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聚焦效率效益开展提质增效优化资金流程实现管控可控 001

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用于雪崩光电探测器响应度增强的超透镜设计与仿真

国家电网报

作者：马佳

本报讯 11月18日，国家电网有限公司董事长、党组书记毛伟明，公司外部董事尚冰、吴晓根、张成杰到国家电网运营监测中心调研资金调控平台建设运行情况。毛伟明强调，要统筹发展和安全，提升效率和效益，为建设具有中国特色国际领先的... 详细信息

本报讯 11月18日，国家电网有限公司董事长、党组书记毛伟明，公司外部董事尚冰、吴晓根、张成杰到国家电网运营监测中心调研资金调控平台建设运行情况。毛伟明强调，要统筹发展和安全，提升效率和效益，为建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业提供安全可靠的资金保障。公

关键词：聚焦效率提质增效

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发光学报 2023年第12期44卷 2250-2257页

作者：初光辉杨国皓刘天宏李晋平常卫杰范鑫烨佟存柱聊城大学物理科学与信息工程学院山东聊城252059 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室吉林长春130033 福州大学机械工程与自动化学院福建福州350108

超透镜除了可以实现传统透镜的聚焦和成像功能之外,还可通过对超构单元的设计实现对光场偏振、波长和振幅等的多维度操控,由于体积薄、重量轻、成本低、易集成,其在光电子器件领域中开始崭露头角,已经成为当前的研究热点和重要方向。本... 详细信息

超透镜除了可以实现传统透镜的聚焦和成像功能之外,还可通过对超构单元的设计实现对光场偏振、波长和振幅等的多维度操控,由于体积薄、重量轻、成本低、易集成,其在光电子器件领域中开始崭露头角,已经成为当前的研究热点和重要方向。本文采用时域有限差分算法(Finite‐difference time‐domain,FDTD)设计并优化了基于InGaAs雪崩探测器原位集成的超透镜,同时估算了超透镜的聚焦效率和透射率。仿真结果表明,超透镜将入射光会聚至探测器的光敏区中,透射率达到82.8%,并且在目标焦距150μm、超透镜半径50μm时聚焦效率达到84.89%。为进一步提高透射率,在超透镜表面增加抗反射层(AR Layer)。结果表明,300 nm的SiO_(2)层透射率达到最大值86.6%,250 nm的SiN层透射率达到最大值87.6%,透射率比未增加AR层时分别增加了3.8%和4.8%。最后计算得出集成超透镜的探测器吸收区光场能量比未集成超透镜的探测器吸收区光场能量提升了250.96倍,将极大提升探测器的响应度。本文提出了单片集成超透镜的雪崩探测器设计方案,将雪崩探测器光敏区之外的入射光会聚至光敏区,在不损失带宽前提下提升探测器的量子效率,为高响应度、带宽雪崩探测器的设计提供了新思路。

关键词：超透镜探测器聚焦效率量子效率

太阳能电池中高效率分色聚焦衍射光学元件的设计

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太阳能电池中高效率分色聚焦衍射光学元件的设计

第三届新型太阳能电池学术研讨会

作者：杨国桢张岩叶佳声李冬梅王进泽黄庆礼林冬风许信中国科学院物理研究所首都师范大学物理系

太阳能电池的广泛应用目前面临着两个瓶颈:高效率和低成本。突破这两大瓶颈的方案就需要对太阳光进行分色和聚焦。在以往文献中,为实现分色功能,通常将不同半导体材料根据带隙由大到小的顺序自上往下排列(串联),或者采用二相色镜将太阳... 详细信息

