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基于超构透镜的微型头戴式荧光显微镜设计

中国光学（中英文） 2024年第3期17卷 512-520页

作者：张智淼王承邈谢冕林雨韩业明邓永波郭长亮付强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 清华大学生命学院北京100084 北京大学未来技术学院北京100871

微型头戴式荧光显微镜可以对自由移动活体动物大脑中的神经活动进行实时成像,是近些年兴起的脑科学研究新仪器。然而,目前大多数微型荧光显微镜为了做到更小巧、更轻便,视场都比较小,这使得可用于观测的神经细胞数量受限,虽然有大视场... 详细信息

微型头戴式荧光显微镜可以对自由移动活体动物大脑中的神经活动进行实时成像,是近些年兴起的脑科学研究新仪器。然而,目前大多数微型荧光显微镜为了做到更小巧、更轻便,视场都比较小,这使得可用于观测的神经细胞数量受限,虽然有大视场系统的报道,但重量都比较大,对动物的自由行为会产生一定的影响。为了提高微型荧光显微镜成像性能,同时降低其重量,光学系统采用超轻、超薄、成像质量高的超构透镜。本文首先推导了双曲相位超构透镜的像差公式,并以此为指导,完成了一款视场为4 mm×4 mm、NA为0.14的微型荧光显微镜设计,实现了7种初级像差的校正。装配完成的样机重量仅为4.11 g,全视场范围内分辨率为7.8μm,对自由移动小鼠大脑中的神经活动进行成像观测能够达到单细胞分辨率。

关键词：微型荧光显微镜超构透镜光学设计神经科学像差理论

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红外与可见光双模导引头光学系统设计

红外技术 2024年第1期46卷 27-30页

作者：吕阳辛宏伟康玉思贺玉坤陈长征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

为了提升导弹在复杂环境下的寻的制导能力,设计了一种红外与可见光双模式导引头光学系统。该方案中采用分光镜透射红外光反射可见光,使结构布局更加紧凑,实现红外与可见光共口径,同时配合红外材料选取,实现光学被动消热差设计。中红外... 详细信息

为了提升导弹在复杂环境下的寻的制导能力,设计了一种红外与可见光双模式导引头光学系统。该方案中采用分光镜透射红外光反射可见光,使结构布局更加紧凑,实现红外与可见光共口径,同时配合红外材料选取,实现光学被动消热差设计。中红外模式视场角3°×2.3°,可见光模式视场角5°×4°,工作温度20℃条件下,双模式在截止频率处,MTF(Modulation Transfer Function)值均大于0.4。红外与可见光双模式光学系统适合应用于复杂环境的导弹制导,对温度有良好的适应性,具有较好的成像质量,满足系统的性能要求。

关键词：光学系统可见光长波红外消热差

基于混合灵敏度的在轨组装望远镜CMOS组件热设计

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红外技术 2024年第8期46卷 853-857页

作者：田德福郭亮熊琰吴清文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

针对某在轨组装望远镜CMOS组件与其他模块间存在复杂热耦合,且外热流变化剧烈,导致CMOS组件热设计难以确定最优参数的问题,本文提出了一种基于平均影响值(mean impact value,MIV)算法并结合传统回归分析Pearson和Spearman算法相互对比... 详细信息

针对某在轨组装望远镜CMOS组件与其他模块间存在复杂热耦合,且外热流变化剧烈,导致CMOS组件热设计难以确定最优参数的问题,本文提出了一种基于平均影响值(mean impact value,MIV)算法并结合传统回归分析Pearson和Spearman算法相互对比验证的混合灵敏度分析方法,开展CMOS组件热设计参数灵敏度分析,得到关键参数并完成热设计优化。相较传统遍历选取热设计参数方法,热设计参数数量由原始10个减少为2个重要及5个次要参数,参数选取更具有目的性,提升了热设计效率。仿真分析结果表明,CMOS轨道周期内温度波动1.6℃~25.4℃,热设计满足工作温度,验证了基于混合灵敏度分析方法的热设计可行性。

