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2021年 第50卷  第1期

“红外光电探测器前沿技术”专栏
基于非厄米和拓扑效应的光场调控机制与光学器件研究进展(特邀)
颜士玲, 朱学艺, 王洪飞, 解碧野, 张秀娟, 卢明辉, 詹鹏, 张利剑, 芦红
2021, 50(1): 20211001.  doi: 10.3788/IRLA20211001
[摘要](26) [HTML全文](6) [PDF 3822KB](8)
光的传输与调控是光子集成器件发展的重要基础,光子晶体作为一种新型的光学功能材料,在光操控上有着巨大的潜力。与传统的基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想不同,受凝聚态物理中拓扑相概念启发,通过在光子晶体的能带系统研究中引入拓扑相能够提供新颖的光场调控机制和丰富的输运以及光操控性质,如高维度的光场调控等。文中分别从非厄米光子体系和拓扑光子学体系两个方面综述了近年来笔者所在的课题组所取得的研究成果。首先,回顾了光学拓扑研究和光学非厄米研究的背景;其次,介绍了在高阶光子拓扑绝缘体、高阶量子自旋霍尔效应、光子晶体的拓扑场局域以及非厄米体系拓扑光传输等领域的研究进展;最后,对研究结果在相关领域如光量子计算、光通信等的应用发展趋势进行了总结与展望。
人工微结构薄层红外探测器的研究进展(特邀)
杜佳远, 赵锌宇, 胡新华
2021, 50(1): 20211002.  doi: 10.3788/IRLA20211002
[摘要](23) [HTML全文](11) [PDF 4170KB](7)
薄层的红外探测材料虽然能够保持很好的均匀性,减少了红外探测时的噪音,但由于薄层红外探测材料体积偏小,限制了红外探测器的吸收。针对不同红外探测材料的特点,利用人工微结构能够有效地改善红外探测器的性能。文中介绍了增强薄层红外探测材料吸收的策略,分别是使用金属背板、金属光栅结构和非对称F-P型金属腔体结构, 它们在各自适应的场景下都能取得不错的效果。同时也简略地介绍了人工微结构调控吸收峰高和峰宽的机理。并且展示了人工微结构在几种红外探测器件上的应用。最后,提出了一种人工微结构碲镉汞红外探测器的设计,实现了在3.5~5.5 μm大气窗口内的宽频吸收, 其中吸收峰的高度为91.8%,吸收峰的相对宽度为41.8%,在大气窗口内的大部分频率,增强系数均大于6。人工微结构的发展开拓了传统红外器件的设计思路,为新型的红外器件提供了理论依据和指导。
宽带消色差红外光学超构透镜研究进展(特邀)
欧凯, 郁菲茏, 陈金, 李冠海, 陈效双
2021, 50(1): 20211003.  doi: 10.3788/IRLA20211003
[摘要](16) [HTML全文](6) [PDF 2034KB](2)
超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。
硅单光子探测器研制及其在高精度星地时间比对中应用(特邀)
刘巧莉, 刘畅, 王艺潼, 郝凌翔, 黄永清, 胡安琪, 郭霞
2021, 50(1): 20211004.  doi: 10.3788/IRLA20211004
[摘要](14) [HTML全文](8) [PDF 3887KB](3)
高精密时频比对是实现全社会信息化系统高精度的时空一致性和时频稳定性的关键技术,为国民经济发展的关键领域提供统一的时间保障。硅单光子探测器凭借其高探测效率、低噪声、低时间抖动、易于集成等优势,成为高精度星地时间比对系统中的关键核心芯片。文中分析了硅单光子探测器探测效率、暗计数和时间抖动之间的相互制约关系,在深入分析硅单光子探测器的最新研究进展的基础上,有效地攻克了探测效率和时间抖动之间的相互制约矛盾,研制出光敏面直径为200 μm、室温下探测效率达50%、时间抖动仅为46 ps的硅单光子探测器芯片,最后简单介绍了该芯片在星地时间比对中的应用效果。
超表面透镜的宽带消色差成像(特邀)
莫昊燃, 纪子韬, 郑义栋, 梁文耀, 虞华康, 李志远
2021, 50(1): 20211005.  doi: 10.3788/IRLA20211005
[摘要](9) [HTML全文](4) [PDF 1782KB](1)
超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。
等离激元微腔耦合长波红外量子阱高消光比偏振探测器(特邀)
李志锋, 李倩, 景友亮, 周玉伟, 周靖, 陈平平, 周孝好, 李宁, 陈效双, 陆卫
2021, 50(1): 20211006.  doi: 10.3788/IRLA20211006
[摘要](12) [HTML全文](4) [PDF 3730KB](3)
长波红外偏振探测器能够大幅提升对热成像目标的识别能力。受制于衍射极限的物理限制,目前的微线栅偏振片型长波红外偏振探测器的偏振消光比基本上只能做到最高10∶1左右。文中采用金属/介质/金属的等离激元微腔结构,将量子阱红外探测激活层相嵌在微腔之中。由于上、下金属之间的近场耦合形成了在双层金属区域的横向法布里-珀罗共振模式,构成等离激元微腔。文中利用微腔的模式选择特性及其与量子阱子带间跃迁的共振耦合,将量子阱子带跃迁不能直接吸收的垂直入射光耦合进入等离激元微腔并转变为横向传播,从而能够被量子阱子带吸收,实现了在长波红外13.5 μm探测波长附近偏振消光比大于100∶1的结果。相关工作为发展我国高消光比长波红外偏振成像焦平面提供了全新的物理基础和技术路径。
