光波系统（通用7篇）
光波系统 篇1
1 概述
光通信技术有很悠久的历史;我国三千多年前的西周就有利用烽火台传递信息的历史,这就是最早最原始的光通信方式。后来发展到信号灯,光电话,一直到现代的光纤通信技术。可见光通信技术是光通信技术的一个很重要的分支,近年来发展比较迅速,它的一个很大的优势是利用现有已经铺设好的设备(例如无处不在的LED灯)进行通信,最终实现只要能看得见的地方就能通信和接入网络。在Li Fi研究领域,目前比较突出的是爱丁堡大学的哈斯及其团队,利用激光Li Fi,可以使传输速度突破100Gb/s。
随着计时技术的发展,人们对计时精度的要求越来越高,特别是一些对时间精度有要求的场合。目前一般的计时终端(如手表、手机等)都会采用石英晶体振荡器作为计时基准,一般的石英晶体振荡器在常温下的精度在几十到几百PPM的范围;即使在生产中进行校正,最终的产品的走时误差大多会在±15~±30秒每月,如果考虑到温度漂移和老化等因数的影响,误差会变得很大,导致不可忽略。因此,对计时终端进行时间的校正,变得是极其必要的事情。
利用可见光通信技术对计时终端设备进行校时,优势在于:
(1)充分利用了现成的设备,只需要在设备上安装软件,不增加额外的硬件;
(2)光传感器价格比较便宜,信号处理比较简单,不会使计时终端的成本增加太多。
(3)校时迅速,准确度高。
2 光波校时系统的设计
2.1 系统结构设计
光波校时系统由两部分组成,一部分是时间传输设备,另一部分是时间接收终端;如图1所示。
时间传输设备是利用现成的电脑、手机或平板电脑等设备,通过控制显示屏的闪烁来进行时间信号的传输;只需要在设备上安装相应的软件即可。时间接收终端包括光敏传感器、光信号处理及显示部分。校时的过程为:时间传输设备通过网络或者GPS获取标准时间,然后把时间进行编码,再通过屏幕把编码好的时间数据发送出去;时间接收终端通过光敏传感器感应到光信号的变化,再通过放大电路放大和整形,最终送到CPU的IO口,由CPU根据预算制定好的编码格式进行解码,从而得到准确的时间,再显示出来;从而实现对时间的校正。
2.2 通信编码格式
一帧完整的校时数据由闲置低电平、准备电平、起始位、数据、停止位和秒脉冲同步位组成,如图2所示。
只有当闲置的低电平大于100ms的之后,才触发CPU进入接收状态,当CPU检测到准备电平和起始位时,才开始接收数据。数据包含所需的年月日时分秒等时间数据,为了保证数据接收的准确性,同时加入了校验位,校验采用比较严格的CRC校验来实现。检测到停止位的时候,表明数据已经传输完成,可进行解码,接收到秒脉冲同步位的同时更新时间,从而保证校时的精确度。
3 光波校时系统的实现
3.1 时间传输设备的软件
打开软件后,通过网络或者GPS获取标准的时间信号,然后显示出来。当点击“校时”按钮后,对获取到的标准时间进行编码,然后通过控制屏幕的闪烁来把经过编码的时间发送出去。电脑端和手机端软件如图3所示。
3.2 时间接收终端
时间接收终端(如手表)的硬件包括光敏传感器、放大及整形电路、CPU、石英晶振、按键及时间显示部分,硬件框图和成品如图4所示。终端的成品在时间显示LCD中开了一个圆的窗口,用于放置光敏传感器,接收时间发送设备发送过来的校时信号。
4 总结
无线通信方式有很多种,可见光通信是历史悠久且还在不断发展的技术。在人们对时间精度要求越来越高的今天,利用可见光无线通信技术(Li Fi)来实现对时间进行校正,从而保证时间接收终端的时间准确性。利用Li Fi做成的光波校时系统,形式简单可靠,可扩展到其他对时间精度有要求的设备,具有广泛的应用前景。
摘要：在人们对时间精度要求越来越高和可见光无线通信(Li Fi)技术的应用越来越广泛的社会背景下,本文设计和实现的光波校时系统,利用Li Fi技术来传输时间信号,从而对终端的时间进行校正。本文给出了实现的系统框图、软件界面、实物图片等,并对具体的编码格式进行了描述;可很好地扩展到其他设备上。
关键词：LiFi,光波,校时
参考文献
[1]王久鹏.一种基于GPS的校时系统[J].现代电子技术,2008(13):175-178.
平面光波导器件的发展 篇2
集成光学领域研究有关光波沿介质平面薄膜或介质条状薄膜传播并受其制约的各种物理现象[1], 这些介质薄膜和介质条状薄膜就是所说的平板介质光波导和条形介质光波导。这两种光波导都可以传播光频波段的电磁能, 并且可能实现单片集成光路。这种光路一旦实现, 将制成光网络中的微型光学对应的器件, 即各种光无源及有源器件, 这些器件有非常宽的带宽, 并且几乎不受自然界和人工低频电磁场的干扰。
在1968年Shubert首次提出了集成光学信息处理[2]这个词。从这以后, 人们开始对薄膜技术进行大量的研究。由于1960年世界上第一台相干振荡光源红宝石激光器的诞生, 使人们成功地将激光器发出的光束耦合到了薄膜波导中去[3], 为了使激光器的特性变得更好, 以及制作出能更好的与激光器耦合的光器件, 人们对光学薄膜作了大量的研究。例如, 基于Kressel[4]等人的研究, 制成了能在室温下工作的AlxGa1-xAs异质结激光器。Blum[5]等人完成了由气相外延技术制成的非常薄的Ga1-xInxAs异质结激光器。
所有的这些努力都只有一个目的, 就是实现真正意义上的光通信。自从1970年华裔科学家高混博士提出了损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔实验室制出了可在室温下连续工作的半导体激光器后, 人们就看到了光通信的发展前景是美好的, 到目前为止, 低损耗, 可以实现各种用途的光纤制备技术已经非常成熟, 而且世界上许多国家都已经将光纤用于了通信的主干网, 并声称不久的将来会用光缆代替铜缆而实现全光网络[6]。但是只是实现全光纤传输并不意味着就是光通信, 毕竟还要有与之对应的各种光有源和无源器件, 这些器件的性能直接影响着光信号的特征。
光波导作为各种光电器件的基础结构, 对器件的性能要求起着至关重要的作用。例如, 对于光纤通信的光源, 需要的是阐值低、单模特性好的半导体激光器[7], 在这些要求下, 就要利用在横向和侧向都有限制作用的双异质结条形波导半导体激光器, 利用异质结所产生的势垒作用, 将电流和载流子牢牢地限制在波导有源层中, 并获得很好的激光输出特性。再如, 半导体激光器所发出的光波虽然在物理特征上是很好的, 但是要想利用光波传播各种信息, 就需要对其进行各种调制, 于是就要用各种光波导调制器, 其中有比较著名的马赫-泽德MZ (Mach-Zehnder) 电光波导调制器, 为了使通过两臂的光波能够很好地进行耦合, 就要研究耦合器两臂的波导耦合特性。得到所需的功率分配比。
可见, 为了制成高效可靠的各种波导器件, 就需要发展以导波光学为理论基础的光纤技术、平板型光波导技术, 条状型光波导技术, 使半导体薄膜激光器、光波导调制器和多路光电开关等各种光电器件投入工业生产当中, 并能进行很好的集成。
2 平面光波导技术及器件发展动态
2.1 产品开发情况
