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基于相位传递函数的分块镜共相位倾斜误差检测

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光学学报 2024年第4期44卷 117-127页

作者：张璐赵伟瑞赵跃进刘娟北京理工大学光电学院北京100081 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室北京100081

消除拼接主镜式望远镜的分块子镜间的共相位倾斜(tip-tilt)误差是有效提升集光能力、实现共相位成像的关键之一。提出了一种基于相位传递函数(PTF)的分块子镜的tip-tilt高精度检测方法。在分块镜的共轭面处设置具有离散孔结构的光阑,将... 详细信息

消除拼接主镜式望远镜的分块子镜间的共相位倾斜(tip-tilt)误差是有效提升集光能力、实现共相位成像的关键之一。提出了一种基于相位传递函数(PTF)的分块子镜的tip-tilt高精度检测方法。在分块镜的共轭面处设置具有离散孔结构的光阑,将其作为tip-tilt检测系统的入瞳,借助傅里叶分析,推导建立了误差检测系统的PTF与tip-tilt的函数关系,通过对探测得到的点扩散函数进行傅里叶分析,得到PTF,依据建立的函数关系即可实现tip-tilt的高精度检测。对所提方法进行了仿真分析和实验验证,检测精度的均方根(RMS)值为2.99×10^(-3)λ(λ为波长)。所提方法结构简单,只需要设置一个具有离散孔结构的光阑,可用于拼接式主镜、稀疏孔径系统的共相位tip-tilt误差检测。

关键词：傅里叶光学相位传递函数分块镜倾斜误差离散孔光阑傅里叶变换

基于双光栅和柱透镜的高分辨率近红外微型光谱仪

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1144-1150页

作者：吴婧仪周哲海赵爽闵昆龙李慧宇北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室北京100192 北京航天测控技术有限公司北京100041

因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大... 详细信息

因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大不便于携带等问题,为此,提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构,开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构,新的设计主要有三个特征:使用光纤代替入射狭缝,以减少光能损失;采用双光栅将光束进行二次衍射;使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先,利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析,光谱范围为1525~1570 nm,光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内,光谱分辨率理论上达到0.2 nm,比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后,根据理论分析,选购了合适的光电器件进行了系统封装,与匹配的电路模块结合,实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内,实际测量的光谱分辨率为0.215 nm,与理论结果较为吻合。进一步地,搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统,该微型光谱仪作为信号解调仪,选择了四个中心波长分别为1534、1538、1542和1545 nm的光纤光栅作为传感器,温度在0~50℃范围内以1℃为间隔连续变化,最终实现了温度实时测量和信号解调,系统温度灵敏度分别达到9.58、9.68、9.69和9.6 pm·℃^(-1),验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上,系统内部无可移动元器件,体积小、分辨率高、稳定性好,可应用于其他诸如物质浓度分析、传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。

关键词：微型光谱仪双光栅柱透镜高分辨率近红外波段

基于异常反射型超表面的中红外激光偏振合束器

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光学学报 2024年第10期44卷 404-413页

作者：杨露露王欣张梦杨苏辉张金英北京理工大学光电学院北京100081 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室北京100081 信息光子技术工业和信息化部重点实验室北京100081

提出一种基于异常反射超表面的偏振合束器。当两束偏振态正交的(X方向线偏振和Y方向线偏振)4.0μm波段光束分别以11.54°和-11.54°角入射至超表面时,借助异常反射效应,两路光会同时以0°角反射,从而实现偏振合束。超表面偏振合束器由2... 详细信息

提出一种基于异常反射超表面的偏振合束器。当两束偏振态正交的(X方向线偏振和Y方向线偏振)4.0μm波段光束分别以11.54°和-11.54°角入射至超表面时,借助异常反射效应,两路光会同时以0°角反射,从而实现偏振合束。超表面偏振合束器由2μm×20μm的周期性排列超胞构成,制备在硅衬底上。每个超胞包含10个离散的2μm×2μm单胞。单胞由底层金、中间层二氧化硅和顶层矩形硅柱构成。采用粒子群算法优化顶层硅柱的两个边长尺寸,可实现两路正交偏振光相位和振幅的独立操纵,使X和Y方向线偏振光的异常反射率高达96.6%和97.7%。基于这一偏振合束器,设计了中红外激光偏振合束实验装置。当两路入射光均为基横模高斯光束时,通过仿真分析得到合束后光束的传输质量因子M2为1.12,整个合束装置的合束总效率为85.3%。仿真结果表明,所提出的合束技术可有效提高中红外激光的输出亮度。

