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2022年  15卷  第1期

综述
铌酸锂薄膜调制器的研究进展
刘海锋, 郭宏杰, 谭满清, 李智勇
2022, 15(1): 1-13. doi: 10.37188/CO.2021-0115
摘要:
铌酸锂薄膜调制器具有体积小、带宽高、半波电压低的优点,在光纤通讯和光纤传感领域具有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文梳理了铌酸锂薄膜调制器的波导结构、耦合结构、电极结构的研究进展,总结了LN薄膜波导的制备工艺,并深入分析了不同结构调制器的性能。基于SOI和LNOI结构,薄膜调制器实现了VπL<2 V∙cm,双锥形耦合方案实现了耦合损耗<0.5 dB/facet,行波电极结构实现了调制带宽>100 GHz。铌酸锂薄膜调制器的性能在大多数方面优于目前商用铌酸锂调制器,随着波导工艺进一步提升,将成为铌酸锂调制器的热门方案。最后对铌酸锂薄膜调制器的发展趋势和应用前景进行了展望。
原创文章
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
2022, 15(1): 14-21. doi: 10.37188/CO.2021-0061
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模板,用来产生精确的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。最终构建了两种产生马蒂厄光束的典型二元实振幅计算全息图,其像素数高达28000 pixel×28000 pixel。之后利用加工好的振幅掩模板,准确、方便、高效地产生了椭圆系数q=10,拓扑荷数m=0与m=1的第一种偶型马蒂厄光束,其他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,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。
柔性复合薄膜成形极限曲线的视觉测定方法
陈仁虹, 梁晋, 叶美图, 任茂栋, 张继耀
2022, 15(1): 22-33. doi: 10.37188/CO.2021-0101
摘要:
针对柔性复合薄膜成形试验中极限应变难以测量的问题,提出一种基于双目立体视觉结合数字图像相关法的测量方法。首先对于薄膜材料成形过程中产生大变形或裂纹时图像难以匹配的问题,根据系列图像相邻状态变形的连续性,提出了一种图像匹配基准自适应更新的弱相关分步匹配方法;然后根据薄膜材料表面应变分布不同于钢制件的特性,提出了一种构建应变场截线来拟合薄膜材料的极限应变曲线的方法。专门组建视觉测定的软、硬件系统,通过Q235钢试件进行极限应变曲线测量并与坐标网格方法进行对比,材料极限应变精度能够提高0.02%,证明了本文方法的可行性和精确性。用7组PET/Nylon/Al foil/PP材料制备成的柔性复合薄膜试件进行实测,此方法及系统成功地完成了柔性复合薄膜材料的成形极限曲线测定。对比实验和实际测试证明,本文方法能够快速、准确地测量柔性复合薄膜材料在整个成形过程中的表面应变分布,与传统的坐标网格方法相比具有明显的优势,为测定薄膜材料的成形极限应变曲线提供了一种高可靠性、高精度的手段。
结合光源分割和线性图像深度估计的夜间图像去雾
吕建威, 钱锋, 韩昊男, 张葆
2022, 15(1): 34-44. doi: 10.37188/CO.2021-0114
摘要:
