当期目录

2020年 第49卷  第9期

特约专栏−超表面波前调控
基于超构表面的非线性光学与量子光学
石鸣谦, 刘俊, 陈卓, 王漱明, 王振林, 祝世宁
2020, 49(9): 20201028.  doi: 10.3788/IRLA20201028
[摘要](88) [HTML全文](25) [PDF 2906KB](43)
近年来,超构表面在经典光场调控领域受到了广泛的关注,获得了优异的成果。同时,超构表面在非线性光学和量子光学方面的应用也引起了人们越来越多的兴趣。文中分别介绍了非线性超构表面和量子超构表面的基本原理和应用,总结了近几年的相关报道,包括谐波产生和增强,谐波产生和对称性的关系,非线性相位调控和全息成像,以及基于超构表面的纠缠光子对产生,测量和调控。最后,对超构表面在这两个领域的进一步应用和前景进行了展望。
超表面中的奇异点
齐慧欣, 王晓晓, 胡小永, 龚旗煌
2020, 49(9): 20201029.  doi: 10.3788/IRLA20201029
[摘要](54) [HTML全文](23) [PDF 2111KB](29)
奇异点是非厄米系统中的特殊点,奇异点附近的参数空间会出现很多新奇的物理现象。超表面是物理学近年来兴起的一个研究热点,人们基于超表面的平台已经设计实现了大量性能优越的器件。超表面的出现为研究奇异点提供了一个易操作的平台,通过精确控制超表面的结构参数,可以方便地研究奇异点周围的参数空间。研究超表面中的奇异点也为研究新的物理规律提供了基础的平台,文中首先介绍了奇异点和超表面中的奇异点的基本理论,之后介绍了超表面中奇异点的最新研究进展,最后对目前该领域亟待解决的问题进行了分析总结,对该领域的发展进行了展望。
基于二次相位超表面的大视场紧凑型全Stokes偏振测量方法
张雅鑫, 蒲明博, 郭迎辉, 靳金金, 李雄, 马晓亮, 罗先刚
2020, 49(9): 20201030.  doi: 10.3788/IRLA20201030
[摘要](67) [HTML全文](26) [PDF 1605KB](35)
偏振是光的固有属性之一,然而传统的光强、光谱探测技术会造成电磁波的偏振信息的丢失。同时,基于偏振测量的器件及技术不仅存在视场局限的问题,而且系统复杂。基于介质型超表面设计了一种紧凑型大视场偏振探测器件,实现了对入射光的角度及偏振态的探测。该器件由2×2的二次相位超表面组成,每个超表面可实现对特定偏振的对称性变换,即将入射角旋转对称性转变为焦平面内焦点平移对称性。二次相位的对称性变换理论使得此文可以在宽角度范围内(-40°~+40°)通过测量焦点的偏移量实现对入射角的表征。在此基础上,分析了斜入射对测量Stokes参数的影响,得到矫正的Stokes公式。利用4个焦点的强度和矫正的Stokes公式可计算出入射光的Stokes参数。在视场角为0°、20°、40°时,测量的Stokes参数与理论值吻合良好。
基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用
郭旭岳, 李冰洁, 樊鑫豪, 钟进展, 刘圣, 魏冰妍, 李鹏, 赵建林
2020, 49(9): 20201031.  doi: 10.3788/IRLA20201031
[摘要](71) [HTML全文](26) [PDF 1445KB](42)
超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。
宽带消色差平面透镜的设计与参量分析
肖行健, 祝世宁, 李涛
2020, 49(9): 20201032.  doi: 10.3788/IRLA20201032
[摘要](59) [HTML全文](9) [PDF 1733KB](31)
大尺寸、大数值孔径、宽波段的消色差平面透镜设计是成像技术的一个瓶颈性问题,也是近年来超构透镜研究领域的一个重要挑战,主要原因是透镜的各个参量之间存在内禀的制约关系。文中结合消色差透镜的群时延理论及透镜的相位分布,通过理论分析给出各参量之间的半定量制约关系。同时,分别通过拓扑优化和直接二值搜索的方法,设计了不同参量下的消色差超构透镜和多阶衍射透镜,发现在保持效率80%左右的前提下,透镜尺寸增加了一倍,数值孔径或波段宽度减少了一半,而透镜厚度则随尺寸成线性增长。该结果表明,这两类平面透镜具有相同的內禀参数依赖关系,即透镜尺寸与数值孔径和波段宽度呈现反相关、与透镜厚度呈现正相关的关系,这与理论预测基本一致。
太赫兹波前调制超表面器件研究进展
贺敬文, 董涛, 张岩
2020, 49(9): 20201033.  doi: 10.3788/IRLA20201033
[摘要](61) [HTML全文](8) [PDF 6200KB](37)
超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。
多维度超表面及其在信息加密防伪上的应用
邓子岚, 涂清安, 李向平
2020, 49(9): 20201034.  doi: 10.3788/IRLA20201034
[摘要](44) [HTML全文](19) [PDF 1894KB](34)
