2014年 7卷 第1期
2014, 7(1): 1-25.
doi: 10.3788/CO.20140701.001
摘要
PDF 1951KB
摘要:
综述了已有散射介质超衍射极限聚焦和成像技术的研究现状及进展。首先介绍了这一领域的研究背景及意义，以及已有超衍射极限成像技术的发展现状；然后给出了应用于超衍射极限成像的散射介质定义；其次分析了时间反演技术在声学、微波领域聚焦上的应用，介绍了时间反演法在光学领域超衍射极限聚焦应用中的实现方法，总结了散射介质加入到光学系统中的作用，分析了利用反馈控制调节和光学相位共轭方法进行散射介质超衍射极限聚焦方法的特点；讨论了基于空域和空频域传输矩阵测量的散射介质宽场成像方法及在该目的下的散射介质制备方法；最后给出了散射介质光学超衍射极限成像技术研究前景及展望。
综述了已有散射介质超衍射极限聚焦和成像技术的研究现状及进展。首先介绍了这一领域的研究背景及意义，以及已有超衍射极限成像技术的发展现状；然后给出了应用于超衍射极限成像的散射介质定义；其次分析了时间反演技术在声学、微波领域聚焦上的应用，介绍了时间反演法在光学领域超衍射极限聚焦应用中的实现方法，总结了散射介质加入到光学系统中的作用，分析了利用反馈控制调节和光学相位共轭方法进行散射介质超衍射极限聚焦方法的特点；讨论了基于空域和空频域传输矩阵测量的散射介质宽场成像方法及在该目的下的散射介质制备方法；最后给出了散射介质光学超衍射极限成像技术研究前景及展望。
2014, 7(1): 26-46.
doi: 10.3788/CO.20140701.026
摘要:
介绍了非球面各加工阶段的面形检测技术及其最新进展，重点介绍了非球面精密抛光期的面形检测技术，并对其中的非零位子孔径拼接干涉检测法和部分补偿法进行了详细阐述，提出了适用于大口径、深度非球面面形检测的组合干涉法的概念。概述了近年来受到关注的自由曲面非球面的发展和检测技术现状，展望了非球面检测技术的发展趋势。
介绍了非球面各加工阶段的面形检测技术及其最新进展，重点介绍了非球面精密抛光期的面形检测技术，并对其中的非零位子孔径拼接干涉检测法和部分补偿法进行了详细阐述，提出了适用于大口径、深度非球面面形检测的组合干涉法的概念。概述了近年来受到关注的自由曲面非球面的发展和检测技术现状，展望了非球面检测技术的发展趋势。
2014, 7(1): 47-56.
doi: 10.3788/CO.20140701.047
摘要:
对近几年石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究成果进行了追踪，分析了多种改性石墨烯电极应用于染料敏化太阳能电池后能量转换效率变化的原因，深入研究了改善石墨烯对电解质的还原电催化反应活性物理机理，为解决该电池存在的问题理清了思路，对该方向未来的研究工作给出了建议，探索和制备新材料以进一步打破石墨烯的层间堆叠是提高该电池性能的关键。
对近几年石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究成果进行了追踪，分析了多种改性石墨烯电极应用于染料敏化太阳能电池后能量转换效率变化的原因，深入研究了改善石墨烯对电解质的还原电催化反应活性物理机理，为解决该电池存在的问题理清了思路，对该方向未来的研究工作给出了建议，探索和制备新材料以进一步打破石墨烯的层间堆叠是提高该电池性能的关键。
2014, 7(1): 57-67.
doi: 10.3788/CO.20140701.057
摘要:
总结了纳米薄膜修饰的长周期光纤光栅在折射率生物传感器方面的研究进展，重点介绍了纳米薄膜对长周期光纤光栅折射率传感性能的影响，详细阐述了覆膜长周期光纤光栅在生化分析检测领域的应用，并对其在折射率传感方面的应用前景作了展望。
总结了纳米薄膜修饰的长周期光纤光栅在折射率生物传感器方面的研究进展，重点介绍了纳米薄膜对长周期光纤光栅折射率传感性能的影响，详细阐述了覆膜长周期光纤光栅在生化分析检测领域的应用，并对其在折射率传感方面的应用前景作了展望。
2014, 7(1): 68-78.
