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胶体光子晶体环的研制及其光学性能
丽影 崔, 扬 卢, 双玲 钟
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0107
摘要(2) PDF 557KB(0)
摘要:
为了满足图案胶体光子晶体在实际应用中的需要,提出旋涂这种简单胶体光子晶体环的快速制备方法。基底为圆型图案光刻胶结构,乳胶球为疏水核亲水壳结构聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳胶球。对所制备的样品进行形貌和光学性能表征,研究了旋涂速度、乳胶球浓度和不同圆型光刻胶图案基底对旋涂过程中乳胶球组装形貌的影响。结果表明制备胶体光子晶体环的最佳参数:旋速为2000 r/min,乳胶球浓度为7.5 wt%,圆型光刻胶结构的直径约为22.8 µm;环中乳胶球进行相对有序组装,与光谱图结果相一致,分析原因可能是由于组装时间太短导致。这种快速的胶体光子晶体环的成功构筑归因于图案基底的物理限域和浸润性差异,这种方法可能在光学器件、传感和防伪方面有着广泛的应用前景。
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
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0096
摘要(114) HTML全文(26) PDF 6942KB(26)
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。
图像辅助汽车制动主缸补偿孔法线测量
赵长福, 丁红昌, 曹国华, 侯翰
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0219
摘要(25) HTML全文(7) PDF 6415KB(4)
摘要:
随着道路上汽车的增多,汽车制动系统的可靠性受到越来越多的关注,基于机器视觉的汽车制动主缸补偿孔参数检测精度,是决定汽车安全性和停车可靠性的关键技术,补偿孔作为汽车制动主缸的重要组成部分,可以起到调节汽车制动主缸储液罐与压力室中制动液的重要作用,其尺寸精度和加工质量受到严格的控制,因此如何准确的获取补偿孔的图像是补偿孔参数检测的首要问题。通过将飞机钻铆孔法线找正的方法引入到图像获取中,将四点微平面法线检测方法与图像处理相结合,实现高效高精度的法线找正。实验表明,本文算法法线找正精度高于0.05°,优于传统检测精度的0.5°,检测时间小于1 s。本文提出的算法在满足精度要求的情况下,算法简单,实时性高,同时具有较好的鲁棒性,满足制动主缸生产工业现场对于检测速度和精度的要求。
同步辐射用36单元压电变形镜研制及其面形调控研究
袁德波, 许亮, 张文斌, 周志勇, 董晓浩, 刘正坤, 张国斌
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0103
摘要(202) HTML全文(69) PDF 3808KB(18)
摘要:
第四代同步辐射光源及自由电子激光装置中束线光学系统对光学元件性能提出了苛刻的要求。使用压电变形镜是实现超高面形精度调控和实施波前补偿的有效途径,也是目前亟需突破的国产化技术瓶颈。针对这一问题,研制了长度200 mm、含36单元压电促动器的压电变形镜。通过数值模拟优化了变形镜结构参数,利用国产工艺完成了变形镜样机的制作,并对其面形调控能力进行初步探究。测试结果表明:所研制变形镜样机的平面面形误差可降低至1.38 nm rms,斜率误差降低至240 nradrms,实现了平面面形的纳米级调控。
Study on the formation mechanism of the continuous spectral profile of lightning plasma
DONG Xiang-cheng, WANG Guo-wei, CHEN Jian-hong
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0018
摘要(85) HTML全文(36) PDF 3399KB(6)
摘要:
The cloud-to-ground lightning discharge spectrum was recorded using a slitless grating spectrograph with a spectral range of 400~1000 nm. Abundant monovalent nitrogen ion lines were observed in the lower-frequency range of the visible spectra, whereas other important ion lines were not clearly observed. Under the action of the cloud-to-ground electric field, a large number of electrons in the lightning plasma channel poured onto the ground, quickly heating the channel, with the temperature decreasing along the radial direction of the channel, thereby enhancing the interaction between the nitrogen ions and electrons near the channel surface, producing continuous radiation. The continuous radiation mechanism of lightning mainly includes bremsstrahlung and complex radiation, which correspond to the Coulomb collision between the nitrogen ions and free electrons and the capture of free electrons. When the plasma temperature is lower than 10,000 k, the continuous bremsstrahlung spectrum is a flat spectrum, which has no obvious influence on the profile characteristics of the continuous spectrum on in the visible light range. For complex radiation, an approximate calculation method of non-hydrogen-like was introduced on the basis of the classic hydrogen-like ion radiation theory, while the Gaunt factor was used for quantum mechanic correction to analyze the complex radiation process of nitrogen ions, derive the relationship between the complex radiation coefficient of the continuous spectrum and the wavelength, and draw a characteristic curve for the continuous radiation spectrum of nitrogen plasma. The curve was compared with the observed profile of the continuous lightning spectrum, revealing that the temperature of the electrons on the plasma surface is closely related to the position of the continuous radiation spectrum peak; the effective nuclear charge number Z* of the introduced nitrogen ions has a significant effect on the continuum spectrum broadening characteristics. By comparison, when Z* was set to 3, the theoretical curve was highly consistent with the profile characteristics of the continuous spectrum. The value range of Z* was determined by the type of ions. The introduction of Z* could help to effectively explain the step characteristics of the continuous spectrum of the lightning plasma at a given wavelength.
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
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0022
摘要(62) HTML全文(24) PDF 7591KB(6)
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,面向原子的超光滑加工方法,可以作为加工上述精度要求的光学元件的手段。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。
Experimental investigation on propagation characteristics of vortex beams in underwater turbulence with different salinity
Lu Teng-fei, Liu Yong-xin, Wu Zhi-jun
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2021-0001
摘要(62) HTML全文(35) PDF 1147KB(5)
摘要:
With the development of underwater optical communication, it is very important to study the propagation characteristics of light beams in ocean turbulence. In order to get closer to the actual situation, we build a device which can control both the salinity and the intensity of underwater turbulence to study the propagation characteristics of vortex beams and a Gaussian beam in underwater turbulence. The results show that compared with the underwater turbulence without sea salt, the light spot will be more diffuse and the light intensity will be weaker in the underwater turbulence with sea salt. The scintillation index of the vortex beam with topological charge m=2 in the underwater turbulence with salinity of 4.35‰ is larger than that in the underwater turbulence with salinity of 2.42‰, no matter it is strong turbulence or weak turbulence. When the vortex beam with m=2 propagates to the same distance, the scintillation index increases with the increment of the salinity and the intensity of underwater turbulence. Under different salinity conditions, the radial scintillation index of the vortex beam with m=2 decreases firstly and then increases with the increase of the radial distance. In addition, we set up another experimental device which can transmit a longer distance. The scintillation index of the vortex beam with m=2 is much higher than that of the Gaussian beam in the underwater turbulence within 20 meters, and the scintillation indices of both the vortex beam with m=2 and the Gaussian beam increase with the increase of the propagation distance.
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
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0071
摘要(116) HTML全文(27) PDF 5683KB(21)
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。
Illustrating the Helmholtz-Kohlrausch effect of quantum dots enhanced LCD through a comparative study
JI Hong-lei, CHENG Shang-jun, LI Peng-fei, ZHANG Yan, GE Zi-yi, ZHONG Hai-zheng
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0058
摘要(108) HTML全文(29) PDF 5881KB(15)
摘要:
Helmholtz-Kohlrausch effect (H-K effect) described the influence of color purity on the perceived brightness of a color object. Quantum dots (QD) based backlights can enhance the color quality of liquid crystal display (LCD) display with improved perceived brightness due to the well-known H-K effect. However, the H-K effect of QD embedded TV (also known as QLED TV) has not been fully demonstrated. In this paper, we investigated the H-K effect of QLED TV through a comparative study between QLED backlights and YAG-LED backlights. By comparing the viewers’ experimental results with the Kaiser and Nayatani model, we demonstrate that QLED TV shows significant H-K effect. To achieve the same perceived brightness with YAG-LED TV, the physical brightness of QLED TV was greatly decreased to 75% for pure red color, 86% for pure green color, and 74-88% for bright colorful images. Moreover, QLED TV is much preferred than the YAG-LED TV even when both QLED TV and YAG-LED TV show the same perceived brightness. The results imply the bright future of QLED TV toward health display.
Photon-assisted Fano resonance tunneling periodic double-well Potential characteristics
ZHANG Yong-tang
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0068
摘要(54) HTML全文(17) PDF 2279KB(1)
摘要:
Optical properties of periodic double-well potential are one of the frontier research fields in laser physics and quantum optics. In this work, we have employed time-periodic double-well potential for the investigation of Fano-type resonant tunneling of photon-assisted Dirac electrons in a graphene system. Using a double quantum well structure, it is found that the resonant tunneling of electrons in a thin barrier between the two quantum wells splits the bound state energy levels, and the Fano-type resonance spectrum splits into two asymmetric resonance peaks. The shape of Fano peak is regulated by changing the phase, frequency, and amplitude, that can directly modulate the electronic transport properties of Dirac in graphene. Our numerical analysis shows that the relative phase of two oscillating fields can adjust the shape of the asymmetric Fano type resonance peak. When the relative phase increases from 0 to \begin{document}$\pi $\end{document}, the resonance peak valley moves from one side of the peak to the other. In addition, the asymmetric resonance peak becomes symmetric at critical phase \begin{document}${{3\pi }/{11}}$\end{document}. Furthermore, the distribution of Fano peaks can be modulated by varying the frequency and amplitude of oscillating field and the structure of the static potential well. Finally, we suggest that these interesting physical properties can be used for the modulation of Dirac electron transport properties in graphene.
