2020年 13卷 第3期
2020, 13(3): 427-441.
doi: 10.3788/CO.2020-0028
摘要
HTML全文
PDF 2774KB
摘要:
全固态深紫外相干光源在前沿科学、高技术等领域均有重要应用。产生全固态深紫外相干光源的一种有效而可行的技术途径是将商业化的可见、近红外全固态激光作为基频光源，通过非线性光学晶体的多级变频技术产生深紫外激光。本文系统地介绍了深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外相干光源的研究进展。主要以KBBF晶体为代表，详细介绍了发现KBBF晶体的过程，晶体生长技术，棱镜耦合器件技术，KBBF晶体的主要光学性质以及产生深紫外相干光源的能力，同时证实了KBBF晶体是目前能使用直接倍频方法实现深紫外激光输出的非线性光学晶体。此外，文中还详细介绍了基于KBBF晶体及棱镜耦合技术的深紫外相干光源的应用情况，尤其是在超高分辨率光电子能谱仪方面的应用及取得的重要成果。最后，展望了深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外激光技术的发展方向。
全固态深紫外相干光源在前沿科学、高技术等领域均有重要应用。产生全固态深紫外相干光源的一种有效而可行的技术途径是将商业化的可见、近红外全固态激光作为基频光源，通过非线性光学晶体的多级变频技术产生深紫外激光。本文系统地介绍了深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外相干光源的研究进展。主要以KBBF晶体为代表，详细介绍了发现KBBF晶体的过程，晶体生长技术，棱镜耦合器件技术，KBBF晶体的主要光学性质以及产生深紫外相干光源的能力，同时证实了KBBF晶体是目前能使用直接倍频方法实现深紫外激光输出的非线性光学晶体。此外，文中还详细介绍了基于KBBF晶体及棱镜耦合技术的深紫外相干光源的应用情况，尤其是在超高分辨率光电子能谱仪方面的应用及取得的重要成果。最后，展望了深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外激光技术的发展方向。
2020, 13(3): 442-450.
doi: 10.3788/CO.2019-0161
摘要:
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
2020, 13(3): 451-458.
doi: 10.3788/CO.2019-0152
摘要:
基于耦合模理论，利用传输矩阵法求解出长周期光纤光栅(Long Period Fiber Gratings，LPFGs)的透射谱表达式，模拟分析了LPFGs的光谱特性与光栅参数如周期、刻写长度以及折射率调制深度之间的关系。研究结果表明：LPFGs谐振波长随着周期和折射率调制深度的增大向长波方向移动，且高次模谐振波长对光栅周期更为敏感；光谱带宽的变化主要取决于光栅的刻写长度，随着光栅刻写长度的增加，带宽逐渐变窄，且当光栅刻写长度大于5.2 cm时，光栅存在过耦合区域；随着折射率调制深度的增加，光栅存在不完全耦合、完全耦合和过耦合现象，且谐振损耗最大值位置随着折射率调制深度的增加逐渐向低次转移。该研究结论对长周期光纤光栅的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。
基于耦合模理论，利用传输矩阵法求解出长周期光纤光栅(Long Period Fiber Gratings，LPFGs)的透射谱表达式，模拟分析了LPFGs的光谱特性与光栅参数如周期、刻写长度以及折射率调制深度之间的关系。研究结果表明：LPFGs谐振波长随着周期和折射率调制深度的增大向长波方向移动，且高次模谐振波长对光栅周期更为敏感；光谱带宽的变化主要取决于光栅的刻写长度，随着光栅刻写长度的增加，带宽逐渐变窄，且当光栅刻写长度大于5.2 cm时，光栅存在过耦合区域；随着折射率调制深度的增加，光栅存在不完全耦合、完全耦合和过耦合现象，且谐振损耗最大值位置随着折射率调制深度的增加逐渐向低次转移。该研究结论对长周期光纤光栅的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。
2020, 13(3): 459-471.
doi: 10.3788/CO.2019-0123
摘要:
红外偏振成像可突显目标、识别真伪，准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题，本文基于微面元双向反射分布函数模型，利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明：无论是金属还是非金属，其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小，非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度；当粗糙度及温度相同时，金属的红外辐射偏振度始终大于非金属；红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加，而后在特定入射角下达到峰值，超过一定入射角后，偏振度大幅下降，金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大，这有助于区分金属与非金属。最后，利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集，获取目标的红外辐射偏振特性，实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。
红外偏振成像可突显目标、识别真伪，准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题，本文基于微面元双向反射分布函数模型，利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明：无论是金属还是非金属，其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小，非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度；当粗糙度及温度相同时，金属的红外辐射偏振度始终大于非金属；红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加，而后在特定入射角下达到峰值，超过一定入射角后，偏振度大幅下降，金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大，这有助于区分金属与非金属。最后，利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集，获取目标的红外辐射偏振特性，实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。
2020, 13(3): 472-481.
