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2022年  第51卷  第5期

专家报告—刊庆 50 周年
通用大气辐射传输软件CART在场景计算中的应用(特邀)
魏合理, 戴聪明, 武鹏飞, 李建玉, 孙凤萤, 唐超礼, 黄宏华, 李学彬, 朱文越, 饶瑞中, 王英俭
2022, 51(5): 20210916. doi: 10.3788/IRLA20210916
[摘要](67) [HTML全文] (9) [PDF 2670KB](35)
研制了通用大气辐射传输软件CART,可以根据大气参数计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和背景辐射(包括环境散射太阳辐射和热辐射)。光学工程特别关注某一波段的大气透过率随天顶角、距离等参数的多维变化,需要快速计算这些场景变化的大气光学特性。介绍了CART新增的大气辐射传输二维场景计算功能。引入离散坐标法(DISORT)模块,一次计算可同时得到各方位角和天顶角的多次散射辐射强度,大大提高了计算效率。对于大气透过率和热辐射随空间位置的变化缓慢的特点,采用抽样计算、样条插值的方法,在保持计算精度基本不变的情况下,大大节省了计算时间。对于场景计算,相对于逐点串行计算,速度提高了2~3个量级。这在实际工程应用的大气辐射传输场景计算中将有重要的应用。
特约专栏—微腔光学频率梳技术
氮化硅微腔中的光学频率梳(特邀)
李锦, 王丕屿, 王正瑜, 牛睿, 万帅, 郭光灿, 董春华
2022, 51(5): 20220302. doi: 10.3788/IRLA20220302
[摘要](174) [HTML全文] (9) [PDF 1899KB](92)
具有高品质因子(Q 值)的光学谐振腔能够长时间将光束缚在较小的模式体积内,极大地增强了光与物质的相互作用,成为集成光学器件中具有重大潜力的重要组成部分。聚焦于目前广泛应用于集成非线性光学领域的氮化硅材料平台,为了解决大尺寸氮化硅微环腔由拼接误差、表面粗糙等因素导致的散射损耗较大的问题,进行了一系列的工艺改进以提高大尺寸氮化硅微环腔的品质因子。结果表明:通过薄膜再沉积工艺可以有效降低氮化硅波导的散射损耗,半径为560 μm的大尺寸氮化硅微环腔的本征Q值得到了平均26% 的提升。得益于提高的微腔Q 值,在氮化硅微环腔中实现了重复频率40 GHz 的光学频率梳。
基于宽禁带氮化物的微腔光频梳进展(特邀)
孙长征, 郑焱真, 熊兵, 汪莱, 郝智彪, 王健, 韩彦军, 李洪涛, 罗毅
2022, 51(5): 20220270. doi: 10.3788/IRLA20220270
[摘要](99) [HTML全文] (9) [PDF 1985KB](75)
微腔光频梳在光谱测量、微波光子学、光学原子钟和相干光通信等领域具有重要的应用。宽禁带氮化物半导体材料,如氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)等属于非中心对称晶体,具有二阶和三阶光学非线性系数,宽带的透明窗口以及与蓝宝石衬底较高的折射率差,使其成为研究非线性光子器件的理想平台。文中介绍了氮化物微腔的特性,同时对基于氮化物微腔光梳的相关研究进展,包括AlN微腔中的宽谱光频梳产生和光学参量振荡、GaN微腔中的孤子光频梳产生等进行了介绍和展望。
集成电光频率梳研究进展(特邀)
刘鹏飞, 任麟昊, 闻浩, 施雷, 张新亮
2022, 51(5): 20220381. doi: 10.3788/IRLA20220381
[摘要](131) [HTML全文] (12) [PDF 4524KB](88)
光学频率梳是由一系列离散且等间隔分布的频率成分所组成的光谱结构,作为光谱分析的天然刻度尺,其已广泛应用于光谱学、精密测量、光通信、传感等多个领域。光学频率梳根据其产生技术可分为基于锁模激光器的光学频率梳、克尔微腔光学频率梳、电光频率梳。电光频率梳由于其频率间隔可调、梳齿功率较高、可实现微波到光波的转换等优势,得到了充分发展。但传统电光频率梳的产生器件存在体积大、功耗高的缺点,限制了其进一步应用。随着微纳加工技术的不断发展,越来越多的材料应用于片上集成光学器件,包括硅、氮化硅、氮化铝、磷化铟、铌酸锂、砷化铝镓等。集成电光频率梳器件具有体积小、功耗低等优势,是构建光电集成芯片的重要器件。文中旨在对集成电光频率梳的研究现状进行综述,首先介绍光学频率梳的类型,并详细论述电光频率梳的产生机制;其次介绍产生集成电光频率梳的材料平台、相应的光梳性能指标及其应用;最后基于目前集成电光频率梳领域存在的问题,对未来的研究趋势做出展望。
硫系集成光频梳(特邀)
夏迪, 赵佳鑫, 吴家越, 王自富, 张斌, 李朝晖
2022, 51(5): 20220312. doi: 10.3788/IRLA20220312
[摘要](95) [HTML全文] (2) [PDF 2401KB](73)
硫系玻璃集成光学微腔(硫系微腔)具有高线性折射率和高非线性系数、超宽透光窗口、较低的热光系数,并且可通过常规半导体微纳加工技术实现精确的色散调控,在非线性集成光子学领域备受关注。近年来,来自中山大学的研究者们开发了新型Ge25Sb10S65硫系材料平台并实现了一系列具有高品质的硫系集成光子器件。主要综述了基于硫系微腔实现集成孤子光频梳产生和调控方面的工作。通过不断优化集成光子器件的加工工艺,实现了具有高品质因子(Q>106)的集成微环谐振腔,进一步通过精确的色散调控分别在该硫系集成微腔内实现了低泵浦功率的锁模光孤子频梳和宽带可调谐的拉曼-克尔光频梳。
相干泵浦微腔光孤子基础与双光梳应用(特邀)
蔡兆雨, 王子皓, 杨昌喜, 鲍成英
2022, 51(5): 20220271. doi: 10.3788/IRLA20220271
[摘要](138) [HTML全文] (10) [PDF 3597KB](78)
光学孤子是指一种通过非线性折射率势阱维持脉冲形状不变的光波,它广泛存在于光纤、飞秒激光器、参量振荡器等系统中。近年来,人们在相干泵浦下的高Q值微腔中也观测到了光孤子,这为研究光孤子性质提供了新的实验平台。又因为微腔光孤子在频域上对应高重频的光学频率梳,微腔光孤子的诞生也极大地推动了小型化光学频率梳的发展。微腔光孤子频率梳已经可以实现自参考锁定;这使得片上集成的光频合成器、光原子钟、波分复用光源、微腔光谱仪、微腔激光雷达等众多应用成为了可能。文中介绍了微腔光孤子的产生基础,特别是光孤子相互作用相关的研究,还讨论了基于微腔的双光梳测量在高速成像与中红外气体光谱分析上的应用。
氮化硅集成微腔光频梳器件关键制备技术(特邀)
朱振东, 林平卫, 孙朝阳, 白本锋, 王雪深
2022, 51(5): 20220214. doi: 10.3788/IRLA20220214
[摘要](83) [HTML全文] (10) [PDF 2470KB](69)
微腔光频梳,又称微腔梳,是通过腔内四波混频过程产生的一种高相干宽谱的集成光源,有着优异的时频特性,可用于超精密分子光谱、相干通信、激光雷达、轻型化装备等测量应用,是基础科学、计量学及军事装备的重要工具,是一项颠覆性的技术。报道了一种集成氮化硅(Si3N4)微腔光频梳器件制备的关键技术,提出了一种方法平衡Si3N4的应力、厚度和化学计量之间的矛盾,以满足反常色散和减少双光子吸收的要求。利用这种改进的大马士革工艺微结构降低Si3N4厚膜的应力,减少应力缺陷对器件性能的影响,实现高品质Si3N4薄膜的可控制备。在微腔刻蚀工艺中,采用30 nm氧化铝牺牲层补偿掩模抗刻蚀能力,实现微环和波导侧壁粗糙度小于15 nm,满足了微腔高Q值的要求。经双光泵浦测量得到1 480~1 640 nm波段内的宽光谱高相干克尔光频梳。
