北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144
为了研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器参数对折射率测量灵敏度的影响, 采用双频激光外差干涉相位测量光路结合光纤型SPR传感器进行了折射率测量, 并对光纤SPR传感器不同纤芯直径对传感器灵敏度影响进行了分析。在光纤SPR传感器适应的折射率范围内, 分别使用纤芯直径为300 μm的光纤和400 μm的光纤, 测量不同质量分数下的甘油、蔗糖、氯化钠溶液的相位差, 并计算对应折射率; 分析了在传感器适用的折射率范围内, 各溶液质量分数与折射率之间的关系, 并对理论结果进行了实验验证。结果表明, 纤芯直径越小, 传感器灵敏度越高, 灵敏度可达10-5量级; 密度越高, 测量中的稳定性越高, 最大相位差标准差为0.145°; 分子量越大, 精度越高, 蔗糖的测量计算值与阿贝折射仪标定值之间的差值最大为0.52×10-4。该研究为光纤SPR传感技术的进一步研究及应用提供了较好基础。
传感器技术 纤芯直径 折射率测量 分子量 质量分数 sensor technique core diameter refractive index measurement molecular weight mass fraction
安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
密封药瓶内的药物在储存过程中, 时常会因为保存方式不当, 产品质量不合格等问题导致其气密闭性变差, 极易与空气中的各种气体发生化学反应引起药品变质, 影响其正常使用。 因此, 可以通过药瓶内部各种气体浓度的测量及时反映出药品的储存状态。 其中水汽(H2O)是空气中的常见气体且极易与药品产生反应, 药瓶中H2O浓度的测量是判断瓶内药物是否变质的重要依据之一。 实际检测药瓶内水汽浓度的传统方法或通常需要直接接触到样品才能做出判断, 很难做到无损检测, 样品处理过程较为繁琐, 耗时耗力, 难以实现对大量药瓶的实时无损测量, 所以需要一个实时快速非接触式检测容器密封性的方法。 为了高效检测并实时监控密封药品存储容器(药瓶)内的水汽浓度, 提出了一种可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的数字正交锁相解调算法, 并对该算法的可行性及有效性进行了实验验证。 药瓶采用长12 cm宽9 cm高64 cm的可透光聚乙烯(PE)材质; 中心波长为1 391 nm的分布式反馈(DFB)激光器作为光源, 搭建了基于数字正交锁相解调算法的TDLAS药品检漏测量系统, 以数字锁相解调代替了传统的锁相解调并且研究了不同的调制深度、 采样率对解调出的二次谐波信号(WMS-2f)幅值的影响。 在系统各项参数最优的情况下考察了不同光功率下WMS-2f信号稳定性, 并通过拟合结果推演出其他未知水汽浓度的WMS-2f信号。 研究结果表明: 与常规锁相放大器解调算法相比, 数字锁相解调可编译性强, 系统结构更为紧凑, 成本更为低廉。 Allan方差分析显示在160 s内的状态下, 水汽检出限为18 ppm, 验证了该方法的稳定性与可靠性。
数字锁相解调 水汽浓度检测 药瓶检漏 Digital phase-locked demodulation TDLAS TDLAS Water vapor concentration detection Medicine bottle leak detection
1 北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144
2 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081
波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响，故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法，采用双频激光外差干涉光路，利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片，可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响，从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构，测量稳定性高，信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外，所设计的测量系统中元件很少，结构简单，测量过程快捷。误差分析表明，在现有实验条件下，测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9'，快轴方位角的测量不确定度约为5''。实验比对结果表明，所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明，测量结果的标准偏差约为2'。
测量 波片测量 相位延迟量 快轴方位角 双频激光干涉 相位检测
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 200031
3 中国科学院大学，北京 100049
双带通滤光片可以在元件的任意一个几何位置上同时透过两个光谱通道，从而实现双光谱通道的同时探测。文中研制了一种在100 K低温下使用的短波和中波红外双带通滤光片，选用Ge和SiO分别作为高低折射率膜层，在蓝宝石（Al2O3）基片上设计了具有Fabre-Perot(F-P)结构的短波通道滤光膜系和中波通道滤光膜系，它们在另一通带位置兼具增透能力，组合形成了包含短波通道(2.60~2.85 μm)和中波通道(4.10~4.40 μm)的双带通滤光片。Ge和SiO薄膜分别以电子束和电阻热蒸发的方式在高真空环境中完成沉积。测试结果显示，在100 K低温下，短波和中波通道的平均透射率分别达到91.2%和87.7%，顶部波纹幅度分别为2.1%和3.8%，波长3.00~3.95 μm光谱区域内的截止深度低于0.1%。该双带通滤光片在低温下的光学性能满足光学成像仪器的光谱应用要求，有利于更加精确的红外遥感和探测。
光学薄膜 双带通滤光片 低温光谱 红外 optical thin film dual bang-pass filter cryogenic spectrum infrared 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210964
