1 中国航空工业集团有限公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095
2 中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018
针对飞秒激光逐点法制备的光纤布拉格光栅（FBG）损耗较大的问题，提出了一种基于小孔径光阑整形的低损耗飞秒光纤光栅制备方法。首先分析了孔径光阑限制下聚焦高斯光束焦场的能量分布，利用小孔径光阑整形获得了丝状焦场的孔径条件。利用小孔径光阑整形的飞秒激光刻写装置制备FBG，在光阑孔径由10 mm逐步降低至1 mm的过程中，光栅条纹形态由圆形过渡到丝状，丝状光栅条纹对入射光的散射更弱、耦合效率更高，使插入损耗由0.90 dB降低至0.11 dB，短波损耗由4.01 dB降低至0.35 dB。受包层模与纤芯模耦合的影响，短波损耗以振荡形式存在，实验验证了涂覆层和低反射率对振荡的抑制作用。
光栅 光纤布拉格光栅 飞秒激光 小孔径光阑 插入损耗 短波损耗
1 中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，四川绵阳62000
2 中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点实验室，四川绵阳61000
为了测量复杂流动速度分布，基于分子标记示踪原理建立了飞秒激光电子激发标记（FLEET）测量装置。开展了超声速混合流动速度分布测量实验，获得了马赫数3.0射流分别与马赫数2.0，2.5及2.9射流形成的混合流动速度分布的测量结果；结合大涡模拟和纹影实验，显示了混合层的流场结构。利用延迟10 μs的荧光标记线与荧光基线的位移差，分析得出实验中FLEET速度测量的不确定度优于5 m/s；在高低速主流区，FLEET测量的速度结果与计算结果基本一致；在混合层，FLEET实现了较大梯度的速度分布测量，混合层的厚度与纹影实验结果符合较好。实验表明，建设的FLEET装置具有较强的工程实验能力，能够实现超声速混合层等复杂流动速度的分布测量。
飞秒激光 分子示踪 速度测量 超声速混合层 femtosecond laser molecular tagging velocity measurement supersonic mixing layer 光学 精密工程
2023, 31(19): 2781
1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川 绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
2 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川 绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
3 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
在预混甲烷/空气燃烧的平面火焰炉上, 采用脉冲式光腔衰荡光谱技术（cavity ring-down spectroscopy, CRDS）实现了对OH分子浓度的定量测量。 根据光腔衰荡吸收光谱理论, 选取OH的A2Σ+-X2Π(0,0)电子跃迁带中的P1(2)吸收谱线构搭建了一套激光波长在308.6 nm的脉冲CRDS实验装置。 脉冲CRDS装置中的衰荡光腔是由一对反射率为99.7%的高反射镜组成且其衰荡腔的腔长为270 cm, 并测量空腔（光腔中无火焰）的衰荡时间为2.33 μs。 通过理论分析影响浓度精确测量的实验参数, 分别采用平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)、 相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)和脉冲CRDS三种技术精确测量OH的有效吸收长度、 高温火焰的温度和有效的光腔衰荡时间。 当在平面火焰炉上燃烧预混的甲烷(1.1 L·min-1)和空气(15 L·min-1)且在距离炉面高度为6 mm时, 采用PLIF技术测量的有效吸收长度比直接选用燃烧器炉面直径作为吸收长度的精度提高7.1%, 室温下利用CARS技术测量的温度要比热电偶测量的温度精度提高45%, 衰荡光腔内有火焰且选用非OH吸收波长时测得的光腔衰荡时间要比采用空腔时测得的光腔衰荡时间精度提高21.6%。 因此, 通过以上多种测量技术相结合的方式精准测量各实验参量, 最后得到OH分子数密度在距离炉面高度为6 mm时达到最大值（3.59×1013 molecules·cm-3）且OH浓度精度要比于未修正的OH浓度提高了35.6%。 另外, 在不同当量比下（Φ=0.7～1.1）, OH粒子数密度都会随着距离炉面高度的增加而减少, 通过曲线拟合发现OH浓度随着距离炉面高度的增加呈e指数衰减。 在同一燃烧高度的富氧燃烧状态下, OH浓度随着当量比的增加而增加; 当甲烷流量保持恒定时, 富氧燃烧状态下的OH浓度要高于低氧燃烧状态下的OH浓度。 在燃烧场中, 采用这种多光谱技术相结合（CRDS-CARS- PLIF）的精准测量方式不仅能够实现对OH浓度精准的定量测量提高了测量精度, 还可为定量测量其他燃烧产物分子的浓度提供技术支撑, 对研究燃烧化学反应起着至关重要的作用。
光腔衰荡光谱 有效吸收长度 高温测量 衰荡时间 OH浓度 CRDS (cavity ring-down spectroscopy) Effective absorption length High-temperature testing Ring-down time OH concentration 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3955
强激光与粒子束
2023, 35(11): 119002
1 天津大学 机械工程学院 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072
2 中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000
研究了飞秒激光诱导化学发光测速技术，在氮气中加入少量甲烷，利用飞秒激光诱导其产生化学反应，并生成信号强度强，发光持续时间长的氰基荧光信号，进而实现高信噪比、高精度、宽范围的速度测量。实验发现，改变甲烷的浓度可以改变氰基荧光信号的强度和持续时间，浓度越低荧光信号持续时间越长。在甲烷浓度为500 ppm的实验条件下，可以得到测速下限为0.23 m/s。进一步降低甲烷浓度可以获得更低的测速下限。此外，实验评估了激光能量和延迟时间对测速精度的影响。本工作极大拓展了飞秒激光分子标记测速的应用范围，在航空航天领域具有很大的应用潜力。