太阳能电池的广泛应用目前面临着两个瓶颈:高效率和低成本。突破这两大瓶颈的方案就需要对太阳光进行分色和聚焦。在以往文献中,为实现分色功能,通常将不同半导体材料根据带隙由大到小的顺序自上往下排列(串联),或者采用二相色镜将太阳光分成长波和短波两个波段(并联)。以往方案的共同缺点是:成本很高且加工困难。我们提出了一种全新的解决方案,即通过设计单一衍射光学元件,同时实现对太阳光的分色和聚焦功能,如图1所示。首先,提出了厚度优化算法[1],并将其与杨??顾算法相结合,实现了任意厚度范围内衍射光学元件的设计[2,3]。其次,针对450,550,650nm入射波长,设计的32级量化衍射光学元件,其理论聚焦效率为67.81%再次,优化设计了连续相位和32级量化的衍射光学元件,连续相位元件的理论聚焦效率为:67.81%级量化元件的理论聚焦效率为:73.87%最后,利用该设计方法,设计了适用于全波段太阳光的分色聚焦衍射光学元件[4],采用四节电池并联结构,可望获得49.15%的光电转换效率。所设计的衍射光学元件可通过现代光刻技术加工模具,然后用纳米印刻方法批量复制生产,降低成本,从而突破太阳能电池广泛应用的两个瓶颈,为太阳能的广泛利用提供一种高效和廉价的途径。

关键词：分色聚焦衍射光学元件聚焦效率光电转换效率

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基于光刻胶超构透镜的研究

光学技术 2022年第2期48卷 166-170页

作者：彭嘉陆咏诤文静上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

超构透镜已经成为当前纳米光子领域的研究热点之一。与传统的由TiO_(2)、Si或GaN等高折射率介电质材料组成的超构透镜不一样,文章创新性的提出了一种由新型非高折射率材料光刻胶组成的Pancharatnam-Berry(PB)相位型超构透镜。通过时域... 详细信息

超构透镜已经成为当前纳米光子领域的研究热点之一。与传统的由TiO_(2)、Si或GaN等高折射率介电质材料组成的超构透镜不一样,文章创新性的提出了一种由新型非高折射率材料光刻胶组成的Pancharatnam-Berry(PB)相位型超构透镜。通过时域有限差分数值模拟软件(FDTD Solutions)对所设计的结构进行数值模拟仿真,仿真结果表明:光刻胶超构透镜在可见光波段500~700nm的峰值聚焦效率为58%以及在近红外波段700~900nm的峰值聚焦效率为52%。结果证明了使用非高折射率材料构成的超构透镜也可以实现较好的光场聚焦性能,突破了基于高成本的电子束刻蚀方法设计和加工超构透镜的限制,为未来超构透镜的应用拓展出更广阔的发展空间。

关键词：超构透镜光刻胶聚焦效率

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介质超表面偏振器件及其加工误差影响分析

介质超表面偏振器件及其加工误差影响分析

作者：杨光辉合肥工业大学

学位级别：硕士

超表面是由亚波长结构以周期或准周期形式,排列组成的二维微纳光学功能器件,可用于对电磁波的振幅、相位、偏振态等基本特性进行调控。当前,全介质超表面由于其损耗低的优势,被广泛应用于成像、通信、传感、军事等领域。然而,全介质超... 详细信息

超表面是由亚波长结构以周期或准周期形式,排列组成的二维微纳光学功能器件,可用于对电磁波的振幅、相位、偏振态等基本特性进行调控。当前,全介质超表面由于其损耗低的优势,被广泛应用于成像、通信、传感、军事等领域。然而,全介质超表面的纵横比例较大,在加工制备过程中产生的结构误差难以避免,可能导致超表面的功能发生畸变。针对此问题,本文开展了两项工作:(1)提出一种基于介质柱砷化镓超表面的集成高效红外透镜器件,并通过数值仿真对三种典型加工误差进行了研究。双相位调制原理使得通过改变结构单元的长和宽,可同时调控正交线偏振光的振幅和相位。基于此原理,设计了介质柱砷化镓超表面偏振分束器以及正交线偏振超透镜。研究了结构单元高度误差、几何形状误差对超透镜聚焦性能、聚焦效率、半高全宽数值的影响。仿真结果表明,结构单元的几何误差会降低超透镜性能。(2)提出一种基于介质孔砷化镓超表面的高效红外偏振器件,并对其相应加工误差效果进行分析研究。介质孔超表面有利于提高光学器件的集成化、降低器件的加工难度。利用双相位调控机制设计介质孔超表面偏振分束器,实现了正交线偏振光的偏转与分束;设计了高效的红外透镜,研究分析了X、Y、30°、45°、50°及60°线偏振光的聚焦效果。针对红外透镜,研究了典型加工误差对其性能的影响。