超表面是一种厚度在亚波长或波长量级的人工层状材料。可通过调控超表面单元结构上的大小、形状、转角、位移量等自由度,实现对电磁波频率、振幅、相位、偏振等特性的灵活有效调控。超表面具有超薄、宽带、低损耗、易加工、灵活设计,功能强大等特点。文中综述了具有单维度、双维度、多维度光场调控功能的超表面及其在外部激励作用下具有主动可调特性超表面的发展历程,并特别介绍了这些超表面用于信息加密防伪领域的实现方式与优势特点。相比于传统的信息加密防伪技术,超表面信息加密防伪术具有亚波长像素,精密控制,安全系数高等特点,展现了全新视角,拥有广阔的发展前景。
光学超构表面的微纳加工技术研究进展
胡跃强, 李鑫, 王旭东, 赖嘉杰, 段辉高
2020, 49(9): 20201035.  doi: 10.3788/IRLA20201035
[摘要](378) [HTML全文](9) [PDF 10250KB](73)
超构表面由二维平面内精心排布的亚波长单元组成,为设计超紧凑型光学元件提供了新的范式,在微型化光学系统方面显示出了极大的潜力。在不到十年时间里,超构表面由于具有超轻、超薄且能够操纵光波的各种参量以实现多功能集成的优势在多学科领域引起了广泛的关注。然而,在光学波段,高自由度、非周期、排列密集的超构单元对其加工制备提出了很多极端的参数要求,如极小尺度、极高精度、高深宽比、难加工材料、跨尺度等,这使得超构表面从实验室走向实际应用面临极大的挑战。文中总结了近些年用于超构表面各类微纳加工方法的各类方法的原理、特点和最新进展,包括小面积直写方法、大面积模板转移方法以及一些新兴的加工方法。最后,针对超构表面在加工方面的目前的挑战和未来的发展趋势进行了总结和展望。
融合计算全息术与纳米印刷术的多功能超表面研究进展
李子乐, 周舟, 梁聪玲, 郑国兴
2020, 49(9): 20201036.  doi: 10.3788/IRLA20201036
[摘要](165) [HTML全文](14) [PDF 2245KB](34)
计算全息术与纳米印刷术是超表面材料的两种典型应用。近年来,融合全息术与纳米印刷术的多功能超表面成为新兴研究热点,有望在多重光学防伪、信息编码与复用、多通道图像显示、VR/AR等领域得到重要应用。文中在介绍超表面纳米印刷术和计算全息术特点的基础上,将实现两者融合的研究进展进行了详细的归类和特点分析,具体包括:正交偏振复用法、平面合成法、空间堆叠法、光谱+相位调控法、复振幅法、转角简并性法等。最后,对多功能超表面的研究前景进行了展望。
非线性超构表面:谐波产生与超快调控
赵云, 杨原牧
2020, 49(9): 20201037.  doi: 10.3788/IRLA20201037
[摘要](47) [HTML全文](14) [PDF 1975KB](31)
超构表面是指由亚波长结构构成的纳米光学天线阵列。在合适的激发条件下,纳米天线可以产生共振,实现近场增强,进而增强非线性光学效应。相较于传统非线性光学晶体,超构表面集成度较高,有利于实现小型化的高效非线性光源。由于光只传播亚波长的距离,针对非线性谐波产生等应用,超构表面具有无需考虑相位匹配的优势。此外,超构表面具有亚波长的空间分辨率,通过对结构单元的设计和排列,可以实现对非线性谐波的相位、偏振和振幅的灵活调控。该综述针对超构表面在光学频率转换、非线性波前调控以及超快全光调控等领域的国内外近期工作进行了总结,并对非线性超构表面在走向实际应用中面临的挑战和进一步的发展方向进行了展望。
基于超表面的超薄隐身器件
褚宏晨, 赖耘
2020, 49(9): 20201038.  doi: 10.3788/IRLA20201038
[摘要](50) [HTML全文](14) [PDF 1691KB](33)
隐身是人类自古以来的美妙幻想和愿望。近年来,随着人工微结构超构材料领域的不断发展,隐身具备了坚实的科学理论基础和实现条件。早期的隐身设计大多数是基于变换光学原理,科学家们利用超构材料实现了渐变的折射率并在多个频段实现了隐身现象。然而,变换光学隐身器件通常具有较大的尺寸且不易制备,这极大地限制了隐身器件的应用和发展。近年来,超表面作为超构材料的二维对应物,由于其轻薄特性、制备容易、以及强大的电磁波调控能力吸引了人们广泛的关注和研究兴趣。利用超表面实现的超薄隐身器件有望解除传统隐身器件对大尺寸和极端参数材料的依赖,进一步推动了隐身领域的发展,并使隐身器件迈向实际应用。文中对近年来基于超表面的超薄隐身器件的相关研究进行了简要的回顾,着重介绍了其隐身原理,实现方法以及优劣势,最后对领域发展前景和方向提出了一些建议。
从亚波长光栅到超构光栅:原理、设计及应用
陈瑞, 柳夏, 王虹, 石伟怡, 刘伟男, 江绍基, 董建文
2020, 49(9): 20201039.  doi: 10.3788/IRLA20201039
[摘要](57) [HTML全文](20) [PDF 3195KB](43)
