2023年 16卷 第6期
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PDF 4881KB光程吸收光谱技术是吸收光谱技术发展中的一个重要分支，近年来基于不同光源技术、吸收腔技术、探测方式的光程吸收光谱技术大量涌现。随着对探测灵敏度和吸收光程长度需求的提高，出现了基于增强吸收原理的光程吸收光谱技术，包括：积分腔光谱（ICOS）、腔增强吸收光谱（CEAS）和腔衰荡光谱（CRDS）。增强吸收光谱技术具有高光谱分辨率、高灵敏度、快速响应、便携等优势，但至今缺乏统一的概念和明确的分类依据。本文梳理了吸收光谱技术的发展历程，明确了多光程吸收光谱技术的概念。依据吸收腔内是否发生谐振吸收，提出了基于谐振原理的吸收光谱技术这一概念，分析总结了谐振吸收光谱技术的研究现状，并对这些技术在各领域的应用进行概述。最后，对谐振吸收光谱技术中关键技术的未来发展进行了展望。
光纤光镊具有结构简单、操作灵活、尺寸小的特点，在生化分析、生命科学等领域有广泛应用。特殊纤芯结构的光纤探针在近场倏逝波光阱力、纤芯光束耦合传输、微流控技术交叉协同应用等方面具有天然优势，能实现细胞、亚细胞级微粒收集、输运等功能，可以显著提升微粒的三维捕获能力以及动态操纵水平。本文综述了不同纤芯结构光纤光镊的结构特点与应用技术研究进展，对特种芯光纤光镊系统中探针制备、激光光源、耦合方式等关键技术进行了梳理和对比，总结与展望了不同结构特种芯光纤在光纤光镊中的作用与发展。
氮化镓基Micro-LED具备高亮度、高响应频率、低功耗等优点，是未来显示技术和可见光通信系统的理想选择，但是目前外量子效率（EQE）低下这一问题严重影响其规模化量产及进一步应用。为了突破EQE低下这一瓶颈，通过分析Micro-LED外量子效率的影响因素，得知EQE下降的主要原因包括侧壁缺陷引起的载流子损耗及非辐射复合。总结了侧壁缺陷对载流子输运及复合的影响。综述了目前常用的侧壁处理技术及修复方法，指出现有侧壁处理方法较为笼统、针对性不足且载流子与侧壁缺陷的作用机理并不十分清楚。提出应深入系统地研究侧壁缺陷种类和分布、载流子与侧壁缺陷作用机制及侧壁处理过程中的缺陷修复模式。本文为提高外量子效率、加快Micro-LED商业化量产进程提供设计思路和理论依据。
为了提高半导体检测用深紫外激光器的检测效率，需要搭建高功率、高重频257 nm深紫外皮秒激光器实验平台。本文以光子晶体光纤放大器和腔外四倍频结构为基础，进行了257 nm深紫外激光器的实验研究。种子源采用中心波长为1030 nm、脉冲宽度为50 ps的光纤激光器，输出功率为20 mW，重复频率为19.8 MHz。通过两级掺镱双包层（65 μm/275 μm）光子晶体光纤棒放大结构，获得了1030 nm高功率基频光。利用二倍频晶体LBO、四倍频晶体BBO，采用腔外倍频方式获得了257 nm深紫外激光。种子源通过两级光子晶体光纤放大器输出的1030 nm基频光，输出功率为86 W，经过激光聚焦系统后，倍频得到二次谐波515 nm激光输出功率为47.5 W，四次谐波257 nm深紫外激光输出功率为5.2 W，四次谐波转换效率为6.05%。实验结果表明，该结构可获得高功率257 nm深紫外激光输出，为提高半导体检测用激光器的检测效率提供了新思路。
太阳光经大气散射与水面折射后会形成有一定分布特性的水下偏振光，利用水下偏振光的偏振分布模式可实现水下导航。本文提出了基于波浪水面下偏振光分布模式的气-水模型，可用于计算大气多次散射后波浪折射影响下水下偏振光的偏振分布模式。模拟并对比分析了平静水面、正弦波浪与随机波浪下，不同太阳高度角的水下偏振光的偏振度和偏振角的分布图像，并通过水下实验进行了验证。水下偏振光模式模拟结果与实测结果的对比表明，利用该模型可以准确表征典型波浪水面下的偏振光分布模式特性，为提高水下偏振导航在水面波动条件下的环境适应性提供理论模型基础。
