1 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192
2 北京理工大学 光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081
生物组织和材料的弹性模量是决定其力学性能的关键因素，对生物医学和材料监测等领域至关重要。提出了一种基于虚像相位阵列的弹性模量测量方法，虚像相位阵列与共聚焦显微系统相结合，能够快速获得生物组织和材料的布里渊光谱频移，从而计算得到其弹性模量。首先，理论上分析了材料的弹性模量和布里渊光谱频移之间的关系；然后，介绍了虚像相位阵列的原理及系统的各组成部分；最后，对样品材料进行光谱测试，分别测得了聚乙烯、二氧化硅玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的光谱，求得纵向弹性模量M分别为7.23 GPa、83.4 GPa和8.92 GPa，并且测得了PMMA的布里渊光谱图像。结果表明：虚像相位阵列与衍射光栅级联使用，能够改善标准具的级次重叠现象，提高布里渊光谱的分辨率和采集速率，该系统设计的激光和背向散色光抑制模块，显著提高了布里渊信号的对比度，在材料特性、结构监测和生物医学等方面具有重要意义。
弹性模量 虚像相位阵列 共焦布里渊 光谱频移 elastic modulus virtual image phase array confocal Brillouin spectral frequency shift 红外与激光工程
2021, 50(4): 20200265
1 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
2 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
石墨烯具有优异的物理化学性质, 在MEMS器件、光电检测材料、柔性显示屏、新能源电池、复合材料等方面成为研究热点。目前大面积石墨烯制备主要依赖于化学气相沉积技术(chemical vapor deposition, CVD), 但其生长的晶体质量直接影响到电化学特性和实际应用, 因此需要一种快速而准确的表征方法。实验利用背向散射的偏振激光散射装置测量CVD生长的石墨烯拉曼光谱。通过分析实验获得的300 nm SiO2/Si基底上的单层、五层和十层左右的石墨烯角分辨偏振拉曼光谱, 发现单层生长的石墨烯偏振特性与机械剥离单晶石墨烯一致; 随着层数的增加, G峰偏振响应差异更加明显, 表现出明显的椭圆特性; 在不同石墨烯层数上的D峰也呈现出一定的偏振响应差异性。偏振拉曼测试结果表明目前CVD生长的缺陷和多晶特性与石墨烯层数呈现正相关特征。
石墨烯 偏振拉曼 结构表征 graphene polarized Raman structural characterization 红外与激光工程
2020, 49(2): 0205007
1 北京信息科技大学 仪器科学与光点工程学院, 北京 100192
2 北京航空航天大学 仪器科学与光点工程学院, 北京 100191
石墨烯对光的吸收率较低, 通过与光学谐振腔结合限制光场, 可有效提高石墨烯探测器件对入射光的吸收.以电磁场传输理论为基础, 推导了双层石墨烯光学谐振腔中的光场分布, 建立了谐振增强型光电探测器传输矩阵数理模型, 对Bernal-Stacked双层石墨烯的谐振增强型光电探测器结构参数进行数值计算, 并对探测器性能进行分析.结果表明, 设计的探测波长为1.06 μm谐振增强结构光电探测器, 双层石墨烯的光吸收率达到96.78%, 大幅提升了对微弱光信号的探测能力.
