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基于自由曲面的辐射定标光源设计
田杰文, 叶新, 方伟
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0021
摘要(0) HTML全文(0) PDF 6259KB(0)
摘要:
目的: 为了减小对卫星上的空间使用,针对定标特点,本文提出了一种用于积分球光源准直照明的自由曲面反射镜的设计方法。采用该方法,能够以小口径的积分球实现大面积的方形的均匀辐照度分布。 方法: 首先,通过点光源模型建立自由曲面离轴反射照明数学模型,然后通过切比雪夫点离散自由曲面,并求解出满足点光源照明的自由曲面模型,最后分析积分球的光源特性,通过逐步优化到自由曲面能量分布的方法完成点光源照明模型到积分球照明模型的转变。 结果: 通过分析可知,设定照明面积140 mm*140 mm时,目标面的辐照度非均匀性的不均匀度小于0.02。 结论: 满足星载定标轻量化,短光路,结构简单的需求。
多波长拉曼激光对CCD损伤实验研究
刘金生, 刘金波, 李晓文
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0228
摘要(0) HTML全文(0) PDF 4217KB(0)
摘要:
开展了多波长纳秒脉冲拉曼激光对行间转移CCD相机的损伤实验研究。分别研究了496 nm、574 nm、630 nm单波长拉曼激光与混合输出的多波长拉曼激光对CCD的点损伤、线损伤和面损伤情况,测量了不同波长拉曼激光的损伤阈值区间,并根据损伤情况统计拟合,获得了不同波长拉曼激光能量与损伤概率的关系曲线。实验结果表明:混合波长拉曼激光对CCD的损伤阈值低于单波长拉曼激光损伤阈值,不同波长拉曼激光对于CCD的损伤阈值也存在区别,其中630 nm拉曼激光的损伤阈值低于496 nm激光,574 nm激光的损伤阈值介于496 nm和630 nm拉曼激光之间。通过分析CCD不同损伤情况的显微图像,以及受损伤CCD的电子学特性,对拉曼激光损伤CCD的机理进行了探讨。
基于扫描反射镜结构的多路光开关
肖泽华, 李明宇, 苏国帅, 何泽南
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0020
摘要(0) HTML全文(0) PDF 2019KB(0)
摘要:
本文设计了一种基于扫描反射镜的光开关,使用嵌入式Linux可编程控制。在触摸显示器的UI界面上进行光纤阵列通道间的具体切换操作。此外,可以预先设定光开关的切换顺序、停留时间。光开关光路可自动对光校准来保证每个通道的输出功率最大。本文分析了此种光开关的设计原理,通过实验测试了光开关的性能。实验结果表明当使用单模光纤阵列时,平均插入损耗小于17 dB,相邻通道间的平均串扰低于30 dB,相邻通道间切换时间小于1.3 mS。对于多模光线阵列平均插入损耗小于2.4 dB。它具有低损耗、低延时、高精度、稳定性好、重复性高、通道间串扰小、人机交互良好等优点,可应用于波分复用器件,多路光波导传感器等光学器件的测试。
单片集成式主振荡功率放大器研究进展
谭满清, 游道明, 郭文涛, 刘维华
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0022
摘要(0) HTML全文(0) PDF 6490KB(0)
摘要:
单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量和功率方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望单片集成式MOPA的发展趋势。
基于机器学习的过焦扫描显微测量方法研究
李冠楠, 石俊凯, 陈晓梅, 高超, 姜行健, 崔成君, 朱强, 霍树春, 周维虎
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0009
摘要(0) HTML全文(0) PDF 5046KB(0)
摘要:
微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)具有小型化、高集成度的特点,随着MEMS结构的深宽比不断增大,使得对 MEMS结构尺寸的测量提出更高的要求。过焦扫描光学显微技术(Through-focus Scanning Optical Microscopy,TSOM)是一种高精度无损的光学测量方法,通过采集一组离焦图并沿扫描方向截取TSOM图像,利用库匹配的方法从中提取待测结构的尺寸信息。该方法对于纳米级结构测量有着极高的灵敏度,然而对于微米级特征尺寸存在建库困难且易受环境干扰的问题。本文针对微米级MEMS沟槽结构,在传统的光学显微镜基础上进行改造,建立了TSOM光学系统采集离焦图像,利用图像特征提取方法生成TSOM特征向量集,结合机器学习的方法建立不同槽宽尺寸的回归预测模型,对微米级MEMS槽宽尺寸实现纳米级测量精度,单点重复性测量2 μm槽宽的相对标准差(Relative Standard Deviation,RSD)在1%左右,10 μm和30 μm槽宽RSD分别低于0.2%和0.35%,结果表明该方法对于微米级MEMS沟槽测量具有极高的应用前景。
海底主动光学探测影像亮度校正与色彩恢复
刘镕滔, 柳稼航
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0211
摘要(0) HTML全文(0) PDF 7039KB(0)
摘要:
主动光学成像探测是海底形貌与环境探测的重要方式,广泛应用于大洋勘探、海底探测等领域。然而海水的衰减作用造成光学影像照度不均、颜色失真、对比度低等质量退化问题。本文依据水下主动光学成像探测的特点,提出了一种基于相对辐射校正原理的水下图像增强方法。该方法将增强过程分为亮度补偿和色彩恢复两个阶段。在亮度校正阶段,依据水下点光源成像特点和辐射衰减机制,采用相对辐射校正原理对水下图像分通道进行补偿,消除因光源不均、光程不同等因素造成的亮度畸变。在色彩恢复阶段,首先对红通道图像进行自适应补偿和色彩粗平衡,在此基础上进一步利用Retinex模型对图像进行色彩恢复。利用实际的海底勘探图像进行实验验证,结果表明本文方法的增强结果亮度均匀、色彩自然,有效提升了图像的质量。相较现有方法,本文方法的结果无论主观感受还是客观评价整体更优。同时,由于本文方法不需要光源、相机等特性参数,仅利用实际观测图像本身进行校正,因而具有更好的适应性。
基于自抗扰算法的光电跟踪伺服控制方法研究
李禹希, 张刘, 陈思桐, 孙丽涵, 赵寰宇, 张柯
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0090
摘要(44) HTML全文(23) PDF 6419KB(0)
摘要:
为提高光电跟踪控制系统的跟踪速度和稳态精度,本文对光电跟踪伺服系统的控制方法进行了研究。首先,为了满足系统功能和性能指标要求,对伺服转台进行了结构设计。然后,设计自抗扰控制算法,得到了跟踪微分器、线性扩张状态观测器及状态误差反馈控制律。接着,在Matlab/Simulink中建立了基于自抗扰算法的跟踪伺服系统模型,位置环和速度环采取了二阶自抗扰控制策略,电流环采取了PI控制策略。仿真分析结果表明,定位跟踪时可实现无超调,并具有最快的响应速度,突加扰动时,动态降落最大值为3%,正弦跟踪误差小于0.02°。仿真结果验证了基于自抗扰控制算法的光电跟踪控制系统,在快速响应、稳态精度和抗扰性能等方面均具有较好的控制效果。
基于天基定量实测数据的月球长波红外辐射特性研究
马岩, 张帅, 刘元, 马驰
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0202
摘要(47) HTML全文(25) PDF 4397KB(20)
摘要:
月球是理想的在轨辐射定标源,为提高卫星等在轨航空器的长波红外辐射测量精度,本文开展了月球长波红外辐射特性研究。通过分析月球辐射来源类型、辐射探测机理和建立辐射探测模型,探寻点目标/圆盘目标模式下月球的长波红外辐射规律,并依据天基实测数据计算其定标应用精度。首先,从月球自身辐射和反射太阳辐射两方面研究月球辐射,精确拟合月表温度,建立月球红外辐射模型,仿真两部分天基卫星辐射探测结果与月相角的数学关系;其次,对卫星红外载荷进行地面辐射定标,获得图像灰度-辐照度之间转换的关键参数,进而建立了月球长波红外辐射探测模型;最后,通过“吉林一号”对月拍摄实测数据,反演计算了探测模型中月表的反射率和发射率。实验结果表明:本文所得的月表长波红外辐射特性结果准确、鲁棒性高,与Apollo 12070实验室测量结果、Diviner实测数据拟合结果相比,月球发射率和反射率的误差分别约为7.18%和5.71%。
微细正交切削过程原位观测中位移补偿方法
张向辉, 于化东, 许金凯, 于占江, 李一全, 于浩洋
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0032
摘要(62) HTML全文(19) PDF 8587KB(18)
摘要:
原位观测和数字图像相关(DIC)分析法逐步在金属切削加工过程的塑性变形分析中得到广泛应用,其测量分析过程直观准确,已经成为一种主要的材料变形分析手段。为了在金属微细正交切削原位显微成像分析时,既能获得大观测视野又能使位移场分析结果清晰直观,本文提出改进型图像尺寸压缩匹配搜索算法对图像序列间的位移偏差进行检测补偿,将切削工况由工件做进给运动转化为刀具做进给运动。与归一化积相关匹配搜索算法进行对比验证,结果显示,所提出算法在大幅度提高执行效率的同时还具有很高的搜索精度。最后,在图像序列间选取两张图像进行位移偏差补偿以及变形区位移场DIC分析,结果显示本文补偿方法可以对工件进给运动和外界环境中振动引起的位移偏差进行有效补偿,使得变形区位移场分析结果中工件材料间的相对运动趋势更为直观。
一种基于定标的非均匀性校正改进算法
王成龙, 王春阳, 谷健, 赵新宇
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0231
摘要(43) HTML全文(13) PDF 8611KB(19)
摘要:
红外辐射测量系统的成像性能以及测量精度受到焦平面阵列非均匀性的严重影响,原始红外图像的非均匀性需通过后期图像处理算法进行校正。为进一步提高制冷型红外探测器的非均匀性校正(NUC)效果,本文提出了一种基于定标的非均匀性改进算法。该算法以单点定标和两点定标非均匀性校正方法为基础,既保留两点定标非均匀性校正方法增益校正系数的一致性优势,又结合了单点定标偏置校正系数的稳定性,使得改进算法具有更好的校正效果。为了验证该改进算法的校正效果,本文以640 pixel×512 pixel大小的制冷型中波红外探测器为研究对象,采用入瞳直径为25 mm的红外成像系统对提出的算法进行实验验证。实验结果表明:在1 ms积分时间下,单点定标方法、两点定标方法及改进算法校正后的图像非均匀性分别为1.7833%、0.2190%和0.1481%;2 ms积分时间下的非均匀性分别为1.8257%、2.2474%和1.6546%。改进算法整体上进一步降低了图像的非均匀性,校正效果更好、精度更高。
变截面压弯椭球柱面反射镜优化设计
李桐, 王楠, 祝万钱, 任祖洋, 金利民, 薛松
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0179
摘要(132) HTML全文(68) PDF 3138KB(27)
摘要:
根据同步辐射光束在建线站项目需要,提出变截面压弯椭球柱面反射镜方案。该方案基于变宽度压弯椭圆柱面聚焦镜设计理论,推导出变截面(带弧矢聚焦)反射镜镜面斜率误差的计算公式,并进行优化设计。本研究基于聚焦镜光学参数(物距\begin{document}$p$\end{document}、像距\begin{document}$q$\end{document}和掠入射角\begin{document}$\theta $\end{document})进行设计,最终借助有限元分析软件计算反射镜的设计误差。结果表明,在此需求下,反射镜两端最优宽度分别为49.5 mm和90.5 mm,对反射镜两端压弯弯矩进行计算、仿真、优化后,其斜率误差均方根值由~5.1368 μrad降低至~0.0636 μrad(取1 m长),接近系统误差(~0.0407 μrad) ,满足设计要求(<0.1 μrad)。
碲化铋倏逝场锁模器件的超快光纤激光器
张世达, 耿乙迦
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0216
摘要(14) HTML全文(7) PDF 4673KB(23)
摘要:
为使光纤激光器在被动谐波锁模状态下实现锁模脉冲高重复频率输出,本文通过激光沉积法制备了一种基于非线性拓扑绝缘体材料碲化铋与侧面抛磨光纤相结合的可饱和吸收体锁模器件,该器件调制深度、非饱和损耗、饱和强度分别为23.96%、37.77%、31.5 MW/cm2。将其应用在掺铒光纤激光器中,通过对整个腔内色散参数的调整,以及利用材料自身良好的非线性可饱和吸收能力,成功实现了锁模自启动,其中心波长为1555.67 nm,脉冲宽度为487 fs,重复频率为47.87 MHz,信噪比为58 dB。当泵浦功率超过150 mW时出现锁模脉冲的谐波分裂,持续对泵浦功率进行微调,增加直至最高功率250 mW时,出现了11阶谐波锁模脉冲,重复频率最高达到528 MHz,此时的信噪比为41.5 dB。本文结果证明利用侧面抛磨光纤结构的倏逝场,能够辅助材料提升一定的激光抗损伤能力,便于其在基本锁模状态下进一步实现被动谐波锁模,满足锁模脉冲高重频的产生及探究,对材料在高重频超快光纤激光器中的应用具有重要意义。
