光子学报
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光子学报
 
2018年 47卷 9期   刊出日期:2018-09-25

半导体光学及器件
目录
激光与激光光学
材料
集成光学
衍射与光栅
光学设计与制造
成像系统
探测器
非线性光学
图像处理
医用光学与生物技术
量子光学
      
目录
目录
2018 Vol. 47 (9): 0 [摘要] ( 26 ) [PDF 303KB] ( 52 )
激光与激光光学
基于MoO3可饱和吸收体的掺镱被动锁模光纤激光器
江俊林, 乐文杰, 王玮琦, 丁翌辰, 吴波, 沈永行

报道了一种基于MoO3可饱和吸收体的连续锁模、调Q锁模掺镱光纤激光器.采用环形腔结构,在泵浦功率为95 mW时,获得了稳定的重复频率为17 MHz的连续锁模脉冲输出,单脉冲宽度为130 ps,光谱中心波长为1 067.06 nm,谱线3 dB带宽为0.27 nm.在泵浦功率为280 mW时,产生稳定的调Q锁模脉冲输出.当泵浦功率从280 mW变化到400 mW的过程中,调Q锁模包络重复频率从26.51 kHz变化到48.7 kHz,包络半高宽度从14.6 μs变化到4.1 μs,子脉冲的宽度和光谱中心波长基本保持不变,谱线3 dB带宽变为0.62 nm.

2018 Vol. 47 (9): 0914001 [摘要] ( 76 ) [PDF 3529KB] ( 63 )
皮秒激光泵浦的亚10 fs钛宝石激光器
何会军, 蒋建旺, 程梦尧, 宋贾俊, 王兆华, 方少波, 魏志义

研制了高稳定Nd:YVO4皮秒激光振荡器,并在15 W、808 nm激光泵浦下得到6 W的连续锁模皮秒激光输出,光-光效率为40%.对该皮秒激光进行单通放大后得到14 W的基频光输出,倍频后可以得到7 W的532 nm皮秒激光,用作钛宝石振荡器的泵浦源.在4.5 W的皮秒532 nm激光泵浦下,结合腔外压缩,得到了脉宽为9.4 fs、平均功率为150 mW的脉冲序列输出.调节钛宝石振荡器的腔长使其与皮秒振荡器的腔长一致时,可实现自触发克尔透镜锁模.实验结果表明皮秒激光泵浦可以有效地触发钛宝石激光器的自动锁模,输出飞秒脉冲序列.

2018 Vol. 47 (9): 0914002 [摘要] ( 40 ) [PDF 3043KB] ( 38 )
980 nm锥形半导体激光器刻蚀工艺
乔闯, 苏瑞巩, 房丹, 唐吉龙, 方铉, 王登魁, 张宝顺, 魏志鹏

为了解决半导体激光器传统刻蚀工艺中侧壁陡直度差和器件难以重复制作的问题,利用湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的刻蚀手段,对980 nm锥形半导体激光器刻蚀工艺进行优化.通过对台面粗糙度与刻蚀速度的研究,确定湿法腐蚀液和浓度配比的差异.并分析电感耦合等离子刻蚀对脊波导与腔破坏凹槽表面形貌的影响.研究结果表明,选择配比为NH3·H2O:H2O2:H2O=1:1:50的腐蚀液进行湿法腐蚀,刻蚀速率约为7 nm/s,速率容易控制.且样品表面具有较好的粗糙度和均匀性,利用电感耦合等离子刻蚀得到的脊波导与腔破坏凹槽侧壁陡直度良好,没有出现横向钻蚀的情况.

2018 Vol. 47 (9): 0914003 [摘要] ( 52 ) [PDF 3065KB] ( 43 )
基于Nd:YVO4/Nd:GdVO4组合晶体的双波长激光器实验研究
韩宁, 胡淼, 李鹏, 金涛, 冯冰, 欧军, 周雪芳, 杨国伟, 卢旸, 毕美华

设计了基于Nd:YVO4/Nd:GdVO4组合晶体的双波长激光器,研究了双波长激光器的热效应以及双波长信号的频率差调谐特性.实验中固定抽运功率,调节组合晶体的温控温度从5℃上升到40℃,测得双波长信号的频率差从351.11 GHz下降到316.14 GHz,频率差与温控温度呈负线性关系,斜率为-0.95 GHz/℃.对于实验结果,从掺钕晶体发射谱的温度漂移特性角度进行了分析,发现激光波长漂移由晶体发射谱随温度的漂移引起,双波长信号的频率差变化则由不同晶体的温度漂移速率不同引起;分析结果与双波长激光器频率差实验结果符合较好.

