期刊基本信息
创刊：
1964年 • 半月刊
名称：
激光与光电子学进展
英文：
Laser & Optoelectronics Progress
主管单位：
中国科学院
主办单位：
中科院上海光机所
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
范滇元
执行主编：
邱建荣
副主编：
戴琼海 张龙 张雨东 曹良才
ISSN：
1006-4125
刊号：
CN 31-1690/TN
电话：
021-69918427
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
120元/期
激光与光电子学进展 第50卷 第10期
980 nm掺镱光纤激光器因为有望成为掺铒、掺镱光纤激光器的新型抽运源以及本身进行频率变换后可得到优质的蓝绿激光而拥有极大的研究价值。介绍了获得980 nm光纤激光器的两大关键问题，即抑制四能级起振和抑制重吸收效应，并分析了解决方法。介绍了三种工作方式下（即连续、调Q、锁模），国内外研究机构在980 nm光纤激光器方面的实验研究进展和发展趋势，并对980 nm光纤激光器的应用和发展前景进行了展望。
光纤光学 光纤激光器 掺镱光纤 准三能级 
在基于三角法的线结构光三维测量系统中，如何快速精确地从光条图像中提取光条中心位置是实时精密测量的关键问题。本文在分析线结构光光源选择、环境噪声和被测物体表面反射属性等影响光条中心提取因素的基础上，对当前已有的线结构光光条中心提取方法进行综述，包括专门的光条图像去噪技术和阈值分割技术，以及传统的和改进的光条中心提取算法，分析其原理及关键技术。最后，针对目前线结构光测量中存在的问题给出建议，指出开发能处理高像素图像，并能在室外强光和复杂的自然环境中使用的单目激光系统是将来的发展趋势。
测量 线结构光测量 提取光条中心 图像去噪 图像分割 垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低阈值电流、圆形光斑、高调制带宽、易于单纵模激射以及高密度二维光集成等优势。在实际应用中,单横模VCSEL是光通信、高速局域网、光互连等许多应用领域的理想光源。在分析VCSEL的结构特性和模式特性的基础上,详述了单横模VCSEL近年来取得的重要进展,分析了各种单横模技术的优势与不足,概述了器件广阔的应用前景及仍待解决的问题。
激光器 半导体激光器 垂直腔面发射激光器 单模 距离选通激光主动成像技术兼具作用距离远、不依赖环境光照、可抑制大气后向散射、可进行三维成像等优势，是目前国内外研究的热点。介绍了距离选通激光主动成像技术的原理，分析了国内外将该技术用于大气条件下远距离成像监视和三维成像的典型系统、技术特点和应用等方面具有代表性的研究成果，并对该技术的发展趋势进行了展望。
成像系统 距离选通 激光成像 主动照明 三维成像 布里渊光时域分析(BOTDA)是目前分布式光纤测量技术的主流。介绍了该技术的研究进展及主要技术方法，阐述了该技术的原理、特点及主要技术局限。针对传统BOTDA的局限，介绍了预抽运脉冲BOTDA(PPP-BOTDA)与差分脉冲对BOTDA(DPP-BOTDA)这两种可提高空间分辨率、测量精度与信噪比(SNR)的新技术，分析了这两种技术的原理、实现方法以及相较于传统BOTDA技术的优点。介绍了利用保偏光纤(PMF)和光子晶体光纤(PCF)的特性同时测量温度与应变的新技术。
光纤光学 受激布里渊散射 布里渊光时域分析 保偏光纤 介绍了几种利用复合技术提高光子晶体LED出光效率的方法。利用复合技术在LED上形成光子晶体结构和微腔结构、全方位反射镜、图形化衬底、AlGaN限制层或嵌入式光子晶体层复合的结构，可以改变LED的发光光路与内部导波模式分布，有效地提高光子晶体LED的发光效率。以五种复合结构为例进行分析，通过实验制备和时域有限差分(FDTD)模拟仿真，证实了与传统LED结构相比，经过适当优化参数配置，具有复合结构的LED比只具有表面光子晶体的LED结构出光效率有显著提高。