基于摄影测量的定日镜面形误差检测方法研究
魏秀东, 张凡, 许英朝
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0210
摘要(1) HTML全文(0) PDF 4247KB(4)
摘要:
在塔式太阳能热发电中,定日镜面形误差对镜场光学效率具有重要影响,因此需要对定日镜面形误差进行检测。定日镜一般由多个子镜拼接而成,子镜的倾斜角度误差是定日镜面形误差的重要组成部分。本文提出一种基于摄影测量的定日镜子镜倾斜角度误差的检测方法,即在已知定日镜子镜外形尺寸的条件下,利用摄影成像原理计算出定日镜子镜4个角点的空间位置坐标,进而求出子镜的法线方向,再利用所求得的法线计算出子镜的倾斜角度,最终实现对定日镜子镜倾斜角度误差的检测。详细阐述了该方法的测量原理,推导了计算公式,并利用平面镜与相机进行了相关验证实验。通过在不同距离下对不同倾斜角度的平面镜进行测量实验,得出测得的镜面倾斜角度与实际倾斜角度的偏差约为0.1°~0.3°,实验结果表明该方法能够较准确的检测定日镜子镜的倾斜角度误差,从而验证了该方法的正确性和可行性。
手机嵌入式快照成像光谱仪的研制
田久谊
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0209
摘要(1) HTML全文(0) PDF 3860KB(4)
摘要:
目前手机摄像头已经具备在空间(x-y方向)和深度(Z方向)维度上获取成像信息的能力,而在光谱维度信息获取上一直停留在RGB三色上,受困于手机平台的尺寸,传统的成像光谱仪很难嵌入手机平台。本文基于多通道阵列滤光片、微透镜阵列成像和一体化的集成制造技术,完成了系统整体设计、关键部件设计制造、整体装配,实验验证了光谱成像。系统整体物理尺寸小于ϕ6×6 mm,光谱分辨率8 nm,光谱范围0.53~0.68 μm。实验研究表明,对不同颜色的实物成像,可以获得物体任意部位的光谱曲线,验证了快照式光谱仪的设计指标。具备了嵌入手机的基本条件,有望推动成像光谱仪在手机上集成应用。
斜照明式彩色共聚焦测量系统设计及其实验研究
张雅丽, 余卿, 尚文键, 王翀, 刘婷, 王寅, 程方
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0181
摘要(98) HTML全文(49) PDF 4315KB(38)
摘要:
彩色共聚焦测量技术因无需轴向扫描,测量精度和测量效率高等优点,被广泛应用于工业领域,如高度测量和透明材料厚度检测等。然而,常见的彩色共聚焦系统多为同轴照明结构,即照明光轴和成像光轴都垂直于被测试样,系统的信噪比和光能利用率大大降低。现有的斜照明系统成像面光点漂移量较大,测量精度和应用范围受限。为此,本文提出一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量方法,将现有斜照明系统的“V字形”结构调整为“三轴结构”,通过增加调节支路限制光点的漂移;同时,利用面阵彩色相机作为光电接收器件,结合颜色转换算法通过光点颜色得到所需高度值。本文先进行标定实验确定本装置的测量范围及精度;再依次以自制台阶和透明材料作为测量对象,得到相应的被测值。同时,为了验证改进后的系统性能,在相同条件下利用“V字型”系统进行对比实验。实验结果表明,该系统的轴向测量范围为350 μm,重复性优于1.69,轴向测量精度可达到微米级,且该系统具有良好的透明材料厚度测量能力。通过对比试验可以验证,系统对于光点漂移具有良好的抑制效果,且抑制后系统的测量准确度有明显提升。
基于焦面复制方法的自适应光学系统静态像差校正技术
张天宇, 王钢, 张熙, 窦江培
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0182
摘要(140) HTML全文(48) PDF 4968KB(50)
摘要:
限制自适应光学(Adaptive Optics, AO)系统表现的一个关键因素是由波前传感器所在路径和科学成像路径之间差异引起的非共光路像差(Non-Common Path Aberration,NCPA),同时AO系统共光路部分也会不可避免地引入静态像差。为此,本文提出了一种基于焦面点扩散函数(Point Spread Function,PSF)复制的技术,用于校正AO系统中的静态像差。此技术利用点光源产生的PSF图像作为参考图像,通过迭代优化算法控制可变形镜改变其面型,将参考PSF图像复制到AO系统科学成像路径。实验结果表明,校正后的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)从初始的0.312提高到0.995。此技术可以稳定、快速地获得全局校正结果,特别是在系统具有较大的初始静态像差时。
航空遥感器平面反射镜系统装调方法
张健, 王健飞, 方新, 宋来运, 刘少明, 王雪
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0187
摘要(153) HTML全文(68) PDF 3699KB(29)
摘要:
利用平面反射镜进行光路折转以减小航空遥感器体积及质量是一种常用设计手段,而平面反射镜的引入对航空遥感器的装调工作提出了更高的要求。为此本文提出了一种用于航空遥感器平面反射镜系统的装调方法。利用坐标变换法建立经纬仪测量数学模型,推导出单个平面反射镜组件及平面反射镜系统角度偏差(俯仰偏差及方位偏差)与经纬仪测量值之间的对应关系。提出了利用经纬仪完成平面反射镜系统角度偏差测量及装调的方法。最终使镜头光轴与焦平面安装面法线的俯仰偏差和方位偏差均满足不大于2′的指标要求。应用该方法已完成10余套航空遥感器反射镜系统的装调,方法方便高效。同时,该方法可为各种光学仪器中平面反射镜角度标定及装调提供解决思路。
Investigation on stimulated Brillouin scattering in As2S3 photonic crystal fibers at Mid-infrared waveband
SUN Hui-jie, HOU Shang-lin, LEI Jing-li
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2022-0003
摘要(18) HTML全文(8) PDF 6203KB(6)
摘要:
The stimulated Brillouin scattering in As2S3 photonic crystal fibers were investigated at wavelength of 2 μm to 6 μm by the finite element method. The numerical results indicate that the proposed photonic crystal fiber can maintain single-mode operation when the air filling factor is less than 0.6. The Brillouin frequency shift is mainly influenced by the pump wavelength and fiber structure. The Brillouin frequency shift decreases by 4.16 GHz when the pump wavelength is increased from 2 μm to 6 μm, while the Brillouin frequency shift changes by megahertz order when the air filling rate increases from 0.5 to 0.6. The FWHM of the Brillouin gain spectrum depends on the phonon lifetime, and the FWHM of the Brillouin gain spectrum is nine times wider at a pump wavelength of 2 μm than at a pump wavelength of 6 μm. The maximum Brillouin gain of the proposed fibers with air filling fractions of 0.5 and 0.6 are 2.413×10−10 m/W and 2.429×10−10 m/W, respectively. The Brillouin threshold is positively correlated with the pump wavelength for the same effective fiber length, and is 27.8% and 19.6% larger at a pump wavelength of 6 μm than that at 2 μm with air fill factors of 0.5 and 0.6, respectively. The numerical results are of great significance for the design and fabrication of optical devices or optical sensors based on the proposed fibers in the mid-infrared band.
A study on the epitaxial structure and characteristics of high-efficiency blue silicon photodetectors
CHEN Wei-shuai, WANG Hao-bing, TAO Jin, Gao Dan, LV Jin-guang, QIN Yu-xin, GUO Guang-tong, LI Xiang-lan, WANG Qiang, ZHANG Jun, LIANG Jing-qiu, WANG Wei-biao
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0188
摘要(94) HTML全文(31) PDF 6862KB(52)
摘要:
In order to achieve high spectral responsivity of the silicon avalanche photodiode in blue band (400−500 nm), Separated Absorption Control Mul-tiplication (SACM) basic device structure was designed. Based on multiple physical models, the effect of the thickness on the avalanche breakdown voltage and the photocurrent gain of the device and the effect of the doping concentration of the multiplication layer on the optical responsivity were investigated. Comprehensively considering the factors of light responsivity and breakdown voltage, the results show that the device has a low breakdown voltage Vbr-apd=34.2 V when the doping concentration of the surface non-depleted layer is 1.0×1018 cm−3, and the thickness is 0.03 μm; the doping concentration of absorption layer is 1.0×1015 cm−3, the thickness is 1.3 μm, the doping concentration of field control layer is 8.0×1016 cm−3, the thickness is 0.2 μm and the doping concentration of double layer is 1.8×1016 cm−3 and the thickness is 0.5 μm. When Vapd=0.95Vbr-apd, it has higher optical responsivity in blue band, i.e. SR=3.72~6.08 A·W−1. The above research results provide certain theoretical reference for the preparation of practical Si-APD devices with high blue light detection responsivity.
