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基于虚像相位阵列的锯齿形滤波器研究

光电技术应用 2018年第1期33卷 10-15,29页

作者：曹丹丹谭中伟北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044

边缘滤波器被广泛地应用在光纤光栅传感中,其工作原理是将波长偏移量转换成光功率的变化,具有响应速度快、动态检测范围大的优点。为了实现一种周期性边缘滤波器——低损耗锯齿形(JAWS)滤波器,提出并验证了一种有限反射虚像阵列(FRVIA)... 详细信息

边缘滤波器被广泛地应用在光纤光栅传感中,其工作原理是将波长偏移量转换成光功率的变化,具有响应速度快、动态检测范围大的优点。为了实现一种周期性边缘滤波器——低损耗锯齿形(JAWS)滤波器,提出并验证了一种有限反射虚像阵列(FRVIA)。FRVIA具有较低的后端面反射率,其输出光强分布、光谱分辨率、输出孔径等方面与VIPA存在显著差异。通过数值仿真,对低损耗滤波器的参数进行优化,实现了占空比高达70%、损耗低于14 dB的低损耗JAWS滤波器。

关键词：虚像相位阵列有限反射虚像阵列锯齿形滤波器光纤布拉格光栅

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基于虚像相位阵列的光谱测量技术研究与应用

光电技术应用 2016年第6期31卷 10-14,61页

作者：李红梅谭中伟张磊北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044

虚像相位阵列(VIPA)具有色散角度大、结构简单、成本较低等优势,对波分复用、色散补偿、脉冲整形等领域产生了重大影响。虚像相位阵列与衍射光栅结合解决了光谱混叠现象,使其在光滤波器、光谱成像、光谱处理等领域的应用成为可能。基于... 详细信息

虚像相位阵列(VIPA)具有色散角度大、结构简单、成本较低等优势,对波分复用、色散补偿、脉冲整形等领域产生了重大影响。虚像相位阵列与衍射光栅结合解决了光谱混叠现象,使其在光滤波器、光谱成像、光谱处理等领域的应用成为可能。基于虚像相位阵列的光谱仪具有采集时间短、频谱测量范围宽、光谱分辨率高等优点,能应用于气体检测、分子科学、微生物学等领域,因此成为研究热点。基于ZEMAX光学软件对VIPA二维成像进行了仿真,分析了VIPA的厚度和入射角对其衍射、损耗、光谱分辨率和空间分辨率的影响,讨论了VIPA用于成像时的最佳厚度和角度,最后阐述了基于VIPA的布里渊和光频梳光谱仪,论述了不同类型光谱仪的性能和应用,并对未来进行了展望。

关键词：虚像相位阵列光谱仪光谱测量光谱成像 ZEMAX

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基于虚像相位阵列的二维光谱映射

基于虚像相位阵列的二维光谱映射

单级VIPA光谱仪应用于角膜及晶状体二维成像光谱色散率研究

第十届全国光电技术学术交流会

作者：谭中伟陈志伟沈笑笑任文华刘艳延凤平简水生全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京交通大学光波技术研究所

基于虚像相位阵列的二维光谱映射在研制高分辨率和高信噪比的光学滤波器、实现复杂的二维光谱处理以及光谱成像等研究领域具有广泛的应用前景。论文通过理论分析和数值仿真研究了虚像相位阵列的基本理论和二维光谱映射的特性,并首次结... 详细信息

基于虚像相位阵列的二维光谱映射在研制高分辨率和高信噪比的光学滤波器、实现复杂的二维光谱处理以及光谱成像等研究领域具有广泛的应用前景。论文通过理论分析和数值仿真研究了虚像相位阵列的基本理论和二维光谱映射的特性,并首次结合衍射级次和损耗对虚像相位阵列的入射条件进行了分析,并讨论了其光谱分辨率和空间分辨率。

关键词：成像虚像相位阵列光谱光滤波器

来源： cnki会议评论

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激光与光电子学进展 2023年

作者：何兴道许锦刘明轩史久林北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验室

基于单级VIPA的布里渊散射光谱信号检测技术具有结构简单、高光通量的特点，在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织，但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没，限制了其信噪比和分辨率的... 详细信息

