光子学报
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光子学报
 
2019年 48卷 8期   刊出日期:2019-08-25

目录
仪器,测量,度量学
成像系统
光纤光学与光通信
图像处理
光学器件
光学设计与制造
探测器
量子光学
非线性光学
      
目录
目录
2019 Vol. 48 (8): 0 [摘要] ( 5 ) [PDF 280KB] ( 7 )
仪器,测量,度量学
数字化天顶摄影仪倾角补偿的影响分析
周召发, 徐志浩, 刘先一, 常振军

针对传统倾角补偿过程中存在的线性漂移问题,采用Ⅰ-Ⅱ观测位置和Ⅱ-Ⅰ观测位置倾角修正的平均值进行倾角补偿;为减小转台转位误差对天顶摄影仪旋转轴倾斜分量的影响,推导了转位不对称性误差对倾斜补偿的影响;分析了测站点天文坐标误差对倾角仪状态参数标定的影响.结果表明:采用改进后的倾角补偿方式可将经纬度误差从0.337"、0.381"提高到0.265"、0.216";转台转位不对称性误差控制在1'以内,可使转位不对称误差对摄影仪旋转轴倾角补偿的影响控制在0.002"以内;当测站点的天文坐标误差与仪器自身定位精度相当时,测站点天文坐标误差对旋转轴的倾角补偿的影响较小,即对天文经度影响在0.007"内,对天文纬度影响在0.008"内.本文研究对倾角仪参数标定与天顶摄影仪定位的同时测定具有一定帮助.

2019 Vol. 48 (8): 0812001 [摘要] ( 7 ) [PDF 2170KB] ( 4 )
基于阈值优化抖动算法的高质量三维形貌测量
孟森森, 蔡宁, 林斌

针对离焦二元编码技术中条纹图案的高次谐波分量会引入测量误差的问题,提出了一种通过阈值优化抖动算法生成二元图像的方法.引入参数γ动态调整阈值,考虑图像不同像素灰度值对抖动算法的影响,改善离焦后抖动图像条纹的正弦性.仿真和实验结果表明:在引入参数γ=50时,离焦后的阈值优化抖动算法条纹具有更好的正弦性;相比传统Floyd-Steinberg抖动算法,在条纹周期为40 pixel时,该方法所得相位均方根误差减小0.013 7 rad,且对模型凹陷突变区域成像更清晰,显著提高了物体表面还原的图像质量.

2019 Vol. 48 (8): 0812002 [摘要] ( 8 ) [PDF 7023KB] ( 5 )
马赫曾德双成像的镜面材料内部缺陷检测系统
钟诗民, 孙方圆, 陈维杰, 吴双乐, 王永红

针对传统剪切散斑干涉技术只能测量粗糙表面,无法直接测量镜面物体的缺陷,提出了一种改进的剪切成像装置,利用被测物表面反射由激光经毛玻璃组扩束后产生的散斑来实现镜面物体缺陷检测;同时采用双成像的马赫曾德干涉系统,实现剪切量与载波频率的独立调整,扩大有效测量区域.对8 k镜面板采用顶针加载的方式,对预置缺陷的镜面表面材料采用热加载的方式,进行缺陷检测.实验结果表明:该方法检测出的缺陷分布与加载方式、预置缺陷的分布基本保持一致,可实现对镜面材料内部缺陷的快速动态检测.

2019 Vol. 48 (8): 0812003 [摘要] ( 10 ) [PDF 6987KB] ( 5 )
基于人眼视觉的电润湿电子纸显示器亮度非线性校正方法
林珊玲, 李甜甜, 曾素云, 林志贤, 郭太良, 唐彪

针对反射式电润湿显示器在不同环境光下,对显示器上内容的清晰度、对比度的影响,提出一种保留相邻灰度人眼视觉响应差的亮度校正方法.该方法保证其它环境光下的人眼对相邻灰度的响应差与参考环境光下的响应差一致.同时为实现电润湿显示器的精准调制,将校正后的亮度进行二次校正,非线性校正.采用本文方法校正后的电压与亮度曲线的关系更接近线性,提高了电润湿显示器对比度,增加图像细节,优化了显示效果.

