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期刊基本信息
红外与激光工程
(月刊,创刊于1972年)
主管单位:
中国航天科工集团有限公司
主办单位:
天津津航技术物理研究所
中国光学工程学会
主编:吕跃广
主要栏目
   » 红外技术及应用
   » 激光及光电子技术
   » 光学探测与成像技术
   » 光学系统设计
   » 精密光学加工
   » 微納光学
   » 太赫兹技术及应用
   » 光通信与光传感
   » 光电测量技术
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红外与激光工程  
  红外与激光工程—2016, 45 (7)   出版日期:2016-07-25
  本期栏目:大气光学 前沿光学成像 太赫兹技术 光学设计与仿真 特约专栏 激光雷达技术 自适应光学 光电导航与控制 信息获取与辨识 红外技术及应用 光电器件与微系统 光电测量 光通信与光传感 先进光学材料 激光技术及应用 
特约专栏

风起于青萍之末 浪成于微澜之间——漫谈30年科研:激光谐振仪器体系的建立

张书练, 刘维新
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 703001-0703001(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0703001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1878 KB)  ( 143 )
摘要 ( 42 ) 引用本文
科学方法研究是比获得成果更基础的工作,此文是一篇总结作者30多年科学研究路径和概括研究成果相兼的论文。作者从几个基本的激光物理问题出发,通过改变激光器谐振腔的结构,在腔内/外增加元器件,逐步发现了两镜激光器、三镜激光器腔调谐中的诸多物理规律,并据此研制成多种激光精密测量仪器。概括了整个研究过程中作者科学研究的基本理念,简述了作者研究激光中发现的物理现象,总结了建立的激光谐振仪器的科学体系。

基于SST模型的红外整流罩湍流换热数值计算

罗海波, 张代军, 惠斌, 常铮, 徐保树
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 703002-0703002(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0703002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1651 KB)  ( 147 )
摘要 ( 57 ) 引用本文
低空高速突防红外制导系统的球形整流罩通常工作在湍流换热状态,文中以零攻角球锥体为基础,结合结构网格、来流物性参数、驻点及湍流球面换热工程公式,探索出一种将SST模型应用于整流罩湍流换热数值计算的工程方法。首先根据Billig公式,利用分块结构网格在流场中构造脱体激波,以降低数值耗散,然后通过壁面网格高度调整,分析计算结果对近壁网格的敏感度。在此基础上,分析SST模型参数对计算结果的影响,其中Bradshaw数仅对峰值热流影响较大。在驻点层流区域,通过来流的等效热导率修正使SST模型热流计算结果与Klein公式相符。在球面湍流区域,利用高速球体湍流换热工程公式对Bradshaw数进行修正,使SST模型热流计算结果与该工程算法相符。修正后的SST模型的计算结果具有工程精度,可用于整流罩抗热冲击、气动光学效应、图像非均匀校正以及红外、激光末制导的弹道设计等分析研究,具有重要的工程意义。
红外技术及应用

基于高导热碳纤维的HgCdTe大面阵探测器热适配结构在空间红外遥感相机中的应用

罗世魁, 成桂梅
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 704001-0704001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0704001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1184 KB)  ( 129 )
摘要 ( 60 ) 引用本文
HgCdTe面阵探测器是空间红外遥感相机的关键部件,随着性能需求的不断提高,器件的规模尺寸不断扩大。HgCdTe面阵探测器在常温下与承载板进行装配,但在深冷状态下工作,需要耐受200 K左右的温度波动。由于探测器与承载板的线膨胀系数不匹配,温度波动会引起探测器翘曲变形,变形严重时,将导致探测器损伤。提出基于高导热碳纤维的HgCdTe大面阵探测器热适配结构,以碳纤维的轴向高热导率降低结构热阻,以碳纤维的极小抗弯截面模量实现热适配结构两端面间的刚度解耦。相对于探测器与承载板直粘,引入基于高导热碳纤维的热适配结构后,探测器与承载板间的热阻仅增加了约1%,而探测器热失配翘曲变形衰减了99.9%,解决了大面阵探测器与承载板间的热失配翘曲变形损伤问题。并对基于碳纤维的热适配结构制备工艺方案进行了简单介绍。

典型背景和目标的长波红外偏振成像实验研究

王霞, 梁建安, 龙华宝, 姚锦华, 夏润秋, 贺思, 金伟其
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 704002-0704002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0704002
全文: HTML (1 KB)  PDF (2181 KB)  ( 281 )
摘要 ( 18 ) 引用本文
红外成像可以获得目标的强度信息,偏振成像可以获得目标的偏振信息,二者结合更有利于目标的探测识别。实验选用天空中飞机、海面上船只、草地上车辆三种典型自然背景下的典型目标作为研究对象,并利用自行研制的四通道同时长波红外偏振成像系统实现图像采集。实验结果表明,相对于传统的长波红外成像,长波红外偏振成像具有以下优势:长波红外偏振度图像在一定情况下具有更高的图像对比度,有利于目标的探测识别;长波红外偏振角图像可以突出目标细节,有利于观察者对场景内容的理解;长波红外偏振度和偏振角图像在一定情况下可以抑制杂波干扰,有利于杂波情形下的目标成像研究。

