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2022年  第51卷  第1期

特别推荐
碲镉汞探测器的回顾与展望(特邀)
蔡毅
2022, 51(1): 20210988. doi: 10.3788/IRLA20210988
[摘要](488) [HTML全文] (78) [PDF 2568KB](242)
20世纪50年代末,碲镉汞(HgCdTe)合金半导体材料的发明,奠定了热成像的技术和工程应用基础。1975年,美国提出基于第一代红外探测器的热成像通用组件概念——“模块化通用夜视热瞄镜”(Modular Common Thermal Night Sights, MCTNS),从此HgCdTe材料和探测器被大规模应用于军事领域。从HgCdTe材料的基本物理性质出发,分析了HgCdTe探测器的优点,认为HgCdTe探测器依然是目前性能最好的红外探测器,且正在向多元化方向发展,包括(但不限于)大面阵、平面结和异质结、双波段、甚长波、150 K级工作温度、雪崩探测器等。随着新结构、新模式、新机理、新方法、新工艺的进步,HgCdTe材料和探测器必将达到一个新高度,仍然是第四代主流的红外焦平面探测器。
现代大气光学及其在光电工程应用中的问题分析与展望(特邀)
饶瑞中
2022, 51(1): 20210818. doi: 10.3788/IRLA20210818
[摘要](213) [HTML全文] (20) [PDF 992KB](126)
讨论分析了现代大气光学研究及其在光电工程应用中几个方面的常见问题,给出了下列主要观点:(1)大气对光电工程应用的影响不容忽视;(2)光电工程设计需要考虑大气光学特性;(3)大气对光电工程的影响需要用概率来说明;(4)不能根据天气状况直接来判断大气对光电系统影响的程度;(5)作为统计平均量的大气光学参数不是唯一确定的;(6)用一个参数Cn2不能可靠地描述大气湍流的光学特性;(7)有必要进一步提高光电仪器大气探测结果的可靠性;(8)大气湍流对光电系统性能的影响难以完全被消除;(9)不需要投入很大精力去研究一些理想的问题。根据现状,提出了一些值得深入研究的大气光学问题。
基于波前编码的无热化红外成像技术综述(特邀)
史泽林, 冯斌, 冯萍
2022, 51(1): 20210454. doi: 10.3788/IRLA20210454
[摘要](330) [HTML全文] (54) [PDF 2051KB](110)
波前编码红外成像技术是一种结合光学编码和数字解码两步成像的计算光学成像技术。波前编码无热化红外成像系统通过在红外光学系统的光阑附近增加特殊面形的光学相位板,对场景红外辐射进行编码调制,使得在宽的环境温度范围内红外焦平面探测器输出的中间编码图像具有高度一致性,再对中间编码图像进行数字解码得到清晰红外图像。近年来,国内外学者开展了大量波前编码无热化红外成像技术的理论分析和原理验证,表明其无热化特性的有效性。文中结合作者近年来的研究工作,主要介绍波前编码无热化红外成像技术的研究背景、基本原理、关键技术、国内外典型的设计方案和原理样机、并展望了波前编码红外成像技术的应用价值和发展趋势。
信息光学成像研究回顾、现状与展望(特邀)
韩申生, 胡晨昱
2022, 51(1): 20220017. doi: 10.3788/IRLA20220017
[摘要](355) [HTML全文] (113) [PDF 2224KB](186)
从信息论的视角理解、研究、优化光学成像系统是成像科学自信息论诞生以来的一个重要研究方向,也一直在取得一系列相应的进展。但是,由于传统光学成像系统物面至像面的“固定点到点”所见即所得的图像信息采集模式,使得基于信息论的传统光学成像研究更多的具有理论上的意义,对实际应用系统的优化设计更多的是起到锦上添花的作用,难以在成像功能上有实质性的突破。随着现代光场调控技术和基于光场高阶关联的新概念光学成像技术的突破性进展,目前已经能够在成像过程中利用可控的光场时空涨落对目标图像进行编码,这对从信息论的角度理解和优化光学成像系统提出了迫切的需求,同时也为信息光学成像这一研究方向提供了全新的发展机遇。文中将回顾自信息论提出的半个多世纪以来信息光学成像的国内外发展历史,并结合目前光学成像的最新进展讨论其若干研究现状和可能的发展趋势。