基于单级VIPA的布里渊散射光谱信号检测技术具有结构简单、高光通量的特点，在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织，但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没，限制了其信噪比和分辨率的提高，成为将来作为临床进一步应用的技术瓶颈。针对这一问题，本文从理论和实验两方面探究了提升单级VIPA布里渊光谱检测系统性能的方法。本文利用VIPA的傍轴近似色散模型，理论分析了柱面透镜前准直光束的半径、柱透镜焦距、球面透镜焦距和VIPA倾斜角度对单级VIPA光谱仪色散率的影响。研究结果表明，影响色散率的主要因素是球面透镜焦距、VIPA倾斜角度和探测器分辨率。在实际测试系统中，本文将一种变焦镜头与高分辨CMOS相机结合的信号接收装置进行了有效的参数设计与系统匹配，实现了色速率与散射信号强度的平衡，改进和优化了光谱仪系统各项参数，提升了该检测系统的性能。应用该单级VIPA光谱仪，实现了猪眼角膜和晶状体二维频移成像。该研究结果对于将单级VIPA光谱仪应用于临床诊疗领域具有重要意义。

关键词：布里渊散射虚像相位阵列色散率频移

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基于二维色散的光纤光谱检测

基于二维色散的光纤光谱检测

作者：纪文杰北京交通大学

学位级别：硕士

光谱仪作为一种重要的检测仪器,能够通过获取待测样本的光谱信息从而使检测人员获取相应的物质特征信息。通过光谱仪检测物质信息具有快速、可靠、无损伤检测等优点,近年来被应用在各个领域中。随着光通信和光传感技术的发展,光纤中光... 详细信息

光谱仪作为一种重要的检测仪器,能够通过获取待测样本的光谱信息从而使检测人员获取相应的物质特征信息。通过光谱仪检测物质信息具有快速、可靠、无损伤检测等优点,近年来被应用在各个领域中。随着光通信和光传感技术的发展,光纤中光信号的光谱检测的要求不断提高,光纤光谱仪目前正朝着小型化、高分辨率、宽测试范围、低成本的方向发展。但传统的微型光谱仪分辨率通常在nm量级,无法满足部分应用领域对检测精度的要求,因此研制高分辨率光谱仪具有重要的意义。本文基于虚像相位阵列(Virtually-imaged phased array,VIPA)的色散定律,设计了一种工作波段为C波段的二维色散(也叫交叉色散)光路的光谱仪方案。利用虚像相位阵列大角度色散、成本低、结构紧凑等优点,本方案可以实现光谱仪高光谱分辨率和小型化。设计过程中,使用仿真软件对系统进行了仿真分析和结构优化,最终分辨率可达pm量级。此外,还分析了VIPA本身存在的非均匀色散问题,并且讨论了不同因素对色散均匀性的影响,并通过实验进行了验证。本文的研究内容主要包括以下几点:(1)通过对VIPA基本原理的分析,结合大角度色散、光谱级次重叠的特点,讨论了基于VIPA的高分辨率光谱仪的基本光路结构并对注入光束提出了具体要求。(2)基于VIPA色散定律,分析了不同因素对VIPA色散均匀度以及出现的衍射级次数量的影响,并通过理论分析、仿真和实验进行了验证。提出了VIPA均匀色散的理论条件,并搭建了VIPA的二维色散光路,通过实验获得的光斑数据分析了各衍射级次非线性程度。(3)根据VIPA和增强现实(Augmented Reality,AR)技术中的衍射光波导结构的相似性,基于虚拟光源的思路以及菲涅耳衍射理论,首次分析了衍射光波导中基于多光束干涉的色散理论,并通过MATLAB对衍射光波导的多光束干涉现象进行了仿真实验,分析了系统中不同参数对于色散效果的影响。

关键词：虚像相位阵列交叉色散光谱仪衍射光波导

基于布里渊散射的眼角膜弹性模量的检测技术研究

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基于布里渊散射的眼角膜弹性模量的检测技术研究

作者：蔡长军南昌航空大学

学位级别：硕士

眼角膜处于眼睛的最前端,为眼睛提供大部分屈光力,对大脑信息获取及生命活动有着举足轻重的作用。由于眼角膜与外界直接接触,从而易患有眼角膜疾病。研究表明,眼角膜的弹性模量会随着眼角膜疾病的发展而变化。目前,已有的检测技术对眼... 详细信息