利用低信噪比小样本太赫兹光谱实现心肌淀粉样变检测
郑江鹏, 余平, 赵萌, 石凡, 孙续国, 陈胜勇
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0223
摘要(31) HTML全文(13) PDF 9275KB(14)
摘要:
由于低信噪比的小样本太赫兹光谱的可区分性特征提取困难和样本量过少带来的深度学习模型自身的过拟合问题,将太赫兹光谱与深度学习相结合应用于心肌淀粉样变检测仍面临挑战。本文提出了一种基于多模块顺序级联的分类模型,用于心肌淀粉样变在算法层面的实时检测。首先,采集了少量的低信噪比太赫兹光谱并对其进行预处理。其次,构建了一个基于卷积降噪自编码器、多尺度特征提取模块、密集连接模块的深度学习模型。最后,通过五折交叉验证策略进行病变预测,以获得稳定、可靠的结果。 10次独立重复实验和对比实验结果表明,该方法能对含噪光谱进行准确、稳定的分类,且其综合指标更优。不同样本量下的实验表明,本方法对样本量变化具有适应性:数据量为100时可达到95%的准确率;数据量仅为20时,该模型仍能取得70%的准确率。该项工作对心肌淀粉样变的实时、高效、安全诊断具有重要意义。
逐像素调制的高反光表面三维测量方法
冯维, 徐仕楠, 王恒辉, 熊芝, 王选择, 翟中生
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0220
摘要(58) HTML全文(16) PDF 5421KB(35)
摘要:
高反光表面的三维面形测量是光学三维测量领域的难题之一,本文提出一种基于逐像素调控的高反光表面三维测量方法,可解决光学三维测量中因过度曝光而导致的相位信息无法获取的问题。首先,通过投影最大灰度值的灰度图识别饱和像素点的位置;然后,依据投影低灰度下横纵条纹图进行过饱和区域坐标匹配,并结合一种新的相机-投影仪强度映射关系,逐像素求解过饱和像素点的最佳投影灰度值;最后,投影重新生成自适应条纹投影序列,并结合多频外差相移法用于相位恢复和三维重建。实验结果表明:所提方法的间距平均误差和标准偏差均小于文中其他方法所得的测量值,相对于传统方法,该方法的平均误差减少了61.9%,标准偏差减少了67.7%。本文所提方法的调制度高,速度快,能保证很高的测量精度。
Structural optimization and performance testing of gold microarray electrode fabricated by DMD lithography and electrodeposition
YANG Dong-fang, LU Zi-feng, LIU Hua, SHAN Gui-ye
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0109
摘要(117) HTML全文(93) PDF 8588KB(53)
摘要:
In order to improve the detection efficiency of Micro Array Electrodes (MAE) and reduce the production cost, a technology combining Digital Micromirror Device (DMD) maskless projection lithography with electrochemical deposition was proposed. Firstly, a user-defined micro array was fabricated by using the advantages of lithography system such as high-resolution PZS motion and imaging flexibility of DMD. And a uniform Au microarray electrode (Au/MAE) was fabricated after obtaining an Au conducting layer by electrodeposition. Then, the electrochemical properties of Au/MAE with different structures were compared by cyclic voltammetry, and the optimized structural parameters were obtained. Finally, the current response of optimized Au/MAE to the glucose with different concentrations and pH values was studied, and the anti-interference of Au/MAE in glucose detection was tested by chronoamperometry. The electrochemical analysis shows that the simple Au/MAE has a significant amperometric response, a strong anti-interference ability and a sensitivity of 101 μA·cm−2·mM−1 in the electrochemical detection of glucose. This method has the advantages of high resolution, high consistency, simple process and low cost, which provides a feasible operation scheme for the fabrication of biosensor array.
太赫兹超分辨率成像研究进展
曹丙花, 张宇盟, 范孟豹, 孙凤山, 刘林
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0198
摘要(272) HTML全文(125) PDF 5253KB(50)
摘要:
目前太赫兹(Terahertz, THz)成像技术在许多领域被视为最前沿技术之一,经过20年的发展,取得了巨大进步。随着科研、医疗、军事以及工业应用需求的增长,高分辨率THz图像变得不可或缺。超分辨率成像是目前THz技术的研究热点。本文首先回顾了THz系统的成像方法,包括连续波成像与脉冲波成像两种方式;在此基础上,详细介绍了THz超分辨率成像系统与THz信号处理技术,其中超分辨率成像系统包括近场成像、超透镜以及太喷射装置等,THz信号处理技术包括超分辨率重建与卷积计算等;最后,通过分析目前超分辨率成像存在的不足,比如系统的制造工艺要求高、采集速度慢以及重建图像使用的学习样本分辨率较低等,从而进一步对超分辨率成像研究方向进行展望。
石墨烯缺陷对光子晶体光吸收特性的调制
赵宏斌, 苏安, 尹向宝, 蒙成举, 江思婷, 高英俊
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0203
摘要(120) HTML全文(70) PDF 4318KB(49)
摘要:
通过构造含石墨烯缺陷光子晶体结构模型(\begin{document}$ {\rm{ACG}}^{K_1}$\end{document}CB)NCGKC(\begin{document}${\rm{BCG}}^{K_2} $\end{document}CA)M,利用传输矩阵法理论和计算机模拟仿真的方式,研究了石墨烯缺陷对光子晶体光吸收特性的调制作用。当光子晶体中引入石墨烯缺陷后,光子晶体的光吸收率增强,并出现明显的窄带吸收峰。随着周期数MK2增大,光子晶体的光吸收率增强,当M=6时吸收率达到96.55%,当K2=4时吸收率达到43.30%,而且吸收峰随M增大向短波方向移动,但随K2增大向长波方向移动。随着周期数K增大,光子晶体的光吸收率先增大到极大值后再减弱,且吸收峰向短波方向移动。随着A介质层(硅单质)厚度dA的增大,光子晶体的光吸收率增强,当dA=178.25 nm时吸收率达到48.54%,且吸收峰向长波方向移动;随着B、C介质层(分别为四氯化碳和砷化镓)厚度dBdC增大,光子晶体的光吸收率减弱,当dB=178.25 nm时吸收率为33.12%,当dC=155.25 nm时吸收率为25.89%,且吸收峰向长波方向移动。随着光入射角θ增大,光子晶体的光吸收率先增大到极大值后再减弱,且吸收峰向短波方向移动。研究结果表明石墨烯缺陷对光子晶体光吸收特性具有很好的调制作用,为新型光学吸收器、滤波器和全反射器等材料研究和选择提供理论参考。
空间目标自适应光学图像椭圆部件检测
寇鹏, 智帅峰, 程耘, 刘永祥
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0208
摘要(118) HTML全文(46) PDF 6903KB(46)
摘要:
为了识别空间目标的椭圆部件,提出了一种基于自适应光学图像的椭圆检测方法。首先,利用RL(Richardson-Lucy)方法对自适应光学图像进行复原,在此基础上,采用弧支撑线段(Arc-Support Line Segments, ASLS)方法对复原图像进行椭圆检测。针对ASLS算法使用的Canny边缘提取算法带来的“弧段过分割”和“语义信息差”等问题,提出了基于多尺度组合分组(Multiscale Combinatorial Grouping, MCG)边缘提取的解决方法。最后,针对ASLS算法使用优度指标等验证方法存在部分虚假椭圆的情况,综合利用多种几何指标进行约束,有效地消除了虚假椭圆。实验结果表明:椭圆中心点检测误差优于3 pixels,半长轴误差优于4 pixels,方向角误差优于3°。在重叠面积门限为0.65时,本文算法的准确率为85.7%、召回率为93.3%,F值指标为0.893,优于传统椭圆检测算法。
面结构光在机检测的叶片反光抑制技术
李茂月, 刘泽隆, 赵伟翔, 肖桂风
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0194
摘要(123) HTML全文(62) PDF 4332KB(38)
摘要:
薄壁叶片在结构光检测过程中,由于其表面粗糙度较小,易产生强烈的反光现象,影响求解条纹相位主值,进而无法准确重构出三维点云。本文以加工过程中的叶片作为研究对象,提出一种对在机检测过程中的条纹图像进行图像增强处理的Retinex算法,恢复条纹在高反光位置的信息。首先,对薄壁叶片的反光特性进行分析,通过实验标定出最优曝光的灰度区间和理想灰度值,建立了光圈转动角度与图像平均灰度的相机响应曲线模型,调节光圈和曝光时间至最优曝光的灰度区间并以此作为检测条件。其次,基于Retinex算法处理条纹图像,通过改进的双边滤波代替常用的高斯滤波,在去除光照的同时有效保留了条纹的边缘信息。最后,对薄壁叶片进行单目结构光检测。实验结果表明,经本文算法处理后的条纹图像,通过Canny算子检测出的条纹数量最多,图像信息熵平均增长率达18.21%,解算的相位主值误差最小,利用手持式激光扫描仪检测的标准点云进行偏差分析,点云的正、负偏差分别降至0.0589 mm和−0.0590 mm,与原点云的偏差值相比分别减少了44.6%和44.1%,表面质量得到明显改善。本文提出的图像增强算法有效抑制了面结构光检测过程中的金属表面反光。
Si杂质扩散诱导InGaAs/GaAs(P)量子阱混杂研究
王予晓, 朱凌妮, 仲莉, 孔金霞, 刘素平, 马骁宇
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0200
摘要(128) HTML全文(67) PDF 5284KB(38)
摘要:
腔面光学灾变损伤是制约半导体激光器输出功率以及可靠性的主要因素之一,量子阱混杂技术是最常用的解决腔面灾变性光学损伤的方法。为了制备高功率、高可靠性半导体激光器单管器件,对Si杂质诱导量子阱混杂工艺进行了探索。本文使用Si介质层作为扩散源,采用管式炉高温退火的方法进行Si杂质扩散诱导量子阱混杂研究。实验并分析了介质膜厚度、退火条件、量子垒材料、牺牲层材料等因素对InGaAs/GaAs(P)量子阱蓝移量的影响。实验发现,量子阱和量子垒的混杂效果随着扩散时间以及退火温度增加而增大,但对温度尤其敏感。当退火条件为780 ℃、10 h时,InGaAs/GaAsP结构的波长蓝移量达到70.5 nm,量子垒为GaAsP时比GaAs有更好的促进蓝移效果。相同外延结构下,InGaP牺牲层结构相比AlGaAs牺牲层有更大的波长蓝移。
基于液晶光波导的电控偏振旋转器
查正桃, 张谦述
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0213
摘要(133) HTML全文(49) PDF 4088KB(60)
摘要:
为了更准确地分析基于液晶光波导的电控偏振旋转器的偏振转换长度和偏振转换效率,研究了向列相液晶场致重新取向的渐变特性。首先,根据液晶磁场耦合方程组得出的本征值方程构建偏振转换长度与外加电压的对应关系。然后通过对电场传输方程进行横向有限差分离散得到了交替方向隐式束传播法迭代方程组的显式表达,用于求解液晶光波导中的传播场,进而计算偏振转换效率。最后,通过仿真实验求解了本征模式以及传播场,进而分析液晶指向矢的渐变特性对偏振转换长度和偏振转换效率的影响。结果表明,液晶指向矢的渐变对偏振转换长度的影响可以忽略,但其得出的最大偏振转换效率相较于液晶重新取向均匀的求解结果低大约20%。这一结果将为基于液晶光波导的电控偏振旋转器的实际开发提供理论参考。
深紫外大口径非球面反射膜的均匀性研究
潘永刚, 林兆文, 王奔, 付秀华
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0005
摘要(25) HTML全文(9) PDF 4417KB(5)
摘要:
膜厚均匀性作为高精度光学薄膜的重要参数,对光学薄膜的性能起到至关重要的作用,特别是大尺寸高精度反射膜,对膜厚均匀性的要求极高。本文通过研究蒸发源的发射特性与膜厚分布,结合Mathcad软件建立精准数学及物理模型,编写自动程序,模拟修正挡板形状,极大的提高了薄膜制备均匀性修正的效率与准确性。通过该方法,在公自转行星蒸发沉积设备上制备了直径320 mm的非球面深紫外反射镜,在紫外240~300 nm平均反射率大于97.5%,均匀性优于0.5%。本研究对大口径非球面薄膜的均匀性修正提供了理论基础与技术支撑。
光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器研究进展
李爱武, 单天奇, 国旗, 潘学鹏, 刘善仁, 陈超, 于永森
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0219
摘要(49) HTML全文(21) PDF 4983KB(10)
摘要:
光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高、耐高温和抗电磁干扰等优点,这使其广泛应用于航空航天、能源工业及环境监测等领域。本文首先介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的传感原理、传感性能、传感特性和制备方法。然后对其温度、压力和应变的灵敏度和测量范围等特征参数进行了归纳。总结出了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的国内外研究进展及性能参数。其次介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪传感器温度和压力的交叉敏感问题及解决方法和基于不同种类光纤的法布里-珀罗干涉仪高温传感特性。另外针对近几年光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的研究进展,介绍了多种用于双参数测量的光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器。最后对光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的未来发展趋势和前景进行了展望。
