光子学报
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光子学报
 
2019年 48卷 5期   刊出日期:2019-05-25

目录
光学器件
物理光学
光学设计与制造
光纤光学与光通信
材料
仪器,测量,度量学
遥感与传感器
图像处理
      
目录
目录
2019 Vol. 48 (5): 0 [摘要] ( 0 ) [PDF 275KB] ( 0 )
材料
激光功率密度对相同曝光量下氧化石墨烯还原的影响
谢磊, 雷小华, 谭小刚, 刘显明, 邓益俊, 陈伟民

采用488 nm连续激光在相同曝光量条件下对氧化石墨烯样品进行光照还原实验,并通过透射率和电阻率来表征还原氧化石墨烯的性质.结果表明:在还原过程中,通过透过率和电阻率表征的还原程度呈现相同的变化趋势.此外,还原过程分为两个步骤:达到相对稳定状态之前和达到相对稳定状态.在达到相对稳定状态之前,激光功率密度越低,样品的还原程度越高;但当达到相对稳定的状态后,激光功率密度越高,样品的还原程度越高.基于rGO中含氧官能团的变化,通过光子穿透能力和光对rGO的带隙调制作用对这一现象进行了分析.

2019 Vol. 48 (5): 0516001 [摘要] ( 12 ) [PDF 3370KB] ( 8 )
CaGdAlO4:Eu3+荧光粉的制备及其X射线存储特性研究
于迎新, 刘春光, 张猛, 杨健, 李胜男, 祝汉成, 严端廷, 徐长山, 刘玉学

采用自蔓延燃烧法制备了不同Eu3+掺杂浓度的CaGd1-xAlO4xEu3+(CGA:xEu3+)X射线荧光粉材料.当Eu3+掺杂浓度在0~0.150范围时,Eu3+取代了基质中处于无中心反演对称的格位,使CGA:xEu3+样品呈现为单一相,并可观察到红光发射.当x=0.100时,红光发射强度达到最大.随着Eu3+离子浓度增加,Eu3+离子之间的距离减小,增大了Eu3+→Eu3+→猝灭中心的能量传递几率,出现了发光猝灭现象.实验发现,当Eu3+掺杂浓度为0.003时,光激励发光强度最大.对CGA:0.003Eu3+样品进行氮气气氛热处理后,CGA中的OH-离子基团减少,红光发射的发光强度增强.热释曲线表明CGA:0.003Eu3+样品中存在两种类型的陷阱,其陷阱深度分别为0.79 eV和0.93 eV.经氮气热处理后的CGA:0.003Eu3+样品,较深陷阱数量显著增多,光激励发光强度增强,光存储性能显著提高.随着X射线辐照时间的增加,X射线吸收剂量在0~11.8 Gy范围内大致呈线性增加的趋势.当X射线吸收剂量为1.2 Gy时,以在氮气气氛下热处理CGA:0.003Eu3+圆片为成像板,得到了较高质量X射线红色成像.实验结果表明,Eu3+掺杂的CGA X射线荧光粉材料在以CCD为光探测器的计算机X射线医学成像技术中有潜在的应用前景.

2019 Vol. 48 (5): 0516002 [摘要] ( 3 ) [PDF 5150KB] ( 0 )
Pr3+掺杂Na5Lu9F32单晶发光性能的优化
赵志伟, 周雄, 夏海平, 胡建旭, 章践立, 陈宝玖

应用坩埚下降法生长了Pr3+离子掺杂的Na5Lu9F32单晶体.系统地研究了Pr3+掺杂的Na5Lu9F32单晶的吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线.应用Judd-Ofelt理论分析计算了其光学强度等参数,结果表明Pr3+离子处于Pr-F强共价键的高对称环境中.在440 nm光的激发下观察到以482、523和605 nm为中心的尖锐的强荧光发射带.研究了Pr3+掺杂浓度对上述发光强度的影响规律,实验发现当Pr3+掺杂浓度达到~0.5 mol%时,其荧光发射强度达到最大.分析了环境温度从298 K到443 K变化时对荧光强度的影响,随着温度的增加,荧光强度逐步变弱,且其523 nm的绿光受温度影响要小于482 nm的蓝光和605 nm的红光.