2018 Vol. 47 (9): 0914004 [摘要] ( 26 ) [PDF 3197KB] ( 40 )
注入锁定半导体锁模激光器的时序抖动特性
徐玉兰, 林中晞, 林琦, 陈景源, 苏辉

采用简化的孤子微扰模型方程组,研究了注入锁定时被动锁模半导体激光器的时序抖动噪声特性.研究发现,当注入锁定的耦合系数为10-3 ps-1时,在100 kHz到10 GHz的频率范围内,从锁模激光器的时序抖动噪声可从自由运转情况下的皮秒量级(3.83 ps)下降至几十飞秒.还讨论了主从锁模激光器的稳态相位差、注入耦合系数、线宽增强因子等参数对时序抖动噪声特性的影响.计算结果表明,时序抖动对稳态相位差不敏感,而耦合系数的变化对其则有显著影响;此外,线宽增强因子越小,时序抖动噪声越小.

2018 Vol. 47 (9): 0914005 [摘要] ( 23 ) [PDF 2114KB] ( 50 )
抑制幅频调制的时间功率曲线的远程精确测量
黄家鹏, 范薇, 石志东, 潘雪, 李娆, 卢兴华, 汪小超, 张生佳

采用单偏振光纤远程传输待测光,结合上升沿与顶端波形分离处理的时域恢复算法,提出一种远程精确测量激光时间功率曲线的方法,并对高功率激光驱动器前端系统中1 053 nm脉冲光的时间功率曲线进行了远程测量实验.结果表明,该方法有效避免了幅频调制对激光脉冲时间功率曲线测量的影响,获得了高保真的远程传输时间波形,引入的误差在每1 ns范围内小于0.8%,可用于高功率激光系统的时间功率曲线远程集中测量.

2018 Vol. 47 (9): 0914006 [摘要] ( 24 ) [PDF 3836KB] ( 32 )
材料
基于金纳米粒子增强有机-无机杂化钙钛矿放大自发辐射
吴小龑, 刘国栋, 李阳龙, 李巍, 吴凌远, 付博, 王伟平, 张大勇, 赵剑衡, 陈平

有机-无机杂化钙钛矿作为激光的增益介质时,存在室温时纳秒脉冲或连续激光作用下的光泵浦器件不稳定、难以实现电泵浦激光等问题.通过将金纳米粒子水溶液和PEDOT:PSS溶液共混的方法,将20 nm尺寸的金纳米粒子掺杂至光泵浦平面波导器件的界面层PEDOT:PSS中,掺杂了金纳米粒子的平面波导器件(以CH3NH3PbBr3为增益介质)的放大自发辐射绝对强度相对于没掺杂金纳米粒子的器件提升了5.5倍.实验结果表明,金纳米粒子的引入,一方面提升了CH3NH3PbBr3薄膜的吸收,增加了粒子反转数目,另一方面加快了激发态激子的辐射跃迁速率.仿真分析表明,金纳米粒子的近场和远场复合表面等离激元可有效耦合增益介质光吸收/发射主区域,从而提高了平面波导器件的放大自发辐射性能.研究结果可为高效泵浦激光的实现提供参考.

2018 Vol. 47 (9): 0916001 [摘要] ( 38 ) [PDF 2293KB] ( 37 )
粒径和浓度对YAG:Ce荧光膜复合材料及pc-WLED发光性能的影响
徐赛赛, 魏建君, 杨刘琨, 潘志华

采用高温压膜工艺,以YAG:Ce黄色荧光材料和硅胶为原料制备出YAG:Ce荧光膜复合材料,并与蓝光LED复合封装出pc-WLED.基于Mie理论、荧光光谱仪、快速光谱辐射计和光谱分布测量仪分别对不同荧光材料粒径和浓度制备的膜材料和pc-WLED的光色参数进行了计算测试,并对影响机理进行了相应分析.在相同浓度下,随着粒径减小,膜材料中激发光子平均自由程降低、散射系数升高,被吸收和转换的几率提高,引起膜材料发射强度、pc-WLED发光效率和光色均匀度均相应提高,同浓度下粒径最优值为8.7 μm;在相同粒径下,膜材料发射强度、pc-WLED发光效率和光色均匀度与浓度成正比关系;基于发光效率、光色均匀度、色温和荧光材料用量等因素交叉综合评价,当浓度为4%,粒径为8.7 μm时为最优参数,pc-WLED色温为5 514 K,发光效率为136.8 lm/W(@300 mA,6.6 V),光色均匀度为0.759,色坐标x=0.332 2,y=0.359 6,色点位于黑体辐射曲线附近,在不同电流下,pc-WLED光通量和发光效率满足线性变化,即光通量:y=0.6816x+63.121,R2=0.995 7,发光效率:y=-0.062 8x+155.2,R2=0.991 6.该膜材料在pc-WLED中的应用是可行的,同时所获得的相关规律对于实际应用具有一定的参考作用.

