2017年 10卷 第2期
2017, 10(2): 149-163.
doi: 10.3788/CO.20171002.0149
摘要
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摘要:
由于衍射极限的存在，传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波，基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限，实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述，详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能，并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗，如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波，使其参与成像，以更好地实现远场超分辨成像，以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸，是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。
由于衍射极限的存在，传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波，基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限，实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述，详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能，并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗，如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波，使其参与成像，以更好地实现远场超分辨成像，以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸，是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。
2017, 10(2): 164-175.
doi: 10.3788/CO.20172002.0164
摘要:
龙伯透镜天线是一种独特的渐变折射率透镜天线，但因为某些缺陷其应用受到限制。近年来，人们采用变换光学方法和超材料理论设计了许多以平板龙伯透镜为代表的新型透镜天线。本文对比总结了变换光学设计透镜的3种方法，即坐标变换法、保角变换法和准保角变换法；指出了准保角变换法由于设计灵活、可使用全介电材料制备而更具研究和应用前景；详细阐述了准保角变换法设计透镜的原理和步骤；介绍了国内外关于透镜变换和制备具有影响力的研究成果；指出了变换光学透镜天线今后的研究方向。
龙伯透镜天线是一种独特的渐变折射率透镜天线，但因为某些缺陷其应用受到限制。近年来，人们采用变换光学方法和超材料理论设计了许多以平板龙伯透镜为代表的新型透镜天线。本文对比总结了变换光学设计透镜的3种方法，即坐标变换法、保角变换法和准保角变换法；指出了准保角变换法由于设计灵活、可使用全介电材料制备而更具研究和应用前景；详细阐述了准保角变换法设计透镜的原理和步骤；介绍了国内外关于透镜变换和制备具有影响力的研究成果；指出了变换光学透镜天线今后的研究方向。
2017, 10(2): 176-193.
doi: 10.3788/CO.20171002.0176
摘要:
本文主要分析了弯曲波导损耗机理，包括传输损耗、辐射损耗、模式转换损耗。重点综述了设计低损耗弯曲波导的方法，包括波导材料、弯曲波导的曲线形状、波导种类、脊型波导的宽度、脊高、弯曲半径、模场分布、弯曲波导曲线形状和其他新型波导结构等。简要概括了近年来设计和制备低损耗弯曲波导的代表性工作。介绍了弯曲波导在集成光学中的应用。通过对弯曲波导的损耗及耦合机制理论的不断完善，实现光在较小弯曲半径的低损耗传输，从而提高集成光学的集成度是弯曲波导今后的发展趋势。
本文主要分析了弯曲波导损耗机理，包括传输损耗、辐射损耗、模式转换损耗。重点综述了设计低损耗弯曲波导的方法，包括波导材料、弯曲波导的曲线形状、波导种类、脊型波导的宽度、脊高、弯曲半径、模场分布、弯曲波导曲线形状和其他新型波导结构等。简要概括了近年来设计和制备低损耗弯曲波导的代表性工作。介绍了弯曲波导在集成光学中的应用。通过对弯曲波导的损耗及耦合机制理论的不断完善，实现光在较小弯曲半径的低损耗传输，从而提高集成光学的集成度是弯曲波导今后的发展趋势。
2017, 10(2): 194-206.
doi: 10.3788/CO.20171002.0194
摘要:
近年来，水平腔面发射半导体激光器具有高功率、高光束质量及易封装集成等优良性能，已成为激光器领域的研究热点。本文详细阐述了几种水平腔面发射半导体激光器的结构设计、工作原理以及激光输出特性，并对该激光器国内外最新研究进展与发展现状进行了总结和论述。在此基础上，对该激光器的研究方向和发展趋势进行了分析与展望。目前，水平腔面发射半导体激光器的激光输出功率可达瓦级，美国Alfalight公司引入曲线形光栅的单一发射器输出功率可达73 W。随着应用领域的不断拓展，中远红外波段水平腔面发射激光器将成为未来的研究焦点。
近年来，水平腔面发射半导体激光器具有高功率、高光束质量及易封装集成等优良性能，已成为激光器领域的研究热点。本文详细阐述了几种水平腔面发射半导体激光器的结构设计、工作原理以及激光输出特性，并对该激光器国内外最新研究进展与发展现状进行了总结和论述。在此基础上，对该激光器的研究方向和发展趋势进行了分析与展望。目前，水平腔面发射半导体激光器的激光输出功率可达瓦级，美国Alfalight公司引入曲线形光栅的单一发射器输出功率可达73 W。随着应用领域的不断拓展，中远红外波段水平腔面发射激光器将成为未来的研究焦点。
2017, 10(2): 207-218.