doi: 10.3788/CO.20140701.068
摘要:
盲图像复原是在未知或不完全确知相关原始图像与成像点扩展函数的先验知识的情形下，利用所观测到的降质图像对原始图像和点扩展函数进行估计的一种图像处理方法。本文对近年来涌现出的主要盲图像复原算法进行了回顾，并根据相应的理论来源及相互联系将其划分为四大类，对各类复原算法及其改进算法进行了分析和讨论，为更清晰与深刻地认识和理解盲图像复原理论、解决实际图像降质问题提供参考。
盲图像复原是在未知或不完全确知相关原始图像与成像点扩展函数的先验知识的情形下，利用所观测到的降质图像对原始图像和点扩展函数进行估计的一种图像处理方法。本文对近年来涌现出的主要盲图像复原算法进行了回顾，并根据相应的理论来源及相互联系将其划分为四大类，对各类复原算法及其改进算法进行了分析和讨论，为更清晰与深刻地认识和理解盲图像复原理论、解决实际图像降质问题提供参考。
2014, 7(1): 79-88.
doi: 10.3788/CO.20140701.079
摘要:
总结并讨论了极紫外光刻技术中，有关极紫外光学器件受辐照污染的在线检测方法。简要介绍了极紫外光刻系统的原理、反射镜膜层结构以及表面污染产生的机理；指出光刻系统中在线检测的技术要求；分析了目前几种主要表面检测技术的特点；给出了每种方法在极紫外光学系统中的应用潜力；最后，指出光纤椭偏仪在极紫外光学系统的在线表面污染检测中具有良好的应用前景。
总结并讨论了极紫外光刻技术中，有关极紫外光学器件受辐照污染的在线检测方法。简要介绍了极紫外光刻系统的原理、反射镜膜层结构以及表面污染产生的机理；指出光刻系统中在线检测的技术要求；分析了目前几种主要表面检测技术的特点；给出了每种方法在极紫外光学系统中的应用潜力；最后，指出光纤椭偏仪在极紫外光学系统的在线表面污染检测中具有良好的应用前景。
2014, 7(1): 89-97.
doi: 10.3788/CO.20140701.089
摘要:
在总结基于耦合半导体激光器光学混沌的产生和同步原理的基础上，讨论了其在光学密码术中的应用，提出了基于混沌载波的数字加密基本方案和改进方案，包括混沌掩膜法（CM）和混沌键控法（CSK）。最后，给出了混沌加密传输技术的一些最新进展，如相位调制（PM）、自由空间光学链路（FSOL）、多激光器和多用户方案等。
在总结基于耦合半导体激光器光学混沌的产生和同步原理的基础上，讨论了其在光学密码术中的应用，提出了基于混沌载波的数字加密基本方案和改进方案，包括混沌掩膜法（CM）和混沌键控法（CSK）。最后，给出了混沌加密传输技术的一些最新进展，如相位调制（PM）、自由空间光学链路（FSOL）、多激光器和多用户方案等。
2014, 7(1): 98-104.