2019 Vol. 48 (8): 0812004 [摘要] ( 12 ) [PDF 2586KB] ( 3 )
成像系统
基于实时参数的大气折射模型和射电望远镜指向修正方法
武宇翔, 张洪波, 孔德庆, 朱新颖, 赵融冰, 虞林峰

在传统射电望远镜指向误差修正模型的基础上,考虑大气折射对指向精度的影响,提出了一种利用实时的温度、大气压强和相对湿度等数据实现大气折射角度精确计算的指向修正模型.针对不同的气象条件,对这一模型和传统模型的修正精度进行了仿真分析和对比,并将该模型应用到了上海天文台天马站65米射电望远镜的指向修正中.在65米射电望远镜Ku频段的观测实验验证表明,新的指向修正模型优于传统模型,65米指向精度在20°仰角以下提高了25.8%,15°仰角以下提高了45%,10°仰角以下提高了60%,总的俯仰指向精度达到5.00",比传统方法提高了5.3%.基本消除了由大气折射引起的低仰角指向精度恶化.

2019 Vol. 48 (8): 0811001 [摘要] ( 8 ) [PDF 3161KB] ( 4 )
基于遗传算法相位抖动优化的高质量二值条纹产生方法
蔡宁, 陈浙泊, 林斌, 曹向群

采用遗传算法在相位域对抖动算法产生的二值条纹图案进行优化,同时,为了解决遗传算法的耗时问题,用对二值块的优化来代替整个条纹图案的优化.实验结果表明:本文方法对不同离焦量具有鲁棒性,能极大改善抖动算法的测量质量;在轻度离焦、中度离焦和重度离焦的情况下,相位均方根误差分别由1.493,1.209,0.989 rad,减小到0.972,0.749,0.603 rad.

2019 Vol. 48 (8): 0811002 [摘要] ( 7 ) [PDF 6435KB] ( 3 )
光纤光学与光通信
基于布里渊动态光栅的保偏光纤中温度和应变的传感机制研究
徐志钮, 赵丽娟, 陈飞飞, 车小霞, 郭文翰, 王贺晴

对保偏光纤中基于布里渊动态光栅的温度和应变的传感机制进行了探索.从保偏光纤两正交偏振轴的传输特性出发,分别研究了布里渊动态光栅的波长、波长差以及拍长与温度和应变的关系.研究结果表明,波长的对数与光纤温度近似成线性关系,波长的相对变化量与光纤应变成线性关系;两轴波长差、拍长的倒数与温度和应变近似成线性关系.本文研究结果为基于布里渊动态光栅的保偏光纤分布式温度和应变的传感指明了潜在的研究方向.

2019 Vol. 48 (8): 0806001 [摘要] ( 6 ) [PDF 2126KB] ( 4 )
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

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%.

2019 Vol. 48 (8): 0806002 [摘要] ( 5 ) [PDF 7347KB] ( 4 )
基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度传感器的优化设计
王赟, 戴玉堂, 刘文敏, 魏禹

为实现对待测表面两个方向的振动监测,基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先,推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式,然后基于圆形铰链刚度的理论公式,推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计,得到在满足工作要求时,传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明,该传感器的谐振频率约为368 Hz,灵敏度约为107.3 pm/g,横向抗干扰度为4.8%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.

2019 Vol. 48 (8): 0806003 [摘要] ( 17 ) [PDF 2133KB] ( 25 )
不同银含量的Pd-Ag复合膜微结构光栅光纤氢气传感特性
周贤, 杨沫, 明兴祖, 邬国秀, 张文, 戴玉堂

研究了不同钯银合金原子比例复合膜对微结构光纤光栅氢气传感特性的影响.使用飞秒激光在布拉格光栅光纤包层加工螺旋微结构,将磁控溅射方法制备的不同钯银原子比例的合金膜镀在螺旋微结构表面,研制优化钯银合金比例的新型微结构布拉格光栅光纤氢气传感器.采用扫描电子显微镜和能谱仪对Pd-Ag薄膜进行表征和分析,对三种不同钯银原子含量(Pd:Ag=2:1,4:1,6:1)的微结构布拉格光栅光纤探头进行氢气传感测试.在室温条件下,钯银原子比例为4:1的微结构探头具有最佳的氢气传感性能,钯银原子比例为2:1的微结构探头响应速度最快,但是灵敏度最低.在4%氢气浓度下,螺旋微结构传感器的漂移量达到107 pm,对比同类型布拉格光栅光纤氢气传感器,具有更高的灵敏度和更快响应速度.

