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    25 March 2020, Volume 49 Issue 3
    Lasers and Laser Optics
    Simulation and Experiment of Thermal Characteristics of a Jet Cooling Composite Ceramic Thin-disk Laser
    GUO Jia-wei, JIA Kai, YANG Feng, PENG Chun, WANG Xiao-cong, LIU Xiao-xu, HAN Ju-hong, RONG Ke-peng, AN Guo-fei, CAI He, WANG You
    2020, 49(3):  314001-0314001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0314001
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    为分析喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性,设计用于冷却复合陶瓷薄片的喷流冷却系统.利用湍流换热理论和计算流体动力学仿真方法建立喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的流固耦合热仿真模型,定义评价其冷却能力和冷却均匀性的定量参数.根据该仿真模型得到喷流冷却系统的最优设计参数,并进行实验验证.使用163孔喷板,流量为0.2 kg/s,入口温度为20℃,在1 200 W泵浦时获得359 W激光输出功率,并测得复合陶瓷薄片上表面的最高温度为92℃.激光输出功率与复合陶瓷薄片上表面温度均与泵浦功率呈近似正线性关系,且温度的实验值与仿真值相符度较高.
    Development of Laser Beam Expanding Collimator for Cold Atom Preparation
    HAO An-qing, JIA Sen, XIE Lai-yun, CAI Yong, WANG Xian-hua
    2020, 49(3):  314002-0314002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0314002
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    针对现有的冷原子实验用的多数保偏光纤输入型扩束准直器不能对输入激光束的偏振进行精确调节的缺陷,提出了一种全长度为135 mm,输出圆形光斑有效直径为20 mm的紧凑型偏振可调激光扩束准直器.该扩束准直器中的偏振棱镜和波片偏振轴均可独立调节,能对单模保偏光纤输入光束的偏振态进行精确调节和保持.所研制的激光扩束准直器在三维磁光阱冷原子实验中制备出了满足冷原子干涉实验要求的冷原子团,冷原子团原子数为5×108,温度约为10 μK,并获得了最大上抛高度为1.156 m的原子喷泉飞行时间信号.
    Passive Q-switched Cylindrical Vector Beam Fiber Laser Based on Few Mode Fiber
    WANG Cheng-xin, LU Bao-le, LUO Min, CHEN Hao-wei, BAI Jin-tao
    2020, 49(3):  314003-0314003.  doi:10.3788/gzxb20204903.0314003
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    通过单模光纤和少模光纤熔融拉锥耦合的方法制备出模式转换器,而后将一层多壁的碳纳米管薄膜作为可饱和吸收体覆盖到拉锥光纤的锥区,形成一种可饱和吸收体柱矢量光器件.结合调Q光纤激光器和模式转换器件的优势,可以简单高效地产生脉冲柱矢量光束,并得到具有峰值功率高、模式纯度高等特点的脉冲高阶模式激光输出.通过实验实现了中心波长为1 560 nm、最大单脉冲能量和最大峰值功率分别为116 nJ和57 mW的稳定调Q脉冲输出.通过调节光路中的偏振控制器,可以分别实现径向和角向偏振的调Q脉冲激光的输出.
    Thermo-optic Effect of Optical Microsphere Cavity for Temperature Sensor Research
    LIN Xiao-jun, LIN De-quan, LIAO Ting-di, DUAN Ya-fan, HUANG Yan-tang
    2020, 49(3):  314004-0314004.  doi:10.3788/gzxb20204903.0314004
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    为研究光学微球腔的热光效应,采用1 550 nm波段可调谐激光器和宽带光源两种泵浦源,分别测量了二氧化硅、碲酸盐玻璃微球及其掺杂了稀土离子的微球在激励光功率、环境温度变化时其谐振峰波长的变化量,得到了二氧化硅微球激励功率灵敏度为32.4 pm/mW,温度灵敏度为13.4 pm/℃;铥离子的掺杂使激励功率灵敏度达到48.7 pm/mW,温度灵敏度达到15.2 pm/℃.相应的碲酸盐微球激励功率灵敏度为71.1 pm/mW,温度灵敏度为0.019 1 nm/℃,比光纤光栅温度传感器的灵敏度10 pm/℃大了将近1倍,若掺杂了稀土离子,则高1.1倍.本文研究对微腔在温度传感器方面的应用具有参考意义.
