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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—2017, 46 (8)   出版日期:2017-08-25
  本期栏目:前沿光学成像技术 光学设计及仿真 太赫兹技术及应用 邀请报告 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 景象信息处理 先进光学材料 激光技术及应用 
邀请报告

激光雷达用高性能光纤激光器

史伟, 房强, 李锦辉, 付士杰, 李鑫, 盛泉, 姚建铨
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 802001-0802001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0802001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1181 KB)  ( 229 )
摘要 ( 43 ) 引用本文
系统研究了窄线宽低噪声单频连续光纤激光器、高能量纳秒长脉冲单频光纤激光器以及高峰值功率纳秒短脉冲光纤激光器三类高性能光纤激光器:实现了工作于1、1.5及2 μm波段的单频连续光纤激光器,典型光谱线宽小于3 kHz,强度噪声接近于散粒噪声极限;实现了高能量单频光纤激光器,脉冲能量超过200 μJ,重复频率20 kHz,脉冲宽度100~500 ns,激光波长位于1.5 μm波段;实现了高峰值功率纳秒短脉冲光纤激光器,峰值功率超过700 kW,重复频率10 kHz,脉冲宽度3 ns;同时还实现了高重频高峰值功率纳秒短脉冲光纤激光器,峰值功率超过200 W,重复频率3 MHz,脉冲宽度1~5 ns。文中阐述了以上几类高性能光纤激光器在激光雷达探测系统中的应用前景。
太赫兹技术及应用

氧化镁单晶在太赫兹波段的介电特性

任冠华, 赵红卫, 张建兵, 田震, 谷建强, 欧阳春梅, 韩家广, 张伟力
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 825001-0825001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0825001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1051 KB)  ( 117 )
摘要 ( 44 ) 引用本文
利用太赫兹时域光谱系统,在0.5~9.5 THz范围内对氧化镁单晶基片的介电特性进行了研究,并获得折射率、吸收系数以及复介电函数信息。实验数据表明,在低频(< 2 THz)范围内,氧化镁单晶透过性较好,折射率在3.12~3.15之间。折射率和吸收系数均随频率增加而增大,且在3.16 THz和8.11 THz两处存在明显的吸收峰。通过经典的赝简谐振动理论很好地拟合了实验结果,分析了晶体中的横向光学声子振动模式,为氧化镁单晶在宽带太赫兹波段的应用提供了有益参考。

圆周阵列太赫兹干涉成像仿真

吴俊政, 严卫东, 倪维平, 张晗
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 825002-0825002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0825002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1611 KB)  ( 66 )
摘要 ( 31 ) 引用本文
太赫兹干涉成像原理简单,需要的探测单元少,数据获取效率高,在太赫兹成像应用中有很大发展潜力。研究了太赫兹干涉成像的原理,并设计了用于仿真成像的原理性方案。通过仿真实验分析了成像频率、圆周阵列半径、阵元数目对成像质量的影响以及成像系统的频率带宽。结果表明:在其他条件不变的情况下,成像频率越高,可有效成像要求的阵列半径越小;增加阵元数目可提高成像质量,但增加到一定数量后,提高不明显;均匀圆形阵列的有效成像带宽较宽。仿真结果所得到的结论为太赫兹干涉成像系统设计和实际应用提供了理论依据和技术支持。

亚波长金属光栅的凹槽深度对太赫兹伪表面等离子体影响

杜鸣笛, 贾雅琼, 何淑珍
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 825003-0825003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0825003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1053 KB)  ( 112 )
摘要 ( 26 ) 引用本文
从理论上详细研究了一维亚波长金属光栅的凹槽深度对太赫兹伪表面等离子的影响。分别对一维标准亚波长金属光栅和缺陷亚波长金属光栅进行了研究。电场分布情况采用了COMSOL软件进行模拟。得到的结论是:对于一维标准亚波长金属光栅,沿金属光栅传播的表面等离子体取决于槽深度,较深的槽具有更强的束缚能力;对于具有缺陷的光栅结构,电场强度的分布特点取决于缺陷槽的深度,这归功于缺陷槽对光的反射和散射。基于这一理论研究,这两种不同的亚波长金属光栅结构能为太赫兹器件如波导、衰减器及滤波器发展提供新的途征。
红外技术及应用

我国海雾总体特点及其对中红外辐射能量衰减的分析

李伟, 邵利民, 李树军, 周红进
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 804001-0804001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0804001
全文: HTML (1 KB)  PDF (880 KB)  ( 80 )
摘要 ( 26 ) 引用本文
在对我国不同纬度海雾观测资料总结归纳的基础上,建立了我国海雾微物理结构的拟合分布模型,归纳了我国海雾的总体特点。标定了最常见海雾的尺度参数,并根据红外辐射在海雾中的散射与吸收特性,定量分析了不同海雾的消光系数,根据米氏散射定律定量计算了中红外波段下海面平流雾的散射衰减度,并据此与实验结果进行了比对,吻合性较好。根据米氏理论,在较浓平流雾条件下,雾滴为盐溶液时,中红外波段的消光系数均值为2.90,海雾消光系数随着尺度参数的增大呈现出单调减小的特点;而在纯水条件下,消光系数均值为3.35,消光系数随着尺度参数的增大而单调增加。

