期刊基本信息
创刊：
1974年 • 半月刊
名称：
中国激光
英文：
Chinese Journal of Lasers
主管单位：
中国科学院
主办单位：
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
李儒新
执行主编：
罗毅
副主编：
骆清铭 张镇西 李学春 陈岐岱 顾冬冬 周朴
ISSN：
0258-7025
刊号：
CN 31-1339/TN
电话：
021-69917051
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
155元/期
中国激光 第48卷 第9期
近年来,锥形半导体激光器的发展受到越来越多的关注,这主要是因为它能够提供高功率高光束质量的激光输出,但过高的输出功率会导致光束质量的迅速恶化。利用专业光波导仿真软件Rsoft,对比分析了增益波导结构和折射率波导结构对锥形半导体激光器输出特性的影响,主要研究了不同导波模式下的近/远场分布以及功率-电流-电压特性。结果表明,在相同电压条件下,相较于折射率波导结构,具有增益波导结构的锥形激光器的输出功率虽相对较低,但其出光面上的光场分布更均匀,可以有效降低空间烧孔效应的影响,且其远场分布也较均匀。研究结论为锥形半导体激光器的结构设计提供了参考。
谐振式光纤陀螺(RFOG)是基于Sagnac效应产生的顺时针光路与逆时针光路的谐振频率差来测量旋转角速率的光学传感器。由于Sagnac效应极为微弱,RFOG常采用信号调制解调技术提高检测精度。首先介绍了基于正弦相位调制解调的RFOG的基本原理及衡量其性能的主要指标,详细推导了基于正弦相位调制解调的RFOG系统受散粒噪声制约的理论角度随机游走(ARW)的表达式,分析了调制参数包括调制频率和调制系数对理论ARW的影响。研究表明,在给定的激光功率及光纤环形谐振腔条件下,存在一组最佳的调制参数和解调相位,用于实现ARW的最小化。以直径为12 cm、总长为29 m、测试清晰度为14.7的光纤环形谐振腔搭建了实际RFOG系统,当调制频率分别为1 MHz、600 kHz、240 kHz时,测试得到的陀螺ARW分别为0.0124,0.0072,0.0052 (°)·h -1/2。
光纤光学 谐振式光纤陀螺 Sagnac效应 正弦调制解调 角度随机游走 提出了一种基于光电反馈产生500 GHz宽带双偏振光学频率梳的方案。该方案基于光电环路反馈1550 nm垂直腔面发射激光器,采用自旋反转模型,利用四阶龙格-库塔算法数值仿真研究了光电反馈参数对光学频率梳特性的影响。研究结果表明:通过光电反馈参数的调节可以控制1550 nm垂直腔面发射激光器输出的偏振状态,可实现Y偏振和X偏振光学频率梳的转换。此外,研究发现,在特定的光电反馈参数条件下,可获得Y偏振和X偏振同时存在的双偏振光学频率梳。并且在一定的光电反馈参数范围内,两个偏振方向的光学频率梳的光谱带宽都会随着光电反馈系数的增加而增大,相应的功率谱会随光电反馈系数的增加而变得越来越平坦。通过光电反馈系数及反馈时间的调节,获得了谱线平坦、梳线纯净、谱带超宽的光学频率梳,在10 dB幅度范围内Y偏振光学频率梳的光谱带宽可达250 GHz,X偏振光学频率梳的光谱带宽可达500 GHz。
激光光学 光学频率梳 光电反馈 垂直腔面发射激光器 双偏振 准分子激光器的放电过程是一个复杂的非线性过程,从而导致基于放电动力学建立的激光器放电能量模型的精度很难达到仿真研究和控制算法设计的需求。通过深度学习的方法,利用门控循环网络辨识准分子激光器放电能量模型。首先基于准分子激光器出光能量特性,选定所建立的门控循环网络的输入。然后根据门控循环神经网络的输入特性和输出特性建立适用于准分子激光器能量模型辨识的神经网络,并介绍了门控循环神经网络训练方法。最后利用实际采集的激光器的能量数据对门控循环神经网络进行训练。实验结果证明,本文所设计的门控循环神经网络收敛,辨识出来的能量模型的最大误差小于1.5%。该方法可以应用于准分子激光器能量模型的辨识。