2019 Vol. 48 (5): 0516003 [摘要] ( 4 ) [PDF 3213KB] ( 1 )
磁性复合流体分散性及其对BK7光学玻璃抛光性能的影响
姜晨, 时培兵, 李佳音, 张勇斌

针对BK7光学玻璃材料去除率和抛光质量不断提高的需求,提出通过减少磁性复合流体(MCF)抛光液颗粒的团聚、提高MCF分散性,配制性能优良的抛光液,提高BK7光学玻璃的MCF抛光性能.MCF中添加不同质量分数的高分子类分散剂聚乙烯醇(PVA),采用激光粒度分布仪测试MCF抛光液中颗粒的粒径分布和中位粒径,探究不同PVA浓度的抛光液对BK7光学玻璃抛光性能的影响.试验结果表明:当PVA质量分数为3%时,中位粒径达到最小值5.854 μm,MCF的分散性最好,对光学玻璃的抛光性能大幅提高,当PVA质量分数为5%时,经MCF抛光10 min后材料去除率达到最大值26.4×10-4g/min,表面粗糙度达到最小值8.23 nm.MCF中添加适量PVA能够减少抛光液颗粒的团聚,提高MCF的分散性,提升BK7光学玻璃的磁性复合流体抛光性能.

2019 Vol. 48 (5): 0516004 [摘要] ( 8 ) [PDF 8955KB] ( 11 )
光学器件
低压驱动高阻值层液晶透镜
林坚普, 林朝福, 翁徐阳, 张永爱, 周雄图, 郭太良, 严群

针对传统电极驱动液晶透镜的电场分布在驱动电极边缘的问题,设计了一种高阻值层驱动电极来控制液晶分子偏转的低压驱动和焦距可调的液晶透镜.利用磁控溅射工艺在含镂空孔阵列的面状铝电极基板表面沉积一层掺铝氧化锌透明薄膜,形成高阻值层驱动电极;利用液晶盒成盒工艺将制备好的驱动电极基板和公共电极基板(氧化铟锡玻璃基板)组装成液晶透镜,研究掺铝氧化锌高阻值层、驱动电压、工作频率对液晶透镜光学性能的影响.实验结果表明,对比传统电极驱动液晶透镜,高阻值层电极驱动液晶透镜在驱动电压2.2 Vrms和工作频率130 kHz下获得的干涉圆环均匀,聚焦光斑小.同时,在驱动电压1.8~2.8 Vrms和工作频率130 kHz下所制备的液晶透镜焦距可调范围为4.27~2.88 mm.

2019 Vol. 48 (5): 0523001 [摘要] ( 3 ) [PDF 4716KB] ( 1 )
光探测器偏压调制技术的理论研究
徐晓慧, 黄永清, 段晓峰, 刘凯, 任晓敏

为了简化和改善光载无线通信系统,提出了一种光探测器偏压调制技术,利用PIN光探测器(PIN-PD)和单行载流子光探测器(UTC-PD)的输出光电流随偏压变化的特性进行调制.采用光探测器偏置调制技术,光电探测和调制可以在一个光探测器上同时实现.研究表明当入射光功率为2.93 dBm时,PIN-PD在10 GHz射频副载波上的调制带宽为800 MHz,UTC-PD在150 GHz射频副载波上的调制带宽为18.75 GHz.调制带宽随入射光功率的增大而增大,当入射光功率为12.93 dBm时,UTC-PD在150 GHz射频副载波上的调制带宽可达25 GHz.调制深度与正弦偏压调制信号的最小值有关.