飞秒激光 激光诱导荧光 化学发光 分子标记 速度场测量 Femtosecond laser Laser-induced fluorescence Chemiluminescence Molecular tagging velocity Velocity measurement
中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
等离子体状态参数测量是研究等离子体特性, 开展等离子体模拟再入环境、 等离子体隐身、 等离子体减阻以及边界层控制等研究的重要基础。 利用等离子体射流的自发辐射光谱, 提出了一种基于光学多普勒频移效应的等离子体超声速射流测速的方法。 首先, 测量了等离子体中Ar原子产生的自发辐射光谱, 选择696.54 nm的特征谱线, 作为等离子体发生器测速实验的运动光源; 其次, 使用光谱仪、 传能光纤、 EMCCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗（F-P）干涉仪, 设计了高温等离子体速度测量光路; 最后, 在氩壁稳电弧等离子体发生器上, 开展了超声速射流速度测量实验。 实验中, 同一测点的Ar原子产生的自发辐射光谱, 分别被与等离子体射流运动方向成49°和90°夹角的收集透镜收集进入光谱仪, 经光谱仪分光后仅保留特征谱线696.54 nm附近自发辐射光进入传能光纤, 从而消除其他波长的自发辐射光的影响; 光谱仪输出的特征辐射光谱, 经光纤传输及透镜整形成平行光后, 精细度30、 自由光谱范围6.6 GHz的F-P干涉仪, 形成多光束干涉圆环, 并由EMCCD相机采集, 实现对特征谱线的超高精度分辨; 根据多普勒原理, 不同角度收集的同一测点处Ar 696.54 nm特征谱线的频移将有所不同, EMCCD采集的干涉圆环半径也将不同, 通过测量同一级次不同收集方向特征谱线形成的干涉圆环半径改变量, 可测得高温等离子体射流流动速度。 针对同一喷管开展了两车对比试验, 实验测得两车射流轴向速度分别为791和783 m·s-1, 具有较好的重复性。 结果表明基于多普勒效应, 利用高温气体自发辐射光谱, 结合高光谱分辨F-P干涉仪, 能够实现高温等离子体射流速度的精确测量, 该方法属于非接触测量, 不干扰流场, 尤其适用于传统传感器难以应用的高温流场测量。
自发辐射光谱 瑞利散射 速度 Spontaneous emission spectrum Rayleigh scattering Velocity 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1745
1 Department of Geriatric Cardiology, Sichuan Academy of Medical Sciences & Sichuan Provincial People's Hospital,Chengdu60072, China
2 School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu610054, China
设计和测试了内嵌准光系统的94 GHz回旋管，该系统主要用于研究毫米波辐射的非致命生物效应。为了减少大功率高频下的回旋管壁面加热问题，选择TE+6,2模式作为工作模式。对于高阶模式，存在更多相邻模式，因此模式竞争会影响实验的稳定性和有效的可操作性。渐变腔已被设计为抑制单个腔中的模式竞争。另外，具有低衍射准光模式变换器的功率转换效率为98.54%。实验结果表明，回旋管输出功率为50.9 kW，效率为34.3%。对于非致死的生物效应研究，整体设计方案达到了预期的效果。
回旋管 渐变腔体 准光模式变换器 生物效应 gyrotron gradual taper cavity quasi-optical mode converter biological effects 
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electronic Engineering, Heilongjiang University, Harbin 150080, China
2 Physics Group, Chaoyang Medical School, Chaoyang 122000, China
3 College of Physics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
The dipole resonances of gold nanocages were investigated theoretically using finite difference time domain method. The results show that field enhancement is obtained at the walls of the gold nanocages. It is believed that the effect can cause a strong optical nonlinear property. To test the hypothesis, nonlinear absorption was investigated using a broadband 5 ns Z scan. It was found that at low intensities the sample shows saturable absorption (SA), while at higher intensities a switch from SA to reverse SA occurs. Moreover, the nonlinear absorption of the sample is sensitively wavelength-dependent, and, in the resonant region, saturation intensity is the largest.
saturable absorption reverse saturable absorption gold nanocages FDTD Z-scan Chinese Optics Letters
2020, 18(1): 011901
