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2021年  第50卷  第11期

特约专栏-微腔光子学材料与器件前沿技术
集成微腔光频梳在精密测量中的应用(特邀)
陈豪敬, 肖云峰
2021, 50(11): 20210560. doi: 10.3788/IRLA20210560
[摘要](643) [HTML全文] (176) [PDF 993KB](183)
精密测量是现代物理学的基石,而激光光源的发展直接推动了测量科学与技术的进步。21世纪初,光学频率梳的发明促使人们成功实现最精准的时间/频率标准装置——光学原子钟,推动了绝对光学频率测量、基本物理常数测量、精密距离测量以及分子光谱测量等精密测量技术的发展。然而早期的光梳光源系统复杂、价格昂贵,一般工作于大型实验室里,限制了其应用场景的拓展。近年来,出现了一种新型集成微腔光频梳,其具有体积小、功耗低、可批量制备等优势,吸引了科学界和产业界的广泛关注。不同于传统光梳,这种集成微腔光梳不需要依赖增益介质或可饱和吸收体实现锁模,而是通过高品质因子微腔增强的非线性作用来实现光梳的激发与锁模。这种全新的光梳激发与锁模机制降低了精密光源的体积和成本,在平民化精密测量应用中具有优势。文中介绍了集成微腔光梳在精密测量领域中取得的进展,主要围绕微型化光学原子钟、超快精密距离测量、精密光谱测量三个方向。最后对集成微腔光梳在未来精密测量应用中的机遇与挑战进行了总结与展望。
拓扑激光器研究进展(特邀)
闫赛, 谢昕, 许秀来
2021, 50(11): 20210506. doi: 10.3788/IRLA20210506
[摘要](672) [HTML全文] (221) [PDF 1544KB](165)
随着拓扑光子学的发展,对缺陷、微扰等具有鲁棒性的拓扑边缘态、拓扑角态的发现革新了半导体激光器,并且推动了拓扑激光器的发展。首先,回顾了近几年拓扑激光器的发展历程,以及不同拓扑激光器的原理;其次,分析了各类拓扑激光器的最新实现,并且解释了拓扑边缘态、拓扑角态的基础物理。在这些实验中,拓扑激光器的模式是由介质结构决定,并通过光学增益来激发激光。分析表明拓扑角态相比于拓扑边缘态具有强局域性、小模式体积,因此基于拓扑角态的拓扑激光器更高效,阈值更低,这为未来的光子集成芯片提供了可能;最后,展望了拓扑激光器面临挑战和潜在的应用方向,有助于探索更实用的拓扑激光器。
基于卤化物钙钛矿的法布里-珀罗微腔中激子极化激元(特邀)
朱卓亚, 张帅, 杜文娜, 张青, 刘新风
2021, 50(11): 20210619. doi: 10.3788/IRLA20210619
[摘要](530) [HTML全文] (176) [PDF 1952KB](122)
当激子与腔光子间的相互作用强于激子和腔光子的衰减时,激子能级与腔模之间产生强耦合,形成的准粒子被称为激子极化激元。激子极化激元有效质量小,同时具有较强的非线性,在慢光和低功耗发光器件等方面具有巨大的应用前景。传统Ⅲ-Ⅴ族无机半导体材料激子束缚能较弱,而有机半导体材料非线性系数较小等问题限制着室温条件下激子极化激元的应用。卤化物钙钛矿材料具有高吸收系数、长扩散长度、高缺陷容忍度以及低非辐射复合率等一系列优异的光电性质,并且具有高的激子束缚能和振子强度,成为研究光与物质强相互作用的理想材料。文中从卤化物钙钛矿结构和法布里-珀罗(Fabry-Pérot, F-P)微腔类型两方面介绍了近年来卤化物钙钛矿与F-P微腔强耦合在激子极化激元方面的研究进展。首先回顾了极化激元的研究背景和卤化物钙钛矿的基本光电特性,其次介绍了三维钙钛矿和二维层状钙钛矿各自的特点以及与F-P微腔强耦合的相关研究,随后对钙钛矿的自构型和非自构型F-P微腔激子极化激元的调控与相关应用进行了讨论,最后总结和展望了卤化物钙钛矿激子极化激元面临的挑战以及未来研究方向。
垂直腔的光场调控及其应用(特邀)
刘安金, 张靖, 赵少宇
2021, 50(11): 20210425. doi: 10.3788/IRLA20210425
[摘要](356) [HTML全文] (174) [PDF 1426KB](110)
垂直腔是激光器、探测器、滤波器、传感器等器件的核心结构,垂直腔的光场分布对激光器、滤波器、传感器等的性能具有重要的影响。垂直腔的结构影响垂直腔的光场分布,从而影响基于垂直腔的器件设计、制作以及其性能。近年来,人们围绕垂直腔的构建及其光场调控做了大量的研究,在理论基础以及器件应用等方面取得了显著进展。首先,介绍了传统上/下分布布拉格反射镜垂直腔的色散特性,和其光场调控的方法以及它们在激光器和滤波器等领域的应用;其次,介绍了基于一维和二维高折射率差亚波长光栅基复合腔的色散特性,和它们在新型激光器和单片集成多波长滤波器阵列等领域的应用;最后,对文章进行总结并展望了垂直腔的新应用。
腔光力系统中声子的朗道-芝诺-斯塔博格干涉(特邀)
谌成渝, 龚志诚, 毛添华, 袁泉, 李勇, 付号
2021, 50(11): 20210521. doi: 10.3788/IRLA20210521
[摘要](266) [HTML全文] (133) [PDF 1342KB](44)
微纳机械振子被认为是一种发展片上信号处理器件的理想平台,可以将各种不同的物理场转换为振动声子,实现基于声子的片上信息处理。其中,控制声子在不同机械振子间的传输是实现声子信息处理的关键。通过将两个机械振子耦合构造两模机械系统,目前虽然已经实现了不同杂化模式间声子的相干传输,但是依然缺乏直接调控两个独立机械振子有效耦合强度的方法。为此,文中在腔光力系统中开发了基于朗道-芝诺-斯塔博格(Landau-Zenner-Stückelberg,LZS)干涉的相干声子操控方法。在利用光学囚禁作用调控两个机械振子振动模式杂化的基础上,通过对囚禁光进行调制施加参量驱动场,使得系统周期性地穿过免交叉点实现了声子的LZS干涉。研究表明:在满足共振条件下,利用LZS干涉可以实现声子在两个独立机械振子间的相干传递。笔者的研究为实现声子信息在实空间的高效传递提供了一个有效途径。
铌酸锂薄膜微腔激光器研究进展(特邀)
罗强, 薄方, 孔勇发, 张国权, 许京军
2021, 50(11): 20210546. doi: 10.3788/IRLA20210546
[摘要](512) [HTML全文] (206) [PDF 2237KB](171)
绝缘体上铌酸锂薄膜凭借铌酸锂晶体优异的光学性能和薄膜器件的易加工和可集成特性,被视为理想的集成光学平台。除了波导、调制器等传输、控制器件方面的研究之外,最近铌酸锂薄膜激光器的研究也取得了显著的进展。文中将对最近迅速发展的铌酸锂薄膜微腔激光器的研究现状进行综述。首先,介绍铌酸锂晶体和铌酸锂薄膜稀土离子掺杂的主要技术方案,以及近期有关于稀土离子掺杂铌酸锂薄膜微纳光学器件制备方面的探索;其次,总结近年来掺铒铌酸锂薄膜微盘腔、微环腔激光器方面的研究进展;然后,阐述微腔激光器体系几种常见的实现单模激光器方法的工作机理,介绍研究者们利用“游标效应”调制模式损耗等方式实现掺铒铌酸锂薄膜单模激光器的研究进展;最后,基于目前报导的铌酸锂薄膜激光器研究成果,对目前研究存在的局限性以及未来的研究方向进行了探讨。
基于超高Q值氟化镁晶体微腔的克尔光频梳产生研究
王梦宇, 范乐康, 吴凌峰, 卢志舟, 刘波, 郭状, 谢成峰
2021, 50(11): 20210481. doi: 10.3788/IRLA20210481
[摘要](572) [HTML全文] (182) [PDF 1406KB](106)
克尔光频梳具有等距分布的梳状光谱结构,在精密测量、光钟、相干光通信、微波和光学任意波产生、光谱学及天文光谱仪校准等方面有着重要的应用。首先,微腔光频梳与其他光频梳系统相比,具有集成性高、体积小、功耗低的优势,大大扩展了光频梳的应用;其次,通过超精密加工方法制备了品质因子Q值达到了4.8×107的氟化镁微腔,并且得到了干净规律、排列规则的谐振谱,自由频率范围为9.73 GHz,为产生低重复频率光频梳提供了条件;最后,根据实验结果结合Lugiato-Lefever方程分析了氟化镁微腔光频梳的产生过程,研究了泵浦功率对光频梳的影响,通过调整失谐参数得到了孤子态光频梳。并且通过色散调控优化了微腔的光场模式,为产生具有超光滑光谱的孤子光频梳创造了先决条件,提升了光频梳性能。
红外技术及应用
非故意掺杂吸收层InP/InGaAs异质结探测器研究
曹嘉晟, 李淘, 王红真, 于春蕾, 杨波, 马英杰, 邵秀梅, 李雪, 龚海梅
2021, 50(11): 20210073. doi: 10.3788/IRLA20210073
[摘要](451) [HTML全文] (137) [PDF 1897KB](58)
为了获得低噪声铟镓砷(InGaAs)焦平面,需要采用高质量的非故意掺杂InGaAs(u-InGaAs)吸收层进行探测器的制备。采用闭管扩散方式,实现了Zn元素在u-InGaAs吸收层晶格匹配InP/In0.53Ga0.47As异质结构材料中的P型掺杂,利用扫描电容显微技术(SCM)对Zn在材料中的扩散过程进行了研究,结果表明,随着扩散温度和时间增加,p-n结结深显著增加,u-InGaAs吸收层材料的扩散界面相比较高吸收层浓度材料(5×1016 cm−3)趋于缓变。根据实验结果计算了530 ℃下Zn在InP中的扩散系数为1.27×10−12 cm2/s。采用微波光电导衰退法(μ-PCD)提取了InGaAs吸收层的少子寿命为5.2 μs。采用激光诱导电流技术(LBIC)研究了室温下u-InGaAs吸收层器件的光响应分布,结果表明:有效光敏面积显著增大,对实验数据的拟合求出了少子扩散长度LD为63 μm,与理论计算基本一致。采用u-InGaAs吸收层研制的器件在室温(296 K)下暗电流密度为7.9 nA/cm2,变温测试得到激活能Ea为0.66 eV,通过拟合器件的暗电流成分,得到器件的吸收层少子寿命τp约为5.11 μs,与微波光电导衰退法测得的少子寿命基本一致。
Temperature dependency of InGaAs/InP single photon avalanche diode for 1 550 nm photons
Wang Shuai, Han Qin, Ye Han, Geng Liyan, Lu Ziqing, Xiao Feng, Xiao Fan
2021, 50(11): 20210453. doi: 10.3788/IRLA20210453
[摘要](463) [HTML全文] (153) [PDF 1134KB](90)
