光波系统范文（精选7篇）
光波系统 第1篇
光波分复用系统 (WDM) 是当前广泛应用的网络通信技术, 它的快速应用是建立在光电材料发展的基础上。光波分复用系统的基本传输原理及方式并不复杂, 它利用光纤介质将不同频率的信号捆绑传送, 在终端利用信号分离技术将各种信号一一分离。这种传输方式从根本上减少了媒介传输的压力, 并且保证了信号传输的安全性和准确性。与其他网络信号传输技术相比, 光波分复用技术优点较为明显。由于能够同时传输不同频率的信号, 因此能够提高传输效率, 并且节省光纤资源, 另外由于传输介质的统一, 因此, 各个信号通知之间传输透明。除此之外, 能够利用EDFA实现超长距离传输、系统稳定性可靠以及全光网络的实现等都是光波分复用的优点。
二、光波分复用系统结构及其应用原理
尽管在结构组成上较为简单, 但是在系统的信号传输方面却较为复杂, 它要经过多层次的合波、分波过程, 并且通过各个通道形成统一有效的整体。
2.1光波分复用系统信号传输原理
在信号传输过程中, 通过传输介质将两种或者多种不同的信号 (携带有名种类型的信息) , 在信号初始端 (亦称合波器, multiplexer) 将这些信号进行回合捆绑, 形成了统一的有效的耦合信号, 进而通过同一根光纤介质进行信号的传输。而在信号的接收终端, 各种耦合的信号经过终端分波器 (亦称解复用器或去复用器, demulti-plexer) 将各种信号进行分离, 然后由光接收机相应的进一步处理恢复信号。这种信号的传输可以是单向的也可以是双向的。WDM本质上是光域上的频分复用 (FDM) 技术, WDM系统的每个信道通过频域的分割来实现。每个信道占用一段光纤的带宽, 与过去同轴电缆FDM技术有两点不同, 第一, 传输媒介不同。WDM系统是光信号上的频率分割, 而同轴系统是电信号上的频率分割。第二。在每个通路上, 同轴电缆系统传输的是模拟的4KHZ语音信号, 而WDM系统目前每个通路上传输的是数字信号SDH2.5Gbit/s或更高速率的数字信号。
2.2光波分复用系统结构
当前应用较为广泛的光波分复用系统其结构上主要有五部分组成, 即发光机、中继放大器、光接收机、光监控信道以及网络管理系统。各个系统在功能上相互独立, 但是在结构上却形成了统一的整体。
发光机是系统信号传输系统的核心, 主要负责对信号的处理。主要是将非定长的信号处理为定长信号, 然后进行统一的捆绑传输;中继放大器。中继放大器主要是为了保证信号的长时间传输之后减少能量的衰减, 对信号进行相应的放大, 保证信号传输的质量;光接收机。光接收机是信号传播的终端核心, 主要功能是将耦合之后的信号进行相应的分离, 并且将各波长信号进行有效的还原, 从而形成有效的光信号;光监控信道。监控通道主要是对传输通内的各个信号传输过程中的质量问题进行有效的检测, 在输入端和接收端分别输入相同波长的监督信号, 然后通过信号的匹配程度来实现信号的监控;网络管理系统。网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对WDM系统进行管理, 实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能。
三、结语
运用光波分复用系统, 光信号在传输过程中真正实现了多信号的同时传播, 并且由于各个系统的有效连接, 保证了信号传输的效率和质量。系统中的光监控信道以及网络管理系统保证了信号在传输过程中的有效控制及其安全性, 这也是WDM被广泛应用的重要原因。
参考文献
[1]雷非, 谭本明.波分复用系统的光信噪比与代价测试方法探讨.中国新通信, 2010, 13
[2]刘印平, 郭淑琴, 鲍卫兵.波分复用光传输系统中非线性效应研究.浙江工业大学学报, 2010, 1
[3]钱胜, 祁永敏, 王天枢.非线性光环镜在光通信系统中的新应用.光通信技术, 2009, 5
光波脱硫脱硝技术 第2篇
关键词：光波,脱硫,脱硝,烟气
1 课题的来源、目的、意义
1.1 脱硫技术
控制SO2排放工艺按其在燃烧过程中所处位置可分为燃烧前、燃烧中、燃烧后脱硫三种。
燃烧后烟气脱硫技术式当前世界唯一大规模商业化应用的脱硫方式, 式控制SO2污染和酸雨的主要技术手段。而烟气脱硫被认为是控制SO2最行之有效的途径。烟气脱硫主要有湿法、半干法、干法等脱硫法。
1.2脱硝技术
NOx排放控制技术大致分为:改进燃烧技术和烟气脱硝技术。烟气脱硝技术主要有SCR、SNCR和干法等脱硝技术。其中SCR和SNCR法是工艺成熟的方法, 但是这两种方法能耗高, 占地面积大, 脱硝剂使用量大而且贵, 使脱硝成本很大, 厂家应付困难。
光波脱硫脱硝技术干法, 此法优点很多:1、设备占地面积小;2、造价低;3、能耗小;4、无二次污染。适合我国现有国情, 应该推广开来。而光波发生装置是整个光波脱硫脱硝技术工艺系统的核心。
2 光波脱硫脱硝内容
2.1 光波脱硫脱硝技术介绍
以喷雾形式用碱和氨作为吸收剂, 在管道内吹入, 并且同时吹入催化剂, 和烟气进入光波装置中, 在光波装置中脱硫和脱销。最后产物为硫酸盐、硝酸盐和硫, 可以作为其它行业的物料。本技术充分利用光波能源和吸收剂、催化剂使烟气脱硫脱硝效果好, 能量利用率提升, 运行用度降低、设备的腐蚀性减小。
在光波脱硫脱硝技术中, 光波发生装置是实现光波脱硫脱硝技术的关键之一。
2.2 光波脱硫脱硝技术反应机理
2.2.1 特点:
光波装置是从电子束法发展而来的烟气脱硫脱硝技术。光波发生装置是靠光波电源在普通反应器中形成等离子体, 产生高能光波形成非平衡等离子状态, 产生大量活性粒子, 而驱动粒子的能耗极小, 因而能量利用率高, 同时获得较高的脱硫脱硝效率。