量子阱带间跃迁探测器基础研究(特邀)
岳琛, 杨浩军, 吴海燕, 李阳锋, 孙令, 邓震, 杜春花, 江洋, 马紫光, 王文新, 贾海强, 陈弘
2021, 50(1): 20211007.  doi: 10.3788/IRLA20211007
[摘要](16) [HTML全文](6) [PDF 6624KB](3)
在最近的实验中,PN结型量子阱结构被观察到反常的载流子输运情况,其相应的物理机制和载流子输运模型被提出。通过系统实验观察到,PN结量子阱结构材料在共振激发模式下,仍可测出开路电压或短路电流。对比开路和短路情况下的光致荧光(PL)光谱,发现短路下PL强度明显降低。这说明短路状态下的光生载流子没有被限制在量子阱内,而是逃逸出结区。这种载流子逃出量子阱的现象却没有在等量偏压下的NN型量子阱结构中发现,说明载流子逃出量子阱并非由传统的热激发或隧穿的作用导致。据此,笔者提出了相应的物理机制和载流子输运模型对此现象进行解释,认为光生载流子能在PN结内建电场的作用下直接逃出量子阱,并且辐射复合发光发生在载流子逃逸过程之后。
中波碲镉汞红外偏振焦平面探测器的制备研究(特邀)
杨超伟, 封远庆, 李东升, 李宁, 赵永强, 舒畅, 辛永刚, 李永亮, 左大凡, 唐遥
2021, 50(1): 20211008.  doi: 10.3788/IRLA20211008
[摘要](9) [HTML全文](5) [PDF 1446KB](5)
针对隐身等多类高价值目标精确探测与识别以及探测技术持续发展需求,为实现复杂战场环境下的高概率真假目标识别和高精度目标检测、定位、跟踪,开展复杂战场环境下隐身及微弱特征目标探测及抗干扰探测等技术研究意义重大,其中高集成度的焦平面型偏振红外探测器技术是其中一个重要方向。围绕集成式中波(MW)256×256碲镉汞红外偏振焦平面探测器的研制,介绍了偏振结构的设计、制备到偏振探测器的集成,以及偏振探测器性能的测试等方面的研究进展状况,设计加工出了亚波长金属光栅阵列,采用倒装互连的方式实现了偏振探测器的集成,并在MW 256×256碲镉汞焦平面器件上实现了红外偏振性能的测试和评估。
非制冷红外探测器研究进展(特邀)
余黎静, 唐利斌, 杨文运, 郝群
2021, 50(1): 20211013.  doi: 10.3788/IRLA20211013
[摘要](27) [HTML全文](10) [PDF 4829KB](12)
非制冷红外探测器由于无需制冷装置,能够工作在室温状态下,具有成本低、体积小、功耗低等特点,在红外领域得到了广泛的应用。在军事应用方面,非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制冷型探测器的应用范围,大量应用在一些低成本的武器系统,甚至在一些应用领域取代了原来的非制冷型探测器。在民用领域方面,更表现出了其价格和使用方便的优势,在民用车载夜视、安防监控等应用领域引起了广泛的兴趣和关注。文中介绍了Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测器的工作原理,列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况,着重介绍了目前应用最广泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。除了已实现商业化应用的Bolometer、热释电、SOI二极管等探测器等产品,还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型器件:比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用,新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展趋势作了预测。
局域光场增强的量子阱红外探测器(特邀)
刘畅, 王健, 左璇, 熊大元
2021, 50(1): 20211009.  doi: 10.3788/IRLA20211009
[摘要](9) [HTML全文](4) [PDF 6021KB](4)
量子阱红外探测器是继碲镉汞红外探测器之后又一重要的可以在中、长波段和甚长波段工作的红外探测器件。它在长波红外探测、多色探测及其焦平面技术方面表现出比碲镉汞红外探测器更具特色的优势,对量子阱红外探测器的研究将在很大程度上推动我国红外探测器技术的发展。这一探测器的突出优势是其材料均匀性好,制备技术成熟。但是由于量子效率偏低,且无法直接吸收垂直入射红外光,所以需要针对不同的红外探测波段,设计和制备各类光栅或微腔结构来进行光耦合及局域光场增强以有效提升探测器性能。如何更有效提升量子阱红外探测器的光耦合效率,降低暗电流,提高器件工作温度是仍然是目前研究的重点。文中着重介绍和总结了近5年来研究的局域光场增强的新型量子阱红外探测器,从提高探测器光耦合效率、降低器件暗电流和提高工作温度等方面重点讨论各种量子阱红外探测器的新结构和新机理,同时展望了这一探测器的未来发展方向。
