优先发表

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基于单向传输的光纤时延波动测量
魏恒, 卢麟, 蒲涛, 郑吉林, 赵继勇, 张宝富, 吴传信
, doi: 10.3788/IRLA20200018
[摘要](25) [HTML全文](15)
为了与现有光纤通信网络兼容,研究了一种基于单纤单向传输的光纤时延波动测量方法。基于色散温变效应和Sellmeier等式,建立了利用温度的准确测量和双波长光信号传输时延差波动反推单向时延波动的比例模型。令模型中的比例系数是单波长时延波动和双波长时延差波动的比,仿真研究了温度和波长差对比例系数的影响。搭建了75 km光纤单向时延波动测量实验平台,实验结果表明:实测比例系数−258.4接近于理论比例系数−277.3,对应单向传输时延波动误差为660 ps,实验结果验证了模型的正确性和基于单向传输的光纤时延波动测量的可能性。
整形脉冲信号处理方法及低温辐射流偏差
杜华冰, 孙奥, 尚万里, 侯立飞, 车兴森, 杨轶濛, 杨国洪
, doi: 10.3788/IRLA20200181
[摘要](30) [HTML全文](23)
平响应X射线二极管目前已经广泛应用在国内外大型激光装置,用于角分布X射线辐射流的测量。在实际实验中,平响应X射线二极管会对整形脉冲驱动辐射源产生台阶变化的辐射流图像进行测量。为了保证信噪比良好,单一信号会接入示波器多通道,然后对不同通道信号进行数据处理,并且拼接得到最后信噪比很好的图像。本研究主要对这种数据处理方式进行了介绍并给出理论计算,同时对低温辐射流还原计算中的一种偏差做了理论近似和数值模拟,得到了偏差的相对不确定度。耦合所有因素的不确定度得到了平响应X射线二极管的整体不确定度随辐射温度的变化曲线,实现了精密化诊断,完成了实验对于诊断的需求。
光子晶体光纤载体中液晶随机激光辐射行为
乌日娜, 宋云鹤, 卢佳琦, 高芮, 李业秋, 岱钦
, doi: 10.3788/IRLA20200171
[摘要](29) [HTML全文](17)
将向列相液晶TEB30A、手性剂S-811、激光染料PM597的混合物填充空芯光子晶体光纤中,以Nd: YAG倍频532 nm激光作为泵浦光源,测量激光辐射谱,研究了光子晶体光纤载体中的随机激光辐射行为。泵浦激光侧面入射,侧面出射随机激光波长范围为590 nm至605 nm,半高全宽约为0.3 nm;辐射方向较广。泵浦光端面入射,端面出射随机激光波长范围为580 nm至605 nm,半高全宽约为0.3 nm。加热样品至各向同性温度时,端面和侧面激光辐射被关断。由实验结果得出,光子晶体中随机激光辐射源于微孔中填充的染料掺杂液晶混合物。手性向列相液晶中光子传输平均自由程和液晶分子介电张量的涨落随温度的变化,是影响出射激光强度的主要因素。
基于金刚石拉曼转换的光束亮度增强研究进展
白振旭, 陈晖, 李宇琪, 杨学宗, 齐瑶瑶, 丁洁, 王雨雷, 吕志伟
, doi: 10.3788/IRLA20200098
[摘要](635) [HTML全文](572)
具有不同波长的高亮度激光在军事、工业、生命科学等诸多领域发挥着重要作用。但是受限于现有工作物质固有的光谱特性和热物性,传统粒子数反转激光器的波长和输出功率难以兼顾,甚至导致激光在功率提升时的光束亮度不升反降。为了克服该难题,近几年人们利用非线性光学技术对光束净化开展了大量研究,即将粒子数反转激光器输出的低光束质量的光束,通过受激拉曼或受激布里渊散射等效应转变为高光束质量激光输出。其中,金刚石晶体以其高拉曼增益系数、极高的热导率和极宽的光谱透过范围等性质,在实现高效率拉曼波长转换的同时展现出优异的光束亮度增强特性,为人们获得高功率、高亮度激光光束提供了新的技术路径。文中对基于金刚石的一阶和级联拉曼转换的光束亮度增强研究进行了综述,并围绕其潜在的应用进行了探讨。
金属-无机半导体-金属光电探测器的研究进展
高琳华, 崔艳霞, 梁强兵, 刘艳珍, 李国辉, 范明明, 郝玉英
, doi: 10.3788/IRLA20201025
[摘要](33) [HTML全文](38)
金属-半导体-金属光电探测器(MSM-PDs)本身固有的高速、高响应率、易集成等特性使其在光纤通信、传感、制导等多个领域受到广泛关注。文中围绕金属-无机半导体-金属光电探测器展开综述。首先介绍了MSM-PDs的基本结构,包含共面和垂直两种类型。紧接着,介绍了MSM-PDs具体的工作原理,除了常见的光电导型及肖特基型工作原理,还介绍了以金属作为吸光层的热载流子光电探测器的工作原理。随后,详细介绍了以GaAs、InGaAs、Si/Ge等无机材料作为半导体层的MSM-PDs在过去所取得的研究进展。此外,还介绍了利用金属微纳结构拓展较宽带隙半导体材料MSM-PDs在红外波段响应特性的研究进展。最后,总结全文并对MSM-PDs未来的发展做出了展望。
Development of Coaxiality Measurement System of Turbine Components and Stud Standard Parts
Zhang Bo, Zhang Wengjian, Lei Lihua
, doi: 10.3788/IRLA20200216
[摘要](32) [HTML全文](27)
Turbocharger and gearbox were widely used in the precision machinery manufacturing industry. The dimensional accuracy of Turbo parts and stud standard parts was an important guarantee for the assembly accuracy of Turbo parts and gearbox, among which coaxiality was a key parameter for the dimensional accuracy of Turbo parts and stud standard parts. According to the demands of coaxiality measurement for turbine components and stud standard parts, a set of checking fixture was developed, and a software based on LabVIEW was built for the measurement. The coaxiality of stud standard M12 was measured by experiment and the uncertainty of measurement was evaluated. The experimental results show that the coaxiality error obtained from the four measurements is 6.3–6.5 μm, and the extended uncertainty reaches 2.6 μm. The results show that the developed coaxiality measurement system is suitable for the high precision measurement of the coaxiality of turbine parts and stud standard parts.
