中北大学 仪器与电子学院 省部共建动态测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051
结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及**工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高，传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小，导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元，并对Sagnac环的感压部分进行封装，通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0~2.4MPa内，压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa，分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器，其压力灵敏度放大了16.7倍。此外，传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点，为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。
保偏光子晶体光纤 萨格纳克干涉 游标效应 光纤压力传感器 polarization-maintaining photonic crystal fiber sagnac interference vernier effect fiber optic pressure sensor
中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT), 其具有宽频带, 易与电子电路集成制作等优势, 在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征, 该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论, 由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性, 为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。
电容式微机械超声换能器 薄板振动 声场 声轴声压 指向性 声发射特性 CMUT thin plate vibration sound field axial sound pressure directivity acoustic emission characteristic
1 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
2 北京宇航系统工程研究所, 北京 100076
设计了一种小芯径的4杆悬浮芯光纤折射率检测传感器,并针对这种光纤模拟了三种不同的抛磨结构。通过在开放式的气孔中涂覆金膜来激发表面等离子体共振效应。采用有限元方法(FEM)分析了开放式悬浮芯光纤的表面等离子体传感特性,并研究了传感金属层和悬浮杆厚度对传感效果的影响。单孔抛磨结构和相对两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31~1.42,最大灵敏度分别为15000 nm/RIU(refractive index unit)和16000 nm/RIU,分辨率分别为6.7×10 -6 RIU和6.25×10 -6 RIU。相邻两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31~1.40,最大灵敏度可达20000 nm/RIU,分辨率可达5.0×10 -6 RIU。此传感器在测量高折射率物质方面具有很好的性能,便于制备,将来有广阔的市场应用前景。
光纤光学 悬浮芯光纤 折射率传感器 有限元方法 表面等离子体共振
五邑大学 智能制造学部, 广东 江门 529000
随机激光的阈值与体系内的散射强度存在密切关系。高折射率二氧化钛(TiO2)纳米颗粒与染料掺杂聚合物分散液晶(DDPDLC)均匀混合后, 由于液晶微滴与TiO2纳米颗粒之间的强散射作用, DDPPLC的随机激光具有更低的激光发射阈值, 并且随TiO2纳米颗粒的掺杂浓度而变化; 在优化TiO2纳米颗粒掺杂浓度的基础上, DDPDLC的发射阈值为270μJ/cm2, 线宽下降至0.08nm; 温度实验证明了PDLC结构的散射是产生随机激光的主要工作机制, 在TiO2纳米颗粒掺杂后, DDPDLC样品依然保证了良好的可调性。
聚合物分散液晶 随机激光 纳米颗粒 polymer dispersed liquid crystal random laser nanoparticle
1 中北大学仪器与电子学院, 山西, 太原 030051
2 中北大学电子测试技术国防科技重点实验室, 山西, 太原 030051
3 北京宇航系统工程研究院, 北京 100000
设计了一个由金纳米结构顶层、中间介质层和金属基底层构成的复合超材料结构。其中,金属纳米结构顶层是由三个椭圆形纳米盘所组成的“工”字形单元阵列,中间介质层是二氧化硅,金属基底层是金膜。利用有限元方法研究了该结构的吸收特性、电场分布及折射率传感特性。结果表明:该结构的吸收光谱中出现了三个吸收峰,其吸收率分别达到91.06%、99.63%和97.26%。此外,研究了结构参数和周围环境介质对吸收率的影响及其折射率变化的响应特性,折射率灵敏度最大达到425 nm/RIU(RIU为单位折射率),品质因数(FOM)为14。这些研究将为基于表面等离激元超材料结构的完美吸收器用作折射率传感器提供理论指导。
表面光学 表面等离激元 完美吸收器 有限元方法 折射率传感器 光学学报
2020, 40(14): 1424001
1 中北大学 仪器与电子学院 电子测试重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学 仪器与电子学院 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051
3 北京宇航系统工程研究所, 北京 100076
针对现有的准分布式光纤传感测量技术复杂、精度不高且响应时间较慢等问题, 设计出一种实时性高且成本更低的准分布式光纤传感器。传感器主要由柔性LED灯带和带有侧向耦合结构的聚合物光纤组成。侧向耦合结构被LED逐一照亮, 形成一系列传感单元。光通过侧向耦合结构入射聚合物光纤中, 当LED和耦合结构之间的介质改变时, 耦合光强增加, 光纤两端输出光强随之增加, 则可将液漏事件转化为耦合介质改变来测量。结果表明, 准分布式光纤液漏传感器具有检测和定位漏水信号的能力且定位精度小于等于10cm, 实现了液漏检测和漏点定位的功能。
光学测量 光纤传感 准分布式 液漏测量 侧面耦合 optical measurement fiber optic sensing quasi-distributed liquid leakage measurement side coupling
1 中北大学仪器与电子学院, 山西 太原 030051
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
频率稳定度是评价相干布局囚禁(CPT)原子钟性能的重要指标,而原子气室内部缓冲气体的种类及其气压比是影响CPT原子钟频率稳定度的主要因素。选用Ar与N2为缓冲气体,从理论上对其温度频移特性进行仿真分析,并在不同缓冲气体气压比例的条件下实验测量了CPT原子钟的温度频移特性。根据理论与实验结果确定了原子气室内部缓冲气体最佳的比例,并给出了与之对应的最小温度频移工作点。研究结果对设计CPT原子钟原子气室内部的缓冲气体气压比及其工作温度具有借鉴作用。
原子与分子物理 原子钟 原子气室 频率稳定度 温度频移 激光与光电子学进展
2019, 56(12): 120201
Author Affiliations
Abstract
1 Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, China
2 Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China
As the key part of chip-scale atomic clocks (CSACs), the vapor cell directly determines the volume, stability, and power consumption of the CSAC. The reduction of the power consumption and CSAC volumes demands the manufacture of corresponding vapor cells. This overview presents the research development of vapor cells of the past few years and analyzes the shortages of the current preparation technology. By comparing several different vapor cell preparation methods, we successfully realized the micro-fabrication of vapor cells using anodic bonding and deep silicon etching. This cell fabrication method is simple and effective in avoiding weak bonding strengths caused by alkali metal volatilization during anodic bonding under high temperatures. Finally, the vapor cell D2 line was characterized via optical-absorption resonance. According to the results, the proposed method is suitable for CSAC.
020.1335 Atom optics 020.1670 Coherent optical effects 110.3960 Microlithography Chinese Optics Letters
2019, 17(4): 040202
