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冯艳   王飞文   张华   肖佳明   胡瑢华  

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以悬臂梁为核心结构设计了一种简单实用的滑觉感知单元.利用3支光纤布拉格光栅的中心波长差值的方差, 以及波长偏移的大小和方向进行滑动判知, 以实现滑动过程接触力变化、滑动速率与方向的检测.实验结果表明, 在0.2~1 N的接触力范围内, 该滑觉感知单元对微小的滑动有良好的检测效果, 最小灵敏度可达3.8 pm/mm; 滑动灵敏度、速率比例系数以及接触力的实验值与理论值的平均相对误差分别为6%、14%和6.6%.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0906001      

侯乐义   毛邦宁   王剑锋   徐贲   沈常宇   赵春柳  

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理论和实验研究了基于游标效应的级联法布里珀罗干涉型传感器的温度特性, 该传感器是将一段空芯光纤熔接在两段单模光纤之间制作而成的, 其中空芯光纤的长度与末端单模光纤的长度相近.仿真结果表明：当温度升高时, 传感器的一些反射光谱向长波方向漂移, 而另一些反射光谱向短波方向漂移.分析结果可知, 光谱的移动方向和级联的两个法布里珀罗干涉仪的自由光谱范围的差值有直接关系,在温度升高的情况下, 自由光谱范围差值的正、负决定了传感器的光谱是向长波还是向短波方向漂移.此外, 自由光谱范围差值的大小对传感器灵敏度的高低起决定性作用, 其绝对值越小对应的传感器的灵敏度越高.实验制作了两个温度传感器, 其自由光谱范围之差分别为0.055 nm、－0.456 nm, 对应的温度灵敏度为163.8 pm/℃、－75 pm/℃, 实验结果与仿真结果一致.通过调整空芯光纤和末端单模光纤的长度可进一步提高灵敏度, 从而实现低成本、结构紧凑、高灵敏度的温度传感.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0906002      

庞铄   罗政纯   王忠民   常天英   代广斌   于淼   吴崇坚   崔洪亮  

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为了实现海洋水位实时监测以进行有效的海啸预警, 提出了一种全光纤干涉式水位传感系统.针对海洋水位变化范围大、变化速度快的特点, 采用基于双准直器对准的改进式干涉结构和线性调频相位解调方法, 以实现对海洋水位值的大量程、高精度、快响应测量.实验结果表明该水位传感系统的可测量程为0~109.14 m, 测量精度达±1 cm, 可实现0.01 s的响应时间, 具有较好的实时性.该系统对海洋水位监测、海啸预警具有十分积极的意义.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0906003      

刘嘉静   涂子维   周次明   范典  

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为了提高光纤法布里珀罗传感器的解调精度和效率, 利用干涉光谱中的波峰计算出一系列光程差, 根据最小二乘法求出该组光程差中方差最小的解作为粗略解调结果, 并计算出光谱附加相位; 在光谱附加相位基础上进行校正, 得到补偿光程差, 两者之和为最终解调结果.仿真结果表明, 该算法的解调误差在±2.5 nm内.光纤法布里珀罗蓝宝石高温传感实验表明, 从室温升到1 000℃时, 该算法解调光程差精度为5.4 nm, 对应温度的精度为±0.36‰F.S., 同等条件下计算速度比FFTMMSE快400倍, 具有计算精度高, 计算速度快的优点.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0906004      

张艺璇   李玲   辛云宏  

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提出了一种自适应滤波的红外小目标检测算法, 该方法由背景去除与目标提取两层二维最小均方滤波器构成.分别引入背景模板与目标模板, 结合二维最小均方滤波方法对原始红外图像进行处理, 有效地剔除了背景噪声与杂波, 同时尽可能地保留了目标信息.在算法实现过程中, 提出了一种步长自动调整算法, 通过图像的统计参数自适应调整步长的大小, 可迭代出TDLMS滤波器的最优权值, 再与权重模板相融合, 有效增强了目标的检测效果.实验结果表明, 该方法能够适应不同背景下的目标检测, 有效提高了红外小目标的检测性能.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0910001      

