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基于阵列矩形光纤的二维空间匀化器设计

光学学报 2024年第12期44卷 263-270页

作者：庄聆琳杨子江潘俏邹快盛沈为民苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006

受地表不同区域反照率的差异和大气辐射的非均匀性影响,星载成像光谱仪中的物理狭缝被非均匀照明,导致仪器光谱响应函数线性失真,表现为在获取的光谱信号中叠加随机误差,影响成像光谱仪对光谱的反演精度。为了提高大气温室气体浓度探测... 详细信息

受地表不同区域反照率的差异和大气辐射的非均匀性影响,星载成像光谱仪中的物理狭缝被非均匀照明,导致仪器光谱响应函数线性失真,表现为在获取的光谱信号中叠加随机误差,影响成像光谱仪对光谱的反演精度。为了提高大气温室气体浓度探测的时间分辨率和精度,单台温室气体成像光谱仪具有非常宽的空间视场和极高的光谱分辨率,光谱仪受辐射非均匀性的影响相对于普通成像光谱仪更明显。本文设计了针对温室气体监测成像光谱仪的二维空间匀化器,它可以在跨轨和沿轨两维对场景辐射实现匀化。二维空间匀化器由矩形光纤阵列组成,沿轨单根光纤的宽度由积分时间确定,跨轨单根光纤的尺寸表示仪器的空间采样宽度。本文研究了组成二维空间匀化器的矩形光纤的稳定性,对比了不同光纤长度、不同照明场景以及不同粗糙度等条件下光纤出射光斑的均匀度,结果表明:随着光纤长度的增加,尽管能量损耗相应增加,但是出射光斑均匀度也随之增加;非均匀照明场景下光纤出射光斑均匀度与均匀照明场景下光纤出射光斑均匀度基本一致,表明矩形光纤具有良好的匀化性能,也说明二维空间匀化器能有效地降低光谱仪对地球场景不均匀辐射的敏感性。此外,本文还研究了矩形光纤的焦比退化特性,结果表明,在输入F数为4的情况下,出射端采用F/3.5的光学系统接收时,光学效率能达到95%以上。

关键词：成像光谱仪二维空间匀化器矩形光纤匀化性焦比退化

钙钛矿太阳电池高效光电耦合仿真与机器学习研究(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第1期61卷 409-419页

作者：孔瑞盈韦怡君陈嘉诚马天舒詹耀辉李孝峰苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 江苏省先进光学制造技术重点实验室暨教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006

十几年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其在功率转换效率和制造成本方面的显著优势而备受关注。然而,其复杂的物理机制和众多限制因素给实验设计、工艺制造和综合优化策略带来挑战。以光电多物理场耦合模型为核心,开展一系列多物理场仿... 详细信息

十几年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其在功率转换效率和制造成本方面的显著优势而备受关注。然而,其复杂的物理机制和众多限制因素给实验设计、工艺制造和综合优化策略带来挑战。以光电多物理场耦合模型为核心,开展一系列多物理场仿真计算,研究光电耦合模型的底层物理和边界条件,获得PSCs包括光学性能和电学性能的大量数据。根据这些数据,建立微观物理量和宏观光电响应的神经网络及机器学习模型,成功预测PSCs的光学和电学性能,其误差在3%以内,且速度较快。结合遗传算法,该模型根据给定的响应曲线反向优化结构参数,进而获得更高效率的PSCs。该研究有效解决了PSCs因光电耦合机制复杂、物性参数众多、仿真速度较慢而难以优化设计等难题,为光伏器件快速智能化设计提供了一种可行路径。

关键词：钙钛矿太阳电池光电耦合机器学习遗传算法

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基于生成神经网络的自适应热控薄膜设计

光学学报 2024年第7期44卷 261-270页

作者：陈嘉诚马蔚朱虹雨周玉晟詹耀辉李孝峰苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 江苏省先进光学制造技术重点实验室暨教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006 浙江大学信息与电子工程学院浙江杭州310027

自适应温度调控器件以其智能开关特性而逐渐成为研究焦点,但是一方面其特殊的光谱要求使得器件设计过程复杂且周期冗长,另一方面器件热控性能亟待提高以满足更加严苛的应用场景。针对以上问题,提出一种深度生成神经网络模型来执行上述... 详细信息

自适应温度调控器件以其智能开关特性而逐渐成为研究焦点,但是一方面其特殊的光谱要求使得器件设计过程复杂且周期冗长,另一方面器件热控性能亟待提高以满足更加严苛的应用场景。针对以上问题,提出一种深度生成神经网络模型来执行上述复杂的优化任务,该网络模型的更新不依赖于数据集,而是将生成神经网络与传输矩阵方法(TMM)相结合,通过TMM返回的梯度信息指导产生符合预期的多层膜结构,并自动优化膜层厚度和材料种类。作为网络优化能力的验证和演示,本课题组使用该方法设计了一种基于二氧化钒的自适应热控器件,实现了高温太阳吸收比低于0.2、高温发射率高于0.9、发射率差值大于0.8的优异性能。与传统的优化算法相比,生成神经网络以高自由度和更快的速度寻找最优解,与普通神经网络相比,全局优化网络考虑整体的优化目标,通过全局搜索寻找全局最优解,设计结果也证明了该方法在复杂设计任务中的实用性。