面向微光/红外融合彩色夜视的场景解析方法

鲁佳颖, 谷小婧, 顾幸生
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 804002-0804002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0804002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1005 KB)  ( 106 )
摘要 ( 32 ) 引用本文
彩色夜视技术可以将微光/红外双谱图像融合成一幅适于人眼观察的彩色图像,而恰当的场景解析方法能够对彩色夜视图像的内容做出自动化分析,进一步减轻人眼的观测负担。针对彩色夜视场景丰富多变、对算法灵活性要求高的特点,提出了一种可在线扩展的场景解析方法。该方法基于非参数模型,预测景物类别时不需要训练过程,只需要使用数据库中具有语义标记的样本图像, 通过将待解析图像与样本图像进行全局及局部匹配来实现语义标签的传递。而且,数据库可以根据应用场景的不同随时进行动态扩充。实验结果表明:该方法在包含城市、乡野等多种场景的夜视图像上,以及由统计色彩映射、TNO、NRL等多种融合方法得到的、具有不同色彩表征的彩色夜视图像上都具有令人满意的准确率。

人在回路红外成像导弹搜捕概率建模与仿真

罗木生, 沈培志, 陈邓安, 张海峰
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 804003-0804003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0804003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1066 KB)  ( 70 )
摘要 ( 38 ) 引用本文
针对人在回路的导弹搜捕概率计算问题,通过分析人在回路特点、红外成像导弹末端捕控的实际过程,建立了红外成像瞬时航向视场、纵向视场计算模型,研究了导引头最大搜索扇面、目标区边界制约下的转侧搜扫条件,给出了综合距离与方位约束的发现目标判据模型。根据计算流程,仿真分析了导弹进入航向、开机距离、目标区边长等因素对搜捕概率的影响。结果显示,导弹从目标区对角线方向进入时的搜捕概率比最低值高出21%;最佳开机距离因目标区边长而异,边长小于7 km可使发现概率大于0.85;增强红外成像导引头作用距离、提高操作员转动光轴的速率均能极大提高搜捕概率。

红外制导半实物仿真系统误差分析

赵世明, 孙致月
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 804004-0804004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0804004
全文: HTML (1 KB)  PDF (976 KB)  ( 68 )
摘要 ( 31 ) 引用本文
为提高红外制导半实物仿真试验精度和可信度,研究和分析了红外制导半实物仿真系统误差。详细分析了影响红外制导半实物仿真精度的主要误差源和产生机理,从仿真机理角度建立了半实物系统仿真模型和系统误差模型,通过仿真和分析比对在有无加载误差模型下的导弹弹道解算结果,定量分析各类误差源对仿真试验精度的影响。通过仿真分析表明,转台性能和机械误差对仿真试验精度影响很小并可忽略,而红外导引头轴向位置安装误差影响较明显,在仿真试验过程中需要重点考虑并保证在厘米级范围内。

临近空间全球温度场三维变分同化

谢衍新, 吴小成, 胡雄, 杨钧烽, 肖存英
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 804005-0804005(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0804005
全文: HTML (1 KB)  PDF (1346 KB)  ( 51 )
摘要 ( 35 ) 引用本文
以TIMED\SABER红外温度探测数据为观测值,WACCM模式预报场为温度背景值,采用三维变分同化方法,获取了20~100 km临近空间范围的全球大气温度场,三维变分同化后,临近空间全球温度场的分布发生了明显的变化,经验证算法可行。利用统计学方法对同化结果进行评估,结果显示,三维变分同化后临近空间全球温度场误差整体减小,三维变分同化前的温度背景场误差最大可达17 K,三维变分同化后的温度分析场最大误差减小至7 K以内,同化效果明显。该算法可用于为临近空间大气环境预报模式提供更精确的初值场。
激光技术及应用

激光熔覆高耐蚀Fe基固溶体合金涂层

王彦芳, 李豪, 石志强, 肖亚梅, 孙旭, 王亭
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806001-0806001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1177 KB)  ( 23 )
摘要 ( 38 ) 引用本文
Fe基非晶合金具有优异的机械性能与耐蚀性。采用激光熔覆技术在304L不锈钢基体表面熔覆Fe-Cr-Ni-Co-B非晶粉末涂层,利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜和电化学测试系统研究了涂层组织及耐蚀性能。研究结果表明,涂层组织涂层均匀、致密,无裂纹、气孔等缺陷。结合区为平面晶和柱状晶、熔覆层为"丝条状"树枝晶。熔覆层各区域由于成分和冷却速度的差异,致使树枝晶的大小和生长方向明显不同。涂层主要由Fe64Ni36和(FeCrNi)固溶体组成。熔覆层硬度分布较为均匀,涂层平均硬度约为480HV0.2,约是304L不锈钢基材的2.5倍。熔覆层的腐蚀电位高于304L基材,自腐蚀电流密度小于304L基材,具有较强的耐蚀性。