空间引力波探测望远镜光学系统设计
李建聪, 林宏安, 罗佳雄, 伍雁雄, 王智
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2022-0018
摘要(61) HTML全文(11) PDF 5490KB(14)
摘要:
在空间引力波探测中,望远镜是空间激光干涉测量系统的重要组成部分,其出瞳处波前误差与抖动光程噪声(tilt-to-length, TTL)耦合,是影响空间引力波探测的主要噪声源。首先,本文基于平顶光束与高斯光束的干涉模型,采用Fringe Zernike多项式表征望远镜出瞳处的波前误差,运用LISA Pathfinder(LPF)信号分析出瞳处波前误差与TTL噪声的耦合机理。其次,采用蒙特卡洛分析方法,研究不同数值波前误差下低阶像差占比对TTL耦合噪声的影响,确定了望远镜光学系统出瞳处不同数值波前误差时满足TTL耦合噪声控制要求的低阶像差设计比例。最后,基于上述理论分析结果与像差控制要求,完成了空间引力波探测望远镜光学系统设计,望远镜入瞳直径为200 mm,出瞳处波前误差RMS值为0.01908λ,低阶像差占比不高于50%。分析结果表明,在光束抖动±300 μrad以内TTL耦合噪声不超过8.25 pm/μrad;通过公差分析,TTL耦合噪声最大值为15.50 pm/μrad,满足空间引力波的探测要求。
基于宽波段光源拼接镜新型共相检测技术研究
李斌, 杨阿坤, 邹吉平
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0234
摘要(25) HTML全文(11) PDF 3119KB(3)
摘要:
由于单块口径的光学望远镜不能无限增大,采用拼接镜技术才能造出10 m以上口径的光学望远镜,因此,拼接镜的共相检测技术成为了拼接过程和维持镜面质量的关键技术。针对目前最被接受的宽窄带夏克哈特曼法存在目标流量过低而引起测量时间长的问题,本文提出使用宽波段(400−700 nm)光源的非相干性和相干性相结合方式实现250 nm粗共相,以及10 nm精共相,以此解决由于目标流量过低而引起测量时间过长的问题。即在粗共相时,以两个半圆孔的非相干衍射图样为模板,白光为光源,采用互相关算法计算互相关系数的值,通过设置合理的互相关系数阈值,以此实现无限制的检测范围和0.25 μm 的检测精度;精共相时,以白光为光源、以一幅相干衍射图案(理想白光艾里斑)为模板方式替代多幅不同平移误差下的相干衍射图案为模板方式,实现0.27 μm量程、0.01 μm以上精度的共相检测。并对该共相方法进行了理论和仿真分析,通过理论和仿真分析可知:该新型共相检测方法的检测量程为无限量程,检测精度能达到 10 nm以上,理论和仿真表明:该方法适用于拼接镜粗精共相的检测。
氧化型垂直腔面发射激光器的ESD失效特性
张玉岐, 阚强, 赵佳
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0226
摘要(37) HTML全文(10) PDF 4781KB(6)
摘要:
氧化型垂直腔面发射激光器(VCSEL)在数据通信等领域具有广泛的应用,然而氧化型VCSEL是一种静电敏感型器件,静电放电(ESD)是导致其失效的主要原因之一,并且器件失效后很难判断问题的根因。因此,对氧化型VCSEL进行了包括人体模式(HBM)、机器模式(MM)和元件充电模式(CDM)三种不同的ESD模式和过度电应力(EOS)冲击。其中,在HBM模式中研究了不同极性的电压冲击对应的失效特征,然后分别采用反向I-V、正向L-I-V测试、发光显微镜(EMMI)和透射电子显微镜(TEM)等手段进行表征。结果表明,不同ESD模式表现出截然不同的损伤电压阈值,氧化型VCSEL容易遭受HBM和MM损伤,而对CDM模式不敏感;发现和ESD失效关联的特性及缺陷特征:包括反向漏电增加,出光功率衰减,EMMI亮点等,而TEM作为最为直接有效的分析手段,不同ESD模式表现出不同的缺陷大小和位置等性质。这些研究结果有助于区分ESD故障和其它故障机制,并且能够细致的判断出引起失效的具体ESD模式,具有重要的意义。
非线性材料光限幅原理及研究进展
吕泽, 方佑, 冯迢, 宗楠, 李云飞, 张申金, 谢政, 彭钦军
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0195
摘要(26) HTML全文(16) PDF 5943KB(7)
摘要:
激光防护材料在保护人眼和光学器件免受强激光破坏方面具有重要意义,其中基于非线性光学原理工作的固态光限幅材料有望构成未来激光防护的主体。本文介绍了光限幅材料的研究背景及工作机理,综述了目前具有实用前景的多类光限幅材料的研究进展,对无机半导体材料、共轭有机高分子、无机金属团簇、碳纳米材料、二维材料等五类做了重点介绍,探讨这些光限幅材料的发展前景,介绍相关材料在固态基质中器件化的研究现状。
聚偏二氟乙烯及其共聚物薄膜非线性光学研究进展
刘勇, 刘卫国, 牛小玲, 惠迎雪, 戴中华, 王之恒, 郭文浩
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0191
摘要(181) HTML全文(115) PDF 2073KB(28)
摘要:
聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物薄膜拥有极佳的电活性、较高的衍射效率、显著的非线性光学效应,广泛应用于光电转换、光调控、光开关等光电功能器件等。本文简要介绍了近年来PVDF及其共聚物薄膜非线性光学研究方面的主要进展,指出该类薄膜共混、纳米掺杂、超薄化的发展方向。同时,需从第一性原理-光子带隙计算着手研究其非线性光学性质,以高灵敏度Z-扫描及马克条纹法结合椭偏为主要测量方式。本综述将为该类薄膜的非线性光学研究及制备提供一定的参考。
Spectral irradiance degradation model of halogen tungsten lamps at wavelength from 400 nm to 1300 nm
ZHANG Ya-chao, YE Xin, XIA Zhi-wei, SUI Long, FANG Wei
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2021-0011
摘要(115) HTML全文(61) PDF 3390KB(18)
摘要:
Spectral irradiance degradation of a halogen tungsten lamp increases the spectral radiance uncertainty of an on-board lamp-diffuser calibrator, composed of a lamp and a diffuser reflector. Therefore, it was necessary to investigate the degradation characteristics of the lamp to improve this spectral radiance uncertainty. A spectral irradiance degradation model of a halogen tungsten lamp with undetermined order at wavelength from 400 nm to 1300 nm was proposed according to the blackbody radiation law and Weierstrass theorem. The model order was determined as the minimum to satisfy the reconstruction uncertainty required by the spectral radiance of the on-board lamp-diffuser calibrator. According to which, the model order was determined to be two. The reconstruction uncertainty of the spectral irradiance degradation curve was better than 0.25% according to the two-order model, which lays a theoretical foundation to improve the spectral radiance uncertainty of the on-board lamp-diffuser calibrator.
离轴三反望远镜轴向与横向失调量像差耦合特性
白晓泉, 郭良, 马宏财, 许博谦, 鞠国浩, 徐抒岩
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0164
摘要(149) HTML全文(83) PDF 10681KB(29)
摘要:
为了保证离轴三反空间望远镜地面装调阶段及在轨调整阶段的成像质量,本文基于矢量像差理论从内在机理层面揭示了轴向失调与横向失调对像差影响的耦合特性,重点分析了由两类失调耦合特性产生的补偿关系:(1)针对轴向失调补偿横向失调,揭示了装调过程中系统像质可能处于局部极值的一类工况;(2)针对横向失调补偿轴向失调,提出在轨横向失调引入的像散、彗差补偿轴向失调引入的像散、彗差的补偿策略(离焦不能补偿)。以本文实验室现有的一套离轴三反系统为例,充分验证了解析关系的准确性。仿真和实验证明:当系统同时存在轴向失调和横向失调时,系统成像质量也可能达到衍射极限(1/14λ),但系统像质处于局部极小值;望远镜在轨处于失调状态且离焦较小时,可以优先通过校正横向失调以完成系统像质校正,补偿后RMS波前误差与设计状态(装调最佳状态)相比改变量小于0.03λ。
光损伤肖特基钙钛矿探测器的光电特性性能分析
曲家沂, 王云鹏, 孙俊杰, 陈飞, 赵东旭, 田灿灿
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0196
摘要(122) HTML全文(54) PDF 4786KB(19)
摘要:
为了研究飞秒激光对光电探测器光学性能的影响,对飞秒脉冲激光辐照CsPbBr3背靠背肖特基光电探测器的损伤特性,以及不同激光功率密度下的光电性能进行了研究。我们利用化学气相沉积法在ITO叉指电极上沉积CsPbBr3微米晶薄膜,制备了背靠背肖特基型全无机钙钛矿光电探测器。利用脉冲宽度为35 fs的钛宝石飞秒激光器辐照CsPbBr3光电探测器,在不同激光功率密度下通过显微镜观察CsPbBr3多晶薄膜的损伤形貌,并研究了不同功率密度损伤下肖特基结构的钙钛矿光电探测器的光电性能变化。结果表明自制的全无机金属卤化物肖特基光电探测器具有较高的损伤阈值,达到了2.1 W/cm2,并且在样品轻度损伤的情况下,样品的光电特性出现了一定程度的提升,光谱响应度出现了50 nm的展宽,并且在部分薄膜受热脱落后,器件仍然保持一定的光电探测性能。
综述
非球面光学元件面型检测技术研究进展与最新应用
梁子健, 杨甬英, 赵宏洋, 刘圣安
2022, 15(2): 161-186.   doi: 10.37188/CO.2021-0143
[摘要](717) [HTML全文](233) [PDF 5743KB](257)
摘要:
非球面光学元件,特别是其中的自由曲面元件,在设计自由度上相比于球面具有很大的优势,基于非球面构建的光学系统能够以简单的光机结构实现复杂的设计目的。面型检测技术是保障光学非球面加工精度的关键,针对不同种类的非球面以及非球面加工的不同阶段对检测指标要求的多样性,现已发展出了种类繁多的检测方法。本文回顾了非球面光学元件面型检测技术的发展历程,分非干涉法与干涉法两大类整理了常用的检测技术,介绍了各自的技术指标与适用条件、研究进展与应用情况。本文重点讨论了基于干涉方法的非球面精密检测技术,举例说明了非零位与零位两条技术路线下各检测方法的基本原理、光路结构与检测能力,对比分析了各方法的优缺点与适用范围,介绍了一些配套算法以及检测光路的精密调节方法。
Common failure modes and mechanisms in oxide vertical cavity surface emitting lasers
ZHANG Yu-qi, ZUO Zhi-yuan, KAN Qiang, ZHAO Jia
2022, 15(2): 187-209.   doi: 10.37188/CO.EN.2021-0012
[摘要](504) [HTML全文](205) [PDF 7522KB](153)
摘要:
Oxide Vertical Cavity Surface Emitting Lasers(VCSELs) are widely used in high-speed optical communications. The reliability of VCSELs is a very important index that requires a high lifetime and low failure rate in the application process. Understanding the root causes and mechanisms of VCSEL failure is necessary and helpful to improve device reliability. In this paper, we summarize and analyze the most common failure modes, causes and mechanisms observed in oxide VCSELs from the perspective of design, manufacturing and application, then apply some appropriate measures and suggestions to prevent or improve them. Moreover, the three dominating factors leading to the failure of VCSELs including oxide layer stress, Electronic Static Discharge (ESD) and humidity corrosion are introduced in more detail. At last, we simply introduce the VCSEL failure cases encountered in the actual accelerated aging verification process. This article can be used as a good VCSEL failure analysis library for chip development and production researchers.