关键词：薄膜多层膜神经网络自适应温度调控二氧化钒

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神经网络驱动的双频虚拟步进条纹投影轮廓术

中国激光 2024年

作者：郭彬马锁冬王俊学刘林欣缪高楠王钦华苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室&教育部现代光学技术重点实验室

现有基于光源步进的条纹投影轮廓术在投射条纹图案时，受其硬件装置以及加工装调水平的影响，容易引入诸如相移误差、Gamma畸变和时序光强波动等误差，进而降低了相位解调的精度。虽然已有的迭代相位恢复算法能以牺牲时间效率为代价有... 详细信息

现有基于光源步进的条纹投影轮廓术在投射条纹图案时，受其硬件装置以及加工装调水平的影响，容易引入诸如相移误差、Gamma畸变和时序光强波动等误差，进而降低了相位解调的精度。虽然已有的迭代相位恢复算法能以牺牲时间效率为代价有效抑制上述误差，但这却与光源步进法简易、高效的初衷相悖。针对上述问题，本文提出一种神经网络驱动的双频虚拟步进条纹投影轮廓术：构建训练具有误差抑制功能的Res-Unet网络，以代替双频光源步进装置快速获取高质量的双频三步相移正弦条纹图，仅需使用经典的三步相移算法和双频相位展开技术，并结合系统标定，便可快速、精确地恢复被测物体的高度分布。仿真和实验结果表明，相比于现有三步相移方法，本文所提技术在实际投影两幅双频单帧条纹图的情况下依旧能够获得高精度的测量结果，均方根误差减小了约1.99倍。

关键词：三维测量条纹投影轮廓术双频光源步进法神经网络双频三步相移法

基于相变材料和铌酸锂薄膜的可重构多功能起偏器

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光学学报 2024年第13期44卷 145-152页

作者：许孟翔倪屹徐银费耶灯夏骏江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 苏州大学光电科学与工程学院&苏州纳米科技协同创新中心江苏苏州215006 江苏省先进光学制造技术重点实验室&苏州大学教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006

针对集成光学系统对可重构和多功能偏振器件的需求日趋增加的问题,本文提出了一种基于相变材料(PCM)和铌酸锂薄膜(LNOI)的可重构多功能起偏器。通过控制相变材料的相态,可以控制TE和TM模式的通断,从而实现四种输出模式。利用三维时域有... 详细信息

针对集成光学系统对可重构和多功能偏振器件的需求日趋增加的问题,本文提出了一种基于相变材料(PCM)和铌酸锂薄膜(LNOI)的可重构多功能起偏器。通过控制相变材料的相态,可以控制TE和TM模式的通断,从而实现四种输出模式。利用三维时域有限差分(3D-FDTD)法对器件进行参数优化和性能分析。结果表明,该器件可以很好地实现四种输出模式,即TE通、TM通、TE+TM通和无输出。器件长度为69μm、波长为1550 nm时,TE模式的消光比(PER)为34.2 dB,插入损耗(IL)为0.27 dB;TM模式的PER为34.3 dB,IL为0.42 dB。此外,1530~1580 nm的波长范围内该器件具有28 dB以上的PER。还研究分析了器件的工艺容差,结果表明设计具有一定的鲁棒性。这种具有可重构和多功能的高性能起偏器在LNOI平台集成光学系统中具有广泛的应用潜力。

关键词：集成光学相变材料铌酸锂起偏器

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基于卷积神经网络的干涉投影畸变校正方法

激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 69-75页

作者：颜蒙黄启泰任建锋苏州大学光电科学与工程学院&苏州纳米科技协同创新中心江苏苏州215006 江苏省先进光学制造技术重点实验室&教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006

在非球面零位干涉检测中,待测面检测误差分布与实际误差分布间存在干涉投影畸变。针对目前投影畸变校正方法计算复杂、通用性差等问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的投影畸变校正方法。该方法首先在待测面上加入井字形柔性遮挡物,并... 详细信息

在非球面零位干涉检测中,待测面检测误差分布与实际误差分布间存在干涉投影畸变。针对目前投影畸变校正方法计算复杂、通用性差等问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的投影畸变校正方法。该方法首先在待测面上加入井字形柔性遮挡物,并根据投影畸变系数范围合成干涉图像作为CNN的数据集;然后选择合适的网络结构基于该数据集来训练网络;最后将实际干涉图像输入该网络以预测畸变系数,从而实现投影畸变的标定与校正。实验结果表明,该方法的理论校正误差小于1 pixel,实际误差校正精度优于传统标记点法,证明了该方法高效可行。