基于等离激元纳米结构非对称集成的二维材料自驱动光响应增强的研究进展(特邀)
郭尚坤, 邓杰, 周靖, 张东海, 余宇, 邓嘉男, 蔡清元, 李志峰, 陆卫, 陈效双
2021, 50(1): 20211011.  doi: 10.3788/IRLA20211011
[摘要](14) [HTML全文](5) [PDF 2057KB](1)
金属-二维材料-金属是最常见的二维材料光探测器件的结构。由于结构简单、易于集成,该类器件受到最广泛的关注和研究。其自驱动光探测的模式具有很低的暗电流,有望成为高性能红外探测的新途径。然而金属-二维材料-金属的自驱动光探测存在两个瓶颈问题:(1)反对称的金属-二维材料结区引起的泛光照射下光响应的抵消;(2)二维材料有限光吸收导致的低响应率。文中介绍了利用等离激元纳米结构的非对称集成引入非对称的光耦合,从而打破泛光照射下二维材料与两端电极接触区域产生的光电流的对称性,实现净的自驱动光响应;同时利用等离激元纳米结构产生的局域强光场提高二维材料光吸收率和光响应率的一系列研究进展。在石墨烯等离激元纳米谐振腔复合结构中,实现两个电极附近的光响应对比度超过100倍,突破了对称光耦合导致的光响应抵消的难题。由于具有将入射光耦合成局域模式的优越能力,等离激元纳米谐振腔比亚波长金属光栅更有效地提高石墨烯响应率一个数量级以上。
可用于多波段融合的超结构/阻挡杂质带复合结构探测器(特邀)
崔慧源, 陈雨璐, 王晓东
2021, 50(1): 20211012.  doi: 10.3788/IRLA20211012
[摘要](10) [HTML全文](3) [PDF 6235KB](1)
太赫兹辐射是指频率在30 μm~1 mm范围内的电磁波,具有穿透性强、安全性高、特征性强及定向性好等特点,因此,太赫兹技术在天文观测、安全监控、物质鉴定及生物医学等领域具有广阔的应用前景。阻挡杂质带探测器具有灵敏度高、阵列规模大、探测谱段宽等核心优势,是太赫兹辐射探测的优良选择。阻挡杂质带探测器目前主要采用三种材料体系,分别为Si、Ge、GaAs。基于这三种材料体系的阻挡杂质带探测器可实现在3~500 µm的超宽波段探测。超结构是由亚波长结构单元构成人工复合结构,在光电探测器上引入超结构,利用等离激元共振、偶极共振调控特性,可以将电磁场能量强烈的局域在金属/探测器界面位置。因此,超结构与阻挡杂质带结合,可有效调控探测峰位、缩小探测峰半高宽、强化光谱分辨能力,并有望大规模应用于3~500 µm的多波段融合探测。同时,超结构与阻挡杂质带探测器结合,可进一步提高器件响应率,减小器件尺寸,降低工艺难度。文中简要叙述了阻挡杂质带探测器的工作机理,介绍了国内外阻挡杂质带探测器的研究历史及研究现状。最后,在探测器波段调控、光谱分辨、增强吸收等角度详细介绍了Si、Ge、GaAs基超结构/阻挡杂质带复合结构探测器的研究现状,并结合目前该技术发展瓶颈问题,在高纯材料生长、光场局域效应机理研究等方面提出了下一步的研究展望。
表面等离激元纳米结构增效的光电探测器进展(特邀)
何伟迪, 苏丹, 王善江, 周桓立, 陈雯, 张晓阳, 赵宁, 张彤
2021, 50(1): 20211014.  doi: 10.3788/IRLA20211014
[摘要](9) [HTML全文](2) [PDF 1942KB](1)
光电探测器作为航空航天、深空探测和环境监测等领域的核心器件之一,具有重要的科学研究和实用价值。表面等离激元具有可突破光学衍射极限、实现纳米聚焦的性质,为光电探测器的性能提升提供了全新的技术手段,是近年来光电探测增效研究领域的热点之一。文中围绕表面等离激元纳米结构增效的光电探测器研究展开综述,首先介绍了各类表面等离激元纳米结构的物理特性,主要包括局域表面等离激元结构和传导型的表面等离极化激元结构,以及由表面等离激元金属和半导体材料构成的异质结构;然后重点从探测器性能、探测原理和工艺方法等角度,介绍了等离激元纳米结构增强的光电探测器的研究进展;最后对表面等离激元纳米结构增效的光电探测器及其在未来面临的挑战进行了总结和展望。
低维材料太赫兹探测器研究进展(特邀)
刘肇国, 周桓立, 何伟迪, 赵宁, 张彤
2021, 50(1): 20211015.  doi: 10.3788/IRLA20211015
[摘要](13) [HTML全文](4) [PDF 3778KB](0)
太赫兹技术在无损检测、生物医学、工业检查、环境监测、局域通信和国防安全等领域具有广阔的应用前景。太赫兹系统中太赫兹探测器是其核心器件,其性能决定了太赫兹系统的应用市场,是推动太赫兹技术进一步发展的重要研究方向之一。但是,太赫兹波段较低的光子能量使得实现高速、灵敏的太赫兹探测颇有挑战。随着纳米技术和新材料制备技术的进步,低维材料的高迁移率、宽响应频带等性能为太赫兹探测器提供了新的机遇,低维材料太赫兹探测器得到广泛关注,其主要优势是高灵敏度、宽频带和低噪声,在近年来取得了显著的研究进展。虽然太赫兹探测器已经取得突破性发展,但各类太赫兹探测器仍然存在一些问题。在此背景下,文中从太赫兹探测器的分类出发,简要介绍了测辐射热计、热释电探测器、等离子体共振探测器和热载流子调控探测器的物理机制以及最新研究进展,并展望了未来低维材料太赫兹探测器的发展方向。
半导体纳米线红外探测研究进展(特邀)
