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双梯形多模干涉耦合器用于提高半导体激光器电光效率

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中国激光 2024年第14期51卷 100-108页

作者：宫梓傲虞顺超邹永刚徐英添范杰长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室吉林长春130022 长春理工大学重庆研究院重庆401122

设计并制作了一种含有双梯形多模干涉(DT-MMI)耦合器结构的有源MMI半导体激光器(DTM-LD)。基于双梯形MMI多模波导的自映像分布重构效应,该激光器在保持与传统矩形有源MMI激光器(MMI-LD)相同有源区面积的同时,具有更短的器件腔长,有利于... 详细信息

设计并制作了一种含有双梯形多模干涉(DT-MMI)耦合器结构的有源MMI半导体激光器(DTM-LD)。基于双梯形MMI多模波导的自映像分布重构效应,该激光器在保持与传统矩形有源MMI激光器(MMI-LD)相同有源区面积的同时,具有更短的器件腔长,有利于器件电光转换效率的提升。实验制得了双梯形底宽为15μm、腰宽为30μm的DTM-LD器件。在保持有源面积约为3.33×10^(4)μm^(2)的情况下,该激光器件的腔长相比于MMI-LD减小了4.2%。在注入电流为1 A的情况下,DTM-LD的电光转换效率由14.5%提升至16.3%,相对提升了12.4百分点,同时其最高输出功率由355 mW小幅提升至360 mW。当MMI多模波导的宽度减小0.5μm时,相比于MMI-LD,DTM-LD的输出功率损耗由51 mW减小至40 mW,降低了21.6%,这表明DTM-LD具有较低的制造误差敏感性。

关键词：半导体激光器 MMI耦合器双梯形电光转换效率

基于叠栅条纹投影成像的差动式光栅位移测量系统

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光学学报 2024年第14期44卷 135-143页

作者：姚云飞高旭长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

为突破传统光栅位移测量系统依赖四裂相正弦波光电信号测量的局限,提出了一种基于叠栅条纹投影成像的差动式光栅位移测量方法。根据光栅偏振光干涉原理,利用图像处理方法和叠栅条纹的位移放大特性,规避了当前光栅的加工水平对高精度位... 详细信息

为突破传统光栅位移测量系统依赖四裂相正弦波光电信号测量的局限,提出了一种基于叠栅条纹投影成像的差动式光栅位移测量方法。根据光栅偏振光干涉原理,利用图像处理方法和叠栅条纹的位移放大特性,规避了当前光栅的加工水平对高精度位移测量的限制,设计了叠栅条纹投影成像的高分辨率单光栅位移光学感知系统,实现了4倍光学细分位移信号的获取,并利用CMOS图像探测器完成了位移信号的图像式转换。推导了图像式位移感知信号的数学模型,从叠栅成像的光学机理出发,对光栅这一核心元件的刻划误差、平整度误差、装调误差等进行了具体的解算,并对系统进行了仿真模拟和设计性能的分析,进一步阐述了系统动态工作的最大允许速度与帧率之间的关系,在0.048 mm/s的最大允许速度下,该系统的基础分辨率可达2.075μm,细分后分辨率可达纳米/亚纳米量级。

关键词：物理光学光栅位移测量系统叠栅条纹投影成像相移

Herriott型气体池的反射镜装配公差影响分析

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光学学报 2024年第13期44卷 222-230页

作者：周新雨胡源刘子龙关禹聪长春理工大学光电工程学院吉林长春130012

基于Herriott型气体池的基本原理以及ABCD矩阵的扩展矩阵,分析了对气体池参数产生影响的公差类型,建立了两反射镜间距、倾斜以及偏心公差的数学模型。最后,仿真分析了不同等效光程下,公差对出射光能量利用率的影响。所提出的数学模型和... 详细信息

基于Herriott型气体池的基本原理以及ABCD矩阵的扩展矩阵,分析了对气体池参数产生影响的公差类型,建立了两反射镜间距、倾斜以及偏心公差的数学模型。最后,仿真分析了不同等效光程下,公差对出射光能量利用率的影响。所提出的数学模型和分析方法可用于任意单环Herriott型气体池,并且便于在实际气体池的设计中针对不同的等效光程给出合理的两镜间距、倾斜以及偏心公差的允许变动量,这对气体池的工程实现具有重要的理论意义。