2019 Vol. 48 (5): 0523002 [摘要] ( 6 ) [PDF 6682KB] ( 2 )
遥感与传感器
基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法
赵春艳, 张艳娜, 韦玮, 张孟, 陈林, 张璐, 李新, 郑小兵

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1~6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.

2019 Vol. 48 (5): 0528001 [摘要] ( 3 ) [PDF 6352KB] ( 1 )
一种飞轮扰振对成像像移影响的数值分析方法
龚小雪, 张雷, 宣明

为了实现像移大小的可靠预估,建立了一种对从扰振源到成像像移的传递函数进行估算的数值分析方法.首先利用Kistler微扰振测力平台对飞轮扰振进行测量,获得了各向扰振的高精度实测数据.将飞轮安装在高仿真度的整星样机中进行试验,获得了受飞轮微振动影响的图像像移数据.利用飞轮扰振数据和像移数据中的谐波数据建立并求解了一系列以传递函数为待求变量的线性方程组.最后利用所得传递函数对相同批次不同飞轮产品扰振所致像移进行预估.对比预估值和该飞轮实测像移值发现:预估结果和实测结果中谐波特性一致.相对于实测值,预估值在典型响应处误差不高于10%,大部分预估值的绝对误差不超过0.1个像素,所得传递函数可较好的对成像像移进行预估.相较于传统理论建模方法,该方法具有更高的可信度和更快的分析速度.

2019 Vol. 48 (5): 0528002 [摘要] ( 4 ) [PDF 5480KB] ( 1 )
光学设计与制造
大视场纳型星敏光学系统公差灵敏度研究
张坤, 钟兴, 孟遥, 刘江

通过分析光学系统结构参数变化对像差的影响,提出通过优化各光学表面的曲率进行光焦度合理分配来减小各表面产生的初级像差,从而实现降低各加工装调公差灵敏度的方法.利用该方法优化了一个小像差相互补偿的焦距为25 mm,全视场角为26°,入瞳孔径为18 mm,光谱范围为500~800 nm的大视场纳型星敏感器光学系统,系统全长40 mm,光学系统成像质量满足指标要求.与所设计的大像差相互补偿光学系统进行了公差灵敏度对比分析,结果表明:光焦度合理分配后的光学系统,第5片透镜的厚度公差对均方根弥散斑半径的影响从3.75 μm降低到0.17 μm;第5和第6元件间隔公差对均方根弥散斑半径的影响也分别从4.36 μm和4.74 μm降低到0.25 μm和0.18 μm.蒙特卡罗分析表明,均方根弥散斑半径小于7.59 μm的概率从23%增加到了80%.实验测试结果表明,星敏感器在全视场范围内,能量集中度在φ17 μm范围内优于80%,满足星敏感器的指标要求.

2019 Vol. 48 (5): 0522001 [摘要] ( 3 ) [PDF 5361KB] ( 6 )
手持/便携式激光拉曼测试装置中探头的设计与实验研究
高楠, 张一超, 徐丹阳, 隋成华

从手持/便携式角度出发,采用双光纤光路设计了激光拉曼测试装置中的探头,并确定关键器件性能、型号及尺寸.利用Zemax软件进行光学模拟仿真,得到入射光路的工作焦距为13.5 mm,像方数值孔径为0.23;收集光路的像面焦距为13.46 mm,数值孔径为0.235.用SolidWorks软件进行机械设计,TracePro软件进行探头整体光路模拟,通过计算机数字控制机加工和3D打印两种方式制作得到整体尺寸为50 mm×33.5 mm×17 mm的探头.用设计的拉曼探头对酒精样品进行了测试,测得酒精拉曼光谱与商用产品测得的结果基本一致,且在200~300 cm-1波数范围内有更好的信号表现.对K粉及冰毒进行了拉曼光谱测试,实测数据与理论数据基本一致.实验结果表明拉曼探头的设计达到了预期效果,并具有良好的性能.

