反射式金屬光柵圓極化器優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合有效介質(zhì)理論和薄膜光學(xué)的抗反射設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了基于0.65μm工作波長(zhǎng)的亞波長(zhǎng)金屬偏振分束光柵,給出了光柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),采用嚴(yán)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(zhǎng)金屬光柵對(duì)te偏振表現(xiàn)為金屬膜特性,具有高反射,對(duì)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(diǎn).

亞波長(zhǎng)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(duì)仿生微納導(dǎo)航系統(tǒng)敏感波段0.52-0.59μm的要求,采用嚴(yán)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(duì)tm偏振透射率及透射消光比的影響,設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的金屬偏振光柵.所設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)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(shù)與機(jī)械加工工藝手段,通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的可調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)形式,使極化器實(shí)物結(jié)果與仿真模型保持一致,實(shí)現(xiàn)了極化器的免調(diào)。

為了增大光纖中光信號(hào)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(guò)對(duì)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(chǎng)全息凹面光柵光譜儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。將使用波段一分為二,由兩個(gè)使用結(jié)構(gòu)相同的平場(chǎng)全息凹面光柵分別進(jìn)行光譜成像以達(dá)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(duì)光柵的使用結(jié)構(gòu)和兩光柵各自的制作結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)計(jì)了工作波段為200~800nm、探測(cè)器長(zhǎng)度25mm的雙光柵平場(chǎng)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(guò)與相同設(shè)計(jì)指標(biāo)的單光柵平場(chǎng)光譜儀進(jìn)行比較,證明采用雙光柵的設(shè)計(jì)方案能夠有效地改善平場(chǎng)全息凹面光柵光譜儀的光譜分辨率。

基于嚴(yán)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(jí)衍射效率為評(píng)價(jià)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(jì)算表明,當(dāng)頂層光柵結(jié)構(gòu)為hfo2和sio2的槽深分別為80nm和225nm時(shí),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(yīng)變傳感特性的金屬腐蝕傳感器。實(shí)驗(yàn)中,傳感器被放置在腐蝕液中,并使用moism125波長(zhǎng)解調(diào)儀監(jiān)測(cè)光纖光柵反射譜中心波長(zhǎng)。加速腐蝕實(shí)驗(yàn)持續(xù)大約7h,結(jié)束時(shí)應(yīng)變片被腐蝕的厚度為1.2mm,光柵反射譜中心波長(zhǎng)偏移了約4nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該傳感器設(shè)計(jì)的合理性和在實(shí)際應(yīng)用中的可能性,同時(shí)也討論將該種傳感器投入實(shí)用所需要進(jìn)行的改進(jìn)。

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(cè)與管理需要,設(shè)計(jì)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(yīng)變傳感器,并利用懸臂梁校準(zhǔn)裝置對(duì)兩種傳感器的應(yīng)變特性進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,鈦合金封裝的線性度及應(yīng)變靈敏系數(shù)優(yōu)于不銹鋼材料封裝的傳感器。因此,在對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí),使用鈦合金封裝的傳感器更能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化,從而達(dá)到健康監(jiān)測(cè)的目的。

介紹了光纖光柵溫度傳感器的金屬管封裝技術(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度l=100mm管式結(jié)構(gòu)的金屬材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行貼壁封裝實(shí)驗(yàn)時(shí),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(shí)驗(yàn)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(guān),間距越小靈敏度越高。

針對(duì)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(chǎng)通常小于1°,提出并設(shè)計(jì)了一種三反射式柱面結(jié)構(gòu)。對(duì)柱面光線追跡及單片柱面鏡成像進(jìn)行了深入分析,分別設(shè)計(jì)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(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)得到最佳優(yōu)化,并達(dá)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(chǎng)均達(dá)到了3°,在45lp/mm分辨率條件下,邊緣視場(chǎng)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(gè)光纖光柵和一個(gè)光纖方向耦合器組成的新型全光纖反射器,推導(dǎo)出了當(dāng)光柵為均勻bragg光柵、器件任意端口輸入時(shí),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(diǎn),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(dāng)耦合比系數(shù)大于0.8時(shí),fwhm可以窄到0.02nm,消光比大于0.9。如果光柵是“強(qiáng)”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(shí),則能實(shí)現(xiàn)fwhm小于0.02nm的單頻輸出。器件只需單個(gè)光柵,克服了制作兩個(gè)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(jī)理,建立優(yōu)化設(shè)計(jì)框架。通過(guò)光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),提出片式封裝結(jié)構(gòu);通過(guò)線性度優(yōu)化設(shè)計(jì),提出用鋁板作為封裝基底材料;通過(guò)外界應(yīng)力場(chǎng)影響補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì),提出采用40mm×10mm(長(zhǎng)×寬)的小尺寸封裝方法。進(jìn)行光纖光柵溫度傳感器水域?qū)嶒?yàn)和光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn),討論系統(tǒng)的性能和可行性。并將光纖光柵溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目,分辨率達(dá)0.1℃,精確度達(dá)±0.5℃,測(cè)溫范圍可達(dá)-30～200℃。