长焦距无热化星敏感器光学系统设计
伍雁雄, 乔健, 王丽萍
, doi: 10.3788/IRLA20200061
[摘要](53) [HTML全文](48)
光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。研究分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理及评价方法,建立了光学系统设计波长权重分配模型。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距95 mm,相对孔径F/2.4,视场角8°×8°,探测光谱范围450~1 000 nm,3×3 pixels内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明:2 600~9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm;在工作温度0~40°C范围内,焦距变化量小于2.7 μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。
基于NDIR技术的超低功耗甲烷检测系统研究
赵庆川
, doi: 10.3788/IRLA20200140
[摘要](26) [HTML全文](31)
为了满足低功耗甲烷检测技术的需要,基于甲烷气体分子在3.2~3.4 μm中红外波段具有主吸收峰的特性,研制了一种基于非色散红外光谱技术的超低功耗红外甲烷传感器及系统。在分析红外差分检测原理的基础上,重点研究了抗水汽干扰的LED、PD器件选型及光路设计。采用LED脉冲串电流驱动技术,将红外甲烷传感器的功耗降至10 mW。利用实验法研究了温度变化对传感器甲烷浓度测量结果的影响,通过数据分析及归一法线性拟合,得出了温度补偿算法公式。利用检测系统平台进行了性能实验,并给出了基本性能指标参数。该系统具有功耗低、抗水汽干扰、检测稳定性好的优点,具有重要推广应用价值。
角锥阵列相位精密调整机构设计及锁相实验
余焘, 李新阳, 李枫, 耿超
, doi: 10.3788/IRLA20190568
[摘要](2799) [HTML全文](728)
为了校正角锥棱镜阵列中子孔径的piston误差,设计了一种多单元一维相位精密调整机构,提出了一种基于相干合成原理的角锥棱镜阵列piston误差检测、调整方法。首先,设计了一种机械装置使单个角锥棱镜能够进行一维相位调整;其次,利用远场成像原理,分析了角锥阵列piston误差对远场衍射成像的影响;最后,基于远场光斑的不同,提出了一种角锥阵列piston误差的检测、调整方法。实验结果表明:角锥阵列相位精密调整机构能够达到0.1 μm级的调整精度,通过观测角锥棱镜阵列反射光束远场衍射图像,调整角锥棱镜单元相对位置,将反射光束PIB提升至0.49,远场图像接近仿真结果,基本实现了角锥棱镜阵列子孔径的piston误差的校正,提升了角锥棱镜阵列使用效率,扩展了角锥棱镜阵列使用场景。
运动物体大气扰流的可视化光学监测方法
张月, 苏云, 高鹏, 王旭, 董士奎, 张学敏, 赵号
, doi: 10.3788/IRLA20190535
[摘要](29) [HTML全文](22)
建立了对运动物体在大气层内运动引发的大气扰流进行可视化光学监测的方法。监测方法包括大气扰流光传输方法、大气扰流光偏折监测方法,以及高精度扰动检出方法三个部分。在分析大气扰流引发光线偏折机理的基础上,研究了大气扰流区光线折射率、折射率梯度和光线偏折传输的计算方法,基于背景纹影成像原理的监测系统各参数对监测效能影响的分析方法,以及“整像素搜索+亚像素定位”的高精度扰动检出方法,建立了相关数学模型并开展了仿真分析。该方法为可视化监测航天飞行器返回大气层着陆减速、降落伞动力展开、客机超音速飞行等过程中与大气的相互作用,提供了一种重要的方法与途径,监测结果可为优化气动外形提供数据支撑。
芯片式光谱仪光束耦合与对准监测系统设计
刘智颖, 姜馨, 李明宇, 贾文波
, doi: 10.3788/IRLA20190532
[摘要](20) [HTML全文](25)
针对芯片式光谱仪的光束耦合与对准监测难的问题,提出了一种集成光学系统,避免光纤与芯片式光谱仪接收端接触产生磨损;有效解决光纤遮挡导致无法监测耦合效果的问题。光学系统由耦合前部分系统、监测后部分系统和复合共用系统三部分组成,复合共用系统需同时配合耦合前部分系统与监测后部分系统分别完成光束耦合与对准监测的功能。采用多重组合方式对整体系统进行设计,针对6 μm入射光纤与20×20 μm的芯片式光谱仪接收端,在1 550±50 nm的工作谱段对光纤光束与芯片式光谱仪接收端耦合系统与监测系统进行了设计,并通过LightTools软件对耦合系统进行能量分析,计算耦合效率为0.733。整体系统结构简单且无需手动调节,可同时进行光束耦合与对准监测,为芯片式光谱仪的耦合及监测提供了一种新方法。
穆勒椭偏标定方法中LM算法研究
管钰晴, 傅云霞, 孙佳媛, 韩志国, 张波, 孔明, 曹程明, 雷李华
, doi: 10.3788/IRLA20200204
[摘要](18) [HTML全文](17)
依据穆勒椭偏测量方法中偏振光的传输方式,提出了一种椭偏系统中光学元件参数的定标方法。通过建立出射光强关于起偏器和检偏器透光轴方位角、旋转补偿器方位角和相位延迟的非线性最小二乘模型,用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt,LM)算法对初始参数进行迭代。求解出光学元件参数的精确值,从而实现对元件的定标。通过仿真实验,利用已知穆勒(Muller)矩阵且标定值为(24.90±0.30) nm的SiO2/Si标准样片,基于LM算法迭代计算光强值的残差平方和。实验可得当迭代次数为50次时,残差平方和收敛到最小值0.24;与传统多点标定法进行对比试验,验证了基于LM算法求解光学参数的可行性;用标定值为(91.21±0.36) nm的SiO2/Si标准样片进行验证,得到膜厚的计算值为91.53 nm,相对误差为0.35%。结果表明:在穆勒椭偏系统参数标定中,LM算法具有收敛速度快,计算精度高等优点。
多鸽巢自适应排序的快速相位展开方法
魏鹏轩, 黄智, 郑晓, 刘海涛, 吴湘, 万勇健
, doi: 10.3788/IRLA20200032
[摘要](22) [HTML全文](19)
为提升单目结构光测量系统的测量精度和效率,对结构光三维重建中最重要步骤相位展开算法进行了改进,提出一种多鸽巢自适应排序的相位展开算法,其有效的抑制了相位展开过程中的误差传递,并能显著提升计算效率。首先,根据像素的二阶差分定义像素的不可信函数,并将相邻像素组合成为像素组;然后,自适应构建具有不同不可信值范围的鸽巢使其满足误差传递要求,并依次将像素组放入对应参数的鸽巢中;最后,根据鸽巢的不可信值从小到大依次进行相位展开。在单目结构光系统中开展验证实验,实验结果显示:提出的相位展开算法相较原算法提速38.37%,且在点云求解精度上有较大提升,有效优化了测量系统相关性能。
