結(jié)合有效介質(zhì)理論和薄膜光學的抗反射設計方法,設計了基于0.65μm工作波長的亞波長金屬偏振分束光柵,給出了光柵的優(yōu)化設計參數(shù),采用嚴格耦合波理論分析了光柵的偏振分束特性.結(jié)果表明,亞波長金屬光柵對te偏振表現(xiàn)為金屬膜特性,具有高反射,對tm偏振表現(xiàn)為介質(zhì)膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范圍和0.47μm<λ<0.80μm的寬入射波譜內(nèi),該光柵的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入損耗的特點.

亞波長周期結(jié)構(gòu)光柵具有傳統(tǒng)光柵所不具有的特殊性質(zhì).針對仿生微納導航系統(tǒng)敏感波段0.52-0.59μm的要求,采用嚴格耦合波理論分析了不同光柵材料、光柵面型及光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對tm偏振透射率及透射消光比的影響,設計了對應的金屬偏振光柵.所設計的光柵與傳統(tǒng)金屬光柵不同之處在于基底和光柵之間增加了氟化鎂介質(zhì),在垂直入射條件下,tm偏振透射率及消光比都增大.在0.38μm~0.40μm及0.50μm~0.76μm全光波段內(nèi),tm偏振透射率都大于50%,消光比都大于170,達到了寬帶寬、tm偏振透射率及透射消光比都較高的要求.

本文結(jié)合工程實踐,介紹一種新型的螺釘圓極化器。該螺釘圓極化器利用現(xiàn)有的三維仿真技術與機械加工工藝手段,通過改進傳統(tǒng)的可調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)形式,使極化器實物結(jié)果與仿真模型保持一致,實現(xiàn)了極化器的免調(diào)。

為了增大光纖中光信號的傳輸效率,在光纖中嵌入金屬光柵是一種可行的做法。文中通過對嵌入不同材料的五層金屬光柵光纖的反射率的分析,給出了在金屬光柵中嵌入材料的選擇方法。仿真分析結(jié)果顯示,ag作為一種優(yōu)良的等離子材料,是最適宜作為嵌入的金屬光柵材料。

提出了雙光柵平場全息凹面光柵光譜儀的優(yōu)化設計方法。將使用波段一分為二,由兩個使用結(jié)構(gòu)相同的平場全息凹面光柵分別進行光譜成像以達到提高光譜分辨率的目的。根據(jù)全息凹面光柵像差理論,對光柵的使用結(jié)構(gòu)和兩光柵各自的制作結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化求解以校正離焦、像散、彗差和球差等各種像差。據(jù)此原理設計了工作波段為200~800nm、探測器長度25mm的雙光柵平場光譜儀。兩光柵的工作波段分別為200~400nm和400~800nm,像面上光譜像的全寬度分別優(yōu)于0.83nm和1.68nm。通過與相同設計指標的單光柵平場光譜儀進行比較,證明采用雙光柵的設計方案能夠有效地改善平場全息凹面光柵光譜儀的光譜分辨率。

基于嚴格耦合波理論,分析了金屬介質(zhì)膜光柵的衍射性能,以-1級衍射效率為評價函數(shù),研究了表面浮雕結(jié)構(gòu)分別為hfo2和sio2材料的金屬介質(zhì)膜光柵,獲得衍射效率優(yōu)于99%的結(jié)構(gòu)參數(shù)。數(shù)值計算表明,當頂層光柵結(jié)構(gòu)為hfo2和sio2的槽深分別為80nm和225nm時,在1053nm處獲得接近100%的衍射效率。

介紹一種新型的基于光纖光柵應變傳感特性的金屬腐蝕傳感器。實驗中,傳感器被放置在腐蝕液中,并使用moism125波長解調(diào)儀監(jiān)測光纖光柵反射譜中心波長。加速腐蝕實驗持續(xù)大約7h,結(jié)束時應變片被腐蝕的厚度為1.2mm,光柵反射譜中心波長偏移了約4nm。實驗結(jié)果證明了該傳感器設計的合理性和在實際應用中的可能性,同時也討論將該種傳感器投入實用所需要進行的改進。

為了滿足橋梁和大壩等民用建筑和航空航天飛行器等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與管理需要,設計并制作了兩種分別用鈦合金和不銹鋼材料封裝的光纖布拉格光柵應變傳感器,并利用懸臂梁校準裝置對兩種傳感器的應變特性進行測試。試驗結(jié)果表明,鈦合金封裝的線性度及應變靈敏系數(shù)優(yōu)于不銹鋼材料封裝的傳感器。因此,在對結(jié)構(gòu)的應變監(jiān)測時,使用鈦合金封裝的傳感器更能真實反映結(jié)構(gòu)的應變變化,從而達到健康監(jiān)測的目的。