    Fiber Optics and Optical Communications
    Effect Analysis of Embedded Fiber Transmission Performance by Lamination Process
    SHE Yu-lai, ZHOU De-jian, CHEN Xiao-yong, YANG Xu, TU Shan, LAI Hua-jun
    2020, 49(3):  306001-0306001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0306001
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    针对层压工艺下,埋入挠性光电基板的光纤,其应力、位移的变化,会影响光路的耦合效率,改变光纤有效折射率,导致传输性能发生变化的问题,采用有限元分析软件,对光纤埋入不同槽型的挠性光电基板进行了力学、传热和电磁场耦合分析.分析结果表明:光纤埋入梯形槽挠性基板的应力最大,达到68.336 7 MPa.埋入梯形槽的光纤位移量最大,其值为1.430 4 μm.随着槽宽增加,光纤最大等效应力从52.667 MPa增加至71.907 MPa;随着槽间距增加,光纤最大应力从51.589 MPa增加至53.567 MPa;随着槽深增加,光纤最大应力从52.667 MPa减小至47.793 8 MPa,然后增加到67.349 6 MPa.随着温度和压力的增加,单模光纤在X方向的有效折射率从1.446 249 977增加至1.446 259 084;Y方向的有效折射率从1.446 326 398增加至1.446 393 041.光纤有效折射率差会随着温度的增加而增大,随着压力的增加而减小.光纤有效折射率增加,限制光的能力增加,能够有效地减小光纤弯曲损耗.本文分析结果对挠性光电基板光纤埋入结构设计和层压工艺具有一定的参考价值和指导意义.
    Demodulation of Weak Fiber Bragg Grating Using a Double Square Wave and B-spline Wavelet
    DING Peng, HUANG Jun-bin, GU Hong-can, WANG Yun-yun, LIU Wen, TANG Jin-song
    2020, 49(3):  306002-0306002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0306002
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    提出了一种采用双方波信号和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)的方法,并进行了实验验证.单个方波周期设置为相邻WFBG间光纤中激光往返传输的时间,对单个方波进行猝发操作形成双方波,则前WFBG反射的后方波与后WFBG反射的前方波重叠干涉.采用B-样条小波变换降低干涉信号的噪声,利用Hilbert变换对干涉信号进行π/2相移,对原干涉信号和相移后干涉信号比值进行反正切运算,得到干涉信号的相位信息.将间隔为50 m的5-WFBG阵列置于木地板上,分别接收不同振幅和频率的正弦声波,采用上述方法解调的干涉相位信号能较好地反映声波信息.该解调方法解调光路简单,数据处理简单.
    Scale Factor Test of Resonance Fiber Optic Gyroscope Based on Biased Sawtooth Wave
    LEI Ming, FANG Yuan, YU Huai-yong, YANG Yi, XIANG Qiang, ZHANG Li-zhe
    2020, 49(3):  306003-0306003.  doi:10.3788/gzxb20204903.0306003
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    针对转台测试谐振式光纤陀螺标度因数时存在的测试精度受限于转台性能影响的问题,提出一种基于锯齿波等效输入的陀螺标度因数测试方法.通过在相位调制器上叠加锯齿波偏频信号用于模拟角速度输入,分析了实际转台输入和模拟角速度输入下谐振式光纤陀螺闭环传递函数,推导了偏频锯齿波信号参数与实际输入角速度的对应关系,理论证明了其技术可行性.搭建了基于锯齿波偏频的陀螺标度因数测试系统,对研制的陀螺样机进行了标度因数及非线性度测试,基于锯齿波偏频方法测得的陀螺标度因数与实际转台测试结果基本一致,且标度因数非线性度从0.42%优化到0.26%.研究表明基于锯齿波偏频的谐振式光纤陀螺标度因数快速标定测试方法不仅可以精确测得标度因数,还可有效抑制转台振动等环境干扰引入的测量误差.
