中国船舶集团有限公司第七一八研究所, 河北 邯郸 056027
针对高能激光器出光过程中出现的大量离焦和0°像散低阶像差现象，提出了基于哈特曼波前传感器和二维整形光路的XY离焦像差校正方法。首先，通过对Zernike多项式的离焦项和0°像散项进行线性组合得到XY离焦像差的表达式，该XY离焦像差系数的大小可直接表征X离焦和Y离焦的波前PV值。同时，通过微调高能激光器中二维整形光路中的镜子间距，可实现激光器输出光束XY离焦波面的补偿。因此，首先利用哈特曼波前传感器提取出光束的XY离焦像差系数大小，而后再根据XY离焦像差系数的大小实时闭环微调二维整形光路中的镜子间距，从而实现XY离焦像差的校正，改善输出光束的光束质量。实验结果表明，该方法可有效地将高能激光器输出光束XY离焦量的PV值由5.2 μm和1.1 μm校正到0.5 μm以下，相应的光束质量β因子由3.1降到1.8，光束质量得到明显改善。
高能激光 光束质量 像差校正 光束整形 矩阵光学 high energy laser beam quality aberration correction beam shaping matrix optics
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201800
2 上海交通大学，IFSA协同创新中心，上海 200240
在光束传输控制中，反馈系统需要具有较高的角度分辨率，以达到自动准直的精度要求，此外还需要具备一定的角视场，以降低对初始安装和调试的精度要求。提出了一种基于双焦透镜的双踪远场自动准直方案，在同一光学系统中实现了高精度和大视场两种角度分辨率的远场图像反馈系统。基于矩阵光学理论对远场图像反馈系统进行数值分析，给出了双焦透镜的等效传输矩阵，并分析了双焦透镜的角度分辨率和视场特性。设计并开展实验对基于双焦透镜的双踪远场自动准直方案进行了性能演示，实验结果表明，高精度下的角度分辨率约为大视场下角度分辨率的6.9倍，与设计值（6.6倍）基本相符。
光学设计 高功率激光 自动准直 远场成像 矩阵光学
1 中国科学院光电技术研究所环境光学研究院，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
LED阵列光源凭借其高亮度、长寿命及节能环保等独特优点广泛应用于医学、微纳加工、光学成像等领域，但其匀化系统存在光线准直难、可实现的照明光斑面积小等问题，难以在需要均匀照明的光学领域当中得到广泛应用。针对这一问题，提出了一种基于微透镜阵列的大面积LED阵列光源匀化方法。首先通过矩阵光学及近轴光学理论进行理论分析，然后利用lighttools软件进行系统设计及仿真实验，最终在像面上实现了大面积的均匀光斑。相较于以往最多可实现50 mm×50 mm的匀化光斑，该匀化系统可做到104 mm×104 mm、均匀度为87.375%的大面积规则的均匀光斑，该方法对医学、红外夜视、投影显示、航空照明领域等需要大面积均匀照明的系统有着重要意义。
光电子学 光源匀化方法 矩阵光学 微透镜阵列 大面积LED 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1525003
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
基于非分散红外吸收光谱技术，利用CO气体分子在4.6 μm处的基频吸收带，采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器，研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理，对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择；推导了光学矩阵理论，设计并优化了气室结构，优化后气室的吸收光程达到180 cm。对研制的锁相放大器进行标定，1σ检测下限为0.15 μV，背景噪声为38.89~43.23 μV。对传感系统的性能进行了实验测试。结果显示，CO的检测分辨率优于2.00×10-5，响应时间为35~38 s。对纯氮气（N2）样品进行了长达80 min的监测，其浓度波动范围为-1.42×10-5~1.51×10-5，当积分时间为0.25 s时，系统的检测下限为1.54×10-6；当积分时间为300 s时，系统的理论检测下限可达3.50×10-7。引入卡尔曼滤波算法来提高系统的稳定性，对纯氮气进行长达80 min的探测，引入该算法后系统的检测下限降低到原来的23%，同时，当积分时间为0.25 s时，检测下限降低到3.60×10-7。利用该传感系统，开展了棉花、纸张和木材的火灾阴燃实验，研究了CO浓度随阴燃时间的变化关系，验证了可通过CO浓度的变化来探测火灾发生的方法，证实了该传感系统呈现出良好的早期火灾探测能力。