2019 Vol. 48 (8): 0806004 [摘要] ( 9 ) [PDF 2818KB] ( 4 )
图像处理
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

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.

2019 Vol. 48 (8): 0810001 [摘要] ( 8 ) [PDF 2804KB] ( 4 )
改进的多曝光图像金字塔融合方法
刘鑫龙, 易红伟

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.

2019 Vol. 48 (8): 0810002 [摘要] ( 6 ) [PDF 10080KB] ( 3 )
一种偏振普适性多尺度实时的图像去雾算法
吕晓宁, 刘扬阳, 谭政, 吕群波

针对现有偏振算法依赖于"天空区域"估计大气参数,从而受白色目标或高亮区域干扰的不足之处,提出了一种图像普适性多尺度偏振去雾方法.研究偏振差分图像四叉树空间索引和图像暗通道先验方法,突破估计模型参数利用天空的局限性,重建场景深度,结合大气散射模型复原低频无雾图像;同时针对目标复原过程中噪声遗留问题,研究软阈值去噪算法,结合低频信息重构的透射率,以梯度增强方式丰富纹理细节,最后小波重构出清晰图像.实验结果表明,该算法有效消除了估计大气参数受制于天空区域的局限性,抑制噪声的影响,复原的目标更加清晰,细节方面更为丰富,算法运行效率方面有较大提高.

2019 Vol. 48 (8): 0810003 [摘要] ( 6 ) [PDF 4834KB] ( 4 )
光学器件
基于受激布里渊散射和耦合型双环的可调谐光电振荡器
范峰, 王加彬, 朱文武, 胡晶晶, 谷一英, 武震林, 韩秀友, 赵明山

提出了一种基于受激布里渊散射和耦合型双环的可调谐光电振荡器.该光电振荡器将受激布里渊散射和耦合型双环结构相结合,利用受激布里渊散射的窄带增益谱选择振荡频率,实现微波信号的频率可调谐.通过耦合型双环结构,有效地抑制了微波信号的边模,降低了微波信号的相位噪声,提高了微波信号的频率和功率稳定性.实验结果表明,该结构的光电振荡器可以产生2 GHz到18 GHz的微波信号,边模抑制比优于60 dB,相位噪声在10 kHz频偏处低于-95 dBc/Hz,在实验室环境下10 GHz微波信号30 min内频率漂移小于0.3 ppm,功率漂移低于0.2 dB.

2019 Vol. 48 (8): 0823001 [摘要] ( 8 ) [PDF 3072KB] ( 8 )
4.1 μm高功率中红外内腔光参量振荡器
王宇恒, 刘贺言, 王泽宇, 刘洪志, 郑浩, 于永吉, 金光勇

提出了一种紧凑型、声光调Q、高功率的4.1 μm中红外内腔式氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡激光系统.基于内腔单谐振光参量振荡器动力学模型,对内腔光参量振荡器的阈值倍数及下转换效率的影响因素进行分析,提出实验中对光参量振荡阈值调节的办法,优化了大功率情况下光参量振荡的下转换效率.引入共振泵浦与单端键合晶体方式提高了大功率泵浦的热稳定性.基于光场传输理论与谐振腔稳定性理论,并考虑增益介质热效应,数值模拟了大功率泵浦注入时腔内基频光、信号光及闲频光的三波光场模式匹配,以确保光参量振荡器在高功率下稳定运转.对光参量振荡阈值进行调节,提高了参量光的下转换效率,最终得到4.125 μm的中红外高重频脉冲瓦级激光输出,激光重复频率1~100 kHz可调,脉冲宽度小于9 ns,最高单脉冲能量36.7 J,最高峰值功率4.257 kW,最高输出功率为1.12 W,其对应的下转换效率为29.7%,最大光光转换效率为4.26%.

