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
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

本期栏目 2023, 43(22)

MORE

光学学报 第43卷 第22期

昌成成 1,2潘良泽 1,2徐英明 1,2吴丽青 1,2[ ... ]朱健强 1,2,*
作者单位
摘要
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 中国科学院中国工程物理研究院高功率激光物理联合实验室,上海 201800
3 装备发展部某中心,北京 100034
随着能量输出能力的不断提升,高功率激光驱动器运行对光学元件的性能和打靶光束的质量都有了更高要求。传统测量仪器结构复杂、精度有限,难以满足实验需求。朱健强课题组将计算成像技术引入到高功率激光驱动器的参数测量中,精确测量大口径光学元件的形貌、应力分布、热畸变等特征,脉冲光束的时间、空间、近远场分布等参量,以及激光与物质相互作用的过程;进一步发展相干衍射成像(CDI)技术,开发出单次曝光三维PIE(ptychography iterative engine)技术、多模态相干调制成像(CMI)技术、分束编码成像技术等,建立了相干衍射成像技术的解析模型,在数学上分析了CDI技术解的唯一性。本文主要综述了课题组在惯性约束聚变中计算光学成像技术应用方面的研究进展。
计算成像 相位测量 激光束表征 激光放大器 computational imaging phase measurement laser beam characterization laser amplifiers 
光学学报
2023, 43(22): 2200001
作者单位
摘要
国防科技大学信息通信学院,湖北 武汉 430035
研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先,利用里德伯原子的电极化率理论表达式,得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下,里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型;然后,计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数,并利用二阶导数为0这一条件,得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点,即最佳线性工作点;最后,采用总谐波失真(THD)来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明,对于里德伯原子133Cs(采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2),当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz,并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时,工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。
原子与分子物理学 里德伯态 极化率 拉比频率 透射率 总谐波失真 atomic and molecular physics Rydberg states polarizability Rabi frequency transmissivity total harmonic distortion 
光学学报
2023, 43(22): 2202001
作者单位
摘要
火箭军工程大学兵器发射理论与技术国家重点实验室,陕西 西安 710025
针对金属多涂层目标在复杂环境下的红外偏振特性难题,提出了多涂层目标的表面辐射传输模型。根据红外辐射的特点,将探测器接收的红外辐射强度分为目标自发辐射强度和反射环境的红外辐射强度,其中自发辐射强度的求解根据能量守恒定律和菲涅耳反射定律,反射辐射强度根据能量守恒定律、菲涅耳反射定律和基于P-G模型的目标偏振双向反射率进行计算,并据此推导了目标表面的偏振双向反射方程,求解了多层涂层靶体的光学传输模型。依据热辐射环境下目标红外偏振特性模型,分别研究了涂层数量和环境热辐射强度比对多层涂层目标红外偏振特性的影响。仿真结果与实验结果接近,证明所提传输模型具有较好的拟合能力。
探测器 红外偏振成像 偏振特性 多层涂层 辐射传输 透射模型 detectors infrared polarization imaging polarization characteristics multi-layer coatings radiation transmission transmission model 
光学学报
2023, 43(22): 2204001
薛晓梦 1马海菲 1,2郝群 1,2,**唐鑫 1,2陈梦璐 1,2,*
