期刊基本信息
创刊：
1981年 • 半月刊
名称：
光学学报
英文：
Acta Optica Sinica
主管单位：
中国科协
主办单位：
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
龚旗煌
执行主编：
赵建林
副主编：
邵建达 刘文清 华灯鑫 张旭苹 刘辉
ISSN：
0253-2239
刊号：
CN 31-1252/O4
电话：
021-69916837
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
150元/期
光学学报 第25卷 第8期
利用数值模拟的方法,定量地计算分析了空间激光通信中光强起伏问题,得到了准直光束与聚焦光束光强起伏相关距离(不均匀元半径)随大气相干长度变化的结果;进而分别从接收效率和性价比等不同的角度对激光通信系统接收孔径选取的参考因素进行了探讨。根据现代光通信对误码率的最低要求定义最佳接收孔径,计算分析了聚焦光束空间激光通信系统最佳接收孔径随大气相干长度r0的变化关系。结果表明,最佳接收孔径随大气相干长度的减小而迅速增大。对于聚集光束空间激光通信而言,在大气相干长度r0约为4 cm的强湍流效应情况下,通信系统的接收孔径接近5倍艾里斑直径,才能满足国际电信联盟电信标准部对光通信的最低要求。
大气光学 接收孔径 数值模拟 空间激光通信 
对圆芯型边孔光纤固有双折射的研究结果进行了报道。在对边孔光纤固有双折射的产生机理和计算原理进行研究的基础之上,采用有限元法分析了圆芯型边孔光纤的内部应力分布和双折射的大小。研究结果表明圆芯型边孔光纤的几何双折射较小,以应力双折射为主;边孔的存在导致光纤纤芯和包层区域的应力分布发生了较大的变化。文章提出了两边孔的连线方向为边孔光纤的快轴方向,并就不同的边孔结构对光纤双折射的影响进行了研究,发现圆芯圆孔型边孔光纤的固有双折射随边孔张角的增加而成指数关系增长,可通过增大边孔半径和减小两孔间距提高边孔光纤的双折射。
光纤光学 双折射 有限元法 边孔光纤 利用传输矩阵法分析了级联长周期光栅的光谱特性,讨论了级联处光纤的长度、位置以及包层模损耗系数对级联长周期光栅光谱的影响,并对级联长周期光栅和相移长周期光栅的光谱进行了比较。结果表明两者光谱在级联光纤长度较小或级联位置靠近光栅两端时具有较强的一致性,而在级联处光纤较长并且级联位置在中间时,两者表现出截然不同的光谱特性;在不考虑其他损耗的情况下,如果只改变级联处光纤长度,级联长周期光栅总量守恒;此外,当级联长周期光栅在级联处光纤包层模损耗系数较大时,级联长周期光栅的光谱等效于两个长周期光栅光谱的非相干叠加,从而为长周期光栅增益均衡器的优化设计和制作提供了一个简便有效的方法。
导波光学 级联长周期光栅 非相干叠加 传输矩阵 损耗系数 提出了以单轴晶体材料为包层,光轴平行于光栅主轴(z轴)的新型啁啾光纤光栅模型,应用耦合模理论和传输矩阵方法在理论上分析了该类光纤光栅中的电光效应和弹光效应,理论研究发现在包层施加沿光栅轴向的电场和应变场可以改变布拉格波长和反射谱。得到了3种不同单轴晶体为包层时布拉格波长λB和反射光谱随外加电场和应变场变化的曲线。研究结果表明当轴向外加电场从1×107 V/m变化到8×107 V/m时λB减小0.12 nm,当外加应变场从0变化到0.04时,λB减小0.45 nm。
导波与光纤光学 啁啾光纤光栅 耦合模理论 单轴晶体材料 提出一种由九个子镜构成的复合三子镜稀疏孔径结构。给出该孔径的光瞳函数以及三种不同型的结构形式,并导出它的调制传递函数的解析表达式。对三种不同型的调制传递函数进行了分析比较,阐明复合三子镜三种结构各自的特点。通过数值计算给出复合三子镜Ⅰ型结构的最大截止频率和不同填充因子的等效直径。对不同填充因子下的复合三子镜进行模拟成像、加噪与图像重构,并用两种指标对不同情况下的图像进行像质评价。结果表明,复合三子镜像的空间分辨率,基本接近包围孔径像的分辨率,成像质量和信噪比随着填充因子的减小逐渐下降。经过维纳去卷积滤波,图像质量有所提高。复合三子镜具有结构灵活、易于装调的优点。
