1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 光电信息技术教育部重点实验室-天津大学，天津 300072
3 天津津航技术物理研究所，天津 300308
4 天津索维电子技术有限公司，天津 300384
5 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京 100094
为实现面向自适应激光无线传能应用的大范围免调试激光器，对基于猫眼逆反射器的端面泵浦Nd: GdVO4激光器开展实验研究；在补偿接收端的球差和场曲、优化激光器工作距离和接收端视场的基础上，分析发现发射端各透镜的场曲所导致的猫眼逆反射器离焦是限制其视场角度（接收端离轴量容限）的主要因素。基于Zemax软件对发射端场曲进行分析计算，并设计加工了矫正场曲的非球面透镜以避免接收端离轴情况下的发射端离焦，实现优化发射端视场的目的。使用优化设计的非球面透镜后，在5 m的长工作距离下激光器4.6°发射端视场内的输出功率均在其最高输出功率的50%以上，相比使用普通球面透镜时的结果得到显著的提升。对比理论设计和实验结果仍有一定差距，认为补偿激光晶体热透镜的像差是进一步优化发射端视场的关键。
免调试激光器 猫眼逆反射器 视场 像差 场曲 alignment-free laser cat-eye retroreflector field of view optical aberration field curvature 红外与激光工程
2022, 51(3): 20211108
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3.保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
研究了大气折射效应对星地量子密钥分发(QKD)系统的背景光误码率的影响, 研究过程中考虑了白天晴天、满月夜晚和无月夜晚三种不同的背景光条件。建立了分层结构的星地QKD信道传输模型, 模拟大气折射效应对信号传输距离的影响; 基于此模型仿真分析了考虑和忽略大气折射效应时只考虑背景光的误码率随天顶角的变化趋势。结果表明: 忽略大气折射效应将对背景光误码率产生较大的影响, 此外在无月夜晚背景光条件下可以获得相对最低的误码率。
星地量子密钥分发 大气折射 背景光 误码率 天顶角 satellite-to-ground quantum key distribution atmospheric refraction background light bit error rate zenith angle
1 华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室, 河北 保定 071003
3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
4 河北大学 物理科学与技术学院, 河北 保定 071002
为提升自由空间量子通信系统性能, 以相敏放大器(PSA)和相位非敏感放大器(PIA)原理为基础, 研究了在量子通信系统接收端分别加入PSA、PIA后的高斯调制连续变量量子密钥分发(CVQKD)模型, 推导了相应的安全密钥率公式。当信号波长分别为810 nm、1550 nm和3800 nm时, 仿真分析了系统受到集体攻击和个体攻击情况下接收端采用零差检测和外差检测时安全密钥率与距离的变化关系, 对比了相同条件下PSA、PIA对系统性能的提升效果。仿真结果表明: 当接收端分别采用零差检测、外差检测时, 系统相应选择PSA、PIA时的性能更好。
连续变量量子密钥分发 自由空间量子通信 光放大器 安全密钥率 continuous variable quantum key distribution, free
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Laser and Optoelectronics, School of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 Key Laboratory of Optoelectronic Information Science and Technology (Ministry of Education), Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics, Tianjin 300308, China
4 Tianjin Suowei Electronic Technology Co., Ltd., Tianjin 300384, China
5 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China
A multi-lens retroreflector with field curvature compensation was designed and used in an alignment-free distributed-cavity laser with a long working distance for resonant beam charging applications. The multi-lens design, which makes use of off-the-shelf components, also allows a large field of view (FoV) without requirement of large element aperture. By implementing this design, an end-pumped 1063 nm laser could deliver over 5 W continuous-wave output power over a large range of working distances (1–5 m) and with receiver FoV under an incident diode pump power of 16.6 W. The output power fluctuation was less than 10% when moving and tilting the receiver over such a large range, without requiring any realignment of the cavity.