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京理工大学长三角研究院,浙江 嘉兴 314019
采用混相配体交换的方法成功实现了载流子迁移率近2个量级的提升,达到1 cm2/(V·s),同时还可以灵活调控N型、本征型和P型等掺杂类型。在此基础上,使用本征型碲化汞胶体量子点薄膜制备短波及中波红外光伏型探测器。截止波长为1.9 μm的短波红外探测器在300 K下的响应率为0.9 A/W,比探测率为4×1011 Jones;截止波长为4.2 μm的中波红外探测器在110 K下的响应率为1.1 A/W,比探测率为1.2×1011 Jones。在没有施加偏置电压的情况下,300 K下的短波红外光电探测器的外量子效率可以达到61%,110 K下的中波红外光电探测器的外量子效率可以达到30%。
探测器 量子点 高迁移率 光伏型红外光电探测器 配体交换 detectors quantum dots high mobility photovoltaic infrared photodetectors ligand exchange 
光学学报
2023, 43(22): 2204002
作者单位
摘要
1 上海电力大学自动化工程学院,上海 200090
2 新南威尔士大学电气工程与电信学院,澳大利亚 新南威尔士州悉尼 2052
借助深度学习算法的非线性处理能力,提出基于注意力机制和长短期记忆(LSTM)网络的温漂预测模型,从而对法布里-珀罗(F-P)滤波器进行温漂补偿。针对温漂数据中复杂的时空信息,采用LSTM提取时间信息,利用注意力机制分配空间权重。实验结果表明:在升温-降温-升温环境下,所提方法和LSTM模型的最大波长漂移误差分别为6.75 pm和16.64 pm;在单调降温环境下,两种方法的最大波长漂移误差分别为5.39 pm和14.09 pm。所提方法在最大绝对误差(MAXE)、均方根误差(RMSE)和平均误差(MAE)上均优于最小二乘支持向量机(LSSVM)和循环神经网络(RNN)。
光栅 光纤光栅 法布里-珀罗滤波器 温漂误差 注意力机制 长短期记忆网络 gratings fiber Bragg gratings Fabry-Perot filters temperature drift error attention mechanism long short-term memory network 
光学学报
2023, 43(22): 2205001
作者单位
摘要
1 合肥工业大学特种显示与成像技术安徽省技术创新中心,特种显示技术国家工程实验室,光电技术研究院,安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009
体全息光栅作为全息波导显示器的出/入耦合元件,其性能严重影响波导系统的视场。因其角度选择性,当光束偏离布拉格角入射体全息光栅时,其衍射光角度会产生较大的偏移,使得其与出耦合光栅的响应带宽不匹配,限制了波导系统的视场。首先基于Kogelnik理论对波导系统中体全息光栅的带宽匹配进行了分析。为了扩展波导系统的视场,提出了一种复用体全息光栅的设计方法。该设计旨在扩展出耦合光栅的响应带宽并同时收缩入耦合光栅的衍射光角度,使得出/入耦合光栅的带宽相匹配。仿真结果表明:采用本文设计的复用体全息光栅后,波导系统的视场能达到22.9°。本文设计的复用体全息光栅制备简单,可以有效拓展波导系统的视场。
体全息光栅 响应带宽 波导 复用 volume holographic grating response bandwidth waveguide multiplexed 
光学学报
2023, 43(22): 2205002
陈慧盈 1,2,3陈新华 1,2,3,*潘俏 1,2,3朱嘉诚 1,2,3沈为民 1,2,3
作者单位
摘要
1 苏州大学光电科学与工程学院,江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室,江苏 苏州 215006
3 教育部现代光学技术重点实验室,江苏 苏州 215006
浸没光栅是星载温室气体监测成像光谱仪光学系统中的核心分光元件,能够实现更高的光谱分辨率和更紧凑的结构尺寸。推导了浸没光栅的色散率公式,并对比了采用浸没光栅和普通平面光栅时的光谱分辨率。针对温室气体O2-A带的探测需求,利用有限元计算方法开展了浸没光栅槽形结构的优化设计,得到了兼有高衍射效率和低偏振灵敏度的全反射型浸没光栅槽形参数,并分析了光栅结构参数和等效介质层的制造公差。设计结果表明,在750~770 nm波段范围内,该浸没光栅-1级平均衍射效率高于92%,偏振灵敏度低于1%。
衍射光栅 浸没光栅 全反射 等效介质层 衍射效率 偏振灵敏度 diffraction grating immersed grating total internal reflection nano laminate diffraction efficiency polarization sensitivity 
光学学报
2023, 43(22): 2205003
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院,江苏 南京 210023