高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响
蒙裴贝, 史文宗, 蒋硕, 齐明, 邓永涛, 李旭
, doi: 10.3788/IRLA20200127
[摘要](23) [HTML全文](18)
实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。
L2范式距离的星图识别方法
王泽文, 王广君, 刘小波, 佘锦华
, doi: 10.3788/IRLA20200040
[摘要](19) [HTML全文](24)
本文在Hausdroff距离的基础上,提出一种不依赖于星敏感器的旋转方向和焦距等因素的星图识别方法。在构造Hausdroff距离的数据点集合时,采用基于L2范数对应的相对欧氏距离作为集合元素,解决星敏感器滚动对星图识别的影响;另一方面,由于受星敏感器焦距的影响,星敏感器图像与标准参考图也会存在误差。在构造标准数据点元素时,考虑到如果一个数据点集包含另一个数据点集,在这两个数据点集之间至少有两个数据点之间的L2范式距离是相同的。对L2范式Hausdroff距离进行比例化处理,每个集合中的相对空间距离除以本集合中最小的相对空间距离,构成一种新的数据点集。这种方法不需要对星敏感器图像由于焦距不同进行标定,避免了星敏感器焦距对星图识别的影响。论文给出了距离的计算公式和实现步骤,并给出了实验结果。实验结果表明,在星敏感器转动、尺度变换等情况下,本算法可以正确得到星图识别结果,从而获得星敏感器的姿态信息。
非球型粒子对激光偏振特性影响研究
战俊彤, 张肃, 付强, 段锦, 李英超, JiangHui-lin
, doi: 10.3788/IRLA20200150
[摘要](9) [HTML全文](31)
球形粒子群的偏振散射特性已经通过研究获得,但是真实环境中粒子形状为非球形,非球型粒子的多次散射偏振特性规律尚未得到。文中基于T矩阵计算方法对非球型粒子散射模型进行改进,获得非球型粒子的散射振幅矩阵,对椭球形粒子,圆柱形粒子以及且切比雪夫粒子的偏振特性进行模拟,分析不同横纵轴比、形状、波长对粒子偏振特性的影响。研究结果表明:对于椭球形粒子而言偏心率由2变为3后偏振度最大值从散射角130°变为90°,450 nm、532 nm、671 nm的偏振度分别增大了50%、25%、24%;圆柱粒子长短轴互换对于偏振度的改变影响不大。切比雪夫粒子表面的不规则度由3变为8后,偏振度变大18%。研究结果为非球型粒子群的多次散射特性提供了理论基础,最终解决真实环境与理想环境之间的偏振传输特性差异的问题。
一种激光搜跟器的光学设计
纪小辉
, doi: 10.3788/IRLA20200088
[摘要](1161) [HTML全文](467)
为提高激光搜跟器对地目标的搜索范围和成像分辨率,提出了一种机载平台下的共孔径激光搜跟器扫搜和跟踪目标的方法,并进行了光学系统的设计。激光搜跟器采用捷联的方式固定于飞行器上,提高了其稳定性;激光的出射和回波的接收,采用共孔径的R-C式反射望远系统实现,缩小了其整体尺寸,并提高了成像分辨率;扫描搜索目标采用双光楔组件实现,并提高了搜索频率和扩大了搜索视场;给出了双光楔旋转角和出射光偏转角之间的关系。设计结果表明,当系统通光孔径为φ300 mm,焦距为2100 mm时,总体尺寸为685 mm,可扫描搜索视场为±5°,成像视场为±0.08°,成像点弥散斑最大为2.417 μm,系统MTF值在50 lp/mm时大于0.4,满足成像要求;当目标距离为3 km时,可搜索范围达到526 m,可实现对4 m大小目标的成像,成像分辨率为2″。
基于金纳米笼和MoS2的1 123 nm被动调Q Nd: YAG激光器
张斌, 李颖, 刘丙海
, doi: 10.3788/IRLA20200084
[摘要](351) [HTML全文](267)
分别将金纳米笼和MoS2作为饱和吸收体,实现了中心波长为1 123 nm的Nd: YAG激光器的调Q运转。在金纳米笼为饱和吸收体的调Q激光器中,当泵浦功率为6.04 W时,得到的最大平均输出功率为221 mW,最短脉冲宽度为253 ns,最大脉冲重复率为326 kHz。与MoS2调Q激光器的实验结果相比,金纳米笼调Q激光器获得的输出功率和效率更高,脉冲宽度更窄,重复率更高。结果证明了金纳米笼在近红外波段激光器中用作饱和吸收体的巨大潜力。
高次谐波份额测量滤片法及其应用
孙奥, 杜华冰, 侯立飞, 尚万里, 车兴森, 张文海, 韦敏习, 杨国洪, 易荣清, 杨轶濛, 江少恩, 王峰, 杨家敏
[摘要](34) [HTML全文](51)
惯性约束聚变实验对数据测量精度有着很高的要求,诊断设备需要向绝对测量的方向发展,对标定提出了很高的要求。北京同步辐射装置提供了良好的标定光源,其光源特性,如高次谐波份额的数值研究,对标定工作和ICF精密诊断十分重要。本研究提出一种基于滤片的高次谐波份额测量方案,建立了相应的理论模型,并实验测量了北京同步辐射装置4B7B束线上的高次谐波。实验结果显示,二次谐波在软X射线能段主要集中在180-300 eV以及450 eV-800 eV,所占份额大部分在15%以下,最大可达到25%左右。利用测量的高次谐波份额,开展了对平响应滤片透过率以及X射线二极管灵敏度的修正工作,修正后的结果和理论相符,极大地提高了诊断设备精密诊断能力。完整的理论模型和实验相互验证,说明基于滤片的高次谐波份额测量技术目前已经成熟并且具有广阔的应用前景。
高功率碘稳频He-Ne激光波长参考源
王建波, 殷聪, 石春英, 王捍平, 蔡山, 舒慧
, doi: 10.3788/IRLA20200111
[摘要](956) [HTML全文](414)
为满足精密测量对高稳定激光单色光源功率的要求,研制了全封闭、一体化结构的高功率碘稳频He-Ne激光系统。对该系统所采用的饱和光谱探测原理、吸收峰识别与锁定方法以及激光波长的稳频效果进行了研究。首先,介绍了三次谐波方法探测饱和吸收光谱的基本原理,分析了其消除功率背景的方法。接着,分析了碘稳频激光中一体化谐振腔的稳定性,详细讨论了谐振腔轴向膨胀和横向非对称形变对输出功率的影响。然后,分析了激光输出功率与碘分子饱和吸收峰之间的对应关系,介绍了利用二次谐波信号实现吸收峰识别的可行性,并展示了高稳定谐振腔的长时间锁定能力。最后,分析了高功率碘稳频He-Ne激光波长的稳定度与复现性。实验结果表明:高功率碘稳频He-Ne激光波长抖动标准差为33 kHz,1000 s稳定度达到4.1×10−13;三个月内激光波长的复现性达到3.3 kHz(7.0×10−12),与国际计量委员会推荐的频率差为3.0 kHz。
高重频KrF准分子激光器能量特性控制
冯泽斌, 周翊, 江锐, 韩晓泉, 孙泽旭, 张华
, doi: 10.3788/IRLA20200043
[摘要](444) [HTML全文](304)
