弹光调制干涉具干涉数据的获取及光谱复原

为了获得弹光调制干涉具干涉信号的频谱,需进行光谱反演,但因其相位是非线性的,直接采用快速傅里叶变换反演光谱会导致光谱严重失真,因此提出采用非均匀快速傅里叶变换算法对干涉数据进行光谱反演的方法。首先采用基于高速数据采集卡PCI-5122设计的虚拟示波器获取652.6nm激光经弹光调制干涉具的干涉数据,然后在MATLAB环境中对干涉数据进行光谱反演,得到了相应的频谱信息。结果表明,对采集的652.6nm激光波长测量误差小于1nm,谱线位置误差小于0.1%,验证了该算法在弹光调制非均匀干涉数据光谱反演的可行性,这对弹光调制高性能傅里叶变换光谱仪的设计有借鉴应用价值。     

弹光调制干涉图的预处理及相位校正方法

弹光调制傅里叶变换干涉信号是高速、连续非线性变化。为了实现等时间采样干涉信号的准确光谱重建,有必要对弹光调制干涉信号的预处理技术和相位校正方法进行研究。为了从连续的干涉数据中获取一幅完整的干涉图,文中利用干涉图零光程差点的幅值最大特性,获取一幅完整的干涉图。同时,为了克服干涉图的非对称性,提出将改进的Mertz相位校正方法与非均匀快速傅里叶变换算法（NUFFT）相结合,提高重建光谱的速度和准确度。在实验中,通过仿真产生300 K红外黑体的非对称弹光调制干涉图,采用该数据处理方法提高了重建光谱的精度,并以大气窗口为被测对象,比较准确地重建了大气光谱曲线,实现了气体成分的定性分析。     

基于DSP的弹光调制干涉具干涉数据的实时处理系统

弹光调制干涉具中光程差的非线性带来了干涉信号的非均匀变化,在光谱复原过程中,如不对干涉数据修正直接采用快速傅里叶变换(FFT)复原光谱会导致光谱严重失真,难以满足实时处理要求。首先提出采用非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)实现光谱复原,其次设计了一种基于高性能DSP芯片OMAP-L138的干涉数据处理系统,它将高速数据采集卡PCI-5122采集到的671.1 nm激光干涉数据进行存储并完成其实时光谱复原。研究结果表明:这套干涉数据实时处理系统操作简单,运行可靠。复原671.1 nm激光的波长误差小于1 nm,谱线位置误差小于0.1％,为后期采用高性能DSP的弹光调制傅里叶变换光谱仪提供了很好的前提基础。     

大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号光谱反演

为快速实现大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号的光谱反演,通过分析大摆角摆臂式干涉仪的工作过程和干涉信号的非线性对光谱反演的影响,提出了基于非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)的光谱反演方法。该方法先利用核函数和卷积算法让非线性干涉信号线性化,然后对线性化的干涉信号进行快速傅立叶变换实现光谱反演。实验将光程差替换法和NUFFT算法分别应用于非线性干涉信号的光谱反演。结果表明:两者光谱反演精度相近,但NUFFT算法速度更高。     

空间外差干涉图调制项误差分析与校正

空间外差光谱仪一体化制作过程的光学缺陷会导致光学仪器采集到的干涉图存在误差,将仪器的相位误差和非均匀误差共同作用下对干涉图产生的影响称为"调制项误差".结合空间外差干涉图与光谱之间的对应关系,基于傅里叶变换的卷积特性提出了一种干涉图调制项误差校正算法以达到同时修正干涉图相位误差和非均匀误差的目的,提高光谱反演精度.对比校正前后光谱与理论光谱之间的均方误差和信噪比来定量说明校正效果.通过数据对比发现,经校正后光谱的均方误差由1.17×10-2减少到8.86×10-5,光谱信噪比从10.36提高到30.11,体现了校正算法的有效性.     

基于电压补偿的弹光调制器稳定性控制方法研究

弹光调制器是由各向同性的弹光晶体和压电晶体组成的热机电耦合器件,其谐振频率随温度变化存在严重漂移,导致弹光调制器工作不稳定。为了实现弹光调制干涉信号的相位延迟量沿正弦规律变化,有必要对影响弹光调制干涉仪的稳定因素进行分析与控制。针对此问题,在建立弹光调制器振动模型和频率温漂模型的基础上,提出了基于数字锁相技术的驱动电压自调节方法。在该方法中,根据弹光调制干涉信号的四倍频与二倍频的比值,基于FPGA调节DDS输出方波信号的占空比以稳定弹光调制干涉信号的相位延迟量。实验结果表明,驱动电压自调节时的相位延迟量变化幅度为0.6%,电压一定时相位延迟量幅度下降了15.6%,证明该方法有效的稳定了相位延迟量,从而提高了弹光调制器的稳定性和调制效率。     

弹光调制器压电晶体阻抗匹配特性的研究

根据弹光调制干涉具的工作原理,利用等效电路的方法,对压电晶体的阻抗特性进行了分析与计算,推导出了压电晶体与信号源间的理想匹配条件,得出了匹配网络中电感、电容的理论关系.根据理论关系,在信号源与压电晶体间作相应的阻抗匹配,搭建系统并进行相关实验验证.实验结果表明,通过该阻抗匹配网络,可使弹光调制干涉具的振动性能达到最佳,提高了驱动控制器的电品质因数,进而将弹光调制干涉具调制光程差提高了40％,达到了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱分辨率的目的.     

