针对地面成熟三相流相含率测量传感器无法适应井下高温高压腐蚀的复杂环境,现有井下测量设备复杂,需要多种传感器和探头联合才能实现三相流相含率测量的问题,设计了一种光纤探针传感器。以蓝宝石作为光纤探针的前端敏感材料,利用气相和液相对光的折射率不同,通过检测探针反射光的光强来分辨光纤探针处于气相还是液相。通过检测经探针耦合进光纤的荧光光强分辨水相还是油相,从而实现单一探针传感器对油井内油相、水相、气相三相相含率的测量。

柑橘是我国总种植面积最大的水果，改进其品质筛选方法能够降低劳动成本并有效提升产业经济收益。本文利用蒙特卡罗法对柑橘的近红外光检测进行模拟仿真，根据柑橘三层结构建立了具有不同吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子的三层球形光学模型。同时，综合考虑光子入射轨迹、曲面边界对光子运动轨迹的影响以及收集的反馈信息，搭建了柑橘品质近红外检测的仿真系统，并设计了一种收发一体的多功能光纤探测器。结果表明，所设计的光纤探测器可以实现对果肉层光子的选择性探测，有效提高了柑橘内部品质信息的检测灵敏度。

针对油气井下油气水三相流的持气率测量, 设计开发了一种高可靠性的光纤探针。探针敏感探头采用锥形蓝宝石结构, 蓝宝石敏感探头与过渡管, 以及过渡管与保护套管间均采用金基焊料焊接密封。对研制的光纤探针进行了可靠性实验和油气水三相流持气率测试, 结果表明, 该光纤探针可以承受高温(150℃)、高压(100MPa)环境, 具有较高可靠性。管柱内的油气水三相流呈段塞流型, 持气率为46%。该研究验证了光纤探针应用于油气井持气率测量的可行性, 为后续的工程应用推广提供了理论依据和实际指导。

梯度折射率(Gradient-index,GRIN)光纤探头是一种全光纤型超小光学镜头, 在心血管等狭小空间组织内窥影像检测中具有广阔的应用前景。但其发展一直缺少系统的理论体系。本文讨论探头设计、制作和性能测试等方面的关键问题。基于GRIN光纤探头聚焦性能的特征参数, 对解析设计方法与数值仿真设计方法进行比较分析。针对超小GRIN光纤探头的制作难题, 研究一种光纤熔接和切割的高精度一体化集成装置, 描述GRIN光纤探头的制作方法。此外, 分析了超小GRIN光纤探头聚焦性能检测的方法及装置。本文为超小GRIN光纤探头的设计、制作及性能测试提供了一个方法体系。

在分析比较传统光纤探针研制工艺特点的基础上认为其不适用于蓝宝石光纤,因此提出了基于研磨抛光系统的光纤探针制备工艺。介绍了研磨系统的组成及运作方式,阐述了光纤探针制备过程中研磨抛光与固化的主要流程。最后使用光学仿真软件Zemax进行了光纤探针传输效率的仿真测试,仿真结果表明采用940 nm波段光源及“面对面”探头安置方式时光纤探针传输效率最高。可应用于蓝宝石光纤探针传感器系统的搭建。

为了研究扫描近场光学显微镜(SNOM)光纤探针的光学特性, 采用基于场追迹方法的光学软件VirtualLab Fusion进行了仿真实验, 取得了SNOM光学探针尖端外部光场的分布情况。结果表明, 沿z轴方向, 不同截面上的光场分布都会呈现小孔衍射的图案, 其中心斑点中心强度随着z值的变大而呈近似指数函数衰减, 到z=100nm位置处几乎衰减为0; 中心斑点轮廓线的半峰全宽随着z值的变大而呈现先不变后增大的趋势, 其拐点处于z=20nm位置处, 此时对应的中心强度值为7.2V/m2,这个强度值按指数函数计算正好处于z=0nm位置处强度的e-2。结果清晰显示了SNOM光学探针的光学特性, 证实SNOM探针工作时需要与样品表面保持在10nm左右的必要性。

对组合锥型光纤表面增强拉曼(SERS)探针的结构参数进行了设计与优化。 通过建立描述消逝波激发 组合锥光纤探针表面纳米颗粒的激发光衰减系数模型, 结合激发光经渐变锥段的全反射传输、探针平直段与 激发光纤间的模式匹配原理, 给出了组合锥型光纤SERS探针的结构参数设计与优化方法。利用该设计与优化方法, 在给定光纤和纳米颗粒结构以及周围环境和激发光功率下, 进行了光纤SERS探针结构参数的模拟设计。

介绍了光纤探针的制作流程及纳米颗粒的吸附方法, 利用时域有限差分法对光纤探针的局域非均匀场下银纳米颗粒增强效应进行了数值模拟。首先, 分析了不同形状的光纤聚合物探针尖端电场分布情况, 为纳米颗粒的极化效应研究提供了参考; 其次, 模拟与仿真了纳米颗粒的半径、与探针间的距离对单个银纳米颗粒极化效应的影响; 最后, 以两个银纳米颗粒为例讨论了颗粒相对位置对极化效果的影响, 并证明了光纤探针顶端以外的银纳米颗粒对电场的极化效应没有贡献。本文的仿真结果为光纤探针的制备以及其表面银纳米颗粒的吸附提供了理论支持。

为提高近场捕获的能力与灵活性，研究了一种利用镀膜光纤探针对纳米微粒进行近场捕获的方法。采用麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法建立了近场中纳米微粒的作用力模型，通过光阱力与其他作用力的比较讨论了近场捕获的稳定性，并根据各轴向光阱力的分布情况分析了纳米微粒的捕获尺寸与捕获位置。结果表明，只有当微粒尺寸小于探针孔径时才存在捕获效果，探针尖端不同位置出现不同捕获过程，在光阱力的作用下微粒最终被捕获至孔径边缘并形成圆状分布。结合纳米定位与检测方法，设计了全光纤低损耗的光纤探针近场捕获系统，并对120 nm的聚苯乙烯微粒进行了捕获实验。结果表明，采用极低的激光功率能把粒径为激光波长1/7的纳米微粒捕获至光纤探针尖端，并形成内径与探针孔径一致的圆环状分布。该计算与实验结果为近场纳米操作的实验研究打下了基础。

基于压电换能器技术设计了一种应用于光学相干层析成像的新型内窥式二维光纤扫描探头，即利用两片压电陶瓷片和一片薄导电基片驱动光纤探头.该探头利用光纤悬臂的共振特性，通过对压电陶瓷施加等于光纤共振频率的混频信号，能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动，可以实现光纤悬臂的二维扫描.建立了理论模型并进行了有限元仿真分析，最后搭建了实验系统，验证并获得了扫描图样.实验结果实现了光纤悬臂的二维扫描，扫描范围达到(500×500)μm，调节驱动信号振幅幅值可以调节扫描范围.实验结果与理论分析和仿真相吻合，验证了方案的可行性.