菲涅耳公式在光纤传输中的应用

本文简要介绍光在光纤中传输的基本原理和产生损耗的原因,着重应用菲涅耳公式分析在反射型光纤中传递时产生的反射损耗。     

基于POF-OTDR的混凝土坝裂缝监测复用能力分析

塑料光纤由于弥补了石英光纤容易断裂的缺点,且具有大直径、低成本、高可塑性、良好韧性等优良特性,在结构裂缝监测领域具有良好的前景.将塑料光纤应用于以混凝土坝为代表的大体积混凝土结构裂缝监测时,不仅要求其能够感知单条裂缝的产生,更需要其具有对结构多处开裂的感知和持续监测能力.为了研究塑料光纤对混凝土结构多条裂缝的监测能力,设计了一套模拟结构出现不同角度裂缝的试验装置,采用光时域反射技术进行了力光转换特性试验,并利用试验结果推导了单支塑料光纤对裂缝监测的复用能力.试验结果显示,塑料光纤对裂缝开展的感知敏感性随塑料光纤与裂缝的夹角和裂缝开度的增大而降低.理论分析表明,塑料光纤的复用能力和敏感性之间存在相互制约关系,即塑料光纤与裂缝夹角较大时,敏感性较大,而复用能力较小,反之亦然.基于以上分析,以某混凝土坝为例结合两种不同敏感程度的布设方式计算了各坝段开裂情况对光时域反射动态范围的消耗量,验证了以上结论,并对塑料光纤在混凝土坝中的实际裂缝监测能力进行了探讨和评估.分析表明,塑料光纤虽具有较好的裂缝监测复用能力,为避免出现裂缝漏检的情况,实际应用中建议首尾两端探测和分坝段布设多条塑料光纤.     

自然光透过多层介质时的偏振度与相关因素

主要通过光在两种介质介面反射将产生偏振的现象,利用非磁性介质的菲涅尔公式及入射、反射、折射的能流关系,说明自然光以布儒斯特角入射时,透射光偏振程度与介质层数与折射率的关系。     

反射型光纤信号干涉调制器

利用光纤传输系统中菲涅耳反射所产生的反射回波和多光束干涉效应设计了一种反射型光纤信号干涉调制器.实验中从X型光纤耦合器输入端输入光波,从输出端输出光波并入射到晶体表面上.将调制信号以电压形式加载于压电陶瓷管用共伸缩振荡来控制光纤端与晶体表面间距离,光信号在光纤端面与晶体表面发生菲涅耳反射产生的回波发生多光束干涉效应,实现对反射光的调制,从光纤耦合器的回波端输出被调制的回波光信号.这种光纤信号调制器主要针对光的振幅调制,实验中获得调制度约为44%,信噪比约为13 dB,带宽约为200 kH z.具有价格低廉、调制度高的特点,可应用于光纤传输信号的调制及信号斩波等.     

菲涅尔数字全息成像研究

对透明物场的菲涅尔数字全息成像技术进行实验研究;完成全息物场的记录,使用菲涅尔数值算法和角谱再现算法分别从空域和频域再现了全息物场,对再现像采用数字图像处理的方法消除了零级衍射像,改善再现像的像质,并对菲涅尔数字全息术的成像特性进行讨论.     

平面光波导与阵列光纤耦合分析

根据光波导理论,论述平面光波导与阵列光纤对准耦合原理.基于光束传播法,分析平面光波导与阵列光纤对准耦合过程中对准偏差(横向位错、纵向间距和轴向角度)与耦合损耗之间的关系,对对准偏差的光学容差也进行分析.研究结果表明:平面光波导与阵列光纤耦合损耗对横向位错相当敏感,轴向角度偏差对耦合损耗的影响也较大,轴向间距的影响则要小得多;若以0.15 dB的附加损耗考察,平面光波导与阵列光纤横向位错、纵向间距、轴向角度的光学容差分别为1 μm,16μm和0.65°;所得仿真结果与理论计算结果基本吻合,说明应用光束传播法分析平面光波导与阵列光纤对准耦合是有效的.     