可应用于高效光电对抗的新颖结构激光谐振腔

曾钦勇, 万勇, 秦开宇
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806002-0806002(4). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806002
全文: HTML (1 KB)  PDF (896 KB)  ( 78 )
摘要 ( 22 ) 引用本文
光电设备具备的"猫眼效应"可以将入射的光线沿原路反射,基于这一现象,可以将该光学系统作为激光器的一个腔镜构成激光谐振腔。文中计算了"猫眼效应"光学系统作为激光器腔镜的等效反射率。实验中用灯泵Nd:YAG激光器,角锥棱镜和猫眼光学系统搭建了免调激光谐振腔,获得了激光振荡,激光起振的同时,在猫眼光学系统焦平面不同材质介质上留下烧痕。这种将对方光学系统作为激光器的腔镜,激光起振即摧毁的构成,可应用于光电对抗之中实现高效对抗。

掺钕激光晶体双波长振荡条件的理论研究

李景照, 陈振强, 朱思祁, 李安明, 李真, 尹浩
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806003-0806003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1000 KB)  ( 50 )
摘要 ( 29 ) 引用本文
阐述了具有双下能级四能级结构的激光介质产生双波长激光的原理,介绍了二镜腔内两个波长同时振荡所要满足的阈值公式,数值计算发现空间烧孔效应的存在使阈值条件从一条曲线拓宽为一个区域,使两个波长更容易同时起振。然后,计算了激光晶体长度和泵浦功率对双波长阈值条件的影响,结果发现在增益饱和前晶体越长,泵浦功率越高,越容易出现双波长激光。最后,计算了几种常用掺钕激光晶体的双波长阈值曲线,对比发现Nd:YAP晶体由于具有两个相近的发射截面而更适合于产生双波长激光。

角度多样性激光散斑抑制方法的比较

徐美芳, 丁俊文, 王冠军, 张秀丽, 赵英亮
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806004-0806004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1200 KB)  ( 50 )
摘要 ( 34 ) 引用本文
根据成像原理推导了运动透镜、运动45°直角棱镜,以及旋转反射镜所引起的角度变化公式,并对影响角度变化的参数(透镜的焦距、物距及光源的发散角等)和引入角度多样性的这三种方法进行了分析比较。实验结果与理论分析表明,在相同条件下,将45°直角棱镜运动20 μm和反射镜旋转0.02°就能实现两个完全独立散斑图样,而运动透镜需要更大的位移,这为设计运动方案引入角度多样性激光散斑抑制提供参考。

不同能量背景的环形艾里飞秒激光光束大气成丝特性

胡瑜泽, 聂劲松, 孙可, 王磊
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806005-0806005(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806005
全文: HTML (1 KB)  PDF (1355 KB)  ( 77 )
摘要 ( 27 ) 引用本文
自从第一次观察到飞秒激光大气成丝后,光丝备受科学家的关注。它的潜在应用价值主要包括电子加速、激光雷达远程遥感、太赫兹辐射和超短脉冲压缩。利用数值仿真的方法,通过改变艾里光束的衰减系数,研究了不同能量背景的环形艾里光束飞秒激光大气成丝特性,得到的光丝长度长于拥有相同峰值功率、弱能量背景高斯光束形成的光丝。通过分析飞秒激光光丝演化过程的时间和空间特性,发现了环形能量背景是环形艾里光束沿传播方向形成高能量密度光丝的前提条件。比较了环形艾里光束和高丝光束在成丝过程中的光谱展宽特性,发现不同衰减系数的环形艾里光束具有相似的光谱展宽特性,但要明显弱于高斯光束的光谱展宽。研究成果对与提升飞秒激光成丝效果具有参考意义。

退火温度及保温时间对激光沉积制造TA15钛合金微观组织和显微硬度的影响

杨光, 王文东, 钦兰云, 任宇航, 李长富, 王维
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806006-0806006(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806006
全文: HTML (1 KB)  PDF (1458 KB)  ( 172 )
摘要 ( 23 ) 引用本文
以TA15钛合金球状粉末为原料,TA15钛合金锻件为基材,利用激光沉积制造技术成形TA15钛合金厚壁件。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)以及显微硬度仪等方法研究退火温度及保温时间对激光沉积TA15钛合金显微组织和显微硬度的影响。结果表明:退火温度相同时,随着退火温度的升高,保温时间越长,α相就越能充分生长。退火保温时间越长,α相宽度越大。退火温度及退火保温时间影响α相体积百分比含量,α相百分比含量随退火时间延长而增多。α相在不同保温时间下存在不同的生长方向。显微硬度值与α相体积百分比含量具有一定关系,α相体积百分比含量增多时,显微硬度值变大。

