刘译泽 1,2,3江俊峰 1,2,3,*刘琨 1,2,3王双 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所,天津 300072
提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效折射率(气体体积分数)对应,据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明,当氨气的体积分数在0~40×10-6的范围内时,提出的光纤气体传感器的响应呈线性,其传感灵敏度为0.73×106 pm,分辨率为1.9×10-6。当氨气的体积分数为20×10-6时,传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元,另一方面可以直接作为气体通道,避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装,极大地提高了传感系统的实用性。
传感器 气体传感器 回音壁谐振模 氧化石墨烯 
光学学报
2024, 44(7): 0728004
靳喜博 1,2,3刘琨 1,2,3,*江俊峰 1,2,3王双 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所,天津 300072
基于双马赫-曾德尔干涉(DMZI)型分布式光纤振动传感系统与无人机(UAV)视频监测系统,通过卷积神经网络同步对光信号和无人机视频信号进行模式识别,从多维度对多类别扰动事件进行精准检测。与传统的模式识别方法相比,所提方案将两个不同维度上的信号有效结合,实现了不同维度上模式识别方法的优势互补,将识别信号的时间维度加入识别,解决了静态信号识别事件有限、准确率较低的问题。为了验证所提方案的可行性和有效性,对常见的9种传感行为(攀爬、轰砸、剪切、脚踢、重敲击、轻敲击、拉扯、摇晃、无入侵)进行了实验测试和分析。实验结果表明,所提出的多维度模式识别方案可以对9种入侵事件达到99.58%的平均测试准确率,并且平均识别时间为0.16 s,短于系统的采样时间0.3 s,满足实际工程应用的需求。
光纤光学 分布式光纤传感 多维度传感 模式识别 卷积神经网络 
光学学报
2024, 44(1): 0106023
李克武 1,2,3王爽 2,3,*李孟委 2王志斌 2,3,*
作者单位
摘要
1 中北大学 电气与控制工程学院,山西 太原 030051
2 中北大学 前沿交叉科学研究院,山西 太原 030051
3 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
为了实现对Si、Ge、GaAs等红外材料应力缺陷检测,采用两个工作在不同频率的光弹性调制器级联,构成偏振测量系统。应力缺陷引入的双折射延迟量和快轴方位角两个参数,被加载到偏振测量系统调制信号中;利用数字锁相技术同时获取调制信号的基频项和差频项幅值,然后完成两个应力参数求解。详细分析了检测原理,并搭建了实验系统进行验证。实验结果表明,该检测方法及实验系统实现了应力方向角标准偏差为0.31°,应力双折射延迟量标准偏差为0.72 nm,高速、高精度和高重复度的应力缺陷检测,并且实现了Ge样品的应力缺陷方向和值大小分布测量,可为红外材料质量测试分析和评估提供有效手段。
应力缺陷 弹光调制 快轴方位角 延迟量 stress defect photoelastic modulation fast axis azimuth retardation 
红外与毫米波学报
2024, 43(1): 126
作者单位
摘要
1 安徽工程大学人工智能学院,安徽 芜湖 241000
2 安徽工程大学机械工程学院,安徽 芜湖 241000
为提升激光尘埃粒子计数器的计数准确率,基于匹配滤波器设计粒子计数器信号预处理方法。分析粒子信号的特征,通过归一化后累加的方法获得粒子的典型波形。以该典型信号作为匹配模板,将激光粒子尘埃计数的原始信号与匹配模板进行离散卷积操作,得到高信噪比的输出信号。试验结果表明,针对原始幅值在55~262 mV、噪声均方根值约为6.74 mV的粒子信号,经该匹配滤波方法后,信噪改善比均优于1.56。该方法对比数字滤波器方案,能更有效提升输出信号信噪比,为粒子的准确检测和识别提供良好基础。
激光粒子计数器 归一化 匹配滤波 信噪改善比 laser particle counter uniformization matched filter signal-to-noise improvement factor 
应用激光
2023, 43(5): 0082
作者单位
摘要
1 山东省路桥集团有限公司, 济南 250011
2 山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室, 青岛 266590
3 山东大学 齐鲁交通学院, 济南 250002
受隧道爆破复杂环境和仪器电磁干扰等因素的影响, 实测爆破振动信号多含有高频噪声, 通过直接分析原始信号不能有效分析爆破振动规律。为获得真实的爆破振动特征, 采用基于最优变分模态分解(OVMD)和多尺度排列熵(MPE)相结合的信号光滑降噪模型, 通过仿真叠加信号和工程实测信号进行检验。首先将信号进行OVMD分解得到带限固有模态函数(BIMF), 然后将大于MPE设定阈值的高频BIMF作为噪声剔除, 最后重构剩余BIMF分量, 得到降噪信号。结果表明: OVMD-MPE模型能精确识别信号的频率信息, 前两阶分量能有效反映叠加信号的有效成分, 适用高精度数据序列分析, 提取数据序列特征; 相较EEMD-MPE和CEEMDAN-MPE模型, OVMD-MPE模型具备更优降噪性能, 降噪误差比、均根方误差和光滑度分别提升22.05%、48%和33.34%, 去噪后曲线更贴近原始信号, 更适用不同震源距离的爆破信号分析; 双子山隧道右线施工时产生的爆破扰动集中于200 Hz以下的中低频段, 双子山隧道衬砌结构的固有频率与爆破信号频率相仿, 需采取减震措施确保隧道工程的施工安全。