Single-photon detectors for the near-infrared wavelength region are receiving widespread attention in an increasing number of photon counting applications. In fields such as quantum information processing, quantum communication, 3-D laser ranging (LiDAR), time-resolved spectroscopy, etc. An InGaAs/InP single photon avalanche diode (SPAD) was designed and demonstrated to detect 1 550 nm wavelength photons in this paper. The SPAD has a separate absorption, grading, charge and multiplication region structure (SAGCM) with single photon sensitivity when working in Geiger-mode. The characterization of the SPAD include breakdown voltage, dark count rate, single photon detection efficiency and after pulse probability as functions of temperature from 223 to 293 K. The 25 μm diameter SPAD shows certain temperature dependency, with breakdown voltage dependence of approximately 100 mV/K. Operating at 223 K and in Geiger-mode, the SPAD achieves a photon detection efficiency of 21% at 1 550 nm with a dark count rate of 4.1 kHz and a after pulse probability of 3.29%. The source and physical mechanism of the photon detection efficiency, dark count rate and after pulse probability of the SPAD with temperature dependency were also analyzed and discussed. The mechanism analysis, discussion and calculation can provide more theoretical basis and support for the design and fabrication of SPAD.
高帧频宽温度范围红外点源干扰装置设计
李延伟, 高清京, 魏浩东, 李江涛
2021, 50(11): 20210218. doi: 10.3788/IRLA20210218
[摘要](218) [HTML全文] (64) [PDF 1502KB](34)
针对机动性能好、突防能力强的红外成像制导系统,利用极薄金属片可以快速加热升温与自然降温的特性,提出了一种适用于末制导阶段的新型红外干扰方法。建立了金属片加热升温及自然降温过程的数学模型,确定了金属片结构形式及材料特性;设计了结构简单、密封环境良好的红外点源干扰装置。试验结果表明:金属片优选2 μm厚的镍片,其加热时间为50 ms (500~1 000 ℃),自然降温时间为75 ms (1 000~500 ℃),可以满足帧频要求(10 Hz);并实现了温度规律性的周期变化。分析与试验结果证实了红外点源干扰装置能够模拟红外辐射特性的快速变化,可为末制导阶段干扰提供一种新思路。
收扩喷管设计对双S形二元排气系统气动与红外特征的影响
王宇恒, 吉洪湖, 程稳, 李基权
2021, 50(11): 20210084. doi: 10.3788/IRLA20210084
[摘要](209) [HTML全文] (105) [PDF 1980KB](25)
为了研究双S形二元收扩排气系统的气动与红外辐射特性,基于一个基准加力型轴对称排气系统,设计了三种带正尾向全遮挡收扩喷管的双S形二元排气系统模型,通过数值模拟研究了喉道与出口的中心线偏径比差,(S8S9)/D=0.26~0.3,和喉道至出口的宽度扩张比,(W9W8)/D=0.1~0.36,对排气系统气动与红外特征的影响。结果表明:所设计的三种双S形二元收扩排气系统,相比基准轴对称排气系统,在尾向0°~15°角域内红外辐射强度平均降幅在73.4%以上,在上方、下方和侧方90°探测角降幅在60.3%以上,红外辐射强度降幅随(S8S9)/D的减小而上升,随(W9W8)/D的增大而上升,且对(S8S9)/D的敏感较高。三种排气系统的推力系数随(S8S9)/D与(W9W8)/D的降低而上升。
中波红外集成偏振光栅结构参数对偏振性能影响仿真分析
王伟平, 于佳睿, 胡小燕, 赵少宇
2021, 50(11): 20210132. doi: 10.3788/IRLA20210132
[摘要](395) [HTML全文] (139) [PDF 1611KB](68)
中红外集成偏振焦平面探测技术将偏振探测技术与中波红外焦平面成像探测技术融合,通过异质集成的方式实现偏振光栅和探测器的单片集成,具有体积小、质量轻,机械稳定性高等优势,可实现多偏振方向的同时成像。像元级的亚波长金属光栅可实现不同偏振方向的高消光比,然而金属材料的选择、光栅的周期、占空比、厚度等参数均会影响偏振探测器的偏振性能。给出了亚波长金属光栅的理论分析,建立了中波红外集成偏振HgCdTe探测器的偏振性能仿真模型,对不同光栅参数对探测器偏振性能影响进行了仿真分析,确定了Al光栅周期200~400 nm,占空比0.5~0.7,厚度>100 nm的参数选择。仿真分析得到在±14°入射角范围内,偏振消光比变化较小。同时,引入了Si基HgCdTe探测器,仿真分析了SiO2增透膜厚度对偏振消光比的影响,确定了SiO2最佳厚度在500 nm附近,对Si基和CdZnTe衬底集成偏振HgCdTe探测器的消光比进行比对,得出了Si基探测器偏振性能更优。仿真结果可为中波红外集成偏振HgCdTe探测器偏振光栅的设计提供理论指导和参考。
单光子探测InGaAs雪崩焦平面像素级高分辨率低误码时间数字转换电路
刘煦, 李云铎, 叶联华, 黄张成, 黄松垒, 方家熊
2021, 50(11): 20210009. doi: 10.3788/IRLA20210009
[摘要](336) [HTML全文] (137) [PDF 2579KB](54)
单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景,InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度,通过计量光子飞行时间实现距离探测,时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度,是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路(Time to Digital Converter, TDC),采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享,基于压控延迟链(Voltage Control Delay Line, VCDL)分相时钟实现亚纳秒计时;中高段位每个像素独享,中段位采用分频计数器降低时钟频率,降低阵列整体功耗,高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 µm CMOS工艺流片,实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns,积分非线性−0.4~0.6 LSB,微分非线性−0.4~0.4 LSB,TDC转换单调,有效量程位数13位,20 kHz帧频功耗380.5 mW。
基于主成分-层次分析的红外抗干扰评估方法研究
吴鑫, 伍友利, 牛得清, 刘同鑫, 蔡宇轩, 许瑞
2021, 50(11): 20210060. doi: 10.3788/IRLA20210060
[摘要](293) [HTML全文] (94) [PDF 1268KB](33)
为了提高红外抗干扰评估的客观性以及准确性,针对层次分析法评估红外抗干扰能力过程中构建判别矩阵主观因素过强的问题,提出了一种基于主成分-层次分析(analytic hierarchy process, AHP)的红外抗干扰评估方法。首先利用主成分分析(principal component analysis, PCA)法求解指标之间的相关系数矩阵,提出平均影响度这一指标;然后通过平均影响度大小,根据既定的调整规则调整判别矩阵;最后利用红外抗干扰仿真数据,结合调整后的判别矩阵进行层次分析,建立主成分-层次分析红外抗干扰评估模型。仿真结果表明:该模型可以较好地评价相应干扰环境下红外对抗的评估结果,使得对抗结果与评估打分呈负相关且打分结果以均线E=1.0为界,导弹命中则评估结果均在均线以上,可以较为直观地观察在该对抗条件下的红外抗干扰评估结果。
A high performance TDI readout circuit for scanning type infrared sensor
Wang Zhenxiang, Hu Kai
2021, 50(11): 20210072. doi: 10.3788/IRLA20210072
[摘要](293) [HTML全文] (78) [PDF 1562KB](41)
With the increased demand for long-range imaging systems such as remote sensing and satellite imaging, scanning type infrared sensors have been deployed extensively. To alleviate the problem of relatively poor SNR that would affect the image quality, a readout circuit with a time-delayed integration (TDI) technique was proposed and described. The readout circuit consisted of capacitor trans-impedance amplifier (CTIA) pixel circuits, paralleled TDI stages, multiplexer, and output buffer. CTIA based analog front-end circuit with optional gain and less than 0.3% nonlinearity was designed for processing large range photocurrent. The chip was manufactured with a 0.35 μm CMOS process and occupied an area of 1.3 mm×20 mm. With the 5 V power supply, the power consumption was less than 60 mW. To evaluate the function of the 1024×3 TDI readout circuit, different voltages were injected into three terminals and the output from the TDI stage was captured. The measurement results validate the proposed design successfully.