alignment-free laser retroreflector field of view field curvature laser charging Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031407
光学频率梳的输出信号在时域上表现为等间隔排列的超短脉冲序列, 在频域上表现为一系列相位相干的分立谱线,可作为参考标准实现高精度的距离测量, 在科研和工业领域拥有非常广阔的应用前景。文中回顾了近年来光学频率梳高精度测距研究的进展, 对单光梳飞行时间法、双光梳下采样法、色散干涉法等几类典型测距方案的工作原理和代表性结果进行了阐述,并对上述方案的优势、局限性及适用的工作场景进行了分析, 最后介绍了新型双光梳激光器和微腔光学频率梳在测距领域的应用以及对系统性能的提升。
光学频率梳 距离测量 飞行时间 光学下采样 色散干涉 optical frequency comb distance measurement time-of-flight optical down-sampling dispersive interferometry
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 超快激光研究室 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
2 中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室，北京 100094
针对精密测量的实际应用需求，开发了具有6 MHz重复频率调谐范围的掺镱锁模光纤激光器。该光纤激光器利用啁啾光纤光栅实现色散补偿，可以实现不同色散域的锁模。实验中，系统研究了不同腔内净色散对锁模激光器输出特性和稳定性的影响，发现当具有一定负腔内净色散时，在不同的重复频率下都可以输出相同的光谱，同时输出光谱具有较好的高斯型。根据以上研究，特殊设计了稳定的简化腔结构和空间延迟线，同时优化了腔参数，保证了大范围的重复频率调谐和稳定的锁模运转。当中心重复频率为26 MHz 时，调谐比率达到23%。激光器稳定输出平均功率为3.23 mW的飞秒激光脉冲，去啁啾后脉冲宽度为347 fs。基于此，将光纤锁模激光器重复频率锁定于铷原子钟，在1 s的平均时间内获得了2×10−10的艾伦方差。
飞秒激光 重复频率调谐 色散域 重复频率锁定 femtosecond laser repetition rate tuning dispersion regime locking system 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200205
1 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 中国矿业大学（北京）, 北京 100083
2 北京师范大学地理科学学部, 北京 100875
我国农田重金属污染形势不容乐观。 土壤中的重金属被作物根系吸收后会影响作物正常的生长发育, 降低农产品质量, 进而通过食物链进入人体, 危害人体健康。 高光谱遥感为实时动态高效监测作物重金属污染提供了可能。 设置不同浓度Cu2+胁迫梯度的玉米盆栽实验, 并采集苗期、 拔节期和穗期玉米老、 中、 新叶片光谱数据, 测定不同生长时期叶片叶绿素含量、 叶片Cu2+含量。 基于所获取的光谱数据、 叶绿素含量和叶片Cu2+含量, 结合相关分析法、 最佳指数法（OIF）和偏最小二乘法（PLS）构建OIF-PLS法提取含有Cu2+污染信息的特征波段。 首先依据苗期、 拔节期和穗期叶片叶绿素含量及穗期叶片Cu2+含量与相应叶片光谱的相关系数初步筛选特征波段； 然后, 从中选取三个波段计算最佳指数因子, 并以该三个波段为自变量, 对玉米叶片Cu2+含量进行偏最小二乘回归分析, 计算均方根误差； 最后根据最佳指数因子最大、 均方根误差最小的原则选取最佳特征波段。 基于OIF-PLS法所选取的特征波段构造植被指数OIFPLSI监测重金属铜污染, 并与常规的红边归一化植被指数（NDVI705）、 改进红边比值植被指数（mSR705）、 红边植被胁迫指数（RVSI）和光化学指数（PRI）监测结果做比较, 验证OIFPLSI的有效性和优越性。 另外利用在相同的实验方法下获取的不同年份的数据对OIFPLSI进行检验, 验证OIFPLSI的适用性和稳定性。 实验结果表明, 基于OIF-PLS法提取的特征波段（542, 701和712 nm）比基于OIF法提取的特征波段（602, 711和712 nm）能更好地反映Cu2+污染信息； 植被指数OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关, 相关性优于NDVI705, mSR705, RVSI和PRI； OIFPLSI与叶片叶绿素含量显著负相关, 与土壤中Cu2+含量显著正相关； 不同生长时期OIFPLSI与土壤中Cu2+含量的相关性高低依次为拔节期、 穗期、 苗期。 基于不同年份数据验证结果表明, OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关, OIFPLSI具有较强的稳定性。 基于OIF-PLS法所提取的特征波段构建的OIFPLSI能够较好地诊断分析玉米叶片铜污染水平, 可为作物重金属污染监测提供一定的技术参考。
