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综述

光学自由曲面自适应干涉检测研究新进展
张磊, 吴金灵, 刘仁虎, 俞本立
2021, 14(2): 227-244. doi: 10.37188/CO.2020-0126
摘要:
光学自由曲面因其表面自由度较多而难于进行检测。干涉检测法具有高精度非接触的特点,但传统干涉仪中的静态补偿器在自由曲面加工过程中未知面形不断变化的情况下,难以实现原位检测。因此,可编程控制的大动态范围自适应补偿器成为近年来自由曲面干涉检测中的研究热点。结合课题组在自由曲面自适应干涉检测领域的工作,介绍了光学自由曲面自适应干涉检测的最新研究进展,详细分析了基于可变形镜和空间光调制器的自适应干涉检测技术,介绍了针对干涉图目标的自适应控制算法,总结了两大类自适应检测方法的优点以及发展瓶颈,并对未来自由曲面的自适应检测技术进行了展望。
Interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics
WU Ni-shan, XIA Li
2021, 14(2): 245-263. doi: 10.37188/CO.2020-0121
摘要:
Quasi-distributed fiber sensing systems play an important role in the fields of civil engineering, energy surveying, aerospace, national defense, chemicals, etc. Interrogation technology for quasi-distributed fiber sensing systems based on microwave photonics is widely used in high-speed and high-precision signal demodulation and sensor positioning in optical fiber multiplexing systems. Compared to conventional optical wavelength interrogation, this technology greatly improves system demodulation rate and compensates for the defects of traditional sensor positioning methods. This paper introduces the recent research progress of quasi-distributed fiber sensing interrogation technology based on microwave photonics; compares and analyzes the advantages and disadvantages of several existing microwave demodulation systems from the perspective of their fiber grating quasi-distributed sensing and fiber Fabry-Perot quasi-distributed sensing systems, respectively; and provides a summary of the prospective direction of future research in quasi-distributed fiber sensing interrogation technology based on microwave photonics.
0.9~1.0 μm近红外连续光纤激光器的研究进展
党文佳, 李哲, 卢娜, 李玉婷, 张蕾, 田晓
2021, 14(2): 264-274. doi: 10.37188/CO.2020-0193
摘要:
波长为0.9~1.0 μm的近红外连续光纤激光器在高功率蓝光和紫外激光产生、高功率单模泵浦源、生物医学以及激光雷达等领域具有重要的应用前景,成为近年来的一个研究热点。目前,0.9~1.0 μm光纤激光器的增益机制主要有稀土离子增益和非线性效应增益,本文详细梳理了基于这两类增益机制的0.9~1.0 μm连续光纤激光器的研究进展,并深入分析了各类激光器存在的技术瓶颈及解决途径,最后对0.9~1.0 μm光纤激光器的发展趋势和应用前景进行了展望。
面向天基引力波探测的时间延迟干涉技术
王登峰, 姚鑫, 焦仲科, 任帅, 刘玄, 钟兴旺
2021, 14(2): 275-288. doi: 10.37188/CO.2020-0098
摘要:
时间延迟干涉技术(Time-delay Interferometry,TDI)对中国引力波探测项目及其它天基激光精密测量任务具有重要的参考价值。在天基引力波探测任务中,需利用激光干涉仪对无拖曳检验质量块间实现十皮米量级的位移测量精度。其中,激光源频率噪声和时钟频率噪声是两项主要噪声。在欧洲主导的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)引力波探测项目中,利用TDI对三星上的十二组相位测量值进行延迟和线性组合,构造出臂长相等的干涉仪,从而消除了激光源噪声以及光学平台位移噪声。为了消除时钟噪声,将时钟信号倍频到GHz,再通过相位调制的方式加载到星间激光链路上,最终从时钟边带拍频信号中提取出时钟噪声,并在TDI的数据组合中将时钟噪声项消除。为了实现TDI的时间延迟处理,要求对星间绝对距离进行精确测量。因此,在TDI机制中,星间激光链路需要同时实现位移测量、时钟边带调制和绝对距离测量3个功能。其中,后两个功能分别大约消耗10%和1%的载波激光功率。LISA项目针对TDI技术的地面论证结果表明,TDI技术对激光源和时钟的噪声抑制分别达到了109和5.8×104倍。
微小卫星激光通信系统发展现状与趋势
高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 马爽, 牛艳君, 杨会生
2020, 13(6): 1171-1181. doi: 10.37188/CO.2020-0033
摘要:
空间激光通信凭借其速率高、体积小、质量轻和功耗低的优势,成为卫星间高速通信不可或缺的有效手段,特别在微小卫星应用场合,更能体现激光通信的优势。文章详细介绍了微小卫星激光通信技术领域最新的研究进展。在此基础上,总结了需要突破的同轨终端轻小型化、异轨终端轻小型化、大气湍流影响抑制等关键技术,归纳了工程化应用、双工通信、单点对多点、国产化和批产能力5个方面的发展趋势。
激光散斑目标探测技术综述
郜魏柯, 杜小平, 王阳, 杨步一
2020, 13(6): 1182-1193. doi: 10.37188/CO.2020-0049
摘要:
基于激光散斑的目标探测技术是一种长期以来被人们忽略的激光探测技术,该技术将传统激光探测技术中视为噪声的激光散斑视为新的信息来源,通过分析激光散斑形成机理探究散斑统计特性与目标物理特性间的关系,并结合行之有效的分析反演方法来获得包括目标形状、尺寸、表面粗糙度以及动力学参数等信息。与传统激光探测技术相比,基于激光散斑的目标探测技术具有结构简单,对光学系统要求低,对目标表面物理特性及微动特性敏感等特点,目前已广泛应用于航天、医学、工业、军事等多个领域。本文对近年来各类基于激光散斑的目标探测技术进行了分类总结,对各类探测方法的用途和优缺点以及适用环境进行了对比分析,对未来基于激光散斑的目标探测方法的发展趋势加以分析。
地基大口径拼接镜面主动控制技术综述
范文强, 王志臣, 陈宝刚, 李洪文, 陈涛, 安其昌, 范磊
2020, 13(6): 1194-1208. doi: 10.37188/CO.2020-0032
摘要:
拼接镜面技术是光学合成孔径望远镜的三种实现方式之一,是未来大口径望远镜的重要研究方向。由于拼接镜面主动控制系统直接影响拼接镜面等效大口径镜面的光学性能,本文着眼于地基大口径望远镜的拼接镜面主动控制技术,由地基拼接镜面望远镜的发展过程展开,阐述拼接镜面主动控制系统的主要结构,对国内外拼接镜面主动控制系统发展概况进行分析和总结。归纳了拼接镜面主动控制系统实现主动调整和主动保持的关键技术,明确了深度学习理论在闭环控制,共相检测与校正和系统级仿真建模技术中的逐步应用和未来发展方向,为国内下一代地基大口径望远镜拼接镜面的控制方案设计提供相应的指导。
超快激光选区焊接技术研究进展
张国栋, 程光华, 张伟
2020, 13(6): 1209-1223. doi: 10.37188/CO.2020-0131
摘要:
超快激光技术的发展为基础研究和工业生产不断注入新的动力,促发了很多新学科、新技术的诞生。超快激光焊接作为近年来发展起来的一种新型材料连接技术,在航空航天、精密机械、集成光电、生物医疗等领域具有巨大的应用潜力,受到了人们的广泛关注。基于超快激光非线性选区能量沉积的基本特点,超快激光焊接具有广泛的材料适用性和空间选择性,可以在无嵌入层的前提下实现涉及透明材料的高质量选区焊接。本文从超快激光选区焊接的物理机制、主要影响因素、适用领域入手进行了归纳与分析,并对未来该技术发展和将面临的关键挑战进行了论述。
二维光栅位移测量技术综述
尹云飞, 刘兆武, 吉日嘎兰图, 于宏柱, 王玮, 李晓天, 鲍赫, 李文昊, 郝群
2020, 13(6): 1224-1238. doi: 10.37188/CO.2020-0237
摘要:
超精密位移测量技术不仅是精密机械加工的基础,在以摩尔定律飞速发展的芯片制造行业中也起到决定性的作用。以光栅栅距为测量基准的光栅位移测量系统被广泛应用于多维测量系统,光栅位移测量系统与激光位移测量系统相比,大大降低了对使用环境的湿度、温度和气压的要求。本文主要介绍了近年来国内外基于二维光栅的位移传感系统光学结构的发展现状,从零差式和外差式光栅干涉测量原理入手,综述了基于单块二维光栅的光学结构到多块二维光栅耦合设计的光学结构发展历程,对比分析了几种二维光栅位移测量系统的优缺点,并展望了二维光栅位移测量系统发展趋势,总结了二维光栅位移测量系统的工程化进程。
氮掺杂碳纳米点的研究进展
李迪, 孟李, 曲松楠
2020, 13(5): 899-918. doi: 10.37188/CO.2020-0035
摘要:
碳纳米点由于具有独特的发光特性、良好的生物相容性、低毒性、良好的光稳定性等特性在近年来被广泛关注。这些特性使其在光电器件、可见光通讯、肿瘤治疗、生物成像等领域拥有潜在的应用价值。受到原料和合成方法的影响,碳纳米点材料体系多种多样。本文将系统地综述本课题组近年来以柠檬酸和尿素为主要原料合成的氮掺杂碳纳米点及其物理化学性质,探讨碳纳米点能带调控的方法及原理,并介绍碳纳米点的应用研究进展。
光学相干层析成像技术原理及研究进展
陆冬筱, 房文汇, 李玉瑶, 李金华, 王笑军
2020, 13(5): 919-935. doi: 10.37188/CO.2020-0037
摘要:
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种基于低相干光干涉原理,利用样品背散/反射光与参考光相干的非接触非侵入性的新型成像技术,可提供具有微米级分辨率的一维深度,二维截面层析和三维立体的实时扫描图像。OCT技术具有非接触、无损伤、图像分辨率高且操作简单、便携等优点,主要应用于生物医学成像和诊断领域,弥补了共聚焦显微镜成像穿透深度低和超声波成像分辨率低的不足。目前,OCT技术已作为诊断视网膜疾病的临床标准,而且OCT技术结合内窥镜技术已成为临床上心血管及肠胃疾病诊断的重要工具,同时也为肌肉骨骼疾病,乃至癌症早期诊断、手术指导及术后康复提供依据。为了拓宽OCT技术的应用范围、提高医疗检测水平,研究人员正致力于增加OCT系统在生物组织中的穿透深度、提高系统的分辨率和信噪比、优化系统综合性能等方面的研究。本文论述了OCT系统的原理、分类,以及其在不同生物医学领域的应用及最新进展。
古代纸质文物科学检测技术综述
阎春生, 黄晨, 韩松涛, 韩秀丽, 应超男, 杜远东
2020, 13(5): 936-964. doi: 10.37188/CO.2020-0010
摘要:
全面论述了古代纸质文物包括纸张原料、墨、印泥和颜料等所涉及的各种现代科技检测技术与方法,主要分为成像法和波谱法两大类。成像法是包括透光、红外、紫外、X射线、中子活化等展示样品表面或内部宏观信息的摄影法,X射线、太赫兹、光相干等展示样品表面之下分层信息的层析成像方法,光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等展示样品微观信息的显微成像方法。基于波与物质相互作用原理的具有指纹特征的波谱法则包括色谱、质谱、电子顺磁共振波谱、核磁共振波谱、X射线光电子能谱、X射线衍射谱、X射线荧光光谱、分子荧光光谱、拉曼光谱、紫外-可见-近红外-中红外-太赫兹吸收光谱、高光谱等。研究表明,上述技术的综合应用、各取所长和相互印证是揭示纸质文物的制造过程、艺术特征、保存历史、病害情况、真迹与否及如何修复等重要问题的有力手段。
新型过渡金属硫化物在超快激光中的应用
孙俊杰, 陈飞, 何洋, 丛春晓, 曲家沂, 季艳慧, 鲍赫
2020, 13(4): 647-659. doi: 10.37188/CO.2019-0241
摘要:
超快激光技术是目前激光乃至物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一,在工业加工、生物医学和激光雷达等领域具有广泛应用。二维材料具有独特的物理结构及优异的光电特性,作为可饱和吸收体应用于超快激光器时,具备工作波段宽、调制深度可控和恢复时间快等优势。其中,过渡金属硫化物因具有带隙连续可调等特点,已成为二维材料研究领域的重点。本文从过渡金属硫化物的特性出发,介绍了可饱和吸收器件的制作方法,综述了基于新型过渡金属硫化物的超快激光器的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。
K-B镜面形高精度检测技术研究进展
张帅, 侯溪
2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
摘要:
以新一代同步辐射光源和全相干X射线自由电子激光为代表的先进光源已成为众多学科领域中一种不可或缺的研究工具。先进光源技术不断进步,驱动超精密光学制造快速发展,先进光源中关键聚焦光学元件K-B镜的面形精度是影响光源性能的重要指标,要求其在几十纳弧度以下。然而,高精度K-B镜面形检测技术依然存在较大技术挑战,一直是国内外研究热点。本文介绍了反射式轮廓测量技术即长程轮廓仪(LTP)、纳米测量仪(NOM)以及拼接干涉检测技术等典型K-B镜面形检测技术的基本原理,对比分析了其技术特点,综述了国内外K-B镜面形检测技术的研究现状和最新进展,对发展趋势进行了展望。
高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展
党文佳, 李哲, 李玉婷, 卢娜, 张蕾, 田晓, 杨慧慧
2020, 13(4): 676-694. doi: 10.37188/CO.2019-0208
摘要:
高功率连续波掺镱光纤激光器因具有电光效率高、光束质量好、热管理方便等优点,在工业加工、军事国防、科学研究等领域得到广泛应用,但是高功率条件下的非线性效应和热效应限制了其输出功率的进一步提升。基于此,本文重点分析了受激拉曼散射非线性效应和热致模式不稳定现象的形成机理和抑制方法,为高功率光纤激光系统的设计与集成提供了参考,并详细介绍了2015年以来为克服两种因素的影响所取得的最新研究成果,最后展望了高功率连续波掺镱光纤激光器的发展趋势。
纤维增强碳化硅及其在光学反射镜中的应用
张巍, 张舸, 郭聪慧, 范天扬, 徐传享
2020, 13(4): 695-704. doi: 10.37188/CO.2020-0052
摘要:
纤维增强碳化硅复合材料具有优异的力学及热学性能被广泛应用在航空航天、核能、汽车、化工等诸多领域,特别是在光学反射镜方面有良好的应用前景。本文介绍了纤维增强碳化硅复合材料的特点以及其相对传统反射镜材料的优势,对比分析了不同纤维增强碳化硅复合材料制备工艺的优缺点,阐述了不同界面层对纤维的保护作用及对复合材料性能的影响,综述了国内外纤维增强碳化硅复合材料在光学反射镜领域的应用进展,最后总结了纤维增强碳化硅反射镜坯实现大规模应用所需进一步开展的研究方向。