3 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段,但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置,然而蝙蝠翼位于阶跃边缘,造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题,摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法,依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性,提取相干包络峰值位置,并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发,同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位,继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象,比对了测量结果与标称值之间的偏差,并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明,本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。
显微干涉 矩形光栅 蝙蝠翼效应 特征参数 二值化 microscopic interferometry rectangular grating batwing effect characteristic parameter binarization 
光学学报
2023, 43(22): 2205004
作者单位
摘要
北京交通大学光波技术研究所,北京 100044
研究了一种基于非平坦光频梳的多频率瞬时信号检测方案。该方案采用待测多频信号与锯齿波共同调制,在加载电信号的同时实现非平坦光频梳的生成,并最终利用拍频后成对电信号的功率比值实现对微波频率的标定。通过将待测信号调制与光频梳生成合并的方式可避免多条支路检测的不平衡变化,系统测频范围可通过改变锯齿波频率调节。仿真实现了在0.3~40 GHz的频率范围内,测量误差小于40 MHz的微波信号多频测量。此外,分析了待测射频功率和调制器偏置漂移的影响,结果显示,该系统可辨识待测信号的最小功率为-10 dBm,而且对调制器偏置漂移不敏感。
多频信号 瞬时微波测频 光频梳 信道化 multi-frequency signals instantaneous microwave frequency measurement optical frequency comb channelization 
光学学报
2023, 43(22): 2206001
作者单位
摘要
西南交通大学信息科学与技术学院信息光子与通信研究中心,四川 成都 611756
传统基于频域-时域变换的微波光子解调技术应用于光纤布拉格光栅(FBG)传感网络时,为精确解调每一个FBG峰值,须确保对应时域响应信号不发生叠加,这对传感网络中FBG的空间间隔和波长间隔提出了严格要求,限制了微波光子解调技术的应用范围。针对存在的问题,将一种有效的元启发式算法,即算术优化算法(AOA),引入到基于频域-时域变换的微波光子解调技术中,实现了在时域信号叠加下对FBG的精确解调。实验构建了包含6个FBG的传感网络,通过对某一FBG施加轴向应变,验证了在时域信号部分叠加和完全叠加下AOA对FBG峰值解调的可行性。此外,与其他6种元启发式算法进行对比分析,验证了AOA在解调精度、解调速度与收敛效率等方面的性能优势。AOA提升了微波光子解调技术面向密集光纤布拉格光栅传感网络的解调能力。
微波光子解调技术 光纤布拉格光栅阵列 算术优化算法 microwave photonic demodulation technology fiber Bragg grating array arithmetic optimization algorithm 
光学学报
2023, 43(22): 2206002
作者单位
摘要
重庆理工大学电气与电子工程学院,重庆 400054
为了解决射频(RF)通信中存在的同信道干扰问题,利用多用户的同时传输产生分集增益,并考虑自由空间光(FSO)通信无法完成视距传输的问题,在FSO链路中引入可重构智能表面(RIS)技术,提出一种同信道干扰下RIS辅助多用户分集(MUD)-RF/FSO混构系统方案。其中,具有多用户分集的RF链路服从独立同分布的Rayleigh分布,光学RIS辅助的FSO链路服从Gamma-Gamma分布,在电光转换中继节点处采用译码转发协议。基于系统端到端瞬时信噪比的概率密度函数及其累计分布函数,推导了系统中断概率和平均误码率的闭合表达式。仿真结果表明,RIS可以显著提升MUD-RF/FSO混构系统的性能。此外,用户数量的增加可以为系统带来分集增益,从而抑制同信道干扰所带来的不良影响。
多用户分集 可重构智能表面 中断概率 平均误码率 同信道干扰 multi-user diversity reconfigurable intelligent surfaces outage probability average bit error rate co-channel interference 
