基于石墨烯和模间干涉的光纤气体传感器

为了实现对空气中有毒、有害气体进行精确监测预报,提出了一种石墨烯包裹的拉锥与错位级联型光纤气体传感器.包裹在光纤锥形传感区域的单层石墨烯和错位熔接的光纤导致的模间干涉,会使沿光纤表面传输的倏逝场得到大幅增强,提高了对折射率的灵敏度,其灵敏度可以达到1.2×10⁴nm.随着石墨烯表面吸附的气体分子量的增加,复合波导的有效折射率会发生规律性的变化,从而引起干涉波长的衰减和移动,进而通过检测输出光信号的变化而实现气体分子浓度的检测.研究表明,该传感结构具有体积小、机械强度好、光谱品质好、灵敏度高等优点.     

基于单模光纤的双锥级联干涉型角度传感器

提出了一种结构简单且具有高灵敏度的光纤角度传感器.该传感器传感头由普通单模光纤经过CO_2激光器刻写形成两段参数不同的锥形光纤.当信号光通过级联光纤锥区时,第一级锥区激发出的包层模传播一段距离后,在第二级锥区与芯模发生干涉.当角度变化时,两锥之间的距离即光程差将发生改变,同时光纤弯曲时纤芯模与包层模之间的模式耦合情况也发生变化,从而使干涉峰产生移动.实验结果表明,当角度值在0.057 5°～0.075 0°的范围内变化时,测量精度可以达到601.8 nm/(°).     

基于高阶模干涉的双参量同时测量传感器的实验研究

提出一种单模-多模-单模(SMS)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的传感结构,利用了多模光纤内的高阶模干涉原理实现传感测量.本文采用了同长度芯径分别为50μm和60μm的多模光纤.实验结果显示,在SMS结构中,芯径50 μm和60μm的温度灵敏度分别为0.095nm/℃和0.127nm/℃,采用大芯径多模光纤略有提高SMS结构的温度灵敏度;折射率灵敏度分别为61.96nm/RIU和128.11nm/RIU,采用大芯径多模光纤大大提高了SMS结构的折射率灵敏度,该传感器能够用于温度和折射率的同时测量.     

基于光束传播法的偏芯光纤传输特性研究

偏芯光纤由于纤芯偏离中心轴线,其光纤传输特性与传统光纤不同。本文对常用的光纤传输特性数值模拟方法及其优缺点进行了分析比较,确定采用光束传播法对偏芯光纤的光传输特性进行研究。建立了偏芯光纤的理论计算模型,分析了偏芯光纤对应的模场分布特性。推导出偏芯光纤倏逝波的表达式,当纤芯距离包层外表面非常近或贴近外表面时,可利用倏逝波进行光学传感。运用RSoft软件中的Beam PROP模块对偏芯光纤进行了光学结构建模。基于光束传播法,对偏芯光纤中的模场特性及光功率特性进行了仿真分析,并得到了基模有效折射率和双折射与偏芯距离的变化关系。     

基于熔锥光纤耦合器的溶液浓度传感器

利用2×2熔锥型光纤耦合器,提出一种检测溶液浓度的新方法.首先,根据熔融光纤拉伸锥形曲线和超模耦合器理论,分析计算出熔锥型光纤耦合器输出分光可见度与其耦合锥区外部介质折射率的关系曲线;然后,实验上将2×2单模光纤耦合器浸入一种溶液中,当光经过熔锥耦合区后,其耦合分光可见度将随锥区外部的溶液浓度（折射率）而变化.由此,可实现对溶液浓度的检测.理论计算和实验结果有较好的一致性.     

负折射率介质中的倏逝波

利用平面波的角谱理论,得出了倏逝波在负折射率介质中的频谱传播公式,并对倏逝波在负折射率介质中的放大效应给予物理解说,最后,从理论和计算机模拟实验方面验证了公式的正确性.     

椭圆芯保偏光纤模间干涉特性的研究

对椭圆芯保偏光纤模间干涉特性进行了仿真研究,通过数值计算分析了椭圆芯保偏光纤模间干涉拍长、模传播常数、模间传播常数差与光源波长的关系,并对椭圆芯保偏光纤椭圆度和纤芯折射率变化对模间干涉特性的影响进行了深入分析,给出了相应的仿真结果和曲线.本文的研究结果对于设计基于椭圆芯保偏光纤模间干涉原理的光纤传感器具有重要的指导作用.     