郭亚楠, 刘东, 苗成成, 孙嘉敏, 杨再兴
2021, 50(1): 20211010.  doi: 10.3788/IRLA20211010
[摘要](14) [HTML全文](2) [PDF 4268KB](3)
近年来,红外探测器由于其在军民领域广阔的应用前景已经受到了越来越多的关注。为了进一步实现室温宽谱段、高灵敏度、快速响应以及低功耗的红外探测器,低维半导体作为极具潜力的新型沟道材料得到了广泛的研究。其中,纳米线有着独特的电学与光电特性,当被应用到红外光电探测器中时,展现出了巨大的优势,例如尺寸小、功耗低、光吸收效率高、表面态丰富、易于光电子分离与收集以及与传统硅基工艺兼容等等。当前,对于纳米线红外探测器的研究一直在进行中并不断取得突破。文中主要概述了纳米线在红外光电探测领域的最新研究进展,介绍了半导体纳米线的基本特性、材料选择和制备方法,展示了多种二元与三元化合物半导体中已实现红外探测的纳米线材料及其当前研究达到的探测水平,并且分类总结了多种进一步提高光电探测性能的方法,包括异质结合、外场调控、器件集成等,随后针对不同构型纳米线红外探测器的优缺点,进行了简要的对比与说明,最后基于该领域仍然面临的挑战对其未来的发展方向进行了展望,并为其技术发展路线提出了初步的建议。
二维半导体红外光电探测器研究进展(特邀)
许航瑀, 王鹏, 陈效双, 胡伟达
2021, 50(1): 20211017.  doi: 10.3788/IRLA20211017
[摘要](21) [HTML全文](7) [PDF 3672KB](14)
红外探测在生物医疗、智慧城市、宇宙探索等前沿领域中有着重要的作用。近年来,以二维材料为代表的新型纳尺度半导体并以此形成的具有颠覆性意义的光电探测技术在探测灵敏度、极低暗电流、高工作温度等指标超越了传统薄膜器件的理论极限,是新一代红外光电探测技术有力竞争者之一。文中以局域场调控实现室温高性能光电探测为出发点,介绍了铁电局域场、层间内建电场、面内内建电场调控二维材料光电探测机理与器件实现方法;进一步,针对二维材料其尺寸效应引起的光利用率低或量子效率低的问题,提出了单边异质结和表面等离子激元增强结构的光电性能增强方法;最后列举了二维半导体材料在红外探测器领域的应用探索,展现了新型二维半导体红外探测器的应用潜力与前景,为新一代红外探测器技术提供了新方法和新思路。
高增益红外单光子探测技术研究进展(特邀)
吴静远, 刘肇国, 张彤
2021, 50(1): 20211016.  doi: 10.3788/IRLA20211016
[摘要](15) [HTML全文](6) [PDF 1825KB](1)
超灵敏单光子探测是光量子信息和量子调控领域发展的关键技术,实现高效率、超灵敏、低功耗以及低成本的单光子探测具有重要的科学意义和应用价值。与可见光波段的Si基单光子探测器相比,红外响应单光子探测器目前在成本和性能方面都存在较大差距,探索基于新材料和新机制的红外单光子探测技术是光电探测领域发展的迫切需求。近年来,低维材料由于其独特的物化性质,为研制高增益、室温工作和宽波段响应的探测器提供了新的可能,高性能低维材料光电探测技术也成为了当前红外探测领域的研究热点。文中首先回顾了传统雪崩类半导体红外光电探测器的基本原理,在此基础上,介绍了基于新型低维材料的雪崩机制光电探测技术的最新进展,之后讨论了光诱导栅压效应型光电探测器件的新型光增益放大机制,并描述了在该工作机制下相关低维材料红外探测器的基本结构和性能表现。最后展望了高增益红外单光子探测技术的未来发展方向和面临的挑战。
GaN基多量子阱红外探测器研究进展(特邀)
吴峰, 戴江南, 陈长清, 许金通, 胡伟达
2021, 50(1): 20211020.  doi: 10.3788/IRLA20211020
[摘要](18) [HTML全文](7) [PDF 4231KB](1)
多量子阱红外探测器是一种新型的利用子带跃迁机制的探测器件,具有非常高的设计自由度。GaN/Al(Ga)N量子阱由于大的导带带阶,超快的电子驰豫时间,超宽的红外透明区域以及高的声子能量,使得其成为继GaAs量子阱红外探测器之后又一潜在的探测材料结构。文中详细综述了国内外关于GaN基量子阱红外子带吸收及其探测器件的研究进展。首先介绍了量子阱红外探测器的工作原理及其选择定则,接着从极性GaN基多量子阱、非极性或半极性GaN基多量子阱以及纳米线结构GaN基多量子阱三个方面回顾当前GaN基多量子阱红外吸收的一些重要研究进展,包括了从近红外到远红外甚至太赫兹波段范围的各种突破。最后回顾了GaN基多量子阱红外探测器件的研究进展,包括其光电响应特性和高频响应特性,并对其未来的发展进行总结和展望。
二维层状材料异质结光电探测器研究进展(特邀)
陈红富, 罗曼, 沈倪明, 徐腾飞, 秦嘉怡, 胡伟达, 陈效双, 余晨辉
2021, 50(1): 20211018.  doi: 10.3788/IRLA20211018
[摘要](8) [HTML全文](5) [PDF 4733KB](1)
