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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—2019, 48 (2)   出版日期:2019-02-25
  本期栏目:信息获取与辨识 光学设计及仿真 太赫兹技术及应用 红外技术及应用 光电测量 光通信与光传感 先进光学材料 激光技术及应用 光学制造与工艺 特约专栏-“微纳光学专栏” 
特约专栏-“微纳光学专栏”

人工微结构太赫兹传感器的研究进展

梁丽, 文龙, 蒋春萍, 陈沁
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 203001-0203001(17). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0203001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1641 KB)  ( 71 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
近年来,太赫兹技术得到迅速发展,在通信、反恐、检测和医药等领域展现了广泛的应用潜力。尤其是许多生物分子和材料在太赫兹波段存在特征的吸收光谱,而且太赫兹波能量低损伤小等特点,使得太赫兹生化传感器越来越受到关注。然而,由于太赫兹波的波长较长与生物分子等的尺寸差别非常大,导致相互作用比较弱,从而限制了太赫兹传感器的性能。通过微纳电磁结构对光场空间分布和频率分布的调控,增强太赫兹波传感器的灵敏度是当前的研究热点。文中将重点介绍各种微纳结构太赫兹传感技术的原理和研究现状,并通过梳理其发展趋势和当前的性能制约因素,讨论此方向将来的发展方向和应用前景。

等离激元增强金硅肖特基结近红外光电探测器进展

王琦龙, 李裕培, 翟雨生, 计吉焘, 邹海洋, 陈广甸
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 203002-0203002(14). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0203002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1203 KB)  ( 75 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
表面等离激元共振衰减诱导热电子,因其能量高、分布窄、打破半导体禁带宽度限制等特点被广泛应用于拓展半导体光电转换的响应光谱,如拓展宽禁带半导体的响应光谱至可见光波段,拓展硅的响应波段至近红外。此外,还可以通过调节表面等离激元结构调控响应光谱和实现偏振探测,在实现硅基近红外光电探测领域具有重要的应用价值。从表面等离激元以及表面等离激元内光电效应的机理出发,综述了表面等离激元热电子原理在实现硅基近红外光电探测方面的研究进展,并总结了表面等离激元结构的形貌,尺寸、分布等因素对热电子的产生(外量子效率)和注入效率(内量子效率)的影响。最后展望了基于表面等离激元结构的硅基肖特基结近红外光电探测的研究方向。

渐变太赫兹椭圆-双曲线形连接器的理论分析

王凯, 张惠芳, 曹清
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 203003-0203003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0203003
全文: HTML (1 KB)  PDF (937 KB)  ( 27 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
为了实现太赫兹高斯光束与双曲线形金属波导的高效耦合,设计了一个渐变的椭圆-双曲线形金属波导连接器。此波导连接器的输入端是矩形的,输出端是椭圆-双曲线形的。在渐变的过程中,矩形金属波导的TE01模逐渐转变成双曲线形金属波导的椭圆偏振模。根据WKB近似,这个缓慢渐变的波导消除了反射和散射,TE01模和椭圆偏振模的耦合效率可以高达94%。最终,经过这个渐变连接器,高斯光束和双曲线形金属波导的耦合效率可以提高到69.1%。

基于一维周期性金属-介质薄膜多波段高效吸收体的制备及其光学特性研究

李辉, 冀婷, 王艳珊, 王文艳, 郝玉英, 崔艳霞
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 203004-0203004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0203004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1003 KB)  ( 35 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
通过热蒸发和磁控溅射方法在厚金属Ag反射层上制备了由一维周期性Ag金属薄层和MoO3/SiO2介质层组成的多波段吸收体。实验结果表明:随着周期数(N)的增加,吸收峰的个数也相应增加,且精确等于周期数。对于Ag薄层厚度为14 nm、MoO3层和SiO2层厚度分别为2 nm及135 nm的吸收体,实验测得在400~900 nm波长范围内的积分吸收效率从N=1时的29.4%增加到N=6时的57.2%,趋势与理论计算结果一致。此外,测量结果表明:吸收峰对入射角度及偏振不敏感。笔者还在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底上制备了多层吸收体,弯曲1 000次后仍基本保持原有的吸波性能。该吸收体在光伏和热辐射调控等领域具有潜在应用价值。