doi: 10.3788/CO.2019-0154
摘要:
受空间所限，激光通信地面测试平台与被测终端之间的距离远小于实际通信距离，导致测试平台光机等器件产生的后向散射杂光进入被测终端，从而严重影响被测终端的测试性能。从被测终端与测试平台间的光学干扰问题出发，本文研究了被测终端与测试平台间隔离度的关系，分别设计了卡塞格林和离轴三反光学天线，并根据杂散光传输模型，采用杂散光分析软件分析了光学天线结构形式及表面粗糙度两方面对隔离度的影响。分析结果表明，采用离轴三反光学天线时的隔离度明显高于卡塞格林光学天线，且隔离度随着光学表面粗糙度的减小而增大，当光学表面的粗糙度达到0.892 nm时，隔离度可达−86.22 dB。最后，推导了ABg模型与Harvey模型参数间的关系，并根据粗糙度与TIS计算公式，得出粗糙度分别为0.7 nm及0.5 nm的ABg模型参数，它们的终端间隔离度分别为−94.39 dB和−97.3 dB，实现了−90 dB的隔离度指标。
受空间所限，激光通信地面测试平台与被测终端之间的距离远小于实际通信距离，导致测试平台光机等器件产生的后向散射杂光进入被测终端，从而严重影响被测终端的测试性能。从被测终端与测试平台间的光学干扰问题出发，本文研究了被测终端与测试平台间隔离度的关系，分别设计了卡塞格林和离轴三反光学天线，并根据杂散光传输模型，采用杂散光分析软件分析了光学天线结构形式及表面粗糙度两方面对隔离度的影响。分析结果表明，采用离轴三反光学天线时的隔离度明显高于卡塞格林光学天线，且隔离度随着光学表面粗糙度的减小而增大，当光学表面的粗糙度达到0.892 nm时，隔离度可达−86.22 dB。最后，推导了ABg模型与Harvey模型参数间的关系，并根据粗糙度与TIS计算公式，得出粗糙度分别为0.7 nm及0.5 nm的ABg模型参数，它们的终端间隔离度分别为−94.39 dB和−97.3 dB，实现了−90 dB的隔离度指标。
2020, 13(3): 482-491.
doi: 10.3788/CO.2019-0128
摘要:
为了实现不同产地苹果糖度的快速在线无损检测，减少产地差异对近红外光谱检测模型的影响，建立了不同产地苹果糖度的在线检测通用模型。首先，采用水果动态在线检测设备采集了包括栖霞、洛川与会宁3个产地的红富士苹果的漫透射光谱。其次，采用偏最小二乘算法（PLS），结合无信息变量消除（UVE）方法，筛选出58个特征变量，建立了苹果糖度的UVE-PLS通用模型，该模型对个体产地预测集及总预测集的均方根误差分别为0.50~0.74°Brix与0.63°Brix，较原始个体模型分别提高了23.2%~44.4%与35.7%。最后，提出了一个新的外部验证样本集对模型性能进行评价，其残留预测偏差为2.33，预测值在±1.0°Brix和±1.5°Brix误差范围内的占比分别为85%与100%。实验结果表明：建立多个产地苹果糖度的在线检测通用模型，能够提高其他产地样本糖度的预测稳健性，并且采用合适的波长筛选方法能够简化模型。开发不同产地水果内部品质通用模型在波长有限的光谱设备中具有良好的应用潜力。
为了实现不同产地苹果糖度的快速在线无损检测，减少产地差异对近红外光谱检测模型的影响，建立了不同产地苹果糖度的在线检测通用模型。首先，采用水果动态在线检测设备采集了包括栖霞、洛川与会宁3个产地的红富士苹果的漫透射光谱。其次，采用偏最小二乘算法（PLS），结合无信息变量消除（UVE）方法，筛选出58个特征变量，建立了苹果糖度的UVE-PLS通用模型，该模型对个体产地预测集及总预测集的均方根误差分别为0.50~0.74°Brix与0.63°Brix，较原始个体模型分别提高了23.2%~44.4%与35.7%。最后，提出了一个新的外部验证样本集对模型性能进行评价，其残留预测偏差为2.33，预测值在±1.0°Brix和±1.5°Brix误差范围内的占比分别为85%与100%。实验结果表明：建立多个产地苹果糖度的在线检测通用模型，能够提高其他产地样本糖度的预测稳健性，并且采用合适的波长筛选方法能够简化模型。开发不同产地水果内部品质通用模型在波长有限的光谱设备中具有良好的应用潜力。
2020, 13(3): 492-500.