深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外相干光源研究进展
王晓洋, 刘丽娟
2020, 13(3): 427-441. doi: 10.3788/CO.2020-0028
摘要:
全固态深紫外相干光源在前沿科学、高技术等领域均有重要应用。产生全固态深紫外相干光源的一种有效而可行的技术途径是将商业化的可见、近红外全固态激光作为基频光源,通过非线性光学晶体的多级变频技术产生深紫外激光。本文系统地介绍了深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外相干光源的研究进展。主要以KBBF晶体为代表,详细介绍了发现KBBF晶体的过程,晶体生长技术,棱镜耦合器件技术,KBBF晶体的主要光学性质以及产生深紫外相干光源的能力,同时证实了KBBF晶体是目前能使用直接倍频方法实现深紫外激光输出的非线性光学晶体。此外,文中还详细介绍了基于KBBF晶体及棱镜耦合技术的深紫外相干光源的应用情况,尤其是在超高分辨率光电子能谱仪方面的应用及取得的重要成果。最后,展望了深紫外非线性光学晶体及全固态深紫外激光技术的发展方向。
实用化平面超振荡透镜的研究进展
李文丽, 虞益挺
2019, 12(6): 1155-1178. doi: 10.3788/CO.20191206.1155
摘要:
传统光学系统由于受到衍射极限的制约,难以实现远场超分辨聚焦与成像。基于超振荡原理的平面超透镜为这一难题提供了可能的解决途径,其在传播过程中可不依赖倏逝波而实现远场超分辨聚焦。利用对各个衍射单元之间的衍射干涉效应进行精确调控,可在焦平面上局部区域内获得高于系统最高空间频率的电场振荡,从而实现对衍射焦点区域横向和轴向尺寸的可控调节。与传统光学透镜相比,平面超振荡透镜具有光场可控性强、设计自由度大、便于集成等优点,同时借助其远场超衍射极限的光场调控能力,受到衍射光学和微纳光学等领域研究人员的广泛关注。本文主要从实际应用的角度出发,对平面超振荡透镜的研究现状及其应用场景进行了分析和讨论,最后对该类透镜目前面临的问题及对应的解决办法进行了阐述。
液体变焦镜头的研究进展
黄翔, 林四英, 谷丹丹, 卜振翔, 易伟劲, 谢培钦, 王凌云
2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
摘要:
相比于传统的机械变焦镜头,液体变焦镜头具有体积小、响应快、成本低和集成度高等特点,被广泛应用于图像采集、目标追踪和特征识别等领域。焦距调节方式决定了液体镜头的性能和应用,本文概括了基于液晶材料、介电泳、电化学、电润湿原理的物性控制式变焦镜头和基于静电力、电磁力、压力调节和环境响应的机械驱动式变焦镜头的研究现状,介绍了液体变焦镜头在光流控芯片内的集成应用,并指出当前面临的主要问题和解决方案。最后,对液体变焦镜头的发展前景和研究方向进行了展望和总结。
椭圆偏振光谱测量技术及其在薄膜材料研究中的应用
朱绪丹, 张荣君, 郑玉祥, 王松有, 陈良尧
2019, 12(6): 1195-1234. doi: 10.3788/CO.20191206.1195
摘要:
椭圆偏振光谱测量技术通过测量线偏振光经材料表面反射后光的相对振幅与相位改变量计算得到椭偏参数,再通过椭偏参数的拟合获取样品光学性质。由于其具有非接触、高灵敏度、非破坏性等优势,广泛应用于物理、化学、材料科学和微电子等方面,是一种不可或缺的光学测量手段。本文首先简要回顾了该技术的发展历程,接着阐述了传统椭偏仪的基本原理,按照测量原理的不同可将椭偏仪分为消光式和光度式。随后,本文简单介绍了一些常用椭偏仪的基本架构、测量原理和相关应用,并比较了他们的优缺点,重点展示了复旦大学研制的双重傅立叶变换红外椭偏光谱系统。然后按照椭偏参数处理的基本步骤:测量、建模与拟合3个方面,阐述了其过程,详细剖析了参数拟合所使用的各种光学色散模型,同时通过应用实例介绍了各色散模型的应用情况。最后,对未来椭偏技术的发展方向进行了展望。
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