随着纳米光子学的发展,光学结构如光学微腔、波导结构、光子晶体、亚波长光栅、超构表面等能够在微纳尺度实现对光的传输与调控,推动了光学集成化的发展。亚波长光栅由于其结构简单、成本低廉等特点得到了科学家们广泛的研究,应用在各种光学器件,逐渐形成了光栅分析模型的成熟理论体系。结合周期性结构耦合行为及超构表面中超构原子的散射调制特性,从亚波长光栅衍生出的超构光栅能够利用周期性布拉格散射提高调控光束的效率,从而避免了超构表面相位离散化带来的效率降低和能量损失。科学家们研究并设计了超构光栅,更多的物理现象及应用被探究和挖掘。文中对亚波长光栅以及超构光栅的基本理论、设计和应用进行了概述。从基本原理出发,论述了亚波长光栅和超构光栅的特性,综述了二者的理论设计及单元设计方法,并介绍了在生物传感、滤光片光谱调控和吸收薄膜等方面的应用。最后,展望了未来的发展方向。
基于微纳器件的全光图像处理技术及应用
付伟伟, 黄坤
2020, 49(9): 20201040.  doi: 10.3788/IRLA20201040
[摘要](58) [HTML全文](17) [PDF 2040KB](37)
纳米技术的飞速发展促进了微纳结构的加工制造、科学研究及工业应用。而微纳结构的光学特性是近年来光学领域的研究热点之一,其带动了纳米光子学、表面等离激元光学、超表面/超材料光学、拓扑光子学、非厄米光学等新兴学科的发展,为实现光的高精度、全方位操控奠定了重要技术基础。文中主要针对全光图像处理中的边缘检测技术,系统地梳理了微纳光学结构和器件在实现光计算(如微分、卷积等)时涉及的基础、原理、技术和应用,并展望了其在超快图像处理、高对比度显微成像、卷积神经网络和智能光学系统等领域的应用研究。
基于超表面操控的偏振信息探测技术研究进展
郭忠义, 康乾龙, 彭志勇, 崔月盟, 刘华松, 高隽, 郭凯
2020, 49(9): 20201041.  doi: 10.3788/IRLA20201041
[摘要](207) [HTML全文](21) [PDF 1952KB](59)
偏振是光的固有属性,当光与物质发生相互作用后,通过解构偏振态变化,可以获取材料组成和结构的重要信息。这一特性使得光的偏振具有很高的研究价值和应用前景。近年来,偏振成像、偏振信息等研究领域蓬勃发展,引起国内外学者的广泛关注。高效地获取偏振信息是该领域发展的关键技术,然而传统的偏振信息探测及获取方案有着各种不足,制约了偏振信息技术的持续化发展。超表面技术使得人们得以根据需求操控光的相位、振幅、偏振等,同时具有微型化和集成化的优势。文中以全矢量偏振信息的获取为出发点,以基于阿基米德螺旋结构的圆偏振探测器为引子,主要介绍基于超表面结构实现偏振信息探测技术的发展过程及研究现状,包括金属超表面偏振探测器、介质超表面偏振探测器以及超表面偏振成像等研究内容,最后展望了基于超表面结构的偏振信息探测技术未来的发展趋势。
激光器与激光光学
位相叠加效应对连续位相板束匀滑特性的影响
杨春林
2020, 49(9): 20190515.  doi: 10.3788/IRLA20190515
[摘要](13) [HTML全文](4) [PDF 1624KB](7)
在大型激光系统的运行过程中,为了对相位畸变导致的焦斑分布不均匀进行改善,在光路通常会使用连续位相板(CPP) 来进行远场束匀滑。根据CPP 面型的随机特性,利用统计的方法对位相板与畸变波前相位的叠加特性进行了计算,系统研究了连续位相板对光束波前分布实现控制的机理。从CPP面形的概率密度与远场直方图之间的关系出发,推导了畸变波前通过CPP 后远场光强分布的表达式,从理论上解释了这种束匀滑器件的工作原理及特性。通过数值模拟计算了不同畸变光束经过CPP后的远场直方图,对结果进行比较并分析了不同面型特性对最终束匀滑效果的影响。结果证明:位相板能在焦斑光强上起到卷积滤波的作用,从而实现光束匀滑效果。从原理上解释了CPP 在具有小相关长度时具有更高匀滑效果这一特性,为实际面型设计和优化提供理论基础。另外,应用统计几何光学方法进行分析,可有效降低波前叠加分析的难度。
不同湿度环境下可见光波段激光偏振特性研究
战俊彤, 张肃, 付强, 段锦, 李英超, 姜会林
2020, 49(9): 20200057.  doi: 10.3788/IRLA20200057
[摘要](835) [HTML全文](724) [PDF 13320KB](20)
雾霾天气严重干扰了可见光成像效果,利用可见光偏振特性可以有效提升探测效率。雾霾环境会受到气溶胶颗粒湿度的影响,湿度是雾霾环境重要物理参数。为了获得可见光在雾霾环境的偏振特性规律,分析了环境湿度对偏振特性的影响。在非偏振光气溶胶单粒子散射特性基础上,采用改进蒙特卡罗方法建立了偏振传输模型,对不同湿度水雾环境下可见波段偏振光传输特性进行研究,重点分析水雾环境湿度改变对不同可见光波段偏振光偏振特性的影响情况并建立了接近真实水雾环境,通过室内实验对偏振模型进行验证,对不同湿度环境下的 450、532 、671 nm 线偏振光与圆偏振光的偏振度与偏振态改变进行了比较与分析,仿真模型置信度>60%。研究结果表明:偏振光的偏振度随水雾环境湿度是呈下降趋势。随着波长的增大,偏振度变化趋于平缓,出射偏振度随着波长的增加而变大,当激光波长为 450、532、671 nm 时,偏振度下降点的湿度值分别为 50%、70%、90%;圆偏振光入射,圆偏振光的旋性对于偏振度没有影响,且高于线偏振度值。对于水雾这种容易受湿度影响较大的环境而言,在可见光波段,应该尽量选择较长波长的偏振光进行传输探测,因为湿度对较短波长的影响比较长波长的影响要大,所以,在湿度较大的环境中,较长波长的圆偏振光是偏振保持特性最好的。在湿度较大的环境中,应尽量选取波长较长的偏振光成像,以达到较好的成像效果。