片上集成克尔光频梳的波分复用光纤通信技术综述(特邀)
肖滟兰, 杨艳平, 杨郑宇潇, 胡佳豪, 金丹妮, 耿勇, 周恒
2022, 51(5): 20220291. doi: 10.3788/IRLA20220291
[摘要](85) [HTML全文] (11) [PDF 1166KB](71)
为了应对在传输容量、光谱利用率、能量效率、体积和系统复杂度方面日益增长的需求,波分复用(WDM)光纤通信系统需要比目前使用的传统激光模块更先进的激光源。由集成片上微腔产生的克尔光频梳是下一代波分复用激光源中的一个十分具有前途的方案,其优势包括宽光谱、大量的梳齿、与波分复用信道相匹配的频率间隔、高度稳定的频率、低的相位噪声、与芯片集成的兼容性以及能够低成本地批量生产。回顾了克尔光频梳的基本原理,并介绍了各种克尔光频梳器件的制造方法。此外,还讨论了克尔光频梳的特点,如高光谱纯度和能够兼容芯片集成以及其能在长距离相干传输和数据中心互连中推动波分复用光通信发展。
AlN微环谐振腔倍频程孤子光频梳(特邀)
涂慧镧, 刘佳, 翁海中, 张雨丹, 戴江南, 陆巧银, JohnF. Donegan, 国伟华
2022, 51(5): 20220311. doi: 10.3788/IRLA20220311
[摘要](66) [HTML全文] (11) [PDF 3016KB](64)
基于光学微谐振腔的自参考耗散克尔孤子(Dissipative Kerr Solitons, DKSs)有广泛的应用,如频率合成器、相干通信、天文光谱仪校准、精密测量、光学时钟、双梳光谱学等。倍频程DKS已在氮化硅和铌酸锂微谐振腔中实现,笔者提出了一种在氮化铝(AlN)微环谐振腔中通过单一泵浦直接产生倍频程DKS的简单方案。通过将两个谐振频率相近的模式TE00 和TE10分别作为泵浦谐振和辅助谐振模式,红失谐侧的辅助模式TE10可以有效地平衡孤子形成过程中的热拖曳效应。慢速扫描泵浦光波长可获得稳定的倍频程展宽的孤子梳,带宽为1100~2300 nm,孤子存在范围最大为10.4 GHz(83 pm)。这是首次在AlN平台上获得倍频程展宽的克尔光孤子。该方案在单一泵浦源下就可以获得稳定的倍频程光孤子以及宽的孤子访问窗口,不同于其他方案需要额外引入复杂的控制手段和设备。
基于微腔光梳的低相噪微波信号产生(特邀)
杨嘉川, 刘容玮, 解晓鹏
2022, 51(5): 20220236. doi: 10.3788/IRLA20220236
[摘要](85) [HTML全文] (13) [PDF 2499KB](72)
低相位噪声微波信号在通信、雷达、时频计量、深空探测等领域中不可或缺,光子学微波信号产生近年来发展快速,有望在载波频率、调谐性、相噪、可集成、功耗等多个方面突破传统电子学微波信号产生瓶颈。早期的光生微波系统复杂,激光器以及相关稳定设备体积庞大,难以在实验室以外的场所应用。近年来,基于微谐振腔的光学频率梳的迅速发展,凭借其低损耗、小体积、强稳定的优势,基于微腔光梳的微波光子学应用吸引了研究者们的广泛关注,其中基于微腔光梳的光生微波系统得到深入研究。文中将综述国内外近10年来基于微腔光梳的低相噪微波信号产生发展状况,并对基于微腔光梳的光生微波系统在未来应用中的主要挑战与发展趋势作以展望。
高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)
高友, 刘拓, 王思宇, 郭海润
2022, 51(5): 20220294. doi: 10.3788/IRLA20220294
[摘要](108) [HTML全文] (13) [PDF 1795KB](72)
基于超高品质因子(Q值)和非线性光学微腔产生的光学频率梳(微腔光频梳)在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式(WGM)微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度(Finesse),能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳(CO2)激光器熔融氧化硅(SiO2)石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围(FSR)在10 GHz以上,Q值达到了108。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO2微腔中验证了基于非线性克尔(Kerr)效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO2微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。
基于回音壁微腔的可见光波段光频梳研究进展(特邀)
卢启景, 廖令琴, 舒方杰, 李明, 谢树森, 邹长铃
2022, 51(5): 20220335. doi: 10.3788/IRLA20220335
[摘要](107) [HTML全文] (10) [PDF 4897KB](69)
基于光学微腔的光频梳具有阈值低、光谱宽及结构紧凑等特点,在精密测量与传感等领域具有重要的应用前景,因此近年来微腔光频梳成为国际研究热点。目前相关的研究都聚焦于红外波段锁模光频梳的产生原理和应用探索,虽然可见光波段的光频梳在精密光谱、原子钟及生物医学等领域有特殊应用价值,但是可见光频梳的实现极具挑战性。文中在简要阐述光频梳产生原理的基础上,介绍了在可见光波段实现光频梳的主要挑战,以及目前三种实现方案的研究进展,包括利用材料的二阶与三阶非线性效应、调节微腔的几何色散和模式强耦合效应调控色散来产生可见光频梳。
红外技术及应用
双通道衍射计算成像光谱仪系统
赵海博, 刘彦丽, 杨雯铄, 苏云, 高大化, 孙权森, 赵慧洁
2022, 51(5): 20220077. doi: 10.3788/IRLA20220077
[摘要](63) [HTML全文] (12) [PDF 1851KB](30)
常规衍射光谱成像系统采用单通道方案,主要针对简单图形目标或光谱特征已知的气体目标进行模拟仿真和光谱成像实验。而当目标为自然场景等复杂景物时,成像系统的光谱解算效果和精度难以保证。针对复杂景物成像,设计了一套双通道可见近红外衍射计算成像光谱仪系统,在常规单通道衍射成像光谱仪系统的基础上,增加一路全色相机成像,可以为衍射成像通道提供复杂景物的全色信息和先验知识。将两个通道的数据进行联合处理,提升最终的光谱数据反演效果和反演精度。介绍了系统组成和基本原理,分析了系统性能,利用仿真程序模拟了系统成像过程。在实验室搭建了可见近红外衍射计算成像光谱原理验证装置。对实验得到的450~800 nm的可见近红外混叠光谱数据进行光谱复原。利用海洋光学光谱仪测试色板的光谱曲线作为标准谱线,与复原得到的光谱数据进行对比,反演的光谱数据平均精度优于90%。通过衍射计算成像原理分析、模拟仿真和原理实验,验证了双通道衍射计算成像系统原理的正确性,能够反演得到精度优于90%的复杂景物光谱数据,提升了衍射成像光谱系统应用潜力和应用价值。
J-MSF: 一种新的多通道多尺度红外弱小目标检测算法
王国刚, 孙召进, 刘云鹏
2022, 51(5): 20210459. doi: 10.3788/IRLA20210459
[摘要](62) [HTML全文] (9) [PDF 1672KB](21)
