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深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外相干光源研究进展
王晓洋, 刘丽娟
, doi: 10.3788/CO.2020-0028
摘要:
全固态深紫外相干光源在前沿科学、高技术等领域有重要的应用。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,证实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。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,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。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。
具有复杂光谱特征的丙烯气体的TDLAS检测技术研究
钟笠, 宋迪, 焦月, 李晗, 李国林, 季文海
, doi: 10.3788/CO.2019-0203
摘要:
  目的  本文针对化工过程中在线检测丙烯的需求,研究了基于调制吸收光谱技术(TDLAS)的检测技术,提高检测性能。  方法  丙烯是重烃分子,它分子量大、结构复杂,分子吸收线交叠,吸收本底较宽,光谱参数不完整,没有适用的线型表达式。本文提出了一种独立于光谱线型特征的数值仿真方法,考虑实际激光光源宽线宽对吸光度的影响,通过对比仿真和实验的光谱幅度变化规律,确定了丙烯气体分析装置的设计参数和技术方案,选择中心波长为1 628.5 nm的宽调谐DFB激光器,采用差分方案去除解调光谱的直流偏置,采用多元回归模型降低化工过程的背景气体光谱干扰。  结果  在模拟实际环境的气体实验中,该装置在0~10 000 ppm量程内的最大相对误差为0.55%。对2 000 ppm的丙烯进行3小时连续测量,标准差为9.30 ppm;Allen方差分析发现在积分时间221.9秒时,极限标准差可达1.33 ppm。在抗干扰测试中,当背景气体甲烷、乙烯的浓度变化时,丙烯的测量误差最大仅为19.17 ppm。  结论  调制吸收光谱技术克服了色谱和软测量等传统方法的不足,TDLAS装置可检测有复杂光谱特征的重烃分子,展示了测量精度高、稳定性好、抗背景光谱干扰能力强等优点。
自准直仪光电探测器失调对测角的影响
罗敬, 张晓辉, 何煦, 叶露, 张天一
, doi: 10.3788/CO.2019-0207
摘要:
首次提出并构建了自准直仪光电探测器失调数学模型。基于该模型,计算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″。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。
机载红外与合成孔径雷达共孔径天线设计
吴文达, 张葆, 洪永丰, 张玉鑫
, 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计算主镜;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法计算透镜部分的具体结构。最终得到,雷达天线口径为1.22 m,增益40.9 dB;红外光学系统焦距−1 000 mm,全视场角0.704°,次镜遮拦比小于0.33,33 lp/mm处各温度区间MTF值大于0.4。均满足使用要求。
基于离轴自由曲面的激光通信光学天线设计
谷茜茜, 崔占刚, 亓波
, 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,该系统有效通光口径为100 mm,放大倍率为5倍,波段为500 nm~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。设计结果表明,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。
Eigen generalized Jones matrix method
Song Dongsheng, Zheng Yuanlin, Liu Hu, Hu Weixing, Zhang Zhiyun, Chen Xianfeng
, doi: 10.3788/CO.2019-0163
摘要:
A differential generalized Jones matrix method (dGJM) was recently introduced by Ortega-Quijano and colleagues to derive the GJM for modelling uniaxial and biaxial crystals with arbitrary orientations in laboratory coordinate system. A little later, we propose an eigen generalized Jones matrix method to simulate the phase and polarization of fully polarized light propagating in an anisotropic crystal when the optical axis orientations and light directions are both arbitrary. Our method is equivalent to that of Ortega-Quijano on the physics principle, but we use a modified mathematical technique. We introduce the eigen generalized Jones matrix in the intrinsic coordinate system to precisely calculate the phase and polarization of the light, which overcomes the limitations of the differential generalized Jones matrix method. The simulation results indicate that our method can be used to calculate the polarization distribution when the light beam and optical axis are both in any directions, even if the light beam has a vortex.