高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)
史伟, 付士杰, 盛泉, 史朝督, 张钧翔, 张露, 姚建铨
2022, 51(1): 20210905. doi: 10.3788/IRLA20210905
[摘要](345) [HTML全文] (104) [PDF 1717KB](169)
单频光纤激光器以其独特的窄线宽、低噪声的激光特性,结合光纤系统高光束质量、高集成性以及免维护等应用优势,在冷原子物理、高分辨光谱分析、引力波探测以及远距离相干通信等前沿科学研究和应用领域具有广泛前景。伴随着光纤激光技术的快速发展,单频光纤激光器的性能在过去的二十年间得到了长足进步,单频光纤激光技术的基本体系逐渐建立。近年来,研究人员围绕高性能单频光纤激光器开展了一系列创新工作,在探索单频光纤激光的新机制、新结构,提升单频激光功率、压缩线宽、抑制噪声以及拓展工作波段等方面取得了不俗的研究成果。为此,笔者系统总结分析了近五年来高性能单频光纤激光器的研究进展,及时捕捉当前单频光纤激光领域研究趋势及所面临的新的发展瓶颈,并对单频光纤激光技术在新阶段的发展方向进行了展望。
红外技术及应用
基于InSb的新型红外探测器材料(特邀)
司俊杰
2022, 51(1): 20210811. doi: 10.3788/IRLA20210811
[摘要](303) [HTML全文] (65) [PDF 3522KB](162)
InSb单晶是制备工作于中波红外大气窗口(3~5 μm)光子型探测器的典型光电转换材料,采用该单晶材料所制备的InSb红外探测器以高性能、大规格像元阵列、高稳定性和相对低成本为特点,广泛应用于军用红外系统和高端民用红外系统领域。然而,InSb 红外探测器响应波长范围固定不可调节、响应仅限于短中波红外而对长波红外无响应、相对有限的载流子寿命制约器件高温工作性能等固有特点,限制了该型探测器在工程中的广泛应用。文中系统地介绍了基于InSb材料人们为改进上述不足所开展的新型材料及其光电响应方面的研究结果。这些材料主要包括:采用合金化方法改变InSb组分形成新型多元合金材料、采用量子结构形成新型低维探测材料。对于新型合金材料,介绍了材料的合金相图、带隙与合金组分的关系、带隙的温度关联特性,并给出采用该材料制备器件的典型光电性能;对于量子结构材料,介绍了材料的制备方法、带隙与量子尺寸的关系,以及采用该材料制备原型器件的典型光响应特性。最后,对新型InSb基红外探测材料与器件的发展趋势、关键问题、研究重点进行了探讨。
数字红外焦平面探测器(特邀)
姚立斌, 陈楠, 胡窦明, 王英, 毛文彪, 钟昇佑, 张济清
2022, 51(1): 20210995. doi: 10.3788/IRLA20210995
[摘要](327) [HTML全文] (42) [PDF 1548KB](179)
相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有很多技术优势,是红外焦平面探测器技术的重要发展方向。首先,介绍了数字红外焦平面探测器国内外的研发现状,从信号处理以及应用的角度分析了模拟红外焦平面探测器与数字红外焦平面探测器的区别与特点;然后,又详细介绍了列级ADC数字读出集成电路以及数字像元读出集成电路的架构及具体电路模块,分析了数字读出集成电路的各模块电路及与性能的关系,并展望了数字读出集成电路的技术发展趋势。随着红外焦平面探测器向大面阵、小像元及高性能发展,对数字读出集成电路也提出更高的技术要求。通过读出集成电路架构以及模块电路的技术提升,列级ADC数字读出集成电路将普遍应用于大面阵、小像元红外焦平面探测器,而数字像元读出集成电路将普遍应用于长波红外焦平面探测器。
偏振成像技术的发展现状与展望(特邀)
罗海波, 张俊超, 盖兴琴, 刘燕
2022, 51(1): 20210987. doi: 10.3788/IRLA20210987
[摘要](683) [HTML全文] (108) [PDF 1884KB](288)