激光器与激光光学
百瓦级PCFA/LBO倍频绿光皮秒激光器
陈晖, 白振旭, 王建才, 张丙元, 白振岙
2021, 50(11): 20200522. doi: 10.3788/IRLA20200522
[摘要](416) [HTML全文] (89) [PDF 1118KB](68)
具有高平均功率的皮秒级脉冲激光在工业加工、空间探测等领域具有重要的应用。但是锁模产生的皮秒种子光因脉冲宽度窄、单脉冲能量低,难以直接通过传统的行波放大实现功率的高效提升,因此也限制了输出脉冲的非线性频率转换效率。文中通过光栅啁啾脉冲展宽器和狭缝,将中心波长为1030 nm、脉冲宽度7 ps、重复频率52 MHz的光纤锁模种子光脉冲宽度展宽至32 ps,且将其光谱宽度控制在1.1 nm,利用两个空气包层光子晶体光纤放大器将功率放大至190 W。最后通过温度相位匹配LiB3O5 晶体实现了平均功率为103.1 W的绿光皮秒脉冲输出,光束质量因子1.17,二次谐波转换效率54.3%。
Simulink仿真指导放电准分子激光长脉宽的实验探究
刘冬生, 梁勖, 林颖, 徐一帆, 方晓东
2021, 50(11): 20210022. doi: 10.3788/IRLA20210022
[摘要](284) [HTML全文] (88) [PDF 1603KB](30)
针对医疗用308 nm准分子激光器长脉宽的实际需求,提出Simulink仿真模型指导延长激光脉宽的方案,并进行实验研究。首先建立并验证了典型准分子激光器放电激励回路仿真模型的有效性,其次基于脉冲形成网络原理建立4级LC峰化回路的放电激励模型,并进行了具体的激光器结构设计和参数选择。对一台储能电容为60 nF,工作电压范围在20~29 kV的308 nm准分子激光器进行实验,通过改变激励回路的结构和参数,激光脉宽由30 ns延长到60 ns,且当储能电容电压值为28 kV时,输出能量达407 mJ,激光脉冲能量的转移效率由典型结构的1.531%提高至1.73%,实现了放电激励308 nm准分子激光长脉冲输出条件下的高能量转移率,验证了Simulink仿真模型的有效性和指导意义,为实用化长脉宽准分子激光的设计和应用提供基础。
激光多普勒移频特性研究
曹康, 姜成昊, 朱精果, 杜鹃, 乔治, 叶征宇
2021, 50(11): 20210116. doi: 10.3788/IRLA20210116
[摘要](394) [HTML全文] (172) [PDF 1394KB](70)
为了提高激光多普勒测速系统的性能,增强系统与应用场景适配性,文中对比电光和声光两种主要移频器件的特点,从器件移频原理出发,提出了简化频率变换关系的分析方法,从理论上研究激光多普勒测速系统中两种器件产生的移频特性,搭建铌酸锂电光调制和声光移频全光纤激光测速系统链路,将测试频率特征与理论特征进行对比研究,提出一种新型声电混合调制激光多普勒测速系统。结果表明,该新型系统兼具声光移频测速系统可测量运动目标运动方向、运动速度,完成电光调制测速系统多频率校正的特点,频率测量相对误差较小,动态范围大。通过研究两种移频方式对频率特性,为设计高性能激光多普勒测速系统提供了理论和实验支撑。
脉冲激光二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷瞬态热效应研究
李隆, 张秋娟, 张春玲, 杨毅然
2021, 50(11): 20200495. doi: 10.3788/IRLA20200495
[摘要](291) [HTML全文] (127) [PDF 1568KB](39)
为减弱脉冲激光二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷激光器热效应影响,提高谐振腔稳定性以及改善激光器性能,文中利用热传导理论对脉冲激光二极管巴条侧泵激光陶瓷产生的温升及热形变场进行了解析研究。依据脉冲激光二极管巴条侧面泵浦激光陶瓷工作状态分析,建立契合实际的热分析模型,通过热传导Poisson方程求解,得到单脉冲侧泵激光陶瓷泵浦时段与泵浦间期两个阶段温度场与热形变场的一般解析表达式。定量地分析了脉冲二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷三维温场分布、重复脉冲泵浦过程中温度场分布,以及不同泵浦参数对温场的影响,定量分析了达到热动态平衡时泵浦面的热形变量。计算结果表明:当泵浦光功率为60 W,重复频率为100 Hz,束腰半径为150 μm,钕离子掺杂质量分数为1.0 %时,Nd:YAG陶瓷泵浦面产生29.6 ℃的温升,泵浦面与通光面产生0.95 μm和0.99 μm的热形变量。激光陶瓷温度场解析方法解决了使用数值分析法造成研究精确度不高的问题,该方法还可以应用到激光系统的其他热问题研究中,为减弱激光系统中的热问题提供了理论依据。
MOPA结构准分子激光同步触发设计
王晨, 梁勖, 林颖, 方晓东
2021, 50(11): 20200516. doi: 10.3788/IRLA20200516
[摘要](217) [HTML全文] (74) [PDF 2428KB](26)
介绍了一种MOPA结构的准分子激光全隔离型、高精度的同步触发系统。首先,提出锁相环移相技术结合传统计脉冲的方法实现了系统的高分辨率与大范围;其次,采用全电气隔离的方式实现了系统在复杂的电磁干扰环境下长期稳定运行以及实时控制。系统主要参数达到分辨率1 ns、延时及脉宽调节范围0~325 μs、各通道间的抖动<60 ps、前后沿<1.5 ns。同步触发系统应用于一套193 nm深紫外MOPA结构准分子激光装置,在4 kHz的高重频下实现了对 MOPA 双腔放电延时的精准实时控制,相对放电延时可严格控制在最佳时间段,放电时序抖动<±4 ns,最后成功获得PA腔对MO腔种子光的脉冲能量放大,最大放大率达到19.2,最大输出脉冲能量达到7.1 mJ,满足深紫外光刻应用需求。
大电流窄脉冲激光器驱动芯片设计
王立晶, 赵柏秦, 杨仕轩
2021, 50(11): 20210034. doi: 10.3788/IRLA20210034
[摘要](447) [HTML全文] (247) [PDF 1530KB](73)
脉冲式半导体激光器的出光质量直接影响探测精度。针对激光探测系统小型化的需求,设计一款面积小、集成度高的激光器驱动芯片。该芯片使用新型3D堆叠式封装技术将栅极驱动管芯与功率场效应晶体管管芯集成,并在中间添加双面覆铜陶瓷基板实现两管芯互连。该封装形式既提高了芯片的散热能力,又增强了过流能力。首先对激光探测发射模块现状进行详细介绍,引出了激光器驱动芯片的设计思路与方法,并给出了具体的封装设计流程。对栅极驱动电路与版图进行设计,使用0.25 μm BCD工艺制造栅极驱动芯片。在完成激光器驱动芯片封装后,搭建外围电路进行测试,使该芯片驱动860 nm激光器,芯片供电电压为12 V时,输入电平为3.3 V、频率为10 kHz的PWM信号,芯片输出脉冲宽度为180 ns的窄脉冲,其上升、下降时间小于30 ns,峰值电流高达15 A,可以使激光器正常出光,满足探测需求。芯片具有超小面积,约为5 mm×5 mm,解决了传统激光器驱动电路采用多芯片模块造成探测系统内部空间拥挤的问题,为小型化提供新思路。
星载微脉冲光子计数激光雷达的探测性能仿真分析
张晨阳, 王春辉, 战蓝, 齐明, 蒋硕
2021, 50(11): 20200502. doi: 10.3788/IRLA20200502
[摘要](357) [HTML全文] (88) [PDF 1721KB](64)
星载微脉冲光子计数激光雷达能够实现对地面目标的高重频、多波束探测,有效提高了激光雷达在轨测量的采样密度和覆盖宽度,满足全球高效高精度测绘的需求。依据微脉冲光子计数激光雷达的工作原理,建立了基于多像元光电倍增管(PMT)的星载微脉冲光子计数激光雷达的探测仿真分析模型,并对典型探测过程进行了仿真分析。结果表明,多像元PMT像元数的增加能够明显降低激光雷达的首光子效应,提高测距精度;激光雷达的测距标准差随地形坡度增大而明显增大;对于复杂地形,增加像元数和回波光子数,光子计数点云能够更准确描述地形轮廓的分布特征。同时,机载飞行试验验证了在复杂地形条件下,多像元PMT能够显著增加有效回波光子计数点,准确有效地反映了被测地形的轮廓特征,实现复杂地形下的高精度光子计数测距,验证了仿真分析结果的正确性。
面向特大齿轮的激光跟踪测量精度提升方法
王子辰, 张爱梅
2021, 50(11): 20210030. doi: 10.3788/IRLA20210030
[摘要](290) [HTML全文] (150) [PDF 1472KB](24)
为实现特大齿轮激光跟踪测量精度的提升,采用激光跟踪仪与柔性关节坐标测量臂相结合的测量方式,建立了基于激光跟踪多边测量方法的特大齿轮组合式测量网络。采用柔性关节坐标测量臂蛙跳技术确定激光跟踪仪全局坐标系与柔性关节坐标测量臂坐标系之间的坐标转换关系,实现不同站位下测量臂测量数据的空间配准。引入激光跟踪仪多边测量方法,摒弃其角度测量模块,建立激光跟踪多边测量位置参数标定模型,通过测量冗余数据并对其进行L-M优化迭代,以提高激光跟踪仪的全局控制精度。对建立的组合式测量网络进行仿真实验,分析对比测量数据,组合式测量网络的测量误差平均值为0.007 mm,误差标准差为0.004 mm,相同条件下,使用激光跟踪仪直接测量方法的测量误差平均值为0.044 mm。仿真实验分析表明,该方法显著提升了测量精度,满足了特大齿轮现场齿形测量的要求,具有较好的理论与工程应用价值。
激光通信一体化SiC/Al摆镜支撑参数优化
李小明, 王隆铭, 朱国帅