2018 Vol. 47 (9): 0916002 [摘要] ( 20 ) [PDF 4798KB] ( 24 )
白光LED用LiYF4:Pr3+微晶玻璃的发光性能研究
曹慧, 郑斌, 谷招峰, 胡建旭, 张约品

采用高温熔融法制得组分为43SiO2-23Al2O3-27LiF-17YF3-xPr2O3x=0.05、0.1、0.15、0.2)(mol%)的前驱玻璃.玻璃样品分别经530℃、540℃和550℃热处理后,制备出一系列Pr3+离子掺杂含LiYF4晶粒的微晶玻璃.晶相由X射线衍射与透射电子显微镜证实,晶粒平均尺寸为14±4 nm.紫外-可见分光光度计证实微晶玻璃具有良好的透光性.研究热处理前后样品的光谱特性和荧光寿命,对封装成LED后的相关参数进行测试.结果表明,在波长444 nm的激发下,掺杂Pr3+离子浓度为0.3 mol且热处理温度为550℃的微晶玻璃具有最高光输出强度,封装成LED后发射出白光,其色坐标为x=0.33,y=0.35.

2018 Vol. 47 (9): 0916003 [摘要] ( 21 ) [PDF 4094KB] ( 28 )
大尺寸MAPbI3单晶的制备及光电性能研究
张婵婵, 张方辉, 丁利苹, 朱晓婷, 李荣金

采用两步气相沉积法制备了大尺寸(150 μm左右)高质量的MAPbI3单晶,并通过对衬底表面修饰来调控晶体的成核位置.从衬底温度、载气流速、时间效应等方面系统探究了影响PbI2晶体生长的因素.结果表明:该晶体生长的最优条件分别对应为350℃、20 sccm、20 min.将MAPbI3单晶放置在空气中50天后,其X衍射特征峰没有明显变化.最后分析该器件的光电特性,发现其开关比高达104,响应度为3.8×104 A/W,且具有较快的响应速度(上升时间:0.03 s;下降时间:0.15 s).该MAPbI3单晶光电探测器将在光电学领域有非常良好的应用.

2018 Vol. 47 (9): 0916004 [摘要] ( 22 ) [PDF 5135KB] ( 35 )
磁控溅射结合脉冲激光制备钛掺杂硅薄膜的研究
王凯, 李晓红, 张延彬, 温才, 刘德雄

发展了一种改进的新型超掺杂工艺,通过真空磁控溅射多层镀膜后结合532 nm波长可见纳秒脉冲激光熔融处理,进行超掺杂钛的硅薄膜材料的制备,并对材料的超掺杂层的性质和红外吸收性能进行了探究.结果表明,硅膜层中掺杂的钛原子的百分比浓度超过1%左右,对应钛原子浓度约为5×1020 cm-3左右,超过钛在硅中形成超掺杂所对应的原子浓度.钛超掺杂层的厚度超过200 nm左右,相对传统工艺具有明显提升,并且钛原子的浓度变化范围不超过20%,分布比较均匀.小角度X射线衍射测试表明经过可见脉冲激光熔融处理后的硅薄膜层材料结晶度为25%左右,呈多晶结构.同时红外吸收谱测试表明,样品的钛掺杂硅膜层在大于1 100 nm波长的区域具有很高的红外吸收效果,最高的红外吸收系数达到1.2×104 cm-1,远超过单晶硅材料.具有比较明显的亚能带吸收的特征,呈现出Ec-0.26 eV的掺杂能级.霍尔效应测试表明硅膜层具有较高的载流子浓度,超过了8×1018 cm-3.

2018 Vol. 47 (9): 0916005 [摘要] ( 26 ) [PDF 1732KB] ( 26 )
集成光学
基于爬坡算法的片上低栅瓣二维光学相控阵
杜书剑, 章羚璇, 王国玺, 李中宇, 张其浩, 谢鹏, 李燕, 米磊, 孙笑晨, 张文富

通过两级定向耦合器结构实现了光学相控阵天线阵列的二维排布,并设计了特殊C形弯曲波导进行热调作为阵元的相位控制器.提出一种针对阵元数量不高的稀布片上光学相控阵远场高阶干涉栅瓣的压缩方法.将均匀的阵元间距通过爬坡算法优化成非均匀间距,以破坏栅瓣产生所需的干涉相长条件,实现对栅瓣的压缩作用.在1 310 nm波长,通过时域有限差分法对基于微型光栅耦合器天线的稀布阵列进行计算分析,结果表明优化的阵元间距能实现-6~-7dB的栅瓣抑制比.