针对经典的基于深度学习的红外弱小目标检测算法存在目标信息在高层感受野消失导致无法检出的问题,提出一种新的基于多通道多尺度特征融合的红外弱小目标检测算法(J-MSF)。首先,该算法提出了一种新的多通道JAnet结构,基于此结构搭建了主干特征提取网络;其次,设计了下降门限式特征金字塔池化结构(DSPP),并提出了多尺度融合检测策略;最后,设计了高斯损失优化函数。实验结果表明,所提出的算法在“地/空背景下红外图像弱小飞机目标检测跟踪数据集”上的检测效果与YOLOv3、YOLOv4算法对比,检出率、整体AP值分别提升9.07%、9.89%和1.67%、3.16%,提出算法优于目前主流的检测算法,体现出了良好的鲁棒性和适应性,可以有效的应用于红外弱小目标的检测。
基于改进伽马曲线的星载长波红外焦平面非均匀性校正算法
汪大宝, 王中果, 吴明轩, 张超, 胡月
2022, 51(5): 20210510. doi: 10.3788/IRLA20210510
[摘要](27) [HTML全文] (6) [PDF 2532KB](11)
随着长波红外探测器技术的进步,通过选用宇航级大阵列长波红外探测器,天基红外遥感卫星技术得到快速发展。长波红外探器响应强非线性导致传统的基于线性模型的非均匀性校正算法校正误差大,从而影响卫星在轨使用效能。针对该问题,结合大量实验室数据和卫星在轨数据的统计分析结果,建立了一种新的长波红外探测器非线性响应模型,据此提出了一种基于改进伽马曲线的非均匀性校正算法,以有效克服探测器响应强非线性对校正精度的影响。该算法首先建立基于改进伽马曲线的探测器非线性响应模型,依据此模型对获取图像进行非线性压缩映射,实现探测器响应的线性化,然后利用星载基于定标技术的线性化算法实施非均匀性校正,同时,定标温度点根据所建立模型参数动态更新,最后通过逆非线性化压缩映射还原出实际的非均匀校正后的图像。基于人造黑体和在轨实景红外图像的实验结果表明,该算法有效解决了探测器响应强非线性对校正精度的影响,校正后图像的视觉效果和定量化指标均优于传统的星载非均匀校正算法。
动力舱红外成像火情探测系统
王利军, 关俊娟, 秦智勇, 陈建, 姬鹏远
2022, 51(5): 20210384. doi: 10.3788/IRLA20210384
[摘要](41) [HTML全文] (5) [PDF 1899KB](13)
火情探测是特种车辆灭火抑爆系统的重要组成部分,火情探测能力的高低直接影响车辆及其内部乘载员的安全。现有动力舱火情探测系统主要利用温度传感器和非成像光学火情探测器,但由于动力舱结构复杂,环境恶劣,基于温度传感器的动力舱火情探测系统由于无法实现舱内空间全覆盖安装,因此容易产生火灾漏报现象,而非成像光学火情探测器由于灵敏度过高容易产生火情误报现象,动力舱应用甚少。与现有动力舱火情探测系统不同,设计了红外成像火情探测系统,采用测温热像装置和测温显控装置,能够实现对动力舱一定目标空间内的实时温度监控,通过温度识别算法和设定预警温度阈值、报警温度阈值,实现了高温预警功能和火灾报警功能。利用标准火焰测试平台对探测系统进行了实验测试,结果表明红外成像火情探测系统的火灾响应时间小于5 s,满足国军标的要求。该系统将火灾发生后的报警提升到火灾发生前预警,能够有效避免动力舱火灾漏报问题,保护特种车辆内部人员安全。
基于筛选深度特征的红外图像目标识别方法
廖莎莎
2022, 51(5): 20210372. doi: 10.3788/IRLA20210372
[摘要](68) [HTML全文] (9) [PDF 1168KB](21)
红外成像是现代战场侦察的重要手段,基于红外图像的目标识别技术可为情报解译提供重要支撑。针对红外图像目标识别,提出基于筛选深度特征的方法。设计适当结构的ResNet对红外图像进行特征学习,对于每个卷积层的输出特征图进行矢量化处理,获得相应的特征矢量。针对各个特征图的深度特征矢量,基于斯皮尔曼等级相关系数评价它们与原始图像的相关性。然后,通过门限判决算法选取若干具有高相关性的深度特征。经过筛选得到的深度特征可剔除了不必要的冗余成分,从而提升后续分类的精度和稳健性。采用联合稀疏表示模型对筛选得到的若干深度特征进行表征和分类,最终获取待识别样本的所属类别。因此,方法可有效结合ResNet多层次深度特征的鉴别力,从而提高最终的识别性能。实验在公开的中波红外目标图像数据集(MWIR)开展,利用原始测试样本、模拟噪声样本和模拟遮挡样本对方法性能进行测试和分析。实验结果表明:相比现有的部分红外目标识别方法,提出方法可取得更强的有效性和稳健性。
激光器与激光光学
高光束质量3×1光纤功率合束器的研制
付敏, 李智贤, 王泽锋, 陈子伦
2022, 51(5): 20210354. doi: 10.3788/IRLA20210354
[摘要](56) [HTML全文] (8) [PDF 2057KB](28)
在基于光纤功率合束器的高功率合成方案中,合成后激光保持好的光束质量是当前激光领域亟待解决的问题之一。实现了一种高光束质量光纤功率合束器的研制。首先,利用仿真软件建立3×1光纤功率合束器模型,对影响功率合束器光束质量和传输效率的因素进行了仿真,得到了制作合束器最佳参数的理论值;其次,基于光纤包层腐蚀技术,根据仿真结果利用熔融拉锥光纤束技术研制了一种输出光纤为50/400 μm (NA=0.12)的高光束质量3×1光纤功率合束器;最后,利用三台3 kW的光纤激光器对其进行了测试,在总输入功率为8.95 kW的情况下,合束后输出功率为8.62 kW,整体传输效率大于96%,光束质量M2=4.035。
THz generation from slow turn-on, rapid turn-off femtosecond laser pulses interaction with gas plasma
Du Haiwei, Xu Chen
2022, 51(5): 20210361. doi: 10.3788/IRLA20210361
[摘要](21) [HTML全文] (1) [PDF 1263KB](9)
The interaction between the femtosecond laser pulses and the gas plasma has been widely used to generate strong and broadband THz pulse radiation. A femtosecond laser pulse with slow turn-on, rapid turn-off shape was used to generate THz radiation by interacting with gas plasma. Based on the plasma current model, the properties of the THz generation from such scheme were investigated in detail. Because the electrons were accelerated to a fast velocity by such specially shaped laser pulses, their motions form a fast oscillation current, which emits electromagnetic wave with frequency in the THz region. The results show that such scheme can generate stronger and broader THz radiation than the normal two-color femtosecond laser scheme, although it loses some energy of the laser pulse. This proposal might offer a new way to develop plasma-based broadband THz radiation source.