激光器 门控循环单元网络 准分子激光器 模型辨识 介绍了一种基于反射式体布拉格光栅(RBG)的高重复频率窄脉宽的固体单频激光器。该激光器采用激光二极管端面泵浦的方式,Nd∶YVO4晶体为增益介质,磷酸氧钛铷(RTP)晶体对为电光调Q开关,RBG为输出镜,在光学腔长为65.7 mm的谐振腔内,锁定了波长1064.355 nm的单频激光输出,其在10 kHz的重复频率下,脉冲宽度为1.3 ns、平均功率为1.68 W、光束质量
大型激光装置要求KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate,KH2PO4)晶体在加工阶段进行高精度定轴,以降低后续装调难度,提升批量装调效率。为此在加工阶段,提出一种在位检测反馈和多次调节逼近的晶轴角度校正策略,从原理上避免了校正精度严重依赖调节工装精度、重复装夹误差大、机床直线度引入误差等问题;并且为提升晶轴角度的校正效率,研制了电动控制的高精度吸盘角度调节工装,解决了校正角度大、精度要求高的难题。验证结果表明:采用研制的高精度吸盘角度调节工装,经过3轮次的迭代,可以将晶轴角度误差从2~4 mrad快速收敛至20 μrad以内,满足大型激光装置的要求。所提策略的校正精度仅取决于测头移动长度和测试精度,且元件口径越大、测量精度越高,校正精度就越高,因此所提策略特别适用于大口径KDP晶体元件的晶轴角度的精密校正。
光学器件 KDP晶体元件 晶轴角度 金刚石切削 在位检测 相位匹配 集成电路与光刻机系统中通常会设计并使用很多小曲率半径的大陡度透镜,以实现大数值孔径,这对镀制于其表面的紫外薄膜的性能提出了很高的要求。本文分析了行星夹具转动过程中大陡度凸透镜从中心到边缘位置的薄膜沉积角度的变化规律,研究了MgF2膜层的折射率随沉积角度的变化规律,明确了大陡度凸透镜从中心到边缘位置的膜层折射率不均匀性对深紫外增透膜的影响。针对小曲率半径大陡度凸透镜表面的膜层沉积特性,通过升高基底温度提高了折射率分布的均匀性,为大陡度透镜膜层折射率不均匀性修正提供了理论和实验依据。
基于亚波长结构对光场的调控作用,研制了单层金属线栅偏振元件。利用等效介质和严格耦合波分析(RCWA)理论确定了结构参数,使用有限时域差分(FDTD)法优化设计了Si基底Al金属线栅结构,并通过多层减反射膜与金属线栅结构的匹配,降低了基底剩余反射率,提高了横磁(TM)波透过率。采用间歇镀Al法减少了辐射温度导致的胶栅形变,制备了具有高偏振性能的亚波长元件。经测试,所制备的线栅偏振元件在中波红外3~5 μm波段的TM波透过率为89.1%,消光比为21.9 dB。
薄膜 减反射膜 金属Al 间歇镀膜 亚波长 高偏振性能 硬包边是激光钕玻璃减少放大自发辐射和抑制寄生振荡的包边技术之一,残余应力是硬包边的一个重要参数。详细描述了激光钕玻璃硬包边过程中残余应力的来源,并利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics,对硬包边浇注熔接过程中不同膨胀系数匹配条件和不同包边玻璃浇注温度下的残余应力分布进行了数值模拟。结果显示,激光钕玻璃和包边玻璃的膨胀系数差异愈小,产生的残余应力愈小;包边玻璃浇注温度愈高,则产生的残余应力愈大。硬包边实验结果表明:包边玻璃的膨胀系数和激光钕玻璃的膨胀系数愈相近,则残余应力就愈小,当包边温度在700~1200 ℃范围内时,残余应力随着包边温度的增加而增大。模拟结果与实验结果吻合,所以在硬包边的浇注熔接过程中,为了使残余应力最小,最佳策略是激光钕玻璃的膨胀系数和包边玻璃的膨胀系数尽量接近甚至相等,且包边温度尽量低。