基于半导体等离子体频率光学调控的太赫兹波调制系统

杨涛, 葛嘉程, 周源, 黄维
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 203005-0203005(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0203005
全文: HTML (1 KB)  PDF (990 KB)  ( 12 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
介绍了一种太赫兹波光学调制系统,该系统首先通过刀片与半导体之间的狭缝实现太赫兹波和太赫兹表面等离子体波之间的耦合,然后通过改变照射到本征半导体表面的光强用以调控半导体表面的等离子体频率,使得半导体表面的等离子体频率在有光照和无光照条件下分别大于和小于其上传输的太赫兹表面等离子体波的频率,从而实现对在半导体表面传输的太赫兹表面等离子体波以及由其耦合出的太赫兹波的强度调控。该调制方法与传统方法相比具有调控频带宽、速度快、成本低、常温工作等优点,可用于太赫兹波通讯。仿真和实验结果进一步验证了该调制系统应用的可行性。

绿带翠凤蝶中微纳结构的光学特性及其传感应用

王倩, 宇磊磊, 刘昌吉, 靳延平, 董骁翔, 徐新龙
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 203006-0203006(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0203006
全文: HTML (1 KB)  PDF (1026 KB)  ( 18 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
通过变角度光谱系统测量了绿带翠凤蝶闪亮后翅中微纳结构的光谱,并建立了多层膜反射结构模型来解释蝴蝶翅膀的结构色产生机理。通过测量绿带翠凤蝶后翅微结构中的圆二向色性光谱,研究了其光学偏振特性。基于结构色的特点,设计并实现了利用蝴蝶翅膀对溶液折射率的传感实验,结果表明随着折射率的增大,反射光谱谱线发生红移。相关的研究结果为理解自然界中微结构材料的偏振和传感应用提供了基础。
红外技术及应用

基于FDST和双通道PCNN的红外与可见光图像融合

戴进墩, 刘亚东, 毛先胤, 盛戈皞, 江秀臣
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 204001-0204001(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0204001
全文: HTML (1 KB)  PDF (988 KB)  ( 28 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
为提高融合图像的细节表现力和信息冗余度,针对红外与可见光图像,提出一种基于有限离散剪切波变换(FDST)和双通道脉冲耦合神经网络(PCNN)的图像融合方法。首先,利用FDST分解红外与可见光图像得到各自的高低频子带系数;再对高低频子带系数分别采用不同链接强度的改进的空间频率激励的双通道PCNN进行融合;最后,通过FDST反变换得到融合图像。实验结果表明该算法能够有效增强图像清晰度和整体视觉效果,融合效果跟其他融合方法相比,在互信息、边缘信息传递量、标准差多个客观评价指标上具有明显提高。

红外成像系统响应光谱非均匀性的理论分析

于海涛, 马金鹏, 范芸, 李科, 张春熹
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 204002-0204002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0204002
全文: HTML (1 KB)  PDF (995 KB)  ( 48 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
基于黑体标定的非均匀性校正方法在凝视红外成像系统中被广泛应用,但在面对天空背景成像或者高速飞行器上透过高温光学窗口观察常温目标两种情况下,出现了黑体标定不适用的现象。为此通过分析红外成像系统的响应特性,提出了响应光谱非均匀性的概念,指出了黑体标定法具有场景光谱分布依赖的特征。同时,分析了响应光谱非均匀性产生的原理,包括内外两方面原因。内在因素是红外探测器不同像元的量子效率随光谱变化存在差异,外在因素是应用场景的辐射光谱分布与黑体相差较大。在此基础上,给出了解决响应光谱非均匀性的建议。

反射光谱法测定交联聚苯乙烯的复折射率

梁建峰, 刘文元, 涂敏, 崔刚强
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 204003-0204003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0204003
全文: HTML (1 KB)  PDF (942 KB)  ( 15 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
交联聚苯乙烯是一种热固性塑料,具有优异的介电特性和耐高压击穿能力等特性,在微波窗口、电子工程、国防军工等方面具有很大的潜在应用价值,而其在红外波段的光学特性却鲜有研究。文中用γ射线辐照聚合法制备了新型交联聚苯乙烯样品,采用傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)技术,测量了交联聚苯乙烯和聚苯乙烯在红外波段的反射光谱,进而利用Kramers-Kronig(K-K)关系导出了复折射率,并对计算结果进行了误差分析。结果表明:交联聚苯乙烯的折射率在太赫兹波段与聚苯乙烯相近,随着频率升高迅速下降,在中红外波段稳定在1.1~1.2之间,远低于聚苯乙烯的折射率(1.5左右)。

