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    1. 光纤随机激光器及其应用研究进展(特邀综述)
    饶云江
    光子学报    2019, 48 (11): 1148002-1148002.   doi: 10.3788/gzxb20194811.1148002
    摘要801)      PDF (9893KB)(199)   

    光纤随机激光器是一种新型光纤激光器,与常规光纤激光器相比,得益于其无谐振模式、更好的稳定性、更高的可靠性、更简单的结构等优势,近年来在高功率/高效率、宽谱发射、低相干性等多类型新光源探索方面得到了长足的发展,产生了系列研究成果.作为国内最早开展全光纤随机激光器研究的团队负责人,本文作者首先系统回顾了光纤随机激光器的发展历程,然后重点介绍了近年来光纤随机激光器取得的重要研究进展和在光纤传感、光通信等领域的应用进展,最后对其未来发展提出了展望.

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    2. 蓝宝石光纤及其高温传感器(特邀综述)
    庞拂飞, 王之凤, 刘奂奂, 马章微, 陈振宜, 王廷云
    光子学报    2019, 48 (11): 1148004-1148004.   doi: 10.3788/gzxb20194811.1148004
    摘要592)      PDF (3332KB)(198)   

    单晶蓝宝石光纤具有热稳定性好、机械性能强、化学性能稳定等优点,在高温、高压等恶劣环境中的应用受到广泛关注.介绍了单晶蓝宝石光纤的制备方法、基本特性及高温传输特性.重点讨论了目前基于单晶蓝宝石光纤制备的高温传感器件,包括法布里-珀罗干涉仪、布拉格光栅、以及迈克尔逊干涉仪,并分析了这些传感器的制备方法和工作原理.最后针对单晶蓝宝石光纤与传统单模光纤难兼容的问题,介绍了蓝宝石衍生光纤的制备及其传感器的最新进展,并展望了未来蓝宝石光纤的发展方向.

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    3. 基于五氧化二钽集成非线性光波导的高重复频率宽带平坦相干光频率梳的产生
    吴春将, 冯素春
    光子学报    2019, 48 (10): 1048003-1048003.   doi: 10.3788/gzxb20194810.1048003
    摘要557)      PDF (6293KB)(233)   

    通过波导结构设计以及色散调控,基于孤子脉冲压缩、自相位调制和光波分裂效应,用0.22 m反常色散五氧化二钽波导级联0.9 m正常色散五氧化二钽波导产生在1 520~1 580 nm波段具有4 dB平坦度、60 nm带宽的平坦光频率梳.利用X-Frog技术分析了脉冲在传输过程中的时谱演化,并且研究了产生光频率梳的相干性.时谱演化指出自相位调制和光波分裂的共同作用使得光频率梳的光谱包络变宽,并且具有良好的平坦度.一阶复互相干度计算指出光频率梳具有较好的相干性.仿真结果表明,五氧化二钽集成非线性光波导在产生高重复频率平坦相干宽带光频率梳方面具有较好的前景.

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    4. 基于几何约束的自适应相位解包裹算法
    李雯, 蔡宁, 林斌, 曹向群
    光子学报    2019, 48 (8): 810001-0810001.   doi: 10.3788/gzxb20194808.0810001
    摘要520)      PDF (2804KB)(158)   

    提出一种通过相机和投影仪的空间几何约束来展开相位包裹的方法,只需要对结构光投影测量系统进行标定,不需要进行传统的时间或空间相位展开.通过投影单周期条纹得到物体的大致高度信息以确定虚拟深度平面,在虚拟平面zmin0处,根据结构光系统的标定参数创建最小绝对相位图,物体的包裹相位逐像素与进行比较,即确定条纹级数,实现相位解包裹.该方法具有良好的鲁棒性,对硬件要求低,采集图像少并且不需要额外的物体来获得zmin0,能够实现自适应动态测量.实验结果表明,在同等条件下,与传统时间相位展开方法相比,该方法的相对误差降低了14.33%,同时简化了测量方法,能够有效实现物体的三维形貌测量.