关键词： Herriott型气体池 ABCD矩阵数学模型公差分析

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基于双PSD的三维测角传感器精度分析

红外与激光工程 2024年第2期53卷 98-108页

作者：赵文赫白杨杨王劲凯张立中长春理工大学机电工程学院吉林长春130022 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心吉林长春130022

在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中,对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台,需要考虑非接触三轴角度测量方法,目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂,占用空间大,无法适用于如机载、星载等... 详细信息

在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中,对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台,需要考虑非接触三轴角度测量方法,目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂,占用空间大,无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此,文中提出了基于双位置敏感探测器(PSD)的非接触三轴角度测量方案,使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射,将光源在两片PSD上汇聚成像,利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成,分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差,提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理,分析了滤波器的相频响应特性,并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽,验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g,尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明,34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%,在±2°测量范围内单轴测量时,方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°,组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°,文中所提出的三维测角传感器精度较高,满足机载等场景的使用要求。

关键词：三轴姿态角度测量非接触测量位置敏感探测器滤波带宽响应频率

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快速旋转光学延迟线的非线性误差校准技术

光学学报 2024年第5期44卷 93-100页

作者：祝莉莉薛竣文任姣姣张丹丹顾健张霁旸李丽娟长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528403

光学延迟线是影响太赫兹时域光谱系统中太赫兹信号准确性、信噪比以及频谱分辨率的关键环节。本文设计了一种由24个转盘反射面(TRS)构成的快速旋转光学延迟线(FRODL)。通过对FRODL工作角度的仿真,得到了其理论延迟时间和理论非线性度。... 详细信息

光学延迟线是影响太赫兹时域光谱系统中太赫兹信号准确性、信噪比以及频谱分辨率的关键环节。本文设计了一种由24个转盘反射面(TRS)构成的快速旋转光学延迟线(FRODL)。通过对FRODL工作角度的仿真,得到了其理论延迟时间和理论非线性度。基于FRODL实际耦合过程中耦合功率的波动性大小,确定了FRODL的实际工作区间,并搭建了偏振迈克耳孙干涉系统,对FRODL结构的实际延迟时间进行标定,得到了各转盘反射面工作的实际延迟时间。标定结果显示,FRODL校准前的最大非线性误差为0.094 ps,非线性度为0.215%。通过两次利用三次样条插值,对FRODL实际延迟时间和采样点信号进行匹配,获得了校准后的太赫兹等间隔时域波形。

关键词：光学延迟线非线性校准太赫兹时域光谱系统延迟时间非线性误差

基于Gabor表示特征描述符的红外可见光图像配准

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激光与光电子学进展 2024年第14期61卷 381-388页

作者：徐晶包利东方明杜天娇长春理工大学计算机科学技术学院吉林长春130022 长春理工大学人工智能学院吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528403

在无人机航拍场景中,不同传感器捕获的图像可能存在较大视差和分辨率差异,从而导致图像配准失败。针对这一问题,提出一种具有旋转不变Gabor表示特征描述符的红外与可见光图像配准方法。首先,求解图像加权矩阵,将Harris算法应用在相位全... 详细信息

在无人机航拍场景中,不同传感器捕获的图像可能存在较大视差和分辨率差异,从而导致图像配准失败。针对这一问题,提出一种具有旋转不变Gabor表示特征描述符的红外与可见光图像配准方法。首先,求解图像加权矩阵,将Harris算法应用在相位全等中的加权矩阵方程上实现图像的关键点提取。其次,改进Gabor表示结构,使得关键点在不同方向的特征得到准确定位,从而降低由于视差较大带来的影响。最后,使用最近邻匹配(NNM)算法搭配快速抽样一致性(FSC)实现对异常值的剔除同时增加正确匹配的数量。所提方法在CVC-15立体声、LWIR-RGB长波红外和自制数据集下的平均准确率分别为46%、72%、62%,平均运行时间分别为6.886 s、7.800 s和9.631 s。实验结果验证了该方法在处理具有较大视差和分辨率差异的待配准图像时的有效性。

关键词：红外可见光图像配准相位全等矩分析方程 Gabor表示

微光CMOS传感器调制传递函数快速测试方法

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激光与光电子学进展 2024年第12期61卷 287-293页

作者：唐卓王劲松牛群刘小华长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528437

为满足微光CMOS图像传感器调制传递函数快速检测的需求,通过优化倾斜刃边法提出一种基于超采样模型的调制传递函数快速测试方法。测试过程采用自适应双阈值Canny边缘检测算法提高刃边检测精度,通过刃边角度空间几何旋转对边缘扩展响应... 详细信息

