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分布式光纤生化传感技术发展

光学学报 2024年第1期44卷 291-306页

作者：花培栋丁振扬刘琨郭浩晗张腾李胜刘骥江俊峰刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津市光纤传感工程中心天津300072

现有光纤生化传感器只获取单点生化物质含量,难以得到其空间分布信息,而沿光纤轴向连续分布成百上千只传感器的分布式生化传感方式可实现这一目标。从准分布式光纤生化传感入手,全面综述了分布式光纤生化传感在气体传感、折射率传感以... 详细信息

现有光纤生化传感器只获取单点生化物质含量,难以得到其空间分布信息,而沿光纤轴向连续分布成百上千只传感器的分布式生化传感方式可实现这一目标。从准分布式光纤生化传感入手,全面综述了分布式光纤生化传感在气体传感、折射率传感以及生物化学传感方面应用的最新进展。最后对分布式光纤生化传感器的发展前景与当前挑战进行了展望。分布式光纤生化传感研究有望引领当前单点分立式光纤生化传感研究向多点连续分布式方向发展,有望成为化学、生物、医学等领域强有力的新工具。

关键词：传感器分布式光纤传感准分布式光纤传感气体传感折射率传感生化传感

基于光频域反射差分相位解调的分布式折射率传感

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光学学报 2024年第8期44卷 9-18页

提出一种基于光频域反射(OFDR)差分相位解调的拉锥光纤分布式折射率传感方法。首先,理论分析了差分相位解调方法的原理并仿真计算了相位随外界折射率变化的灵敏度特性。实验中利用平均去噪与小波平滑实现了340μm传感空间分辨率的分布... 详细信息

提出一种基于光频域反射(OFDR)差分相位解调的拉锥光纤分布式折射率传感方法。首先,理论分析了差分相位解调方法的原理并仿真计算了相位随外界折射率变化的灵敏度特性。实验中利用平均去噪与小波平滑实现了340μm传感空间分辨率的分布式折射率传感解调,其中有效传感区域的长度为45 mm,相位与外界折射率变化的线性拟合度为0.997,各折射率下的最大标准差为0.0067 rad,灵敏度为1328.6 rad/RIU,接近仿真结果 1483.7 rad/RIU。与互相关解调方法相比,差分相位解调方法的线性拟合度与标准差均较优,且传感空间分辨率提升了10倍。这种基于差分相位的解调方式为实现微米级分布式生物传感提供了思路。

关键词：光纤光学分布式光纤传感折射率传感光频域反射技术差分相位解调拉锥光纤

无机材料飞秒激光3D打印技术研究进展(特邀)

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中国激光 2024年第12期51卷 206-226页

作者：侯郑为刘少峰林琳涵李正操孙洪波清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室北京100084 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器全国重点实验室北京100084 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室吉林长春130012

飞秒激光三维(3D)打印具有无掩模、高精度、高分辨率、真三维制造等特点,在复杂微纳3D结构制造上难以替代,基于双光子聚合打印技术,已经在微机电、微纳光电、微纳光子等复杂器件制备上展现出巨大的应用前景。随着共混掺杂技术及新型无... 详细信息

飞秒激光三维(3D)打印具有无掩模、高精度、高分辨率、真三维制造等特点,在复杂微纳3D结构制造上难以替代,基于双光子聚合打印技术,已经在微机电、微纳光电、微纳光子等复杂器件制备上展现出巨大的应用前景。随着共混掺杂技术及新型无机光敏材料的发展,高无机功能材料占比的飞秒激光3D打印为高性能器件制备提供了更多的可能性,极大拓展了微纳3D制造的应用能力。围绕近年来基于无机材料体系的飞秒激光3D打印方法,从无机组分工艺、激光打印能力、无机功能材料体系及应用等方面总结现有飞秒激光3D打印微纳器件应用、发展前景及面临的挑战,并展望飞秒激光打印无机3D微纳结构的新材料、新方法、新应用。