应用光学 稀疏孔径 调制传递函数 成像质量 为有效评价凝视成像系统的性能,依据凝视红外成像系统对红外辐射信号的转换机理,建立了凝视红外成像系统信号响应模型;利用线性系统理论和采样理论对成像系统的传递函数进行了分析建模;借助于三维噪声模型表征了系统的噪声特性。以成像系统建模为基础,模拟生成不同尺寸、不同辐射温差的等边三角形方位靶标图像;针对不同刺激强度的三角形靶标仿真图像,统计观察者对靶标方向正确鉴别的概率,引入视觉心理测量函数——韦布尔(Weibull)函数拟合观察者鉴别概率数据,实现了三角方向鉴别阈值(TOD)曲线的预测。与实际测量结果进行比较,显示了此方法预测三角方向鉴别阈值曲线的合理性。
成像系统 性能评估 三角方向鉴别阈值 心理测量函数 光学综合孔径阵列中的子孔径的位置和直径的大小对成像质量有着重要的影响。详细分析了几种不同优化排列的光学综合孔径直线阵列的无像差点扩展函数、光学传递函数和衍射成像特性,结果表明,子孔径的位置不同,光学传递函数的空间频率覆盖有很大的差异。增大子孔径的直径可以增大空间频率覆盖程度,但子孔径直径过大时又会产生空间频率冗余度和增加制造成本。直线阵光学综合孔径的衍射成像是多重像,子孔径直径的增大还可以减小重影的程度,提高成像质量。结果说明,在进行光学综合孔径阵列优化排列时必须考虑子孔径的直径大小这个重要的因素。
成像系统 光学综合孔径 空间频率覆盖 子孔径尺寸 分析了卫星上用宽视场绝对辐射计(常温300 K)观测太阳时与其视场内太空冷背景(4 K)的辐射交换,它实际上是辐射计的接收腔向太空发射辐射,相当于辐射计接收了“负辐射”。视场宽时太空背景的这一“负辐射”量是不能忽略的,由于观测太阳(其视角很小为32′)的同时接收了充满其视场的太空“负辐射”,因此直接测得的数据比实际太阳辐射量值要小,需要加上这一“负辐射”量才能得到真正太阳辐射量值。研究出了用电功率补偿三步测量工作流程同时测量这一“负辐射”量和太阳辐照度的方法。在神州三号飞船轨道舱太阳常数监测器上的宽视场绝对辐射计采用这种工作流程测量了太阳辐照度,测得太空背景的“负辐射”值同计算值相同。
空间光学 测量与计量 太阳辐照度 辐射交换 太空 绝对辐射计 针对布里渊光时域分析分布式传感原理和受激布里渊散射的特点,应用微波电光调制分布反馈式半导体激光器产生频移可调的探测光,和传感光纤中相反方向传输的脉冲激励光进行受激布里渊散射作用,当探测光和激励光的频率差在布里渊频移附近时,频移探测光和激励光产生受激布里渊散射,通过改变探测光的频移值,检测探测光功率信号,可得到沿光纤各处的布里渊频移,再利用布里渊频移和应变(或温度)的关系,计算得到沿光纤分布的传感量。设计了基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器实验系统,实现了25 km的分布式温度传感,达到5 m的空间分辨力和3 ℃的温度分辨力。
光学测量 分布式光纤传感 布里渊光时域分析 布里渊散射 电光调制 影栅云纹是物体离面变形和表面形貌测量常用的一种比较简单的方法,用单纯的影栅云纹法即便在最好的光学系统配置情况下测量精度也只有1～100 μm左右,在影栅云纹测试方法中引进相移技术是提高测量精度的主要手段。采用液晶投影仪和数字图像处理技术实现数字影栅云纹测量的准确数字相移,避免了在影栅云纹法中使用结构比较复杂或特制的相移机构。由计算机产生相移条纹图经液晶显示投影,应用实时图像灰度算术相减技术得到数字相移影栅云纹条纹图。该方法具有“基准栅”的栅距和相移步长实时可调,配置高速图像采集系统和图像后处理软件,可将相移技术引入动态测量中,从而提高动态测量的精度的优点。最后的悬臂梁实验结果证实了该方法的有效性。
光学测量 数字影栅云纹 数字相移 液晶投影仪 平滑滤波 
获得泽尼克多项式的频谱信息是正确利用该多项式进行误差拟合的关键。推导出了泽尼克多项式的傅里叶变换公式,在频域中分析了不同阶数该多项式的径向频谱信息和幅角频谱信息,得到了有限项泽尼克多项式能够有效表达面形误差的最大径向空间频率和角频率。基于频域分析理论,利用泽尼克多项式对不同口径局部误差进行了拟合,并利用齐戈(Zygo)干涉仪对带有不同面形误差的光学元件进行了试验分析。结果表明,当误差的径向空间频率或角频率超出泽尼克多项式所能表达的频谱范围时,拟合误差迅速变大。