三维点云数据超分辨率技术
毕勇, 潘鸣奇, 张硕, 高伟男
2022, 15(2): 210-223.   doi: 10.37188/CO.2021-0176
[摘要](482) [HTML全文](167) [PDF 6613KB](129)
摘要:
随着机器视觉技术的发展,如何准确、高效地对真实世界进行精确记录与建模已成为热点问题。由于硬件条件的限制,通常采集到的点云数据分辨率较低,无法满足实际应用需求,因此有必要对点云数据超分辨率技术进行研究。本文介绍三维点云数据超分辨率技术的意义、进展及评价方法,并对经典超分辨率算法和基于机器学习的超分辨率算法分别进行梳理,总结了目前方法的特点,指出了目前点云数据超分辨率技术中存在的主要问题及面临的挑战,最后展望了点云数据超分辨率技术的发展方向。
原创文章
Ag@SiO2纳米核壳结构对铒碲发光玻璃的发光增强机制
陈晓波, 李崧, 赵国营, 刘洪珍, 郭敬华, 马瑜, 王克志, 耿珠峰
2022, 15(2): 224-232.   doi: 10.37188/CO.2021-0142
[摘要](227) [HTML全文](99) [PDF 2504KB](64)
摘要:
本研究首次把预先制备好的Ag@SiO2纳米核壳结构成功地引进到碲化物发光玻璃70TeO2-25ZnO-5La2O3-0.5Er2O3体内,发现(A) Ag(1.6×10−6 mol /L)@SiO2(40 nm) @Er3+(0.5%):铒碲发光玻璃相对于样品(B) Er3+(0.5%):铒碲发光玻璃的可见光与红外光的激发光谱强度的最大增强依次为149.0%与161.5%,可见光与红外光的发光光谱强度则依次最大增强了155.2%与151.6%,同时还发现样品(A)相对于样品(B)的寿命显著变长。由于Ag@SiO2的表面等离子体吸收峰恰好位于546.0 nm,它与铒离子的发光峰546.0 nm完全共振,因此,Ag@SiO2对铒碲发光玻璃的发光共振增强作用显著。由于银的纳米核壳结构与玻璃的制作具有分步实现的优点,它既能成功控制Ag@SiO2的尺寸,而且在Ag@SiO2@Er: 铒碲发光玻璃的制作过程中还具有可操作性强的优点,同时价格也更加便宜。在保证银不被氧化的前提下,还可控制稀土离子发光中心与银的表面等离子体之间的距离,因此能够成功地减少背向能量反传递。上述优点促成了Ag@SiO2纳米核壳结构表面等离子体有效加强了Ag@SiO2@Er3+:铒碲发光玻璃的常规光致发光强度。
金纳米星诊疗剂的光热特性及其在光热治疗和光学相干层析成像中的应用研究
吴哲, 陆冬筱, 李金华
2022, 15(2): 233-241.   doi: 10.37188/CO.2021-0205
[摘要](145) [HTML全文](70) [PDF 5931KB](46)
摘要:
为了开发一种优异的用于光热治疗和光学相干层析成像的金纳米星诊疗剂,对金纳米星的制备、光热特性以及光热治疗和光学相干层析成像中的应用进行研究。利用尖端结构增强金纳米材料的局域表面等离子体共振特性,通过种子介导法制备了多枝化的金纳米星,多尖端的结构使其具有明显的光热效果,并探究了其作为光热治疗的诊疗剂和光学相干层析成像造影剂的效果。实验结果表明:多枝化的金纳米星诊疗剂相比于金纳米粒子具有较高的光热转换效率,达到42%;具有较好的生物兼容性,在100 μg/mL浓度下,人乳腺癌细胞存活率为82%;而且具有较好的癌细胞光热治疗效果,在100 μg/mL浓度下,经激光照射后,人乳腺癌细胞被有效杀死,其存活率降至37%;同时,金纳米星诊疗剂还具有较好的光学相干层析成像造影效果,可显著提高信号强度和造影深度。金纳米星诊疗剂既具有高效光热治疗能力,又具备优异光学相干层析成像造影成像能力,是一种非常有前景的多功能诊疗剂。
532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤特性研究
王佳敏, 季艳慧, 梁志勇, 陈飞, 郑长彬
2022, 15(2): 242-250.   doi: 10.37188/CO.2021-0160
[摘要](222) [HTML全文](67) [PDF 3935KB](61)
摘要:
随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展,研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义。为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理,本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究,测定了损伤阈值,明确了损伤机理,探讨了低通量下的脉冲累积效应。首先,利用波长为532 nm、脉冲宽度为30 ps的激光器和金相显微镜,基于1-on-1的激光损伤测试方法,测定了单晶硅的零损伤概率阈值为0.52 J/cm2;其次,研究了皮秒激光辐照单晶硅在不同激光能量密度下的损伤形貌,发现532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤表现为热影响损伤和等离子体冲击损伤,随着激光能量密度的增大,按主要的损伤机制可将损伤程度分为:热影响(0.52~3 J/cm2)、热烧蚀(3~50 J/cm2)和等离子烧蚀(>50 J/cm2),且不同情况下,损伤面积随激光能量密度分别对应不同的增长规律;最后,研究了低通量下多脉冲的累积效应,发现在0.52 J/cm2的激光能量密度下,连续辐照16个脉冲时表面形成热影响区,验证了多脉冲的累积效应可以降低单晶硅的激光损伤阈值。
高超噪比宽带毫米波噪声信号光子学产生研究
黄海碧, 刘文杰, 孙粤辉, 王安帮, 秦玉文, 王云才
2022, 15(2): 251-258.   doi: 10.37188/CO.2021-0158
[摘要](194) [HTML全文](71) [PDF 3808KB](48)
摘要:
受电子器件工作频率及功率的限制,传统电子学方法产生的噪声源的超噪比通常小于20 dB,针对这一问题,本文提出了一种基于非相干光拍频产生高超噪比宽带毫米波噪声技术。首先,用两个光滤波器对宽带放大自发辐射光源进行滤波整形。将获得的两束频率不同的放大自发辐射光耦合进入光电探测器进行拍频,从而产生电噪声信号。理论分析发现,通过调节拍频光的光谱线型、线宽与功率,在当前的高速光电探测器响应水平下,可获得超过50 dB的高超噪比毫米波噪声源。在利用数值方法分析影响噪声源超噪比主要因素的基础上,通过实验方法产生了超噪比大于50 dB的毫米波噪声信号。如果采用更高速的光电探测器,这一技术可在毫米波乃至太赫兹波段构建大超噪比的噪声源。
高空离轨发动机流场红外辐射特性研究
郑鸿儒, 马岩, 范林东, 任翔
2022, 15(2): 259-266.   doi: 10.37188/CO.2021-0232
[摘要](145) [HTML全文](67) [PDF 6901KB](49)
摘要:
高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件。本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得到飞行器在94公里飞行高度下,无来流、不同来流攻角、不同来流速度下的尾焰流场红外辐射特性,并针对低轨卫星的可观测性进行了评估。仿真结果表明,对于给定观测位置,在无风条件下,红外辐射在各个波段下的强度较低,最大值在10−9 W/m2量级。而在来流攻角影响下,流场红外信号强度显著上升,且来流攻角、来流速度越大,强度越大,最大值在10−6 W/m2量级。大气衰减效应对不同观测位置的可观测性影响较大。本文结果可为高超声速飞行器红外预警和反导提供参考。
融合视觉显著性和局部熵的红外弱小目标检测
赵鹏鹏, 李庶中, 李迅, 罗军, 常凯
2022, 15(2): 267-275.   doi: 10.37188/CO.2021-0170
[摘要](161) [HTML全文](79) [PDF 3226KB](61)
摘要:
针对红外图像中弱小目标检测虚警率高、实时性差的问题,提出了一种基于视觉显著性和局部熵的红外弱小目标检测方法。该方法将红外弱小目标的检测问题由粗到精分步实现,首先利用融合局部熵的方法提取包含目标的感兴趣区域,对红外弱小目标实现粗定位。然后再利用改进的视觉显著性检测方法在感兴趣区域计算局部对比度,获得感兴趣区域的显著图。最后利用阈值法分割显著图像提取红外弱小目标,实现红外弱小目标的检测。通过与TOPHAT算法及LCM算法进行对比试验,验证了该方法在检测性能上优于TOPHAT算法以及LCM算法,虚警率分别下降了62.5%和33.3%;检测实时性方面,算法耗时为LCM的38.6%。该方法能够实现复杂背景下红外弱小目标的准确检测,在一定程度上解决了目标检测虚警率高、实时性差的问题。
面部视频非接触式生理参数感知
嵇晓强, 刘振瑶, 李炳霖, 饶治, 李贵文, 粟立威
2022, 15(2): 276-285.   doi: 10.37188/CO.2021-0157
[摘要](206) [HTML全文](131) [PDF 4176KB](48)
摘要:
为了在非接触条件下检测受试者的各项生理参数,本文设计了一种基于成像式光电容积描记技术,从手机录制的人脸视频中估算生理参数的方法。首先,提出了“小波变换-主成分分析-盲源分离”算法,用于提取出高信噪比的RGB三通道脉搏波信号。然后,分别从频域和时域角度对绿色通道信号进行处理,估算出心率值和呼吸率值;对红蓝通道的脉搏波信号进行处理,并结合血氧仪检测的血氧饱和度结果,进行数据拟合,从而找到从面部视频中估算血氧饱和度值的最佳线性方程。最后,对比了自然光下各生理参数的估算结果误差,分析了在3种光照环境下各参数的估算结果。结果表明:3种光照环境下得到的心率平均误差为0.5512次/min,呼吸率平均误差为−0.6321次/min,血氧饱和度平均误差为−0.2743%。综上,本文提出的非接触式生理参数估算方法精度高,具有普适性和稳定性,估算结果同标准仪器的测量结果具有高度一致性,可满足日常生理参数测量的需求。
多点协同动态散斑的统计特性
车东博, 王挺峰, 张绍, 韩越, 李远洋
2022, 15(2): 286-296.   doi: 10.37188/CO.2021-0152
[摘要](222) [HTML全文](98) [PDF 3781KB](51)
摘要:
激光散斑被广泛应用于生物医学,成像探测以及无损检测等应用中,为了提升目标在环系统中基于散斑统计特性反馈远场激光聚焦光斑质量的评价效率和精度。提出了多通道协同探测的方法获得回波散斑信号的时间空间融合评价因子,并对散斑场统计理论、多点协同探测系统模型和散斑时间与空间频谱融合统计特性展开深入研究。首先,利用单点探测器探测动态散斑的强度波动信号,对其进行滤波、自相关和傅立叶变换后获得散斑场的功率谱,再乘以权重获得散斑评价因子,探究该评价因子监视远场光斑的可行性。然后,提出对探测面不同空间位点获得的时间信号进行拼接的方法,并列举实现该方法的先决条件。最后,通过仿真与实验验证利用散斑场融合频谱获得评价因子的有效性。结果表明,动态散斑评价因子随目标光斑尺寸的增加而减小,当探测面上4通道协同获取的信号不相关时,评价因子取平均可使精度提高2倍,而时间空间融合频谱获得的评价因子可保证精度的同时使系统带宽提高4倍。综上所述,多点协同获取的散斑评价因子可以更快速的监视远距离运动目标的光斑变化。
