1 西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所 中国科学院超快诊断技术重点实验室, 陕西 西安 710119
基于单光子探测的距离选通成像系统中，需发射短脉冲激光并进行发射器和接收器之间的同步控制，使探测器工作在光子计数模式并在时间上进行积分，以完成成像操作。为了获得满足系统要求的短脉冲激光，同时减小系统体积、降低系统成本，本文提出将基于射频双极晶体管和基于阶跃恢复二极管SRD(结合短路传输线)两种产生窄脉冲电路应用于单光子距离选通成像系统。介绍了二者的原理与设计方法，进行了仿真验证、实物制作及测试，对脉冲发生器的特点、影响脉宽幅值的因素进行了分析。实物测试结果表明，基于晶体管方式可以产生上升时间为903.5 ps、下降时间为946.1 ps、脉冲宽度为824 ps、幅度为2.46 V的窄脉冲。基于SRD方式可以产生上升时间为456.8 ps、下降时间为458.3 ps、脉冲宽度为1.5 ns、幅度为2.38 V的窄脉冲，二者重复频率皆可达到50 MHz。利用这两种设计方法的任何一种配合外部电流驱动激光二极管都能够获得性能优良的短脉冲激光输出。
距离选通成像 双极性晶体管 阶跃恢复二极管(SRD) 短脉冲激光 range-gated imaging bipolar transistor step recovery diode short pulse laser 
1 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国科学院西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
研究一种具有良好上转换发光性能的稀土掺杂发光材料, 对于防伪技术领域具有非常重要的意义。 为了改善LiYF4∶Yb3+/Ho3+微米晶体的上转换发光性能, 采用水热合成法成功制备了一系列Gd3+掺杂的LiYF4∶Yb3+/Ho3+微米晶体, 并采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的相纯度和晶体形貌尺寸进行表征; 在980 nm激光激发下, 通过荧光光谱测试对LiGdxY1-xF4∶Yb3+/Ho3+微米晶体的上转换发光性能进行分析。 首先, 研究了LiGdxY1-xF4∶Yb3+/Ho3+微米晶体的晶体结构、 尺寸、 形貌和上转换发光性能的影响。 结果显示, LiGdxY1-xF4∶Yb3+/Ho3+微米晶体样品的XRD衍射峰与四方相的LiYF4标准卡(PDF#17-0874)特征峰的位置完全对应且没有其他杂峰, SEM实验结果显示晶体形貌为八面体形状, 表明成功合成了纯四方相的LiGdxY1-xF4∶Yb3+/Ho3+微米晶体; 荧光光谱测试结果显示, 样品的上转换发光强度随着Gd3+掺杂比例的升高呈现出先增强后减弱的趋势, 并且在Gd3+掺杂浓度为30 mol%时达到最强。 其次, 进一步研究了Gd3+掺杂浓度30 mol%样品的上转换发光性能与激发功率之间的关系, 激发功率为0.5~1.5 W。 LiGd0.3Y0.49F4∶Yb3+/Ho3+微米晶体的红色和绿色上转换发光强度之比(R/G)随着激发功率的增加只发生大约12%的变化, 样品的上转换发光并没有因为激发功率的增加而发生明显的变色, 仍然可以发出稳定明亮的绿色光。 这一现象表明, Gd3+的掺入很好地改善了样品的上转换发光性能, 这种稳定高效的发光性能保证了其良好的防伪性能。 最后, 将Gd3+掺杂浓度为30 mol%的LiYF4∶Yb3+/Ho3+微米晶体粉末与丝网金属油墨按照一定比例混合制成丝网防伪油墨, 通过丝网印刷技术在玻璃基底上印制了“西安”字样的防伪标识图案, 经过干燥处理后在980 nm激光的激发下, 发出明亮且稳定的绿色可见光, 制成的防伪标识图案具有发光强度高、 易于识别、 不易脱落的特点, 可被广泛应用于防伪领域。
上转换发光 微米晶体 水热合成法 防伪识别 丝网印刷 Up-conversion luminescence Li(GdxY1-x)0.79F4∶Yb0.2/Ho0.01 Micron crystals Hydrothermal synthesis method Anti-counterfeiting identification Screen printing Li(GdxY1-x)0.79F4∶Yb0.2/Ho0.01 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3581
西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
