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基于猫眼效应的激光主动探测技术研究进展

激光与光电子学进展 2024年

作者：张阔吕喆陈飞王佳敏李伟伟陈勇丁晓鹏中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电对抗部中国科学院大学

基于猫眼效应的激光主动探测技术在快速侦察定位和目标信息获取等领域得到广泛应用，本文针对光学系统猫眼效应理论及其在激光主动探测领域应用情况进行总结分析，研判该技术发展趋势与实施远距离目标激光主动探测的可行性。首先，阐述... 详细信息

基于猫眼效应的激光主动探测技术在快速侦察定位和目标信息获取等领域得到广泛应用，本文针对光学系统猫眼效应理论及其在激光主动探测领域应用情况进行总结分析，研判该技术发展趋势与实施远距离目标激光主动探测的可行性。首先，阐述了基于猫眼效应的激光主动探测系统的工作原理；其次，对比分析了利用猫眼效应进行激光主动探测的三种方法：几何光学法，物理光学法与角谱传播法；然后，研究猫眼目标回波数据特性与处理方法；最后，梳理了目前该技术存在的主要难点问题，结合工程需求，研判该技术的发展趋势。

关键词：激光主动探测猫眼效应回波光束回波信号识别

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基于液态金属的跨波段超宽带极化转换超表面

光学精密工程 2024年第7期32卷 987-997页

作者：邵亚楠李博文高世博邓永波中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100039

在无线通信领域,电磁波传播和极化方向调控对特定信号的识别与接收具有重要意义。提出了一种基于液态金属材质的跨X(8~12 GHz)和Ku(12~18 GHz)波段超宽带极化转换电磁超表面,具有宽频带、高极化转换率、体积小、无机械疲劳损伤、易共形... 详细信息

在无线通信领域,电磁波传播和极化方向调控对特定信号的识别与接收具有重要意义。提出了一种基于液态金属材质的跨X(8~12 GHz)和Ku(12~18 GHz)波段超宽带极化转换电磁超表面,具有宽频带、高极化转换率、体积小、无机械疲劳损伤、易共形、成本低等优点。该超表面能够实现从7.595 GHz到17.712 GHz超宽带范围内交叉极化转换或宽带圆极化转换的功能。当阶梯状液态金属结构宽度为1.6 mm时,在相对带宽为79.9%的7.595~17.712 GHz频带上,超表面极化转换率优于90%,具有共极化向交叉极化转换的功能。当阶梯状液态金属结构宽度为0.3 mm时,在相对带宽为12.30%的10.864~12.288 GHz频带上,超表面具有线极化向圆极化转换的功能;在相对带宽为3.54%的7.328~7.592 GHz频带上,超表面的极化转换率优于90%,具有共极化向交叉极化转换的功能。样品制备及其极化转换特性测试结果表明:实验结果与仿真结果的相对误差为4.20%,理论设计与实验验证结果一致,进而验证了的跨X和Ku波段超宽带极化转换电磁超表面的多功能性和有效性。

关键词：超表面液态金属极化转换超宽带

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小闪耀角单晶硅光栅结构参数优化及制备工艺

中国光学（中英文） 2024年第5期17卷 1139-1149页

作者：徐昊宇姜岩秀陈星硕王瑞鹏张靖巴音贺希格中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

本文开展了对单晶硅小闪耀角光栅的各向异性湿法刻蚀制备工艺研究,制备了适用于软X射线中波波段的闪耀光栅,以满足国家同步辐射光源的需要。首先,基于严格耦合波法对小闪耀角光栅进行了结构参数优化及工艺容差分析。在晶向对准过程中,... 详细信息

本文开展了对单晶硅小闪耀角光栅的各向异性湿法刻蚀制备工艺研究,制备了适用于软X射线中波波段的闪耀光栅,以满足国家同步辐射光源的需要。首先,基于严格耦合波法对小闪耀角光栅进行了结构参数优化及工艺容差分析。在晶向对准过程中,先通过环形预刻蚀确定硅片晶向,再基于倍频调整法实现光栅掩模与单晶硅晶向的对准。研究了光刻胶灰化技术及活性剂对光栅槽形质量的影响,并通过单晶硅各向异性湿法刻蚀工艺成功制备了接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅。实验结果证明:所制备光栅闪耀角为1°,刻线密度为1200 gr/mm,闪耀面均方根粗糙度在0.5 nm以内。此方法可以应用于软X射线中波波段闪耀光栅的制作,在获得较高衍射效率的同时可以大大减少制作难度及成本。