波导结构对905 nm隧道结级联半导体激光器的光束质量和功率的影响
淡金川, 谭少阳, 王邦国, 肖垚, 邓国亮, 王俊
2022, 51(5): 20210979. doi: 10.3788/IRLA20210979
[摘要](54) [HTML全文] (7) [PDF 1450KB](19)
近年来,激光雷达应用对探测距离和灵敏度提出了更高的要求。905 nm半导体激光器作为其理想光源也亟待提升峰值功率与光束质量。在这个背景下,基于非对称大光腔结构研究了不同增益区类型和波导结构对905 nm隧道结脉冲半导体激光器的光束质量和功率效率的影响。通过优化增益区类型和波导结构降低了体电阻和内损耗;增强了限制载流子泄露的能力,提高了器件在高电流下工作的峰值功率和电光效率;通过提高高阶模对基模的阈值增益比值,抑制高阶模式激射,降低了远场发散角。在此基础上,研制的800 μm腔长、200 μm条宽的四有源区半导体激光器在100 ns脉冲宽度、1 kHz重复频率的脉冲功率测试中,41.6 A的脉冲电流强度下实现了峰值功率输出177 W;垂直于PN结方向单模激射,远场发散角半高全宽为24.3°。
850 nm垂直腔面发射激光器的辐射效应
陈加伟, 李豫东, 玛丽娅, 李钰, 郭旗
2022, 51(5): 20210326. doi: 10.3788/IRLA20210326
[摘要](18) [HTML全文] (4) [PDF 2106KB](11)
为了探究850 nm高速垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)在空间辐射环境中的退化规律与机制,开展了10 MeV质子和γ-射线辐照实验,获得了光功率和阈值电流退化规律,分析了辐射导致VCSEL参数退化的物理机理,此外,还开展了236 h的电注入退火研究。研究结果表明:VCSEL对γ射线导致的总剂量效应不敏感,且在一定剂量范围内光电特性由于沉积能量促进了量子阱界面附近的晶体有序而产生了一定程度的恢复:但是在质子辐照下,VCSEL的阈值电流和外量子效率发生了不同程度的退化,计算获得阈值电流损伤因子为1.468×10−15 cm2/p。经过20 mA注入增强退火后,阈值电流恢复了20%,25 mA注入电流下,光输出功率恢复了10%。阈值电流和外量子效率的退化归因于质子辐照引入的非辐射复合中心。这些实验结果为VCSEL及包含VCSEL的数据通信与仪器的系统在恶劣空间辐射环境下的应用提供支持。
表面光栅垂直腔面发射激光器偏振特性研究
李明, 李耀斌, 邱平平, 颜伟年, 贾瑞雯, 阚强
2022, 51(5): 20210332. doi: 10.3788/IRLA20210332
[摘要](39) [HTML全文] (7) [PDF 5976KB](12)
研究了表面光栅结构对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的偏振控制作用。引入表面光栅后,对不同刻蚀深度下的偏振相关的镜面损耗进行了仿真,结果表明表面光栅刻蚀深度在44~130 nm范围内均可实现稳定偏振,具有较大的工艺容差。表面光栅VCSEL在基横模工作状态下偏振抑制比(Orthogonal Polarization Suppression Ratio, OPSR)超过20 dB,偏振光谱峰间偏振抑制比达到40 dB,且在多横模状态也实现了有效的偏振控制。为了进一步验证光栅对偏振控制的效果,制作了方向互相垂直的两种表面光栅,具有这两种方向光栅的VCSEL的OPSR均达20 dB以上。测试分析表明表面光栅是VCSEL实现稳定偏振的一种有效手段。
894 nm高温工作氧化限制型基横模VCSEL研究
王秋华, 李明, 邱平平, 庞伟, 解意洋, 阚强, 徐晨
2022, 51(5): 2021G007. doi: 10.3788/IRLA2021G007
[摘要](41) [HTML全文] (15) [PDF 2460KB](11)
针对芯片原子钟(铯)用激光光源系统对垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式及工作温度的需求,研制出可以高温工作的氧化限制型基横模 894.6 nm VCSEL。通过缩小VCSEL氧化孔直径至3 μm,限制VCSEL高阶横模激射,保证器件基横模低阈值电流工作。通过常温下腔模与材料增益失谐12 nm 的结构设计,使器件能够在50~65 ℃ 高温时,激射波长对准原子能级且工作模式稳定。实验所制备的VCSEL在工作温度为55 ℃、注入电流1.8 mA 时,激射波长达到 894.6 nm,边模抑制比(SMSR)大于35 dB,基横模功率为0.75 mW,具有11.4°的远场发射角。当温度为65 ℃时,器件SMSR大于25 dB,基横模功率大于0.1 mW。该高温基横模工作的VCSEL在芯片原子钟中具有重要的应用前景。
基于ZnGeP2光参量振荡器的长波红外双波段调谐实验研究
孟冬冬, 乔占朵, 高宝光, 王天齐, 樊仲维
2022, 51(5): 2021G008. doi: 10.3788/IRLA2021G008
[摘要](46) [HTML全文] (14) [PDF 2234KB](15)
文中报道了一种基于ZnGeP2 (ZGP) 的纳秒宽调谐长波红外光参量振荡器(optical parametric oscillation, OPO)。采用重复频率50 Hz、脉冲宽度小于10 ns的1064 nm基频光泵浦基于Ⅱ类相位匹配KTP的光参量振荡器产生2.1 μm激光,进而泵浦基于Ⅰ类相位匹配的ZGP光参量振荡器产生7~11 μm长波红外输出。通过对ZGP的角度调谐获得了2.815~2.963 μm连续可调谐信号光,对应闲频光波长连续可调谐范围为7.82~9.08 μm。通过泵浦波长调谐的方式,当采用2107.13~2153.95 nm范围内的激光泵浦ZGP-OPO,获得了信号光波长范围为2.624~2.662 μm和2.745~2.956 μm的连续可调谐输出,对应闲频光范围为7.94~9.07 μm和10.20~10.82 μm。闲频光波长为8.03 μm、能量为0.8 mJ时,ZGP-OPO的泵浦光至闲频光转换效率9.4%。
透明材料的激光标刻工艺
张忆南, 孙闻, 莫德锋, 徐勤飞, 李雪
2022, 51(5): 20210416. doi: 10.3788/IRLA20210416
[摘要](34) [HTML全文] (7) [PDF 1379KB](16)
红外器件的封装中常需用一些透明材料制成零部件,适合采用脉冲激光对其进行切割和标刻加工,但需要对加工参数进行精细优化。文中以在用于红外焦平面封装的红外级康宁玻璃基片上进行激光标刻为例,对透明样品进行激光标刻所涉及的一些基本参数,包括烧蚀阈值、激光加工头的光束特性参数以及扫描偏角引起的几何误差等,进行了实际测量和分析,在此基础上得出了合适的打标策略和激光参数,并成功应用于实际操作。此种策略和参数设置方法可以推广到对其他透明材料进行激光标刻。
用于激光无线能量传输的MPPT集成仿真系统
杨擎东, 杨火木, 王俊, 苟于单, 汪莎, 周寿桓
2022, 51(5): 20210522. doi: 10.3788/IRLA20210522
[摘要](24) [HTML全文] (5) [PDF 1527KB](10)
在激光无线能量传输(LWPT)中,传能激光波长、光功率和光电池温度对光电池的输出特性有显著影响,最大功率跟踪(MPPT)技术可解决上述等因素造成的功率失配问题,提升系统的DC-DC效率。构建了针对LWPT的MPPT集成仿真系统,耦合了波长、光功率和温度对GaAs光电池输出特性的综合影响,可以同时分析光电池在功率匹配、功率失配和MPPT调制等多种条件下的输出特性。基于该仿真系统,研究了光电池在不同波长、光功率和温度条件下的物理规律。波长增大时,在850 nm左右转换效率ηmax达到最大值为50%,波长继续增大,光子能量小于GaAs禁带宽度导致ηmax迅速下降。功率增大时,ηmax基本不变,最大功率匹配电阻RLmax减小。温度升高时,ηmaxRLmax均持续下降。此外,研究了光电池在功率失配时的输出特性,此时光电池的转换效率对比功率匹配时均有不同程度的下降。根据光电池的输出特性在仿真系统设计了MPPT电路,利用时间扰动算法进行最大功率跟踪。光电池在MPPT系统调制后均可工作在功率匹配时的最大功率点,且光电池能源利用率达到99.93%。研究结果对用于激光输能有重要指导意义。