通过光波发生装置产生的等离子和具有很强的氧化性的自由基, 其中活性粒子的平均能量高于气体分子的键能。这些碰撞的结果是:一方面打开气体分子键生成一些原子和分子, 另一方面产生大量的-OH、-O等自由基和氧化性极强的O3。由这些原子、分子和O3等组成的活性粒子所引起的化学反应最终将废气中的有害物质脱除 (脱硫、脱硝) 。
以上为活性粒子是光波发生装置作用产生的产物, SO2和NO, 经过一系列的电化学反应:
在加吸收剂的条件下, 最终生成硫酸盐和硝酸盐:
2.2.2 特点:
光波装置与电子束相比, 由于光波只提高电子温度, 而不提高粒子温度, 能量效率比电子束照射法高2倍。光波发生装置设备简单, 操作简便, 耗电较电子束照射法低60%以上。对烟气进行脱硫脱硝治理所消耗的能量要小的多, 因而成为现阶段脱硫脱硝的前沿, 和发展方向。
2.3 脱硫脱硝工艺流程简介
废气经烟道至净化装置, 从净化装置出来, 进入光波反应器, 在反应器混合段和含有大量吸收剂、催化剂、氧化剂的增湿粒子接触, 通过粒子表面附着的水膜的蒸发, 烟气温度瞬间降低且相对湿度大大增加, 形成很好的脱硫脱硝反应环境。在反应段中快速完成物理和化学反应, 烟气中的SO2、NOx在光波发生器的作用下生产硫酸盐、硝酸盐和硫。
2.4 碱性吸收剂和氨对脱硫脱硝效率的影响
由于NH3作为酸性产物的吸收剂费用高, 运输存储不方便, 容易造成NH3泄露等缺点, 所以为备选吸收剂。而碱性物质作为吸收剂, 在干法光波发生装置系统中, 喷碱性吸收剂不影响SO2、NO的脱除效率, 而且还可以提高SO2、NO的脱除效果。
2.5 气相中的O2和水蒸气对脱硫脱硝效果的影响
在光波发生装置工作中, O2和水蒸气可大大提高SO2、NO的氧化和脱除效率。离子的迁移速率会随湿度的增加而降低, 因此, 光波电流在湿空气中较低, 水蒸气对SO2、NO的吸收率由于光波的存在而提高。当液相水通过电化喷嘴喷出时, 它对SO2、NO的吸收能力急剧提高, 脱除量远超过饱和的吸收量。
2.6 温度因素
在光波装置系统中, SO2在低温下脱除效率更高, SO2脱除效率随温度升高而降低, 但是NO的脱除效率不变。
综上这些因素, 在适当的温度、湿度下, 采用光波脱硫脱硝技术, 可以使脱硫效率达到90%以上, 脱硝效率75%以上。
3 结语
低温光波脱硫脱硝烟气处理技术的, 从中可以看出, 本技术的优点:能耗低、无二次污染、运行温度低、吸收剂好量少、设备简单、操作简单、造价低等特点, 是目前干法技术中在工业中最有应用前景的低温脱硫脱销技术, 从技术上已经是可行的。我们应该大力、加快步伐去研究和推广这项技术。
参考文献
[1]马大广.大气污染控制技术手册[M].北京:化学工业出版社
[2]唐国山.工业电除尘器应用技术[M].北京:化学工业出版社
光子晶体液晶光纤的光波导特性 第3篇
光子晶体光纤(PCF)是一种由单一介质与空气孔构成的新型光纤,有全内反射和光子带隙两种类型,具有许多常规光纤所不具备的优良特性,如无截止单模特性、反常色散特性以及高或低的非线性等。用不同材料填充空气孔,可以调节PCF的光学传输特性[1]。液晶的折射率对温度、电磁场等的变化比较敏感,所以用液晶填充到光子晶体光纤空气孔中,通过调节温度或电磁场,容易控制光子晶体光纤的传输特性。目前研究较多的是用N相液晶填充光子晶体光纤包层空气孔,实现光纤的温度调制和高敏感热开关[2,3]、填充后光纤的色散特性和滤波特性的变化[4,5]。而对用液晶填充空心光子晶体光纤芯的研究较少,Du[6]研究了用N相液晶填充光纤的纤芯和包层的空气芯后光纤的电调制光开关特性;Zografopoulos[7]用N相液晶填充空心光子晶体带隙传导光纤的纤芯,研究了包层空气孔不同相对孔径下纤芯的等效折射率、基模双折射、色散随光波长的变化。但文献[6,7]仅考虑液晶分子的排列方向完全沿电场方向的情况,并且只讨论了光纤衬底的折射率等于液晶非常光折射率的特例,不同大小电场的控制作用和液晶不同折射率的更一般性情况没有研究;本文研究不同强度的电场作用下不同折射率液晶填充光子晶体光纤的光学传输特性,侧重研究电场对光纤的双折射特性和模式截止特性的影响。
1 等效折射率模型
空心光子晶体光纤的截面如图1所示,芯区中的圆空气柱半径为R,包层是由孔径为d、孔距为Λ的均匀圆空气柱在石英衬底上按三角排列形成的周期性结构。空气的折射率为n1,石英的折射率为n2。如果R>d/2,纤芯区的平均折射率比包层区的平均折射率低,空心光纤表现为带隙型波导。本文讨论R>d/2的情况。
在纤芯的空气柱内填充向列相液晶(NLC),成为光子晶体-液晶光纤(PCLCF),液晶分子的排列方向通过电压作用来改变。建立直角坐标系,x,y轴位于光纤截面内,z轴沿光纤轴向,即沿空气柱轴向。由于一般液晶的寻常光和非常光折射率都比石英大,所以填充液晶后纤芯区的平均折射率比包层区的平均折射率高,PCLCF成为全内反射型光子晶体光纤。具有单轴双折射特性的NLC的光轴可以通过电场(由作用在光纤上的电压Vx、Vy产生)来调整,导致其光学传输特性可以通过电场来控制。
1.1 纤芯的等效折射率
填充到PCF纤芯空气孔里液晶分子的排列方向主要取决于毛细管的直径、边界条件和外加电场。当没有外加电场时,液晶分子的排列方向是由毛细孔内侧与液晶分子的相互作用所决定,一般是沿着光纤的z轴方向。当施加一个沿着y方向可调的电场时,液晶分子将偏离z轴,分子长轴与光纤轴有一个夹角θ,液晶在y方向的偏振光变成了非寻常光,而x轴方向的偏振光为寻常光。液晶的x轴方向和y轴方向的偏振光的折射率分别为:
上式中的ne和n0分别为液晶非常光和寻常光的折射率。(2)式表明n0≤nhy≤ne。加在光纤上的电压Vy并没有全部作用到液晶上,一部分作用在液晶上,另一部分作用在石英上,称作用在液晶上控制其分子排列方向的那部分电压为有效电压,与有效电压对应的电场称为有效电场Eeff。实际引起θ改变的是Eeff,所以θ是Eeff的函数,即θ=θ(Eeff),两者之间存在如下关系[8]:
其中EC是阈值电场,与液晶弹性常数k11、介电各向异性Δε的关系为
光波在光纤中的传输不可能完全束缚在纤芯的液晶内,在液晶外的石英中仍然有部分光波存在,所以芯区的等效半径rcore比纤芯的空气孔半径R大,芯区的等效折射率与填充液晶的折射率不同,我们采用面积平均的方法,把纤芯的x轴方向和y轴方向偏振光的等效折射率表示为半径rcore和半径R的两个圆面上折射率的面积平均值:
从(4)和(5)式可看出,当R=0时ncoreeff,x=n
1.2 包层的等效折射率
采用基空间填充模[9]来求包层的等效折射率,即将包层等效为一均匀包层,其等效折射率为空气、石英形成的无限大周期性结构的基模的模折射率。计算出包层基模的传输常数β,由ncladeff=β/k0得到包层的等效折射率,k0为自由空间的波矢量。
将PCF包层的六边形原胞周期单元(见图1中阴影部分)等效为圆形原胞,圆形原胞的半径 b。采用标量近似,标量场可写成φ exp[i(ω t-β z+mϕ)]形式,φ满足:
边界条件为:在r=b时dφ/dr=0;在r=d/2=a时φ、dφ/dr保持连续;考虑基模传输并应用边界条件,可得基空间填充模的特征方程为:
其中W2=a2(β2-k02n12),U2=a2(k02n22-β2),J、I、N分别为贝塞尔函数、第一类变形贝塞尔函数和诺埃曼函数。由(7)式求出β后,就可得到包层的等效折射率ncladeff=β/k0。后面的数值计算表明,ncladeff主要取决于包层空气孔相对孔径d/Λ和工作光波长。
2 模式双折射特性
在本文PCLCF的等效阶跃折射率模型中,由于ncoreeff,x ≠ncoreeff,y,LP01模分离成两个偏振方向互相垂直的LP01x和LP01y模,由于一般液晶的寻常光和非常光折射率都比石英大,所以纤芯区的平均折射率比包层区的等效折射率高,LP01x和LP01y模总是导行的,不会截止。
对PCLCF基模而言, 模式双折射B实际上是x偏振模和y偏振模之间的有效折射率差, 即
(8)式表明,PCLCF的模式双折射主要来源于液晶折射率,而液晶的折射率会随分子的排列方向和光波长的变化而改变,其中分子排列方向变化的影响远比波长变化的影响显著,此处仅考虑分子排列方向的影响。影响液晶分子排列方向的主要影响因素是电磁场和温度,不考虑温度的变化,只考虑通过调节电场大小来改变液晶填充光子晶体光纤的模式双折射的大小。
椭圆芯孔PCF[10]等各向异性结构产生的模式双折射,主要来源于光纤截面形状的各向异性结构,最大值为10-2量级,对纤芯的结构和工作波长敏感。而PCLCF的模式双折射却不同,表现有下列四个特点:1)双折射不是来自于纤芯结构的各向异性,而是来自填充液晶材料本身的光学各向异性;2)双折射是可调的,可通过调节施加电场来改变双折射的大小;3)双折射比各向异性结构产生的双折射大,可达到0.1量级,选用双折射大的液晶材料填充,可以得到更大的双折射值;4)波长变化对双折射的影响远小于液晶分子排列方向变化的影响。
3 高阶模式截止特性
在电场作用下,一般液晶的寻常光和非常光折射率都比石英大,LP
以υeff<π作为二阶模截止的判据。图2为不同结构PCLCF的单模与多模界面随电场(用液晶分子排列方向夹角表示)和波长变化的计算结果,曲线的下方为单模区域,上方为多模区域。计算中参数取值为R=0.5Λ, rcore=0.625Λ,Λ=2 μm,n1=1,n2=1.45, ne=1.66,n0=1.49。从图2可看出:1)增大电场(即增大θ)时,可以使PCLCF由单模传输变成多模传输。这是因为电场增加使芯区等效折射率ncoreeff 增大,原来满足υeff<π二阶模截止的条件不再满足,导致PCLCF由单模传输变成了多模传输;2)增大光波长,可以使PCLCF由多模传输变成单模传输。这是因为二阶模截止条件参数υeff与波长成反比,与普通全内反射PCF类似;3)包层中空气孔相对孔径的减小,PCLCF的单模与多模界面向短长波方向移动。这是因为包层等效折射率随包中空气 孔相对孔径减小而增大,只有减小光波长才能使二阶模截止条件满足;4)对给定空气孔相对孔径的PCLCF,多模传输的工作光波长存在一个最大值,超过该波长时,无论电场多大,都只能传输基模。这是因为包层的等效折射率随波长增大而减小,但在波长增加到一定值后达到饱和,而电场增大到一定值时液晶折射率达到饱和,此时纤芯等效折射率也达到饱和;5)包层中空气孔相对孔径小于0.14时,PCLCF中出现无截止单模传输,而且包层中空气孔相对孔径比普通全内反射PCF的要小,出现无截止单模传输时电场的变化不产生影响。这是因为包层空气孔相对孔径小于该值时,高阶模的横向有效波长远小于孔距,从而使高阶模从孔间泄漏出去,此时模场分布不再与波长有关。填充液晶折射率比石英的大,纤芯等效折射率比普通全内反射PCF的大,使芯层折射率差增大,只用通过减小包层中空气孔相对孔径比,才能保证单模传输,所以PCLCF中不截止单模传输时包层中空气孔相对孔径比普通全内反射PCF的要小些。液晶折射率变化对波长没有影响,所以电场的变化不会对无截止单模传输产生影响。
4 结 论
在空心光子晶体光纤的纤芯中填充N相液晶,调节直流电场控制液晶分子的排列方向,实现光子晶体液晶光纤传输特性的可调性。用阶跃折射率模型研究了电场、工作光波长及光纤结构参数对光纤双折射和模式截止的影响。与普通内全反射光子晶体光纤相比,PCLCF的双折射仅与液晶折射率和电场有关,二阶模式截止特性对电场、工作光波长和包层空气孔的相对孔径敏感。这种可控性对控制功能器件非常有用,为可调光子晶体光纤器件的设计和应用提供了一定的参考。
参考文献
[1]邓兰馨,杨利,钱景仁.高折射率材料填充的光子晶体光纤传输谱分析[J].量子电子学报,2007,24(3):341-346.