doi: 10.3788/CO.2019-0112
摘要:
在模拟生理学条件下(pH=7.40)，采用同步荧光法研究了头孢西丁钠(CFXS)和溶菌酶(LYSO)中的荧光基团酪氨酸(Tyr)残基、色氨酸(Trp)残基之间的相互作用。结果表明：CFXS以静态猝灭的方式猝灭LYSO中的Tyr、Trp残基的荧光，结合位点数n ≈1。310 K时，Tyr与Trp残基反应的荧光猝灭比率分数NSFQR(Trp)(60.25%)>NSFQR(Tyr)(39.75%)，结合位置更靠近Trp残基。Hill系数nH约为1，表明CFXS与LYSO中Tyr与Trp残基的结合不会影响后继配体与蛋白质的结合。CFXS与LYSO中Tyr残基的药物结合率W(Q)为0.19%~0.13%，Trp残基的药物结合率W(Q)为0.23%~0.14%，游离的药物含量几乎不变，这表明CFXS与LYSO中Tyr与Trp残基的结合基本不影响药物的疗效。Tyr残基的蛋白结合率W(B)为52.69%~54.67%，Trp残基的蛋白结合率W(B)为67.67%~69.39%，因此，蛋白中游离的氨基酸残基数目会明显降低。CFXS-LYSO结合体系的主要作用力类型是疏水作用，分子对接结果表明CFXS与LYSO之间还存在氢键作用，且两者的最佳结合位置在LYSO的活性中心附近，两者的结合改变了活性中心处氨基酸残基的微环境。
在模拟生理学条件下(pH=7.40)，采用同步荧光法研究了头孢西丁钠(CFXS)和溶菌酶(LYSO)中的荧光基团酪氨酸(Tyr)残基、色氨酸(Trp)残基之间的相互作用。结果表明：CFXS以静态猝灭的方式猝灭LYSO中的Tyr、Trp残基的荧光，结合位点数n ≈1。310 K时，Tyr与Trp残基反应的荧光猝灭比率分数NSFQR(Trp)(60.25%)>NSFQR(Tyr)(39.75%)，结合位置更靠近Trp残基。Hill系数nH约为1，表明CFXS与LYSO中Tyr与Trp残基的结合不会影响后继配体与蛋白质的结合。CFXS与LYSO中Tyr残基的药物结合率W(Q)为0.19%~0.13%，Trp残基的药物结合率W(Q)为0.23%~0.14%，游离的药物含量几乎不变，这表明CFXS与LYSO中Tyr与Trp残基的结合基本不影响药物的疗效。Tyr残基的蛋白结合率W(B)为52.69%~54.67%，Trp残基的蛋白结合率W(B)为67.67%~69.39%，因此，蛋白中游离的氨基酸残基数目会明显降低。CFXS-LYSO结合体系的主要作用力类型是疏水作用，分子对接结果表明CFXS与LYSO之间还存在氢键作用，且两者的最佳结合位置在LYSO的活性中心附近，两者的结合改变了活性中心处氨基酸残基的微环境。
2020, 13(3): 501-509.
doi: 10.3788/CO.2019-0174
摘要:
为了实现成像角膜曲率计沿光轴方向的精确对准，提高角膜曲率的测量精度，设计了一种高精度成像角膜曲率测量系统。对该系统的成像光源、成像光学系统、干涉测量系统等进行研究。通过LED阵列均匀照射靶环形成光源；成像物镜采用双远心镜头，使景深变大，有利于对准测量，同时保证成像物镜的放大率不会受景深的影响；引用低相干干涉测量技术，利用低相干干涉信号定位角膜顶点和测量光源的位置，利用光栅尺监测扫描反射镜的位置，实现了角膜顶点到测量光源距离的精确测量。最后，分析了该系统成像物镜放大率的稳定性和角膜曲率测量误差，在理论基础上，做出了实验样机，用所设计的样机对标准角膜模拟眼进行测试，系统精度达到±0.02 mm，基本满足角膜曲率的测量要求。
为了实现成像角膜曲率计沿光轴方向的精确对准，提高角膜曲率的测量精度，设计了一种高精度成像角膜曲率测量系统。对该系统的成像光源、成像光学系统、干涉测量系统等进行研究。通过LED阵列均匀照射靶环形成光源；成像物镜采用双远心镜头，使景深变大，有利于对准测量，同时保证成像物镜的放大率不会受景深的影响；引用低相干干涉测量技术，利用低相干干涉信号定位角膜顶点和测量光源的位置，利用光栅尺监测扫描反射镜的位置，实现了角膜顶点到测量光源距离的精确测量。最后，分析了该系统成像物镜放大率的稳定性和角膜曲率测量误差，在理论基础上，做出了实验样机，用所设计的样机对标准角膜模拟眼进行测试，系统精度达到±0.02 mm，基本满足角膜曲率的测量要求。
2020, 13(3): 510-516.