非球形簇团核壳结构粒子的激光散射特性
任神河, 高明, 王明军, 保秀娟, 李艳
2020, 49(9): 20190545.  doi: 10.3788/IRLA20190545
[摘要](20) [HTML全文](12) [PDF 2230KB](7)
在冰晶粒子异质核化理论基础上,建立了椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子模型,利用离散偶极子近似法(DDA)数值计算同一入射波长下,有效尺寸对核壳结构冰晶粒子消光效率、吸收效率和散射效率的影响、中间均匀混合层对核壳结构冰晶粒子散射强度的影响以及Mueller矩阵元素随散射角度的变化情况。数值结果表明:随着有效尺寸的增大,椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子的消光效率、吸收效率和散射效率随着有效尺寸的增大分别呈现不同的变化趋势;在相等尺寸条件下,散射强度随散射角度的变化情况与粒子形状有密切关系,且相比于椭球形和六角平板两种簇团形核壳结构冰晶粒子,六角棱柱核壳结构冰晶粒子的前向散射强度最大,散射强度随散射角度的变化曲线振荡更明显。根据Mueller矩阵元素随散射角度的分布情况,可以看出六角棱柱簇团形冰晶结构的散射方向最明显,前向散射强度最大,六角平板和六角棱柱簇团形冰晶结构的Mueller矩阵元素相对球形和椭球形在后向散射场区域的偏差更明显。论文的研究结果为进一步分析复杂冰晶粒子的散射特性,开展高空云层中各种复杂几何形状簇团冰晶粒子的散射特性研究和分析提供支持。
Laser-induced transformation of carbon nanotubes into graphene nanoribbons and their conductive properties
Liu Zhi, Chen Jimin, Li Dongfang, Zhang Chenyu
2020, 49(9): 20200298.  doi: 10.3788/IRLA20200298
[摘要](36) [HTML全文](20) [PDF 1023KB](15)
GNRs can be readily produced by unzipping the nanotubes because CNT structure can be analogically considered as graphene sheets rolled up. This is a special 2D graphitic structure performing the exceptional properties. Due to the unique structure and the outstanding properties, GNRs have been used in a vast range of applications, including transistors, optical and microwave communication devices, biosensors, chemical sensors, electronic memory and processing devices, nano electromechanical systems, and composites. The morphology of the fiilms was observed by scanning electron microscopy (SEM), and the properties of graphene were characterized by Raman spectroscopy. The conductivity of the fiilms was measured by a semiconductor parameter measurement system. Raman spectroscopy showed that the Raman characteristics of graphene characterized by optimized process were enhanced. Laser energy and irradiation time were two important parameters for the preparation of graphene from carbon nanotubes. In this study, to open carbon nanotubes by laser, graphene nanoribbons were produced by excimer laser irradiation of carbon nanotubes thin films. The