基于鲁棒Otsu的红外无损检测缺陷分割算法

汪子君, 邱俨睿, 杨宏霄, 孙磊
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 204004-0204004(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0204004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1409 KB)  ( 24 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
在红外无损检测获取的图像中,缺陷区域与非缺陷区域所占面积比例悬殊,且图像经过序列增强处理之后仍然存在阴暗区域,导致缺陷分割准确性受损。为此,结合局部阈值分割法的相对阈值思想,提出一种基于鲁棒Otsu的缺陷分割算法。首先,引入邻域均值与邻域总梯度作为表征像素点的所属类别与空间状态的重要参数。然后,采用基于像素点-块区的统计调整模型对红外图像缺陷区和非缺陷区的灰度值进行动态调整。最后,采用基于灰度-邻域偏差的改进二维直方图及其区域划分方法,通过自动选取邻域边长的遗传算法搜索最佳阈值,实现红外图像的缺陷分割。结果表明:该算法不仅改善了Otsu算法的鲁棒性,且能够提高红外无损检测缺陷分割的准确性。
激光技术及应用

三束飞秒激光辐照下铜膜内电子非平衡热输运

许孝芳, 李晓良, 王庆伟, 杨逢逢, 高永锋, 李晓天
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 206001-0206001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0206001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1023 KB)  ( 9 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
首先采用有限元法数值计算了铜膜内的电子温度和晶格温度分布变化,揭示了铜膜内电子非平衡热输运时间随飞秒激光光束参量的变化情况。仿真结果表明,铜膜内的电子非平衡热输运时间会随着泵浦光束数量及脉冲能量密度的增加而增加,并且使用三束飞秒泵浦激光作用时,电子非平衡热输运时间比单脉冲作用时的电子非平衡热输运时间增加了3倍。其次使用三束飞秒激光泵浦的泵浦-探测实验系统进行验证。实验结果表明:通过用具有一定延时的三束飞秒泵浦激光作用铜膜时,铜膜表面的瞬态反射率出现三次突变,使电子非平衡热输运时间得到极大延长,从而大幅度消除激光加工热障,并提高加工的质量、精度和效率。

高重频高峰值功率窄线宽激光放大器

颜凡江, 杨策, 陈檬, 桑思晗, 李梦龙, 蒙裴贝
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 206002-0206002(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0206002
全文: HTML (1 KB)  PDF (940 KB)  ( 26 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
高重复频率、高峰值功率、窄线宽的激光在激光雷达领域具有重要的应用价值。在对高重频窄线宽激光进行放大时,为了同时实现高放大倍率与高光束质量激光输出,在高重频、窄线宽被动调Q激光器作为种子源的前提下,设计了利用888 nm半导体激光端面泵浦Nd:YVO4块状晶体实现高增益的一级放大,808 nm半导体激光侧面泵浦Nd:YVO4板条晶体实现低热透镜效应的二级放大的方案。在重复频率10 kHz时,获得了峰值功率5 MW,线宽154 pm,脉冲宽度0.6 ns,平均功率31.5 W,光束质量M2为1.98的激光输出。从而验证了将高放大倍率与高光束质量分别控制的放大器设计思路。

纳秒激光诱导铜箔喷射机制的研究

黄亚军, 蔡文莱, 陈英怀, 黄志刚
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 206003-0206003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0206003
全文: HTML (1 KB)  PDF (987 KB)  ( 10 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
使用纳秒Nd:YAG脉冲激光进行了微米厚铜箔的激光诱导喷射机制研究。通过控制激光脉冲能量10~500 μJ,揭示了三种不同的喷射现象:无喷射、稳定喷射和溅射。在稳定喷射模式中,发现了由单一脉冲同时引发的向前和向后喷射现象,可同时在接收层与靶材层方向制备出微细结构。用有限元方法对激光辐照产生的温度场和铜箔相变进行了计算,揭示了纳秒激光诱导喷射主要是由气相膨胀所带动的流体动力学所引起,并界定了发生稳定喷射所需的激光能量阈值。采用Rayleigh-Plesset方程对激光诱导的汽泡动力学进行了计算,分析认为汽泡的迅速扩张和收缩,是分别引起向前和向后喷射的主要原因。根据实验和仿真结果,提出了通过控制激光参数实现稳定喷射的方法。