为满足微光CMOS图像传感器调制传递函数快速检测的需求,通过优化倾斜刃边法提出一种基于超采样模型的调制传递函数快速测试方法。测试过程采用自适应双阈值Canny边缘检测算法提高刃边检测精度,通过刃边角度空间几何旋转对边缘扩展响应进行超采样,并利用三次费米函数等效模型进行拟合,极大消除自然微光成像中噪声对测试结果的影响。利用该方法对CMOS传感器进行实际测试,采用不同目标图片测试实验结果同标准量进行对比,误差均在0.06之内,证明了该方法的可行性与有效性,符合CMOS传感器性能检测的要求。

关键词：调制传递函数微光传感器倾斜刃边法边缘超采样快速检测

基质VO_(4)^(3+)与掺杂离子Pr^(3+)荧光强度比的新型高灵敏度光学测温研究

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物理学报 2024年第9期73卷 263-270页

作者：严涌飚李霜丁双双张冰雪孙浩鞠泉浩姚露长春理工大学物理学院长春130022 长春理工大学国际纳米光子学与生物光子学联合研究中心吉林省纳米光子学与生物光子学重点实验室长春130022

目前,光学测温技术在传感、治疗、诊断和成像等领域取得了重大突破.但是,基于传统热耦合能级荧光强度比测温的灵敏度较低,限制了其进一步的发展.本文基于基质与掺杂离子间不同的温度依赖行为,提出了一种新型的具有高灵敏度的测温方案.首... 详细信息

目前,光学测温技术在传感、治疗、诊断和成像等领域取得了重大突破.但是,基于传统热耦合能级荧光强度比测温的灵敏度较低,限制了其进一步的发展.本文基于基质与掺杂离子间不同的温度依赖行为,提出了一种新型的具有高灵敏度的测温方案.首先,采用固相法成功合成了YVO_(4):Pr^(3+)荧光粉.然后,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜和荧光分光光度计对样品的结构与发光特性进行表征.XRD结果表明Pr^(3+)成功掺入YVO_(4)基质.SEM结果表明样品为长方体形状微米晶颗粒,平均颗粒大小约为2.1μm.在320 nm激发下,YVO_(4):Pr^(3+)主要呈现出在440 nm附近的蓝光发射和606 nm的红光发射,发光峰不存在明显的重叠.基于VO_(4)^(3+)与Pr^(3+)的发光对温度的不同响应,实现了新的荧光强度比测温方案.测温范围为303—353 K,最大绝对灵敏度和相对灵敏度分别为0.651 K–1和3.112×10^(–2) K^(–1)@353 K,远高于传统的热耦合能级测温方案.这为设计具有优异温度灵敏度和信号可辨别性的自参考光学测温材料提供了一种有前景的途径.

关键词：发光特性光学测温荧光强度比温度灵敏度

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机载激光通信光学窗口气动光学效应分析

红外与激光工程 2024年第4期53卷 254-265页

作者：姜逸渊孟立新张立中刘智董科研长春理工大学机电工程学院吉林长春130022 长春理工大学空地激光通信技术重点学科实验室吉林长春130022

机载激光通信中通信光束散角小、系统跟踪精度高,光学窗口的气动光学效应会引起远场光斑形状和位置发生变化,降低通信性能。为此,通过Fluent对共形和平面两种光学窗口整流罩在不同飞行高度、速度、方位角下的外流场进行稳态仿真分析,利... 详细信息

机载激光通信中通信光束散角小、系统跟踪精度高,光学窗口的气动光学效应会引起远场光斑形状和位置发生变化,降低通信性能。为此,通过Fluent对共形和平面两种光学窗口整流罩在不同飞行高度、速度、方位角下的外流场进行稳态仿真分析,利用相位屏分析远场自由衍射光斑变化。结果表明,共形窗口在俯仰、高度和速度变化中的流场更加稳定,呈现更为一致的变化趋势,且在远场衍射中表现更好。平面窗口在方位转角变化大与低速的飞行工况下,RMS值低于共形窗口。远场光斑发生偏移和弥散的程度与波面畸变成正相关,但在波面畸变较大的情况下,RMS值不能完全定义其对光学系统的影响。同时,当俯仰角靠近机体表面、降低飞行高度、增加飞行速度均会增强波面畸变。

关键词：机载激光通信气动光学远场衍射光学窗口