香港大学物理系新基石科学实验室，香港 999077
耦合等离激元体系在光场调控、光学传感、光学成像及光电器件等领域中有着广泛应用。目前，阻碍耦合等离激元进一步实用化发展的关键问题是金属材料具有较大的损耗。结合数值仿真方法，从理论上研究了耦合等离激元的损耗机理，并进一步分析复频率光源激励对耦合等离激元体系的作用，提出了通过合成复频率波的方法来补偿损耗，从而恢复被削弱的耦合共振信号。所提优化手段具有泛用性高且无需额外成本的优势，研究结果对耦合等离激元体系在各个领域中的研究发展具有借鉴意义，有利于挖掘该体系的潜在应用价值。
物理光学 纳米光学 等离激元 复频率波 光学传感 光学学报
2024, 44(10): 1026019
西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054
铁路已成为我国交通运输的大动脉，地理条件的多样性使得铁路隧道分布较多。针对铁路隧道的结构安全监测方式诸多，然而传统的监测方式均存在一定的局限性。基于当前研究热点——光学传感，将精度优良、经济可行性较高的光学视频位移计和光纤布拉格光栅传感技术有机结合，应用于运营期铁路隧道的安全监测。通过分析静态、通车等情况下的监测数据，结合仿真模型，初步探讨光学传感应用于运营期铁路隧道监测的可行性，旨在为相关工程技术研究提供参考和借鉴。
光学传感 光学视频位移 光纤光栅传感 隧道监测 仿真模型 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2312006
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 香港中文大学 机械和自动化工程系，香港999077
二氧化碳（Carbon dioxide， CO2）是大气中最主要的温室气体，具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此，对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术，搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO2气体传感装置。系统中选取了中心波长为6 251.760 cm-1的CO2吸收线、设计了超高精细度（>300 000）的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07 ℃和15 Pa。Allan方差的结果显示，系统在303 s的最佳积分时间下，可获得0.7×10-12 cm-1的检测限，对应的CO2最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO2浓度范围内，系统响应的线性相关系数为0.999 94。最后，系统以10 s的响应时间，对大气中的CO2浓度进行了2天的连续观测，其结果与商用仪器（Picarro， G2401）的监测数据高度一致，排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点，在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。
CO2探测 光学传感 光腔衰荡光谱 极高灵敏度 CO2 detection optical sensing cavity ring-down spectroscopy ultra-high sensitivity 光学 精密工程
2023, 31(20): 2921
齐鲁工业大学（山东省科学院） 激光研究所,济南 250104
针对地面成熟三相流相含率测量传感器无法适应井下高温高压腐蚀的复杂环境,现有井下测量设备复杂,需要多种传感器和探头联合才能实现三相流相含率测量的问题,设计了一种光纤探针传感器。以蓝宝石作为光纤探针的前端敏感材料,利用气相和液相对光的折射率不同,通过检测探针反射光的光强来分辨光纤探针处于气相还是液相。通过检测经探针耦合进光纤的荧光光强分辨水相还是油相,从而实现单一探针传感器对油井内油相、水相、气相三相相含率的测量。
光纤传感 光纤探针 三相流 相含率 optical sensing and sensors optical fiber probe three-phase flow phase holdup
Author Affiliations
Abstract
1 Brigham Young University, Department of Physics and Astronomy, Provo, Utah, United States
2 Tula Health Inc., Farmington, Utah, United States
3 Brigham Young University, Department of Electrical and Computer Engineering, Provo, Utah, United States
A miniaturized short-wavelength infrared spectrometer for use with diffuse light was created by combining a thin form factor carbon nanotube composite collimator, a linear variable filter, and an InGaAs photodiode array. The resulting spectrometer measures 3 mm × 4 mm × 14 mm and shows a significant improvement in resolution over a spectrometer without the collimator when used with diffuse light. Its small size and high throughput make it ideal for applications such as wearable optical sensing, where light from highly scattering tissue is measured. Plethysmographic measurements on the wrist were demonstrated, showing rapid data collection with diffuse light.