激光熔化沉积AlSi10Mg温度场对显微组织性能的影响
蔡家轩, 万乐, 石世宏, 吴捷, 杨强, 石拓, 程梦颖
2022, 51(5): 20210366. doi: 10.3788/IRLA20210366
[摘要](41) [HTML全文] (6) [PDF 3190KB](9)
铝合金激光吸收率低、导热率高,其激光熔化沉积(LMD)显微组织性能受温度场影响大。为分析环形束LMD铝合金熔池温度场及其影响,优化成形质量及成形件性能,采用送气保护式LMD技术,进行了AlSi10Mg铝合金成形实验,系统分析了熔池温度场的形态及其变化,以及温度场对成形质量、孔隙率、显微组织性能的影响机理。结果表明:环形束LMD铝合金熔池温度场总体形态呈开口向扫描方向的“半月牙”状,随着激光功率的增大,温度场形态愈发尖锐,其高温率、温度梯度和平均温度也相应增大。温度场平均温度的提升可增加激光吸收率,粗化显微组织,减小显微硬度,温度场显著影响成形件孔隙率从而改变拉伸性能。最终在平均温度为857.7 ℃时降低孔隙率至2.1%,得到抗拉强度为305.6 MPa,延伸率为5.7%,高出铸件52.5%,为LMD铝合金温度场及显微组织性能控制提供了理论指导。
激光扫描速度对碳钢板表面锈蚀层去除质量的影响
薛亚飞, 罗子艺, 韩善果, 蔡得涛, 徐望辉, 房卫萍, 刘皓挺
2022, 51(5): 20210389. doi: 10.3788/IRLA20210389
[摘要](24) [HTML全文] (12) [PDF 1506KB](12)
采用光纤激光器开展了碳钢板表面锈蚀层激光清洗研究,通过白光干涉仪、光学显微镜、拉曼光谱仪等研究了激光扫描速度对锈蚀层去除质量的影响。研究表明,当激光扫描速度小于2 000 mm/s时,因光斑搭接率高,热累积效应强,试样表面出现基材熔化重凝现象,同时试样表面发生二次氧化,生成了复杂的铁的氧化物膜层,此时试样表面粗糙度最小。当激光扫描速度增加到3000 mm/s时,试样表面锈蚀层去除干净,露出金属基底本身色泽,基材表面二次氧化减弱。当线速度继续增加时,因光斑搭接率低,锈蚀层吸收的激光能量少,仅有部分锈蚀被去除,试样表面开始出现残留锈蚀层,且随着线速度的增加,残留锈蚀层和试样表面粗糙度增加。通过调节扫描速度可以获得较好的除锈效果,工艺优化后,激光功率为120 W时,除锈效率达到1.5 m2/h。
光通信与光传感
光纤光栅链路反射谱强度自适应解调
秦根朝, 孟凡勇, 李红, 庄炜, 董明利
2022, 51(5): 20200440. doi: 10.3788/IRLA20200440
[摘要](1202) [HTML全文] (641) [PDF 2597KB](130)
针对解调仪单通道多光栅反射谱强度差异过大,导致无法有效寻峰或寻峰误差增大的问题,提出了利用不同曝光周期多次曝光解调的方法调整峰值,根据光谱数据直方图来确定寻峰阈值。分析了谱峰峰值对寻峰稳定性的影响,建立了曝光周期、寻峰阈值自适应调整规则,用LabVIEW软件实现了自适应寻峰解调算法。通过实际光纤光栅传感器测试,可完成差异过大反射光谱的自动曝光和寻峰解调处理,在保证寻峰稳定性的前提下,有效提高了谱峰识别数量、解调系统自适应能力和工作可靠性。通过实验发现,谱峰峰值在光强饱和值70%~90%范围内寻峰稳定性最高,寻峰得到的中心波长标准差在0.5 pm以内,稳定性比单次曝光解调提高了50%,程序运行时间在100 ms以内,可以实现快速解调。
相位敏感光时域反射系统低频响应性能优化
于淼, 孙铭阳, 何禹潼, 张崇富, 郑志丰, 孔谦
2022, 51(5): 20211125. doi: 10.3788/IRLA20211125
[摘要](18) [HTML全文] (1) [PDF 5580KB](12)
相位敏感光时域反射系统以其分布式光纤传感技术的优势在分布式水听、压裂微地震检测、自然灾害预警等低频监测领域具有极高的应用前景。文中对系统中脉冲斩波信号与频率调制信号时钟不同源的问题予以验证,并对其产生的影响进行理论分析;设计双路同步时钟源驱动产生脉冲斩波信号和频率调制信号,降低每个脉冲重复周期中频率调制信号的随机低频相位噪声,提高探测脉冲光的相位稳定性;采用时钟同源和时钟非同源两种方式对典型的基于外差相干检测的相位敏感光时域反射系统的声光调制器进行驱动,由信号发生器驱动缠有光纤的压电陶瓷,产生不同频段的扰动信号。实验结果表明:在同一测试条件下,前者在低频段的信噪比、相位解调质量、频率响应方面均优于后者,最小响应频率为0.1 Hz,相对提高两个数量级,降低了系统中低频噪声干扰。该方法易于实现,可与现有的低频性能优化方法或结构兼容,进一步提高系统低频响应性能。
无线光通信下极化码DNN-NOMS译码方法研究
文豪, 曹阳, 党宇超
2022, 51(5): 20210420. doi: 10.3788/IRLA20210420
[摘要](14) [HTML全文] (1) [PDF 1903KB](9)
针对无线光通信中大气湍流引起极化码置信度传播译码性能不佳的问题,提出了一种无线光通信下极化码DNN-NOMS (Deep Neural Networks-Normalized and Offset Min-Sum)译码方法。首先,把传统的极化码置信传播译码算法因子图转化为类似于低密度奇偶校验(Low-density Parity Check, LDPC)码的Tanner图,在Tanner图展开并转化为深度神经网络(DNN)图形表示的基础上,将MS(Min-Sum)译码方法同时添加归一化因子和偏移因子来给Tanner图的边赋予权重,简化极化码对数似然比的计算方法,通过限制训练参数的数量,选取在损失函数最小的条件下的因子参数,训练得到最优归一化因子和偏移因子的译码模型。仿真结果表明,在不同的大气湍流强度下,该译码方法以牺牲较小的存储空间为前提的情况下能选取更优的归一化因子和偏移因子参数,从而获得更好的误码率性能,且大幅度降低译码复杂度;在误码率为10−4时,DNN-NOMS译码方法能产生0.21~3.56 dB的性能增益,且将迭代次数的运算次数降低87.5%。
基于卷积神经网络的混叠光谱解调方法
刘瀚霖, 辛璟焘, 庄炜, 夏嘉斌, 祝连庆
2022, 51(5): 20210419. doi: 10.3788/IRLA20210419
[摘要](20) [HTML全文] (0) [PDF 2161KB](17)
研究了一种基于深度学习的光纤光栅混叠FBG光谱解调方法。利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)模型处理混叠光谱非线性序列模型问题,通过一维卷积神经网络预测识别混叠光谱中心波长,并搭建了并联结构的混叠光谱数据自动采集实验系统,验证了混叠光谱的中心波长高精度解调。实验分析了训练样本、迭代次数对训练时间、测试时间、解调精度的影响,并对训练完成后的模型进行了解调时间测试。分别与其他解调算法进行了解调精度和测试时间对比,同时对同一组光谱数据使用解调模型算法及最高点寻峰算法进行中心波长值的对比并进行误差分析。实验结果表明:解调模型均方根误差结果为0.082 58 pm,使用Intel(R) Core(TM) i7-8550U CPU (Central Processing Unit)的解调计算时间为0.338 s。研究结果表明:采用卷积神经网络模型对于混叠光谱中心波长解调结果的准确性具有合理性,与其他算法相比,文中的解调算法在解调精度和时间上具有优势,模型大小在400 kB以下,所需算力较小,可部署在小型嵌入式设备中,在大规模机载传感网络,结构健康监测中有良好的应用前景。