基于分层异构模型的机载激光测深波形拟合算法

亓超, 宿殿鹏, 王贤昆, 王明伟, 石波, 阳凡林
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 206004-0206004(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0206004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1046 KB)  ( 16 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
波形拟合是机载激光测深数据处理的关键环节,能够为水下地形测量、海底底质分类和水体浑浊度分析等应用领域提供数据基础。针对传统机载激光测深波形拟合算法受噪声干扰严重、对复杂波形形状拟合不准确的问题,提出一种基于分层异构模型的机载激光测深波形拟合算法。针对波形不同组成部分的相应特性,采用异构函数(水面-高斯函数、水体-双指数函数及水底-B样条函数)构建分层异构模型,分别进行拟合,从而实现对各部分波形信号的拟合。采用南海实测数据对所提算法进行了验证,结果表明:该算法拟合波形的平均运行时间T为0.019 4 s,相比于RL(Richardson-Lucy)去卷积算法提高0.328 6 s;平均均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为6.222 4,相比于双高斯函数拟合算法平均均方根误差RMSE、平均决定系数(Coefficient of determination,R2)、平均相关系数(Correlation Coefficient,CORR)和相关系数标准差(Standard Deviation,STD)分别提高65.11%、2.83%、1.01%和86.61%,保证了拟合效率和拟合精度。算法具有良好的鲁棒性,能够有效满足机载激光测深科学研究和工程应用的技术需求。

半主动寻的激光制导系统的干涉编码方法

吴梦瑶, 王石语, 屈鹏飞, 过振, 蔡德芳, 李兵斌
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 206005-0206005(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0206005
全文: HTML (1 KB)  PDF (1039 KB)  ( 14 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
提出一种半主动寻的激光制导干涉编码方法,在传统时序编码基础上加入多子光束相干发射系统产生的空间干涉图样,形成时空域相融合的编码信号。设计一种多子光束相干发射系统,依据子光束良好的空间相干性进行空间构图,形成编码可控的空间干涉图样。计算结果表明:当参数K值(子光束对角线之比)在2.5~3.5之间时,干涉图样明暗相间程度最为明显,干涉图样最为纯净;当子光束相干发射系统中分束镜的位置偏移小于0.1λλ为激光波长),角度偏离小于0.1θ0θ0为光束发散角)时,发射系统机械振动对制导系统的影响可忽略不计。
光电测量

转轴转角定位误差测量方法与误差分析

李家琨, 冯其波, 包传辰, 杨婧, 赵斌陶
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 217001-0217001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0217001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1043 KB)  ( 21 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
提出了一种基于光纤激光自准直转轴转角定位误差测量的方法,建立了包含转轴运动误差以及安装误差的误差模型,仿真分析了23项误差对转角定位误差测量的影响,结果表明仅有参考转轴与待测转轴之间的4项安装误差的影响量与转轴旋转角度相关,且只需精细调整其中两项角度安装误差即可保证影响量小于0.2"。利用所搭建的测量装置对某分度盘的转角定位误差进行了测量,三次测量重复性偏差约为0.9",与光电自准直仪对比的最大偏差约为0.6"。结果表明:利用该测量方法和测量装置可以实现转轴转角定位误差的全周范围高精度测量,验证了所提出模型的有效性。

波片相位延迟量测量和快轴标定系统

王金伟, 李克武, 景宁, 罗欣玮, 王志斌
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 217002-0217002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0217002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1007 KB)  ( 11 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
为了能够快速精确地测量波片相位延迟量和快轴方位角,实现测量系统的集成化和自动化,设计了基于弹光调制技术与数字锁相技术相结合的波片测量系统。采用弹光调制器对检测激光进行调制,运用基于FPGA的数字锁相技术提取调制信号的一、二倍频项,利用优化算法解调出波片相位延迟量和快轴方位角,步进电机带动波片转动使快轴到达零度位置,相位延迟量由LCD显示出来。搭建了实验系统,并对1/4波片进行了测量。实验结果表明:该系统对1/4波片快轴方位角的测量精度优于0.31°,相位延迟量的测量精度和重复度分别优于99.47%和0.14°。测量系统的弹光调制器驱动信号、电机驱动信号、数据运算都由FPGA控制,实现了光机电一体化。
光学设计及仿真

X射线望远镜超薄镜片装配结构的粘结强度探究

沈正祥, 张璟, 余俊, 王晓强, 卫俊杰, 龙华保
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 218001-0218001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0218001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1084 KB)  ( 18 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
基于超薄玻璃的嵌套式圆锥近似Wolter-I型聚焦望远镜采用环氧树脂胶作为镜片装配的关键粘结材料,其微米级厚度的胶层粘结强度决定了望远镜的力学性能。文中研究了"超薄镜片-F131环氧树脂胶-石墨"组成的粘结结构在不同固化环境湿度、不同石墨表面粗糙度下的粘结强度。结果表明,粘结强度随着环氧树脂固化湿度的增加而减小,随着石墨表面粗糙度的增加而增加。进一步,通过比较石墨表面层剥离面积比,确定石墨表面层剥落是造成粘结结构失效的主要形式。最后,引入B基准值作为粘结强度评价指标,提高粘结性能评价的准确性和可靠性,为望远镜装配提供了参考。

