1 长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，光电测控技术研究所，吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
3 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528400
太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）是检测物质组成和变化的先进科学装置，可以准确定位和分析物质的微小变化，对物理学、化学、生物学等多个学科的发展产生了深远影响。光纤式THz-TDS在光路传播时具有能量传输损失少、结构紧凑等优点。在光纤式THz-TDS的基础上，将双透镜和旋转延迟线结合，通过研究分析耦合效率理论和双透镜传输特性，利用光学软件ZEMAX设计了一款双透镜准直耦合收发一体共光路系统。为了得到更高的单模光纤耦合效率，研究分析了激光与光纤的耦合原理及耦合误差，并且绘制了耦合失配时的效率曲线。研究结果表明：高斯传播单模光纤的耦合效率达到了76.27%，可以满足稳定辐射太赫兹信号的要求，同时，光纤耦合效率的提高对于增大THz-TDS的太赫兹脉冲信号带宽具有一定帮助。
光纤光学 光纤耦合 收发一体 太赫兹时域光谱系统 单模光纤
1 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长春理工大学光电工程学院光电工程国家级实验教学示范中心, 吉林 长春 130022
2 长春设备工艺研究所, 吉林 长春 130012
玻璃纤维增强复合材料作为新型的先进复合材料, 具有质量轻、 耐高温、 耐冲击等特有的优点被广泛地应用在航空**等领域。 然而, 在其生产过程中由于制作工艺的影响, 使其内部容易产生分层和夹杂等微小缺陷； 另一方面, 此类复合材料在其生命周期内, 由于外界因素如冲击力、 高温等干扰, 使得材料表面和内部发生灼痕和脱粘等缺陷。 缺陷的存在使得作为结构件的玻璃纤维增强复合材料的安全系数降低, 因此有必要对材料内部的缺陷进行检测。 太赫兹时域光谱技术得益于太赫兹波段的独有优势, 作为传统无损检测方式的有效补充, 以其瞬态性、 低能性以及指纹谱性近年来被广泛地应用在复合材料无损检测领域, 可以有效地对缺陷进行无损检测。 通过检测结果对玻璃纤维增强复合材料的性能进行评估, 然而利用太赫兹时域光谱技术对缺陷检测分析时, 发现对缺陷进行层析成像过程有一些随时间扩散的条纹, 条纹的存在掩盖了缺陷的形状, 对缺陷的清晰识别产生影响, 进一步导致对缺陷的漏判和误判。 现阶段, 对于缺陷层析成像时条纹出现的原因在理论上的分析鲜有研究, 该研究提出了应用时域有限差分技术建模分析太赫兹波与玻璃纤维增强复合材料的相互作用机理。 建立在0.2～1.5 THz频段范围内的反射式数值模型, 通过数值模拟实现了对玻璃纤维增强复合材料内部1、 3以及5 mm深度处的缺陷成像, 并且发现, 当太赫兹波垂直入射到玻璃纤维复合材料表面时, 每一深度处的缺陷均可清晰成像, 当太赫兹波以1°倾斜角入射到玻璃纤维增强复合材料表面以及玻璃纤维增强复合材料上下表面存在2°倾斜时, 材料内部每一深度处的缺陷成像中均出现了交替变化的条纹, 验证了出现条纹的原因是由干涉现象引起的。
无损检测 太赫兹 时域有限差分 缺陷成像 干涉条纹 Nondestructive testing Terahertz Finite difference time domain Imaging Interference 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3031
1 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
2 长春理工大学光电工程学院光电工程国家级教学示范中心，吉林 长春 130022
3 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528400
中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3∼5 μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3 μm，半峰全宽（FWHM）为8.11μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。
超透镜 中红外波段 平面透镜 消色差 宽带 光学学报
2023, 43(21): 2122002
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 国家纳米科学中心纳米加工实验室，中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室（筹），中国科学院纳米科学卓越创新中心，北京 100190
3 中国环境监测总站国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012
4 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
报道了一种利用混合抗蚀剂的一步电子束曝光制备表面增强拉曼散射（SERS）基底的新方法。基于氢倍半硅氧烷（HSQ）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）电子束抗蚀剂的混合产生相分离形成纳米球体的现象，并利用合适剂量（2000 μC/cm2）电子束曝光、固化纳米球，经显影去除多余残胶后再使用电子束蒸发沉积Au薄膜，得到纳米球型SERS基底。纳米球尺寸分布均匀，相对标准偏差为7.56%，表面粗糙Au层及球之间的间隙能够提供丰富SERS“热点”，从而使其表现出良好的拉曼增强效应。该SERS基底对多种目标物均能表现出良好的检测性能。对4-巯基苯硼酸（4-MPBA）检测的SERS增强因子为5.8×106，检测限为1.06×10-8 mol/L。对罗丹明6G（R6G）和三聚氰胺的检测限分别达到7.08×10-9 mol/L和7.94×10-10 mol/L。三聚氰胺的检测范围为1.0×10-9~1.0×10-5 mol/L，跨度达4个数量级，并呈现良好线性关系（R2=0.952），检测优势十分显著。这种利用不同性质抗蚀剂在纳米尺度独特的分离现象制备纳米球的方法简单、重复性好，对发展新型纳米结构高性能SERS基底及其制备方法具有重要意义。