能量稳定性和剂量精度是半导体光刻用高重频准分子激光器的重要指标,必须采用高精度的控制算法对其进行控制。针对准分子激光器,首先对于准分子激光器的单脉冲能量特性进行了分析,并在分析的基础上建立了准分子激光器的出光能量仿真模型。然后,分别设计了能量稳定性控制算法,基于PID的双闭环剂量精度控制算法和基于决策算法的剂量精度控制算法,并通过在仿真模型上实验对于算法控制效果进行了分析,证明了基于决策算法的剂量精度控制算法的适应性更强。最后,将基于决策的控制算法在一台重频为4 KHz的KrF准分子激光器上进行了验证。该激光器在基于决策的控制算法的控制下,能量稳定性的3σ小于5%,剂量精度小于0.4%,满足半导体光刻的需求。在仿真实验和实际实验中都证明了研究中设计的能量特性控制算法的有效性。
脉冲气体激光器用固态高压开关的研制
杨银辉, 郑义军, 朱子任, 孙科, 唐化江, 谭荣清, 苏新军
, doi: 10.3788/IRLA20200045
[摘要](16) [HTML全文](20)
实验研制了基于磁脉冲压缩系统的脉冲气体激光器用固态高压开关,实验中通过调节复位电流大小,负载电阻大小等相关参数实现了磁压缩开关输出效率达到最大值。经两级磁开关压缩后脉宽约压缩为原来的5%。压缩后脉冲上升时间约为180 ns,幅值约为16 kV。其中第一级磁压缩效率为89.2%,第二级磁压缩效率达到97.7%,总的压缩效率达到87.2%。接激光器后测得输出激光脉冲能量约为20 mJ,输出激光脉冲半高宽约为85 ns。
基于红外TDLAS技术的高精度CO2同位素检测系统的研制49
侯月, 张鹏泉, 于冠一, 黄克谨
, doi: 10.3788/IRLA20200083
[摘要](971) [HTML全文](430)
对天然气分布监测,高精度地检测CO2同位素是非常重要的。文中采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过13CO2/12CO2在4.3 μm处的吸收谱线,实现高精度CO2同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲化汞镉(MCT)探测器组成。针对13CO212CO2两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO2气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.9996。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.0139‰,具备实际应用价值。
光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算
张烜喆, 王彦, 王佳华, 侯再红, 杜少军
, doi: 10.3788/IRLA20200053
[摘要](1108) [HTML全文](559)
基于相空间光学原理改进了光场相机的信息提取算法,在湍流条件下完成了清晰成像和点云计算。这种算法使用四维密度函数来描述复眼结构,对原始数据的使用更加充分,能够提取物点完整的低阶相位信息,因而可以抵抗湍流对局部子孔径的影响稳健的获取目标点云,解算深度图并得到全聚焦清晰成像。根据这一原理设计了光场相机系统,探测室内湍流池后方的目标以及室外湍流下500 m处目标,均获得了4 k以上个物点的准确低阶相位分布,给出了目标的三维点云图和清晰成像。
不同湿度环境下可见光波段激光偏振特性研究
战俊彤, 张肃, 付强, 段锦, 李英超, 姜会林
, doi: 10.3788/IRLA20200057
[摘要](816) [HTML全文](710)
为了实现偏振探测效率的提升,获得可见光偏振特性规律,本文分析了环境湿度对偏振特性的影响。采用改进蒙特卡罗方法建立了偏振传输模型,并建立了接近真实水雾环境,通过室内实验对偏振模型进行验证,对不同湿度环境下的450 nm,532 nm,671 nm线偏振光与圆偏振光的偏振度与偏振态改变进行了比较与分析,仿真模型置信度>60%。研究结果表明,偏振光的偏振度随水雾环境湿度是呈下降趋势。当激光波长为450 nm,532 nm,671 nm时,偏振度下降点的湿度值分别为50%,70%,90%;对于水雾这种容易受湿度影响较大的环境而言,在可见光波段,应该尽量选择较长波长的偏振光进行传输探测。
Hybrid phase retrieval with chromatic dispersion in single-lens system
Cheng Hong, Liu Yong, Hu Jiajie, Zhang Xiaolong, Deng Huilong, Wei Sui
, doi: 10.3788/IRLA20200017
[摘要](578) [HTML全文](537)
Phase retrieval is to recover the original phase information by using the intensity information obtained from observation. Transport of intensity equation (TIE), as a traditional non-interference phase retrieval technique, can compute the losing phase information from only a minimum of two intensity measurements at closely spaced planes by solving the equation. This method usually requires the acquisition of intensity images by moving the object to be tested or CCD, which inevitably results in mechanical errors. A new phase retrieval method called chromatic dispersion-hybrid phase retrieval(CD-HPR) is proposed. The object is imaged at the same position by setting different wavelengths of light after passing through the single-lens system, in-focus and defocus intensity images are obtained without mechanical movement, and the initial phase information of an object is calculated from the phase retrieval technique based on TIE by combining the relationship between the defocus amount and the wavelength. Next