关键词：介质超表面超透镜几何误差偏振分束聚焦效率半高全宽数值

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变斜率长焦深多波长衍射透镜设计与性能研究

变斜率长焦深多波长衍射透镜设计与性能研究

作者：伊东辉苏州大学

学位级别：硕士

焦深(Depth of focus,DOF)是指准直光线通过某一光学系统时在光轴方向上聚焦良好的一段区域,是光学系统的重要性能参数。在几何光学元件中,焦深和分辨率是一对矛盾体。提高焦深会导致分辨率下降,而分辨率的提升也会不可避免地减小焦深... 详细信息

焦深(Depth of focus,DOF)是指准直光线通过某一光学系统时在光轴方向上聚焦良好的一段区域,是光学系统的重要性能参数。在几何光学元件中,焦深和分辨率是一对矛盾体。提高焦深会导致分辨率下降,而分辨率的提升也会不可避免地减小焦深。如何在保持高分辨率的同时扩展光学系统焦深,对扩大激光切割系统的工作深度、提升传感系统的探测距离、提高3D显示系统的观察范围等方面具有重要意义。为此,本文发展了一种二元变斜率搜索算法,实现了长焦深消色差衍射透镜(Long-focal-depth diffractive achromatic lens,LFDA)的设计与制备。实验结果表明,LFDA 可对R/G/B多波长响应,并具有焦深长、分辨率高、设计自由度大、质轻体薄、易于大面积制备等优点,为长焦深光学元件的研究提供了一个新思路。本论文的主要研究工作如下:提出了二元变斜率搜索(Binary variable slope search,BVSS)算法,基于此算法设计出结构平滑的多级衍射透镜,实现了R/G/B工作波长的长焦深聚焦特性。该方法充分考虑到目前微纳加工的局限性,极大地减少了由于深度不连续性引入的工艺误差,从设计层面为LFDA的精确加工提供条件。论文进一步基于菲涅尔衍射卷积算法对优化设计的LFDA进行了光学仿真,并分析了微纳结构加工时产生的高度误差、周期误差、环带过渡区域倾角误差等对LFDA聚焦效率的影响。开展了 LFDA的制备工艺与性能测试研究。制备了直径为10.89 mm的LFDA,其结构与理论结构之间的标准偏差为9.68%。在R/G/B工作波长下,实现了焦深范围为50 mm-550mm的聚焦效果,焦深范围内各个波长的峰值半高宽(Full-width athalf-maximum,FWHM)与模拟结果相似,接近衍射极限。分辨率靶标(USAF 1951)测试结果表明LFDA在10%对比度下的平均空间频率不低于50 lp/mm。最后,论文还实验展示了 LFDA在大景深范围的彩色成像和大观察范围的裸眼3D显示两方面潜在应用的可行性和正确性。

关键词：二元变斜率搜索算法峰值半高宽分辨率聚焦效率

基于全介质超表面的涡旋光光子器件设计与研究

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基于全介质超表面的涡旋光光子器件设计与研究

作者：白雨池西安邮电大学

学位级别：硕士

随着光学技术的飞速发展,传统光学元件体积庞大、集成困难等问题日益突出,为此,科研人员开发出一种新型的二维人工复合材料——超表面,它可以有效地调节电磁波的振幅、偏振态和相位。涡旋光束是一种具有螺旋相位以及环状振幅分布的特殊... 详细信息

