基于曲面反射镜的光谱仪用光纤集光器设计（英文）

为了提高传统光纤光谱仪的探测距离,首次提出采用两片旋转抛物面反射镜进行光谱仪用光纤集光器入射光学设计,将光谱仪探测距离从厘米量级提高到50m,可用于户外被动光源条件下超低空遥感探测。从光纤光谱仪对集光器的性能要求出发,推导出适用于不同灵敏度光纤光谱仪,针对不同探测目标、探测距离和不同天气条件下的抛物型集光器外围尺寸计算公式。根据计算结果,利用ZEMAX光学仿真软件设计出直径16mm,高7.8mm的光纤集光器模型,并利用TracePro光纤模拟软件进行追光分析,光学辐射放大率的仿真结果与理论计算结果完全吻合,误差小于0.78%。该集光器的设计可有效提高光纤光谱仪探测距离,拓展其应用领域和范围,且与传统透射型集光器相比,具有结构紧凑、轻便化、价格低廉等优点。     

脉冲激光波长测试系统光学天线研究

针对光纤光谱仪常规光纤探头接收面积小,难以探测远距离脉冲激光波长的情况,本文提出用带有光学天线的光纤光谱仪对脉冲激光幅度和波长进行测试的整体技术方案.通过对望远系统、光纤光锥、反射光锥等光学天线的接收角及光学增益进行的大量实验.结果表明采用不同的光学天线,可增大接收角或光学增益,实际应用中可以根据具体需要选择不同的光学天线.     

用于SS-OCT成像系统的侧视型全光纤镜头及其聚焦性能

为研制适用于扫频光学相干断层成像（Swept Source Optical Coherence Tomography,SS-OCT）系统的高性能侧视型全光纤镜头，分析了侧视型光纤镜头的性能影响因素及样品制作方法。对基于梯度折射率（Graded-Index,GRIN）光纤的侧视型全光纤镜头的光学模型进行解析，得出与侧视型全光纤镜头性能相关的特征参数。研究了“单模光纤+无芯光纤+GRIN光纤+转角介质”四段式侧视型镜头各组件长度对其光学聚焦性能的影响，设计各组件的适宜长度范围。最后，制作了外径小至0.5 mm、刚性长度2.75 cm的超小侧视型全光纤镜头样品，通过实验测得镜头的工作距离（0.52mm）和光斑直径（26.82μm），与理论分析结果基本一致，并将镜头样品集成于SS-OCT成像系统，获得了清晰的生物组织层析图像。实验结果表明，本文提出的分析方法可用于侧视型全光纤成像镜头结构参数的优化设计。     

AvaSpec系列微小型光纤光谱仪介绍

微型光纤光谱仪使用CCD、CMOS和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅。用石英光纤把样品产生的信号光传导到光谱仪的光学平台中。由于光纤耦合易于实现，可以很方便地搭建起由光源、取样附件和光纤光谱仪组成的测量系统。微小型光纤光谱仪具有许多大型光谱仪所不具备的优点，如重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，像普通光谱仪一样微型光谱仪有着巨大的应用市场，可以应用在实验室物理化学分析、临床医学检验、工业过程监控、航空航天遥感等领域，因而引起了人们广泛的兴趣。     

基于 D 型光纤光斑图的折射率传感特性研究

本文设计并制备了一种单模-D 型-多模光纤结构,利用光纤传导模式间的干涉以及 D 型光纤的非对称结构,获得对外 界变化响应极其灵敏的光斑图,并基于纹理特征算法解调出光斑的特征值,由特征值与折射率之间的一一对应关系实现折射率 传感。 对传感特性的研究中,从仿真与实验的角度讨论了不同抛磨长度、抛磨深度对传感特性的影响,仿真与实验结果均表明, 抛磨长度 2 mm 和抛磨深度 18 μm 参数的 D 型光纤结构折射率传感特性最佳,仿真与实验结果一致,证明了研究方法的正确性 以及 D 型光纤光斑传感器进行折射率传感的可行性。 实验中,能量值(EN)折射率测量灵敏度最高可达-1. 86 / RIU,拟合度达 到 0. 964,相关性值(COR)折射率检测灵敏度最高可达-0. 23 / RIU,拟合度达到 0. 979。 由于光斑检测的分辨力极高,因此,该方 法为高分辨力折射率测量提供了很好的思路。     

微小型光纤光谱仪在过程监测中的应用

微小型光纤光谱仪逐渐取代了传统的旋转光栅扫描结构的光谱仪,成为一种新型的在线测量仪器,具有体积小,质量轻,价格低,测量速度极快和采样方式灵活等优点,被广泛用于工业生产的众多领域.以Ocean Optics公司的光纤光谱仪为例.详细介绍采用全固定构件设计实现仪器微小型化的光学系统结构和可适应于多种要求的光纤采样的特点.以及微小型光纤光谱仪在紫外一可见光、近红外、拉曼散射、激光测量和荧光分析等多个平台的在线监测应用.     