光学学报
2023, 43(22): 2206003
作者单位
摘要
南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院,江苏 南京 210023
本文提出并研究了一种基于干涉增强型混合光波导(IE-HOW)的高灵敏折射率传感器。IE-HOW包括微纳U型光波导与微瓶腔,通过光纤熔融拉锥以及电弧放电方法制备并级联而成。基于强倏逝场效应,实现了对折射率的高灵敏传感测试。实验结果表明,当微纳U型光纤锥区直径为4.88 μm时,IE-HOW的折射率灵敏度相比于普通单个无干涉增强微纳U型光波导提高了3倍,高达8813.26 nm/RIU(灵敏度单位),线性度R2>0.9。该传感器具有灵敏度高、损耗低、结构紧凑、稳定性好等优点,在环境监测、生化检测、临床诊断等领域有着广阔的应用前景。
干涉增强型混合光波导 光纤折射率传感 倏逝场效应 高灵敏度 interference enhanced hybrid optical waveguide optical fiber refractive index sensing evanescent field effect high sensitivity 
光学学报
2023, 43(22): 2206004
作者单位
摘要
1 西南石油大学机电工程学院石油天然气装备教育部重点实验室,四川 成都 610500
2 成都工业学院智能制造学院,四川 成都 611730
针对载波外调制过程中引入的调制深度偏移以及载波相位延迟等因素对光纤地震计解调结果的影响,提出一种多级正交信号融合计算方法,综合考虑三级倍频载波以及三级贝塞尔函数对解调效果的影响,并在此基础上计算载波相位延迟θ和相位调制深度C,实现对解调结果的误差补偿。实验结果表明:多级正交信号融合计算方法改善了表征解调结果非线性失真程度的总谐波失真,解调结果改善后总谐波失真达到-90 dB,同时解调结果信纳比达到84 dB,综合二者可看出所提算法对相位延迟θ和调制深度C具有强鲁棒性;所提算法解调结果可达到0.88 μrad/Hz的本底噪声水平;所提算法解调结果相位延迟稳定在0°左右,与其他算法的结果相比,所提多级正交信号融合计算方法对于信号解调具有更好的实时性。
光纤光学 光纤振动传感 相位生成载波 相位解调 相位延迟 调制深度 fiber optics optical fiber vibration sensor phase generation carrier phase demodulation phase delay modulation depth 
光学学报
2023, 43(22): 2206005
阮继宇 1劳浩贤 2林漫冰 2钟力 3[ ... ]董新永 1,2,4,*
作者单位
摘要
1 广东工业大学信息工程学院先进光子技术研究院,广东 广州 510006
2 广东工业大学广东省信息光子技术重点实验室,广东 广州 510006
3 长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆先进制造与应用技术全国重点实验室,湖北 武汉 430073
4 广东工业大学通感融合光子技术教育部重点实验室,广东 广州 510006
近年来,L波段扩展掺铒光纤放大器(EDFA)由于能覆盖更宽的波长范围而备受关注,但其增益水平普遍较低。本文采用1480 nm激光泵浦Er/Yb/P共掺光纤,结合双程放大和预放大技术,研制了高增益的L波段扩展EDFA。实验装置在1556~1621 nm 的65 nm范围内获得高于20 dB的增益,最大增益达48.8 dB(1566 nm),30 dB增益带宽达58 nm(1558~1616 nm),噪声系数在1580~1610 nm范围内低于5.8 dB。该研究工作有效提高了L波段扩展EDFA的增益水平,并将噪声系数控制在较低的范围,可有效提升常规光纤通信系统的传输带宽和容量。
激光器 L波段掺铒光纤放大器 光纤放大器 光纤通信 lasers L-band erbium-doped fiber amplifier fiber amplifier optical fiber communication 
光学学报
2023, 43(22): 2206006
作者单位
摘要
北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044
基于COMSOL平台,设计一种沟槽辅助下双层阶跃折射率结构的四模掺铒光纤。通过对铒离子能级结构、稳态方程和速率方程的理论研究,利用Matlab软件搭建少模光纤放大器系统。利用模拟退火算法实现三层掺杂区域下的铒离子浓度的优化,以确保所设计的四模掺铒光纤放大器的增益特性。仿真结果表明:在纤芯泵浦方式下利用波长为1480 nm的泵浦光对1550 nm的四模式信号进行放大,得到的各模式信号平均增益为26.07 dB,模间增益差(DMG)为0.106 dB;对所设计光纤进行折射率容差分析,得到的平均增益为26.08 dB,DMG为0.34 dB。结果证明了所设计的少模光纤放大器的稳定特性,其具有广泛的发展前景和应用潜力。