光波导是集成光学重要的基础性部件, 它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中, 长距离无辐射地传输。平面波导型光器件, 又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导, 有的还要在一定的位置上沉积电极, 然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合, 是多类光器件的研究热点。目前, 光通信应用最多的平面光波导器件主要包括有:各类光耦合器 (Coupler、Splitter) 、平面波导阵列光栅 (AWG) 、interleaver、大端口数矩阵光开关 (Switch) 、阵列型可变光衰减器 (VOA) 、可调谐光滤波器 (OTF) 、EDWA及可调谐增益均衡器等。
(1) 光耦合器
硅基SiO2光波导技术制作的1×N分支光功率分配器 (Splitter) 是平面波导结构的一种基本应用, 它具有传统光纤耦合器所无法相比的小尺寸与高集成度, 而且带宽、通道均匀性好。日本NHK推出的1×N (N=4, 8, 16, 32) 系列波导耦合器 (如图1-2所示) 具有均匀性好 (￡2.2dB, N=32) , PDL指标低 (￡0.3dB, N=32×16) 的特点, 分别可用于1260-1360和1480-1580波段。而N×N (N=4、8、16) 星型耦合器的耦合比可实现20%到80%的定制。
法国光子集成公司Teem在2003初推出的基于平面波导技术的N×N系列8× (1×2) , 16× (1×2) , 4× (1×8) , 8× (1×4) , 2× (1×16) 等分路器阵列, 尺寸只有70×13×5.6mm, 是FBT同类产品尺寸的1/10, 具有非常小的插损和回损指标, 并已经通过Telcordia GR-1209和GR-1221测试。
(2) 平面波导阵列光栅 (AWG)
阵列波导光栅是基于干涉原理形成的波分复用器件, 其基本结构由3部分组成:输入/输出光波导阵列、自由传播区平板波导和弯曲波导阵列。弯曲波导之间有固定光程差, 使得不同波长的光信号在输出自由传播区干涉, 并从不同输出波导口输出。目前平面波导型WDM器件有各种实现方案, 其中比较典型的称为龙骨型的平面波导AWG器件最为普遍, 如图3所示。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产, 但带内频响尚不够平坦。
AWG是第一个将平面波导技术应用于商品化的元件。其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层, 再利用微影制程 (Photolithography) 及反应式离子蚀刻法 (RIE) 定义出阵列波导及分光元件等, 然后在最上层覆以保护层即可完成。AWG的制作材料除SiO2/Si外, InGaAsP/InP和Polymer/Si也常被采用。InGaAsP/InP系的AWG被看好的原因在于它尺寸小并能与InP基有源与无源光子器件及InP基微电子回路集成在同一基片上。
首先提出AWG概念的荷兰人在两年前制作出了有别于龙骨型的AWG结构。
图4为荷兰微系统技术公司 (mikro systemtechnik) 在TiO2/Al2O3平面波导上采用“自聚焦传输光栅 (self-focussing Transmission Grating) ”制作的垂直锥形波导AWG, 由于TiO2和Al2O3有较高的折射率差, 其通道间隔可以做得很窄 (典型值为0.3nm) 。
AWG光波导的通道数由最初的16通道已发展到400个通道, 最高记录为NTT利用两种类型的AWG的串联连接法 (宽分波带宽的前级+窄通道间隔的后级) 首次实现了1000个通道。目前商用流行的仍以40通道为主流。
(3) 大端口数矩阵光开关 (Switch)
平面波导型开关主要包含热光开关、电光开关和全内反射型开关。
热光开关是利用硅波导的热感应折射率变化制作的, 其M-Z腔由二个3dB耦合器和二个波导臂组成的, 其中一臂上加有热光相移薄膜加热器。通过受热和非受热实现开关功能。
电光开关与热光开关的波导结构相似, 但采用电折变效应来实现对波导臂的光程差调制。由于Si材料为中心反演对称结构, 泡克尔效应极弱, 电光系数很小, 因此难以利用场致折变效应, 只能利用Si材料中的等离子色散效应, 于是Si波导层中需要制备p-n结, 以实现高浓度载流子的注入。InGaAsP/InP材料有较强的泡克尔效应和较大的电光系数而成为该类开关的研究热点。
全内反射型开关又叫气泡开关, 利用了热毛细现象。是在波导的交叉点上垂直形成窄矩形槽, 槽内封入少量折射率匹配油, 薄膜金属加热器淀积在槽的端上, 通过加热使槽内的油产生气泡以改变波导交叉点的折射率来实现开关功能。
日本NTT已制作了16×16的热光开关和32×32的全内反射型开关, 消光比可达50dB以上。
(4) 阵列型可变光衰减器 (VOA)
首先聚合物光元件产品通过严格的Telcordia标准的Gemfire公司推出的基于热光聚合物波导的VOA系列产品中有8端口和16端口两种, 且8端口VOA具有关断功能, 两者均尺寸小, 功耗低。今年初, Gemfire在完成了对Avanex位于苏格兰Livingston的平面硅波导线路业务部门的收购后, 最近又传出完成了对拥有有源平面硅处理工艺-雪崩二极管技术的NovaCrystals公司的收购。这将使Gemfire成为全面掌握平面波导技术的领先者。
(5) 可调谐光滤波器 (OTF)
该类器件大多利用铌酸锂良好的电光特性, 在单片平面波导结构上实现可调谐滤波功能。上世纪末, 美国物理研究所在氟化聚合物平面波导上掩模形成布拉格光栅, 成功地实现了在1.55μm波段11nm的可调谐滤波, 串音-20dB, 插损3.2dB。
(6) EDWA
EDWA一般由内嵌制作在Er3+:Yb3+共掺杂玻璃基片上的光波导组成。光波导结构能够将泵浦光能量约束在截面积非常小、长度较长的区域内, 只需使用数厘米长高浓度的掺铒增益介质, 就可以得到常规掺铒光纤几十倍的单位长度光增益。法国Teem光子公司于1998年末首先发布采用非刻蚀或沉积的离子交换法, 在玻璃薄片而不是在硅片上制作波导, 具有非常低的偏振和损耗特性。随后, 美国Northstar光子公司及JDSU也采用了此技术。丹麦NKT集成公司推出的C带 (1528-1562nm) 20dB高增益EDWA, 采用了980nm/100mW泵源, 可单片集成多个放大器。随后, Teem光子公司和NKT集成公司同时发布采用PECVD制造技术, 基于multi-source agreement (MSA) 发展的4端口全集成EDWA, 每端口可达10dBm的输出。美国Inplane光子公司也推出类似产品。此外NKT公司还可提供4及8端口可以分别控制的EDWA, 且采用的是非致冷的980nm泵源, 其可靠性测试通过了Telcordia GR-1312标准。
(7) 可调谐增益均衡器
IBM苏黎士实验室在SiON波导上制作非对称马-择腔, 采用加热一个波导臂的方法可动态控制EDFA光放大器的增益, 如图6所示。采用7个这样的结构级联, 可实现增益平坦度小于0.5dB。
2.2 主要供应商及市场情况
