2012年 5卷 第5期
2012, 5(5): 453-463.
doi: 10.3788/CO.20120505.0453
摘要
PDF 1312KB
摘要:
传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射,而且现代微纳加工技术的逐步成熟,也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展,综述了表面等离子体激元的基本原理,给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点,指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。
传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射,而且现代微纳加工技术的逐步成熟,也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展,综述了表面等离子体激元的基本原理,给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点,指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。
2012, 5(5): 464-469.
doi: 10.3788/CO.20120505.0464
摘要:
为提高光栅的衍射效率,提出了基于主动拉曼效应的超冷原子光栅系统。理论研究表明:通过拉曼增益的空间周期性调节,可有效地将沿垂直光栅方向传播的弱探测光衍射到一级方向,同时零级衍射光将被放大。当系统中引进微波场的原子相干效应时,可以进一步提高光栅的一级衍射效率。在一定的条件下,拉曼增益光栅的一级衍射效率可高于电磁诱导相位光栅的一级衍射效率。该系统可作为高效光开关用于全光网络。
为提高光栅的衍射效率,提出了基于主动拉曼效应的超冷原子光栅系统。理论研究表明:通过拉曼增益的空间周期性调节,可有效地将沿垂直光栅方向传播的弱探测光衍射到一级方向,同时零级衍射光将被放大。当系统中引进微波场的原子相干效应时,可以进一步提高光栅的一级衍射效率。在一定的条件下,拉曼增益光栅的一级衍射效率可高于电磁诱导相位光栅的一级衍射效率。该系统可作为高效光开关用于全光网络。
2012, 5(5): 470-475.
doi: 10.3788/CO.20120505.0470
摘要:
以相对孔径为1:8,工作波段为780~1 014 nm为初始光学参数,首次推导出交叉型Czerny-Turner(C-T)结构光谱仪的一阶消像散条件,搭建了交叉型消像散C-T结构和交叉型消彗差C-T结构。利用ZEMAX软件对两种初始结构进行了优化和比较。结果表明:交叉型消像散C-T结构具有更优越的光学性能,其均方根半径仅是消彗差C-T结构的12%~52%。消像散C-T结构不仅在沿狭缝方向上能量更为集中,利于设计大聚光能力的分光系统,而且在沿垂直于狭缝方向上点斑更小,具有更高的光谱分辨率。
以相对孔径为1:8,工作波段为780~1 014 nm为初始光学参数,首次推导出交叉型Czerny-Turner(C-T)结构光谱仪的一阶消像散条件,搭建了交叉型消像散C-T结构和交叉型消彗差C-T结构。利用ZEMAX软件对两种初始结构进行了优化和比较。结果表明:交叉型消像散C-T结构具有更优越的光学性能,其均方根半径仅是消彗差C-T结构的12%~52%。消像散C-T结构不仅在沿狭缝方向上能量更为集中,利于设计大聚光能力的分光系统,而且在沿垂直于狭缝方向上点斑更小,具有更高的光谱分辨率。
2012, 5(5): 476-484.
doi: 10.3788/CO.20120505.0476
摘要:
为了实现曝光工作过程中深紫外投影光刻物镜的动态稳定性,设计了一种能够消除温度和应变影响的光学元件运动学支撑结构,研究了如何利用该支撑结构消除温度变化和外界应变对光学元件面形的影响。首先,计算单个支座的径向柔度,并与有限元分析结果进行比较。然后,分析在不同温度载荷和外界应变工况下光学元件上、下表面面形的变化,并与三点胶粘固定支撑方式下的结果进行了比较。计算结果表明:通过理论公式推导的支座径向柔度与仿真结果的误差绝对值小于2.2%;温度升高0.1 ℃时光学元件上下表面面形RMS值小于0.36 nm;平面度公差5 m时面形RMS值小于0.05 nm。与三点胶粘固定方式相比,运动学支撑方式能够有效消除温度变化和外界应变对光学元件表面面形的影响。
为了实现曝光工作过程中深紫外投影光刻物镜的动态稳定性,设计了一种能够消除温度和应变影响的光学元件运动学支撑结构,研究了如何利用该支撑结构消除温度变化和外界应变对光学元件面形的影响。首先,计算单个支座的径向柔度,并与有限元分析结果进行比较。然后,分析在不同温度载荷和外界应变工况下光学元件上、下表面面形的变化,并与三点胶粘固定支撑方式下的结果进行了比较。计算结果表明:通过理论公式推导的支座径向柔度与仿真结果的误差绝对值小于2.2%;温度升高0.1 ℃时光学元件上下表面面形RMS值小于0.36 nm;平面度公差5 m时面形RMS值小于0.05 nm。与三点胶粘固定方式相比,运动学支撑方式能够有效消除温度变化和外界应变对光学元件表面面形的影响。
2012, 5(5): 485-492.