光学薄膜激光损伤阈值测量不确定度

徐均琪, 苏俊宏, 葛锦蔓, 基玛 格拉索夫
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806007-0806007(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806007
全文: HTML (1 KB)  PDF (1093 KB)  ( 70 )
摘要 ( 32 ) 引用本文
光学薄膜的激光损伤阈值是评价其激光耐受性能好坏的一个重要指标。对薄膜激光损伤阈值的准确评价和测定,是判断其激光耐受性能和进行相互比对的基础。通过对激光损伤阈值测试系统误差的溯源分析和计算机模拟,给出了优化测试系统的方向。研究结果表明:在激光光斑确定的情况下,激光能量越高,能量密度的误差越大。因此在满足需要的情况下,应该尽可能选取较低的激光能量。在激光能量确定的情况下,存在一个临界光斑,当小于临界光斑时,能量密度误差变化非常剧烈,光斑越小,能量密度误差越大。测试系统的激光光斑大于临界光斑时系统的误差较小,小于临界光斑时系统的误差急剧变大。因此,在激光损伤阈值测试系统中,应该优选临界光斑或者大于临界光斑。激光损伤阈值拟合产生的最大误差为最大能级的激光能量误差,因此要尽可能降低激光器的脉冲能量。由此可见,设计合理的系统参数,可以最大程度降低测量结果的不确定度。

基于非对称sinc函数拟合的激光测距算法优化

郭荣幸, 赵亚飞, 马鹏阁, 陈恩庆
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806008-0806008(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806008
全文: HTML (1 KB)  PDF (1273 KB)  ( 57 )
摘要 ( 26 ) 引用本文
小型化的高重频多脉冲激光测距机采用数字化处理确定目标距离,接收电路带宽、数字化采样精度以及滤波算法等因素会影响测距的精度,文中在对测距误差分析的基础上提出改进测距精度的算法。首先,在对激光回波信号积累以提高信噪比的基础上,对回波信号波形进行中心差分处理、斜率阈值和幅度阈值条件处理,剔除伪峰值点,初步确定峰值点位置。然后,根据初定位后的波形特点,选择相应的指数函数进行非对称sinc函数波形拟合修正,估计波峰点相对准确位置,从而输出较为精确的目标距离。最后,将改进算法在matlab中仿真,实验结果验证了文中提出的修正算法对提高激光测距精度的有效性。

边界约束条件对薄板激光喷丸诱导残余应力和塑性变形的影响

黄志伟, 张兴权, 章艳, 裴善报, 黄志来, 陈彬
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 806009-0806009(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0806009
全文: HTML (1 KB)  PDF (1425 KB)  ( 48 )
摘要 ( 39 ) 引用本文
为研究不同边界约束条件对薄板多点激光喷丸诱导残余应力和塑性变形的影响,采用数值模拟和试验结合的方法对7075铝合金薄板激光喷丸处理进行研究,对比分析了板料在底部全约束和两端夹持两种边界约束条件下的变形形貌和残余应力分布。结果表明:激光喷丸后,板料冲击区域均产生微凹坑;底部全约束的板料经激光喷丸后,未发生整体变形,仍然保持平整状态,而两端夹持的薄板喷丸区域发生了整体向上的凸起变形。两种边界约束条件下,最大残余压应力均出现在板料的冲击表面;底部全约束时的最大残余压应力为299.0 MPa,大于板料两端夹持时的251.6 MPa。在厚度方向上,其残余应力分布也存在着明显差异,底部全约束时,厚度方向上的残余应力分布形式为"压应力-拉应力",而两端夹持时的分布形式为"压应力-拉应力-压应力"。
光电测量

薄片DKDP晶体前后表面损伤识别技术研究

万能, 达争尚, 李红光, 袁索超
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 817001-0817001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0817001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1023 KB)  ( 46 )
摘要 ( 32 ) 引用本文
在全内反射边缘照明的基础上,利用DKDP晶体的双折射特性,解决了区分DKDP晶体自身前后表面损伤的问题。紫外光入射到11 mm厚的DKDP晶体会分解为o光和e光,并在出射面产生254.738 μm(理论值)的偏离量。这个偏离量导致DKDP晶体后表面损伤在CCD上成双像(一个是o光成像,另一个是e光成像),可以用偏振片对双像进行调制;DKDP晶体前表面损伤在CCD上只有单像,不受偏振调制影响。通过偏振调制,可以避免重复提取同一个损伤信息,提高损伤识别精度。实验证明:该方法可以区分厚度为11 mm的DKDP晶体前后表面损伤。