[2]Wolinski T R,Szaniawska K,Bondarczuk K,et al.Propaga-tion properties of photonic crystal fibers filled with nematicliquid crystals[J].Opto-Electronics Review,2005,13(2):177-182.
[3]Sun J,Chan C C,N Ni.Analysis of photonic crystal fibers in-filtrated with nematic liquid crystal[J].Optics Communica-tions,2007,278:66-70.
[4]Steinvrzel P,Eggleton B,Sterke C D,et al.Continuouslytunable bandpass filtering using high-index inclusion mi-crostructured optical fiber[J].Electronic Letters,2005,41(1):463-464.
[5]Haakestad M W,Alkeskjold T T,Nielsen M D,et al.Elec-trically tunable photonic bandgap guidance in a liquid-crystal-filled photonic crystal fiber[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2005,17(4):819-821.
[6]Du F,Liu Y Q,Wu T.Electrically tunable liquid crystal fiber[J].Appl Phys Lett,2004,85(12):2181-2183.
[7]Zogafopoulos D C,Kriezis E E.Photonic crystal-liquid crystalfibers for single polarization or high-birefrigence guidance[J].Optics Express,2006,14(2):914-925.
[8]赵阶林,任广军.液晶电控效应的实验研究[J].液晶与显示,2006,21(14):384-387.
[9]Park K N,Erdogan T,Lee K S.Clading mode coupling inlong-period gratings formed in photonic crystal fibers[J].Op-tics Communications,2006,266:541-545.
农药浓度光波导传感制备工艺研究 第4篇
近年来,由于农药不合理的使用,导致农产品中农药残留严重超标,人们食用了农残超标的农产品而引起的食物中毒事件逐渐增多,已严重的危害到我国的食品安全。因此,研究农作物、蔬菜和水果中有机磷农药残留的快速检测技术在食品安全、环境保护、生理学研究等方面都具有重要的实际意义。目前,应用于有机磷农药残留检测的方法主要有: 荧光、酶抑制光度、酶片显色、速测卡、化学发光、酶降解、电化学、色谱和HPLC法等[1,2,3,4]。这些方法适用于实验室条件下对有机磷农药残留的检测,结果比较准确,但需大型仪器设备,且由于操作繁琐、检测成本高、分析时间长而不适用于现场控制性检测。
光波导传感器具有大的带宽、低电压驱动、灵敏度高、响应速度快以及易于构成集成系统等优点,已有表面等离子体共振传感器、溶胶—凝胶光化学传感器、集成光波导氢敏传感器、微型光波导化学和生物化学传感器等[5,6]。均匀折射率玻璃波导有严密的解析解,目前多采用等离子体辅助CVD技术或水解火焰淀积法制备,设备昂贵。溅射法是一种低成本制备均匀折射率玻璃薄膜的方法。本工作研究用磁控溅射技术在石英基板上制备康宁1737玻璃波导的工艺,分析成膜条件,讨论控制膜厚的因素。
1 磁控溅射光波导制备理论基础
光波导的制备有离子交换法、磁控溅射等很多种方法。其中,磁控溅射是较为常用的平面光波导的制备之一。实验采用双极磁控管溅射机,磁控溅射利用磁场控制下的辉光放电,磁场被用于改变电子的运动方向,束缚和延长电子的运动轨迹,提高电子碰撞对工作气体分子的电离几率,使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效,工作原理如图1所示[7,8]。电子e在电场E的加速下与氩原子发生碰撞,使其电离出 Ar+和一个新的电子e,Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶,并以高能量轰击靶表面,使靶材发生溅射,飞溅的靶原子或分子淀积在基片上形成薄膜。离子轰击还会激发靶面的二次电子e1,二次电子一旦离开靶面,同时受到电场和磁场的作用,在阴极暗区时主要受电场作用,在电场加速下飞向负辉区,进入负辉区后主要受磁场作用,在磁场B的洛仑兹力作用下绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后,重新进入阴极暗区,受到电场减速,接近靶面时,速度可降到零。以后,电子又在电场的加速下再次飞离靶面,开始一轮新的运动周期。电子如此周而复始,沿E×B所指方向漂移,在环行磁场中,以近似摆线形式在靶表面作圆周运动。二次电子的运动路径长,而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,撞击产生大量的 Ar+ 离子用来轰击靶材,从而实现很高的淀积速率。随着碰撞次数的增加,二次电子的动能大量消耗,在电场E的作用下逐渐远离靶面,到达基片时能量很低,不会导致基片温度的明显升高。当靶材是绝缘介质玻璃时,必须在靶上施加射频电压。当溅射处于上半周时,由于电子的质量比离子的要小得多,故其迁移率很高,仅用很短时间就可以飞向靶表面,中和其表面积累的正电荷,从而实现Ar+ 离子对绝缘材料的加速溅射。处于下半周时,靶面迅速积累大量的电子,使其表面因空间电荷呈现负电位,同样可实现Ar+ 离子对绝缘材料的加速溅射。