Calibration of single optical wedge test system using computer-generated hologram
CAI Zhi-hua, WANG Xiao-kun, HU Hai-xiang, CHENG Qiang, WANG Ruo-qiu, ZHANG Hai-dong
当前状态:  doi: 10.37188/CO.EN.2021-0004
摘要(57) HTML全文(27) PDF 3743KB(0)
摘要:
The single wedge compensation test method, as a testing method for large convex aspheric surface, has good applicability, robustness, and flexibility. However, various errors are coupled with one another during the test process and these errors are difficult to decouple; this affects the accuracy and reliability of the test process. To address this, a method is developed to calibrate the system error of single optical wedge test path using computer generation hologram (CGH). This study first analysed the source of the system error in the optical path of single optical wedge compensation test as well as the feasibility of using CGH for the calibration of an optical wedge compensation test system. In combination with engineering examples, a CGH is designed for optical wedge compensators with a diameter of 150 mm. Based on the analysis results, the calibration accuracy of the CGH is 1.98 nm RMS, and after calibration the test accuracy of single wedge compensation is 3.43 nmRMS, thereby meeting the high-precision test requirements of large convex aspheric mirrors. This shows that CGH can accurately calibrate the pose of single optical wedge compensators and test system errors of optical paths, address the problem of error decoupling in test optical paths, and improve the accuracy and reliability of the single optical wedge compensation method. Meanwhile, using CGH calibration, the system errors of the test optical paths, Tap#2 and Tap#3, are 0.023 and 0.011 λ RMS, respectively.
基于粒子群算法离轴多反光学系统设计
吴越, 王丽萍, 于杰, 张旭, 金春水
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0087
摘要(24) HTML全文(12) PDF 3776KB(1)
摘要:
满足像差平衡和多约束控制的初始结构构建,是实现极小像差离轴多反光学系统设计的关键。本文基于空间光线追迹与像差矫正相结合的分组设计方法建立离轴多反的初始结构计算的数学模型,提出了一种改进的粒子群算法解决离轴多反光学系统的初始结构问题,采用带收缩因子的自然选择的粒子群算法提高了计算精度,提升了设计效率,获取离轴多反光学系统的初始结构。最后,本文以离轴六反的极紫外光刻投影物镜为例,验证了此方法的可靠性和有效性,实现了0.33NA极紫外光刻物镜综合波像差优于\begin{document}$1/80\lambda $\end{document}RMS光学系统设计。
基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器的理论分析
张淑芬, 姜珊, 董磊, 王建立, 吴娜, 李文昊
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0051
摘要(59) HTML全文(15) PDF 3209KB(8)
摘要:
为克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等参数难以兼顾的问题,本文研究了一种基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器结构。利用角谱理论,建立了星光入射角度与探测器上像点质心位置、像点能量之间的数学模型,确定了干涉星敏感器利用像点质心位置和相对能量分别进行粗定位和精定位的方法及粗精定位结合的方法,得出了干涉星敏感器单星测量角分辨率和光栅周期、两块光栅之间的距离及像点光强信号电子学细分倍数有关的结论。通过计算机进行仿真模拟,验证了干涉星敏感器精定位及粗精定位结合的可行性。在光栅周期50 μm,两块光栅距离50 mm,像点光强信号每变化一个周期采用1024倍电子学细分的情况下,单星测量角分辨率达0.1″,与传统星敏感器相比精度有效提高。
应用于作物荧光检测的改进型Offner光谱仪设计
范纪泽, 李博, 张璐, 巨燕方
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0073
摘要(74) HTML全文(48) PDF 5559KB(4)
摘要:
  目的  为了对作物进行更灵敏、高效的生长监测,国内外相继设计了各类高光谱分辨率的光谱仪用来探测叶绿素荧光效率。本文对传统Offner光谱仪系统进行改进,得到了更高光谱分辨率的整体结构。  方法  选用了双反望远系统,光谱仪部分采用高刻线密度反射型凸面光栅,实现更高的光谱分辨率的光谱仪,在此基础上再添加放大透镜以满足长狭缝需求,同时得到了一种狭缝-像面在光栅同一侧的Offner结构。利用codev软件对望远系统和光谱仪部分的初始结构进行优化。  结果  结果表明,工作在670 nm~780 nm波段范围内时,光谱分辨率0.3 nm,在截止频率17 lp/mm下整体调制传递函数MTF>0.75,各视场条件下弥散斑均方根半径RMS<15 μm。  结论  可满足作物生长的叶绿素监测领域的高精度、实时性要求。
GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用
谢耀, 华道柱, 齐宇, 沈婷婷, 刘振强, 叶华俊, 刘维屏
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0064
摘要(72) HTML全文(25) PDF 2614KB(5)
摘要:
固定污染源烟气各领域超低排放标准的相继出台,给监测仪器仪表开发带来了全新的挑战,同时“碳达峰,碳中和”的提出,CO2等温室气体监测需求迫切,常规的烟气在线监测产品已经很难满足越来越严的监测标准,以及多因子同时监测的需求。本文介绍了基于非分散红外原理的多组分微量气体分析系统的研究,建立气体滤波相关(GFC)和干涉滤波相关(IFC)技术的的理论模型,建立有效光程、滤光片中心波长和带宽等关键系统参数,以及待测气体浓度与测量和参考信号的关系,确定各气体组分所采用的测量技术。构建多组分微量气体分析系统,GFC和IFC技术相结合,在时域上实现参考和检测的双光路设计,采用长光程的多次回返气体室,实现小量程和亚ppm的检出限,以及不超过±2%F.S.的24 h零点和量程漂移,可同时在线监测SO2、NO、NO2、CO和CO2等气体污染物,满足固定污染源超低排放和碳排放的监测需求,有助于解决固定污染源烟气排放监测数据的真实、准确和全面的问题。
二元计算全息法产生复杂无衍射光束
杨婧羽, 任志君, 黄文俊, 许富洋
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0061
摘要(42) HTML全文(14) PDF 3675KB(8)
摘要:
无衍射光束是一种能在自由空间稳定传输的光束。近来,一类具有复杂光学形态的无衍射光束被引入,比如马蒂厄光束、抛物光束、非对称贝塞尔光束等。为了产生具有复杂结构的无衍射光束,需要对光波进行复振幅调制,即同时调制光波的振幅和相位。但目前的商用光学调制元件只能调制光波的振幅或相位。本文基于二元计算全息法,编码二维复透过率函数分布,构建了具有复振幅调制功能的二元实振幅非负计算全息图。利用实验室自主研发的投影成像光刻系统,对银盐干板进行曝光处理,经显影、定影处理,将其加工为相应的振幅掩膜板,用来精确产生了具有复杂结构的无衍射光束。以无衍射马蒂厄光束为例,采用罗曼型迂回相位编码方法,在全息图每个抽样单元内开一个矩形通光孔径,通过改变通光孔径的面积来对复值光波的振幅进行编码,通过改变通光孔径中心偏离抽样单元中心的距离,来对复值光波的相位进行编码。最终典型构建了两种产生马蒂厄光束的二元实振幅计算全息图,其像素数高达28000×28000。之后利用加工好的振幅掩膜板,准确、方便、高效地产生了的椭圆系数q=10,拓扑荷数m=0与m=1的第一种偶型马蒂厄光束,其它类型的马蒂厄光束可相应产生,这是一种光束形态多样、光束结构复杂的无衍射光束。实验结果证实了,采用罗曼型迂回相位编码方法产生具有复杂结构的无衍射光束,有效避免了实验过程中分离的相位调制元件和振幅调制元件之间的对准误差,二元计算全息编码法是一种能用来调控产生复杂结构无衍射光束的新途径。
全自动推扫式高光谱显微成像系统设计与研究
唐凌宇, 葛明锋, 董文飞
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0040
摘要(46) HTML全文(20) PDF 5199KB(6)
摘要:
为了将光谱成像技术更方便的引入显微成像领域,本文将高光谱成像技术与显微成像技术结合,搭建出一套全自动推扫式高光谱显微成像系统。系统以倒置显微镜为主体进行设计,采用棱镜-光栅元件进行光谱分光,利用高精度二维电动运动平台进行推扫,同时结合电动对焦组件完成对焦,最后成像在高灵敏sCMOS科学相机上。根据大多数生物样本光谱检测需求,系统的光谱范围选择420~800 nm。经光谱定标和空间分辨率测试,确定系统的光谱采样率为2.06 nm,光谱分辨率均值优于3.5 nm,空间分辨率优于0.87 μm。系统引入激光自动对焦系统作为主动对焦模块,以HE染色的乳腺癌病理切片为研究对象,实验分别采用被动对焦和主动对焦方式进行推扫成像,并比较分析两种方式的优劣,认为两者均可以满足大视场成像的需求,但主动对焦成像更快速、更清晰,更加适合推扫式高光谱显微成像系统。通过对全自动推扫式高光谱显微成像系统的设计与研究,解决了高光谱显微成像中无法实时对焦的难题,实现了40倍显微物镜下3.25 mm×3.25 mm范围内全自动成像,有利于促进光谱技术在生物医学等领域中的应用。
高精度硅基集成光学温度传感器研究
王艺蒙, 舒浩文, 韩秀友
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0054
摘要(95) HTML全文(37) PDF 4734KB(7)
摘要:
传统温度检测在传感精度和响应时间等方面存在一定局限性,而基于热光效应的芯片级光电传感器不仅能够提升测量灵敏度和速度,也有利于降低系统复杂度和制造成本,近年引起了人们广泛的关注。目前的集成温度传感器大多采用测量光学谐振腔对宽谱光源或可调谐光源的光谱响应来提供精准快速的测量解决方案,但这种基于宽光谱检测的方案无法实现实时处理,且成本较高,信号后处理较复杂,难以实现系统的整体集成。本文针对以上问题,采用硅基集成微环阵列技术设计了快速高精度的温度测量方法,通过对不同温度下级联微环阵列对单频激光的不同响应,构建光电二极管输出响应与温度变化的单调关系,从而实现实时高精度温度测量。为了提升单频光下的温度传感范围,使用多微环级联结构,并基于该结构设计了一种包括光源、微环阵列、探测器阵列、信号后处理单元和输出数据单元的硅基集成温度传感系统。根据实际用途的不同,在保证低功耗低成本的同时,该系统可以通过分别对级联微环数量、中心谐振波长以及谐振峰半高宽的设计改变温度测量范围以及温度测量分辨率,拥有比较大的设计自由度以及灵活的测量范围。通过对微环阵列的优化设计,实现了响应范围覆盖−20~105 ℃、精度优于60 mK、响应时间优于20 μs的精准快速测量的温度传感。