doi: 10.3788/CO.20140701.098
摘要:
为了实现对人眼视网膜的高分辨率成像，解决偏振能量损失、成像视场小和普适性差等问题，对液晶自适应光学技术及其在人眼视网膜成像中的应用进行了研究。通过开环光路的设计方案，避免了闭环液晶自适应系统的偏振光能量损失；在光路中加入可变视场光阑，利用小视场照明进行波前探测、大视场照明进行像差校正和成像的方法扩大了成像视场；使用脉冲光照明的方案减小曝光量；通过偏振光照明提高能量利用率、等效无穷远视标配合补偿镜以及改进后的视标提高盯视稳定性等一系列方法，提高系统普适性。校正后成像的清晰度和对比度获得了明显提高；高分辨率眼底成像视场直径从200 m扩大到500 m；曝光量减小到原来的1/2~1/3；对前期难以获得清晰成像的样本，取得了效果良好的视网膜视觉细胞自适应图像。
为了实现对人眼视网膜的高分辨率成像，解决偏振能量损失、成像视场小和普适性差等问题，对液晶自适应光学技术及其在人眼视网膜成像中的应用进行了研究。通过开环光路的设计方案，避免了闭环液晶自适应系统的偏振光能量损失；在光路中加入可变视场光阑，利用小视场照明进行波前探测、大视场照明进行像差校正和成像的方法扩大了成像视场；使用脉冲光照明的方案减小曝光量；通过偏振光照明提高能量利用率、等效无穷远视标配合补偿镜以及改进后的视标提高盯视稳定性等一系列方法，提高系统普适性。校正后成像的清晰度和对比度获得了明显提高；高分辨率眼底成像视场直径从200 m扩大到500 m；曝光量减小到原来的1/2~1/3；对前期难以获得清晰成像的样本，取得了效果良好的视网膜视觉细胞自适应图像。
2014, 7(1): 105-111.
doi: 10.3788/CO.20140701.0105
摘要:
针对变包含角平面光栅单色器前置平面镜（PM）受热负载而导致的单色器分辨率降低问题，提出优化聚焦常数（Cff）补偿分辨率的方法。首先，计算不同Cff值时PM的热功率吸收谱，在此基础上对镜面热负载进行热-结构耦合分析，得到不同热负载时PM表面热变形的变化量；然后，结合理想分辨率公式和光线追迹软件求出加热负载的单色器分辨率；最后，优化Cff实现分辨率的补偿。研究结果表明，以软X射线谱学显微光束线站为例，当出射光能量为1 000 eV时，将Cff由1.8优化至1.84，单色器分辨率即可与无热负载时的相同，该优化方法可有效补偿单色器分辨率的降低。
针对变包含角平面光栅单色器前置平面镜（PM）受热负载而导致的单色器分辨率降低问题，提出优化聚焦常数（Cff）补偿分辨率的方法。首先，计算不同Cff值时PM的热功率吸收谱，在此基础上对镜面热负载进行热-结构耦合分析，得到不同热负载时PM表面热变形的变化量；然后，结合理想分辨率公式和光线追迹软件求出加热负载的单色器分辨率；最后，优化Cff实现分辨率的补偿。研究结果表明，以软X射线谱学显微光束线站为例，当出射光能量为1 000 eV时，将Cff由1.8优化至1.84，单色器分辨率即可与无热负载时的相同，该优化方法可有效补偿单色器分辨率的降低。
2014, 7(1): 112-117.
doi: 10.3788/CO.20140701.0112
摘要:
为了开发和改进激光诱导稳定焊接加工技术，需要通过激光辐射使电弧的导电率达到最大值。光电偶效应是控制该过程的主导因素，该过程的优化将会保证电弧的稳定性。光电偶效应提高了等离子体粒子电离的概率，从而提高了电弧的导电率。激光光子和氩原子之间的电子-原子碰撞相互作用产生了带电粒子。电离率越高，电弧的导电率就越高。为了充分利用光电偶效应，我们还应考虑工件上的光束焦点位置、光束形状和激光波长因素。
为了开发和改进激光诱导稳定焊接加工技术，需要通过激光辐射使电弧的导电率达到最大值。光电偶效应是控制该过程的主导因素，该过程的优化将会保证电弧的稳定性。光电偶效应提高了等离子体粒子电离的概率，从而提高了电弧的导电率。激光光子和氩原子之间的电子-原子碰撞相互作用产生了带电粒子。电离率越高，电弧的导电率就越高。为了充分利用光电偶效应，我们还应考虑工件上的光束焦点位置、光束形状和激光波长因素。
2014, 7(1): 118-123.