偏振成像是一种新的光电探测体制,它可以获得比传统成像多一维的场景信息,在工业检测、生物医学、地球遥感、现代军事、航空以及海洋等领域具有重要的应用价值。论文对偏振成像的典型应用、发展历程和发展现状进行了分析和总结,总结了偏振成像的实现方法,当前学术界在场景的偏振特性、偏振的传输特性、偏振成像探测器、分焦平面偏振图像非均匀性校正、分焦平面偏振图像超分辨率重建以及偏振图像融合等领域的最新研究成果。在此基础上,对偏振成像的未来发展方向进行了展望,包括高消光比焦平面偏振探测器、分焦平面多光谱偏振探测器、高精度非均匀性校正方法、偏振图超分辨率重建方法以及强度图和偏振度/偏振角图融合方法等。
微纳结构增强型红外探测器研究进展(特邀)
朱鹏, 肖磊, 孙泰, 史浩飞
2022, 51(1): 20210826. doi: 10.3788/IRLA20210826
[摘要](306) [HTML全文] (63) [PDF 2380KB](182)
红外探测器在军事侦查、遥感、通信、精确制导和航空航天等领域发挥着关键作用,受到世界各国长期关注,具有重要的研究价值和应用前景。微纳结构与传统半导体探测器集成后能够有效提高光子耦合效率和等效光程,突破传统体材料的吸收极限,提高光电器件的量子效率并降低器件的暗电流,为高性能红外探测器的研究提供了全新的技术手段。文中围绕近年来各种不同类型的微纳结构增强型红外探测器的研究展开综述。首先,介绍了微纳结构增强型红外探测器的基本原理,根据微纳结构的材料和功能不同,进行了分类和对比;其次,分别从介质型、表面金属型和三维等离子腔型等方面对微纳结构在红外探测器上的研究进展进行了阐述;最后,对基于微纳结构增强型红外探器的发展趋势进行了总结和展望。
短波红外探测器的发展与应用(特邀)
马旭, 李云雪, 黄润宇, 叶海峰, 侯泽鹏, 史衍丽
2022, 51(1): 20210897. doi: 10.3788/IRLA20210897
[摘要](553) [HTML全文] (137) [PDF 1421KB](263)
短波红外波段作为“大气透过窗口”之一,探测器工作在该波段能获得目标更多的辐射能量。另外,短波红外对近室温目标的探测成像类似于可见光的反射式成像,一方面拥有中长波红外探测缺少的细节分辨能力,另一方面具有穿透烟雾进行成像等可见光探测不具备的能力。随着短波红外探测器在军事、民用领域的广泛应用,对短波红外探测器的性能、成本提出了更高的要求,InGaAs探测器由于高达约70%~90%的量子效率、室温下约8000 cm2/(V·s)的高迁移率,以及高灵敏度、高速响应、低成本的应用优势,是目前短波红外探测器的最佳选择。为了进一步扩展波长、提高分辨率、降低成本,发展了基于II类超晶格、胶体量子点、硅基材料等新材料和新工艺的短波红外探测器。文中对美国、法国、以色列、中国等国内外短波红外探测器的发展现状进行了归纳整理,对有关短波红外探测器的新材料和新工艺进行了报道,最后探讨分析了短波红外探测器的未来发展趋势。
局域场增强石墨烯近红外光电探测器(特邀)
王军, 何美誉, 韩兴伟, 韩超, 韩嘉悦
2022, 51(1): 20210823. doi: 10.3788/IRLA20210823
[摘要](133) [HTML全文] (52) [PDF 1350KB](80)
近红外光电探测器在夜视监控、生物医学、环境监测等诸多领域有广泛应用。由于二维石墨烯材料具有独特性质(零带隙结构、高载流子迁移率、功函数可调)使其在红外探测领域具有巨大潜质。为了充分利用石墨烯的优势,并克服其吸收率低、暗电流噪声大的不足,研究者利用局域场调控设计混合结构以提高红外探测器性能。文中总结了局域场增强石墨烯近红外光电探测器的研究成果,介绍了单吸收层局域场增强器件并分析基于不同类型感光材料器件的优缺点,进一步介绍了双吸收层局域场增强器件,对笔者所做的双吸收层器件中电流极性等相关研究进行了简述。最后对局域场增强探测器相关功能拓展领域研究进行了简介,对该类器件的发展趋势进行了简要的总结和展望。
中红外片上集成光电子综述(特邀)
林宏焘, 孙博姝, 马辉, 钟础宇, 巨泽朝
2022, 51(1): 20211111. doi: 10.3788/IRLA20211111
[摘要](493) [HTML全文] (109) [PDF 2176KB](222)
