验发现:光子晶体光纤用于拉曼效应增强是可行的,为后续微量物质、气体等检测提供了一种比较高效的分析方法。     

一种新型的高压电器温度在线测量系统

基于螺旋形液晶填充光子晶体光纤的温度传感特性,提出一种新型的高压电器温度传感器系统。该传感器系统由宽带光源、螺旋形液晶、光子晶体光纤、光纤F-P腔(Fabry-Perot cavity)滤波器、信号处理放大电路等组成。将螺旋形液晶封装在光子晶体光纤的纤芯空气孔中,利用光子晶体光纤对温度和弯曲不敏感特性以及螺旋形液晶的螺距对温度变化非常敏感的特性,传感器的选择反射光波长依赖于温度的变化,采用光纤F-P腔滤波器解调出光波长的变化,利用反射波长与温度之间的关系,实现温度的测量。测量系统选用合适液晶,可以得到不同的温度测量范围,能对高压电器温度进行在线检测,测量精度可以达到±0.1℃以内,并具有本征安全、高精度、高电绝缘和抗电磁干扰、对应变和环境光变化不敏感以及与普通传输光纤兼容性好等优点。     

基于LabVIEW的光纤甲烷气体检测系统研究

基于比尔-朗伯(Beer-Lambert,B-L)定律研究了光谱吸收式光纤甲烷气体检测技术,采用谐波检测方法研究空芯光子光纤的甲烷气体检测技术提高精确度和灵敏度,并对检测过程中的温度、驱动电流因素进行优化。设计多间隙耦合空芯光子光纤气室进行空芯光子光纤的甲烷检测,提高了系统检测的灵敏度。利用LabVIEW软件进行虚拟仪器设计,进行甲烷浓度波形显示,构建基于LabVIEW的虚拟仪器的数据采集系统。实验结果表明甲烷浓度与检测信号呈现出良好的线性关系。     

注入锁定腔增强拉曼光谱微量气体检测技术

为了提高微量气体的拉曼散射强度,本文设计并搭建了注入锁定腔增强拉曼光谱微量气体检测平台。半导体激光器(波长为638nm,功率为15mW)输出到由三块高反镜组成的V型增强腔中,结合注入锁定技术,腔内激光强度达到7.5 W,实现了500倍的增强效果。利用该实验平台对微量单一气体及其混合气体进行了拉曼检测,并根据拉曼特征谱峰选取原则及信噪比大于3的原则,确定了H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2的特征拉曼谱峰分别为4 156,2 143,1 388,2 918,2 955,1 344,1 975cm-1,最小检测极限分别为10.2,21.7,9.4,2.1,8.9,4.9,3.3Pa。腔增强拉曼光谱法可以实现微量同核双原子气体检测及利用单一波长激光的混合气体同时检测,具有替代气体检测传统光谱方法的潜力。     

变压器油中气体拉曼光谱检测及信号处理方法

准确检测变压器油中溶解故障特征气体是诊断变压器运行状态的重要技术手段之一。论文基于拉曼光谱和腔长调制频率锁定原理,搭建了变压器故障特征气体频率锁定腔增强拉曼光检测平台,实现了H_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_2H_6、CO、CO_2等七种故障特征气体的同时检测;1atm时,H_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_2H_6、CO、CO_2的最小检测浓度实验值分别达到106、25、45、73、41、170、126(ppm)。频率锁定增强腔技术使最小检测浓度提高了约68倍。运用小波模极大值法对H_2的拉曼光谱检测信号进行了去噪处理,提出了基于包络线迭代法的光谱基线校正方法,校正后的光谱荧光背景残留减少,使气体拉曼光谱检测准确度提高了约2.95%,为变压器油中溶解故障气体同时准确检测提出了一种新方法。     

用于去除非共振背景的圆偏振宽带CARS光谱研究

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)是一种受激拉曼现象,在显微成像时,存在非共振背景,会导致光谱产生峰位偏移和谱线变形。本文利用飞秒激光作为光源,通过光栅滤波系统产生窄带泵浦光,飞秒激光激发光子晶体光纤产生超连续谱作为斯托克斯光,两束光被调制为圆偏振光后同时激发样品产生CARS光谱。通过模拟计算说明圆偏振光可以有效去除各向异性材料CARS光谱中的非共振背景,从而使CARS光谱具有和自发拉曼相似的谱线形状。聚苯乙烯微球和液晶样品的CARS光谱实验结果与模拟计算基本相符,说明圆偏振是一种有效去除CARS光谱非共振背景的方法。     