2019 Vol. 48 (5): 0522002 [摘要] ( 4 ) [PDF 4072KB] ( 2 )
多波段全天空气辉成像仪光学系统设计
李战涛, 冯玉涛, 韩斌, 李勇, 孙剑, 白清兰

为了降低多波段全天空成像仪的复杂度和研制成本,提出了一种免调焦、高鲁棒性的多波段全天空成像光学系统方案.采用像方远心鱼眼镜头加物方远心像方准远心的有限共轭距成像镜组成二次成像系统,货架级的窄带滤光片置于一次像面处,使用H-FK61和KF2两种玻璃实现全系统复消色差.设计结果表明:系统F数为2.8,波段范围427.8~865 nm,色焦移小于0.048 mm,系统8个观测通道的光学传递函数都在0.46以上,满足使用要求,且滤光片公差容限非常宽松,面形公差PV ≤ λ/2、折射率公差±0.003、厚度公差±0.05,货架级产品即可满足使用要求.相比传统方案,该系统省去了探测器调焦机构、且不需要使用定制的窄带滤光片,达到了简化系统降低成本的目的.

2019 Vol. 48 (5): 0522003 [摘要] ( 3 ) [PDF 4056KB] ( 2 )
图像处理
基于双域分解的矿井下图像增强算法
田子建, 王满利, 吴君, 桂伟峰, 王文清

为提高矿井下图像的对比度,并同步地抑制图像的雾尘和噪声,提出一种基于双域分解的矿井下图像增强算法.首先,采用双边滤波器将输入图像分解为低频图像和高频图像;其次,采用快速暗原色去雾算法和Gamma变换,实现低频图像的去雾和对比度提高;接着,采用非下采样Shearlet变换和二阶微分算子,实现高频图像降噪和增强;最后,将增强的低频、高频图像合成基础增强图像,并抑制粉尘散射模糊和过曝光白色伪影,得到最终增强图像.实验表明,该方法不仅能有效提高矿井下图像的对比度,还能有效抑制图像的雾气和噪声,具有广泛的应用前景.

2019 Vol. 48 (5): 0510001 [摘要] ( 6 ) [PDF 5823KB] ( 2 )
基于条件生成对抗网络的图像去雾算法
梁毓明, 张路遥, 卢明建, 杨国亮

为了提高雾天图像的去雾效果,提出了一种基于条件生成对抗网络的图像去雾算法.通过端到端可训练的神经网络对合成的室内和室外数据集进行训练,为了捕捉图像中更多的有用信息,在生成网络中设计了生成器和判别器架构,利用预训练的视觉几何组特征模型和L1-正则化梯度对损失函数进行修正,并在判别器的最后一层引入Sigmoid函数用于特征映射,以便进行概率分析可归一化.利用合成数据集对损失函数进行训练,得到新的损失函数的参数,然后利用室外自然有雾图像数据集对训练得到的新的损失函数进行测试.实验结果表明:所提算法有效解决了去雾图像的颜色失真、过饱和、视觉伪像等问题,生成效果更好的去雾图像.

2019 Vol. 48 (5): 0510002 [摘要] ( 4 ) [PDF 4699KB] ( 3 )
结合多元经验模态分解和加权最小二乘滤波器的遥感图像融合
张静, 陈宏涛, 刘帆

为了提高多光谱图像的空间分辨能力的同时更大程度地保持光谱信息,提出了结合多元经验模态分解和加权最小二乘滤波器的遥感图像融合方法.多元经验模态分解解决了传统的基于单变量经验模态分解的遥感图像融合方法中多光谱图像的亮度分量和全色图像分解出的子图像频率不匹配导致融合图像空间细节信息缺失问题,加权最小二乘滤波器可以精确地估计出源图像的低频信息继而得到高频信息,减小了传统的经验模态分解方法估计的高频信息中混有低频成分而导致的光谱失真问题.将两者的优点结合,采用不同的融合规则得到的融合图像在空间细节和光谱信息的保持度较好.选取多组不同卫星数据进行仿真实验,并与结合多元经验模态分解和àtrous小波变换的方法以及基于加权最小二乘滤波器的遥感图像融合方法等方法进行比较,实验结果表明本文方法在光谱质量和空间分辨率方面都取得了很好的性能.