为了提高激光光尾流制导距离和探测信噪比，研究不同距离、不同气泡尺度、不同气泡数密度和不同气泡层厚度的气泡目标的后向散射特性具有重要的理论和应用价值。采用蒙特卡洛仿真和室内实验研究了前述舰船尾流气泡目标的激光后向散射特性。结果表明：近距离的气泡要比远距离的气泡更容易被检测到；在气泡数密度为102~108 m−3，气泡层厚度大于0.05 m时，大尺度和小尺度气泡始终存在回波信号，气泡层厚度小于0.05 m时无回波信号，此时，气泡层厚度特性对气泡后向散射的影响最大；在气泡数密度为109 m−3，气泡层厚度为0.05 m以下时，大尺度气泡回波信号脉冲宽度会展宽。在这种情况下，气泡数密度和尺度特性对气泡后向散射的影响最大。搭建了水下典型气泡尺度下的激光后向散射测量系统，验证了不同舰船尾流气泡目标特性对激光后向探测系统的影响。本文研究成果可为舰船尾流激光探测工程提供支撑。
当前光子神经网络的研究主要集中在单一模态网络的性能提升上，而缺少对多模态信息处理的研究。与单一模态网络相比，多模态学习可以利用不同模态信息之间的互补性，因此，多模态学习可以使得模型学习到的表示更加完备。本文提出了将光子神经网络和多模态融合技术相结合的方法。首先，利用光子卷积神经网络和光子人工神经网络相结合构建异构光子神经网络，并通过异构光子神经网络处理多模态数据。其次，在融合阶段通过引入注意力机制提升融合效果，最终提高任务分类的准确率。在多模态手写数字数据集分类任务上，使用拼接方法融合的异构光子神经网络的分类准确率为95.75%；引入注意力机制融合的异构光子神经网络的分类准确率为98.31%，并且优于当前众多先进单一模态的光子神经网络。结果显示：与电子异构神经网络相比，该模型训练速度提升了1.7倍。与单一模态的光子神经网络模型相比，异构光子神经网络可以使得模型学习到的表示更加完备，从而有效地提高多模态手写数字数据集分类的准确率。
聚焦型太阳模拟器可以获得高倍汇聚的太阳辐射光斑，在太阳能热发电及热化学研究领域具有重要应用。为了获得均匀的太阳辐射光斑，提出了基于非成像光学的自由曲面聚光镜设计方法。详细阐述了设计原理与具体方法。设计了自由曲面聚光镜，并将其与包容角相同的非共轴椭球聚光镜进行对比。通过仿真分析验证了设计方法的正确性。仿真结果表明：使用额定功率为6 kW的氙灯作为光源时，自由曲面聚光镜构成的单灯太阳模拟器可以在直径为60 mm的目标面内提供平均辐照度为274.4 kW/m2的光斑，与非共轴椭球太阳模拟器相比，光斑不均匀度从18.28%下降到5.69%；七灯太阳模拟器可以产生平均辐照度为1.65 MW/m2的光斑，光斑不均匀度从13.19%下降到5.79%。
为了产生半径可自由调控的聚焦环形激光且确保离焦后光束强度仍均匀，本文提出一种透射-反射式组合的环形光光学系统设计方法。对于透射式系统，基于等能量分割原理，建立入射光与出射光投射高度的映射函数，优化透镜的各项参数，将入射的高斯光先整形成平顶圆形光，实现光束强度均匀化。反射式系统通过调整焦面环形光直径调控范围、工作距离等参数，结合几何光线追迹原理，计算圆锥反射镜、抛物柱面镜及动镜的各项参数，将平顶圆形光再整形成环形光。实验结果表明：当动镜半顶角为16°时，所设计系统能够实现聚焦环形光半径在15~30 mm范围的自由调控，尺寸误差不超过0.05 mm，离焦后强度均匀度达到84%。该设计方法无需更换系统镜片即可兼顾强度均匀性和尺寸自由度，可操作性好，产生的环形光加工精度和效率更高。