信息技术的发展使得通讯波段集成光子技术在过去的几十年中被广泛重视并取得了突出进展,目前已走向商业化,这一技术的发展也激发了人们对于中红外波段(2~20 μm)片上光子集成的兴趣。中红外波段在空间光通信、热成像、物质探测分析等关乎国家发展、国防安全、民生改善等技术领域具有重要的应用前景。利用半导体工艺实现中红外光电子系统芯片小型化在尺寸、功耗以及大规模量产部署具有重大优势。因此,发展中红外片上集成光电子技术具有重大意义。文中主要针对于中红外波段片上集成的一些关键基础器件(如:调制器、探测器)的突破性进展及代表性工作进行了回顾;对各器件的种类、性能、参数及加工手段分别进行了较为全面的调研与比较;同时,也对器件的发展进程、亟待解决的问题以及对未来的展望进行了总结。
激光器与激光光学
拉曼光纤激光:50年的历程、现状与趋势(特邀)
周朴, 姚天甫, 范晨晨, 李阳, 郝修路, 陈薏竹, 马小雅, 许将明, 肖虎, 冷进勇, 刘伟
2022, 51(1): 20220015. doi: 10.3788/IRLA20220015
[摘要](310) [HTML全文] (78) [PDF 2005KB](130)
自1972年Roger H. Stolen等人首次基于受激拉曼散射效应在玻璃光纤中实现激光输出以来,拉曼光纤激光技术已经走过了50年的发展历程。文中首先分阶段呈现拉曼光纤激光的发展历程,介绍具有里程碑意义的经典文献和重要技术突破,勾勒出拉曼光纤激光发展的概貌。其次根据拉曼光纤激光的研究现状,整理具有代表性的最新成果;介绍随机分布式反馈拉曼光纤激光、中红外拉曼光纤激光和超快激光等最新研究热点。最后梳理拉曼激光合束、半导体激光直接泵浦和非线性效应耦合新机制等方面的发展趋势。
非线性激光制造的进展与应用(特邀)
刘雨晴, 孙洪波
2022, 51(1): 20220005. doi: 10.3788/IRLA20220005
[摘要](215) [HTML全文] (89) [PDF 1813KB](103)
超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快(脉冲持续时间短)、超强(瞬时功率高)、超精细(加工结构精细)等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。
基于循环神经网络的超短脉冲光纤放大器模型(特邀)
张逸文, 蔡宇, 苑莉薪, 胡明列
2022, 51(1): 20210857. doi: 10.3788/IRLA20210857
[摘要](116) [HTML全文] (35) [PDF 1553KB](43)
针对超短脉冲光纤放大器模型复杂,计算难度大等问题,提出了一种基于门控循环单元深度学习的脉冲演化预测方法。利用初始脉冲时域和频域信息,分别训练门控循环单元模型,成功地预测了掺铥光纤放大器中脉冲非线性压缩的过程,与数值计算和实验结果匹配。相比于求解非线性薛定谔方程和能级速率方程两个偏微分方程的方法具有更高的运算速度,有利于优化放大器参数,理解超短脉冲在增益光纤中的非线性动力学过程。
量子激光雷达研究综述(特邀)
张子静, 谢佳衡, 黄明维, 赵远
2022, 51(1): 20211102. doi: 10.3788/IRLA20211102
[摘要](439) [HTML全文] (113) [PDF 2349KB](212)
激光雷达由于探测精度高、功耗低、体积小、易于装备等特点,近年来广泛地应用于预警探测、制导、引信等技术中。但随着实战应用遇到的问题,如各种复杂化场景、敌方对抗干扰,以及新型作战技术的出现,激光雷达遇到了一系列急需解决的难题。文中总结了目前激光雷达在实际应用中遇到的急待解决的问题以及未来激光雷达发展的迫切需求。针对这些难题人们开始了各种探索,但是传统的探测方法和探测技术均遇到了发展瓶颈,很难有效地解决这些问题。因此人们在传统激光雷达基础上结合量子等新技术进行升级,探索下一代新体制量子激光雷达,文中进一步总结了国内外现有多种新型量子激光雷达的工作。通过现有研究成果的梳理和分析有助于深入理解和把握目前量子激光雷达的研究现状和问题,为量子激光雷达未来发展奠定基础。
1.7 μm超快光纤激光器研究进展(特邀)
战泽宇, 陈吉祥, 刘萌, 罗爱平, 徐文成, 罗智超
2022, 51(1): 20210850. doi: 10.3788/IRLA20210850
[摘要](280) [HTML全文] (77) [PDF 3719KB](103)