    Photonic Analog-to-digital Conversion with Differential Encoding Based on Vector Superposition
    YANG Shu-na, LIU Zhi-wei, YANG Bo, ZENG Ran
    2020, 49(3):  306004-0306004.  doi:10.3788/gzxb20204903.0306004
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    提出并验证了一种基于矢量叠加原理对输入射频信号进行差分编码的光子模数转换方案.该方案采用两路不同波长脉冲源通过一个相位调制器对输入射频信号进行调制,调制输出接入延时线干涉仪从而产生两路具有固定相位差的差分调制信号.利用矢量叠加模块对两路差分调制信号的强度进行不同程度的衰减和组合,从而获得系统量化所需的各路传递函数之间的相移量.该方案能够对输入射频信号实现差分编码,有效提高了系统的比特精度.同时该方案结构简单,只需要一个相位调制器,一个延时线干涉仪和一个矢量叠加模块即可构建.另外,各路传递函数之间的相移量是通过衰减两路差分调制信号的强度来实现,避免了传统光子模数转换方案中调制器对温度、环境敏感而引入的相位漂移问题.本文对4比特模数转换系统进行了原理性验证,实验结果证实了基于矢量叠加原理的光子模数转换方案的可行性.
    Optical Design and Fabrication
    An X-ray Detection Technology with Multi-curvature Bent Crystal
    SHI Jun, LI Miao, LUO Lin-dong-ying, WANG Feng, YANG Guo-hong, WEI Min-xi
    2020, 49(3):  322001-0322001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0322001
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    在惯性约束聚变光谱诊断物理实验研究中,晶体衍射后X射线光谱信号较弱,需要高收光效率及宽频谱范围的光谱诊断仪器.在传统锥面弯曲晶体基础上提出变曲率弯晶多能点成像技术,该技术具有宽频谱范围、强聚焦能力、高光谱分辨的特点.在晶体衍射成像结构设计中,由于能够确保成像光线的旋转对称性,因此在原理上可消除传统弯晶X射线衍射成像像差.利用研制的变曲率面石英晶体对钛靶X射线源进行X射线聚焦检测,并与同种材料的平面晶体进行收光效率对比,实验结果表明该变曲率面石英晶体的收光效率可以达到平面石英晶体的100倍,检测X射线能量范围为4.51~5.14 keV.该晶体谱仪结合X射线条纹相机能够检测宽频谱范围的微弱X射线信号,条纹相机探测面可与晶体检测光路方向垂直布局.
    Design of Co-aperture Wide Spectrum Compound Eye Optical System
    CHEN Yang, GAO Ming, HU Xue-lei, ZHANG Xi-bin, JIAO Yang
    2020, 49(3):  322002-0322002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0322002
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    为了扩大复眼光学系统的接收光谱,研究了一种可见光、长波红外复眼光学系统.推导了双波段共焦面方程,建立了子眼系统与接收系统的匹配要求.子眼光学系统的工作波段为0.38~0.78 μm和8~12 μm,焦距为5 mm,相对孔径为1:3,视场为10°.两个波段的子眼系统成像位置均为2.92 mm,相邻的两个中心光轴夹角为4.016°,共650个子眼,合并后的视场为90°.接收系统的焦距为4 mm,视场为80°,相对孔径为1:3.子眼系统和接收系统的图像质量良好,在-40~60℃的温度范围内无热差影响.
    Correction Methods of Adjustment Errors for the Parallel Plate-based Lateral-shearing Interferometer
    ZHOU Jian-biao, ZHANG Mu-yang, LIANG Yan-mei
    2020, 49(3):  322003-0322003.  doi:10.3788/gzxb20204903.0322003
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    对平行平板双光路横向剪切干涉仪的装调进行了研究,提出了一种矫正两个平行平板之间角度误差的方法.输出激光的波前采用Zernike多项式拟合,经过理论推导,发现两个方向差分波前求解出的倾斜像散之差与平行平板的角度误差存在线性关系,利用两个方向倾斜像散之差来矫正两个平行平板之间的角度误差.在平行平板横向剪切干涉仪的装调过程中使两个方向差分波前的倾斜像散之差为零即可以使两个方向的平行平板之间的角度误差值为零.进一步地从实验上证明了这个线性关系,对于所用的实验系统,当离焦像差为-3.224 7±0.001 8,两个方向差分波前的倾斜像散之差波动范围为±2.0×10-3时,平行平板的角度误差可以控制在8.82″之内,高阶像差对平行平板的角度误差调节精度的影响约为1.63″.该方法具有装调简单、精确度高,易于流程化操作的优点.