变形光学系统具有双平面对称性，其在两个对称面内的焦距不同。利用变形光学系统能够在使用常规尺寸传感器的情况下获得更宽的视场。本文根据变形光学系统的一阶像差特性，提出了一种设计折反式变形光学系统的方法。使用双锥面（Biconic Surface）面型设计了一个折反式变形光学系统。系统在
太极计划是中国探测空间引力波的一项重点任务。望远镜作为空间引力波探测中的重要组成部分，它的性能会直接影响引力波探测的精度。现有的典型空间引力波望远镜结构中次镜灵敏度高，难以满足更大口径的空间引力波望远镜对制造装调公差的要求，特别是在轨稳定性公差要求。为解决以上问题，首先，提出了一种中间像面设置于三四镜之间的新型空间引力波望远镜光学系统结构，以降低次镜灵敏度；结合高斯光学理论方法，从理论上分析并计算新型望远镜结构的初始参数。其次，通过优化设计，获得入瞳直径为400 mm，放大倍率为80倍，科学视场为±8 μrad，波前误差RMS值优于0.0063λ的望远镜光学系统。最后，建立了望远镜系统的灵敏度评价公差分配表，对比分析了现有望远镜结构与新型望远镜结构的公差情况。结果显示：相较于现有望远镜结构，新型望远镜结构的灵敏度降低了30.4%，具有低灵敏度优势，为空间引力波望远镜的设计提供了一种优选方案。
太极计划是中国科学院提出的空间引力波探测任务，其利用激光差分干涉的方法探测卫星间由引力波引起的pm级位移波动。为消除卫星间因时钟不同步而产生的测量误差，拟采用边带倍频时钟噪声传递方法进行星间时钟噪声测量与消除。本文讨论太极计划星间时钟噪声传递的需求、原理、方法，并设计实验进行原理验证。通过搭建电子学实验测试两个系统时钟噪声的极限值，确定实验相关参数，进一步通过光学实验验证边带倍频传递方案的原理。实验结果表明，本文提出的时钟噪声消除方案及相关参数合理可行，满足太极计划的应用需求。在0.05 Hz~1 Hz频段，星间时钟噪声的抑制效果优于2π×10−5 rad/Hz1/2，满足太极探路者的噪声需求。本文研究为未来太极计划的时钟噪声传递方案与参数设计奠定实验和理论基础。
为了满足惯性传感器地面弱力测量系统的超高温度稳定性要求，对整个系统进行了热设计。首先，介绍了惯性传感器地面弱力测量系统的结构、敏感结构传热路径和内部热源。其次，根据系统热控指标要求，提出了采用三级热控结构和比例积分微分(PID)控制算法相结合的高精度热控方式，减少温度噪声对惯性传感器探测灵敏度的影响。然后，采用UG/NX软件建立有限元模型，并进行了不同工况条件下的热分析计算，得到了惯性传感器地面弱力测量系统在时域上达到平衡后的温度变化值为(1.2~1.6) ×10−5 K。最后，将惯性传感器地面弱力测量系统在时域上的温度分布在频域上进行描述，得到惯性传感器敏感结构的温度稳定性结果。分析结果表明，在当前热控措施下，惯性传感器敏感结构的温度稳定性均优于10−4 K/Hz1/2，满足热控指标需求，热设计方案合理可行。
冷反射现象是指在红外热成像系统中制冷探测器通过前面光学表面的反射而探测到的自身的像，冷反射的控制是红外成像系统的重要任务。本文设计了一款采用Cassegrain(卡塞格林)反射结构的制冷型中波红外成像系统，分析了该系统的冷反射现象，得到了冷反射现象严重的表面。接着，通过Zemax软件降低这些严重面的冷发射，在控制冷反射的同时兼顾系统传递函数MTF的优化。通过NARCISSUS宏命令（冷反射分析宏命令）、Tracepro建模软件和实际成像图将优化后的中波红外成像系统与冷反射抑制前的系统进行比对。结果显示：探测器像面冷反射引入的等效温差( NITD)由1.0484 K下降到了0.1576 K，同时系统在调焦过程中冷反射斑的能量和尺寸无明显变化，优化后的光学结构有效地控制了系统的冷反射。