doi: 10.3788/CO.20120505.0485
摘要:
运用Zemax光学设计软件构建Liou-Brennan眼模型,设计了增大焦深的非球面、折射型多焦点和衍射型多焦点人工晶体,并用点列图和视锐度分析了所设计的人工晶体的光学质量。对于非球面人工晶体,在3 mm瞳孔下,当人眼无球差时,最佳视锐度相当高,但焦深仅为1.4 m-1;当人眼球差为0.4时,最佳视锐度可达0.9,焦深达2.2 m-1,同时在整个焦深范围内视觉质量均优越。对于衍射型和折射型多焦点人工晶体,在明视条件下,虽然视远和视近时视觉质量良好,但是中间距离的视锐度0.5。衍射型多焦点人工晶体只有81%的光能用于成像,远近焦点能量均分,且与瞳孔大小无关;折射型多焦点人工晶体的远近焦点能量与瞳孔大小相关。设计的人工晶体均能增大人眼的焦深,但各有优缺点,临床上应该酌情选用。
运用Zemax光学设计软件构建Liou-Brennan眼模型,设计了增大焦深的非球面、折射型多焦点和衍射型多焦点人工晶体,并用点列图和视锐度分析了所设计的人工晶体的光学质量。对于非球面人工晶体,在3 mm瞳孔下,当人眼无球差时,最佳视锐度相当高,但焦深仅为1.4 m-1;当人眼球差为0.4时,最佳视锐度可达0.9,焦深达2.2 m-1,同时在整个焦深范围内视觉质量均优越。对于衍射型和折射型多焦点人工晶体,在明视条件下,虽然视远和视近时视觉质量良好,但是中间距离的视锐度0.5。衍射型多焦点人工晶体只有81%的光能用于成像,远近焦点能量均分,且与瞳孔大小无关;折射型多焦点人工晶体的远近焦点能量与瞳孔大小相关。设计的人工晶体均能增大人眼的焦深,但各有优缺点,临床上应该酌情选用。
2012, 5(5): 493-498.
doi: 10.3788/CO.20120505.0493
摘要:
利用发光二极管(LED)光色电综合测试系统测量不同颜色不同功率的LED在多个电流下的光谱,提出并构建了由多个高斯函数组成的LED光谱模型,并根据各颜色LED在额定电流下的光谱计算模型中的系数,最后将该模型与已报道的模型进行了对比。研究表明:对于光谱有n(n1)个波峰的LED,可用3n个高斯函数形式的模型来表示,大功率红、黄、蓝、绿、白色LED模型与实测光谱之间平均误差分别为3.45%、1.01%、2.33%、4.65%、2.49%,小功率LED的平均误差分别为2.61%、2.65%、3.77%、2.87%、2.48%。与已报道的模型相比,该模型精度高,普适性好。本研究对LED光度色度测量仪器的研制及智能化LED产品的设计具有重要意义。
利用发光二极管(LED)光色电综合测试系统测量不同颜色不同功率的LED在多个电流下的光谱,提出并构建了由多个高斯函数组成的LED光谱模型,并根据各颜色LED在额定电流下的光谱计算模型中的系数,最后将该模型与已报道的模型进行了对比。研究表明:对于光谱有n(n1)个波峰的LED,可用3n个高斯函数形式的模型来表示,大功率红、黄、蓝、绿、白色LED模型与实测光谱之间平均误差分别为3.45%、1.01%、2.33%、4.65%、2.49%,小功率LED的平均误差分别为2.61%、2.65%、3.77%、2.87%、2.48%。与已报道的模型相比,该模型精度高,普适性好。本研究对LED光度色度测量仪器的研制及智能化LED产品的设计具有重要意义。
2012, 5(5): 499-504.