关键词：物理光学中红外波段超表面偏振合束异常反射

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基于锁模光学频率梳的高速数据传输

物理学报 2024年第4期73卷 178-185页

作者：刘琪华梅佳雪王金栋张福民曲兴华天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044

大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战.本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法,通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频... 详细信息

大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战.本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法,通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域,生成携带编码信息的高速、高阶、低相位噪声的调制信号,再结合锁模光学频率梳窄线宽、多波长的特性,仅使用单个激光器即可实现基于波分复用技术的大规模并行高速通信.仿真验证了该方案的可行性,随后在100 m的自由空间光链路中使用光子微波信号进行16元正交幅度调制通信实验,实现了误码率低于10^(–6)的14 Gbit/s数据传输.

关键词：锁模光学频率梳微波光子学空间光通信正交幅度调制

基于脉冲受激布里渊散射光谱的非接触式黏弹性测量

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物理学报 2024年第12期73卷 367-376页

作者：李佳芮乐陶然尉昊赟李岩清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

细胞和组织的力学特性在决定生物功能中起着至关重要的作用,布里渊光谱技术作为一种黏弹性显微成像方法,可以无标记、非接触地以高空间分辨率表征样品的力学特征变化.为了更加灵敏地识别生物系统的微小力学性质差异,在提高布里渊散射效... 详细信息

细胞和组织的力学特性在决定生物功能中起着至关重要的作用,布里渊光谱技术作为一种黏弹性显微成像方法,可以无标记、非接触地以高空间分辨率表征样品的力学特征变化.为了更加灵敏地识别生物系统的微小力学性质差异,在提高布里渊散射效率的同时,结合多种黏弹性对比机制进行测量是需要关注的问题.本文报道了基于脉冲受激布里渊散射的光谱测量方法,采用脉冲光激发、连续光时域探测的方式,通过一次时域测量即可得到完整光谱并根据光谱信息反演样品的多种黏弹性参数.得益于受激散射和时域探测,实验中以毫秒级的光谱积分时间即可得到信噪比为26 dB的光谱,弹性纵模的存储模量和损耗模量的平均测量精度分别达0.1%和1%.基于此方法,测量并对比了常见液体及聚合物材料的布里渊光谱,并研究了不同固化阶段的PDMS弹性变化,与琼脂糖凝胶进行了对比.最后,基于多种黏弹性对比机制对6种食用油进行鉴别,不仅为物质鉴别提供了新的思路,也拓展了布里渊光谱的测量能力,提高了黏弹性测量的灵敏性.

关键词：布里渊散射黏弹性生物力学

基于表面增强拉曼光谱和机器学习算法的革兰氏阳性菌和阴性菌检测

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激光杂志 2024年

作者：吴子卿谢兴飞周哲海北京信息科技大学机械工业现代光电测试技术重点实验室北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室

表面增强拉曼光谱技术与机器学习算法相结合，为快速、准确的检测和鉴定革兰氏阳性菌与阴性菌提供了解决方案，但使用哪种机器学习算法能达到最佳的检测效果仍然是一个值得深入研究的问题。论文针对不同细菌的表面增强拉曼光谱检测与算... 详细信息

表面增强拉曼光谱技术与机器学习算法相结合，为快速、准确的检测和鉴定革兰氏阳性菌与阴性菌提供了解决方案，但使用哪种机器学习算法能达到最佳的检测效果仍然是一个值得深入研究的问题。论文针对不同细菌的表面增强拉曼光谱检测与算法分类的需求，搭建拉曼光谱系统并配置金纳米胶体，分别测量了2073组食源性致病菌的表面增强拉曼光谱，比较了支持向量机等7种机器学习算法，以测试不同机器学习算法对革兰氏阳性菌与阴性菌的快速和准确检测的能力。结果表明，5种算法在测试集上的识别率达到97%以上，其中支持向量机是各项数据最优秀的模型，准确率达到99.27%。研究表明，选用合适的机器学习算法能更好的提高对革兰氏阳性菌和阴性菌检测的准确率和效率。