重金属污染 光谱分析 特征波段 植被指数 农作物 Heavy metal pollution Spectral analysis Feature band Vegetation index Crop
1 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
2 北京师范大学地理科学学部, 北京 100875
天然气作为一种清洁、 高效的低碳能源, 消费占比日益增大。 无论是地下输气管道还是储气库, 由于管道腐蚀、 老化、 自然灾害, 地下断层、 注入井封存不好等因素, 都会导致天然气泄漏。 从安全、 经济、 环境等方面考虑, 开展地下天然气管道和储气库微泄漏检测是十分必要的。 利用高光谱遥感监测地表植被变化而间接探测天然气微泄漏点, 通过野外可控系统模拟地下储存天然气微泄漏实验, 以冬小麦为研究对象, 采集了9期小麦冠层光谱数据, 通过光谱分析探寻胁迫小麦光谱特征并构建指数识别模型。 首先对小麦冠层光谱进行奇异值剔除和平滑处理, 对连续统去除之后的冠层光谱进行连续小波变换, 选用Mexihat母小波, 在尺度参数为32时, 小波系数有较少的峰值和谷值, 能与原始光谱拟合较好, 且小麦多期数据其峰值和谷值位置都比较稳定。 受胁迫和健康小麦的原始光谱可分性较差, 但小波系数在487, 550和770 nm处受胁迫与健康小麦样本可分性较优, 且具有明显的诊断性特征: (1)受胁迫和健康小麦的小波系数在487 nm处为“吸收谷”, 其小波系数值为负值, 健康小麦小波系数值大于受胁迫小麦的; (2)受胁迫和健康小麦的小波系数在550和770 nm处, 有明显的“反射峰”, 且受胁迫小麦的小波系数值较大。 为更好突出差异性, 增强受胁迫和健康小麦的小波系数差异特征, 构建了CWTmexh(CWTmexh=CW2770/(1-CW487)·CW550)指数用于胁迫与健康小麦的识别; 然后分别与NDVI705, mNDVI705, ARI1, R440/R740, D725/D702指数进行对比分析, 经J-M距离定量检验, 结果显示CWTmexh指数对天然气微泄漏胁迫下的冬小麦具有较好的识别效果, 该指数在天然气胁迫发生20 d后可以稳定区分胁迫和健康两类小麦, 且在全生育期都保持相同的规律, 而NDVI705, mNDVI705, ARI1等指数在整个生育期内无法准确识别健康与胁迫小麦。 CWTmexh指数在稳定性、 普适性与可识别性方面优于其他5个指数。 因此, 高光谱遥感监测地表植被间接识别天然气微泄漏点具有可行性, 研究结果可为星载高光谱遥感监测地下储存天然气泄漏点提供理论依据和技术支持。
天然气微泄漏 冬小麦 光谱特征 指数模型 Natural gas microleakage Winter wheat Spectral characteristics Exponential model 光谱学与光谱分析
2019, 39(12): 3743
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
2 中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室,北京 100094
利用飞秒激光在充氩气的Kagome结构空芯光子晶体光纤中产生了高亮度宽带的超连续光谱. 通过改变填充气体的气压以及输入激光的单脉冲能量可以对产生的超连续光谱进行控制. 利用中心波长980 nm的飞秒脉冲作为抽运获得了光谱范围覆盖340~1 550 nm的宽带超连续光谱. 通过基于载波的单向脉冲传输方程研究了超短脉冲在充氩气的Kagome光纤中产生超连续光谱的动力学过程.
超连续光谱 高阶孤子 充气光纤 光子晶体光纤 supercontinuum high order soliton gas-filled fiber photonic crystal fiber
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100086
通过有限时域差分和有限元方法，对锥状GaAs纳米线阵列太阳能电池的光伏特性进行了仿真。利用有限时域差分仿真研究了形貌和分布特性对GaAs纳米线光谱吸收效率的影响。结果表明与柱状纳米线相比，锥状纳米线具有更高的吸收率和更低的透射反射率。且在某特定坡度的情况下，纳米线的吸收效果最佳。纳米线的吸收效率随直径/周期比增加呈现出先上升后下降的趋势。将有限时域差分仿真获得的光子吸收率分布数据，导入有限元仿真器进行了纳米线太阳能电池的光伏特性仿真，在最佳形貌和直径/周期比的情况下，太阳能电池的光电转换效率可以达到13.8%。
光学制造 太阳能电池 纳米光电子学 半导体 光学学报
2014, 34(s2): s222004