可识别冰型的光纤结冰传感器

现有结冰传感器没有识别冰型的能力或识别冰型的可靠性偏低。针对这个问题,提出了一种能以较高可靠性识别冰型的光纤结冰传感器。在介绍传感器光学结冰探测原理和分析光路的基础上,设计出了此传感器,并在实验室环境下模拟传感器结冰,通过大量的试验,验证了其结果的有效可靠。最后得出结论:该传感器可用于对物体表面冰型(明冰和霜冰)及结冰厚度进行较高可靠性的识别和定量探测,具有广阔的应用前景。     

光纤传感在炮口测速中的研究

介绍了光纤传感器的基本原理和炮口测速的测量原理,进行了光纤束排列方式选择的实验和选用不同反射面进行探头与反射面探测距离的实验。根据实验结果绘制了关系曲线并对其进行了详细的分析。通过分析可知,最佳的测试方法是采用共轴内发射分布排列方式的光纤束,探头与反射面的探测距离为1.2mm时反射光强最大。从而为精确测定炮口速度提供了一定的理论基础。     

全光纤结构的石墨烯电吸收调制器

利用石墨烯优越的光学性能,构建了基于全光纤结构的石墨烯电吸收调制器。设计了调制器的结构,并进行了仿真和实验双重研究。首先,根据石墨烯的光学可调特性研究了其化学势和介电常数之间的关系。接着,基于全光纤结构设计了石墨烯电吸收调制器,并分析了它的整体有效折射率和化学势的变化关系。对提出的光纤石墨烯调制器进行仿真分析,并与传统半导体电吸收调制器进行对比,实现了一个全光纤结构的石墨烯调制器。对实现的调制器进行了系统的性能测试。结果显示:仿真的四层石墨烯的全光纤电吸收调制器的调制效率可以达到0.233dB/mm,在12.9mm的长度上可实现0.2V的摆动电压。实验测试验证了提出的全光纤石墨烯调制器的可行性;但受实验条件的限制,其半波电压约为120V,3dB调制器带宽为100 MHz。与传统石墨烯波导调制器相比,提出的调制器显示了半波电压小,调制效率高,尺寸小,同时具有低的插入损耗低等优势,适合在未来全光纤RoF系统应用。     

紫外告警系统结构分析与设计

提出了一种基于导弹紫外辐射探测的紫外告警系统的设计方法.以导弹尾焰所形成的紫外辐射源为目标,根据几何光学的方法分析并设计出了一种集光学接收、光电转换、自动伺服于一体的紫外告警系统.文中主要通过视场角及探测距离来计算物镜的焦距、通光口径等系统的具体参数.     

平板式光谱仪的结构设计

光谱仪的平板化,可以扩大仪器使用范围。本文主要研究一种基于CCD的平板式光谱仪的结构设计。使用合适的光纤、光栅、反射镜和CCD,通过理论计算,引入聚焦反射和分光,将色散光投射到CCD,简化结构。不同于传统的垂直光电隔离式设计,采用平面光电隔离式设计,使光谱仪厚度明显减小,光电分离式设计进一步提高了仪器应用的灵活性。     

用于沿海水色探测的机载紫外-可见-近红外高光谱成像仪

本文主要设计一种新型的可用于机载的紫外-可见-近红外高光谱成像系统,从而为沿海水色环境与污染观测提供一种有效的观测仪器。首先,根据探测目标特点确定了仪器系统的性能设计参数,选择了Dyson成像光谱系统来满足系统在宽谱段上的高信噪比和高光学性能;但Dyson成像光谱系统的结构过于紧凑,因此对Dyson成像光谱系统进行了研究,调整了狭缝、像面和光学元件的位置,使它们在轴向和垂直轴向上均具备足够的间隔,并在这种大空气间隔下分析了系统的完善消像差条件。通过光程分析和弯月透镜的加入,使改进型Dyson系统在0.278的数值孔径和320～1 000 nm的宽波段上具备良好的成像结果,全视场全波段MTF值在探测器奈奎斯特频率下(38.5 lp/mm)高于0.5,研制原理样机的光谱分辨率为3.375 nm,满足设计要求。该系统可为沿海水色环境的高光谱观测提供良好的工程应用基础。     