experimental results show that, with the laser energy 150 mJ, the carbon nanotubes are not opened while the connection is observed. With the energy 450 mJ, the carbon nanotubes can be effectively destroyed, and graphene strips can be partially opened to form. At this time, the conductivity of the fiilm reaches the maximum value. Due to the thermal accumulation effect, a large number of porous structures appear on the wall of carbon nanotubes.
高功率板条激光介质的纵向强制对流换热技术
何建国, 李明, 貊泽强, 王金舵, 余锦, 代守军, 陈艳中, 葛文琦, 刘洋, 凡炼文
2020, 49(9): 20200556.  doi: 10.3788/IRLA20200556
[摘要](6252) [HTML全文](1410) [PDF 9424KB](797)
液体强制对流换热因具有较高的可靠性和性能稳定性而被广泛使用于高功率板条激光介质介质的制冷,但沿流场方向产生的温度梯度会显著改变激光介质的热应力状态而带来不良影响。提出了基于冷却流场与目标温度匹配控制思路的双大面侧泵激光介质纵向强制对流冷却方案(Longitudinal forced convection),利用非定常边界条件的流−固耦合有限元仿真方法对比了全腔浸泡对流冷却(Cavity forced convection)、微通道传导冷却技术方案(Micro-channel conduction),针对入口流量、流场状态、流道壁面条件等因素进行了详细研究。在30 L/min入口流量下,该方案热交换区域固液界面平均对流换热系数达104 W·m−2·K−1量级,且均匀分布。此外,通过改变壁面粗糙程度能够获得更高的对流换热系数。根据设计结果研制了一套板条激光放大器,实验监测点的温度结果与模拟仿真预测结果相吻合,冷却性能达到预期。
左右手材料光子晶体带隙及表面波局域电场特性
许江勇, 周波, 苏安, 蒙成举, 高英俊
2020, 49(9): 20200052.  doi: 10.3788/IRLA20200052
[摘要](25) [HTML全文](14) [PDF 1376KB](5)
为研究与设计新型光波导和光学传感器,通过参数匹配,并利用平面波展开的传输矩阵理论及布洛赫定理,研究左右手材料光子晶体的能带结构、表面波局域电场分布等,结果表明:零平均折射率左右材料光子晶体能带中存在的半封闭状和封闭状禁带结构,且通带中的能级曲线由高频向低频方向振荡衰减并简并。添加表面覆盖层介质后,部分半封闭状及封闭状禁带中出现正向波和反向波分立能级,分立能级随覆盖层厚度增大向波矢减小方向移动,半封闭状禁带中的分立能级在覆盖层厚度达到一定数值时出现分裂现象。禁带中正向表面波局域电场极大值均处于覆盖层与光子晶体表面交界处附近,并随覆盖层厚度增大或远离交界处而衰减,封闭状禁带对应的局域电场极大值对覆盖层厚度的响应灵敏度弱于半封闭状禁带。禁带中的反向表面波局域电场及其极大值均处于光子晶体内部,而且随覆盖层厚度增大而增强,封闭状禁带对反向表面波的局域限制作用、表面波与入射光的耦合作用、局域电场对覆盖层厚度的响应灵敏度等强于半封闭状禁带。
三束相干光场驱动的Ru原子蒸汽中可调谐的光吸收
李东康, 高丽媛, 王涛, 田杏霞, 付长宝
2020, 49(9): 20190528.  doi: 10.3788/IRLA20190528
[摘要](11) [HTML全文](1) [PDF 1145KB](6)
在铷原子蒸汽中,同时引入一束强相干光和两束耦合光共同作用在一个多普勒加宽的四能级N模型原子系统中。在原子系统中通过耦合场的引入以及耦合场强度的调节,观察量子光学现象。首先,由原子模型出发,由哈密顿量方程求得密度矩阵,再经由拉氏变换法求解,得出弱探测光的吸收光谱表达式。在光路设计中,采用耦合光与探测光同向,与饱和光反向传播,通过光场参数的调节,可以观察到六个相干光学烧孔和一个电磁感应光透明窗口。同时,采用了两束耦合光分别和探测光反向、同向传播,饱和光与探测光反向传播。此时在吸收光谱中,将同时出现电磁感应光透明和电磁诱导吸收两种现象。进而,在原子系统中,采用光路的不同搭配,在吸收光谱中可以观测到吸收增强或减弱情况的出现,包括形成烧孔的位置和个数的变化;通过驱动场激发原子的相干跃迁,使得在吸收谱线中同时出现电磁诱导透明和电磁诱导吸收两种吸收特性,并通过光场的调节,数据模拟的比较,分析两种量子相干效应的产生和转换,进行深入研究,并得出结论,这些结果对于现在热门的光学量子存储将有较好的理论指导。
光学成像技术
基于单次曝光多光谱关联成像系统带通滤波器的研究
李美萱, 张斯淇, 李宏, 李楠, 任雨轩, 田嘉龙