材料 激光钕玻璃 硬包边 有限元分析 激光元件 应力双折射率 残余应力 1064 nm Nd∶YAG激光器在医疗领域应用广泛,而1064 nm带通滤光片作为激光器的关键器件对低损耗薄膜提出了更高要求。本文在相同粗糙度的K9基底上,采用TiO2与SiO2两种材料以相同氧分压和不同氧分压的方式借助离子辅助制备了1064 nm带通滤光片薄膜。使用分光光度计对薄膜的透过光谱进行表征,光谱特性显示,采用相同氧分压制备的薄膜的透过率较好。利用轮廓仪与扫描电镜分别对薄膜粗糙度以及切面形貌进行表征,结果表明,采用相同氧分压制备的薄膜具有光滑的表面和较规整的膜层。通过软件拟合分析得到了透过率的降低来源于散射的结论。当两种材料的氧分压不同时,镀膜过程中真空度交替切换会导致考夫曼离子源离子束流不稳定,进而导致层间粗糙度增加,从而引起了散射。基于标量散射理论,推导了相关和非相关散射情况下多层膜透过率的计算公式,并利用此公式对两种不同工艺制备的薄膜的透过率进行拟合,结果发现理论计算曲线与实际测试光谱曲线基本一致。
薄膜 界面散射 带通滤光片 表面粗糙度 完全相关与非完全相关 分布式测量系统借助辅助装置来构建几何约束条件以完成定向,而约束精度和数量易受到现场条件环境的制约。针对测量空间欠约束定向的问题,研究一种基于倾角传感的基准长度定向方法,该方法引入高精度的倾角传感器与测量单元结合,通过倾角传感的水平约束建立相对位姿定向模型并将系统定向过程进行分级处理,借助高精度的测角仪器提供内部角度约束,可以减少外部基准长度的约束条件个数。以室内空间测量定位系统作为实验平台,搭建组合系统样机,验证外部欠约束条件下的定向条件数目及分布对系统精度的影响。实验结果表明,所提方法在保证定向精度的同时,能够有效减少定向过程中所需的空间约束条件个数,并具有较好的稳定性,而且可以提高分布式测量系统的组网效率和复杂环境适应能力。
测量 大尺寸测量 分布式测量系统 定向 倾角传感器 室内空间测量定位系统 提出了一种用于测量高精度成像系统的双孔点衍射干涉仪,具有高光场均匀性、高可测量数值孔径、准共光路、相移元件在系统成像光路以外的优点。设计了两种测量模式,点衍射测量模式和系统误差测量模式,其中系统误差模式用于标定干涉仪的系统误差。分别搭建了双孔点衍射干涉和双光纤点衍射干涉的实验装置,完成了对设计波像差小于0.045λ RMS,5×透射式投影物镜的检测实验。实验结果表明,与双光纤点衍射干涉仪对比,双孔点衍射的波像差测量相对误差为0.07 nm RMS,且干涉图具有更加良好的光强均匀性。验证了本文检测技术的有效性。
测量 点衍射 针孔点衍射 波像差检测 干涉测量 提出了一种基于可调光延迟线的微波光子正交解调技术,并基于该技术设计了微波光子零中频接收机。通过调节光延迟线实现本振信号的90°移相,并采用波分复用方法在共用的级联马赫-曾德尔调制器结构中实现两条正交链路的射频信号与本振信号的混频,从而提高了光正交解调的幅相一致性。所设计的微波光子零中频接收机可对光正交解调之后的中频处理器件如光电探测器、滤波器以及模数转换器等引起的链路幅相不平衡进行数字补偿。经数字幅相失衡补偿后,微波光子零中频接收机在中心频率为12 GHz、瞬时带宽为4 GHz的工作频段内测得幅度不平衡小于0.4 dB,相位不平衡小于1.5°,镜频抑制度大于45 dB,最高镜频抑制度可达79 dB。
光通信 微波光子 宽带接收机 零中频 镜频抑制 为改善现有可见光通信中光正交频分复用(OFDM)系统的性能,提出了一种新型的光空间调制OFDM系统,该系统使用哈特莱变换代替傅里叶变换,降低了近一半的计算复杂度;同时采用一种复-实转换函数在频域将复数符号转换为实数符号,去除了哈特莱变换中实星座映射的限制,极大地增加了系统的灵活性;最后利用两个发光二极管(LED)区分时域信号的正、负极性并分别进行传输,提高了系统的频谱效率和功率效率;相较于其他基于LED的光空间调制OFDM,可以在不损失系统可靠性的同时,增加系统设计的灵活性,大幅降低计算复杂度。此外,针对LED和PD(光电检测器)对称放置的情况,提出了利用接收信号功率直接判别传输信号极性的方法;针对非对称情况提出了一般极性判别法,这两种方法相较于传统的迫零检测法,都能够有效改善系统的误码性能,采用64进制正交振幅调制(64QAM),误比特率(BER)为10 -4时,系统性能均提高了约2.9 dB。