2019 Vol. 48 (5): 0510003 [摘要] ( 3 ) [PDF 10784KB] ( 1 )
光纤光学与光通信
少模光纤中受激布里渊散射的慢光
李丽君, 侯尚林, 雷景丽, 王道斌, 李晓晓, 王慧琴, 曹明华

利用全矢量有限元法计算了少模光纤中模内和模间受激布里渊散射各模式布里渊频移和布里渊增益谱,模拟了泵浦功率、有效传输长度及脉冲宽度对各模式慢光时间延迟量、脉冲展宽因子的影响.模拟结果表明:少模光纤中不同传输模式产生的受激布里渊散射慢光特性不同,输入泵浦功率及有效传输长度越大,各模式的慢光时延量、展宽越大,且当输入泵浦功率相同时,模内的慢光时延量、展宽因子均大于模间的.优化参数可得,在输入泵浦功率为0.5 W,光纤有效长度为1 km的条件下,LP01-LP01、LP11-LP11及LP01-LP11模式的时间延迟量分别为643.7 ns、362.6 ns和213.2 ns,其展宽因子分别为1.346、1.207和1.126.

2019 Vol. 48 (5): 0506001 [摘要] ( 5 ) [PDF 3037KB] ( 16 )
正色散光纤激光器中矩形耗散孤子与高斯光谱脉冲的切换锁模
李静玲, 韩冬冬, 惠战强, 任凯利, 罗文峰, 姚英, 赵峰, 忻向军, 巩稼民

基于单壁碳纳米管与非线性偏振旋转技术在锁模光纤激光器中仿真和实验观测到矩形耗散孤子与高斯光谱脉冲的切换锁模.矩形耗散孤子的光谱与脉冲宽度分别为~6.33 ps和~12.54 nm,具有非常强的啁啾.适当地调节偏振控制器,可以获得具有高斯型光谱和脉冲的锁模状态,其光谱和脉冲宽度分别为~1.87 ps和~2.2 nm.高斯型光谱脉冲的时间带宽积为0.51,几乎没有啁啾.不同锁模状态间的切换归因于偏振控制器导致的腔内偏振的改变.

2019 Vol. 48 (5): 0506002 [摘要] ( 5 ) [PDF 3189KB] ( 3 )
相移光纤光栅耦合系数控制
姚高飞, 黄俊斌, 顾宏灿, 刘文

为了通过遮挡法实现不同耦合系数π相移光纤光栅制作,分析了刻制过程中的相移形成原理,提出通过调整遮挡区长度和π相移周期次数控制π相移光纤光栅耦合系数的方法.采用传输矩阵法对刻制相移光纤光栅过程中的透射谱变化进行仿真计算,分析了不同光栅条纹可见度下遮挡区长度对相移光纤光栅透射谱的影响.基于不同遮挡区长度进行了相移光纤光栅制作实验,结果表明:通过调整遮挡区长度和π相移出现次数能够实现对相移光纤光栅耦合系数的有效控制.

2019 Vol. 48 (5): 0506003 [摘要] ( 3 ) [PDF 2995KB] ( 0 )
基于分布式光纤拉曼测温系统的核电一回路泄漏点监测技术
邢豪健, 乔秋晓, 金钟燮

为了能对核能发电站内反应堆冷却系统管道的泄漏情况进行实时监测及高精度定位,利用拉曼散射效应和光时域反射技术构建了分布式光纤测温系统,结合特定规则的传感光纤布设方式,实现管道外壁温度场的全覆盖式实时在线监测.通过实验验证,当泄露发生导致二维平面内某区域的温度异常达到预先设置的阈值时,监测系统会依据布线规则对该点进行位置解码并标记,从而实现二维平面的精确定位.实验得到的定位精度为0.5 m,并显著降低了误报可能性,可极大的提高管道外表面温度异常点的定位精度.