红外多谱线二维辐射温度场重建算法的研究

张福才, 孙晓刚, 邢键, 安建民
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 704003-0704003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0704003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1660 KB)  ( 108 )
摘要 ( 23 ) 引用本文
对于2000 K以上的温度场,采用热像仪对温度场进行检测时,由于热像仪存在饱和问题,所以采用热像仪重建温度场这种测量的方法已不再适用。利用多组光学探头通过光纤远传,实现多光谱多通道数据的测量。在无需预先假设发射率与波长之间的模型关系基础上,通过迭代算法获得表面某些点的真温。通过布置成十字测温结构的多光谱方法实现涡轮增压锅炉多点温度的测量,构建了整个高温温度场的温度分布。结果表明:该方法用来测量高炉温度场分布可行、预测误差较小,可以为高温温度场的分析诊断提供参考。

基于遥感反演的空间下视系统红外场景仿真

薛莲, 张力, 刘佳琪, 李志峰, 张陆萍
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 704004-0704004(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0704004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1608 KB)  ( 161 )
摘要 ( 36 ) 引用本文
空间红外下视系统的真实感红外场景仿真一直以来都是研究的一个难点。提出了一种基于卫星红外遥感反演数据的空间下视红外场景仿真方法。利用红外遥感反演数据,通过匹配算法获得仿真波段内地表红外纹理,建立了下视红外观测模型,对地表红外纹理图像在传感器焦平面上重采样,最后按照辐射传输理论,计算生成光学入瞳前红外场景。仿真结果表明:该方法可以逼真地模拟地物场景红外纹理特征。将热红外遥感反演技术应用于红外场景仿真,极大简化了大规模地表场景仿真过程,为空间下视系统红外场景仿真提供了一种直观、有效的新方法。
激光技术及应用

燃烧驱动CW DF/HF化学激光器总压损失的一维气体动力学理论分析

唐力铁, 李艳娜, 赵乐至
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 705001-0705001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0705001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1697 KB)  ( 99 )
摘要 ( 24 ) 引用本文
压力恢复系统是目前高能化学激光器的关键部件,它的总压损失会影响到整个激光器系统的出光能力和全系统的体积重量等关键技术指标。为了研究燃烧驱动CW DF/HF化学激光器总压损失,从一维气体动力学进行了理论分析。分析在激光器增益发生器内引起总压损失的主要因素,是研究高压力恢复激光器增益发生器的基础。主要讨论了引起总压损失的两个主要原因:第一,由于粘性摩擦引起的总压损失;第二,由于光学谐振腔中化学反应放热升温引起的总压损失。计算结果表明,燃烧升温对系统的压力恢复能力有较大的影响。

高功率TEA CO2激光器控制系统设计

于德洋, 郭立红, 陈飞, 孟范江, 杨贵龙, 邵明振
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 705002-0705002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0705002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1563 KB)  ( 103 )
摘要 ( 28 ) 引用本文
随着高功率TEA CO2激光器技术的快速发展,及其在工业加工、科学研究、航空航天等领域的广泛应用,对其自身控制系统也提出了更高的性能要求。针对所研制的高功率TEA CO2激光器,设计了一种基于DSP数字信号处理器技术的控制系统,分别从硬件、软件两方面对控制系统的核心单元做了详细的介绍;为了克服激光器在工作过程中产生的强电磁干扰,对控制系统采取了屏蔽箱体结构、电源滤波、安全接地、数字滤波、关键数据存储自恢复、抗复位干扰等设计。经过激光器长时间运行试验,控制系统工作稳定、可靠,控制响应速度快,同时满足了抗强电磁干扰的设计要求,具有很好的实用和推广价值。

感应预热对激光沉积修复TA15钛合金显微组织和残余应力的影响

卞宏友, 雷洋, 李英, 杨光, 钦兰云, 王维, 韩双隆
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 705003-0705003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0705003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1447 KB)  ( 139 )
摘要 ( 35 ) 引用本文
利用6 kW光纤激光器的激光沉积修复系统和电磁感应加热设备,采用TA15钛合金粉末在基板未预热和预热到200℃、400℃时分别进行激光沉积修复实验。利用光学显微镜、显微硬度计、压痕法应力测试仪对激光沉积修复试样的显微组织、显微硬度、残余应力进行测试分析,得到不同预热温度对激光沉积修复显微组织、显微硬度、残余应力的影响规律。结果表明:随着感应预热温度的升高,片层α组织变得粗大,初生α相生长更加充分;组织分布均匀化,显微硬度轻微降低;残余应力明显减小。为感应加热辅助激光沉积修复提供指导依据。