超快光纤激光器具有紧凑性高、光束质量佳、散热性好等优点,是一种极具发展潜力的激光光源。工作波长作为超快光纤激光器的重要参数,在一定程度上决定了激光器的应用领域。近年来,得益于1.7 μm波段的独特光谱特性,1.7 μm波段超快光纤激光器在生物医学、聚合物加工、光学成像等领域具有重要的应用价值。因此,研制高性能的1.7 μm波段超快光纤激光器成为激光领域的研究热点之一。文中综述了近期1.7 μm波段超快光纤激光器的研究进展,对目前获得1.7 μm波段超短脉冲的不同方式进行总结,分析其技术特点;同时,介绍了笔者所在课题组报道的1.7 μm波段耗散孤子超快光纤激光器及其放大系统的研究成果,概述了其工作原理、技术难点;最后,对1.7 μm波段超快光纤激光的应用前景及发展趋势进行了展望。
锁模光纤激光器中隐形孤子脉动演化特性研究(特邀)
黄千千, 黄梓楠, 戴礼龙, 牟成博
2022, 51(1): 20210749. doi: 10.3788/IRLA20210749
[摘要](206) [HTML全文] (52) [PDF 1798KB](61)
以锁模光纤激光器为研究平台,利用色散傅里叶变换技术,实时观察到调制频率成比例的三周期隐形孤子脉动现象。通过分析孤子的演化特性,笔者所在课题组认为孤子的调制不稳定性引起了色散波和孤子的参量耦合过程,导致了色散波和孤子的能量交换,从而产生了参量边带和隐形孤子脉动。部分能量在色散波和孤子间的交换使得孤子总能量几乎不变。因此这种孤子脉动难以通过时域脉冲序列分辨。此外,文中实验分析了隐形孤子脉动完整的演化路径,即仅通过增加泵浦功率使得脉动产生至消失的过程。与传统的可见脉动过程相比,这种隐形孤子脉动的调制周期随泵浦功率的变化较小。该工作不仅加强了对孤子脉动动力学现象的理解,还对锁模激光稳定性的提升具有重要意义。
大气探测激光雷达突变信号处理方法研究(特邀)
杨彬, 莫祖斯, 刘海姣, 卜令兵
2022, 51(1): 20211117. doi: 10.3788/IRLA20211117
[摘要](101) [HTML全文] (16) [PDF 1480KB](51)
在大气探测激光雷达的实际应用中,当激光探测路径上存在后向散射系数很大的云雾、烟尘或硬目标,且由其引起的突变信号强烈到一定程度时,使用Fernald法后向积分反演消光系数会在突变信号后向数据中产生明显的反演误差。根据 Fernald法后向积分的特点并结合分段斜率法,提出了一种新的反演方法以应对上述情况,优化了传统算法的反演策略。即通过判断突变信号位置不断更新参考距离和边界值进行迭代反演,并将更准确的反演数据拼接覆盖到初始反演数据中。使用垂直和水平探测所得到的实测数据对反演方法进行有效性验证,并且对被优化数据和邻近无突变信号时相应的数据进行了对比。结果表明,相比传统算法,垂直和水平探测的相关数据在新的反演方法下分别优化了消光系数相对误差约79%和96%,验证了该方法具有一定的可行性。
星载激光测高仪多模式回波参数提取方法(特邀)
朱天豪, 周辉, 石岩, 张千胤
2022, 51(1): 20210836. doi: 10.3788/IRLA20210836
[摘要](138) [HTML全文] (19) [PDF 1770KB](34)
全波形星载激光测高仪的接收波形特征参数可以用于反演目标的形貌信息,传统的波形处理算法不能用于混叠严重以及偏离高斯形态的多模式波形特征参数提取。针对混叠严重的多模式回波,提出一种基于偏正态拟合模型,使用激励Richardson-Lucy反卷积算法、逐层分解算法、梯度下降法和非线性最小二乘拟合算法相组合的波形特征参数提取方法。采用已知参数的波形数据集、机载仿真波形数据集和全球生态系统动态调查(GEDI)激光雷达波形数据,基于波形相关系数与均方根误差(RMSE)、波形特征参数相对误差、波形分量个数提取正确率等评价指标开展波形处理试验,并将处理结果与传统的高斯分解结果进行比较分析。已知参数波形数据集处理结果的平均波形相关系数提升了约2%,RMSE降低了约47%,波形特征参数相对误差平均降低了约5%,分量个数提取正确率提升了约34%;机载仿真数据和GEDI波形数据处理结果的平均波形相关系数分别提升了约1%和2%,RMSE分别降低了约56%和54%。同时,开展了陡坡区域植被高度解算的仿真试验,得到的植被高度准确程度明显高于传统方法。所有处理结果均表明该方法更有利于多模式回波特征参数的提取以及目标参数的反演。