模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析

杨慧珍, 王斌, 刘瑞明, 马良
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 817002-0817002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0817002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1347 KB)  ( 50 )
摘要 ( 35 ) 引用本文
对于N单元变形镜,模型式无波前探测自适应光学系统只需N+1次远场光斑测量,收敛速度快。使用88单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统仿真平台,分别从理论分析和仿真实验出发探讨模型式无波前探测自适应光学系统在噪声情况下的波前校正性能。结果表明:噪声条件下,基于模型的无波前探测自适应光学系统收敛速度保持不变;相同湍流条件时,不同噪声水平下的校正效果接近。与噪声水平50 dB时的结果相比,按照给定湍流条件从弱到强,噪声水平为30 dB时校正后平均RMS相对误差分别为4.75%、4.04%和2.58%。上述结果验证了基于模型的无波前探测自适应光学系统具有较强的抗噪能力。

锯齿波调制半波扫描技术对甲烷检测系统的性能改进

曾祥豹, 王海旭, 王忠民, 周天水, 崔洪亮, 常天英
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 817003-0817003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0817003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1334 KB)  ( 42 )
摘要 ( 22 ) 引用本文
为了能够在复杂的环境下实现甲烷气体浓度的高精度和高稳定性检测,在基于光谱吸收原理的光纤甲烷检测系统的基础上,提出了利用锯齿波调制的半波扫描技术,较大程度改进了系统的性能指标。采用锯齿波调制光源的方式,同时对光信号进行波长调制和强度调制,实现对甲烷气体的洛伦兹吸收线型扫描。锯齿波调制的方式能够解决信号链路噪声、环境噪声等随机信号对光强造成的干扰,消除光源波长漂移对检测带来的影响,且实现了积分处理,进一步提高检测精度;但由于甲烷吸收光谱的对称性,采用通用的全波扫描方式,气体吸收光强后进行微分处理会出现正弦型曲线,无法准确确定吸收的光强所对应的数字量;而采用半波扫描方式,气体吸收光强后进行微分处理只出现凹型曲线,可以准确确定吸收的光强所对应的数字量。实验结果表明:采用锯齿波调制的半波扫描方式,可以准确测得甲烷气体浓度;测量范围为0%~10%,精度由100 ppm提升到10 ppm(1 ppm=10-6),稳定性由0.3%提升到0.01%。该系统经过改进后在复杂环境下受温度影响小,精度高,稳定性好,抗干扰能力强。

CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正

景文博, 张汝平, 王晓曼, 赵洁, 杨世钰, 高洋洋
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 817004-0817004(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0817004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1390 KB)  ( 52 )
摘要 ( 22 ) 引用本文
在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中,通过对比不同的激光波长,分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大,这会对激光光束质量的测量精度带来影响,因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统,建立高斯型激光光束的近远场传输模型,对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样,利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明:利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正,对比国际标准激光光束质量分析仪,所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度,对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。
光学设计及仿真

基于PI逆模型的快速微摆反射镜的开环控制

胡亮亮, 米凤文, 金伟其, 盛一成, 何玉婷, 雷琼莹
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 818001-0818001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0818001
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摘要 ( 23 ) 引用本文
由压电陶瓷驱动器构成的快速微摆反射镜平台存在迟滞特性,影响了对快速微摆反射镜的控制。为了能够有效的对快速微摆反射镜进行控制,采用基于PI逆模型的开环控制方法。首先,采用PI模型对快速微摆反射镜平台的迟滞特性建立数学模型,通过最小二乘法辨识PI模型的参数;其次,基于PI模型的可逆性,求解PI逆模型参数;最后,验证基于PI逆模型的开环控制方法的有效性。根据轨迹跟踪实验得到的数据,在正弦波轨迹输入信号下的均方根误差为1.23%,最大误差为2.45%;在三角波轨迹输入信号下的均方根误差为1.3%,最大误差为2.37%。证明了基于PI逆模型的开环控制方法是可行的,能够有效地控制快速微摆反射镜。

空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测

孟晓辉, 王永刚, 马仙梅, 李文卿, 李昂, 张继友
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 818002-0818002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0818002
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摘要 ( 25 ) 引用本文
为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015λ(λ=632.8 nm),几何参数控制精度△R误差为0.1 mm、△K优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。

部分空间相干光经准均匀介质的散射

赵新亮, 王海霞, 李同海, 崔莉
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 818003-0818003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0818003
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摘要 ( 24 ) 引用本文
基于一阶波恩近似,研究了部分空间相干平面光经准均匀介质的散射特性,得到了远场散射光谱强度和光谱相干度的解析表达式。讨论了入射光的空间相干性和介质特性对散射场光谱强度和光谱相干度的影响。比较了入射光是完全相干光和部分相干光时,散射场光谱强度和相干度的区别。研究结果表明:入射光的空间相干性对散射场光谱强度的分布有重要影响;随着入射光空间相干长度的增大,光谱宽度减小;光谱相干度随着入射光束腰宽度或介质有效半径的增大而减小。当准均匀介质的有效半径和相干长度、入射光的空间相干长度满足一定条件时,散射光是完全相干光。