甚高频全向信标(VOR)菲涅尔区的分析

菲涅尔区(Fresnel range)是信号在视距传播收发天线之间进行传播时,所占用收发天线之间的一个较大非直线直线区域。在实际应用中,我们只关注最小(第一)菲涅尔区。本文就甚高频全向信标(VOR)设备的第一菲涅尔区(Fresnel range)进行相关定量讨论。     

关于半波损失和额外程差的讨论

从光在两种透明介质分界面的反射所遵循的菲涅尔反射公式出发,依据反射光的S,P偏振分量的位相,在不同折射率的情况下,相对于入射光位相的改变量随入射角的变化所作的曲线,对反射光的位相跃变、薄膜干涉、洛埃镜干涉的条纹分布和维纳驻波等所涉及的半波损失和额外程差问题,用一种简要的方法,作了进一步的讨论.从而更深刻理解位相跃变产生的条件与菲涅尔反射公式结论的完全一致性.     

双FBG双波长掺铒光纤激光器设计与实验研究

波长可调谐的双波长光纤激光器由于带宽较宽、线宽窄,与光纤元件天然兼容等特点,可作为DWDM光纤通信及光纤传感系统的理想光源。设计并实验研究了一种双波长环形腔掺铒光纤激光器,该激光器采用两根FBG和一个3dB耦合器构成可调谐Y型光滤波器,并通过对FBG施加轴向应力改变布拉格中心波长,从而获得波长可调谐的双波长激光输出。实验结果表明:当轴向负载在0～100 N范围内变化时,双波长光纤激光器的波长差在0.638～1.616 nm范围内线性调谐,调谐灵敏度为0.009 6 nm/N。利用增益均衡方法独立调节激光腔内的增益和损耗,光纤激光器可在单波长和双波长两种运转状态之间切换。     

半波损失产生条件的分析与讨论

从菲涅尔公式出发,分别讨论了垂直极化和平行极化时,光在两种介质分界面传播时的反射系数,定性地分析了半波损失产生的条件不仅与介质的折射率有关,还与入射角的大小有关。     

基于OTDR的光纤液体泄漏检测的研究

通过应用光时域反射仪（OTDR)测量多模光纤（MMF）反射光强变化,提出一种检测液体泄漏的光纤传感器,并对其进行理论仿真和实验研究。众所周知,OTDR具有小巧、精密、智能化、便于移动的特点,能有效避免常规光纤传感器设备复杂笨重不可以移动的问题。使用一定溶度的氢氟酸（HF）溶液腐蚀多模光纤作为传感部件,易于设计和制作。当多模光纤的纤芯直径减小到一定程度时,将其暴露在空气或待测液体中。裸露的芯层周围介质折射率的变化,将会影响传感区域内光的模场分布,改变透射光的强度,故该结构可以有效检测环境中液体的泄漏。本文设计制作了两个远距离的光纤传感器。第一个传感器仅带有一个光纤传感结构。连接带有传感结构的长光纤和OTDR。设置OTDR的扫描脉宽30ns、扫描时间3min,光源的脉冲信号强度约为15dB、扫描距离5km。以水为检测对象。首先,将传感结构暴露在空气中,OTDR的反射曲线在检测处的损耗为2.893dB。当检测到水时,OTDR的反射曲线的损耗为0.631dB。因此,检测到水时,光损耗减小,反射光强变大。实验结果和仿真结果一致。第二个传感器是有两个传感结构的分布式复用传感器,将其检测两处的环境情况。两个传感结构都能很灵敏的检测出是否存在水,证明了传感器的复用特性。因此,该液体泄漏检测光纤传感器能够广泛应用于工程实践中。     

基于液晶空间光调制器的程控变焦透镜

提出一种利用显示在两个程控液晶空间光调制器（LC—SLM）上的菲涅尔透镜建立程控变焦成像系统的方法．通过对该系统的理论分析,得出了成像系统的放大率与两个菲涅尔透镜焦距之间的关系式．在此基础上利用Matlab设计了系统所需要的菲涅尔透镜,对该成像系统的成像特性进行了计算机模拟研究,并讨论了LC—SLM的抽样基元大小与成像质量的关系．最后,建立了相应的光学实验装置,并给出了与计算机模拟相一致的实验结果．     

对一类菲涅耳公式的实验研究

菲涅耳公式用于描述不同折射率的介质之间的行为,是光学中的重要公式,用来解释反射光的强度、折射光的强度、相位与入射光的强度关系。为了解释实验中发现的光学现象,该文导出了光在介质分界面反射时的菲涅耳公式,通过实验的对比研究,在误差允许的范围内,由新公式得出的理论值与实验结果相符合,从而验证了这类菲涅耳公式的准确性。     

聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料的电磁波吸收特性

利用简单的低温聚合方法合成了聚吡咯纳米线/石墨烯(PPy/G)纳米复合材料,它们可以作为轻质的电磁波吸收剂.扫描电镜图表明,PPy纳米线的长度为数微米,与石墨烯之间存在较好的接触界面.该复合材料在厚度2.0–5.0?mm范围内,所有的最小反射损耗值均低于–20.0dB.例如,当复合材料的厚度为3.0?mm、频率为11.28GHz时,最小的反射损耗为–38.9dB;当厚度为3.5?mm、频率为9.36GHz时,最小的反射损耗为–39.1dB,远优于PPy纳米线和之前报道的石墨烯复合材料.此外,PPy/G纳米复合材料在基质中的添加量仅为5wt%,低于之前报道的石墨烯复合纳米材料.这种增强的电磁波吸收特性可以由复合材料间的界面极化以及1/4波长匹配模型来解释.本文的研究结果可以为轻质电磁波吸收材料的实际应用提供参考.     

入射光与折射光的振幅与光强的分析

利用菲涅尔公式和电磁场能量、能流理论,分析光在两个均匀各向同性媒质的界面上入射,反射和折射时,能够得出两个有趣的结论:1.一定条件下,折射光的振幅可以大于入射光的振幅;2.一定条件下,折射光的光强可以大于入射光的光强.     

用于EDFA泵浦的波分复用器的研制

掺铒光纤放大器（EDFA）在密集波分复用（DWDM）传输系统中的广泛应用,使EDFA成为光放大器的主流．本文报道了用于EDFA泵浦的熔锥型980nm／1550nm波分复用器（WDM）的设计和制作方法．首先运用光纤耦合器的耦合机理,从理论上得出了耦合功率和拉伸长度的关系,以1550nm作为监控波长,当拉伸长度大约为检测波长的30000倍时,可以实现980～1550nm波分复用;其次采用熔融拉锥系统,制作了样品;测试表明,器件的隔离度大于21dB,附加损耗小于0．1dB,该器件的指标都达到了实用化的要求．     

光纤Bragg光栅监测沥青混凝土应变试验

基于光纤Bragg光栅(FBG)传感原理,结合沥青混凝土路面的特点,介绍了传感器应变传感特性与设计封装结构,制作了一种用于监测沥青混凝土应变试验研究的光纤Bragg光栅传感器。通过砝码加载的方法对传感器进行标定,光纤Bragg光栅传感器的应变灵敏度系数为1.1 pm/με,封装工艺没有改变光纤光栅的应变传感特性;传感器埋入SMA-13沥青混凝土后,通过静态试验得到荷载与传感器轴向应变之间的关系为0.038 7με/N;通过ANSYS 11.0仿真传感器静态试验,得到传感器应变灵敏度修正因子η为0.928;进行了5 h动态试验,应用其监测室内车辙试验下沥青混凝土内部结构沿传感器轴向的应变,随着碾压次数的增加,轴向的应变增加。监测结果能够反映沥青混凝土内部结构应变基本变化规律,可用于沥青路面的应变监测,为道路养护决策提供了一种新方法。     

部分相干径向阵列光束的传输特性

利用广义惠更斯菲涅尔衍射积分方法,推导出部分相干径向阵列光束在相关和非相关叠加下通过薄透镜系统的传输公式。定量分析了光束叠加方式、子光束的空间相干参数、透镜菲涅尔数和阵列参数对部分相干径向阵列传输特性的影响。研究结果表明:经透镜传输的部分相干径向阵列光束的光强分布和最大峰值光强与光束叠加方式、子光束空间相干参数、透镜菲涅耳数以及阵列参数等密切相关。     

F-P腔光纤传感器研究

讨论了本研究小组有关F-P腔光纤干涉型传感器多参数测量的研究进展。在单模光纤与薄膜或空气间隙等构成的法布里-珀罗腔结构基础上,分别发展出基于F-P腔干涉和基于F-P腔调制菲涅尔反射的温度、液体和固体折射率光纤传感器。理论分析和实验均证明,温度的变化可转化为干涉光谱波峰或波谷中心波长的偏移测量,通过干涉光谱的条纹反衬度可解调出液体或固体折射率。光纤干涉型传感技术可拓展其它功能,是高端领域传感测量的发展方向。     

体外震波碎石的能量转换,聚集与损耗的计算

运用惠更斯－菲涅耳原理和旋转椭球面反射聚集的特性,对体外震波破碎肾结石过程中的能量转换、聚集和损耗进行了分析与计算,为体外震波碎石机的具体设计提供了理论数据。