湖南师范大学化学化工学院 光能转换材料湖南省高校重点实验室，湖南 长沙 410081
近红外光谱调控对于开发新型近红外荧光粉至关重要。3d3电子构型的Cr3+具有波长可调谐的宽带近红外发光性质，是一种理想的近红外激活剂离子。由于d轨道对晶体场敏感，Cr3+离子发射波长强烈依赖于其配位晶体结构，明确配位结构与发光性质之间的构效关系是指导近红外荧光粉理性设计的理论基础。而实际上晶体结构复杂，影响局部配位结构性质的因素很多，难以形成明确的构效关系。AMP2O7（A=Li，K；M=Ga，Sc，In）系列焦磷酸盐晶体中具有孤立的［MO6］八面体结构特征，可为Cr3+提供孤立的配位环境，孤立格位大大减少了晶体结构的复杂性，为构效关系的建立提供了合理性保障。本文以AMP2O7∶Cr3+系列荧光粉为研究对象，Cr3+取代在孤立的［MO6］八面体中心格位，具有波长可调谐的近红外发光性质，其发射波长随M3+和A+组分变化而发生迁移，以Cr3+发射波长对孤立配位结构特征的依赖关系初步构建［MO6］—Cr3+近红外发射波长的构效关系，以期能为Cr3+近红外发射材料理性设计提供一些依据和思路。
近红外 荧光粉 Cr3+ 构效关系 near-infrared（NIR） phosphor Cr3+ structure-function relationship
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 光子网络技术研究室，西安 710119
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，西安 710119
3 中国科学院大学，北京 100049
针对湍流对水下成像系统的影响，基于Yao折射率起伏功率谱，推导了平面波的波结构函数，完善了水下光学成像模型，其优势在于将难以测量的微观参量如动能耗散率和温度耗散率，用平均温度和平均盐度等宏观参量代替。数值仿真了不同平均温度与平均盐度条件下水下湍流通过改变波前，进而对成像系统调制传递函数产生影响。仿真结果表明，平均温度与平均盐度升高，均会造成系统成像质量下降，进一步研究发现平均盐度增加，不同空间频率的调制传递函数值均线性下降，且下降幅度基本一致；随着平均温度升高，调制传递函数值线性下降，且高频成分的调制传递函数值下降得更快。为验证成像模型的正确性，设计搭建了3 m长的水下光学成像实验平台，利用相机记录分辨率板透过湍流的成像情况，得到不同平均温度与平均盐度条件下的调制传递函数曲线。对比实验与仿真结果发现，在平均温度10 ℃~30 ℃与平均盐度0 ppt~30 ppt范围内，对比度随平均温度与平均盐度变化趋势相同。该研究对水下光学成像系统的设计优化及水下图像处理具有一定的参考价值。
水下湍流 折射率起伏功率谱 波结构函数 调制传递函数 温度 盐度 Underwater turbulence Power spectrum Wave structure function Modulation transfer function Temperature Salinity 光子学报
2022, 51(12): 1211004
1 中国民航大学 飞行技术学院, 天津 300300
2 中国民航大学 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室,天津 300300
3 中国民航大学 电子信息与自动化学院,天津 300300
4 香港天文台, 香港 999077
提出了一种基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的湍流速度结构函数构造方法, 将该方法构造的速度结构函数与湍流模型拟合, 可以实现激光雷达的湍流识别。首先对激光雷达扫描的空间数据进行距离门扇区划分, 在每个子扇区内对湍流风场做奇异值分解, 得到特征速度基准值和每个距离门的湍流脉动速度, 构建出速度结构函数。选取标准von Kármán湍流模型函数作为拟合约束, 得出涡流耗散率的立方根来判断湍流的强度。最后, 利用兰州机场的实测数据, 对比分析了在不同湍流强度下SVD方法的速度结构函数与局部平均方法的性能。通过与机组报告的湍流数据进行对比分析, SVD方法进行湍流预警的预警率可以达到85.2%。该方法对提高机场湍流探测和识别有重要意义。
激光雷达 奇异值分解 速度结构函数 湍流 Lidar Singular Value Decomposition (SVD) velocity structure function turbulence
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 吉林大学 机械科学与工程学院, 吉林 长春 130000
4 吉林亚泰中科医疗器械工程技术研究院股份有限公司, 吉林 长春 130000
5 吉林大学 中日联谊医院, 吉林 长春 130000
为了更好地实现无创、实时、动态的皮肤层析成像, 提高成像信噪比, 需要对反射式激光共聚焦系统性能进行全面的评价。在此引入结构函数进行变尺度波前评价。首先对结构函数的基本数学性质进行了推导, 着重分析了不同尺度的波像差在结构函数中的体现; 之后, 利用数值仿真对Zernike多项式进行了分析, 验证了结构函数对低阶像差的表征能力。由于显微镜在使用时必然需要穿过皮肤组织, 故在检测过程也需要考虑人体组织的影响, 分析了其对系统信噪比的影响; 最后, 对实际显微镜系统的波前进行了分析, 得到系统标校后的信噪比为95.7 dB, 验证了方法的正确性与可行性。通过变尺度评价方法, 可以对无创成像系统进行更加全面的评价, 并可以有效地指导类似设备的检测装调工作。
波像差 功率谱密度 共聚焦显微镜 结构函数 wavefront error power spectral density confocal microscopy structure function 红外与激光工程
2019, 48(3): 0317001
1 华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
2 北京邮电大学 信息光子学与光通信研究院, 北京 100876
3 河北大学 物理科学与技术学院, 河北 保定 071002