angular spectrum iteration is used to improve the initial phase information. In this simulation, the RMSE between the phase recovered by this method and the original phase is 0.1076. At the same time, the phase of the lens array was restored by experiment. The error between the experimental result and the real parameter is 3.4%, which proves the correctness and effectiveness of the proposed method. This method extends the limitation of the traditional method that requires the light source to be monochromatic and improves the calculation accuracy.
基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器
陈薏竹, 姚天甫, 肖虎, 冷进勇, 周朴
[摘要](2816) [HTML全文](786)
不同浓度TI:Bi2Te3的调Q光纤激光器
潘伟, 陈华龙, 王铁斌, 张宏伟, 金亮, 张贺, 徐英添, 邹永刚, 石琳琳, 马晓辉
[摘要](4689) [HTML全文](1463)
基于二维材料的非线性光开关是调Q光纤激光器的核心器件,二维材料光开关的浓度会直接影响其非线性光学吸收特性,从而改变脉冲的时域特性。因此针对二维材料浓度对调Q光脉冲的影响进行了研究,并通过实验制作了基于不同浓度TI: Bi2Te3可饱和吸收光开关,分析了TI: Bi2Te3浓度对非线性光学吸收特性的影响,获得了调Q光脉冲的调制深度、脉冲宽度、重复频率和单脉冲能量随不同浓度Bi2Te3的变化关系。最终,针对谐振腔参数对TI:Bi2Te3浓度进行优化,在泵浦功率为71 mW时,获得了中心波长1560 nm,脉冲宽度为8 μs,重复频率为14.2 kHz,平均输出功率2.15 mW, 对应单脉冲能量为151.4 nJ脉冲输出。
径向偏振光的退偏特性及补偿方法
杨策, 彭红攀, 陈檬, 马宁, 薛瑶瑶, 杜鑫彪, 张携
, doi: 10.3788/IRLA202049.20200038
[摘要](610) [HTML全文](1763)
研究了非均匀泵浦状态下径向偏振光束的退偏机理及补偿方法。理论分析表明非均匀泵浦条件下各向同性晶体横截面内由热致剪应力引起的剪切向热致双折射是导致径向偏振光退偏的主要原因。设计实验依次采用薄膜偏振片(TFP)测量法和纯度测量法评价了径向偏振光在非均匀泵浦条件下的退偏,其中TFP测量法用于检测径向偏振光的整体退偏,纯度测量法用于检测径向偏振光的局部退偏。在泵浦峰值功率1.1 kW下,两种评价方法测得的退偏量分别为2.34%和2.53%。基于理论分析和评价方法的结果,退偏补偿方案的设计中采用相位调制与空间模式匹配相结合的方式,将径向偏振光的退偏量优化了59%,并获得脉冲能量为19.36 mJ,纯度为90.13%的皮秒径向偏振光,光束质量因子M2为3.8。
南极大型望远镜主镜运输的抗振缓冲系统
乐中宇, 崔向群, 顾伯忠
[摘要](16) [HTML全文](32)
我国南极天文台规划有一台主镜口径2.5米的光学红外望远镜,这台望远镜需要用雪橇车从中山站运到昆仑站,运输振动剧烈。文中以这台望远镜主镜运输的抗振缓冲系统为研究目标,首先研究了隔振系统理论模型,用四端参数法分析了双层隔振系统的传输特性,然后研究了科考队运输实测振动数据和主镜运输许用动力学条件,提出了一种包含杠杆式缓冲结构和聚乙烯泡沫塑料结构的双层隔振系统,最后对这种隔振系统的性能进行了仿真研究。结果表明:文中提出的抗振缓冲系统在实测得到的最极端冲击信号的作用下可以满足主镜模块最大加速度不大于5 g的要求,此时主镜模块的Z向运动范围约1.2米,该缓冲系统可以在南极2.5米望远镜主镜的整体运输中使用。文中提出的方法对其他脆弱结构的缓冲系统设计有参考价值。
Picosecond multi-pulse burst pump KGW infrared multi-wavelength Raman generator
YANG Ce, CHEN Meng, MA Ning, XUE Yaoyao, DU Xinbiao, JI Lingfei
[摘要](2788) [HTML全文](734)
Picosecond infrared multi-wavelength Raman generator which adopted multi-pulse pumped KGW scheme was reported. A mathematical model was developed to investigate the effect of multi-pulse burst pumping regime on the vibrational mode of the Raman active molecule. The simulated results show that the response oscillation of the Raman active molecule to the multi-pulse burst pumping regime is more active and durable compared with the traditional single pulse pumping regime, which promotes the weakened molecule oscillation to return the natural frequency multiple times. The enhancement effect is beneficial to improve the Raman gain, reduce the Raman threshold, and increase the Raman conversion efficiency. During the experiment of picosecond multi-pulse pump KGW Raman crystal, the three-pulse burst pumping regime improves the Raman gain more than two times, reduces the threshold of stimulated Raman scattering more than 50%, and increases the Raman conversion efficiency