空间激光干涉仪激光抖动噪声抑制研究
王璐钰, 李玉琼, 蔡榕
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0045
摘要(43) HTML全文(11) PDF 4815KB(0)
摘要:
  目的  在“太极计划”中,由卫星抖动引起的激光抖动噪声是影响激光干涉测量精度的主要噪声源之一,为保证测量精度,需抑制该噪声至10 nrad/√Hz@10 mHz。  方法  首先,采用由四象限光电探测器和相位计组成的角度敏感器进行角度信号测量,并利用马赫-曾德干涉仪结合比例-积分-微分控制技术,搭建了地基激光抖动噪声抑制系统。其次,分析了系统反馈控制能力以及系统对于抑制激光抖动噪声的有效性。  结果  实验结果表明:该系统可有效抑制激光抖动噪声,使得激光抖动噪声<4 nrad/√Hz@10 mHz。  结论  实验推进了“太极计划”对激光抖动噪声抑制水平的研究,为激光干涉测量奠定了物理实验基础。
用于碟式微流控芯片的尿液生化检测系统研制及应用
孟永康, 雷祝兵, 梅茜, 董文飞
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0067
摘要(65) HTML全文(24) PDF 6036KB(7)
摘要:
针对尿液自动化、快速检测的需求,结合微流控技术与生化分析技术,设计并制备了一种基于离心力驱动的碟式微流控尿液生化检测芯片。该芯片采用微流道与毛细阀、虹吸阀和铁蜡阀结合可实现微量样品和试剂有序输送、混合及检测等集成功能,通过COMSOL多物理场仿真软件对芯片上毛细阀和虹吸阀结构进行仿真分析,优化转速。围绕微流控芯片,研制一套小型化、全自动尿液生化检测系统,通过双光路设计和双波长检测方法减低光源波动和背景干扰对检测结果的影响,并在该系统上进行尿视黄醇结合蛋白重复性和校准分析。结果显示,该系统的精密度变异系数在1.3%~2.46%,说明系统具有较好的重复性。校准曲线表明浓度和吸光度值有良好的线性相关性(R2=0.995)。芯片上四个相同单元结构可完成多样本或多指标的并行检测,有望应用于尿液蛋白的快速检测。
基于希尔伯特-黄变换的双马赫-曾德分布式光纤传感振动定位方法
杨文晨, 秦增光, 刘兆军, 徐演平, 李钊, 渠帅, 丛振华, 王泽群
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0065
摘要(44) HTML全文(19) PDF 3438KB(6)
摘要:
双马赫-曾德干涉仪系统以其光路简单、灵敏度高、频率响应宽等独特的优势受到了广泛的关注及应用,但由于其非常容易受到外界环境噪声的影响,直接采取互相关计算方法获取扰动信号位置会导致较大的测量误差。本论文提出了一种基于希尔伯特-黄变换(HHT)的数据信号处理方案用于实现高精度的分布式光纤振动定位检测。本方法通过对接收到的两路光信号进行经验模态分解得到本征模函数,并对所有本征模函数进行希尔伯特变换叠加得到希尔伯特谱,从而可以清晰直观的提取到由振动信号引起的高相似度光信号信息,再通过互相关计算由振动信号引起的时间延迟,从而准确的计算振动位置信息。相比于传统的直接互相关计算,本方法可以有效的识别及提取双马赫-曾德干涉仪(M-Z)系统中振动信号引起的特征信息,从而可以有效的降低外界环境噪声对系统的影响,减小定位误差。本论文对所提出的方法进行了相关理论分析,并搭建了双M-Z系统进行相关实验验证。实验结果表明,与传统直接互相关方法相比,本方法可以有效的减少互相关数据的计算量,同时该方法可以有效的提高对振动位置的定位精度,在2 km的传感光纤长度、10 MHz采样率下,定位精度可达10 m。因此,本论文所提出对基于双马赫-曾德干涉仪系统的分布式光纤传感技术具有较高的实际应用价值。
蓝光二极管抽运Pr:YLF腔内倍频连续深紫外激光器
牛娜, 窦微, 浦双双, 刘天虹, 魏程亮, 宋海龙, 郑权
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0077
摘要(84) HTML全文(67) PDF 3460KB(6)
摘要:
为了探究波长200~280 nm内连续深紫外激光输出,本文采用输出功率1.4 W中心波长444 nm和输出功率1.5 W中心波长469 nm的两个蓝光LD合光作为泵浦源,端面泵浦长度为5 mm的国产Pr:YLF晶体,再利用长度为7 mm的BBO作为倍频晶体进行腔内倍频,通过优化腔镜膜系设计和加入全波片配合波长选择,实现了Pr:YLF晶体的弱谱线倍频输出,最终成功获得了最大输出功率8.37 mW、中心波长为268.89 nm的连续深紫外激光。
可调微纳滤波结构的研究进展
许雅晴, 余晓畅, 蔡佳辰, 袁梦琦, 高博, 虞益挺
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0044
摘要(126) HTML全文(78) PDF 4722KB(20)
摘要:
第四次世界科技革命汹涌而来,智能化、信息化加速演进,推动着探测识别领域的技术革新。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更加轻量、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。
油气井下光纤光栅温度压力传感器
薛兆康, 国旗, 刘善仁, 潘学鹏, 陈超, 于永森
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0008
摘要(82) HTML全文(39) PDF 3662KB(9)
摘要:
温度和压力是石油开采过程中重要的参数,但油气井下高温高压环境苛刻,传统电子传感器很难实现长期稳定的工作。本文提出了一种基于碳纤维管增敏型的光纤光栅温度压力传感器。该传感器是以碳纤维丝编织成的中空管状结构作为骨架,通过耐高温环氧树脂固化成复合碳纤维管作为弹性体,并将表面嵌入耐高温光纤布拉格光栅作为感知元件,实现了井下温度和压力的同时测量。实验结果表明,该传感器可以在0~150 ℃和0~80 MPa环境下稳定工作,压力灵敏度最大可达到−50.02 pm/MPa,同时表现出很好的线性响应。通过外加参考光栅作为温度补偿光栅,解决了温度和压力同时测量过程中的交叉敏感问题,满足了井下开采过程中的精度要求,为油气井下高温高压光纤传感器的设计提供了实验依据。
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
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0032
摘要(187) HTML全文(84) PDF 4086KB(51)
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。
新型自动化细胞涂片和激光释放系统用于近红外光响应释放有核红细胞
郭钟扬, 尤倩楠, 葛明锋, 王国伟, 梅茜, 董文飞
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0015
摘要(77) HTML全文(32) PDF 9468KB(3)
摘要:
  目的  为了实现外周血有核红细胞的分离与释放,开发安全有效的非侵入式技术分离有核红细胞用于产前胎儿疾病诊断,以水凝胶材料为基底建立自动化细胞涂片制备系统,并构建用于识别释放有核红细胞的激光会聚和显微成像系统。  方法  首先,设计了细胞涂片制备机的机械结构,基于单片机制作上位机控制软件,优化推片角度和速度参数制备水凝胶膜基底涂片,在温敏水凝胶明胶中引入二维材料MXene,结合MXene的近红外光热转换特性,在水凝胶膜表面实现近红外光响应。然后在水凝胶基底膜表面进行全血推片实验,优化血液推片参数,制备得到单层细胞涂片。最后,建立激光会聚和显微成像光路,对有核红细胞进行识别定位后,808 nm激光器的光源经过准直镜和会聚镜聚焦到细胞涂片表面,产生光热效应进行细胞释放。  结果  实现了单层细胞涂片的加工制备,在808 nm近红外光下产生光热效应,经过激光会聚系统的调控,最终得到了光斑直径为300 μm的细胞定点释放区域。  结论  本文将自动推片技术应用于以水凝胶膜为基底的单层细胞涂片的制备,建立激光会聚与显微成像光路,通过水凝胶膜的近红外响应以及热响应特性,实现了有核红细胞的识别与定点释放,提高了有核红细胞分离富集的效率,在产前筛选诊断领域中具备广阔的应用前景。
Ag@SiO2核壳纳米颗粒对Eu-PMMA薄膜的发光增强效应
龙江迷, 陈晓波, 赵国营, 李永良, 郭敬华, 王杰亮, 李崧, 刘泉林
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0013
摘要(61) HTML全文(27) PDF 1017KB(1)
摘要:
为了提高稀土离子的发光性能,在稀土发光材料中引入了贵金属纳米颗粒。金属等离子体共振可以产生局域电场,作用于稀土离子的发光过程,能达到发光增强的效果。Ag@SiO2核壳结构纳米颗粒可以有效控制金属Ag与稀土离子之间的距离,既能达到等离子体共振增强的效果,又可以避免与发光中心距离过近时产生非辐射能量传递导致的荧光淬灭。首先,用滴铸法先将不同浓度的Ag@SiO2纳米颗粒滴在石英片上,接着,将Eu(dbm)3phen:PMMA: 二氯甲烷混合溶液通过旋涂制备得到Eu-PMMA复合薄膜。对样品进行形貌表征和发光测量,发现Ag@SiO2纳米颗粒的引入使薄膜的发光强度得到增强,测量的激发光谱的最大增强因子为2.50倍,发射光谱的最大增强因子为2.15倍。对样品进行荧光寿命测量,含有Ag@SiO2纳米颗粒的薄膜样品的发光寿命也得到延长。引入Ag@SiO2纳米颗粒增强发光展现了良好的增强效果,且实验方法可操作性强,是一种具有良好应用潜力的增强稀土发光材料的发光强度的方法。
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
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0003
摘要(223) HTML全文(85) PDF 5071KB(55)
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。本文基于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。
应用于大视场生物成像分析仪的离轴三反显微物镜设计
刘广兴, 张洋, 朱海龙, 尹焕才, 唐玉国
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0020
摘要(46) HTML全文(16) PDF 7322KB(3)
摘要:
  目的   大视场生物成像分析仪能够满足稀有细胞和痕量病原微生物等待测样本量大,目标物稀少的情况下进行快速和准确检测的需求,在生命科学、食品药品检测、环境安全等领域中,有极其重要的作用。   方法   显微物镜以同轴三反成像理论为基础,采用视场离轴的方式设计,采用光学仿真分析,该系统光谱范围350−1100 nm、放大倍数β=−1,视场范围为150 mm×20 mm,数值孔径0.1,点列图直径的均方根小于3.5 μm,在空间截止频率178 lp/mm处,全视场的MTF均值大于0.35,畸变为0。   结果   实验结果表明:成像系统视场大、分辨率高,大视场生物成像分析仪系统检出率为98%。   结论   设计的离轴三反显微物镜成像质量良好,可满足应用需求。
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
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0216
摘要(78) HTML全文(36) PDF 5073KB(14)
摘要:
混沌激光由于其类噪声的随机性和优良的抗干扰性等优点,广泛应用于混沌保密通讯、激光雷达、光学检测等方面,而半导体激光器由于自身具有体积小和结构稳定等优点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具有的信号带宽较窄和存在延时特征的问题严重影响了混沌激光的应用。针对半导体激光器系统的这些问题结合近几年文献综合性介绍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。