2 农药浓度光波导传感制备实验和讨论
实验采用双极磁控管溅射机,使用的靶材是直径为100mm、厚度为1mm的康宁1737玻璃圆板,射频频率是13.6MHz,基板是光学级抛光石英玻璃。溅射得到的薄膜波导的折射率和膜厚采用棱镜-薄膜耦合技术测试。使用632.8nm波长测得的波导折射率是1.508 4。膜厚与沉积速率成正比,沉积速率R可表示为R=cJη。其中,c是由溅射装置特性决定的常数,J是靶面溅射电流密度,η是溅射产额。当射频功率增加时,靶面溅射电流密度J和自偏压升高,自偏压升高可使溅射离子的动量增加,从而使得溅射产额增加。
图2是衬底温度为25℃、真空度为0.38Pa、靶基距为6cm、溅射时间为4h的条件下,测得的不同射频功率对应的沉积速率,由膜厚测试换算得到。沉积速率与射频功率成正比关系,与理论基本一致。
图3是衬底温度为25℃、真空度为0.38Pa、靶基距为6cm、溅射时间分别为2h和4h的条件下,测得的不同射频功率对应的波导膜厚。射频功率低于90W时,溅射4h的薄膜不足以维持单模传输,膜厚无法用棱镜-薄膜耦合技术测试。射频功率大于90W时,形成波导,膜厚随射频功率的增大而变厚。一个特点是,曲线斜率随射频功率的增大而逐渐增大。这是由于射频功率增大可使飞溅的靶材粒子具有更高的动能,这些粒子会在基板薄膜的撞击点位上产生缺陷,由于缺陷区域的结合能比较高,容易成为核点,有助于薄膜生长加快。另外,当射频功率大于220W时,离子动能过大,康宁1737玻璃靶破裂。
表1列出了靶基距与沉积速度以及膜厚的相关性实验数据。靶基距和溅射粒子平均自由程是辉光放电系统中十分重要的两个参数,对薄膜的沉积速率有显著影响。由于溅射粒子按余弦分布,随靶基距的增大,到达衬底的粒子密度下降,沉积速率下降。为了得到大的沉积速率,衬底与靶应尽可能靠近,同时要保持其位置在等离子体区之外。溅射粒子的平均自由程愈长,到达衬底的概率愈大。溅射粒子平均自由程undefined与Ar气体浓度有关[8,9,10],用下式表示,即
undefined (1)
其中,nAr为Ar气体分子密度,m是溅射粒子的原子量,R和RAr分别是溅射粒子和Ar的原子半径。当溅射气压一定时nAr确定,溅射粒子的平均自由程成为常量。若Ar气体分子密度nAr过大或靶基距过大,溅射粒子飞向衬底的过程中与Ar+的碰撞次数就会增大,到达衬底的概率因此减少。Ar气体分子密度nAr过小,Ar+的密度降低,虽然有利于增大溅射粒子平均自由程,但轰击靶材的离子密度下降。因此,控制溅射气压是一个兼顾两者的平衡操作,而减小靶基距是提高沉积速率的有效手段。这些因素在表1的实验数据中得到了反映。要注意的是过小的靶基距对成膜均匀性是不利的,本实验采用了直径100mm的靶片,而衬底尺寸只有10mm,成膜均匀性得到了保证。另外,根据巴邢曲线,随着气体压强P与靶基距d的乘积Pd的减小,维持放电的射频电压增大,这也在表1的实验数据中得到了反映。
3 农药浓度光波导检测装置
农药浓度光波导检测实验系统如图4所示。
输入棱镜和波导表面之间注有待测农药液体样品,测得输出功率Pout。液体注入采用在样品盒边缘处微量滴液后经毛细管效应吸附来实现。测试结果证实,表征溶液包层吸收特征的折射率虚部与溶液浓度之间具有十分显著的线性关系,而溶液包层吸收特征的折射率虚部与功率Pout有线形关系。为此,利用这个关系传感测试了11种不同浓度的有机磷农药残留量水溶液样品,测试值与实际配制浓度值的均方差小于0.067%,如表2 所示。
4 结论
本文报告了农药浓度的光波导传感制备工艺,采用磁控溅射技术,在石英基板上用制备康宁1737玻璃波导工艺,分析了成膜条件以及控制膜厚的因素。实验结果表明,采用射频功率为100～200W、靶基距为4～6cm,衬底温度为20～25℃、真空度为0.38Pa、溅射时间为2～4h的工艺条件可以获得较快的沉积速率并形成良好的单膜波导。在此基础上用该波导制备了传感装置,测试了种不同浓度的有机磷农药残留量水溶液样品,测试值与实际配制浓度值的均方差小于0.067%。
摘要：研究了农药浓度的光波导传感制备工艺,采用磁控溅射技术,在石英基板上制备康宁1737玻璃波导的工艺;同时,分析了成膜条件以及控制膜厚的因素。实验结果表明,溅射功率和靶基距是影响溅射沉积速率的关键因素,采用射频功率为100～200W、靶基距为4～6cm,衬底温度为20～25℃、真空度为0.38Pa、溅射时间为2～4h的工艺条件可以获得较快的沉积速率并形成良好的单膜波导,可为农药浓度的检测提供一种新的方法。
关键词：有机磷农药,导波光学,光波导技术,磁控溅射,均匀折射率波导
参考文献
[1]李亮亮,于维军,刘文娥.荧光法快速测定有机磷农药[J].辽宁农业科技,2001(5):44-45.
[2]杨东鹏,张春荣,董民,等.酶抑制分光光度法检测蔬菜有机磷和氨基甲酸酯类农药残留方法的研究[J].中国农学通报,2004,20(4):58-61.
[3]何颖,张涛,康天放.蔬菜中有机磷农药残留的分光光度法快速检测[J].环境化学,2005,24(6):712-714.