弹光调制器的频率漂移特性及其傅里叶变换光谱的稳定性研究

弹光调制器作为高Q值的谐振器件,在高压谐振下,其谐振频率将随着自身温度升高漂移,影响了弹光调制干涉仪的稳定性和重建光谱的准确性。在建立弹光调制器振动模型和频率温漂模型的基础上,提出了基于频率跟踪和幅值调节的弹光调制器双闭环自适应驱动控制方法。在该方法中,采用数字锁相技术的频率自扫描方法实现驱动频率对弹光调制器谐振频率的跟踪;基于检测参考激光干涉图的最大光程差的变化调节驱动信号的幅值,以实现重建光谱的稳定控制,同时基于参考激光的最大光程差参数实现重建光谱的定标。在实验中该驱动控制方法应用到弹光调制傅里叶变换光谱仪中,实现了驱动频率对弹光调制器谐振频率的实时跟踪和高压功放电路的幅值调节,使得干涉图的最大光程差稳定在0.236 nm左右,其精密度为3.3%;重建光谱的最大相对误差为2.5%。此实验验证了该方法能有效稳定弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率。     

基于SOPC的弹光调制干涉信号高速数据采集

针对弹光调制干涉信号频率高的特点及实时处理的要求,设计一种基于SOPC(System on a Programmable Chip)技术的可脱离PC环境的弹光调制干涉信号高速数据采集平台。采用硬件设计和软件编程测试控制系统各部分IP核的方法,实现对弹光调制干涉信号的高速实时采集,将采集到的数据以DMA传输方式存储到两片DDR3 SDRAM。在FPGA控制下,软核处理器（Micro Blaze）将采集到的干涉信号进行实时处理。对卤钨灯光源经调制后的干涉信号进行实时采集和处理验证实验,其中系统各部分IP核的控制逻辑可以根据实际需求进行调整,满足实验实时处理的要求;实验结果表明,该系统可以对最大光程差为69.608μm的干涉信号进行实时采集与存储,采集的信号波形与实际弹光特性相一致。     

空间外差光谱仪干涉图修正研究

空间外差光谱技术（Spatial heterodyne spectroscopy, SHS）是一种新型的光谱分析技术,本文基于空间外差光谱仪的基本原理和特点,研究了实际测量中干涉仪两光臂不平衡造成的畸变干涉图的修正方法,模拟计算了干涉仪两光臂不平衡时干涉图的强度变化,并对其进行了模拟修正,修正后的干涉图与理想的SHS干涉图一致性较好。修正方法主要是测量干涉图的非调制项（即未发生干涉时单个光臂的光强）,以及在干涉图数据处理中引入了一个修正因子。通过对干涉仪两臂不平衡的修正,可以有效地提高干涉图反演光谱的精度。     

基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带定向耦合器研究

A novel broadband directional coupler based on an asymmetric dual-core photonic crystal fibet(PCF)is proposed.The asymmetry in the fiher is introduced by the enlargement of one air-hole in dual-core PCF.Numerical investigation demonstrate that broadband directional coupling with spectral width as large as 370 nm and polarization-dependent loss and uniformity lower than 0.2 and 0.5 dB,respectively,can be achieved.In addition,the proposed fiber shows large tolerance to the variation of the fiber parameters.In particular,the fiber length allows at least 10%derivation from the proposed fiber length of 7.7 mm.     

数值模拟在非对称双芯光子晶体光纤耦合器教学中的应用

本文从对非对称双芯光子晶体光纤耦合器的数值模拟分析,表明提出的结构由于两不同偏振方向模式的耦合程度相近,使得这种耦合器可忽略光偏振特性的影响;同时,在一定分光比下,耦合器具有波长响应平坦性,可制作不同分光比的宽带双芯耦合器,并且带宽、分光比偏差程度、耦合长度等特性较普通宽带光纤耦合器都有较大改善,为宽带非对称双芯光子晶体光纤耦合器的制作提供了理论支持。     

用于宽带偏振无关耦合器的双芯光子晶体光纤

提出一种可用于宽带偏振无关光定向耦合器的新型双芯光子晶体光纤(PCF),利用全矢量有限元方法分析了光纤结构参数对其光学特性的影响,得到了一组优化的双芯PCF结构参数,满足易于制作、易于接续和接续损耗低等应用要求,在此基础上对光纤结构进行了改进,进一步降低了制作难度,基于该光纤可以设计出在1.26～1.625μm范围内分光比误差小于1%、两偏振态分光比误差小于0.2%的50:50耦合器,并在现有实验条件下,试制了近似结构的双芯PCF。     