关键词：激光技术飞秒激光 3D打印纳米技术无机材料功能材料

光场调制技术在超快激光加工中的应用（特邀）

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光学学报 2024年第17期 169-190页

作者：柴源闫跃潇方红华孙洪波清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室

光场调制技术通过改变激光波前振幅、相位、偏振等信息，可以改变焦平面光场分布，实现特种加工。简要介绍了光场调制的原理，以及光场调制技术在无衍射光束加工、多焦点并行加工、图案化光场加工、矢量光场加工和光斑形貌校正等方面的... 详细信息

光场调制技术通过改变激光波前振幅、相位、偏振等信息，可以改变焦平面光场分布，实现特种加工。简要介绍了光场调制的原理，以及光场调制技术在无衍射光束加工、多焦点并行加工、图案化光场加工、矢量光场加工和光斑形貌校正等方面的研究进展和应用现状，并对光场调制的问题挑战和未来前景进行展望。

关键词：光场调制超快激光加工无衍射光束图案化光场矢量光场光斑形貌校正

氧化石墨烯涂覆的空心微泡腔回音壁谐振模气体传感器

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光学学报 2024年第7期44卷 236-242页

作者：刘译泽江俊峰刘琨王双王逸璇陈鑫刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072 天津大学光纤传感研究所天津300072

提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效... 详细信息

提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效折射率(气体体积分数)对应,据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明,当氨气的体积分数在0~40×10-6的范围内时,提出的光纤气体传感器的响应呈线性,其传感灵敏度为0.73×106 pm,分辨率为1.9×10-6。当氨气的体积分数为20×10-6时,传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元,另一方面可以直接作为气体通道,避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装,极大地提高了传感系统的实用性。

关键词：传感器气体传感器回音壁谐振模氧化石墨烯

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基于多模干涉的光纤冰体应变传感器

光子学报 2024年第6期53卷 153-161页

作者：武瑞杰刘铁根刘琨江俊峰王双丁振扬李致远天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072 天津大学光纤传感研究所天津300072

基于“单模-无芯-单模”光纤传感器对冰体进行应变测量研究。传感器以“分层冰冻”的方法植入冰体,冰体应变变化导致传感器干涉光谱波长偏移,通过监测光谱波长实现冰体应变测量。对于实际环境中已经存在的冰体,对“分层冰冻”方法进行优... 详细信息

基于“单模-无芯-单模”光纤传感器对冰体进行应变测量研究。传感器以“分层冰冻”的方法植入冰体,冰体应变变化导致传感器干涉光谱波长偏移,通过监测光谱波长实现冰体应变测量。对于实际环境中已经存在的冰体,对“分层冰冻”方法进行优化,通过在冰面上铺设光纤,之后注水冰冻的方式,实现光纤在已有冰体中的植入。利用光谱相邻波谷温度灵敏度相近的特点,将相邻波谷波长差应用于应变测量,可以不受冰体温度变化影响。实验结果显示,冰体承载力大于500 g时,其应变显著增加,当承载力大于600 g时,冰体出现脆性断裂,传感器有效提取了该区间内冰体“韧-脆”转变过程中的应变信号。融化实验显示,传感器可以监测到冰体自然融化过程中完整的应变变化过程,测量结果不受冰体内部温度变化的影响。

关键词：光纤传感器应变测量冰体承载力光谱温度

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光场调控技术在超快激光加工中的应用

光学学报 2024年

作者：柴源闫跃潇方红华孙洪波清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室

超快激光加工具有加工精度高、材料适用性广和三维非接触加工等特点，在电子工业、医疗器械和科学研究等领域有着重要的应用前景。传统的单点聚焦加工具有亚波长级的加工分辨率，然而受光学系统和高斯模场的限制，激光焦点的形貌和尺寸... 详细信息