2021, 50(11): 20210143. doi: 10.3788/IRLA20210143
[摘要](356) [HTML全文] (95) [PDF 2710KB](39)
在组网“一对多”激光通信系统中,为了减小安装面平面度误差对反射镜面形的影响,保证组网“一对多”激光通信用伺服摆镜安装后的面形精度,对一体化SiC/Al摆镜支撑参数开展了理论分析,分析了各支撑参数对摆镜面形精度的影响规律。然后采用有限元分析优化设计了支撑参数,确定了支撑点位置和安装面平面度精度的要求。对采用优化设计参数后的摆镜面形精度测试表明,在加工面形为PV值优于53 nm(λ/12),RMS值优于10 nm(λ/60)的前提下,并在(20±5) ℃温度载荷作用下,摆镜安装后的面形精度PV值优于210 nm(λ/3),RMS值优于60 nm(λ/10)。同时,摆镜与安装基座由相同材料制作,这有效减小温度变化负载对面形精度的影响,完全满足组网“一对多”激光通信伺服摆镜面形的精度指标要求。
法布里-珀罗腔型弱磁增敏气室结构
努尔兰·吐尔达洪, 祝连庆, 陈广伟, 李慧宇, 祝静
2021, 50(11): 20210155. doi: 10.3788/IRLA20210155
[摘要](284) [HTML全文] (135) [PDF 1399KB](36)
提高小型化无自旋交换原子磁力仪的灵敏度是目前弱磁探测研究的难点问题,为解决这个难题提出一种基于法布里-珀罗腔的增敏气室结构。通过法布里-珀罗腔谐振原理和激光传输矩阵,在理论分析与数值计算方面对出射激光的光旋角倍增效果进行了研究。理论和仿真结果表明,随着激光在腔内往返传输次数的增加,倍增因子在初始阶段近线性增长然后缓慢趋于一个最大值,该最大值在理想状态下为16且由腔的结构参数决定。另外,碱金属原子自旋碰撞导致的吸收和腔体失谐会以不同的方式降低倍增因子,仿真结果表明:当失谐量为π/32时,倍增因子减少幅度接近50%。提出的这种腔增强型气室结构易于集成,为提高原子磁力仪的灵敏度和深入理解碱金属气室内的自旋碰撞提供了新的思路。
高速高精度多线激光雷达信息处理设计及应用
冯振中, 杨镇源, 余臣, 白杨, 宋昭, 徐诗月, 高剑波
2021, 50(11): 20210684. doi: 10.3788/IRLA20210684
[摘要](428) [HTML全文] (148) [PDF 1600KB](62)
为满足多线、高空间分辨率激光雷达大数据量、高实时性、高可靠性要求,研究设计了一种基于Zynq-7000器件的激光雷达信息处理系统。硬件设计充分利用Zynq内部资源配置了多个、多种接口,外接简易电路即实现多个外设控制和状态监控。不同于常用的SMP (Symmetrical Multiprocessing)方式,Zynq内双ARM核处理器的软件设计采用更灵活的AMP (Asymmetric Multiprocessing)方式,两核一主一从独立运行裸机程序,其中主核完成数据处理的时序调度,并与从核以乒乓方式交替计算,双核协同优化改进,在完成了AD全波形匹配法与TDC相结合的高精度测距基础上,进一步设计并实现了实时的距离和强度校正算法,算法不仅研究了校正量与距离和强度的关系,还引入了温度和探测单元差异影响因素。经测试,64线激光雷达可探测处理三次回波,在120 m范围内的测距精度优于1.5 cm,强度数据更客观反映探测目标的特性,雷达单回波数据点率达到2 560 K点/s。
光学设计
小型化同心反射式手机镜头设计
王洋, 王宁, 顾志远, 张磊, 付跃刚
2021, 50(11): 20210129. doi: 10.3788/IRLA20210129
[摘要](274) [HTML全文] (106) [PDF 2473KB](47)
基于现代社会对手机镜头高像素、小型化的要求,基于同心透镜原理设计了同心反射式手机镜头。通过光路计算,求解了系统的球差表达式,进一步获得了系统的初始结构。利用光学设计软件设计了光学系统,镜头采用像元大小为1.25 μm的曲面传感器,光学系统的F数为1.8,焦距为2.7 mm,最大全视场角为100°,系统总长为2.7 mm。设计结果表明,在空间截止频率400 lp/mm处,0.7视场的调制传递函数均大于0.34,全视场的调制传递函数均大于0.23,各视场的弥散斑半径均小于艾里斑。在全视场内,相对照度高于0.64,该设计满足手机镜头成像要求。
长线阵大负载焦平面调焦机构设计
范俊杰, 李富强, 蔡伟军, 李庆林, 张占东, 丁世涛
2021, 50(11): 20210270. doi: 10.3788/IRLA20210270
[摘要](320) [HTML全文] (102) [PDF 1416KB](54)
空间相机运载过程的冲击振动及在轨复杂力热环境的影响容易导致相机焦平面与像面的不重合,产生离焦问题。针对长线阵大负载焦平面离焦问题,设计了一种调焦机构。该机构采用两套机构驱动,可以提供大的驱动力矩,并采用两组过约束导轨保证其力学性能。每套驱动机构由步进电机、滚珠丝杠、编码器、滚动导轨和齿轮系组成。对调焦机构建立了有限元仿真分析模型,通过模态分析,验证了该结构具有较好的刚性,能够满足相应的力学条件要求。后续通过力学试验后的精度测试对调焦精度、稳定性精度分析表明:该调焦机构的调焦精度为3.8 μm,稳定性小于5″, 同步精度为1.1 μm。设计及试验证明,该调焦机构具有较高的调焦精度和可靠性,可以满足一定范围内长线阵焦面精密调焦需要。
基于双前馈+双神经网络自适应快速反射镜的解耦控制
王瑞, 苏秀琴, 乔永明, 吕涛, 王轩, 王凯迪
2021, 50(11): 20210194. doi: 10.3788/IRLA20210194
[摘要](344) [HTML全文] (139) [PDF 1676KB](48)
基于柔性铰链结构支撑和音圈电机驱动的两轴快速反射镜是一个两输入两输出强耦合系统,X轴和Y轴间的耦合大幅降低了反射镜的定位精度,采用传统的PID控制算法很难实现高精度的解耦控制。针对中心对称和轴对称结构形式的两轴快速反射镜,理论分析了两轴快速反射镜耦合来源—直流耦合分量和非直流耦合分量;建立了X轴和Y轴间的耦合物理模型;提出的双前馈+双神经网络自适应解耦控制算法分别补偿直流耦合分量和非直流耦合分量。实验结果表明:该控制算法与传统的PID控制算法相比,耦合度从5%左右降低到1.0‰以内,从而定位精度从2.5%左右提高到0.5‰以内。
正交级联液晶偏振光栅的收发分离结构设计
刘壮, 王启东, 史浩东, 王超, 秦欢
2021, 50(11): 20210551. doi: 10.3788/IRLA20210551
[摘要](409) [HTML全文] (137) [PDF 1573KB](35)
正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转,在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景,其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光,如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题,文中根据1/4波片、1/2波片以及液晶偏振光栅理论推导了线偏振光源经过被动液晶偏振光栅层以及正交级联液晶偏振光栅后偏振态的变化,验证了出射光偏振态与光束偏转角度的可逆性。采用偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、正交级联液晶偏振光栅等器件设计了一种可实现发射光与接收光偏转与分离的光学结构,构建了测试系统,最后通过测试结果证明了理论的正确性与结构的适用性。
线性菲涅尔式聚光集热系统研究进展
王锐东, 马军, 王成龙, 俞天智
2021, 50(11): 20210452. doi: 10.3788/IRLA20210452
[摘要](522) [HTML全文] (77) [PDF 3342KB](65)
相比槽式聚光集热系统,线性菲涅尔式聚光集热系统光学效率较低,但具有成本优势。为了提高其光学性能和热性能,减少热损失,国内外学者进行了广泛研究。在总结线性菲涅尔式聚光集热系统主反射镜、二次反射接收器和镜场的优化设计,以及系统热性能等国内外已有研究成果的基础上,重点阐述了由阴影与遮挡、末端损失、跟踪误差、积尘、主反射镜镜场几何结构引起的光学损失及改进措施最新研究进展,对主流的几种二次反射接收器进行了对比分析,表明复合抛物面二次反射接收器(Composite Parabolic Concentrator, CPC)最实用。同时对吸热管和工作介质之间的强化传热、采用CPC的线性菲涅尔式聚光器热损失进行了归纳总结,分析了存在的问题及解决方法,指出了线性菲涅尔式聚光集热系统的未来发展方向和改进措施。
1 280×1 024 EMCCD纵向抗光晕设计
陈远金, 常维静, 刘庆飞, 戴放, 王岭雪
2021, 50(11): 20210083. doi: 10.3788/IRLA20210083
[摘要](208) [HTML全文] (67) [PDF 1544KB](33)
1280×1024 EMCCD是一种内线转移结构的固态微光成像器件,具备从星光条件到阳光环境的全天时成像探测能力,可广泛用于航天遥感、视觉感知和无人驾驶等领域。但由于器件饱和输出的限制,当入射光强度很高的情况下,EMCCD会发生光晕现象,造成图像分辨率降低,影响EMCCD获取目标信息的能力。为了提升EMCCD环境适应性,避免光晕现象的产生,文中分析了EMCCD光晕产生的原因,介绍了纵向抗晕的工作原理,通过理论推导分析和数值模拟仿真的方法,设计了具有纵向抗晕结构的EMCCD像元,制作了具有抗晕功能的1280×1024 EMCCD器件和原理演示样机,仿真数据和测试结果表明,文中设计的纵向抗光晕结构EMCCD具有500倍抗晕能力。
