回顾并总结了掺铋光纤的历史和发展, 2005年在世界上首次采用MCVD技术研制出了掺铋光纤。为了在宽的光谱范围内获 得掺铋光纤激光器和放大器, 对不同组分玻璃纤芯的掺铋光纤进行了深入研究。报道了石英基玻璃掺铋光纤、锗酸盐玻璃掺 铋光纤、硅锗酸盐玻璃掺铋光纤、铝硅酸盐玻璃掺铋光纤以及硅磷酸盐玻璃掺铋光纤。通过上述研究, 在 1 150~1 800 nm范 围内实现了一系列铋掺杂的光纤激光器和放大器。

半导体激光器是光纤传感系统中的重要组成部分之一, 它的输出功率和波长的稳定性决定着整个光纤传感系统的测量精 度, 为了满足传感系统的测量需求, 需对其波长进行调谐, 并且在调到所需波长后还需其具有较高的稳定性。通过温度控制 和驱动电流控制对半导体激光器波长调谐进行了研究。以往的调谐多为盲目调节, 由于驱动电流的变化会导致温度变化, 二 者之间会相互影响, 调谐过程复杂、时间长、不易调到最佳状态。提出了一个描述以波长 λ 与功率P作为输出量, 以驱动电 流I与温度T作为输入量的2×2关系矩阵, 并测定了矩阵中4个元素的值。利用这个关系矩阵, 可按照不同波长与功率的需求, 直接计算出调谐驱动电流与温度的最佳值, 使得调谐过程变得更加高效准确。设计了高稳定性TECAL-XV-XV-DAH温度控制器, 以及激光器驱动电路和温度控制电路, 实现了调谐范围3.2 nm、精度0.01 nm、漂移小于0.002 nm, 功率波动小于3 μW的激 光器调谐。

在纤端光强为高斯分布且发送光束在反射面发生镜面反射及漫反射的前提下, 通过理论分析建立了反射式强度调制光纤 传感器的光强调制特性函数模型, 运用Matlab仿真分析了反射面粗糙度改变及光纤自身参量对光强调制特性函数曲线的影响 。研究了反射面为光滑镜面和完全漫反射面对调制特性的影响, 以及光束在物体表面发生漫反射时光纤对轴间距, 纤芯半径 和光纤数值孔径对调制特性的影响。结果表明: 镜面反射的强度调制特性明显优于漫反射面, 调制函数峰值是漫反射的5倍, 且随着反射面粗糙程度的依次增大, 强度调制特性逐渐下降。就光纤传感器设计而言, 在条件允许的范围内减小收发光纤轴 间距, 减小发送光纤芯径, 增加接收光纤芯径且选择数值孔径较大的光纤可提升光纤传感器光强调制特性, 提高测量精度。

基于随机激光的时域理论, 利用高斯型函数描述飞秒脉冲的作用过程, 研究飞秒脉冲激励下各向异性二维无序增益介质 的辐射特性, 并重点讨论了介质的尺寸、表面填充率和散射颗粒半径对辐射脉冲时域特性的影响, 包括辐射脉冲的强度、延 迟时间和脉冲宽度三个方面。结果表明, 辐射光脉冲的时域特性与系统参数有关, 通过改变上述三个参数可以控制辐射光脉 冲的时域波形。数值模拟结果为研究超短脉冲激励各向异性随机激光的应用, 特别是输出脉冲的时域波形可控性方面提供了 理论依据。

为克服传统光测设备模拟训练器仿真程度较低的不足, 设计了基于实景图像的光测设备模拟训练器, 由虚拟目标生成器 和虚拟目标叠加器两部分构成。从以往保存的实景图像中提取出目标信息, 并进行目标旋转、数据压缩处理后, 与图像附加 信息一起生成虚拟目标序列, 再将虚拟目标序列叠加到设备实时背景上。实现了原始情景再现, 获得了近乎实际工作状态的 设备环境, 使光测设备的训练不再受客观条件的限制, 随时随地实现单台设备独立自主的全流程训练。