双波长激光驱动接收专用集成电路设计

纪亚飞, 赵柏秦, 罗达新
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 705004-0705004(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0705004
全文: HTML (1 KB)  PDF (2663 KB)  ( 119 )
摘要 ( 25 ) 引用本文
双色激光引信在克服云烟干扰方面具有重要价值。为了减小引信体积,保障导弹内部空间的充裕性,设计了一种基于BCD工艺的双色激光引信专用集成电路芯片。首先,对现有双色激光引信的结构和工作原理做出了详细介绍,引出了单芯片设计的思路和方法,并给出了该芯片集成的子电路的设计方法和仿真结果。该芯片使用0.25 μm的BCD工艺制造。经测试使用该芯片驱动双色激光器,芯片供电电压5 V,激光器支路供电电压27 V时,红外激光器输出峰值功率可达30 W,紫光激光器输出峰值功率达25 W,脉宽50~500 ns可调,重复频率1~100 kHz可调,窗口时间1~10 μs可调,红外和紫光回波信号在接收部分实现了分离,在功能上成功取代了原系统的4块芯片,实现了系统的简化。

用于探测器中红外绝对光谱响应度测量的激光源

赵坤, 史学舜, 刘长明, 刘玉龙, 陈海东, 刘红博, 陈坤峰, 李立功
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 705005-0705005(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0705005
全文: HTML (1 KB)  PDF (1390 KB)  ( 127 )
摘要 ( 38 ) 引用本文
为了实现中红外探测器绝对光谱响应度高准确度的测量,从理论和实验上研究了中红外波段激光的功率稳定性的提高和光束质量的优化方法。采用声光调制和反馈控制的方法,把中红外激光的功率稳定性提高到0.1%以内;根据高斯光束传输理论计算了所需空间滤波器的各项参数,设计了中红外空间滤波器,搭建了相应的实验装置,显著提高了中红外激光光束质量。为中红外绝对光谱响应度的高准确度测量提供了一个可靠的中红外波段激光光源。
太赫兹技术

太赫兹时域光谱技术在识别鉴定菌制剂中的初探

王芳, 仇大剑, 夏红岩, 宝日玛, 任慧
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 703001-0703001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0703001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1467 KB)  ( 118 )
摘要 ( 19 ) 引用本文
使用太赫兹时域光谱技术对生物饲料添加剂中的地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌三种益生菌进行了室温、充氮环境下太赫兹时域光谱测试。得到了样品在0.2~1.6 THz波段的太赫兹吸收光谱和折射率谱。实验结果表明,随着频率增加三种益生菌的THz波段的吸收系数是增加的,并且有不同的吸收趋势及明显的特征吸收峰,这意味着三种样品的分子及官能团的构成和存在状态是不同的。三种样品明显不同的平均折射率(分别是1.71,1.67,1.64)说明太赫兹光通过样品时所产生的色散和吸收是不同的,这更有力地揭示三种样品的确具有不同的生物成分组成和结构。为了更好地比较和说明太赫兹波识别鉴定益生菌的优势,还进行了同条件下的红外测试。通过对比发现菌制剂在太赫兹波段比在中红外波段更具有吸收活性,更能体现其结构差别,是红外光谱测试的有效辅助手段,同时,文中还依据益生菌的生物结构特征首次给出了机理上的解释和探讨。这项研究表明太赫兹时域光谱技术能够填补益生菌检测手段的匮乏,为益生菌的检测乃至为其它生物饲料添加剂检测提供了一种行之有效的方法。

结构对太赫兹超材料光调控特性的影响

李晨毓, 杨舟, 周庆莉, 武阿妮, 张存林
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 703002-0703002(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0703002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1518 KB)  ( 180 )
摘要 ( 26 ) 引用本文
利用光泵浦太赫兹探测系统研究了3个基于开口谐振环的超材料的光调制性质。结果表明:当太赫兹波的电场矢量平行于超材料底边,设计太赫兹超材料时,需要避免对称性样品的中间条等长。然而,非对称性的样品存在耦合和劈裂现象。由于不同的共振机制,低频LC共振对光较为敏感。虽然样品由于设计结构的区别使得各自共振峰位有所不同,但它们对光所呈现出的调制特性是相同的。即当太赫兹波的电场矢量平行于超材料两侧的边时,由于结构的原因在透射谱中只有一个透射凹陷,此透射凹陷表现为偶极共振且该偶极共振特性对光激励不敏感。