光电子学 嵌入式光子晶体 全方位反射镜 微腔 图形化蓝宝石衬底 为对光纤磁敏感性进行研究，基于法拉第效应原理，利用琼斯矩阵建立了全光纤型光纤Verdet常数测量系统的传输模型。对输入端光纤、输出端光纤、被测光纤对系统输出的影响进行了分析与仿真，结果表明测量系统中输入端保偏光纤对系统输出有影响，输出端光纤及光纤种类不影响系统输出，并确定了被测光纤的有效被测长度。搭建测量系统对单模光纤进行测量，测量的单模光纤Verdet常数为0.52±0.01 rad/(T·m)，多根光纤测量结果在0.52～0.56 rad/(T·m)之间，且不同驱动电压下的测量结果与驱动电流成线性关系，说明系统线性度好。实验结果证明了此系统具有很好的可靠性与稳定性。
光纤光学 Verdet常数 全光纤结构 琼斯矩阵 为解决光纤布拉格光栅(FBG)传感器温度和应力交叉敏感问题，研究了一种FBG双参数传感器。基于FBG测温、应力测量的基本原理，分析了FBG双参数传感器的工作原理。对设计的FBG双参数传感器进行了实验研究，得到了双参数传感器的温度及应力测量线性度及响应灵敏度，并给出了温度及应力两个参数共同作用下去除交叉敏感测量结果。测温光栅动态范围0 ℃～100 ℃，响应灵敏度为12.2 pm/℃；封装后应力响应灵敏度为1.79 pm/N。研究结果表明，在FBG应力测量过程中，该方法不仅可以有效去除温度交叉敏感问题，同时还可以实现温度及应力两种参数的准确测量。
光纤布拉格光栅 双参数 交叉敏感 线性度 灵敏度 应力 针对六边形晶格微结构光纤，采用有限差分波束传播法对多孔光纤的模式双折射特性进行数值模拟，分析了横截面结构参数的变化对模式双折射的影响。得到了两组合适的光纤结构参数，其偏振拍长可以在较宽的波长范围内基本保持稳定，具有较好的消色差特性：一种结构的偏振拍长在1310 nm波长附近的工作带宽可达200 nm；另一种结构的偏振拍长在1550 nm波长附近的工作带宽可达260 nm。这两种结构的光纤均适合制作宽带稳定的消色差波片。
光纤光学 多孔光纤 模式双折射 偏振拍长 波长敏感性 为了抑制大气湍流对大气光通信系统性能的影响，将低密度奇偶校验（LDPC）码与多输入多输出技术结合，推导了最大比合并、等增益合并和选择合并三种合并方式下单输入多输出(SIMO)系统译码初始化计算公式，并比较了系统误码性能。仿真结果表明，基于LDPC编码的大气光通信SIMO系统误码性能优于SISO系统；不同的方式下SIMO系统的误码性能不同， 信噪比一定时，最大比合并方式的系统误码率最低，等增益合并方式次之；在发射天线数一定时，随着接收天线数增加，系统误码率降低，对大气光通信的系统设计与理论研究具有一定的指导意义。
光通信 分集接收 低密度奇偶校验码 译码初始化 误码率 高峰均功率比(PAPR)是影响光正交频分复用(OOFDM)系统性能的主要因素。提出了用分数阶傅里叶变换(FRFT)取代传统快速傅里叶变换(FFT)的新型相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统。重点分析了FRFT降低系统PAPR的原理，并通过光路系统中的仿真实验证明，该算法对PAPR具有明显的抑制效果，但这种抑制效果并不能无限提升，当阶数低于0.001时，其抑制效果不再发生显著变化。
光通信 光正交频分复用 分数阶傅里叶变换 峰均功率比 提出了用纳米光纤表面的倏逝波捕获和输送鸡血红细胞的方法。纳米光纤由通信用单模光纤通过热熔法拉制而成，直径为700 nm，光纤的一端直接与带有单模光纤输出端口的808 nm激光器相连接，插入损耗非常小。纳米光纤被完全浸入到鸡血红细胞的悬浮液中。通过实验观察发现，当导入纳米光纤中的激光功率增大到50 mW时，光纤附近的鸡血红细胞在倏逝波所产生的光梯度力的作用下，被捕获到光纤表面，并在光散射力的作用下，沿着光的传播方向运动，鸡血红细胞的运动速度约为2.9 μm/s。由进一步的实验分析可知，鸡血红细胞沿着光纤运动的平均速度与输入功率成线性拟合关系。利用该方法可以稳定地捕获和操控生物细胞和病毒等。