姜平   王恩德   金磊   齐凯   易春林   韩冰  

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为了提高红外成像质量的同时更大程度地保持纹理信息,提出一种多尺度分析和加权最小二乘法的条纹噪声非均匀性校正算法.该算法利用加权最小二乘法对图像进行平滑, 应用小波变换提取平滑图像的垂直分量, 并将其垂直分量替换为原始图像的垂直分量, 利用小波重构输出校正后的图像.算法能够精准地去除红外噪声, 而不会带来更加麻烦的“鬼影”问题.用该算法对多组不同红外图像数据进行仿真实验, 并与其他先进的红外条纹非均匀校正算法进行对比分析, 结果表明所提算法校正结果有较好的视觉效果和图像质量评估参数.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0910002      

王满利   田子建   桂伟峰   吴君  

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为提高矿井混合噪声图像的可观测性, 提出了基于高斯曲率优化和非下采样剪切波变换的高密度混合噪声去除算法.使用局部高斯曲率优化混合噪声图像, 抑制椒盐噪声对噪声分布的影响, 使混合噪声分布近似为高斯噪声分布.使用非下采样剪切波变换分解高斯曲率优化图像, 实施自适应硬阈值收缩降噪, 去除混合噪声中的高斯噪声成分.最后, 迭代使用局部高斯曲率优化和非下采样剪切波变换降噪去除残余噪声, 直至输出图像梯度能量满足停止条件.实验表明, 本文算法能够有效地去除高斯噪声和椒盐噪声构成的高密度混合噪声, 且有效抑制了剪切波变换降噪引起的伪吉布斯现象, 有效地降低了矿井图像的噪声.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0910003      

王一斌   郑佳   吕卓纹   鄢煜   袁永健  

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针对当前去雾算法未考虑交通监控图像中雾气浓度分布不均匀的问题, 提出了波长相关物理成像模型的去雾算法.首先, 根据波长与雾气浓度的相关性, 构建了适用于交通监控图像的波长相关物理成像模型.然后, 根据波长与颜色的相关性, 设计出基于最大模糊相关图割的透射率估计算法.考虑到灰度值存在交叉重叠的模糊特性, 及景物的空间相关性, 利用递推的最大模糊相关算法快速获取景物划分信息, 并用此信息设计图割的数据项, 实施图割.该策略将基于阈值的分割算法与基于空间相关性的图割算法相结合, 确保了景物的空间相关性, 提高了分割精度, 避免白色目标的误分.最后, 通过分割结果中的天空区域, 准确地计算大气光, 实施去雾.在500幅仿真图像及真实图像上的测试结果表明, 该算法较已有去雾算法的去雾精度至少提高7%, 运行时间至少缩短了约15%, 可用于交通监控系统的图像去雾处理中.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0910004      

景文博   邹欢欢   张家铭   赵致远   王彩霞  

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简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差, 导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析, 在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下, 建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型, 根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量, 无需点扩散函数的先验信息, 采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明：单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%, 重构后图像质量均有明显提升.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0911001      

秦志强   张文阁   蒋晓瑜   闫兴鹏   严志强  

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为提高计算生成集成成像实时交互显示性能和灵活性, 构建与集成成像再现系统结构一致的集成光场视见模型, 通过该模型为单元图像阵列中每个像素生成一条逆向追踪的光线, 使用光线追踪技术并行渲染光线为单元图像阵列像素着色.实验结果表明, 顶点数为565 880的点云模型、面数为977 308的含纹理网格模型在透镜数为22×13、视点数为175×175的4 K显示系统上显示帧率40 fps以上, 并实现了缩放、移动、旋转、显示微调等交互功能.该方法摆脱了虚拟相机模型, 降低了算法复杂度, 利于实现实时交互, 能够应用于基于不同分布形式透镜阵列的集成成像显示系统.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0911002      