doi: 10.3788/CO.2019-0107
摘要:
采用图像探测器的角位移测量技术可实现高精度高分辨力角位移测量。为提高角位移测量装置的鲁棒性，本文设计了一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置。其装调过程非常简便，且可以保证在标定光栅存在偏心时具有高分辨力和高精度测量输出。首先，提出了基于双线阵图像传感器的测角装置设计原理，并设计了单圈绝对式标定光栅。然后，采用基于质心算法的高分辨力细分算法进行细分，并采用双线阵图像传感器对测角误差进行误差补偿。最后，设计实验装置测试自适应安装的性能。实验结果表明，当标定光栅的偏心度在±1 mm以内时，所设计装置可以实现高精度和高分辨力的角位移测量。本文所设计的装置可以在标定光栅存在±1 mm的安装偏心时保证输出精度，为小型角位移测量装置适应性的提高给出了解决方案。
采用图像探测器的角位移测量技术可实现高精度高分辨力角位移测量。为提高角位移测量装置的鲁棒性，本文设计了一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置。其装调过程非常简便，且可以保证在标定光栅存在偏心时具有高分辨力和高精度测量输出。首先，提出了基于双线阵图像传感器的测角装置设计原理，并设计了单圈绝对式标定光栅。然后，采用基于质心算法的高分辨力细分算法进行细分，并采用双线阵图像传感器对测角误差进行误差补偿。最后，设计实验装置测试自适应安装的性能。实验结果表明，当标定光栅的偏心度在±1 mm以内时，所设计装置可以实现高精度和高分辨力的角位移测量。本文所设计的装置可以在标定光栅存在±1 mm的安装偏心时保证输出精度，为小型角位移测量装置适应性的提高给出了解决方案。
2020, 13(3): 517-526.
doi: 10.3788/CO.2019-0166
摘要:
在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下，为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量，保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性，本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模，给出了光学参数，研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素，并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905（±5）nm，焦距为15 mm，相对孔径为1/1.4，视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头，系统总长小于77 mm，在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5，在0.85视场内的相对畸变小于8%，像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。
在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下，为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量，保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性，本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模，给出了光学参数，研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素，并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905（±5）nm，焦距为15 mm，相对孔径为1/1.4，视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头，系统总长小于77 mm，在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5，在0.85视场内的相对畸变小于8%，像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。
2020, 13(3): 527-536.
doi: 10.3788/CO.2019-0120
摘要:
针对当前空间红外弱小目标状态感知方法存在判别准确率低、人工干涉较多、对数据质量要求较高等问题，提出了一种全新的基于深度学习的判别算法。首先，对空间红外弱小目标状态变化进行了分析，并建立了专用数据集；然后，建立了目标状态感知任务专用的卷积神经网络框架，并在局部标注及自适应阈值等方面进行了创新；最后，应用实验室采集的目标辐射强度信息制作的仿真数据对本算法进行了训练和测试，建立了目标状态感知评估指标体系，并对实验结果进行评估。实验结果表明：在输入连续完整的辐射强度信息时，判别准确率为98.27%；输入片段辐射强度信息时，各状态判别准确率皆大于90%。本算法弥补了现有方法对空间弱小目标状态感知虚警率高和目标信息不完整时不敏感的缺陷，提高了检测速度和精度，可以更好地满足空间红外弱小目标感知任务的需求。
针对当前空间红外弱小目标状态感知方法存在判别准确率低、人工干涉较多、对数据质量要求较高等问题，提出了一种全新的基于深度学习的判别算法。首先，对空间红外弱小目标状态变化进行了分析，并建立了专用数据集；然后，建立了目标状态感知任务专用的卷积神经网络框架，并在局部标注及自适应阈值等方面进行了创新；最后，应用实验室采集的目标辐射强度信息制作的仿真数据对本算法进行了训练和测试，建立了目标状态感知评估指标体系，并对实验结果进行评估。实验结果表明：在输入连续完整的辐射强度信息时，判别准确率为98.27%；输入片段辐射强度信息时，各状态判别准确率皆大于90%。本算法弥补了现有方法对空间弱小目标状态感知虚警率高和目标信息不完整时不敏感的缺陷，提高了检测速度和精度，可以更好地满足空间红外弱小目标感知任务的需求。
2020, 13(3): 537-546.
doi: 10.3788/CO.2019-0176
摘要:
为提高光学天线能量利用效率，实现空间激光通信组网，本文对反射镜联动跟踪控制技术展开研究。首先，阐述了系统组成原理，详细论述了基于单探测器多执行器的反射镜联动跟踪控制策略。接着，通过分析激光链路能量，得到了联动跟踪约束条件及误差要求。然后，建立了双反射镜联动跟踪数学模型，对伺服控制器进行仿真。最后，搭建原理样机对跟踪性能进行测试。实验结果表明，系统能够对目标进行稳定跟踪，跟踪脱靶量精度优于83 μrad，双镜联动精度优于26 μrad，系统接收光功率显著提高。本文研究为实现空间一对多激光通信链路组网奠定了基础。
为提高光学天线能量利用效率，实现空间激光通信组网，本文对反射镜联动跟踪控制技术展开研究。首先，阐述了系统组成原理，详细论述了基于单探测器多执行器的反射镜联动跟踪控制策略。接着，通过分析激光链路能量，得到了联动跟踪约束条件及误差要求。然后，建立了双反射镜联动跟踪数学模型，对伺服控制器进行仿真。最后，搭建原理样机对跟踪性能进行测试。实验结果表明，系统能够对目标进行稳定跟踪，跟踪脱靶量精度优于83 μrad，双镜联动精度优于26 μrad，系统接收光功率显著提高。本文研究为实现空间一对多激光通信链路组网奠定了基础。
2020, 13(3): 547-557.