2018 Vol. 47 (9): 0913001 [摘要] ( 34 ) [PDF 4064KB] ( 24 )
透明衬底光致导电网栅的设计与制作
王君, 冷雁冰, 孙艳军, 纪雪松, 王丽, 王越

依据半导体光电导效应分析了光致导电复合网栅调控机理,阐明了光致导电复合网栅的设计思路与结构特点.结合透明衬底蓝宝石基片,选取雷达波2~18 GHz,红外3~12 μm波段为研究对象对复合网栅结构参数进行优化和仿真,当网栅参数周期由5 mm变为2.5 mm、边长由4.9 mm变为2.4 mm时,网栅的中心谐振频率从13.2 GHz变为14 GHz.采用衍射光栅同轴对准原理保证两次lift-off光刻工艺的对准精度,制备的网栅周期误差小于6 μm,边长误差小于5 μm,满足实验要求.复合网栅的光学和电学性能测试结果为:加载复合网栅的蓝宝石衬底样件与未加载的相比,红外透过率曲线整体走势未发生变化,透过率整体下降了7.8%左右,与单独金属网栅相比相差3.4%,符合红外透过损失规律.该复合网栅在敏感波长为600 nm光照射下测得的中心谐振频率从13.22 GHz变为14.03 GHz,与仿真结果基本一致,验证了光照对复合网栅电磁性能调控的可行性.

2018 Vol. 47 (9): 0913002 [摘要] ( 13 ) [PDF 2729KB] ( 27 )
基于硅基光学相控阵的大范围二维光束扫描
李中宇, 章羚璇, 曾超, 杜书剑, 葛志强, 谢鹏, 张其浩, 王国玺, 孙笑晨, 米磊, 张文富

基于硅基光学相控阵,提出一种结合了相位控制和不同周期光栅发射器的点阵扫描法,以实现大范围的二维光束扫描.对光束扫描装置进行仿真计算,结果表明,仅使用单波长的光源即可实现120°×100°的扫描范围和超过16×400个可分辨点.此光束扫描装置在应用时,同一时刻仅需要一部分有源器件工作,降低了相调所需的电能耗.所提方法为实现大范围、低成本和低功耗的二维光束扫描装置提供了一种可能的解决方案,尤其适用于低成本的固态激光雷达.

2018 Vol. 47 (9): 0913003 [摘要] ( 25 ) [PDF 4718KB] ( 41 )
衍射与光栅
添加剂对纳米压印模板光栅结构填充效果的改善作用
郑永广, 张然, 刘泽, 褚金奎

为改善电铸填充高深宽比纳米光栅结构时出现的空洞现象,本文向电铸液中添加平整剂健那绿,利用健那绿分子的静电吸附原理消除该工艺缺陷.结合纳米压印技术及电铸工艺,在柔性基底上完成了纳米压印镍模板的复制.复制过程中,首先通过热压将硅原始模板上的纳米光栅结构转移到聚合物基底上,制作出压印所需的软模板;然后采用溅射工艺在聚合物基底纳米结构表面沉积镍种子层并通过电铸工艺完成纳米光栅结构的填充及复制模板背板的生长;最后将铸层与聚合物基底进行分离.通过此工艺,成功复制了一块带有6个1.3 mm×1.3 mm纳米光栅区域的纳米压印镍模板,模板表面光栅周期为201 nm,线宽98 nm,深度104 nm.与原始硅模板相比,复制模板特征尺寸偏差在5%以内,表明复制模板特征尺寸与相应原始模板特征尺寸之间有良好的一致性.热压实验后复制模板表面光栅结构周期无偏差,线宽偏差在2%以内,实验结果表明复制的纳米压印模板机械强度足以适用于热压过程.

2018 Vol. 47 (9): 0905001 [摘要] ( 16 ) [PDF 3767KB] ( 29 )
轨道角动量分离系统中纯相位型扇出光栅的设计
尹霄丽, 廖焕宇, 王拥军, 常欢, 崔小舟, 林娇玲

基于坐标变换的轨道角动量光束分离技术,提出一种基于迭代算法的纯相位型扇出光栅设计方法,实现光束复制,以提高输出光斑的分辨率.建立轨道角动量光束的高分辨率分离系统的数值仿真模型.数值结果表明,加入该方法设计得到的纯相位型扇出光栅后,系统接收到的光斑能量更加集中,轨道角动量螺旋谱的弥散程度至少下降了0.35,错误概率下降了15%以上,有利于系统实现高分辨率的轨道角动量光束分离.

2018 Vol. 47 (9): 0905002 [摘要] ( 23 ) [PDF 2658KB] ( 20 )
光学设计与制造
面向中距衍射多焦点人工晶状体设计
李季, 薛常喜

运用ZEMAX光学设计软件基于Liou-Brennan眼模型,材料选用疏水性丙烯酸酯,设计了前表面为衍射面,后表面为非球面的多焦点人工晶体,该设计利用0级、+1级衍射级次,当物在不同位置时,使不同衍射级次发挥作用.对于所设计的人工晶体,采用的附加光焦度为1.66 D,即两个焦点处的光焦度分别对应20 D、21.66 D,小附加光焦度的确立旨在着重优化人工晶状体在中距处的光学质量.首先基于衍射光学理论计算衍射面的衍射效率,利用ZEMAX光学设计软件得到衍射面及非球面的光学参数,继而利用MATLAB模拟仿真软件模拟衍射面位相结构及实际表面轮廓,最后利用单点金刚石超精密车床对所设计的人工晶体进行加工,根据实测光学调制传递函数分析所设计的人工晶体的光学质量并利用实测离焦量曲线验证附加光焦度的正确性.该设计满足光学调制传递函数在空间频率50 lp/mm处大于0.3,可为白内障患者在不同距离视物提供较好的视觉清晰度.新型人工晶体应用于物距为75.3 cm的工作距离,为小附加光焦度人工晶体应用领域提供理论及实验基础.

