1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西 太原 030024
3 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
为了探索一种高灵敏折射率传感器，基于CO2激光技术制备出双峰谐振长周期光纤光栅（LPFG）。首先，利用CO2激光器在腐蚀包层后的传统单模光纤和80 μm弯曲不敏感光纤上制备出周期分别为196 μm和73 μm的双峰谐振LPFG，证明了采用CO2激光微加工技术在单模光纤上制备短周期LPFG的可能性。其次，利用CO2激光器直接在2种80 μm单模光纤上制备出周期分别为110 μm和115 μm的双峰谐振LPFG。实验结果表明：在2种80 μm单模光纤上制备的LPFG具有谐振损耗大，插入损耗小和折射率灵敏度高等优点。基于以上优点，采用CO2激光技术制备的双峰谐振LPFG在生物、化学及环境参数检测等重要领域的应用具有较大潜力。同时，也提供了一种操作简单、低成本制备双峰谐振LPFG的方法。
光纤光学 长周期光纤光栅 双峰谐振 CO2激光技术 折射率 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506009
1 晋中学院 材料科学与工程系 山西 晋中 030619
2 中国电子科技集团公司 第三十三研究所 山西 太原 030006
为达到近中红外与激光兼容隐身的双重目的, 设计了一种由Ag和ZnS构建的含缺陷的分布式Bragg反射镜(Distributed Bragg reflector, DBR)。利用掺杂原理, 在含金属的DBR中引入缺陷, 使其在650～5?000nm禁带范围内1 060 nm处出现缺陷模。采用COMSOL研究了周期数Nc、缺陷层膜厚对近中红外及缺陷模的影响规律。研究结果表明: 缺陷模随缺陷层膜厚减少而蓝移。随含缺陷周期结构Nc增加, 缺陷模宽度变窄, 其缺陷模以中心波长为中心成对出现, 呈现出良好反射型梳状滤波器的特征。通过控制Nc, 可对梳状滤波器的齿数和齿距进行有效控制。当Nc=1时, 可实现650～5?000nm波段全反射, 1 060 nm处出现缺陷模, 其反射率仅为4%。这种具备“光谱挖空”特征的含金属的DBR, 能够进行近中红外波段和1 060 nm处的激光兼容隐身。和异质结电介质光子晶体相比, 该结构具有结构对称、结构简单、膜层层数较少的优势。
含金属的DBR 缺陷模 近中红外 激光 兼容隐身 metal-containing DBR defect modes near-mid-infrared laser compatible stealthy 量子光学学报
2023, 29(4): 040502
1 安徽理工大学材料科学与工程学院, 淮南 232001
2 安徽理工大学, 环境友好材料与职业健康研究院(芜湖), 芜湖 241003
本文以无水葡萄糖和六水合硝酸钴为原料, 采用水热法与原位负载相结合制备了一种掺钴的碳基化合物, 并将其作为过硫酸氢钾活化剂用于催化降解水体中的四环素。对制备的掺钴碳基化合物进行了XRD、SEM、TEM、XPS等表征, 从晶形结构、显微形貌、表面化学元素等方面分析了该催化剂降解四环素效果明显高于单一水热碳的原因。此外, 考察了催化剂投加量、过硫酸氢钾投加量、溶液pH等因素对四环素催化降解效果的影响。实验结果表明: 掺钴碳基化合物在最佳反应条件下催化降解60 min, 四环素的降解率达到了95.84%(k=0.051 36 min-1)。同时还对降解机理进行了探究, 分析结果表明掺钴碳基材料中的Co0和Co2+参与了激活过硫酸氢钾产生·O-2、SO·-4、1O2、·OH的过程, 该材料具有高效的催化降解四环素的能力, 在处理抗生素废水方面具有良好的前景。
掺钴碳基材料 催化降解 四环素 高级氧化处理 无水葡萄糖 水热碳 cobalt-doped carbon-based material catalytic degradation tetracycline advanced oxidation treatment anhydrous glucose hydrothermal carbon
1 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室，广东省光纤传感技术粤港联合研究中心，深圳市 物联网光子器件与传感系统重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，深圳市 超快激光微纳制造重点实验室，广东 深圳 518060
3 人工智能与数字经济广东省实验室（深圳），广东 深圳 518107
基于瑞利散射的光频域反射技术（OFDR）因其高空间分辨率和高灵敏度等优点，在航空航天、健康医疗和高精密仪器检测等领域受到广泛关注。OFDR技术因光纤中瑞利信号弱和光源非线性调谐等问题，限制了其空间分辨率和传感距离等性能的提升。针对此问题，论述了OFDR传感原理，介绍了提升OFDR性能的光纤后处理和数据后处理2种方法，重点介绍了紫外曝光和飞秒激光后处理方法制备瑞利散射增强型光纤，并利用瑞利散射增强型光纤结合后处理算法，实现了温度、应变和三维形状传感。
