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综述
基于激光的测量技术在燃烧流场诊断中的应用
刘晶儒, 胡志云
2018, 11(4): 531-549. doi: 10.3788/CO.20181104.0531
摘要:
分析了工业发动机湍流燃烧场诊断的需求和面临的挑战,介绍了燃烧流场组分浓度、温度和速度等主要参数的激光测量技术,给出了其基本原理、在燃烧场诊断中的应用和国内外研究现状,分析了不同技术的特点及其适用性。简介了多参数综合诊断的作用和进展。对目前诊断和测量存在的主要问题和发展趋势进行了探讨。
信息光学
动态测量的高光谱图像压缩感知
闫歌, 许廷发, 马旭, 张宇寒, 王茜, 谭翠媚
2018, 11(4): 550-559. doi: 10.3788/CO.20181104.0550
摘要:
针对高光谱图像相邻波段之间具有强光谱相关性的特点,为了提高高光谱图像压缩感知的重构效果,本文提出一种利用边缘信息设计动态测量率的压缩感知算法。首先,通过随机投影的分块压缩感知方法对每个图像块以固定测量率采样,重构出单波段图像作为其他波段的先验信息,并对其提取出图像边缘区域;然后,根据每个图像块边缘信息的丰富程度来自适应分配测量值。在固定总测量数的前提下,对不同图像块分配不同的测量次数。最后,利用分配好的测量次数对其余波段进行采集和重构。仿真结果表明,在相同总测量数情况下,本文提出的动态测量算法重构出的高光谱图像质量(PSNR)与传统固定测量压缩感知策略相比提高了1~4 dB,相比较下的重构时间也减少,在成功重构高光谱图像的基础上更增强了细节处的图像质量。
采用色差先验约束的像差校正技术
张金刚, 相里斌, 汶德胜, 王书振
2018, 11(4): 560-567. doi: 10.3788/CO.20181104.0560
摘要:
本文通过分析自然图像的边缘3个通道之间的关联性, 提出"同一物体的边缘在3个颜色通道应处于相同位置"的色差先验约束, 该约束在数学上近似为各通道的相对导数相等, 基于此色差先验约束, 建立了一种新的像差校正模型即图像解卷积模型, 并给出了基于交替方向乘子法的模型求解算法。实验结果表明:本文的像差校正技术可以提升图像的峰值信噪比10 dB以上, 明显优于目前主流的BM3D和YUV算法, 并且视觉提升效果明显, 基本满足普通光学系统对像差的校正要求。
基于单次傅里叶变换的分段衍射算法
胡琪, 王喆, 刘洪顺, 薛智文, 邓家春
2018, 11(4): 568-575. doi: 10.3788/CO.20181104.0568
摘要:
针对单次傅里叶变换算法(S-FFT算法)受到采样定理的约束, 衍射面画幅尺寸和有效内容像素数无法灵活控制, 很容易出现衍射面画幅尺寸大小与衍射距离不匹配的情况, 本文提出了一种分段衍射算法。首先, 在采样数、光的波长、初始衍射面大小确定的情况下, 利用拆分的衍射距离比控制最终衍射面画幅尺寸。然后, 对单次衍射计算结果与分段衍射计算结果进行了图像相似度对比。实验表明, 分段衍射算法可在画面强度分布不变的情况下, 提高有效像素数目, 数据量增加了2~3个数量级。此外, 文章分析了造成误差的一个主要原因来自有效数据分辨率提高后, 细节分布与低分辨率像素值之间的差别。在图像细节较丰富时, 其差别较大。因此这种差别应视为优于直接计算的一种结果。本算法能够获得更加清晰的图像细节, 灵活调整衍射面画幅尺寸, 使得S-FFT算法在大衍射距离问题计算中能发挥其算法优势。
激光技术与应用
高度方向性多光束有机激光
郝亚茹, 邓招奇
2018, 11(4): 576-581. doi: 10.3788/CO.20181104.0576
摘要:
采用DFB分布反馈结构的有机激光由于其自身优点备受关注,而利用高阶布拉格反馈的多光束有机激光及其原理鲜有报道。不同于以往的低阶布拉格反馈形成单波导或单光束激光,本文通过在平面有机半导体波导引入高阶布拉格反馈分别制备了红色和蓝色多束有机激光器。利用四阶布拉格反馈和PVK:DCJTI薄膜实现三光束红光激光器,出射角度为±53°和0.5°。利用五阶布拉格反馈和PS:DSA-ph薄膜实现四光束蓝光激光器,出射角度为±18°和±75°。融合平面波导与光栅耦合的机理,研究了高阶布拉格光栅反馈与器件特性之间的关系。结果表明,理论计算的光束耦合角度和实际测试相符,结果在一定程度上为多光束有机激光器件的设计提供了参考。
复合式无遮拦激光扩束器的设计
卢政伟, 邵帅, 马亚坤
2018, 11(4): 582-589. doi: 10.3788/CO.20181104.0582