目前平面波导类光器件的主要供应商包括:美国Inplane、NeoPhotonics、Waveguide、Avanex、Molecular Nanovation、Gemfire、Opticwave、Lightconnect 、Lightech、Cypress、Bell Labs、Lightwave Microsystems、JDSU、WaveSplitter;英国Bookham、BNR Europe、Terahertz ;法国 Teem、LET;丹麦NKT Integration;日本SENKO (扇港) 、NTT、欧姆龙、Central Glass及加拿大北电网络、MetroPhotonics等。
据市场调研公司ElectroniCast (美) 在2008年末的一项市场分析报告称, 2010年前, 平面波导光器件的增长率将会达到两位数, 而到2012年前, 将持续30多个百分点之高的增长率。2001年市场总额为1.73亿美元, 到2011年, 该市场总额将会超过42亿美元。此外, CIR (美) 及RHK (美) 的市场调研暴告均对平面波导光器件的市场前景充满信心。
3 光波导材料发展方向预测
随着固态器件朝着小尺度、低维方向发展, 器件将成为一种纳米量子结构。由于纳米量子结构中的受限电子、光子呈现出许多与它们在三维大结构中十分不同的、物理内涵十分丰富的新量子现象和效应, 它一直在源源不断地被人们用来研制具有新功能和新原理的电子、光电子器件, 不断地从最基础的层面上为开拓电子、光电子、光子信息技术的潜力提供了新机遇。目前, 纳米量子结构中波函数工程的提出将使人们能够从量子态波函数出发来设计新一代量子器件, 开辟了量子相干的电子、光电子学新领域, 标志着信息电子、光电子技术进入了“全量子化”的新阶段, 这将对一个国家信息科学技术在新世纪的发展起巨大推动作用。
同时当光纤通讯朝向客户端发展时, 低价、能大量生产、体积小及多信道数的光通讯组件或系统将是必然的发展趋势。因此, 可以预见纳米级光波导器件将成为未来光波导器件发展的一个方向。为提高光波导元件的集成度, 现在已有不少的研究机构在进行三维光波导器件的研制, 其目的是进一步增加光波导的通道数目。因此, 三维光波导器件也将成为未来光波导器件的一个发展方向。
摘要：在光电子技术, 计算机技术, 通信技术迅速发展的今天, 光波导材料和器件得到了越来越多的应用和发展。因此, 对于光波导器件现状及发展趋势的叙述, 不但对有志于在此方面研究的人具有一定参考价值, 同时也是面向未来光电子产业发展的必然要求。因为当今大多器件应用平面光波导材料, 所以主要对平面光波导理论进行了讨论。
关键词：非线性光学,平面波导,光波导材料
参考文献
[1]Tamil T.集成光学[M].科学出版社, 1975:1-8.
[2]Shubert R, Harris J H.Optical Surface Waves on thin films and theirapplication to intergrated data processors, Microwave Theory and Tech-niques[J].IEEE Transaction on, 1986, 16 (12) :1048-1054.
[3]Midwinter J.Evanescent field coupling into a thin-film waveguide[J].IEEE Journal of Quantum Electronics, 1970, 6 (10) :583-590.
[4]Kressel H, Nelson H.P/n junctionlasers, Quantum Electronics[J].IEEE, 1969, 5 (6) :324-324.
[5]Blum F A, Lawlev K L, Scott W C, et al.Applied Physics Letters[J].1974 (24) :430.
光波偏振态的静态测量研究 篇3
对于斯托克斯矢量的测量,常用的方法有机械、电光[7]、磁光等调制法和四探测器等振幅分割方法[8],但这些方法或机械旋转导致稳定性不好,或液晶电光调制的时间响应难以满足光波偏振态高速测量的场合,或需要复杂的光机结构、系统调整难度较大。现提出一种铌酸锂晶体串联进行光波偏振态测量方法,充分利用铌酸锂晶体的电光调制响应速度快的特性,实现光波偏振态的高稳定性测量。
1 测量原理
描述光波偏振态的斯托克斯矢量可以由其四个斯托克斯参数来表示[9,10],即S0、S1、S2、S3。现在斯托克斯参数测量是利用铌酸锂晶体对光波进行相位调制,实现两相干光到达探测器上光强的变化,进而利用与相位差对应的四个不同强度值进行斯托克斯参数的求解。测量原理如图1所示。
待测光波通过铌酸锂晶体和偏振片后的输出光强可表示为
式(1)中,Sout和Sin分别代表出射光波与入射待测光波的斯托克斯矢量,可以写成矩阵形式
式中MP和My是4×4阶Mueller矩阵,分别表示偏振片和相位延迟器的Muller矩阵。偏振片和相位延迟器的Muller矩阵分别可以用透射轴方向和快轴方向与x轴方向夹角来表示。为简化计算,通常取偏振片的透射轴方向沿x轴方向,这样它的Mueller矩阵将可以表示为简单的形式。
类似于相位延迟器,铌酸锂晶体的Muller矩阵取决于其快轴方向与参考方向的夹角θ及其相位延迟量δ。
探测器上接收到的光强值实际是出射光波斯托克斯矢量Sout的第一分量,即S0(out),因此只需要计算在式(1)中第一行的值,取θ=30°,则探测器上接收到的光强值与相位差的关系式为
通过求解方程或进行相关矩阵运算,即可得到描述光波偏振态的四个斯托克斯参数,即实现了光波偏振态的测量。
2 实验及数据处理
按照如图1所示的原理实施基于电光调制的光波偏振态测量,搭建实验装置对待测光波的偏振态进行了测量。待测光波为偏振态确定的线偏振光或圆偏振光,然后利用该装置对该偏振光进行测量并利用上面提到的数据处理办法进行斯托克斯参数的反演,将测量结果与传统基于波片旋转的偏振态测量结果进行比对分析,验证了该方案的可行性。
所用到的主要实验器材包括:波长为632.8 nm的He-Ne激光器,1/4波片,偏振片,纵横比为25∶3的铌酸锂晶体(Li Nb O3)及其电压控制电源,光功率计。
通过高精度定位透光轴方向的偏振片以及快慢轴方向确定的1/4波片[11,12,13]组合,就可以产生偏振状态确定的线偏振光或圆偏振光,称为偏振光产生系统,为电光调制测量系统提供待测光波。偏振光产生系统原理如图2所示。
运用极值测量法实验确定铌酸锂晶体的半波电压,实验原理图如图3所示。
最后,分别通过外加电压控制系统设置四个不同的电压值加载于铌酸锂晶体,通过铌酸锂晶体的两束偏振光有四个对应的相位差值分别为和π,因此通过铌酸锂晶体的电光调制特性实现了光强探测器上不同的光强值,分别记录不同电压对应的强度值。
同时,为了验证本方案的可行性,采用了传统的基于波片机械旋转方法对同一偏振态进行测量,并将测量结果与本方案测量结果进行对比分析。
通过计算四个外加电压值对应铌酸锂晶体引起的相位差δ1、δ2、δ3、δ4,并记录光强探测器上对应的光强响应,利用方程(4),即可得到待测光波的四个Stokes参数。分别利用本文方案和基于波片机械旋转方法进行了待测光波偏振态的测量,并将各自的四个Stokes参数进行归一化处理,结果分别如表1和表2所示。