doi: 10.3788/CO.2019-0157
摘要:
为了提高空间激光通信系统的工作范围，简化光学系统的结构，提出了基于离轴自由曲面的大视场两镜无焦光学天线的设计形式。该光学天线采用无焦结构，无需再使用准直透镜元件，可以极大地简化系统结构，克服了传统聚焦光学天线体积过大、大功率光源情况下焦点处功率密度过高等问题。首先，基于三级像差理论，推导了两镜无焦系统的消像差公式，并对求解结果进行了分析总结。然后，根据求解结果和实际需求设计了一款无焦光学天线，该系统的有效通光口径为100 mm，放大倍率为5倍，波段为500~1 100 nm，全视场角为0.6°，主镜为凹抛物面的一部分，次镜采用XY多项式表征的自由曲面，并用MATLAB 对次镜自由曲面面形进行了仿真。结果表明，光学系统全视场的波像差优于λ/14（λ=500 nm），斯托列尔比大于0.8，系统能量集中度较高，像质接近衍射极限，光学视场相对于传统二次曲面系统增加了26.7%。因此，该种天线结构在激光通信领域具有较强的实用性和很好的发展前景。
为了提高空间激光通信系统的工作范围，简化光学系统的结构，提出了基于离轴自由曲面的大视场两镜无焦光学天线的设计形式。该光学天线采用无焦结构，无需再使用准直透镜元件，可以极大地简化系统结构，克服了传统聚焦光学天线体积过大、大功率光源情况下焦点处功率密度过高等问题。首先，基于三级像差理论，推导了两镜无焦系统的消像差公式，并对求解结果进行了分析总结。然后，根据求解结果和实际需求设计了一款无焦光学天线，该系统的有效通光口径为100 mm，放大倍率为5倍，波段为500~1 100 nm，全视场角为0.6°，主镜为凹抛物面的一部分，次镜采用XY多项式表征的自由曲面，并用MATLAB 对次镜自由曲面面形进行了仿真。结果表明，光学系统全视场的波像差优于λ/14（λ=500 nm），斯托列尔比大于0.8，系统能量集中度较高，像质接近衍射极限，光学视场相对于传统二次曲面系统增加了26.7%。因此，该种天线结构在激光通信领域具有较强的实用性和很好的发展前景。
2020, 13(3): 558-567.
doi: 10.3788/CO.2019-0207
摘要:
本文首次提出并构建了自准直仪光电探测器失调的数学模型。基于该模型，分析了光电探测器相对于理论像面处于空间任意位置和朝向时对自准直仪测角的影响。结果表明，探测器失调造成的测角误差随准直物镜焦距f的增大而减小，随自准直仪到被测镜面的距离L以及待测角度θ的增大而增大。计算发现，当f=300 mm，L=100 mm，θ=20″时，因探测器失调引起的测角误差达到0.004 5″。文章进一步分析了各种探测器失调误差单独作用时对自准直仪测角的影响，验证了模型的正确性，并发现探测器离焦对自准直仪的影响最大。根据本文计算结果，选择长焦距的成像物镜、减小测量距离、提高光电探测器沿轴向的安装精度是减小光电探测器失调对自准直仪影响的关键。基于提出的数学模型，可以系统地计算探测器失调对自准直仪测角的影响，进而为构建更加完善的自准直仪误差模型奠定基础。
本文首次提出并构建了自准直仪光电探测器失调的数学模型。基于该模型，分析了光电探测器相对于理论像面处于空间任意位置和朝向时对自准直仪测角的影响。结果表明，探测器失调造成的测角误差随准直物镜焦距f的增大而减小，随自准直仪到被测镜面的距离L以及待测角度θ的增大而增大。计算发现，当f=300 mm，L=100 mm，θ=20″时，因探测器失调引起的测角误差达到0.004 5″。文章进一步分析了各种探测器失调误差单独作用时对自准直仪测角的影响，验证了模型的正确性，并发现探测器离焦对自准直仪的影响最大。根据本文计算结果，选择长焦距的成像物镜、减小测量距离、提高光电探测器沿轴向的安装精度是减小光电探测器失调对自准直仪影响的关键。基于提出的数学模型，可以系统地计算探测器失调对自准直仪测角的影响，进而为构建更加完善的自准直仪误差模型奠定基础。
2020, 13(3): 568-576.
