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基于快速采样的剪切光束成像图像重构算法

物理学报 2024年第2期73卷 156-166页

作者：陈明徕马彩文刘辉罗秀娟冯旭斌岳泽霖赵晶中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 中国科学院空间精密测量技术重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100049

剪切光束成像是一种非传统地基光学成像技术,在对位姿快速变化的目标成像时,为重构目标高分辨率清晰图像,其成像系统的回波数据采样速率仍不够快.本文提出一种五光束快速采样的图像重构方法,通过改变成像系统编码和解码方法,采用中心对... 详细信息

剪切光束成像是一种非传统地基光学成像技术,在对位姿快速变化的目标成像时,为重构目标高分辨率清晰图像,其成像系统的回波数据采样速率仍不够快.本文提出一种五光束快速采样的图像重构方法,通过改变成像系统编码和解码方法,采用中心对称结构呈“十”字形排布的发射光束阵型,利用所提的快速图像重构算法,单次采样的回波数据所能重构的目标图像从1幅增加到8幅,快速抑制了重构图像的散斑效应.仿真结果表明,与传统三光束图像重构方法相比,获得相同质量图像所需的回波数据采样次数从20次减少至5次,大幅减少了回波数据采样次数,提高了回波数据采样速率.

关键词：剪切光束成像快速采样图像重构采样速率

高斯与平顶光束纳秒脉冲激光物质蒸发烧蚀动力学仿真研究

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物理学报 2024年第9期73卷 186-198页

作者：尹培琪许博坪刘颖华王屹山赵卫汤洁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西安710119 中国科学院大学北京100049

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光... 详细信息

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光轮廓,高斯光束的屏蔽效果最强,随着整形后的平顶光束直径的增大,屏蔽效果逐渐减弱.平顶光束与高斯光束作用下,靶材温度的二维空间分布较为不同.高斯光束作用时,靶材中心最先升温,随后温度沿径向和轴向扩散.由于平顶光束的能量分布更加均匀,因此一定径向范围内的靶材同时升温.光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大.对于高斯光束,靶材中心先烧蚀,随后产生径向烧蚀.由于整形后平顶光束的能量密度降低,因此靶面蒸发时间较高斯光束延后,并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀.3种激光轮廓下,靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似,其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点,平顶光束的烧蚀坑较为平坦.

关键词：光束整形激光与物质作用蒸发烧蚀等离子体屏蔽

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精细光谱探测与计量分析技术在长江干流水质水环境监测中的应用

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地理学报 2024年第1期79卷 45-57页

作者：赵宇博王雪霁刘骁巩凯杰邹磊林忠辉于涛鱼卫星胡炳樑中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 中国科学院大学北京100049 西安理工大学西安710054 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101

水生态环境监测是生境保护的前提和基础,针对长江流域水系点多面广、复杂多样、瞬息万变等特点,对监测手段提出了更高的要求。目前,针对大型地表水系的水质监测方式仍以人工取样结合实验室化学分析或现场手持式仪器分析为主,存在方法滞... 详细信息

水生态环境监测是生境保护的前提和基础,针对长江流域水系点多面广、复杂多样、瞬息万变等特点,对监测手段提出了更高的要求。目前,针对大型地表水系的水质监测方式仍以人工取样结合实验室化学分析或现场手持式仪器分析为主,存在方法滞后、手段单一、频次偏低、面源缺失等问题。因此,迫切需要新体制监测技术,突破实时快速、面源定量等现实需求,为长江水系统综合模拟提供可靠数据源。在此背景下,本文提出了一种具有完全自主知识产权的精细光谱探测与计量分析技术,开发了地基、空基等体系技术与装备,在相关项目支持下,开展了体系化技术的示范应用,在长江干流关键断面、三峡示范区和鄱阳湖示范区进行了空—地立体监测,取得了良好效果。监测数据经云平台接入“长江模拟器”,为其综合运行提供了快速实时数据支持,也为未来流域大型水系综合监测提供了新方法和应用典范。

关键词：水质监测长江水系统精细光谱探测与计量分析技术空—地立体监测

高次谐波与阿秒脉冲在成像中的应用与前景（特邀）

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光学学报 2024年第17期 60-80页

作者：李博洋王虎山付玉喜中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心

高次谐波技术的出现为现代高分辨成像应用提供了新一代的高质量光源。高次谐波光源可以提供高相干性的极紫外/软X射线超短脉冲，在近20年间带动了桌面高分辨成像技术的迅猛发展。该技术通过多种无透镜的衍射成像方法，可以获得纳米级的... 详细信息