眼角膜处于眼睛的最前端,为眼睛提供大部分屈光力,对大脑信息获取及生命活动有着举足轻重的作用。由于眼角膜与外界直接接触,从而易患有眼角膜疾病。研究表明,眼角膜的弹性模量会随着眼角膜疾病的发展而变化。目前,已有的检测技术对眼角膜的弹性模量难以进行高精度的在体量化。布里渊弹性检测技术是一种无标定、非侵入、无创的检测方式,可高精度量化在体的眼角膜的弹性模量,为眼角膜疾病的评估及诊断提供科学依据和科学方法。在基于布里渊散射的眼角膜弹性模量检测技术中,布里渊频移及线宽的高精度提取是研究的关键问题,该参数的准确提取对眼角膜的弹性模量的精确量化具有重要意义。本文主要研究了基于虚像相位阵列的布里渊频移及线宽的计算方法及布里渊光谱图的处理方法。首先,基于多光束干涉的原理,研究了平行平板的透射干涉场场和反射干涉场的强度分布,提出了高精度的频移计算式—中部线性内插法、级间距比例法和干涉距比例法,并利用计算机仿真的透射干涉场的强度分布进行了分析验证。然后,提出了全像素法的处理方法,确定了布里渊线宽的计算方法,并通过相关布里渊光谱图进行可行性验证。最后,研制了基于布里渊散射的眼角膜弹性模量的检测系统,实现了离体猪眼角膜的光谱图测量,并结合提出的计算处理方法,得到了离体猪眼角膜的布里渊纵向存储模量、布里渊纵向损耗模量和杨氏模量。研究结果表明:虚像相位阵列标准具和法布里珀罗标准具的反射干涉场和透射干涉场可得到进一步描述;利用本文提出的布里渊频移、线宽计算方法得到的结果与理论值的绝对误差仅有几MHz;利用全像素法处理的二维布里渊光谱图可保留原始数据信息的完整性,对二维布里渊光谱图有着较好的处理效果,提高了测量的精度;研制的基于单级虚像相位阵列标准具的布里渊散射的检测系统具有良好的稳定性,测得了离体猪眼角膜的布里渊光谱图,得到其弹性模量—布里渊纵向存储模量、布里渊纵向损耗模量和杨氏模量分别为2.683 GPa、0.316 GPa和163.217KPa,验证了该技术应用于眼角膜弹性模量检测的可行性。布里渊散射的眼角膜弹性模量检测技术对眼角膜弹性模量的在体量化独具优势,对角膜炎、圆锥角膜和屈光不正等角膜疾病的临床评估有着指导作用,在激光光谱学、生物光子学和生物医学等方面具有重要的意义。

关键词：布里渊散射多光束干涉虚像相位阵列弹性模量

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基于单光子探测器阵列的光谱测量系统

光通信技术 2022年第5期46卷 59-63页

作者：林海伟樊昕昱何祖源上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题,提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统,利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力,将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器... 详细信息

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题,提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统,利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力,将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合,并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明:该系统不仅灵敏度高,还实现了0.006 nm的波长分辨率;与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比,该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。

关键词：单光子计数器虚像相位阵列二维光谱淬灭电路相对光谱透射比

基于VIPA的高分辨率光纤光栅传感解调的研究

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基于VIPA的高分辨率光纤光栅传感解调的研究

作者：陈志伟北京交通大学

学位级别：硕士

光纤布喇格光栅(FBG, Fiber Bragg Grating)传感器在压力、温度检测等领域都得到了很广泛的应用。光纤布喇格光栅传感器的中心波长由于受到外界参量的影响会发生相应的偏移,通过检测光栅最后反射的波偏移量大小能够实现对外界参量的测... 详细信息