关键词：表面增强拉曼光谱机器学习算法革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌

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非正交轴系激光经纬仪反向运动学线性模型

光学学报 2024年第2期44卷 204-212页

作者：孙泽峰康杰虎梁健张振冯橹源吴斌天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072

为满足大尺寸测量仪器性能与制造水平提升的需求,基于非正交轴系架构理念对激光经纬仪进行设计。针对非正交轴系经纬仪在无参考末端情况下计算反向运动旋转角度的难题,提出反向运动线性模型,以实现旋转角度的快速、高精度计算。首先,基... 详细信息

为满足大尺寸测量仪器性能与制造水平提升的需求,基于非正交轴系架构理念对激光经纬仪进行设计。针对非正交轴系经纬仪在无参考末端情况下计算反向运动旋转角度的难题,提出反向运动线性模型,以实现旋转角度的快速、高精度计算。首先,基于李群李代数基本理论构建非正交轴系经纬仪正向运动学模型。其次,构建空间目标点与视准轴位姿参数间的约束关系,并结合旋转角度误差传递模型,确立用于求解旋转角度误差修正值的线性方程组。最终通过旋转角度初始估计值与误差修正值线性相加,获取高精度的反向旋转角度值。仿真结果表明,该方法所计算的旋转角度误差趋近于0,真实实验的旋转角度误差均小于0.02 mrad,验证了所提反向运动学线性模型的可行性与实用性。

关键词：光学仪器非正交轴系反向运动线性模型误差传递

视频引导的手持式高速光学相干层析成像系统研究

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中国激光 2024年第9期51卷 207-214页

作者：刘硕朱疆陈旭东王重阳马宗庆孟晓辰樊凡北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院北京102206 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室北京102206

光学相干层析成像(OCT)是一种高空间分辨率的光学成像方法,可以对生物组织进行非接触、无标记的二维截面和三维体积成像,能为临床疾病的诊断提供具有重要参考价值的影像信息。在传统的台式OCT系统中,扫描探头被固定在工作台上,探头结构... 详细信息

光学相干层析成像(OCT)是一种高空间分辨率的光学成像方法,可以对生物组织进行非接触、无标记的二维截面和三维体积成像,能为临床疾病的诊断提供具有重要参考价值的影像信息。在传统的台式OCT系统中,扫描探头被固定在工作台上,探头结构较大,灵活性差,不利于深入狭小腔体内部成像或在床旁检测。本团队设计了一种视频引导的手持式高速OCT系统,其手持探头结构紧凑、体积小巧,便于抓取和深入狭小腔体内部;探头内部集成了相机成像功能,可以实时获得成像区域的视频图像,引导OCT成像。该系统的A线扫描速率可以达到200kHz。为了克服成像过程中的抖动问题,本团队提出了图像自动配准算法,该算法能显著提高图像质量。采用该系统对离体猪眼角膜和离体猪牙齿进行成像,以验证系统的性能。结果显示该系统能够高速获取高分辨的组织图像。

关键词：医用光学光学相干层析成像手持探头图像配准

低损耗超声波金属化光纤布拉格光栅传感特性研究

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红外与激光工程 2024年第6期53卷 159-165页

作者：田婧祝连庆姚霁峰宋言明张钰民北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心北京100016 现代测控技术教育部重点实验室北京100192 北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室北京100192

传统胶粘式表贴封装的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在长期使用过程中易出现蠕变、老化等现象,采用性质稳定的金属材料代替高分子聚合物胶粘剂封装可解决上述问题。采用超声波焊接法对FBG进行全覆盖式封装,实现了超低... 详细信息

传统胶粘式表贴封装的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在长期使用过程中易出现蠕变、老化等现象,采用性质稳定的金属材料代替高分子聚合物胶粘剂封装可解决上述问题。采用超声波焊接法对FBG进行全覆盖式封装,实现了超低损耗表贴式金属化封装结构,并研究了其温度和应变传感特性。结果表明:采用超声波焊接法进行金属化封装对FBG造成的传输损耗仅为0.04dB,封装后FBG传感器的温度灵敏度系数为26.44pm/℃,应变灵敏度系数为1.18 pm/με,温度和应变传感拟合R-Squared均达到0.9996以上。可见,采用超声波焊接法能够实现结构简单、传感性能可靠的低损耗金属化FBG温度和应变传感器的制作。

关键词：光纤布拉格光栅金属化封装超声波焊接低损耗传感特性