高次谐波技术的出现为现代高分辨成像应用提供了新一代的高质量光源。高次谐波光源可以提供高相干性的极紫外/软X射线超短脉冲，在近20年间带动了桌面高分辨成像技术的迅猛发展。该技术通过多种无透镜的衍射成像方法，可以获得纳米级的空间分辨率与飞秒级的时间分辨率，在生物和材料领域实现了众多应用。而诞生于21世纪的孤立阿秒光脉冲又为我们提供了前所未有的时间分辨率，但是其宽谱特性引入的色差成为了衍射成像方法中的新难题。本文首先综述并总结了准单色高次谐波纳米成像的关键技术手段和主要应用场景，然后介绍了基于复色光照明的阿秒脉冲成像的可能技术手段与发展现状，最后对阿秒成像技术的发展进行了展望。

关键词：成像高次谐波阿秒脉冲宽谱高时空分辨

1.27 μm O_(2)(a^(1)Δ g)气辉临边观测辐射传输特性

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1088-1097页

作者：王道琦王后茂何微微胡向瑞李娟李发泉武魁军烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院湖北武汉430071

1.27μm波段的O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射具有辐射信号强、空间跨度大、自吸收效应弱等诸多内禀优势,是临近空间大气遥感的重要目标源,对于中高层大气的动力学及热学特性研究,全球温室气体探测,以及臭氧浓度三维层析等卫星遥感具有重要的... 详细信息

1.27μm波段的O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射具有辐射信号强、空间跨度大、自吸收效应弱等诸多内禀优势,是临近空间大气遥感的重要目标源,对于中高层大气的动力学及热学特性研究,全球温室气体探测,以及臭氧浓度三维层析等卫星遥感具有重要的科学意义和应用价值。首先基于O_(2)(a^(1)Δg)光化学反应模型,研究了O_(2)(a^(1)Δg)气辉的产生机制及湮灭机理,在此基础上,计算得到了O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率廓线,并基于HITRAN数据库给出的谱线强度及爱因斯坦系数,提出了两种计算O_(2)(a^(1)Δg)气辉光谱分布的方法。采用最新的分子光谱参数、光化学反应速率常数及F10.7太阳紫外通量等参数,结合光化学反应模型计算得到的O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率廓线信息,借助逐线积分算法,建立了1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型,并分析了自吸收效应对不同临边观测高度处气辉辐射光谱强度的影响。然后,利用剥洋葱算法,对大气图像扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)在临边观测模式下测得的O_(2)分子近红外大气带的气辉辐射信号进行处理得到了目标层O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射光谱,并通过谱积分算法反演得到了O_(2)(a^(1)Δg)气辉的体辐射率廓线信息。最后通过对比气辉临边观测辐射传输理论模型计算得到的以及SCIAMACHY仪器测量反演得到的1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)辐射光谱及体辐射率廓线信息,验证1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的可靠性与合理性。基于比对结果,对O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边辐射强度和体辐射率的影响因素进行了分析。分析结果表明,在50 km以上的高空区域,理论计算结果与卫星实测结果吻合性较好,而随着海拔高度的降低,两者的偏差逐渐增大,这是因为在临边观测模式下,中低空区域的卫星遥感信号受自吸收效应及大气散射效应影响严重。此外,与HITRAN数据库给出的谱线强度参数相比,基于爱因斯坦系数建立的O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边辐射模型与卫星实测结果更加吻合。1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的建立,对于临近空间大气遥感,奠定了理论基础。

关键词： O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率临边观测辐射传输理论模型

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大气压氦气预电离直流辉光放电二维仿真研究

物理学报 2024年第1期73卷 227-240页

作者：刘在浩刘颖华许博坪尹培琪李静王屹山赵卫段忆翔汤洁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重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100049 淮阴工学院数理学院淮安223003 四川大学机械工程学院分析仪器研究中心成都610064

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度... 详细信息

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大,电子、离子密度的分布更加均匀.对于电场而言,随着预电离的增强,阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩,阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀.电场的纵向分量分布逐渐减小,同时电场区域逐渐向壁面收缩.维持电压和放电功率都明显地降低.此外,随预电离的增加,短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区,而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区.仿真结果表明,预电离能够有效增强放电均匀性,并降低放电维持电压和能量消耗.该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.