同步荧光光谱探究头孢西丁钠与溶菌酶的结合机制
张红彩, 刘保生, 程旭
, 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份数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)=0.19%~0.13%,Trp残基的药物结合率W(Q)=0.23%~0.14%,游离的药物含量几乎不变,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)=52.69%~54.67%,Trp残基的蛋白结合率W(B)=67.67%~69.39%,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的氨基酸残基的微环境。
空间激光通信组网反射镜联动跟踪控制技术
王俊尧, 宋延嵩, 佟首峰, 姜会林, 董岩, 董科研, 常帅
, doi: 10.3788/CO.2019-0176
摘要:
为了实现空间激光通信组网,改善光学天线能量利用效率低的问题,对反射镜联动跟踪控制技术进行研究。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。通过对激光链路能量进行分析,得到了联动跟踪约束条件及误差要求。建立了双反射镜联动跟踪数学模型,对伺服控制器进行了设计仿真,并搭建原理样机对跟踪性能进行了测试。实验结果表明系统能够对目标稳定跟踪,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,为实现空间一对多激光通信链路组网奠定了基础。
交叉定标中的不确定度分析及定标系数计算改进
高帅, 李元, 白廷柱, 张玉香, 郑小兵
, doi: 10.3788/CO.2019-0215
摘要:
针对我国在研的太阳反射波段高光谱基准载荷对高精度辐射基准传递方法的需求,考虑一般交叉定标将时间、空间、观测几何、光谱匹配得到的近一致观测数据点对以普通最小二乘法的回归方式来计算定标系数,忽略了获取的各数据点对的质量差异,降低了定标系数的有效性问题,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幅在3~5%范围内,平均相对误差降幅在0.5~1.5%范围内,说明本文的加权最小二乘法可进一步提升交叉定标的精度。
高精度角膜曲率半径测量系统
李华建, 肖作江, 赵媛媛, 刘颖, 王睿智, 贺肖影
, 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,同时成像物镜的放大率不会受到景深的影响;引用低相干干涉测量技术,以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。分析了该系统成像物镜放大率的稳定性和角膜曲率测量的误差,在理论的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,测量系统精度达到±0.02 mm,基本满足角膜曲率测量的要求。
Analysis of the Effect of Lens Shutter on Image Motion in Aerial Camera
Yu Chun-feng, Chen Zhi-chao, Jia Ping, Wang Nai-xiang, Hou Han
, doi: 10.3788/CO.2019-0127
摘要:
In order to improve the photographic resolution of aerial remote sensing camera and obtain high-resolution aerial images, besides optical system with high modulation transfer function and high-quality imaging medium, the exposure time of shutter should be controlled correctly to ensure that the detector can obtain appropriate image motion value. Based on the structure and working principle of the lens shutter of an aerial mapping camera, in this paper the matrix relationship between the ground object and the image through coordinate transformation method is established, so as to determine the relationship between the exposure time of the shutter and the image motion value. The image motion value and residual error of the image motion is analyzed by combining the parameters of the camera speed-height ratio and the pixel size. According to the different installation modes of the aerial camera, when the residual error of the image motion value is more than 1/3 pixel size, the image motion compensation (IMC) mechanism is necessary to the imaging system. Thus a theoretical basis for the design of IMC mechanism in aerial camera is provided. The analysis was validated by static test and flight test. The test results showed that the aerial camera clearly image and the spatial resolution of the images reaches 36.8 lp/mm, which meets the requirements of the technical index.
长周期光纤光栅光谱特性仿真研究
朱雨雨, 郗亚茹, 张亚妮, 江鹏, 薛璐, 许强
, 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)透射谱表达式,模拟分析了LPFGs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,且高次模较为敏感;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参数的设计具有重要的参考价值。
湍流大气中激光相干探测回波光强与空间相干特性研究
任建迎, 孙华燕, 赵延仲, 张来线
, doi: 10.3788/CO.2019-0194
摘要:
本文利用广义惠更斯-菲涅尔原理结合Goodman目标散射理论,推导得到了激光探测中目标反射光的交叉谱密度函数解析式,并进一步得到目标反射光的光强分布和空间相干长度的表达式。然后利用文中得到的表达式在湍流大气条件下,分析了不同光源参数和目标反射光参数对目标反射光光强分布和相干长度影响。研究结果表明:光源相干长度对归一化反射光强影响较小;光源束腰半径和反射光斑半径值越大接收光的相干长度值越小,随传输距离的增加相干长度增加越缓慢。在弱湍流大气传输过程中,光源参数对接收光的影响占主导作用,光源束腰半径越大接收光的光强和相干长度值越小。在强湍流大气传输过程中,大气湍流对反射光的影响起主导作用。
不同产地苹果糖度可见近红外光谱在线检测
刘燕德, 徐海, 孙旭东, 姜小刚, 饶宇, 徐佳, 王军政
, doi: 10.3788/CO.2019-0128
摘要:
为了实现对不同产地苹果糖度的快速在线无损检测,减少产地变异性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、洛川与会宁三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),筛选出58个特征变量,建立了苹果糖度的UVE-PLS通用模型,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和在±1.5°Brix的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,能够提高预测其他产地样本糖度的稳健性,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潜在应用。
太赫兹立体相位光栅衍射特性分析
杨秋杰, 何志平, 糜忠良
, 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利用刻槽深度的变化引入光程差,实现对入射光的相位调制,使反射太赫兹波前的不同区域具有不同的相位信息,因此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。MPMG各光栅单元在0.34 T、0.5 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。
一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置
于海, 万秋华, 孙莹, 卢新然, 贾兴丹
, doi: 10.3788/CO.2019-0107
摘要:
采用图像探测器的角位移测量技术,是为实现高精度高分辨力角位移测量而开展的热门研究。为提高角位移测量装置的鲁棒性能,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的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,测试其自适应安装的性能。实验表明,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的安装偏心时状态下保证输出精度,为小型角位移测量装置适应性的提高奠定基础。
激光通信地面测试终端间隔离度的仿真分析
赵猛, 颜昌翔, 吴从均
, doi: 10.3788/CO.2019-0154
摘要:
激光通信地面测试平台与被测终端之间距离由于空间所限,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会进入被测终端,该信号会严重影响被测终端的测试性能。针对该问题,本文从被测终端与测试平台之间的光学干扰问题中提出了被测终端与测试平台间隔离度的问题,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情况。分析结果表明,离轴三反光学天线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,得出粗糙度为0.7 nm及0.5 nm的ABg模型参数,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。
超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征
李欣, 沙源清, 蒋成伟, 王永进
, doi: 10.3788/CO.2019-0192
摘要:
为了更容易地导出LED有源层的出射光,本文研究了亚微米厚度LED悬空薄膜的工艺实现、形貌表征和光学性能表征。我们采用结合光刻工艺、深反应离子刻蚀技术和快速原子束刻蚀技术的背后工艺实现基于硅基氮化镓晶圆的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。我们利用白光干涉仪观察制备的超薄LED悬空薄膜的变形程度,发现薄膜变形大小与薄膜直径呈正相关,而与薄膜厚度呈负相关。薄膜变形大小总体低至纳米级,并且为中央凸起边缘平滑的拱形变形。我们通过反射谱测试发现未经加工的硅基氮化镓晶圆的反射模式数较多,而LED悬空薄膜的反射模式数大幅度减少,且反射谱整体光强明显提高。在光致发光测试中,我们发现由于应力释放,悬空薄膜的出射光峰值相较于硅基氮化镓晶圆出现了8.2nm的蓝移,并且从背面也可以探测到移除了大部分外延层的超薄LED悬空薄膜有明显的出射光。这表明悬空薄膜在光致发光情况下更有利于导出发射光。本研究工作实现了厚度小、面积大、总体变形程度小、光学性能优良的LED悬空薄膜,为氮化镓基LED器件在光微机电系统领域的应用开辟了新的空间。
Algorithm Study of Total Petroleum Hydrocarbons in Contaminated Soils by Three-dimensional Excitation-Emission Matrix Fluorescence Spectroscopy
Gu Yan-hong, Zuo Zhao-lu, Zhang Zhen-zhen, Shi Chao-yi, Gao Xian-he, Lu Jun
, doi: 10.3788/CO.2019-0216
摘要:
Assessment of total petroleum hydrocarbons (TPHs) from contaminated soils demands reliable measurement to analyze the types and contents of mixed petroleum hydrocarbons in soils. Three-dimensional excitation-emission matrix (3DEEM) fluorescence spectroscopy technique has been demonstrated as a powerful technology for rapid analyzing the mixed petroleum hydrocarbons by its abundant spectral information. However, the detection precision in soils needs to be improved. This study investigated the correction methods of 3DEEM fluorescence spectra to correct the complicated matrix and scatting effects of soils. To improve the analytical accuracy, parallel factor analysis (PARAFAC) and alternating trilinear decomposition method (ATLD) were used to qualitative and quantitative analyze the mixed petroleum contaminated soils. The methods were used to assess three commonly observed petroleum hydrocarbons: machine oil, lubricating oil, diesel oil, and their mixtures. Compared with the results of PARAFAC, the average recoveries were increased from 85% to 95%, implying that ATLD can distinguish the similar fluorescence spectra well and be more effective in the components and total content detection of petroleum in soils. The present work can lead to the appropriate application of risk assessments and remediation techniques.