    Design and Analysis of the Transmitted Inner Focusing Wide Spectrum Optical System
    LIU Zhi-ying, LI Shu-qi, HUANG Yun-hang, FU Yue-gang
    2020, 49(3):  322004-0322004.  doi:10.3788/gzxb20204903.0322004
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    为了在实现系统内调焦的同时保证宽光谱系统的优良像质,通过合理选材对宽光谱光学系统中存在的位置色差以及二级光谱进行校正,并提出了一种内调焦宽光谱光学系统的设计方法.建立内调焦消色差的数学模型,推导系统设计所需满足的公式.结合提出的数学模型与推导出的公式,以焦距为90 mm、F数为2.8、具备内调焦功能的宽光谱光学系统为例进行验证.结果表明,系统可在420~900 nm的宽光谱范围内对0.2~200 km位置内的目标进行色差校正,验证了内调焦宽光谱光学系统设计方法与消色差数学模型的正确性.
    Materials
    Research on High Performance Materials for Oxygen and Temperature Sensing
    CAO Hui-min, ZHU Qian, LI Fa-guang, WU Chao, ZHENG Dong-yun, ZHU Chun-nan
    2020, 49(3):  316001-0316001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0316001
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    本文研究了荧光纳米材料与有机染料结合在多传感领域的应用:将荧光纳米材料CdSe/ZnS与有机染料铂(Ⅱ)四(五氟苯基)卟啉包埋于聚氨酯水凝胶D4,经过水解、缩合获得固体薄膜,来实现氧气浓度和温度的同时检测.利用发射峰在524 nm的CdSe/ZnS荧光纳米材料提供温度传感,氧气传感则是基于发射峰为650 nm的铂(Ⅱ)四(五氟苯基)卟啉的动态猝灭.所制得的薄膜具有良好的光学稳定性,由405 nm的紫外光激发,得到两发射峰互不重叠的光谱.实验结果表明,在氧气浓度(0~30%)和温度(15~67℃)下传感膜能很好地应用于氧气和温度双传感系统,且氧气传感的灵敏系数为9.69×10-4,温度传感系数为-0.003 5(误差在±0.000 2),该技术为新型便携式多传感器提供了可能.
    Enhanced Photoluminescence of Transferred Monolayer MoS2 via Sulfur Vapor Treatment
    WANG Si-yu, XU Ying, LIU Yu-chun
    2020, 49(3):  316002-0316002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0316002
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    采用化学气相沉积法在SiO2/Si衬底上制备了单层MoS2,再通过300℃硫蒸气处理用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)转移下的单层MoS2.使用原子力显微镜、真空荧光检测和拉曼光谱等手段表征了样品的形貌和光致发光性能.结果表明:经过硫蒸气处理转移后的单层MoS2的光致发光强度比由化学气相沉积法制备的未处理的单层MoS2的光致发光强度增强了约5倍.光致发光强度增强是由于在硫蒸气处理过程中,单层MoS2的部分硫空位被硫原子纳米团簇所填补,从而提高了光致发光效率.此外,分别将单层MoS2转移到SiO2/Si衬底、石英、三氧化铝及氟化镁衬底再经过硫处理后,也观察到了类似的荧光增强现象.