非通视方位传递系统中保偏光纤分析
杨志勇, 宋俊辰, 蔡伟, 陆高翔, 罗李娜
2022, 51(5): 20210315. doi: 10.3788/IRLA20210315
[摘要](15) [HTML全文] (2) [PDF 2290KB](10)
根据非通视方位传递系统对保偏光纤双折射的设计要求,重点分析了不同类型保偏光纤参数对双折射的影响。首先,从光纤应力应变、变分原理和应力光弹效应出发,推导建立保偏光纤应力光学耦合关系;然后,借助有限元分析软件研究了不同因素对保偏光纤双折射值的影响,并对两种保偏光纤(熊猫型保偏光纤和领结型保偏光纤)进行了对比分析。结果表明:在纤芯中心附近,减小纤芯与应力区的距离、增大应力区半径大小、固定纤芯尺寸时增大包层半径、提高保偏光纤参考温度等措施都能明显提高双折射值。同等条件下领结型保偏光纤产生的双折射值更大。研究成果能够为非通视方位传递系统中保偏光纤的设计选型提供一定的参考。
光电测量
大口径快反镜面形测试系统设计
刘欣, 杨忠明, 刘兆军, 王继红
2022, 51(5): 20210514. doi: 10.3788/IRLA20210514
[摘要](33) [HTML全文] (6) [PDF 1645KB](16)
大口径快速反射镜(快反镜)常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ(RMS,λ=633 nm)。
星载二维转台结构设计及刚度分析
秦涛, 郭骏立, 张美丽, 韩培仙, 王进, 亓波
2022, 51(5): 20210364. doi: 10.3788/IRLA20210364
[摘要](64) [HTML全文] (6) [PDF 2620KB](21)
星载二维转台是激光通信指向结构的重要组成部分,也是影响星载设备性能的关键部件之一,需要对其进行合理的结构设计和正确的刚度分析,并通过对比试验结果与仿真结果验证设计分析的正确性。首先,介绍了星载二维转台结构形式,基于Isight集成优化方法对比分析了摆镜组件的两种结构形式,并对U形架和轴系结构进行了刚度设计;然后,对二维转台进行有限元建模并重点介绍了轴承的弹簧单元等效建模方式;最后,对星载二维转台进行了刚度分析和试验验证,二维转台在XYZ三个方向上仿真计算的固有频率与试验结果误差在6%以内,表明等效弹簧单元能准确模拟轴承结合部的力学特性。通过对星载二维转台的力学试验验证表明,在保证了二维转台的质量约束和刚度要求下,各部分组成部件结构刚度设计和刚度分析合理,二维转台抗力学性能满足激光通信的任务需求。
光电平台角位置信息摩擦观测补偿技术
于洋, 张红刚, 高军科, 王建刚
2022, 51(5): 20210557. doi: 10.3788/IRLA20210557
[摘要](28) [HTML全文] (6) [PDF 1665KB](8)
为了提高光电伺服稳定平台的稳像精度,根据平台所受摩擦扰动作用原理,提出一种基于机构运行角位置信息的摩擦观测补偿方法。首先,建立光电伺服平台精确控制模型,并运用LuGre摩擦模型对平台所受摩擦力矩进行分析;然后,基于机构运行的角位置信息,采用最小二乘法进行加速度估计,设计基于机构运行角位置信息的扰动观测器进行摩擦观测补偿;最后,在Matlab/simulink中建立系统仿真平台,进行仿真及实验验证。将稳定平台安装于模拟转台上进行实验,给转台施加10 Hz正弦信号,对平台摩擦观测补偿前后的实验数据进行对比分析,实验结果表明,该补偿方案在模拟飞行转台以10 Hz频率做正弦运动的情况下,摩擦观测补偿前后,平台稳像精度由26 μrad减小到17 μrad,性能提升34.6%,该方法可以有效增强系统的抗干扰能力,提高系统稳定性能。
基于星点图椭圆度分布的光学系统装配误差计算方法
吴伟, 罗自荣, 杨慧哲, 曹玉君, 尚建忠
2022, 51(5): 20210391. doi: 10.3788/IRLA20210391
[摘要](25) [HTML全文] (6) [PDF 3029KB](12)
计算机辅助装调技术的出现大大降低了光学系统装调的难度,但是目前提出的大部分装配误差计算方法都基于波像差系数,在应用过程中还需要额外的波前传感器。基于星点图在不同视场中的椭圆度分布,提出了一种不依赖于波前传感器的装配误差计算方法,该方法只需要CCD或CMOS等图像传感器即可实现光学系统的装配误差计算。基于矢量像差理论推导了该方法的理论基础,采用椭圆度参数量化了装配误差对星点图的影响规律,揭示了椭圆度分布与装配误差之间的非线性函数关系,在此基础上,以多视场下的星点图椭圆度分布为优化目标,将光学系统的装配误差求解问题转化成多目标优化问题,可通过智能优化算法进行求解。以Hilbert 两反式光学系统为例,基于三个视场的椭圆度分布计算次镜的四个侧向装配误差,仿真结果表明该方法的计算精度可达微米级,满足实际装调需求,验证了该方法的正确性,对促进计算机辅助装调技术的工程化应用具有重要意义。
基于可调谐激光器扫频干涉绝对距离测量方法研究进展
宋鲁明, 张福民, 孙栋, 林洪沂, 黄晓桦, 于淼, 张乾
2022, 51(5): 20210406. doi: 10.3788/IRLA20210406
[摘要](24) [HTML全文] (1) [PDF 2919KB](16)
绝对距离测量的精度对于航空航天科技、精密装备加工、卫星编队、行星空间定位等领域具有重要意义。近年来,基于可调谐激光器的扫频干涉(FSI)测距技术以其突破2π模糊度、无测量死区、不接触且不依赖导轨等优点成为国际研究热点。文中在阐述FSI测距原理的基础上,简要分析了测距系统中部分器件的类型与性能,如可调谐激光器、探测器等,以及影响测距系统不确定度的因素,包括非线性扫频、多普勒频移、色散失配等方面,着重介绍了国内外对影响不确定度因素的相应补偿方法,并对补偿后的测量结果进行对比与总结。
近红外光谱吸收技术的无线电子鼻设计
史屹君, 武鸿涛, 刘文皓, 苏子博, 刘洋
2022, 51(5): 20210374. doi: 10.3788/IRLA20210374
[摘要](31) [HTML全文] (9) [PDF 1284KB](13)
基于近红外光谱吸收技术,设计并开发出了一套能够高效、准确地对目标气体进行检测的电子鼻系统。电子鼻系统主要包括近红外激光发射单元、气室单元、系统控制单元、人机界面单元。主成分分析(PCA)算法和反向传播(BP)神经网络通过LabVIEW所提供的MATLAB Script节点,集成到上位机软件中,并用来对采集到的数据进行分析。结果表明,该电子鼻在网络训练次数达到1 000次以上时达到稳定,且精度达到0.000 1。对白醋、米醋和苹果醋进行食品分辨,识别准确率达到100%,实现了高精度、高稳定度和高分辨率的设计目标,具有较好的应用前景。
光学设计
Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术
陈佳夷, 王海超, 李斌, 刘涌, 姜彦辉, 姚立强
2022, 51(5): 20210604. doi: 10.3788/IRLA20210604
[摘要](24) [HTML全文] (3) [PDF 1407KB](19)
双脚架结构具有静定支撑的特点,可以隔离机械附加载荷,因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时,采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后,随着重力变形的释放,反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差,其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时,反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题,提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性,可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试,分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置,通过卸载前后的对比测试,得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证,其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ λ=0.6328 μm)和0.023λ