离轴抛物面镜像面扫描太赫兹光学设计

张钊, 孙景旭, 刘则洵, 李宪圣, 任建岳
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 703003-0703003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0703003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1663 KB)  ( 181 )
摘要 ( 41 ) 引用本文
为了提高太赫兹成像速度,设计了一种像面扫描太赫兹快速成像系统。它为反射式单像素探测器成像,成像系统采用新设计的表面镀金的离轴抛物面镜结构以实现大口径、无遮拦、高反射率、高质量成像;反射成像系统光学设计F数为2.93,通光孔径为100 mm,视场为±1°,焦距为293.45 mm,成像窗尺寸为64 mm×64 mm,圆孔直径为2 mm,扫描采集16×16像素图像时间为0.1 min,32×32像素图像时间为0.42 min,64×64像素图像时间为1.7 min,空间分辨率为1 cm。扫描系统结合压缩传感成像理论采用新型像面扫描方法实现快速成像,在系统焦平面位置加入旋转多孔盘,对像面的图像进行太赫兹能量强度扫描,使用金属光锥收集能量到高莱探测器。利用压缩传感理论的特殊条件(采样数目与图像像素数相等)进行像面图像采集,然后利用正则归一化方程重构像面图像,该系统具有成像速度快、分辨率高、低成本、结构紧凑合理的优点。
激光雷达技术

条纹原理激光雷达成像仿真及实验

董志伟, 张伟斌, 樊荣伟, 李旭东, 陈德应, 于欣
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 730001-0730001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0730001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1545 KB)  ( 151 )
摘要 ( 34 ) 引用本文
基于条纹原理的阵列探测体制激光成像雷达由于其独特的技术优势在激光测绘中具有潜在的应用。介绍了“扫帚”扫描结合条纹原理阵列探测体制激光雷达的仿真及飞行实验研究结果。首先介绍新体制激光雷达仿真平台的建立及典型的仿真结果。利用该仿真平台可指导新体制激光雷达的设计,并对机载飞行实验参数的设定进行成像效果仿真,仿真的距离测量精度为0.5 m。最后开展了新体制激光雷达机载飞行实验,给出了典型地区的原始条纹图像及经过数据处理后的点云图。新体制激光雷达外场实验结果的测距精度优于1 m,机载飞行实验测距精度结果与仿真分析结果一致,验证了该仿真系统的正确性。通过与实际被动光学相机成像图像进行比较,验证了新体制激光雷达在航空测绘等方面的技术可行性。
大气光学

非Kolmogorov大气湍流对高斯阵列光束光强闪烁的影响

卢芳, 赵丹, 刘春波, 韩香娥
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 711001-0711001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0711001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1426 KB)  ( 121 )
摘要 ( 43 ) 引用本文
基于广义惠更斯-菲涅尔原理,采用Rytov方法推导了径向分布高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中传输时的光强闪烁指数表达式,分析了径向半径r0、光束个数N、广义指数α及传输距离L对轴上和离轴闪烁指数的影响。结果表明:轴上和离轴闪烁指数随着α的增加均先增大后减小,值得注意的是不同的r0光束的闪烁指数达到极大值所对应的α略有不同,轴上闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈减小趋势,而离轴闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈增大趋势;光轴附近各阵列光束的闪烁指数小于高斯光束的闪烁指数,随着px的增大阵列光束闪烁指数将大于高斯光束闪烁指数。当r0相同时N越大闪烁指数越小,当N相同时闪烁指数随r0的增大非单调变化,而是存在一个极小值。
自适应光学

相干光照明主动成像波前畸变的数字式快速校正

陈波, 杨靖, 李新阳, 杨旭, 李小阳
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 732001-0732001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0732001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1645 KB)  ( 162 )
摘要 ( 32 ) 引用本文
针对相干光照明空间外差式探测主动成像中的波前畸变,提出一种基于图像指标优化的数字式快速校正方法。建立了实验装置,通过数值分割将整个孔径上的目标光复振幅分割为4个子区域,在此基础上首先利用随机并行梯度下降算法并行校正子区域内的高阶像差,然后以其中一个子区域为参考,并行校正子区域间的波前平移和倾斜。实验结果表明,直接利用随机并行梯度下降算法校正需要至少600次迭代,而文中所提出的方法校正需要大约100次迭代,而且运算量更小,因此大幅提高了波前畸变的校正效率。
先进光学材料

涡旋光辐照多层介质膜温升的模拟

杜立峰, 肖谦裔, 张蓉竹
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 721001-0721001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0721001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1433 KB)  ( 135 )
摘要 ( 24 ) 引用本文
搭建了涡旋光在多层介质膜中的传输模型,分析了涡旋光垂直入射下膜系内的温升分布。结果表明,膜系内的温升分布与涡旋光入射面密切相关。当涡旋光在初始面入射时,膜系的温升区域集中在入射中心。当涡旋光在空间中传输一定距离后再入射膜系时,膜系温升区域向入射中心的两侧发散,且最大温升大于初始面入射时的温升。当传输距离足够远时,膜系最大温升随传输距离的增加而减小。另外,在一定传输距离内,膜系最大温升随拓扑荷数的增大而增加。传输距离足够远时,最大温升随拓扑荷数的增大而减小。