doi: 10.3788/CO.20120505.0499
摘要:
针对现有发光二极管(LED)汽车后转向灯存在的配光性能不准确、能量利用率低等问题,设计了一款准直配光一体化的LED后转向灯透镜。该透镜根据非成像光学原理和斯涅尔定理,通过迭代求解的方法设计而成,其高度为8.32 mm,直径为12.64 mm。利用光学软件TracePro对实际光源和后转向灯透镜进行光线追迹模拟,结果表明:在x方向80,y方向80的矩形区间,发光强度均大于1.6 cd;在x方向20,y方向10内发光强度呈近似矩形分布,且各测试点结果均满足GB17905-2008要求。该透镜可精确控制LED发出光线,有利于提高配光性能及能量利用率。
针对现有发光二极管(LED)汽车后转向灯存在的配光性能不准确、能量利用率低等问题,设计了一款准直配光一体化的LED后转向灯透镜。该透镜根据非成像光学原理和斯涅尔定理,通过迭代求解的方法设计而成,其高度为8.32 mm,直径为12.64 mm。利用光学软件TracePro对实际光源和后转向灯透镜进行光线追迹模拟,结果表明:在x方向80,y方向80的矩形区间,发光强度均大于1.6 cd;在x方向20,y方向10内发光强度呈近似矩形分布,且各测试点结果均满足GB17905-2008要求。该透镜可精确控制LED发出光线,有利于提高配光性能及能量利用率。
2012, 5(5): 505-511.
doi: 10.3788/CO.20120505.0505
摘要:
为标定和校准头盔瞄准具检测设备,提出一种新的光学结构,并设计了一款标准头盔显示系统(HMD)。该系统采用球面共轴设计,在有限体积的限制下满足了低畸变、高清晰的光学指标要求。利用对称性光学设计原则分步设计,设计的标准HMD系统出瞳清晰,可保证系统各种光学像差的综合校正。针对1.27 cm(1/2 in)微显示器设计了视场为30、出瞳距离为75 mm的标准HMD光学系统,各视场在分辨率30 lp/mm处的MTF值均大于0.3,系统畸变小于0.9%。设计的标准HMD光学系统形式简单、结构紧凑,光学性能优良,可作为头盔瞄准具检测设备标准件。
为标定和校准头盔瞄准具检测设备,提出一种新的光学结构,并设计了一款标准头盔显示系统(HMD)。该系统采用球面共轴设计,在有限体积的限制下满足了低畸变、高清晰的光学指标要求。利用对称性光学设计原则分步设计,设计的标准HMD系统出瞳清晰,可保证系统各种光学像差的综合校正。针对1.27 cm(1/2 in)微显示器设计了视场为30、出瞳距离为75 mm的标准HMD光学系统,各视场在分辨率30 lp/mm处的MTF值均大于0.3,系统畸变小于0.9%。设计的标准HMD光学系统形式简单、结构紧凑,光学性能优良,可作为头盔瞄准具检测设备标准件。
2012, 5(5): 512-519.
