2010年 3卷 第4期
2010, 3(4): 301-309.
摘要
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摘要:
稀土掺杂材料的上转换发光是实现光波频率转换的重要途径,也是稀土掺杂发光材料研究的重要内容。本文从介绍与上转换相关的基本概念出发,阐述了稀土离子上转换发光的发展历史;对稀土离子掺杂材料的能量传递、激发态吸收、合作敏化、合作发光、双光子吸收激发及光子吸收雪崩等上转换发光机制进行了概述,并对各机制进行了比较;对不同稀土离子掺杂体系中上转换发光的机制进行了总结;对以往研究的稀土掺杂上转换发光材料的基质,包括粉体材料、晶体材料、非晶材料进行了概括;最后对影响稀土离子上转换发光效率的因素进行了分析,提出了在上转换发光材料的设计中应重点考虑基质对泵浦光及上转换发射光的吸收、基质材料的声子能量、稀土离子的掺杂方案及泵浦途径等因素。
稀土掺杂材料的上转换发光是实现光波频率转换的重要途径,也是稀土掺杂发光材料研究的重要内容。本文从介绍与上转换相关的基本概念出发,阐述了稀土离子上转换发光的发展历史;对稀土离子掺杂材料的能量传递、激发态吸收、合作敏化、合作发光、双光子吸收激发及光子吸收雪崩等上转换发光机制进行了概述,并对各机制进行了比较;对不同稀土离子掺杂体系中上转换发光的机制进行了总结;对以往研究的稀土掺杂上转换发光材料的基质,包括粉体材料、晶体材料、非晶材料进行了概括;最后对影响稀土离子上转换发光效率的因素进行了分析,提出了在上转换发光材料的设计中应重点考虑基质对泵浦光及上转换发射光的吸收、基质材料的声子能量、稀土离子的掺杂方案及泵浦途径等因素。
2010, 3(4): 310-317.
摘要:
随着以双曲面为次镜的两镜光学系统在天文和空间光学等领域的应用日趋广泛,双曲面次镜的口径和相对口径越来越大,由此对双曲面次镜的面形检测技术提出了很高的要求。本文基于国外有代表性的双曲面次镜参数分析了其基本特征和发展趋势,重点介绍了国外大型双曲面次镜的面形检测技术,并对其中的关键技术进行了分析。同时,概述了国内双曲面次镜检测技术现状。最后,总结和展望了大型双曲面次镜面形检测技术发展趋势。提出今后一段时间内,高均匀性的光学透射材料,高精度、大口径的辅助元件以及基于子孔径拼接的检测方法和数据处理方法是该领域的研究重点。
随着以双曲面为次镜的两镜光学系统在天文和空间光学等领域的应用日趋广泛,双曲面次镜的口径和相对口径越来越大,由此对双曲面次镜的面形检测技术提出了很高的要求。本文基于国外有代表性的双曲面次镜参数分析了其基本特征和发展趋势,重点介绍了国外大型双曲面次镜的面形检测技术,并对其中的关键技术进行了分析。同时,概述了国内双曲面次镜检测技术现状。最后,总结和展望了大型双曲面次镜面形检测技术发展趋势。提出今后一段时间内,高均匀性的光学透射材料,高精度、大口径的辅助元件以及基于子孔径拼接的检测方法和数据处理方法是该领域的研究重点。
2010, 3(4): 318-324.
摘要:
研究了影响玻璃质光学元件表面质量的主要因素,认为表面微裂纹是表面强度改变的主要原因。用机械磨削初成形工艺方法分析研究了表面微裂纹产生的原因;通过裂纹尖端应力集中及Griffith能量平衡理论,分析了裂纹扩展方式;结合表面结构缺陷理论及研磨处理表面微缺陷工艺,阐述了HF腐蚀法对微裂纹的去除机理及效果;最后,综述了通过生产工艺提高玻璃强度的方法,重点讨论了离子交换法,镀膜法和HF腐蚀法等表面处理技术,指出使用HF腐蚀法去除表面微裂纹更适用于玻璃质光学元件的表面加工。
研究了影响玻璃质光学元件表面质量的主要因素,认为表面微裂纹是表面强度改变的主要原因。用机械磨削初成形工艺方法分析研究了表面微裂纹产生的原因;通过裂纹尖端应力集中及Griffith能量平衡理论,分析了裂纹扩展方式;结合表面结构缺陷理论及研磨处理表面微缺陷工艺,阐述了HF腐蚀法对微裂纹的去除机理及效果;最后,综述了通过生产工艺提高玻璃强度的方法,重点讨论了离子交换法,镀膜法和HF腐蚀法等表面处理技术,指出使用HF腐蚀法去除表面微裂纹更适用于玻璃质光学元件的表面加工。
2010, 3(4): 325-336.