基于空间机构学的Coude光路装调方法

张丽敏, 韩西达, 曹玉岩, 王文攀
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 818004-0818004(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0818004
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摘要 ( 30 ) 引用本文
库德光路光学元件多且空气间隔长,导致随着望远镜口径的增大装调难度急剧增加,因此将计算机辅助装调技术引入到Coude光路装调对准中。首先利用了机器人运动学方程的D-H表示法对库德全反射光路进行建模,然后根据光路误差来源讨论了蒙特卡洛模拟在Coude光路装调对准中的应用,通过分析各个镜面的影响权重,确定了系统装调顺序;最后,将蒙特卡洛法作为优化算法,得出了Coude光路装调后的理想结果。通过模拟仿真,证明了该方法可以将Coude光路靶面目标圆半径由5 mm下降到装调后的0.3 mm。结果表明:该方法简单、快速,而且精度高,对于全反射光路的装调是可行有效的。

红外与可见光图像融合的汽车抗晕光系统

郭全民, 董亮, 李代娣
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 818005-0818005(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0818005
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摘要 ( 35 ) 引用本文
针对夜间汽车晕光现象引起的交通安全问题,从规避碰撞物的角度出发,设计了一种红外与可见光图像融合的视频抗晕光系统。系统通过对可见光图像和红外图像做MSR图像增强,解决了夜间可见光图像亮度低,暗处信息不易获取的问题,并提高了红外图像对比度,提升了融合图像的清晰度;通过YUV与小波变换结合的方式对增强后的可见光图像和红外图像进行融合,消除了晕光现象。实验结果的主客观分析表明:该融合算法比YUV与小波融合算法在熵、均值、平均梯度、标准差上分别提高了1.6%、13.5%、25.3%、0.6%,该系统不仅能有效消除晕光,还对融合后图像的亮度和暗处细节信息有较大提升,提高了夜间驾驶安全性。

大口径望远镜阻尼调制技术

赵勇志, 安其昌, 韩西达
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 818006-0818006(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0818006
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摘要 ( 28 ) 引用本文
针对大口径望远镜由于自身尺度的增加以及钢桁架结构所带来的阻尼不足的情况,开展了大口径望远镜阻尼调制技术的研究,提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。首先分析了现有的大口径望远镜的阻尼调制策略,选择了使用专门的阻尼调制器的解决方案;之后,研究了建立系统动力学缩减模型以及基于该模型的动力学检测方法,为阻尼调制器的设计打下基础。最后,设计了适应某大口径望远镜主镜模态的调制质量阻尼器。为验证文中的正确性,针对一阶固有频率为172 Hz实验系统进行了阻尼调制实验,使用调制质量阻尼器后,该频率所对应的响应有明显的下降。同时,对于用于验证的大口径望远镜,计算得到其141 Hz的主镜模态对应的调制质量阻尼器质量为7.015 kg。刚度为5.506 N/mm。提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。分析了现有大口径望远镜的阻尼调制策略,选择了使用专门阻尼调制器的解决方案,不仅可指导下一代望远镜的建设工作,还可以对现有设备进行有效的升级。
光电器件与微系统

宽光谱在线弯晶谱仪研制

杨国洪, 韦敏习, 张文海, 侯立飞, 车兴森, 刘慎业
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 820001-0820001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0820001
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摘要 ( 26 ) 引用本文
研制了高精度在线准直、超宽光谱范围和高能谱分辨的在线凸圆柱面弯晶谱仪。使用耦合针状CsI(Tl)闪烁体的大面阵CMOS相机对X射线光谱进行在线测量,用QTZ(1010)(2d=0.851 2 nm)X射线晶体的能谱测量范围是1.84~7.38 keV,能谱分辨880@2.375 keV,动态范围 ≥ 1 000。在神光-Ⅲ主机高功率激光装置上,对钛激光等离子体发射的X射线谱进行实验测量,获得了优质的光谱图像;对钛离子X射线精细结构光谱进行了辨识,与理论计算和其他实验结果吻合。该谱仪用于神光-Ⅲ主机通用诊断搭载平台,具有抗瞬发超强电磁脉冲干扰能力,工作稳定。

800 nm亚波长夹层式金属偏振分束光栅

季淑英, 孔伟金, 李娜, 车卫康, 司维, 徐志恒
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 820002-0820002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0820002
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摘要 ( 28 ) 引用本文
为获得高性能的偏振分束光栅,设计了一种亚波长夹层式金属光栅结构,通过严格耦合波分析和遗传算法优化出最佳光栅结构。所设计的光栅在波长为800 nm时,0级衍射级次上TM偏振波的透射率和TE偏振波的反射率分别为98%和96.5%。在波长747 nm < λ < 854 nm,以及入射角-27°< θ < 27°范围内,光栅的透射和反射消光比都大于20 dB,达到了高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度的要求,数值分析表明该光栅对周期、槽深、覆盖层厚度具有优良的工艺容差。该光栅结构简单,性能稳定,对入射光损耗低,偏振分束效果明显,在光学偏振器件、激光器系统、偏振成像等领域具有广泛的应用前景。
先进光学材料

