光纤低相干干涉测量法的光谱域处理技术

使用低相干宽带光源可使光纤传感器系统实现高分辨率和大动态范围。本文介绍了在具有这种特点的光源下应运而生的光谱域处理技术。     

光纤F-P传感低相干信号的小波提取研究

研究了Morlet小波在光纤Fabry-Perot(F-P)低相干干涉条纹包络提取方面的应用,给出了Morlet小波尺度的计算公式。对不同信噪比(SNR)下低相干干涉峰值的提取作了仿真计算,并利用实测干涉图作了小波提取实验,验证了Morlet小波处理方法的有效性。实验结果显示,采用Morlet小波处理的低相干干涉解调方法的测量线性度好,线性相关系数为0.999 9。     

用作低相干光源的掺钐（Sm^3＋）光纤

用Ａｒ离子激光器泵浦的掺Ｓｍ＾３＋光纤可以产生用作白光干涉测量的低相干可见光源。利用两个光谱滤光器还能灵活而有效地产生一个双波长组合光源，该光纤光源能与光传感系统中的其它光纤器件兼容，具有与单模光纤良好的耦合效率和强的空间干涉性，因此在白光干涉测量传感应用中，这种光纤是极有潜力的一种掺杂光纤。     

布里渊光相干域分析技术研究进展

布里渊光相干域分析(BOCDA)技术可以实现长传感距离、高空间分辨率和高速的分布式温度或应变传感,在大型结构健康监测、现代工业等领域具有广阔的应用前景。分别综述了正弦频率调制型BOCDA、相位调制型BOCDA和宽带光源型BOCDA近年来的研究进展,其中宽带光源型BOCDA包括基于放大自发辐射的BOCDA和本课题组提出的混沌激光BOCDA。对比了这些技术的优缺点,分析了BOCDA系统的性能,并对BOCDA技术的发展前景进行了展望。     

宽带非相干光纤光源的分割技术

利用光学滤波器将宽带光源的光谱进行分割,并将分割后的光谱调制以传输数据的波分复用技术对于WDM系统是一种良好的解决方案。本文概述了国内外分割宽带非相干光源的几种方法,并介绍了宽带非相干可分割光纤光源的线宽优化的方案。     

光纤激光器的相干合成技术

介绍了光纤激光器相干合成的研究现状,分析了几种典型的相干合成方法,指出了最佳的相干合成方法。     

随机电磁涡旋光束在光纤中光谱相干度的变化

基于广义惠更斯菲涅尔原理和相干偏振统一理论 ,推导了随机电磁高斯涡旋光束在梯 度折射率 光纤传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式,并用以研究了随机电磁高斯涡旋光束在梯度折 射率光 纤中光谱相干度的变化。研究结果表明,随机电磁高斯涡旋光束在梯度折射率光纤中传输时 ,光谱 相干度分布的周期与梯度折射率系数β相关。光束波长越长梯度折射率光纤对 光谱相干度分布的聚 焦作用越明显。光谱相干度分布暗环数与拓扑荷数m相同,自相关空间长度σ_xx会改 变光谱相干度 沿径向的变化速度,而互相关空间长度σ_xy不改变光谱相干度分布。本文研究结果对 随机电磁涡旋光 束在光纤中的传输具有指导意义,在高速率大容量光纤保密通信方面有参考价值。     

光学相干层析成象技术基本原理

本文介绍了光学相干层析成象技术（ＯＣＴ），阐述了层析成象的基本原理，讨论了层析象的信息内容。     

调谐光频梳干涉光谱技术的改进与标定研究

光频梳为高分辨分子光谱测量提供了理想光源。基于两台异步光梳的双光梳光谱技术能够在射频域解析光梳梳齿,具有光谱范围宽、分辨率高、精度高及测量时间短的优势。但是该技术存在系统复杂度高且对环境噪声敏感等问题,限制了其在工业领域的应用。探索并改进了基于单台光梳与连续激光器拍频的光梳干涉光谱技术(FCIS)。通过高频电子器件与高速数据采集系统,单次成谱范围拓展至66 GHz(0.5 nm),使其在10μs内实现对660个纵模频谱的一次性测量。试验对乙炔、氰化氢气体的近红外分子谱线进行了高分辨测量。谱分辨率达50 MHz(0.4 pm),谱线精度0.3 pm。试验结果与HITRAN标准数据一致,证明了系统能够用于快速、高精度的气体光谱测量与定量分析。研究为探索适用于工业气体监测的高分辨光梳光谱技术提供了参考。     

低反光纤光栅对光纤激光器光谱展宽影响研究

光纤激光器中的自相位调制(SPM)以及低功率下的空间烧孔效应(SHB)会导致输出光谱展宽。分析了SPM、SHB导致光谱展宽的理论模型,讨论了低反光纤光栅(OC)的带宽与反射率对激光器输出光谱展宽的影响。实验研究了不同输出功率下激光器输出光谱随OC带宽及反射率的变化关系。结果表明减小OC带宽能够有效减缓SPM、SHB导致的输出光谱展宽;减小OC反射率能降低SPM导致的输出光谱展宽速度,却促进了SHB导致的光谱展宽;但相同改变量的情况下,OC带宽所带来的影响较反射率更为显著。实验结果与理论分析一致,对光谱合束及窄线宽高功率光纤激光器的设计与应用具有重要意义。     