设计了一种适用于光滑表面的调制度显微测量系统, 系统包括两个远心镜头、一个半透半反镜、一个显微物镜、一个 CCD相机和一个DMD数字投影仪。由远心镜头和显微物镜结合将数字投影仪产生的条纹图像成像到显微物镜物面, 得到虚拟的 标准条纹图, 待测表面对该虚拟条纹图的反射像将沿显微物镜光路返回进入CCD像平面, 待测物体在高精度一维平移台的控制 下沿光轴移动, 根据相移算法可以从获取的条纹图中计算出每个位置的图像调制度, 通过查找调制度最大值对应的位置, 即 可完成待测物点的三维形貌测量。实验结果表明该显微调制度测量方法能获得高精度面形, 特别适用于微小形貌剧烈变化物 体面形测量。

为实现输电线路单相断线故障的快速精准定位, 缩短供电恢复时间, 提出了一种基于OPGW光传感技术的光偏振态故障定位方法。根据法拉第磁光效应的原理, 以光纤复合架空地线(OPGW)为传感器, 通过自制设备捕获和分析输电线路相导线对 OPGW产生的感应电流在单相断线瞬间的突变信号, 实现对故障点的定位。在实验环境下进行模拟实验对其验证, 结果表明: 在给定的电流范围内, 设备获取的信号强度与导线通电电流大小呈正相关, 设备能有效捕捉线路断电瞬间的突变信号, 实现 故障点定位, 定位结果误差在±250 m内, 满足工程设计的要求。

工程领域对高精度方位角测量的迫切需求使得磁光调制方位角测量技术成为当前国内方位角度测量领域的重点研究方向之一。介绍了磁光调制方位角测量技术的基本原理, 分析了国内外在提高方位角测量精度、减少测角同步时间和数据处理方面做出的研究进展, 并探讨了技术发展趋势。对于发展方位基准传递研究所需的方位角高精度测量技术和装置具有参考价值。

表面纳米轴向光子(SNAP)是一种基于光纤表面制造光子回路的新型平台, 其表征可达亚埃米精度。其制作方法通常采用 CO2激光束曝光法, 在加工过程中使光纤局部退火并释放光纤中的张力, 该方法制作的微谐振器具有纳米尺度的有效直径变化 。主要概述了SNAP技术及其应用, 并着重介绍在2016~2017年期间获得的最新成果。特别介绍了基于毛细管纤维的SNAP技术在 微流体中的理论及实验结果, SNAP微瓶谐振器中频率梳的产生及SNAP微瓶谐振器的光力学理论。

光栅是光栅光谱仪的核心部件, 其分光能力直接决定了仪器的光谱分辨率。基于浸没式光栅的光栅光谱仪使用浸没式光栅作为分光元件。推导了浸没式光栅的光谱分辨率方程, 光谱分辨率要求一定时, 与使用普通反射光栅相比, 使用浸没式光栅能够在实现高光谱分辨率的同时大幅减小仪器的体积和重量。介绍了浸没式光栅的常用材料、浸没式光栅在星载和地基高光谱分辨率光栅光谱仪上的应用以及浸没式光栅的制作方法。设计和研制了70 mm硅浸没式光栅, 实测光栅效率>57%、光栅偏振<3.2%, 各项指标实测结果满足技术要求。

根据行星夹具的膜厚理论模型, 对半球透镜表面的膜厚分布进行理论分析研究。推算半球面上典型点的膜厚公式, 用代 入法对不同情况的膜厚分布进行计算, 结果表明半球面上中心区域(90°张角内)的膜厚不均匀性可控制在10%左右, 其边缘区 域(张角大于90°)的膜厚不均匀性高达90%; 改变蒸发源的位置对改善膜厚均匀性没有明显帮助, 但改变蒸发源的形式能改善 膜厚均匀性。该研究工作对半球透镜表面镀膜的膜厚均匀性分析及改善具有一定的理论指导意义。