赵大成   单良   孔明   洪波   刘维  

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为根据参数精确获取分层位置的重聚焦像, 提出了基于阶梯尺的标定方法.用光场相机拍摄阶梯标尺, 利用重聚焦技术获得图像序列, 使用点锐度评价函数计算图像序列各刻度面最清晰图像, 完成重聚焦参数的标定.对标定结果进行评价, 采用刃边法计算重聚焦图像的高斯离焦参数, 阶梯标尺比刻度标尺标定方法减小25%以上, 可以有效提高光场相机重聚焦的准确度.进行分层成像实验, 对比两种标定方法下的分层重聚焦图像, 验证了阶梯标尺标定的重聚焦结果更清晰, 适用于光场分层成像系统.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0911003      

屈铭   郑俊杰   李敏   桂聪   宋五洲  

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提出了一种扫描白光干涉法, 用于获取LCOS芯片的相位调制特性曲线并对其进行相位校准, 而且实现了对LCOS芯片建立的相位光栅的像素级相位分析.将补偿玻璃平板紧贴于参考镜处, 克服了白光短相干长度的限制, 提高了干涉条纹间的对比度.利用Morlet小波变换法求取白光干涉信号包络曲线的峰值点进行相位值重构, 实现了0.01π的相位测量精度, 同时保证了横向分辨率为0.79 μm.利用Logistics函数对相位调制幅度为2π的二元光栅相位轮廓进行拟合, 得到其相位回程区宽度为11.49 μm.小像素LCOS芯片构建的闪耀光栅存在相位线性增长区和相位回程区.周期为40 μm的闪耀光栅相位回程区宽度为8.81 μm, 其衍射效率为71.9%.对不同周期的闪耀光栅的相位轮廓进行分析, 结果表明：闪耀光栅的周期越小, 相位回程区相对宽度越大, 衍射效率降低.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0911004      

吴俊   李娜   岳春宇   蒙裴贝   丁锴铖   姜宏佳   李瀛搏  

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基于激光测量原理及微纳相机特征, 提出了一种新的微纳遥感相机在轨指向标定方法.该方法采用光路复用和焦面复用技术, 实现了标定装置与相机系统的一体化光机电集成,可对每景遥感影像进行实时标定.将某新型微纳遥感相机作为仿真验证平台, 对本文提出的微纳遥感相机在轨指向标定方法进行验证.仿真结果显示, 使用该方法微纳遥感相机自身光轴指向标定精度不超过0.2″, 满足相机影像无控制点下平面定位精度30 m的指标要求.原理样机的研制及标定结果进一步证明了该项技术的原理与实践的可行性.该技术具有提升微纳遥感卫星定量化应用的价值.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0912001      

王子昂   黄富瑜   邹昌帆   刘秉琦   王元铂  

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为精确标定可见光和红外双波段相机系统, 减少标定板数量并增加对相机响应波段的适应性, 设计了一种基于帕尔贴效应的双波段自适应标定板, 以解决以往大尺寸标定板制造困难的问题.通过控制电路中的电流产生不同强度的红外辐射, 实现对相机系统响应波段的自适应.从双目超大视场长波红外相机拍摄的图像中可以看出, 该标定板标定角点数量多, 能够满足超大视场需求; 标定角点清晰, 对比度高; 红外辐射均匀性、稳定性好.性能测试结果表明, 标定角点重投影误差达到亚像素级别, 标定参数误差均在1%以内, 畸变校正效果好.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0912002      

黄冬   李新   张艳娜   张权   郑小兵   孙凌  

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为保证卫星在轨自动化定标中气溶胶光学特性观测的精度, 针对基于相对稳定大气条件的Langley定标和基于高精度参考仪器的交叉定标, 开展了辐射校正场太阳光度计的现场定标技术研究.定标结果表明高精度太阳光度计Langley定标和交叉定标与CE318太阳光度计反演的气溶胶光学厚度最大偏差分别在0.015和0.01以内.计算分析了大气条件、仪器参数等对现场定标的影响, 将定标后的仪器和CE318太阳光度计放在青海湖同步比对观测, 气溶胶光学厚度最大偏差在0.01以内.敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标误差对卫星在轨定标的影响不超过0.21%, 表明定标结果能够满足卫星在轨自动化定标的精度要求.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0912003      

