反射式金属光栅圆极化器优化设计

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对te偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对tm偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点.

亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊性质.针对仿生微纳导航系统敏感波段0.52-0.59μm的要求,采用严格耦合波理论分析了不同光栅材料、光栅面型及光栅结构参数对tm偏振透射率及透射消光比的影响,设计了对应的金属偏振光栅.所设计的光栅与传统金属光栅不同之处在于基底和光栅之间增加了氟化镁介质,在垂直入射条件下,tm偏振透射率及消光比都增大.在0.38μm~0.40μm及0.50μm~0.76μm全光波段内,tm偏振透射率都大于50%,消光比都大于170,达到了宽带宽、tm偏振透射率及透射消光比都较高的要求.

本文结合工程实践,介绍一种新型的螺钉圆极化器。该螺钉圆极化器利用现有的三维仿真技术与机械加工工艺手段,通过改进传统的可调螺钉圆极化器结构形式,使极化器实物结果与仿真模型保持一致,实现了极化器的免调。

为了增大光纤中光信号的传输效率,在光纤中嵌入金属光栅是一种可行的做法。文中通过对嵌入不同材料的五层金属光栅光纤的反射率的分析,给出了在金属光栅中嵌入材料的选择方法。仿真分析结果显示,ag作为一种优良的等离子材料,是最适宜作为嵌入的金属光栅材料。

提出了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计方法。将使用波段一分为二,由两个使用结构相同的平场全息凹面光栅分别进行光谱成像以达到提高光谱分辨率的目的。根据全息凹面光栅像差理论,对光栅的使用结构和两光栅各自的制作结构进行优化求解以校正离焦、像散、彗差和球差等各种像差。据此原理设计了工作波段为200~800nm、探测器长度25mm的双光栅平场光谱仪。两光栅的工作波段分别为200~400nm和400~800nm,像面上光谱像的全宽度分别优于0.83nm和1.68nm。通过与相同设计指标的单光栅平场光谱仪进行比较,证明采用双光栅的设计方案能够有效地改善平场全息凹面光栅光谱仪的光谱分辨率。

基于严格耦合波理论,分析了金属介质膜光栅的衍射性能,以-1级衍射效率为评价函数,研究了表面浮雕结构分别为hfo2和sio2材料的金属介质膜光栅,获得衍射效率优于99%的结构参数。数值计算表明,当顶层光栅结构为hfo2和sio2的槽深分别为80nm和225nm时,在1053nm处获得接近100%的衍射效率。

介绍一种新型的基于光纤光栅应变传感特性的金属腐蚀传感器。实验中,传感器被放置在腐蚀液中,并使用moism125波长解调仪监测光纤光栅反射谱中心波长。加速腐蚀实验持续大约7h,结束时应变片被腐蚀的厚度为1.2mm,光栅反射谱中心波长偏移了约4nm。实验结果证明了该传感器设计的合理性和在实际应用中的可能性,同时也讨论将该种传感器投入实用所需要进行的改进。

为了满足桥梁和大坝等民用建筑和航空航天飞行器等结构的健康监测与管理需要,设计并制作了两种分别用钛合金和不锈钢材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并利用悬臂梁校准装置对两种传感器的应变特性进行测试。试验结果表明,钛合金封装的线性度及应变灵敏系数优于不锈钢材料封装的传感器。因此,在对结构的应变监测时,使用钛合金封装的传感器更能真实反映结构的应变变化,从而达到健康监测的目的。

介绍了光纤光栅温度传感器的金属管封装技术,通过实验研究其温度传感特性。采用热膨胀系数不同的内径r=1mm,壁厚d=0.5mm,长度l=100mm管式结构的金属材料对光纤光栅进行贴壁封装实验时,得到黄铜管封装的传感灵敏度为14.9pm/℃,紫铜管封装的为14.6pm/℃,不锈钢管封装的为12.0pm/℃,它们分别是裸光栅的1.66倍、1.62倍和1.33倍,意味着热膨胀系数大的封装材料传感灵敏度更高。实验表明,轴向封装的光栅,传感灵敏度还与其同管内壁的间距有关,间距越小灵敏度越高。

针对传统单片柱透镜和柱面反射镜成像光束不理想以及视场通常小于1°,提出并设计了一种三反射式柱面结构。对柱面光线追迹及单片柱面镜成像进行了深入分析,分别设计了三反射式圆柱面和二次曲线柱面系统,提出了一种基于抛物柱面镜理想线聚焦的新型像差优化方法,使其在子午面方向各视场调制传递函数得到最佳优化,并达到成像光谱仪等在狭缝方向上高空间分辨率要求。其子午面总视场均达到了3°,在45lp/mm分辨率条件下,边缘视场子午面方向的调制传递函数分别优于0.2和0.6。

提出了一种由单个光纤光栅和一个光纤方向耦合器组成的新型全光纤反射器,推导出了当光栅为均匀bragg光栅、器件任意端口输入时,任何一端口的输出解析式。分析表明器件具有法布里-珀罗腔干涉仪的特点,耦合器的耦合比系数类似于法布里-珀罗腔的反射率,耦合比系数越大,输出光谱半高全宽度(fwhm)越窄,消光比越好。当耦合比系数大于0.8时,fwhm可以窄到0.02nm,消光比大于0.9。如果光栅是“强”耦合,器件具有均匀分布的多通道梳状输出特性;光栅为“弱”耦合时,则能实现fwhm小于0.02nm的单频输出。器件只需单个光栅,克服了制作两个完全相同光栅的困难。