光纤光学 纳米光纤 血红细胞 捕获和输送 为实现对产品表面多个待检区域准确快速的检测，在最优识别区间内采用变步长机制快速获取待测产品的周向方位图像序列，实现在有限方位下利用不完全数据对多个待识别区域的快速检测。首先通过相关度计算及投影法确定各待检区域的最优识别区间和旋转步长，其次采用尺度不变特征变换（SIFT）算法与折半查找法确定随机摆放的待检产品在标准库中的最优位置信息，最后通过相关度计算判别各区域有无缺陷。实验表明在保证检测准确率的前提下，基于最优识别区间的变步长方法比传统全周向固定步长检测平均可节省6.37 s。
图像处理 缺陷检测 最优识别区间 变步长采样 尺度不变特征变换算法 折半查找法 为了满足光刻投影物镜对轴向调节机构的调节行程大、精度高、结构紧凑等需求，基于三角形换向原理，设计了轴向调节机构。在调节机构中采用V形柔性单元换向机构，实现运动的换向和传递。针对机构的调节行程、驱动力、一阶固有频率以及机构传动比的要求，优化了V形柔性单元的结构尺寸参数。使用有限元方法分析了V形柔性单元的关键尺寸参数对机构性能的影响，得到机构调节行程可达±55 μm，调节精度优于±10 nm，一阶固有频率大于150 Hz。同时仿真分析了该轴向调节机构对光学元件的热变形的影响，在20 mW热载荷的作用下，该轴向调节机构导致光学元件面形变化为0.087 nm[峰谷(PV)值]和0.013 nm[均方根(RMS)值]。仿真结果证明该轴向调节机构对光学元件面形精度影响极小，满足光刻物镜应用要求。
成像系统 光刻投影物镜 轴向调节机构 V形柔性单元 热变形 针对模糊图像增强存在的缺陷，提出双混沌量子机制的粒子群优化算法。首先对量子粒子群增设收缩扩张因子来动态改变搜索边界；接着双混沌量子机制系统利用两种不同的混沌机制同时在搜索空间中进行独立搜索，根据两者搜索的最优点的距离情况来缩小搜索空间，得出空间真正的最优值；最后通过非完全Beta函数建立双混沌量子粒子群算法与模糊图像增强的关系，给出了算法流程。实验仿真显示本算法增强效果清晰，同时较好地保持了图像的整体视觉效果，直方图显示本算法较其他算法灰度值分布均匀，信噪比改善较大。
成像系统 收缩扩张因子 高斯扰动 双混沌 增强 为了探索海洋资源，必须对水下目标进行精确定位。提出了一种利用单目视觉进行水下圆目标三维位姿检测的方法。该方法仅需要单摄像机拍摄的一幅水下图像，便能从中快速地识别出圆特征，并对水下光折射造成的图像畸变进行补偿，从而估计圆目标的三维方向和位置。实验表明，利用该方法对水下圆柱体目标的方向检测误差为1.33%，位置检测误差为4.37%；通过移动和重定位该圆柱物体，证实了该方法的稳定性。
成像系统 三维位姿检测 单目视觉 圆特征 激光水下成像 基于传统的迈克耳孙干涉系统，设计了一种测量纳秒脉冲激光加载下非镜面金属膜表面波速度的技术。为得到特征明显的表面波信号，在非镜面钽膜前放置了会聚透镜，并且在参考光路使用了衰减器保证两束参与干涉的光满足光强匹配。从干涉信号强度随时间的变化中，可以观察到明显的表面波特征信号。通过测量不同距离探测点处表面波到达的时间，并进行线性拟合，可以得到常压下钽膜中表面波的传播速度，并以此速度为基础计算了常压下钽膜的横波速度，其结果与已报道的实验结果相当。
测量 表面波速度 激光超声 迈克耳孙干涉仪 金属层合板复层与基层物理特性存在差异，激光弯折区特性异于单一板材。为研究层间热传导特性，选取不锈钢碳钢层合板进行激光弯曲实验。观察分析不同累积线能量下不锈钢层合板弯折区的金相组织，利用IPP图像处理软件划分热影响区，分析层间热传导特性。层间热导率差异使得层间热传导速率减缓，碳钢层热影响区呈现扁平抛物线梯度分布，并于下界面处出现热累积现象。层间热传导特性通过影响层间温度梯度及塑性变形区域实现层合板不同角度的弯曲。热传导特性研究为提高层合板激光弯曲精度与质量提供理论和实验依据。