王韵致   谢芳   陈龙辉   徐海波   李明佳  

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研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔, 每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤, 三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件, 光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉, 以及干涉信号的相位小数重合方法, 实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量, 三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中, 两相邻波长间距约为10 nm.系统对公称高度为11 mm 修正值不大于2.7 μm的台阶高度进行测量, 测量结果为11.000 059 mm.对13.000 090 mm 绝对距离重复测量20次的标准差为4.4 nm.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0912004      

谢丽   王家秋   钟哲强   张彬  

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在自适应光学波前校正过程中, 变形镜驱动器在交变电场的长期循环作用下会产生疲劳效应.根据自适应光学控制系统的误差传递函数和开环传递函数, 结合压电陶瓷驱动器的疲劳特性, 分析了压电陶瓷驱动器在产生疲劳后对变形镜延时、校正带宽和系统稳定性的影响.结果表明, 对于同一种压电陶瓷, 其压电性能、介电性能及机电耦合性能均随着循环次数的增加而下降, 其中机电耦合性能对变形镜延时影响最大.在变形镜校正畸变波前过程中, 压电陶瓷驱动器的循环使用次数越多, 变形镜延时越长, 其校正得到的误差抑制带宽和开环带宽越小, 而相位裕度变化范围表现出缓慢增大的趋势, 系统的稳定性也随之变差.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0912005      

薛萍   何海   王宏民  

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采用几何光学分析法, 对影响光度测量的杂散光进行分析; 根据杂散光反射传输的特点, 结合近似绝对黑体结构理论和吸光度加和理论, 设计了具有高折反效果的凹型窄光阑阵列消杂模型, 提高了对杂散光的抑制能力; 由于此结构在不同光阑间隔下的消光效果不同, 设计了自适应惯性权重粒子群算法来搜索光阑阵列的最优间隔, 以进一步提高光阑阵列的性能.在此基础上, 通过仿真和实验验证了基于最优消杂模型构建的分布光度测量系统, 其测量误差与消杂之前相比由10%以上降低到了1%以下; 满足相应的国际及国家标准对光源测量的误差要求, 可作为现有环境下进一步抑制环境杂散光的有效手段.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0912006      

邵珺   叶景峰   胡志云   张振荣   李国华   李景银  

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针对羟基示踪测速技术在超燃流场应用中测量图像受复杂背景干扰严重的问题, 提出一种提高信号提取能力的方法.该方法通过三个步骤实现信号提取能力的提升：利用霍夫变换进行信号识别; 基于感兴趣区域的大津阈值算法进行图像分割; 结合骨架提取和方向模板方法进行标记线提取.在此基础上, 结合仿真和实验, 验证了该方法可提高超燃复杂背景干扰下的信号提取能力, 解决了提取羟基有效信号精度不够的问题.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0912007      

李佳文   张家洪   许晓平   赵振刚   李川  

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利用集成光学技术设计并研制了一种时域测量电力系统中工频强电场的传感器, 体积为80 mm×18 mm×7.5 mm.采用调谐光源波长的方法补偿环境变化带来的工作点漂移, 形成π/2的静态工作点, 从而使传感器稳定地工作在线性区.理论分析了一种带有电极对的集成电光工频电场传感器.根据国标GB/T127201991建立了工频电场测试系统, 对传感器的时域动态范围进行了测试.结果表明：传感器时域可测电场范围为0.35~125 kV/m, 线性相关系数为0.997, 线性动态范围达51 dB, 适合用于工频强电场测量.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0913001      

秦爽   宁笑楠   陈九成  

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采用特殊结构的块材料作为脉冲展宽器的紧凑型掺钛蓝宝石再生放大器设计, 相对传统设计展宽器结构更加简洁可靠, 利用棱栅对结构进行脉冲压缩, 在25 W, 527 nm, 1 kHz的激光泵浦条件下, 输出单脉冲能量为3.5 mJ, 重复频率1 kHz, 脉冲宽度为30 fs的超快激光脉冲.稳定性测试发现, 8 h功率抖动性小于0.7%.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0914001      