基于石墨烯纳米带的中红外等离激元调控
韩晶, 高扬, 焦威严, 范光华, 高亚臣
, 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,并且通过设计还可以实现对其表面等离激元的调控。这篇文章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,从而有效地控制石墨烯与光的相互作用。使用时域有限差分方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。因此,该结构可以在较宽光谱范围内调控石墨烯等离激元。这项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。
太阳望远镜的倒锥导流式热光阑研制
张雨辰, 王飞翔, 许方宇, 黄善杰, 谭旭, 路文龙, 肖建国, 贾钰超, 罗宏
, doi: 10.3788/CO.2019-0139
摘要:
  目的  大口径地基开放式太阳望远镜,热光阑温升将导致像质劣化。这是CGST(Chinese Giant Solar Telescope)计划面临诸多问题之一,热光阑温控问题必须在预研阶段解决。  方法  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,达到温控均匀的目的。特别的,热光阑紧挨通光孔的位置,其温度差对成像的影响至关重要。为此,提出倒锥导流式热光阑设计方案,有利于降低通光孔位置温度,使温度极高点离开通光孔。  结果  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前人,倒锥导流式热光阑极限温升为3 ℃,优于GREGO的极限温升7 ℃;实测温度与仿真温度场的对照,验证了仿真结果。  结论  导流式倒锥结构具有较好的温控效果。
湍流大气对光束相干合成效果的影响
宋纪坤, 李远洋, 车东博, 郭劲, 王挺峰
, doi: 10.3788/CO.2019-0197
摘要:
光纤激光相干合成是获得高功率高光束质量输出较为有效的途径,但是湍流大气是制约其应用与发展的关键因素之一。本文重点研究了大气格林伍德频率对基于随机并行梯度下降算法(SPGD算法)的相干合成系统的校正效果的影响。首先,在静态大气条件下,分析了不同湍流强度对相干合成系统校正效果的影响;然后,利用数值计算生成一组旋转的符合Kolmogorov统计规律的相位屏模拟湍流大气,对在不同大气格林伍德频率下相干合成系统的校正效果进行研究;最后,搭建两路光纤激光相干合成实验平台,进行实验验证。仿真和实验结果表明,在系统的控制算法迭代频率(350 Hz)一定时,随着大气格林伍德频率的增加,湍流大气对光束的相位和光强的扰动加剧,使得相干合成系统的合成效果变得越来越差。
自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析
赵晨行, 卢启鹏, 宋源, 龚学鹏, 王依, 徐彬豪
, doi: 10.3788/CO.2019-0131
摘要:
反射镜是自由电子激光光束线中的重要光学元件,反射镜自重引起的面形误差会严重影响光束线成像质量。为减小自重引起的面形误差,基于Bessel点理论提出了重力补偿的方案,并设计了无应力夹持装置,利用有限元软件对该装置进行仿真分析。以尺寸为440 mm*50 mm*50 mm的反射镜为例,传统支撑方式下反射镜下表面面型误差为1.647 μrad,采用本文提出的夹持方案后面型误差降至0.085 7 μrad,优于工程指标0.1 μrad。为防止反射镜在切换工作模式时发生窜动,可对反射镜添加不超过2 N的微小夹持力,此时反射镜的面型误差为0.093 9 μrad。此外还对装置进行了动力学分析,该设计方案避免装置存在较低的固有频率,在使用过程中不会产生共振现象,满足光束线的使用需求。
粗糙目标表面红外偏振特性研究
柳祎, 史浩东, 姜会林, 李英超, 王超, 刘壮, 李冠霖
, 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。并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:无论金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降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之间的差异在一定入射角度范围内达到最大,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。
激光空间合束主镜优化设计与分析
汤伟, 刘立生, 刘扬, 邵俊峰, 郭劲
, doi: 10.3788/CO.2019-0161
摘要:
为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;为抑制热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化为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;研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
深度学习的空间红外弱小目标状态感知方法
黄乐弘, 曹立华, 李宁, 李毅
, doi: 10.3788/CO.2019-0120
摘要:
  目的  针对当前空间红外弱小目标状态感知方法判别准确率低、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。  方法  首先对空间红外弱小目标状态变化现象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、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,对实验结果进行评估。  结果  实验结果表明:在输入连续完整辐射强度信息时,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%。  结论  本算法弥补了目前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,更好地满足了空间红外弱小目标感知任务的需求。