应用光学 面形拟合 傅里叶变换 泽尼克多项式 提出一种检测光束准直度的新方法。在对波面矢高进行定义的基础上,提出CCD轴向扫描检测激光束准直度的方法。利用采样光波在会聚透镜后形成的衍射图样,测量两个相同基准衍射图样之间的距离,即可确定入射光波的波面矢高,进而确定入射光波的准直度。在给出测量原理及模拟基准衍射图样的基础上,进行了实验验证。CCD轴向扫描方法具有结构简单、加工便利、操作方便的特点,是检测光束准直度的有效方法。
衍射与光栅 准直测试 波面矢高 基准衍射图样 基准衍射平面 对激光二极管端面抽运Tm,Ho∶YLF晶体声光调Q激光器的激光特性进行了研究。根据粒子跃迁和能量传递过程,在考虑能级传递上转换的前提下,建立了Tm,Ho∶YLF脉冲激光器的速率方程,得到了初始反转粒子数的解析表达式,分析了能量传递上转换效应对激光上能级反转粒子数的影响。在室温下实现了2 μm波长激光的脉冲输出。实验上给出并分析了Tm,Ho∶YLF脉冲激光器的平均输出功率、单脉冲能量和脉冲宽度随抽运功率以及声光Q开关调制频率的变化关系。在抽运功率为2.8 W,重复频率为9 kHz时,获得了平均输出功率为189 mW的激光脉冲,光光转换效率为6.8%。在重复频率为1 kHz时,得到最大单脉冲能量为65 μJ,峰值功率为0.17 kW。
激光技术 激光二极管抽运 Ho∶YLF晶体 声光调Q 提出了一种以处于增益开关调制状态下的法布里珀罗(Fabry-Pérot)半导体激光器作为光源,采用简单的自激注入锁定方式,以生成波长可调谐的超短光脉冲的实验系统。该实验装置中,激光器的外腔包括两个串联在一起的布拉格光纤光栅,一个掺铒光纤放大器(EDFA),一个光耦合器和两个环行器,其作用是选模,以及增强并控制反馈回激光器内腔的光强。该实验系统简单而高效,在24 nm的波长调谐范围内获得了边模抑制比高于40 dB的单模光脉冲输出;而在1521.8 nm和1550.0 nm之间28.2 nm的波长调谐范围内,边模抑制比高于35 dB。所得到的各个单波长激光脉冲的时域半峰全宽为140～260 ps,各个脉冲的光谱半峰全宽皆为0.1 nm。
超快光学 超短光脉冲 增益开关 自激注入锁定 边模抑制比 波长调谐 通过溶胶凝胶技术制备了掺杂Ce3+离子的纳米SiO2材料,并经较低温度下煅烧,研究其光致发光(PL)性能。X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)测试结果表明该纳米材料具有非晶态结构,颗粒尺寸为20～30 nm。对其光致发光谱的测定显示:经450 ℃低温煅烧,未掺杂SiO2样品的光致发光谱明显为多峰的宽带结构,而微量Ce3+掺杂的样品在230 nm激发下存在着唯一的一个很强的、主峰位于346 nm左右的紫外发光峰,与未掺杂SiO2及Cu2+掺杂SiO2样品的比较表明该发光峰并非常见的Ce3+离子的d-f跃迁产生的特征发光带,而是起源于SiO2中的某种本征缺陷中心。通过不同煅烧温度以及不同Ce3+离子掺杂量对346 nm发光峰强度的影响,讨论该发光峰起源可能的结构模型。
光学材料 Ce3+掺杂SiO2 溶胶凝胶技术 纳米SiO2 应用坩埚下降法技术,以同成份化学摩尔分数[x(Li2O)=48.6%,x(Nb2O5)=51.4%]为原料,生长出了以不同Zn,Eu双掺杂的LiNbO3晶体。测定了晶体下部与上部的X射线衍射图(XRD)、激发光谱、荧光光谱以及声子边带谱。Zn的掺杂量对Eu3+离子在晶体中的分布产生很大的影响。Zn掺杂摩尔分数为3%时,Eu3+离子在进入晶格时受到有效的压制。随着Zn掺杂摩尔分数提高,达到6%时,压制作用减弱。从Zn2+离子在LiNbO3中随浓度变化的分凝情况以及对Eu3+离子的排斥作用解释了Eu3+离子分布的原因。同时测定了Zn掺杂样品的声子边带谱。