摘要:
动态红外场景投影(DIRSP)技术是考察和评估红外成像测量跟踪系统性能指标的主要方法。本文回顾了国内外DIRSP技术的发展现状及应用,概述了几种主要的DIRSP技术及其特点。在详细介绍数字微镜器件(DMD)的工作原理及机械结构的基础上,总结了灰度等级控制的方法及其特点。通过对3种数字光处理(DLP)显示系统投影原理的对比,指出了各自的特点和应用场合。重点分析了基于DMD的DIRSP系统微镜阵列投影系统(MAPS)的工作原理、系统结构、性能指标及技术优势,并讨论了将DMD应用于DIRSP所采用的6大关键技术。最后,结合DIRSP技术的应用背景和国内外研究现状,对下一步的研究工作做了展望。
动态红外场景投影(DIRSP)技术是考察和评估红外成像测量跟踪系统性能指标的主要方法。本文回顾了国内外DIRSP技术的发展现状及应用,概述了几种主要的DIRSP技术及其特点。在详细介绍数字微镜器件(DMD)的工作原理及机械结构的基础上,总结了灰度等级控制的方法及其特点。通过对3种数字光处理(DLP)显示系统投影原理的对比,指出了各自的特点和应用场合。重点分析了基于DMD的DIRSP系统微镜阵列投影系统(MAPS)的工作原理、系统结构、性能指标及技术优势,并讨论了将DMD应用于DIRSP所采用的6大关键技术。最后,结合DIRSP技术的应用背景和国内外研究现状,对下一步的研究工作做了展望。
2010, 3(4): 337-342.
摘要:
介绍了星载成像光谱仪杂散光检测技术在国内外的发展状况,阐述了成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,分析了杂散光检测的必要性。通过截止滤光片法、光谱法、谱杂散光系数法、级数透过率法、氧气吸收光谱及参数拟合法、卷积计算法和矩阵修正法等7种光谱仪器杂散光检测方法优缺点的对比,给出了星载成像光谱仪杂散光检测技术的具体要求和发展趋势,认为单一的检测技术很难满足工程研制的实际需要,针对各研制阶段的组合检测技术将是星载成像光谱仪杂光检测的发展方向。
介绍了星载成像光谱仪杂散光检测技术在国内外的发展状况,阐述了成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,分析了杂散光检测的必要性。通过截止滤光片法、光谱法、谱杂散光系数法、级数透过率法、氧气吸收光谱及参数拟合法、卷积计算法和矩阵修正法等7种光谱仪器杂散光检测方法优缺点的对比,给出了星载成像光谱仪杂散光检测技术的具体要求和发展趋势,认为单一的检测技术很难满足工程研制的实际需要,针对各研制阶段的组合检测技术将是星载成像光谱仪杂光检测的发展方向。
2010, 3(4): 343-347.
摘要:
将行波耦合激光、驻波光栅激光和静磁场作用于一个超冷原子系综,获得了由两个Bragg反射区和一个电磁感应透明区构成的动态可控光学微腔。对耦合激光、光栅激光和静磁场进行时间调制,将一个弱探测激光送入这一相干诱导光学微腔,使其形成周期振荡,然后再根据需要在一定时间延迟之后将其导出,将这一伴随着较弱能量损耗的探测脉冲受限传播过程视为一个有效的动态光存储机制。对提出的信息存储机制进行了数值模拟,讨论了它的优点和实用价值,提出了它的发展前景。
将行波耦合激光、驻波光栅激光和静磁场作用于一个超冷原子系综,获得了由两个Bragg反射区和一个电磁感应透明区构成的动态可控光学微腔。对耦合激光、光栅激光和静磁场进行时间调制,将一个弱探测激光送入这一相干诱导光学微腔,使其形成周期振荡,然后再根据需要在一定时间延迟之后将其导出,将这一伴随着较弱能量损耗的探测脉冲受限传播过程视为一个有效的动态光存储机制。对提出的信息存储机制进行了数值模拟,讨论了它的优点和实用价值,提出了它的发展前景。
2010, 3(4): 348-352.