隧道工程 爆破振动 信号降噪 tunnel engineering blasting vibration OVMD OVMD MPE MPE signal noise reduction 
爆破
2023, 40(4): 166
王爽 1,2,3,4崔志英 2,4冯华君 2,4李克武 1,2,3,4,*王志斌 3,**
作者单位
摘要
1 中北大学 计算机科学与技术学院,太原 030051
2 宁波永新光学股份有限公司,宁波 315040
3 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,太原 030051
4 浙江大学 光电科学与工程学院,杭州 310041
为了实现对波片快轴方位角和延迟量参数快速、高精度测试,提出了一种基于双弹光级联差频调制的波片参数测量方案。选用两个工作频率不相同的弹光调制器级联,构成偏振分析测量装置。波片的两个参数被加载到偏振分析装置的调制信号中,采用数字锁相技术同时提取调制信号的基频项和差频项,然后完成波片全部参数求解。按照原理分析,搭建了实验系统,并完成了系统初始偏移值定标,完成了632.8 nm的1/4波片,532 nm的1/4波片和1/2波片实验测量。实验结果表明,本文方案的快轴方位角测量最大偏差为0.2°,角度测量标准偏差为0.02°;波片的相位延迟量标准偏差优于5.64×10-4 rad,单点数据测量时间仅为200 ms。考虑到波片材料的双折射色散,根据检测激光波长下测量的相位延迟量,进一步计算出应用波长的波片延迟量。测量值与理论值最大偏差不超过1.17 nm,延迟精度优于λ/300。本文方案实现了高速、高精度和高灵敏的波片参数测量,可为波片加工测试和实验定标提供有效手段。
弹光调制 差频调制 波片 快轴方位角 延迟量 Photolastic modulation Differential frequency modulation Waveplate Fast axis azimuth Retardation 
光子学报
2023, 52(11): 1112002
李雪萍 1,2,3王双 1,2,3,*张鹏 1,2,3江俊峰 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所,天津 300072
提出一种飞轮型耦合振膜光纤法布里-珀罗(F-P)声矢量传感器。该传感器通过两个飞轮结构振膜的相邻辐条自然耦合,形成面内膜间桥耦合结构。仿真结果表明,基于振膜耦合增益原理的飞轮型光纤声矢量传感器振膜具有摇摆和弯曲两种振动模态,可实现数千赫兹宽频率范围的相位差放大,从而提高传感器定向精度。两个飞轮型振膜与光纤端面构成两个独立的F-P微腔传感单元,通过光学干涉信号强度提取得到振膜的振动信号。对所制备的传感器在5~7.4 kHz频率范围内进行二维平面声源定向实验,实验结果与仿真结果符合良好,该传感器在5~7.4 kHz的宽频率范围内具有相位差放大效果,在7.2 kHz处取得最大相位差增益5.05。
光纤光学 F-P传感器 声矢量 摇摆模态 耳间相位差 
光学学报
2023, 43(20): 2006002
Jianying Jing 1,2,3Kun Liu 1,2,3,*Junfeng Jiang 1,2,3Tianhua Xu 1,2,3[ ... ]Tiegen Liu 1,2,3
Author Affiliations
Abstract
1 School of Precision Instruments and Opto-Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 Tianjin Optical Fiber Sensing Engineering Center, Institute of Optical Fiber Sensing, Tianjin University, Tianjin 300072, China
A dispersion model is developed to provide a generic tool for configuring plasmonic resonance spectral characteristics. The customized design of the resonance curve aiming at specific detection requirements can be achieved. According to the model, a probe-type nano-modified fiber optic configurable plasmonic resonance (NMF-CPR) sensor with tip hot spot enhancement is demonstrated for the measurement of the refractive index in the range of 1.3332–1.3432 corresponding to the low-concentration biomarker solution. The new-type sensing structure avoids excessive broadening and redshift of the resonance dip, which provides more possibilities for the surface modification of other functional nanomaterials. The tip hot spots in nanogaps between the Au layer and Au nanostars (AuNSs), the tip electric