光学成像技术
元宇宙中的动态全息三维显示:发展与挑战(特邀)
曹良才, 何泽浩, 刘珂瑄, 隋晓萌
2022, 51(1): 20210935. doi: 10.3788/IRLA20210935
[摘要](1469) [HTML全文] (319) [PDF 1668KB](303)
相比二维显示,三维显示可以提供更接近真实世界的图像内容,是5G、大数据、元宇宙和物联网领域的关键性技术。计算全息三维显示可以提供所有种类的深度线索,被认为是三维显示的终极实现方式,在智能制造、远程教育、异地办公和娱乐社交等领域都具有广阔的应用前景。文中首先介绍了计算全息技术的发展历史和重要技术节点,分析了高质量全息动态三维显示面临的挑战,主要包括计算全息图重建质量不足、波前调制器件和全息显示系统性能受限以及三维内容源匮乏等,进一步介绍了已有的解决方案,比较了各类方案的优势与不足,进而分析了高质量全息动态三维显示的主要研究方向,包括低噪声全息图的获取、像质优化和畸变校正技术的开发以及三维内容源的构建。实现高质量、低噪声、无畸变、高刷新、真三维的动态全息三维显示,是计算全息显示发展的必由之路,也是元宇宙等典型应用对全息三维显示提出的必然要求。
三镜反射式光学系统综述(特邀)
孟庆宇
2022, 51(1): 20210986. doi: 10.3788/IRLA20210986
[摘要](514) [HTML全文] (47) [PDF 2292KB](144)
三镜反射式光学系统由于具备同时校正球差、彗差与像散三种像差的能力,可以实现较高的光学性能,基于其反射镜数量少、装调复杂性可接受等特点,在光学成像领域有着广泛的应用。特别是离轴三镜反射式光学系统,凭借其无孔径遮拦、可实现大视场等诸多优势,在高性能光学仪器装备中占据着重要位置。文中以典型的三镜反射式光学系统发展为主线,全面介绍了多种类型的三镜反射式光学系统,涵盖同轴三反系统、两轴三反系统、离轴三反系统与无焦三反系统,讨论了其光学结构特点、结构关联与光学系统性能,并给出了设计示例,供光学设计领域研究人员共同探讨。
成像光谱仪的发展与应用(特邀)
于磊
2022, 51(1): 20210940. doi: 10.3788/IRLA20210940
[摘要](420) [HTML全文] (81) [PDF 1475KB](185)
成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据分光原理和分光元件的不同,将成像光谱仪分为四类:滤光型、色散型、干涉型和快照型,在分类的基础上对各种成像光谱仪的主要代表形式和应用进行了回顾和介绍,并对成像光谱仪未来可能存在的发展和应用方向进行了展望。
滤光片分光型高光谱相机发展现状及趋势(特邀)
刘春雨, 丁祎, 刘帅, 樊星皓, 谢运强
2022, 51(1): 20210981. doi: 10.3788/IRLA20210981
[摘要](275) [HTML全文] (55) [PDF 2341KB](125)
高光谱相机可将成像技术与光谱探测技术相结合,在对目标空间特征成像的同时,可以对每个空间像元形成多个窄波段实现连续的光谱覆盖,不同光谱信息能充分反映地物内部的物理结构、化学成分的差异。与传统的空间二维成像相比,高光谱相机可以同时获取目标的空间和光谱信息,在一定的空间分辨率下,能够获取宽谱段范围内地物独有的连续特征光谱,对地物的精准识别和探测具有显著优势,目前已成为对地遥感重要的前沿技术手段,在农、林、水、土、矿等资源调查与环境监测等领域具有重要的应用价值。随着滤光片镀膜技术的飞速发展,极大地促进了滤光片分光型高光谱相机的研制,目前基于滤光片分光原理的高光谱相机以大幅宽、高空间分辨率、高光谱分辨率和轻小型的优势成为高光谱遥感载荷的重要组成部分,在微纳卫星高光谱星座组网中获得广泛应用。主要对滤光片分光型的高光谱相机进行了综述,介绍了国内外典型滤光片分光型星载高光谱成像载荷,以及地面在研的滤光片分光型高光谱成像系统,并分析了这些系统的技术方案、性能指标及应用前景,阐述了基于滤光片分光原理的高光谱相机的技术特点和优缺点,最后展望了滤光片分光型高光谱相机的发展趋势。
光通信与光传感
基于信息超表面的无线通信(特邀)
梁竟程, 陈伟聪, 程强, 金石, 崔铁军