2018 Vol. 47 (9): 0922001 [摘要] ( 25 ) [PDF 1799KB] ( 27 )
高稳定性星载多普勒差分干涉仪支撑结构设计
白玉龙, 孙剑, 郝雄波, 武俊强, 白清兰, 冯玉涛

为了保证星载测风多普勒差分干涉仪的力学稳定性和热稳定性,设计了一种低热传导微应力装夹支撑结构,采用胶合与弹性压紧相结合的方法对干涉仪进行安装.首先,结合多普勒差分干涉仪的结构特点和稳定性要求,采用四点环形凸台的粘接形式对底座粘接面进行了优化设计,并与已有的网格化多点凸台粘接面形式进行对比.然后,针对随机振动条件下干涉仪与底座粘接面响应应力过大的问题,设计了施加预紧力的压盖结构来提高粘接可靠性.最后,对干涉仪组件进行了有限元仿真和环境振动试验,分析和验证了干涉仪组件的低热传导性和力学可靠性.结果表明,所设计的四点环形凸台粘接形式相较于已有粘接形式在相同条件下由底座导入光学组件的热量减少了63.54%,随机振动时粘接面最大响应应力为2 MPa,干涉仪组件的模态频率均在1 900 Hz以上;有限元仿真与试验结果的相对误差均在8.6%以内.基于四点环形凸台面粘接并施加预紧力的干涉仪组件具有低热传导、高力学可靠性的特点,结构设计合理,性能可靠.

2018 Vol. 47 (9): 0922002 [摘要] ( 18 ) [PDF 3016KB] ( 45 )
基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计
李旭阳, 倪栋伟, 杨明洋, 任志广

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000 mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63 lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.

2018 Vol. 47 (9): 0922003 [摘要] ( 38 ) [PDF 4600KB] ( 45 )
成像系统
ICCD选通脉冲源的设计与实验研究
虎俊宇, 裴承全, 田进寿, 王俊锋, 方玉熳, 温文龙

基于微处理器并结合模拟延迟电路以及数字逻辑电路,设计了分辨率可达5 ns、最小脉宽为65 ns、频率高达1 MHz、且通过上位机可以远程控制的选通脉冲源.用该脉冲源结合选通电源测试了阴极上镀有金属导电基底和没有金属导电基底的ICCD的选通快门时间.结果表明当镀有金属基底时,ICCD具有更短的开启时间.建立相应的等效电路模型和阴极开关过程满足的RC等效方程,定性分析得出阴极面电阻的减小是使得ICCD开启时间缩短的主要因素.

2018 Vol. 47 (9): 0911001 [摘要] ( 27 ) [PDF 3185KB] ( 55 )
线阵图像采集系统外触发延时时间的确定
马卫红, 田会, 董涛, 倪晋平

针对高速线阵相机实际应用中的可靠触发问题,提出了一种高速线阵图像采集系统外触发延时时间的测试方法,提供有效触发设置参数,可靠捕获动态目标.采用双区截光幕准确获得飞行目标速度,其中第二个光幕同时提供图像采集外触发信号,依据区截装置参数及目标速度计算出采集系统接收到触发信号时刻;对序列线阵图像分析,以获得实际图像开始采集时刻,进而得到线阵图像采集系统外触发延时时间.对行频64 000的具体型号采集系统外触发延时时间进行了实际测试,测试结果与分析表明,该系统图像采集存在延时,平均延时时间为152 μs,方差为3.3 μs,延时测试精度小于1个行周期.分析了引入延时测试误差的因素及作用原理,通过10 000 lps和50 000 lps两种行频的线阵相机延时测试系统误差分析实例,给出了测试系统参数的一般确定方法.

2018 Vol. 47 (9): 0911002 [摘要] ( 22 ) [PDF 2777KB] ( 28 )
探测器
基于单PSD的目标空间位姿测量方法
黄战华, 张亚男, 方石, 蔡怀宇

为了克服图像传感器在位姿测量中存在响应速度与精度相互制约以及相应图像处理算法复杂的缺陷,提出一种基于单个位置敏感探测器的目标空间位姿测量方法.首先建立以位置敏感探测器光敏面中心为原点的传感器坐标系并在该坐标系下定义空间姿态角,然后将合作目标上8个循环交替点亮的红外LED光源作为探测对象,特征发光点经过会聚镜头成像于探测器光敏面上,经信号处理得到各点二维像坐标,并结合光源相对位置关系最终解算得到目标在传感器坐标系下的空间位置和姿态.在对系统稳定性进行验证后完成了位置平移与角度旋转的测量实验.实验结果表明:提出的方法在视场角为16.3°的范围内探测距离可达10 m,沿深度方向的位置测量绝对误差最大为36.2 mm,其他方向位置测量平均绝对误差最大为7.1 mm,角度测量绝对误差优于2°.该方法解算过程简单、实时性强,测量更新频率为100 Hz,可以满足位姿检测的高速要求.