    Luminescent Properties and Energy Transfer of Er3+,Cr3+ Co-doped BaAl2Si2O8 Phosphors
    SUN Lan-lan, Yantake·Reziwanguli, WANG Qing-ling, HE Jiu-yang, Sidike·Aierken
    2020, 49(3):  316003-0316003.  doi:10.3788/gzxb20204903.0316003
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    利用高温固相法合成BaAl2Si2O8:Cr3+,Er3+系列荧光粉,研究了Cr3+和Er3+掺杂对BaAl2Si2O8材料发光特性的影响.BaAl2Si2O8:Er3+荧光样品在393 nm激发波长下只呈现出峰值为550 nm的绿色荧光,来源于2H11/24I15/24S3/24I15/2跃迁的叠加.BaAl2Si2O8:Cr3+荧光样品在550 nm激发波长下呈现峰值为694 nm的红色荧光,来源于2E→4A2的跃迁.在共掺杂样品BaAl2Si2O8:Cr3+,Er3+中,用Cr3+激发峰的凹槽处380 nm作为激发光,得到的发射峰不仅有Er3+的发射峰位,还有Cr3+的发射峰位,说明两个离子之间可能存在辐射能量传递;对共掺杂BaAl2Si2O8:1% Cr3+x% Er3+样品的荧光光谱进行测试,随着x的增加,Cr3+的激发和发射光谱强度均有所增加,并且当x=0.5时,光谱强度是原来的4倍.另外,当固定Cr3+的浓度时,随着Er3+的浓度增加,Cr3+的荧光寿命逐渐增加;当固定Er3+的浓度时,随着Cr3+的浓度增加,Er3+的荧光寿命逐渐减小.这些现象表明了Er3+和Cr3+之间存在共振能量传递,通过理论计算得到Er3+和Cr3+之间的能量临界距离为4.5 nm,属于电偶极-电偶极相互作用.
    Spectroscopy
    Multi-channel Raman Spectral Reconstruction Based on Gaussian Kernel Principal Component Analysis
    WANG Xin, KANG Zhe-ming, LIU Long, FAN Xian-guang
    2020, 49(3):  330001-0330001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0330001
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    针对多通道拉曼成像系统常会受荧光背景、噪声等非线性因素的影响而导致拉曼光谱重建结果一般的问题,提出了一种基于高斯核主成分分析的拉曼光谱重建算法.首先利用相似度因子对标定样本数据集进行预处理,其次通过高斯核函数将标定样本以非线性形式映射至高维特征空间,接着在特征空间中对映射后的数据集提取基函数并通过伪逆法求得与之对应的基函数系数.使用聚甲基丙烯酸甲酯作为测试样本,并引入均方根误差来评估拉曼光谱重建结果的准确性.实验结果表明,相比传统的伪逆法与维纳估计法,该算法具有更高的重建精度及抗噪能力,且能有效降低标定样本中不良数据和成像系统中非线性因素对拉曼光谱重建的影响.因此,该算法可以为多通道拉曼快速成像提供一种有效的拉曼光谱重建算法.
    Detection Method of Dissolved Oxygen Concentration in Water Based on Single Source Frequency Domain Fluorescence Lifetime
    CHEN Peng, ZHAO Zhi, ZHAO Dong-dong, HAN Yang-yang, LIANG Rong-hua
    2020, 49(3):  330002-0330002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0330002
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    现有的光学溶解氧浓度检测方法中光路及电路结构复杂,本文提出了一种单路光源的频域荧光寿命的溶解氧检测方法.采用单路光源的光学结构实现水体溶解氧浓度的检测,简化了光路及电路结构,改进了溶解氧浓度检测算法,降低了整体检测过程的计算量.设计对比实验对方法进行验证,实验结果表明:单光源的频域荧光寿命的检测方法与DOP1光学溶解氧分析仪相比,在0~9 mg/L范围内,实际检测误差降低至0.04 mg/L;衡量稳定性的检测标准偏差为0.007 mg/L,同比降低了36%;采用快速傅里叶变换以及改进的溶解氧浓度计算方法,配合优化的电路及光路结构,在达到90%稳态时响应时间平均缩短了12 s,浓度上升和下降时的响应速度分别提升为40%和28%.该方法具有较好的检测精度、稳定性以及响应速度.