为了去除超光滑玻璃表面的纳米级颗粒, 利用白光干涉仪和原子力显微镜对普通湿法清洗和氢氟酸(HF)清洗后的超光滑抛光样件进行检测, 研究了氢氟酸对纳米级颗粒的清洗效果。研究表明, 在普通湿法清洗后, 增加浓度为2%(V/V)的氢氟酸清 洗10 min以上, 可以有效去除超光滑玻璃表面残留的纳米级颗粒。

设计并组建了光纤照明的多分辨率数字全息显微镜系统。激光器出射的激光经光纤耦合器、光纤分束器, 分别形成照明样品的照明光波和参考光波。照明光波经扩束准直后透过样品形成物光波, 与参考光在图像传感器表面干涉形成全息图。相 较于普通数字全息显微镜, 该系统更加紧凑稳定, 并且通过转动物镜转盘, 可选择采用不同的显微物镜, 实现多分辨率显微 定量相位成像。对该系统进行了实验测试, 首先用标准样品聚苯乙烯微球验证了该系统定量相位成像的准确性, 并测量了系 统的时空噪声, 得到空间噪声在2 nm以内, 时间噪声在0.8 nm以内; 然后将系统应用于单模光纤、微光学元件和生物样品的 测量, 获得了准确的定量相位像。实验结果表明组建的光纤照明多分辨率光纤型数字全息显微镜稳定性高, 能够实现准确的 定量相位成像。

与传统的二维指向镜系统不同, 基于压电陶瓷的反射镜系统控制精度要求高, 反射镜的反射面与三维坐标系的X轴平行, 难以求得简单的解析表达式。为了解决这一问题, 对反射镜系统中的光轴偏和像旋特性进行分析研究。从光学反射矢量基本 理论出发, 建立二维指向镜数学模型, 根据目标偏转角解耦得到指向镜的方位角和俯仰角, 模型采用数值解并提出数值解的 约束条件。仿真实验结果表明: 二维指向镜偏转误差远小于系统瞬时视场角; 最后分析二维指向镜旋转引起的像旋问题, 实 验测得像旋误差小于0.01°。满足系统的精度要求, 为像旋校正提供理论依据。

基于CORTEX M4主控芯片GD32F450I, 通过采用三次多项式方式, 完成千分度云台的路径规划, 从而减小运动中的冲击和振动, 提高云台的运动精度。采用基于位置环和速度环的双环控制算法, 快速控制千分度云台的位置运动精度。针对千分度云台的俯仰运动, 还需要通过脉动差值补偿方式, 有效消除负载力矩引起的齿隙误差, 从而使得千分度云台控制精度达到 0.004°(方位)和0.006°(俯仰)的要求。

为了对时间间隔进行高精度测量, 设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的时间数字转换器。整个系统分为“粗”测量模块和“细”测量模块两部分。“粗”测量模块的基本原理为直接计数法, “细”测量模块利用了FPGA内部的进位链构造 了延迟链。采用了位置约束和多链联合测量的方法对延迟模块进行了优化。最后经过实物测试得知时间数字转换器的测量分 辨率为6.757 ps, 测量精度为33.802 ps, 微分非线性DNL的范围为(-1, 3.322)LSB, 积分非线性INL的范围为(-11.055, 9.594)LSB。该项技术可用于光电信号传输过程中延时的校准。

分析了PFSM的迟滞非线性特性和蠕变特性对控制精度的影响, 提出将XGBoost模型应用于PFSM的动态迟滞非线性特征建模。通过提取PFSM的加压历史特征, 有效地解决了迟滞非线性中数据一对多的问题, 提取的特征包括电压的电压值、变化频率、变化方向、电压增量、历史局部极大值与局部极小值和时间间隔等。仿真结果表明, 此模型可以对迟滞非线性特性和蠕变特性有较好的拟合效果, 相对于静态PI模型, 拟合精度提高了约40 μrand。同时具有模型参数容易识别、易移植到嵌入式芯片等优点。该动态迟滞非线性特征建模方法有理论意义和实用价值。