doi: 10.3788/CO.20140701.0118
摘要:
为实现表面增强拉曼散射（SERS）光谱的强信号快速检测分析，报道了通过785 nm激光诱导银纳米三角片（AgNPRs）聚集的方法。采用配体辅助化学还原法制备了AgNPRs，其边长约为80 nm，表面等离子体吸收峰出现在约774 nm处，对785 nm光产生有效吸收。在785 nm光辐照下，AgNPRs逐渐聚集，对巯基苯甲酸的SERS信号逐渐增强，其源于AgNPRs吸收的光转化为热而引起的AgNPRs聚集。其增强因子高达109。为快速获得强SERS信号，激发光功率需大于250 mW。
为实现表面增强拉曼散射（SERS）光谱的强信号快速检测分析，报道了通过785 nm激光诱导银纳米三角片（AgNPRs）聚集的方法。采用配体辅助化学还原法制备了AgNPRs，其边长约为80 nm，表面等离子体吸收峰出现在约774 nm处，对785 nm光产生有效吸收。在785 nm光辐照下，AgNPRs逐渐聚集，对巯基苯甲酸的SERS信号逐渐增强，其源于AgNPRs吸收的光转化为热而引起的AgNPRs聚集。其增强因子高达109。为快速获得强SERS信号，激发光功率需大于250 mW。
2014, 7(1): 124-130.
doi: 10.3788/CO.20140701.0124
摘要:
以氯化锌、氯化镉、氢氧化钠为原料，采用水热法合成Cd掺杂纳米花状ZnO光催化剂，并通过该样品对罗丹明B水溶液的降解来研究其光催化活性。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能量色散谱（EDS）、光致发光谱（PL）及紫外-可见分光光度计（UV-Vis）等测试手段对材料物性进行表征。实验结果表明：当掺杂Cd2+时，样品形貌发生变化、粒径减小；掺杂Cd2+后的ZnO的吸收边和紫外峰对比于纯ZnO均发生红移，禁带宽度由3.24 eV 减小到3.16 eV。通过光催化实验分析可知，掺杂后纳米ZnO光催化剂对罗丹明B 水溶液的降解率有所提高，光照3 h其降解率高达98%，说明与纯ZnO相比，Cd掺杂ZnO纳米花具有更高的光催化活性。
以氯化锌、氯化镉、氢氧化钠为原料，采用水热法合成Cd掺杂纳米花状ZnO光催化剂，并通过该样品对罗丹明B水溶液的降解来研究其光催化活性。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能量色散谱（EDS）、光致发光谱（PL）及紫外-可见分光光度计（UV-Vis）等测试手段对材料物性进行表征。实验结果表明：当掺杂Cd2+时，样品形貌发生变化、粒径减小；掺杂Cd2+后的ZnO的吸收边和紫外峰对比于纯ZnO均发生红移，禁带宽度由3.24 eV 减小到3.16 eV。通过光催化实验分析可知，掺杂后纳米ZnO光催化剂对罗丹明B 水溶液的降解率有所提高，光照3 h其降解率高达98%，说明与纯ZnO相比，Cd掺杂ZnO纳米花具有更高的光催化活性。
2014, 7(1): 131-136.