[4]王林,王晶,张莹,等.蔬菜中有机磷和氨基酯类农药残留量的快速检测方法研究[J].中国食品卫生杂志,2003,15(1):39-41.
[5]A L Hart,W A Collier.Stability and function of screen prin-ted electrodes based on cholinesterase stabilited by a copoly2mer sugar alcoholmixture[J].Sensors and A ctuators B,1998,53:111-115.
[6]J.Buerck,S.Roth,K.Kraemer et.al.Application of a fiber-optic NIR-EFA sensor system for in situ monitoring of ar-omatic hydrocarbons in contaminated ground water[J].J.Hazard.Mater,2001,83(1-2):11-28.
[7]T.Umemura,Y.Kasuya,T.Odake,et.al.Sensitive measure-ment of methylene blue active substances by attenuated total reflection spectrometry with a trimethyl-silane-modified glass slab optical waveguide[J].Analyst,2002,127(1):149-152.
[8]石守勇.光波导原理[M].北京:高等教育出版社,1989.
[9]许政光.介质光波导器件原理[M].上海:上海交通大学出版社,1981.
一种测量光波波长的新方法 第5篇
在大学物理实验中, 我们做过《用透射光栅测光波波波长》这一实验, 光一部分透过此光栅发生衍射, 一部分被此光栅反射衍射, 研究的主要是透射衍射光。而此文是把此光栅当反射光栅用以测量光波波长, 研究的是反射衍射光。下面对这种方法作报告。
(二) 实验仪器
分光计、透射光栅 (当反射光栅用) 、汞灯。
(三) 实验原理
1. 表面结构
光栅是利用 (多缝) 衍射原理使光波发生色散的光学元件, 它由大量的等宽、等距, 相互平行的狭缝组成。如图1所示
2. 光栅方程
当平行光以入射角θ0射到光栅上时, 若衍射光与入射光在法线异侧, 则由图2 (a) 可得, 衍射角为θ的两相邻衍射光之间的光程差为
若衍射光与入射光在法线同侧, 则由图2 (b) 可得, 衍射角为θ的两相邻衍射光之间的光程差为
根据光栅衍射理论, 反射光栅产生主极强亮纹的位置满足
因此, 反射光栅方程为
当入射光与衍射光在光栅法线同侧时, (4) 式取“+”号, 当入射光与衍射光在光栅法线异侧时, (4) 式取“-”号。
当用复色光照射时, 除0级衍射光外, 不同波长衍射光的主极强位置不同, 这就是光栅的分光原理。
(四) 实验步骤
1. 调节分光计。
2. 调节好分光计后, 固定游标盘, 使望远镜和刻度盘一起转动, 测出望远镜正对平行光管时的角度α1。
3. 将望远镜转到靠近平行光管的一边, 固定望远镜, 并测出此时的角度α2。
4. 计算出入射光与衍射光之间的夹角
5. 将反射光栅置于载物台上 (轨迹方向垂直放置) , 松开游标盘, 利用自准直法测量出光栅与望远镜垂直时的角度β0。
6. 转动游标盘改变光栅方向, 即可在望远镜中出现不同颜色的光谱, 测出待测线对准望远镜叉丝时对应的角度β。则
7. 把计算出来的不同光谱所对应的衍射角和入射角带入 (4) , 已知透射光栅的光栅常数d=3030nm (实验室测得) 。即可求得汞光被分离出来的不同颜色的光的波长。
(五) 数据记录及处理 (表1)
(六) 误差分析
本实验结果的误差在实验误差允许的范围内。其误差主要来源于仪器本身的精度, 实验室所测得光栅常数, 实验过程中的读数误差等方面。
(七) 结束语
本实验所采用的新方法是可行的, 可加深学生对光的干涉、衍射以及光栅分光作用的理解, 可以拓展学生的思维, 培养学生多角度考虑问题的方式和对真知的探索精神, 是一篇很有借鉴价值的好文章。
摘要：文章把实验室所用的透射光栅当反射光栅在分光计上测量光波波长, 可观察到清晰的光谱, 计数方法新颖, 测量结果准确。
关键词：透射光栅,测量,光波波长
参考文献
液芯光波导微型光反应器 第6篇
近年来,光反应器广泛应用于光催化反应、废水处理[1,2]。当微藻能源作为第三代生物燃料时,Maryam.A. Q用微藻光反应器实现高密度养殖微藻[3]。此外,利用光反应器可促进聚合物胶体颗粒的静电稳定均一性,从而缩短反应时间和提高实验的复现率[4]。在修复已经污染的地下环境中,一种基于消逝场原理在光纤外面包裹了一层二氧化钛的反应器被设计出并得到了广泛应用[5]。这种利用光波导的衰减全反射(ATR,Attenuated Total Reflection)技术设计的反应器能有效利用光能,提高甲酸水溶液中的光催化氧化效率[6]。紫外光(310∼380 nm)可以在许多ATR模式下传播,在硅/二氧化钛/水的界面发生全反射,每一反射过程中薄膜都会吸收一部分紫外光能量,从而有效提高了反应效率[6]。但是,这类反应器很少有用来制备磁性氧化铁。磁性氧化铁材料作为一种多功能磁性材料[7,8,9],在肿瘤的治疗[10]、微波吸收材料[11]、催化剂载体[12,13]、 细胞分离[14]、磁记录材料[15]、磁流体[16]等领域均已有广泛的应用。目前,制备磁性氧化铁材料的方法有很多,概括而言有物理方法和化学方法两种。