more than 16% for 768 cm–1 Raman mode and 22% for 901 cm–1 Raman mode. Based on the three-pulse burst pumping regime, a 1 kHz mJ-level picosecond infrared multi-wavelength Raman generator was designed, which achieved the pulse energy of 1.39 mJ, the maximum Raman conversion efficiency of 29.6% for the 768 cm–1 vibrational mode of KGW, and the pulse energy of 1.38 mJ, the maximum Raman conversion efficiency of 25.7% for the 901 cm–1 vibrational mode of KGW. In addition, the Raman laser can radiate up to eight infrared Raman lines simultaneously for both the two vibrational modes of the KGW crystal, which covers the range of 800–1 700 nm.
高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析
盛泉, 司汉英, 张海伟, 张钧翔, 丁宇, 史伟, 姚建铨
[摘要](3863) [HTML全文](2023)
利用速率方程模型分析主振-放大结构的高功率光纤激光器中反向信号光在放大级中的放大特性,结果显示连续波反向信号会被放大器所明显放大,同时严重影响激光器输出功率;而脉冲反向信号由于激光器稳态运转时不形成高储能,入射能量较高时放大效果并不明显。结合石英光纤和光纤端帽以及光纤光栅等器件的损伤阈值可知,连续波反向回光放大时系统中振荡器光纤光栅损伤风险较大,而脉冲能量毫焦量级的反向脉冲信号即可导致光纤损伤,另外端帽等器件在脉冲反向光作用下也存在损伤风险。
增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响
张韵, 刘博文, 宋寰宇, 李源, 柴路, 胡明列
[摘要](5015) [HTML全文](2177)
采用数值模拟的方法,研究了增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响。构建了掺镱光纤内超短激光脉冲自相似放大的理论模型,以不同的泵浦方式、光纤长度和总增益系数实现不同的增益分布,探究了不同增益分布对增益光纤中皮秒脉冲的自相似放大过程和结果的影响。结果表明,皮秒脉冲在不同的增益分布下存在最佳的自相似放大结果,可以得到近变换极限的百飞秒高质量脉冲输出。发现同一信号光脉冲在增益光纤中演化至自相似放大过程时,正向泵浦方式下的演化速度比反向泵浦快。对于不同的增益光纤长度和总增益系数,正向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在低入射脉冲能量和长波长区域,反向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在高入射脉冲能量和短波长区域。
Thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by long pulse laser
Guo Ming, Zhang Yongxiang, Zhang Wenying, Li Hong
[摘要](14) [HTML全文](33)
In view of the thermal damage law and mechanism of monocrystalline silicon for millisecond pulsed laser, the temperature of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser is measured by high precision point temperature meter and spectral inversion system. Then the temperature evolution process is analyzed. Also, the temperature state during the whole process of thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser and the corresponding damage structure are studied. The results of this study show that the peak temperature of laser-induced monocrystalline silicon increases with the increase of energy density when the pulse width is fixed, When the pulse width is between 1.5 ms-3.0 ms, The temperature decreases with the increase of pulse width. Temperature rise curve shows inflection point when it is close to the melting point (1687 K), the reflection coefficient is from 0.33 to 0.72. During the gasification and solidification stages, it also shows the gasification and the solidification plateau periods. Thermal cleavage damage of monocrystalline silicon precedes thermal erosion damage. Stress damage dominates under low energy density laser irradiation, while thermal damage dominates under high energy density laser irradiation. The damage depth is proportional to the energy density and increases rapidly with the increase of the number of pulses.