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    5. 基于有限元仿真的硅基纳米光镊结构的设计
    高奎, 宋五洲, 朱晨俊, 夏蒙柔
    光子学报    2019, 48 (9): 926001-0926001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0926001
    摘要503)      PDF (4487KB)(214)   

    针对金属表面等离激元光镊热损耗问题,设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064 nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理,设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上,增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象,得到的电场增强倍数高达11.9倍,形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析,并在xyz方向上计算分析了直径为25 nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.

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    6. 采用块材料展宽器的紧凑型飞秒掺钛蓝宝石激光再生放大研究
    秦爽, 宁笑楠, 陈九成
    光子学报    2019, 48 (9): 914001-0914001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0914001
    摘要480)      PDF (3091KB)(229)   

    采用特殊结构的块材料作为脉冲展宽器的紧凑型掺钛蓝宝石再生放大器设计,相对传统设计展宽器结构更加简洁可靠,利用棱栅对结构进行脉冲压缩,在25 W,527 nm,1 kHz的激光泵浦条件下,输出单脉冲能量为3.5 mJ,重复频率1 kHz,脉冲宽度为30 fs的超快激光脉冲.稳定性测试发现,8 h功率抖动性小于0.7%.

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    7. 微纳遥感相机在轨光轴指向标定方法
    吴俊, 李娜, 岳春宇, 蒙裴贝, 丁锴铖, 姜宏佳, 李瀛搏
    光子学报    2019, 48 (9): 912001-0912001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0912001
    摘要467)      PDF (3136KB)(93)   

    基于激光测量原理及微纳相机特征,提出了一种新的微纳遥感相机在轨指向标定方法.该方法采用光路复用和焦面复用技术,实现了标定装置与相机系统的一体化光机电集成,可对每景遥感影像进行实时标定.将某新型微纳遥感相机作为仿真验证平台,对本文提出的微纳遥感相机在轨指向标定方法进行验证.仿真结果显示,使用该方法微纳遥感相机自身光轴指向标定精度不超过0.2″,满足相机影像无控制点下平面定位精度30 m的指标要求.原理样机的研制及标定结果进一步证明了该项技术的原理与实践的可行性.该技术具有提升微纳遥感卫星定量化应用的价值.

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    8. 帘幕式CMOS全局曝光成像技术
    宋可心, 贾学志, 李季, 张弘治
    光子学报    2019, 48 (8): 804003-0804003.   doi: 10.3788/gzxb20194808.0804003
    摘要465)      PDF (3429KB)(119)   

    为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响,分析了CMOS成像原理,开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型,并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门,最短曝光时间可达1/2 000 s,快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算,并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明:该成像模式曝光时间参数论证正确,影像无拉伸、扭曲及拖尾现象,相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处),能够满足实际应用需求.

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    9. 改进的多曝光图像金字塔融合方法
    刘鑫龙, 易红伟
    光子学报    2019, 48 (8): 810002-0810002.   doi: 10.3788/gzxb20194808.0810002
    摘要452)      PDF (10080KB)(99)   

    针对多曝光的拉普拉斯金字塔融合算法存在部分过曝光以及暗部细节丢失问题,用相位一致性滤波函数替换原算法融合系数中的对比度函数,改进算法在提取边缘时可以忽略光照和对比度变化对图像的影响,使得融合结果更自然,细节更丰富.通过多组序列图像验证了算法的优点,并与原算法进行比较.结果表明,主观评价方面,该改进算法的融合结果自然,在强光背景下能较好地保留暗部细节,减少光源处的光晕;客观评价方面,该算法融合的高动态范围图像的方差和直方图结果明显优于原算法,所保留的信息多于原算法.

