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2020年  13卷  第2期

综述
有机发光二极管显示屏的喷墨打印研究与展望
刘欣, 叶芸, 唐谦, 郭太良
2020, 13(2): 217-228. doi: 10.3788/CO.20201302.0217
摘要:
近年来,有机发光二极管(OLED)被广泛应用于智能手机等中小尺寸显示屏,并逐步进入电视等大尺寸显示领域和照明市场。随着OLED平板显示新时代的到来,对显示屏的彩色化与图案化研究提出了更高要求。与传统真空蒸镀技术相比,喷墨打印技术更容易实现大面积器件的彩色化和复合功能材料的图案化,且工艺简单,成本低廉,并可进行柔性器件加工。本文综述了采用喷墨打印技术制备OLED显示屏的研究现状,并系统介绍了喷墨打印设备的发展历程,通过优化bank结构提高显示屏的分辨率,优化墨水配方及组成配比抑制喷墨液滴的"咖啡环"效应,从而提高显示器发光均匀性,最后对国内外该技术产业进行了概述与展望。
激光破岩技术的研究现状及进展
官兵, 李士斌, 张立刚, 陈双庆
2020, 13(2): 229-248. doi: 10.3788/CO.20201302.0229
摘要:
激光破岩技术是应用光学领域的重要研究方向,它是集合了多相态、多耦合、多尺度的复杂高温、高压物理与化学过程。为了厘清激光破岩研究中的核心难点,给研究者提供有效的理论参考和趋向信息,本文对激光破岩技术的研究概况进行了分析总结。首先明确了激光破岩机理;之后分别从石油井下作业用激光器、激光破岩影响因素、激光破岩的温度场相变传热、物理力学性质以及激光破岩应用可行性等方面对国内外激光破岩技术研究进行了总结分析,指出了现阶段所取得的创新成果和不足;最后阐明了激光破岩技术的优点和发展趋势。研究结果表明,激光破岩技术可在现场配套设施研发、多影响因素评价、多场耦合作用机制和井下适用性理论体系研究等方向着力突破。
原创文章
宽谱段高分辨扫描光谱定标技术
迟明波, 韩欣欣, 徐阳, 舒风风, 吴一辉
2020, 13(2): 249-257. doi: 10.3788/CO.20201302.0249
摘要:
为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求,采用精密角位移平台直接驱动光栅,配合面阵探测器,实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中,探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系,且不同像元的波长增量不同,这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性,基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角,探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到,从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动,实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验,在200~800 nm的宽谱段范围内,波长准确度优于0.018 nm,波长重复性优于0.001 nm。
采用解析法对Nd:YAG单晶光纤的温度场研究
田晓, 齐兵, 金发成, 黄宝玉, 张俊
2020, 13(2): 258-265. doi: 10.3788/CO.20201302.0258
摘要:
采用解析法对Nd:YAG单晶光纤激光器热效应相关的光纤温度场分布进行研究。建立了Nd:YAG单晶光纤热模型,在单晶光纤所满足的边界条件下通过解析求解热传导方程,得到在高功率808 nm泵浦光抽运下产生946 nm激光的单晶光纤温度场分布,并与传统Nd:YAG激光晶体的温度场进行比较,然后分别与同泵浦条件下的有限元数值方法的分析结果进行研究对比,最后分析泵浦光参数、单晶光纤参数等对温度场的影响。结果表明,功率为86 W的泵浦光入射至单晶光纤端面的最高温升仅为30.98℃,明显优于同泵浦条件下传统Nd:YAG晶体的端面温升结果94.37℃,与有限元数值法得到的Nd:YAG单晶光纤19℃温升结果相比,该解析法结果更接近于实验的测量值31℃,能够更精确描述晶体光纤温度场。本文可对单晶光纤激光器热效应的精确研究提供一定参考,进而有利于提高单晶光纤激光器的性能。
靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术
唐兴, 王琦, 马小军, 高党忠, 王宗伟, 孟婕
2020, 13(2): 266-272. doi: 10.3788/CO.20201302.0266
摘要:
靶丸内表面轮廓是激光核聚变靶丸的关键参数,需要精密检测。本文首先分析了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量基本原理,建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量方法。此外,搭建了靶丸内表面轮廓测量实验装置,建立了基于靶丸光学图像的辅助调心方法,实现了靶丸内表面轮廓的精密测量,获得了准确的靶丸内表面轮廓曲线;最后,对测量结果的可靠性进行了实验验证和不确定度分析,结果表明,白光共焦光谱能实现靶丸内表面低阶轮廓的精密测量,其测量不确定度优于0.1 μm。
基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计
曹逸兴, 张国旗, 卢勇男
2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
摘要:
皮肤镜在临床中已广泛用于诊断皮肤病变,然而,如何更加清晰准确地观察表皮、真皮表皮交界处和真皮乳头层内的色素性结构的大小、形状、颜色的深浅及浅层血管丛血管的大小形态依旧是一个挑战。由于皮肤表皮层类似于镜面反射,不改变反射光的偏振态,而皮肤组织表皮层以下的组织会改变原有光线的偏振态,基于此,本文设计了一个视场为22 mm、倍率为10×的手持偏振皮肤镜,通过采用偏振照明成像技术可以更加清晰有效地观察深层皮肤组织的病变以及病变组织形态,从而提高临床诊断与鉴别效率。
利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究
袁志国, 马修真, 刘晓楠, 穆彦龙, 杨晓涛
2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
摘要:
针对D4114B型柴油机排放尾气中的CO2气体开展测量研究,计算分析气体的体积分数以及温度。文中以可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术原理为基础,利用MATLAB中SIMULINK库中的各个模块,模拟尾气测量的实际过程。仿真结果显示,在模拟柴油机排放环境下,待测量气体CO2的温度仿真相对误差为0.03%。利用船用D4114B型柴油机进行验证实验,在其排气管上增添可视化窗口并安装相应测试系统,利用以半导体为工作介质的可调谐激光器作为激光光源,开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究,测试相对误差小于4%。由上述研究结果可知,本文中利用SIMULINK搭建的模型所测得的温度值与实际柴油机尾气排放过程中的温度相差较小,因此,其仿真结果能够对柴油机排气测温提供一定的参考。
压缩感知光谱成像技术的编码孔径与探测器匹配优化
刘铭鑫, 张新, 王灵杰, 史广维, 吴洪波, 付强
2020, 13(2): 290-301. doi: 10.3788/CO.20201302.0290
摘要:
编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析,并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出区块阈值划分的编码孔径,将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级,从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建,实验结果表明:运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准,内容更丰富;采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统,其分辨率和成像质量大幅度提升,并实现了高分辨率元件的100%利用。
光学加工过程中高次非球面的三坐标测量数据处理
李昂, 王永刚, 邬志强, 张继友
2020, 13(2): 302-312. doi: 10.3788/CO.20201302.0302
摘要:
三坐标轮廓检测是大口径高次非球面确定性加工过程中的主要面形测量手段。由于原始三坐标数据包含较大的检测误差,无法直接应用于加工过程,本文提出了一组数据处理算法对误差进行全面去除。首先,对获取的检测数据采用基于球心曲面重建的测头半径补偿算法进行测头半径误差补偿,然后对补偿后数据进行坐标系旋转平移误差去除,最后对提取的检测面形残差进行基于KNN的残差噪点过滤。其中,提出的基于球心曲面重建的测头半径补偿算法通过引入一个高精度的测头球心包络面拟合模型,来计算各检测点的测头半径补偿向量,仿真实验证明:算法补偿精度达到RMS < 4 nm;提出的基于KNN的残差噪点过滤算法,通过采用插值方法提高样本空间密度和优化噪声度量值的计算,提高了噪点的识别敏感度并实现了噪点的自动化去除。最终根据整个误差清理算法构建了检测点云处理软件,应用实践表明其有效提高了镜面加工过程中检测点云的数据处理精度和效率。
激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度
李彦清, 范海琦, 朱奎名, 刘双宇
2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
摘要:
本文采用光纤激光器在不锈钢表面上制备圆形阵列结构来增强不锈钢与塑料的连接强度。研究了激光制备的圆形阵列结构参数以及连接参数对不锈钢与塑料连接强度的影响。结果表明,不锈钢表面经过激光扫描构形处理后能显著提高不锈钢与塑料的连接强度,在压力作用下,熔融塑料渗入激光构造微孔形成的机械互锁是增强不锈钢与塑料连接强度的主要机制。激光构形后不锈钢表面上的毛刺高度、数量以及覆盖率对连接接头的连接强度有重要影响。毛刺高度为10~20 μm,毛刺数量占比Tm小于14.82%时,不锈钢与塑料在连接面处断裂,剪切力随着Tm的增加而增加;当Tm值高于14.82%时,在塑料处断裂,且剪切力数值在塑料的平均拉伸断裂力(950 N)上下浮动。不锈钢与塑料连接接头断裂于塑料处时所对应的最小覆盖率为38.5%,此时剪切力为900 N。此外,激光扫描处理过程中不锈钢与塑料连接的温度与压力对连接强度有重要影响,在加热温度为400℃时,不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强;当压力为75 kN时,不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强。
椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性
卢腾飞, 张凯宁, 吴志军, 刘永欣
2020, 13(2): 323-332. doi: 10.3788/CO.20201302.0323
摘要:
本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况,并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现,椭圆涡旋光束在海洋传输过程中,光斑会发生明显的旋转,同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点,并且海洋湍流越强,光斑受到的干扰越严重。研究还发现,在较弱的海洋湍流中,随着传输距离的增加,椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子,而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显,同时也发现,传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中,椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处,束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。
高精度干涉式光纤陀螺热漂移分析
刘军号, 李瑞辰
2020, 13(2): 333-343. doi: 10.3788/CO.20201302.0333
摘要:
为了改进干涉式光纤陀螺的测量精度和温度性能,建立了该仪器输出偏置的解析模型。通过把光纤双折射这一从未被考察过的相位微扰与其它已知误差源进行线性叠加,该模型首次显式地把陀螺性能直接与光纤的力学、光学、热学和几何参数联系起来。利用该模型对常用于10-3 deg/h精度量级光纤陀螺的64层四极对称环圈进行计算,结果表明,保偏光纤所固有的高双折射及其温度涨落对陀螺输出偏置及其热漂移的影响分别在10-3 deg/h和10-2 deg/h量级,而过去研究较多的单模光纤中的舒普效应和热致光弹效应的影响分别在10-4 deg/h和10-3 deg/h量级。该模型表明保偏光纤所固有的高应力双折射是干涉式光纤陀螺的主要误差源,同时较为完备地描述了光纤陀螺中源于光纤性能的误差,也解释了该误差对光纤双折射的非线性依赖。
应用于空间惯性传感器的压电驱动器的性能测试
李华东, 齐克奇, 石强, 王少鑫, 王智
2020, 13(2): 344-353. doi: 10.3788/CO.20201302.0344
摘要:
为保证空间惯性传感器的正常在轨运行,在发射阶段需保证测试质量固定以避免与周围电容极板的接触碰撞;到达预定轨道后再重新捕获并以最小残余线速度将测试质量释放至精确位置,保持自由悬浮状态。测试质量的捕获定位对驱动器提出高精度的要求。本文针对在太空中捕获定位释放测试质量所用的压电直线驱动器进行了设计定制与性能测试。试验结果表明:该定制的压电驱动器最小步长小于1 nm,但步长稳定性误差较大;150 V工作电压条件最大驱动力达72 N;单步行进驱动力稳定;夹持测试质量过程中,驱动力稳定,稳定性偏差为0.16%。满足捕获、定位、释放机构的使用需求。
美洛昔康与溶菌酶作用机制的光谱分析及理论模建研究
程旭, 刘保生, 张红彩
2020, 13(2): 354-362. doi: 10.3788/CO.20201302.0354
摘要:
为了探究美洛昔康与溶菌酶的作用机制,在pH=7.40的实验条件下,采用荧光光谱、同步荧光光谱和理论模建分析技术研究了类风湿性关节炎药物美洛昔康与溶菌酶分子之间的相互作用。结果表明,美洛昔康能够以静态猝灭形式有效地猝灭溶菌酶的内源荧光,形成1:1的复合物,并使溶菌酶的构象发生改变。热力学结果表明,美洛昔康-溶菌酶体系的主要作用力类型为疏水作用力。理论模建结果表明,该体系除疏水作用外还存在氢键作用,且美洛昔康被溶菌酶的活性氨基酸残基Glu35和Asp52包围,结合作用改变了溶菌酶催化活性中心处氨基酸残基的微环境。当患者服用15 mg美洛昔康时,美洛昔康与溶菌酶的蛋白结合率WB)为3.71%~8.79%,说明美洛昔康与溶菌酶的结合对溶菌酶自身抗炎、抗菌功能的影响不大,体系药物结合率WQ)为1.08%~1.14%,说明溶菌酶与美洛昔康结合不会影响美洛昔康的药效。该研究从理论上证明了溶菌酶在血浆环境中与药物美洛昔康结合后,对溶菌酶本身功能和美洛昔康的药效不会产生严重影响。
Optical design of an ultra-short-focus projection system with low throw ratio based on a freeform surface mirror
YU Bai-hua, TIAN Zhi-hui, SU Dong-qi, SUI Yong-xin, YANG Huai-jiang
2020, 13(2): 363-371. doi: 10.3788/CO.20201302.0363
摘要:
In order to design an ultra-short-focus objective lens with a low throw ratio, a system of ultra-short-focus, low-throw-ratio objective lenses is designed using a freeform surface and refractive-reflective optical structure. The objective lenses consist of a rotationally symmetrical refractive lens group and a freeform surface mirror. A 11.938 mm Digital Micromirror Device (DMD) is used as a spatial light modulator to generate the image source. The normal-weighted iterative optimization method is used to calculate the freeform surface. Finally, the performance of the system is analyzed. The simulation results show that the