构建空间目标辐射特性对于发展空间态势感知技术具有重要意义。本文针对空间目标红外辐射特性，基于有限元方法，采用非结构四面体网格研制了仿真程序，通过矢量坐标变换，计算得到了目标各表面受到的轨道外热流，并结合表面材料和双向反射分布函数（BRDF）对目标各表面温度和红外辐射特性进行了仿真，并与文献结果进行了对比。进而考虑大气衰减和背景辐射的影响，对地基探测条件下升轨和降轨弧段的目标光谱辐射强度进行了分析。结果显示：对于三轴稳定太阳同步轨道沿飞行方向固定式帆板卫星，各表面在阳照区和地影区内温度变化范围较小；使用8~14 μm长波波段对目标进行观测的效果比3~5 μm中波波段好；辐射强度最大值在770 W/sr左右；地基红外光谱探测受大气影响较大，需要对探测波段进行优选。
为了提高传统星敏感器的姿态测量精度，可将干涉测角技术与传统星敏感器相结合，即在传统星敏感器质心定位技术的基础上，利用星像点的光强信息进一步进行细分，从而突破了质心定位的精度限制，形成具有大视场高精度的干涉星敏感器。本文对制约干涉星敏感器测角精度的因素进行深入研究，重点研究干涉条纹的分割误差对测角精度的影响机理。通过研究分析，得出以下结论：光锲阵列不等分误差不是影响干涉星敏感器测角精度的主要因素；莫尔条纹周期与光楔阵列整体通光尺寸不匹配误差小于1%时，可保证单因素测角误差小于0.01"；对于莫尔条纹取向与光楔阵列排布方向不正交误差，条纹旋转角度应当小于0.1°，可保证单因素测角误差小于0.01"。所以，应在实际加工与装调过程中抑制上述两个主要误差，从而使干涉星敏感器的实际测角精度接近高精度理论值。
单色仪广泛应用于光谱定标、物质分析等方面，因此，对于高光谱分辨率单色仪系统的研究具有重要意义。本文基于矢量光栅方程推导考察了入射狭缝高度对光谱仪器谱线弯曲的影响程度，给出了谱线弯曲同波长、狭缝高度的解析表达式，进而提出了一种基于狭缝高度抑制谱线弯曲的单色仪光谱分辨率优化方案。结合高灵敏度、超快时间响应探测器的性能指标要求，设计了一款光谱分辨率为0.1 nm，波段范围为185 nm~900 nm的三光栅单色仪光学系统，并搭建样机验证狭缝高度对谱线弯曲的影响，进一步探究了狭缝高度对光谱分辨率的影响规律。实验结果表明：在狭缝宽度一定时，对狭缝高度进行优化，可将光谱分辨率从0.32 nm提高至0.1 nm。
为了满足精准高效快速部署航天遥感器对轻小型空间相机的迫切需求，对满足轻小型相机成像的光学系统形式及成像体制进行了详细对比分析，确定了RC+补偿组的光学系统形式，采用小F数+微小像元的成像体制。对比美国鸽子相机的详细参数，设计了500 km轨道高度上可实现3.48 m分辨率的轻小型全铝高分相机。详细介绍了相机的总体结构、光学系统、光机结构、成像电子学及热控设计结果，得到F5.6的RC+补偿组光学设计结果。采用RSA-6061微晶铝合金做为相机反射镜的结构材料，配合一体化硬铝合金高刚性结构。静力学（重力变形和温度变形）仿真分析结果满足光学设计公差要求。动力学仿真分析结果表明：一阶模态为302.92 Hz，具有足够高的动态刚度和安全裕度。成像电子学采用3.2 μm大面阵9 K×7 K探测器低噪声小型化设计。相机热控由卫星平台保证20 °C±4 °C的温度水平。集成测试结果表明：(1)相机中心视场波像差RMS为
为了满足小型化自适应光学系统校正波前畸变的需求，基于系统理论分析设计了一种使用微型音圈驱动器的变形镜。使用电磁理论和有限元方法优化了微型音圈驱动器的结构参数。从热变形、共振频率、耦合系数等多个参数的角度对变形镜进行了优化。最后根据影响函数完成了波前拟合和残差计算。优化后的69单元紧凑型音圈变形镜具有大相位调制量、良好的热稳定性，第一共振频率为2220 Hz。对于PV值为1 µm的前35项泽尼克模式，紧凑型音圈变形镜的拟合残差均小于30 nm。对于复杂随机像差，紧凑型VCDM能够将波前RMS降至原来的10%以下。结果表明，与传统的音圈变形镜相比，紧凑型音圈变形镜具有更高的波前拟合精度。高性能、低成本的紧凑型音圈变形镜在视网膜成像和机载成像系统中具有良好的应用前景。