光电测量
光学偏折子孔径拼接面形检测技术
相超, 王道档, 窦进超, 孔明, 刘璐, 许新科
2021, 50(11): 20210105. doi: 10.3788/IRLA20210105
[摘要](287) [HTML全文] (123) [PDF 1476KB](42)
针对大口径的高斜率动态范围光学元件的测量需求,提出了基于光学偏折技术的子孔径拼接测量方法。利用所搭建的条纹投影光学偏折测量系统,结合子孔径划分拼接方法,对各子孔径分别进行测量,并根据实际测量结果与测量系统模型光线追迹结果的偏差,高精度测得各个子孔径的面形数据,由此对各子孔径进行拼接来实现全口径面形测量。光学偏折测量技术相对干涉法具有很大的测量动态范围和视场,可极大降低所需的子孔径数量,由此大大提高了检测效率。同时提出了针对重叠区域的加权融合算法来实现拼接面形的平滑过渡。为验证所提出方案的可行性,分别进行了仿真分析以及实验验证。对一高斜率反光灯罩进行拼接测量实验,并将拼接测量与全口径测量结果进行对比。结果表明,利用所提出测量方法获得的拼接面形连续光滑,且与全口径测量面形RMS值偏差为0.0957 µm,优于微米量级。该测量具有较高的测量精度和大动态测量范围,并且系统结构简单,为各类复杂光学反射元件提供了一种有效可行的检测方法。
非零位拼接检测凸非球面金属反射镜
蔡志华, 王孝坤, 胡海翔, 曾雪锋, 王晶
2021, 50(11): 20210061. doi: 10.3788/IRLA20210061
[摘要](315) [HTML全文] (122) [PDF 1629KB](49)
随着单点金刚石车削技术和抛光技术的发展,实现了金属反射镜的快速高效低成本制造。然而,金属反射镜的检测手段存在明显不足,尤其是没有一种快速、高效的检测手段用于检测凸非球面金属反射镜。为提高凸非球面金属反射镜的检测效率,提出一种非零位拼接检测凸非球面金属反射镜的检测方法。结合工程实例,对口径为120 mm,顶点曲率半径R为1121.586 mm,二次曲线常数K为−2.38的凸非球面金属反射镜进行了拼接检测实验,拼接所得面形误差均方根值(RMS)为0.016λ(λ=632.8 nm)。与Luphoscan检测结果对比,验证了非零位拼接检测方法的检测精度RMS为0.007λ,结果表明该方法能够实现凸非球面金属反射镜的快速、高效检测。
变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉腔反射率确定方法
张芳, 高教波, 张兰兰, 米建军, 寿少峻, 张安锋, 冯颖, 侯瑞
2021, 50(11): 20210099. doi: 10.3788/IRLA20210099
[摘要](382) [HTML全文] (92) [PDF 1928KB](28)
变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉光谱成像系统获取的干涉条纹承载着目标重要的干涉信息,其正弦性的好坏和调制度的高低直接影响了目标干涉信息的提取。而变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉腔材料的反射率值是变间隙F-P干涉光谱成像系统的重要性能参数。为提高变间隙F-P干涉光谱成像系统整个系统的性能,从系统干涉条纹的正弦性和调制度两方面约束了变间隙F-P干涉腔反射率值的选取。文中分别建立了干涉条纹正弦性和调制度与变间隙F-P干涉腔材料反射率之间的数学关系,并给出合理地目标函数,以确保干涉条纹正弦性和调制度同时达到相对最佳值时,变间隙F-P干涉腔材料的反射率最佳。此外,搭建了长波红外变间隙F-P干涉式光谱成像系统,采用测量聚丙烯薄膜的光谱透过率实验验证了上述理论分析的正确性。
组合沃拉斯顿棱镜组的目标偏振检测方法
李居尚, 战荫泽, 张立东
2021, 50(11): 20210339. doi: 10.3788/IRLA20210339
[摘要](286) [HTML全文] (99) [PDF 1293KB](24)
为了提高静态偏振光谱成像系统光谱分辨率并获得更好的目标识别能力,设计了正交组合沃拉斯顿棱镜组结构,配合静态相位调制技术完成了目标的偏振光谱成像。该技术采用了多级棱镜组合的方法在不扩大原有静态干涉棱镜尺寸的条件下扩大了空间光程差变化范围,从而提升了静态光谱分辨率。通过相位调制与图像周期性匹配的方法完成了二维图像与光谱分离。仿真分析了结构尺寸与调制度对光谱分辨能力的函数关系。实验采用计算模拟验证了二维图像与光谱分离的可行性。在晴天与阴天两种不同状态下,测试了30.0 cm铝板目标的信号对比度,采用偏振光谱成像并完成数据提取的测试结果均值为53.4%和49.3%,而基于强度图像的测试结果均值为24.4%和14.1%。文中设计可以改善目标识别效果,提高光谱分辨精度。
利用双神经网络的相机标定方法
陈文艺, 许洁, 杨辉
2021, 50(11): 20210071. doi: 10.3788/IRLA20210071
[摘要](412) [HTML全文] (190) [PDF 1849KB](51)
计算机视觉中,摄像机标定作为摄像测量技术的前提,是必不可少的一个环节。针对目前基于神经网络的相机标定方法训练精度不够高的问题,提出了一种基于双神经网络的相机标定方法。该方法从成像模型出发,推导出相机坐标${Z_{\text{c}}}$是世界坐标${Z_{\text{w}}}$和像素坐标$u, v$的函数,在考虑了${Z_{\text{c}}}$的变化的基础上,将成像模型简化成两个函数关系式,使用两个神经网络进行标定,分化了单个神经网络的任务量的同时又充分遵循了成像模型。实验结果表明,较其余基于神经网络的相机标定方法,该方法提高了相机标定的精度,在$400\;{\rm{mm}} \times 300\;{\rm{mm}} $标定范围内平均标定误差为$0.178\;6\;{\rm{mm}} $,验证了所提方法的可行性和有效性。
Traceable analysis of the performance of an ultra-fine positioning stage using a differential plane mirror interferometer
Yan Yonggang, Wu Zhengxing, Li Zhi, Tang Yuqi
2021, 50(11): 20210070. doi: 10.3788/IRLA20210070
[摘要](233) [HTML全文] (57) [PDF 1565KB](24)
Ultra-fine positioning stages are the indispensable components in many areas of nanotechnology and advanced material analysis, and are always integrated into analytical devices such as Scanning Probe Microscope (SPM), optical microscope. The mechanical properties of the microscopic measurement system were strongly influenced by the nano-mechanical performance of an ultra-fine positioning stage. A traceable calibration setup for investigating the quasi-static performance of nano-positioning stage was developed, which utilized a differential plane mirror interferometer with double-pass configuration from the National Physical Laboratory (NPL). Based on an NPL-developed FPGA and LabView, the laser interferometric data acquisition (DAQ) and data decoding system with high precision and stable frequency was built up to enable traceable quasi-static calibration of ultra-fine nano positioning stages. Furtherly, the proposed system was used to calibrate and analyze the metrological characteristics of nano-positioning stages. The experimental results have proven that the calibration setup can achieve a noise floor lower than 10 ${\rm{pm/}}\sqrt {{\rm{Hz}}} $ under nearly open-air conditions. The calibrated pico-positioning stage has an excellent nano-mechanical performances, such as the linearity of being lower than 1.2×10−6, the resolution of being up to 40 picometer, good repeatability and stabilization. The results indicate that the proposed method and system can be used to measure the performances of the ultra-fine positioning stages, and furtherly be used for pico-indentation with indentation depths down to a few picometers and the large-scope measurement at the atomic scale.
