高分辨率光纤光栅温度传感器的研究

报道了一种具有高分辨率和高效且价廉的解调系统的光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器。提出了光纤光栅的金属槽封装技术，以提高传感光栅的温度灵敏性。研究了金属槽封装光栅的温度灵敏性，理论分析和实验结果表明，封装光栅的温度灵敏系数比普通裸光栅提高了3．6倍。系统利用一长周期光栅(LPG)作为线性滤波器，宽带光源经此长周期光栅调制后入射到传感光栅，可解调布拉格传感光栅的波长位移。理论分析与实验结果一致，系统可达到的温度分辨率为0．02℃。

光纤光栅高温传感器的研究

提出了一种能够测量高温的光纤布拉格光栅（FBG）传感器结构。利用线膨胀系数和长度均不同的两种金属细杆和光纤布拉格光栅设计而成的传感头，能够将被测温度转化为光栅的应变，解调由应变引起的光栅波长漂移，即可得知待测的温度。目前在实验室实现了500℃的动态范围和1℃的温度分辨率，实验结果与理论分析一致。

溶胶-凝胶光波导环形谐振腔的挥发性有机化合物传感特性

采用溶胶-凝胶法制作波导环形谐振腔, 讨论了环形谐振腔器件的传输特性。测量了在不同物质、不同体积分数的挥发性有机化合物(VOC)蒸气气氛下器件的传输光谱的敏感性。结果表明, 谐振波长随甲醇、乙醇、丙醇等醇类化合物, 以及丙酮、甲醛等蒸气体积分数的上升而向长波方向移动, 具有高的灵敏度, 且两者基本呈线性关系。其中, 对丙醇最敏感, 灵敏度达到1.403 pm/10-6。对甲烷和二甲苯也有微弱反应, 但是其灵敏度很低。也测量了水蒸气对传输谱特性的影响。观察到传输谱衬比度对不同挥发性有机化合物物质蒸气的不同敏

溶胶-凝胶条波导Sagnac环的乙醇蒸气传感特性

采用有机/无机混合溶胶-凝胶法制作条形光波导,并将条波导接入光纤Sagnac 环中,测量了输出光功率随环境气氛中乙醇蒸气体积分数变化的特性,表明在实验研究的范围内,输出信号与乙醇蒸气体积分数呈正弦变化。根据Sagnac环结构输出特性的基本关系,反映了溶胶-凝胶条波导在乙醇蒸气气氛下产生了双折射效应。观察到双折射相移与乙醇体积分数的亚线性关系。对实验数据拟合,计算了偏振相移的线性项和二次项系数,得到所制备的条波导的双折射对乙醇体积分数的响应为Δn≈4.4×10-2。测量了信号变化的时间演变特性,典型的上升和

Multilayer Active Shell Mirrors

This thesis presents a novel active mirror technology based on carbon fiber composites and replication manufacturing processes. Multiple additional layers are implemented into the structure in order to provide the reflective layer, actuation capabilities and electrode routing. The mirror is thin, lightweight, and has large actuation capabilities. These features, along with the associated manufacturing processes, represent a significant change in design compared to traditional optics. Structural redundancy in the form of added material or support structures is replaced by thin, unsupported lightweight substrates with large actuation capabilities.

Several studies motivated by the desire to improve as-manufactured figure quality are performed. Firstly, imperfections in thin CFRP laminates and their effect on post-cure shape errors are studied. Numerical models are developed and compared to experimental measurements on flat laminates. Techniques to mitigate figure errors for thicker laminates are also identified. A method of properly integrating the reflective facesheet onto the front surface of the CFRP substrate is also presented. Finally, the effect of bonding multiple initially flat active plates to the backside of a curved CFRP substrate is studied. Figure deformations along with local surface defects are predicted and characterized experimentally. By understanding the mechanics behind these processes, significant improvements to the overall figure quality have been made.

Studies related to the actuation response of the mirror are also performed. The active properties of two materials are characterized and compared. Optimal active layer thicknesses for thin surface-parallel schemes are determined. Finite element simulations are used to make predictions on shape correction capabilities, demonstrating high correctabiliity and stroke over low-order modes. The effect of actuator saturation is studied and shown to significantly degrade shape correction performance.

The initial figure as well as actuation capabilities of a fully-integrated active mirror prototype are characterized experimentally using a Projected Hartmann test. A description of the test apparatus is presented along with two verification measurements. The apparatus is shown to accurately capture both high-amplitude low spatial-frequency figure errors as well as those at lower amplitudes but higher spatial frequencies. A closed-loop figure correction is performed, reducing figure errors by 94%.

大气湍流对斜程传输准单色高斯谢尔光束时间相干性的影响

由第一类零阶贝塞尔函数的级数展开推导出波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式。由广义惠更斯菲涅耳原理、随高度变化的Hufnagel-Valley湍流廓线模型以及波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式,导出了斜程传输时准单色高斯谢尔光束互相干函数的解析式。然后,利用表征光束时间相干性的纵向相干长度(可由互相干函数导出),研究了斜程传输时大气湍流对准单色高斯谢尔光束时间相干性的影响。研究结果表明,准单色高斯谢尔光束的时间相干性在整个斜程传输过程中保持不变。最后,对该结果在物理上给予了定性解释。

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束空间相干性的影响

由湍流大气中斜程传输时准单色高斯-谢尔(GSM)光束互相干函数的解析式导出了该光束的复相干度.然后,利用表征光束空间相干性的横向相干长度,研究了斜程传输时大气湍流对准单色GSM光束空间相干性的影响.研究结果表明:1)当传输路径偏离水平方向较大(即θ≤88°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先迅速增加,后缓慢增加,最后基本保持不变.2)当传输路径接近水平方向(即θ≥89°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先增大,达到一个最大值后开始下降并持续减小.3)空间相干性不同的准单色GSM光束在湍流大气中传输一定距离后空间相干性趋于相同.最后,对以上结果在物理上给予了解释.