关键词：闪耀光栅单晶硅晶向对准湿法刻蚀

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地基光电成像系统中单芯轴的设计与优化

红外与激光工程 2024年第3期53卷 149-161页

作者：祝汉旺薛向尧邵明振张文豹李赏王秀硕王广义杨欣宇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

在大俯仰角和极端温差条件下,保持地基光电成像系统主镜面形精度的稳定性是关键。文中提出了一种新型单芯轴支撑结构,旨在提高主镜在极端环境下的稳定性和热膨胀适应能力,从而保证面形精度。通过卡式第二定理深入分析单芯轴应力尺寸链... 详细信息

在大俯仰角和极端温差条件下,保持地基光电成像系统主镜面形精度的稳定性是关键。文中提出了一种新型单芯轴支撑结构,旨在提高主镜在极端环境下的稳定性和热膨胀适应能力,从而保证面形精度。通过卡式第二定理深入分析单芯轴应力尺寸链参数对镜面误差的影响,并结合Isight平台和多岛遗传算法进行结构参数优化,实现了结构稳定性与面形精度的平衡。仿真结果表明,在不同环境条件下,主镜的均方根波前误差(RMS)均小于30 nm,峰值差(PV)小于120 nm,满足光学成像的高标准要求。此外,在ΔT=80℃、主镜光轴水平状态下,RMS和PV的优化率分别达到59.99%和23.2%,刚体位移的优化率高达21.96%,体现了设计的高效性。在20℃和40℃的控制室温条件下进行的激光干涉仪测试进一步证实了设计的有效性,以及与仿真结果的高度一致性。该研究为在大温差、大俯仰角条件下的地基光电成像系统中,中口径主镜的支撑结构设计提供了有力的参考,特别是在提高主镜面形精度方面具有重要意义。未来的研究将探讨该结构在更广泛温差和更大口径主镜下的应用,以及进一步优化其光学性能和结构稳定性。

关键词：光电成像主镜支撑有限元分析优化设计单芯轴

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轻小型短波红外自准直高光谱成像仪设计

光学学报 2024年第3期44卷 238-246页

作者：刘洋李博顾国超李寒霜王晓旭中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得... 详细信息

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构,并逐步进行优化。同时,在狭缝处引入一块平面反射镜,对望远系统进行折叠,避免狭缝与探测器干涉,并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm,F数优于3,在奈奎斯特频率为20 lp/mm时,调制传递函数(MTF)均优于0.8,全视场均方根半径(RMS)均小于7μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。

关键词：光学设计成像光谱仪自准直轻小型

荧光粉/SiO_(2)荧光膜用于高显指激光照明

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硅酸盐学报 2024年第3期52卷 820-827页

作者：武华君潘国徽吴昊张亮亮张家骅中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院大学材料科学与光电工程中心北京100049

利用“蓝光激光+无机荧光体”的方式产生白光是当前激光照明的主流技术,具有结构简单、成本低等优势。但现有的无机荧光体光谱中缺乏青绿光和红光成分,导致激光照明的显色指数偏低。本工作通过引入电荷补偿剂Na^(+)的方式,制备出高效的... 详细信息

利用“蓝光激光+无机荧光体”的方式产生白光是当前激光照明的主流技术,具有结构简单、成本低等优势。但现有的无机荧光体光谱中缺乏青绿光和红光成分,导致激光照明的显色指数偏低。本工作通过引入电荷补偿剂Na^(+)的方式,制备出高效的蓝绿色Ca_(3)Sc_(2)Si_(3)O_(12):Ce^(3+),Na^(+)荧光粉,其内/外量子效率分别达到86%和55%;然后结合商用CaAlSiN_(3):Eu^(2+)红粉,以二氧化硅溶胶为无机黏结剂,在蓝宝石衬底上低温制备出高效的复合荧光膜。该荧光膜具有良好的热稳定性,200℃时其荧光强度仍保持在常温下的84%;荧光膜中绿光、黄光、红光成分均匀分布,其半高宽达176 nm;在蓝光激光激发下产生647 lm的白光,光效122 lm/W,光源的显色指数88。这些结果表明荧光粉/SiO_(2)复合荧光膜在高显色激光照明中有广阔的应用前景。