对比上述几种偏振态的四个Stokes参数理论值,可见利用本方案实际测得的光波偏振态的归一化Stokes参数与各偏振态斯托克斯参数理论值有一定偏差,但与基于旋转波片法测得的结果比较接近,每个分量的相对偏差不超过±3%,能够从趋势上说明光波的偏振状态,因此能够说明该方案用于光波偏振态测量的可行性。而各种偏差的存在可能是由于测量过程中提供的待测光波的偏振态并非完全理想,如果要提高测量精度,还需要对偏振态产生系统进行标定以确定其偏振状态。
3 结论
针对光波偏振态测量中存在的机械稳定性不高、难以满足偏振态高速测量的现状,本文提出采用光电响应时间短、机械稳定性好的基于铌酸锂晶体电光调制的光波偏振态测量方案,非常适合于稳定性光纤通信等偏振态变化迅速等领域对光波偏振态的测量。并进行了实验验证,数据处理结果表明了测量方案的可行性。
通过本方案提出的基于铌酸锂晶体的偏振态测量系统对光波进行偏振态的测量,改变铌酸锂晶体外加电压获取不同的光强探测值,通过数据处理计算出表示待测光波偏振态的斯托克斯四个参数,对比分析实验结果及验证方案的可行性。
论光波的多普勒效应和红移 篇4
关键词：时间膨胀效应,多普勒效应,红移,宇宙模型
光的频移在科学研究、工程技术、交通管理、医疗诊断等方面有着非常广泛的应用。本文分析光波的频移普遍公式, 并将红移运用到宇宙模型的研究之中。
首先, 在推导过程中, 有三条原则: (1) 光不同于机械波, 其传播不需要任何媒介; (2) 处理涉及到光速的具体问题时要用相对论理论; (3) 在任何惯性系中, 真空中的光速均为C。
1 光波多普勒效应频移的普遍公式推导
光波的多普勒效应一般可根据光波的位相不变性直接导出。光波的位相不变性相当于闵可夫斯基空间四维矢量 (k, iw/c) 与四维矢量 (r, ict) 的标志与坐标转动无关, 由此可以证明:当光源相对观测者运动时, 观测者所接收到的光波频率v与光源固有频率v0间的关系为
undefined (1)
上式即是光波多普勒效应的数学表达式。其中, v0是光源的固有频率, v是观测者所接收的频率, u是光源相对观测者的运动速度;c是光在自由空间的传播速度。
实事上, 即使不引入光波的位相不变性和闵可夫斯基空间的四维矢量概念, 仅基于相对论的光速不变原理和时间膨胀效应, 即可对式 (1) 表示的光波多普勒效应给予直接证明。证明如下:
设光源S相对观测者O以速度u移动, 光源S所发出光波的固有频率为v0, 观测者O接收到的光波频率为v。假设t时刻光源S在距离观测者O为r1处发出一光信号, 经传播, 在t1时刻被观测者O所接收;t′时刻光源S在距离观测者O为r2处再次发出信号, 经传播, 在t2时刻被观测者O所接收 (见图1) 。按照光速不变原理, 光的传播速度与光源相对观测者的运动无关, 显然, 由上述假设可以得到
undefined (2)
undefined (3)
将式 (3) 与式 (2) 相减得到
undefined (4)
需要明确的是, 这里的t、t′、t1、t2均是观测者O所在的实验室坐标系的时钟所记录的时间。其中, t1、t2是观测者O所在处的一只时钟所记录的时间;t、t′则分别是位于r1、r2处的两只时钟记录的时间。
光源S在位置r1和位置r2连续两次发出光信号的时间间隔是一个周期T, 即T=t′-t (这是分别位于r1、r2处的两只时钟所记录的时间) , 观测者O所接收到的光信号周期为T′, 即T′=t2-t1 (这是位于观测者O处的一只时钟所记录的时间) , 由于T很短, (r2-r1) 为一小量, 由图中可知有如下近似关系
r2-r1=Tucosθ (5)
将式 (5) 代入式 (4) 得到
undefined (6)
根据狭义相对论, 在实验室坐标系的时钟所记录的时间不同于固连在光源坐标系的时钟所记录的固有时间, 将发生所谓“时间膨胀”效应。即位于r2、r1处的两只时钟记录的时间间隔T=t′-t相对于光源发光的同有周期T0而言是发生了“膨胀”的时间, 按照相对论的“时间膨胀”效应, T与T0的关系为
undefined (7)
将式 (7) 代入式 (6) 得到
undefined (8)
由于不同坐标系的观测者所观测光源发出光信号的数目是相同的。因此, 由式 (8) 可得到对应的频率关系为
undefined (9)
式 (9) 正是光波多普勒效应的表达式, 也是红移公式。
2 宇宙的模型
1917年, 爱因斯坦建立了广义相对论, 开创了现代宇宙学的理论研究。爱因斯坦放弃了无限空间的概念, 认为宇宙的体积是有限的, 但是没有边界。对于宇宙而言, 单个恒星作微小的运动, 可以忽略不计, 进而可以把宇宙近似地看成静止不动的。1924年, 弗里德曼在广义相对论的框架下, 从理论上论证了宇宙要么膨胀, 要么收缩, 决不会保持静止状态。这样, 只有判定作为宇宙基本成员的星系究竟是运动的还是静止的, 才能确定宇宙的运动状态。由于星系离我们实在太遥远, 因此, 至少在目前的技术条件下不可能测定星系的自行。1929年, 哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现, 除了与银河系较近的三个星系表现为向银河靠近的蓝移外, 其他所有星系光谱都表现出红移, 而且红移量大致同星系的距离成正比。
根据公式
undefined (10)
光波从离星球为无穷远处发出, 经过星球, 再到达无穷远处, 初、末频率相等, 因此光波经过星球不会产生红移。光波从星系中的恒星发出, 到达地球 (设地球离恒星的距离为无穷远) , 尽管由 (16) 式知, 光谱发生红移, 但是非常小, 很容易被其他因素 (如热运动) 所淹没。例如, 对于太阳, 质量M=1.99×106千克, 半径rA:6.96×105千米, 令rB为无穷大。由 (16) 式得, 太阳的谱线红移
undefined (11)
所有恒星的质量差别不大, 均为太阳质量的0.07至120倍, 因而红移都相当小。星系是由恒星组成的, 故其光谱红移不可能是恒星的引力场产生的, 只能由光波多普勒效应产生。星系中数十亿至数千亿颗恒星的运动是随机分布的, 各种方向都有, 所以纵向速度Vτ有正有负, 光波的谱线有的蓝移, 有的红移, 而且它们势均力敌, 故恒星的纵向运动不能形成星系的光谱红移。这样, 红移应解释为整个星系的纵向多普勒效应。根据 (9) 式, 只有星系离开我们而去, 星系的谱线才能红移。这表明, 所有星系远离我们而去。由于我们在宇宙中并不处于特殊的中心位置, 因而宇宙中所有星系都在彼此远离, 即宇宙处于普遍的膨胀之中。如果星系目前正在彼此远离, 那么它们过去必定靠得更近。继续这一推理就意味着过去必定存在一个有限的时刻, 那一时刻就是宇宙的开端, 也就是通常被称为大爆炸, 由此得到宇宙大爆炸模型。该模型认为:宇宙发端于距今100多亿年前的大爆炸, 随后以指数方式膨胀着, 内部发生真空相变, 产生基本粒子, 形成星系。星系本身内部分裂成千千万万颗恒星。恒星周围的尘粒通过相互吸引碰撞粘合, 最后形成从小行星到大行星的形形色色的天体。
参考文献
[1]王正行.近代物理学[M].北京:北京大学出版社, 1995.