表面光学 表面增强拉曼散射（SERS） 电子束曝光 痕量检测 三聚氰胺 光学学报
2022, 42(15): 1524002
1 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
2 长春理工大学光电工程学院光电工程国家级教学示范中心，吉林 长春 130022
为解决飞秒激光脉冲在光纤中传输的色散效应引起的太赫兹波泵浦效率低的问题，针对太赫兹时域光谱系统中飞秒激光脉冲的色散特性，通过理论分析建立了角色散与时域色散的数学模型，并采用光线追迹法数值模拟了在三种不同的光栅常数下光栅对间距和系统光路入射角对其色散补偿效果的影响。结果表明：在给定光栅常数的情况下，系统的色散随光栅对间距的增大而增大；不同光栅常数下色散量随入射角的变化趋势不同，但总体色散量随光栅常数的增大呈上升趋势。从间距和入射角两方面验证了选取光栅常数为1200 mm-1的光栅的合理性。最终，通过实验证明了光栅对的脉冲压缩效果满足太赫兹时域光谱系统对脉冲压缩的要求。
光栅 脉冲压缩 色散补偿 光栅对 光线追迹 太赫兹 光学学报
2022, 42(14): 1405004
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室, 中国科学院纳米科学卓越创新中心, 国家纳米科学中心纳米加工实验室, 北京 100190
表面增强拉曼散射(SERS)是一种无损、 高灵敏、 快速检测痕量重金属离子的光谱技术。 通过调控和优化纳米结构图案和尺寸可显著增强局域表面等离子体共振(LSPR)与表面等离子体激元(SPP)的耦合以提升电磁场强度, 是获得高性能SERS芯片的重要新途径。 提出一种用于检测痕量汞离子的新型金属/介质三维周期纳米结构高性能SERS芯片。 利用新型应力分化式双层模板纳米压印方法实现了大面积高均一纳米结构SERS芯片的低成本、 批量制备。 该芯片成功用于痕量汞离子的高灵敏快速检测。 采用有限元方法对压印过程界面微区应力进行模拟, 通过调控压印模板纵向结构和横向尺寸对模板进行设计。 模拟结果表明, 纵向有台阶结构的双层模板图案区域呈现高、 低两个应力分区, 其中, 高应力区占图案~72%的面积, 其应力均匀性比单层模板提升17%; 低应力区分布在图案边缘~28%的区域, 可有效减小脱模切应力。 当模板横向尺寸从15 mm缩减至7 mm, 界面应力整体提升1~2个数量级, 将显著提高压印成功率。 使用不同横向尺寸的单、 双层模板进行压印实验结果表明, 尺寸为7 mm的压力分化式双层模板实现了大面积高均一纳米结构的高质量制备, 这与模拟结果高度一致。 在压印胶纳米结构上构筑金纳米颗粒得到金属/介质三维周期纳米结构SERS芯片。 此芯片对罗丹明6G分子的检测极限为2.08×10-12 mol·L-1, 增强因子达3×108, 检测均一性RSD为8.07%。 该芯片对汞离子的探测限浓度仅为10 ppt(5.0×10-11 mol·L-1), 浓度线性工作范围为5.0×10-11~5.0×10-5 mol·L-1, 跨度达6个数量级, 呈现良好的线性关系(R2=0.966), 在目前汞离子检测技术中具有显著优势。 提出一种通用的高灵敏快速检测痕量物质的SERS芯片设计和制备方法。 这种基于光学原理芯片“结构设计-批量制备-实际应用”的研究范式将连接芯片设计和批量制备两个关键点, 推动其实际应用。
表面增强拉曼散射(SERS) 痕量检测 纳米压印(NIL) 三维纳米结构 有限元分析 Surface enhanced Raman scattering (SERS) Design and fabrication of 3D SERS chips Finite element analysis (FEA) Nanoimprint lithography (NIL) Trace detection 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3782
1 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
2 长春理工大学光电工程学院光电工程国家级实验教学示范中心, 吉林 长春 130022
利用时域有限差分法和太赫兹时域光谱技术对玻纤复合材料分层缺陷进行研究。首先,基于透射式太赫兹时域光谱系统获得玻纤复合材料在太赫兹波段的光学参数,并用时域有限差分法对缺陷进行数值仿真;其次,利用太赫兹时域光谱系统对提前预制的缺陷样件进行实际检测;最后,对比理论和实际检测获得的时域波形数据,对缺陷进行成像分析,发现两种方法均实现了在距离材料上表面3 mm和5 mm处对0.3 mm厚度分层缺陷的检测。结果表明:时域有限差分法可为利用太赫兹时域光谱系统检测复合材料缺陷提供理论支撑,减小对标准件的依赖性;太赫兹时域光谱系统可有效检测材料内部缺陷,可通过检测结果判断材料整体性能。
测量 无损检测 时域有限差分 太赫兹 光学参数提取 复合材料 光学学报
2021, 41(17): 1712003
红外与激光工程
2020, 49(8): 20200005
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 92785部队 河北 秦皇岛 066200
3 63713部队, 山西 太原 036301
4 61251部队, 河北 秦皇岛 066102
基于数字微镜器件(DMD)的红外景象模拟器在室内环境下通过模拟真实景物及其环境的红外辐射来测试红外成像系统的性能。为实现基于DMD的红外景象模拟器能够满足不同待测系统的视场角匹配, 同时为避免投影系统与照明系统发生空间上的重叠, 设计了一套配有分光棱镜的红外变焦投影系统。该系统工作波段为8～12 μm, F数为2.7, 采用光学补偿变焦方式,可实现50/100/150/200 mm四档变焦。根据四组元系统负组补偿原理及其高斯光学公式对系统光学参数进行计算, 选用与参数相近的初始结构进行处理及优化。设计结果表明, 各焦距位置在20 lp/mm处的调制传递函数值均接近衍射极限, 符合使用要求。
光学设计 数字微镜器件(DMD) 光学补偿 红外变焦 投影系统 optical design digital micro-mirror device(DMD) optical compensation infrared zoom projection system 红外与激光工程
2016, 45(12): 1218003