光学材料 锌铕双掺铌酸锂晶体 坩埚下降法 Eu3+离子 浓度分布 光谱 为了确定不同封装材料对白光LED光衰等性能指标影响的程度,进行了不同材料支架、不同种类固晶胶,以及不同厂家荧光粉及配粉胶的对比试验。试验发现,使用铜支架比铁支架LED的光效高,在第8周时光衰比铁支架低10％;使用银浆固晶比用环氧树脂寿命长,但初始光通比环氧树脂低近1/3;不同厂家的荧光粉对白光LED光衰的影响程度不同;使用环氧树脂作为配粉胶比用硅胶寿命短,但初始光通量相对高出25％。分析认为,主要是由于不同固晶胶和支架使PN结至支架之间的热阻发生了变化,不同配粉胶在LED封装过程中烘烤温度不一样,以及荧光粉本身具有光衰特性导致了白光LED产生不同程度的光衰。因此,在进行白光LED的封装设计、制造过程中,应根据用户对初始光通量、光衰以及色温漂移等参量的重视程度综合考虑并选择相应的封装材料。
应用光学 白光LED 封装材料 光衰 温度 实验研究了不同配方及工艺条件下,聚合物弥散液晶(PDLC)材料在1550 nm处的电控光透射特性。由此筛选合适的配方和工艺,研制了聚合物弥散液晶电控可调光衰减器样品。实验说明,在1550 nm工作点,50％左右合适的液晶含量的聚合物弥散液晶样品能够获得更好的电控光学性能。采用配方质量比w(DHPA)∶w(E7)∶w(RB)∶w(NVP)∶w(NPG)＝100∶100∶3∶2∶1.5的配方,制作在1550 nm工作的聚合物弥散液晶光衰减器样品。经检测,输入光源为1550 nm,223 μW时,器件插入损耗为2.3 dB,衰减调节范围为13 dB,线性工作区域为20～70 V。
光学材料 聚合物弥散液晶材料 光通信器件 光衰减器 电控光谱特性 介绍了超高分辨光子扫描隧道显微镜(PSTM)的研究历程,为解决第一代(单光束照明)光子扫描隧道显微镜中存在人为假象和样品光学图像与形貌图像难于分离两个难题,用π对称双光束照明方法消假象,用原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)图像分解方法分离样品光学透过率、折射率与形貌图像。研制成功新一代原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)样机。该样机在一次扫描中已获得两幅原子力显微镜图像(形貌与相位)和两幅光学图像(透过率和折射率),有效地减少了假象,分解了样品光学折射率、透过率与形貌图像。
显微 超分辨 光子扫描隧道显微镜 原子力显微镜 扫描近场光学显微镜 报道了三倍频脉冲Nd∶YAG激光(355 nm)在两种不同带宽模式下抽运氧气中受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)的实验研究。在宽带(约1 cm-1)抽运模式下,只测到了前向受激拉曼散射,而没有观察到后向散射,其一级和二级斯托克斯最大能量转换效率可达22%和8%。在窄带(约0.003 cm-1)模式下,前向、后向受激拉曼散射和受激布里渊散射都测量到了,但大部分抽运能量都转换到受激布里渊散射,其转换效率可达67%。测量了两种带宽模式下各散射组分在它们最佳转换时的波形;窄带情况下后向受激拉曼散射和受激布里渊散射的脉宽分别可压窄至1.5 ns和2.3 ns,不到抽运脉宽的三分之一,使得受激布里渊散射峰值功率可大大高于抽运功率。对氧气中前向、后向受激拉曼散射和受激布里渊散射之间的竞争进行了讨论。
非线性光学 受激拉曼散射 受激布里渊散射 Nd∶YAG激光 氧气 从考虑背景光的光伏作用后的光束在光伏媒质中传播的方程出发,证明了在折射率改变为正的光伏媒质中也可以形成灰孤子。光束以灰孤子状态在光伏晶体中传播时,其横向相位必须具有一个与光强分布有关的形式分布,表达式为(s)=vη-∫η0y-2()d。其中v是灰孤子的横向运动速度,η是无量纲化坐标,y(η)是归一化的光场振幅。分别讨论了光束灰度、光强振幅、信号光与背景光的有效Glass系数之比R对一维的光伏空间灰孤子宽度、横向总相移和横向运动速度的影响,并分析了光伏灰孤子的稳定性。当光束的灰度m为0时,这一理论可直接退化为光伏暗孤子的理论。