[2]路峻岭, 汪荣宝.多普勒效应公式的简便推导[J].大学物理, 2005, (8) :25-27.
光波系统 篇5
表面等离子体(SPs)是入射光子和金属表面的自由电子相互耦合形成的局域电磁模,在可见光频和红外光频范围内,可以有效突破光的衍射极限并且对光具有出色的控制能力。
SPs在垂直金属表面上形成消逝场,场振幅呈指数衰减,因此其电磁能量被强烈地约束在金属表面附近,具有强大的近场增强效应[1,2]。慢光,指的是群速度小于真空中光速的光信号。慢光的获得要求色散曲线在一定频率范围内斜率为正且足够大,常用的方法有两种:一是通过材料共振改变群速度,另一种是从材料结构入手来实现[3,4,5]。表面等离子体光波导获得慢光正是基于后一种方法,本身不需要特殊的材料,在常温下即可。
本文工作主要分为两部分:第一部分,首先设计基于金属—介质—金属(MIM)结构的表面等离子体光波导,利用时域有限差分法(FDTD)对该光波导的色散特性进行分析,为下一步的研究提供依据;第二部分,应用FDTD对光波导的时域波形进行模拟仿真,为低群速度提供依据。
慢光这一概念,最直接的理解就是光的速度小于真空中的速度。但此处光的速度指的是光脉冲的群速度而不是相速度。获得慢光一般有两种方法:一种是通过材料共振改变群速度,另一种是从材料结构入手来实现。通过表面等离子体获得慢光正是基于后一种方法[3,4,5]。
1 时域有限差分法(FDTD)[5]
1966年,K.S.Yee首次提出一种电磁场数值计算的新方法——时域有限差分(FDTD)方法。对电磁场E、H分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式,利用这种方式将麦克斯韦场。方程组转化为一组差分方程,然后逐步推进求解空间的电磁场。Yee提出的这种抽样方式后来被称为Yee元胞(图1)。FDTD随时间推进可以方便的给出电磁场的时间演化过程并在计算机上显示,是一种有效的求解电磁波方程的方法。
麦克斯韦旋度方程为:
式中,E为电场强度,D为电通量密度,H为磁场强度,B为磁通量密度,J为电流密度,Jm为磁流密度。
在直角坐标系中,式(1)和式(2)可以写成下面的两个式子:
式中,Ex,Ey,Ez和Hx,Hy,Hz 分别为电场和磁场在x,y和z轴上的分量,ε表示介质介电系数,μ表示磁导系数,σ表示电导率,σm表示导磁率。
在FDTD离散中电场和磁场各节点的空间排布如图1所示。每个磁场分量由四个电场分量环绕,同样,每个电场分量由四个磁场分量环绕。电场和磁场在时间顺序上交替抽样,抽样时间间隔彼此相差半个时间步,麦克斯韦旋度方程离散以后构成显示差分方程,从而可以在时间上迭代求解,而不需要进行矩阵求逆运算。表面等离子体是TM模式,Ex=Ey=Ez=0,将上式改写成差分方程的形式,FDTD公式为式(5):
其中上式系数CP(m)和CQ(m)分别为:
这里给出Hx分量的展开形式,其余两个分量的展开式类似。其中Δt表示时间步长,Δx、Δy、Δz表示在x、y、z轴上的空间步长。
由于计算机容量的限制,FDTD的计算只能在有限区域内进行。为了能模拟开域电磁过程,在计算区域的截断边界必须给出吸收边界条件。吸收边界,即波传到边界处被吸收而不产生反射。吸收边界从开始简单的插值边界,到后来广泛采用的Mur吸收边界,以至近几年发展的完全匹配层(PML)吸收边界,其效果越来越好。在本文中,采用完全匹配层吸收边界。该方法于1994年由Berenger首次提出,通过在FDTD区域截断边界出设置一种特殊介质层,该层介质的波阻抗与相邻介质波阻抗完全匹配,因而入射波将无反射的穿过分界而进入PML层。PML层为有耗介质,对入射波具有很好的吸收效果。
2 MIM光波导结构模型和计算方法
本文所采用的基于金属—介质—金属(MIM)结构的表面等离子体结构及坐标示意图如图2所示。在该结构中,第一层和第三层采用金属银(Ag)作为材料,中间一层采用介电系数为13的电介质材料。厚度为0.5μm,光波导外充满空气,光源放置在光波导最左端位置。该光波导放置在YZ平面上,垂直于X轴。用Drude模型[7]对金属银进行描述,Drude模型的表达式如下:
其中,ωp为等离子体共振频率,1/τ为弛豫时间,ω为频率。
本文采用FDTD方法对光波导进行相关特性分析,利用有限差分技术,把麦克斯韦方程组转换为稀疏矩阵本征方程,再利用完全匹配层(PML)[5]吸收边界条件就可以解决光波导的色散、模式问题。激发表面等离子TM模式使用的是高斯调制光源。计算中,将光波导划分为800×1000个网格,网格长度为0.025μm,其中30层是用来截断网格的异性各向完全匹配层的,迭代步长为9000次。
3 仿真结果及分析验证
通过理论分析及计算,得到表面等离子体光波导色散关系(图3)。群速度的表达式为:
Vg=dω/dκ (9)
在色散曲线中,椭圆处的曲线极为平坦,由群速度表达式可知,在频率为6.63×1014Hz(6630THz)附近,该光波导可以支持慢光模式(光的群速度可以接近于零)。此处,随着波矢数的增加,色散曲线从负斜率变为正斜率,在频率为6600THz～6900THz的范围内,一个频率点对应两个波矢,这说明该光波导支持两个导模传输,其中一个导模支持正群速度,另一个导模支持负群速度。
为了演示所设计光波导的慢光现象,沿传输方向,在表面等离子体光波导介质层中心距光源0.05μm,0.08μm和0.12μm处设置观察点1、观察点2和观察点3,得到对应的时域波形,如图4所示。由图可知:当工作频率为6626THz和6635THz时,光在等离子体波导内传播时,衰减较小,传输的距离较长,且波形畸变很小,可以保持脉冲信号的完整性;当工作频率为6900THz时,光传输过程中衰减幅度大,不可以长距离传输,且信号波形发生了严重畸变,传输过程中无法保持脉冲信号的完整性。这和计算结果非常吻合。实验结果表明:该光波导在一定的频率范围内可以支持较低群速度的同时还具有较低的群速度色散,可以实现以慢光形式传输较为完整的脉冲信号。
4 结束语
表面等离子体是获得慢光的途径之一,也是最近的研究热点。本文设计了基于MIM结构的表面等离子体光波导,并利用时域有限差分法(FDTD)对其进行计算仿真,获得色散曲线。通过对结果的分析,可知该光波导在一定的频率范围内支持慢光模式的同时还可以拥有较低的群速度色散。
参考文献
[1]Williamlb,Alaind,Thomaswe.Surface plasmon sub-wavelength optics[J].Nature,2003(6950):824-830.