介紹了光纖光柵溫度傳感器的金屬管封裝技術,通過實驗研究其溫度傳感特性。采用熱膨脹系數(shù)不同的內(nèi)徑r=1mm,壁厚d=0.5mm,長度l=100mm管式結(jié)構(gòu)的金屬材料對光纖光柵進行貼壁封裝實驗時,得到黃銅管封裝的傳感靈敏度為14.9pm/℃,紫銅管封裝的為14.6pm/℃,不銹鋼管封裝的為12.0pm/℃,它們分別是裸光柵的1.66倍、1.62倍和1.33倍,意味著熱膨脹系數(shù)大的封裝材料傳感靈敏度更高。實驗表明,軸向封裝的光柵,傳感靈敏度還與其同管內(nèi)壁的間距有關,間距越小靈敏度越高。

針對傳統(tǒng)單片柱透鏡和柱面反射鏡成像光束不理想以及視場通常小于1°,提出并設計了一種三反射式柱面結(jié)構(gòu)。對柱面光線追跡及單片柱面鏡成像進行了深入分析,分別設計了三反射式圓柱面和二次曲線柱面系統(tǒng),提出了一種基于拋物柱面鏡理想線聚焦的新型像差優(yōu)化方法,使其在子午面方向各視場調(diào)制傳遞函數(shù)得到最佳優(yōu)化,并達到成像光譜儀等在狹縫方向上高空間分辨率要求。其子午面總視場均達到了3°,在45lp/mm分辨率條件下,邊緣視場子午面方向的調(diào)制傳遞函數(shù)分別優(yōu)于0.2和0.6。

提出了一種由單個光纖光柵和一個光纖方向耦合器組成的新型全光纖反射器,推導出了當光柵為均勻bragg光柵、器件任意端口輸入時,任何一端口的輸出解析式。分析表明器件具有法布里-珀羅腔干涉儀的特點,耦合器的耦合比系數(shù)類似于法布里-珀羅腔的反射率,耦合比系數(shù)越大,輸出光譜半高全寬度(fwhm)越窄,消光比越好。當耦合比系數(shù)大于0.8時,fwhm可以窄到0.02nm,消光比大于0.9。如果光柵是“強”耦合,器件具有均勻分布的多通道梳狀輸出特性;光柵為“弱”耦合時,則能實現(xiàn)fwhm小于0.02nm的單頻輸出。器件只需單個光柵,克服了制作兩個完全相同光柵的困難。

開發(fā)高壓超高壓電力電纜光纖光柵溫度傳感器系統(tǒng),提出光纖光柵傳感機理,建立優(yōu)化設計框架。通過光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,提出片式封裝結(jié)構(gòu);通過線性度優(yōu)化設計,提出用鋁板作為封裝基底材料;通過外界應力場影響補償優(yōu)化設計,提出采用40mm×10mm(長×寬)的小尺寸封裝方法。進行光纖光柵溫度傳感器水域?qū)嶒灪凸饫w光柵測溫系統(tǒng)對比實驗,討論系統(tǒng)的性能和可行性。并將光纖光柵溫度實時在線監(jiān)控系統(tǒng)應用于實際工程項目,分辨率達0.1℃,精確度達±0.5℃,測溫范圍可達-30～200℃。

設計了用于旋轉(zhuǎn)機械動靜間隙測量的三層反射式同軸光纖束位移傳感器。建立了光纖束傳感器調(diào)制函數(shù)的數(shù)學模型,對影響傳感器特性的參數(shù),包括接收光纖纖芯半徑b0、發(fā)射光纖和接收光纖的軸間距c、被測表面反射率變化等進行了仿真計算和分析,給出了系統(tǒng)的優(yōu)化設計參數(shù)。以車削圓柱體為工件進行了動態(tài)測試,測試結(jié)果表明,該傳感器有效抑制了光源波動和測量點不同對測量結(jié)果的影響,滿量程范圍內(nèi)誤差小于1%,滿足了設計要求。