2019 Vol. 48 (5): 0506004 [摘要] ( 5 ) [PDF 2968KB] ( 0 )
物理光学
基于二相滤波的可重构光学物理不可克隆函数设计
陈鑫辉, 张跃军, 陈俊烨, 莫立锋, 蔡沛志, 郑俊, 胡鑫, 汪鹏君

通过研究光学散斑提出一种二相滤波的可重构光学物理不可克隆函数设计方案.首先利用微粒空间布朗运动引起的随机偏差,结合光干涉和衍射机理,实现随机、不可克隆的光学散斑;然后,采用模式选择和二相滤波的方法,实现物理不可克隆函数数据可重构并降低系统误差;最后,通过电荷耦合器件系统采集光学散斑图像,进行二值化和冯诺依曼处理,实现随机性高、鲁棒性强和可重构的物理不可克隆函数输出.制备了10组光学物理不可克隆函数样品并进行测试,每组样品可产生512位二进制数据.实验结果表明所设计的光学物理不可克隆函数输出数据通过美国国家标准技术研究测试,不同工作模式下随机性达99%,二相滤波后系统误差降低3%.

2019 Vol. 48 (5): 0526001 [摘要] ( 3 ) [PDF 5047KB] ( 1 )
金局域表面等离激元增强砷化镓发光特性
马光辉, 张家斌, 王肖依, 石琳琳, 金亮, 李洋, 徐英添, 张贺

研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应,并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布,分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响,模拟半径为50 nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟,分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式,即密集颗粒之间的近场耦合形成的"hotspots".此外,研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响,发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560~680 nm波段,而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后,金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510~550 nm波段,形成与532 nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后,实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.

2019 Vol. 48 (5): 0526002 [摘要] ( 6 ) [PDF 3939KB] ( 4 )
仪器,测量,度量学
应用于民航机场风切变探测与预警的三维激光测风雷达
冯力天, 周杰, 范琪, 陈永雄, 刘志平, 卢明腾, 周鼎富, 侯天晋

针对民航机场风切变探测与预警,研制了一种三维激光测风雷达,采用全光纤脉冲相干探测体制,结合独特的二维光电扫描球结构,以及新的下滑道扫描策略,以实现下滑道迎头风与侧风切变的同时测量.2018年3月至11月,利用该雷达在多种工作模式下对攀枝花机场上空及周边大气风场与风切变进行了探测试验.在3月至5月大风季节期间,机组报告的风切变均成功被雷达探测.对一次典型个例进行分析,验证了所研制的三维激光测风雷达在地理气候复杂的高原机场风切变探测的有效性.

2019 Vol. 48 (5): 0512001 [摘要] ( 2 ) [PDF 8149KB] ( 0 )
基于SS-OCT的大范围眼轴长度测量系统
刘珊珊, 汪毅, 张玮茜, 陈文光, 蔡怀宇, 陈晓冬

针对传统眼轴长度测量需要分段检测且测量误差较大的问题,设计了一种具有大探测范围的扫频光学相干层析系统,实现了对眼轴长度的单次完整测量.提出了自适应峰值点提取与自适应误差校正相结合的算法,实现了大深度干涉信号的重构;利用CPU-GPU协同加速技术实现了系统的实时测量,解决了大范围探测数据量大、处理速度慢的问题.对光学眼模型进行实验,结果表明:该系统对眼轴长度的测量误差为0.01 mm,优于传统分段测量系统,系统单次测量时间为0.10 s,满足实时测量要求.

2019 Vol. 48 (5): 0512002 [摘要] ( 6 ) [PDF 2523KB] ( 2 )
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