[2]王庆艳,王佳,张书练.基于金属表面等离子激元控制光束的新进展[J].光学技术,2009,35(3):163-174.
[3]吕雅利.神奇的慢光[J].光通信技术,2009(9):39-42.
[4]赵勇,赵华玮,张馨元,等.慢光产生的新机理及应用[J].光学精密工程,2009,2(17):237-245.
[5]葛德彪.电磁波时域有限差分方法[M].西安电子科技大学出版社,2010.
[6]Haulv,Harrise,Dutronz.Light speed reduction to 17metres per sec-ond in an ultra-cold atomic gas[J].Nature,1999(397):594-598.
光波系统 篇6
随着光通信技术的进一步发展,薄膜微细图案化得到光波导结构已成为一个重要的研究方向。掺有TiO2的SiO2复合薄膜光波导具有结构简单、易实现与Si集成、传输损耗低、性能稳定、折射率可调节等优点,在集成光学和微电子学等领域得到了广泛的应用[1,2,3,4,5]。目前,通过微细图案化SiO2-TiO2杂化薄膜得到光波导结构的方法主要有:激光直写方法[6,7,8],直接纳米压印法[9,10,11,12],感光溶胶-凝胶法[13,14,15,16]。采用激光直写方法不需要使用光掩模板,可以直接快速生成图案。但是激光直写生成图案的方式需要借助光纤激光器,并且需要数控工作台辅助和在超净室中完成,成本较高,不利于普通实验室开展研究。直接纳米压印法通过具有微图案的模具来进行图案转移,方便简单,成本较低,但纳米压印法需要长时间加热使薄膜固化,而且需要一定的压力固定住模具和薄膜,使其紧密接触,因此加热温度过高、过长或施加的压力过大都会导致得到的薄膜微图案失真;感光溶胶-凝胶法只需要借助具有微图案结构的掩模,该掩模可以使紫外光选择性透过,利用曝光区和非曝光区在有机溶剂中溶解度的差异,即可将掩模上的图案转移到薄膜上,因而简单易行。
本文采用感光溶胶-凝胶法,利用紫外光敏SiO2-TiO2杂化薄膜将掩模版上的微图案转移到薄膜上,避免了传统感光溶胶-凝胶法需要光刻胶和自组装单层膜(SAMs)的辅助,从而使整个薄膜图案制备的过程更为简单易行。
1 实验方法
1.1 SiO2-TiO2系感光薄膜的制备
实验分别以-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(-methacryloxypropyl trimethoxy silane,MAPTMS)和钛酸丁酯(Tetra-n-butyl Titanate,TBT),甲基丙烯酸甲酯(Methyl methacrylate,MAA)为原料,HCl为催化剂,蒸馏水为溶剂。用溶胶-凝胶法制备得到SiO2-TiO2杂化溶液。各组分的摩尔比为n(MAPTMS):n(TBT):n(MAA):n(HCl):n(H2O)=100:5:15:100:100。经磁力搅拌24 h后,再加入光引发剂IRGACURE 819(phenyl bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide),质量百分含量为3%,遮光磁力搅拌24h,陈化12 h,得到的溶胶备用。分别以单晶硅片和石英玻璃片为基底,采用旋转涂膜法制备薄膜。石英基片上的薄膜主要用于紫外-可见光谱分析,硅片上的薄膜主要用于红外光谱分析和微细图案的制备。
1.2 薄膜微细图案制备
薄膜微细图案的制备过程如图1所示,首先采用旋转涂膜法在单晶硅片上旋转涂膜,旋转涂膜的速率为1200 r/min,时间为20 s,成膜后的样品在恒温箱中80℃下预烘干5 min,以固化薄膜并防止紫外曝光时粘版,用中心波长为365 nm的紫外光源对样品进行曝光,曝光后的样品在有机溶剂(异丙醇与乙醇的体积比为1:1)中淋洗,未被紫外光照射到的区域完全溶解,紫光照射过的薄膜保留完整,从而得到薄膜微细图案,最后在恒温箱中80℃下坚膜24 h。
1.3 性能测试
采用KW-4AC紫外曝光机(上海凯美特功能陶瓷技术有限公司),中心波长为365 nm对样品进行紫外曝光,采用Nicolet 380型Fourier变换红外(FTIR)光谱仪(测试范围为400～4 000 cm-1,扫描36次,分辨力为4 cm-1)来测试杂化材料中各化学基团的振动光谱并讨论其结构特点。采用Unico 2802H型紫外-分光-近红(UV-Vis-NIR)分光光度计(测试范围为190 nm～1 100 nm)测试石英基片上薄膜的光吸收透过率,采用SPA4000型棱镜耦合仪测试薄膜的折射率和厚度,采用Hitachi Su-70热场发射扫描电子显微镜(SEM)和高倍光学显微镜观察制备得到的薄膜微细图案。
2 结果与讨论
利用加入光引发剂IRGACURE 819后SiO2-TiO2薄膜的感光特性,按照图1所示方法制备得到薄膜微图案。
首先于单晶硅基片上旋转涂膜SiO2-TiO2杂化薄膜,80℃下预烘干5 min,利用棱镜耦合仪测得薄膜的厚度为14.93μm,折射率为1.488 5。然后在室温下,将掩模版置于样品上直接接触曝光,曝光时间分别为10 min,15 min,20 min,25 min。再在有机溶剂(异丙醇与乙醇的体积比为1:1)中淋洗约20 s,未被紫外光照射到的地方被完全溶洗掉,被紫外光照射到的薄膜得以保留,从而在硅基片上得到复制有掩模版图案的微细图案。最后再进一步80℃下坚固薄膜24 h。
2.1 紫外曝光时间对紫外可见光谱的影响
图2(a)为SiO2-TiO2杂化薄膜以及掺杂光引发剂IRGACURE 819后和分别在紫外光照射10 min、15 min、25 min后杂化薄膜的透射光谱。图2(b)为分别在紫外光照射10 min、15 min、25 min后杂化薄膜的吸收光谱。由薄膜的透射光谱可知,各类薄膜在可见光和近红外区域范围的透光率均在90%左右,具有很高的透光性。掺杂光引发剂IRGACURE 819后薄膜的透光率略有下降,随着紫外光照时间的延长,薄膜的透光率进一步降低。由附图薄膜的吸收光谱可知,掺杂光引发剂IRGACURE 189后的薄膜紫外光照射后在370 nm附近出现了吸收峰,这是光引发剂IRGACURE 189的吸收峰[14],并且随着紫外光照时间的增加,吸收强度出现略微的提高。这是因为紫外光能量能够激发光引发剂跃迁到激发态,进而发生光化学和光物理过程,产生可引发聚合的活性碎片,如自由基、阳离子等,从而引发预聚物发生聚合、交联接枝反应,使薄膜致密,一定程度上导致薄膜光透过性的降低。