提出了一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法, 通过对低频相位屏的采样方式进行设计, 能够充分地补偿相位屏中的低频信息.利用该方法对符合Kolmogorov理论的大气湍流相位屏进行数值模拟, 并结合相位结构函数和相对误差函数对所提方法的准确性进行验证, 分析谐波次数和采样点数对模拟相位屏的影响.此外, 还将改进后的次谐波法与经典的功率谱反演法、Zernike多项式法、分形法及改进前的次谐波法进行了对比, 结果表明：改进后的次谐波法对应的相位结构函数与Kolmogorov湍流理论值最符合, 即利用此方法生成的相位屏最准确.
大气光学 光通信 大气湍流 相位屏 次谐波 相位结构函数 Atmospheric optics Atmospheric turbulence Optical communications Phase screen Subharmonic Phase structure function
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心, 北京 100083
2 中国科学院大学, 北京 100049
为研究基于碳化硅(SiC)陶瓷封装的高功率半导体激光器的散热性能, 将其与常用的氮化铝(AlN)陶瓷进行对比, 使用基于结构函数法的热阻仪分别测量SiC和AlN封装F-mount器件的热阻值, 得到SiC器件的总热阻约为3.0 ℃·W-1, AlN的约为3.4 ℃·W-1, SiC器件的实测热阻值比AlN器件低14.7%, 实验结果表明SiC过渡热沉具有较好的散热性能。实验进一步测试了两种过渡热沉封装器件的输出性能, 在16 A连续电流注入时, 915 nm波段的SiC器件单管输出功率为15.9 W, AlN为15 W, 测试结果显示SiC封装的器件具有更高的功率输出水平。
激光器 半导体激光器 碳化硅 热阻 结构函数法 氮化铝
1 中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室, 天津 300300
2 民航气象技术研究所, 天津 300300
3 香港天文台, 香港 999077
为提高激光雷达对小尺度低空湍流的预警率, 提出了一种将下滑道扫描与横向速度结构函数相结合的预警算法。首先, 把下滑道扫描方式下得到的扫描扇区分成多个重叠的子扇区, 采用空间波动法计算每个子扇区的横向结构函数。其次, 将结构函数与Von Karman模型预测的结构函数拟合得到涡流耗散率, 并以国际民航组织规定的湍流阈值来判断湍流强度。使用香港天文台安装在香港国际机场实的激光雷达采集数据进行了实验验证, 结果表明新方法能够检测出纵向速度结构函数未能检测出的小尺度湍流。该方法是有效的, 对于提高湍流的预警率有重要意义。
速度结构函数 低空湍流 激光雷达 下滑道扫描 velocity structure function low-level turbulence lidar glide-path scanning 红外与激光工程
2017, 46(10): 1030005
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配, 本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导, 并与传统的误差均方根(RMS)进行比较, 表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异, 得出在较小尺度下, 系统的误差分布可以较好的服从正态分布, 而随着尺度的增加(如大于100mm)会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质, 提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity , PSSn), 建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系, 通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后, 根据本文所提出的方法, 对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配, 得到在大尺度均方根为25nm, 粗糙度为1nm,中频尺度为250mm, 大气相干长度为0.4m(检测环境)的要求下, 该系统的结构函数满足要求, 同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5, 同样满足要求。
大口径望远镜 标准化点源敏感性 中频误差 结构函数 large telescope normalized Point Source Sensitivity middle frequency error structure function
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计, 本文应用波前结构函数法, 提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数, 去除倾斜项, 计算波前结构函数;最后,与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合, 得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统, 并进行了外场实测对比。结果表明: 提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合; 不同格林伍德频率下, 标准差与均值之比小于4.1%, 稳定性较好; 外场比对累计16个夜晚, 得到的平均偏差小于0.45 cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量, 并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。
自适应光学 大气相干长度 空间目标 瞬时测量 波前结构函数法 adaptive optics atmospheric coherence length spatial objective simultaneous measurement wavefront structure function method