其中物理方法包括真空冷凝法、物理粉碎法和机械球磨法;化学方法包括共沉淀法、溶胶-凝胶法、水解法和水热法。然而用物理方法制备的样品一般产品纯度低,有时对制备设备要求还特别高;用常用的化学方法制备磁性氧化铁材料时往往需要添加活性剂,而且一般要在高温高压条件下反应才可以进行,同时必须精确控制在碱性条件下以及在磁性氧化铁材料的分离获取等方面都有比较严密和苛刻的要求才能合成出磁性纳米氧化铁。另外,这类反应器的构造很复杂,制备过程步骤繁多[17,18]。与其他反应器相比,本文设计的液芯双面金属包覆光波导反应器只需一低功率激光激发,无需大功率激光器;液芯双面金属包覆光波导反应器结构简单,制备工序简洁,且样品池存在于导波层中的有许多导模分布的振荡光场中,这就提供了一个很大的反应区域,提高反应效率;该反应器还能够激发TE或者TM模式的导模,对偏振是没有选择性的。本文中设计的液芯双面金属包覆光波导反应器,也不同于消逝场反应器,光在消逝场反应器中是以消逝波的形式传播,且只有一个模式,在反应器中呈指数式衰减, 且衰减速度很快(即寿命比较短),这也大大降低了其反应区域的光场强度,影响其反应效率。光在液芯双面金属包覆光波导反应器样品层中呈现振荡场,且毫米厚度的导波层可容纳数千个导模,模密度很高,有比较高的功率密度。因此,样品在这种双面金属包覆光波导反应器的振荡场作用下发生化学反应,其反应制备工序简单,无需外界高温高压或添加任何活性剂,更无需紫外光激发,只需一波长为780 nm的100 m W的激光器激发。利用这种反应器的光学特性,可以用它制备出珊瑚状磁性氧化铁材料。
1液芯光波导结构及光场模拟分布
液芯双面金属包覆光波导结构(如图1)由三部分组成:1) 一层薄银膜(h1=30 nm)覆盖在薄玻璃片的上表面作为耦合层;2) 一个深度hSample cell=0.17 mm的矩形样品池和薄玻璃片(hGlass=0.17 mm)共同构成导波层, 即导波层的厚度h2=hGlass+hSample cell=0.34 mm,这里样品池由两个完全相同的玻璃垫片通过光胶合实现;3)为了防止光泄漏,一层相对厚些的银膜(h3≥200 nm)被沉积在一个玻璃片上作为光波导的基底层。分别用下标1,2,3代表耦合层,导波层和基底层,h1,h2,h3代表每一层的厚度。
为了深入了解光反应器中的光场分布,利用COMSOL模拟软件对该结构进行了近似计算模拟。模拟的是微米尺寸的,设计的结构从上至下依次为耦合层,导波层以及基底层。光耦合进入导波层后,导波层中的入射光与在基底层厚银膜上产生的反射光相互叠加,从而在导波层中形成了如图2所示的驻波场分布。
2实验过程及结果分析
实验中,将250 µL的浓度为1.043×10-3mol/L的Fe SO4和浓度为1.258×10-3mol/L的Fe Cl3的混合水溶液,通过微量进样器注入到样品池中。该光反应器被放置于θ/2θ转台(如图3所示)上,功率为100 m W的780 nm半导体激光器(AUT-FSL-780-100T,上海昊量光电设备有限公司)发出的激光在经过一个偏振片和两个直径大约2 mm的小孔后入射到上表面耦合层,通过自由空间耦合技术激发波导中的超高阶导模[19],反射光由一个光电探头探测采集。我们自编的软件可以实现角度扫描,反射光束的强度随着入射角度的变化而变化(图4(a)中所示),这表明同一波长的光在不同角度都可以耦合进入导波层[20,21,22,23,24]。
然后,实验中选择如图4(b)中所示的一种ATR模式,并把入射角度调节到该模式最低位置(图4(b)中星号所示位置),光能够被大部分耦合进入导波层中。激光连续照射两小时后,将图1所示的光反应器拆开用去离子水轻轻冲洗沉积在样品池底部的生成物,并用扫描电子显微镜(FEI, Quanta 400 FEG)观察其形貌(如图5(a)所示),图中可以看出这种材料呈棒状,并聚合成珊瑚状;同时对合成产物进行了能谱分析(如图5(b)所示),结果表明样品池中的产物由Fe和O元素组成。
为了确定氧化铁的分子式,用20 m L的去离子水冲洗样品池中的产物,去除掉Cl¯和SO2-4。最后用高分辨率的透射电子显微镜(Tecani G2 F20 S-TWIN)研究了该铁氧产物的晶化情况(如图6(a)所示),结果表明合成产物是晶态和非晶态的共存体。这个实验结果与导波层中的光场分布是密切相关的,即在驻波波节处光场比较弱所以结晶情况不好,在驻波波腹处光场比较强所以结晶情况比较好,从而更加深刻地验证了光陷阱[23,25,26]的存在。实验中选取其中晶化较好的区域,测得其晶面距是0.269 4 nm(如图6(b)中所示)。这个结果与磁铁矿(γ-Fe2O3)相邻两个{310}晶面之间的距离0.27 nm是一致的[27]。
3合成机理的分析
众所周知,制备Fe3O4或者γ -Fe2O3材料的常用方法是化学共沉淀法,这个方法需要在高碱性溶液中室温下进行或者在高温下进行。高碱性溶液或者OH-是合成Fe3O4或者γ -Fe2O3的关键条件,本文中设计的液芯光波导反应器,其样品池中光化学的反应条件并非高碱性溶液。在这种条件下,该结构反应器能够使Fe3+/Fe2+的盐溶液合成出磁性γ -Fe2O3,这主要归功于双面金属包覆的液芯光波导结构。这种结构可以利用自由空间耦合技术把入射光耦合进入导波层的样品池中,并且产生超高阶导模,而且这些导模的模系数m>1 000,所以光能量主要被限制在导波层中[20,21,22,23,24]。这种导波与基底层的反射波叠加后产生驻波,从而形成如图2所示的光陷阱点,每个光陷点的能量足够大以致能把水电离。因此,该反应过程的机理是:
而且,在光陷阱点上材料晶化程度比较好,其他位置晶化不好是含有非结晶形式的Fe O(OH)x,这些非晶化材料是铁氧化物的的非稳定中间体。不同于基于消逝场原理的器件,液芯光波导结构中是由超高阶导模形成的振荡场,利用它特殊的场的分布,可以合成形貌奇特的磁性材料γ -Fe2O3。