超快激光加工具有加工精度高、材料适用性广和三维非接触加工等特点，在电子工业、医疗器械和科学研究等领域有着重要的应用前景。传统的单点聚焦加工具有亚波长级的加工分辨率，然而受光学系统和高斯模场的限制，激光焦点的形貌和尺寸难以满足特定场景下的加工需求。光场调控技术通过改变激光波前振幅、相位、偏振等信息，可以改变焦平面光场分布，实现特种加工。本文简要介绍了光场调控的原理，以及光场调控技术在无衍射光束加工、多焦点并行加工、图案化光场加工、矢量光场加工以及光斑形貌校正等方面的研究进展和应用现状，并对光场调控的问题挑战和未来前景进行展望。

关键词：光场调控超快激光加工无衍射光束图案化光场矢量光场光斑形貌校正

基于功能近红外光谱的跨受试心理任务识别的深度迁移学习方法

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生物医学工程学杂志 2024年第4期41卷 673-683页

作者：张耀刘东远高峰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室天津300072

在基于功能近红外光谱(fNIRS)的脑-机接口(BCI)领域中,传统的受试特定解码方法存在校准时间长和跨受试泛化性低等问题,从而限制了BCI系统在日常生活和临床领域中的推广和应用。为解决上述困境,本文提出了一种新颖的深度迁移学习方法,该... 详细信息

在基于功能近红外光谱(fNIRS)的脑-机接口(BCI)领域中,传统的受试特定解码方法存在校准时间长和跨受试泛化性低等问题,从而限制了BCI系统在日常生活和临床领域中的推广和应用。为解决上述困境,本文提出了一种新颖的深度迁移学习方法,该方法联合了改进型启发式残差网络(rIRN)模型和基于模型的迁移学习(TL)策略,简称TL-rIRN。本文开展了跨受试识别心算和心唱任务的试验,以验证TL-rIRN方法的有效性和优越性。结果表明,相较于受试特定解码方法和其他深度迁移学习方法,TL-rIRN方法显著缩短了校准时间,减少了目标模型的训练时间和计算资源的消耗,并增强了跨受试解码性能。综上,本研究为fNIRS-BCI系统的跨受试、跨任务以及实时解码算法的选择提供了依据,在构建便捷通用型BCI系统方面具有潜在应用价值。

关键词：功能近红外光谱脑-机接口深度迁移学习跨受试解码改进型启发式残差网络

基于偏振低相干干涉的高稳定性光纤麦克风传感系统

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光学学报 2024年第16期44卷 30-37页

作者：杨濠琨王双刘琨李雪萍李致远江俊峰刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072 天津市光纤传感工程中心天津300072

提出一种基于偏振低相干干涉的高稳定性光纤麦克风传感系统。用于语音探测的麦克风由聚苯硫醚敏感膜片和光纤端面构成,与基于偏振低相干干涉技术的双折射晶体构成互相关传感系统。通过已知长度的双折射晶体提取干涉信号的直流分量,实现... 详细信息

提出一种基于偏振低相干干涉的高稳定性光纤麦克风传感系统。用于语音探测的麦克风由聚苯硫醚敏感膜片和光纤端面构成,与基于偏振低相干干涉技术的双折射晶体构成互相关传感系统。通过已知长度的双折射晶体提取干涉信号的直流分量,实现对外界环境等无关因素影响的补偿,从而达到高稳定性的目的。实验中对0.02~20.00 kHz的单频率声信号进行检测,该系统的信噪比均保持在50 dB以上;同时进行了不同性别的语音检测,并与参考麦克风进行对比;在传感器初始腔长漂移1.631μm和系统输入功率衰减60%这两种情况下的输出语音,与系统未发生变化时输出语音的累积距离分别为0.29073和0.28154,证明该光纤麦克风具有良好的语音探测稳定性。该系统在灾难预警和矿难救援等领域中有较大的应用潜力。

关键词：光纤光学光纤麦克风低相干干涉光纤传感语音传感