2018 Vol. 47 (9): 0904001 [摘要] ( 25 ) [PDF 4047KB] ( 27 )
微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析
周庆勇, 盛立志, 魏子卿, 刘思伟, 陈琛, 姬剑锋, 任红飞, 马高峰, 张彩红, 孙鹏飞

为了掌握微通道板探测器的X射线脉冲信号观测能力,利用X射线脉冲星地面实验装置,开展了长时间的不同流强和不同背景噪声强度下的微通道板探测器脉冲信号探测实验,并建立了一套X射线探测器脉冲观测能力评估方法,推导出基于光子计时模式下X射线探测器的脉冲信号信噪比、脉冲轮廓相似度、脉冲到达时间精度和最小可探测功率的关系表达式.实验中,利用面积20 cm2的微通道板探测器开展了8组10 000 s的实验,采集到有效观测数据,然后搜索最佳脉冲周期,重构观测脉冲轮廓,估计脉冲轮廓特征参数.实验表明,微通道板探测器具备良好的X射线脉冲信号观测与恢复能力,在较弱脉冲信号强度(光子流量密度为0.05 ph/cm2/s)和较强背景噪声(背景噪声强度是脉冲信号的16倍)下获取观测脉冲轮廓的信噪比、相似度、脉冲到达时间观测精度分别为35.73、88.38%、51.53 μs和64.89、89.72%、29.24 μs,验证了微通道板探测器具备一定的暗弱X射线脉冲星观测能力,且微通道板探测器的脉冲探测能力随着脉冲信号强度增加、背景噪声强度减弱、累积观测时间增加而提升.

2018 Vol. 47 (9): 0904002 [摘要] ( 22 ) [PDF 5123KB] ( 21 )
CCD不同损伤状态下光学成像系统猫眼回波
张明鑫, 聂劲松, 豆贤安, 孙可

建立了不同损伤状态下光学成像系统的猫眼回波模型,分析了CCD各层被损伤对猫眼回波功率的影响,得到猫眼回波功率变化与CCD损伤程度的对应关系,并通过实验进行了验证.研究发现,在远场情况下成像光学系统的猫眼回波中心位置光强最强,且回波功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降.最后缓慢下降的变化规律,可由此判断CCD各层结构的损伤状态.研究结果对远场条件下CCD被损伤程度的实时监测有一定的参考价值.

2018 Vol. 47 (9): 0904003 [摘要] ( 17 ) [PDF 7102KB] ( 23 )
非线性光学
Parity-Time对称Scarff势中多级孤子的传输特性
胡素梅, 钟婷婷, 吴红梅, 周青云, 陈海波

研究了线性情况,自聚焦和自散焦非线性情况下Parity-Time对称Scarff复合势中二级孤子和三级孤子的存在与稳定性.对于线性情况,数值得到了不同调制深度下的Parity-Time对称Scarff复合势中的Parity-Time对称破坏点、本征值和多级线性模.对于非线性情况,研究了自聚焦与自散焦介质中的二级孤子和三级孤子的存在与稳定性.研究结果表明:对于确定的调制深度,二级线性模和三级线性模的本征值恰好等于相应的调制深度下二级孤子和三级孤子存在的临界传播常数bc.在自聚焦与自散焦介质中,多级孤子能稳定存在于靠近临界传播常数bc的区域.

2018 Vol. 47 (9): 0919001 [摘要] ( 15 ) [PDF 3876KB] ( 20 )
折射率线性调制晶体中超快倍频的数值分析
张留洋, 杨莹, 曲玉秋, 程广真, 赵子健, 浦绍质

对折射率线性调制晶体中超短脉冲倍频特性进行了数值计算,在泵浦衰减的情况下,研究了转换效率和脉冲宽度随匹配带宽和晶体长度的变化.大信号时各频率成份在晶体不同位置的不平衡转换致使脉冲展宽,且由于折射率的调制,脉冲宽度和转换效率出现了周期性变化.同时,分析了谐波脉冲啁啾随晶体长度和带宽的变化,发现随着晶体长度的增大,归一化最佳啁啾系数先增大后减小,在长晶体时趋于1,其极大值位置决定于本征带宽和调制带宽.讨论了相位失配量对转换效率和脉宽的影响,结果表明失配因子y决定了中心频率的匹配位置,当y=0时,中心频率在晶体中心匹配,这有利于提高转换效率并减小脉冲宽度.