光通信 正交频分复用 光空间调制 极性判别 提出一种二次涂覆增敏型弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)水听器。把二次涂覆WFBG水听器看作三层复合材料构成的圆柱,采用待定系数法描述三层区域应力、应变、径向位移,根据径向位移、径向应力、轴向应力边界条件求得待定系数,获得光纤应变受声压影响的规律,进而得到光脉冲在光纤中的相位变化。制备直径为0.4 mm的高密度聚乙烯涂覆WFBG水听器,采用振动液柱法测试5,7.5,10 Hz频率下水听器的相位-声压灵敏度,与裸WFBG阵列比较,水听器增敏效果达40 dB。理论和实验结果表明,三层复合材料应力模型为WFBG阵列二次涂覆增敏提供了理论支撑,制备的WFBG水听器尺寸细、灵敏度高,有望构建细尺寸、大孔径、强增益的WFBG水听器拖线阵。
光纤光学 光纤布拉格光栅 弱反射 二次涂覆 水听器 研究了基于多像素光子计数器的光脉冲位置调制(PPM)通信系统开环同步及数据恢复技术。首先,对PPM异步采样信号进行快速傅里叶变换;然后,用Quinn、Jacobsen和MacLeod算法分别估计信号的初始频偏及时延偏差;其次,由频偏和时延偏差估计值及相关运算恢复PPM信号的光子数,进而求得三种算法对应的三组时隙对数似然比序列;最后,从三组时隙对数似然比序列中选择标准差最大的序列作为纠错译码器的输入。仿真及实验结果表明,该时隙同步方法在极低的光功率下同步精度高、运算速度快、鲁棒性强且易于实现;对于64PPM调制信号,本算法平均每信号时隙只需要探测1.33个光子,就能使误码率小于10 -5。
光通信 脉冲位置调制 多像素光子计数器 时隙同步 数据恢复 设计了一种基于双向时分复用同纤同波传输的时间同步系统。为了消除钟差,实现从端与主端的时间同步,利用双向时分复用同纤同波时间比对得到从端与主端的钟差,通过校频和比例-积分-微分控制算法调整从端压控晶振的输出频率。双向时分同纤同波传输链路双向传输的时延对称性,使系统只需进行端机标定,无需对不同长度的光纤链路进行标定。在实验室盘纤和实地光纤链路上的实验结果表明,不同长度光纤链路下,本系统同步后的平均钟差均优于10 ps;在长约60 km的实地光纤链路上,本系统同步后的平均钟差小于9 ps,3σ钟差优于285 ps,时间偏差优于16 ps/s(短稳)、7 ps/10 4 s(长稳)。
光纤光学 时间同步 双向时分复用 时钟驯服 提出了一种基于四波混频以及平衡预编码产生光子六倍频矢量毫米波信号的方案。该方法利用单个强度调制器的载波抑制调制以及1 km高非线性色散位移光纤发生四波混频以实现六倍频,结合平衡预编码产生了72 GHz载频的四相相移键控(QPSK)的矢量毫米波信号,很大程度上降低了系统的成本。通过实验演示了2 Gbaud, 72 GHz QPSK矢量毫米波信号的产生,同时研究了QPSK信号不同波特率以及光纤传输长度分别对信号的影响。实验结果表明,在15 km光纤和1 m的无线传输下,当输入光电探测器的光功率大于-6.3 dBm,QPSK信号波特率不高于2.5 Gbaud时,信号的误码率低于硬判决前向纠错门限阈值,可实现无误码传输。
光通信 毫米波 四波混频 预编码 六倍频 核壳结构纳米金颗粒的光学吸收特性好,在可见光至近红外波长范围内可灵活可调,在生物医学领域具有良好的应用前景。本文建立了电磁场与固体传热耦合的多物理场有限元分析模型,针对血管性皮肤病的激光治疗,研究了固定波长(585 nm和755 nm)下,SiO2@Au纳米金壳单颗粒以及二聚体的结构参数(颗粒半径、金壳厚度、颗粒间距)变化对颗粒光学性质以及传热特性的影响,得到了局部电场强度、系统温度场随结构参数的变化规律,可为SiO2@Au核壳型纳米颗粒在血管性皮肤病激光手术中的实际应用提供理论指导。
