1 中国科学院空天信息创新研究院光学工程研究部，北京 100094
2 中国科学院大学光电学院，北京 100094
3 中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
为实现激光损伤在线显微三维形貌的快速重构，提出一种基于小波变换的改进聚焦形貌恢复（SFF）算法。利用三维聚焦评价函数逐点反演深度信息，重构光学元件激光损伤三维形貌。采用激光损伤在线显微成像装置，利用所提算法对银反射镜表面激光损伤区域进行三维形貌重构。结果表明：所提改进算法的清晰度比率、灵敏度、平缓区波动量分别为2.608、0.131、0.356，对最大深度为169.8 μm的被测区域，测量相对误差为1.56%；相比传统方法，清晰度比率提升约1倍、灵敏度提升约3倍、深度测量相对误差降至1/10，平缓区波动量可以达传统方法的1.1倍。所提算法已用于在线显微损伤判别系统的研制，实现了激光损伤三维形貌在线快速重构测量。
激光损伤 小波变换 聚焦形貌恢复 三维形貌重构 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811032
1 北京科技大学自动化学院, 北京市工业波谱成像工程技术研究中心, 北京 100083
2 北京科技大学材料科学与工程学院材料物理系, 北京 100083
极化率作为材料的重要微观属性, 与其呈现出的多种宏观属性等紧密相关, 在新型药物及功能材料的设计中扮演着关键角色。 对于微观结构存在复杂分子间作用的物质体系, 获取其太赫兹波段的动态极化率具有重要意义。 极化率的实验测定建立在其本征介电常数的准确测定之上, 太赫兹时域光谱系统凭借其相干探测属性, 可直接提供太赫兹波在穿透样品后的相位变化信息, 用于精确测定样品的介电常数。 当样品由待测物纯物质组成时, 实验测得的介电常数可直接用于计算极化率。 但对于大多数的有机晶体, 其自身对太赫兹波的特征吸收以及与颗粒尺寸与波长相当造成的散射, 使其纯样品的太赫兹时域光谱表征受到系统信噪比的限制, 通常需要将待测物均匀分布于对太赫兹波透明且可塑性极强的聚合物载体中。 聚合物载体的使用导致实验直接测定的混合物介电常数中也包含了聚合物的介电影响, 无法直接用于计算待测物质的极化率。 针对这一问题, 将嵌于聚合物载体中的有机晶体整体等效为聚合物、 空气气隙和待测样品三组份混合介质模型, 结合各组份体积占比以Landau, Lifshitz and Looyenga有效介质模型从实验测得的混合物介电常数中移除聚合物和空气气隙的影响, 获取待测物的太赫兹本征介电常数, 从而进一步结合Clausius-Mossotti关系式计算其太赫兹极化率。 选取水杨酸晶体为研究对象, 利用所提出的理论方案, 从聚乙烯和聚四氟乙烯两种聚合物载体三种浓度混合物的原始介电常数中, 提取出了具有高度一致性的本征介电常数和太赫兹极化率, 验证了方法的有效性, 并利用实验结果首次报道了水杨酸晶体的太赫兹极化率, 在聚乙烯和聚四氟乙烯载体中的测定值分别为(17.2±0.2)和(17.6±1.0)3。
极化率 太赫兹时域光谱技术 有效介质理论 聚合物载体 水杨酸 Polarizability Terahertz time-domain spectroscopy Effective medium theory Polymer matrix Salicylic acid 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1688
1 北京科技大学自动化学院, 北京 100083
2 北京市工业波谱成像工程技术研究中心, 北京 100083
3 北京科技大学计算机与通信工程学院, 北京 100083
太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法, 已经被广泛应用于物质成分的测定, 而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景, 例如片剂药品的有效成分检测、 行李安检的危险物品检测等。 现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术(THz-TDS)和频域光谱技术(THz-FDS)均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间; 且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间(取决于光谱仪的结构), 这对多像素成像系统显得过于迟缓, 更无法达到视频成像的速率需求, 严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。 目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像, 只能反映样品的空间分布信息, 并不能反映出样品的光谱即成分信息。 因此, 对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切, 太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时, 还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。 提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法, 在设计了该方法装置结构的基础上, 理论分析了其工作过程, 同时进行了太赫兹光谱的计算。 然后从数据采样、 数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析, 计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。 最后, 对该方法建模进行仿真研究, 模拟实现其完整的探测过程。 在仿真研究中, 以太赫兹辐射源的频谱分布为例, 将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术(THz-TDS)测试结果进行了对比, 结果表明时域光谱技术(THz-TDS)所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线, 两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。 总之, 该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测, 且在保证分辨率相同的前提下, 较时域光谱技术(THz-TDS)显著加快了成谱速率, 为实用、 高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。