高功率板条激光介质的纵向强制对流换热技术
何建国, 李明, 貊泽强, 王金舵, 余锦, 代守军, 陈艳中, 葛文琦, 刘洋, 凡炼文
[摘要](6187) [HTML全文](1385)
液体强制对流换热因具有较高的可靠性和性能稳定性而被广泛使用于高功率板条激光介质介质的制冷,但沿流场方向产生的温度梯度会显著改变激光介质的热应力状态而带来不良影响。提出了基于冷却流场与目标温度匹配控制思路的双大面侧泵激光介质纵向强制对流冷却方案,利用非定常边界条件的流-固耦合有限元仿真方法对比了全浸泡对流冷却、微通道传导冷却技术方案,针对入口流量、流场状态、流道壁面条件等因素进行了详细研究。在30 L/min入口流量下,该方案热交换区域固液界面平均对流换热系数达104 W/m2/K量级,且均匀分布。此外,通过改变壁面粗糙程度能够获得更高的对流换热系数。根据设计结果研制了一套板条激光放大器,实验监测点的温度结果与模拟仿真预测结果相吻合,冷却性能达到预期。
大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构设计
陈芳, 高超, 罗世魁
, doi: 10.3788/IRLA20200060
[摘要](400) [HTML全文](341)
空间红外相机为提高成像质量,采用脉冲管制冷机对大面阵红外探测器进行制冷和杜瓦封装,形成杜瓦组件,使探测器工作在深低温环境下。冷指与热端之间仅靠脉冲管的薄壁结构连接,径向支撑刚度偏低,无法承受卫星发射阶段的振动,需对冷指增加支撑结构;但为提高制冷效率,又需要尽量增大连接探测器的冷指与制冷机热端之间的结构热阻,以减少结构间漏热。传统的方案是在冷指与热端之间增加金属支撑柱,但该结构会带来附加的漏热,且因为连接刚度较大,会由于装配及加工误差在脉冲管焊缝处产生较大的结构应力,影响组件性能。提出一种基于玻璃纤维束的冷指支撑结构,利用玻璃纤维束的高抗拉刚度及低抗弯刚度提高冷指径向支撑刚度的同时减小其在轴向上的结构应力;同时,玻璃纤维束的超低导热系数和小截面面积可以极大的提高结构热阻,显著减小附加漏热。与传统方案相比,玻璃纤维束支撑加强结构在提高冷指支撑刚度同时,将冷指与热端之间的结构热阻增大为原来的3730倍,解决了冷指支撑加强结构既要求抗振性能好、又要求漏热小的难题,可适用于各种类型的大面阵红外探测器的杜瓦冷指支撑结构。
折衍混合红外双波段变焦光学系统设计
杨洪涛, 杨晓帆, 梅超, 陈卫宁
, doi: 10.3788/IRLA20200036
[摘要](498) [HTML全文](411)
本文建立不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在−40 ℃~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。
高图像配准精度的非相干数字全息彩色成像
任宏, 卜远壮, 王茜, 李玉, 杜艳丽, 弓巧侠, 李金海, 马凤英, 苏建坡
, doi: 10.3788/IRLA20200022
[摘要](899) [HTML全文](851)
菲涅耳非相干相关全息是一种能记录非相干物体全息图的新型技术,在生物医学成像和三维遥感领域具有重要应用前景。针对高光谱成像过程中图像融合配准困难的问题,文中利用空间光调制器的可编程特性,设计并制作了波长分别为492 nm、562 nm和672 nm的三组焦距恒定的双透镜相位掩模,依次调用三种波长的掩模并记录对应波长下物体的全息图。由于三色记录光经对应波长掩模调制后在CCD表面汇聚的光斑位置及尺寸均相同,因此全息图重建后获得的重建图像具有相同的横向放大率,可提高图像融合时的配准精度,免去繁杂的光谱图像空间配准算法,真正实现了全息彩色成像的高精度配准和实时融合。采用该系统记录骰子的全息图,经数值重建及色彩融合后得到了颜色重建性较好的彩色三维像。
红外焦平面阵列读出电路非均匀性研究
尚超, 王锦春, 张晓兵
[摘要](1704) [HTML全文](935)
读出电路对红外焦平面阵列成像系统的非均匀性有重要影响,采用动态非线性系统函数的泰勒级数建立功能电路单元的通用非均匀性模型,按照模拟型读出电路的一般结构建立读出电路的非均匀性模型,利用高斯噪声和柏林噪声模拟读出电路参数的空间随机分布,采用三维噪声的空间分量量化评估非均匀性,采用等长的矩阵模型简化阵列信号串行读出的时空转换过程,分析了噪声模型、多通道缓冲和响应非线性的非均匀特性,并指导某320×256阵列读出电路进行了非均匀特性仿真和优化。该方法能够对读出电路的非均匀性进行系统级仿真评估,并为其工程优化提供指导。
两档变焦面阵扫描红外光学系统设计
丁学专, 周潘伟, 王世勇, 于洋, 李范鸣
, doi: 10.3788/IRLA20200007
[摘要](411) [HTML全文](328)
提出了一种三次成像红外两档变焦面阵扫描光学系统,在传统红外二次成像光学的基础上,增加了两档变焦的前置望远系统,通过变焦组单一组元沿光轴方向移动,来实现两档焦距切换。变焦组沿光轴方向的微调,可实现不同工作温度的补偿与不同物距的清晰成像。在中间平行光路中,引入振镜,通过振镜以特定频率进行相应角度范围的往返扫描,来补偿由于扫描平台转动带来的曝光时间内的物面的移动,保持系统在旋转扫描时成像清晰与稳定,没有拖影。系统结构紧凑,可实用于两档变焦搜索与跟踪一体的红外系统中。