摘要:
为满足大功率激光发射的要求,提出研制一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器,消除卡塞格林系统中心遮拦,提高激光发射效率。依据卡塞格林系统原理及其结构特征,结合伽利略折射式扩束器的特点,设计一种发射口径为550 mm的复合式无遮拦激光扩束器,采用反射式扩束器和折射式扩束器结合的方式,在卡塞格林次镜中心开通孔,使中心被遮拦激光透过。后接伽利略式折射扩束器,对中心透过光束进行扩束,两光束共轴发射。对设计的新型复合扩束器进行激光透过率实验,实验结果表明,对于波长10.6 μm激光,透过率大于95.21%,比传统卡塞格林扩束器提高22.12%。
12 W高功率高可靠性915 nm半导体激光器设计与制作
仇伯仓, 胡海, 汪卫敏, 刘文斌, 白雪
2018, 11(4): 590-603. doi: 10.3788/CO.20181104.0590
摘要:
本文设计并制作了一种高效率、高可靠性的915 nm半导体激光器。半导体激光器是光纤激光器的关键部件,为了最大限度地提高器件的电光转换效率,在设计上采用双非对称大光腔波导结构,同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了系统优化。器件模拟表明,在25℃环境温度下,器件的最高电光转换效率达到67%。采用金属有机气相沉积(MOCVD)法进行材料生长,随后制备了发光区域宽度为95 μm、腔长为4.8 mm的激光芯片。测试表明,封装后器件的效率以及其它参数指标达到国际先进水平,在室温下阈值电流为1 A,斜率效率为1.18 W/A,最高电光转换效率达66.5%,输出功率12 W时,电光转换效率达到64.3%,测试结果与器件理论模拟高度吻合。经过约6 000 h的寿命加速测试,器件功率没有出现衰减,表明制作的高功率915 nm激光芯片具有很高的可靠性。
光学功能材料
温度变化对金属Ag膜反射镜偏振特性的影响研究
蒋丽媛, 刘定权, 马冲, 蔡清元, 高凌山
2018, 11(4): 604-609. doi: 10.3788/CO.20181104.0604
摘要:
空间遥感应用中的光学有效载荷对系统偏振控制提出了越来越高的要求,作为常用的宽光谱反射镜,金属银(Ag)膜反射镜的偏振特性随着环境温度的改变而变化。本文设计并制备了低偏振灵敏度的Ag膜反射镜,研究了反射镜在45°和60°入射角下,从室温25℃升温到150℃时的偏振特性变化和反射光谱变化情况。随着温度的升高,Ag膜的折射率在350~1 200 nm波长范围内有所增加;Ag膜反射镜的反射光中s和p光的相位差Δ在350~600 nm波长范围内减小,在600~650 nm波长范围内基本稳定,在650~1 200 nm波长范围内增大。温度上升到125℃时,Ag膜和反射镜表面形貌发生改变,增加了表面散射和吸收,导致350~900 nm波段反射率降低,在波长350 nm附近的降低约25%。
掺铥光纤γ射线辐照效应实验研究
吴闻迪, 余婷, 陶蒙蒙, 李兴冀, 叶锡生
2018, 11(4): 610-614. doi: 10.3788/CO.20181104.0610
摘要:
面向2 μm掺铥光纤激光器的空间应用,本文针对典型商用掺铥光纤(TDF)开展了γ射线辐照效应实验研究。利用60Co源放射的γ射线,对由5段同批次Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF样品搭建的2 μm光纤激光器进行总剂量为9.0 krad (Si)、剂量率为0.5~3.0 rad/s的辐照效应在线测试。结果表明,TDF的出光性能在辐照过程中出现了显著衰减,衰减幅度随着剂量率的上升而增大。通过对TDF样品在辐照前和辐照后的吸收光谱进行对比测试,观察到在经过总剂量9 krad (Si)的γ射线辐照后,TDF对793 nm泵浦光的吸收峰接近消失。对前述经历γ辐照之后的TDF样品进行2 h的793 nm泵浦光漂白实验测试,未见其出现性能恢复现象。可见,面向空间应用的该典型掺铥光纤需大力提高耐空间辐射性能。
光学设计与工艺
多角度耦合分幅相机光学系统设计
张天舒, 金光, 刘春雨
2018, 11(4): 615-622. doi: 10.3788/CO.20181104.0615
摘要:
为实现高速相机的分幅功能,本文提出一种采用多角度耦合分幅方式的高速相机光学系统。该系统分幅结构采用多组相同的光学系统,在平行于物面的圆周上均匀分布,分别从不同角度拍摄同一物面,在保证各组系统的物方视场相同的情况下,每组光学系统的光轴与物平面的夹角均相同,通过优化设计得到全视场的最佳成像。根据需求,使用光学设计软件设计了多角度耦合四分幅成像中长焦光学系统并绘制三维立体仿真模型,分析了每组像面像质、照度以及畸变等相关参数,调制传递函数MTF在频率为50 lp/mm处不低于0.5,F数为2,畸变小于0.4%,相较于常用的棱镜和反射棱锥分光方式,无需额外分光结构,像面照度提高4倍以上。结果表明成像质量理想,分幅相机系统各像面所成像一致性高。
光学仪器与测试
Seya-Namioka单色仪中光栅曲率半径误差的影响及补偿
孟竹, 谭鑫, 巴音贺希格, 王玮, 刘兆武, 赵旭龙
2018, 11(4): 623-629. doi: 10.3788/CO.20181104.0623
摘要:
Seya-Namioka光栅制作过程中的曲率半径误差会引起离焦像差,该像差会对光栅单色仪的光谱性能造成极大的影响。本文基于光线追迹理论,模拟分析了曲率半径误差对Seya-Namioka光栅的具体影响。分析结果表明,出入臂长度对曲率半径误差有很好的补偿作用,通过调整出入臂长度曲率半径误差的容许范围可增大到2 mm左右。总调整量不变的情况下,任意改变出入臂的长度,补偿效果相似。随着误差的增加需要调整的出入臂长度值变大,过大的误差使用出入臂长度无法进行补偿;出入臂夹角仅能对正向曲率半径误差进行补偿,且补偿所需调整角过大,影响单色仪的结构设计,该方法并不实用。结果可为单色仪的设计和使用提供理论参考。
用双液芯柱透镜测量蔗糖水溶液的液相扩散系数
宋芳嬉, 孟伟东, 夏燕, 陈艳, 普小云
2018, 11(4): 630-643. doi: 10.3788/CO.20181104.0630
摘要:
基于双液芯柱透镜的折射率空间分辨测量精度高的特点,本文采用两种方法在室温(25℃)下分别测量了不同浓度的蔗糖水溶液的液相扩散系数。方法一:等折射率薄层移动法,通过记录扩散过程中特定折射率薄层随时间的变化关系计算液相扩散系数。方法二:瞬态图像分析法,通过读取一幅瞬态扩散图像中图像宽度与扩散位置之间的关系确定液相扩散系数。双液芯柱透镜的前液芯作为扩散池和主要成像元件,后液芯作为消球差辅助系统。充分利用了双液芯柱透镜可以按需减小特定液体薄层处的球差以及能够在一定的折射率范围内同时减小球差,两种方法均具有测量精度高的特点。两种方法的测量结果与文献值的相对误差分别小于1.3%和3.9%,表明用双液芯柱透镜测量液相扩散系数时,测量系统稳定可靠,测量结果准确。
二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术
张家齐, 张立中, 董科研, 王超, 李小明
2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
摘要:
库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时,需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组,信标光传输路径长,使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加;捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型复杂。针对这两个问题,首先,对比了3种传统库德光路,选择二次成像型库德光路并对其进行设计,通过设计使后续子光路光学口径减小,利于后续子光路轻小型化设计;随后,对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导,通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型,并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真;最后,通过地面试验,对终端的跟踪性能进行测试,实测方位跟踪最大脱靶量为84.65 μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为56.33 μrad(3σ),满足通信要求的150 μrad(3σ),二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。
米级口径经纬仪保护窗口镜面变形分析
赵晓东, 王晶
2018, 11(4): 654-661. doi: 10.3788/CO.20181104.0654
摘要:
为了精确分析外载荷作用下米级口径经纬仪保护窗口镜面变形,本文基于接触有限元理论建立了米级口径经纬仪保护窗口带摩擦接触的有限元分析模型,对比了线性刚性连接和非线性摩擦接触方法的差异。采用齐次坐标变换法去除刚体位移,得到米级口径经纬仪保护窗口镜面畸变数据,使用Zernike多项式作为光机集成分析的接口工具,并将Zernike多项式系数导入ZEMAX中,以波前像差RMS值衡量镜面变形对成像质量的影响,并与干涉仪检测结果进行比较。考虑摩擦接触条件得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为38.095 nm、PV为205.027 nm,使用干涉仪检测得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为40.626 nm、PV值为235.654 nm。实验结果表明,考虑摩擦接触条件的仿真实验与干涉仪检测实验的镜面波前像差RMS值偏差为6.23%,能更准确地反映米级口径保护窗口镜面变形。
PbSe量子点近红外光源的CH4气体检测
邢笑雪, 王宪伟, 秦宏伍, 商微微, 马玉静
2018, 11(4): 662-668. doi: 10.3788/CO.20181104.0662
摘要:
研制了一种新型的PbSe量子点近红外光源,其光致发光谱较窄,能有效匹配气体的红外吸收峰。采用配位溶剂法合成出5.1 nm的PbSe量子点,并将其沉积到GaN芯片上(沉积厚度为165.5 μm),经过紫外光照处理和固化后制成了光致发光的近红外光源。该光源第一激子吸收峰位于1 592 nm,光致发光峰位于1 665 nm,其发射光谱包含了1 625~1 840 nm之间的CH4气体的全部的吸收谱。利用其进行CH4气体浓度检测实验,结果表明,系统的检测下限可以达到100×10-6,检测误差为2%。这种由PbSe量子点近红外光源构成的新型检测系统具有低功耗、低成本和高效能等优点,将其应用在气体检测中时可以略去滤光片,其在红外气体检测领域中有着较广阔的应用前景。
非制冷热像仪内部温升对测温精度的影响修正
张艳超, 高策, 刘建卓, 王博, 杨帅
2018, 11(4): 669-676. doi: 10.3788/CO.20181104.0669
摘要:
随着非制冷型热像仪工作时间的增长,其内部器件、机械结构所积累的热量越来越多,其温升所导致的热辐射势必会对热像仪的测温精度产生严重影响。因此,要实现热像仪的准确测温,必须对其内部的各温升影响因素进行相应的修正。本文通过对影响测温精度的镜筒辐射温度、探测器靶面温度以及热像仪工作累积时间三个因素进行评估和建模,并对其相互关系进行评价,根据数据模型对热像仪辐射测温值进行修正。结果表明,在实验室条件下,经过修正,非制冷型红外热像仪测温精度可控制在±1℃以内,其稳定性可控制在±0.5℃以内。修正后的温度结果基本不受内部温升的影响,有效的提高了非制冷测温型热像仪的稳定性、可重复性以及测温精度。
梯度掺杂结构GaN光电阴极的稳定性
李飙, 任艺, 常本康
2018, 11(4): 677-683. doi: 10.3788/CO.20181104.0677
摘要:
利用GaN光电阴极多信息量测试评估系统,对反射式梯度掺杂和均匀掺杂GaN光电阴极样品进行了激活及衰减后的量子效率测试,并测试衰减速率。在同样的衰减时间内,和均匀掺杂样品相比,梯度掺杂样品的衰减比例较小,衰减速率较慢,其原因在于梯度掺杂结构可在其发射层内部产生系列内建电场,致使其能带连续向下弯曲,导致其表面真空能级比均匀掺杂样品下降得更低,发射层表面形成的负电子亲和势更明显,造成发射层内的光生电子更易逸出,阴极量子效率的衰减变慢,从而使其稳定性强于均匀掺杂结构。
基于OLED微显示器和变形目镜的全景显示技术
郭俊达, 金伟其, 顿雄, 裘溯, 李力
2018, 11(4): 684-693. doi: 10.3788/CO.20181104.0684
摘要:
全景成像在特种车辆内夜间驾驶与观察、警戒监视等应用中具有广泛的应用需求。本文提出了一种基于OLED微显示器和变形目镜的全景图像显示方法,并设计了一套全景显示实验系统,通过图像处理模块完成全景图像数据的存储、缓存、图像预处理和传输,以OLED微显示器的子像素作为显示像素进行驱动信号重编码,实现全景灰度图像的水平3倍压缩显示,最后利用变形目镜将OLED微显示器上显示的压缩图像复原,以供人眼正常观察。实验结果表明:采用现有系统搭建的变形目镜基本实现了双像素靶标条纹的亚像素分辨,并验证了本文全景显示方案的可行性。

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