基于光子晶体光纤参量振荡器的CARS成像光源研究

研究了一种基于光子晶体光纤参量振荡器的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像光源。该光源采用中心波长为1 030nm的皮秒光纤激光器作为泵浦源,以无截止单模光子晶体光纤作为参量增益,通过搭建光参量振荡器,实现平均功率为10mW的参量激光输出。在色散滤波效应的作用下,该光源输出波长可实现连续可调,调谐范围为782～793nm,对应的波数覆盖范围为2 901～3 078cm-1。该光源产生的两束激光脉冲可实现空间自同步、时间自重合,用于CARS成像测量时,无需空间、时间对准,有望推动CARS成像光源向全光纤化、小型化的方向发展。     

一种液体药物浓度检测仪的设计

利用双D光纤传感器中的一支光纤,将激光信号照射到液体药物中,另一支光纤传感器接收液体药物反射回来的散射光线,利用单片机处理这个光信号,从而获得液体药物的浓度值。介绍了一款液体药物浓度检测仪,主要用来检测有色液体药物、微颗粒液体药物的浓度。     

近红外光学反馈线性腔增强吸收光谱技术

腔增强吸收光谱技术(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy,CEAS)利用激光在腔镜之间的多次反射,增长光与气体介质的作用路径,从而提升探测灵敏度。CEAS的主要噪声来源于激光-腔耦合效率的低下和腔模幅度的起伏。光学反馈腔增强吸收光谱技术(OF-CEAS)基于光学反馈(Optical Feedback,OF)效应,将激光频率锁定到腔模频率上,提高了激光-腔的耦合效率。为了避免光学腔直接反射光引起光学反馈,传统的OF-CEAS大都采用三镜V型谐振腔。然而,实验发现当反馈相位控制恰当时,光学腔直接反射光并不会影响光学反馈,激光可以锁定到光学腔的谐振光上。因此,提出了基于线性F-P腔的OF-CEAS。利用透射腔模的对称性计算得到反馈相位控制的误差信号,实现了激光频率到连续101个腔模频率的锁定。最后对32×10~(-6)的甲烷标气进行检测,获得OF-CEAS吸收信号,评估得到的探测灵敏度可达0.54×10~(-6)(1σ)。     

基于光子晶体和法布里珀罗腔结构的折射率传感器

光子晶体传感器在溶液检测方面具有巨大的应用潜力,设计一种光子晶体液体折射率传感器,通过在光子晶体中构造法布里珀罗腔(F-P腔)并利用光子晶体的自准直效应来实现折射率的探测。通过二维时域有限差分法(2D-FDTD)对电磁波在光子晶体F-P腔中的传播的仿真实验,最终获得了高线性度的输出光功率与液体折射率的对应关系,并可基于此特性实现液体折射率的检测。相较于其他的检测方法,光子晶体的应用使其具有体积小、测量范围广、易于与激光器件集成并且不受外界电磁环境影响等优点。     

基于光纤环形衰荡腔的甲烷传感研究

提出一种基于腔衰荡光谱技术的新型光纤甲烷传感方法,与传统的甲烷传感方式相比,它可以通过测量信号的相位移动来测量气体的浓度。实验中采用了环形的光纤结构,避免了小型渐变折射率透镜构成的微型气室产生的二次噪声,提高了系统的灵敏度。结果表明,该系统可以应用于低浓度气体的在线检测。     

改性石墨烯包覆光纤的马赫-曾德尔大肠杆菌传感器

针对日益严峻的食品安全问题,特别是食源性致病菌的快速检测,本文提出一种基于表面改性石墨烯粗锥型马赫-曾德尔干涉结构的光纤大肠杆菌传感器。首先,截取一根4 cm的实心光子晶体光纤,两端分别与两根单模光纤进行粗锥熔接,形成基于马赫-曾德尔干涉原理的传感结构;接着,制备一种表面改性石墨烯敏感材料,将它涂覆在实心光子晶体光纤的表面,使传感器对大肠杆菌溶液有较高的灵敏度;最后,将上述传感器置于水槽中,以此检测大肠杆菌溶液浓度。实验结果表明,在大肠杆菌溶液浓度为50~600 cfu/mL内,随着菌液的浓度增大,传感器的干涉光谱发生了明显的蓝移,灵敏度为3.43 pm/(cfu·mL^-1),菌液浓度与波长偏移的线性度为0.95649,检测限为67.18 cfu/mL,响应时间为15 s。该传感器成本低、体积小、响应时间快,适用于低浓度大肠杆菌浓度的快速检测。     