光通信与光传感
基于非正交多址的室内可见光通信系统性能优化方法
张峰, 梁渊博, 赵黎, 梁源
2021, 50(11): 20210101. doi: 10.3788/IRLA20210101
[摘要](318) [HTML全文] (130) [PDF 9786KB](44)
室内可见光通信(Visible Light Communication, VLC)系统常用的非对称限幅光OFDM(Asymmetrically Clipped Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ACO-OFDM)与直流偏置光OFDM(DC-biased Optical OFDM, DCO-OFDM)采用加循环前缀、信道均衡和载波复用等方法解决信道干扰及多用户复用问题,但均以牺牲有效性为代价。非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)通过功率域复用提高频谱利用率,利用串行干扰消除(Successive Interference Cancelling, SIC)进行多用户信号处理,有效兼顾可靠性与有效性。将NOMA应用于室内可见光系统,建立基于NOMA-DCO-OFDM的可见光信号传输及信道增益模型。通过功率域多用户信道差异计算信道增益,进行功率分配实现功率域复用,提高系统容量和通信速率;利用SIC按功率分配算法对用户逐一解调,减弱信道干扰,提高可靠性。通过理论分析和仿真实验验证表明:该系统的通信速率达到6.8×107 bit·s−1,且合速率受用户数量的影响不显著。2用户下,误码率(Bit Error Rate, BER)为10−4时用户1有5.2 dB左右的性能提升,用户2有2.3 dB左右的性能提升,通信可靠性也明显提高。
射频光传输雷达接收链路的系统优化
邵光灏, 翟计全, 叶星炜, 张国强
2021, 50(11): 20210251. doi: 10.3788/IRLA20210251
[摘要](265) [HTML全文] (102) [PDF 1500KB](34)
在雷达指标体系中,探测距离和目标分辨能力是其中的重要参数。而噪声系数(NF)和接收链路的压缩动态范围(CDR)则影响着这两个指标。随着射频光传输(ROF)在雷达接收链路中应用的推进,除了对光链路本身的探讨外,还需扩展到接收链路中微波和光波的协同分析。因此,将其中的微波前级放大、射频光传输(ROF)、微波后级放大进行耦合,普适性地探讨接收链路CDR和NF。例如,当光链路噪声功率谱密度为−164 dBm/Hz,光链路增益−20 dB时,可设计前级放大41 dB。在这种情况下,接收链路CDR1dB达143 dB·Hz,噪声系数为4.15 dB,能够同时满足探测距离和目标分辨的要求。对外调制光链路而言,调制器的半波电压可选择在2.0~5.8 V之间,实现性能和成本的平衡。分析从系统角度出发,探讨了基于ROF的接收链路,能够满足雷达功能要求,同时,也为接收链路中电器件和光器件的设计提供了依据。
飞行中继平台的MDI-QKD应用性能
李天秀, 石磊, 李佳豪, 王俊辉
2021, 50(11): 20210124. doi: 10.3788/IRLA20210124
[摘要](276) [HTML全文] (96) [PDF 3396KB](25)
量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)技术的应用领域不断拓宽,其良好的安全保密性能可以有效应对通信安全威胁,在航空通信领域,基于航空飞行平台应用量子密钥分发技术有望大幅提升航空通信系统安全性级别,为局部地区保密通信提供可靠保障,进一步提高区域安全通信保障能力。针对非对称传输效率测量设备无关量子密钥分发(Measurement Device Independent QKD, MDI-QKD)协议在机载条件下的应用问题,在以飞行平台作为测量节点的测量设备无关量子密钥分发技术应用场景下,应用诱骗态协议建立了仿真分析模型,分析了气象条件、飞行高度对系统仿真性能的影响。仿真实验结果表明,在15 km能见度的晴朗天气下,在无人机常用高度飞行的空中移动平台应用诱骗态测量设备无关量子密钥分发协议可以提供作战通信保障,在较远距离通信中存在通信盲区和飞行平台运动限制。同时证明了优化选择信号光源光脉冲强度方案可以有效提高通信能力。实验及分析为量子密钥分发技术在飞行平台上的后续研究和实际应用提供了理论分析基础和优化方法。
材料与薄膜
YbF3和YF3薄膜在0.4~14 μm超宽光谱内光学常数反演
郑志奇, 潘永强, 刘欢, 杨伟荣, 何子阳, 李栋, 周泽林
2021, 50(11): 20210371. doi: 10.3788/IRLA20210371
[摘要](404) [HTML全文] (142) [PDF 1926KB](58)
为了获得红外低折射率材料的光学常数,采用电子束热蒸发技术在多光谱硫化锌基底上以不同的基底温度分别制备了单层氟化钇(YF3)和氟化镱(YbF3)薄膜。通过分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪分别测试其在可见至远红外波段的透射率光谱曲线,使用包络法和色散模型拟合相结合的方法对其在可见至红外波段的光学常数进行了反演,得到了其在0.4~14 μm波段内的折射率与消光系数。采用椭偏测试结果验证了YF3和YbF3薄膜在0.4~1.6 μm波段内的光学常数正确性;将拟合得到的光学常数代入TFCalc 膜系设计软件,计算得到的单层薄膜的透射率光谱曲线与实测的光谱曲线吻合较好。实验结果表明,该方法获得的在超宽光谱0.4~14 μm范围内的光学常数准确、可靠。
Distribution characteristics of metal film eruption induced by nanosecond pulse laser
Ma Bin, Han Jiaqi, Wang Ke, Huang Qiushi, Jiao Hongfei, Guan Shuang
2021, 50(11): 20210036. doi: 10.3788/IRLA20210036
[摘要](260) [HTML全文] (75) [PDF 1426KB](20)
Thermo-mechanical damage occurs when a metal film layer is irradiated by a high-power nanosecond pulse laser. High temperature and high pressure induce the thermal evaporation of the metal film layer and particles outward ejection. Most of the ejected particles are in atomic and ionic states. In the energy dispersive spectroscopy analysis test, multiple sets of standard samples for comparison experiments was used to calibrate the test results in this paper, and an estimated method was given to calculate the number of deposited atoms based on the results. The differences of the eruption of Al film under different vacuum environments and atmospheric environments irradiated by different laser fluences were compared. And the eruption and spatial distribution characteristics of metal films with different melting points were compared. The experimental results were further analyzed and explained by combining the transient images captured by pump-probe technology.