双芯光子晶体光纤耦合器模型优化研究

为了优化双芯光子晶体光纤耦合器的耦合性能,采用改变两纤芯间空气孔的结构和孔内折射率的方法,得到了双芯光子晶体光纤耦合器的优化模型。基于光束传播法数值分析出两纤芯间空气孔尺寸以及孔内注入材料折射率的变化对双芯光子晶体光纤耦合器的耦合性能的影响。结果表明,由于光纤的整体结构不变,使得光纤损耗系数保持不变;减小双芯间的空气孔孔径或增大孔内折射率都会使耦合器的耦合长度减小,两不同偏振方向的耦合长度差异减小,损耗减小;双芯间空气孔内折射率可调性强,使得光纤耦合器的耦合性能有易调节的优点,为设计双芯光子晶体光纤耦合器的优化模型提供了理论支持。     

Asymmetric elliptical-hole dual-core photonic crystal fiber with enhanced pressure sensitivity

We propose an asymmetric elliptical-hole dual-core photonic crystal fiber (AE-DC-PCF) for hydrostatic pressure sensing. The transmission spectra of the AE-DC-PCF under hydrostatic pressure and the relationship between pressure sensitivity and the minor axis ratio at different elliptical ratios have been calculated. Our results show that the AE-DC-PCF has higher pressure sensitivity than that of conventional dual-core photonic crystal (DC-PCF) fiber which has the circular-hole. Based on a 10 cm fiber, the pressure sensitivity of the AE-DC-PCF as high as 50.6 pm/MPa were achieved at 1.55 μm, which is higher than the pressure sensitivity obtained from conventional DC-PCF (32.2 pm/MPa).     

Design of a fiber polarizer based on an asymmetric dual-core photonic crystal fiber

We propose a novel optical polarizer based on an asymmetric dual-core photonic crystal fiber(PCF) with triangular lattice air-holes.The fiber is designed as that the effective indices of modes in the two cores are matched at one polarized state but mismatched at another polarized state.As a result,one of the polarization states is coupled to the other core and transferred into a high-order mode.The transmission properties of the polarizer are investigated by the semi-vectorial beam propagation method(SV-BPM...     

零模间色散双空芯光子晶体光纤

分析了双空芯光子晶体光纤(HC-PCF)在纤芯填充液态高折射率温敏物质后的传输特性,应用全矢量有限元法(FEM)研究温度均匀变化时光纤耦合特性、模间色散特性的变化规律。结果表明,在特定温度下,耦合特性随传输波长的增大呈现出先减弱、后增强的变化趋势,且光纤的模间色散存在过零点。通过调节温度或占空比,可以在1.31μm和1.55μm两个常用通信波段内实现零模间色散传输,由此能够完全消除模式间相位不匹配导致的脉冲失真,实现能量的完全交换。     

色散补偿双芯光子晶体光纤的数值研究

为了解决光纤通信系统中的色散补偿问题,提出一种新型的用于色散补偿的双芯光子晶体光纤,其构成材料是纯石英和空气,即在常规光子晶体光纤基础上变化包层第1圈和第3圈空气孔、增大了结构参量变化的自由度。采用平面波展开法对其色散补偿特性进行了数值研究,并模拟了包层结构参量与色散之间的关系,计算得出这种光纤的色散可以达到-1956.327ps·nm-1·km-1,能够补偿超过自身长度100倍的普通单模光纤。结果表明,双芯光子晶体光纤在色散补偿方面具有很大潜力,在未来光通信系统中将发挥重要作用。     

优化对称双芯PCFs耦合器性能的两种方法

为了从理论上优化对称双芯光子晶体光纤耦合器性能,采用两种方法进行了研究,首先通过改变双芯光子晶体光纤结构物理量d/Λ和Λ,选取几种不同结构的对称双芯光子晶体光纤耦合器的耦合特性进行了分析对比,然后对耦合器纤芯掺氟,改变其耦合性能。结果表明,耦合器具有在500nm范围内耦合比偏差小于4%的宽带效应。     

模间色散为零的双芯光子晶体光纤

设计一种在短波长处可以实现零模间色散的双芯光子晶体光纤,该光纤的包层气孔直径具有渐变结构。利用全矢量有限元法进行分析,得到光纤耦合系数、模间色散及走离距离特性随传输频率和结构参数的变化曲线。数值分析结果表明,可以通过调节双芯间小孔的直径,灵活控制耦合系数的变化。在特定的传输频率处,模间色散存在过零点。且双芯间小孔的直径越大,模间色散过零点所在的传输频率越低。当模间色散为零时,可以完全消除模式间相位不匹配导致的脉冲失真,从而实现能量的完全交换。