随着光学技术的飞速发展,传统光学元件体积庞大、集成困难等问题日益突出,为此,科研人员开发出一种新型的二维人工复合材料——超表面,它可以有效地调节电磁波的振幅、偏振态和相位。涡旋光束是一种具有螺旋相位以及环状振幅分布的特殊光束,其能够产生涡旋相位是基于螺旋相位因子exp(ilθ),其中θ表示方位角,l为拓扑荷值,理论上可以任意取值。利用传统的涡旋光束控制器件产生OAM的方式有很多,但是也存在着问题限制着其发展。随着集成技术的发展,小尺寸、平面化的光学器件成为主要的发展趋势。由于涡旋光具有发散的特性,克服该特性是更好的在通信系统中利用涡旋光的必要条件。涡旋透镜是一种将涡旋光束进行汇聚的器件,对于涡旋透镜来说,考虑到在实现涡旋光的汇聚的过程中可能会出现色差现象。所以实现涡旋透镜聚焦及其消色差是非常重要。在本文中,提出了一种利用传播相位设计涡旋透镜的思路,同时设计了一种双层的结构,利用双相位对涡旋透镜实现消色差,这为涡旋透镜消色差提供了一种设计思路,有利于在通信系统以及雷达探测方面的应用。主要研究内容包括:(1)在近红外波段1550 nm处,采用了传播相位调制,设计了三种偏振复用的涡旋透镜。涡旋透镜在X偏振和Y偏振两种入射条件下,基于同一个超表面上产生了不同焦距或拓扑荷的涡旋透镜。第一种设计是同焦同拓扑荷的涡旋透镜,焦距为3μm,拓扑荷为3,该设计证明了涡旋透镜设计的可行性;第二种设计是同焦不同拓扑荷的涡旋透镜,焦距为3μm,拓扑荷分别为1和2;第三种设计是同拓扑荷不同焦的涡旋透镜,焦距分别为3μm和4μm,拓扑荷为1。经过仿真计算,这三种涡旋透镜的聚焦效率均在84%以上,其在光通信和雷达探测方向具有一定意义。(2)基于相变材料Ge2Sb2Te5(GST-225)在中红外光波段提出了双层的涡旋透镜消色差的设计。在中红外光波段4～5μm连续波段内,设计了双层的结构,其中下层通过传播相位调控,利用偏振无关的组合结构进行设计;上层是通过几何相位调制,利用长方体结构设计。设计了两种涡旋透镜,其一是单一波长为5μm时的涡旋透镜,另一种是拓扑荷为1,在4～5μm连续波段内保持焦距为20μm的涡旋透镜。为了提高所设计结构的消色差的性能,引入了具有可调晶化率的GST-225材料,通过调节晶化率来改变材料的折射率,在4～5μm连续波段内降低涡旋透镜的色差。经过仿真计算,在研究波段内实现了消色差的功能,为涡旋透镜消色差提供了一种新的设计思路。

关键词：涡旋透镜消色差偏振无关聚焦效率晶化率

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双波长消色散超临界透镜

双波长消色散超临界透镜

作者：吴瑾暨南大学

学位级别：硕士

微纳光电器件在精密设备制造、微纳加工、硅光集成、光学成像检测等方面的应用日益广泛。由于光的波动性本质光学系统都会受限于衍射极限,科学家们找到了多种突破光学衍射极限的方法,光学超振荡技术和受激辐射损耗显微成像技术是两种代... 详细信息