在使用光纤光栅实现皮秒级别时延的基础上, 提出一种光纤光栅与单模光纤相结合的微秒级别级联结构, 该结构可以实现中心波长1 550~1 553 nm范围内, 间距为1 nm的窄波长反射型时延线, 共1, 1.5, 2和2.5 μs四种不同的时延。 将单波长反射的啁啾布拉格光纤光栅与103 m单模光纤连接构成延迟单元, 再利用光环形器将4个延迟单元级联并使用内半径为3 cm的光纤绕线盘, 将四种延时单元的传输光纤进行整合。 借助光纤光栅的反射镜作用, 控制不同波长光信号通过不同的传输距离, 从而达到时延目的。 本文通过对啁啾布拉格光纤光栅的反射谱进行仿真分析, 发现相邻反射谱的旁瓣会出现交叠现象, 因此使用六个切趾函数对旁瓣滤除。 结果显示: 不同切趾函数的滤除效果也不同, 能够完全滤除旁瓣并且对反射谱包络影响最小的是柯西切趾函数, 经柯西切趾后能使不同波长光信号在对应中心波长1 nm范围内反射率达到1, 而其他位置均为0。 由于使用光纤绕线盘整合延迟单元传输光纤会产生一定损耗, 因此对弯曲损耗进行仿真分析, 结果表明: 弯曲半径相同时, 损耗与工作波长成正比; 工作波长相同时, 弯曲损耗与弯曲半径成反比。 当弯曲半径大于2.9 cm时, 弯曲损耗曲线变化平缓并趋于0, 因此当光纤绕线盘内半径为3 cm时保证了在减小延迟模块体积的同时又不会有过大的损耗。 通过TDS784D型示波器对频率为2 000 Hz的信号经不同传输距离后的波形进行测试, 结果显示经3 m和5 km传输线后信号的各项参数基本保持不变, 经过长距离传输后, 依然能保持原信号特性, 因此使用103 m传输线可达到延迟目的。 使用W-GGL型光功率计对不同频率下的输出功率进行测量, 与直光纤的输出功率相比, 当弯曲半径为2~3 cm时偏差较大, 等于3 cm时偏差为0.18 dBm, 大于3 cm时则无限趋近, 因此设置绕线盘内半径为3 cm符合光纤延迟线的损耗范围。
光纤延迟线 光纤光栅级联结构 反射谱 切趾函数 弯曲损耗 Fiber delay line Fiber grating cascade structure Reflection spectrum Apodization function Bending loss 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2241
华侨大学 机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
彩色共聚焦测量技术因无需轴向扫描，测量精度和测量效率高等优点，被广泛应用于工业领域，如高度测量和透明材料厚度检测等。然而，常见的彩色共聚焦系统多为同轴照明结构，即照明光轴和成像光轴都垂直于被测试样，系统的信噪比和光能利用率大大降低。现有的斜照明系统成像面光点漂移量较大，测量精度和应用范围受限。为此，本文提出一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量方法，将现有斜照明系统的“V字形”结构调整为“三轴结构”，通过增加调节支路限制光点的漂移；同时，利用面阵彩色相机作为光电接收器件，结合颜色转换算法通过光点颜色得到所需高度值。本文先进行标定实验确定本装置的测量范围及精度；再依次以自制台阶和透明材料作为测量对象，得到相应的被测值。同时，为了验证改进后的系统性能，在相同条件下利用“V字型”系统进行对比实验。实验结果表明，该系统的轴向测量范围为350 μm，重复性优于1.69，轴向测量精度可达到微米级，且该系统具有良好的透明材料厚度测量能力。通过对比试验可以验证，系统对于光点漂移具有良好的抑制效果，且抑制后系统的测量准确度有明显提升。
彩色共聚焦 斜照明 三轴结构 透明材料 chromatic confocal inclined illumination triaxial structure transparent specimen
天水师范学院激光技术研究所，甘肃 天水 741001
利用特殊的散热设计，在Tm∶ZBLAN玻璃激光器中实现连续和被动调Q锁模运转。分别采用透过率为1.5%、3%、5%的输出镜在激光连续运转时获得254 mW、296 mW、230 mW的最高输出功率。为了实现锁模运转，选用透过率为1.5%的输出镜，将透射式GaAs-SESAM作为锁模元件，出光阈值仅为131 mW，当吸收泵浦功率大于1.09 W时，实现了稳定的调Q锁模运转，最大输出功率为98 mW，调Q包络脉冲宽度为6 μs，重复频率为19.23 kHz，调Q包络下脉冲的重复频率为102 MHz，脉冲宽度约为800 ps，最大单脉冲能量为0.96 nJ。
激光器 薄片激光器 Tm∶ZBLAN SESAM 调Q锁模 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0114011
红外与激光工程
2021, 50(8): 20210349
天水师范学院 激光技术研究所, 甘肃 天水 741000
利用固态反应烧结方法制做的混合三氧化物陶瓷Tm∶LuScO3作为激光增益介质，在全固态激光器中实现了稳定的调Q锁模运转。利用透过率为3%的输出镜获得最高连续光输出功率为257 mW，中心波长为1 993 nm，对应斜效率14.06%。以三种半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模启动元件,系统分析了Tm∶LuScO3陶瓷激光器的调Q锁模运转特性，获得最窄锁模脉冲宽度在749~891 ps之间，重复频率121.9 MHz，对应的调Q包络脉冲宽度为50 μs，重复频率45.45 kHz，最高输出功率167 mW，中心波长为1 987 nm，对应最大单脉冲能量为1.37 nJ。