光频域反射技术 分布式光纤传感 瑞利散射 温度传感 应变传感 形状传感 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106007
1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
980 nm半导体激光器作为掺铒光纤放大器的最佳泵浦源，其温度会影响激光器功率稳定性和放大器输出光谱漂移。提出将现场可编程门阵列（FPGA）作为核心控制元件，以半导体制冷器为执行元件、热敏电阻为温度传感器，利用FPGA自动切换内部状态机、控制流入半导体制冷器电流的方向和大小，实现980 nm半导体激光器内部的温度控制，并通过搭建基于FPGA的掺铒光纤放大器系统实验装置，验证所提方法的可行性。实验结果表明：所提出的温度控制方法能有效地实现980 nm半导体激光器的温度控制，使其功率-电流曲线的线性拟合度提高了23.07%，掺铒光纤放大器的输出光谱波长偏移减小了62.5%，保证了激光器输出功率及放大器输出波长的稳定性。该方法的结构简单且实时性高，对推进半导体激光器温度控制的发展及应用具有非常重要的意义。
激光器 980 nm半导体激光器 温度控制 现场可编程门阵列 状态转换机
1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 空装驻太原地区军事代表室，山西 太原 030006
结合笼形分子（Cryptophane-E）对甲烷气体的选择性吸收特性，提出了一种基于双层薄膜的高灵敏度长周期光纤光栅（LPFG）甲烷体积分数传感器。通过减小包层直径使低阶包层模式LP06工作在色散转折点（DTP）附近，并在光纤表面涂覆厚度经过优化的TiO2薄膜，以确保包层模式LP06在模式转换（MT）区内与纤芯模式LP01耦合，从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。由于甲烷气体分子会改变最外层Cryptophane-E薄膜的材料折射率，进而改变包层模式的有效折射率，因此通过监测共振波长的移动即可实现对甲烷气体体积分数的测量。在DTP和MT效应的共同作用下，当甲烷气体体积分数从0%变化到3.5%时，所提的LPFG传感器平均灵敏度高达249.6 nm/%。此外，针对本传感器在不同甲烷体积分数下的非线性响应特征，设计了反向传播（BP）神经网络信号解调算法。研究结果表明：在甲烷气体体积分数变化范围内，其最大预测误差为0.008%，该传感器良好的性能使其在煤矿安全监测等领域具有潜在的应用价值。
光纤光学 甲烷体积分数 长周期光纤光栅 色散转折点 模式转换 反向传播神经网络 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0706009
1 华中农业大学工学院, 湖北 武汉 430070
3 华中农业大学动物遗传育种与繁殖教育部实验室, 湖北 武汉 430070
4 河北省畜牧业协会, 河北 石家庄 050000
市场上普遍存在“高蛋白”, “高乳脂”等特色牛奶。 为了实现对特优优质奶、 高蛋白特色奶、 高乳脂特色奶和普通奶的无损快速分级, 收集了河北省10个牧场不同月份(1月、 3月-10月)的5 121份牛奶样本并采集中红外光谱数据, 分别测定牛奶中的乳蛋白、 乳脂和体细胞数, 构建了牛奶品质分级模型。 首先, 分析牛奶光谱并去除冗余波段, 最终选择9251 597和1 7123 024 cm-1的敏感波段组合作为全光谱用于建立模型。 为了提高模型的性能, 采用标准正态变量变换(SNV), 多元散射校正(MSC), 一阶导数, 二阶导数, 一阶差分和二阶差分6种算法对光谱进行预处理并建立朴素贝叶斯模型(NB)和随机森林模型(RF), 确定二阶差分为最佳预处理方法, 其测试集准确率分别为92.11%和96.87%。 为了简化模型, 利用无信息变量消除法(UVE)、 竞争性自适应重加权算法(CARS)与稳定性竞争性自适应重加权采样算法(SCARS)以及UVE-CARS算法和UVE-SCARS算法对二阶差分后的光谱数据提取特征变量。 然后, 分别基于全光谱和所选特征变量数据, 建立NB模型和RF模型。 结果表明, SCARS算法为NB模型的最佳特征提取算法, 模型的训练集准确率与测试集准确率分别为94.45%, 93.94%; UVE-SCARS算法为RF模型的最佳特征提取算法, 模型的训练集准确率与测试集准确率分别为99.86%, 96.48%。 综上, 基于傅里叶变换中红外光谱技术建立的二阶差分-UVE-SCARS-RF模型, 可以实现特优优质奶、 高蛋白特色奶、 高乳脂特色奶和普通奶的无损快速分级, 通过建立中红外光谱模型, 首次将乳蛋白、 乳脂含量和体细胞数直接结合进行分级鉴定, 这是以往未曾有过的。 模型应用方便, 只需将获得的牛奶红外光谱数据输入模型即可输出预测类别, 在牛奶产业中具有实际应用价值。
中红外光谱 牛奶 品质分级 无损检测 特征变量 Mid-infrared spectrum Milk Quality grading Nondestructive testing Characteristics of the variable 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1243