doi: 10.3788/CO.20120505.0512
摘要:
提出一种在个体眼光学结构基础上根据波前数据设计波前眼镜的新方法。建立了个性化的眼光学结构,并将眼球和镜片视为统一的镜-眼光学系统,用光学设计的优化方法给出镜片的结构数据,并分析了7视场和眼球旋转20时,该镜-眼系统的成像情况。与波前拟合的方法相比,该方法设计的波前眼镜离焦差为(-0.0570.015) m-1,像散差为(0.0150.013) m-1,散光轴位差为(0.1000.316)。镜-眼系统的矫正视力均大于1.25,其中8只被试眼的视力可达1.5以上。10只被试眼在转动20情形下的0视场成像相比于直视的情况均略有下降,而7视场的成像质量相比于直视的情况下降则更为明显。由该方法给出的验光结果客观可信,可用于对佩戴波前眼镜后人眼的视觉质量的预先评估。
提出一种在个体眼光学结构基础上根据波前数据设计波前眼镜的新方法。建立了个性化的眼光学结构,并将眼球和镜片视为统一的镜-眼光学系统,用光学设计的优化方法给出镜片的结构数据,并分析了7视场和眼球旋转20时,该镜-眼系统的成像情况。与波前拟合的方法相比,该方法设计的波前眼镜离焦差为(-0.0570.015) m-1,像散差为(0.0150.013) m-1,散光轴位差为(0.1000.316)。镜-眼系统的矫正视力均大于1.25,其中8只被试眼的视力可达1.5以上。10只被试眼在转动20情形下的0视场成像相比于直视的情况均略有下降,而7视场的成像质量相比于直视的情况下降则更为明显。由该方法给出的验光结果客观可信,可用于对佩戴波前眼镜后人眼的视觉质量的预先评估。
2012, 5(5): 520-524.
doi: 10.3788/CO.20120505.0520
摘要:
设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管(LED)路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器(CPC)。基于边缘光线原理和裁剪法,此款反射器能将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达96%以上。理论模拟证明:在高度为10 m,范围为10 m30 m内利用此反射器进行二次配光的LED路灯的照度均匀度达0.5以上。该反射式LED路灯光束整形器结构简单,光学效率高、成本低廉,模拟结果完全达到了目前我国国家道路照明规范要求。
设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管(LED)路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器(CPC)。基于边缘光线原理和裁剪法,此款反射器能将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达96%以上。理论模拟证明:在高度为10 m,范围为10 m30 m内利用此反射器进行二次配光的LED路灯的照度均匀度达0.5以上。该反射式LED路灯光束整形器结构简单,光学效率高、成本低廉,模拟结果完全达到了目前我国国家道路照明规范要求。
2012, 5(5): 525-530.
doi: 10.3788/CO.20120505.0525
摘要:
提出了采用两个折射-衍射元件对人眼系统在14范围内进行色差校正的光学系统设计方法。基于系统光学性能的评价与单片折射-衍射元件色差校正系统的对比验证了本文提出的色差校正系统的性能。结果表明:两种色差校正系统都可以很好地校正人眼的轴向色差。但是,单片折射-衍射色差校正系统引入了横向色差,其由校正前的14.51 m增加到81.4 m,严重影响了边缘视场处的成像质量。而采用双片折射-衍射元件的色差校正系统可同时对轴向色差和横向色差进行校正,使横向色差降为1.64 m。设计的色差校正系统可有效提高视网膜的成像质量,并可用于视觉仪器。
提出了采用两个折射-衍射元件对人眼系统在14范围内进行色差校正的光学系统设计方法。基于系统光学性能的评价与单片折射-衍射元件色差校正系统的对比验证了本文提出的色差校正系统的性能。结果表明:两种色差校正系统都可以很好地校正人眼的轴向色差。但是,单片折射-衍射色差校正系统引入了横向色差,其由校正前的14.51 m增加到81.4 m,严重影响了边缘视场处的成像质量。而采用双片折射-衍射元件的色差校正系统可同时对轴向色差和横向色差进行校正,使横向色差降为1.64 m。设计的色差校正系统可有效提高视网膜的成像质量,并可用于视觉仪器。
2012, 5(5): 531-536.