关键词：激光照明荧光转换体高显色石榴石硅酸钪钙

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具有高吸收性能的柔性超黑表面

光学精密工程 2024年第15期32卷 2334-2343页

作者：吴家政安阳李炜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

超黑表面在热辐射等领域发挥着重要作用,为了制备具有宽光谱高吸收特性的超黑表面,并且简化制备流程、降低成本,提出一种基于飞秒激光和倒模技术的制造方法。实验以激光加工的铜片为母版,探究激光参数对微结构形貌尺寸的影响,选取合适... 详细信息

超黑表面在热辐射等领域发挥着重要作用,为了制备具有宽光谱高吸收特性的超黑表面,并且简化制备流程、降低成本,提出一种基于飞秒激光和倒模技术的制造方法。实验以激光加工的铜片为母版,探究激光参数对微结构形貌尺寸的影响,选取合适参数进行周期性微结构的加工。利用二次模具将周期性微结构与黑漆基底进行结合,获得一种在太阳光谱宽波段具有全向高吸收性能的柔性超黑表面。最后,利用超黑表面联合氧化铟锡(IndiumTin Oxide,ITO)透明玻璃提出一种太阳能吸收器设计方法,并进行户外实验验证。实验结果表明:超黑表面在太阳光谱波段具有高达98.3%的正入射吸收率,入射角为70°大角度时,超黑表面仍具有90%以上的吸收率。覆盖有ITO透明玻璃的太阳能吸收器最高可提升4℃的器件温度。整体工艺制备流程简单,成本低廉,超黑表面具有柔性基底且可大面积扩展。

关键词：飞秒激光加工倒模超黑表面吸收率微结构阵列

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低误差敏感度大视场离轴三反光学系统设计

光学学报 2024年第16期44卷 292-301页

作者：任成明陈琪孟庆宇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

提出了一种贯穿光学系统设计全过程的低误差敏感度设计方法,将像质评价函数与误差敏感度评价函数相结合,采用非支配遗传算法筛选出兼具高像质和低误差敏感度的初始结构,并在后续设计过程中同步扩展视场和优化误差敏感度,最终获得满足指... 详细信息

提出了一种贯穿光学系统设计全过程的低误差敏感度设计方法,将像质评价函数与误差敏感度评价函数相结合,采用非支配遗传算法筛选出兼具高像质和低误差敏感度的初始结构,并在后续设计过程中同步扩展视场和优化误差敏感度,最终获得满足指标要求的低误差敏感度大视场离轴三反光学系统。以设计一个焦距为100 mm、F数为6.7、视场为40°×4°的大视场离轴三反光学系统为例,验证了低误差敏感度设计方法的有效性与实用性。

关键词：光学设计离轴三反光学系统误差敏感度大视场

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光镊在深海环境中的捕获特性

光子学报 2024年第2期53卷 160-170页

作者：王京刘博刘坤香陈福原李备中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室长春130033 中国科学院大学北京100049

在深海原位环境下精确捕获和收集单个目标微生物是当前深海微生物研究中的一大挑战。设计了一个应用在深海环境中的光镊捕获系统方案,系统包含光镊模块、微流控芯片、耐压外罩等部分,可实现原位捕获收集深海微生物。建立了位于南海北纬1... 详细信息

在深海原位环境下精确捕获和收集单个目标微生物是当前深海微生物研究中的一大挑战。设计了一个应用在深海环境中的光镊捕获系统方案,系统包含光镊模块、微流控芯片、耐压外罩等部分,可实现原位捕获收集深海微生物。建立了位于南海北纬18°附近,1.5 km深处的海水折射率模型,预估了深海对光镊系统激光功率的损耗。使用T矩阵法计算对比了光镊在深海中和陆地上的纯水中对不同折射率和不同大小的球形微生物的捕获力。结果表明,相比于纯水中,光镊在1.5 km的深海中的最大轴向捕获力平均降低了25%,最大横向捕获力平均降低了20%。本研究可为未来基于光镊技术开发的深海微生物分选设备的下海实验提供参考。

关键词：光镊光镊捕获力 T矩阵法深海环境深海微生物海水折射率