空间光学
可展开空间光学望远镜技术发展及展望
胡斌, 李创, 相萌, 李亮亮, 戴昊斌, 姚佩, 李旭阳
2021, 50(11): 20210199. doi: 10.3788/IRLA20210199
[摘要](606) [HTML全文] (252) [PDF 1598KB](155)
为了获得更高的角分辨率,空间光学望远镜的口径越来越大,口径超过4 m的空间望远镜将难以突破现有运载火箭整流罩有效包络的限制。另一方面,在研制周期及成本等方面拥有较大优势的微纳光学遥感卫星也对提高空间分辨率和集光面积有广泛的需求,需要在较小的发射体积里容纳下较大的光机系统,以降低发射成本。可展开空间光学望远镜将成为解决发射尺寸受限的可行方式。从大口径空间天文望远镜、分块式可展开对地观测望远镜和光轴方向可展开微纳卫星光学望远镜等方面对国内外可展开空间光学望远镜的研究现状进行了综述。对可展开空间光学望远镜涉及到的一些关键技术和发展趋势进行了阐述和归纳。
天基跟踪层星座性能建模与仿真
薛永宏, 樊士伟, 乔凯, 张磊
2021, 50(11): 20210067. doi: 10.3788/IRLA20210067
[摘要](307) [HTML全文] (107) [PDF 1369KB](64)
随着高超声速武器技术的快速发展和实战化部署,美国有针对性地提出了建设国防太空架构跟踪层计划的设想。首先,介绍了跟踪层卫星主要设计性能参数;其次,建立了跟踪层星座覆盖性能分析模型、探测能力分析模型和跟踪性能分析模型;最后,通过仿真计算对跟踪层系统性能进行了分析,并推断了系统全星座最小卫星数量、探测灵敏度和全球目标最优跟踪精度等核心能力。分析结果对相关系统信息处理算法研究、载荷与星座方案设计具有重要参考价值。
图像处理
Information fusion method of ranging-imaging guidance integrated fuze
Li Ning, Wei Daozhi, Zhang Dongyang, Yao Liangfu
2021, 50(11): 20210039. doi: 10.3788/IRLA20210039
[摘要](315) [HTML全文] (97) [PDF 1261KB](31)
In order to improve the detonation control accuracy of the air defense missile fuze, that is, to obtain a more accurate detonation delay time, an integrated information fusion method for the measured data of infrared imaging seeker and laser rangefinder based on particle filter was proposed. When processing multi-mode information, the measurement data of the two sensors are not on the same time reference due to the different power-on time of different sensors and the difference in sampling frequency. Therefore, the typical missile target rendezvous scenarios were chosen, for the high-frequency sampling of the laser rangefinder and the low-frequency sampling of the infrared seeker, a time alignment method based on linear interpolation was used to apply the measured data to the calculation of delay time model. On the basis of this model, a centralized data filtering algorithm for integrated sensors based on particle filtering was proposed. It is obtained through a comparison simulation experiment with the traditional extended Kalman filtering algorithm: the measurement accuracy of detection angle and azimuth angle are greatly improved under this information fusion method, and the accuracy of detonation delay time is also improved, which verifies the effectiveness of the data fusion method proposed in this paper.
基于包围盒约束光谱聚类的红外目标识别算法
郭文凤, 焦志刚
2021, 50(11): 20210085. doi: 10.3788/IRLA20210085
[摘要](219) [HTML全文] (85) [PDF 3012KB](33)
在红外成像过程中,目标边缘模糊化是影响红外目标识别效果的关键因素,也是红外目标识别算法的研究重点,故在光谱图像中合理补偿目标几何特征信息成为研究热点之一。结合包含目标几何特征信息的包围盒作为约束条件,对红外光谱图像进行分层限定滤波,降低原有图像数据中目标几何外形数据的丢失,提高目标可识别性。设计了在包围盒约束条件下的光谱聚类算法,设置参数η表征待测军用车辆目标的几何信息,设置参数m表征待测军用车辆目标的光谱特征信息。实验采用TEL-1000-MW型红外成像光谱仪获取多光谱图像,通过改变mη值调整光谱特征值个数与包围盒范围,从而获得不同的目标识别图像。并与传统方法对同一幅红外目标图像的识别效果相比较,结果发现采用包围盒约束的待测目标图像几何边界信息保留效果明显优于传统方法,当m=10、η=0.7时,红外图像的目标识别效果最好,同时算法收敛速度也最优。由此可见,该算法在提高红外目标识别能力、避免误判伪目标和漏检目标方面具有很高的实用价值。
融合一致性与差异性约束的光场深度估计
何泽阳, 邓慧萍, 向森, 吴谨
2021, 50(11): 20210021. doi: 10.3788/IRLA20210021
[摘要](259) [HTML全文] (137) [PDF 1613KB](39)
光场图像深度估计是光场三维重建、目标检测、跟踪等应用中十分关键的技术。虽然光场图像的重聚焦特性为深度估计提供了非常有用的信息,但是在处理遮挡区域、边缘区域、噪声干扰等情况时,光场图像深度估计仍然存在很大的挑战。因此,提出了一种基于极平面图(Epipolar plane image, EPI)斜线像素一致性和极平面图区域差异性的深度估计算法用于解决遮挡和噪声问题。EPI斜线像素的一致性采用旋转线性算子(Spinning linear operator, SLO)的颜色熵度量,能够提高深度图边缘的准确性以及抗噪能力;EPI区域的差异性采用旋转平行四边形算子(Spinning parallelogram operator, SPO)的卡方χ2度量,能够提高深度图深度渐变区域的准确性,并使用置信度加权的方法将两种度量进行融合,可以减少遮挡区域和噪声的干扰。另外,充分利用像素邻域的颜色相似性,使用引导保边滤波器和马尔科夫随机场(Markov random field, MRF)全局优化策略进行后处理,进一步减少深度图的边缘错误,得到遮挡边缘准确的深度图。在HCI光场数据集上进行了实验,并与经典光场深度估计算法进行了对比,结果表明该算法在主观质量和客观指标两方面都有明显提升。
复杂光照条件下矿石三维视觉实时筛选方法
章秀华, 洪汉玉, 徐洋洋, 张天序
2021, 50(11): 20210125. doi: 10.3788/IRLA20210125
[摘要](274) [HTML全文] (73) [PDF 2426KB](31)