1 安徽大学 信息材料与智能感知安徽省实验室，安徽 合肥 230601
2 安徽大学 光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽 合肥 230601
为缓解基于可变形镜（DM）的自适应自由曲面干涉仪存在的固有矛盾——不能同时兼顾大动态像差补偿与DM形变监测范围，前期提出了循环利用DM形变量去产生大畸变波前的自适应环形补偿器（ARCC），并得到了初步验证。为了推广其在自由曲面自适应检测中的应用，并结合校正光学系统的自由曲面多为低阶像差面的现实问题，对ARCC的低阶像差补偿特性做出了必要验证和研究。首先，通过Zemax建模对比了ARCC和传统单次往返补偿器(TSRC)对于像散、彗差和球差的补偿能力，得出ARCC补偿像散和彗差的能力近似为TSRC的2倍，补偿球差的能力也要显著大于TSRC，验证了ARCC的低阶像差补偿优势；其次，研究了ARCC的低阶像差类型补偿规律，得出ARCC结构中DM上的像差类型与补偿给被测面的像差类型是“一对多”或“多对一”的关系。结果证明：在实际中分别使用ARCC和TSRC对4块低阶像差自由曲面进行补偿验证，同样的DM形变量下，与传统补偿结构相比ARCC展现出更加出色的低阶像差补偿能力。
测量 像差补偿 自适应循环补偿结构 自适应干涉仪 measurement aberration compensation adaptive cyclic compensation structure adaptive interferometer 红外与激光工程
2022, 51(9): 20220157
1 北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144
2 中国电子科技集团公司第十一研究所，北京 100016
3 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081
针对光学层析技术中的数据重建，提出了一种指数型滤波（EF）反投影解析法与迭代法相结合的迭代EF反投影算法，结合了前者重建速度快和后者重建质量高等优点，同时滤波函数采用指数型函数，抗噪性能好于传统滤波函数。算法以重建图像与真实图像的归一化均方距离d和归一化平均绝对距离r为优化目标，通过调整滤波函数指数因子减小投影数据噪声的影响，并建立了迭代计算模型。通过仿真实验，首先验证了单纯采用滤波反投影解析法时，EF函数相对于传统函数具有更好的重建精度，然后验证了本算法的图像重建质量高于EF反投影法，重建后的r减小了20%。进一步进行了折射率光学层析测量实验，分别采用本算法和EF反投影法重建了测量数据的折射率，并比较了仪器标定结果。结果表明：本算法具有更高的重建精度，与仪器标定结果的最大误差为7.9×10-6，重建精度相较于EF反投影法提高了约21%。
测量 光学层析 折射率 重建算法 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2310001
1 北方工业大学机械与材料工程学院, 北京 100144
2 中国电子科技集团公司第十一研究所, 北京 100016
3 北京理工大学机械与车辆学院, 北京 100081
温度场的精密测量对机械、航空航天、生物医学、食品化工、电力、能源和环境等诸多行业都有重要意义。提出了一种基于多步相移法和偏振干涉光学层析光路的三维温度场测量方法。首先,结合马赫-曾德尔干涉光路结构与光学层析技术设计偏振干涉光学层析测量系统,并利用偏振器件的旋转实现多步相移以实现高精度信号检测。然后,通过指数型滤波反投影算法还原得到被测介质的三维折射率分布,进而获得三维温度场分布。最后,推导了测量公式并搭建了实验系统。误差分析表明,现有实验条件下的系统测量不确定度约为0.8 ℃。测量实验和比对结果表明,所测得的温度场与实际情况吻合,与铂电阻温度计的标定温度比对结果小于2 ℃。
测量 温度场测量 多步相移法 偏振干涉 光学层析 折射率
1 中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083
2 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 200031
3 中国科学院大学，北京 100049
双色滤光片在其任意一个几何位置上，均能够有效透过两个精确控制的光谱通道，它可以提升光学探测装置对目标的识别能力。本文选用单晶Ge作为基片，Ge和ZnSe分别作为高低折射率膜层材料，研制了一种包含3.2~3.8 μm(通道1)和4.9~5.4 μm(通道2)两个通道的红外双色滤光片。在高真空中以热蒸发的方式镀制了滤光片的光学膜层，采用单波长的极值百分比光学监控(POEM)方法控制膜层的光学厚度。在100 K低温下，通道1的平均透射率为94.2%，顶部波纹幅度为5.7%；通道2的平均透射率为96.5%，顶部波纹幅度为0.6%。在两个通道之间(4.0~4.7 μm)的截止区域内，平均透射率小于0.16%。该红外双色滤光片具有良好的光学稳定性，有利于高速运动目标的识别。
光学薄膜 双色滤光片 红外 低温光谱 optical thin film dual-color filter infrared cryogenic spectrum
1 南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司, 江苏南京 211106
2 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司, 湖北武汉 430074
绝缘子的红外图像分析一般采用图像处理的方法, 易受背景环境和数据量的影响, 准确率和效率均较低, 本文提出一种深度学习的异常诊断方法, 基于改进的 Faster R-CNN方法搭建检测网络, 开展不同类型的绝缘子测试。研究结果表明: 相对于神经网络（ Back Propagation, BP）、Faster R-CNN方法, 本文方法可高效地诊断出绝缘子的异常缺陷, 平均检测精度达到 90.2%；单 I型和 V型绝缘子的异常诊断准确率高于双 I型绝缘子。研究结果可为输电线路绝缘子异常诊断提供一定的参考。
绝缘子 异常诊断 深度学习 平均检测精度 红外图谱 insulator, abnormal diagnosis, deep learning, Fast Faster R-CNN