大视场仿生复眼光电成像探测技术的研究发展
宋岩峰, 郝群, 曹杰, 刘灏, 刘强辉, 李杰
2022, 51(5): 20210593. doi: 10.3788/IRLA20210593
[摘要](72) [HTML全文] (14) [PDF 1655KB](22)
大视场、小型、多模、轻量化、低成本光电探测器是下一代精确制导武器的发展关键,基于仿生复眼的新型大视场光电探测系统作为其中的一个重要方向得到了美国军方的高度重视。通过多个创新研究项目,美军期望发展出多型大视场多通道仿生复眼光电探测器,进而用于自主式制导弹药,强化下一代精确制导弹药的环境感知能力、突防对抗能力和作战效能等。简要分析了精确制导武器的未来发展需求,昆虫复眼的结构和特点;介绍了仿生复眼光电探测器在美军精确制导武器中的应用期望和发展设想;简要讨论了仿生复眼在复杂地形、城市环境作战武器装备中的应用优势,重点介绍了美国空军针对城市作战制导弹药正在研究和开发的系列大视场仿生复眼红外成像探测器项目以及研究过程;另外,阐述了多通道大视场仿生复眼半主动激光探测器的研究进展情况;最后,总结了仿生复眼技术在精确制导武器装备中的研究进展,提出了我国在该技术领域的发展建议。
C/SiC在大口径空间望远镜次镜承力筒的应用
崔世程, 宋志清, 杨居奎
2022, 51(5): 20210710. doi: 10.3788/IRLA20210710
[摘要](19) [HTML全文] (12) [PDF 1682KB](17)
设计并研制了基于C/SiC复合材料的大口径空间望远镜次镜承力筒。首先对C/SiC复合材料的特性以及在空间遥感器领域的应用进行了介绍。其次以某大口径空间望远镜次镜承力筒为例,对不同材料下次镜承力筒的质量、力热性能进行了对比。仿真分析表明:设计的C/SiC复合材料次镜承力筒低至32 kg,相比钛合金筒减轻45.5%;基频为204 Hz,满足设计要求;更易于控制热变形对反射镜面形的影响。最终完成了C/SiC复合材料次镜承力筒的研制和主要物理性能的检测,并进行了力学振动试验考核,对振动前后结构的三坐标测量数据进行了比对。结果表明:次镜承力筒组件的基频良好,振动试验前后频漂低于1%,结构的微位移变化量级在微米级。为应用C/SiC开展空间遥感器大尺寸整体成型支撑结构的设计提供有效的参考价值。
聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜
杨青元, 王维, 田祥
2022, 51(5): 20210602. doi: 10.3788/IRLA20210602
[摘要](27) [HTML全文] (13) [PDF 2479KB](14)
基于超表面对光波的振幅、相位和偏振进行调控来实现聚焦与成像的超透镜受到广泛关注。设计了一种聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜,并进行了理论分析和仿真验证。仿真结果表明,该超透镜能有效地将圆偏振入射光聚焦到半高宽为0.44λ的光斑上,对应的数值孔径高达0.95。此外,通过改变入射光的偏振态,可以灵活地调制两个焦点的相对强度,而不同于以往的双焦点超透镜需要对光强进行重新组合。更重要的是,当圆偏振光入射时,它的聚焦效率可达65%,可适用在0.8~1.2 THz的较宽频率范围和0°~20°的入射角内,同时该工作为多焦点超透镜的设计提供了重要思路,也将在多成像系统、光学层析成像技术等许多领域具有较高的应用价值。
丽江2.4 m望远镜耐焦卡焦切换系统的设计与分析
何鑫, 姜翔, 顾伯忠, 叶宇, 乐中宇
2022, 51(5): 20210881. doi: 10.3788/IRLA20210881
[摘要](43) [HTML全文] (7) [PDF 1717KB](15)
针对丽江2.4 m望远镜耐焦与卡焦不能自动切换的现状,设计了一套M3切换系统,实现焦点间快速切换,进一步提高望远镜的观测能力。首先对切换系统进行结构设计,介绍了系统的组成和实现方法,然后进行了精度分析及有限元分析,最后通过实验进行了标定和测试。有限元分析结果表明,在重力作用下反射镜的面形精度RMS<λ/60 (λ=632.8 nm),切换系统的一阶模态达到了34.71 Hz,整个系统具有较好的刚度。实验测试表明,方位轴系和俯仰轴系的重复定位精度优于0.5″,平移机构的重复定位精度为1 μm。该切换系统的性能指标达到了设计要求,并已装调于该望远镜且投入观测使用,同时也为类似望远镜的设计提供了参考。
空间相机系统自准直传函测试方法及应用
孙欣, 武永见, 汤天瑾, 胡永力, 刘涌, 姜彦辉, 王海超
2022, 51(5): 20210610. doi: 10.3788/IRLA20210610
[摘要](19) [HTML全文] (1) [PDF 1429KB](12)
调制传递函数(传函)测试是空间相机研制过程的重要环节,常规传函测试需要用到平行光管。自准直传函测试方法是一种不依赖于平行光管的系统传函测试方案。首先介绍了自准直传函测试系统的原理和搭建方案。其次对比了平行光管测试的过焦曲线和自准直传函测试的过焦曲线,发现该系统对焦面离焦敏感程度不亚于平行光管,得到该系统可以用于判定焦面位置正确性的结论。再次分析了自准直靶标条纹经过平面镜反射后偏转的现象,该现象将引入测试误差。给出了偏转角的数值计算公式和条纹偏转对传函值影响的计算公式。针对离轴系统对偏转角敏感的问题,给出自准直靶标的设计方法。利用该方法可以将靶标条纹偏转造成的传函测试误差降至可以忽略的量级。然后讨论了采用自准直传函测试方案时相机探测器与测试靶标的拼接,分析了探测器滤光片对焦面位置的影响,提出了探测器与靶标共焦面的设计及拼接方案。最后总结了该测试方法在某型号相机的实际应用,为自准直传函测试方法在后续系统的应用打下基础。
光学器件
固结磨料研磨硫化锌的亚表面损伤预测分析
张羽斐, 王子琨, 胡伟栋, 牛凤丽, 朱永伟
2022, 51(5): 20210303. doi: 10.3788/IRLA20210303
[摘要](16) [HTML全文] (9) [PDF 5582KB](10)
研磨抛光后产生的工件亚表面损伤是评价工艺优劣及确定加工余量的主要参考,因此对亚表面损伤准确的预测有助于提高加工效率。采用离散元法对典型的软脆材料硫化锌固结磨料研磨过程中产生的亚表面损伤进行模拟,预测不同粒径金刚石加工工件后的亚表面微裂纹层深度。利用角度抛光法将工件抛光出一个斜面,作为亚表面损伤观测平面,通过盐酸的腐蚀使亚表面微裂纹显现,在金相显微镜下寻找微裂纹消失的终点位置并转换成亚表面微裂纹层深度,对仿真结果进行实验验证。结果表明:粒径为5、15、25、30 μm的磨粒造成的亚表面微裂纹层深度预测值分别为2.28、3.62、5.93、7.82 μm,角度抛光法实测值分别为2.02、3.98、6.27、8.27 μm。以上结果表明磨粒粒径对硫化锌亚表面损伤情况有很大的影响,随着磨粒粒径的增大,亚表面微裂纹深度增加,微裂纹数量增多。离散元法预测值与实测值偏差范围处在5%~15%之间,利用离散元法能有较为准确的预测软脆材料硫化锌加工后的亚表面损伤情况,为其研抛工艺的制定提供参考。
用于测量折射率的光纤迈克尔逊干涉型传感器
郑晨, 冯文林, 何思杰, 李邦兴
2022, 51(5): 20210327. doi: 10.3788/IRLA20210327
[摘要](13) [HTML全文] (11) [PDF 1175KB](6)