    A Measurement Method Based on Characteristic Spectral Parameter for Determining Junction Temperature of LED
    JIANG Fu-chun, HE Si-yu, LIU Yuan-hai, LIU Wen, CHAI Guang-yue, ZHAO Zhi-gang, LI Bai-kui
    2020, 49(3):  330003-0330003.  doi:10.3788/gzxb20204903.0330003
    Asbtract ( 189 )   HTML ( )   PDF (1934KB) ( 37 )  
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    针对采用蓝光激发荧光粉产生白光的YAG型白光LED,通过分析其光谱波谷特性,采用常规可见光光谱仪和温控系统设计了一套基于光谱特征参量的LED结温测试系统.测量方法分为定标函数的测定和任意状态下的测量两部分.首先采用光谱仪测量在给定的多个不同结温和正常驱动电流下的相对发光光谱数据,再分析其光谱波谷处的相对光谱强度.从实用性和降低成本的角度考虑,采用正常工作电流驱动,但以正常工作电流驱动下的LED在光谱仪的固定反应时间内其自加热效应不可忽略.因此采用选定基准状态法,将各温度下的相对发光光谱强度与基准状态下的逐点作差得到相应的发光光谱强度差,同时为了减少温控系统引入的温度偏差,同样将各温度与基准温度作差得到相应的结温差.实验表明高低色温大功率LED的结温差和发光光谱强度差经过一定的函数拟合形成的定标函数其线性度都较高,R2达到0.99以上;利用定标函数,可以测量出在任意状态下的LED结温.最后将采用本方法得出的高低色温LED在不同条件下的结温数据与通过Mentor Graphics公司的T3Ster仪器的测量结果进行了比较,最大偏离度为2.82%,在可接受的误差范围内,表明此方法完全具备可行性,具有一定的实用价值.
    Atmospheric and Oceanic Optics
    Numerical Model and Verification of Anisoplanatic Imaging Based on Time-varying Phase Screens
    JIANG Ji-song, JIANG Ai-min
    2020, 49(3):  301001-0301001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0301001
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    基于多层薄相位屏光传输理论,建立了包含光传输过程、大气分层、相位屏实时连续变化、太阳扩展目标非等晕成像的数值模型,并从相位结构函数、大气相干长度及等晕角等方面进行了分析验证.在H-V 5/7和H-V 10/10两种强弱湍流模型下,大气相干长度及等晕角的绝对误差分别在0.02 m和0.3″以内.结果表明,建立的非等晕成像数值模型在时间和空间上的统计特性符合实际应用需求,为研究非等晕误差在太阳稳像及自适应光学系统中的影响提供了可靠的模型支持.
    Analysis of Total Columns of Greenhouse Gas Based on Direct Observation and Comparison with Satellite Data in Hefei
    LIU Dan-dan, HUANG Yin-bo, CAO Zhen-song, LU Xing-ji, SUN Yu-song, TU Qian-si
    2020, 49(3):  301002-0301002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0301002
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    利用地基傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了合肥地区H2O、CO2、CH4及CO四种气体分子的柱浓度.观测结果表明:合肥地区XH2O、XCO2在测量期间变化较大,H2O和CO2的变化幅度分别为1 353.17~5 289.43 ppm及409.22~415.05 ppm;XCH4和XCO两种气体分子的变化较小,其标准差均在10-2数量级;XH2O、XCO2、XCH4和XCO的平均值分别为2 109.10 ppm、411.59 ppm、1.87 ppm及0.13 ppm.将地基观测数据XCO2、XCH4分别与WACCM模式、GOSAT卫星数据进行了对比分析.结果表明,WACCM模式计算XCO2、XCH4的浓度比较稳定,仅在平均值附近有微幅变化,GOSAT卫星观测值略低于地基EM27/SUN的观测值,XCO2、XCH4相对偏差分别为0.45%和0.34%.利用GOSAT卫星数据分析了2010~2018年春季XCO2与XCH4的变化趋势,发现XCO2值从390.83 ppm增加到410.30 ppm,相对增长率为4.9%;XCH4值从1.802 ppm增加到1.869 ppm,相对增长率为3.7%.其结果可为追踪合肥及周边地区温室气体的源与汇提供科学依据.