夜间有雾图像通常具有对比度低、光照不均匀、颜色偏移以及噪声较多等现象,这些退化现象使得夜间图像去雾具有极大的挑战性。针对夜间图像存在的退化问题,本文提出了一种能够在夜间图像中有效去雾并提高图像质量的方法。首先,将图像分解成光晕层和有雾层,并对有雾层进行颜色校正。其次,通过一种新提出的带有伽马变换的图像光源分割方法来分割光源,并设置分割阈值作为像素点属于光源区域的概率值。然后,将得到的概率值与最大反射先验相结合来估计光源和非光源区域的大气光值。最后,根据图像深度与亮度、饱和度以及梯度之间的关系建立线性模型,进一步估计透射率的值。实验得到的分割阈值为0.07,线性深度估计参数分别为1.0267、−0.5966、0.6735、0.004135。实验结果表明本文方法在夜间图像去雾、消除光晕、减少噪声,以及提高可视度方面取得良好的效果。
基于透镜阵列的三维姿态角度测量
杜明鑫, 闫钰锋, 张燃, 才存良, 于信, 白素平, 于洋
2022, 15(1): 45-55. doi: 10.37188/CO.2021-0129
摘要:
三维姿态角的精确测量在航空、航天、国防等领域应用广泛,为方便准确地实现三维姿态角的测量,本文设计了一种基于透镜阵列的测量系统,并建立了微小三维姿态角测量分析模型。系统中,准直平行光束通过4个排列成金字塔形的阵列透镜,在CCD上形成规则分布的阵列光斑。通过分析CCD成像光斑间的距离、透镜阵列上相邻孔径之间的距离以及透镜阵列与CCD之间的倾斜角,可以得到光束相对于接收系统俯仰角和偏摆角,利用阵列光斑连线相对水平或垂直面的夹角,可同时得到绕Z轴的滚转角。通过与高精度自准直仪测量结果进行比较,证明所提方法的测量精度可以达到RMS≤0.1″,表明该方法能够实现三维姿态角的测量。
基于等效矢量模型的双光楔逆解算法研究
冯建鑫, 王强, 王雅雷, 胥彪
2022, 15(1): 56-64. doi: 10.37188/CO.2021-0117
摘要:
为了进一步提高双光楔结构中反解算法的计算精度、减少计算时间,本文将正演迭代法与光楔等效矢量模型相结合,提出等效矢量迭代法。首先,根据光楔对光线的偏转作用建立光楔等效矢量模型。接着,利用矢量叠加的方法求解双光楔出射光线的矢量坐标。然后,将等效矢量模型代入双光楔两步逆解算法中进行计算,求解双光楔旋转角度的近似值。最后,利用正演迭代、逐步逼近的思想,提出等效矢量迭代逆解算法,并计算得到双光楔的旋转角度。实验结果表明:该算法的计算精度达到10 μm级别,计算时间在0.1 ms以内。该算法能有效提高计算精度、降低计算时间,在高精度光束指向领域具有广泛的应用前景。
基于一种透镜材料的宽谱段紫外成像仪光学设计
李寒霜, 李博, 李昊晨, 林冠宇
2022, 15(1): 65-71. doi: 10.37188/CO.2021-0127
摘要:
紫外探测技术已广泛应用于人类生产生活的各个方面,宽谱段紫外成像仪系统的研究具有重要意义。本文通过推导色差理论公式,提出了单一透镜材料的宽谱段紫外成像仪光学系统色差校正方案。结合高灵敏度大动态紫外成像探测器的性能指标要求,设计了仅一种透镜材料且所有透镜均为球面的210~400 nm宽谱段紫外成像仪光学系统,并运用光学设计软件CODE V进行系统优化及像质评价。结果表明:在奈奎斯特频率40 lp/mm下,全视场全波段系统的调制传递函数优于0.6,系统点列图RMS<7.8 μm,具有良好的成像质量。该系统不含非球面等光学元件,不仅易于加工装调,而且降低了研制成本,该方法将为宽谱段紫外成像光谱仪的设计奠定技术基础。
制冷型长波红外光学系统设计
单秋莎, 谢梅林, 刘朝晖, 陈荣利, 段晶, 刘凯, 姜凯, 周亮, 闫佩佩
2022, 15(1): 72-78. doi: 10.37188/CO.2021-0116
摘要:
针对640×512长波红外制冷型探测器,设计了一种制冷型长波红外光学系统,用于对目标的红外跟踪探测。该光学系统采用二次成像结构以达到100%冷光阑效率,采用锗和硫化锌玻璃材料相结合,实现了像差校正和消色差设计,通过引入高次非球面,很好地校正了系统的高级像差,简化了系统结构。光学系统由6个镜片构成,焦距为400 mm,工作波段为7.7~9.3 μm,视场角为1.37°×1.10°,F数为2。设计结果表明:在空间频率33 lp/mm处,轴外视场MTF>0.24,接近衍射极限,具有较高的成像品质。在−35~+55 ℃工作温度范围内,通过内置调焦镜调焦来保证高温、低温环境下的成像质量,可用于宽温度范围内的红外跟踪探测。
双波长视网膜成像自适应光学系统的轴向色差补偿方法
朱沁雨, 韩国庆, 彭建涛, 饶启龙, 沈毅力, 陈梅蕊, 孙会娟, 毛红敏, 徐国定, 曹召良, 宣丽
2022, 15(1): 79-89. doi: 10.37188/CO.EN.2021-0009
摘要:
双波长视网膜成像自适应光学系统非常适用于视网膜微血管的高对比度和高分辨率成像。本文重点研究了双波长自适应系统的轴向色差补偿问题。首先对轴向色差进行了测量,对实测波前进行了分析,并给出任意波前轴向色差补偿法。自适应校正实验结果显示,色差补偿后,波前均方根误差减小到0.16 λ(λ=589 nm),视网膜微血管分辨率提高到6 μm。这项工作可用于视网膜成像的临床应用。
计算全息法标定单光楔补偿检测系统误差
蔡志华, 王孝坤, 胡海翔, 程强, 王若秋, 张海东
2022, 15(1): 90-100. doi: 10.37188/CO.EN.2021-0004
摘要:
单光楔补偿检测法具有良好的适用性、鲁棒性和灵活性,但是在检测光路中存在多种误差耦合,误差解耦困难,影响了单光楔补偿检测的精度和可信度。针对这一问题,本文提出一种计算全息法(Computer Generation Hologram, CGH)标定单光楔补偿检测光路系统误差的新方法。文中首先分析了单光楔补偿检测法系统误差的来源,并对CGH标定光楔补偿器的可行性进行了分析。结合工程实例,对口径为150 mm的单光楔补偿器设计了CGH,经分析可得CGH的标定精度为1.98 nm RMS,CGH标定后单光楔补偿检测精度为3.43 nm RMS,该精度能够满足大口径凸非球面反射镜的高精度检测要求。结果表明:CGH可以准确标定单光楔补偿器的位姿和检测光路的系统误差,解决了检测光路中误差解耦困难的问题,提高了单光楔补偿检测的准确性和可靠性。使用CGH标定得到Tap#2和Tap#3的检测光路系统误差分别为0.023λRMS和0.011λRMS。
基于氧化铟锡的十重偏芯D型光子准晶光纤的高灵敏度表面等离子体共振传感器
刘强, 蒋宇, 胡春杰, 卢文姝, 孙宇丹, 刘超, 吕靖薇, 赵锦, 邰胜男, 易早, PaulK Chu
2022, 15(1): 101-110. doi: 10.37188/CO.EN.2021-0006
摘要:
设计并分析了一种高灵敏度表面等离子体共振(SPR)传感器,该传感器由偏芯D型结构的十重光子准晶光纤(PQF)组成,并局部涂覆氧化铟锡(ITO)。偏芯D型结构可以使液体分析更加方便,增强了纤芯模与SPP模之间的耦合,提高了传感灵敏度。采用有限元法对传感器的特性进行研究。结果表明,传感器的波长灵敏度随折射率(RIs)的增大而增大,最大波长灵敏度和分辨率分别为60000 nm/RIU和1.67×10−6 RIU。该传感器性能优良,在液体折射率测量方面具有很大的应用潜力。
涡旋光束在不同盐度的水下湍流中的传输特性的实验研究
卢腾飞, 刘永欣, 吴志军
2022, 15(1): 111-118. doi: 10.37188/CO.EN.2021-0001
摘要:
研究光束在海洋湍流中的传输特性尤为重要。为了更贴近实际情况,人工搭建了能控制水下湍流强度和盐度的装置来研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的传输特性。结果表明:相比于未添加海盐的水下湍流,光束在增添海盐的水下湍流中传输光斑会更加弥散,光强会更弱。无论是强湍流还是弱湍流,m=2的涡旋光束在盐度为4.35‰的水下湍流中的闪烁因子都大于其在盐度为2.42‰的水下湍流中所对应的闪烁因子。另外,m=2的涡旋光束传输到相同的距离时,其闪烁因子随着水下湍流的盐度和强度的增大而增大。不同盐度条件下,m=2的涡旋光束的径向闪烁因子随径向距离的增大呈先减小后增大的变化趋势。另外,搭建了传输距离更长的实验装置,在20米的传输距离内,拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远高于高斯光束所对应的闪烁因子,且m=2的涡旋光束和高斯光束的闪烁因子都随着传输距离的增大而增大。
绿光波段60 pm超窄带滤光片的研制
王凯旋, 陈刚, 刘定权, 马冲, 张秋玉
2022, 15(1): 119-131. doi: 10.37188/CO.2021-0092
摘要:
波长为532 nm的绿色激光在大气层中有较强的穿透能力,可用于自由空间光通信和激光三维测绘,为了抑制背景光的干扰,需要半功率带宽小于100 pm的光谱滤波器。因此,设计并研制了基于光学干涉薄膜的超窄带滤光片。将五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为高低折射率膜层材料,将熔石英作为基片,采用双离子束溅射沉积方法制备出所设计的光学薄膜。利用可调谐激光器和功率计测量滤光片的透射光谱,其半功率带宽为(60±2) pm,透过率达到62.6%。
量子点背光液晶显示技术的亥姆霍兹-科尔劳施效应
季洪雷, 程尚君, 李鹏飞, 张彦, 葛子义, 钟海政
2022, 15(1): 132-143. doi: 10.37188/CO.2021-0058
摘要:
亥姆霍兹-科尔劳施效应(简称H-K效应)指的是人眼对色光的感知亮度随着色纯度的增加而提升的现象。量子点背光技术可显著提升液晶显示的色域和视觉感知亮度,已经在众多显示产品中开始应用。本论文通过观看者亮度感知实验,对比了YAG荧光粉白光LED背光电视(YAG电视)和量子点背光电视(量子点电视)的H-K效应差异,根据Kaiser模型与Nayatani模型分析纯色实验的测试结果,并通过彩色实验探究了显示器的色域对感知亮度与主观偏好的影响。实验结果表明:量子点电视具有更为显著的H-K效应,视觉感知亮度明显高于传统YAG电视;在同样的感知亮度下,量子点电视的纯色R、G的物理亮度仅为YAG电视的75%、86%;鲜艳彩色画面的物理亮度为YAG电视的74%~88%;在相同感知亮度下,高色域的量子点电视更受欢迎,并且喜好趋势将随着亮度的增加而增加。上述结果对于健康显示的发展具有重要指导意义。
金属-电介质-金属柔性结构增强荧光发射
曹文静, 孙李泽童, 郭付周, 宋健彤, 刘啸, 陈智辉, 杨毅彪, 孙非
2022, 15(1): 144-160. doi: 10.37188/CO.2021-0084
摘要:
增强荧光发射可以提高荧光检测灵敏度、提高LED的亮度,在提高发光器件性能方面具有重要意义。由于金属结构在增强局域场、增强荧光发射方面具有很好效果,而柔性电介质材料具有灵活的可弯曲性特性,本文提出一种由金属-电介质-金属(MDM)组成的柔性结构以增强荧光发射。利用时域有限差分方法系统研究了该结构对量子点定向发射增强的影响。理论计算表明柔性MDM结构局部起伏和弧度对荧光增强起促进作用,且可以使位于结构中心位置量子点的量子效率增强约7倍。此外,还可以改变电介质的折射率和厚度从而实现目标波长的可调谐性。实验结果表明该柔性MDM结构对荧光增强有一定的促进作用,这一发现对未来的显示技术和柔性发光器件都有很大的价值,对高效柔性器件的开发应用具有一定的指导意义。