自石墨烯时代以来,具有独特物理、化学和光电特性的二维层状材料(Two-Dimensional Layered Materials,2DLMs)得到了国内外科研人员的广泛关注。2DLMs因其种类的多样化与带隙的层数依赖性,光谱响应范围覆盖了紫外到红外辐射的极宽波段,具有应用于新一代光电探测器件的潜力。此外,2DLMs不受晶格匹配的限制,能以范德瓦尔斯力(Van der Waals,vdWs)与其他维度材料如体材料、纳米线和量子点等结合,制备得到性能独特且优异的复合结构器件。文中概述了几种应用在光电探测器领域的新型2DLMs异质结光电探测器的研究进展,主要包括基于二硒化钨(WSe2)、黑砷磷(AsP)、三硫化铌(NbS3)、二硒化钯(PbSe2)等异质结光电探测器,这些异质结光电探测器在异质结器件结构设计与新型二维半导体工艺技术应用方面做出了创新,在器件增益、结整流比、响应速度与波长探测范围等多个重要器件性能方面获得了突破性的研究成果。同时,文中还简要分析了这类器件研究当前所面临的挑战,并对其未来的发展方向进行了展望。
碲化锡的制备、结构、性质及红外光电探测研究进展(特邀)
宋立媛, 唐利斌, 郝群
2021, 50(1): 20211019.  doi: 10.3788/IRLA20211019
[摘要](9) [HTML全文](6) [PDF 4843KB](1)
Ⅳ-Ⅵ族碲化锡化合物是直接带隙半导体材料,在室温和大气压条件下具有稳定存在的面心立方结构。作为拓扑晶体绝缘体,碲化锡具有高度对称的晶型结构、螺旋形的多重表面态和强健的拓扑保护特性、无带隙的拓扑表面态和窄带隙体态、室温下高的迁移率等优异性能,在制备无能耗、宽谱(从紫外光、可见光到红外光)、超快响应的新型光电探测器领域有巨大潜力。文中从适宜应用于光电探测器件的角度出发,对碲化锡材料的制备方法、晶体结构、性质进行了阐述,对近年来碲化锡在红外光电探测领域的研究进展进行了总结,展望了其在光电探测领域的发展前景,并提出了碲化锡作为光电器件亟需深入研究的几个方面。
CoTe2量子点的制备、结构及光学性质研究(特邀)
李斌, 陈星帆, 梁晶, 李学铭, 唐利斌, 杨培志
2021, 50(1): 20211021.  doi: 10.3788/IRLA20211021
[摘要](18) [HTML全文](6) [PDF 6920KB](2)
近年来,过渡金属碲化物(TMTs)以其独特的晶体结构和优异的物化特性引起了科学界的广泛关注和研究。本文采用超声法制备CoTe2量子点(QDs),通过TEM、AFM、EDS、XPS、XRD、FTIR等技术手段对制备的CoTe2 QDs进行了形貌和结构的表征,同时使用分光光度计(UV-Vis)、光致发光谱(PL)和光致发光激发光谱(PLE)研究了CoTe2 QDs的光学性质。结果表明,制备得到的CoTe2 QDs分散性良好、粒径均匀、呈现球形形貌,晶粒的平均直径约为3.1 nm,平均高度约为2.9 nm;CoTe2 QDs在红外波段存在明显的吸收,吸收值随稀释浓度的增加而降低;当激发光波长和发射光波长依次增加时,PL和PLE峰出现红移,具有明显的Stokes位移效应,表明CoTe2 QDs的光致发光具有激发波长依赖性;CoTe2 QDs具有光致多色发光特性,不同激发光波长可发出不同颜色的光;荧光量子产率可达62.6%。CoTe2 QDs优异的光学特性尤其是在红外波段的吸收和发光特性,表明其在红外探测、激光防护涂层、荧光成像、多色发光和纳米光子器件等研究领域中具有重要的潜在应用价值,有望成为一种新型红外探测材料。
激光器与激光光学
基于金刚石拉曼转换的光束亮度增强研究进展
白振旭, 陈晖, 李宇琪, 杨学宗, 齐瑶瑶, 丁洁, 王雨雷, 吕志伟
2021, 50(1): 20200098.  doi: 10.3788/IRLA20200098
[摘要](970) [HTML全文](673) [PDF 2886KB](59)
具有不同波长的高亮度激光在国防、工业、生命科学等诸多领域发挥着重要作用。但是受限于现有工作物质固有的光谱特性和热物性,传统粒子数反转激光器的波长和输出功率难以兼顾,甚至导致激光在功率提升时光束亮度不升反降。为了克服该难题,近几年人们利用非线性光学技术对光束净化开展了大量研究,即将粒子数反转激光器输出的低光束质量的光束,通过受激拉曼或受激布里渊散射等效应转变为高光束质量激光输出。其中,金刚石晶体以其高拉曼增益系数、极高的热导率和极宽的光谱透过范围等性质,在实现高效率拉曼波长转换的同时展现出优异的光束亮度增强特性,为人们获得高功率、高亮度激光光束提供了新的技术路径。文中对基于金刚石的一阶和级联拉曼转换的光束亮度增强研究进行了综述,并围绕其潜在的应用进行了探讨。
小型化轴流式非链式脉冲氟化氘激光器
顾文珊, 梁小溪, 李红超, 田有朋, 陈飞, 潘其坤
2021, 50(1): 20200082.  doi: 10.3788/IRLA20200082
[摘要](11) [HTML全文](5) [PDF 1200KB](2)
采用轴流循环流动方式更新非链式脉冲氟化氘(DF)激光器工作介质,搭建了一台小型化自引发放电DF激光器实验装置,开展了轴流DF激光器输出性能实验研究。单脉冲工作时,在工作气体配比SF6∶D2=10∶1,总气压8 kPa时,实现单脉冲能量800 mJ激光输出,全波半高宽约120 ns,其性能与横流放电非链式脉冲DF激光器相似。重复频率放电时,实现了DF激光器重复频率20 Hz稳定运转,得到的最大输出功率为13.1 W,重频脉冲幅值差优于±5%,并展望了轴流式DF激光器高重频工作的前景。文中提出的轴流式非链式脉冲DF激光器为小型化、工程化中红外光源提供了新的技术途径。