探测器 双层石墨烯 谐振增强 电磁场传输理论 photodetector bilayer graphene resonance enhancement electromagnetic field transmission theory
1 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
2 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
高端玻璃的内部应力精确测量关系其所在系统的安全性和可靠性。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法, 激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成, 待测样品放置在回馈外腔中, 通过回馈光对激光器内部增益调制产生的偏振跳变现象提取双折射信息, 进而获得应力。首先, 从理论上分析了回馈系统中激光器输出的正交偏振模式相位与外腔应力双折射的关系; 接着, 通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息; 然后, 采用标准四分之一波片对系统和算法的精度进行了测试。最后, 采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量, 并给出测量结果。实验结果表明: 该系统对应力的条纹数测量精度优于8.3×10-4, 满足高端玻璃的应力检测需求。
精密测量 激光回馈 应力测量 相位提取 precision measurement laser feedback stress measurement phase extraction
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
激光主动侦测系统可实现远距离“猫眼”目标的成像探测与识别, 探测能力分析是系统设计的前提和基础。为了评估激光主动侦测系统对猫眼目标的探测能力, 以激光回波功率为基础, 建立了系统信噪比的数学物理模型。分析了影响探测能力的因素, 数值模拟了信噪比与接收光学镜头直径、发射激光峰值功率、激光束散角以及等效反射面离焦量的定量关系。结果表明, 在一定作用距离范围内, 散粒噪声、背景噪声与暗电流噪声、热噪声相差至少2个数量级, 系统噪声主要来源于散粒噪声及背景噪声; 提高系统探测能力最为有效的方法是选用激光束散角小的光源。这一结果可用于指导激光主动侦测系统的设计。
激光技术 激光主动侦测 建模与仿真 探测能力 laser technique active laser detection modeling and simulation detection capability
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
星载光电成像系统可实现对空间目标的有效探测，而探测距离是评价系统性能的重要指标。以太阳辐射特性和深空背景特性为基础，分别建立了几何成像因素、探测器灵敏度、信噪比和成像分辨率影响下的系统作用距离的数学物理模型，推导了系统作用距离的表达式，对作用距离与曝光时间、探测器像元尺寸、有效通光口径等影响因素之间的关系进行了数值模拟研究。研究结果表明，对于有效尺寸为2 m×4 m、平均反射率为0.3 的平面目标，当光学系统口径为100 mm、焦距为500 mm、探测器像元尺寸为3.5 μm 时，系统对目标的最大作用距离为12 km，作用距离主要受成像分辨率的限制。研究结果可为星载光电成像系统的设计以及系统性能评估提供一定的基础。
成像系统 星载光电系统 作用距离 信噪比 电荷耦合器件灵敏度 成像分辨率 激光与光电子学进展
2015, 52(2): 021101
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
针对星载光电成像系统的空间目标检测与识别技术，设计了一套数字信号处理器(DSP)结合现场可编程门阵列(FPGA)的图像处理系统，并提出了一种卫星目标检测与识别方法。在没有先验知识条件下，利用改进的图像差分法对具有星空背景的序列图像进行目标检测，再根据卫星与天然星体具有不同的边缘轮廓信息，通过最小距离分类器识别出卫星目标，获得卫星模板，从而可进行模板匹配以实现卫星的快速检测和识别。实验结果表明，提出的方法相对于传统方法，运算时间减少了15%~40%，满足星载光电成像系统对卫星目标检测与识别的准确性与实时性的要求，在工程实践中具有一定的应用价值。
图像处理 目标检测 目标识别 激光与光电子学进展
2014, 51(12): 121102
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
为研究卫星目标姿态变化对星载光电成像系统探测能力的影响，对0.38~0.78 μm谱段内的可见光辐射目标进行了数值模拟研究。以基本辐射理论为基础，建立了卫星目标光学观测的可见光反射特性模型。根据目标的几何结构和材料特性，分析了姿态变化与目标有效入射截面积的关系，推导了探测能力与信噪比(SNR)的计算公式，数值模拟研究了姿态变化对探测能力的影响。研究结果表明，信噪比与探测距离均表现出很强的方向性，呈周期性变化，2.2 m×2.7 m的太阳帆板的信噪比与探测距离最大差值达到101及105 km量级，高12 m、直径4 m的卫星本体的最大差值达到102及106 km量级，目标姿态变化对探测能力具有显著影响。
光学器件 空间目标 姿态变化 探测能力 信噪比 探测距离 光学学报
2014, 34(12): 1223002
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
星载光电成像系统对空间点目标成像进行探测、识别时，由于受到系统衍射、像差及系统与目标相对运动等因素的影响，点目标成像会产生弥散与拖尾现象。以空间目标可见光反射特性和系统点扩散理论为基础，建立了目标成像弥散的数学物理模型，对系统的衍射、像差造成点目标成像弥散进行了理论分析与数值模拟研究；分析了系统与目标的相对运动关系，推导了单帧积分时间内目标在像平面上拖尾长度的表达式，定量研究了轨道高度、观测角等对拖尾长度的影响。结果表明，像差使目标成像的弥散程度增大，像斑中心强度下降；在成像系统参数及其轨道高度一定的条件下，目标的拖尾长度随着目标轨道高度的降低、观测角的增大而增大。
成像系统 星载光电探测 空间点目标 弥散与拖尾 建模与仿真 激光与光电子学进展
2014, 51(9): 091101