关键词：热设计灵敏度分析望远镜神经网络

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臭氧激光雷达四通道光纤光谱仪设计

激光与光电子学进展 2024年第4期61卷 199-205页

作者：张建文李博林冠宇顾国超李寒霜王晓旭胡登辉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 中国科学院微小卫星创新研究院上海201200

为了实现差分吸收激光雷达对臭氧浓度和气溶胶的同时探测,对常见的三通道分光光谱仪进行改进优化。确定光谱仪初始结构后,使用光栅方程对四通道的摆放位置进行计算分析。使用球面镜和全息光栅,通过添加距离约束,将四个光谱通道控制在合... 详细信息

为了实现差分吸收激光雷达对臭氧浓度和气溶胶的同时探测,对常见的三通道分光光谱仪进行改进优化。确定光谱仪初始结构后,使用光栅方程对四通道的摆放位置进行计算分析。使用球面镜和全息光栅,通过添加距离约束,将四个光谱通道控制在合理的机械结构范围内,最终设计了一款四通道分光、低F数的光谱仪系统。该系统使用圆阵列转线列光纤,提高了接收系统对大气回波信号的接收强度,实现了对266,289,316,532 nm回波信号强度的精确探测。设计结果表明,光谱仪系统可连接0.12数值孔径的线列光纤,在266,289,316 nm光谱分辨力优于0.5 nm,在532 nm处光谱分辨力优于1 nm,满足激光雷达探测光谱分辨率的要求。分析了光谱仪出射狭缝的曲率半径和圆心位置。该设计可实现激光雷达对气溶胶和臭氧的同时探测,简化了系统结构。

关键词：激光雷达臭氧紫外光栅光谱仪和光谱仪器

532 nm响应增强的AlGaAs光电阴极

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物理学报 2024年第11期73卷 368-376页

作者：王东智张益军李诗曼童泽昊唐嵩石峰焦岗成程宏昌富容国钱芸生曾玉刚南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094 微光夜视技术重点实验室西安710065 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

AlGaAs光电阴极具有响应速度快和光谱响应范围可调的特性,可被应用于水下光通信领域.为了解决AlGaAs发射层较低的光吸收限制其量子效率提高的问题,利用分布式布拉格反射镜(DBR)结构对特定波长光的反射作用,将透过光重新反射回发射层进... 详细信息

AlGaAs光电阴极具有响应速度快和光谱响应范围可调的特性,可被应用于水下光通信领域.为了解决AlGaAs发射层较低的光吸收限制其量子效率提高的问题,利用分布式布拉格反射镜(DBR)结构对特定波长光的反射作用,将透过光重新反射回发射层进一步提高吸收率,从而增强阴极在532 nm波长处的响应能力.通过求解一维连续性方程,建立了具有DBR结构的AlGaAs光电阴极光谱响应模型.采用时域有限差分法,分析了DBR结构中子层周期对数、子层材料以及发射层、缓冲层厚度对发射层吸收率的影响,对比了有无DBR结构AlGaAs光电阴极的光吸收分布.结果表明,周期对数为20、子层材料为Al_(0.7)Ga_(0.3)As/AlAs的DBR结构对532 nm光的反射效果最优.基于该DBR结构,发射层和缓冲层厚度分别为495 nm和50 nm时,发射层对532 nm光具有最佳吸收率.通过对外延生长的AlGaAs光电阴极进行激活实验,结果表明具有DBR结构的AlGaAs光电阴极在532 nm波长处的光谱响应率相比无DBR结构的AlGaAs光电阴极光谱响应率提升了约1倍.