微铣刀同轴全息图像增强方法
程亚亚, 于化东, 于占江, 许金凯, 张向辉
, doi: 10.3788/CO.2019-0217
摘要:
数字同轴全息对刀技术中,再现像中的零级项和离焦共轭像形成一个强而复杂的背景噪声作用在实像上,严重降低了再现像的质量。针对全息应用中的干扰像问题,提出了一种基于改进自蛇模型滤波的全息图像增强方法,改进后的自蛇模型令每次扩散中只根据初始图像的梯度来选择扩散力度。实验结果表明,改进后的自蛇模型能够避免自蛇模型在扩散过程受大梯度背景噪声影响,背景出现的“伪轮廓”和边缘锯齿化,弥补了自蛇模型在全息图像应用中的不足。此外,与相位恢复法和多重再现法去干扰像效果相比较,本文提出的改进自蛇模型滤波法不仅对干扰像有更好的抑制作用,还能够增强刀具的边缘,有利于实现微铣刀的数字全息对刀。
用于超短脉冲CO2激光的半导体光开关理论建模与数值分析
高月娟, 陈飞, 潘其坤, 俞航航, 李红超, 田有朋
, doi: 10.3788/CO.2019-0159
摘要:
开展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实验结果相符合,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。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。
基于光源发射接收一体化探头的糖度分选线改造研究
刘燕德, 饶宇, 孙旭东, 肖怀春, 姜小刚, 徐海, 李雄, 徐佳, 王观田
, doi: 10.3788/CO.2019-0165
摘要:
传统外部品质分选目前已经无法满足人们对水果口感品质日益增长的需求,对传统外部品质分选线进行糖度分选改造,实现糖度分选,确保水果适宜的口感品质具有重要意义。分别采集两种不同检测方式下的脐橙近红外漫反射光谱,其中环形发射与接收漫反射方式的光谱能量要比多点发射与接收漫反射方式要强,波峰与波谷位置大致相同。近红外漫反射光谱经基线校正、多元散射校正、一阶、二阶导数等方法进行光谱数据预处理,减少杂散光和噪声的影响。分别建立脐橙两种不同的漫反射检测方式的糖度的偏最小二乘(PLS)模型进行对比分析。实验结果表明,两种不同检测方式下采用基线校正预处理方法结果最优;环形发射与接收漫反射检测方式下的糖度模型预测相关系数为0.82,预测均方根误差为0.45°Brix,多点发射与接收漫反射检测方式下的糖度模型预测相关系数为0.80,预测均方根误差为0.48°Brix。研究表明,应用PLS建模结合近红外漫反射光谱对传统外部品质分选线上进行糖度分选线功能升级改造是可行的。
固态面阵激光雷达接收光学系统设计
魏雨, 蒋世磊, 孙国斌, 张兴星, 王玉宁
, doi: 10.3788/CO.2019-0166
摘要:
在固态面阵激光雷达的安全性前提下为了提高光学系统的像面能量均匀度以及提高光学系统所接收到的能量,确保在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性。通过对发射激光能量和接收能量的建模给出光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度因素,指出了大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统设计方法要素,通过ZEMAX优化分析,给出具体的实施过程。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2ω=76°的激光雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,MTF值@20 lp/mm大于0.5,在0.85视场相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达探测要求。
大尺寸氧化铝陶瓷导轨超精研抛工艺研究
刘剑, 蔡黎明, 成贤锴, 顾国刚, 于涌
, doi: 10.3788/CO.20191203.0663
摘要:
为了提高氧化铝陶瓷导轨超精密研抛加工的工作效率,分析了研抛压力、研抛速度以及磨料添加间隔等工艺参数与研磨抛光效率的关系。首先,根据氧化铝陶瓷导轨的特性及物理参数,确定研磨抛光盘以及磨料的选型。然后以高精度的平面平晶作为检测工具,平晶与导轨表面形成干涉条纹,利用条纹的数量定量表征研抛效果。最终得到针对氧化铝陶瓷导轨最佳的工艺参数:每个研抛压力应该控制在40 N;研抛线速度45 m/min;研磨剂的添加时间为30 min。在同等时间内,应用此套工艺参数可以达到更高的面型精度。
基于氧化铟锡的风扇型中红外手性超材料及其圆二向色性
朱叶欣, 李亚楠, 施维捷, 张文涛, 闫长春
, doi: 10.3788/CO.2019-0190
摘要:
本文设计了一种中红外波段手性超材料以克服传统中红外激光偏振态调控所使用的控制元件体积大、成本高等不足。利用中红外等离激元材料氧化铟锡(ITO)设计风扇型手性结构,并研究了该结构在中红外波段的圆二向色性(CD)。通过改变扇叶层填充材料、扇叶厚度、扇叶大小、扇叶数量以及扇叶的材料,讨论结构的CD变化情况。模拟结果表明:CD信号大小随着扇叶层填充材料、扇叶厚度、扇叶大小、扇叶数量以及扇叶材料的变化而变化。当填充材料为硅、扇叶为六片时,选取合适的扇叶厚度和大小,在5.3 μm附近获得最强的CD信号为0.052。模拟结果还显示,与贵金属银、金相比,由ITO构成的结构展现出良好的宽带圆二向色性,这为中红外波段宽带偏振态调控器件的设计提供了新的思路。