ultra-short-focus projection objective lens can achieve a 3 048 mm screen projection at a distance of 580 mm. The throw ratio of the system is 0.19, which is extraordinarily low, and the maximum distortion of the system is less than 0.72%. This can meet the design requirements of low throw ratio ultra-short-focus projection objective lenses. This projection system is advantageous for its low throw ratio, low distortion and good imaging quality, which can provide a useful reference for the further development of ultra-short-focus projection systems.
Far-field range fluorescence enhancement by a hybrid metal-dielectric structure
DONG Lin-xiu, CHEN Zhi-hui, YANG Yi-biao, FEI Hong-ming, LIU Xin
2020, 13(2): 372-380. doi: 10.3788/CO.20201302.0372
摘要:
In order to improve the sensitivity of fluorescence biosensing and solve the near-field limitations to enhancement when the fluorescent nanoparticle is in the structure's far-field range, a large-scale hybrid metal-dielectric structure(Ag-Si structure) is proposed to enhance fluorescence in the far-field range.This hybrid metal-dielectric structure is different from previous metal-dielectric structures because it achieves fluorescence enhancement when the fluorescent nanoparticle is in the structure's far-field range due to scattering and interference. In this paper, the Ag-Si structure is investigated with respect to its excitation process and the emission process using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. In the excitation process, the intensity of the Ag-Si structure's fluorescence is higher than that of the bare glass structure and the electric field distribution of the Ag-Si structure is more uniform in the slit between the two pillars than it is in the metal structure (Ag structure). With this structure, fluorescence enhancement can be achieved and its detection of molecular motion behavior is more accurate. In the emission process, fluorescence enhancement in the Ag-Si structure is higher than that of the bare glass structure when the fluorescent nanoparticle is in the structure's far-field range. The mechanisms that achieve fluorescence enhancement in the Ag-Si structure are scattering and interference. Fluorescence is scattered upward by the silver film while the silver and silicon pillars on both sides of the structure simultaneously scatter the partial fluorescence, then the fluorescence interferes and propagates to the far-field to achieve fluorescence enhancement.Further advocating its use, an Ag-Si structure is simple to fabricate and integrate, allowing seamless application in biosensing.