摘要:
高密度光栅具有与传统光栅不同的性质,其衍射特性往往是偏振相关的。本文针对1 550 nm波长TE/TM偏振入射光和0.5的光栅占空比,利用严格耦合波分析数值计算了不同光栅周期下0级及-1级的衍射效率。研究表明,相比周期为1 550 nm的光栅,当周期为1 200 nm时,偏振相关衍射效应明显增强,当光栅周期为890 nm时,TE偏振光的衍射效率随着光栅深度呈正余弦变化,而TM偏振光的衍射效率始终集中在0级,具有偏振选择性。通过模式方法,利用模式中的有效折射率概念,研究了不同周期下被入射光所激发的两种光波模式通过光栅区域传播所累积的相位差;基于双光束干涉,模拟了0级和-1级的衍射效率。结果表明,利用严格耦合波分析的数值计算结果符合模式方法的理论预期,对于高密度相位光栅的偏振选择性给予了合理的物理机制解释。
高密度光栅具有与传统光栅不同的性质,其衍射特性往往是偏振相关的。本文针对1 550 nm波长TE/TM偏振入射光和0.5的光栅占空比,利用严格耦合波分析数值计算了不同光栅周期下0级及-1级的衍射效率。研究表明,相比周期为1 550 nm的光栅,当周期为1 200 nm时,偏振相关衍射效应明显增强,当光栅周期为890 nm时,TE偏振光的衍射效率随着光栅深度呈正余弦变化,而TM偏振光的衍射效率始终集中在0级,具有偏振选择性。通过模式方法,利用模式中的有效折射率概念,研究了不同周期下被入射光所激发的两种光波模式通过光栅区域传播所累积的相位差;基于双光束干涉,模拟了0级和-1级的衍射效率。结果表明,利用严格耦合波分析的数值计算结果符合模式方法的理论预期,对于高密度相位光栅的偏振选择性给予了合理的物理机制解释。
2010, 3(4): 353-362.
摘要:
为了更准确地计算大气透过率,在Mie散射理论基础上,分析了雷达系统设计中需考虑的大气透过率的经验计算公式,指出了该经验公式的不足。考虑大气分析软件MODTRAN自身的优点,采用经验公式和软件计算相结合的方式计算大气透过率,给出了MODTRAN计算结果的修正表达式。在该理论指导下,进行了CO2激光大气传输实验。由于没有考虑大气湍流,理论计算和实验结果存在一定偏差,但不影响本文方法的实用性。实验测量显示,激光器出口处光斑能量抖动比为6.18%,而在50 m和1 km处能量抖动比分别为8.3%和50.2%,表明随着传输距离增加,能量抖动比增大。除掉激光器本身输出能量抖动外,在50 m和1 km处由大气传输造成的能量抖动比分别为2.12%和44.02%。实验结果提示,水平传输1 km时能量抖动已相当剧烈,所以对更远距离的激光传输,自适应光学补偿显得尤为重要。
为了更准确地计算大气透过率,在Mie散射理论基础上,分析了雷达系统设计中需考虑的大气透过率的经验计算公式,指出了该经验公式的不足。考虑大气分析软件MODTRAN自身的优点,采用经验公式和软件计算相结合的方式计算大气透过率,给出了MODTRAN计算结果的修正表达式。在该理论指导下,进行了CO2激光大气传输实验。由于没有考虑大气湍流,理论计算和实验结果存在一定偏差,但不影响本文方法的实用性。实验测量显示,激光器出口处光斑能量抖动比为6.18%,而在50 m和1 km处能量抖动比分别为8.3%和50.2%,表明随着传输距离增加,能量抖动比增大。除掉激光器本身输出能量抖动外,在50 m和1 km处由大气传输造成的能量抖动比分别为2.12%和44.02%。实验结果提示,水平传输1 km时能量抖动已相当剧烈,所以对更远距离的激光传输,自适应光学补偿显得尤为重要。
2010, 3(4): 363-368.