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
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0033
摘要(211) HTML全文(50) PDF 4283KB(19)
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。为此人们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。
高分辨率可视穿刺针光学系统的设计与研制
陈新华, 罗宗平, 杨惠林, 赵知诚, 沈为民
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0001
摘要(109) HTML全文(48) PDF 2501KB(6)
摘要:
  目的  为了实现穿刺过程中的精准定位,设计研制了一款视场角为90°,焦距为0.67 mm的高分辨率可视穿刺针光学系统。  方法  为使光学系统的光轴垂直于穿刺针的倾斜刃面,利用反射棱镜对光束进行转折,实现45°视向角。光学系统采用反远结构,并对初始结构参数计算公式进行推导。优化设计后,系统成像质量接近衍射极限,最大光学元件尺寸小于1.5 mm。  结果  利用研制的光学系统和微型CMOS图像传感器,装配完成了一款直径4 mm的可视穿刺针。  结论  对该可视穿刺针分别进行调制传递函数(MTF)测试和成像试验,测试结果表明,研制的光学系统具有较好的成像质量,物方分辨率优于18.03 lp/mm,能够实现清晰成像。
Study of surface plasma resonance characteristics of a graphene nano-disk based on three-dimensional boundary element method
Wang Shuo, Hu Bin, Liu Juan
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0004
摘要(86) HTML全文(25) PDF 3854KB(4)
摘要:
Compared with the commonly used simulation algorithms such as finite element method (FEM) and finite-difference time-domain (FDTD) method, the boundary element method (BEM) has the advantages of high accuracy, small memory consumption, and ability to deal with complex structures. In this paper, the basic principle of three-dimensional BEM is given, the corresponding program based on C++ language is written, and the surface plasmon resonance (SPR) characteristics of a graphene nano-disk structure are studied. The scattering cross-section (SCS) spectral lines of a graphene nano-disk under different chemical potentials, as well as the distributions of electromagnetic fields at the resonance wavelengths are calculated. The electromagnetic response of the graphene nano-disk in the infrared band is analyzed. In addition, considering the common corrugations of graphene materials caused by defects during processing, we study the influence of the geometric parameters of a convex structure in the center of the graphene nano-disk on the resonance intensity, wavelength and field distributions. A spring oscillator model of charge movement is used to explain the simulation results.
DMD超分辨成像光学系统装调误差影响研究
邢思远, 王超, 徐淼, 李英超, 史浩东, 刘壮, 付强
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0220
摘要(74) HTML全文(29) PDF 6357KB(10)
摘要:
目前对于超分辨成像技术的研究主要集中在超分辨重建算法方面,光学系统本身的装调误差对超分辨成像结果的影响尚未见报道。针对这一问题,开展了装调误差对超分辨成像影响的研究,建立了基于数字微镜器件(DMD)的超分辨成像光学系统的基本成像模型,设计了一个工作波段为8~12 μm的DMD超分辨成像光学系统,提出了装调误差对超分辨成像质量影响的分析方法。在成像模型中分别引入适当的偏心、倾斜、镜片间隔误差、离焦等装调误差,对超分辨重建结果进行仿真分析,得出了该超分辨成像光学系统装调时的公差范围:该系统在加工装调时X方向总体偏心误差控制在±0.07 mm以内,Y方向总体偏心误差控制在±0.05 mm以内,X方向和Y方向的总体倾斜误差控制在±0.06°以内,总体镜片间隔误差控制在±0.02 mm以内,成像物镜的离焦量控制在±0.04 mm以内,投影物镜的离焦量控制在±0.05 mm以内,在此范围内超分辨成像光学系统可以保证超分辨成像的质量。
20 m水下无线蓝光LED通信系统样机设计
董冰, 佟首峰, 张鹏, 王大帅, 马晨源
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0191
摘要(62) HTML全文(27) PDF 3583KB(1)
摘要:
在清澈海水中,透射窗口在蓝绿光波段,蓝光在海水中具有很好的传输特性。为了满足深海观测网络及平台间的高速率、大容量的通信需求,本文提出了一种水下无线可见光通信系统,采用470 nm LED阵列拼接结构,增大束散角,并且提出采用菲涅尔透镜作为光学天线,实现大视场接收,在20 m的水下通信距离下,成功实现了5 Mbps通信速率,误码率低至10−6的可靠通信,并完整的组装出了工程样机,为后续的水下动态激光通信系统奠定了基础。
用于胶囊内窥镜的宽频圆极化石墨烯天线设计
欧仁侠, 尤明慧, 房吉博, 李俊瑶
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2021-0005
摘要(67) HTML全文(29) PDF 2677KB(2)
摘要:
为了提高胶囊内窥镜天线工作性能,提高天线抗干扰能力和兼容性,进一步缩小尺寸,设计了一种基于石墨烯的用于胶囊内窥镜的宽频圆极化天线。该天线由三层辐射单元和地板构成,利用石墨烯薄膜优良的导电性能,制作天线的各层辐射单元和地板,能够有效增强胶囊天线的工作带宽与增益,提高传输效率并降低损耗。通过四个短路探针使第一层与第二层辐射单元相连接,构成复合螺旋天线,进而产生圆极化特性,既能减少误码率又能抑制多径干扰,并且能够更加高效的耦合电磁能量,有效改善阻抗匹配并调节圆极化纯度。详细分析了第一层、第二层和第三层辐射单元开口圆环尺寸、石墨烯薄膜厚度、天线摄入胃、小肠、结肠等环境对天线性能的影响。测试结果表明,设计的体积仅为π×(4.5)2×1.905 mm3,阻抗带宽为2.2~2.78 GHz,轴比带宽为2.26~2.66 GHz,增益为−22.9 dBi,实际测量与仿真结果吻合良好,工作频段内辐射特性稳定,与现有技术相比,外形兼容性强,功能带宽更宽,具有宽频带、圆极化、抗干扰、电磁兼容性好、体积小等特点。该天线适用于ISM 2.4 GHz频段,能满足胶囊内窥镜摄入不同消化器官的工作要求。
LOT拼接非球面子镜反衍补偿检测光路设计
王丰璞, 李新南, 徐晨, 黄亚
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0218
摘要(133) HTML全文(46) PDF 3885KB(8)
摘要:
大型光学红外望远镜(Large Optical Telescope, LOT)主镜为拼接镜面,等效口径12 m,焦比F /1.6,由多种不同类型离轴非球面六边形子镜拼接而成,拼接子镜对角径1.44 m。为了实现大口径、长焦距、批量化离轴镜面的高精度面形检验,本文提出了一种零位反衍补偿检测方案,采用计算全息和球面反射镜共同对离轴镜面法向像差进行补偿,检测光路波像差残差接近于零。检测方案为非轴对称离轴结构,设计了相应的全息对准光路,以保证检测光路装调切实可行。不同离轴量子镜检测光路参数完全一致,仅需更换相应位置计算全息片、调整待测镜空间姿态,即可实现不同类型镜面的快速批量化检验。误差分析表明,由补偿元件制造误差、光路失调、干涉仪面形测量重复性以及干涉仪标准球面波偏差引起的待测镜面形误差小于λ/40 (RMS值,λ=632.8 nm)。
星模拟器光学系统视场拼接方法的研究
付景怡, 秦天翔, 黄蕴涵, 刘智颖
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0221
摘要(80) HTML全文(25) PDF 3857KB(11)
摘要:
大视场星模拟器可以提供更广的星图范围。但是现有星模拟器受显示芯片尺寸的限制,最大视场不超过30°。为了解决星模拟器光学系统视场增大的难题,本文提出一种将同一规格的星模拟器视场拼接从而扩大视场的方法。为了降低成本、减少系统整体重量与复杂程度,以最少的拼接数目实现最大的拼接视场,文中针对视场重叠区域进行详细的计算与分析,提出以平面拼接为基础的形式简化拼接模型,得到正三角形、正四边形、正六边形三种典型的拼接方式,并推导了三种拼接方式下视场利用率的计算方法。提出了单一视场坐标计算方法,据此确定每个视场中心位置,得到准确拼接数目。最后对比结果显示,正六边形拼接方式具有视场利用率更高、拼接数目更少的突出优势,为大视场星模拟器设计提供依据。
抛撒地雷的夜视智能探测方法研究
王驰, 于明坤, 杨辰烨, 李思远, 李富迪, 李金辉, 方东, 栾信群
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0214
摘要(108) HTML全文(42) PDF 3710KB(9)
摘要:
提出并研究一种基于机器学习的抛撒地雷的夜视智能探测方法及系统。首先,根据YOLO系列机器学习算法,设计并优化了抛撒地雷的智能检测网络模型;其次,根据几何光学成像的相似性原理,研究抛撒地雷的测距模型。最后,搭建抛撒地雷的夜视智能探测系统进行实验测试分析。实验结果显示,优化后抛撒地雷智能探测网络模型的准确度达到98.97%、召回率达到99.22%、均值平均精度为99.2%;在给定的实验条件下,利用优化后的抛撒地雷测距模型,对抛撒地雷的距离测算误差±10 cm。表明利用机器学习可以对抛撒地雷进行智能探测方法的应用研究。
大口径天基平台全谱段成像光学系统设计
李轶庭, 付岳刚, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2019-0255
摘要(292) HTML全文(99) PDF 1984KB(23)
摘要:
针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难,信号采集处理时间长的问题,利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点,提出采用压缩感知的大口径全谱段快照式光谱仪的方案。对其光学系统结构进行设计,并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统,用分色片对系统分光,经过对各系统优化处理,最终获得了幅宽为400 km◊400 km,可见光分地面像元分辨率为40 m,中波红外地面像元分辨率为400 m,长波红外地面像元为625 m的光学系统,设计结果MTF可见光路在78.125 lp/mm高于0.455,中波红外光路在33.3 lp/mm高于0.518,长波红外光路在20.8 lp/mm高于0.498;系统光谱分辨率分别为可见光20 nm、中波红外50 nm、长波红外光150 nm;可见光路二级光谱小于0.05 mm,设计结果具有良好的成像质量,各部分光学系统成像质量接近衍射极限,设计结果满足应用和指标需求。