胚胎在发育过程中会逐渐形成具有不同组织和器官的复杂生物体。对胚胎发育的无创实时监测有助于深入了解其形态演变过程和发育规律。光学相干层析(OCT)技术具有无损、高分辨、三维成像等特点,非常适合用于对生物体胚胎的发育情况进行监测。然而,当采用OCT技术检测昆虫胚胎时,虫卵外壳的存在会影响OCT三维重建图的可视化效果,使得卵内部胚胎的三维图无法清晰地呈现。基于此,本文结合OCT成像特点提出了一种消除卵壳影响的图像处理方法。该方法可以自动识别出卵壳区域并予以“擦除”,从而只呈现昆虫卵内部胚胎的清晰三维图像。该图像处理方法对于采用OCT技术研究昆虫胚胎发育具有重要的参考价值。
生物光学 光学相干层析成像 昆虫胚胎可视化 图像处理 高功率激光装置中将熔石英透镜置于四倍频晶体之前可有效降低熔石英元件的损伤概率,而实现会聚光束高效倍频是该方案急需解决的瓶颈问题。本文基于非临界相位匹配DKDP晶体系统研究了会聚光束F数对其四倍频效率的影响。研究发现系统F≤30时四倍频效率下降显著,会聚光束四倍频最佳匹配温度随F数和入射激光强度增加而增大;另外,系统F≤20时的四倍频的温度及波长接收带宽显著增加。在此基础上,本文提出了光束分割、温度梯度分布及晶体氘含量梯度分布的方法提升会聚光束四倍频效率,使会聚光束四倍频效率可达80%以上。该研究有助于解决熔石英透镜前置方案的局限性。
针对传统的高光谱遥感图像分类方法未能充分利用空间信息,提出一种基于高光谱图像重构特征融合的分类方法。该方法首先将图像的每个像素点进行LBP(Local Binary Patterns)特征提取,得到每个像素点的LBP特征值;其次提取出每个像素点的空间邻域块,按照图像已知的标签信息去除每个空间邻域块中冗余的背景像素点,得到新的空间邻域块,利用光谱距离得到每个像素点的权重值并计算重构特征值;然后,将像素点的LBP特征值和重构特征值进行叠加融合,获得重构特征融合值;最后,采用K最近邻分类器将像素点进行分类,根据测试样本点和训练样本点的欧氏距离判断测试样本点的类别。在Indian Pines和Pavia University数据集上进行实验。实验结果表明,所提方法的分类精度分别达到99.06%和99.73%。
遥感 高光谱遥感 LBP特征 空间邻域块 特征融合 提出一种采用激光器频率调制准连续相移干涉实现膜片式光纤声传感器阵列同时解调的技术。通过调制光栅Y分支(MG-Y)可调谐激光器的快速频率调谐引入相移,4个具有π/2相位偏置的光频率按顺序切换,产生准连续的正交相移信号。基于五步相移算法,任意5个相邻相移信号用于相位恢复,由于没有机械运动部件,实现了高速稳定的相位解调。该系统的相位采样率(600 kHz)取决于频率调制速度。实验结果表明,通过调整激光器输出频率,可以正确解调宽腔长范围的非本征Fabry-Perot干涉(EFPI)传感器。此外,构建了一个紧凑的多点声传感阵列系统,实现了声源定位应用。
测量 相位测量 相移干涉术 调制光栅Y分支激光器 光纤麦克风 声源定位 基于导模共振效应的光栅传感器因具有无需荧光标记、易于集成、能实时检测等优点在生物医学传感领域得到了广泛应用。然而,该类型传感器存在品质因子和灵敏度相互制约的问题。为此提出一种凹型光栅结构,也就是在周期性光栅的每一个单元中引入凹型微结构,增强光场与检测物质的相互作用,进而提升传感器的品质因数。利用严格耦合波算法设计了器件结构,分析器件的本征模式,阐明其物理机理。仿真结果表明,该器件的品质因数可达到6562.5。本研究工作将为研制基于微纳结构的高性能集成光学传感器提供研究基础。
集成光学 集成光学传感器 品质因数 导模共振光栅 严格耦合波分析 