摘要:
给出了一种新型眼底相机照明系统的设计方案。针对现行眼底相机照明系统复杂的问题,对经典的柯勒照明光路进行改良设计,得到了一个结构简单的眼底照明系统。结构中除网膜物镜外,只需用到4片透镜,且眼底照明区域直径连续可调,充分利用了光能。通过在照明光路中添加黑点板和环形光阑,屏蔽了系统99%以上的杂散光,使眼底相机成像画面的信噪比达到20 dB以上,提高了对比度。同时在Gullstrand_Le标准眼模型上,得到一个均匀度达95%以上的照明区域。
给出了一种新型眼底相机照明系统的设计方案。针对现行眼底相机照明系统复杂的问题,对经典的柯勒照明光路进行改良设计,得到了一个结构简单的眼底照明系统。结构中除网膜物镜外,只需用到4片透镜,且眼底照明区域直径连续可调,充分利用了光能。通过在照明光路中添加黑点板和环形光阑,屏蔽了系统99%以上的杂散光,使眼底相机成像画面的信噪比达到20 dB以上,提高了对比度。同时在Gullstrand_Le标准眼模型上,得到一个均匀度达95%以上的照明区域。
2010, 3(4): 369-373.
摘要:
针对同一光学产品的杂光系数由于测试条件的不同,测试结果往往差别很大,无法进行准确比较的问题,对几种光学镜头在不同的测试条件下反复进行了杂光系数测试实验。通过理论分析和实验测试给出了不同黑体目标尺寸和接收光阑孔径以及是否加装准直镜对杂光系数测量结果的影响。结果表明,对同一光学产品,选取的黑体目标尺寸越大,测试结果杂光越小;选取的光电接收器件接收光阑孔径越大,测试结果杂光越大。另外,准直物镜的使用会引入新的杂光,令杂光测试结果增大,但增大的量值可视为定值,进而从测试结果中减除。
针对同一光学产品的杂光系数由于测试条件的不同,测试结果往往差别很大,无法进行准确比较的问题,对几种光学镜头在不同的测试条件下反复进行了杂光系数测试实验。通过理论分析和实验测试给出了不同黑体目标尺寸和接收光阑孔径以及是否加装准直镜对杂光系数测量结果的影响。结果表明,对同一光学产品,选取的黑体目标尺寸越大,测试结果杂光越小;选取的光电接收器件接收光阑孔径越大,测试结果杂光越大。另外,准直物镜的使用会引入新的杂光,令杂光测试结果增大,但增大的量值可视为定值,进而从测试结果中减除。
2010, 3(4): 374-378.
摘要:
基于数字滤波技术,提出了获取物体反射光谱数据立方体和光谱响应曲线的主动式新型高光谱成像系统。对传统WDF型瓦兹渥斯反射式单色仪进行了改装,在入射光一定的情况下,增大出射光通量,提高了照射在物体表面的光强。利用数字滤波方式代替光学窄带滤波器,解决了多个光学滤光片不能连续可调和其他滤波器成本高的问题,建立了波长连续可调,带宽可调的高光谱成像系统。针对系统的特点和采集方式,提出了适当的定标方式,其波长误差＜2 nm。得到了绿色树叶效果良好的光谱数据立方体和响应曲线,表明提出的系统适用于实验室中小视场内的光谱成像测量研究。
基于数字滤波技术,提出了获取物体反射光谱数据立方体和光谱响应曲线的主动式新型高光谱成像系统。对传统WDF型瓦兹渥斯反射式单色仪进行了改装,在入射光一定的情况下,增大出射光通量,提高了照射在物体表面的光强。利用数字滤波方式代替光学窄带滤波器,解决了多个光学滤光片不能连续可调和其他滤波器成本高的问题,建立了波长连续可调,带宽可调的高光谱成像系统。针对系统的特点和采集方式,提出了适当的定标方式,其波长误差＜2 nm。得到了绿色树叶效果良好的光谱数据立方体和响应曲线,表明提出的系统适用于实验室中小视场内的光谱成像测量研究。
2010, 3(4): 379-384.
摘要:
为了实现光电仪器对椭圆形目标的准确识别与跟踪,基于Hough变换提出了一种新的椭圆检测算法。该算法随机采样2点,再利用椭圆极和极弦的性质来搜索第3点并筛除大量无效采样;然后,以这3点为中心作正方形窗口,用窗口内的所有点来拟合椭圆方程。在验证候选椭圆时,提出了一种新方法来判断边缘点是否在椭圆上,并且给出了确定真实椭圆的自适应阈值。实验显示,该算法的平均长度误差为0.5 pixel,平均角度误差为0.6,平均耗时为79 ms,表明该算法精度高,速度快,检测性能较好。
为了实现光电仪器对椭圆形目标的准确识别与跟踪,基于Hough变换提出了一种新的椭圆检测算法。该算法随机采样2点,再利用椭圆极和极弦的性质来搜索第3点并筛除大量无效采样;然后,以这3点为中心作正方形窗口,用窗口内的所有点来拟合椭圆方程。在验证候选椭圆时,提出了一种新方法来判断边缘点是否在椭圆上,并且给出了确定真实椭圆的自适应阈值。实验显示,该算法的平均长度误差为0.5 pixel,平均角度误差为0.6,平均耗时为79 ms,表明该算法精度高,速度快,检测性能较好。
2010, 3(4): 385-390.