針對反射體布拉格光柵譜組束中缺乏精密控制儀器的實驗條件,采用透鏡作為光束入射角和準直控制器件,設計了一種結(jié)構(gòu)簡單的譜組束系統(tǒng)?；谘苌湫史匠?得到了光柵最佳設計參數(shù);基于像差理論,得到了透鏡最佳設計參數(shù)。針對該設計系統(tǒng),對影響組束效果的因素進行了分析,并對組束效果進行了預測。結(jié)果表明:當激光束的譜寬小于1.5nm時,設計系統(tǒng)的組束效率能超過90%;而當光束的譜寬達到2.1nm時,設計系統(tǒng)也能獲得超過88.7%的組束效率。

從光纖光柵傳感器傳感原理出發(fā),分析了波長漂移的影響因素,對光纖光柵增敏及封裝保護現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)總結(jié),指出了其中存在的不足和發(fā)展方向及應用前景。對光纖智能結(jié)構(gòu)和智能金屬結(jié)構(gòu)的特點及應用情況進行了系統(tǒng)綜述,分析了研究中存在的問題及應用前景。

反射式強度型光纖傳感器可以有各種不同的結(jié)構(gòu),而利用被測物做反射面是其中最簡單、容易實現(xiàn)的一種。文章從多模光纖組合光場的強度分布著手,推導出了光纖傳感器接受光功率與測量距離之間的關系,而測量距離是由反射鏡到接收光纖端面之間的長度決定的,其目的是為制作光纖傳感器提供理論依據(jù)。

闡述了由耦合模理論得到的光纖布喇格光柵的反射率的表達式,并且由此表達式導出了光纖布喇格光柵的反射特性和反射中心波長。理論分析了反射波長λ、光柵柵距λ,折射率微擾的最大值δnmax,光柵區(qū)長度l和反射率rg之間的關系。

為解算大氣偏振態(tài)來實現(xiàn)精確導航,基于嚴格耦合波分析,設計了適用于復眼結(jié)構(gòu)的亞波長金屬偏振器。針對不同周期、占空比和金屬層厚度的單層、雙層金屬光柵進行了仿真分析,結(jié)合實際工藝水平和加工成本,最后選定周期200nm,占空比0.5,深度200nm,金屬層厚度100nm的雙層金屬光柵作為復眼結(jié)構(gòu)的檢偏器,設計的雙層金屬光柵在中心波段450nm的藍光(400~500nm)tm偏振光透射率為45%,消光比達到450,達到用于偏振導航的要求。

在雙光柵測量音叉微小振幅的理論基礎上,利用靜光柵縱向位移對金屬熱膨脹系數(shù)進行測量.本文給出了動態(tài)雙光柵測量金屬熱膨脹系數(shù)的理論拓展與實驗結(jié)果.

把光纖bragg光柵(fbg)封裝于薄金屬套管中以保護光柵,把封裝后的fbg貼于2種建筑鋼筋上,用拉伸機拉伸鋼筋。通過監(jiān)測fbg反射峰的漂移測量鋼筋的應變,細致考察了波長漂移量與應變大小的關系。實驗結(jié)果表明,光柵反射波峰值移動和拉力大小之間有著良好的線性關系,對兩種鋼筋的線性度分別達到0.9956和0.9995。

銅蒸氣激光反射鏡在非正入射的時候,兩個不同的偏振態(tài)之間會產(chǎn)生不同的相移。通過優(yōu)化設計,在490～530nm之間p、s波獲得了90°的相移,同時也使反射率在99998%以上。ag層的厚度對于相移不敏感,并且當其厚度大于一定值的時候,對反射率沒有影響。根據(jù)誤差分析,制備薄膜時其沉積速率精度控制在±1%以下,在光譜范圍內(nèi)能達到±1528°的相移誤差,相移均在504nm處附近存在有一個收斂值。折射率的變化控制在±1%以下,在光譜范圍內(nèi)能達到±1277°的相移誤差。最外一層厚度變化±1%,其相移變化達到±55°,2～5層和9～16層對相移的影響也在0.5°之上,其余各層對相移影響非常的小。使用時的入射角控制在±1°時,在光譜范圍內(nèi)能達到±2.86°的相移誤差。在530nm附近的波段對入射角不敏感。

金屬增強型反射鏡在入射光非正入射的時候,兩個不同的偏振態(tài)之間會產(chǎn)生不同的相移。利用最優(yōu)技術設計了一種相位延遲器,其工作波長在640-670nm之間,入射角在40-50°范圍內(nèi)時,反射率>99%且相移為90°±20°。波長在670nm附近時相移對入射角不敏感。膜層厚度誤差對相移影響最大。