聚合物分散液晶薄膜中随机激光辐射的实现

岱钦, 邬小娇, 吴杰, 乌日娜
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 721002-0721002(4). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0721002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1287 KB)  ( 115 )
摘要 ( 48 ) 引用本文
设计制作染料掺杂聚合物分散液晶薄膜激光器件,研究随机激光辐射行为。利用微胶囊法将激光染料、向列相液晶、手性剂、聚乙烯醇混合,制备掺杂两种激光染料的聚合物分散液晶薄膜。利用输出激光532 nm的Nd:YAG倍频脉冲激光器进行泵浦,在582~607 nm波段获得尖锐、离散的随机激光输出,阈值能量约为9 mJ,线宽约为0.3~0.4 nm。对于器件产生激光辐射的机制,利用环形腔理论进行了分析。对比掺杂单种激光染料的聚合物分散液晶薄膜激光器件,实验结果显示,同时混合不同类型的激光染料制备的聚合物分散液晶薄膜,能够实现较宽波段的随机激光输出。

琼脂糖凝胶的光学特性

张仁梅, 张军, 谢梦圆, 陈建苏
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 721003-07121003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0721003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1606 KB)  ( 198 )
摘要 ( 63 ) 引用本文
为了研究应用于生物细胞打印的琼脂糖凝胶的光学特性,将不同比例的琼脂糖粉末与蒸馏水混合后加热,溶解冷却形成不同浓度的琼脂糖凝胶。测量琼脂糖热溶液冷却过程中55℃时的琼脂糖溶液的折射率及琼脂糖凝胶的折射率。通过对比细胞培养液的折射率,获得作为生物打印基质材料和生物支架的琼脂糖凝胶最佳浓度为0.786%。测量琼脂糖凝胶的可见、近红外透射光谱及衰减全反射红外吸收光谱,结果显示琼脂糖凝胶在400~1100 nm波段没有特征吸收峰,而且最大吸收只有0.171Abs;在红外波段琼脂糖凝胶的吸收特性与细胞培养液基本相同,细胞培养液在2966 cm-1处的特征吸收峰是培养液独有的。对琼脂糖凝胶表面的激光散射特性进行研究,结果表明,440 nm激光的散射最强,532 nm激光散射最弱;琼脂糖凝胶浓度越小,散射越强。

杂质微粒对薄膜的损伤效应

周成虎, 张秋慧, 黄明明, 黄全振
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 721004-0721004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0721004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1575 KB)  ( 145 )
摘要 ( 42 ) 引用本文
激光对光学薄膜的损伤仍然是限制高能激光系统的主要挑战。对杂质诱导薄膜损伤的激励进行了研究:首先对损伤形貌进行了观测,在此基础上对杂质对薄膜的作用效应进行了分析。研究结果表明:杂质粒子对薄膜产生的各种效应,主要分为热力学效应、散射引起干涉效应和激光等离子体破坏效应,这三种效应的共同作用效果决定了损伤的特点。这些作用效应与粒子的半径密切相关:当粒子较小时,激光的沉积量较少,引起邻近材料的温升较低,扩散范围较小,主要是熔化破坏;当粒子较大时,激光沉积量较多,会引起邻近光学材料的汽化和电离,形成激光等离子体而造成大的烧蚀坑。
前沿光学成像

平板波导光谱仪中光栅多次衍射杂散光的抑制

李扬裕, 方勇华, 李大成, 李亮
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 724001-0724001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0724001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1704 KB)  ( 203 )
摘要 ( 60 ) 引用本文
平板波导光谱仪是一种紧凑型光谱仪,其光栅多次衍射杂散光大,需要进行抑制。首先研究了多次衍射杂散光的形成过程,并通过TracePro软件详细分析了多次衍射杂散光的传播路径和大小。然后根据杂散光的空间特性和波长特性对其进行分类,采取不同的抑制方法。在不改变原有光学结构的基础上提出了利用滤光片和挡光板来抑制多次衍射杂散光的方法,滤光片的参数和位置需要精心选择以达到最好的抑制效果。最后对增加抑制结构前后的杂光系数进行对比分析。结果表明,多次衍射杂散光得到了很好的抑制,最大杂光系数从5.3%降到0.033%,平均杂光系数从1.9%降到0.0018%。
光电器件与微系统