多波长激发高分辨率微型拉曼光谱仪设计

针对不同激光波长激发测试样品所需拉曼光谱范围的差异性问题,同时为了保证拉曼光谱仪的小型化及高分辨率需求,提出一种以Czerny-Turner光路结构为基础的微型拉曼光谱仪,通过Zemax光学设计软件对光谱仪的准直镜、聚焦镜、柱面镜、光栅以及CCD的倾角及距离进行了优化。该仪器激光波长为633 nm,光谱范围为640～800 nm。进一步优化光栅旋转角度并配合聚焦镜,可使此光学系统同时适用于激光波长532 nm、光谱范围540～650 nm和激光波长785 nm、光谱范围790～1 000 nm两个波段。拉曼光谱仪分辨率为0.1 nm,该光谱仪在保证高分辨率的情况下解决了不同波段范围光学结构差异性大而导致光机设计很难整合在一起的问题。     

测量纵向位移的光纤位移传感器

提出了一种测量纵向位移的光纤位移传感器的方法。列出了3种可行性结构方案：双棱镜单光纤位移传感器、单棱镜单光纤位移传感器、双棱镜双光纤位移传感器，并对各自进行了理论推导以及系统仿真，得到了比较满意的结果。其中双棱镜双光纤位移传感器的性能最佳，在自聚焦透镜的半径为1mm的前提下，检测纵向位移的范围可以达到4mm，这为将来的实际应用提供了有效的参考。     

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。     

基于紧凑结构的Czerny-Turner光谱仪的程序化设计方法

在满足光谱性能的同时,能最大化减小Czerny-Turner(CT)光谱仪光学系统尺寸,并防止入射光线与衍射光线发生干涉,创建了完整的结构参量选定体系。提出了光栅方程的变式,确定了防止入射光线与衍射光线发生干涉的约束条件,建立了光路结构的数学模型,确定了各个结构参量的计算公式。在此基础上将参量的确定过程编程简化,输入系统的分辨率、波长范围、数值孔径值和元件之间最小距离,即可直接得到光路结构的所有设计参量,实现了快速通用的CT光谱仪的设计方法。通过实例验证得到光谱范围780～1020 nm、分辨率0.4 nm、体积54 mm×56 mm×30 mm的光谱系统,可为其他设计提供参考。     

Mathematical model for the study and design of a solar dish collector with cavity receiver for its application in Stirling engines

This paper presents a mathematical model that allows representing the optical behavior of a solar parabolic dish concentrator and the thermal performance of a cavity receiver. A procedure and a graphical method for the design of dish/cavity systems are proposed. A parametric study of the main geometric variables is performed and the influence of climate variables on the thermal behavior of the system coupled to a Stirling engine is analyzed. The model considers errors of solar collector, intercept factor, reflected and emitted radiation, conduction, and convection heat losses. For the validation of the model, the results obtained were compared with theoretical and experimental results reported in the literature. The calculation of the radiation losses, emitted and reflected from the receiver presented errors of up to 14%, and the average error for the rest of the thermal losses, interception factor and the absorber??s temperature, was less than 3%. These results show that the proposed model can be used with sufficient certainty to design and optimize solar dish collectors with cavity receivers.     

Fiber-optic liquid level sensor based on coupling optical path length variation

The concept for a new and simple fiber-optic liquid level sensor is presented and experimental results are shown to demonstrate the principle. The sensing principle is based on light intensity modulation when rising and falling mode of liquid level causes coupling optical path distance variation between two optical fibers. Near continuous mode of liquid level variation could be monitored with resolution as low as 1 mm can be measured in the length scale of 25 cm.     

支持设计过程仿真的逻辑迭代结构模型及其仿真

针对现有设计结构矩阵不能完整地表达产品开发过程中存在的复杂信息迭代关系,从而造成基于该模型的开发过程仿真结果的不确定性大和开发过程时间的控制难、导致产品开发计划延误的缺陷,提出一种有利于表达产品开发过程中复杂信息迭代关系的逻辑迭代结构树模型,将过程中迭代间所具有的逻辑关联作为过程模型中的重要迭代规则,以改进传统模型中由于信息不完善而造成的过程仿真偏差;建立基于逻辑迭代结构树网的设计过程仿真模型,开发相应的设计过程仿真软件,并以摩托车制动器产品的开发过程仿真为例进行了验证.结果表明新方法能更加全面有效地表达影响产品开发进度的各种因素,减少传统方法中由于模型信息不完善产生的结果失真,进一步提高产品开发过程分析与评价的准确性,有利于提高企业产品开发计划的可实施性.     

高精度测温拉曼激光雷达光谱仪的光学设计

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差,提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正,针对光谱仪10mm/nm的线分辨率要求,采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹,拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax软件进行优化分析,结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5mm,间隔0.1nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1mm,满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制,达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的,解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求,对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。