doi: 10.3788/CO.20171002.0207
摘要:
本文提出一种新的结构字典学习方法，并利用它进行图像复原。首先给出结构字典学习的基本内容和方法，然后将傅里叶正则化方法和结构字典学习方法有效整合到图像复原算法中。结构字典学习方法是先将原图像进行结构分解，再分别学习出每个结构图像中的字典，最后利用这些字典对原图像进行稀疏的表示。结合傅里叶正则化，提出了一种有效的迭代图像复原算法：第一步在傅里叶域利用正则化反卷积方法得到图像的初步估计；第二步采用结构字典学习的方法对遗留的噪声进行去噪处理。实验结果表明，提出的方法在改进信噪比和视觉质量上都要优于6种先进的图像复原方法，改进的信噪比平均提升0.5 dB以上。
本文提出一种新的结构字典学习方法，并利用它进行图像复原。首先给出结构字典学习的基本内容和方法，然后将傅里叶正则化方法和结构字典学习方法有效整合到图像复原算法中。结构字典学习方法是先将原图像进行结构分解，再分别学习出每个结构图像中的字典，最后利用这些字典对原图像进行稀疏的表示。结合傅里叶正则化，提出了一种有效的迭代图像复原算法：第一步在傅里叶域利用正则化反卷积方法得到图像的初步估计；第二步采用结构字典学习的方法对遗留的噪声进行去噪处理。实验结果表明，提出的方法在改进信噪比和视觉质量上都要优于6种先进的图像复原方法，改进的信噪比平均提升0.5 dB以上。
2017, 10(2): 219-225.
doi: 10.3788/CO.20171002.0219
摘要:
为了克服主客掺杂型有源材料均匀性和稳定性差的问题，采用键合掺杂方法，将高温热解法制备的油酸修饰掺铒氟钇钠纳米晶粒与甲基丙烯酸甲酯发生共聚反应，形成键合型有源芯层材料。纳米晶粒均匀固定在聚合物分子链上，抑制了高浓度掺杂时的团聚析出且材料更稳定。纳米粒子在聚合物中的质量百分比达到约1wt%，具有良好的成膜性，用原子力显微镜照片观察薄膜表面粗糙度为1.76 nm。用椭偏仪测量薄膜光学性质，并用柯西色散模型拟合出薄膜折射率随波长的变化关系，材料在1 550 nm信号光波长的折射率为1.485。设计嵌入式波导结构，采用有限元方法进行模式分析和计算光场强度分布。采用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺制备凹槽形下包层，填充有源材料制备条形波导放大器。实验结果表明，当1 550 nm信号光功率为0.1 mW，1 480 nm泵浦光功率为390 mW时，在1.2 cm长的样品中得到了3.58 dB的信号光相对增益。
为了克服主客掺杂型有源材料均匀性和稳定性差的问题，采用键合掺杂方法，将高温热解法制备的油酸修饰掺铒氟钇钠纳米晶粒与甲基丙烯酸甲酯发生共聚反应，形成键合型有源芯层材料。纳米晶粒均匀固定在聚合物分子链上，抑制了高浓度掺杂时的团聚析出且材料更稳定。纳米粒子在聚合物中的质量百分比达到约1wt%，具有良好的成膜性，用原子力显微镜照片观察薄膜表面粗糙度为1.76 nm。用椭偏仪测量薄膜光学性质，并用柯西色散模型拟合出薄膜折射率随波长的变化关系，材料在1 550 nm信号光波长的折射率为1.485。设计嵌入式波导结构，采用有限元方法进行模式分析和计算光场强度分布。采用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺制备凹槽形下包层，填充有源材料制备条形波导放大器。实验结果表明，当1 550 nm信号光功率为0.1 mW，1 480 nm泵浦光功率为390 mW时，在1.2 cm长的样品中得到了3.58 dB的信号光相对增益。
2017, 10(2): 226-233.