空分复用 少模光纤放大器 模拟退火算法 增益均衡 space-division multiplexing few-mode fiber amplifier simulated-annealing algorithm gain equalization 
光学学报
2023, 43(22): 2206007
盖绍彦 1,2,*黄妍妍 1,2达飞鹏 1,2,**
作者单位
摘要
1 东南大学自动化学院,江苏 南京 210096
2 东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室,江苏 南京 210096
针对现有图像匹配算法追求匹配精度,而一定程度上忽略匹配速度下降的问题,设计了通道注意力和特征切片描述网络(CAFSD),并将其与快速特征点检测算法(ORB)结合,进而提出一种精度和速度均衡的图像快速匹配算法。首先利用通道注意力对ORB获取的图像块进行初步全局特征学习,接着将初步特征描述子切片,再对每个特征切片进行特征学习和二进制化,最后重新拼接得到二进制特征描述子,减少了传统二进制编码的冗余问题。此外,设计了复合损失函数进一步减少描述子二进制化造成的信息损失。实验结果表明,所提算法的匹配性能和处理速度优于大部分其他二进制匹配算法。
图像处理 图像匹配 注意力 特征描述 image processing image matching attention feature description 
光学学报
2023, 43(22): 2210001
严飞 1,2孙成 1吴佩悦 1路长秋 1[ ... ]刘佳 1,2,*
作者单位
摘要
1 南京信息工程大学自动化学院,江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044
二值条纹投影技术能够避免三维测量系统中非线性影响,降低测量误差,为了优化二值条纹正弦质量,提高测量精度,提出了一种二值编码结合误差扩散的三维测量方法。以单周期正弦条纹特定方式采样点作为二值编码对象,在时间域上对采样点进行等区间划分,使用误差扩散算法对各区间对应的灰度区域进行处理生成相应的二值图像,在投影仪聚焦投影状态下代替传统正弦条纹获取较高质量的相位信息。在此基础上,采用“S”形路径扫描改善了条纹正弦性。实验结果表明,所提方法生成的正弦条纹相比传统四步相移算法,能够有效提高测量精度,具有良好的正弦性。对比实验证实,所提算法优化后相位误差减少24.19%,正弦条纹质量进一步得到提升。
三维测量 二值编码 误差扩散 相移技术 three-dimensional measurement binary coding error diffusion phase shift technology 
光学学报
2023, 43(22): 2212001
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 长春理工大学电子信息工程学院,吉林 长春 130022
火炮整体性能评价体系中,身管缠角是至关重要的指标之一,现有缠角测量方法存在系统复杂、测量精度不高的问题,本文提出一种基于全景成像的膛线自动跟踪身管缠角测量方法。利用全景成像技术获取身管内膛全景图像,在极坐标系下推导内膛全景环形图像增强映射函数;通过建立环形模板匹配模型跟踪沿身管方向预设的阴阳膛线的边缘,完成膛线旋转角的粗定位;根据周期阴阳膛线图像对比度设计目标函数,优化目标函数完成膛线旋转角的精定位,结合身管轴向距离解算身管缠角。真实身管缠角测量实验结果表明,所提方法测量精度优于1′,能够满足实际缠角测量中的应用需求。
缠角测量 全景成像 火炮身管 膛线跟踪 twist rate measurement panoramic imaging barrel rifling tracking 
光学学报
2023, 43(22): 2212002
作者单位
摘要
北京印刷学院印刷与包装工程学院,北京 102600
为确定光变油墨颜色测量的几何条件,选用不同企业提供的22个基于光变油墨印制的匀色色块,使用X-Rite MAT12多角度分光光度计进行样品的颜色测量。结果表明,在15°:0°(as15°)、45°:-60°(as-15°)测量条件下的油墨色度值与油墨生产商标定的颜色变化效果较为一致,但现有测量条件不能全面表征光变油墨的颜色变化范围。进一步地,使用R1角分辨光谱仪基于自定义的(α,β)测量条件进行样本的光谱测量,提出选用5°:0°(as5°)和60°:-55°(as5°)测量条件可测得光变油墨的最大色调变化范围。基于22个样本在不同角度下的饱和度测量结果,拟合得到45°:-40°(as5°)测量条件下可测得光变油墨较大饱和度值。使用上述3个测量条件,可全面表征光变油墨颜色再现的属性,同时也可进行不同品牌光变油墨的防伪鉴定。
视觉光学 视觉色彩 光变油墨 颜色测量 visual optics visual color optically variable ink color measurement 
光学学报
2023, 43(22): 2212003