基于金纳米笼和MoS2的1 123 nm被动调Q Nd: YAG激光器
张斌, 李颖, 刘丙海
2021, 50(1): 20200084.  doi: 10.3788/IRLA20200084
[摘要](419) [HTML全文](296) [PDF 1353KB](21)
采用电流置换反应成功制备了金纳米笼溶液并首次验证了其在1123 nm处的非线性饱和吸收特性,作为对比,同样制备了MoS2饱和吸收体。分别将金纳米笼和MoS2作为饱和吸收体,实现了中心波长为1 123 nm的Nd: YAG激光器的调Q运转。在MoS2为饱和吸收体的调Q激光器中,当泵浦功率为6.81 W时,得到的最大平均输出功率为208 mW,最短脉冲宽度为412 ns,最大脉冲重复率为233 kHz。在金纳米笼为饱和吸收体的调Q激光器中,当泵浦功率为6.04 W时,得到的最大平均输出功率为221 mW,最短脉冲宽度为253 ns,最大脉冲重复率为326 kHz。与MoS2调Q激光器的实验结果相比,金纳米笼调Q激光器获得的输出功率和效率更高,脉冲宽度更窄,重复率更高。结果证明了金纳米笼在近红外波段激光器中用作饱和吸收体的巨大潜力。
光谱编码计算关联成像技术研究
黄见, 时东锋, 孟文文, 查林彬, 孙宇松, 苑克娥, 胡顺星, 王英俭
2021, 50(1): 20200120.  doi: 10.3788/IRLA20200120
[摘要](17) [HTML全文](8) [PDF 4523KB](5)
现有的多光谱成像技术通常采用光学分光的方式,使用多个探测器对成像场景的光谱图像进行采集,导致现有成像系统复杂,数据量大、效率低。针对现有技术的不足,提出基于正交调制模式的光谱编码计算关联成像技术。通过正交光谱编码矩阵融合Hadamard基图案构造投影散斑对宽带光源进行调制,单像素探测器收集成像物体与调制光源相互作用后的反射信号;应用演化压缩技术复原成像物体的混叠光谱图像;利用编码矩阵的正交性质解码出欠采样的光谱分量图像,对分离出的图像应用组稀疏压缩感知算法重构全采样的光谱分量图像,最后融合出成像物体的多光谱图像。通过数值模拟与实验两方面验证了所提方法的高效性。所提的技术简化了多光谱关联成像系统,降低了数据量。光谱编码方法可以扩展到更多的光谱通道,也可以应用在偏振关联成像、信息加密等领域。
基于背景扣除法消除土壤基底中Al元素干扰的LIBS实验研究
李红莲, 王红宝, 康沙沙, 方立德, 李小亭
2021, 50(1): 20200136.  doi: 10.3788/IRLA20200136
[摘要](19) [HTML全文](8) [PDF 3122KB](3)
土壤中重金属的污染严重影响了农业和食品安全,因此,对重金属污染的高效、准确的检测是目前亟需解决的问题。采用激光诱导击穿光谱技术(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)对土壤中Ni元素进行定量分析时发现,土壤中波长为373.68 nm的Ni元素的特征峰会受到Al元素在373.39 nm处谱线的影响,因此,将纯铝基底土壤光谱与压片土壤光谱进行了对比测量。提出了以纯Al作为基底,采用纯Al基底谱线扣除土壤背景中Al元素谱线的方法,来消除土壤背景中Al元素对Ni元素干扰,该方法被称为背景扣除法。实验确定了两种土壤样品的最佳延迟时间均为1.0 μs,透镜到样品的距离(Lens to sample distance,LTSD)分别为97 mm和96 mm。采用内标法对两种土壤样品中的Ni进行了定量分析,得到纯Al基底土壤样品中Ni元素的定标曲线拟合效果较好,相关系数R2为0.997,最大标准偏差(Relative standard deviation,RSD)为4.34%,采用基底背景扣除法后的纯铝基底土壤样品中Ni元素检测的相对误差降低到4%。实验结果表明:采用LIBS技术对土壤中重金属元素含量测量时,在元素特征谱线有限的情况下,为避免谱线干扰,提高检测精度,采用背景扣除的方法能够有效消除元素间的谱线的干扰。
腔体与纳米金共同作用增强光谱技术
张丽丽, 杨彦伟
2021, 50(1): 20200137.  doi: 10.3788/IRLA20200137
[摘要](15) [HTML全文](5) [PDF 2352KB](3)
激光诱导击穿光谱技术是一种近年来随着激光技术和光谱检测技术的发展而兴起的物质成分检测技术。该技术具有快速、无损、操作简单、无需样品处理等诸多优点,而传统LIBS检测方法存在谱线强度弱、信噪比低等缺点,直接影响定量分析精度。为了增强激光诱导击穿光谱发射强度,提高信噪比,设计了高度为1 mm,直径分别为2 、3、4 、5 、6 mm;直径为5 mm,高度为1 、2 、3、4、5、6 mm的不同腔体,应用粒径分别为10、20、30 nm的纳米金颗粒与腔体结合对样品等离子体进行作用。实验表明,最优腔体直径为5 mm,高度为4 mm;最优纳米金粒径为20 nm。相比传统LIBS,在最优腔体、最优纳米金和最优腔体与最优纳米金联合作用下,增强因子分别为20.6、7.3、31.3,柱形腔体可以提高等离子体电子温度,纳米金粒子对电子温度几乎没有影响。纳米金粒子与柱形腔体均能提高光谱信号信噪比,在最优腔体和最优纳米金联合作用下,信噪比最高。