矿石自动筛选是提高矿产资源加工效率的关键环节之一。针对矿石开采现场光照复杂多变,传送带矿石难以实时自动检测等问题,提出了一种基于红外线结构光的现场矿石3D视觉实时筛选方法。为了解决复杂光照条件下太阳辐射对矿石表面结构光成像干扰的问题,提出采用800 nm附近红外线结构光作为成像主动光源,在各种光照条件下获取稳定的矿石表面结构光图像;提出邻域累积差分特征分析方法,通过快速定位光条边界点来提取结构光光条中心,实时获取矿石3D坐标数据。对复杂光照条件下的大量现场矿石表面结构光图像采用多线程进行处理,实验结果表明,与现有方法相比,文中方法速度更快,稳定性更强,能适应线结构光形态和方向变化。对每幅矿石结构光图像筛选的时间为13.2 ms,满足现场矿石3D实时筛选需求。
基于多测量矢量压缩感知的超分辨荧光显微成像研究
张赛文, 邓亚琦, 王冲, 冷潇泠, 张光富, 文兵, 邓杨保, 谭伟石, 田野, 李稳国
2021, 50(11): 20210484. doi: 10.3788/IRLA20210484
[摘要](368) [HTML全文] (93) [PDF 1594KB](36)
在超分辨荧光显微成像技术中,单分子定位显微方法是被广泛应用的技术之一。根据荧光显微成像原理构造多测量矢量压缩感知模型(Multiple Measurement Vector-Compressed Sensing, MMV-CS),并采用多重稀疏贝叶斯学习算法进行求解,来实现超分辨荧光图像重建。分析了有效像元大小、荧光分子生成的光子数和背景信号泊松化噪声对重建结果的影响,以及在图像进行分块处理时算法运行时间的分析。模拟和实验计算分析表明,当点扩展函数的标准差在160 nm时,有效像元大小在120、160、200 nm能取得较好的重构效果,而在60 nm时效果较差。探测器收集的光子数越多,重构效果越好,随着背景信号光子数增加时,离得越近的样品结构越不能分辨。在同样的分块处理情况下,MMV-CS比同伦算法(L1-Homotopy, L1-H)和凸优化算法(CVX)分别快一个数量级和三个数量级,因此,在研究三维超分辨荧光显微成像时,MMV-CS算法在运行时间上具有更大的优势。
多视角红外图像目标识别方法
赵璐, 熊森
2021, 50(11): 20210206. doi: 10.3788/IRLA20210206
[摘要](300) [HTML全文] (117) [PDF 1161KB](68)
随着红外传感器的性能提升和应用普及,获取同一场景下同一目标的多视角图像成为可能。为此,提出联合多视角红外图像的目标识别方法。首先对多视角红外图像进行聚类分析,获取多个视角子集。在每个视角子集中,红外图像具有较强的相关性。对于不同的视角子集,它们相对独立。为充分利用这种相关性和独立性,采用联合稀疏表示(JSR)对单个视角子集进行决策。特别地,对于只包含一个视角的子集,则直接采用经典的稀疏表示分类(SRC)进行处理。对于不同视角子集获取的决策结果,基于线性加权的思想进行融合处理,并根据融合后的决策变量判决多视角红外图像所属的目标类别。因此,所提方法在分析多视角红外图像内在关联性的基础上,分别对局部相关性和整体的独立性进行考察,并通过决策层的融合将两者融为一体,提高了最终决策的可靠性。实验中,在采集的多类交通车辆红外图像上进行识别,分别在原始图像、加噪声图像以及部分遮挡图像上对方法进行测试和验证,经过对比分析验证了提出方法的有效性。
一种改进的红外图像自适应增强方法
汪伟, 许德海, 任明艺
2021, 50(11): 20210086. doi: 10.3788/IRLA20210086
[摘要](509) [HTML全文] (154) [PDF 1850KB](98)
对红外图像而言,如何在压缩动态范围的同时增强细节、抑制噪声以提升显示效果是一个重要的课题。文中提出一种改进的红外图像自适应增强方法,首先设计了一种参数自适应的引导滤波方法,并基于引导滤波将原始红外图像拆分成基本层和细节层;然后基于像素灰度分布设计了一种新型的自适应阈值的直方图映射方法,以对基本层压缩动态范围并增强其对比度;之后利用自适应引导滤波的线性系数对细节层进行增强并抑制噪声;最后对增强后的基本层和细节层进行自适应融合得到增强后的红外图像。实验结果表明,与对比度受限的自适应直方图均衡方法、基于引导滤波的高动态红外图像增强方法等几种效果相对较好的方法相比,文中所提出的方法处理后的图像细节更丰富,噪声抑制效果更强,视觉效果更好,且该方法适应性更强,无须调整参数即可应对多种观测场景。
基于图匹配网络的小样本违禁物品分割算法
朱祯悦, 吕淑静, 吕岳
2021, 50(11): 20210075. doi: 10.3788/IRLA20210075
[摘要](339) [HTML全文] (83) [PDF 1282KB](28)
自动化安检技术是维护公共安全、提升安检效率的一项有效措施。在实际场景中很难获得充足的违禁品标注样本用于神经网络的训练,并且在不同场景和安全级别下违禁品的类别也有所不同。为解决基于神经网络的违禁品检测方法所面临的样本不均衡问题,以及避免模型在分割新的违禁品类别时需重新训练的现象,文中提出一种基于图匹配网络的小样本违禁物品分割算法。文中模型将测试图像与参考图像并行输入到图匹配网络中,并根据匹配结果从测试图像中分割出违禁品。所设计的图匹配模块不仅从图间节点的相似性考虑匹配问题,并利用DeepEMD算法建立全局概念,进一步提高测试图和参考图的匹配结果。在SIXray数据集和Xray-PI数据集上的实验表明:本模型在单样本分割任务中得到36.4%和51.2%的类平均交并比,分别比目前先进的单样本分割方法提高2.5%和2.3%。由此表明所设计的算法能有效提升小样本X光图像分割算法的精确度。
大气光学
灰霾期间硫酸盐包裹沙尘气溶胶粒子的光学特性研究
张学海, 魏合理, 段金龙, 李卫东, 邹曙光, 戴聪明
2021, 50(11): 20210052. doi: 10.3788/IRLA20210052
[摘要](339) [HTML全文] (128) [PDF 1564KB](33)
灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒表面经过系列化学反应形成复杂的混合状态,为气溶胶光学性质模拟带来很大困难。因此,厘清硫酸盐壳对沙尘矿物颗粒光学特性的影响机制具有重要意义。文中根据灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒反应过程中的混合结构变化,建立了沙尘-硫酸盐颗粒的核壳椭球结构模型。采用T矩阵方法,研究了四波段条件(0.44、0.675、0.87、1.02 μm)下,混合比对单分散系沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响。结果表明:混合比对沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响主要在Mie散射区,在瑞利散射区,混合比对粒子光学特性影响不大。同时研究结果还表明,当混合比小于0.3时,硫酸盐壳在粒子散射特性中占主导地位;当混合比大于0.7时,粒子散射特性主要受沙尘核的影响;在此区间内,粒子散射特性由硫酸盐与沙尘共同影响,并会出现强于(或弱于)任何一种纯颗粒物的现象。该研究对理解灰霾老化期间单颗粒气溶胶混合结构及其光学特性具有重要意义。
简讯
窄线宽光纤振荡器输出近红外宽带超连续谱激光
张嵩, 姜曼, 李灿, 粟荣涛, 周朴, 姜宗福
2021, 50(11): 20210668. doi: 10.3788/IRLA20210668
[摘要](230) [HTML全文] (91) [PDF 859KB](40)

超连续谱光源因同时具有普通光源(自发辐射光)的宽光谱特性和单色激光的高空间相干性、 高亮度等特征被广泛应用于光谱学、生物医学、环境科学以及光电对抗等领域。在多种非线性效应(调制不稳定性、自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子自频移和受激拉曼散射等)和色散的综合影响下,入射到非线性介质中的激光光谱会得到极大展宽。根据这一机理,通常利用脉冲激光注入光纤放大器或者光子晶体光纤产生超连续谱。但是,光纤放大器产生超连续谱的功率阈值较高且输出光谱平坦度相对较差;而光子晶体光纤的切割和熔接也给后者的实现带来了挑战。

双向同带泵浦光纤激光实现大于6 kW的近单模输出
李瑞显, 吴函烁, 肖虎, 冷进勇, 周朴
2021, 50(11): 20210822. doi: 10.3788/IRLA20210822
[摘要](180) [HTML全文] (52) [PDF 4127KB](56)