doi: 10.3788/CO.20140701.0131
摘要:
为了制作基于ZnS的对雷达波高效电磁屏蔽的金属网栅，采用了一种新型的先胶后镀的光刻复制工艺。但在制作过程中，发现影响金属网栅成品率的主要因素为ZnS材料的颜色，即由于多晶ZnS的颜色和所用光刻胶的颜色相似，很难判断网栅是否显影彻底，进而影响真空镀膜过程中金属网栅膜的形成。结合金属网栅的制作工艺，通过采用镀一层过渡膜的方式，即采用镀膜、涂胶、显影、腐蚀、镀膜、去胶、腐蚀的工艺，有效地解决了ZnS颜色带来的影响。实验表明，采用该工艺一次性成功制作出线宽为8 m、周期为400 m的金属网栅。该工艺使基于ZnS金属网栅的成品率在90%以上。
为了制作基于ZnS的对雷达波高效电磁屏蔽的金属网栅，采用了一种新型的先胶后镀的光刻复制工艺。但在制作过程中，发现影响金属网栅成品率的主要因素为ZnS材料的颜色，即由于多晶ZnS的颜色和所用光刻胶的颜色相似，很难判断网栅是否显影彻底，进而影响真空镀膜过程中金属网栅膜的形成。结合金属网栅的制作工艺，通过采用镀一层过渡膜的方式，即采用镀膜、涂胶、显影、腐蚀、镀膜、去胶、腐蚀的工艺，有效地解决了ZnS颜色带来的影响。实验表明，采用该工艺一次性成功制作出线宽为8 m、周期为400 m的金属网栅。该工艺使基于ZnS金属网栅的成品率在90%以上。
2014, 7(1): 137-143.
doi: 10.3788/CO.20140701.0137
摘要:
为了得到干涉仪的空间频率响应特性，开展了针对干涉仪的仪器传递函数的测评方法研究。建立了干涉仪成像系统的仪器传递函数的理论计算模型，利用光学设计软件仿真了菲索型干涉仪检测光路，计算并分析了该干涉系统的仪器传递函数的理论值。对基于特定频率点下的正弦位相板的方法测评干涉仪的仪器传递函数进行仿真分析，并与干涉仪的仪器传递函数的理论值进行了比对，其最大误差不超过0.6%，验证了该方法的正确性。
为了得到干涉仪的空间频率响应特性，开展了针对干涉仪的仪器传递函数的测评方法研究。建立了干涉仪成像系统的仪器传递函数的理论计算模型，利用光学设计软件仿真了菲索型干涉仪检测光路，计算并分析了该干涉系统的仪器传递函数的理论值。对基于特定频率点下的正弦位相板的方法测评干涉仪的仪器传递函数进行仿真分析，并与干涉仪的仪器传递函数的理论值进行了比对，其最大误差不超过0.6%，验证了该方法的正确性。
2014, 7(1): 144-149.
doi: 10.3788/CO.20140701.0144
摘要:
针对红外焦平面阵列强度响应的非线性失真现象，本文提出了一种基于单波长激光器测定红外焦平面阵列非线性校正曲线的方法，设计出用于测量的实验装置，并通过实验研究获得了实测的非线性校正曲线。结果表明，该方法规避了红外焦平面阵列光谱响应不均匀性的影响，满足了装置器件在工程技术中通用性和实用性的需要，在简单易行的同时保证了较高的测量精度。
针对红外焦平面阵列强度响应的非线性失真现象，本文提出了一种基于单波长激光器测定红外焦平面阵列非线性校正曲线的方法，设计出用于测量的实验装置，并通过实验研究获得了实测的非线性校正曲线。结果表明，该方法规避了红外焦平面阵列光谱响应不均匀性的影响，满足了装置器件在工程技术中通用性和实用性的需要，在简单易行的同时保证了较高的测量精度。
2014, 7(1): 150-155.
doi: 10.3788/CO.20140701.0150
摘要:
为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度，研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正，然后对黑体目标进行测温实验，获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系，建立了目标的测温数学计算模型，最后对测温结果进行误差分析。结果表明：在不同校正温度下，热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理，且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于0.22 ℃，极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。
为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度，研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正，然后对黑体目标进行测温实验，获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系，建立了目标的测温数学计算模型，最后对测温结果进行误差分析。结果表明：在不同校正温度下，热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理，且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于0.22 ℃，极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。
2014, 7(1): 156-162.