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    10. 基于相位差异法的简易光学系统的图像复原方法
    景文博, 邹欢欢, 张家铭, 赵致远, 王彩霞
    光子学报    2019, 48 (9): 911001-0911001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0911001
    摘要448)      PDF (6699KB)(129)   

    简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差,导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析,在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下,建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型,根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量,无需点扩散函数的先验信息,采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明:单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%,重构后图像质量均有明显提升.

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    11. 高功率半导体激光器低温特性分析
    王明培, 张普, 聂志强, 刘晖, 孙玉博, 吴的海, 赵宇亮
    光子学报    2019, 48 (9): 914002-0914002.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0914002
    摘要441)      PDF (3923KB)(192)   

    研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统,实现了对高功率半导体激光器在-60℃~0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征.采用计算流体力学及数值传热学方法,模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能.模拟结果表明,压降均为0.47 bar时,采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73 K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃).低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂,最大可实现0.5 L/min的载冷液体流量,最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作.基于该低温测试表征系统,对微通道封装结构976 nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究.测试结果表明,载冷剂温度由0℃下降到-60℃,半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W,功率提升比为18.02%;电光转换效率由60.99%提升到67.25%,效率提升幅度为6.26%;中心波长由969.68 nm蓝移到954.05 nm.器件开启电压增加0.04 V,阈值电流降低3.93 A,串联电阻增加0.18 mΩ,外微分量子效率提高11.84%.分析表明,阈值电流的减小及外微分量子效率的提高,是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素.研究表明,采用液体微通道冷却的低温工作方式,是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.

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    12. 波长相关物理成像模型的交通监控图像去雾算法
    王一斌, 郑佳, 吕卓纹, 鄢煜, 袁永健
    光子学报    2019, 48 (9): 910004-0910004.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0910004
    摘要428)      PDF (4630KB)(127)   

    针对当前去雾算法未考虑交通监控图像中雾气浓度分布不均匀的问题,提出了波长相关物理成像模型的去雾算法.首先,根据波长与雾气浓度的相关性,构建了适用于交通监控图像的波长相关物理成像模型.然后,根据波长与颜色的相关性,设计出基于最大模糊相关图割的透射率估计算法.考虑到灰度值存在交叉重叠的模糊特性,及景物的空间相关性,利用递推的最大模糊相关算法快速获取景物划分信息,并用此信息设计图割的数据项,实施图割.该策略将基于阈值的分割算法与基于空间相关性的图割算法相结合,确保了景物的空间相关性,提高了分割精度,避免白色目标的误分.最后,通过分割结果中的天空区域,准确地计算大气光,实施去雾.在500幅仿真图像及真实图像上的测试结果表明,该算法较已有去雾算法的去雾精度至少提高7%,运行时间至少缩短了约15%,可用于交通监控系统的图像去雾处理中.

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    13. 基于YCbCr颜色空间的Retinex低照度图像增强方法研究
    田会娟, 蔡敏鹏, 关涛, 胡阳
    光子学报    2020, 49 (2): 210002-0210002.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0210002
    摘要425)      PDF (11452KB)(95)   
    针对Retinex理论的低照度图像增强算法中光照图像估计问题,提出一种基于YCbCr颜色空间的低照度图像增强方法.该方法将原始低照度图像从RGB(Red Green Blue)颜色空间转换到YCbCr颜色空间,提取该空间中Y分量构建为原始光照图像分量L1x,y),并对L1x,y)进行Gamma校正得到增强的光照图像分量L2x,y),经Retinex模型得到增强图像Rx,y),采用多尺度细节增强方法对图像Rx,y)进行细节增强,得到最终增强图像Rex,y).实验结果表明,所提方法不仅能有效提升亮度,避免亮度和色彩失真,增强了图像的细节信息并获得了更好的视觉效果,而且运行速度快.
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    14. 高斯势垒/阱作用下非局域矢量光孤子的传输特性
    翁远航, 王洪, 陈佩君
    光子学报    2019, 48 (10): 1048001-1048001.   doi: 10.3788/gzxb20194810.1048001
    摘要420)      PDF (3711KB)(225)   