环形腔全光纤F-P干涉仪的声发射检测实验研究

提出了一种新型结构的用于声发射检测的全光纤F-P干涉仪。选用2×2光纤耦合器,将耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以耦合器代替传统的反射腔面,构成光纤环形传输腔,腔体贴附或埋入待测固体中检测声发射信号。通过理论推导和计算机仿真,确定了此结构光纤传感器的检测特性。实验以大理石板作为待测介质,对利用信号发生器驱动PZT（压电陶瓷）作为已知超声源在大理石板中产生的连续型声发射信号,及冲击波作用下大理石板中产生的突发型声发射信号进行了检测,并利用Fourier变换,得到了声发射信号的特征频率。实验结果表明,此种结构传感器能够检测材料结构中促使光纤轴向伸缩长度的量级为10-8m的声发射信号并识别其特征频率,该结构光纤传感器无需光程的匹配,适用于大尺度构件的监测,为材料结构健康检测与监控提供了一种新的方法。     

前沿

环境监测仪器光学标定系统2006年3月17日,我国首台环境监测仪器光学标定系统通过了中科院综台计划局副局长许平主持的专家验收,标志着我国环境监测技术产业检测规范化工作取得了重要突破。“环境监测仪器光学标定系统”利用了光在反射腔中的多次反射来达到在较短反射腔中实现长光程的目的,在有效地提高气体长程吸收光谱测量灵敏度的基础上,通过抽真空和气体配气系统精确的控制腔体内的气体浓度实现了在实验室进行模拟真空环境的长光程传输检测和标定,在测量气体的吸收截面及对长光程气体监测类仪器进行浓度的标定上有着广阔的应用前景。该系…     

美国研制出新型光纤

美国一研究小组利用氟石晶体制成一种新型光纤。它与贝尔实验室的半导体激光源组合使用(该激光可以减少脉冲在光纤中的耗散),可在没有中继信号放大器的情况下将光信号传输480公里。原有光纤在无中继     

高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统

基于超窄线宽激光特性和光源波长扫描技术,构建了高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统。该系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作光源,使用两块高反射率平凹透镜组成的光学谐振腔作吸收池,通过扫描腔长使入射激光频率与谐振腔模式相匹配,利用激光失谐技术快速断开入射激光,从而实现对微量乙炔气体浓度的衰荡测量。利用腔增强吸收技术测得了激光衰荡时间和6 518.824 cm^-1附近的乙炔弱吸收光谱并进行了分析。结果表明,乙炔气体浓度线性相关系数优于0.999,最大相对误差小于2.5%,极限检测灵敏度为2×10^-6;逐次充入一定体积的乙炔气体,动态响应时间均小于10 s。该检测系统精确度好、灵敏度高,具有较好的动态响应特性,可用于电力变压器故障气体实时在线监测。     

光子晶体光纤传感器的研究进展

简要介绍了光子晶体光纤的基本结构、导光原理和主要特性.依据传感机理将光子晶体光纤传感器分为4类:吸收型光子晶体光纤传感器、荧光光子晶体光纤传感器、干涉型光子晶体光纤传感器、光子晶体光纤光栅传感器,分别对其工作原理、结构、特点和研究进展进行了讨论.     

一种循环水冷却系统及焊接头保护气装置的应用

激光焊接技术是采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束对工件进行加工的一种手段。当工件处于激光焦点附近时,就会在几毫秒内熔化和蒸发。目前在激光焊接领域中使用的激光器主要分为两类,一类是气体激光器,另一类是光纤激光器。本设计主要是利用循环水冷却来避免光纤激光器在连续焊接过程中产生的高温对同轴保护气装置构件的破坏,从而实现更高效的工作。     

光纤多气体检测系统的研究

采用光纤光栅波分复用技术,通过光纤光栅和压电陶瓷对LED进行波长调制,获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现多气体浓度检测.建立了谐波检测的数学模型,进行了C2H2和CO测量系统的研究.     

基于自适应锁相的多气体检测系统

光纤广泛应用于网络信号传输,但光纤中水蒸气、氧气等气体对不同频段信号起到吸收作用。以锁相放大电路为基础进行自适应锁相介绍,根据气体浓度设计0.001°的ADA2200相敏检测器、二阶低通滤波器、变量程等检测电路,利用14位A/D采集电路、量程自调整程序等自适应模块实时调整参考信号,并根据实际氧气和蒸汽浓度进行检测系统的测试。实验结果表明浓度改变0.2 ppm时信号就会变化1 mV,且3%浓度下误差波动不超过0.027%。结果表明光纤气体检测系统可以对超低浓度气体进行检测并投入生产。