spectrometer wearable optical sensing short-wavelength infrared region Advanced Photonics Nexus
2023, 2(6): 066003
1 南华大学电气工程学院超快微纳技术与激光先进制造湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001
2 南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001
数值研究了由同心C3型孔和圆环孔单元结构组成的复合超表面在近红外波段内的表面等离子体三重法诺共振效应与光学传感现象。研究结果表明，通过改变C3单元结构的对称性破缺不仅能够诱导产生可调的多重法诺共振效应，还能构建基于该效应的自参考光学传感。此外，通过改变圆环单元结构的内半径能够实现基于法诺凹陷深度的辐射监测传感。该研究为设计紧凑、可调谐的法诺共振光子器件提供了新的视角，同时可将周期性亚波长金属纳米结构扩展至生物传感和光通信领域的相关应用。
光电子学 表面等离子体光子学 表面等离子体 光学传感和传感器 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0925001
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 Tianjin Key Laboratory of Intelligent Control of Electrical Equipment, Tiangong University, Tianjin 300387, China
3 College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Studies on the kinetics of gas-phase chemical reactions currently rely on calculations or simulations and lack simple, fast, and accurate direct measurement methods. We developed a tunable laser molecular absorption spectroscopy measurement system to achieve direct measurements of such reactions by using wavelength modulated spectroscopy and performed online measurements and diagnostics of molecular concentration, reaction temperature, and pressure change during the redox reaction of ozone with nitrogen oxides (NOx) with 0.1 s temporal resolution. This study provides a promising diagnostic tool for studying gas-phase chemical reaction kinetics.
optical sensing wavelength modulated spectroscopy reaction kinetics nitrogen oxides Chinese Optics Letters
2023, 21(1): 011202
1 东北林业大学理学院，黑龙江 哈尔滨 150040
2 上海新跃联汇电子科技有限公司，上海 200233
提出了一种由对称的类H型谐振腔和独立枝节组成的表面等离子体金属‐绝缘体‐金属（MIM）波导结构。利用有限元分析法研究了该结构的Fano共振及其光学传感特性。结果表明，该结构可实现Fano共振，最大折射率灵敏度和品质因数分别为1078.33 nm/RIU和1259.2。同时，研究了结构几何参数对Fano共振的影响，并进一步实现了Fano共振线型和波长的独立调节。所提出的等离子体MIM波导结构在集成光子器件和纳米光学传感领域具有潜在的应用前景。
表面光学 表面等离子体激元 Fano共振 光学传感 有限元分析法 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2124002
1 中国科学院新疆理化技术研究所 新疆爆炸物安全科学自治区重点实验室，乌鲁木齐 830000
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
非制式爆炸物因原料易得、破坏性大等特点，已成为暴恐分子施爆的首选方式。目前，国内外针对光学传感2，4，6-三硝基甲苯、2，4-二硝基甲苯等制式爆炸物的研究已经相对成熟，而对于非制式爆炸物，因其具有与制式爆炸物完全不同的本征特性，如多为不挥发离子晶体、分子构型差异巨大等，难以通过光学传感制式爆炸物的原理对其分析与识别，成为国际反恐的棘手难题。因此，针对非制式爆炸物的特性，设计特异性光学传感材料、提出光学信号增强策略、建立现场识别超痕量非制式爆炸物的有效方案，是实现追踪非制式爆炸物源头、截断非制式爆炸物转移路径与炸后残留定性分析的迫切需求。本文从光学传感的本质出发，系统总结了传感材料的设计方法和比色/荧光传感非制式爆炸物模式的发展趋势，旨在为光学传感非制式爆炸物领域提供思路和借鉴。
爆炸物 单颗粒 比色 荧光 光学传感 Explosive Single microparticle Colorimetric Fluorescence Optical sensing
1 天津大学海洋科学与技术学院，天津 300072
2 四川永星电子有限公司，四川 成都 610000
3 深圳市联影高端医疗装备创新研究院，广东 深圳 518045
高分辨感知声波相位是实现水下声学目标跟踪与定位的核心问题之一。传统方法基于压电效应完成目标信号的相位感知，在传感机理上存在相位分辨率相对较低、障板干扰、声波振动起讫点不明等问题。本团队提出了基于声光效应的新型激光阵列水声相位高分辨传感方法，并设计了由5束平行激光组成的阵列传感装置(装置孔径为340 mm)，并于消声水池条件下验证了该装置的有效性。实验结果显示，本方法的水声相位感知分辨率优于1°，水下目标跟踪的角度分辨率优于0.05°。该方法为新型水下目标高分辨跟踪定位技术的发展提供了研究储备。
传感器 声光效应 光学传感 Raman-Nath衍射 广义互相关 声学跟踪 中国激光
2022, 49(18): 1810004