关键词：预电离流体模型直流辉光放电

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基于DMD调制的结构光照明超分辨和光切片显微技术研究进展(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 1-24页

作者：马旺千佳王思颖马睿李星党诗沛栗星柏晨但旦姚保利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 中国科学院大学北京100049

将普通光学显微镜的均匀照明替换为光场具有空间结构分布的照明,可为显微镜增添超分辨和光切片的新功能。结构光照明显微(SIM)技术与传统宽场光学显微镜具有良好的结构兼容性,继承了传统光学显微镜非侵入、低光毒性、低荧光漂白、快速... 详细信息

将普通光学显微镜的均匀照明替换为光场具有空间结构分布的照明,可为显微镜增添超分辨和光切片的新功能。结构光照明显微(SIM)技术与传统宽场光学显微镜具有良好的结构兼容性,继承了传统光学显微镜非侵入、低光毒性、低荧光漂白、快速成像的优点。其高时空分辨率和三维光切片能力非常适合活体细胞或组织的观测,受到生物医学和光学界的持续关注。快速产生高对比度、高频率的结构光场并进行快速相移和旋转调控是SIM的核心技术。近年来基于数字微镜器件(DMD)调制的SIM(DMD-SIM)发展迅速,它利用DMD高刷新率、高光通量、偏振不敏感的优势,克服了传统器件如物理光栅和液晶空间光调制器在调控速度上的缺点。本综述首先介绍了SIM超分辨和光切片的基本原理,然后着重阐述了DMD-SIM通过光投影和光干涉产生结构光照明及调控光场的方法,对当前的DMD-SIM研究进展进行了归纳评述,总结了DMD-SIM的优缺点,最后对DMD-SIM面临的挑战和发展趋势进行了展望。

关键词：光学显微结构光照明显微超分辨光切片数字微镜器件

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激发态氢原子光电离中的偏振效应

光学学报 2024年第16期 19-27页

作者：钟铭宸万文钦皮良文姜维超深圳大学物理与光电工程学院量子精密测量研究所中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心

通过数值求解三维含时薛定谔方程，从理论上研究了氢原子2pz激发态在不同偏振方向的线偏振激光脉冲作用下的光电子动量分布。本文研究发现，无论是处于隧穿电离区还是多光子电离区，当偏振方向与初态极化方向的夹角不为0或π/2时，光电... 详细信息

通过数值求解三维含时薛定谔方程，从理论上研究了氢原子2pz激发态在不同偏振方向的线偏振激光脉冲作用下的光电子动量分布。本文研究发现，无论是处于隧穿电离区还是多光子电离区，当偏振方向与初态极化方向的夹角不为0或π/2时，光电子动量分布相对于激光脉冲偏振方向是不对称的，这种不对称性源于初始电子波函数相对于激光偏振方向的不对称分布。此外，本文还讨论了实验上观察这种不对称光电子分布的可行的泵浦-探测方案。

关键词：原子与分子物理强场电离激发态偏振效应

SO_(2)紫外相机标准泡定标法的误差校正

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光学学报 2024年第6期44卷 92-104页

作者：张会亮李发泉李娟王后茂张子豪郭建军武魁军何微微烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院湖北武汉430071 中国科学院西安光学精密机械研究所中国科学院光谱成像技术重点实验室陕西西安710119 中国科学院国家空间科学中心北京100190

针对标准泡法在远距离SO_(2)监测定标不准确的实际问题,开展定标误差校正方法研究。首先,基于标准泡定标法原理以及大气辐射传输理论,提出消除光稀释效应影响的图像校正方法;然后,在充分分析窗片与滤光片反射以及气溶胶散射效应的基础上... 详细信息

针对标准泡法在远距离SO_(2)监测定标不准确的实际问题,开展定标误差校正方法研究。首先,基于标准泡定标法原理以及大气辐射传输理论,提出消除光稀释效应影响的图像校正方法;然后,在充分分析窗片与滤光片反射以及气溶胶散射效应的基础上,对反射效应及散射特性对定标结果的影响进行量化;最后,综合上述影响因素计算得到光稀释效应校正及散射特性修正的定标曲线,并比较误差校正的标准泡定标法与DOAS定标法在反演SO_(2)柱密度图像以及SO_(2)排放速率之间差异。结果表明,所提出的校正方法可将标准泡法与DOAS法的定标结果差异从59%降低至7%,验证了该误差校正方法的有效性和准确度。

关键词：大气光学 SO_(2)紫外相机标准泡法定标曲线光稀释效应误差校正排放速率