doi: 10.3788/CO.2019-0215
摘要:
一般交叉定标方法是利用普通最小二乘法的回归方式对时间、空间、观测几何、光谱匹配得到的近一致观测数据点对来计算定标系数，该方法忽略了各数据点对的质量差异，降低了定标系数的有效性。针对此问题，本文提出了基于不确定度计算的定标改进方法，利用不确定度分析方法计算数据点对中各辐射基准值的不确定度并给出权重系数，采用加权最小二乘法回归定标系数。选取与在研的基准载荷参数最为接近的HYPERION作为辐射基准替代载荷，分别利用普通最小二乘法和加权最小二乘法对MODIS CH1~7进行了定标，采用MODIS官方定标系数作为真值对定标结果进行验证。结果表明，采用加权最小二乘法对MODIS的1、2、4、5、6、7通道回归的定标系数更接近真值，定标结果的最大相对误差与传统方法相比降低了3%~5%，平均相对误差降低了0.5%~1.5%，说明本文的加权最小二乘法可进一步提升交叉定标精度。
一般交叉定标方法是利用普通最小二乘法的回归方式对时间、空间、观测几何、光谱匹配得到的近一致观测数据点对来计算定标系数，该方法忽略了各数据点对的质量差异，降低了定标系数的有效性。针对此问题，本文提出了基于不确定度计算的定标改进方法，利用不确定度分析方法计算数据点对中各辐射基准值的不确定度并给出权重系数，采用加权最小二乘法回归定标系数。选取与在研的基准载荷参数最为接近的HYPERION作为辐射基准替代载荷，分别利用普通最小二乘法和加权最小二乘法对MODIS CH1~7进行了定标，采用MODIS官方定标系数作为真值对定标结果进行验证。结果表明，采用加权最小二乘法对MODIS的1、2、4、5、6、7通道回归的定标系数更接近真值，定标结果的最大相对误差与传统方法相比降低了3%~5%，平均相对误差降低了0.5%~1.5%，说明本文的加权最小二乘法可进一步提升交叉定标精度。
2020, 13(3): 577-585.
doi: 10.3788/CO.2019-0159
摘要:
本文开展了基于半导体光开关技术实现超短脉宽CO2激光输出的物理机制研究。首先，在分析光生载流子过程及载流子复合扩散机制的基础上，引入直接吸收、俄歇复合、等离激元辅助复合以及双极扩散等物理过程，并基于Drude理论，完善了半导体光开关理论模型。其次，利用该模型对两级半导体光开关产生超短CO2脉冲机制进行了数值模拟及分析，结果显示该模型与国外最新实验结果一致，表明了模型的合理性与正确性。最后，利用该模型分析了控制光脉冲宽度对两级光开关工作效率的影响，发现短的控制光脉冲更有利于精确、高效地截取出高质量的超短CO2脉冲。本文研究证明半导体光开关法是实现超短CO2激光脉宽可调输出的有效技术途径。
本文开展了基于半导体光开关技术实现超短脉宽CO2激光输出的物理机制研究。首先，在分析光生载流子过程及载流子复合扩散机制的基础上，引入直接吸收、俄歇复合、等离激元辅助复合以及双极扩散等物理过程，并基于Drude理论，完善了半导体光开关理论模型。其次，利用该模型对两级半导体光开关产生超短CO2脉冲机制进行了数值模拟及分析，结果显示该模型与国外最新实验结果一致，表明了模型的合理性与正确性。最后，利用该模型分析了控制光脉冲宽度对两级光开关工作效率的影响，发现短的控制光脉冲更有利于精确、高效地截取出高质量的超短CO2脉冲。本文研究证明半导体光开关法是实现超短CO2激光脉宽可调输出的有效技术途径。
2020, 13(3): 586-594.
doi: 10.3788/CO.2019-0139
摘要:
对于大口径地基开放式太阳望远镜，热光阑温升将导致其像质劣化。尤其是，热光阑通光孔紧挨成像光束，其与环境的温度差对像质影响很大。这是中国巨型太阳望远镜(Chinese Giant Solar Telescope, CGST)计划面临的诸多问题之一。解决热光阑温控问题的具体方法是设计整体冷却效率高且在关键位置得到进一步强化的热光阑结构，以达到温控均匀的目的。本文提出倒锥导流式热光阑设计方案，该方案有利于降低通光孔位置温度，使温度极高点离开通光孔。对流换热系数和光阑温度场仿真结果证明此方案明显优于目前常用的方法。倒锥导流式热光阑的极限温升为3 ℃，优于GREGO的极限温升（7 ℃）；实测温度场与仿真温度场进行对照，结果在误差范围内。结果证明导流式倒锥结构具有较好的温控效果。
对于大口径地基开放式太阳望远镜，热光阑温升将导致其像质劣化。尤其是，热光阑通光孔紧挨成像光束，其与环境的温度差对像质影响很大。这是中国巨型太阳望远镜(Chinese Giant Solar Telescope, CGST)计划面临的诸多问题之一。解决热光阑温控问题的具体方法是设计整体冷却效率高且在关键位置得到进一步强化的热光阑结构，以达到温控均匀的目的。本文提出倒锥导流式热光阑设计方案，该方案有利于降低通光孔位置温度，使温度极高点离开通光孔。对流换热系数和光阑温度场仿真结果证明此方案明显优于目前常用的方法。倒锥导流式热光阑的极限温升为3 ℃，优于GREGO的极限温升（7 ℃）；实测温度场与仿真温度场进行对照，结果在误差范围内。结果证明导流式倒锥结构具有较好的温控效果。
2020, 13(3): 595-604.