MEMS可调谐平顶窄带光学滤波器

米仁杰, 万助军, 汪涵
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 720001-0720001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0720001
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摘要 ( 39 ) 引用本文
设计了一种基于MEMS技术的可调谐光学滤波器,它通过光栅将输入的宽带光信号色散展开,以一个MEMS扭镜选择将对应滤波器通带的光信号反射至输出端,从而实现光学滤波和波长调谐功能。滤波器的输入端采用单模光纤,输出端采用多模或者少模光纤,可以实现窄带且平顶的通带特性。经过参数优化,仿真分析得结果显示,采用多模/少摸光纤输出的两种滤波器,其0.5 dB和25 dB带宽分别为0.95 nm/0.29 nm和1.39 nm/0.69 nm,分别满足100 GHz和50 GHz信道间隔的DWDM系统要求。由于输出端采用多模或者少摸光纤,从该滤波器输出的光信号不能继续在单模光纤中传输,只能由光探测器接收,因此该滤波器一般应用于全光网络节点中的下载端口。

不同光栅常数下同心长波红外成像光谱仪对比

孙佳音, 李淳, 刘英, 李灿, 王建, 刘建卓, 孙强
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 720002-0720002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0720002
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摘要 ( 61 ) 引用本文
为对比分析不同光栅常数下Offner光栅和Dyson光栅光谱仪的性能差异,推导了两种光谱仪结构的衍射角公式,获得其衍射特点,并在F数为2.5,工作波段为8~12 μm,光谱分辨率15.6 nm,光栅常数分别为100 μm、50 μm下,借助ZEMAX软件对这两种结构进行了优化设计。结果表明:较大光栅常数下,两者都能理想成像,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,质量约为Dyson的1/13;较小光栅常数下,Dyson光谱仪仍可理想成像,而Offner必须加入二次非球面镜并进行离轴,才能满足系统对像质及光谱分辨率的要求,此时,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,重量约为Dyson的1/11。设计结果表明,两种同心结构在加工难易度、体积、重量方面各有优劣,在光谱仪选型工作中,可根据具体情况进行取舍。

表面等离子波导改进LED发光效率的研究

马丽洁, 赵俊锋
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 720003-0720003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0720003
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摘要 ( 31 ) 引用本文
设计了在氮化镓材料上淀积周期光栅银薄膜的结构,利用SPPs增强作用提高LED的发光效率。理论上建立了增强LED的内部发光效率、SPPs辐射匹配以及SPPs辐射衰减模型。实验结果表明:淀积银薄膜的LED结构由于SPPs的增强可以显著提高出光效率;出射光的偏振模式对LED出光效率没有影响;金属光栅的吸收率在占空比达到0.87左右达到峰值;SPPs的增强作用可以显著改善弱光致发光的发光效率和非线性过程。这一研究对于LED发光效率的改进具有明显的理论和实际意义。

最大振荡频率640 GHz的70 nm栅长InAs PHEMTs器件

张立森, 邢东, 徐鹏, 梁士雄, 王俊龙, 王元刚, 杨大宝, 冯志红
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 720004-0720004(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0720004
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摘要 ( 22 ) 引用本文
由于高的电子迁移率和二维电子气浓度,InP基赝配高电子迁移率晶体管(PHEMTs)器件成为制作太赫兹器件最有前途的三端器件之一。为提高器件的工作频率,采用InAs复合沟道,使得二维电子气的电子迁移率达到13000 cm2/(V·s)。成功研制出70 nm栅长的InP基赝配高电子迁移率晶体管,器件采用双指,总栅宽为30 μm,源漏间距为2 μm。为降低器件的寄生电容,设计T型栅的栅根高度达到210 nm。器件的最大漏端电流为1440 mA/mm (VGS=0.4 V),最大峰值跨导为2230 mS/mm。截止频率fT和最大振荡频率fmax分别为280 GHz和640 GHz。这些性能显示该器件适于毫米波和太赫兹波应用。
光学设计与仿真

空间相机用变形镜的支撑结构设计

袁健, 沙巍, 任建岳
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 718001-0718001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0718001
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摘要 ( 37 ) 引用本文
变形镜支撑结构自身性能的优劣将直接影响变形镜的像差校正能力。给出一种空间相机用变形镜的结构,结合材料属性与加工工艺,分析了不同结构形式支撑底座的特点,发现采用碳纤维增强复合材料(CFRP)制作的实体式结构明显优于选用钛合金制作的筋板式结构,指出支撑底座材料的比刚度以及支撑底座与反射镜材料之间的线胀系数差别分别是影响变形镜自重变形和热变形的主要因素。比较了不同的支撑方案,发现采用背部三点支撑可以改善周边三点支撑时由重力因素导致的反射面边缘塌陷现象,在z向重力下面形RMS值由15.38 nm降至4.17 nm,降低了73%,且热变形更加均匀,4℃温升时的RMS值由3.68 nm降至3.22 nm,降低了12.5%,一阶频率也由1513 Hz提高至1982 Hz。这说明该变形镜结构的动、静态刚度及热稳定性均满足空间相机的应用要求。