万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

赵磊, 纪明, 王佳, 赵振海, 王虎
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 218002-0218002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0218002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1105 KB)  ( 24 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有±3.3°的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。

四焦距聚焦型光场计算成像系统的设计

王佳华, 杜少军, 张烜喆, 李俊, 王彦, 刘青松
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 218003-0218003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0218003
全文: HTML (1 KB)  PDF (986 KB)  ( 22 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
光场相机是一种在图像传感器前增加微透镜阵列的新型相机结构,除了记录不同位置下光的强度及颜色外,也记录不同位置下光线的方向信息,从而能够计算目标场景的深度图和高阶相位图。该技术由于景深和分辨率相互制约,获得大景深时分辨率会降低。分析了其结构特点并推导了景深和分辨率的关系,并就选定的设计参数绘制了变化曲线。在此基础上,提出了一种新型光场相机的设计方法,该结构基于具有四类焦距的微透镜阵列,可获得超大景深,同时将分辨率的下降程度控制在可接受范围。仿真结果表明:相对于三类焦距微透镜阵列,所设计的四类焦距微透镜阵列景深可提高三倍,而分辨率达到普通相机的18.9%。

大口径压电快摆镜机构迟滞非线性补偿与控制

张泉, 尹达一, 魏传新
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 218004-0218004(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0218004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1068 KB)  ( 12 )
摘要 ( 0 ) 引用本文
为了提高空间天文望远镜精密稳像系统中大口径压电快摆镜机构(Fast Steering Mirror,FSM)的控制精度,采用迟滞前馈补偿和最优PID控制算法相结合的复合控制策略。针对基于广义Play算子的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型可逆性受约束条件限制以及求逆过程中模型参数估计误差累加的问题,提出了一种基于广义Stop算子的PI逆模型进行压电执行器(Piezoelectric Actuator,PZT)迟滞补偿。针对逆迟滞模型的不确定性和直接前馈控制抗干扰能力差的问题,在控制系统中加入最优PID闭环控制器。采用自适应差分进化算法(Adaptive Differential Evolution,ADE)对迟滞逆模型参数和PID控制器参数进行寻优并引入混沌搜索机制来提高ADE算法的性能。实验结果表明:与传统PI模型解析求逆方法相比,基于广义Stop算子的PI逆模型能够更好描述逆迟滞曲线,拟合频率为1 Hz的迟滞曲线,拟合精度提高78.04%;实时跟踪频率分别为1、10、20 Hz的大口径快摆机构目标摆动位移,复合控制策略的跟踪精度相比于直接前馈控制分别提高了38.56%,22.92%和13.5%。

拼接镜面望远镜位移促动器系统的自抗扰控制

李浩, 张振超, 李国平, 杜福嘉, 张惠
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 218005-0218005(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0218005
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摘要 ( 0 ) 引用本文
针对拼接镜面望远镜主动光学控制技术的要求,设计了一种改进型自抗扰控制器以改善位移促动器系统的位置跟踪性能和提高抗扰动能力。首先,建立了拼接镜面位移促动器系统及扰动风载的数学模型;设计了改进型自抗扰控制器,并给出了控制器参数选择的方法。其次,对位移促动器控制系统进行了仿真分析,验证了控制器的可行性。最后,利用风载扰动模拟装置,在位移促动器系统中引入扰动,并对比改进型自抗扰控制器与线性自抗扰控制器以及PID控制器控制性能。实验结果表明,改进型自抗扰控制器系统阶跃跟踪的稳定时间为201 ms,稳态均方差为7.1 nm,无超调;风载干扰实验中,改进型ADRC的最大偏差值为38.8 nm,稳态均方差为7.6 nm,改进型ADRC的性能明显优于线性自抗扰控制器和PID控制器,对提高位移促动器系统的性能有较高的实用性。

机械制冷机冷却的透射式光学系统支撑结构

王兆利, 梁惊涛, 赵密广, 陈厚磊, 王娟, 卫铃佼
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 218006-0218006(11). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0218006
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摘要 ( 0 ) 引用本文
低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声,有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K,采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小,直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差,影响成像质量,为此设计了一种新型支撑结构,一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变,另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型,来指导支撑结构热设计,减小透镜内部温差。最后,对透镜支撑的低温性能进行了测试,实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至150 K,支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时,光学表面的最大变形小于1λ(1λ=632.8 nm)。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。
先进光学材料