2.2 紫外曝光时间对红外光谱的影响
图3为掺杂光引发剂IRGACURE 819后杂化薄膜在不同紫外光辐照时间下的FT-IR图谱。由图谱信息可以看出,940cm-1处为Si-OH的吸收峰[2],随着紫外光照时间的增加,峰值逐渐减弱,而1130 cm-1处代表Si-O-Si吸收峰的峰值略有提高,同时970 cm-1处表示Si-O-Ti吸收峰的峰值也相应提高,表明紫外光照通过促使化学键之间发生缩聚反应,从而促进Si-O网络的进一步形成。1 640 cm-1处来自甲基丙烯酸的C=C键逐渐消失,1 720 cm-1处C=O键在紫外光辐照下的强度也略有减弱[16],表明紫外光还能促使C=C,C=O双键断裂成单键。1 200 cm-1处为引发剂IRGACURE 819引入的P=O吸收峰。
2.3 前烘温度对薄膜微图案的影响
制备好的有机-无机杂化薄膜,为了不使薄膜在紫外光固化时粘版,需要对薄膜进行前烘处理。温度过高会导致薄膜的过于干燥而产生裂痕;而温度过低,虽然对薄膜的质量没什么影响,但是干燥的时间会大大加长,影响实验的进度,而且会过于粘稠与基片粘在一起,影响薄膜微细图案的质量。因此本实验选取前烘时间为5 min,分别对薄膜进行30℃、50℃、80℃、110℃处理。图4为对薄膜分别进行30℃、50℃、80℃、110℃下5 min前烘处理后得到的光学显微镜微图案照片。由实验结果可知,掺杂IRGACURE 819光引发剂后SiO2-TiO2杂化薄膜的最适合的前烘温度为80℃左右。而当温度大于110C时,薄膜就会开裂。在小于70C时薄膜会过于粘稠而与模具粘在一起,影响微图案的形成。
2.4 紫外曝光时间对薄膜微图案的影响
紫外曝光时间的长短对形成的微图案有一定的影响,紫外曝光时间太长,会使未曝光的地方用有机溶剂难以清洗,只能洗去表面的一层,从而使得到的微图案不明显。照射时间过短则会使薄膜上紫外光照射到的地方未完全固化,在用有机溶剂淋洗过程中会将薄膜图案也一并洗掉,从而得不到薄膜图案。图5为分别在紫外曝光5 min、10 min、15 min、20 min、30 min后得到的薄膜微图案的扫描电镜图片。可以知道,10～15 min时间是最佳的曝光时间。
3 结论
利用溶胶-凝胶法制备了有机-无机杂化光敏性SiO2-TiO2材料,在单晶硅基片上旋转涂膜,经前烘、紫外光固化、淋洗、后烘等步骤,在硅片上得到复制有掩模微图案的薄膜。光引发剂和紫外光照都能影响薄膜在紫外可见光区域的光透过率,紫外光照能促使不同的官能团间发生缩聚反应,80℃前烘温度处理5 min以及15 min左右的紫外光辐照能够得到清晰、精确的薄膜微图案。该方法制备薄膜微细图案成本低,简单易行,为后续复杂的光波导图案的制备提供了良好的基础。
摘要：利用溶胶-凝胶法制备了有机-无机杂化光敏性SiO2-TiO2材料,在单晶硅基片上旋转涂膜,经前烘、紫外光固化、淋洗、后烘等步骤,在硅片上得到复制有掩模微图案的薄膜。用紫外-可见光-近红外分光光度计测试了薄膜的光透过吸收性质,用Fourier红外光谱仪测试了不同紫外光辐照时间下薄膜的红外振动吸收光谱,用高倍光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察制备得到的薄膜微图案。结果表明:薄膜在紫外可见光区域的光透过率约为90%,紫外光照能促使不同的官能团间发生缩聚反应,80℃前烘温度处理以及15min左右的紫外光辐照能够得到清晰、精确的薄膜微图案。
光波系统 篇7
我国是产枣大国,红枣种植产业发展较快,年产量不断增加。但是,红枣一般在寒冷的冬天进行采摘加工,此时环境温度在0 ~ 12℃ 左右,在新疆等地甚至会低至0℃ 以下,此时红枣若不及时烘干,会导致大量的冻坏、腐烂、降质,使农户遭受一定的经济损失。红枣果肉含有大量糖分,大部分的多糖没有甜味,需要酶催化成单糖才会变甜。在一定温度范围内升高温度可以提高酶的活性,使红枣的口感更佳,因此红枣的烘干过程显得尤为重要。烘干是为了脱去红枣果肉内多余水分,避免红枣在运输过程中腐烂变质,延长其保质期,当前我国红枣主要采用晾干、晒干和烘烤等方法。本文设计了一套基于MSP430的红枣光波烘干机,采用光波加热法,通过MCU智能控制红枣烘干过程中的温湿度及烘干箱的循环速度,快速地将红枣含水率控制在最佳值,让红枣内部水分往外缓慢渗透、蒸发,使其色泽鲜红、味道甘美清香。以MSP430F G439单片机为控制核心的红枣光波烘干机如图1所示。
1结构及烘干工艺流程
光波烘干机利用光波管将电能转化为热能,通过空气辐射给红枣加热烘干。文中设计的MSP430的红枣光波烘干机采用光波加热的方式烘干红枣,红枣表皮和内部果肉快速升温,使其所含水分迅速蒸发,达到烘干红枣的效果。光波烘干机包括烘干仓、产品层、光波管、光波反射板、循环管、排湿扇和提升机等部分,如图2所示。
1.烘干仓2.产品层3.光波管4.光波射5.循环管6.排湿扇7.提升机
MSP430的红枣光波烘干机的工作原理: 在烘干过程中,红枣通过传输带送进烘干仓顶部,位于烘干仓中心处的光波管和光波反射板双重高效加热,向烘干仓内辐射热量,大量热量集中在烘干仓,使鲜枣迅速脱水; 红枣在烘干仓内做自由落体运动,加热一段时间后落入循环管,进入提升梯后随即再次进入烘干仓; 如此反复循环,直到红枣含水率达到所需标准,此过程实现了热量的重复利用,达到了节能的效果。为使光波管热量辐射均衡及热量传播更均匀,在此机器中配备了鼓吹机与烘干仓相连,在仓内产生一定的气流,使用热量更容易辐射到仓壁边的红枣,做到烘干仓内无死角。在整个烘干过程中,排湿风扇一直工作,快速有效地排出仓内水蒸汽,降低环境湿度,检测结果更加精确。烘干机完全由电能提供能源,比传统的加热方式更加节能、环保、安全、可靠。
MSP430红枣光波烘干机工艺流程如图3所示。
工艺流程: 含水率高的鲜枣在进料斗预热,然后进入烘干仓进行加热,红枣通过循环管并进行含水率检测。如果含水率检测没有达到所需值,则通过提升机再次进入烘干仓开始烘干流程; 若红枣含水率达到要求,则通过出口管排出,结束当前批次的烘干流程,进行打包入库,开始下一轮的烘干工作。
2智控系统硬件设计
2. 1智控系统整体方案
基于功耗、处理能力、功能实现及经济情况的考虑,控制系统选用16位的MSP430FG439单片机为控制核心,主要包括温度传感器、湿度传感器、按键、LCD显示、步进电机和光波管功率等部分。整体方案框图如图4所示。