    Optoelectronics
    Measurement of Quantum Yield and Image of Microchannel Plate in Near Ultraviolet Band
    LI Xiao-feng, CHANG Le, QIU Yong-sheng, WU Yong-xiang, LI Yong-chun
    2020, 49(3):  325001-0325001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0325001
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    提出了一种通过测量微通道板输出电流及增益来计算光电流,从而测量出微通道板量子效率的方法,并用该方法测量了微通道板在近紫外(200~380 nm)的量子效率.测量结果表明,微通道板的量子效率很低,并且随波长增加而快速下降,200 nm波长处的量子效率为10-4数量级,320 nm波长处的量子效率为10-8数量级,大于340 nm波长处的量子效率极低且趋近于零.微通道板及荧光屏组成的成像器件可以对酒精灯火焰成像,但图像较稀疏,而传统Cs2 Te光电阴极紫外成像器件的图像却较密实,这与微通道板量子效率低,Cs2 Te光电阴极量子效率高的情形一致.在该成像器件的前端放置一片350 nm波长的高通滤光片后,所成的酒精灯火焰图像消失.对被照射目标成像时,如果照射光源为254 nm的汞灯,则可以成像;但如果照射光源为365 nm汞灯,则不能成像.说明微通道板的光谱响应主要在350 nm波长以下,与其量子效率的测量结果一致.最后测量得到该成像器件的分辨力为32 lp/mm,与传统Cs2 Te光电阴极紫外成像器件的分辨力相同.微通道板及荧光屏组成的成像器件由于不使用光电阴极,具有价格低、寿命长且可靠性高的优点,因此可在紫外信号较强或成像距离较短的条件下使用.
    Study on the Improvement of Input Signal Utilization of MCP
    LI Xiao-feng, LI Ting-tao, ZENG Jin-neng, CHANG Le, CHEN Chao
    2020, 49(3):  325002-0325002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0325002
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    分析了微通道板输入信号损失的原因,提出了在微通道板输入端镀制绝缘层,从而提高微通道板输入信号利用率的方法,并进行了试验.试验结果表明:在微通道板输入端镀制一层15nm的绝缘层,可以提高微通道板输入信号的利用率,从而提高微通道板的增益.绝缘层的二次电子发射系数越高,微通道板输入信号的利用率越高,增益提高的比例越大.对SiO2膜层而言,可以提高12%左右;对Al2O3膜层而言,可以提高35%左右.在微通道板增益提高的同时,像增强器的分辨力和调制传递函数会降低,并且绝缘层的二次电子发射系数越高,分辨力和调制传递函数降低的比例越大.但微通道板分辨力和调制传递函数降低的比例远低于增益提高的比例.本文提出的提高微通道板输入信号利用率的方法具有一定的实用性,可以推广使用.
    Image Processing
    Deep Sea Image Enhancement Method Based on the Active Illumination
    DENG Xiang-yu, WANG Hui-gang, ZHANG Yong-qing
    2020, 49(3):  310001-0310001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0310001
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    为了改善主动光在水下传播过程中由散射与吸收效应导致的深海图像对比度低下以及颜色失真问题,提出一种水下图像增强算法.不同于传统方法利用最亮点的强度值作为背景光,提出基于物体与背景光非相关性的背景光估计方法,有效避免了前景处的亮像素或白色物体像素对背景光的误判,同时确保了去散射的精确性,提高水下图像的对比度;针对人造光源的颜色增益和光路衰减导致的图像色偏等问题,在去散射图像上选取离光源最近的灰色像素,利用其对光源的敏感性,将光照强度分离出来.最终,通过估计并去除光源本身的颜色增益,同时补偿光在传播过程中的损失,实现图像的颜色校正.实验结果表明,所提算法可以有效去除水下图像的散射效应,较好地恢复图像色彩,进而获得较优的增强图像.相比于其他算法,增强后的图像信息熵和水下图像质量评价指标值较高,说明该算法能显著提升水下图像的质量,同时保留图像有用信息.
    Multiple Image Encryption Method Based on Light Field Imaging Theory and Chaotic System
    HAN Si-min, ZHANG Wei, ZHANG Xiang, WEI Xiao-xiao, WAN Xin-jun
    2020, 49(3):  310002-0310002.  doi:10.3788/gzxb20204903.0310002
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    针对现有光学加密方法对加密系统要求高、受器件性能限制、加密效率低、解密图像易失真的局限性,提出一种基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法.该方法利用混沌系统随机生成光场成像系统的个数与系统参数,并在计算机中构造出相应的多个光场成像系统;将多幅待加密图像拼接后置于光场成像系统中依次计算得到光场图像,通过提取光场图像的多幅子孔径图像并进行拼接,实现多幅图像的快速加密.解密过程为加密过程的逆过程.该方法将计算成像的方式引入加密过程,使加密不受硬件条件的限制,易于实现.实验结果表明,提出的算法密钥复杂度低,易于传输;对噪声有较好的鲁棒性,密钥空间大,密钥敏感度高,安全性好;加密效率高,解密图像无损失.在需要大量图像进行安全传输的领域具有广泛的应用前景.