2020, 49(9): 20200169.  doi: 10.3788/IRLA20200169
[摘要](19) [HTML全文](7) [PDF 1379KB](15)
多光谱关联成像与传统点到点的成像方式不同,该技术是采用调制、解调的方式获取目标的图像信息。搭建了一套基于固定相位板的单次曝光多光谱关联成像系统,完成了多光谱关联成像系统中薄膜器件的研制。选择BK7玻璃作为基底材料,氧化铌(Nb2O5)和二氧化硅(SiO2)为高、低折射率材料。根据光学薄膜基础理论,结合膜系设计软件进行膜系设计和模拟分析,通过建立膜系优化评价函数,实现了0°~30°入射450~700 nm带通滤光膜的设计,并在OZZSQ900型箱式真空镀膜机上完成了该薄膜的研制。通过优化SiO2膜沉积速率,改善了薄膜表面缺陷,降低了散射损耗。对膜层的残余蒸镀进行分析,利用最小二乘法建立膜层厚度与残余蒸镀量之间拟合函数,调整监控方式,减小残余蒸镀,提高了制备过程中膜厚控制精度。采用安捷伦Cary5000分光光度计测试,在350~440 nm和710~800 nm波段透过率 T <0.5%,450~700 nm范围内,光线入射角0°~30°时平均透过率 T >98%的带通滤波器,满足系统使用要求,该研究具有重要的实际意义和工程价值。
低照度背景下弱小目标的成像实验研究
胡海力, 贺磊, 张勇, 杨振, 郭鑫民, 张建隆
2020, 49(9): 20190569.  doi: 10.3788/IRLA20190569
[摘要](24) [HTML全文](16) [PDF 1517KB](18)
无人机等弱小目标具有飞行高度低、反射截面小、热信息弱等特点,尤其在低照度背景下,单一成像方式难以实现对弱小目标的探测和识别。实验对比了可见光成像、微光夜视成像、长波红外成像、激光主动照明成像等对弱小目标的成像效果,目的是研究适用于不同照度背景下弱小目标的探测识别方法。外场实验中,被测目标为小型四旋翼无人机,尺寸为290 mm×290 mm×196 mm,实验环境照度在10−2~10−4 lx之间,作用距离范围0.5~2 km。成像实验结果表明:普通可见光系统无法在环境照度低于10−2 lx时成像;环境照度为10−3 lx时,微光夜视和长波红外热系统的识别距离仅为0.5 km;近红外激光(中心波长808 nm)主动照明与微光夜视结合的主动成像方式可增加对弱小目标的识别距离,同等条件下主动照明成像作用距离是被动成像的3倍。
APD三维成像激光雷达研究进展
曹杰, 郝群, 张芳华, 徐辰宇, 程阳, 张佳利, 陶禹, 周栋, 张开宇
2020, 49(9): 20190549.  doi: 10.3788/IRLA20190549
[摘要](39) [HTML全文](10) [PDF 1500KB](14)
三维成像激光雷达因获取信息丰富、抗干扰能力强、分辨率高等优势已广泛应用于地貌勘测、自动驾驶、智能交通、视觉跟踪等国防与民用领域。随着雪崩光电二极管(APD)探测器件的发展与三维成像体制的多样化(例如:微机电系统扫描、相控阵、闪光等),激光雷达性能较早期已得到大幅提升。立足于军民领域对激光雷达的新需求,迫切需求新方法、新体制进一步提升三维成像的综合性能。首先从APD三维成像激光雷达的发射单元、接收单元、算法单元(数据处理单元)三方面关键技术展开分析。然后,以载荷应用需求对三维成像激光雷达进行了分类阐述与讨论,重点以车载环境感知为例深入讨论了现有激光雷达的应用现状与军民应用所面临的难点问题。基于APD器件的三维成像方法多元化发展,讨论了两种适用于APD器件的新型三维成像方法(异构变分辨率与鬼成像)。最后,在分析三维成像激光雷达研究现状的基础上,总结了三维成像激光雷达正朝着大视场、高分辨、高精度、实时性、模块化、智能化的方向发展,为进一步研究高性能三维成像激光雷达奠定基础。
光学设计
南极大型望远镜主镜运输的抗振缓冲系统
乐中宇, 崔向群, 顾伯忠
2020, 49(9): 20190517.  doi: 10.3788/IRLA20190517
[摘要](55) [HTML全文](47) [PDF 2287KB](4)
我国南极天文台规划有一台主镜口径2.5 m的光学红外望远镜。这台望远镜在国内制造,以大型装配体的形式运输到南极天文台,从南极边沿的中山站到南极内陆的昆仑站需要用雪橇车运输。雪橇车在一些路段振动剧烈。文中以这台望远镜主镜运输的抗振缓冲系统为研究目标,首先研究了隔振系统理论模型,用四端参数法分析了双层隔振系统的传输特性,然后研究了南极内陆科考队在雪橇运输中测得的振动数据,分析了考虑底支承力不均匀时主镜运输的许用动力学条件,提出了一种包含杠杆式缓冲结构和聚乙烯泡沫塑料结构的双层隔振系统,最后对这种隔振系统的性能进行了有限元分析与多体动力学研究。结果表明:所提出的抗振缓冲系统在南极实测得到的最极端冲击信号的作用下可以满足主镜模块最大加速度不大于5 g的要求,此时主镜模块的 Z 向运动范围约1.2 m,该缓冲系统具有实用价值,可以在南极2.5 m望远镜主镜的整体运输中使用。所提出的方法对其他脆弱结构的缓冲系统设计有参考价值。
长焦距无热化星敏感器光学系统设计
伍雁雄, 乔健, 王丽萍