2022, 51(1): 20210797. doi: 10.3788/IRLA20210797
[摘要](276) [HTML全文] (64) [PDF 2264KB](109)
信息超表面由于其强大的处理空间电磁波的能力,成为国内外物理和信息领域的研究热点之一。文中主要介绍信息超表面在无线通信领域的一系列研究进展。信息超表面能实时操控电磁波及直接处理数字编码信息,并进一步对信息进行感知、理解,甚至记忆、学习和认知,这使其在无线通信领域展现出巨大潜能。文中首先介绍信息超表面在承担无线中继职能时所涉及的信道建模研究进展、以及其对信道的改善作用;其次介绍信息超表面在新体制发射机中的应用,通过对入射到信息超表面上的载波进行幅度或相位调制,实现了多种简化的发射机架构。此外,文中还介绍了利用信息超表面近场、远场以及散射场等信息,实现了多种新型无线通信系统。最后,文章对基于信息超表面的无线通信进行了总结和展望。
无机钙钛矿白光LED及可见光通信研究进展(特邀)
赵双易, 莫琼花, 汪百前, 臧志刚
2022, 51(1): 20210772. doi: 10.3788/IRLA20210772
[摘要](358) [HTML全文] (172) [PDF 2593KB](80)
在现代社会中,白光发光二极管(LED)在照明和显示背板等诸多领域都有着重要的基础性作用。为了获得具有优异性能的白光LED,首先需要获得满足白光LED发光需要的高性能的发光材料。而作为一类新兴的半导体材料,无机钙钛矿(CsPbX3, X = Cl, Br, I)由于其具有的高发光量子产率、发光波长可调、色纯度高和稳定性好等优点,在发光应用特别是白光LED领域展现出了巨大的潜力。文中将首先分别从光致白光LED和电致白光LED两个方面出发,综述近期在基于无机钙钛矿的白光LED方面所取得的研究进展,随后分别介绍以上两个体系中改性后的无机钙钛矿发光材料与其他发光材料复合形成白光以及无机钙钛矿单组分白光的代表性成果。最后,对钙钛矿白光LED在可见光通信方面所取得的最新进展进行介绍,并且对白光LED以及可见光通信的研究发展趋势与挑战进行了总结和展望。
片上集成光学传感检测技术的研究进展(特邀)
陈沁, 南向红, 梁文跃, 郑麒麟, 孙志伟, 文龙
2022, 51(1): 20210671. doi: 10.3788/IRLA20210671
[摘要](554) [HTML全文] (158) [PDF 1801KB](175)
光学传感检测技术因具有精度高、低延时和可成像等优势而得到广泛应用。随着大数据和物联网等信息技术的迅速发展,对检测平台小型化和便携性的需求日益迫切。为了克服现有技术对大型专用设备的依赖,提高对现场快检、轻载荷平台等应用场景的适用性,近年来,基于微纳光学的片上集成光学传感检测技术受到了极大关注。通过集成光源、光学传感单元与光电探测单元、以及发展片上光色散等技术,可以有效地实现光学传感信号提取和光电信号转换的片上集成,从而实现系统的微型化和多功能集成。文中介绍了相关技术原理和技术发展现状,分析了现有技术的优缺点,讨论并总结了未来的发展方向和应用前景。
光纤氢气传感技术(特邀)
李慧, 杨远洪
2022, 51(1): 20211114. doi: 10.3788/IRLA20211114
[摘要](157) [HTML全文] (33) [PDF 1704KB](73)
光纤氢气传感器采用光纤作为传光或者传感的介质,基于氢敏材料的相关理化特性实现氢气检测,具有本质安全、稳定性好、体积小、质量轻和易组网等优良特性,是目前氢气传感和光纤传感领域的研究热点。文中首先介绍了典型氢敏材料的作用机理及特点,然后依据氢敏材料的调制机理,综述了几类典型的光纤氢气传感技术及基于受激拉曼增益或色散的新型光纤氢气传感技术,最后从传感器关键工艺及环境适应性方面分析了目前光纤氢气传感器实用化需要解决的问题,并对未来的研究方向进行了展望。
多芯光纤折射率与内应力分布重构技术(特邀)
解宇恒, 裴丽, 何倩, 常彦彪, 郭智君, 王建帅, 郑晶晶, 宁提纲, 李晶
2022, 51(1): 20210758. doi: 10.3788/IRLA20210758
[摘要](138) [HTML全文] (35) [PDF 1397KB](43)