基于金属-绝缘体-金属波导耦合纳米腔的等离子体三波分复用结构

徐思宇, 张兆健, 何新, 韩云鑫, 张晶晶, 黄杰, 陈丁博, 杨俊波
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 221001-0221001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0221001
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摘要 ( 1 ) 引用本文
从理论上和数值上研究了一种基于金属-绝缘体-金属波导耦合纳米腔的等离子体三波分复用结构。该结构由三个输出通道组成,每个通道由两个纳米腔分布于直波导两侧。通过改变环的几何参数、填充介质和内圆和外圆的相对位置,可以动态地调节每个通道的反射和透射光谱。最后,根据三个通道的反射和透射特性,研究了在三个通信波长1 310、1 490和1 550 nm处实现的解复用,并具有优良的性能。将时域耦合模理论和时域有限差分法(FDTD)结合起来进行仿真和分析,为芯片集成全光电路的应用提供了可能。

高量子效率InP/In0.53Ga0.47As/InP红外光电阴极模拟

周振辉, 徐向晏, 刘虎林, 李岩, 卢裕, 钱森, 韦永林, 何凯, 赛小锋, 田进寿, 陈萍
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 221002-0221002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0221002
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摘要 ( 0 ) 引用本文
将In0.53Ga0.47As吸收层设计为多个薄层,通过不同浓度掺杂实现吸收层杂质指数分布,建立了InP/In0.53Ga0.47As/InP红外光电阴极模型,在皮秒级响应时间的前提下模拟了吸收层厚度、掺杂浓度和阴极外置偏压对阴极内量子效率的影响,给出了光电子在吸收层和发射层的一维连续性方程和边界条件,计算了光电子克服激活层势垒发射到真空中的几率,进而获得阴极外量子效率随上述三个因素的变化规律,结果表明,吸收层掺杂浓度在1015~1018 cm-3范围内变化时,内量子效率变化很小;随着吸收层厚度在0.09~0.81 μm内增大,内量子效率随之增大;随着外置偏压升高,内量子效率先增大后趋于平稳。文中给出一组既能获得高量子效率又能有快时间响应的阴极设计参数,理论上1.55 μm入射光可以获得8.4%的外量子效率,此时响应时间为49 ps。

离子束溅射宽带吸收薄膜设计与制备技术研究

姜玉刚, 刘小利, 刘华松, 刘丹丹, 王利栓, 陈丹, 姜承慧, 季一勤
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 221003-0221003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0221003
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摘要 ( 1 ) 引用本文
Si薄膜在可见光和近红外波段具有一定的吸收特性,可用于宽带吸收薄膜的制备。采用离子束溅射技术,在熔融石英基底上制备了不同沉积工艺参数的Si薄膜,基于透、反射光谱和椭偏光谱的全光谱数值拟合法,计算了Si薄膜的光学常数,并研究了氧气、氮气流量对其光学特性的影响。选择Si和Ta2O5作为高折射率材料、SiO2作为低折射率,设计了吸收率为2%和10%的宽带(1 000~1 400 nm)吸收薄膜。采用离子束溅射沉积技术,在熔融石英基底上制备了宽带吸收薄膜,对于A=2%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为2.12%、2.15%和2.22%;对于A=10%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为9.71%、8.35%和9.07%。研究结果对于吸收测量仪、光谱测试仪等仪器的定标具有重要的作用。
光通信与光传感

柔性复合基体光纤布拉格光栅曲率传感器

张雄雄, 宋言明, 孙广开, 孟凡勇, 董明利
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 222001-0222001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0222001
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摘要 ( 1 ) 引用本文
面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求,提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中,并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合,形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块,实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律,分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明:硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量,最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加,传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性,可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。

轨道角动量模传输的圆环形光子晶体光纤

白秀丽, 陈鹤鸣, 张凌菲
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 222002-0222002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0222002
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摘要 ( 1 ) 引用本文
设计了一种新型轨道角动量模传输的圆环形光子晶体光纤,包层为排列有序的矩形空气孔围绕纤芯呈圆形排列,纤芯为大的空气孔,中间环形高折射率区为光子轨道角动量传输区。利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件进行仿真分析,对光子轨道角动量模式在光纤中的传输特性进行了详细讨论。结果表明,该结构可实现1.2~2.0 μm波段50个轨道角动量模式的有效分离和稳定传输,简并模式的有效折射率差大于10-4,保证了每个模式的稳定传输;限制损耗仅为10-9 dB·m-1,非线性系数低至0.833 km-1·W-1。该光纤可以应用于模分复用系统,将大大提高通信系统容量和频谱效率。