    Underwater Optical Image Enhancement Based on Dominant Feature Image Fusion
    LIN Sen, CHI Kai-chen, LI Wen-tao, TANG Yan-dong
    2020, 49(3):  310003-0310003.  doi:10.3788/gzxb20204903.0310003
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    针对水下光学图像颜色失真、非均匀光照、对比度低的问题,提出基于优势特征图像融合的水下光学图像增强算法.首先,提出改进的暗通道先验算法去除退化图像中的不均匀浑浊并均衡色彩;其次,对颜色校正图像分别使用基于加权分布的自适应伽玛校正算法和限制对比度自适应直方图均衡-同态滤波算法,增强颜色校正图像对比度并使其亮度均衡;最后,定义三幅融合图像即颜色校正图像、亮度均衡图像、对比度增强图像的关联权重图,通过多尺度融合算法获得融合图像.与单一预处理算法只能解决对应的退化现象相比,该算法对单幅退化图像进行多算法处理,得到三幅优势特征图像,通过不同权重的组合最大程度地将各优势特征相结合,得到的综合效果远超各单一算法优化效果,不再局限于解决颜色失真等单一问题.将本文算法与现有算法在主观评价和客观评价两方面进行实验对比,结果表明,该算法可以有效平衡水下图像的色度、饱和度及清晰度,视觉效果接近自然场景下的图像.
    Diffraction and Gratings
    A Strip Sub-wavelength Radial Polarization Grating
    XU Yu-ting, XU Qi-feng, SONG Qian-yun, HUANG Yi-fan
    2020, 49(3):  305001-0305001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0305001
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    提出并设计了一种条形亚波长铝金属径向偏振光栅,用电子束直写方法制成,可以将偏振光偏振面的旋转直接转换为光斑的水平移动,通过定位光斑位移实现旋光角的测量.光栅由12 000个单元水平排列组成,每个单元宽1 μm,中心单元的格栅方向为0°,左右相邻单元的格栅分别按逆时针和顺时针方向依次旋转30″,最终实现±50°旋光角的测量范围.基于琼斯矩阵建立了光栅的理论模型,并运用严格耦合波理论分析了光栅的偏振特性与光栅脊厚、周期、占空比、入射光波长之间的关系,确定了光栅的最优结构.实验与仿真结果表明,光栅TM波的透过率大于80%、整体消光比大于26 dB.这一测量模式不受光功率波动的影响,可以构成无机械旋转的新型旋光仪,或不需要旋转图像平移转换的电力光学传感器.
    Physical Optic
    Polarization-controlled Optical Switch Based on Surface Plasmon
    LI Gang, GUAN Wen-jun, ZHANG Yan-jun, LIU Yan-li, HOU Yu-long, SHAN Yan-hu, ZHANG Zhi-dong, ZHANG Bin-zhen, XUE Chen-yang
    2020, 49(3):  326001-0326001.  doi:10.3788/gzxb20204903.0326001
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    利用四个Au纳米棒组成的类矩形纳米棒四聚体结构设计了一种基于偏振态控制的光开关,并采用有限元法研究了该结构对入射光偏振态的响应特性.研究发现,该结构的透射光谱对入射光的偏振方向具有很强的依赖性,当入射光的偏振角度变化π/2时,其特征峰的开关比分别能达到27.81 dB和21.65 dB.分析表明,该结构的开关效应主要由不同偏振态下所导致的水平双纳米棒和竖直双纳米棒之间的近场耦合强度不同而实现,该结构透射系数与偏振角度的关系服从Malus law.此外,通过改变类矩形纳米棒阵列结构参数,研究了结构参数对其光开关响应特性的影响.在此基础上,通过改变阵列的周期参数,研究了入射光水平偏振和垂直偏振下周期参数对单元结构透射光谱的影响.该研究结果能够为可调谐双波长偏振光开关的设计提供理论依据.