大口径硫系玻璃内部缺陷检测物镜设计及实验验证

姜波, 吴越豪, 戴世勋, 聂秋华, 张勤远, 木锐
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 718002-0718002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0718002
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摘要 ( 65 ) 引用本文
大口径硫系玻璃在军事及民用高分辨率红外夜视成像领域有着重要的应用价值。现阶段缺少针对大口径硫系玻璃内部缺陷(包括条纹、杂质和裂纹等)进行量化评价的检测技术,因此硫系玻璃的品质控制成为了限制其大范围发展的瓶颈之一。针对课题组大口径硫系玻璃的透射光谱特性以及现有的近红外照相机的光谱响应特性,提出了一种工作在近红外波段的大口径硫系玻璃内部缺陷检测技术并设计成像镜头,镜头包含了使用K9、F6玻璃的三片双胶合透镜,有效焦距为200 mm,在近红外波段0.95~1.05 μm实现消色差,成像质量接近衍射极限。根据镜头特点搭建了大口径硫系玻璃内部缺陷测试装置,实验验证了镜头的分辨率与设计要求相符,并可针对大口径硫系玻璃的各种内部缺陷进行有效检测。

大口径SiC主镜主动支撑研究及促动器设计

李剑锋, 吴小霞, 邵亮
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 718003-0718003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0718003
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摘要 ( 46 ) 引用本文
大口径轻量化SiC主镜是一种新型主镜,之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析,确定利用液压并联力促动器的支撑方式对SiC轻量化主镜进行支撑,并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m SiC主镜的校正力需求,计算发现该主镜对力促动器的校正力分辨率要求为0.1 N。针对这一需求,详细分析了影响机械式力促动器精度的主要因素,并进行了相应的设计,采用步进电机作为动力源,通过大减速比减速器驱动滚珠丝杠输出微米级微位移,并利用复合弹簧系统将位移转化为作用力,最终设计并加工出一款高精度力促动器,并对促动器进行了测试,发现该促动器的输出力范围-400~400 N,位移分辨率0.96 μm,力分辨率0.05 N,可以满足主动支撑对力促动器的需求。
光通信与光传感

结合全变差和小波变换的PCF光特性评估方法

申艳, 解颐, 娄淑琴
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 722001-0722001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0722001
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摘要 ( 22 ) 引用本文
为了更准确、快速评估实际光子晶体光纤的光特性,提出了一种基于全变差和小波变换的实际光子晶体光纤光特性评估方法。建立了在小波变换域上的全变差模型,利用Bregman算法进行迭代运算,有效地滤除光子晶体光纤截面图像的噪声,并保持截面图像空气孔的边缘结构,进而结合有限元方法,实现实际光子晶体光纤的光特性的准确快速评估。通过对商用及自制光子晶体光纤的特性评估,验证了所提出方法的有效性。文中所提出的方法结合了全变差和小波变换的优点,可以有效去除吉布斯现象和阶梯效应的影响,提高了光子晶体光纤光特性评估的精度。

色/频/空三维资源复用的室内可见光非直流偏置OFDM系统性能研究

邓莉君, 樊养余
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 722002-0722002(10). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0722002
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摘要 ( 38 ) 引用本文
提出一种新的室内可见光非直流偏置正交频分(Non-DC-Biased Orthogonal Frequency Division Multiplexing, NDC-OFDM)复用系统,该系统采用多个颜色LEDs作为光源,在保证高传输可靠性的同时可以维持环境光的稳定。将空间调制和同色异谱调制结合并应用到室内可见光OFDM通信系统中得到一种新的适用于室内可见光通信系统的NDC-OFDM传输方案,该方案具有OFDM、空间调制和同色异谱调制的优势,适用于高速室内白光通信系统。仿真结果表明所提出的NDC-OFDM室内可见光传输系统与传统的直流偏置光OFDM (DC-biased Optical OFDM)和非对称限幅光OFDM (Asymmetrically Clipped Optical OFDM)相比具有更好的优势,并且与其它NDC-OFDM室内可见光传输方案相比,对于OFDM信号高峰均功率比引起的光信号非线性畸变问题,本文提出的多色LEDs NDC-OFDM室内可见光传输方案除了具有更好的鲁棒性外,还不会产生光强度波动。