水下光场的迭代求解
何大华, 李阳阳, 周少杰
2022, 15(2): 297-305.   doi: 10.37188/CO.2021-0162
[摘要](176) [HTML全文](84) [PDF 2581KB](40)
摘要:
水体对光线的散射是水下图像质量劣化的重要因素,为了定量分析在特定光源照射下水体散射的影响,建立了光线水下传输的散射模型,以此为基础推导出求解水下光场分布的Fredholm积分方程。在水中光线能量随距离的增大呈指数规律衰减,基于此,在水体体散射函数为常数的情况下,给出了有边界条件时该积分方程的数值迭代求解方法,得到高精度的水下光场分布。以太阳、均匀亮度天空、水下点光源以及空中点光源为例,分别给出了水面平静时的水下光场的计算结果。该求解方法可推广应用于任意光源配置、任意边界条件下的水下光场分布,为严格推导水体点扩展函数及调制传递函数奠定了基础。
矩形大口径激光光束质量评价光学系统设计
潘国涛, 闫钰锋, 于信, 张雷, 孙阔, 白素平, 孙宏申
2022, 15(2): 306-317.   doi: 10.37188/CO.2021-0130
[摘要](243) [HTML全文](88) [PDF 4869KB](95)
摘要:
自适应光学校正技术可有效提升固体板条激光器的光束质量,但随着激光器输出功率的提升,输出光束口径逐渐增加,系统体积逐渐增大,自适应光学校正系统的设计难度也增加了。因此,在满足自适应光学校正系统中共轭探测等需求的前提下,统筹优化系统的尺寸参数,同时实现波前相位、光束质量评估等多参数的检测具有一定的研究意义。本文在系统整体尺寸为350 mm×180 mm×220 mm(长×宽×高)的条件下,研究实现了板条激光器输出160 mm×120 mm矩形光束多参数的检测。针对探测口径大、筒长限制、长出瞳距等技术要求,首先,利用双高斯初始结构的消像差特点,结合非球面技术,采用大倍率光束压缩后分光探测的设计方案,实现多参数的同时探测。其次,基于摄远成像和共轭成像等原理,确定系统初始参数。接着,建立仿真模型分析系统的成像质量和公差,为实验的搭建提供依据。最后,搭建实验平台验证设计结果。结果表明:所设计系统可在满足物像共轭、尺寸约束等条件下,实现对大口径矩形光束的共轭波前探测、光强均匀度检测和光束质量评估。实验测得被测光束β因子为1.24倍衍射极限,均匀度为73.8%,满足技术指标要求。
椭圆形平面镜的高精度面形重构技术
闫公敬, 罗旺, 张斌智
2022, 15(2): 318-326.   doi: 10.37188/CO.2021-0106
[摘要](326) [HTML全文](136) [PDF 7371KB](49)
摘要:
为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。
高温数字图像相关法变形测量中玻璃介质误差校正
任明阳, 王立忠, 付白强, 陈仁虹, 邬宏, 王岩鹏
2022, 15(2): 327-338.   doi: 10.37188/CO.2021-0144
[摘要](249) [HTML全文](133) [PDF 4328KB](51)
摘要:
为了校正玻璃介质在高温变形测量中引起的测量误差,本文将玻璃介质作为相机标定模型的一部分,基于摄影测量技术和数字图像相关法,提出一种复杂环境下的双目相机标定方法,将其应用在高温变形测量中。首先,针对复杂环境下图像质量差引起的标定困难问题,采用带畸变校正的相机成像模型,通过捆绑调整的相机标定方法完成双目相机标定,提高了标定成功率和稳定性。其次,针对复杂环境下双目相机标定精度低的问题,分析镜头焦距、环境光干扰和玻璃与相机距离等因素对标定结果的影响,给出最佳标定参数,使得标定重投影误差由0.832个像素减少到0.132个像素。最后,采用有玻璃介质的测量环境,比较标定时有无玻璃两种情况下的测量误差,结果表明:本文方法能大幅减少测量误差。试验结果表明,该方法能够有效减少高温环境下玻璃介质导致的位移场测量误差,XYZ轴位移场平均测量误差分别减少70.16%,76.51%和40.05%。本文方法能够实现复杂环境下相机高精度标定,标定稳定性好,是实现高温变形准确测量的有效途径。
数字微镜器件(DMD)杂散光特性测试方法及装置
姚雪峰, 高毅, 龙兵, 于晨阳, 李文昊, 于宏柱, 张靖, 李晓天
2022, 15(2): 339-347.   doi: 10.37188/CO.2021-0132
[摘要](346) [HTML全文](124) [PDF 7406KB](84)
摘要:
为了获得数字微镜器件(DMD)的真实光学特性,提出了微镜单元杂散光分布测试方法,并搭建实验装置对2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况进行测试。提出了一种杂散光测试方法,并针对微镜单元尺寸小、配置方式灵活的特点,设计了汇聚光斑大小连续可调的照明系统以及可以对微镜单元清晰成像的成像系统。通过实验得到了2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况。测试结果表明,单个微镜单元中心孔道位置附近反射的能量较强,靠近边缘位置反射的能量则相对较弱。此外,测试区域之外的微镜单元也会反射一部分能量,测试区域内微镜单元杂散光绝对强度最大值出现在中心孔道附近,其灰度值为6.86,紧邻测试区域微镜单元杂散光绝对强度最大值同样也出现在中心孔道附近,其灰度值为4.01,由此可以说明中心孔道位置附近的杂散光较强;测试区域内微镜单元的杂散光相对强度相对较弱,从测试区域边缘开始急剧增大,经过大约两个微镜单元后达到峰值,数值为293.5%,此后开始急剧下降。
可见/近红外实时成像光谱仪控制系统设计
吴长坤, 张为, 郝亚喆
2022, 15(2): 348-354.   doi: 10.37188/CO.2021-0119
[摘要](405) [HTML全文](162) [PDF 5283KB](84)
摘要:
针对高光谱成像需求,设计了一套可见/近红外实时成像光谱仪。光谱仪基于声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Filter , AOTF)分光器件进行设计,光谱带宽为1.3 μm,其中可见光相机工作在400~1000 nm波段,近红外相机工作在1000~1700 nm波段。光谱仪控制系统以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)为核心处理单元,使用Cameralink接口采集相机数据,使用RS422串口对AOTF进行频率控制,通过AOTF同步信号与相机外触发信号相结合,实现了连续图像与多波长循环采集的一一对应,图像数据最后经过USB3.0接口传输到上位机进行实时显示。经外场测试,光谱仪成像质量良好,系统工作稳定,针对1024×1024分辨率图像,图像实时传输速率最高可达120 frame/s,满足设计要求。在实际工程应用中,该控制系统接口丰富,且可靠性高、灵活性好,具有较强的可扩展性。
微细铣刀位姿同轴全息重建方法
孙艺洋, 许金凯, 于占江, 张向辉, 程亚亚, 于化东
2022, 15(2): 355-363.   doi: 10.37188/CO.2021-0089
[摘要](427) [HTML全文](174) [PDF 5767KB](55)
摘要:
微细铣刀在主轴上存在装夹偏角时,会加剧刀刃磨损,降低刀具使用寿命。为了精确观测微细铣刀在机倾斜状态,提出了基于景深的微细铣刀三维位姿重建方法。利用激光同轴数字全息实验装置得到微细铣刀全息图,并通过菲涅尔再现算法获得再现像。在再现像中提取刀具边缘点作为关键点,采用小波变换局部方差算子求出关键点的聚焦程度,确定铣刀对应的轴向位置。利用最小二乘法对关键点拟合修正重建误差,实现微细铣刀的三维位姿重建。实验结果表明,基于景深的微细铣刀三维位姿重建方法获得的微细铣刀重建误差优于0.1°。该方法能够精确测量微细铣刀三维位姿,可为后续的微细铣刀装夹精度修正提供参考依据。
Averaged intensity and spectral shift of partially coherent chirped optical coherence vortex lattices in biological tissue turbulence
CHENG Ke, ZHU Bo-yuan, SHU Ling-yun, LIAO Sai, LIANG Meng-ting
2022, 15(2): 364-372.   doi: 10.37188/CO.EN.2021-0010
[摘要](191) [HTML全文](92) [PDF 2384KB](32)
摘要:
In this paper, an averaged intensity and spectral shift of Partially Coherent Chirped Optical Coherence Vortex Lattices (PCCOCVLs) in biological tissue turbulence are investigated with emphasis on optical lattice structures in monochromatic optical fields and spectral rapid transitions in polychromatic optical fields. It is found that the beam profile evolves from annular structures with a vortex core into a periodic array of lobes with a dark zone, and finally presents a Gaussian-like pattern in biological tissue. Although lattice parameter modulates beam profile, it cannot affect the spectral behavior in biological tissue turbulence. The analysis of spectral shift also shows that a smaller distance is beneficial to spectral rapid transition where the transverse coordinate decreases with an increase in chirp parameter and a decrease in pulse duration. The accumulated turbulences over a longer distance can suppress not only spectral transition but also spectral shift. The reduction of spectral shift is accompanied by stronger biological tissue turbulence. The results have possible application in image recognition, medical devices and noninvasive optical diagnoses in biological tissue.