doi: 10.3788/CO.20120505.0531
摘要:
设计了一个表征样品非线性特性的基于虚拟仪器的Z扫描实验系统。利用Labview控制数字示波器TDS3012采集两路光强信号,并结合对微位移平台的控制实现Z扫描。以Nd: YAG飞秒放大器产生的800 nm的飞秒激光作为探测光,经透镜聚焦后通过薄介质样品;用数字示波器测量样品在透镜焦点附近的透射光强,经过数据处理得到样品的非线性折射率和非线性吸收系数。利用该实验系统,对标准非线性吸收样品Rhodamine 6B进行了测量,计算得到其双光子吸收截面为2=6.8 GM(GM=10-50 cm4 s photon-1 molecule-1),该结果与其他文献利用不同测量方法得到的结果接近,证明该实验系统的测量结果是正确的,可满足非线性测量的精度要求。
设计了一个表征样品非线性特性的基于虚拟仪器的Z扫描实验系统。利用Labview控制数字示波器TDS3012采集两路光强信号,并结合对微位移平台的控制实现Z扫描。以Nd: YAG飞秒放大器产生的800 nm的飞秒激光作为探测光,经透镜聚焦后通过薄介质样品;用数字示波器测量样品在透镜焦点附近的透射光强,经过数据处理得到样品的非线性折射率和非线性吸收系数。利用该实验系统,对标准非线性吸收样品Rhodamine 6B进行了测量,计算得到其双光子吸收截面为2=6.8 GM(GM=10-50 cm4 s photon-1 molecule-1),该结果与其他文献利用不同测量方法得到的结果接近,证明该实验系统的测量结果是正确的,可满足非线性测量的精度要求。
2012, 5(5): 537-543.
doi: 10.3788/CO.20120505.0537
摘要:
根据船摇位置自稳定的思想,提出了基于坐标转换的惯性平台位置稳定解算算法。该算法通过坐标变换实时解算出惯性平台相对载体的位置值并将其作为位置稳定控制的位置环输入,从而有效隔离载体对平台位置的干扰,实现平台的稳定。实验结果表明:平台的外框架稳定精度为0.1 mrad,内框架稳定精度为0.3 mrad,满足了指标1 mrad的要求。该算法有效地解决了车载惯性平台的稳定性问题,提高了整个稳定系统的性价比。
根据船摇位置自稳定的思想,提出了基于坐标转换的惯性平台位置稳定解算算法。该算法通过坐标变换实时解算出惯性平台相对载体的位置值并将其作为位置稳定控制的位置环输入,从而有效隔离载体对平台位置的干扰,实现平台的稳定。实验结果表明:平台的外框架稳定精度为0.1 mrad,内框架稳定精度为0.3 mrad,满足了指标1 mrad的要求。该算法有效地解决了车载惯性平台的稳定性问题,提高了整个稳定系统的性价比。
2012, 5(5): 544-549.
doi: 10.3788/CO.20120505.0544
摘要:
为探索光纤布拉格光栅在高能激光参数测量方面的应用,通过实验和数值模拟研究分析了其在高能激光辐照下的响应特性。通过解传热方程,获得了光纤布拉格光栅在高能激光辐照下的热响应特性。利用一个光纤光栅解调仪,记录了光纤布拉格光栅在高能激光辐照下的波长漂移现象。实验结果表明:在一定的功率密度范围内,光纤布拉格光栅的最大波长漂移与其所受的辐照功率密度成线性关系,该结果与理论模拟相符。
为探索光纤布拉格光栅在高能激光参数测量方面的应用,通过实验和数值模拟研究分析了其在高能激光辐照下的响应特性。通过解传热方程,获得了光纤布拉格光栅在高能激光辐照下的热响应特性。利用一个光纤光栅解调仪,记录了光纤布拉格光栅在高能激光辐照下的波长漂移现象。实验结果表明:在一定的功率密度范围内,光纤布拉格光栅的最大波长漂移与其所受的辐照功率密度成线性关系,该结果与理论模拟相符。
