2017年 10卷 第4期
2017, 10(4): 391-414.
doi: 10.3788/CO.20171004.0391
摘要
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摘要:
本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作为参考波前，能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点，点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非共路干涉两种结构，主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑，对环境振动不敏感，对光源相干度要求不高，可利用光束偏振态及光栅衍射分束的特性对传统点衍射板进行改造，在全共路点衍射干涉仪中引入时间相位调制技术和干涉对比度可调技术，可进一步提高波前检测精度。采用反射式针孔和各种光纤结构发展了非共路点衍射干涉仪，实现了大口径、高精度球面反射镜面形的测量。本文重点阐述了用于极紫外光刻投影物镜中高精度球面反射镜面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪，并展望了点衍射检测技术在生物检测等领域的应用前景和发展趋势。
本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作为参考波前，能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点，点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非共路干涉两种结构，主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑，对环境振动不敏感，对光源相干度要求不高，可利用光束偏振态及光栅衍射分束的特性对传统点衍射板进行改造，在全共路点衍射干涉仪中引入时间相位调制技术和干涉对比度可调技术，可进一步提高波前检测精度。采用反射式针孔和各种光纤结构发展了非共路点衍射干涉仪，实现了大口径、高精度球面反射镜面形的测量。本文重点阐述了用于极紫外光刻投影物镜中高精度球面反射镜面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪，并展望了点衍射检测技术在生物检测等领域的应用前景和发展趋势。
2017, 10(4): 415-425.
doi: 10.3788/CO.20171004.0415
摘要:
太赫兹频率的相干声子在纳米尺度器件的探测和操控领域具有重要的应用价值。半导体超晶格声子激光器是实现太赫兹频率相干声子源稳定输出的重要途径。本文首先回顾了GHz到THz频率范围声学放大的多种方法，然后详细阐述了超晶格声子放大、超晶格声学布拉格镜的工作原理与设计方法以及声子激光器的阈值条件，同时总结了电抽运和光抽运结构器件的研究现状，最后简要讨论了亚太赫兹声子激光器在声-电子领域的应用。分析表明，这种能够产生强相干太赫兹声子的半导体超晶格声子激光器在纳米尺度器件的探测与成像等方面具有广阔的发展前景。
太赫兹频率的相干声子在纳米尺度器件的探测和操控领域具有重要的应用价值。半导体超晶格声子激光器是实现太赫兹频率相干声子源稳定输出的重要途径。本文首先回顾了GHz到THz频率范围声学放大的多种方法，然后详细阐述了超晶格声子放大、超晶格声学布拉格镜的工作原理与设计方法以及声子激光器的阈值条件，同时总结了电抽运和光抽运结构器件的研究现状，最后简要讨论了亚太赫兹声子激光器在声-电子领域的应用。分析表明，这种能够产生强相干太赫兹声子的半导体超晶格声子激光器在纳米尺度器件的探测与成像等方面具有广阔的发展前景。
2017, 10(4): 426-437.
doi: 10.3788/CO.20171004.0426
摘要:
本文主要综述了国内外便携式激光诱导击穿光谱（LIBS）系统的研究进展和应用情况。目前该系统主要针对金属元素进行检测，对非金属等轻元素的定量分析需要较大能量的激光激发，但受限于激光器和光谱仪等组件体积的影响，研发便携式、高精度LIBS系统有较高难度。本文针对全元素检测便携设备的研发，利用限域和高压放电脉冲得到了增强的LIBS信号，降低了激光能量，从物理机理上给出了便携式LIBS设备研发的新方向。
本文主要综述了国内外便携式激光诱导击穿光谱（LIBS）系统的研究进展和应用情况。目前该系统主要针对金属元素进行检测，对非金属等轻元素的定量分析需要较大能量的激光激发，但受限于激光器和光谱仪等组件体积的影响，研发便携式、高精度LIBS系统有较高难度。本文针对全元素检测便携设备的研发，利用限域和高压放电脉冲得到了增强的LIBS信号，降低了激光能量，从物理机理上给出了便携式LIBS设备研发的新方向。
2017, 10(4): 438-448.