doi: 10.3788/CO.2019-0160
摘要:
为了满足军事探测环境下复杂、多样化的探测需求，机载探测平台往往集成多个探测系统。共孔径复合作为一种理想的集成方式，在综合各类探测系统优势的基础上，缩减了系统的总体积，减轻了平台负担。本文计算并设计了一种卡塞格林式红外与合成孔径雷达共孔径天线。首先，根据合成孔径雷达指标设计主镜；接着，通过像差系数与非球面参数组成的方程组求解卡塞格林结构；然后，在前端卡塞格林结构、冷阑参数和红外光学系统指标的限制下，利用PW形式的像差公式计算透镜的具体结构。最终得到的雷达天线口径为1.22 m，增益为40.9 dB，红外光学系统焦距为−1 000 mm，全视场角为0.704°，次镜遮拦比小于0.33，在33 lp/mm处各温度区间MTF值大于0.4。所设计共孔径天线的各项指标均满足使用要求。
为了满足军事探测环境下复杂、多样化的探测需求，机载探测平台往往集成多个探测系统。共孔径复合作为一种理想的集成方式，在综合各类探测系统优势的基础上，缩减了系统的总体积，减轻了平台负担。本文计算并设计了一种卡塞格林式红外与合成孔径雷达共孔径天线。首先，根据合成孔径雷达指标设计主镜；接着，通过像差系数与非球面参数组成的方程组求解卡塞格林结构；然后，在前端卡塞格林结构、冷阑参数和红外光学系统指标的限制下，利用PW形式的像差公式计算透镜的具体结构。最终得到的雷达天线口径为1.22 m，增益为40.9 dB，红外光学系统焦距为−1 000 mm，全视场角为0.704°，次镜遮拦比小于0.33，在33 lp/mm处各温度区间MTF值大于0.4。所设计共孔径天线的各项指标均满足使用要求。
2020, 13(3): 605-615.
doi: 10.3788/CO.2019-0147
摘要:
针对太赫兹谱成像对宽光谱、高光能利用率、实时探测分光器件的需求，提出了一种太赫兹立体相位光栅（MPMG）分光器件。MPMG通过刻槽深度的变化引入光程差，实现对入射光的相位调制，从而使反射太赫兹波前的不同区域具有不同的相位信息，其零级衍射光具备分光能力。在分析MPMG衍射场光强分布的基础上，讨论了光栅参数对衍射场分布的影响，并通过实验验证了MPMG的衍射特性。结果表明，MPMG各光栅单元在0.5 THz、0.34 THz的衍射效率理论值与实测值相吻合，证明了MPMG的零级衍射光具备分光能力。
针对太赫兹谱成像对宽光谱、高光能利用率、实时探测分光器件的需求，提出了一种太赫兹立体相位光栅（MPMG）分光器件。MPMG通过刻槽深度的变化引入光程差，实现对入射光的相位调制，从而使反射太赫兹波前的不同区域具有不同的相位信息，其零级衍射光具备分光能力。在分析MPMG衍射场光强分布的基础上，讨论了光栅参数对衍射场分布的影响，并通过实验验证了MPMG的衍射特性。结果表明，MPMG各光栅单元在0.5 THz、0.34 THz的衍射效率理论值与实测值相吻合，证明了MPMG的零级衍射光具备分光能力。
2020, 13(3): 616-626.
doi: 10.3788/CO.2019-0127
摘要:
为了提高航空遥感相机的摄影分辨率，获得高分辨率的航空图像，除了采用具有高传递函数的光学系统和高质量成像介质外，还要正确控制快门的曝光时间，以保证探测器能够获得合适的像移量。本文基于一种航空测绘相机镜间快门的结构形式及工作原理，以笛卡尔理论为基础，通过坐标变换方法，建立地面目标和影像之间的矩阵关系，从而确定快门曝光时间和像移量的关系，接着，结合相机速高比、像元尺寸等参数，对像移量及像移残差进行分析。根据相机的不同安装方式，以像移残差为1/3像元尺寸为标准，判定成像系统是否加入像移补偿机构，为相机设计提供理论依据。通过静态测试及飞行试验对分析进行验证。试验结果表明，相机分辨力达到36.8 lp/mm，航拍图像良好，满足指标要求。
为了提高航空遥感相机的摄影分辨率，获得高分辨率的航空图像，除了采用具有高传递函数的光学系统和高质量成像介质外，还要正确控制快门的曝光时间，以保证探测器能够获得合适的像移量。本文基于一种航空测绘相机镜间快门的结构形式及工作原理，以笛卡尔理论为基础，通过坐标变换方法，建立地面目标和影像之间的矩阵关系，从而确定快门曝光时间和像移量的关系，接着，结合相机速高比、像元尺寸等参数，对像移量及像移残差进行分析。根据相机的不同安装方式，以像移残差为1/3像元尺寸为标准，判定成像系统是否加入像移补偿机构，为相机设计提供理论依据。通过静态测试及飞行试验对分析进行验证。试验结果表明，相机分辨力达到36.8 lp/mm，航拍图像良好，满足指标要求。
2020, 13(3): 627-636.