关键词： AlGaAs光电阴极分布式布拉格反射镜光谱响应光吸收

基于光强轮廓结构的偏振无关高衍射效率二维光栅

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激光与光电子学进展 2024年

作者：姜岩秀王瑞鹏孙雨琦王新宇李文昊中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院大学大珩学院

针对目前二维光栅设计结构单一、与实际结构不匹配的问题，提出了一种金属-介质二维光栅，不仅具有优异的偏振无关性和高衍射效率，并且光栅结构更符合实际制备的形貌。基于双光束正交曝光单周期干涉场强度分布，构建了基于光强轮廓的... 详细信息

针对目前二维光栅设计结构单一、与实际结构不匹配的问题，提出了一种金属-介质二维光栅，不仅具有优异的偏振无关性和高衍射效率，并且光栅结构更符合实际制备的形貌。基于双光束正交曝光单周期干涉场强度分布，构建了基于光强轮廓的二维光栅设计结构，采用傅里叶模态法和粒子群算法对光栅进行优化设计。结果表明，设计的二维光栅在780nm波长下以Littrow角度入射时，TE/TM偏振光衍射效率均大于95%，并且具有优异的偏振无关性和较大的制备容差。此外，通过对比同结构参数下传统圆台、棱台结构的二维光栅衍射效率，表明光栅结构的微小变化对二维光栅衍射效率的影响较大，基于光强轮廓的设计结构可以有效提高光栅设计与实际的匹配度。本文的工作为位移测量领域高精度二维光栅的研制提供了理论基础。

关键词：二维光栅偏振无关光栅设计位移测量

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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

基于米氏散射模型的高斯激光束在海水中传输特性的数值仿真

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激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 156-164页

作者：桂甸孟浩然杨昊刘欣悦闫锋中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为进一步研究高斯激光束在水下通信与信息探测中的应用和在不同海水环境中传输过程的特性,以海水中最常见的陆源悬浮泥沙粒子为例,将米氏(Mie)散射理论与蒙特卡罗(Monte Carlo)方法相结合建立含有悬浮物海水中波长为520 nm的高斯激光传... 详细信息

为进一步研究高斯激光束在水下通信与信息探测中的应用和在不同海水环境中传输过程的特性,以海水中最常见的陆源悬浮泥沙粒子为例,将米氏(Mie)散射理论与蒙特卡罗(Monte Carlo)方法相结合建立含有悬浮物海水中波长为520 nm的高斯激光传输模型,研究了特定直径和密度的粒子群对激光传输的影响。分析了不同探测距离下高斯激光传输模型的归一化接收功率随激光初始发散角的变化。研究结果表明:1)通过改变米氏散射模型中的悬浮泥沙粒子的直径和密度,从而改变仿真中设置的消光系数、散射系数和不对称因子,探测靶面的接收功率随散射体直径、密度和传输距离增加呈指数级减小;2)在一定范围内,初始发散角的变化不会影响接收面的接收功率,并且这种范围随着散射系数以及传输距离的增大而减小。所提的研究方法为进一步实际分析含复杂颗粒群(悬浮气泡、浮游藻类、悬浮泥沙)海水中高斯激光传输特性变化奠定理论基础,可为相关的工程估算提供参考。

关键词：米氏散射蒙特卡罗法高斯激光水下传输不对称因子

基于FEM的引力参考传感器自引力计算与补偿

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中国空间科学技术（中英文） 2024年第2期44卷 89-97页

作者：高志勇王上王智国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院杭州310012 中国科学院大学北京100049 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在3×10^(-15)m·s^(-2)/√Hz以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起... 详细信息

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在3×10^(-15)m·s^(-2)/√Hz以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起的自引力噪声是检验质量的残余加速度噪声主要来源之一,要求检验质量在敏感轴方向的自引力加速度小于1×10^(-10)m/s^(2),引力梯度小于5×10^(-8)s^(-2)。为了计算检验质量处的自引力大小和引力梯度,针对检验质量与引力源几何形状的不规则性,基于有限元法编写程序计算了引力参考传感器中的引力源作用在检验质量上的线加速度、角加速度和引力梯度。为了缩短计算时间,提出“类自适应”网格划分方法以减小网格数量,并设计了配重以补偿自引力。计算结果显示,经过补偿后的检验质量在敏感轴方向的自引力加速度为9.2377×10^(-12)m/s^(2),引力梯度为-2.5691×10^(-8)s^(-2),满足设计要求。本研究能够为航天器和引力参考传感器的设计与引力补偿提供参考与指导。

关键词：空间引力波探测引力参考传感器自引力引力梯度引力补偿有限元法