摘要:
We demonstrate an all-optical switching of the magnetic resonance properties associated with a metallic Split Ring Resonator(SRR) array. The periodically spaced elements are fabricated on a high-resistivity silicon wafer and probed by using conventional Terahertz(THz) time-domain spectroscopy. We use a continuous-wave laser diode to generate carriers in the gaps of the SRR elements. Using a sufficient power, this optical excitation can create an effective short gap, which would switch the resonant properties of the metamaterial from that of an SRR array to that of a closed ring resonator array and leads to dramatic changes in the THz transmission. In the present experiment, the optically induced switching is associated with the magnetic resonance. However, with appropriate changes in the device structure, this approach can be extended to switch a medium with a negative real index of refraction to a medium with a positive real index of refraction. This opens the way to creat a broad new range of active devices.
We demonstrate an all-optical switching of the magnetic resonance properties associated with a metallic Split Ring Resonator(SRR) array. The periodically spaced elements are fabricated on a high-resistivity silicon wafer and probed by using conventional Terahertz(THz) time-domain spectroscopy. We use a continuous-wave laser diode to generate carriers in the gaps of the SRR elements. Using a sufficient power, this optical excitation can create an effective short gap, which would switch the resonant properties of the metamaterial from that of an SRR array to that of a closed ring resonator array and leads to dramatic changes in the THz transmission. In the present experiment, the optically induced switching is associated with the magnetic resonance. However, with appropriate changes in the device structure, this approach can be extended to switch a medium with a negative real index of refraction to a medium with a positive real index of refraction. This opens the way to creat a broad new range of active devices.
2010, 3(4): 391-396.
摘要:
对基于中波红外焦平面探测器实现目标的表面温度测量进行了理论及实验研究。介绍了红外测温系统的组成和测量原理,建立了红外探测器测温模型。分析了标定过程中出现的红外探测器灰度值漂移现象,通过4种不同的实验方法总结了红外探测器灰度值漂移的规律,根据这些漂移规律提出了漂移补偿的方法。最后,以黑体为目标进行了测温实验。结果显示,漂移补偿前后的测温误差分别为1.965 ℃和0.335 ℃,表明测温精度得到了很大的改善。
对基于中波红外焦平面探测器实现目标的表面温度测量进行了理论及实验研究。介绍了红外测温系统的组成和测量原理,建立了红外探测器测温模型。分析了标定过程中出现的红外探测器灰度值漂移现象,通过4种不同的实验方法总结了红外探测器灰度值漂移的规律,根据这些漂移规律提出了漂移补偿的方法。最后,以黑体为目标进行了测温实验。结果显示,漂移补偿前后的测温误差分别为1.965 ℃和0.335 ℃,表明测温精度得到了很大的改善。
2010, 3(4): 397-403.
摘要:
为了实现空气质量的实时监测,设计了一种车载红外探测设备的光机结构。该结构采用大孔径、无焦反射式光学系统,即高精度扫描反射镜实现了方位和俯仰0~360扫描。通过有限元方法对系统进行静力学分析,结果满足光机结构设计要求。用锤击法对样机进行了模态测试,并对车载环境下的设备进行了振动实验。结果表明,光机结构一阶频率为52 Hz,相对于车载环境的12.5 Hz具有足够的动态刚度及结构稳定性,可保证该设备正常工作。
为了实现空气质量的实时监测,设计了一种车载红外探测设备的光机结构。该结构采用大孔径、无焦反射式光学系统,即高精度扫描反射镜实现了方位和俯仰0~360扫描。通过有限元方法对系统进行静力学分析,结果满足光机结构设计要求。用锤击法对样机进行了模态测试,并对车载环境下的设备进行了振动实验。结果表明,光机结构一阶频率为52 Hz,相对于车载环境的12.5 Hz具有足够的动态刚度及结构稳定性,可保证该设备正常工作。