调Q锁模 2 μm激光 Tm∶LuScO3陶瓷激光器 半导体可饱和吸收镜 Q-switched mode-locked 2 μm laser Tm∶LuScO3 ceramic laser semiconductor saturable absorber mirror(SESAM)
烟台大学光电信息科学技术学院, 山东 烟台 264005
单像素成像的图像复原依赖于单像素接收信号和调制光源的关联,包括计算鬼成像和压缩感知成像两种方案。其中,计算鬼成像利用光源和单像素信号之间的高阶强度关联函数复原图像,而压缩感知成像采用优化压缩感知算法复原图像。单像素成像实验采用的光源种类繁多,既包括热光、X射线、电子、中子、单光子源等物理光源,也包括由空间光调制器和数字微镜等系统调制的人工光源。这些光源遵从不同的统计概率分布,照明物体的光场强度可看作统计独立的连续或离散随机变量,也被称为参考信号。单像素信号是所有参考信号的线性组合,根据光源的统计性质确定了参考信号与单像素信号之间的联合统计概率分布。此外,还研究了参考信号概率分布函数对关联鬼成像图像质量的影响,为单像素成像提供了物理和统计理论基础。
图像处理 单像素成像 鬼成像 密度分布函数 可见度 信噪比 激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011018
1 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
稀土掺杂上转换发光微纳粒子在防伪识别方面有着巨大的应用前景。 首先采用水热合成法制备了NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子, 通过X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的尺寸、 形貌和结晶度等方面进行了研究, 同时使用980 nm的泵浦源对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的发光性能进行了分析; 其次将NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与酒精按一定比例混合制成丝网印刷剂, 结合网络定制的丝网模版在纸上印制了不同字样的防伪图案, 风干后将字样暴露在980 nm的激光辐照下, 并使用相机对其进行成像研究; 最后将印制的字样分成两部分, 一部分保存在室内25 ℃恒温环境下, 另外一部分保存在冬季一月份室外自然环境下, 保存地点均为西安市, 一周后对不同环境下的字样再次使用完全相同的实验仪器进行成像测试。 实验及测试结果显示, NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与NaYF4标准卡的衍射峰完全一致, 没有其他杂质产生; 实验合成的微纳粒子外形均为六方体, 且平均长度和横截宽度分别为209和175 nm, 微纳晶体表面光滑、 无缺陷、 未弯曲、 结晶度较高、 分散性较好, 电子衍射环与NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的312, 300和302晶面相对应; NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子受掺杂离子的影响, 在不同的能级跃迁下分别产生蓝、 绿、 黄、 红四种可见光, 通过对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子荧光光谱分析, Eu3+非对称性比率约为1, 表明磁偶极子跃迁与电偶极子跃迁相当; NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子制成的丝网印刷剂在不同环境下成像结果良好均清晰可见、 容易辨识, 但受存放环境影响, 室内成像结果与最初的成像结果相比变化不大, 室外所有成像字符受到自然环境下水汽的影响, 亮度均略有下降, 但仍能识别。 成像结果表明, 所制备的NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子在防伪识别方面具有稳定性、 可靠性等特点, 但仍受到影响程度可控的自然环境因素影响。 综合来看, 其在防伪识别方面有着很大的应用前景。
上转换发光 水热合成法 防伪识别 丝网印刷 微纳粒子 Upconversion luminescence Hydrothermal synthesis Anti-counterfeiting identification Screen printing Micro-nano particles 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1525