doi: 10.3788/CO.20171004.0438
摘要:
图像增强算法能够提高图像整体和局部的对比度，突出图像的细节信息，使增强后的图像更符合人眼的视觉特性且易于机器识别，在军事和民用领域具有广泛的应用。本文从图像增强算法的原理出发，归纳总结了近年来应用比较广泛的4类图像增强算法及其改进算法，包括直方图均衡图像增强算法、小波变换图像增强算法、偏微分方程图像增强算法和基于Retinex理论的图像增强算法。结合人眼视觉特性、噪声抑制、亮度保持和信息熵最大化等图像增强的改进算法，在保证增强图像具有较高对比度的前提下，可进一步提升图像的质量。实现了9种较为典型的图像增强算法，采用主观和客观的评价方法对增强效果进行了对比，分析了不同增强算法的优缺点，并给出了这些算法的计算时间。对这些算法的深入研究能够推动图像增强技术向更高水平发展，从而使图像增强技术在多个学科领域发挥重要作用。
图像增强算法能够提高图像整体和局部的对比度，突出图像的细节信息，使增强后的图像更符合人眼的视觉特性且易于机器识别，在军事和民用领域具有广泛的应用。本文从图像增强算法的原理出发，归纳总结了近年来应用比较广泛的4类图像增强算法及其改进算法，包括直方图均衡图像增强算法、小波变换图像增强算法、偏微分方程图像增强算法和基于Retinex理论的图像增强算法。结合人眼视觉特性、噪声抑制、亮度保持和信息熵最大化等图像增强的改进算法，在保证增强图像具有较高对比度的前提下，可进一步提升图像的质量。实现了9种较为典型的图像增强算法，采用主观和客观的评价方法对增强效果进行了对比，分析了不同增强算法的优缺点，并给出了这些算法的计算时间。对这些算法的深入研究能够推动图像增强技术向更高水平发展，从而使图像增强技术在多个学科领域发挥重要作用。
2017, 10(4): 449-454.
doi: 10.3788/CO.20171004.0449
摘要:
为了提高光纤光栅传感器的测量精度及可靠性，实现点式测量，拓宽光纤布拉格光栅（FBG）的应用，本文提出了基于飞秒激光直写扫线技术制备超短FBG。首先，在单模光纤上制备了周期为5.35 μm、长度为53.5 μm的超短FBG，其温度和应力的灵敏度分别为0.011 nm/℃和1.509 nm/N；然后，用体积分数为4%的氢氟酸对制备超短FBG进行选择性腐蚀，制备出了微通道超短FBG，并研究了它对NaCl溶液的传感特性，其折射率灵敏度为69.11 nm/RIU。结果表明，这种微通道超短FBG具有高重复性、高可靠性、可多参数测量等优点。
为了提高光纤光栅传感器的测量精度及可靠性，实现点式测量，拓宽光纤布拉格光栅（FBG）的应用，本文提出了基于飞秒激光直写扫线技术制备超短FBG。首先，在单模光纤上制备了周期为5.35 μm、长度为53.5 μm的超短FBG，其温度和应力的灵敏度分别为0.011 nm/℃和1.509 nm/N；然后，用体积分数为4%的氢氟酸对制备超短FBG进行选择性腐蚀，制备出了微通道超短FBG，并研究了它对NaCl溶液的传感特性，其折射率灵敏度为69.11 nm/RIU。结果表明，这种微通道超短FBG具有高重复性、高可靠性、可多参数测量等优点。
2017, 10(4): 455-461.
doi: 10.3788/CO.20171004.0455
摘要:
本文基于可调谐半导体激光吸收谱线（TDLAS）技术的直接吸收测量，选用中心工作波长为1 580 nm的DFB激光器，在室温及大气常压条件下检测了模拟烟气中的CO2浓度；采用去峰拟合法和纯N2线拟合法获得基线后反算出了CO2的浓度，并将反算结果进行了对比。结果表明：采用纯N2线拟合法反算出的浓度的最大相对误差为2.64%，均方值为1.69%；采用去拟合法反算出的浓度的最大相对误差为9.81%，均方值为7.81%。以纯N2吸收谱线作基线的纯N2线拟合方法反算出的浓度的准确度较高，可以为CO2浓度测量的基线选择提供参考。
本文基于可调谐半导体激光吸收谱线（TDLAS）技术的直接吸收测量，选用中心工作波长为1 580 nm的DFB激光器，在室温及大气常压条件下检测了模拟烟气中的CO2浓度；采用去峰拟合法和纯N2线拟合法获得基线后反算出了CO2的浓度，并将反算结果进行了对比。结果表明：采用纯N2线拟合法反算出的浓度的最大相对误差为2.64%，均方值为1.69%；采用去拟合法反算出的浓度的最大相对误差为9.81%，均方值为7.81%。以纯N2吸收谱线作基线的纯N2线拟合方法反算出的浓度的准确度较高，可以为CO2浓度测量的基线选择提供参考。
2017, 10(4): 462-468.