光纤布喇格光栅(FBG, Fiber Bragg Grating)传感器在压力、温度检测等领域都得到了很广泛的应用。光纤布喇格光栅传感器的中心波长由于受到外界参量的影响会发生相应的偏移,通过检测光栅最后反射的波偏移量大小能够实现对外界参量的测量。随着布喇格光纤光栅传感系统的广泛应用,想方设法设计出一种能够实现较高可重复性、稳定性和可靠性的FBG传感解调系统,是现阶段研发的热点。本文首先解读了光纤光栅传感的理论,主要包括了其理论模型、传感原理、传感特性、传感器件和系统组成。随后回顾了光纤光栅传感的发展历史,主要包括其历史、研究现状、国内外工程应用现状和技术发展的前景。再随后总结并对比分析了光纤光栅信号的解调技术。总结并分析研究了常用的信号解调方法的工作原理、性能优劣和自身特点,主要包括了可调谐光源解调法、滤波法、光栅色散法、干涉法等。分别研究了它们典型的实验原理图,并对上述解调方法的优缺点进行了分析和论述,随后还指出了在信号解调过程中存在的一些技术难点,为下一步一个新的解调系统的设计打下了基础。接着,本文对基于VIPA的光纤光栅传感系统进行了设计。主要思路是要实现一个基于VIPA和红外成像系统来做高分辨率的布拉格光纤光栅(FBG)系统,通过虚像相位阵列结合衍射光栅,使输出的光束按波长分布到二维平面上,实现波长与成像面上空间坐标的一一映射,然后使用红外成像系统来检测。最后根据实验结果对本论文进行了总结,并对后续工作进行了展望。本文针对基于VIPA的光纤光栅传感解调做了一定的研究,做的一些工作如下： (?)本文提出的波长解调的方法是全新的。用虚像相位阵列(VIPA:virtually-imaged phased array)和红外成像系统来实现高分辨率的布喇格光纤光栅的波长解调。 (?)该方法的特点是整套装置没有可移动部件,具有很好的可重复性、稳定性、和可靠性。 (?)通过实验对该方法进行了验证,得出结论,该方法具有较高的分辨率,系统的分辨率能小于2pm。 (?)首次对虚拟相位阵列的损耗和衍射级次进行了系统的分析。 (?)结合衍射级次和损耗对虚像相位阵列的入射条件进行了分析,并讨论了其光谱分辨率和空间分辨率。

关键词：光纤光栅传感器光纤光栅系统虚像相位阵列光纤光栅解调

基于FPGA与低损耗锯齿形滤波器的高速解调系统的研究

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基于FPGA与低损耗锯齿形滤波器的高速解调系统的研究

作者：曹丹丹北京交通大学

学位级别：硕士

随着光纤传感技术的发展,光纤光栅传感受到越来越多的关注。与传统传感器相比,光栅制成的传感器具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小等优点。解调是光纤光栅传感系统中至关重要的环节,高精度低成本的高速解调技术在很大程度上能... 详细信息

随着光纤传感技术的发展,光纤光栅传感受到越来越多的关注。与传统传感器相比,光栅制成的传感器具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小等优点。解调是光纤光栅传感系统中至关重要的环节,高精度低成本的高速解调技术在很大程度上能够推动光纤光栅传感系统的大规模使用。本文旨在设计和验证一种动态检测范围大、灵敏度高、成本低的高速光纤光栅解调系统。本文简单介绍了几种常见的光纤光栅解调方案,设计和验证了一种基于FPGA和低损耗锯齿形滤波器的高速解调系统,以低损耗锯齿形滤波器为解调方法,以FPGA作为数据采集和传输的核心硬件,通过Labview开发上位机软件接收采集的数据,利用Matlab分析数据从而实现高速解调。本论文的主要工作如下:(1)介绍光纤布拉格光栅传感技术的原理、发展现状和趋势等等,对常见的几种光纤光栅解调方案的工作原理进行了分析,并通过对比说明各自优缺点,突出强调了实际应用中对高速、高精度、低成本波长解调方案的迫切需求。(2)分析现有的基于虚像相位阵列的锯齿形滤波器的优缺点,提出一种能够降低滤波器损耗的方案。通过数值仿真,对低损耗锯齿形滤波器和传统锯齿形滤波器进行比对分析。同时,对低损耗锯齿形滤波器的性能参数进行优化,例如线性度、占空比、信噪比,以实现高性能的锯齿波形,设计的滤波器可以降低7dB左右的附加损耗。(3)简要介绍了硬件电路相关的理论,包括FPGA的发展、性能优势、常见的FPGA芯片以及USB总线技术等。提出了一种基于FPGA的高速解调系统,使用50MHz的采样率对将光电转换的电信号进行数据采集,将采集的数据暂存在DDR3存储器中,并通过USB2.0接口将数据上传到PC端。本课题提出了一种基于Labview的上位机设计方案,该上位机可用于保存数据信息、显示数据波形。(4)利用已验证的低损耗锯齿形滤波器和基于FPGA的数据采集处理电路作为波长解调设备,设计光纤光栅应力传感实验,利用光谱仪和示波器分别观察FBG传感阵列的频谱和时域波形图。通过USB2.0接口,将采集的数据传至上位机软件并保存下来,通过Matlab对携带振动信息的数据进行分析,实现光纤光栅的高速波长解调。

关键词：虚像相位阵列低损耗锯齿形滤波器光纤布拉格光栅高速解调 FPGA