doi: 10.3788/CO.20171002.0226
摘要:
为了研究调整架角度误差以及波片与光源波长不匹配对线偏振光经过1/4波片之后偏振态的影响，本文利用坐标变换法得到1/4波片的琼斯矩阵，并用琼斯矩阵表示各偏振态。推导出波片与光源不匹配时对偏振态的影响理论模型。当考虑到调整架的角度误差时，对入射光偏振态以及波片的琼斯矩阵表达式做引入角度误差的泰勒展开，最后得到和实验结果匹配的仿真曲线。仿真结果表明，当采用808 nm 1/4波片对795 nm波长的线偏振光作用时，在不考虑调整误差的理想情况下出射光椭圆度最高为0.974 6，考虑调整误差时，对应理想情况下椭圆度最高为0.96，椭圆度最高点偏移1.72°。仿真和实验结果为进一步分析泵浦光椭圆度对原子参数的影响提供了依据。
为了研究调整架角度误差以及波片与光源波长不匹配对线偏振光经过1/4波片之后偏振态的影响，本文利用坐标变换法得到1/4波片的琼斯矩阵，并用琼斯矩阵表示各偏振态。推导出波片与光源不匹配时对偏振态的影响理论模型。当考虑到调整架的角度误差时，对入射光偏振态以及波片的琼斯矩阵表达式做引入角度误差的泰勒展开，最后得到和实验结果匹配的仿真曲线。仿真结果表明，当采用808 nm 1/4波片对795 nm波长的线偏振光作用时，在不考虑调整误差的理想情况下出射光椭圆度最高为0.974 6，考虑调整误差时，对应理想情况下椭圆度最高为0.96，椭圆度最高点偏移1.72°。仿真和实验结果为进一步分析泵浦光椭圆度对原子参数的影响提供了依据。
2017, 10(2): 234-240.
doi: 10.3788/CO.20171002.0234
摘要:
针对火炮出厂前的校瞄工作存在自动化程度不高、测试结果分辨率和精度低的缺点，设计了一种新型激光微角偏移测试校瞄系统。该系统由位置灵敏探测器（PSD）、准直平行激光管与二维精密旋转控制器构成。采用光电转换和信号处理技术，可实时获取火炮身管轴线的微角偏移量；利用相对简单的方法完成了高精度的测试，有效地改善了传统校瞄方法的不足。实验测试结果表明，该系统可在炮管仰角0°~70°范围内全程测试微角偏移量，其分辨率可达到0.001°，可广泛应用于不同口径火炮身管轴线的校瞄工作中。
针对火炮出厂前的校瞄工作存在自动化程度不高、测试结果分辨率和精度低的缺点，设计了一种新型激光微角偏移测试校瞄系统。该系统由位置灵敏探测器（PSD）、准直平行激光管与二维精密旋转控制器构成。采用光电转换和信号处理技术，可实时获取火炮身管轴线的微角偏移量；利用相对简单的方法完成了高精度的测试，有效地改善了传统校瞄方法的不足。实验测试结果表明，该系统可在炮管仰角0°~70°范围内全程测试微角偏移量，其分辨率可达到0.001°，可广泛应用于不同口径火炮身管轴线的校瞄工作中。
2017, 10(2): 241-248.
doi: 10.3788/CO.20171002.0241
摘要:
非链式脉冲DF激光器放电产生的基态DF分子对激发态DF分子的消激发作用是影响激光器稳定工作的重要原因。为解决这一问题，分别采用3A和5A分子筛作为吸附剂进行实验研究。无分子筛时，激光器重频运转1 000个脉冲后，输出功率下降到初始功率的56%。分别使用3A、5A分子筛后，激光器重频运转脉冲个数达到5 000和6 800时，输出功率下降幅度仍然不超过20%，大大提高了激光器的稳定工作时间。实验结果表明，5A分子筛的吸附效率大于3A分子筛，且两种分子筛不仅对基态DF分子产生吸附，还对工作气体产生吸附，可通过及时补充工作气体提高激光器的稳定性。
非链式脉冲DF激光器放电产生的基态DF分子对激发态DF分子的消激发作用是影响激光器稳定工作的重要原因。为解决这一问题，分别采用3A和5A分子筛作为吸附剂进行实验研究。无分子筛时，激光器重频运转1 000个脉冲后，输出功率下降到初始功率的56%。分别使用3A、5A分子筛后，激光器重频运转脉冲个数达到5 000和6 800时，输出功率下降幅度仍然不超过20%，大大提高了激光器的稳定工作时间。实验结果表明，5A分子筛的吸附效率大于3A分子筛，且两种分子筛不仅对基态DF分子产生吸附，还对工作气体产生吸附，可通过及时补充工作气体提高激光器的稳定性。
2017, 10(2): 249-255.