field enhancement of AuNSs, and the high carrier mobility of the WSe2 layer synergistically and significantly enhance the sensitivity of the sensor. Experimental results show that the sensitivity and the figure of merit of the tip hot spot enhanced fiber NMF-CPR sensor can achieve up to 2995.70 nm/RIU and 25.04 RIU−1, respectively, which are 1.68 times and 1.29 times higher than those of the conventional fiber plasmonic resonance sensor. The results achieve good agreements with numerical simulations, demonstrate a better level compared to similar reported studies, and verify the correctness of the dispersion model. The detection resolution of the sensor reaches up to 2.00×10−5 RIU, which is obviously higher than that of the conventional side-polished fiber plasmonic resonance sensor. This indicates a high detection accuracy of the sensor. The dense Au layer effectively prevents the intermediate nanomaterials from shedding and chemical degradation, which enables the sensor with high stability. Furthermore, the terminal reflective sensing structure can be used as a practical probe and can allow a more convenient operation.
fiber photonics sensor customized plasmonic resonance curve nano-modified fiber core tip hot spot effect high sensitivity and stability 
Opto-Electronic Advances
2023, 6(6): 220072
邢伦 1,2桑梅 1,2,*石珍曼 1,2王双 1,2刘铁根 1,2
作者单位
摘要
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学 光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
垂直扫描白光干涉法(VSWLI)是一种非接触式三维表面轮廓测量方法。蝙蝠翼作为VSWLI当中一种固有的缺陷,尤其在被测样品的台阶高度小于光源的相干长度时,台阶边缘处的蝙蝠翼尤为显著。相移干涉法不存在这种缺陷,但是存在相位模糊的问题。提出一种将Carré等步长相移算法与快速傅里叶变换(FFT)相干峰值检测技术相结合的白光干涉解调算法。该算法基于逐次变分模态分解(SVMD)与Hausdorff 距离(HD)联合去噪。分别以高度为500 nm和1 200 nm的连续台阶器件和高度为10 μm的标准台阶作为测试样品,进行实验测量验证。所提出的算法能够有效地抑制台阶高度跳变处的蝙蝠翼,克服相位模糊问题。
垂直扫描白光干涉法 相移干涉法 逐次变分模态分解 蝙蝠翼 相位模糊 vertical-scanning white light interferometry phase-shifting interferometry successive variational mode decomposition batwings phase ambiguity 
应用光学
2023, 44(4): 816
代小爽 1,2,3王双 1,2,3,*谭珂 1,2,3霍彤 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所,天津 300072
以多模光纤为基底来实现损失模式共振(LMR)折射率传感的灵敏度较低,在利用铟锡氧化物(ITO;In2O3和SnO2的质量分数分别为90%和10%)激发光纤LMR传感的基础上,在ITO薄膜上静电组装二氧化钛(TiO2)纳米粒子,实现折射率灵敏度的提升。使用Kretschman结构模型对传感器进行理论分析,仿真分析了LMR共振阶数与ITO薄膜厚度的关系,以及ITO作为LMR膜层实现折射率传感的可行性。通过在光纤侧壁磁控溅射ITO薄膜以产生LMR效应,制备ITO-LMR折射率传感器。通过折射率传感实验对ITO-LMR和TiO2-ITO-LMR两种传感器进行性能测试,在1.3333~1.3840的折射率变化范围内,TiO2-ITO-LMR传感器灵敏度可达1651.659 nm/RIU,相较于ITO-LMR折射率传感器,其灵敏度提升了3.058倍。
光纤光学 损失模式共振 折射率传感器 铟锡氧化物 二氧化钛纳米粒子 
光学学报
2023, 43(10): 1006003

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