中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究
李元, 张勇, 胡丽琴, 陆其峰, 卢乃锰
当前状态:  doi: 10.37188/CO.2020-0129
摘要(365) HTML全文(97) PDF 4273KB(16)
摘要:
中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区在国内外遥感卫星在轨辐射定标与定量化应用领域具有不可替代的作用。随着2016年敦煌场区外围南侧熔盐塔式光热发电项目的建成并投入使用,集热塔散射辐射对场区光环境的影响程度有待开展详细的分析评估。本文开发了使用Monte Carlo三维辐射传输模型模拟与CE318多通道光度计等高线实测分析相结合的定量分析方法,解决了散射辐射交融于背景辐射中难以定量评估的问题。通过使用新型的ASC200云量自动观测仪,提高了晴空判识精度。通过开发CE318四象限定位修正算法,有效提高了观测数据质量。2020年1−3月收集到的有效数据显示除了550 nm通道,集热塔未对天空漫射辐射带来明显影响。对于500 nm通道,在有效数据对应的观测几何下(距离0.87−3.07 km,观测天顶角77.30−51.32°),集热塔吸热器对天空漫射辐射的影响不超过0.93%。与模型模拟的结果结合起来分析后,可以得出当距离电站2公里时大电站散射辐射带来的天空漫射辐射相对变化<1.62%,大于等于3公里时相对变化<0.93%的结论。本项研究成果对利用敦煌场开展遥感定量化应用,准确评估发电站引进的不确定度因素具有积极意义。
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](126) [HTML全文](43) [PDF 3209KB](38)
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](67) [HTML全文](26) [PDF 15001KB](21)
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.
基于伴随仿真的偏振复用超构透镜
刘永健, 张飞, 谢婷, 蒲明博, 赵泽宇, 李雄, 马晓亮, 沈同圣, 罗先刚
2021, 14(4): 754-763.   doi: 10.37188/CO.2021-0035
[摘要](171) [HTML全文](49) [PDF 2117KB](39)
摘要:
偏振成像技术在目标探测、生物医学等领域具有重要应用价值,基于超构表面设计的偏振成像系统可以有效避免传统偏振成像系统存在的结构复杂、体积和质量大等问题,有利于实现光学系统微型化、轻量化和集成化。然而,传统超构表面设计方法忽略了超构表面结构的局部非周期性引起的近场电磁耦合,在大数值孔径的条件下会严重影响器件的衍射效率。为了解决这个问题,本文提出了一种基于边界优化的偏振复用超构透镜设计方法,并由此设计了一种能对xy偏振光独立调控的大数值孔径(~0.94)偏振成像超构透镜。在基于人工择优初始结构的优化设计中,通过参数扫描、人工择优的传统设计方法得到超构透镜初始结构,然后通过边界优化方法对超构透镜进行进一步的优化,其衍射效率相比于优化前可以提高20%左右;在基于均匀阵列初始结构的优化设计中,通过20次左右的迭代,超构透镜衍射效率可以达到92%左右。本文提出的优化设计方法可有效提高偏振复用超构表面器件效率,并且能够简化多功能超构表面的设计步骤,在偏振成像、光通信等领域具有应用前景。
Diverse surface waves supported by bianisotropic meta surfaces
YOU Ou-bo, GAO Wen-long, LIU Ya-chao, XIANG Yuan-jiang, ZHANG Shuang
2021, 14(4): 782-791.   doi: 10.37188/CO.2021-0098
[摘要](93) [HTML全文](35) [PDF 5029KB](18)
摘要:
Surface waves supported by structured metallic surfaces, i.e.metasurfaces, have drawn wide attention recently.They are promising for various applications ranging from integrated photonic circuits to imaging and bio-sensing in various frequency regimes. In this work, we show that surface states with diverse polarization configurations can be supported by a metasurface consisting of a single layer of bianisotropic metamaterial elements.The structure possesses D2d symmetry, which includes mirror symmetry in the xz and yz plane, and C2 rotational symmetry along y = ±x axis. Due to this unique symmetry, the metasuface supports both transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) waves along kx and ky directions, while a purely longitudinal mode and an elliptically polarized transverse electromagnetic(TEM) mode along ky = ±kx directions. The versatility of the surface modes on the metasurface may lead to new surface wave phenomena and device applications.
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](244) [HTML全文](69) [PDF 3457KB](113)
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](209) [HTML全文](38) [PDF 4757KB](47)
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。
离散波长消色差超构透镜的性能分析
肖行健, 祝世宁, 李涛
2021, 14(4): 823-830.   doi: 10.37188/CO.2021-0102
[摘要](98) [HTML全文](20) [PDF 3510KB](14)
摘要:
在消色差的结构优化中,超构透镜的尺寸、消色差带宽及数值孔径具有内在制约关系,很难获得高效率的大尺寸消色差透镜。离散波长消色差设计将打破宽带消色差的参数制约,有望获得更高效率的成像性能。本文通过引入相位色散空间的概念,理论上阐明了离散波长消色差的效率变化规律,证明了离散波长消色差超构透镜在聚焦效率上优于宽带消色差超构透镜。计算结果表明,双波长消色差超构透镜效率大概为宽带消色差超构透镜的4倍,相关结果通过设计相应的超构透镜进行仿真模拟得到验证。进一步揭示并解释了离散波长消色差的聚焦效率会随消色差的频率间隔增大呈现出先下降后上升的规律。
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](153) [HTML全文](80) [PDF 3928KB](50)
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](72) [HTML全文](22) [PDF 4678KB](16)
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](108) [HTML全文](58) [PDF 6720KB](36)
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。
超构表面的振幅调控及其功能器件研究进展
付娆, 李子乐, 郑国兴
2021, 14(4): 886-899.   doi: 10.37188/CO.2021-0017
[摘要](161) [HTML全文](126) [PDF 4083KB](51)
摘要:
超构表面是一种具有亚波长特征尺寸的人工平面结构材料,可以在亚波长尺度上对入射电磁波的振幅、相位、偏振、频率、光谱等参量进行精密且灵活的调控,近年来备受关注。振幅是光波的基本参量之一,本文将从振幅调控的角度出发,对基于超构表面材料的振幅调控机理进行分析,主要包括通过改变纳米结构的尺寸和方向角对振幅进行调控,同时对基于振幅调控超构表面的功能器件的研究现状及其应用场景进行总结和讨论。研究表明,振幅调控超构表面具有设计灵活、加工简单、功能强大、可与其他参量调控相融合等特点,其在高分辨率图像显示、高密度信息存储、信息加密、信息复用、光束整形、光信息处理和安全防伪等诸多领域具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
超构表面结构色的原理及应用
李墨馨, 王丹燕, 张诚
2021, 14(4): 900-926.   doi: 10.37188/CO.2021-0108
[摘要](82) [HTML全文](37) [PDF 6900KB](16)
摘要:
与传统化学颜料滤光片相比,基于微纳光学结构的滤光片所呈现的颜色不仅纯度高、亮度大而且不易褪色,更重要的是不会对环境产生污染。超构表面结构色滤光片因在光学装饰、彩色显示、成像以及光伏等领域存在潜在的应用价值而受到广泛关注。随着微纳加工技术的进步,基于不同共振机理的超构表面结构色滤光片相继实现。本文首先介绍了基于超构表面产生结构色的三种典型共振机理,然后介绍超构表面结构色滤光片在全彩显示、全息成像、信息加密以及彩色光伏器件等领域的应用现状,最后对超构表面结构色滤光片的发展前景进行展望。
Dynamical optical beam produced in rotational metasurface based on coherent spin hall effect
YU Yang, ZHONG Fan, JIANG Xi, CHU Qiong-Qiong, ZHU Shi-Ning, LIU Hui
2021, 14(4): 927-934.   doi: 10.37188/CO.2021-0097
[摘要](65) [HTML全文](25) [PDF 4700KB](19)
摘要:
Based on the spin Hall effect of photons, a metasurface can be used to generate and control light beams. In this paper, by means of one-dimensional chains of nanohole, a metasurface with rotational symmetry is designed. The Bessel beam can be produced by the spin Hall effect of Left-handed Circularly Polarized (LCP) and Right-handed Circularly Polarized (RCP) light simultaneously. Through the excitation of linearly polarized light, we can dynamically control the intensity and polarization of Bessel beam by controlling the coherent interference between two circularly polarized light excitation beams. At the same time, this method has the advantage of broadband modulation range.