doi: 10.3788/CO.20171001.0462
摘要:
为满足星间激光通信对高隔离水平光学天线的要求，实现对光学天线隔离度的仿真分析和优化，提出了一种将红外系统冷反射的特征控制量YNI值作为衡量光学元件表面后向反射能量强度，并控制光学天线优化以提高隔离度水平的方法。在LightTools软件中为某激光通信终端的卡塞格林天线创建了实体模型，通过仿真分析得出了各元件表面的后向反射率。在ZEMAX软件中以增大各元件表面的YNI值为目标优化天线结构。对比优化前后的结果，系统的后向反射率从3.068 8×10-4减小到1.075 5×10-5，隔离度从-35.13 dB减小到-49.68 dB。优化后的卡塞格林天线具备较高的隔离度水平，可用于星间激光通信。
为满足星间激光通信对高隔离水平光学天线的要求，实现对光学天线隔离度的仿真分析和优化，提出了一种将红外系统冷反射的特征控制量YNI值作为衡量光学元件表面后向反射能量强度，并控制光学天线优化以提高隔离度水平的方法。在LightTools软件中为某激光通信终端的卡塞格林天线创建了实体模型，通过仿真分析得出了各元件表面的后向反射率。在ZEMAX软件中以增大各元件表面的YNI值为目标优化天线结构。对比优化前后的结果，系统的后向反射率从3.068 8×10-4减小到1.075 5×10-5，隔离度从-35.13 dB减小到-49.68 dB。优化后的卡塞格林天线具备较高的隔离度水平，可用于星间激光通信。
2017, 10(4): 469-476.
doi: 10.3788/CO.20171004.0469
摘要:
为了实现高灵敏度、宽频响应的光纤型加速度传感器，以光纤激光器作为加速度传感器的传感元件，建立了光纤激光加速度传感系统，并对该系统的传感原理、灵敏度和谐振频率等性能进行了分析和实验。采用竖直式加速度传感器结构，结构中的传感组件主要由质量块和中空的细钢管组成，光纤激光器受预应力作用后粘接在钢管内部，在加速度作用下，钢管产生的应变引起光纤激光器的应变和折射率发生改变，导致光纤激光器的出射波长随之发生改变，然后使用干涉解调技术检测出波长的动态变化，即可获得波长中包含的加速度振幅和频率信息。实验结果表明，在20~1 250 Hz频段内，竖直式光纤激光加速度传感器的灵敏度约为-126.2 dB[参考值1 rad/（μm/s2）]，频响曲线的波动幅度在±1.9 dB范围内，加速度响应动态范围为77.46~170.26 dB[500 Hz频点，参考值1 μm/（s2·Hz1/2）]，加速度分辨率优于0.01 m/s2。
为了实现高灵敏度、宽频响应的光纤型加速度传感器，以光纤激光器作为加速度传感器的传感元件，建立了光纤激光加速度传感系统，并对该系统的传感原理、灵敏度和谐振频率等性能进行了分析和实验。采用竖直式加速度传感器结构，结构中的传感组件主要由质量块和中空的细钢管组成，光纤激光器受预应力作用后粘接在钢管内部，在加速度作用下，钢管产生的应变引起光纤激光器的应变和折射率发生改变，导致光纤激光器的出射波长随之发生改变，然后使用干涉解调技术检测出波长的动态变化，即可获得波长中包含的加速度振幅和频率信息。实验结果表明，在20~1 250 Hz频段内，竖直式光纤激光加速度传感器的灵敏度约为-126.2 dB[参考值1 rad/（μm/s2）]，频响曲线的波动幅度在±1.9 dB范围内，加速度响应动态范围为77.46~170.26 dB[500 Hz频点，参考值1 μm/（s2·Hz1/2）]，加速度分辨率优于0.01 m/s2。
2017, 10(4): 477-483.
doi: 10.3788/CO.20171004.0477
摘要:
为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响，以600 mm口径主镜为研究对象，利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型，并进行了重力变形分析，然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明，在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下，主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差，结合主镜自身的面形误差，计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大，其RMS最大为19.58 nm，表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果，可满足工程要求，同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。
为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响，以600 mm口径主镜为研究对象，利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型，并进行了重力变形分析，然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明，在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下，主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差，结合主镜自身的面形误差，计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大，其RMS最大为19.58 nm，表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果，可满足工程要求，同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。
2017, 10(4): 484-490.