2020, 49(9): 20200061.  doi: 10.3788/IRLA20200061
[摘要](98) [HTML全文](62) [PDF 1643KB](12)
光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象,分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理,恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大,需要在光学设计阶段进行控制;建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法;在性能评价方面,除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外,提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距为95 mm,相对孔径为F/2.4,视场角为8°×8°,探测光谱范围为450~1 000 nm,3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明:2 600~9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm;在工作温度0~40 °C范围内,焦距变化量小于2.7 μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。
轻小型长波红外光学系统的设计及实现
郝思远, 谢佳楠, 温茂星, 王跃明, 袁立银
2020, 49(9): 20200031.  doi: 10.3788/IRLA20200031
[摘要](32) [HTML全文](10) [PDF 1379KB](12)
无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻,为了满足8~12.5 μm红外探测需求,设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2,口径为150 mm,总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构,将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统,将球面次镜简化为平面镜折叠光路,轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构,结合后光路的光机材料匹配,在工作环境温度范围内,光学设计传函高于0.41@17 lp/mm,具有100%冷屏效率,而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后,全视场传函高于0.24@17 lp/mm,像质清晰,满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。
基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法
雍佳伟, 郭友明, 饶长辉
2020, 49(9): 20190534.  doi: 10.3788/IRLA20190534
[摘要](4346) [HTML全文](1202) [PDF 2252KB](37)
在单位圆的同心孔径圆域内,某些特定Zernike模式具有相关关系,其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后,一定的同心孔径内的像差会相互抵消,波面变得更加平坦,这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前,用自适应光学系统进行校正得到残差,然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中,低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系,两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,并且在一定的系数组合方式下,这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果,提出一种控制方法,该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型,使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS),最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明:该方法相比于传统闭环共轭式校正方法,在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像,有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。