二维光子拓扑绝缘体研究进展
刘慧, 王好南, 谢博阳, 程化, 田建国, 陈树琪
2021, 14(4): 935-954.   doi: 10.37188/CO.2021-0076
[摘要](116) [HTML全文](36) [PDF 12268KB](31)
摘要:
受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现。光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台。拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫的传播,这种传统光子系统不具备的理想的传输态有望驱动新型光学集成器件的变革。本文将从二维光学体系出发,简要介绍几种典型的光拓扑绝缘体的最新进展,例如光整数量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光Floquet拓扑绝缘体、拓扑安德森绝缘体和高阶拓扑绝缘体。文中重点介绍了上述几种光拓扑绝缘体的拓扑模型及其新型的拓扑现象,并在最后展望了新型光学拓扑效应及其在光学器件中的应用前景。
二维人工超材料的光学拓扑性质
苏照贤, 姚恩旭, 黄玲玲, 王涌天
2021, 14(4): 955-967.   doi: 10.37188/CO.2021-0074
[摘要](173) [HTML全文](29) [PDF 7875KB](45)
摘要:
以超表面为代表的二维人工超材料通过其亚波长单元增强光与物质的相互作用,进而操控光的振幅、相位、偏振、轨道角动量等物理量。目前,非平凡拓扑性质的二维人工超材料由于具有鲁棒的光单向传输等性质成为了光学领域的研究重点。拓扑相不仅成为了凝聚态物理领域一种描述物质的新的自由度,也成为描述人工超材料光学性质的一个新的参量。本文从拓扑光子学的起源出发,介绍了二维人工超材料的拓扑性质分类以及最新的拓扑光子学研究进展,并进行了总结与展望。
可调谐光学超构材料及其应用
曹暾, 刘宽, 李阳, 廉盟, 胡子贤, 刘萱, 李贵新
2021, 14(4): 968-985.   doi: 10.37188/CO.2021-0080
[摘要](147) [HTML全文](40) [PDF 4580KB](54)
摘要:
光学超构材料是由亚波长功能单元组成的新型人工结构材料,拥有天然材料所不具备的新颖光学特性。利用光学超构材料可以灵活调控光波的传播特性,可实现负折射、隐身、单向传输等新奇的光学现象。传统的光学超构材料通常具有固定的几何结构和不变的材料特性,其光学性能难以改变,限制了光学超构材料器件的可调谐性。近年来,人们通过特殊材料或者结构来设计光学超构材料,实现了对光波的动态调控。本篇综述主要围绕活性材料(如变容二极管、液晶、相变材料、石墨烯等)和结构重构(微机电系统、柔性可拉伸材料等)这两种调控机制,介绍了可调谐光学超构材料领域的研究进展,分析了基于不同调控机制的可调谐光学超构材料的特点,阐述了可调谐光学超构材料在未来应用中所面临的挑战,并展望了可调谐光学超构材料的发展前景。
光子莫尔晶格的研究进展
王鹏, 傅其栋, 李雨芮, 叶芳伟
2021, 14(4): 986-997.   doi: 10.37188/CO.2021-0110
[摘要](174) [HTML全文](38) [PDF 3907KB](71)
摘要:
莫尔晶格是指两个相同或者相似的周期结构重叠形成的复合结构。受二维材料中范德华尔斯(van der Waals)异质结形成的莫尔超晶格研究的影响,光学、声学、力学、热学领域中莫尔晶格的研究也相继重拾热情或不断涌现。本文主要回顾了光学莫尔晶格的研究进展,包括构成莫尔晶格的两个周期结构在空间上处于同层的单层莫尔晶格结构和处于不同层的双层莫尔晶格结构,讨论了由不同材料、不同形式构成的各类光学莫尔结构的线性和非线性光学特性。
氮化硅光子器件与应用研究进展
范智斌, 陈泽茗, 周鑫, 何辛涛, 江绍基, 董建文
2021, 14(4): 998-1018.   doi: 10.37188/CO.2021-0093
[摘要](125) [HTML全文](26) [PDF 5029KB](44)
摘要:
氮化硅材料提供了一种与CMOS兼容的集成光子平台,具有丰富的光学特性。通过调节相关制备参数,可以获得特定折射率的薄膜材料,且消光系数和非线性系数具有较大可调控范围。因此,氮化硅材料在薄膜光学、微纳平面光学、非线性集成光学等诸多领域具有广泛的应用前景。本文主要介绍氮化硅材料的光学特性及其在光学薄膜、微纳超构材料和硅光集成器件方面的研究现状,综述氮化硅材料在太阳能薄膜、可见光超构表面、光栅耦合器和非线性光波导等应用领域的研究概况。
基于柔性基底动态调焦石墨烯超表面聚焦反射镜的仿真研究
李向军, 候小梅, 程钢, 裘国华, 严德贤, 李九生
2021, 14(4): 1019-1028.   doi: 10.37188/CO.2020-0171
[摘要](303) [HTML全文](92) [PDF 4031KB](25)
摘要:
焦距范围可调的超薄聚焦反射镜在片上太赫兹光谱和成像等紧凑型系统中有重要应用价值。通过改变几何尺寸和调节化学势可以使石墨烯亚波长反射结构获得0~2π的相位,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底的动态拉伸可以实现大动态范围的超薄太赫兹聚焦反射镜。本文设计了一个工作频率为1.0 THz,宽度为12 mm,焦距为60 mm,厚度为75 μm的柔性基底动态调焦石墨烯超表面聚焦反射镜。首先在基底自然状态下通过掺杂调节单元石墨烯条的化学势和改变宽度使其反射相位覆盖0~2π相位,并按照预定设计的相位空间分布达到反射聚焦效果。然后通过横向拉伸柔性基底实现反射镜焦距的动态调节。仿真结果表明:柔性基底长度在100%~140%内范围变化时,反射镜的焦距由53.4 mm增加到112.1 mm,动态调焦范围可达到最小焦距的109.7%,同时聚焦效率从69.7%减小到46.8%。此外,本文还研究了该反射镜在宽频带范围的工作性能。仿真结果表明:其对于在0.85~1.0 THz范围内的入射平面波都能实现良好的动态聚焦。
可开关的多功能超构表面波片特性研究
刘东明, 吕婷婷, 刘强, 刘超, 史金辉
2021, 14(4): 1029-1037.   doi: 10.37188/CO.2021-0100
[摘要](60) [HTML全文](22) [PDF 8007KB](15)
摘要:
宽频带和动态可调谐的超构表面在太赫兹无线通信、传感和医学成像等应用中具有重要的价值。结合VO2薄膜的相变原理,本文设计了一种单层“台阶型”复合超构表面,能够实现宽频带四分之一波片和半波片之间的灵活开关功能。VO2薄膜为常温绝缘相时,超构表面可视为透射型双偏振的宽频带四分之一波片。在1.43~2.43 THz宽频带范围内,能够将垂直入射的x偏振光转换成左旋圆偏振光,椭圆率大于0.99,相对带宽为52%。VO2薄膜为高温金属相时,超构表面能够实现反射型半波片功能,垂直入射的x偏振光能够转换成y偏振光。此外,本文也详细地研究了波片性能随倾斜入射角度的变化情况,结果表明,随着入射角度的增加,四分之一波片能够实现宽频带和双频带的动态切换,半波片可以实现频率可调谐度为57%的频移。本文所提出的单层“台阶型”复合超构表面有望促进宽频带偏振转换器件,可调谐开关和紧凑型光学器件的发展。
显微条纹投影小视场三维表面成像技术综述
王永红, 张倩, 胡寅, 王欢庆
2021, 14(3): 447-457.   doi: 10.37188/CO.2020-0199
摘要(321) HTML全文(108) PDF 2289KB(133)
摘要:
智能制造不断向着精密化、微型化、集成化的方向发展,具有代表性的集成电路技术及其衍生出的MEMS等微型传感器技术等得以迅猛发展,快速精确地获取微型器件表面信息并进行缺陷检测对于集成电路和MEMS等产业发展具有重要意义。基于结构光的条纹投影技术具有非接触、高精度、高效率、全场测量等优点,在精密测量中发挥着重要的作用。近年来,显微条纹投影测量系统,包括其光学系统结构,系统标定,相位获取以及三维重建方法等各个方面取得了重大发展。本文回顾了显微条纹投影三维测量系统的结构原理,分析了不同于传统投射模型的小视场系统标定问题,介绍了显微投影系统结构发展过程,同时对由系统结构以及金属测量时造成的反光问题进行了分析,在此基础上,对显微条纹投影三维测量系统的发展前景进行了展望。
中红外Fe2+:ZnSe激光器研究进展
徐飞, 潘其坤, 陈飞, 张阔, 于德洋, 何洋, 孙俊杰
2021, 14(3): 458-469.   doi: 10.37188/CO.2020-0180
摘要(315) HTML全文(74) PDF 3598KB(63)
摘要:
发光谱位于3~5 μm大气窗口处的中红外激光在医疗、工业加工、大气遥感、空间通讯、红外对抗等领域具有广泛的应用前景。以过渡金属(TM)掺杂Ⅱ~Ⅵ族硫化物晶体作为增益介质的激光器件可实现中红外激光输出,其中Fe2+:ZnSe激光器具有转换效率高、中红外波段可调谐范围宽、结构紧凑等优点,是中红外波段实现高功率、高能量、短脉冲的最有效途径之一。随着近些年材料技术的发展,Fe2+:ZnSe激光器发展迅速,逐渐成为热点之一。本文综述了以Fe2+:ZnSe激光器为代表的TM2+:Ⅱ~Ⅵ族激光器的发展历程,介绍并分析了Fe2+:ZnSe增益介质的制备方法,讨论了影响Fe2+:ZnSe激光器性能的泵浦源及因素,综合评述了Fe2+:ZnSe激光器的输出特性,总结了Fe2+:ZnSe激光器在室温和超短脉冲方向上的最新进展,并展望了Fe2+:ZnSe激光器后续可能的发展方向。
便携式激光诱导击穿光谱最新研究进展
曾庆栋, 袁梦甜, 朱志恒, 陈光辉, 汪婕, 余华清, 郭连波, 李祥友
2021, 14(3): 470-486.   doi: 10.37188/CO.2020-0093
摘要(459) HTML全文(93) PDF 3951KB(79)
摘要:
作为一种新型快速的物质成分分析技术,激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)已经在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力。然而,由于野外作业或工业现场检测环境嘈杂恶劣,对仪器设备的尺寸和抗恶劣环境的能力提出了更高的要求。近年来,新型激光器的发展进一步促进了LIBS仪器化的进程,使得其逐渐从实验室迈向工业应用,同时也使得LIBS系统逐渐趋于仪器化、专业化、便携化。本文综述了便携式LIBS的发展历程,对各种激光光源(小型Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案)应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论,探讨了当前便携式LIBS存在的基本问题,并对其未来发展趋势进行了展望。
Research progress of the laser vibration measurement techniques for acoustic-to-seismic coupling landmine detection
LI Jin-hui, MA Hui, YANG Chen-ye, ZHANG Xiao-qing, LUO Xin-yu, WANG Chi
2021, 14(3): 487-502.   doi: 10.37188/CO.2020-0134
摘要(359) HTML全文(92) PDF 3467KB(31)
摘要:
Acoustic-to-seismic coupling landmine detection technology based on the unique mechanical characteristics of landmines and the acoustic-to-seismic coupling principle has broad application prospects in safe and effective detection of landmines. However, a significant amount of work must be done to study the practical landmine detection system. Among them, the acoustic coupled surface vibration signals are very weak and complicated, which has always been a challenging problem to detect such signals accurately and quickly. In this paper, the non-contact laser measurement techniques of surface vibrations based on the principle of the acoustic-to-seismic coupling landmine detection technology were reviewed, including laser Doppler interferometry, electronic speckle pattern interferometry and laser self-mixing interferometry, etc., and the application feasibility of electronic speckle-shearing pattern interferometry in acoustic-to-seismic coupling landmine detection was analyzed.
新型电光材料调制性能研究进展
吕潇磊, 赵继广, 杜小平, 宋一铄, 张朋, 张建伟
2021, 14(3): 503-515.   doi: 10.37188/CO.2020-0039
摘要(478) HTML全文(108) PDF 3438KB(69)
摘要:
基于电光晶体的偏振调制技术在激光三维成像领域起着越来越重要的作用。受限于铌酸锂(LN)材料的低视场和高半波电压,采用传统电光调制技术难以进一步提升三维成像性能。随着钙钛矿结构电光材料制备工艺的日趋成熟,基于新型材料的电光调制技术将成为突破激光三维成像探测精度的最佳手段,铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)、锆钛酸镧铅(PLZT)和钽铌酸钾(KTN)3种典型材料具有优良的电光性能和介电性质;能够突破视场和半波电压的限制,但应用到电光调制领域时存在PMNT调制带宽较低、PLZT透过性能较差、KTN实际应用带宽较低等难题。未来的研究将着眼于将该调制技术的实用性,一方面通过掺杂改性等手段提升电光调制性能,另一方面通过建立性能表征模型优化系统的信噪比。
可见光通信中正交频分复用调制技术
徐宪莹, 岳殿武
2021, 14(3): 516-527.   doi: 10.37188/CO.2020-0051
摘要(502) HTML全文(90) PDF 3613KB(60)
摘要:
可见光通信(VLC)由于可以弥补射频通信的不足而成为研究热点,正交频分复用(OFDM)技术因其高数据速率和抗频率选择性衰落被广泛应用在VLC中。本文从能量效率、频谱效率、误码率、计算复杂度等方面对可见光通信系统中OFDM调制技术进行研究和比较,主要包括基于离散傅立叶变换的单极性方案、改进或增强型方案和混合型方案,基于哈特莱变换的光OFDM,以及基于LED索引调制的光OFDM。文中介绍了多种光OFDM调制技术的工作原理综合对比了频谱效率等性能;研究了光OFDM系统接收机改进方案;总结了可见光OFDM系统存在的问题和未来研究方向。本文对可见光OFDM系统进行归纳和总结,为提出更加高效的单极化调制技术、进一步提高系统频谱效率及可靠性提供了参考。
光学自由曲面自适应干涉检测研究新进展
张磊, 吴金灵, 刘仁虎, 俞本立
2021, 14(2): 227-244.   doi: 10.37188/CO.2020-0126
摘要(805) HTML全文(185) PDF 3333KB(217)
摘要:
光学自由曲面因其表面自由度较多而难于进行检测。干涉检测法具有高精度非接触的特点,但传统干涉仪中的静态补偿器在自由曲面加工过程中未知面形不断变化的情况下,难以实现原位检测。因此,可编程控制的大动态范围自适应补偿器成为近年来自由曲面干涉检测中的研究热点。结合课题组在自由曲面自适应干涉检测领域的工作,介绍了光学自由曲面自适应干涉检测的最新研究进展,详细分析了基于可变形镜和空间光调制器的自适应干涉检测技术,介绍了针对干涉图目标的自适应控制算法,总结了两大类自适应检测方法的优点以及发展瓶颈,并对未来自由曲面的自适应检测技术进行了展望。
Interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics
WU Ni-shan, XIA Li
2021, 14(2): 245-263.   doi: 10.37188/CO.2020-0121
摘要(381) HTML全文(146) PDF 3910KB(55)
摘要:
Quasi-distributed fiber sensing systems play an important role in the fields of civil engineering, energy surveying, aerospace, national defense, chemicals, etc. Interrogation technology for quasi-distributed fiber sensing systems based on microwave photonics is widely used in high-speed and high-precision signal demodulation and sensor positioning in optical fiber multiplexing systems. Compared to conventional optical wavelength interrogation, this technology greatly improves system demodulation rate and compensates for the defects of traditional sensor positioning methods. This paper introduces the recent research progress of quasi-distributed fiber sensing interrogation technology based on microwave photonics; compares and analyzes the advantages and disadvantages of several existing microwave demodulation systems from the perspective of their fiber grating quasi-distributed sensing and fiber Fabry-Perot quasi-distributed sensing systems, respectively; and provides a summary of the prospective direction of future research in quasi-distributed fiber sensing interrogation technology based on microwave photonics.