长周期莫尔光栅的理论研究

长周期光纤光栅作为一种损耗型的带阻滤波器，在光纤通信和光纤传感器领域有着广泛的应用。结合长周期光纤光栅的传输特性，利用传输矩阵法对多种长周期莫尔光栅的透射谱进行了理论模拟。分析结果表明，莫尔光栅技术在制作高性能的相移长周期光栅和变迹长周期光栅上有着很好的应用前景。

体全息光栅透镜的设计和应用

设计了一种新型的体全息光栅透镜，在一块光学平板(体全息记录材料)内可以将输入光束产生横向传输并聚焦，或对输入光点产生横传的准直．它由一束平面波和一束球面波正交入射到光学平板上干涉形成的．研究了该体全息透镜的光栅间距变化情况，为设计和制备体全息光栅透镜及相关器件提供了理论依据．基于两光束耦合波理论，得到了该光栅透镜的耦合波方程，近似计算了该透镜的衍射效率及其达到高衍射效率时透镜的最佳尺寸．最后，讨论了该透镜在集成光学等领域中的应用．

长周期光纤光栅波导色散因子和有效折射率热光系数的测量

对串联的长周期光纤光栅(CLPFG)的透射谱特性进行了理论分析和实验研究。分析表明，长周期光纤光栅中纤芯模和包层模之间的马赫-曾德尔干涉效应导致在长周期光纤光栅谐振峰内的梳状滤波结构特性；其峰值位置和峰间距同串联区光纤的长度以及光纤的波导色散因子有关。测量了长周期光纤光栅的透射谱，并研究了其温度特性。根据测量数据，得到对应于1554nm波长处，所用单模光纤HE14模的波导色散因子γ为0．874；纤芯／包层有效折射率差的热光系数为4．8×10^-5℃^-1。并对这一测试方法和结果，以及长周期光纤光栅的应用进

基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪的光纤光栅波长解调技术

介绍了一种基于3×3和2×2光纤耦合器构成的非平衡马赫-曾德尔干涉仪的波长解调方案。理论分析和数据对比表明，相对于由两个2×2光纤耦合器构成的马赫-曾德尔干涉仪，本干涉仪具有宽谱的灵敏度、能跟踪波长的变化方向和相位展开的优点，实验方案用于测量固定在悬臂梁上的传感光纤布拉格光栅（FBG）的峰值波长变化，获得了±1pm的静态波长解调精度，在10Hz处的动态分辨率为27nε/√Hz。相位展开算法使得应变测量范围达到了2014με，对应的相位变化为3．22π。

强外加电场与大调制度下光折变动力学光栅形成研究

强外加电场与大调制度在光折变效应的研究中已经得到了广泛应用。采用PDECOL算法, 严格求解光折变带输运方程, 得到外加电场时不同调制度下光折变晶体中随时间变化的空间电荷场、载流子浓度, 并讨论了外加电场对它们的影响。通过将物质方程与耦合波方程联立数值求解, 可得到光折变光栅形成过程中两波耦合增益系数以及光束条纹相位的变化。模拟结果表明, 在强外加电场作用下, 两束记录光之间的光强与相位耦合都得到了增强, 而原有的解析式忽视了强外加电场与大调制度对空间电荷场相位耦合的影响, 此时不再适用。同时发现折射率光

高阶群速度色散引起的高斯超短脉冲宽度的展宽和形变

基于动量守恒和光参变过程中的三波耦合波方程, 和负单轴非线性光学晶体CsLiB6O10的色散方程, 研究了在光参变效应中超短激光脉冲由于群速度色散引起的展宽和形变。数值模拟显示, 在超短脉冲波形为双曲正割形和无啁啾调制时, 高阶群速度色散引起的超短脉冲为50 fs时, 晶体长度为10 mm, 紫外光213 nm作为基波入射时的脉冲展宽是波长为532 nm绿光在同等条件下的1.6倍。脉冲展宽程度与入射波长和晶体长度有关, 波长越短和晶体长度越长则脉冲展宽和波形变化越严重,高阶色散引起的超短高斯脉冲展宽, 将

基于多台阶反射光栅的飞秒脉冲压缩装置

反射式光栅对是一种具有负色散性质的器件,可用于飞秒激光脉冲的压缩和展宽,具有无材料色散的优点。给出了一种基于多台阶反射光栅的脉冲压缩装置。该装置为倍密度光栅结构,由两个周期分别为40μm和20μm的四台阶反射式光栅组成。实验得到的衍射效率可以达到70%以上,输入脉冲经过两个光栅的衍射后会按原路返回,从而达到色散补偿的效果。利用此压缩装置,脉冲宽度为66.8 fs的输入脉冲压缩至接近傅里叶变换极限脉冲,即46.6 fs,由此证明只要多台阶光栅效率足够高,此装置就有可能成为不同于棱镜对进行飞秒脉冲腔内和腔外压缩的另一种途径。

高功率光子晶体光纤激光器研究进展

光子晶体光纤的出现，为高功率光纤激光器的关键技术-大模区光纤的实现提供了新途径。基于铒镱共掺磷酸盐材料的包层掺杂新结构出现，为实现更加紧凑的光纤激光器提供了可能。常规高功率光纤激光器中的抽运技术，谐振腔技术和相干组束技术也在不断融入高功率光子晶体光纤激光器。高功率光子晶体光纤激光器的调Q和锁模输出也已经实现。