doi: 10.3788/CO.20171004.0484
摘要:
近年来，光纤布拉格光栅传感器与全分布式光纤传感器的融合技术受到了广泛关注，然而光纤布拉格光栅与布里渊信号之间的耦合特性鲜有报道。本文研究了光栅类型、波长、反射率及光纤的光致折射率对受激布里渊信号的影响规律，并探讨了空间分辨率对光纤布拉格光栅定位功能的影响。实验结果表明，在布里渊光时域分析系统中，光纤布拉格光栅处有尖锐的反射峰，而啁啾光栅、长周期光栅及光致折射率变化的光纤处均未出现尖锐的反射峰；光纤布拉格光栅反射率与受激布里渊散射功率谱无关；当光纤布拉格光栅的波长接近1 550 nm时，对受激布里渊频移测量的影响最大；在8 m的长度范围内，光纤布拉格光栅的定位误差约为4 cm，并且与空间分辨率无关。
近年来，光纤布拉格光栅传感器与全分布式光纤传感器的融合技术受到了广泛关注，然而光纤布拉格光栅与布里渊信号之间的耦合特性鲜有报道。本文研究了光栅类型、波长、反射率及光纤的光致折射率对受激布里渊信号的影响规律，并探讨了空间分辨率对光纤布拉格光栅定位功能的影响。实验结果表明，在布里渊光时域分析系统中，光纤布拉格光栅处有尖锐的反射峰，而啁啾光栅、长周期光栅及光致折射率变化的光纤处均未出现尖锐的反射峰；光纤布拉格光栅反射率与受激布里渊散射功率谱无关；当光纤布拉格光栅的波长接近1 550 nm时，对受激布里渊频移测量的影响最大；在8 m的长度范围内，光纤布拉格光栅的定位误差约为4 cm，并且与空间分辨率无关。
2017, 10(4): 491-498.
doi: 10.3788/CO.20171004.0491
摘要:
为了提高航空光电稳定平台的扰动隔离度，在传统平台的电流反馈、速度反馈、位置反馈的基础上增加了高增益加速度反馈，并利用伪微分反馈的控制技术设计出新的控制器来代替传统的速度反馈的PI控制器。实验结果表明，在模拟转台以1°、0~2.5 Hz的正弦干扰下，相对于传统的航空光电稳定平台，基于伪微分和加速度反馈控制的光电稳定平台的阶跃响应超调量减小了约7.8%，扰动隔离度提高了约8.7 dB；相对于基于PI控制器和加速度反馈控制的航空光电稳定平台，基于伪微分和加速度反馈控制的光电稳定平台的阶跃响应超调量减小了约2.6%，且平台的过渡过程加快。该控制系统能够有效地抑制扰动力矩的影响，具有较好的通用性和实用性。
为了提高航空光电稳定平台的扰动隔离度，在传统平台的电流反馈、速度反馈、位置反馈的基础上增加了高增益加速度反馈，并利用伪微分反馈的控制技术设计出新的控制器来代替传统的速度反馈的PI控制器。实验结果表明，在模拟转台以1°、0~2.5 Hz的正弦干扰下，相对于传统的航空光电稳定平台，基于伪微分和加速度反馈控制的光电稳定平台的阶跃响应超调量减小了约7.8%，扰动隔离度提高了约8.7 dB；相对于基于PI控制器和加速度反馈控制的航空光电稳定平台，基于伪微分和加速度反馈控制的光电稳定平台的阶跃响应超调量减小了约2.6%，且平台的过渡过程加快。该控制系统能够有效地抑制扰动力矩的影响，具有较好的通用性和实用性。
2017, 10(4): 499-506.