布里渊增益谱特征参数提取准确性影响因素分析

赵丽娟, 徐志钮, 李永倩
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 222003-0222003(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0222003
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摘要 ( 1 ) 引用本文
基于实测布里渊(Brillouin)增益谱确定了合适目标函数。数值产生了大量的布里渊增益谱,利用这些谱信号系统研究了信噪比、扫频间隔、扫频点数、扫频范围和谱特征参数g0vB、△vB的取值对布里渊增益谱特征参数提取准确性的影响规律。结果表明:特征参数提取误差随信噪比增加成指数规律下降,随扫频点数增加(或扫频间隔减少)而下降;vB的提取误差随△vB的增加而线性增大,△vB的值对其他参数的提取准确性几乎无影响;扫频点数固定时扫频范围选择太大或太小时的误差均较大,实际应该选择2△vB左右。研究结果对基于布里渊散射的传感时相关参数选择具有参考价值。
太赫兹技术及应用

330 GHz单片集成分谐波混频器

杨大宝, 王俊龙, 张立森, 梁士雄, 冯志红
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 225001-0225001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0225001
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摘要 ( 0 ) 引用本文
根据反向并联二极管的外围结构和材料构成,以四端口S参数包的形式建立了二极管结外围无源结构的三维电磁模型,与非线性仿真软件中的肖特基结模型结合起来建立太赫兹二极管对的完整模型,这样的处理方法提高了计算机仿真的准确性。分谐波混频电路制作在12μm厚度的砷化镓基片上,单片电路悬置安装在本振和射频中间剖开的减高波导腔体内。在本振5 mW功率注入时混频单片在330 GHz的频带范围内最小插损为10 dB。因为单片集成电路以四个梁式引线与波导外壁柔性连接,一端固定在波导壁上,混频单片电路能够释放腔体随温度变化而产生的机械应力。

无基片空间合成的220 GHz三次倍频电路研究

胡南
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 225002-0225002(4). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0225002
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摘要 ( 0 ) 引用本文
基于四阳极结同向串联型GaAs平面肖特基二极管,设计并实现了无基片空间合成的220 GHz三次倍频电路。采用四支肖特基二极管协同工作,在脊波导小片上下两侧各倒装焊接两支肖特基二极管,构成上下反向结构。采用场路结合的方式,对倍频电路的倍频效率进行了仿真。仿真结果显示输入功率为300 mW,输出频率为213~229 GHz时,倍频效率大于3%;采用E波段功率放大器推动三次倍频电路,获得了倍频器输出功率。测试数据表明,驱动功率为300 mW时,输出频率为213~229 GHz时,输出功率大于5 dBm,倍频效率为1%~2%。
信息获取与辨识

基于三维反正切函数拟合的光斑质心提取算法

张惠, 李国平, 张勇, 胡守伟
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 226001-0226001(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0226001
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摘要 ( 1 ) 引用本文
在诸多需要对光斑质心进行定位的领域里,光斑质心定位的精确性和稳定性都是至关重要的。根据光学系统对物体边缘的模糊原理,提出一种新的光斑中心提取算法。该算法是以反正切函数为基函数,通过对其变量代换从而得到可以拟合光斑灰度分布的函数。求解过程中首先通过高斯-牛顿法进行迭代,然后再通过最小二乘法进行最优解估计。文中先通过仿真分析,对比了文中算法与传统算法的优劣,进一步通过实验验证该方法相对于传统方法的优势。实验结果表明:基于文中算法光斑质心提取精度为0.125 3个像素;此时角度传感器的测角精度为0.172 3",优于传感器技术要求的0.25"。文中算法对噪声、对比度、光斑的长宽比和大小的综合性能优于传统算法,实验结果稳定可靠,满足角度传感器使用要求。

单目标极小值优化法的多波长真温反演研究

张福才, 孙博君, 孙晓刚
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 226002-0226002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0226002
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摘要 ( 0 ) 引用本文
在多波长温度测量系统中,光谱发射率假设为波长或温度模型来实现真温的求解。由于模型假设存在一定的不确定性,光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化规律可能不符,会造成较大的真温反演误差。另外,光谱发射率与波长或温度之间的函数关系通用性较差,尤其是待测辐射体发生改变时,这种关系自然也就不复存在了。为了获得正确的真温,首次将优化思想引入到方法中,建立了单目标极小值优化法(Single Objective Minimization Optimization Method,SMO)完成真温反演。新方法无需建立光谱发射率和波长或温度之间的模型,降低了真温求解方法的复杂性和技术难度。与原有的光谱发射率与温度之间的模型(也称二次测量法,Second Measurement Method,SMM法)相比,在相同的初始条件下,新方法与二次测量法相比,反演速度提高了95%以上。