2019 Vol. 48 (8): 0823002 [摘要] ( 14 ) [PDF 2844KB] ( 9 )
高效率双发光层结构白色有机电致发光器件
柴源, 王竣冬, 刘思驿, 刘炫, 袁曦, 董贺, 汪津

采用双极性材料4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl(CBP)为主体,蓝色荧光染料N-(4-((E)-2-(6-((E)-4-(diphenylamino)styryl)naphthalen-2-yl)vinyl)phenyl)-N-phenylbenzenamine(N-BDAVBi)和橙色磷光染料Iridium(Ⅲ)bis(4-phenylthieno[3,2-c]pyridinato-N,C2')acetylacetonate(PO-01)为客体,制备了双发光层结构的白色有机电致发光器件,通过调整发光层的位置及在两个发光层之间引入间隔层,研究了器件的光电特性.间隔层的引入调整了发光层中激子的分布,改善了器件的光电性能.器件的最大电流效率和功率效率分别为19.6 cd/A和12.3 lm/W.发光亮度从15 cd/m2增加至10 310 cd/m2的过程中,器件的色坐标从(0.438,0.476)变化至(0.316,0.389),始终处于白光区.

2019 Vol. 48 (8): 0823003 [摘要] ( 6 ) [PDF 3810KB] ( 4 )
光学设计与制造
空间相机碳纤维复合材料主次镜连接筒设计
任国瑞, 李创, 王炜, 解永杰, 许亮, 王永杰, 樊学武

设计并研制了碳纤维复合材料主次镜连接筒.根据光学设计中的公差分配,结合复合材料层合板理论,分析了复合材料铺层设计对面内刚度和轴向及周向热膨胀系数的影响,确定了最终的铺层方式.利用有限元软件分析了重力作用下及温度变化时主次镜间的位置变化及连接筒的模态分布.最后,完成了碳纤维复合材料薄壁连接筒的成型和精加工,检测了主次镜系统光学性能,并对装配完成后的相机进行了鉴定级力学试验.分析结果表明:在1g重力载荷及2℃温升耦合作用下,次镜偏心小于0.002 mm,次镜倾斜小于2",主次镜连接筒及次镜系统组合体基频达到265 Hz,满足光学设计要求和结构稳定性要求.光学性能检测结果及力学试验结果表明,主次镜系统波像差满足装配要求,主次镜连接筒能够承受鉴定级力学试验考核,连接主次镜的两端响应放大仅1.7倍,体现了良好的阻尼性能.本文中研制的主次镜连接筒重量仅为6.4 kg,实现了高轻量化和高刚度,满足空间相机对主次镜位置精度和稳定性的要求.

2019 Vol. 48 (8): 0822001 [摘要] ( 6 ) [PDF 3498KB] ( 4 )
自由曲面镜片波前像差扩束-缩束拼接技术
禹静, 蒋威炜, 沈小燕

为解决波前传感器检测自由曲面镜片时测量口径不匹配,在拼接检测方法中测量过程及数据处理较为繁琐等问题,提出了一种测量自由曲面镜片的方法.该方法在扩大单次测量光束直径后对自由曲面镜片波前像差进行检测,再由波前传感器接收缩小后的带有扩束测量区域波前信息的光束.设计光路测量得到4个直径扩大10倍后的子孔径波前像差,完成扩束子孔径的波前重构及拼接.为验证实验的可靠性,对测得的扩束子孔径进行波前重构后与哈特曼传感器生成的子孔径像差峰谷值进行比较,并观察扩束子孔径拼接波面的平整性.实验结果表明:该方法能有效增大小口径波前传感器的测量范围,提高检测效率,可以用于大口径镜片的波前像差检测上.