2018 Vol. 47 (9): 0919002 [摘要] ( 19 ) [PDF 4989KB] ( 18 )
添加势垒(阱)对光孤子在自聚焦克尔介质中传输的操控作用
李淑青, 乔士柱, 程永喜, 闫乙伟, 马慧莲

为了操控在非线性克尔介质中传输的光孤子,以薛定谔方程为模型,采用分步傅里叶数值模拟的方法,分别研究了在非线性自聚焦克尔介质中添加高斯势垒、高斯势阱、Scarf-Ⅱ势垒(阱)和周期势垒(阱)后,光孤子在非线性克尔介质中的传输情况.通过改变势垒(阱)的高度(深度)、高斯势垒(阱)和Scarf-Ⅱ势垒(阱)的宽度,或者周期性势垒的周期,可实现对光孤子的操控.随着参数取值的不同,光孤子在传输中出现了反射、隧穿、周期性摆动、直线传播、分裂、光强增大等不同的现象.研究结果可为光开关和光控光技术提供参考.

2018 Vol. 47 (9): 0919003 [摘要] ( 20 ) [PDF 2901KB] ( 34 )
图像处理
融合峰旁比和帧差均值自适应模型更新的视觉跟踪
熊昌镇, 车满强, 王润玲, 卢颜

为了让相关滤波模型更加适应目标外观的变化,提高相关滤波跟踪算法的鲁棒性和实时性,根据相关滤波响应值、帧差均值和目标运动位移之间的关系,提出了一种单层卷积相关滤波实时跟踪模型的自适应学习率调整跟踪方法.该方法首先选取单个卷积层卷积特征,减少了卷积特征维度,然后使用单层卷积特征训练相关滤波分类器预测目标位置,用快速尺度预测方法估计跟踪目标的尺度,并采用稀疏的模型更新策略,提高跟踪的速度;最后利用相关滤波预测响应图的峰旁比估计预测位置的可信度,结合图像帧差均值和目标的运动位移量来评估目标的表观变化,并根据目标预测的可信度和表观变化情况自适应调整相关滤波模型更新的学习率,使模型快速学习目标的变化特征,提高了目标跟踪的精度.在OTB100数据集上对算法进行测试,实验结果表明,本文算法的平均距离精度达90.1%,优于实验中对比的9种主流算法,平均成功率值为79.2%,仅次于9种算法中的连续卷积跟踪算法,平均速度为31.8帧/秒,是连续卷积相关滤波算法的近30倍.

2018 Vol. 47 (9): 0910001 [摘要] ( 22 ) [PDF 9503KB] ( 24 )
基于稀疏特征的红外与可见光图像融合
丁文杉, 毕笃彦, 何林远, 凡遵林, 吴冬鹏

针对传统的红外与可见光图像融合算法提取目标信息不突出的问题,提出一种基于非下采样剪切波变换和稀疏结构特征的融合方法.首先用非下采样剪切波变换分解源图像;然后通过主成分分析提取低频子带系数中边缘和轮廓等显著特征,引导低频成分融合规则的设计,同时基于结构信息的稀疏性指导融合高频子带系数;最后经过非下采样剪切波变换逆变换得到融合后的图像.实验结果表明,该方法在保留可见光图像背景信息的基础上,突显了红外图像的结构信息,有效提高了融合效果.

2018 Vol. 47 (9): 0910002 [摘要] ( 23 ) [PDF 6160KB] ( 58 )
医用光学与生物技术
基于有限元模拟的圆柱边界介质中的光传输
张纾, 陈思雨, 刘玉红, 谭佐军

应用有限元模拟方法,在外推边界条件下研究圆柱介质中的光传输问题,讨论了不同光学参数条件下圆柱表面空间分辨反射率和穿透深度的规律,并且与有限元分析、Monte Carlo模拟和解析解方法的结果进行比较.结果表明:有限元模拟的结果与Monte Carlo模拟的结果吻合度很好,其空间反射率在光学参数满足漫射近似条件μ's/μa ≥ 5时误差小于10%,在非近源区甚至小于5%;穿透深度的值随μ's/μa值增大而增大.但比Monte Carlo模拟的穿透深度略小,误差不超过7%,且μ's/μa的值越大时该误差越小.有限元模拟结果比解析解方法的结果误差要更小,解析解方法在μ's/μa ≥ 5时,其误差在非近源区接近10%,在近源区会超过15%.此外比较了三种方法的计算速度.单次运算有限元模拟用时约385 s,甚至比通常用于快速计算的解析解方法(单次运算耗时416 s)更快,而Monte Carlo模拟单次运算耗时8~9 h.考虑到有限元模拟方法的介质模型构建简便,计算速度快,且模拟结果有着不错的精度,该方法对圆柱边界乃至一般具有曲率的复杂介质中光子辐射传输问题具有非常好的应用前景.