弯曲限模对大模场光纤横模不稳定效应的影响
柏刚, 董延涛, 张大庆, 陶坤宇, 沈辉, 漆云凤, 何兵, 周军
2021, 50(1): 20200028.  doi: 10.3788/IRLA20200028
[摘要](15) [HTML全文](5) [PDF 1829KB](2)
横模不稳定效应已经逐渐成为引起高功率光纤激光光束质量急剧恶化并限制其输出功率进一步提升的首要瓶颈问题。基于全光纤化正向泵浦的窄线宽高功率放大平台,对大模场光纤激光器中的横模不稳定效应进行了一系列的探索研究。根据耦合模方程的计算结果,所用大模场光纤25/400 μm中LP01、LP11模之间的非线性耦合强度最大,这也直接诱导了横模不稳定效应的发生。为了抑制LP11模在主放大级的产生和放大,通过弯曲限模这种可操作性强的模式滤波技术,将主放增益光纤的弯曲半径从6 cm缩小至5 cm的过程中,高功率光纤激光系统的横模不稳定阈值从1000 W量级提高到了1600 W量级,而且激光器的其他输出性能几乎没有受到影响。这为构建实际的窄线宽高功率全光纤化的激光系统提供了强有力的实验参照。
光学设计
大口径空间反射镜的重力卸载优化方法
孙熠璇, 罗世魁, 高超, 陈芳, 宗肖颖, 杜建祥, 刘子嘉, 白杰
2021, 50(1): 20200103.  doi: 10.3788/IRLA20200103
[摘要](18) [HTML全文](10) [PDF 3043KB](4)
针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λλ=632.8 nm)的高精度要求,为模拟在轨失重状态,降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响,对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先,在反射镜分区的基础上,提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则;随后,建立反射镜的有限元模型,以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标,以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化,通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点,实现优化过程的简化;最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中,测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ,且面形分布较为一致,说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效,为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。
低空高分辨率激光雷达光学系统设计
刘壮, 王超, 江伦, 史浩东
2021, 50(1): 20200117.  doi: 10.3788/IRLA20200117
[摘要](10) [HTML全文](3) [PDF 2412KB](3)
针对“低慢小”目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题,设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜,设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量;接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件,可同时实现激光回波接收与可见光成像,相较于采用单点探测器接收的激光接收系统,具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数,利用光学设计软件设计了光学系统,该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel,扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行,计算其在大气中的探测距离可达到1000 m,背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。
高空间照明均匀度植物光源系统的设计
焦飞宇, 文尚胜, 马丙戌, 张博, 姜昕宇, 卢允乐, 黄玮钊, 吴启保
2021, 50(1): 20200119.  doi: 10.3788/IRLA20200119
[摘要](6) [HTML全文](4) [PDF 4201KB](1)
传统的植物照明设计只针对单一参考面均匀度进行评价,难以满足植物在整个生长过程中对均匀光照环境的需求。针对这一问题,首先提出了空间照明均匀度评价体系,并基于该体系设计了一种复合光源模块的立体化照明系统,以期构建照明均匀的植物生长空间。进一步利用Taguchi方法优化实验过程,在结合ANOVA分析的基础上,获得了最优结构参数。最后对所得最优解进行灯珠形状分析和植物生长过程中的照明效果测试。实验结果表明:最优结构可提供一个水平参考面照度均匀度为87.22%,混色均匀度为90.11%;竖直参考面照度均匀度93.02%,混色均匀度91.43%的均匀照明空间。该植物光源系统可满足植物生长过程中对均匀空间照明环境的需求。