传感系统 红外吸收光谱 矩阵光学 气体检测 火灾探测 Sensor system Infrared absorption spectrum Matrix optics Gas detection Fire detection
为了研究艾里涡旋光束通过电磁感应透明（EIT）介质的传输特性，利用ABCD矩阵光学理论推导出了艾里涡旋光束通过EIT介质的传输解析表达式。利用该解析表达式研究了艾里涡旋光束通过EIT介质的传输特性。研究结果表明，在特殊的传输距离处，艾里光束的主峰被叠加在上面的涡旋彼此破坏；随着传输距离增加，被破坏的主峰逐渐恢复，涡旋又重新出现。此外，通过调控电磁感应透明介质的拉比频率就可以实现对艾里涡旋光束主峰位置和任意场点光强的控制。
艾里涡旋光束 电磁感应透明介质 矩阵光学 拉比频率 光强 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0126002
军械工程学院电子与光学工程系， 河北 石家庄 050003
以基于猫眼效应的激光主动探测为应用背景，针对以往几何光学分析方法研究猫眼效应回波特性中存在的不足，从矩阵光学入手，提出了光学窗口映射的光束传输分析方法，建立了光学系统离焦和光束斜入射条件下猫眼效应回波的形状和能量模型，解决了传统公式中发散角物理意义不正确和无法准确预知回波空间范围的问题。通过搭建模拟的理想猫眼光学系统对模型进行了实验验证，实验结果与模型计算结果符合得很好。该模型及相关结论对于基于猫眼效应的激光主动探测及其防护技术研究具有重要的参考价值。
几何光学 矩阵光学 猫眼效应 回波形状 回波能量
陈成 1,2,3,4,*梁静秋 1,2,3梁中翥 1,2,3吕金光 1,2,3[ ... ]王维彪 1,2,3
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林
2 长春
3 130033
4 中国科学院大学, 北京 100049
在以多级微反射镜为核心器件的静态傅里叶变换红外光谱仪中，基于传统单孔径透镜组结构的缩束系统由于口径较大、透镜数量较多和整体尺寸较长等原因，其体积和重量在整个光谱仪中占有很大的比重，严重制约了光谱仪的微小型化和轻量化进程。而复眼系统以其结构紧凑、体积小、重量轻等优点有助于解决这一问题。根据三维矩阵光学理论计算了由3个微透镜阵列组成的复眼缩束系统的初始结构参数，设计了消杂光光阑阵列，并使用光学设计软件对初始结构进行了优化。最后，借助光学分析软件，对光谱仪系统进行了干涉图和光谱复原理论分析，结果显示所设计的复眼缩束系统能满足光谱仪系统的应用要求。
光学设计 红外光谱仪 复眼 矩阵光学 光学学报
2015, 35(11): 1122002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
使用矩阵光学的方法得到了Offner展宽器等效光栅对表达式、经过Offner展宽器后脉冲的脉宽表达式及展宽器各元件尺寸的解析表达式。确定了一般化的设计步骤，并给出了一个设计实例。矩阵光学获得的解析结果与光线追迹方法获得的数值结果一致。
激光光学 啁啾脉冲放大 Offner展宽器 矩阵光学
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
为了实现物体位移测量的高精度，无损伤和简单化，对柱面镜像散效应进行了研究，利用正交柱面镜像散效应实现物体的位移测量。根据高斯光线追迹的矩阵方法，建立正交柱面镜的矩阵光线传播模型，并利用Zemax进行仿真验证；给出了正交柱面镜像散位移测量系统的矩阵传播模型，并具体分析了系统的量程和分辨率；进行实验验证，在5.6 μm 量程范围内，实现了精度为200 nm 的移位测量。该方法为位移测量提供了一种新的非接触、高精度的光学测量方式。
测量 正交柱面镜 像散原理 矩阵光学
中国科学院高能物理研究所, X射线光学与技术实验室, 北京 100049
利用矩阵光学方法, 计算得出五角棱镜两种光学平行差的解析表达式, 分析五角棱镜光学平行差与工作面法向矢量夹角的矩阵关系.基于Agilent激光干涉仪角度测量系统和DHC三维转台搭建实验装置, 测量了Thorlabs五角棱镜的两种光学平行差.实验和解析式计算结果偏离度不超过4%.五角棱镜滚动角、偏摆角的变化等效于五角棱镜光学平行差的变化.通过坐标系变换, 五角棱镜的自身误差和系统在线测量误差可以被同时标定.该研究对五角棱镜的实际加工、测量系统标定, 以及高准确度面形检测提供了参考.
光学器件 五角棱镜 误差分析 矩阵光学 系统校准 Optical devices Pentaprism Tolerance analysis Matrix optics System calibration