4结论
光波系统 第7篇
由于锥形光纤是一种不规则光纤, 目前不规则的光纤光波传输特性的理论研究还不成熟, 本文基于几何光学方法和波动光学方法分析了光波在锥形光纤中的传输特性。
1. 基于几何光学理论分析
当从宏观分析锥形光纤中光波传输特性时, 往往忽略光的波动效应, 以路径叠加的方式分析光传输特性。当光线以全反射的角度进入锥形波导中, 不同的角度入射进入的光线称之为光线的不同模式。由于锥形光纤大小不一, 因此从不同端头入射所得的模式特性各不相同。
(1) 光线从锥形大端进入。
在锥形光纤中, 反射角αn随着传输长度增加而逐渐递减, 相应地, 光线特征角θn随传输长度增加而增大 (见图2) 。
根据光线折射定律可得:
光线从锥形大端进入时, 光线在锥形光纤中的传播模式逐渐由低次模转向高次模。若要光纤能从小端射出, 锥形光纤的模式特征参数U必须达到如下要求:
(2) 光线从锥形小端进入。
与上面相反, 当光线从锥形小端进入时, 光线在锥形光纤中的传播模式逐渐由高次模转向低次模, 转换速率与光锥的锥角成正比。因此可以得出, 在此种模式下, 只要入射光能从小端进入, 便一定能够到达光纤的大端。即:光纤的传输特性由小端决定 (见图3) 。若要光纤能从大端射出, 锥形光纤的模式特征参数U必须达到如下要求:
综上所述, 锥形光纤的传输特种参数都只与锥形光纤的小端直径相关, 也就是说, 光纤是否能在锥形光纤中传输, 主要由光纤的小端决定。
2. 基于波动光学分析
(1) 光波传播方程推导。
根据三维坐标将锥形光纤分为x, y, z三个方向, 如图4所示。
在圆柱坐标系中, 电磁波的电场强度和磁场强度可写成如下3个分矢量之和, 即:
式中, Ez和Hz满足标量波动方程
则沿Z轴方向传播的波的场函数可以表示为:。其中ψ (r, φ, z) 代替Ez和Hz。
在圆柱坐标系中将横向拉普拉斯算符展开, 可得:
方程9可以利用分离变量法求解, 假设方程式的解ψ (r, φ, z) 可以表示为:
将10代入9可得:
欲使本式对任何r和φ都成立, 只有两边都等于同一常数才有可能。故:
所以:
由方程左边可得到:
对于导波:k0n2<β
此时, 纤芯中的光波方程可化为标准的贝塞尔方程, 而包层中的光波方程可化为标准的虚宗量的贝塞尔方程。
在纤芯中:
在包层中:
将R (r) Φ (φ) 代入11, 即可得到纤芯内的场解
包层中的场解可以写成
根据边界条件可得:
可以得到方程如下:
式中m=0, 1, 2, 3, ……。 (22)
锥形光纤工作频率V=kc1r与r有关, r随着传播距离z的变化而变化, 所以同一光线进入锥形光纤中, 不同位置其模式会发生变化。
(2) 基于局部模式理论分析。
在理想条件下, 对于锥形光纤可以理解为单位长度为d (z) , 半径为a (z) 的无限小段光缆叠加, 因此基于局部模式理论分析即是分析某一单位长度下光波的传输理论。上述理想条件的基础是:光波是在绝热的光纤中传播, 且光纤的锥角足够小。
绝热条件是从物理论据一局部锥形光纤长度必须大于基模间耦合长度导出的。定义局部锥形光纤长度为zl顶点角等于局部锥角。z是光纤在锥形光波中传输的长度, a (z) 是长度z处的锥形光纤半径, zb=zb (z) 为2个模式间在锥形光纤z处的耦合长度。锥形光纤中基模和第2高阶局部模之间耦合长度为zb=2π/ (β1-β2) , 其中β1、β2分别为基模和第2高阶局部模各模式传播常数, 当达到zl=zb条件时, 局部锥角可以认为, 实际应用中由于Ω (z) 荠1, 因此可以得到局部锥形光纤长度为zl≈a/Ω。
综上可知, 当考虑使用绝热条件推导无损耗锥形光纤的光波传输理论时, 只有确保锥形光纤的锥角远远小于Ω, 才可使基本局部模式无损耗地在锥形光纤中传输。即只有HE11模式光波才能在锥形光纤可忽略能量损失地进行传播。
3. 结论
本文根据锥形光纤的传输特性, 从几何光学和波动光学两方面对光线的传输特点。几何光学方面, 从2个方向上 (光线由小端向大端传输和从大端向小端传输) 进行分析, 得出光线在锥形光纤中不管从哪段传入, 都与光纤小端的数值孔径相关。波动光学方面, 给出同一光线进入锥形光纤中, 不同位置其模式会发生变化, 并提出当HE11模式光传输时, 锥形光纤的能量损失可以忽略不计。
摘要：随着锥形光纤研究的深入, 其独特的光学特性也引起了人们的重视。文章从几何光学和波动光学两个方面, 详细推导并阐述了光线在锥形波导中的传输特点。最终从数学角度得出锥形光纤中光线的传输模式仅仅与半径小的端面的数值孔径相关。
关键词：锥形光纤,光纤通信,传输模式,波动方程
参考文献
[1]薛春荣, 候海虹.锥形光纤的结构和特性[J].激光与红外, 2007 (9) :882-884.
[2]朱永涛, 张书云, 孔德超, 等.多模锥形光纤耦合与出光特性研究[J].激光与红外, 2008 (1) :275-278.
[3]孙爱娟, 田维坚, 屈有山, 等.锥形光纤中光波传输特性的蒙特卡罗模拟[J].光子学报, 2006 (4) :552-554.
[4]赵楚军, 范镇元, 周萍, 等.锥形光纤的功率分布特性[J].中国激光, 2008 (3) :422-425.
【光波系统】相关文章：
密集光波复用测量研究论文04-16
光波信息载体的光纤通信论文04-13
光波分复用技术的光纤通信论文04-10
公路系统巡查系统08-23
信息发布系统系统08-07
系统管理系统论文05-17
酒店管理系统系统07-17
纪检监察系统系统07-18
系统科学与系统思维11-08
系统管理系统论文提纲09-25