提出了一种基于单模光纤-四芯光纤-薄芯光纤(SMF-FCF-TCF)迈克尔逊干涉结构的折射率传感器。采用直接熔接的方式将各光纤进行熔接,由于各光纤之间纤芯的直径不匹配,因此在光纤的熔接处会发生光的激发和耦合。薄芯光纤端面涂覆有一层银面反射膜并用紫外固化胶进行保护来增强光在端面的反射率。四芯光纤作为传感结构中的耦合器,激发了更多的光进入薄芯光纤的包层中,提升了传感器的灵敏度。对传感器的折射率和温度传感特性分别进行了实验探究,实验结果表明,在折射率1.3333~1.3794范围内的灵敏度为137.317 nm/RIU,线性度为0.999,并且温度对传感器的影响较小。该传感结构熔接方式简单,在折射率测量领域具有一定的应用前景。
偏振和位相调控分光膜的设计与制备
潘永刚, 张四宝, 刘政, 刘文成, 李绵, 张春娟, 罗长新
2022, 51(5): 20210512. doi: 10.3788/IRLA20210512
[摘要](11) [HTML全文] (0) [PDF 1633KB](10)
偏振和位相调控分光膜是自由空间量子通信系统中不可缺少的光学元件,其性能直接影响通信质量,决定通信误码率。基于等效层设计理论,采用“介质+金属+介质”的特殊膜系结构,选用Ag金属和SiO2、Al2O3、Ta2O5三种介质膜料作为镀膜材料,实现石英衬底45°入射时,1500~1600 nm波段消偏振平均透射/反射比为8.5:91.5,在1530、1540、1550、1560 nm控制位相的分光膜。采用电子束蒸发离子辅助沉积技术,优化沉积工艺,制备了分光膜样品。检测结果表明:在45°入射条件下,1500~1600 nm波段光谱平均透射/反射比为8.53:91.47,在1530、1540、1550、1560 nm处透射光位相差控制在5.02°以内,反射光位相差控制在8.05°以内,满足通信系统分光比及位相控制的要求。此外,该分光膜通过了相应的环境试验测试,满足可靠性要求。
隔离槽对锑化铟探测器芯片断裂的影响
田笑含, 张江风, 张晓玲, 孟庆端
2022, 51(5): 20210599. doi: 10.3788/IRLA20210599
[摘要](42) [HTML全文] (6) [PDF 1310KB](14)
液氮冲击中锑化铟(InSb)芯片的断裂现象制约着InSb红外焦平面探测器(IRFPAs)的成品率。在台面结光敏元阵列中,光敏元之间的隔离槽可能会引起应力集中,驱使InSb芯片中的位错线成核、扩展,导致InSb芯片断裂。为定量分析隔离槽对InSb芯片断裂的影响,建立了InSb IRFPAs结构分析模型,剖析了隔离槽结构的引入对InSb芯片前表面应力分布的影响,发现V型隔离槽槽底是应力集中点;随后在V型隔离槽底预置不同长度的初始裂纹以描述位错线的长短,得到能量释放率随预置裂纹长度之间的关系。经分析后认为:隔离槽确能引起InSb芯片中面内正应力在槽底处产生应力集中;该区域的应力集中有利于InSb芯片中位错线增长,贯穿InSb芯片,导致InSb芯片发生断裂;此外,与V型槽底重合的预置裂纹更易引起InSb芯片发生断裂。这些结论能够为分析InSb芯片的断裂提供新的视角。
量子点-聚合物纳米复合材料的光电器件研究进展
陈星帆, 李斌, 李学铭, 唐利斌
2022, 51(5): 20210637. doi: 10.3788/IRLA20210637
[摘要](39) [HTML全文] (5) [PDF 2899KB](16)
量子点因具有优异的光电特性,近年来备受关注。但量子点的规模化应用因受到其加工工艺及稳定性等因素限制而尚待开发。量子点-聚合物纳米复合材料的出现有效弥补了这一问题,将量子点分散到有机聚合物中形成纳米复合材料,集合量子点与聚合物的各自优势于一体,是解决量子点当前应用问题的一种有效方法,具有显著的发展潜力。文中介绍了量子点的主要制备技术,并在此基础上对量子点-聚合物复合材料的制备方法及其在激光器、发光二极管、光电探测器、量子点电视等光电子器件中的应用进展进行了概述,最后对其在光电器件领域的应用进行了展望。
图像处理
自适应局部邻域特征点提取和匹配的点云配准
王明军, 易芳, 李乐, 黄朝军
2022, 51(5): 20210342. doi: 10.3788/IRLA20210342
[摘要](36) [HTML全文] (8) [PDF 1599KB](15)
点云配准是三维重建的关键技术之一。针对点云匹配中迭代最近点算法(ICP)速率低、对初始位置要求高的问题,提出了一种基于自适应局部邻域特征点提取和匹配的点云配准方法。首先根据局部表面变化因子与平均变化因子的大小关系,自适应地提取特征点;其次利用快速点特征直方图(FPFH)综合描述每个特征点的局部信息,结合随机抽样一致性(RANSAC)算法实现粗配准;最后根据得到的初始变换矩阵和基于特征点的ICP算法实现精配准。对斯坦福数据集、含噪声的点云以及场景点云进行配准实验,实验结果表明:所提出的特征点提取算法能高效地提取点云的特征;相比于其他特征点检测方法,所提方法在粗配准中的配准精度和配准速度更高,且抗噪性能更好;与ICP算法相比,基于文中特征点的ICP算法在斯坦福数据集和场景点云中的配准速度提升了约10倍,在含噪声的点云中,能根据所提取的特征点高效地进行配准。该研究为提高三维重建和目标识别的匹配效率提供了一种高效的方法。
资源三号03星激光测高数据处理与复合测绘应用
李国元, 唐新明, 周平, 陈继溢, 刘诏, 窦显辉, 周晓青, 王霞
2022, 51(5): 20210356. doi: 10.3788/IRLA20210356
[摘要](43) [HTML全文] (6) [PDF 1412KB](13)
资源三号03星是自然资源部主持建造的用于1∶50 000立体测图的陆地遥感业务卫星,该星装备了业务化的激光测高仪,主要用于获取高精度高程控制点。论文针对资源三号03星激光测高数据,研究了标准化测绘处理流程和高程控制点提取方法,在内蒙古苏尼特右旗和江苏苏州开展了精度验证,并选择黑龙江和河北两个实验区开展了复合测绘应用验证。精度验证结果表明,资源三号03星激光点在内蒙古苏尼特右旗平坦区域高程精度为(0.051±0.232) m,在江苏苏州城市建成区的激光点总体精度为(0.414±6.213) m,经高程控制点提取和质量标记后的激光点高程误差为(−0.526±0.624) m,能满足1∶50 000测图高程控制需求。复合测绘应用表明,利用资源三号03星激光高程控制点,立体影像高程精度在黑龙江平坦地区能从5.27 m提高到2.58 m,河北太行山区能从11.25 m提高到4.45 m;无论是平地还是山区,资源三号03星激光高程控制点均能有效提高立体影像的高程精度并满足1∶50 000测图需求。
结合计算全息和频移的JTC系统多图像光学加密方法
郑伟, 席思星, 王桂林, 李永宏, 姜其畅
2022, 51(5): 20220175. doi: 10.3788/IRLA20220175
[摘要](35) [HTML全文] (7) [PDF 2695KB](14)
为了提高JTC光学图像加密系统的实用性,解决其噪声问题,提高其加密效率和安全性,提出了一种基于计算全息和傅里叶变换频移特性的JTC系统多图像光学加密方法。首先多幅不同尺寸和类型的图像经过随机相位调制和傅里叶变换,然后傅里叶频谱经过频移相位调制后叠加并编码为二元实值计算全息图,最后经过JTC光学图像加密系统完成加密。解密时,加密图像经过4F系统解密获得计算全息图,二元实值计算全息图具有很强的抗噪性,可消除噪声,然后经过傅里叶变换获得多幅解密图像。仿真实验结果表明,该方法可实现多幅不同尺寸和类型图像的并行加密和解密,具有高加密效率,同时多幅图像互为密钥和双重光学密钥使得该方法具有很高的安全性。
简讯
基于二维光场计算的400束规模激光相干合成
常琦, 侯天悦, 邓宇, 常洪祥, 龙金虎, 马鹏飞, 粟荣涛, 马阎星, 周朴
2022, 51(5): 20220276. doi: 10.3788/IRLA20220276
[摘要](57) [HTML全文] (29) [PDF 1893KB](26)