因光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的干涉光信号频谱具有稀疏性, 求解腔长时, 传统的快速傅里叶变换(FFT)算法需要计算整个频率范围内的频谱成分, 计算速度较慢。稀疏快速傅里叶变换(SFFT)算法只需计算干涉光信号的主要频谱成分, 通过频谱重排、窗函数滤波、频域降采样, 以及循环定位与估值, 能快速地计算出信号频谱中K个极大的傅里叶系数, 从中找出腔长对应的频率, 解调出腔长。该算法结构简单, 时间复杂度低。通过分析光纤F-P传感器腔长解调系统的实际干涉光信号, 验证解调结果的准确性, 以及相比FFT算法的高效性。因此, SFFT算法适用于对光纤F-P传感器腔长进行在线实时解调, 以实时测量物理量。

提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)产生高阶庞加莱球上任意矢量涡旋光束的方法。利用半波片和偏振分光棱镜组合调节支路光束振幅, 搭配常用的两个半波片组调节合成光束的相位, 进而生成并变换矢量涡旋光束, 优化了传统的实验光路, 降低了光束能量损耗, 利用1/4波片实现不同高阶庞加莱球上矢量涡旋光束的变换。与现有的基于马赫-曾德尔干涉仪矢量光束生成方法比较, 该光路结构简单, 光束转换效率提高。在理论上, 通过琼斯矩阵计算, 在拓扑荷数为m=±1高阶庞加莱球上得到了各矢量涡旋光束的偏振态。根据该方法搭建了一套矢量涡旋光束产生的实验光路, 实验结果与理论分析一致, 证明了这种方法的实用性。

在飞秒激光随机扫描双光子显微成像系统中使用宽带二维声光偏转器扫描飞秒激光, 可以增大扫描角度至74 mrad, 增大双光子显微成像范围。但宽带二维声光偏转器在大角度扫描时引入的色散较大, 造成成像范围边缘的光斑严重畸变, 边缘光斑直径达2.3 μm, 影响边缘视场的成像质量。为了提高成像质量, 设计了一种新的色散补偿方法, 基于衍射透镜组成的开普勒望远系统, 可以同时补偿不同扫描角度的不同色散。经过色散补偿后成像边缘的光斑直径小于1 μm, 使系统获得大范围扫描成像的同时, 所有扫描角度的色散都能够得到很好的补偿, 在整个视场范围内光斑直径小于1 μm, 实现更均匀的荧光激发, 均匀成像。

为解决双光子荧光显微成像系统轴向扫描问题, 提出一种基于数字微镜(DMD)的快速轴向扫描系统。该系统采用DMD选择光路, 不同光路放置不同焦距的透镜组对光束发散角产生不同的改变, 经物镜聚焦后得到不同深度的轴上扫描点。对该系统的轴向扫描距离、扫描点位置及衍射效率进行了理论计算仿真, 结果表明: 扫描系统采用4个模块以及5个模块时其轴向扫描距离均可达到1 mm, 4模块系统中透镜的焦距为297.3 mm, 5模块系统中透镜焦距为361.47 mm。轴向扫描点除边缘点外线性分布,轴向扫描频率达到几十kHz, 满足脑神经成像的要求。

为了监测土石坝内渗流水的情况,提出一种多点光纤 Bragg 光栅传感器 (FBG)结构,采用 InGaAs 光电探测器阵列探测光强的 光纤光栅传感阵列的波长解调方法。根据室内实验结果, 对多点光纤光栅传感系统的可行性和监测数据的可靠性进行分析, 用于坝体温度场监测的光纤光栅传感器波长温度响应灵敏度可达到0.0091 nm/℃。工程中采用电热脉冲方式对传感器 附近小范围的土壤进行加热,使其与水的温度形成一定的温差,实测结果表明可以利用光纤光栅传感器监测温度异常的方 法判断是否发生渗流, 从而实现对坝体内集中渗漏点的定位和自动监测。在系统防雷击、抗干扰性方面, 采用光纤光栅传感监测系统与传统仪器相比具有明显优势。

为了实现大坝渗流监测,提出了一种采用光谱成像技术的光纤Bragg光栅传感器和多点传感系统.基于室内实验结果,对监测系统可靠性与监测数据准确度进行和多点传感信号分辨因子分析,结果表明:用于坝体温度场检测的光线光栅传感器波长温度响应灵敏度可达0.009 1 nm/℃;由光源带宽决定的测试系统可实现多个传感器的复用.实践表明:采用光纤光栅传感系统可进行大坝渗流自动监测,特别是在系统防雷击、抗干扰性方面,与传统仪器相比具有明显优势.

从理论上分析了线阵InGaAs光电探测器阵列在采用光谱成像技术的光纤光栅传感解调系统中的的成像原理,在此基础上,对日本滨淞光子公司生产的G9212 型号的线阵InGaAs结构、工作方式等光电信号处理过程进行讨论。针对该型号的光电探测器阵列设计了使其正常工作的驱动时序电路,并用Verilog HDL 语言进行模块描述和CPLD实现驱动时序电路的仿真。实验结果表明,设计符合光纤光栅传感解调系统中线阵InGaAs实际工作需要。