基于Monte-Carlo模拟的光纤探头的设计以及探头在皮肤NADH荧光光谱测量中的应用

研发了一套血流介导皮肤荧光光谱(FMSF)检测系统,该系统可以非侵入性地检测人体皮肤内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)荧光光谱的动态变化;对该系统中的荧光探头进行了仿真设计,以提高NADH荧光的收集效率.首先构建人体7层皮肤结构模型,采用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法模拟组织中光子的传输规律;然后探究了收集光纤的纤芯直径、激发光纤与收集光纤的近边缘距离、光纤探头与皮肤之间的距离等对荧光光谱检测的影响;最后根据模拟结果研制了一套光纤探头,并将其应用于皮肤NADH荧光光谱检测系统中.结果 表明:采用该系统结合闭塞后反应性充血可以在体检测NADH荧光光谱,光谱强度呈现一种明显的动态变化.与现有技术相比,基于FMSF技术的皮肤NADH检测方法具有测量速度快、无创等优势,为研究线粒体能量代谢及糖尿病等相关疾病提供了先进的技术手段.     

利用微区空间分辨漫反射测量组织光学特性

为了准确测量光源附近微区内的漫反射光分布,设计了一维光纤阵列探头,通过两个光开关的通道切换实现了对距离光源0.125～1.250 mm径向范围内10个位置漫反射光强的测量,空间分辨率为0.125 mm.实验测量的漫反射光分布与Monte Carlo(MC)结果相符合,验证了测量系统的可靠性,采用逆MC算法,实现了对生物组织模拟液光学参量的测量,测量结果与文献报道符合较好.     

纳米结构器件材料结构参数的新测试方法

使用Monte Carlo模拟方法和器件振荡特性测试研究了异质谷间转移电子器件的直流隧穿特性和射频振荡性能与器件结构参数之间的关系.理论计算结果与实验数据间吻合得很好.在此基础上提出了通过电性能测试来分析器件结构参数的新方法.使用逐层化学腐蚀C-V测试测定了有源层的掺杂分布.通过低场电阻测量确定了量子阱的宽度.最后从器件振荡特性与Monte Carlo模拟曲线的对照中得出了掺杂接口的浓度.由此建立了器件结构参数的一套完整的测试分析方法.使用这套测试监控方法,已成功地研制出MBE和MOCVD工艺的高效、大功率振荡器件.     

雷达非参量检测器在Weibull杂波中的性能

本文采用计算机Monte Carlo模拟方法研究雷达广义符号检验法(GS)检测器及其两种简化形式在Weibull杂波中的性能。给出了模拟计算的定量结果,详细讨论了Weibull杂波形状参数、目标起伏特性和检测器参数对雷达性能的影响。     

超声调制的散射光在多层生物组织中的传播

通过Monte Carlo方法研究了经超声场调制的散射光在双层和三层生物组织中的传播规律.给出了超声调制的散射光及其调制深度与介质厚度、吸收系数、散射系数和各向异性因子的关系.Monte Carlo模拟结果表明,经超声调制后的散射光会随着超声区外生物组织的光学参数和组织结构的变化而变化,而调制深度只与超声区的声光特性有关,与超声区外生物组织的光学特性、组织结构等无关,是超声调制光学成像技术最终进行图像处理与重建的关键物理量.     

单模光纤的PMD

讨论了单模光纤的偏振模色散PMD，包括PMD与单模光纤的几何尺寸及应力的非圆对称的关系模间耦合的影响。PMD具有瞬时统计特性以及采用Monte Carlo模拟软件对光缆产品的PMDQ进行估算。     

近红外光谱光纤探头的创新设计用于骨关节炎的原位检测

创新设计了一款操作灵活、方便、适于生物医学原位检测的反射式近红外（NIR）光纤探头,通过将自聚焦透镜耦合到NIR光纤探头的顶端,并对探头结构、光纤排布进行全新设计,使光纤探头具有更高的测量精度和收集效率。通过耦合傅里叶变换近红外光谱仪对蔗糖样本进行NIR光谱采集,发现该反射式NIR光纤探头具有高效便捷的特点以及较高的光谱重复性和信噪比。采用该光纤探头对犬膝关节股骨端关节软骨进行NIR光谱离体原位检测,这些光谱数据经一阶导数2次多项式21点Savitzky-Golay平滑预处理后再进行主成分分析和Fisher判别分析。模型初始案例和交互验证案例正确识别率分别为97.62%、90.47%,样本预测集的识别率达96.43%,证明了采用该NIR光纤探头进行NIR光谱原位检测的有效性及骨关节炎识别的可行性,可为骨关节炎的临床诊断奠定实验基础。     

纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的温度特性

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上,综合运用光学薄膜法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)干涉理论,采用MATLAB 编程设计了纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的仿真分析程序,模拟了薄膜型光纤法布里-珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性,分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重,并进行了实验验证。验证结果表明,传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致,纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系,对传感探头的研制具有指导意义。     

石英管增强拉曼光纤探头粉末样品探测

拉曼光谱技术以其多组分同时探测、分子指纹特性等优点被广泛应用于多个领域,但其较低探测灵敏度严重限制了此技术的进一步发展。为了提高拉曼光谱技术粉末样品原位分析能力,提出了一种基于石英管增强的高灵敏度拉曼光纤探头。探头采取内镀金属空芯光纤用于光信号的传输,有效减小了背景信号对拉曼光谱的影响;探头底端采用石英管设计,增大采样体积和收集效率,提高了拉曼光谱的探测灵敏度。理论分析了石英管拉曼光谱技术可提高粉末样品的探测灵敏度,详细介绍了探头的设计和实现,进一步评估探头的性能,结果表明:相较于球透镜拉曼探头,拉曼信号强度（NaHCO₃）增强2.92倍。为模拟实际应用场景,采用光纤拉曼探头成功获得了容器中不同深度粉末样品（Na₂SO₄和NaHCO₃）的拉曼光谱信息。文中设计的石英管增强拉曼探头具有外径尺寸小（外径仅为2 mm）、灵敏度高等优点,可对深层次粉末样品进行探测,为现场粉末样品原位分析提供了一种新途径。     

哺乳动物组织体中光能流率测量

本文使用自行设计的光纤探针深度计,实现了哺乳动物组织体中光能流率的精确测定,并结合后向散射反射率的测量结果,利用Monte Carlo模型的部分结论,计算出了猪肉和牛肉组织的光学特性参数。     

熔拉与腐蚀光纤探针传输特性的研究

用实验方法测量了用熔拉或腐蚀的方法制备的光纤探针的传输效率随光纤圆锥角的变化关系,作出传输效率曲线,通过测定光纤探针传输效率的实验,我们看到:在小锥角的情况下,用熔拉法制备的光纤探针与腐蚀的方法制备的光纤探针的传输效率基本相同。在大锥角的情况下,用腐蚀法制备的光纤探针传输效率高于熔拉的方法制备的光纤探针的传输效率。在锥角为50.4°时,腐蚀的光纤探针传输效率为78.8%,熔拉的光纤探针传输效率为76.6%。在相同的条件下,两者的传输效率的差别随入射光波长的增加而下降。     

Monte Carlo modeling for implantable fluorescent analyte sensors

A Monte Carlo simulation of photon propagation through human skin and interaction with a subcutaneous fluorescent sensing layer is presented. The algorithm will facilitate design of an optical probe for an implantable fluorescent sensor, which holds potential for monitoring many parameters of biomedical interest. Results are analyzed with respect to output light intensity as a function of radial distance from source, angle of exit for escaping photons, and sensor fluorescence (SF) relative to tissue autofluorescence (AF). A sensitivity study was performed to elucidate the effects on the output due to changes in optical properties, thickness of tissue layers, thickness of the sensor layer, and both tissue and sensor quantum yields. The optical properties as well as the thickness of the stratum corneum, epidermis, (tissue layers through which photons must pass to reach the sensor) and the papillary dermis (tissue distal to sensor) are highly influential. The spatial emission profile of the SF is broad compared that of the tissue fluorescence and the ratio of sensor to tissue fluorescence increases with distance from the source. The angular distribution of escaping photons is more concentrated around the normal for SF than for tissue AF. The information gained from these simulations will be helpful in designing appropriate optics for collection of the signal of interest.     