太赫兹光谱 高速探测 迈克尔逊干涉仪 傅里叶变换 Terahertz spectrum High speed detection Michelson interferometer Fourier transform 光谱学与光谱分析
2019, 39(8): 2634
Author Affiliations
Abstract
1 School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
2 Beijing Engineering Research Center of Industrial Spectrum Imaging, Beijing 100083, China
3 School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
We present a specific-window method to subtract the interference of water vapor on terahertz frequency-domain spectroscopy (THz-FDS) at ambient temperature and pressure. A continuous-wave spectrometer based on photomixing was utilized to obtain THz-FDS of methanol vapor in the range of 50–1200 GHz. The distinctly spaced absorption features in the neighborhood of atmospheric windows of transparency were selected to perform linear fitting versus the calculated absorption cross section and obtain the concentration of methanol. Furthermore, the gradually decreased methanol vapor was quantified to demonstrate the reliability of the method.
300.6495 Spectroscopy, teraherz 300.6390 Spectroscopy, molecular 300.1030 Absorption Chinese Optics Letters
2018, 16(10): 103001
1 北京科技大学自动化学院, 北京 100083
2 北京市工业波谱成像工程技术研究中心, 北京 100083
3 北京科技大学计算机与通信工程学院, 北京 100083
近年来太赫兹技术因其重要的理论研究价值和广泛的应用前景引起了科学界的普遍关注。 太赫兹光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一, 可分为频域光谱与时域光谱两种。 它的出现解决了太赫兹波段下无法产生宽带辐射源的难题, 使得光谱学上存在的太赫兹断层得以填补。 随着这项技术的发展, 对太赫兹波段下物质特性的研究也逐步拓展到生物医学、 材料、 通信、 安检为代表的各个领域。 从产生原理、 性能特点、 应用领域等方面对两种光谱进行比较, 进而阐述了两种太赫兹光谱的优缺点以及其应用优势。
太赫兹光谱 频域 时域 发射器与探测器 性能特点 应用领域 Terahertz spectroscopy Frequency domain Time domain Emitter and detector Performance characteristics Application 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2688
1 湘潭大学物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105
2 湖南省微光电与系统集成实验室，湖南 湘潭 411105
为了实现大阵列电路集成，文中设计和实现了一种能与主动淬火电路集成的宽光谱范围和快速的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片.一个精确的单光子雪崩二极管电路模型模拟了其在盖革模式下的静态和动态行为.该有源区直径为8 μm的单光子雪崩二极管器件是基于上海宏利GSMC 180 nm CMOS图像传感器(CIS)技术实现的.由于采用有效的器件结构，其击穿电压是15.2 V，淬灭时间是7.9 ns.此外，该器件实现了宽的光谱灵敏度，其在低过电压下的光子探测概率(PDP)从470 nm到680 nm光波长段最高可达15.7%.并且它在室温下的暗计数率相当低.
单光子雪崩二极管 光子探测概率 模型 盖革模式 CMOS图像传感器技术 single-photon avalance diode (SPAD) photon detection probability (PDP) model Geiger mode CMOS CIS technology