    非局域非线性介质中高斯势垒或势阱作用下矢量光孤子的传输特性,由具有高斯型线性势的耦合非局域非线性薛定谔方程描述,通过平方算子法对方程进行数值计算,并利用分步法仿真矢量光孤子的传输.在非局域非线性大块介质中,异相位矢量孤子的分量总是自发地分离,高斯势垒可以抑制分量间的排斥作用;同相位矢量孤子的分量则总是自发地融合,高斯势阱可以抑制分量间的吸引作用.通过定量分析势垒高度(或势阱深度)或宽度与矢量孤子两个分量在归一化传输距离为500处的间距之间的关系,发现如果势垒(或势阱)的高度(或深度)及宽度太大或太小,高斯线性势都不能抑制这一过程,甚至会恶化矢量光孤子的传输.对于异相位孤子,最有效抑制分量分离过程的高斯势垒设置是高度为1.10,宽度为1.00;对于同相位孤子,最有效抑制分量融合过程的高斯势阱应设置是深度为-1.50,宽度为1.00.研究结果可为全光开关、光逻辑门、光计算等光控光技术提供参考.

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    15. 基于扫描白光干涉法的LCOS芯片像素级相位分析
    屈铭, 郑俊杰, 李敏, 桂聪, 宋五洲
    光子学报    2019, 48 (9): 911004-0911004.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0911004
    摘要417)      PDF (4260KB)(102)   

    提出了一种扫描白光干涉法,用于获取LCOS芯片的相位调制特性曲线并对其进行相位校准,而且实现了对LCOS芯片建立的相位光栅的像素级相位分析.将补偿玻璃平板紧贴于参考镜处,克服了白光短相干长度的限制,提高了干涉条纹间的对比度.利用Morlet小波变换法求取白光干涉信号包络曲线的峰值点进行相位值重构,实现了0.01π的相位测量精度,同时保证了横向分辨率为0.79 μm.利用Logistics函数对相位调制幅度为2π的二元光栅相位轮廓进行拟合,得到其相位回程区宽度为11.49 μm.小像素LCOS芯片构建的闪耀光栅存在相位线性增长区和相位回程区.周期为40 μm的闪耀光栅相位回程区宽度为8.81 μm,其衍射效率为71.9%.对不同周期的闪耀光栅的相位轮廓进行分析,结果表明:闪耀光栅的周期越小,相位回程区相对宽度越大,衍射效率降低.

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    16. S型光纤锥的研究进展(特邀综述)
    于永森, 朱永钦, 赵阳, 潘学鹏
    光子学报    2019, 48 (11): 1148009-1148009.   doi: 10.3788/gzxb20194811.1148009
    摘要412)      PDF (8372KB)(68)   

    随着新型微加工工艺的发展,传统的锥型光纤发展派生出数千种不同的微结构光纤.其中,S型光纤锥由于其体积小、质量轻、抗电磁干扰以及可以直接嵌入结构化系统的灵活性得到了迅猛地发展.随着对S型光纤锥研究的深入,基于S锥的各种结构和功能的光纤传感器不断地被提出,用于测量温度、应变、折射率、湿度和磁场等,不仅丰富了光纤传感器的种类,更加深了人们对传感机理的认识.本文全面回顾了S型光纤锥的研究进展,包括传感原理、制备方法、各种传感结构组合以及传感应用等,并对其发展进行了展望.