全光路补偿反射式光纤探头

理论和实验证明,用光纤Y型分路器与单根光纤结合构成的一种新型反射式光纤探头,具有全光路补偿的特性。用这种反射式光纤探头再与波登管压力表结合,组成了性能优良而有广泛应用前景的波登管光纤压力表。     

光子晶体光纤模式特征的数值研究

应用光子晶体光纤（PCF）的本地正交基函数模型，对PCF的模式特征进行了详尽的数值研究，包括模式特性、传输常量、模场分布、模场面积、功率限制特性等。结果表明：通过调节PCF的结构参量，可以设计大有效面积PCF，用于高功率传输和制作光纤激光器；利用PCF的芯层与包层较高的折射率差，将光功率更大限度地限制在芯层以利于研究非线性效应等。     

反射补偿式光纤位移传感器的理论分析

概述了反射式光纤传感器的发展。讨论了这类光纤传感器理论分析中所采用的纤端出射光场光强径向均匀分布的假设。给出了纤端出射场的光通量分布函数,并以全光路补偿反射式光纤探头为例,建立了补偿机理的理论分析方法,给出了传感特性调制函数的解析表达式。最后,简要分析了这类光纤传感器的温度稳定性问题。     

Ruby (Al_2O_3∶Cr~(3+)) Fluorescence Thermometer Using PLD-PMSR Technique

A kind of fluorescence fiber-optic thermometer is devised based on the solid-state ruby fluorescence material. The characteristics of fluorescence material absorption and emission are analyzed, and the fiber-optic temperature measurement probe in ruby is developed. This system is particularly adaptable to the temperature measurement in the range of 20℃ to 600℃. During the experiment, this method is proved to be useful to temperature measurement with high resolution and precision.     

Ruby (Al2O3: Cr3+) Fluorescence Thermometer Using PLD-PMSR Technique

A kind of fluorescence fiber-optic thermometer is devised based on the solid-state ruby fluorescence material. The characteristics of fluorescence material absorption and emission are analyzed, and the fiber-optic temperature measurement probe in ruby is developed. This system is particularly adaptable to the temperature measurement in the range of 20 ℃ to 600 ℃. During the experiment, this method is proved to be useful to temperature measurement with high resolution and precision.     

熊猫型保偏光纤模间干涉的传感特性研究

分析了熊猫型保偏光纤模间干涉输出光强分布同模间干涉相位差之间的关系,并给出了其分布图;采用有限元法对熊猫型保偏光纤的模传输特性进行了计算,得到了几个低阶模式的传输特性曲线;理论计算了LP01模和LP11模间的干涉拍长。通过实验,验证了熊猫光纤模间干涉输出两个干涉边瓣光强随光纤应力变化呈交替分布的特点以及模间干涉拍长的计算结果。本文的研究为将熊猫型保偏光纤应用到光纤传感器的设计中提供了理论和实验参考。     

Non-touch Fiber-optic Reflective Displacement Sensor for Roller Wear

By accurately measuring the displacement between the roller surface and the optical fiber probe relative to a null position, we can test the roller wear. The whole testing method and system were introduced. Each part of the testing system was illustrated. And also a novel fiber-optic sensor with three probes in equal transverse space is adopted. Using this sensor, the effects of fluctuations in the light source, reflectivity changing of target surface and the intensity losses in the fiber lines are automatically compensated. This method offers such advantages as non-contact, no electromagnetic interference, simplicity, low cost, high sensitivity, good accuracy and stability.     

Non—touch Fiber—optic Reflective Displacement Sensor for Roller Wear

By accurately measuring the displacement between the roller surface and the optical fiber probe relative to a null position, we can test the roller wear. The whole testing method and system were introduced.Each part of the testing system was illustrated. And also a novel fiber—optic sensor with three probes in equal transverse space is adopted. Using this sensor, the effects of fluctuations in the light source, reflectivity changing of target surface and the intensity losses in the fiber lines are automatically compensated. This method offers such advantages as non—contact, no electromagnetic interference, simplicity, low cost, high sensitivity, good accuracy and stability.