2018 Vol. 47 (9): 0917001 [摘要] ( 25 ) [PDF 8136KB] ( 23 )
利用光源附近微区漫反射测量组织微观结构参数γ的方法
王兴, 李文艳, 乔艳青, 刘迎

提出一种利用光纤探头测量组织微观结构参数γ的方法.根据Intralipid组织模拟液球状分形结构,采用蒙特卡罗模拟方法得到光子经Intralipid漫反射的数据样本,通过对数据进行非线性拟合,建立漫反射率与γ的函数关系.研究发现漫反射率与无量纲的约化散射系数μ'sφφ是散射光的收集孔径)呈线性关系,其斜率是γ的二次函数.实验中以Intralipid为样本得到了不同μ'sφ下的漫反射率,验证了漫反射率与μ'sφ的线性关系,并利用其斜率获得了Intralipid的γ值为2.04,分形维数为2.93,各向异性因子为0.816,与文献报道相符,验证了该方法的可行性.

2018 Vol. 47 (9): 0917002 [摘要] ( 18 ) [PDF 2561KB] ( 48 )
基于菲涅耳透镜色散的双波长荧光显微深度成像
黄新荣, 郑继红, 刘悠嵘, 朱天赟, 缪涛

提出一种非轴向扫描的细胞显微深度成像技术,在显微系统中加入菲涅耳透镜,利用菲涅耳透镜的色散将不同激发光波长聚焦到不同的轴向位置,以实现对两个或多个焦平面同时成像.基于405 nm和532 nm两种激发光波长,在传统的荧光显微镜的激发路径中加入对应的两个成像探测器来探测两个不同焦平面所对应像面的成像信息,搭建得到一个能够实现探测深度约为12 μm的基于菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统,并与基于显微物镜色差无菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统的成像深度和轴向分辨率进行实验对比.实验结果表明:加入菲涅耳透镜能够实现系统对不同焦面的同时成像;对于同一荧光波段,保证系统横向分辨率的同时,扩大了成像景深.该系统可以实现荧光生物细胞内部不同深度处的多波段同时探测.

2018 Vol. 47 (9): 0917003 [摘要] ( 31 ) [PDF 2399KB] ( 49 )
量子光学
基于马赫-曾德干涉法测量原子介质的色散特性
赵法刚, 田卓承, 刘志伟, 杨保东, 周海涛

理论分析了利用马赫-曾德干涉仪及平衡零拍探测技术测量相干介质色散特性的方法,实验测量了三能级铯原子分别在电磁诱导透明和电磁诱导吸收两种截然相反的相干效应下的色散特性.研究表明:在原子频率共振中心,对于透明介质,由于吸收减弱效应,信号光能穿出介质,保证了有效色散信息,即正常色散特性能被测量到;相反地,对于吸收介质,由于强吸收效应,只有在低粒子数密度条件下,即保证有信号光没有被完全吸收而穿出介质,才能测量到介质的反常色散特性;当提高铯泡温度时,介质对信号光吸收增强以至完全吸收,并且吸收频谱宽度变宽,导致色散信息不能被有效测量到.

2018 Vol. 47 (9): 0927001 [摘要] ( 22 ) [PDF 2200KB] ( 53 )
二粒子态控制双向量子隐形传态
王思萌, 张炜, 廖聪

为实现二粒子态的控制双向量子隐形传态,基于张量分析、贝尔基测量和冯·诺依曼测量等方法,提出二粒子态控制双向量子隐形传态的通道准则,准则中,选择九粒子纠缠态为量子通道,并给出任意九粒子纠缠态能否作为量子通道的必要条件.基于该条件,控制者完成冯·诺依曼测量后,通道被分为单通道、双通道、三通道和四通道.以双通道为例进行计算分析,在Alice、Bob和Controller的共同作用下,经冯·诺依曼测量后进行贝尔基测量和对应的幺正变换,最终实现Alice和Bob之间量子态的交换,通过双通道的隐形传输,验证了所提准则的可行性并给出量子通道选择的一般方法.

2018 Vol. 47 (9): 0927002 [摘要] ( 28 ) [PDF 1721KB] ( 22 )
半导体光学及器件
相对论效应对Na原子激发态2p光电离过程的影响
刘晓斌, 师应龙, 邢永忠, 路飞平, 李向兵, 王玉平, 胡宏伟

在多组态Dirac-Fock相对论理论框架下,研究了入射光子能量为54 eV时Na原子2p63p激发态2p的光电离过程.结果表明:相对论效应对原子光电离过程有非常明显的影响;虽然相对论效应对相应电离能的影响有限,但可使光电子的强度分布产生实质性变化,从而使两激发态2p63p(2P1/2,3/2)的光电子谱的结构完全不同;而在非相对论极限下,两初态2p63p(2P1/2,3/2)的光电子谱几乎完全相同.该研究可为获得有关激发态光电离过程的相对论效应信息提供一种方法.

2018 Vol. 47 (9): 0902001 [摘要] ( 18 ) [PDF 1310KB] ( 22 )
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