高灵敏度光纤MZI折射率传感器

首次在实芯光子晶体光纤中制备了横向大偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率传感器,并理论分析了此种干涉仪的干涉机制和折射率传感特性,以及影响折射率传感特性的各种因素;搭建实验系统,测试了折射率传感特性。结果表明,腔长330 μm传感器的干涉谱对外部环境折射率变化的响应成线性,透射谱随环境介质折射率增大而向短波方向移动,灵敏度超过-15 100 nm/RIU,灵敏度与腔长长度无关,光子晶体光纤的气孔对折射率传感特性影响很小。此种高灵敏度的光纤微腔折射率传感器适用于液体或气体的快速检测领域。     

D形光纤样品制备及其Bragg光栅的实验测量

采用研磨预制棒的方法,制备了D形光纤样品,并在此样品上制作了Bragg光栅,介绍了工艺制作和测量中的一些实际经验.采用深度化学腐蚀技术以增强Bragg波长对外界折射率的传感灵敏度,测量了D形少模光纤Bragg光栅各模式谐振波长随外界折射率和温度的变化曲线,为进一步进行折射率传感研究打下了实验基础.     

微纳光纤-金膜-氟化镁结构的光纤SPR温度传感器研究

为了提高光纤表面等离子共振温度传感器检测的适用条件，减少传感器对待测传感参量折射率的限制，避免引入对温度敏感的低折射率媒介，本文中将具有大倏逝场的微纳光纤放置于蒸镀金属膜的氟化镁衬底上，得到光纤表面等离子共振温度传感器结构。结果表明：通过使用传输矩阵的理论模型计算该结构中光纤折射率和氟化镁折射率变化对透射率影响，结合光纤和氟化镁的热光系数，分别得到约118、35 pm/℃的温度灵敏度，在光纤折射率增大对透射谱产生蓝移和氟化镁折射率增大对透射谱产生红移的共同作用下，该传感结构综合得到约153 pm/℃的传感器灵敏度。通过计算明确金膜厚度、光纤直径和光纤-金膜接触区宽度等不同的结构参量对透射率的影响。     

光声信号亚波长成像分辨率的分析与实现

为提高光声成像的亚波长分辨率,探究了光声信号产生的机理,并对其亚波长分辨率进行了傅里叶分析,发现普通正折射率透镜难以对携带诸多物质细节信息的倏逝波进行成像,通过COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对声学超透镜进行建模和仿真,结果发现在该声学透镜对声波的调控作用下,倏逝波在近场区域能够实现较好的成像效果,在对样品进行制备与测试后,实验与仿真效果基本吻合,证实了该声学透镜的实用性。     

湿腐蚀法制备U形塑料光纤折射率传感器

为提升折射率测量灵敏度、方便测量,通过湿腐蚀法制备了高灵敏度的U形塑料光纤折射率传感器.从理论上分析了多模塑料光纤宏弯曲折射率传感器的原理,利用射线法对塑料光纤中传输光场进行近似,获得多模塑料光纤宏弯曲模式损耗的表达式.采用丙酮和甲醇混合溶液作为腐蚀剂,利用湿腐蚀法对塑料光纤进行处理,观察不同腐蚀剂浓度腐蚀后光纤表面形...     

基于单模光纤偏芯结构的光纤折射率传感器研究

基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪(MI)原理,结合光纤传感器的特性,设计和实现了一种单模光纤(SMF)偏芯干涉仪结构光纤折射率传感器,并针对蔗糖溶液进行了折射率的测量。实验结果表明:这种传感器的传感范围在1.33～1.39时,特征波长与外界折射率有单调的递减变化关系,蔗糖折射率每变化0.01时,特征波长平均变化约为0.12nm。这种传感器结构简单,灵敏度较高,能够实现液体折射率与浓度变化的在线检测。     