王鹏飞 1程威 1苍昭 2田庄 2[ ... ]恽斌峰 1,*
作者单位
摘要
1 东南大学先进光子学中心,江苏 南京 210096
2 东南大学电子科学与工程学院,江苏 南京 210096
基于微环谐振腔的微波光子滤波器(MPF)以其优异的可调谐特性得到了广泛关注和研究,但通常微环的带宽决定了所实现的MPF带宽,进而限制了滤波分辨率。本文提出并验证了一种基于三微环级联的MPF,相比单个微环,通过多引入两个微环谐振腔,使光载波与±1阶光边带拍频后的相位差谱从0~π变得更陡峭,从而实现了MPF带宽压缩。实验结果表明,本文提出的基于级联三微环的MPF在不提升微环本身Q值的前提下,相比基于单微环的MPF,滤波带宽压缩了约69%,3 dB衰减斜率提高了约3.6倍,实现了更精细的滤波;另外,该MPF还实现了11.5~20.3 GHz的频率连续调谐和187.1~1597.0 MHz的带宽连续调谐。
集成光学 微环谐振腔 微波光子滤波器 带宽 可调谐性 integrated optics microring resonators microwave photonic filter bandwidth tunability 
光学学报
2023, 43(22): 2213001
杜易达 1李宁 1薛文瑞 1,*李慧慧 1[ ... ]李昌勇 1,2,3
作者单位
摘要
1 山西大学物理电子工程学院,山西 太原 030006
2 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西 太原 030006
3 山西大学极端光学协同创新中心,山西 太原 030006
本文采用多级方法(MPM)对涂覆石墨烯的双椭圆和圆柱并行纳米线波导的基模的有效折射率进行了计算,并采用有限元法(FEM)对计算结果进行了验证。本文研究了两种计算方法的结果之间的相对误差随MPM展开项数的最大值、工作波长、费米能、椭圆柱形纳米线的半长轴及半短轴、纳米线表面之间的横向间距,以及圆柱形纳米线的相对高度等变化的规律。通过对照计算结果得到以下规律:随着级数展开项数增大,MPM的结果越接近FEM的结果;随着工作波长和费米能增大,有效折射率实部和虚部的相对误差均增大;随着圆柱形电介质纳米线的半径和椭圆柱形纳米线的半长轴增大,有效折射率实部的相对误差增大,而其虚部的相对误差减小;随着椭圆柱形纳米线的半短轴增大,有效折射率实部的相对误差减小,而其虚部的相对误差增大;随着纳米线表面之间的横向间距和圆柱形纳米线的相对高度增大,有效折射率实部和虚部的相对误差均减小。这些现象均可以通过场分布得到解释。在本文的计算范围内,相对误差均保持在10-3量级。该研究工作为混合型电介质并行纳米线波导的设计、制作和应用提供了理论基础。
石墨烯 纳米线 波导 多极方法 有限元法 graphene nanowires waveguides multipole method finite element method 
光学学报
2023, 43(22): 2213002
张秋月 1,2林楠 1,*黄婷 1,2刘素平 1[ ... ]张志刚 3
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心,北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院,北京 100049
3 北京大学信息科学技术学院,北京 100871
为了提高应用于光纤激光器的多量子阱半导体可饱和吸收镜(SESAM)的特性参数,对其结构进行优化,模拟分析了不同量子阱周期数对器件电场分布、调制深度及反射光谱等参数的影响,结果表明,SESAM中吸收层量子阱周期数越大,SESAM在1064 nm处的反射率越低,调制深度越高,在低反射率处的带宽越窄,可饱和吸收镜对生长误差的容忍度也越小。利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)方法对3种量子阱周期数结构的SESAM进行外延生长,通过非线性测试及锁模实验对3种结构的样品进行测量与表征,结果表明,3种结构的SESAM均实现了自启动锁模,其稳定锁模的泵浦区间为150~200 mW。采用泵浦探测技术对15个量子阱周期的SESAM进行动态响应测试,其响应恢复时间为5 ps。
激光器 超快激光器 半导体可饱和吸收镜 泵浦探测 lasers ultrafast lasers semiconductor saturable absorber mirror pump-probe 
光学学报
2023, 43(22): 2214001
作者单位
摘要
1 江苏师范大学江苏省先进激光材料与器件重点实验室,江苏 徐州 221116
2 同济大学高等研究院物理科学与工程学院,上海 200092
钙钛矿结构的新型Tm∶GdScO3晶体具有平坦且宽带(>450 nm)的增益光谱,可以产生2 μm波段少周期激光脉冲。然而,目前该晶体的锁模激光特性,尤其是其各向异性的超短脉冲输出特性尚未明朗。采用b切的Tm∶GdScO3晶体作为增益介质,通过共振泵浦被动锁模技术,详细研究了其E//a发光方向的飞秒脉冲输出特性,实现了60 fs激光脉冲产生(约9个光学周期),激光中心波长为2034 nm,光谱半峰全宽为80 nm,时间带宽积为0.35,接近傅里叶转换极限。该研究证明了Tm∶GdScO3晶体是实现2 μm波段少周期飞秒脉冲的理想激光材料,所获得的飞秒激光在分子超快动力学、高分辨率分子光谱学等科学研究领域极具应用潜力。