开发高压超高压电力电缆光纤光栅温度传感器系统,提出光纤光栅传感机理,建立优化设计框架。通过光纤光栅温度传感器封装结构优化设计,提出片式封装结构;通过线性度优化设计,提出用铝板作为封装基底材料;通过外界应力场影响补偿优化设计,提出采用40mm×10mm(长×宽)的小尺寸封装方法。进行光纤光栅温度传感器水域实验和光纤光栅测温系统对比实验,讨论系统的性能和可行性。并将光纤光栅温度实时在线监控系统应用于实际工程项目,分辨率达0.1℃,精确度达±0.5℃,测温范围可达-30～200℃。

设计了用于旋转机械动静间隙测量的三层反射式同轴光纤束位移传感器。建立了光纤束传感器调制函数的数学模型,对影响传感器特性的参数,包括接收光纤纤芯半径b0、发射光纤和接收光纤的轴间距c、被测表面反射率变化等进行了仿真计算和分析,给出了系统的优化设计参数。以车削圆柱体为工件进行了动态测试,测试结果表明,该传感器有效抑制了光源波动和测量点不同对测量结果的影响,满量程范围内误差小于1%,满足了设计要求。

针对反射体布拉格光栅谱组束中缺乏精密控制仪器的实验条件,采用透镜作为光束入射角和准直控制器件,设计了一种结构简单的谱组束系统。基于衍射效率方程,得到了光栅最佳设计参数;基于像差理论,得到了透镜最佳设计参数。针对该设计系统,对影响组束效果的因素进行了分析,并对组束效果进行了预测。结果表明:当激光束的谱宽小于1.5nm时,设计系统的组束效率能超过90%;而当光束的谱宽达到2.1nm时,设计系统也能获得超过88.7%的组束效率。

从光纤光栅传感器传感原理出发,分析了波长漂移的影响因素,对光纤光栅增敏及封装保护现状进行了系统总结,指出了其中存在的不足和发展方向及应用前景。对光纤智能结构和智能金属结构的特点及应用情况进行了系统综述,分析了研究中存在的问题及应用前景。

反射式强度型光纤传感器可以有各种不同的结构,而利用被测物做反射面是其中最简单、容易实现的一种。文章从多模光纤组合光场的强度分布着手,推导出了光纤传感器接受光功率与测量距离之间的关系,而测量距离是由反射镜到接收光纤端面之间的长度决定的,其目的是为制作光纤传感器提供理论依据。

阐述了由耦合模理论得到的光纤布喇格光栅的反射率的表达式,并且由此表达式导出了光纤布喇格光栅的反射特性和反射中心波长。理论分析了反射波长λ、光栅栅距λ,折射率微扰的最大值δnmax,光栅区长度l和反射率rg之间的关系。

为解算大气偏振态来实现精确导航,基于严格耦合波分析,设计了适用于复眼结构的亚波长金属偏振器。针对不同周期、占空比和金属层厚度的单层、双层金属光栅进行了仿真分析,结合实际工艺水平和加工成本,最后选定周期200nm,占空比0.5,深度200nm,金属层厚度100nm的双层金属光栅作为复眼结构的检偏器,设计的双层金属光栅在中心波段450nm的蓝光(400~500nm)tm偏振光透射率为45%,消光比达到450,达到用于偏振导航的要求。

线胀系数是表征物质膨胀特性的重要参数。介绍了用光栅尺和恒温控制的方法来测量金属的线胀系数的原理、方法和实验装置,给出了测定结果。结果表明,该方法减小了实验误差,得到了预期的结果,体现了新型传感器在实验技术中应用的优点。

在双光栅测量音叉微小振幅的理论基础上,利用静光栅纵向位移对金属热膨胀系数进行测量.本文给出了动态双光栅测量金属热膨胀系数的理论拓展与实验结果.

密度可以解释熔融金属的性质和行为,密度的变化特征反映了熔融金属内部原子距离和配位数等的基本变化。研制了一种测量熔融金属密度的浮子式光纤bragg光栅传感器,浸没在熔融金属中的浮子受浮力作用,通过传递杆、等臂杠杆及连杆,拉动等强度悬臂梁产生扰度变化,根据检测粘贴在等强度悬臂梁表面的光纤bragg光栅中心波长移位值,测出浮力值,进而检测熔融金属密度。该传感器的理论灵敏度为0.115pm/(kg/m3),4次实验得到熔融金属的平均密度为7.574×103kg/m3,略小于理论密度7.621×103kg/m3,相对误差为0.62,均方根误差为117.371kg/m3。

分析了传统反射式光纤位移传感器参考光路的缺点，提出了一种不需要分束器或耦合器的新型参考光路，它们具有结构简单，低成本，易于制作，对光源和光纤，信号处理均无特殊要求，却能有效地消除不稳定因素影响的特点，这种传感器有实际应用的潜力。