介绍了一种基于定量相位显微(Quantitative phase microscopy,QPM)法、Brace-Köhler补偿器(Brace-Köhler compensator,BKC)法与机器视觉技术的多芯光纤综合参数测试系统,并利用该系统获得了七芯光纤的折射率分布与几何结构,单模光纤的内应力分布图。采用横向测量方式的QPM法避免了截断光纤造成的损坏,采用改进的BKC法优化了光延迟量的获取方式,结合机器视觉技术,实现了多模块、高空间分辨率、快速准确的光纤参数测量,其中相对折射率差的精度约5×10−4量级,单模光纤内应力测量分辨率约0.5 MPa。通过与既有的光纤产品技术指标对比,证明了该系统具有测量准确性,测试结果为多芯光纤在传输和传感等多领域的应用提供了数据支撑。
光电测量
超大口径平面反射镜的光学检测(特邀)
王孝坤, 戚二辉, 胡海翔, 苏航, 李凌众, 王晶, 罗霄, 张学军
2022, 51(1): 20210953. doi: 10.3788/IRLA20210953
[摘要](164) [HTML全文] (18) [PDF 1878KB](70)
在简要总结了各种检测大口径反射镜难点的基础上,为了实现30 m望远镜(TMT)超大口径第三反射镜的高精度检测,提出了一种融合五棱镜扫描技术和子孔径拼接测试技术的新方法。大口径反射镜分阶段依次进行了五棱镜扫描测试和子孔径拼接检测,对该技术的基本原理和基础理论进行了分析和研究,制定了检测30 m望远镜第三反射镜(口径为3.5 m×2.5 m)的方案,对其测试流程、五棱镜设计、五棱镜扫描像差拟合、拼接最优化算法等进行了详细分析,并对30 m望远镜第三反射镜的原理镜进行了实验验证,其最终拼接检测面形的均方根值(RMS)和斜率均方根值(slopeRMS)分别为28.676 nm和0.97 μrad。
一种基于自适应差分进化算法的薄膜参数表征方法研究(特邀)
管钰晴, 傅云霞, 邹文哲, 谢张宁, 雷李华
2022, 51(1): 20210976. doi: 10.3788/IRLA20210976
[摘要](94) [HTML全文] (14) [PDF 1904KB](38)
依据穆勒椭偏测量方法中偏振光的传输方式,文中提出了一种基于自适应差分进化算法(SADE)的各向同性纳米薄膜厚度与光学常数的表征方法。通过建立出射光强关于待测标准样片穆勒矩阵的最小二乘模型,用SADE算法对穆勒矩阵元素进行求解,并将拟合得到的穆勒光谱曲线与用双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪(DRC-MME)测量得到的穆勒光谱图进行了比较,利用传输矩阵求解薄膜厚度。对标定值分别为(104.2±0.4) nm和(398.4±0.4) nm的SiO2/Si标准样片进行仿真计算,实验表明:当分别迭代到80次和87次时,目标函数光强的残差平方和收敛到最小值0.97和1.01,得到的膜厚计算值分别是(103.8±0.6) nm和(397.8±0.6) nm,相对误差均小于1%。同时用计量型椭偏仪根据得到的折射率进行计算,得到膜厚的计算值分别为(104.1±0.6) nm和(398.2±0.6) nm,验证了SADE在相近收敛速度下对各向同性纳米薄膜参数求解过程中具有计算简单和可以准确的找到全局最优解的特点。
人眼海丁格尔刷效应的偏振感知建模与分析(特邀)
王祺, 刘智颖, 贾文涛, 黄蕴涵, 贺文俊
2022, 51(1): 20210927. doi: 10.3788/IRLA20210927
[摘要](217) [HTML全文] (30) [PDF 1364KB](50)
海丁格尔刷效应是一种人眼对线偏振光进行感知的内视效应,可用于判断人眼黄斑疾病的病变情况。针对现有海丁格尔刷效应图像存在难以精确仿真和分析的问题,通过三维琼斯矩阵和矢量对人眼的偏振感知效应进行计算,建立了一种人眼偏振感知模型,对理想、近/远视和散射等形式的人眼进行了偏振像差分析。结果表明:在人眼内介质均匀的情况下,人眼光瞳上正入射的460 nm波长线偏振光因晶状体[−5D,+5D]屈光度差异所产生的二向衰减小于1%。基于所建立的人眼偏振感知模型,利用入射偏振光的三维琼斯矢量对人眼光瞳上不同入射光场和屈光度的海丁格尔刷效应强度图像进行仿真计算,为海丁格尔刷效应的研究提供有效理论依据,扩大海丁格尔刷效应在人眼黄斑病变检测中的应用。