光热敏折变玻璃的体布拉格光栅热特性理论研究

李志永, 谭荣清, 黄伟, 叶庆, 韩高策, 柯常军, 李辉
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 821001-0821001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0821001
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摘要 ( 51 ) 引用本文
光热敏折变(photo-thermo-refractive, PTR)玻璃材质的体布拉格光栅(volume Bragg grating, VBG)在外腔半导体激光器(laser diode, LD)光谱特性改善领域具有较为广泛的应用。基于有限元分析方法,研究了LD辐照高度、LD功率和工作温度对VBG热分布的影响。在LD功率为40 W和工作温度为25℃的工作条件下,辐照高度分别为1.48、0.88和0.28 mm时,VBG的最高温升分别为8.52、5.07、2.20℃。辐照区域内的温度与工作温度的偏差随LD功率升高等比例变大。升高VBG工作温度,可以缩小辐照区域内的实际温度与工作温度的差距。结果表明,通过优化辐照高度和LD的工作参数,可以实现VBG工作区域较小的温度梯度分布。

高掺铒硅基氧化钽脊形光波导

陈朝夕, 温浩康, 于浩, 李彬, 胡军, 郭天娥, 马小玲, 华平壤
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 821002-0821002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0821002
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摘要 ( 28 ) 引用本文
首次提出了采用Er-Ta共溅、高温退火的方法,在硅基二氧化硅表面制备高掺铒氧化钽(Er:Ta2O5)薄膜。利用棱镜耦合仪分析了铒掺杂浓度对Er:Ta2O5薄膜的折射率的影响,结果表明:Er:Ta2O5薄膜的折射率随着Er掺杂浓度的增加而略微降低,且所制备的薄膜没有明显的各向异性。在此基础上,成功制备出Er掺杂浓度分别为0、2.5、5、7.5 mol%的硅基Er:Ta2O5脊形波导,波导在1 550 nm波段可实现单模传输,通过截断法得到波导在1 600 nm波长处的传输损耗分别为0.6、1.1、2.5、5.0 dB/cm。在所制备的Er:Ta2O5薄膜中,尽管没有发现Er2O3结晶析出,但薄膜中的Er3+会影响Ta2O5晶体的结晶程度,进而增加波导的传输损耗。最终文中制备的掺杂浓度为2.5 mol%的硅基Er:Ta2O5脊形波导通过980 nm激光泵浦,在1 531 nm信号波长下达到了3.1 dB/cm的净增益。
光通信与光传感

0.34 THz肖特基二极管高速OOK信号直接检波器

田遥岭, 蒋均, 黄昆, 缪丽, 陆彬, 邓贤进
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 822001-0822001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0822001
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摘要 ( 29 ) 引用本文
为了满足340 GHz高速OOK无线通信的需求,完成了340 GHz零偏置波导检波器的设计、加工和测试。首先,在高频电磁仿真软件HFSS中对准垂直结构二极管(QVD)进行建模仿真,并结合二极管的非线性模型确定二极管的阻抗;随后设计了输入波导-微带转换以及低通滤波器等无源结构,并同时对二极管进行阻抗匹配;最后进行了检波器的加工和测试。测试结果表明该检波器的电压灵敏度在334 GHz时最佳,最大值为2 210 V/W,并且在315 GHz~357 GHz频率范围内的典型值为1 400 V/W,其对应的等效噪声功率典型值为5 pW· Hz-0.5。最后,还利用该检波器进行了340 GHz频段的高速OOK信号接收实验,结果表明,该检波器能够近乎无误地检测10 Gbps的OOK信号,并且在OOK信号速率为15 Gbps时,检波器解调得到的误码率为3.15×10-7,证明了该检波器的高速信号检测能力能够满足高速OOK无线通信系统的需求。

纯硅芯光纤的空间辐照环境适应性

贾晓, 朱恒静, 张红旗, 毛喜平, 王征, 贾秋阳
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 822002-0822002(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0822002
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摘要 ( 26 ) 引用本文
研究了光纤的辐照损伤机理,对纯硅芯光纤与传统芯层掺杂光纤的结构特点进行了系统地分析,从结构组成特点上分析了两者的抗辐照性能差异。研究了国内外关于光纤的抗辐照试验标准,对各标准中剂量率、总剂量等试验条件差异进行了对比,并对不同剂量率对光纤辐照试验结果的影响进行了分析,给出了光纤在空间辐照环境条件下应用的γ辐照试验条件的选择原则。最后,采用0.1 rad(Si)/s剂量率对某国产纯硅芯光纤的抗辐照性能进行了试验评估,光纤在20 k rad(Si)总剂量辐照后光纤损耗为1.934 dB/km。空间辐照性能评估结果满足该项目的宇航型号的空间环境使用需求,辐照评估结论为可用。