High-performance self-powered photodetectors based on the carbon nanomaterial/GaAs vdW heterojunctions
HUO Ting-ting, ZHANG Dong-dong, SHI Xiang-lei, PAN Yu, SUN Li-jie, SU Yan-jie
2022, 15(2): 373-386.   doi: 10.37188/CO.2021-0149
[摘要](308) [HTML全文](113) [PDF 4758KB](56)
摘要:
With the advantages such as simple structure, simple process and easy interface control, the photoelectric devices based on carbon nanomaterial/bulk semiconductor van der Waals (vdW) heterojunctions can fully realize the ultrahigh carrier mobility of carbon nanomaterials and the excellent photoelectric properties of bulk semiconductors. Especially, the novel mixed-dimensional vdW heterojunctions can be prepared by controlling the diameter/chirality and Fermi level of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) to form atomic-level interfaces and match bandgaps with bulk semiconductors. Here, we reported a self-powered broadband photodetector based on the pn vdW heterojunctions by combining (6, 5)-enriched semiconducting SWCNT film with n-type GaAs, and used graphene to reduce the probability of carrier recombination in SWCNT film and to promote the carrier transport. The experimental results suggest that the self-powered device exhibits high-sensitivity photoelectric response toward the incident photons in the 405~1064 nm range, and that the max photoelectric responsivity of 1.214 A/W and the specific detectivity of 2 × 1012 Jones could be achieved at zero bias.
Wide and narrow band switchable bi-functional metamaterial absorber based on vanadium dioxide
FENG Qin-yin, QIU Guo-hua, YAN De-xian, Li Ji-ning, Li Xiang-jun
2022, 15(2): 387-403.   doi: 10.37188/CO.2021-0174
[摘要](149) [HTML全文](60) [PDF 5548KB](57)
摘要:
A wide-band and narrow-band switchable bi-functional metamaterial absorber is presented in this paper. The phase change material vanadium dioxide (VO2) is introduced in the structure of the metamaterial absorber, and different functions can be achieved by using only a single switchable metasurface. The mutual conversion of different functions is realized by the reversible phase transition between the VO2 insulating state and the metal state. When VO2 is in metallic state, the designed structure can be regarded as a metamaterial wide-band absorber. The simulation results show that the absorption is over 98% in the frequency range of 1.55 THz to 2.21 THz. When VO2 is in the insulating state, the structure acts as a narrow-band absorber, and the absorption at resonance frequencies of 2.54, 2.93 and 3.34 THz is over 95%. In addition, the effect of geometric parameters on the absorption of metamaterial absorber is discussed. Because of the symmetry of the element structure, the absorber is insensitive to the polarization when the electromagnetic wave is vertically incident, and it can keep good absorption performance with the large incident angle. Therefore, the switchable bi-functional metamaterial absorber proposed in this paper can be widely used in terahertz modulation, thermal emitters and electromagnetic energy acquisition, etc.
约稿信
《中国光学》投稿须知
2022, 15(2): 404-404.  
[摘要](102) [HTML全文](53) [PDF 349KB](40)
摘要:
非球面光学元件面型检测技术研究进展与最新应用
梁子健, 杨甬英, 赵宏洋, 刘圣安
2022, 15(2): 161-186.   doi: 10.37188/CO.2021-0143
摘要(717) HTML全文(233) PDF 5743KB(257)
摘要:
非球面光学元件,特别是其中的自由曲面元件,在设计自由度上相比于球面具有很大的优势,基于非球面构建的光学系统能够以简单的光机结构实现复杂的设计目的。面型检测技术是保障光学非球面加工精度的关键,针对不同种类的非球面以及非球面加工的不同阶段对检测指标要求的多样性,现已发展出了种类繁多的检测方法。本文回顾了非球面光学元件面型检测技术的发展历程,分非干涉法与干涉法两大类整理了常用的检测技术,介绍了各自的技术指标与适用条件、研究进展与应用情况。本文重点讨论了基于干涉方法的非球面精密检测技术,举例说明了非零位与零位两条技术路线下各检测方法的基本原理、光路结构与检测能力,对比分析了各方法的优缺点与适用范围,介绍了一些配套算法以及检测光路的精密调节方法。
Common failure modes and mechanisms in oxide vertical cavity surface emitting lasers
ZHANG Yu-qi, ZUO Zhi-yuan, KAN Qiang, ZHAO Jia
2022, 15(2): 187-209.   doi: 10.37188/CO.EN.2021-0012
摘要(504) HTML全文(205) PDF 7522KB(153)
摘要:
Oxide Vertical Cavity Surface Emitting Lasers(VCSELs) are widely used in high-speed optical communications. The reliability of VCSELs is a very important index that requires a high lifetime and low failure rate in the application process. Understanding the root causes and mechanisms of VCSEL failure is necessary and helpful to improve device reliability. In this paper, we summarize and analyze the most common failure modes, causes and mechanisms observed in oxide VCSELs from the perspective of design, manufacturing and application, then apply some appropriate measures and suggestions to prevent or improve them. Moreover, the three dominating factors leading to the failure of VCSELs including oxide layer stress, Electronic Static Discharge (ESD) and humidity corrosion are introduced in more detail. At last, we simply introduce the VCSEL failure cases encountered in the actual accelerated aging verification process. This article can be used as a good VCSEL failure analysis library for chip development and production researchers.
三维点云数据超分辨率技术
毕勇, 潘鸣奇, 张硕, 高伟男
2022, 15(2): 210-223.   doi: 10.37188/CO.2021-0176
摘要(482) HTML全文(167) PDF 6613KB(129)
摘要:
随着机器视觉技术的发展,如何准确、高效地对真实世界进行精确记录与建模已成为热点问题。由于硬件条件的限制,通常采集到的点云数据分辨率较低,无法满足实际应用需求,因此有必要对点云数据超分辨率技术进行研究。本文介绍三维点云数据超分辨率技术的意义、进展及评价方法,并对经典超分辨率算法和基于机器学习的超分辨率算法分别进行梳理,总结了目前方法的特点,指出了目前点云数据超分辨率技术中存在的主要问题及面临的挑战,最后展望了点云数据超分辨率技术的发展方向。
铌酸锂薄膜调制器的研究进展
刘海锋, 郭宏杰, 谭满清, 李智勇
2022, 15(1): 1-13.   doi: 10.37188/CO.2021-0115
摘要(1071) HTML全文(529) PDF 3910KB(368)
摘要:
铌酸锂薄膜调制器具有体积小、带宽高、半波电压低的优点,在光纤通讯和光纤传感领域具有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文梳理了铌酸锂薄膜调制器的波导结构、耦合结构、电极结构的研究进展,总结了LN薄膜波导的制备工艺,并深入分析了不同结构调制器的性能。基于SOI和LNOI结构,薄膜调制器实现了VπL<2 V∙cm,双锥形耦合方案实现了耦合损耗<0.5 dB/facet,行波电极结构实现了调制带宽>100 GHz。铌酸锂薄膜调制器的性能在大多数方面优于目前商用铌酸锂调制器,随着波导工艺进一步提升,将成为铌酸锂调制器的热门方案。最后对铌酸锂薄膜调制器的发展趋势和应用前景进行了展望。
面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器
胡思奇, 田睿娟, 甘雪涛
2021, 14(5): 1039-1055.   doi: 10.37188/CO.2021-0003
摘要(1912) HTML全文(560) PDF 10280KB(436)
摘要:
二维材料因其独特的结构和优异的电子和光电性能,为硅基光电子集成器件提供了新的发展机遇。近年来,面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器已被广泛研究。本文梳理了构建光电探测器的几种二维材料基本特性及其探测机制,回顾了基于二维材料的硅光子集成光电探测器研究进展,总结了其器件结构和主要性能指标。最后,讨论了进一步提升硅光子集成二维材料光电探测器性能的策略,包括大规模二维材料集成器件的制备、器件结构与金属接触界面的优化以及新兴二维材料光电探测器的探索,以期推动二维材料在硅基光电子混合集成探测器领域的商业化应用。
光学频率梳的相干合成研究进展
马骏超, 孟丽丽, 张瑞雪, 卓笑, 倪凯, 吴冠豪, 孙栋
2021, 14(5): 1056-1068.   doi: 10.37188/CO.2021-0071
摘要(762) HTML全文(200) PDF 5700KB(150)
摘要:
光学频率梳(光频梳)具有脉冲宽度窄、频率精度高、频率梳齿稳定以及相干性好等优良的时频域特性,近年来成为超快激光技术及计量科学等领域的研究热点,并发展成为一种重要的科研工具。近期,一类基于光频梳相干合成的新型光源,可实现对光的偏振或轨道角动量进行射频波段的周期性且高速稳定的调制。本文从光频梳的基本概念出发,分别就偏振调制和轨道角动量调制两个方面,详细介绍了基于光频梳相干合成新型光源的基本原理、实验技术以及表征手段等的最新研究进展。最后简要讨论光频梳相干合成技术在固体光谱学、光学操控、光与物质相互作用等领域的应用前景。
可调微纳滤波结构的研究进展
余晓畅, 许雅晴, 蔡佳辰, 袁梦琦, 高博, 虞益挺
2021, 14(5): 1069-1088.   doi: 10.37188/CO.2021-0044
摘要(881) HTML全文(343) PDF 12124KB(138)
摘要:
传统的光谱成像系统体积较大、工作模式固定,难以满足日益复杂的应用需要。可调微纳滤波结构赋予了微型光谱成像系统轻量、灵活的独特优势,有望实现自适应、智能化的技术目标。本文综述了近些年来国内外已有的可调滤波方法和工作原理;论述了采用液晶及其他相变材料、诱导化学反应等静态式的可调方法,珐珀腔、微纳可调光栅等动态式的滤波结构以及机械拉伸、静电驱动、光驱动等实现手段;介绍了基于微流控芯片、石墨烯实现可调滤波的前沿工作;探讨了可调微纳滤波芯片面临的难题、挑战和未来的发展趋势。
弹性发射光学制造技术研究进展
李佳慧, 侯溪, 张云, 王佳, 钟显云
2021, 14(5): 1089-1103.   doi: 10.37188/CO.2021-0022
摘要(636) HTML全文(224) PDF 7589KB(112)
摘要:
深紫外光刻、极紫外光刻和先进光源等现代光学工程需求牵引先进光学制造技术持续发展,要求超光滑光学元件表面粗糙度达到原子级水平以及表面全频段面形误差达到RMS(Root Mean Square)亚纳米量级甚至几十皮米,推动超光滑光学元件制造要求不断逼近物理极限。目前,对于如何实现上述超高精度要求的超光滑加工技术及装备仍然存在技术挑战。尤其对如何实现柱面,椭球面,超环面等复杂曲面的原子量级超光滑加工仍是国内外前沿研究方向。弹性发射加工技术是一种去除函数稳定,超低亚表面缺陷,面向原子级的超光滑加工方法,可以作为加工上述精度要求光学元件的手段。本文总结了弹性发射加工技术的国内外研究现状及最新进展,归纳了弹性发射加工技术的原理,包含流体特性、抛光颗粒运动特性和化学特性,弹性发射加工装备,影响弹性发射加工技术表面粗糙度提升和材料去除效率的因素,分析了弹性发射加工技术面临的问题,展望了未来的发展方向,期望为弹性发射加工技术进一步发展和应用提供一定的参考。
先进光刻中的聚焦控制预算(I)-光路部分
钟志坚, 李琛毅, 李世光, 郭磊, 韦亚一
2021, 14(5): 1104-1119.   doi: 10.37188/CO.2021-0033
摘要(1126) HTML全文(301) PDF 4286KB(127)
摘要:
随着大规模集成电路芯片制造的技术节点不断缩小,光刻机的聚焦控制变得尤为困难。为了保证硅片曝光的质量,需要快速、准确地将硅片在几十纳米的聚焦深度范围(DOF)内进行快速调整。因此,需要仔细分析光刻过程中导致焦点偏移或工艺窗口变化的各种因素,制定合理的聚焦控制预算,将各种误差因素控制在一定范围内。本文聚焦极紫外(EUV)光刻,综述包含EUV在内的先进光刻机中光路部分对聚焦控制有影响的各种因素,总结它们产生的原理及仿真、实验结果,为开展先进光刻聚焦控制预算研究提供参考。
近1 μm波段可调谐光纤光源的研究进展
党文佳, 高奇, 李哲, 李刚
2021, 14(5): 1120-1132.   doi: 10.37188/CO.2021-0125
摘要(591) HTML全文(166) PDF 6378KB(72)
摘要:
近1 μm波段的可调谐光纤光源在光纤传感、激光冷却、光化学、光谱学以及医疗等领域具有广泛应用,近年来成为光纤光源领域的一个研究热点。本文首先系统回顾了能够实现波长调谐的4类光纤光源的发展历程,然后分析了它们存在的问题及可能的解决思路,最后对近1 μm波段可调谐光纤光源进行了总结和展望。
半导体激光器系统输出混沌激光研究进展
匡尚奇, 郭祥帅, 冯玉玲, 李博涵, 张依宁, 于萍, 庞爽
2021, 14(5): 1133-1145.   doi: 10.37188/CO.2020-0216
摘要(507) HTML全文(170) PDF 6559KB(93)
摘要:
混沌激光由于其类噪声的随机性和优良的抗干扰性,广泛应用于混沌保密通讯、激光雷达、光学检测等方面,而且半导体激光器自身体积小且结构稳定,成为产生混沌激光的主要激光器之一。但是,常规光反馈结构的半导体激光器系统输出的混沌激光信号带宽较窄且存在延时特征,这严重影响了混沌激光的应用。针对半导体激光器系统的上述问题,本文综合介绍了降低延时特征和优化混沌激光带宽的研究进展,对混沌保密通讯十分重要的混沌激光的同步性研究进展和半导体激光器系统输出的混沌激光在应用方面的研究进行了总结,并最终对半导体激光器系统输出的混沌激光的未来发展与应用前景进行展望。
增强现实显示技术综述
史晓刚, 薛正辉, 李会会, 王丙杰, 李双龙
2021, 14(5): 1146-1161.   doi: 10.37188/CO.2021-0032
摘要(1590) HTML全文(504) PDF 5479KB(331)
摘要:
增强现实显示技术近年来发展迅速,已成为全球信息技术及产业的研究热点和发展重点,有望彻底改变人们感知和处理各种数字信息的方式。同时,微显示技术和光学技术的最新进展为增强现实显示技术的进一步发展指明了方向。本文分析了人眼视觉系统对增强现实头戴式显示器的光学性能要求,将目前增强现实头戴式显示器可实现的规格与之进行比较,说明了现阶段增强现实显示技术的发展水平和面临的主要挑战;重点阐述了增强现实显示技术中各种微显示器和光学组合器的基本原理和所能达到的参数指标,说明了它们的技术先进性和可实现性,同时对它们的发展前景进行了展望。
人工原子间耦合:超构表面调控电磁波的新自由度
林婧, 李琦, 邱孟, 何琼, 周磊
2021, 14(4): 717-735.   doi: 10.37188/CO.2021-0030
摘要(1650) HTML全文(293) PDF 3209KB(546)
摘要:
近年来,纳米光学体系中共振体间耦合引起了人们的广泛关注。相对于单一光子共振结构体系,由多个光子共振体组成的复杂耦合体系有着更大的调控自由度和更令人着迷的现象。然而,相比人们在实验方面取得的进步,对于耦合问题的理论描述仍远未令人满意。本文从少体问题到周期性超构表面,从光子封闭体系到开放体系,系统介绍了多种处理共振体间耦合的理论工具,以及如何利用这些工具设计具有特定电磁波调控功能的新型超构表面。本文将着重展示本研究团队近些年在这一领域的研究进展,为相关领域研究人员提供指引与参考。
Topological circuit: a playground for exotic topological physics
LIU Shuo, ZHANG Shuang, CUI Tie-jun
2021, 14(4): 736-753.   doi: 10.37188/CO.2021-0095
摘要(907) HTML全文(387) PDF 15001KB(204)
摘要:
Exploring topological phases of matter and their exotic physics appeared as a rapidly growing field of study in solid-state electron systems in the past decade. In recent years, there has been a trend on the emulation of topological insulators/semimetals in many other systems, including ultracold quantum gases, trapped ions, photonic, acoustic, mechanical, and electrical circuit systems. Among these platforms, topological circuits made of simple capacitive and inductive circuit elements emerged as a very competitive platform because of its highly controllable degrees of freedom, lowercost, easy implementation, and great flexibility for integration. Owing to the unique advantages of electrical circuits such as arbitrary engineering of long-range hopping, convenient realization of nonlinear, nonreciprocal, and gain effects, highly flexible measurement, many of the nonlinear, non-abelian, and non-Hermitian physics can be potentially realized and investigated using the electrical circuit platform. In this review, we provide the first short overview of the main achievements of topological circuits developed in the past six years, primarily focusing on their theoretical modeling, circuit construction, experimental characterization, and their distinction from their counterparts in quantum electronics and photonics. The scope of this review covers a wide variety of topological circuits, including Hermitian topological circuits hosting nontrivial edge state, higher-order corner state, Weyl particles; higher dimensional topological circuits exhibiting nodal link and nodal knot states; non-Hermitian topological circuits showing skin effects, gain and loss induced nontrivial edge state; self-induced topological edge state in nonlinear topological circuit; topological circuit having non-Abelian gauge potential.
超构透镜的色差调控应用
林若雨, 吴一凡, 付博妍, 王漱明, 王振林, 祝世宁
2021, 14(4): 764-781.   doi: 10.37188/CO.2021-0096
摘要(791) HTML全文(160) PDF 6901KB(228)
摘要:
超构表面是由精心设计和排布的亚波长纳米单元组成的平面元件,其可以在微观尺度下调制电磁场,从而实现波前的任意调控。目前,它已被用来灵活地操纵相位、偏振、振幅等各种光学参数。超构透镜是超构表面中相当重要且非常活跃的一个研究方向,由于其厚度在波长量级,与传统光学透镜相比,能够显著增加光学器件的集成度并且降低结构复杂度。但是,单元结构材料的固有色散以及结构几何形状衍射效应导致的色差会严重影响超构透镜的成像质量,从而限制了其在光电子器件中的潜在应用。本文首先讨论超构透镜控制色差的原理。随后回顾了几种重要的成像应用,包括分立波长消色差,宽带聚焦成像,光场成像等重要的成像系统。最后,本文对超构透镜未来的发展方向和应用前景做出展望。
Optical vortices in nanophotonics
LI Chen-hao, MAIER Stefan A., REN Hao-ran
2021, 14(4): 792-811.   doi: 10.37188/CO.2021-0066
摘要(1098) HTML全文(423) PDF 3489KB(299)
摘要:
In the last two decades, optical vortices carried by twisted light wavefronts have attracted a great deal of interest, providing not only new physical insights into light-matter interactions, but also a transformative platform for boosting optical information capacity. Meanwhile, advances in nanoscience and nanotechnology lead to the emerging field of nanophotonics, offering an unprecedented level of light manipulation via nanostructured materials and devices. Many exciting ideas and concepts come up when optical vortices meet nanophotonic devices. Here, we provide a minireview on recent achievements made in nanophotonics for the generation and detection of optical vortices and some of their applications.
范德华尔斯材料在转角光学中的研究进展
郑嘉璐, 戴志高, 胡光维, 欧清东, 张津瑞, 甘雪涛, 仇成伟, 鲍桥梁
2021, 14(4): 812-822.   doi: 10.37188/CO.2021-0023
摘要(810) HTML全文(169) PDF 4757KB(197)
摘要:
极化激元是光与不同极化子相互作用形成的半光半物质的准粒子,可用于亚波长尺度的光场调控,在光学成像、非线性效应增强及新型超构材料设计等领域扮演着举足重轻的角色。近年来,随着人们对转角范德华尔斯材料体系的制备工艺和物性研究的不断深入,其中许多新奇的极化激元现象也被揭示。本文综述了近年来转角范德华尔斯材料在光学领域的研究进展,包含转角石墨烯体系中的等离极化激元,转角二维过渡金属硫化物中的激子极化激元与六方氮化硼(h-BN)与 α-MoO3体系中的声子极化激元等。最后展望转角二维范德华尔斯材料中的极化激元在纳米尺度下光与物质相互作用的有效控制方面所展现的巨大潜力。
超表面透镜的像差分析和成像技术研究
刘逸天, 陈琦凯, 唐志远, 赵庆, 片思杰, 刘鑫航, 林宏焘, 郝翔, 刘旭, 马耀光
2021, 14(4): 831-850.   doi: 10.37188/CO.2021-0014
摘要(1423) HTML全文(464) PDF 3928KB(354)
摘要:
传统光学透镜及光学系统基于光传播效应实现电磁波调控功能,其体积较大、不易集成。而超表面是由人工亚波长尺度单元构成的二维平面结构,由于其相对于传统透镜具有超薄的优势,并且可以实现对光场的任意调控,近年来在光学成像领域得到广泛研究和应用。本文阐述了超表面透镜的工作原理,分析了超表面成像透镜的单色像差和色像差成因以及对应的像质评价方法,之后综述了超表面成像透镜的研究现状及应用,最后总结了超表面在成像领域尚且存在的问题及其未来发展方向。超表面透镜便于集成、设计自由度高,有望在诸多应用领域取代传统成像器件,基于超表面的高效率、大视场、宽带、可重构可调谐成像器件将成为其未来重要发展方向。
原子层厚度超表面光场调控原理及应用
李昊, 胡德骄, 秦飞, 李向平
2021, 14(4): 851-866.   doi: 10.37188/CO.2021-0069
摘要(726) HTML全文(234) PDF 4678KB(123)
摘要:
超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台。二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能。本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面光场调控机制、制备以及应用,最后对原子层厚度超表面发展面临的挑战和潜在应用进行展望。
可形变光学超构表面及其动态调控
洪孝荣, 陈珊珊, 李家方
2021, 14(4): 867-885.   doi: 10.37188/CO.2021-0036
摘要(959) HTML全文(403) PDF 6720KB(218)
摘要:
经过近10年的发展,超构表面作为一种新型的二维人工微纳结构,在光场特性调控方面展现出了巨大的研究潜力。但要实现小型化、集成化的超构表面光电子器件,还需要进一步发展具备动态调控功能的光学超构表面。本文综述了近年来发展的可形变超构表面的研究进展,简要概述了以纳米剪纸技术为基础的可形变超构表面的设计和实现方法,并重点介绍了其在相位、偏振、光学手性、非线性辐射等方面优异的调控性能及其应用。这种灵活的、易实现的可形变超构表面在光场动态调控方面具有独特优势,为设计和实现新型微纳光电子器件提供了新的策略,有望推动新兴的应变光电子学的发展。

主管: 中国科学院

主办:  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国光学学会

主编: 王家骐 院士

ISSN 2095-1531

CN 22-1400/O4

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