0.9~1.0 μm近红外连续光纤激光器的研究进展
党文佳, 李哲, 卢娜, 李玉婷, 张蕾, 田晓
2021, 14(2): 264-274.   doi: 10.37188/CO.2020-0193
摘要(313) HTML全文(92) PDF 2460KB(93)
摘要:
波长为0.9~1.0 μm的近红外连续光纤激光器在高功率蓝光和紫外激光产生、高功率单模泵浦源、生物医学以及激光雷达等领域具有重要的应用前景,成为近年来的一个研究热点。目前,0.9~1.0 μm光纤激光器的增益机制主要有稀土离子增益和非线性效应增益,本文详细梳理了基于这两类增益机制的0.9~1.0 μm连续光纤激光器的研究进展,并深入分析了各类激光器存在的技术瓶颈及解决途径,最后对0.9~1.0 μm光纤激光器的发展趋势和应用前景进行了展望。
面向天基引力波探测的时间延迟干涉技术
王登峰, 姚鑫, 焦仲科, 任帅, 刘玄, 钟兴旺
2021, 14(2): 275-288.   doi: 10.37188/CO.2020-0098
摘要(537) HTML全文(124) PDF 9981KB(86)
摘要:
时间延迟干涉技术(Time-delay Interferometry,TDI)对中国引力波探测项目及其它天基激光精密测量任务具有重要的参考价值。在天基引力波探测任务中,需利用激光干涉仪对无拖曳检验质量块间实现十皮米量级的位移测量精度。其中,激光源频率噪声和时钟频率噪声是两项主要噪声。在欧洲主导的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)引力波探测项目中,利用TDI对三星上的十二组相位测量值进行延迟和线性组合,构造出臂长相等的干涉仪,从而消除了激光源噪声以及光学平台位移噪声。为了消除时钟噪声,将时钟信号倍频到GHz,再通过相位调制的方式加载到星间激光链路上,最终从时钟边带拍频信号中提取出时钟噪声,并在TDI的数据组合中将时钟噪声项消除。为了实现TDI的时间延迟处理,要求对星间绝对距离进行精确测量。因此,在TDI机制中,星间激光链路需要同时实现位移测量、时钟边带调制和绝对距离测量3个功能。其中,后两个功能分别大约消耗10%和1%的载波激光功率。LISA项目针对TDI技术的地面论证结果表明,TDI技术对激光源和时钟的噪声抑制分别达到了109和5.8×104倍。
微小卫星激光通信系统发展现状与趋势
高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 马爽, 牛艳君, 杨会生
2020, 13(6): 1171-1181.   doi: 10.37188/CO.2020-0033
摘要(1236) HTML全文(332) PDF 7413KB(211)
摘要:
空间激光通信凭借其速率高、体积小、质量轻和功耗低的优势,成为卫星间高速通信不可或缺的有效手段,特别在微小卫星应用场合,更能体现激光通信的优势。文章详细介绍了微小卫星激光通信技术领域最新的研究进展。在此基础上,总结了需要突破的同轨终端轻小型化、异轨终端轻小型化、大气湍流影响抑制等关键技术,归纳了工程化应用、双工通信、单点对多点、国产化和批产能力5个方面的发展趋势。
激光散斑目标探测技术综述
郜魏柯, 杜小平, 王阳, 杨步一
2020, 13(6): 1182-1193.   doi: 10.37188/CO.2020-0049
摘要(751) HTML全文(175) PDF 3630KB(155)
摘要:
基于激光散斑的目标探测技术是一种长期以来被人们忽略的激光探测技术,该技术将传统激光探测技术中视为噪声的激光散斑视为新的信息来源,通过分析激光散斑形成机理探究散斑统计特性与目标物理特性间的关系,并结合行之有效的分析反演方法来获得包括目标形状、尺寸、表面粗糙度以及动力学参数等信息。与传统激光探测技术相比,基于激光散斑的目标探测技术具有结构简单,对光学系统要求低,对目标表面物理特性及微动特性敏感等特点,目前已广泛应用于航天、医学、工业、军事等多个领域。本文对近年来各类基于激光散斑的目标探测技术进行了分类总结,对各类探测方法的用途和优缺点以及适用环境进行了对比分析,对未来基于激光散斑的目标探测方法的发展趋势加以分析。
地基大口径拼接镜面主动控制技术综述
范文强, 王志臣, 陈宝刚, 李洪文, 陈涛, 安其昌, 范磊
2020, 13(6): 1194-1208.   doi: 10.37188/CO.2020-0032
摘要(447) HTML全文(132) PDF 3727KB(70)
摘要:
拼接镜面技术是光学合成孔径望远镜的三种实现方式之一,是未来大口径望远镜的重要研究方向。由于拼接镜面主动控制系统直接影响拼接镜面等效大口径镜面的光学性能,本文着眼于地基大口径望远镜的拼接镜面主动控制技术,由地基拼接镜面望远镜的发展过程展开,阐述拼接镜面主动控制系统的主要结构,对国内外拼接镜面主动控制系统发展概况进行分析和总结。归纳了拼接镜面主动控制系统实现主动调整和主动保持的关键技术,明确了深度学习理论在闭环控制,共相检测与校正和系统级仿真建模技术中的逐步应用和未来发展方向,为国内下一代地基大口径望远镜拼接镜面的控制方案设计提供相应的指导。
超快激光选区焊接技术研究进展
张国栋, 程光华, 张伟
2020, 13(6): 1209-1223.   doi: 10.37188/CO.2020-0131
摘要(527) HTML全文(175) PDF 4987KB(80)
摘要:
超快激光技术的发展为基础研究和工业生产不断注入新的动力,促发了很多新学科、新技术的诞生。超快激光焊接作为近年来发展起来的一种新型材料连接技术,在航空航天、精密机械、集成光电、生物医疗等领域具有巨大的应用潜力,受到了人们的广泛关注。基于超快激光非线性选区能量沉积的基本特点,超快激光焊接具有广泛的材料适用性和空间选择性,可以在无嵌入层的前提下实现涉及透明材料的高质量选区焊接。本文从超快激光选区焊接的物理机制、主要影响因素、适用领域入手进行了归纳与分析,并对未来该技术发展和将面临的关键挑战进行了论述。
二维光栅位移测量技术综述
尹云飞, 刘兆武, 吉日嘎兰图, 于宏柱, 王玮, 李晓天, 鲍赫, 李文昊, 郝群
2020, 13(6): 1224-1238.   doi: 10.37188/CO.2020-0237
摘要(667) HTML全文(148) PDF 6952KB(124)
摘要:
超精密位移测量技术不仅是精密机械加工的基础,在以摩尔定律飞速发展的芯片制造行业中也起到决定性的作用。以光栅栅距为测量基准的光栅位移测量系统被广泛应用于多维测量系统,光栅位移测量系统与激光位移测量系统相比,大大降低了对使用环境的湿度、温度和气压的要求。本文主要介绍了近年来国内外基于二维光栅的位移传感系统光学结构的发展现状,从零差式和外差式光栅干涉测量原理入手,综述了基于单块二维光栅的光学结构到多块二维光栅耦合设计的光学结构发展历程,对比分析了几种二维光栅位移测量系统的优缺点,并展望了二维光栅位移测量系统发展趋势,总结了二维光栅位移测量系统的工程化进程。
氮掺杂碳纳米点的研究进展
李迪, 孟李, 曲松楠
2020, 13(5): 899-918.   doi: 10.37188/CO.2020-0035
摘要(822) HTML全文(248) PDF 2407KB(137)
摘要:
碳纳米点由于具有独特的发光特性、良好的生物相容性、低毒性、良好的光稳定性等特性在近年来被广泛关注。这些特性使其在光电器件、可见光通讯、肿瘤治疗、生物成像等领域拥有潜在的应用价值。受到原料和合成方法的影响,碳纳米点材料体系多种多样。本文将系统地综述本课题组近年来以柠檬酸和尿素为主要原料合成的氮掺杂碳纳米点及其物理化学性质,探讨碳纳米点能带调控的方法及原理,并介绍碳纳米点的应用研究进展。
光学相干层析成像技术原理及研究进展
陆冬筱, 房文汇, 李玉瑶, 李金华, 王笑军
2020, 13(5): 919-935.   doi: 10.37188/CO.2020-0037
摘要(834) HTML全文(280) PDF 4616KB(170)
摘要:
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种基于低相干光干涉原理,利用样品背散/反射光与参考光相干的非接触非侵入性的新型成像技术,可提供具有微米级分辨率的一维深度,二维截面层析和三维立体的实时扫描图像。OCT技术具有非接触、无损伤、图像分辨率高且操作简单、便携等优点,主要应用于生物医学成像和诊断领域,弥补了共聚焦显微镜成像穿透深度低和超声波成像分辨率低的不足。目前,OCT技术已作为诊断视网膜疾病的临床标准,而且OCT技术结合内窥镜技术已成为临床上心血管及肠胃疾病诊断的重要工具,同时也为肌肉骨骼疾病,乃至癌症早期诊断、手术指导及术后康复提供依据。为了拓宽OCT技术的应用范围、提高医疗检测水平,研究人员正致力于增加OCT系统在生物组织中的穿透深度、提高系统的分辨率和信噪比、优化系统综合性能等方面的研究。本文论述了OCT系统的原理、分类,以及其在不同生物医学领域的应用及最新进展。
古代纸质文物科学检测技术综述
阎春生, 黄晨, 韩松涛, 韩秀丽, 应超男, 杜远东
2020, 13(5): 936-964.   doi: 10.37188/CO.2020-0010
摘要(633) HTML全文(242) PDF 4187KB(67)
摘要:
全面论述了古代纸质文物包括纸张原料、墨、印泥和颜料等所涉及的各种现代科技检测技术与方法,主要分为成像法和波谱法两大类。成像法是包括透光、红外、紫外、X射线、中子活化等展示样品表面或内部宏观信息的摄影法,X射线、太赫兹、光相干等展示样品表面之下分层信息的层析成像方法,光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等展示样品微观信息的显微成像方法。基于波与物质相互作用原理的具有指纹特征的波谱法则包括色谱、质谱、电子顺磁共振波谱、核磁共振波谱、X射线光电子能谱、X射线衍射谱、X射线荧光光谱、分子荧光光谱、拉曼光谱、紫外-可见-近红外-中红外-太赫兹吸收光谱、高光谱等。研究表明,上述技术的综合应用、各取所长和相互印证是揭示纸质文物的制造过程、艺术特征、保存历史、病害情况、真迹与否及如何修复等重要问题的有力手段。
新型过渡金属硫化物在超快激光中的应用
孙俊杰, 陈飞, 何洋, 丛春晓, 曲家沂, 季艳慧, 鲍赫
2020, 13(4): 647-659.   doi: 10.37188/CO.2019-0241
摘要(1592) HTML全文(478) PDF 1212KB(147)
摘要:
超快激光技术是目前激光乃至物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一,在工业加工、生物医学和激光雷达等领域具有广泛应用。二维材料具有独特的物理结构及优异的光电特性,作为可饱和吸收体应用于超快激光器时,具备工作波段宽、调制深度可控和恢复时间快等优势。其中,过渡金属硫化物因具有带隙连续可调等特点,已成为二维材料研究领域的重点。本文从过渡金属硫化物的特性出发,介绍了可饱和吸收器件的制作方法,综述了基于新型过渡金属硫化物的超快激光器的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。
K-B镜面形高精度检测技术研究进展
张帅, 侯溪
2020, 13(4): 660-675.   doi: 10.37188/CO.2019-0231
摘要(1086) HTML全文(404) PDF 8130KB(94)
摘要:
以新一代同步辐射光源和全相干X射线自由电子激光为代表的先进光源已成为众多学科领域中一种不可或缺的研究工具。先进光源技术不断进步,驱动超精密光学制造快速发展,先进光源中关键聚焦光学元件K-B镜的面形精度是影响光源性能的重要指标,要求其在几十纳弧度以下。然而,高精度K-B镜面形检测技术依然存在较大技术挑战,一直是国内外研究热点。本文介绍了反射式轮廓测量技术即长程轮廓仪(LTP)、纳米测量仪(NOM)以及拼接干涉检测技术等典型K-B镜面形检测技术的基本原理,对比分析了其技术特点,综述了国内外K-B镜面形检测技术的研究现状和最新进展,对发展趋势进行了展望。

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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