关键词：干涉检测畸变校正深度学习卷积神经网络系统标定

基于光热反射的高功率半导体激光器输出腔面温度研究方法

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中国激光 2024年第13期51卷 15-23页

作者：徐梓棒苗新莲刘育衔兰宇赵宇亮张翔杨国文袁孝苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 江苏省先进光学制造技术重点实验室江苏苏州215006 教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室陕西西安710119 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司江苏苏州215000

半导体激光器输出腔面温度过高是导致腔面失效的关键因素,该温度直接决定了激光器的最高输出功率和可靠性。由于半导体激光器输出腔面尺寸在微米量级,故温度测量系统需要具有亚微米量级的空间分辨率,以获取输出腔面处的温度分布信息。... 详细信息

半导体激光器输出腔面温度过高是导致腔面失效的关键因素,该温度直接决定了激光器的最高输出功率和可靠性。由于半导体激光器输出腔面尺寸在微米量级,故温度测量系统需要具有亚微米量级的空间分辨率,以获取输出腔面处的温度分布信息。采用光热反射成像技术建立了空间分辨率优于0.5μm的温度测量系统,开展了半导体激光器输出腔面的测温研究。结果表明,半导体激光器输出腔面温度沿慢轴方向的分布极不均匀;在10 A驱动电流下,条宽为100μm的975 nm高功率半导体激光器输出腔面外延层不同位置处的最大温差超过7℃,且输出腔面处量子阱层的最高温度(55℃)比结温(44.9℃)高10.1℃。研究结果有助于精确测量半导体激光器输出腔面的温度分布,对高功率半导体激光器的设计、测试、光学灾变损伤和失效分析等具有重要意义。

关键词：激光器半导体激光器光热反射腔面温度灾变性光学镜面损伤

大相对孔径激光测距接收光学系统及杂散光抑制

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激光与光电子学进展 2024年第5期61卷 496-504页

作者：周星宇孙亮潘俏吴绍龙曹国洋李孝峰苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心江苏苏州215006 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006 苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室江苏苏州215006

为解决目前激光测距接收光学系统存在的难点,即系统在具有充足进光量的同时又要保证其低制造成本和轻小型化,基于拉格朗日不变量理论分析设计了一种大相对孔径接收光学系统。系统采用6片式伽利略型标准球面镜,使用光敏面直径为0.5 mm的... 详细信息

为解决目前激光测距接收光学系统存在的难点,即系统在具有充足进光量的同时又要保证其低制造成本和轻小型化,基于拉格朗日不变量理论分析设计了一种大相对孔径接收光学系统。系统采用6片式伽利略型标准球面镜,使用光敏面直径为0.5 mm的雪崩光电二极管(APD)探测回波光信号,优化后的系统入瞳直径为50 mm,相对孔径为1∶0.9,系统总长为114.9 mm,拉格朗日不变量为125 mrad·mm,获得了较为充足的进光量的同时满足低成本小型化要求。为降低杂散光的影响,进一步设计了遮光罩及镜筒栅栏结构。杂散光模拟追迹结果表明,系统在20°~85°离轴角视场外的杂散光抑制可以达到激光测距系统要求。在接收光学系统拉格朗日不变量为125 mrad·mm的前提下,激光测距系统的测距量程在加入光学系统后综合提升了21倍,表明该接收光学系统具有较大应用价值。

关键词：激光测距光学设计拉格朗日不变量大相对孔径杂散光分析

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计算全息图的高效编码方法

激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 83-88页

作者：李春琦黄启泰任建锋苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心江苏苏州215006 苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室江苏苏州215006 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006

利用计算全息图(CGH)能够实现对非球面面形的高精度检测。为了提高CGH的编码效率,提出一种以圆弧为基元对刻线条纹进行分段描述的编码方法,该方法将编码过程分为二值化编码和曲线描述两个步骤。二值化编码采用牛顿迭代法将相位等高分界... 详细信息

利用计算全息图(CGH)能够实现对非球面面形的高精度检测。为了提高CGH的编码效率,提出一种以圆弧为基元对刻线条纹进行分段描述的编码方法,该方法将编码过程分为二值化编码和曲线描述两个步骤。二值化编码采用牛顿迭代法将相位等高分界线离散化;曲线描述结合二分法及残余误差均方根最小准则,利用圆弧对条纹离散点进行编码计算,从而得到刻线条纹。针对一离轴非球面,进行了CGH的设计、编码与制作,在编码精度优于λ/1000的前提下,运算时间仅需3 h,编码文件仅为39 MB,刻蚀时长仅需40 min,证明所提方法相对于传统编码方法能够大幅度提高编码效率,且误差分析表明CGH的波前root-sum square(RSS)误差仅为0.00255λ,证明所提编码方法高效可行。

关键词：计算全息图编码计算圆弧刻线条纹