单传感器数据驱动的人体日常短时行为识别方法

苏本跃, 郑丹丹, 汤庆丰, 盛敏
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 226003-0226003(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0226003
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摘要 ( 0 ) 引用本文
在基于惯性传感器的人体行为识别研究中,特征提取是其中的关键环节之一。而离散数据统计特征的稳定性依赖于特征提取的窗口大小。一般来说,训练数据的窗口长度需要大于一个运动周期。因此,针对测试数据远小于一个运动周期的短序列样本识别问题,提出了一种基于模板匹配的新的解决方案。首先,通过适当分割训练数据的长序列样本,构建一个过完备的短时行为模板库,将待测短时样本与模板库中样本进行一致化处理并进行匹配;其次,在匹配算法中,采用样本间的F范数与整体梯度向量的2范数累加作为匹配度量准则,得到相似度直方图;最后,基于相似度直方图,根据投票策略得到最终分类识别结果。实验表明:在使用单传感器识别短时行为的情况下,新算法比传统算法在精度和稳定性上具有更好的性能,并能适应不同窗口下短时行为分类问题。
光学制造与工艺

超短脉冲激光微孔加工(下)——实验探索

赵万芹, 梅雪松, 王文君
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 242001-0242001(12). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0242001
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摘要 ( 0 ) 引用本文
自20世纪60年代激光器被发明以来,其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级,使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。与其它加工技术相比,超短脉冲激光微孔加工突破了对尺度和材料的限制,并具有高精度和自动化等优点。主要论述了超短脉冲激光微孔加工的优势,如"冷"加工、突破衍射极限的低微米及纳米量级的加工等。介绍了超短脉冲激光微孔加工中的三个经典模型,包括孔径和阈值关系模型、多脉冲累积模型和单脉冲烧蚀深度模型。简述了超短脉冲激光微孔加工的实验研究现状,并给出了存在的问题和展望。

选区顺序对激光直接制造TC4残余应力及变形的影响

严惠, 王霄, 梁绘昕, 田宗军, 谢德巧, 徐国建
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 242002-0242002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0242002
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摘要 ( 0 ) 引用本文
为降低激光直接制造大型TC4构件的基底变形及残余应力,研究了不同选区顺序对分区扫描成形时基底变形及残余应力的影响。分别采用新定义的由外而内、由内而外选区顺序及常规的随机选区顺序进行沉积实验,并运用面结构光及X射线衍射检测方法对基底变形及沉积层残余应力进行测量。结果表明:不同选区顺序对成形件基底变形及残余应力影响显著,采用由外而内选区顺序可大幅减小基底变形,与随机选区顺序相比,基底最大变形量降低60%,但是在沉积层引入了较大的残余应力,最大残余应力达到了392 MPa;随机选区顺序下沉积层残余应力量级较小,最大残余应力仅约93 MPa,残余应力分布更为均匀。因此,分别采用由外而内及随机选区顺序进行前后期成形有利于减小和平衡大尺寸TC4成形件基底变形及残余应力。

矩形金属层合板激光圆弧扫描弯曲曲面变形分析

王高烽, 王续跃, 王焕捷
红外与激光工程. 2019, 48 (2): 242003-0242003(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201948.0242003
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摘要 ( 0 ) 引用本文
激光圆弧扫描弯曲可实现圆弧槽形舱壁件无模具成形,研究其曲面变形规律以及其曲面变形特征具有重要的工程应用意义。首先,详细分析了扫描次数n、圆弧扫描半径R、板材宽度W以及扫描基准线至自由端长度L对矩形金属层合板曲面变形的影响。同时,结合各参数对曲面变形作用效果及曲面变形量试验测量数据,求得各参数下曲面变形量经验函数,并对其变化规律及趋势进行分析。最后,利用激光圆弧扫描弯曲策略进行了圆弧槽形舱壁件样件试制,其中单段圆弧槽两侧壁曲率半径均值分别为84.51、86.77 mm。文中方法为矩形金属层合板激光圆弧扫描弯曲曲面变形规律分析及成形圆弧槽形样件提供了试验依据。
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