微纳光电器件在精密设备制造、微纳加工、硅光集成、光学成像检测等方面的应用日益广泛。由于光的波动性本质光学系统都会受限于衍射极限,科学家们找到了多种突破光学衍射极限的方法,光学超振荡技术和受激辐射损耗显微成像技术是两种代表性的成果。超振荡透镜在超振荡区域会形成足够小的热点,同时不可避免的产生与热点强度相当的旁瓣,这限制了超振荡透镜的应用场景,而超临界透镜在设计时就有效平衡了焦点强度,旁瓣和热点大小的关系。受激辐射损耗显微镜的双波长共聚焦系统不可避免的会引入像差,如果将超临界透镜与受激辐射损耗技术结合有望简化成像系统和进一步提高成像分辨率。超临界透镜能应用在受激辐射损耗成像系统至少需要满足两个条件。首先是它需要对两种不同波长的激光都有超分辨共聚焦的能力;其次,激发光尤其是损耗光需具有足够的光强才会有很好的超分辨成像效果,因此超临界透镜的聚焦能力要显著提高。我们的工作围绕这两个目标展开。增大超临界透镜的尺寸和使用多阶相位调制都可以提升焦点的强度,我们改进了优化方法和电场计算方式,解决了大口径超临界透镜难以优化的问题。超临界透镜的设计建立在相位调控的理论基础上,常见的几种相位调控方式有透明介质的有效折射率传输相位,散射单元共振相位,以及二维材料的界面相位调控,我们分别设计了基于光刻胶、S纳米单元和原子层厚度的Mo S透镜验证这三种相位调控机制。在这个过程中我们探索了多种加工制备方式并加工了相关的衍射透镜,说明了大口径多阶超临界透镜在制造上面临的困难并给出了可行的解决方案。利用空间光调制器加载超临界相位调控显微物镜的聚焦,实现对双光束的超分辨共聚焦是我们上述工作的拓展,结合优化算法和德拜积分我们设计出了对640 nm,775 nm波长的激光都能实现消色散超分辨聚焦的4阶离散相位,搭建了金颗粒扫描系统,实验测量了加载超临界相位的物镜的焦斑形貌。本文的主要创新点在于我们设计了对双波长响应的大口径消色散超临界透镜,采用8阶离散相位调控的方式极大地提高了超临界透镜的聚焦效率,其聚焦效率可媲美菲涅尔波带片,结合超临界透镜的优化方法设计并验证了可用于物镜超分辨共聚焦的超临界相位,提高了物镜的分辨率。

关键词：超临界透镜消色散大口径超临界相位聚焦效率

盾构双频激电法超前扫描探测技术与发射装置研究

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盾构双频激电法超前扫描探测技术与发射装置研究

作者：梁晨河北工程大学

学位级别：硕士

随着煤炭开采深度日益增加,TBM(盾构机)在巷道掘进施工中的占比越来越高,而TBM为全断面盾构机,其占据了坑道大部分空间,使得传统钻爆法将无法适用于该模式下开展超前探测。此外,现有的竖直向下跑极电法勘探技术受坑道腔体电磁干扰,以及... 详细信息

随着煤炭开采深度日益增加,TBM(盾构机)在巷道掘进施工中的占比越来越高,而TBM为全断面盾构机,其占据了坑道大部分空间,使得传统钻爆法将无法适用于该模式下开展超前探测。此外,现有的竖直向下跑极电法勘探技术受坑道腔体电磁干扰,以及顶底板假异常地质构造等诸多因素影响,严重影响了掘进断面前方异常地质构造探测的准确性和可靠性,而且缺少偏离掘进断面中心线的异常地质构造探测的相关理论和方法。为此,本文基于双频激电法基本原理,提出了一种适用于TBM的超前扫描探测方法,开展了超前扫描探测有限元正演模拟,设计了双频调制正弦波发射电路装置,通过阻容模型网络对发射装置进行了试验验证与结果分析。其主要研究内容如下:(1)分析点电源电流场的边值与变分问题,构建长方体均匀全空间地电模型,基于COMSOL软件对空间电位进行求解,并与解析解进行对比分析,结果表明相对解析解其误差不超过1%。(2)结合煤矿井下实际工况,设计多种布极方案,基于COMSOL软件对布极方案进行仿真模拟,分析各方案对主探测电场的约束效果,提出一种最佳的布极设计方案。(3)基于COMSOL软件构建地电模型,探究坑道腔体大小以及坑道内外干扰异常体对探测效果的影响,并针对地质异常体偏离掘进断面中心线的情况进行扫描探测正演模拟,结果表明采用定点扫描探测方法可对地质异常体进行精准定位,其方位误差不超过4.47%。(4)构建双频激电法超前扫描探测发射装置电路设计方案,基于Multisim软件开展整流滤波模块、振荡选频模块和IGBT波形整合模块设计,得到幅值、频率(0.1Hz-1MHz)均可调的双频调制正弦波电流。通过简易阻容模型网络,验证双频正弦波发射装置的可靠性和精确度,得出视幅频率试验值与理论值误差不超过2.5%。搭建含水、断层典型有害地质构造阻容模型网络,得出视幅频率与视电阻率变化规律,为实际工程探测提供理论依据与指导。

关键词：双频激电法扫描探测聚焦效率正演模拟阻容模型网络