自由空间光通信中相干OFDM系统性能分析

王怡, 杨帅, 马晶, 单良
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 722003-0722003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0722003
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摘要 ( 25 ) 引用本文
结合正交频分复用(OFDM)技术和相干探测的优势,研究了相干OFDM自由空间光通信(FSO)系统的误码性能,考虑了OFDM映射方式以及映射阶数对系统误码性能的影响。在Gamma-Gamma大气湍流信道下,分别从平均信噪比和所需平均接受光功率的角度考虑了系统在弱、中和强湍流三种情况下的误码性能。在此基础上,推导了系统误符号率的闭合表达式。仿真结果表明,相干探测下OFDM FSO系统可以较好地克服大气湍流效应,在弱、中湍流情况下,QAM映射方式下系统的误码性能明显优于PSK方式,在强湍流下这种优势不明显,此外随着映射阶数的增加,系统误符号率增加,因此在实际应用中可以通过降低映射阶数来提高系统误码性能。
光电测量

高精度近红外光斑位置检测模型研究

吴佳彬, 陈云善, 高世杰, 吴志勇
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 717001-0717001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0717001
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摘要 ( 26 ) 引用本文
为了提高1550 nm近红外波段光斑位置的检测精度,提出了一种改进的积分无穷解算模型。以高斯光斑为入射光模型,深入分析了InGaAs四象限探测器(Quadrant Detector, QD)输出信号与光斑实际位置之间的关系,考虑探测器直径及沟道的影响,通过引入误差补偿因子,利用最小二乘拟合的方法得到有效光斑半径,从而获得新解算模型的解析表达式,最后在搭建的InGaAs QD光斑位置检测系统上对提出模型进行实验验证。仿真和实验结果表明:新模型可有效降低不同半径光斑下的位置检测误差;入射光总能量约为10 μW,光斑半径0.75 mm时,在[-0.75~0.75 mm]检测范围内,新模型均方根误差为0.003 mm,最大误差为0.009 mm,较原有模型分别降低了78.6%和52.6%。新模型在激光通信和激光雷达等工程实际中具有较好的应用前景。

一种测量1/4波片相位延迟量的新方法

谭巧, 徐启峰, 谢楠
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 717002-0717002(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0717002
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摘要 ( 43 ) 引用本文
提出了一种通过软件计算输出椭圆偏振光矢的长短轴来测量1/4波片相位延迟量的新方法,其测量光路简单易行,仅由光源、起偏器、待测1/4波片、检偏器和光功率计组成,测量结果通过Mathcad进行分析运算,得到波片的相位延迟量。文中详细论证了新方法的原理过程,给出了应用实例与误差分析,结果表明:新方法的绝对测量误差小于0.26°。该方法的主要优点是光学器件少,操作简单,易于实现,引入误差小,测量精度高。

椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响

杨驰, 胡文怡, 罗敏, 孙莹莹, 周辉
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 717003-0717003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0717003
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摘要 ( 20 ) 引用本文
光束空间分布是影响星载激光测高仪测距指标的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波分布特点,通过对椭圆高斯足印及线性目标的理论建模,基于接收脉冲回波信号时间重心及其方差的基本定义,构建了椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响模型。以GLAS星载激光测高仪为输入条件,利用数值仿真分析的方法,针对倾斜度和粗糙度分别为(3°,1.7 m)、(12.5°,8.9 m)和(28.2°,14.5 m)的三种典型观测目标,系统论述了椭圆高斯足印的椭圆率与方位角对测距值及其误差的影响规律。结果表明,激光测距值基本与椭圆高斯足印的椭圆率和方位角无关,其测距值余量最大值不超过1 mm,但是,激光测距误差会随着椭圆高斯足印的椭圆率和方位角的增加产生起伏变化,其测距误差余量最大值达到了47.04 cm。所得结论对于星载激光测高仪的硬件设计和性能评估具有一定实际应用价值。

基于周向约束定位原理的周向接收器标定方法

王小冷, 杨凌辉, 林嘉睿, 任永杰, 尹彤
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 717004-0717004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0717004
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摘要 ( 33 ) 引用本文
针对工作空间测量定位系统(wMPS)存在交会误差,且在复杂测量现场中存在空间遮挡问题,文中在研究周向接收器测量原理的基础上设计了一种全新的周向接收器。该接收器在一个平面内固定了6个光电接收单元,通过标定6个单元的位置关系使其成为一个整体,进而实现测量功能。以两台发射站为基础,详细阐述了该周向接收器标定方法,并依托天津大学研发的wMPS实验平台对该方法进行了实验验证。实验结果显示:周向接收器的测量重复性在0.2 mm以内,测量精度在0.3 mm以内,该方法在解决系统在复杂测量现场中的空间遮挡问题的同时,从原理上消除了交会误差对测量结果的影响。

采用复合式靶标的近景大视场相机标定方法

刘巍, 李肖, 马鑫, 贾振元, 陈玲, 刘惟肖
红外与激光工程. 2016, 45 (7): 717005-0717005(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201645.0717005
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