首都师范大学物理系北京市超材料与器件重点实验室，北京 100048
结构光束是指在空间和时间上“定制”的光场，其振幅、相位和偏振态在空间和时间上有着特殊的分布。近些年，结构光束的研究发展迅速，光学参量的特殊分布从特定的空间横向结构、纵向结构，发展到定制的时空结构。这种具有不同时空结构的光束为众多领域带来了突破，包括光学通信、光学传感、光学微操作、量子信息处理和超分辨率成像。因此，人们提出了许多方法，并制造了相关器件，通过调整光束的各种光学参量在空间域和时空域的分布来生成结构化光束。本文主要介绍不同类型结构光束（包括空间结构光束以及时空结构光束）的制备方法，对已产生的结构光束进行了总结，并进一步讨论和展望了结构光束在未来的发展方向。
结构光束 空间结构 时空结构 器件 光学参量 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0126001
江雪雷 1,2李恩恩 3,4,5,6许颖 1,2,*王天武 3,4,5,6,**谢雯羽 1,2
1 哈尔滨工业大学（深圳）深圳市土木工程智能结构系统重点实验室，广东 深圳 518055
2 哈尔滨工业大学（深圳）深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室，广东 深圳 518055
3 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
4 中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室，北京 100190
5 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
6 广东大湾区空天信息研究院，广东 广州 510700
锈蚀对钢材料（如钢筋，钢板等）的强度和耐久性具有较大的影响。研究发现在钢材锈蚀过程中产生的一些铁的氧化物能够与太赫兹（THz）电磁波表现出吸收共振。为了探究钢材锈蚀产物的光学参数并实现其特征识别，首先通过太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统测定了不同种类的锈蚀产物样品以及样品中的主要组分Fe3O4，Fe2O3，α-FeOOH的THz透射信号。在有效测定频率0~1.2 THz范围内，不同锈蚀产物混合物样品的折射率分布在2.7~3.4之间，组分晶体Fe3O4、Fe2O3、α-FeOOH的折射率分别为4.0、2.7、2.2。锈蚀产物混合物中Fe3O4的含量对光学参数，如吸收系数、折射率等的影响较大。然后，搭建了基于双色场的超宽带THz-TDS系统，进一步扩大THz的有效测定范围至0~10 THz，从而实现了对锈蚀产物的特征识别。在0~10 THz范围内，Fe3O4不存在特征吸收峰，Fe2O3的特征吸收峰位置为3.4、4.2、4.85、5.8 THz，α-FeOOH的特征吸收峰位置为3.6、4.05、5、5.45 THz。同时，对不同锈蚀产物样品的宽频THz吸收谱进行分析，能够实现Fe2O3和α-FeOOH的特征识别。研究结果表明，Fe2O3和α-FeOOH的特征吸收峰可以作为是否发生锈蚀的依据，该结果为THz技术在钢材锈蚀无损检测方面的应用奠定了基础。
太赫兹光谱 锈蚀 光学参数 特征吸收峰 光学学报
2023, 43(11): 1112003
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
1 中国海洋大学 信息科学与工程学部，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266071
基于蒙特卡洛模拟方法，建立了一个水中激光偏振辐射传输模型，用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波，分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层，其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm，接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号，并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明，由于激光在水中的多次散射过程，随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大，激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低，导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例，中浓度散射层情况下，在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%；在散射层中，低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时，退偏振比相对误差逐渐增大，在中浓度散射层情况下，其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明，偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时，由于多次散射过程的影响，传统的退偏振比算法会引入较大误差，有必要在反演算法中对其进行校正，以提高激光雷达的探测精度。
海洋激光雷达 偏振蒙特卡洛 水体光学参数 垂直剖面 退偏振比 oceanographic lidar polarization Monte Carlo water optical parameter vertical profile depolarization ratio 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211035
强激光与粒子束
2020, 32(8): 084004
华南师范大学物理与电信工程学院, 广东 广州 510006
采用单波长反射式椭偏仪以及多次旋转样品的方法,实现了光轴平行于表面的各向异性晶体光学参数的测量。分析了单波长椭偏法测量各向异性晶体光学参数的原理,改进了模拟退火单纯形联合反演算法,利用数值模拟讨论了光入射角、样品光轴取向、旋转角度及其定位误差对测量结果的影响。实验结果表明,该方法测量晶体的主折射率、吸收系数及光轴方位角的精度分别为0.0001~0.0003、0.000001~0.000400、0.02°~0.40°,具有较好的自洽性和准确性。
椭偏法 各向异性材料 光学参数 晶体 激光与光电子学进展
2020, 57(15): 152401
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 中国科学院物理研究所光物理重点实验室, 北京 100190
中红外可调谐激光已被广泛应用于医疗、**,以及环保等领域。利用1064 nm激光抽运磷酸钛氧钾(KTP)晶体光参量振荡器(OPO)产生2.6 μm波长可调谐参量激光。该光参量振荡器采用腔外单谐振结构,利用Ⅱ类相位匹配的方式获得了最大的非线性系数。实验实现了2.4~2.8 μm的波长调谐范围,并在155 mJ泵浦能量下,获得了最大单脉冲能量为12.6 mJ、转化效率为8.1%、光束质量为5倍的衍射极限。
激光光学 中红外 可调谐激光 光参量 光束质量 纳秒脉冲 光学学报
2019, 39(11): 1114002
天津大学理学院光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300072
研究了光源附近微区的漫反射率R 与收集孔径 、约化散射系数μ's和散射相函数相关的参数γ之间的关系。根据不同的生物组织,选取不同的散射相函数,采用Monte Carlo 模拟方法得到了光子经生物组织后的漫反射率数据,用得到的数据来验证反射率R 与无量纲的约化散射系数μ's 之间的关系。结果表明:当μ's <2时,R 对散射相函数的变化是敏感的,且与μ's 呈线性关系,其斜率与γ呈二次函数关系。光源附近微区的漫反射率R 对γ的变化是敏感的,这为测量与生物组织微观结构相关的散射参数γ提供了一种较为简单的方法。
医用光学 组织光学 半经验模型 蒙特卡罗模拟 二阶光学参量 散射相函数 激光与光电子学进展
2019, 56(18): 181701
1 中国科学院上海应用物理研究所, 上海 201204
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
国家自然科学基金、国家“计划”青年项目基金;
超快光学 阿秒脉冲光学参量复原 条纹光电子谱 线性啁啾
天津大学 理学院 光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300072
提出一种利用光纤探头测量组织微观结构参数γ的方法.根据Intralipid组织模拟液球状分形结构, 采用蒙特卡罗模拟方法得到光子经Intralipid漫反射的数据样本, 通过对数据进行非线性拟合, 建立漫反射率与γ的函数关系.研究发现漫反射率与无量纲的约化散射系数μs′(是散射光的收集孔径)呈线性关系, 其斜率是γ的二次函数.实验中以Intralipid为样本得到了不同μs′下的漫反射率, 验证了漫反射率与μs′的线性关系, 并利用其斜率获得了Intralipid的γ值为2.04, 分形维数为2.93, 各向异性因子为0.816, 与文献报道相符, 验证了该方法的可行性.
组织光学 漫反射模型 蒙特卡罗模拟 高阶光学参量 分形结构模型 Tissue optics Diffuse reectance model Monte Carlo simulation High-order optical parameter Fractal model