对史密斯-帕塞尔自由电子激光光栅的研究
孟现柱
2020, 13(2): 381-395. doi: 10.3788/CO.20201302.0381
摘要:
为了研究史密斯-帕塞尔自由电子激光的输出频率和光栅槽深、光栅槽长、光栅槽宽的关系,对于基于矩形光栅的史密斯-帕塞尔自由电子激光利用粒子模拟软件进行模拟和理论分析。首先,利用粒子模拟软件模拟对于基于矩形光栅的史密斯-帕塞尔自由电子激光进行了研究,发现史密斯-帕塞尔自由电子激光的输出频率随光栅槽深、光栅槽长、光栅槽宽的增大而减少。接着,对史密斯-帕塞尔自由电子激光的光栅槽进行了理论分析,发现每个光栅槽都可以等效为一个LC谐振电路,并发现在史密斯-帕塞尔自由电子激光中存在两种辐射,一种是史密斯-帕塞尔辐射,另一种是LC振荡辐射。最后,对光栅槽的LC振荡辐射进行了估算,发现史密斯-帕塞尔自由电子激光输出频率的模拟值与光栅槽的LC振荡辐射估算值的数量级均为102 GHz,且变化规律上一致。据此推测决定史密斯-帕塞尔自由电子激光输出频率的应该是光栅槽,而不是谐振腔。
复介质对光量子阱光传输特性的激活效应
苏安, 蒙成举, 江思婷, 高英俊
2020, 13(2): 396-410. doi: 10.3788/CO.20201302.0396
摘要:
利用传输矩阵法研究复介质对光量子阱光传输特性的激活效应机制,结果表明复介质可有效激活光量子阱的光透射率和内部局域电场。无论组成光量子阱的介质是实介质还是复介质,光量子阱内部均存在局域电场,且局域电场均会产生频率量子化并在透射谱中出现分立的窄透射峰。在介质A中掺入激活性杂质的复介电常数虚部k为正时,光量子阱内部局域电场和分立窄透射峰的透射率均出现衰减现象,且随着k值增大内部局域电场单调衰减越来越明显,但光量子阱不同波长位置的局域电场对k值的响应灵敏度不同,其中光量子阱中心波长处对应的电场对k值响应最灵敏;当复介电常数的虚部k为负值时,光量子阱内部局域电场和分立窄透射峰的透射率均出现增益放大现象,随着负虚部|k|值增大,内部局域电场先增大至极大值随后衰减,但光量子阱不同波长位置的局域电场增益放大的极大值及其对应的|k|值大小不同,其中光量子阱短波方向局域电场对|k|值响应最灵敏,长波方向局域电场对|k|值响应灵敏度最低。研究复介质对光量子阱光传输特性的调制机制,对新型光学滤波器、光学放大器和光学全反射镜的理论研究与实际设计,以及光量子阱光传输特性的内在机制研究等,均具有积极的指导意义。
微型傅立叶变换光谱仪的优化设计与实验研究
赵云, 吕金光, 秦余欣, 陶金, 梁中翥, 王维彪, 尼启良, 孟德佳, 梁静秋
2020, 13(2): 411-425. doi: 10.3788/CO.20201302.0411
摘要:
为了实现傅立叶变换光谱仪的微型化与轻量化,设计了轻型栅条分束器结构,代替传统的平行平板分束器,分析了轻型栅条分束器的栅棱对光谱复原的影响,提出了制作误差容限。对微型傅立叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到了轻型栅条分束器的最佳结构。通过系统仿真进行光谱反演,得到了复原光谱,并计算了轻型栅条分束器引入的光谱误差。完成了原理样机的搭建与调试,得到了实际系统的复原光谱,证明了微型化系统的可行性。该微型化系统相对于传统傅立叶变换光谱仪,具有体积小,稳定性好的优点,可用于在线监测。