低相干光干涉法延时测量中的误差分析

低相干光干涉法通过测量宽谱光通过待测器件之后的相位变化得到其相对延时量。采集宽谱光时域干涉数据,利用傅里叶变换提取出频域相位信息后再进行相位展开、多项式拟合处理,所得相位曲线对频率求导可得待测延时曲线。延时测量误差来源于干涉信号强度误差和纯相位误差。理论分析和仿真计算表明,延时误差与相位误差成正比;强度噪声引起的相位误差与噪声强度成正比,且该类噪声可通过曲线拟合算法得到有效抑制。实验表明,温度等环境因素引起的纯相位误差是延时测量误差的主要因素。实验上,对约19 m光子晶体光纤于1540~1560 nm波段的相对延时进行了测量,达到了0.14 ps的精度。     

基于谱域光学相干反射测量术的生物组织折射率测量技术

提出了基于谱域光学相干反射法的生物组织折射率测量技术,设计了共光路干涉结构,提高了测量速度,抗干扰能力强。中心波长为850nm的宽带光源发射的光经Y型耦合器传输到样品端,由样品散(反)射后,回射入样品臂,经Y型耦合器传输到光谱分析系统,使用计算机虚拟仪器完成系统构建与优化。编写快速傅里叶变换程序进行信号分析。使用标准K9玻璃样片作为样品进行验证,实验误差为0.29%。实际测量了黄瓜浅表切片在850nm波长处的折射率,测量时间小于1min。     

基于图像频谱能量集中度的频域光学相干层析术数值色散补偿

分析阐述了频域光学相干层析术(SDOCT)系统参考臂和样品臂之间的色散不匹配对所获取的图像的频谱能量分布的影响。提出了一种基于图像频谱能量集中度的SDOCT系统数值色散补偿方法。当图像频谱低频区域内的能量百分比最小时,表明系统色散匹配。实验中选取平面反射镜作为样品,验证了用该方法来衡量系统色散匹配的效果与传统的利用半峰全宽(FWHM)法来评定色散补偿的结果一致。最后获取了人体手指的在体光学断层图像,并用该方法进行了色散不匹配补偿。实验结果显示该方法能够有效地对系统色散进行补偿,从而提高了图像的分辨率。     

Fiber Optic Fourier Transform White-Light Interferometry

Fiber optic Fourier transform white-light inter-fereometry is presented to interrogate the absolute optical path difference of an Mach-Zehnder inter-ferometer. The phase change of the interferometer caused by scanning wavelength can be calculated by a Fourier transform-based phase demodulation technique. A linear output is achieved.     

光源谱宽对干涉式光纤陀螺影响的分析

宽谱光源已成为干涉式光纤陀螺(I-FOG)的不二之选。理论上讲谱宽越宽,越有利于抑制I-FOG中的瑞利散射误差和克尔效应误差,但过宽的谱宽却会影响光纤陀螺标度因数的稳定性。如何选择谱宽合适的光源,是I-FOG研究中必须解决的问题。针对这一问题,该文从瑞利散射误差、克尔效应误差和光纤陀螺标度因数的稳定性出发,论述了光源谱宽对干涉式光纤陀螺的影响,分析了限制谱宽增加和减小的因素。结果表明,光源的谱宽不宜过宽或过窄,需要根据实际情况合理选择光源谱宽。     

基于谱分析的高分辨率白光OCT的研究

提出了一种基于谱分析的白光光学相干层析术(OCT)的方法.使用卤素灯光源作为白光源,建立了迈克尔逊干涉仪系统.当从物体反射回来的光和从参考平面镜反射回来的光在相干长度以内,将发生干涉,干涉信号通过光谱仪进行分析,实际测得了系统的低相干波形,得到了相干长度为1.5 μm的低相干信号,纵向分辨率精度高,有利于测量细胞级的生物体.     

屈光介质中谱域光学相干层析成像的重构

在屈光介质中,由于光线的折射以及光程与实际物理距离的错配,使得光学相干层析(OCT)成像存在重构误差。将几何光学中光线追迹的方法应用于光纤型谱域光学相干层析成像系统所成图像的重构误差矫正,在理论上推导了屈光介质所成层析图像与其真实物理结构的映射关系。实验中,将提出的方法应用于玻璃毛细管和人眼眼前节图像的重构误差矫正,在矫正后的图像中玻璃毛细管的剖面结构得到了准确的还原,所测人眼的眼角膜厚度、前房深度和宽度、眼角膜前后表面以及晶状体前表面的曲率半径等各种参数都符合模型眼给出的参考值。该方法能够使光学相干层析成像系统应用于具有任意多层折射界面的屈光介质,包括由透镜组组成的复杂光学系统等的成像。     

基于小波分析的BOTDR光纤传感器信号处理方法

布里渊光时域反射测量技术(BOTDR)测量数据看作由不同频率成分组成的数字信号序列，采用小波分析对其进行处理。利用小波变换对BOTDR的测量数据进行消噪处理和异常值检测，并用某工程现场实测的BOTDR数据进行了验证。实例表明，小波分析在消除噪声和检测异常点是十分有效的。     

基于可调谐光纤激光器的频域光纤光学双稳态及其应用

频域光纤光学双稳态是光学舣稳态原理和现代光纤技术的有机结合，具有广阔的应用前景。本文综述了基于可调谐激光器的电光混合型和本征型频域光学双稳态的工作机制和最新研究进展，并对这种器件在光纤激光稳功率器、光开关和数字式光纤传感器等方面的应用进行了讨论。