設(shè)計(jì)了用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)靜間隙測(cè)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(xué)模型,對(duì)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(cè)表面反射率變化等進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析,給出了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。以車削圓柱體為工件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,該傳感器有效抑制了光源波動(dòng)和測(cè)量點(diǎn)不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,滿量程范圍內(nèi)誤差小于1%,滿足了設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)反射體布拉格光柵譜組束中缺乏精密控制儀器的實(shí)驗(yàn)條件,采用透鏡作為光束入射角和準(zhǔn)直控制器件,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的譜組束系統(tǒng)?；谘苌湫史匠?得到了光柵最佳設(shè)計(jì)參數(shù);基于像差理論,得到了透鏡最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。針對(duì)該設(shè)計(jì)系統(tǒng),對(duì)影響組束效果的因素進(jìn)行了分析,并對(duì)組束效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:當(dāng)激光束的譜寬小于1.5nm時(shí),設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組束效率能超過(guò)90%;而當(dāng)光束的譜寬達(dá)到2.1nm時(shí),設(shè)計(jì)系統(tǒng)也能獲得超過(guò)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(zhǎng)漂移的影響因素,對(duì)光纖光柵增敏及封裝保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)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(yīng)用前景。對(duì)光纖智能結(jié)構(gòu)和智能金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行了系統(tǒng)綜述,分析了研究中存在的問題及應(yīng)用前景。

反射式強(qiáng)度型光纖傳感器可以有各種不同的結(jié)構(gòu),而利用被測(cè)物做反射面是其中最簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的一種。文章從多模光纖組合光場(chǎng)的強(qiáng)度分布著手,推導(dǎo)出了光纖傳感器接受光功率與測(cè)量距離之間的關(guān)系,而測(cè)量距離是由反射鏡到接收光纖端面之間的長(zhǎng)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(dá)式,并且由此表達(dá)式導(dǎo)出了光纖布喇格光柵的反射特性和反射中心波長(zhǎng)。理論分析了反射波長(zhǎng)λ、光柵柵距λ,折射率微擾的最大值δnmax,光柵區(qū)長(zhǎng)度l和反射率rg之間的關(guān)系。

為解算大氣偏振態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航,基于嚴(yán)格耦合波分析,設(shè)計(jì)了適用于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)金屬偏振器。針對(duì)不同周期、占空比和金屬層厚度的單層、雙層金屬光柵進(jìn)行了仿真分析,結(jié)合實(shí)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(fù)眼結(jié)構(gòu)的檢偏器,設(shè)計(jì)的雙層金屬光柵在中心波段450nm的藍(lán)光(400~500nm)tm偏振光透射率為45%,消光比達(dá)到450,達(dá)到用于偏振導(dǎo)航的要求。

在雙光柵測(cè)量音叉微小振幅的理論基礎(chǔ)上,利用靜光柵縱向位移對(duì)金屬熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)量.本文給出了動(dòng)態(tài)雙光柵測(cè)量金屬熱膨脹系數(shù)的理論拓展與實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

把光纖bragg光柵(fbg)封裝于薄金屬套管中以保護(hù)光柵,把封裝后的fbg貼于2種建筑鋼筋上,用拉伸機(jī)拉伸鋼筋。通過(guò)監(jiān)測(cè)fbg反射峰的漂移測(cè)量鋼筋的應(yīng)變,細(xì)致考察了波長(zhǎng)漂移量與應(yīng)變大小的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光柵反射波峰值移動(dòng)和拉力大小之間有著良好的線性關(guān)系,對(duì)兩種鋼筋的線性度分別達(dá)到0.9956和0.9995。

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

金屬增強(qiáng)型反射鏡在入射光非正入射的時(shí)候,兩個(gè)不同的偏振態(tài)之間會(huì)產(chǎn)生不同的相移。利用最優(yōu)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種相位延遲器,其工作波長(zhǎng)在640-670nm之間,入射角在40-50°范圍內(nèi)時(shí),反射率>99%且相移為90°±20°。波長(zhǎng)在670nm附近時(shí)相移對(duì)入射角不敏感。膜層厚度誤差對(duì)相移影響最大。