激光弯曲 金属层合板 热传导 金相组织 提出了一种旋转参考系中的时域有限差分算法，方便对光子学器件中的Sagnac效应进行系统研究，并通过集群系统设计平台下的软件仿真，验证了在不同旋转系下Sagnac相移与距离的关系及在时域有限差分算法中的稳定性。实验结果表明该算法能够有效地建模Sagnac效应，并可用于各种具有复杂几何结构和材料性质的器件在旋转参照系下的性能评估。
激光技术 Sagnac效应 时域有限差分算法 并行计算 电磁波谱中的γ-射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线和微波等都已经在医学治疗领域发挥了重要作用，唯独处在微波和红外之间的太赫兹(THz)技术还处在发展的初级阶段。将特定波长的THz波聚焦成为一线，称为THz针，并用于睡眠治疗研究，探索THz针调节睡眠的临床疗效。经过临床实验判断，THz波可以有效地改善睡眠质量。为进一步研究THz波与人体相互作用的机理，观察了一些临床实验细节，即经过照射THz波，光电容积脉搏波(PPG)信号出现显著的第二小峰，患者的血钾浓度有所上升。本研究不仅为睡眠治疗提供了一个有效、物理无创式的方法，而且为THz技术本身的研究提供了素材。
医用光学 太赫兹 睡眠 临床 复杂度 血钾 为了对微纳加工工件进行三维形貌测量，建立了基于数字微镜的并行激光共焦显微检测系统。首先，利用衍射光学对数字微镜的夫琅禾费衍射模型进行了研究。接着，利用数字微镜实现扫描像素单元为2×2，周期为T=3的并行扫描模式。然后对三维图像重构算法和激光散斑匀化进行了分析。最后，利用该系统分别对镀膜平板、WSZ位置灵敏阳极探测器以及螺钉进行了三维测量。实验结果表明，在轴向平移台步距为10 nm的条件下，该系统能准确重构出样品三维形貌。该共焦显微检测方法能大大提高共焦扫描速度，能很好地满足一般工业检测需求，本文为并行共焦检测技术提供了一条新的研究和应用方法。
并行共焦显微 数字微镜 三维图像重构 形貌测量 染料木黄酮具有抗菌与抗氧化效应，但在热加工过程中易氧化裂解而降低其生理活性。故本文以微乳化与复合团聚技术制备包覆染料木黄酮的纳米胶囊，并利用动态光散射法分析该纳米胶囊的表面电位与粒径分布状态。由Zeta电位分析可知，纳米胶囊表面负电位差随胶体层数的增加而明显增大，这表明刺槐豆胶与阿拉伯胶的添加能有效增多纳米胶囊表面所带负电荷量，有利于纳米胶囊分散，故可避免纳米胶囊的聚集效应而提高其安定性。粒径分布研究发现，包覆木黄酮纳米胶囊的总平均半径约为43.7 nm，包含分散单颗胶囊与聚集纳囊两个族群，平均半径分别为5.9 nm(占72.3%)与139.9 nm(占27.7%)。另外，将包覆木黄酮纳米胶囊置于不同pH值环境下可得其总平均直径介于7.4~10.0 nm之间，虽无明显差异，但在pH值为6.8与7.4时有聚集的大粒径族群出现。
动态光散射 纳米胶囊 染料木黄酮 Zeta电位 粒径分布 针对衍射型微透镜阵列的激光匀束系统提出一种新的优化设计方法。利用非成像光学中的等能量映射方法，建立了基于Macro宏语言的自定义优化函数。系统采用微透镜阵列和聚光球面镜作为匀光元件，在Zemax软件的序列模式中对微透镜阵列单元的非球面面型进行自动优化，实现了照度均匀性大于90%、能量利用率为83%的6 mm×6 mm方形光斑的优化设计。采用TracePro光学软件对设计结果进行了仿真验证。此方法无需传统方法复杂的数学计算和器件参数的反复调整，是一种十分有效的微透镜阵列激光匀束系统的设计方法。