基于大增益带宽和高热导率晶体的偏振复用激光技术可以提高双频激光器和双光梳激光器在输出光谱范围和功率方面的性能。本文提出一种基于Yb:CALGO晶体的偏振复用激光器。将两片与光轴成45°角切割的双折射晶体放置在增益晶体的前后两侧形成三明治结构，利用双折射晶体的偏振特性使腔内激光形成只在三明治结构部分具备空间分离其余部分共线的偏振方向互相垂直的两种模式。同时，这种三明治结构既能使单束泵浦光能够自动分离为两束空间分离匹配的泵浦光，也可以使腔内增益晶体放置在腔内模式腰斑位置处，与泵浦光达到更好的模式匹配，提高光泵浦效率。最终测得的激光输出功率达到瓦量级并且斜率效率超过30%。在腔内加入标准具后，实现了频差为太赫兹量级的稳定双频激光运转。
速度同步性能和抗干扰性是影响双永磁同步电机（dual-PMSM）同步运行动态响应和稳态精度的重要因素。通过引入交叉耦合控制作为模型，提出了一种基于改进双功率趋近律的积分滑模速度跟踪控制器，以减小两台电机之间的速度误差。设计了负载转矩观测器，将观测值引入滑模控制（SMC）趋近律，以提高系统的抗干扰性能。同时，采用模糊比例积分微分（FPID）控制设计了同步控制器，以提高双永磁同步电机的同步性。验证结果表明，当目标转速为800 r/min时，与传统的PI算法相比，所提出的控制方法可以在空载启动时将两台电机的速度同步误差从25 r/min降低到12 r/min，在负载突然转矩下将速度同步误差由7 r/min降低至2.2 r/min，从而提高了同步性和抗干扰性。
为了探究鼎形微环谐振器的耦合区数量对输出的影响，建立了鼎形微环谐振器的物理模型。利用传输矩阵法对鼎形微环谐振器的物理模型进行研究。分析了不同耦合区数量对鼎形微环谐振器输出的影响。实验结果表明，随着耦合区数量的增加，在1.54~1.56 μm工作波长范围内谐振峰的数量增加，半高全宽FWHM越小，品质因子Q则越大，器件的储能性能越好，并且还能实现对特定波长的滤波作用。耦合区数量对鼎形微环谐振器性能有着很大影响，在设计时根据实际需要选择耦合区数量。
轨道角动量（OAM）是高容量光通信和超分辨成像技术的重要参数。利用惠更斯-菲涅尔原理和相干合成理论，提出了杂化偏振涡旋合成光束阵列。详细研究了涡旋、偏振、附加拓扑电荷及子光束数对输入和输出平面光束的OAM谱的影响。结果表明：子光束的数量和杂化偏振共同影响了OAM模式的最大权重，子光束数量增加会显著提升OAM谱的最大权重，但杂化偏振却不能显著提升OAM谱的最大权重。OAM谱的最大模式位置总是等于光束中心光涡旋的总拓扑数，与子光束数无关。OAM谱所有非零权重模式的位置由涡旋、偏振、附加拓扑电荷和子光束数目共同决定。本文结果对光通信与偏振成像技术有着潜在的应用价值。
腔面光学灾变损伤是导致高功率量子阱半导体激光器阈值输出功率受限制的关键因素。通过量子阱混杂技术调整半导体激光器腔面局部区域处有源区材料的带隙宽度，形成对输出光透明的非吸收窗口，可提高激光器输出功率。本文基于InGaAs/AlGaAs高功率量子阱半导体激光器初级外延片，以外延Si单晶层作为扩散源，结合快速热退火方法开展了杂质诱导量子阱混杂研究。探索了介质层生长温度、介质层厚度、热处理温度、热处理时间等条件对混杂效果的影响。结果表明，50 nm的650 °C低温外延Si介质层并结合875 °C/90 s快速热退火处理可在保证光致发光谱的同时获得约57 nm的波长蓝移量。能谱测试发现，Si杂质扩散到初级外延片上的波导层是导致量子阱混杂效果显著的关键。