doi: 10.3788/CO.20171001.0499
摘要:
为了研究不同黄疸治疗仪光源的发光光谱对新生儿产生紫外辐射、热辐射等潜在的光生物安全问题，本文利用光辐射安全测定系统OST-300对传统蓝光荧光灯、普通蓝光LED灯以及经简单遗传算法计算与拟合的蓝光LED灯进行了测试与对比分析。实验结果表明：传统蓝光荧光灯在315，330，365 nm的紫外光处有明显的波峰出现，且峰值波长在365 nm处较为明显；传统蓝光荧光灯在老化后其蓝光光谱光衰严重，且存在大量的红外光线；而基于简单遗传算法计算与拟合的蓝光LED发光光谱与体内胆红素的吸收光谱相吻合，能避免对新生儿的光辐射危害。因此，本文提出的蓝光LED是治疗新生儿黄疸的理想光源。
为了研究不同黄疸治疗仪光源的发光光谱对新生儿产生紫外辐射、热辐射等潜在的光生物安全问题，本文利用光辐射安全测定系统OST-300对传统蓝光荧光灯、普通蓝光LED灯以及经简单遗传算法计算与拟合的蓝光LED灯进行了测试与对比分析。实验结果表明：传统蓝光荧光灯在315，330，365 nm的紫外光处有明显的波峰出现，且峰值波长在365 nm处较为明显；传统蓝光荧光灯在老化后其蓝光光谱光衰严重，且存在大量的红外光线；而基于简单遗传算法计算与拟合的蓝光LED发光光谱与体内胆红素的吸收光谱相吻合，能避免对新生儿的光辐射危害。因此，本文提出的蓝光LED是治疗新生儿黄疸的理想光源。
2017, 10(4): 507-513.
doi: 10.3788/CO.20171004.0507
摘要:
为了获得Risley棱镜系统光束指向控制精度指标设计及性能提升的依据，对系统光束指向控制精度随轴系角度测量精度的非线性变化规律进行了研究。首先，以一级近轴近似矢量合成模型为基础，采用正解方法根据双棱镜方位推导了出射光束指向的解析表达式；然后，结合单自由度轴系伺服控制经验，通过泰勒级数展开的方式推导出了光束指向控制精度与轴系角度测量精度之间的非线性解析表达式，并由此获得了界定限判据；最后，分别对小偏向角系统和大偏向角系统进行了仿真分析，获得了光束指向控制精度在全视场区域内的变化情况。结果表明，本文研究所得的非线性解析式描述了影响系统光束指向控制精度诸多因素之间的相互关系，能够为Risley棱镜光束指向系统的设计及整体性能的优化提供依据。
为了获得Risley棱镜系统光束指向控制精度指标设计及性能提升的依据，对系统光束指向控制精度随轴系角度测量精度的非线性变化规律进行了研究。首先，以一级近轴近似矢量合成模型为基础，采用正解方法根据双棱镜方位推导了出射光束指向的解析表达式；然后，结合单自由度轴系伺服控制经验，通过泰勒级数展开的方式推导出了光束指向控制精度与轴系角度测量精度之间的非线性解析表达式，并由此获得了界定限判据；最后，分别对小偏向角系统和大偏向角系统进行了仿真分析，获得了光束指向控制精度在全视场区域内的变化情况。结果表明，本文研究所得的非线性解析式描述了影响系统光束指向控制精度诸多因素之间的相互关系，能够为Risley棱镜光束指向系统的设计及整体性能的优化提供依据。
2017, 10(4): 514-521.
doi: 10.3788/CO.20171004.0514
摘要:
利用ZnS：Cu电致发光粉末与环氧树脂胶混合，设计制作了一种梯形电极结构的电压传感单元，实现了电致发光电压传感器输出信号的温度漂移补偿。电致发光电压传感信号通过2根塑料光纤传输到2个硅光电探测器，并选择其开路电压作为传感器的输出信号。在同一外加电压条件下，梯形电极区域内的电场分布是不均匀的，因而不同场点的发光亮度不同。通过测量梯形电极区域内2个不同发光点的发光强度随外加电压的变化，并对两路输出电压传感信号进行数据拟合与计算，可获知被测电压的有效值，并可实现对输出信号温度漂移的补偿。在-40~60℃范围内，采用上述温度漂移补偿方法测量了有效值在0.7~1.5 kV范围内的工频电压，传感器输出信号的非线性误差低于1.6%，验证了该温度漂移补偿方法的有效性。
利用ZnS：Cu电致发光粉末与环氧树脂胶混合，设计制作了一种梯形电极结构的电压传感单元，实现了电致发光电压传感器输出信号的温度漂移补偿。电致发光电压传感信号通过2根塑料光纤传输到2个硅光电探测器，并选择其开路电压作为传感器的输出信号。在同一外加电压条件下，梯形电极区域内的电场分布是不均匀的，因而不同场点的发光亮度不同。通过测量梯形电极区域内2个不同发光点的发光强度随外加电压的变化，并对两路输出电压传感信号进行数据拟合与计算，可获知被测电压的有效值，并可实现对输出信号温度漂移的补偿。在-40~60℃范围内，采用上述温度漂移补偿方法测量了有效值在0.7~1.5 kV范围内的工频电压，传感器输出信号的非线性误差低于1.6%，验证了该温度漂移补偿方法的有效性。