固体锁模激光器 Tm∶GdScO3晶体 超短脉冲 solid-state mode-locked laser Tm∶GdScO3 crystal ultrashort pulse 
光学学报
2023, 43(22): 2214002
于观玉 1张春香 2黄政 3刘锐 3[ ... ]刘军 1,*
作者单位
摘要
1 深圳大学微纳光电子学研究院二维材料光电科技国际合作联合实验室,广东 深圳 518060
2 深圳技术大学工程物理学院,广东 深圳 518118
3 深圳大学物理与光电工程学院光纤传感技术粤港联合研究中心,广东 深圳 518060
1.7 μm激光处于眼安全波段并位于许多重要气体分子的指纹吸收峰,在生物医疗、气体传感等领域具有重要应用价值。而涡旋光束作为一种新兴的结构光场,其具有环形光强分布和螺旋相位波前,并携带轨道角动量,在光通信、微粒操控等领域应用广泛。因此发展1.7 μm高能涡旋激光器具有重要的研究价值和应用前景。但传统稀土离子掺杂光纤或晶体的发射谱,或难以覆盖该波段,或在该波段激光增益较小,且涡旋光产生主要基于空间光结构,导致1.7 μm波段涡旋光激光系统复杂、集成度低,难以实现高功率输出。本文利用螺旋长周期光纤光栅作为涡旋模式转换器,在基于受激拉曼散射效应的1.7 μm波段光纤随机激光半开放腔中实现了全光纤结构的高功率涡旋激光输出,最大输出功率为2.09 W,中心波长为1690 nm。得益于涡旋光纤随机激光器的全光纤结构,该装置具有良好的时域稳定性,短时时域波动低至2.8%。该研究结果不仅为实现兼具高功率输出和良好时域稳定性的紧凑型1.7 μm波段涡旋激光器提供有效方案,还能进一步拓展其在激光医疗、气体检测、光镊和生物成像等领域的应用。
1.7 μm波段 涡旋光束 光纤随机激光器 螺旋长周期光纤光栅 涡旋光纤随机激光器 1.7 μm band vortex beam random fiber laser helical long-period fiber grating vortex random fiber laser 
光学学报
2023, 43(22): 2214003
作者单位
摘要
1 中北大学信息与通信工程学院,山西 太原 030051
2 中北大学半导体与物理学院,山西 太原 030051
3 中北大学仪器与电子学院,山西 太原 030051
光功率分配器作为光子集成电路中分束并束的关键器件,要求结构紧凑、宽带、低损耗。基于亚波长光栅(SWG)结构,提出一种分束区域长5 µm、分光比为50∶50的超大带宽低损耗3 dB光功率分配器。仿真结果表明,该光功率分配器在±15 nm的大工艺容差下,TE模式在1.26~2.02 μm波段内(即760 nm带宽)损耗低于0.54 dB。通过电子束曝光、干法刻蚀等工艺在绝缘体上硅(SOI)晶圆上加工制备该光功率分配器,在扫描电子显微镜(SEM)下观察SWG结构的加工误差不超过±10 nm。此外,搭建垂直耦合测试平台,利用可调谐激光器在1496.8~1600 nm波段,对TE模式的损耗与分光比进行测试。结果表明,该波段损耗约为0.3 dB,与仿真结果吻合,分光比误差在5%以内。该功率分配器适用于高速、大容量通信、波分复用(WDM)系统等互联应用场合。
紧凑 宽带 低损耗 光功率分配器 compact broadband low loss optical power splitter 
光学学报
2023, 43(22): 2223001
作者单位
摘要
1 浙江工业大学理学院,智能光电研究所,浙江 杭州 310023
2 山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室,山东 青岛 266237
针对传统混合区域振幅自由度(MRAF)算法衍射效率低、非信号区域有散斑等问题,提出一种改进的MRAF算法。该算法引入球面相位作为初始相位,使用动态振幅限制,利用基于全域振幅限制的迭代方案确定最佳Z值,并使用爬山邻域算法对得到的相位进行分段式迭代优化,从而改善了非信号区域由于完全无振幅限制有散斑的问题。具体地,在全区域振幅限制阶段所提算法确保了目标光斑的匹配性并可以抑制散斑效应,而在混合区域振幅限制阶段则减小了误差。通过在三角形上进行数值仿真,对最终获得的结果进行光学实验仿真,结果表明,改进后的MRAF算法有97.77%高的衍射效率和0.09%低的均方根误差,并且峰值背景比(PBR)由0.0079提高至2.0357,相比基础的MRAF算法,对目标区域外围的散斑抑制效果更好,具有更高的应用价值。
衍射光学元件 光束整形 迭代算法 衍射光学元件设计 微纳光学 diffractive optical element beam shaping iterative algorithm diffractive optical element design micro-nano optics 