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    17. 基于自适应双层TDLMS滤波的红外小目标检测
    张艺璇, 李玲, 辛云宏
    光子学报    2019, 48 (9): 910001-0910001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0910001
    摘要395)      PDF (9375KB)(63)   

    提出了一种自适应滤波的红外小目标检测算法,该方法由背景去除与目标提取两层二维最小均方滤波器构成.分别引入背景模板与目标模板,结合二维最小均方滤波方法对原始红外图像进行处理,有效地剔除了背景噪声与杂波,同时尽可能地保留了目标信息.在算法实现过程中,提出了一种步长自动调整算法,通过图像的统计参数自适应调整步长的大小,可迭代出TDLMS滤波器的最优权值,再与权重模板相融合,有效增强了目标的检测效果.实验结果表明,该方法能够适应不同背景下的目标检测,有效提高了红外小目标的检测性能.

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    18. 基于最小二乘法的光纤法布里-珀罗传感器相位校正解调算法
    刘嘉静, 涂子维, 周次明, 范典
    光子学报    2019, 48 (9): 906004-0906004.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0906004
    摘要392)      PDF (2690KB)(93)   

    为了提高光纤法布里-珀罗传感器的解调精度和效率,利用干涉光谱中的波峰计算出一系列光程差,根据最小二乘法求出该组光程差中方差最小的解作为粗略解调结果,并计算出光谱附加相位;在光谱附加相位基础上进行校正,得到补偿光程差,两者之和为最终解调结果.仿真结果表明,该算法的解调误差在±2.5 nm内.光纤法布里-珀罗蓝宝石高温传感实验表明,从室温升到1 000℃时,该算法解调光程差精度为5.4 nm,对应温度的精度为±0.36‰F.S.,同等条件下计算速度比FFT-MMSE快400倍,具有计算精度高,计算速度快的优点.

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    19. 用于自然原子共振的应力量子调控自组装量子点单光子源
    李杨, 陶略, 甘甫烷, 张加祥
    光子学报    2019, 48 (8): 827001-0827001.   doi: 10.3788/gzxb20194808.0827001
    摘要391)      PDF (2885KB)(156)   

    针对量子存储应用中自组装量子点发射的光子与自然原子系综波长匹配难的问题,通过金-金热压键合技术将含有量子点的纳米薄膜与压电陶瓷进行集成,制作了应力调控的能量可调量子点单光子源,实验上分别实现了对可见光波段镓砷/铝镓砷量子点和近红外波段铟镓砷/镓砷量子点单光子量子比特在9.1 meV和4.2 meV范围内的宽谱调控.不仅如此,应用应力量子调控技术成功将镓砷/铝镓砷量子点的发光波长调节至铷-87自然原子的D2能级跃迁波长(780 nm),以及将铟镓砷/镓砷量子点的发光波长调节至钒酸钇晶体中掺杂的钕离子的4I9/24F3/2跃迁吸收峰共振(879.7 nm).该结果为实现基于半导体量子点和自然原子系综的量子存储器提供了一种强有力的调控技术.

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    20. 基于相位敏感型光时域反射仪的袋式除尘器漏袋检测技术
    刘旭安, 李俊, 史博, 丁国绅, 汤玉泉, 董凤忠, 张志荣
    光子学报    2019, 48 (8): 806002-0806002.   doi: 10.3788/gzxb20194808.0806002
    摘要389)      PDF (7347KB)(56)   

    采用相位敏感型光时域反射仪的分布式光纤传感系统对除尘器内滤袋进行实时监测.通过对光纤在除尘器滤袋内敷设方式的设计,实现了对除尘器内滤袋的定位.对6种类型的破袋内光纤振动信号进行采集,且当这些滤袋没有破损时,对其光纤振动信号也进行采集.采用小波包分解法计算了滤袋内光纤振动信号的信息熵和相关系数,并将两参数合并构成二维特征参量.分析了在不同的二维特征参量下,好袋内光纤振动信号和破袋内光纤振动信号之间的特征差别.以类型3滤袋信号特征样本作为训练样本对反向传播神经网络进行训练,然后对6种类型的滤袋信号特征样本进行识别,结果显示该方法对6种类型的滤袋具有较高的识别稳定性,且平均滤袋识别率分别达到96.2%、88.7%、98.4%、98.5%、98.5%、98.5%.

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