2019 Vol. 48 (8): 0822002 [摘要] ( 8 ) [PDF 8639KB] ( 3 )
正电压边缘驱动的双压电片变形镜研制
彭泰然, 李文来, 娄军强, 崔玉国, 马剑强

为提高变形镜的热稳定性,提出一种用正电压边缘驱动的双压电片变形镜,通过环形电极产生整体离焦偏置,分立电极校正波前像差,只用正向电压即可实现镜面双向变形,且此变形镜结构对称受热应力影响小.制备变形镜样机并进行测试,测试结果表明:初始镜面展平后残余误差小于λ/30(λ=1 064 nm);精确重构了典型低阶Zernike多项式像差,像散、离焦、三叶草和彗差像差的重构幅值分别达到11.1 μm、9.7 μm、5.7 μm和4.2 μm,归一化残余误差分别为1.0%、1.0%、3.3%、6.0%;此外,实验生成了新型无衍射艾里光束,并显示出优异的重构性能.

2019 Vol. 48 (8): 0822003 [摘要] ( 14 ) [PDF 4114KB] ( 6 )
探测器
分焦面偏振探测系统的卷积插值方法
吴晨奇, 张然, 樊元义, 褚金奎

为了减小空间分辨率下降以及传统插值方法无法较好地适应单元不匹配等因素对分焦面偏振探测系统的影响,提出了一种基于卷积插值的偏振信息解算方法.用标记、插值方法来提取偏振图像,从而计算偏振信息.然后,通过最小二乘法校正分焦面偏振探测系统,校正后其偏振度误差小于2.5%,偏振角误差小于0.25°.最后,利用所提插值方法对不同的探测器与偏振光栅阵列组合实际成像.实验结果表明,该方法能够有效降低空间分辨率下降的影响,适应模块化的分焦面偏振探测系统.

2019 Vol. 48 (8): 0804001 [摘要] ( 7 ) [PDF 5836KB] ( 3 )
CCD光谱辐射计的非线性特性建模与校正
刘丽莹, 李野, 郑峰, 张国玉, 徐毅刚, 杨礼艳

采用自主研制的CCD光谱辐射计,对CCD探测器的积分时间和光强灰阶2个关键参数的非线性参数依赖特性进行实验与建模,给出CCD的微分非线性量化表征函数,并以此为基础实现CCD在多级尺度下自动积分时间调整测量的非线性修正.以激光作为输入光源进行双参数调节响应特性测试,并对CCD光电转换非线性特性进行分析.根据数据集曲线族的结构特征重构数据表征空间,在新的表征坐标下进行CCD的参数依赖非线性变化关系的拟合建模.结果表明,在多级尺度范围内,该模型能够通过2个参量描述CCD光谱辐射计产生的非线性偏差变化的精确函数关系,即实现了相关双参数在CCD光电转换过程中产生非线性偏差现象的精准量化表征.采用该模型进行非线性校正后与监测功率计进行比较,发现该模型能够有效地将非线性偏差降低至±2%以内.

2019 Vol. 48 (8): 0804002 [摘要] ( 7 ) [PDF 13437KB] ( 3 )
帘幕式CMOS全局曝光成像技术
宋可心, 贾学志, 李季, 张弘治

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.

2019 Vol. 48 (8): 0804003 [摘要] ( 5 ) [PDF 3429KB] ( 3 )
量子光学
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

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.

2019 Vol. 48 (8): 0827001 [摘要] ( 9 ) [PDF 2885KB] ( 6 )
非线性光学
具有非线性耦合的锯齿型光波导阵列中的调制不稳定性和亮离散孤子
姚映波, 谢家玉, 尹芬芬, 唐炳

借助线性稳定性分析方法,推导出包含非线性耦合作用的锯齿型光波导阵列中平面波的离散调制稳定性增长率的解析表达式,并针对不同次近邻耦合系数分析了非线性耦合作用对调制不稳定性区域的影响.结果表明,改变非线性耦合系数的值会明显影响调制不稳定区域的形状.根据调制稳定性分析结果,预测了亮离散孤子可能存在的参数区域.然后,利用一种准离散的多重尺度方法得到了此锯齿型光波导阵列中亮离散孤子的解析解,并分析了它们的存在条件,结果与离散调制不稳定性分析预测的存在条件基本一致.

2019 Vol. 48 (8): 0819001 [摘要] ( 11 ) [PDF 2756KB] ( 7 )
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