doi: 10.3788/CO.20171002.0249
摘要:
为了分析高能激光对鳞片石墨改性酚醛树脂涂层的损伤机理，本文采用激光辐照方法研究激光对该涂层的损伤过程。首先，制备出纯酚醛树脂涂层和鳞片石墨改性酚醛树脂涂层，使用不同的激光参数进行激光辐照实验，根据损伤区域形貌和损伤面积分析鳞片石墨的对涂层的改性作用，分析损伤区域微观形貌和内部残炭的石墨化程度，通过对损伤中心进行三维成像来分析烧蚀凹坑的尺寸与烧蚀深度。最后，根据不同颜基比涂层在激光辐照过程中损伤区域的面积和显微形貌，分析了颜基比对激光损伤涂层过程的影响。分析结果表明：酚醛树脂经激光辐照后会裂解生成石墨化程度不同的残炭，经鳞片石墨添加改性后，损伤区域的面积相比于纯酚醛树脂涂层最大可增加35 mm2。由此可知鳞片石墨的添加改性增强了涂层的横向散热能力，但过高的颜基比会使具有粘附作用的残炭生成量减少，进而导致鳞片石墨脱落明显，涂层损伤严重。
为了分析高能激光对鳞片石墨改性酚醛树脂涂层的损伤机理，本文采用激光辐照方法研究激光对该涂层的损伤过程。首先，制备出纯酚醛树脂涂层和鳞片石墨改性酚醛树脂涂层，使用不同的激光参数进行激光辐照实验，根据损伤区域形貌和损伤面积分析鳞片石墨的对涂层的改性作用，分析损伤区域微观形貌和内部残炭的石墨化程度，通过对损伤中心进行三维成像来分析烧蚀凹坑的尺寸与烧蚀深度。最后，根据不同颜基比涂层在激光辐照过程中损伤区域的面积和显微形貌，分析了颜基比对激光损伤涂层过程的影响。分析结果表明：酚醛树脂经激光辐照后会裂解生成石墨化程度不同的残炭，经鳞片石墨添加改性后，损伤区域的面积相比于纯酚醛树脂涂层最大可增加35 mm2。由此可知鳞片石墨的添加改性增强了涂层的横向散热能力，但过高的颜基比会使具有粘附作用的残炭生成量减少，进而导致鳞片石墨脱落明显，涂层损伤严重。
2017, 10(2): 256-266.
doi: 10.3788/CO.20171002.0256
摘要:
本文提出了一种新型、易于用传统光学干涉仪测量的非球面.该非球面的检测主要基于Zemax光学程序软件设计的多重配置特性.第一配置为易于测量非球面, 第二配置为采用平行平面玻璃板或单透镜作为零位校正器, 用于检测第一配置的非球面.本文通过一些实例, 说明了易测量非球面检测技术的应用和优势, 证实了与圆锥或普通非球面相比, 易测量非球面更易于操作与检测, 同时有利于减小光学像差.
本文提出了一种新型、易于用传统光学干涉仪测量的非球面.该非球面的检测主要基于Zemax光学程序软件设计的多重配置特性.第一配置为易于测量非球面, 第二配置为采用平行平面玻璃板或单透镜作为零位校正器, 用于检测第一配置的非球面.本文通过一些实例, 说明了易测量非球面检测技术的应用和优势, 证实了与圆锥或普通非球面相比, 易测量非球面更易于操作与检测, 同时有利于减小光学像差.
2017, 10(2): 267-279.
doi: 10.3788/CO.20171002.0267
摘要:
条纹反射法是一种结构简单的三维面形检测手段，本文对该方法在智能手机、平板等移动设备中的集成和应用进行了研究。首先，对条纹反射法标定误差以及智能设备的特点进行了分析。然后，在分析实际检测中的关键误差基础上，提出了通过相机非线性定标、改善相移算法、格点位置标定、应对相机自动增益调整等一系列方法和算法，在设备现有硬件条件下提高了测量精度和稳定性；最后，使用iPad Air对直径为105 mm的SiC反射面进行了实验。结果表明，标定精度在毫米量级时，对反射面的检测精度RMS值达到33 μm，并且以低频误差为主，在局部高频区域检测结果有明显优势，证实了在不使用其他外部设备前提下，集成于智能平板的条纹反射法具备几十微米量级精度的检测能力。
条纹反射法是一种结构简单的三维面形检测手段，本文对该方法在智能手机、平板等移动设备中的集成和应用进行了研究。首先，对条纹反射法标定误差以及智能设备的特点进行了分析。然后，在分析实际检测中的关键误差基础上，提出了通过相机非线性定标、改善相移算法、格点位置标定、应对相机自动增益调整等一系列方法和算法，在设备现有硬件条件下提高了测量精度和稳定性；最后，使用iPad Air对直径为105 mm的SiC反射面进行了实验。结果表明，标定精度在毫米量级时，对反射面的检测精度RMS值达到33 μm，并且以低频误差为主，在局部高频区域检测结果有明显优势，证实了在不使用其他外部设备前提下，集成于智能平板的条纹反射法具备几十微米量级精度的检测能力。