环形行波超声电机非工作模态的影响及检测

为了研究非工作模态振型对环形行波超声波电机运行性能的影响,在参考理想环形行波超声波电机接触模型的基础上,将相邻高阶模态振型与工作模态振型相结合,构建新的接触模型,并采用解析法推导非工作模态影响下的环形行波超声波电机的输出特性.结果表明:电源频率距离工作模态频率越远,非工作模态振型占比越高;相同预压力和负载情况下,非工作模态振型占比越高,转矩转速波动越厉害;轻载时预压力越大,转速转矩波动越大,重载时情况与轻载时相反.由理论和试验分析可知,非工作模态振型对电机输出的影响较大且比较复杂,研究成果有助于为环形行波超声波电机的控制方案设计提供有价值的参考.     

腐蚀包层法调谐长周期光纤光栅及增强折射率敏感特性的研究

从理论与实验上研究了腐蚀包层法增强长周期光纤光栅环境折射率敏感特性和调谐透射谱的机制,结果表明,随着光栅区包层半径的减小,各阶包层模谐振波长向长波方向移动,环境折射率敏感特性随之显著增强。在用HF酸溶液腐蚀光栅区包层的实验测试中,先后观察到4个损耗峰,其中第2个损耗峰在包层半径减小约4.11μm、谐振波长向长波方向移动了约117.19 nm时,环境折射率传感特性增强了约3倍,这为制备高精度液体浓度/折射率传感器提供了重要依据。     

TM polarization characteristics on thermal radiation of a negative refractive index thin film

Thermal radiation TM polarization characteristics of a negative refractive index thin film was studied based on the transmit matrix method and Kirchhoff radiation law. The influence of the thin film parameters on the thermal radiation directional characteristics and spectral property were discussed. And the influence of the evanescent waves was also discussed. The results show that two factors play important roles in the thermal radiation of negative index thin film: one is the interference effect of the thin film structure to the electromagnetic waves; the other is the photon tunneling effect of the negative refractive index material, which was caused by the amplifying evanescent wave. These indicate that spectral and directional characteristics of the thermal emissivity can be modulated by modifying the structure and the physics parameters of the negative refraction index thin film. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50606003) and Aeronautic Science Foundation of China (Grant No. 2007ZA51006)     

锥形方管无模拉伸断面形状变化的实验

对锥形方管进行无模拉伸基础实验研究.探讨各种工艺参数对锥形方管外形、断面形状和锥度变化的影响,分析方管无模拉伸时断面圆化程度的影响因素及影响规律,并提出减轻断面圆化程度的具体方法.研究结果表明,采用无模拉伸的方法可以加工带有一定锥度的锥形方管,锥管角精度在1.0%以内,加工后锥形方管的轮廓与控制曲线的计算结果一致性很好;方管拉伸断面形状膨胀率随着拉伸变形区宽度增大而减小;壁厚较大,断面形状膨胀率较小,当壁厚和变形区宽度都比较大时,几乎不产生膨胀现象.     

样条有限点法分析旋转变截面Euler梁弯曲自由振动问题

基于Euler-Bernoulli梁理论,采用样条有限点法建立旋转变截面梁弯曲振动分析新模型.通过沿梁轴线均匀布置一定数量的样条节点对变截面梁样条离散化,采用三次B样条函数对变截面梁的位移场进行插值.考虑截面尺寸变化和旋转离心刚化效应的影响,基于Hamilton原理推导出旋转变截面梁计算模型的总刚度和总质量矩阵表达式,编制程序对旋转变截面梁动力特性进行分析,并建立ANSYS有限元模型进行比较验证.结果表明:本文解答与文献和有限元解答吻合良好,本文模型具有计算精度好、建模效率高、边界条件简单和程序编制方便的优点,可适用于不同边界约束、截面变化率、截面变化类型、旋转角速度和轮毂半径条件下的旋转变截面梁的弯曲自由振动问题.参数分析表明截面变化率和旋转角速度对旋转变截面梁动力特性有重要影响.     

变压器油中氢气浓度检测

推导了变压器油中溶解气体的分离数学模型，建立了一种用光纤Ｍ－Ｚ干涉仪对低浓度氢气进行检测的实验系统．通过对气室引入声波调制手段，消除了环境因素对干涉仪的干扰，大大地提高了氢气检测的灵敏度