doi: 10.3788/CO.2019-0185
摘要:
石墨烯在中红外和太赫兹波段可以产生表面等离激元，并且通过合理设计还可以对其表面等离激元进行调控。基于此，本文设计了一种共振可调结构。通过在电介质基底上沉积不同宽度的单层石墨烯条带，引入纳米尺度上的不连续性，从而有效控制石墨烯与光的相互作用。使用时域有限差分法对该结构的光谱和电磁场分布进行了理论研究。结果表明：当所设计的结构与入射光耦合时，会出现多个共振增强的吸收峰；改变每个周期内石墨烯条带的数目、带宽和带间距，可以控制共振峰的个数、位置和强度；另外，施加不同的偏置电压可以改变石墨烯带的费米能级，从而实现共振峰位置和强度的动态调控；该结构可以在较宽光谱范围内调控石墨烯等离激元。本文研究为设计中红外波段基于石墨烯的传感、滤波、吸收等器件提供了理论基础。
石墨烯在中红外和太赫兹波段可以产生表面等离激元，并且通过合理设计还可以对其表面等离激元进行调控。基于此，本文设计了一种共振可调结构。通过在电介质基底上沉积不同宽度的单层石墨烯条带，引入纳米尺度上的不连续性，从而有效控制石墨烯与光的相互作用。使用时域有限差分法对该结构的光谱和电磁场分布进行了理论研究。结果表明：当所设计的结构与入射光耦合时，会出现多个共振增强的吸收峰；改变每个周期内石墨烯条带的数目、带宽和带间距，可以控制共振峰的个数、位置和强度；另外，施加不同的偏置电压可以改变石墨烯带的费米能级，从而实现共振峰位置和强度的动态调控；该结构可以在较宽光谱范围内调控石墨烯等离激元。本文研究为设计中红外波段基于石墨烯的传感、滤波、吸收等器件提供了理论基础。
2020, 13(3): 637-645.
doi: 10.3788/CO.2019-0163
摘要:
为了描述完全偏振光在非线性晶体中传播时的偏振态及相位变化，本文基于Ortega-Quijano等人在推导非线性晶体的广义琼斯矩阵时采用的微分广义琼斯矩阵方法，提出了本征广义琼斯矩阵方法。与微分广义琼斯矩阵方法相比，本征广义琼斯矩阵方法使用了更精确的数学技巧，在描述光在非线性晶体中传播的物理过程上更为严谨。解决了微分广义琼斯矩阵不能计算斜入射光或者光轴与实验室坐标不重合时光的偏振变化的问题。首先，根据折射率椭球方程和光的入射方向，计算出非线性晶体中本征光的传播方向和折射率。然后，给出了本征光的本征广义琼斯矩阵。最后，计算了本征光的偏振态和相位变化。本文使用本征广义琼斯矩阵对带有一个奇点的涡旋光在KDP晶体中的传播情况进行模拟计算，计算结果表明，本征广义琼斯矩阵方法能够描述任意入射角度、任意光轴方向的完全偏振光在非线性晶体中的传播过程。
为了描述完全偏振光在非线性晶体中传播时的偏振态及相位变化，本文基于Ortega-Quijano等人在推导非线性晶体的广义琼斯矩阵时采用的微分广义琼斯矩阵方法，提出了本征广义琼斯矩阵方法。与微分广义琼斯矩阵方法相比，本征广义琼斯矩阵方法使用了更精确的数学技巧，在描述光在非线性晶体中传播的物理过程上更为严谨。解决了微分广义琼斯矩阵不能计算斜入射光或者光轴与实验室坐标不重合时光的偏振变化的问题。首先，根据折射率椭球方程和光的入射方向，计算出非线性晶体中本征光的传播方向和折射率。然后，给出了本征光的本征广义琼斯矩阵。最后，计算了本征光的偏振态和相位变化。本文使用本征广义琼斯矩阵对带有一个奇点的涡旋光在KDP晶体中的传播情况进行模拟计算，计算结果表明，本征广义琼斯矩阵方法能够描述任意入射角度、任意光轴方向的完全偏振光在非线性晶体中的传播过程。