doi: 10.3788/CO.20140701.0156
摘要:
针对表面高度均方根（RMS）难以描述大尺度波动以及刚体位移鲁棒性差的缺点，提出了使用功率谱（PSD）对大口径望远镜系统中主反射镜面形进行评价；结合Zernike多项式，对PSD的分解运算进行了分析，讨论了Zernike多项式的频谱能量分布；将该方法用于500 mm反射镜面形检测数据的处理，得出实际反射镜表面面形频域能量分布情况。结果表明：对于大口径反射镜，使用PSD的评价方式对于指导加工检测以及望远镜系统误差的分配具有更实用的意义。最后，基于PSD提出了一种评价反射镜面形的子孔径非相关拼接方法，该方法适用于大口径望远镜中大口径光学元件的面形精度评价。
针对表面高度均方根（RMS）难以描述大尺度波动以及刚体位移鲁棒性差的缺点，提出了使用功率谱（PSD）对大口径望远镜系统中主反射镜面形进行评价；结合Zernike多项式，对PSD的分解运算进行了分析，讨论了Zernike多项式的频谱能量分布；将该方法用于500 mm反射镜面形检测数据的处理，得出实际反射镜表面面形频域能量分布情况。结果表明：对于大口径反射镜，使用PSD的评价方式对于指导加工检测以及望远镜系统误差的分配具有更实用的意义。最后，基于PSD提出了一种评价反射镜面形的子孔径非相关拼接方法，该方法适用于大口径望远镜中大口径光学元件的面形精度评价。
2014, 7(1): 163-168.
doi: 10.3788/CO.20140701.0163
摘要:
介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法，提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型，调整干涉仪与被测镜的位置，使被测镜达到零条纹干涉状态，然后架设合理长度组合测杆，调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置，使之达到零条纹干涉状态，再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量，通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析，并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量，测得其曲率半径均值为2 836.774 mm，标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析，找出了影响测量精度的主要因素，合成标准不确定度为0.061 mm。
介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法，提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型，调整干涉仪与被测镜的位置，使被测镜达到零条纹干涉状态，然后架设合理长度组合测杆，调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置，使之达到零条纹干涉状态，再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量，通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析，并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量，测得其曲率半径均值为2 836.774 mm，标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析，找出了影响测量精度的主要因素，合成标准不确定度为0.061 mm。
2014, 7(1): 169-174.
doi: 10.3788/CO.20140701.0169
摘要:
介绍了一种小型大变倍比变焦相机的主要技术参数，以及采用的变焦方法；详细描述了相机的组成结构，其中变倍和补偿透镜组通过滑架在主体内滑动，其运动轨迹取决于导钉在凸轮曲线槽内的运动状态；阐述了加工和装调过程中为保证相机设计质量而采取的精度保证措施，凸轮曲线槽与滚子的配合间隙应控制在6~9 m，确保主体的刚度和圆柱度，变倍和补偿滑架在主体内滑动时的返回空回误差2，滑架直径D与滑架长度L之间的比值1。经高低温和振动试验后检测结果表明：在50 lp/mm空间频率下，相机光学传递函数0.2，相机外景成像清晰，层次分明。
介绍了一种小型大变倍比变焦相机的主要技术参数，以及采用的变焦方法；详细描述了相机的组成结构，其中变倍和补偿透镜组通过滑架在主体内滑动，其运动轨迹取决于导钉在凸轮曲线槽内的运动状态；阐述了加工和装调过程中为保证相机设计质量而采取的精度保证措施，凸轮曲线槽与滚子的配合间隙应控制在6~9 m，确保主体的刚度和圆柱度，变倍和补偿滑架在主体内滑动时的返回空回误差2，滑架直径D与滑架长度L之间的比值1。经高低温和振动试验后检测结果表明：在50 lp/mm空间频率下，相机光学传递函数0.2，相机外景成像清晰，层次分明。