高分七号双线阵立体测绘相机系统集成与测试
李重阳, 张志飞, 吕宠, 朱永红, 边志峰, 张春瑞, 王蓉, 刘辉, 都晓寒
2021, 50(1): 20200143.  doi: 10.3788/IRLA20200143
[摘要](12) [HTML全文](5) [PDF 1363KB](1)
2019年11月3日发射的高分七号立体测绘卫星搭载了前、后视两台高分辨率遥感相机,分别从前、后两个方向对地面同一景物进行不同角度的观测,从而形成立体测绘影像。在立体测绘相机的实验室研制阶段,需要确保双线阵相机的线阵水平、共焦一致性、内方位元素与畸变的高精度测试。为了满足高分七号双线阵相机上述技术指标的要求,采用了计算机辅助焦平面快速装调方法以及高精度内方位元素与畸变测试方法,所用方法提高了装调与测试效率,保证了测试精度,相机共焦性优于±0.04 mm,线阵水平优于±1′,畸变测试精度优于2.3 μm,可为其他大比例尺测绘遥感相机的研制提供参考。
光电测量
空间失稳目标的高精度运动估计方法
孙日明, 杨苡辰, 马永峰, 孔祥宇, 李常贤
2021, 50(1): 20200104.  doi: 10.3788/IRLA20200104
[摘要](9) [HTML全文](3) [PDF 3384KB](2)
运动估计是解决线性测量系统下动态目标成像畸变问题的有效手段,然而空间失稳目标的非合作性和运动复杂性往往使得运动估计精度难以保证。为提高运动估计的准确性,提出了一种特征驱动的空间失稳目标高精度运动估计方法。该方法首先引入球面坐标建立一般空间失稳目标的自约束时空运动模型,将运动估计推演到高维空间进行非线性无约束求解。然后,根据真实解的存在唯一性,制定了两次异帧相似判别法则给出非线性求解的成功判别,提高运动估计的准确性和鲁棒性。最后,实验比较了不同条件下多类非线性求解方法针对本问题的求解效率,设计了一种基于初值精度划分的求解策略,进一步提高运动估计的效率。实验结果显示该方法最多采用15帧均可实现一般情况的高精度(<10−5)运动估计,进而能够对成像畸变进行精准畸变矫正。
图像处理
边缘区域约束的导向滤波深度像超分辨率重建算法
武军安, 郭锐, 刘荣忠, 柯尊贵, 赵旭
2021, 50(1): 20200081.  doi: 10.3788/IRLA20200081
[摘要](15) [HTML全文](8) [PDF 2217KB](3)
为了解决TOF(Time of Flight)相机获取的深度像分辨率较低的问题,基于导向滤波器提出了一种边缘区域约束的超分辨率重建算法。首先对低分辨深度像进行初始上采样,利用多尺度边缘检测提取深度像的边缘区域;然后根据同场景中灰度图像与深度像的边缘相似性,提取公共边缘区域;最后,根据灰度图像的边缘像素在公共边缘区域中的位置约束导向滤波器的系数生成,重新对导向滤波器的系数进行加权,从而构建出高分辨率的深度图。通过标准数据库Middlebury数据集进行验证,与3种近年来基于滤波的超分辨重建算法相比较,文中方法既能有效地保护重建深度像的边缘结构,同时具有较高的计算效率。研究结果可以为低分辨激光成像雷达的目标识别、场景重建等对实时性要求较高的工程应用提供理论依据。
采用时空上下文的抗遮挡实时目标跟踪
陈法领, 丁庆海, 罗海波, 惠斌, 常铮, 刘云鹏
2021, 50(1): 20200105.  doi: 10.3788/IRLA20200105
[摘要](11) [HTML全文](5) [PDF 5007KB](1)
针对目标跟踪算法在光照变化、背景干扰、目标形变及遮挡时出现的跟踪稳定性下降甚至失败的问题,提出了一种采用时空上下文的抗遮挡实时目标跟踪算法。首先,在时空上下文模型框架下采用自适应降维的颜色特征构建目标外观模型,提高算法在复杂场景中对目标的辨别能力;然后,联合置信图响应的峰值和峰值旁瓣比对目标跟踪的状态进行评估;接着,利用目标模板之间相关系数的变化进一步判断目标是否被严重遮挡;最后,当目标跟踪出现波动时,降低目标模型更新速度,并通过Kalman滤波修正目标位置,当目标被严重遮挡时,则根据Kalman滤波预测目标位置,同时停止更新目标模型,在脱离遮挡后重新捕获目标并进行跟踪。选取了36组具有多种挑战因素的彩色视频序列测试算法的跟踪性能,并与其他表现优异的目标跟踪算法进行了对比分析。实验结果表明,所提算法具有较强的抗遮挡能力,并且在光照变化、背景干扰和目标形变等不利因素影响下仍具有较好的跟踪鲁棒性,同时能够满足目标跟踪的实时性要求。
简 讯
窄线宽光纤激光突破4 kW近单模输出
马鹏飞, 肖虎, 冷进勇, 李灿, 陈子伦, 王小林, 王泽锋, 周朴, 陈金宝
2021, 50(1): 20200421.  doi: 10.3788/IRLA20200421
[摘要](13) [HTML全文](2) [PDF 715KB](9)
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