光学设计 光束整形 非成像光学 微透镜阵列 Zemax软件 非球面透镜 介绍了一款用于监控的短焦距超广角镜头的设计，光学系统采用反远距光学结构，根据设计要求，采用等距离投影成像方式。用Zemax软件进行优化设计，合理地解决了边缘视场光照度和轴外视场像差的问题。对该结构特点进行分析评价并给出了各种像差曲线和调制传递函数(MTF)曲线。该镜头采用7组10片式结构，全视场角和相对孔径分别为175°和1/1.8，反远比为2.4。使用1/3 inch(1 inch=2.54 cm)CCD成像传感器，全视场MTF值在100 lp/mm处达到0.5，光学系统结构紧凑，像质优良。
光学设计 超广角 反远距 短焦距 紫外告警技术在导弹逼近告警中有重要的应用。针对工作波长范围为240~280 nm的日盲区紫外波段，基于用户需求，设计了一种日盲紫外告警光学系统。该系统为了提高接收的光通量、扩大搜索范围、简化系统结构，在国内现有的相对孔径为14、视场角为30°、6片透镜的基础上，采用非球面和二元光学元件，简化到5片透镜，并使视场角扩大到40°，相对孔径扩大到13。接收器采用PIXIS型2048BUV紫外CCD，像素尺寸为13.5 μm×13.5 μm。像质评价结果表明，该系统的能量集中度高，弥散斑尺寸小于CCD的像素尺寸，满足系统使用要求。其具有大视场角和大相对孔径特性，技术指标优于现有的日盲紫外告警光学系统。
光学设计 日盲紫外 紫外告警系统 非球面 二元光学元件 点扩展函数 设计了一款以大功率LED作为光源的针对光伏性能测试的太阳模拟器光学系统。利用不同峰值波长的LED作为模拟器的光源并介绍了光谱匹配方法。根据LED发光特点，选取同轴透射式准直光学系统，系统由大功率LED、准直系统、菲涅耳透镜、光学积分器、光阑等光学器件组成。准直系统采用全内反射自由曲面透镜，光学积分器采用对称式透镜阵列结构。系统采用光学仿真软件TracePro进行模拟，模拟结果表明:在直径为220 mm的有效辐照面上辐照度不均匀度为3.8%，准直角为3.2°。
光学设计 太阳模拟器 光谱匹配 不均匀度 准直角 由于发射信号波长极短，目标或平台的微小振动将严重影响逆合成孔径激光雷达（ISAL）的成像效果。同时受激光调制技术的限制，ISAL发射脉冲信号的初始相位存在随机相位误差，这也对ISAL成像造成了极大的影响。现有的相位梯度自聚焦（PGA）算法无法补偿高频振动产生的相位误差；由于目标相对雷达转动分量的影响，空间相关算法（SCA）对补偿上述ISAL中的相位误差效果有限。为解决上述问题，将PGA算法与SCA方法相结合，提出了PGA-SCA相位补偿算法，通过循环移位和加窗处理消除了相邻回波间目标转动的影响。仿真结果表明，PGA-SCA能有效补偿上述两种相位误差，并获得聚焦良好的ISAL图像。
遥感 逆合成孔径激光雷达 振动 随机相位误差 相位梯度自聚焦 空间相关算法 该文数值模拟了表面等离子体共振(SPR)技术在吸收介质折射率虚部变化检测方面的应用。以菲涅耳多层膜反射理论为基础研究了强度调制、相位调制和角度调制三种检测方法。研究结果表明，角度调制方式拥有较高的检测分辨率（1×10-6 RIU，RIU为折射率单位）和较宽的线性测量范围（大于0.01 RIU），是一种较好的检测折射率虚部变化的方法。
传感器 表面等离子体共振 吸收介质 折射率虚部 研究了透明电介质/金属(铁电)薄膜/受限原子双界面系统的缀饰选择反射(DSR)光谱。考虑了三种不同的薄膜材料：KTa0.65Nb0.35O3,Ag及Fe。当受限原子蒸气厚度与探测光的波长比L/λ=0.25、0.75时DSR为典型的对称色散曲线;L/λ=0.9时其对称性减弱, 线型表现为吸收与色散的叠加;而当L/λ=1时,DSR峰几乎消失。当薄膜为KTa0.65Nb0.35O3时,随着薄膜厚度的减小，DSR峰略有下降。当薄膜为金属材料时,DSR峰随着厚度的减小得到了很大的增强。对于理想的金属Ag薄膜,这种增强最为显著。在强耦合光的作用下，由于两个缀饰态之间的量子相干效应以及交流斯塔克分裂产生的电磁诱导反射峰具有很高的光谱分辨率(可达约10MHz)。这种电磁诱导反射峰对应的高分辨率光谱可用于表面薄膜的光学参数测量及集成光学元件的检测等领域。
光谱学 缀饰选择反射光谱 迪克窄化 电磁诱导反射 