图4中,系统通过数据采集模块,完成对温度、湿度数据实时跟踪采集,数据实时显示在终端的LCD上,系统可以自动监测烘干仓内的温度去控制光波管功率,并通过按键面板调整仓内温度的范围值。若单片机采集到的温度值不在设置范围内,MCU会通过控制光波管的发热功率,调整烘干仓内的温度。MCU还可以通过控制提升机的步进电机转速,调整高水分红枣在烘干仓内停留的时间。
2. 2智控系统硬件部分的设计
系统控制核心器件MSP430FG439根据检测到的温度和湿度值控制烘干仓温度和加热流程。智控系统的硬件电路主要由光波管加热、温度检测及湿度检测等构成,如图5所示。
光波管加热实际上是采用卤素灯发热,再利用光波反射板集中热量,就像凸透镜一样将热能集中在烘干仓内; 然后,烘干仓内的高温就可以加热高水分的红枣,使其果肉内水分快速蒸发,实现鲜枣的烘干。 这种加热的热效率高达90% ~ 95% ,节约能源; 光波管发热不涉及到电磁场,不会带来电磁辐射,整个加热过程比较安全又环保。系统采用两根2k W的卤素灯管对烘干仓加热,如图5所示。MSP430的I /O口连接HEAT,通过I /O口输出控制信号,控制双向可控硅BAT16的导通相位角,从而实现对光波管加热功率的控制。
湿度传感器通过器件内物质从空气中吸收水分后引起的一系列性质变化,测量周围环境湿度。 HS1101是电容器件,其电容值随着所测空气湿度的增加而增大,通过电容的变化值可测量空气湿度,进而确定红枣在加热蒸发出来的水分浓度,检测烘干仓内的环境湿度,以便确定红枣的含水率。湿度检测电路原理如图6所示。
将湿度传感器与振荡电路结合起来,湿度传感器的电容值转化为反比的电压频率信号,被MCU的A / D口采集,处理后得到烘干仓湿度值。 NE555接HS1101和R5,R8电阻形成一个充电回路,电路不断自激往复振荡形成所需的电压方波信号Fout。
温度传感器DS1820是数字传感器,接口电路简单,可以直接指示所测物体的温度。数据采集经由单线接口从其送出,因此MSP430到温度传感器DS1820只需要一个A /D口,节省MSP430接口,不需要外部元器件,干扰因素较小。温度检测电路如图7所示。
图7中: 1脚GND接地,2脚DO接MSP430接口, 3脚VCC接5V。DS1820采用单线协议,只需要1根线与MSP430进行信息传输,系统中MSP430的数据接口RT与DS1820芯片实现数据传输。
3智控系统软件设计
软件设计是整个系统正常运行的核心,数据采集是整个智能控制系统的前提。红枣光波烘干机智控系统软件流程如图8所示。
系统上电,主程序开始初始化,并设置一系列参数; 然后,主程序开始进行循环检测,根据流程调用各个子程序。系统主程序会分别调用温度值采集、湿度值采集、PID计算和LCD显示来完成各个阶段所需要完成的功能。
4 PID控制应用
红枣光波烘干机的烘干过程是一个比较复杂的物理变化过程,温度是烘干过程中的重要参数之一, 且温度检测具有延时和非线性等特点。本设计采用模糊PID控制算法,运用模糊理论进行一系列列的比例( P) 、积分( I) 、微分( D) 控制算法,并采用MSP430处理器完成计算控制。模糊PID控制的公式为
其中,△P为PID算法结果的输出值; KP为比例系数; e为偏差; Ti为积分常数; Td为微分常数。
对于式( 1) 中闭环的模糊PID控制,MSP430采用的是离散计算方法。T、Ti、Td、K及每个时刻的偏差值e确定后,可以求出每个时间段n的运算值,处理器计算得出运算值,以实现模糊PID控制。智能控制过程结构图如图9所示。
MSP430处理器处理时采用的是离散式的处理方法,采样周期采用的是偏差方式,则
其中,e*( t) 为信号采样器的输入信号,当t = 0时,采样器闭合 τ 秒,e*( t) 为e( t) 。由于e( t) 的数值只有在瞬间时才有意义,那么采样周期T选得越小, 即采样角频率 ωs选得越高,采样周期越短,得到的数据越多,控制效果也会越好。
在计算过程中,通过智控系统不断地检测环境的变量值,即时获取偏差变化率,然后模糊化准确地控制烘干仓温度,实现对控制器参数值的控制,从而将红枣有效烘干。
5测试结果与分析
本设计为测试红枣光波烘干机的实际烘干效果, 用1 000kg含水率在50% ~ 60% 的鲜枣进行烘干实验。红枣初始温度在15℃ 上下,为保障红枣品质,烘干仓环境温度设定在50 ~ 65℃ 之间。打开烘干机电源,投入鲜枣,在烘干机预热后系统逐步走向稳定, LCD显示屏上显示烘干仓内温度和湿度变化值。当环境湿度高于设定值时,光波管发热功率变大,环境温度升高; 当环境湿度低于设定值时,光波管发热功率变小,环境温度降低。本实验分10组进行,红枣烘干后,分别测量每一批次的含水率。10组数据如表1所示。
由表1可知: 烘干实验很成功,各批次鲜枣脱水后,含水率都达到了标准。烘干后的红枣含水率如图10所示。
由图10可以看出: 10个批次的干枣含水率在20% ~ 23% 之间; 干枣的含水率波动性较小,干枣果皮色泽鲜艳,果肉为黄白色,色香味俱全,极品率达到79% ,符合所需的优质干枣标准。
6结论
基于MSP430红枣光波烘干机,以MSP430 FG439为智能控制核心,利用模糊PID自动控制算法,精确、 高效地采集烘干仓环境温度和湿度; 运用光波加热技术,实现烘干过程中温度的自动控制,满足实际要求。 与传统的烘干设备比较,其具有稳定、准确、节能、效率高、污染小及品质优等优越性,应用前景广阔,经过改造可以适用于各种作物烘干,具有研究推广价值。
摘要：优良的烘干技术可以保证红枣质量,提升红枣口感。传统晾干技术中红枣浆烂率较高,浪费较大,满足不了农户对红枣干燥的要求。光波设备在食品烘干领域的应用已十分广泛,其以环保、节能、高效和杀菌等显著优势实现了食品烘干的新型工业化生产,将其应用于红枣烘干已成为一大趋势。为此,基于MSP430控制设计了红枣光波烘干机,运用模糊PID自动控制算法,准确控制红枣表皮烘干温度,将红枣有效烘干,并使红枣含水率控制在口感最佳的21%~23%,方便商户更好地储存。光波烘干技术可以明显提高红枣口感与质量,且具有时间短、速度快、能耗低的优点。
【光波系统】推荐阅读：
光波导放大器论文05-19
直流系统管理信息系统08-28
医院信息系统灾备系统07-21
强行卸载文件系统Windows系统06-04
生态系统系统的稳定性08-31
播控系统中存储子系统07-14
JQ正本-系统简介《居民健康档案系统》05-21
论ERP系统对会计信息系统的影响05-21