王明培   张普   聂志强   刘晖   孙玉博   吴的海   赵宇亮  

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研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统, 实现了对高功率半导体激光器在－60℃~0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征. 采用计算流体力学及数值传热学方法, 模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能. 模拟结果表明, 压降均为0.47 bar时, 采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73 K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃). 低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂, 最大可实现0.5 L/min的载冷液体流量, 最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作. 基于该低温测试表征系统, 对微通道封装结构976 nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究. 测试结果表明, 载冷剂温度由0℃下降到－60℃, 半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W, 功率提升比为18.02%; 电光转换效率由60.99%提升到67.25%, 效率提升幅度为6.26%; 中心波长由969.68 nm蓝移到954.05 nm. 器件开启电压增加0.04 V, 阈值电流降低3.93 A, 串联电阻增加0.18 mΩ, 外微分量子效率提高11.84%. 分析表明, 阈值电流的减小及外微分量子效率的提高, 是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素. 研究表明, 采用液体微通道冷却的低温工作方式, 是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0914002      

方城伟   张益军   荣敏敏   钱芸生   戴庆鑫   石峰   程宏昌   拜晓峰  

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基于超高真空光电阴极制备与表面分析互联装置开展了反射式GaAs光电阴极激活实验, 并利用扫描聚焦X射线光电子能谱对化学清洗后及Cs/O激活后的阴极表面进行了微区分析.通过X射线激发样品产生二次电子图像定位需要分析的微小区域, 更加准确地检测了阴极表面存在的杂质.检测发现化学清洗后的GaAs阴极样品会受到金属压片的二次污染, 出现钠、铯污染.表面分析和激活实验表明, 高温加热和激活并不能去除钠污染, 且此污染会影响表面砷的脱附, 阻碍激活过程中Cs、O的吸附, 降低阴极的光电发射性能.采用扫描聚焦X射线成像技术对阴极表面进行微区选点分析, 有助于更加准确地分析阴极激活前后的表面成分变化.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0925001      

高奎   宋五洲   朱晨俊   夏蒙柔  

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针对金属表面等离激元光镊热损耗问题, 设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064 nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理, 设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上, 增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象, 得到的电场增强倍数高达11.9倍, 形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析, 并在x、y、z方向上计算分析了直径为25 nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp。0926001      

胡汉青   吴逢铁   胡润   杨艳飞   李建鹏   邱伟彬   陈婧  

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基于交叉谱密度函数以及相干偏振统一理论, 导出径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的光场表达式, 研究了该光束的传输特性.通过理论分析和数值计算可知, 径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时, 光束以固定的螺旋半径进行螺旋传输.且在传输过程中, 光束逐渐由螺旋空心光束演变为螺旋高斯光束, 这一过程所需的传输距离与相干长度有关.该光束的偏振角和偏振度都会受到螺旋半径和传输距离的影响, 同时, 相干长度的变化也会影响偏振度的分布.而相干长度, 传输距离和螺旋半径的改变并不会影响光束的偏振椭圆率的分布.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0926002      

李候俊   徐均琪   王建   李绵   苏俊宏  

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以双抛Si片为基底, 采用离子束辅助热蒸发沉积技术研制了1.2~3 μm波段激光薄膜滤光片.采用长波通滤光片与减反射膜相结合的薄膜样品设计方法, 高、低折射率材料分别选用ZnS和MgF2, 综合考虑光谱特性和电场强度分布, 使用TFCale膜系软件设计出1.064 μm高反、1.2~3 μm波段增透的长波通滤光片.长波通膜系膜系结构为G|4H2L1.5H2L2H1.5L2H4L|A, 减反射膜膜系结构为G|3.5H3.5L|A.最终实现1.2~3 μm波段峰值透过率达98.48%, 平均透过率为92.35%, 1.064 μm处透过率为5.09%的光谱特性.对薄膜样品分别采用离子束处理和退火处理, 发现适当的工艺参数, 有助于提高薄膜激光损伤阈值, 当退火温度为250℃时, 其激光损伤阈值可达6.3 J/cm2.本文研究可为近红外薄膜滤光片设计和制备提供参考.

       PDF全文        光子学报, 2019年第48卷第9期 pp.0931001