非线性光学 光折变孤子 光伏孤子 灰孤子 折射率改变 金属/半导体基光子晶体有重大的**应用价值,其生长技术的核心是设计合适的方法将聚甲基丙烯酯甲酯(PMMA)微球组装成光子晶体。在目前垂直沉积法的基础上,通过控制甲基丙烯酸甲酯(MMA)和偶氮引发剂的反应,使用等温蒸发工艺开发了光子晶体的可控垂直沉积(CVD)技术。实验合成了高度单分散的PMMA微球,并将PMMA微球组装成了光子晶体;对试样进行扫描电镜研究发现,晶体内部排列有序度很高,表面层很完美平整,在3 μm×5 μm的有序区内仅有两个点缺陷;使用直径分别为294 nm和345 nm的PMMA微球,沉积出具有规则的周期性密堆积结构的光子晶体,试样的完美有序区范围在20 μm以上。实验发现,在可控垂直沉积法的晶体生长过程中,光子晶体的生长方式为连续生长,生长界面为粗造界面。
光电子学 光子晶体 可垂直沉积 聚甲基丙烯酸甲酯 用真空镀膜方法制备了含有单个CdS缺陷层的具有不同周期和结构参量的TiO2/SiO2一维光子晶体。用抽运探测技术研究了CdS缺陷层的双光子吸收(TPA)现象。实验结果表明:一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收显著增强。不同周期和结构参量的一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收系数不同。双光子吸收的增强来源于由光局域化导致的缺陷层的电场强度的增加。缺陷层电场强度与一维光子晶体的结构有关,如周期,光子带隙的位置与宽度及缺陷模式等因素都会影响缺陷层电场强度。采用四分之一波长的高低折射率介质层和与入射波长匹配的缺陷模可以得到最大的缺陷层电场强度。
光电子学 双光子吸收 抽运探测 光子带隙 缺陷 在外磁场作用下,复合介质的法拉第磁光效应依赖于颗粒膜电介质张量。而复合介质的电介质张量的计算相当复杂。运用了有效介质近似理论,利用非均匀复合介质的有效电场等于单个颗粒中局域场的平均值的自恰条件,由电介质张量εe方程及自洽条件导出了计算磁性颗粒膜系统磁光法拉第转角的解析公式。并应用导出的关系,以Cu金属颗粒为例,讨论了颗粒膜中金属颗粒含量及对应的基质、离子浓度、颗粒形状对法拉第转角的影响,结果表明,利用有效介质近似理论计算的结果与实验结果一致。
磁性颗粒膜 磁光效应 法拉第转角 有效介质近似 研究了两个二能级原子与单模腔场具有不同耦合常量系统的腔场谱,讨论了量子化光场分别处于不同的光子数态时腔场谱结构随相对耦合常量R变化的新特性。发现随着R由0到1的增加,腔场谱各对应峰峰位相对腔场原共振频率ω0对称偏移;真空场(n=0)的峰高在0量子光学 腔场谱 非等同两原子 单模腔场 原子的协作效应
解析求解了P表象中考虑抽运吃空后的非线性含时简并光学参量放大系统获得压缩光所满足的福克尔普朗克(Fokker-Planck)方程,并且计算了它在阈值附近及远离阈值的量子起伏。研究表明:若略去与η成正比的项,则通解很自然地过渡到线性近似解。计及与η成正比的项后,该解与Drummond等在阈值附近的微扰展开理论相比,基本相符。但在远离阈值处,微扰展开理论不适用,而该结果在阈值附近以及远离阈值的整个区域均是适用的。当μ→0压缩很小时,起伏趋近于真空起伏;而μ1,压缩增大时,趋近1/1+μ线性理论。
量子光学 非线性简并光学参量放大 量子起伏 福克尔普朗克方程 为满足现代光信息技术对偏光器件各项技术指标的苛刻要求,利用膜层理论推导出线偏振光垂直入射时棱镜偏光镜透射比的数学解析表达式,并对影响棱镜偏光镜技术指标的每个物理参量作了定量分析。通过计算机定量模拟表明:晶体厚度对透射比的影响幅度与中间空气膜层的透射比有着密切的关系,在晶体折射率等参量取某些特定值,中间空气隙的厚度h=26.2 μm和27.4μm时,格兰泰勒(Glan-Taylor)棱镜晶体厚度对总透射比的影响幅度分别为5.934%和7.034%,格兰傅科(Glan-Foucault)棱镜晶体的厚度对总透射比的影响分别为1.24%,8.893%;晶体厚度,空气膜层厚度,棱镜结构角共同影响棱镜偏光镜的透射比。这一理论研究克服以前棱镜偏光镜透射比公式不能定量分析晶体厚度对棱镜偏光镜透射比影响的缺点,对偏光器件的的设计,具有重要的应用价值。
薄膜光学 棱镜偏光镜 晶体膜层效应 透射比 膜层互联函数