湍流脉动对圆射流红外辐射特性的影响研究
罗蕾, 吉洪湖, 卢浩浩, 张晨
, doi: 10.3788/IRLA202049.20200030
[摘要](917) [HTML全文](982)
为研究湍流脉动对高温燃气圆射流红外辐射强度的影响,利用大涡模拟方法计算了高温圆射流流场的温度和组分浓度等的瞬时值和平均值,在此基础上分别采用平均温度-辐射法和瞬时温度-辐射法计算了射流场的红外辐射特性。计算结果表明:瞬时温度-辐射法计算的平均光谱辐射强度、平均积分辐射强度和平均辐射亮度均高于平均温度-辐射法计算的结果;湍流脉动越大,掺混区越厚,两种方法的计算结果之间的差值以及射流场红外辐射的脉动幅值均越大,其中射流高温核心区尾缘附近是受湍流影响最强的区域;两种方法计算的平均红外辐射亮度之间的差值沿着径向逐渐降低。对于Re=86 000,环境温度与进口温度之比为0.35的圆射流,在90°探测方向上,瞬时温度-辐射法计算的总的平均积分辐射强度比平均温度-辐射法的计算结果高23.6%左右。
大视场大相对孔径自由曲面成像系统设计
陈炳旭, 廖志远, 操超, 白瑜, 牟达
, doi: 10.3788/IRLA202049.20200005
[摘要](913) [HTML全文](811)
近年来,自由曲面在高性能离轴反射成像系统中应用越来越广泛。文中基于矢量像差理论和遗传算法求解初始结构,采用视场离轴和孔径离轴相结合的方式,利用XY多项式描述的自由曲面增大自由度校正离轴像差,设计了一个大视场大相对孔径的制冷型离轴反射光学系统。系统工作波段为长波红外8~12 μm,焦距400 mm,F数2,视场角\begin{document}$ 8^{\circ} \times 5^{\circ} $\end{document},平均RMS波像差为0.037054λ(λ=9 μm)。探测器冷光阑和光学系统出瞳相匹配,实现100%冷光阑效率,系统能量集中度较高,成像质量良好。
连续变焦偏振视频显微物镜设计
刘鑫, 常军, 陈蔚霖, 杜杉, 武楚晗, 许祥馨, 朱懿
, doi: 10.3788/IRLA202049.20200003
[摘要](611) [HTML全文](489)
针对传统显微镜在低照度环境时成像对比度低、识别难度大等问题,本文提出结合分焦平面偏振成像技术,设计了一款含三个移动组的五组元连续变焦偏振视频显微物镜。该物镜工作在可见光波段,变倍范围为1×−6.5×,物方线视场1.70 mm−11.1 mm,全长220 mm,工作距离为22 mm,后截距为14 mm,后接偏振探测器获得目标的偏振信息。经仿真分析,该系统在变焦范围内像面稳定,在各个变焦状态下成像质量接近衍射极限。本系统不仅可以在显示屏上获得目标的不同放大倍率的像,缓解视疲劳,还可以获得目标的偏振信息,提高目标的识别概率、观察效率和低照度情况下的成像效果。
大口径多光谱通道波前测量系统设计
张禹, 杨忠明, 刘兆军, 王继红
, doi: 10.3788/IRLA202049.20190559
[摘要](867) [HTML全文](657)
随着波前测量技术的发展,具有多光谱通道的大口径波前测量系统成为波前测量领域的研究热点。设计了一种大口径多光谱通道波前测量系统,主要由前置RC缩束系统、调光组件、分光组件和波前传感器等组成,有效口径为450 mm,工作波段为0.5~0.8 μm、0.9~1.7 μm和3~5 μm的。给出了光学系统的设计参数,描述了系统中光学元件的参数选择,运用Zemax软件完成了光学系统的建模和仿真。进行了机械系统的方案设计,并完成了系统的光机热集成分析。测试了大口径多光谱通道波前测量系统的各项参数,结果表明:该波前测量系统的有效口径大于450 mm,在−10 ℃~50 ℃工作环境下,对可见光、近红外、中红外波段的波前均可实现高精度实时稳定测量,系统的波前测量稳定性优于0.05λ(RMS,λ=532 nm)。
基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法
雍佳伟, 郭友明, 饶长辉
[摘要](4308) [HTML全文](1159)
在单位圆的同心孔径圆域内,某些Zernike模式间具有一定的耦合性,对应的耦合像差相叠加后在一定的同心孔径内会发生相互抵消。文中用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现残差的主要模式项间存在着以上描述的耦合关系,并且耦合项的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,从而呈现出耦合项之间不同的组合方式。文中提出通过优化变形镜控制电压向量来调整镜面面型,使得残差中的共轭像差组合实现最佳系数匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值(RMS),最终实现系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明该方法相比于传统方法,能够得到质量更好的光学成像。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。