高斯阵列光束自耦合特性的实验研究

柯熙政, 张雅
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 822003-0822003(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0822003
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摘要 ( 27 ) 引用本文
根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型,推导出了径向分布高斯阵列光束经非相干合成后在大气湍流中传输时的光强分布解析表达式,并对阵列光束自耦合特性随传输距离和径向分布半径的变化情况进行了数值分析,最后对径向分布半径不同的阵列光束自耦合特性随传输距离的变化进行了测量。实验结果表明:高斯阵列光束在大气湍流中水平传输时,随着传输距离的增加阵列光束会从某一距离处耦合成一束,且合成光束的平均光强呈类高斯分布;相同传输条件下,径向分布半径越小,阵列光束的自耦合特性越好。

光纤陀螺抑制过调制串扰的多态方波调制方法

李贺, 邓学文, 朱奎宝, 邓年茂
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 822004-0822004(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0822004
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摘要 ( 21 ) 引用本文
光纤陀螺方波调制信号引起的调制串扰会导致陀螺输出信号的不稳定,恶化阈值、标度非线性等指标。过调制技术是采用增大调制相位来抑制噪声的一种方法,根据过调制串扰的相关解调原理和模型,推导出含过调制串扰的陀螺输出表达式,指出过调制相位是影响串扰量的重要因素。针对增大过调制相位引起串扰量增加的问题,提出一种抑制过调制串扰的多态方波调制方法,利用响应余弦函数的周期性和调制波形的重复性,产生统计上相关性很小的调制信号和解调信号,在一定的延迟时间下,调制信号及串扰信号与解调信号的相关结果为0,在相关解调过程中减小串扰量。仿真和实验结果表明,该调制方法对串扰信号的抑制作用相比方波过调制提高一个数量级,陀螺的零偏稳定性和阈值指标相比方波过调制改善约40%。
前沿光学成像技术

多孔径压缩编码超分辨率大视场成像方法

袁影, 王晓蕊, 吴雄雄, 穆江浩, 张艳
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 824001-0824001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0824001
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摘要 ( 43 ) 引用本文
多孔径成像是一种融合了仿生复眼视觉的新型成像方法,具有小型化、大视场、高分辨率等多种优势,但由于每个子孔径对应的单元图像分辨率过低,导致其成像质量和视场角的提升十分有限。为了进一步提高成像分辨率和探测视场,基于压缩感知理论设计随机编码模板,并紧贴子孔径放置对入射光场进行调制,通过单次曝光记录编码后的低分辨率单元图像阵列,利用稀疏优化算法,重构所有低分辨率单元图像获得超分辨率大视场图像。理论分析和仿真实验证明了该方法的有效性。该方法不仅能兼顾大视场高分辨率成像,而且大大缩小系统等效焦距,具有薄层结构,体积小而重量轻,可为微光机电一体化系统的研制设计提供借鉴。

任意阶运动目标强度关联成像

梁振宇, 樊祥, 程正东, 朱斌, 陈熠
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 824002-0824002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0824002
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摘要 ( 33 ) 引用本文
开展了强度关联阶数对于运动目标关联成像影响的研究,通过改变信号光束和参考光束的阶数,分别讨论了切向和轴向运动目标在不同强度关联阶数下的关联成像质量。在运动目标关联成像系统原理光路的基础上,从理论上重点分析了不同强度关联阶数对关联成像计算模型的影响,并且利用计算机进行了仿真实验。结果表明:强度关联阶数的改变不能消除运动模糊,增加信号光束的阶数可以改善关联成像质量,但是在去除背景项的情况下,反而是最低阶的关联成像质量最好,并且轴向运动目标的关联成像质量下降地更为严重。
景象信息处理

利用序列图像解算目标视线角速率的方法

王向军, 乐兵, 邢峰, 刘峰, 王继方
红外与激光工程. 2017, 46 (8): 828001-0828001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0828001
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摘要 ( 30 ) 引用本文
针对目标跟踪处理系统中的视线角速率提取问题,提出一种利用单成像探测器所得序列图像求导视线角速率的方法。利用序列图像中的运动目标图像坐标解算得到体视线角,通过图像匹配得到弹体姿态角,进而求解得到视线角速率。实验结果表明:结合图像跟踪算法可实时得到体视线角,使用图像匹配可以较好地解算得到弹体姿态角,解算结果误差小于±5%;在体视线角和弹体姿态角均包含噪声的前提下,使用卡尔曼滤波可以较好地还原视线角速率。该方法适用于微小型飞行器制导探测,可以省去陀螺仪等惯性元件,实现探测装置的轻量化、小型化,具有实际的应用价值。
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