采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制
许绘香, 孔国利
2020, 49(9): 20190551.  doi: 10.3788/IRLA20190551
[摘要](24) [HTML全文](13) [PDF 1403KB](5)
为了实现CO2气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的激光红外多通池压强控制系统。硬件方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法,完成对 PI D 3个参数的确定。结果表明:多通池压强为60 Torr(1 Torr=133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。试验中,利用研制的多通池压强控制系统对13CO212CO2气体分子在4.3 μm吸收光谱进行测量。随着气体压强从0.026~0.066 atm (1 atm= 101 325 Pa),13CO212CO2气体分子吸收光谱的峰值随着压强增大而增大,吸收光谱宽度也随着压强的增大而增大。同时,利用红外气体检测系统对CO2同位素丰度进行长达2 h的测量。CO2同位素丰度均值为−9.081‰,测量值在−8.351‰~−9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。可以证明:该系统为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。
光电测量
圆柱面任意方向裂纹的双线阵激光热像检测
朱鑫浩, 侯德鑫, 叶树亮
2020, 49(9): 20200097.  doi: 10.3788/IRLA20200097
[摘要](53) [HTML全文](14) [PDF 1809KB](8)
圆柱铁氧体磁芯为黑色柱体,裂纹对比度不高,传统机器视觉裂纹成像效果不佳。激光红外热成像技术根据试样表面的温度分布情况检出裂纹缺陷,可用于解决低对比度微小裂纹的检测问题。常用的线激光、点激光在检测裂纹时,平行于激光扫描方向裂纹往往因两侧热流较小而无法检出。双线阵激光热成像检测系统,线阵激光错位排布,营造多方向热流,可实现任意方向裂纹检测。为验证双线阵激光对任意方向裂纹的检测可行性,仿真模拟了0°、45°、90°裂纹的双线阵激光扫描过程。线阵激光由于各点光斑功率分布存在较大的非均匀性,不同参数设计对裂纹检测效果影响大。因此,优化点光斑半径、点光斑中心距、线阵激光错位间距、线阵激光间距、运动速度等设计参数实现裂纹检测信噪比提升。裂纹成像算法根据温度空间梯度成像裂纹,由于光斑的非均匀性,裂纹在两束激光间不同相对位置的梯度大小各不相同。算法选取裂纹在两束激光间具有较大相对梯度的位置,通过多幅梯度图像融合,实现任意方向裂纹检测。对4个具有水平、垂直、倾斜自然裂纹的铁氧体样品进行实验,成像结果清晰直观地显示出所有裂纹。
滑翔飞行器线性伪谱模型预测控制三维轨迹规划
孙建波, 潘幸华, 杨良, 陈万春, 赵育善
2020, 49(9): 20200279.  doi: 10.3788/IRLA20200279
[摘要](26) [HTML全文](24) [PDF 1282KB](10)
对高升阻比滑翔飞行器,在线性伪谱模型预测控制基础上提出新的再入制导律,除了满足传统终端约束与路径约束,还能以特定航向角抵达终点。以高维多项式代理技术泛化升阻比,得到关于能量和攻角的表达式,攻角在线调节升阻比以增强规划能力。再入飞行分为下降段和滑翔段,下降段维持最大攻角和零倾侧角以限制热流率。滑翔段应用线性伪谱模型预测控制,用降阶动力学模型预测终端偏差,线性化模型获得误差传播方程。由于积分计算复杂,以高斯伪谱法获取控制量的修正值,修正攻角、倾侧角相关参数和两次倾侧反转的能量时刻消除终端偏差。方法简单易行,精度高,便于在线应用,仿真结果显示该方法能满足提出的规划需求。
光电导引头信息处理系统设计
陈咸志, 罗镇宝, 杨旭, 陈陶, 赵径通
2020, 49(9): 20200312.  doi: 10.3788/IRLA20200312
[摘要](18) [HTML全文](3) [PDF 1156KB](9)
光电导引头是智能化弹药的重要组成部分,信息处理是其精确制导的核心关键技术。从工程应用角度出发,系统地分析了光电导引头信息处理的主要任务及技术需求,梳理了经典的分布式模块化信息处理设计技术方案,总结了其显著优点和主要缺点。随着精确制导武器未来作战目标、环境和任务使命的需求变化,为了适应光电导引头多模复合、智能化、小型化、轻量化和低成本发展趋势,更好地满足弹载环境制约的迫切需求,充分运用超大规模集成电路和信息处理技术的革新成果,在光电导引头系统总体架构上,提出了集成小型化信息处理设计思路,并给出了典型的应用方案,设计了核心性能指标,在综合成本和功耗等方面优势显著,具有较强通用性,有利于导弹制导平台架构统型,导弹系列化及换代升级, 为新一代先进光电导引头工程研制提供参考。