光学学报
2023, 43(22): 2223002
作者单位
摘要
1 兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070
2 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室,甘肃 兰州 730070
近年来,电磁诱导透明(EIT)效应得到了广泛的研究,特别是对其群延迟的动态可调谐在光通信领域有良好的应用前景。提出了一种一维光子晶体纳米梁腔辅助微环谐振腔的动态可调谐电磁诱导透明系统。在该系统中引入了石墨烯,通过改变石墨烯的费米能级实现了对类电磁诱导透明的开关调控和群延迟的动态调谐。此外,在改变纳米梁腔与微环谐振腔的耦合距离和微环谐振腔的半径时,实现了对EIT窗口“关—开—关”的调控。采用三能级原子系统解释了类EIT效应的物理机制,采用三维时域有限差分法对该结构进行仿真,并分析了该结构的传感特性和延迟特性,仿真结果表明,灵敏度为614.4 nm/RIU、品质因数为370.8、群延迟为7.1 ps、群指数高达895。该系统为光开关、传感器和慢光器件的研发提供了一种可行方案。
电磁诱导透明效应 纳米梁腔 微环谐振器 石墨烯 集成光学 electromagnetically induced transparency nanobeam cavity microring resonator graphene integrated optics 
光学学报
2023, 43(22): 2223003
作者单位
摘要
1 桂林电子科技大学广西高校微电子器件与集成电路重点实验室,广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学光电工程学院,广西 桂林 541004
圆二色性(CD)通常用来表征手性响应强度,在手性检测领域极具应用前景。本文提出了一种金衬底上对称性破缺的全介质二聚体混合结构,可在721.1 nm波段处产生高达0.42的强CD,并且CD谱具有极窄的线宽,仅为0.16 nm。通过琼斯矩阵对该结构进行了理论分析,采用时域有限差分(FDTD)法进行建模与仿真,研究结果表明,通过改变介质二聚体的尺寸大小或椭圆柱介质的旋转角(θ)和两个介质体的相对位置(G)等参数可以对结构的CD响应进行相应的优化。并且通过电场分析发现,圆偏振光激发了二聚体的表面晶格共振(SLR),导致其CD谱具有高品质因子(Q)特性。基于此结构传感的灵敏度为718.3 nm/RIU(灵敏度单位),Q值可高达4489.4。此外,该手性结构的周期单元可以实现数字成像功能,不同偏振光下具有不同的成像信号。高Q 值CD的研究结果为高性能的手性传感及光学成像的研究奠定了一定的理论基础。
圆二色性 对称破缺 二聚体 表面晶格共振 circular dichroism symmetry-broken dimer surface lattice resonance 
光学学报
2023, 43(22): 2224001
作者单位
摘要
安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽 淮南 232001
腔光力系统的反电磁诱导透明(IEIT)现象越来越多地受到研究者的广泛关注。所谓的IEIT现象发生在非线性系统中,在1个控制场和2个探测场的共同驱动下,腔内的机械振子对2个探测场的能量进行完全吸收,而不发生透射和反射现象。提出一个多模腔光力系统,该系统由2个机械振子和1个光学谐振腔构成,由1个控制场和2个探测场所驱动。通过控制该系统中有效的光力耦合速率(由腔场功率决定)、2个机械振子与腔光子耦合强度之间的比值,该腔光力系统出现了IEIT现象。此外,进一步解决了能量驻留的问题,发现在2个振子的作用下,系统的耦合效果得到显著增强。通过调节腔场的功率和机械振子与腔的耦合关系,该系统可以实现滤波、能量分配调节,此研究可能适用于量子通信和能量储存等领域。
反电磁诱导透明 非线性系统 腔光力系统 量子通信 inverse electromagnetically induced transparency nonlinear system cavity optomechanical system quantum communication 
光学学报
2023, 43(22): 2226001
黄胜 1,*张辉 1,**李苑 1,2徐文杰 1[ ... ]彭敏 3,***
作者单位
摘要
1 中国矿业大学材料与物理学院,江苏 徐州 221116
2 浙江大学材料科学与工程学院,浙江 杭州 310058
3 中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 221116
为了提升铯铅溴(CsPbBr3)量子点(QDs)的稳定性,提出了一种新方法:在CsPbBr3量子点表面原位包覆二乙基锌,使用高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲酯进行封装,将表面与二乙基锌配位的量子点嵌入聚甲基丙烯酸甲酯中,并放入空气中将二乙基锌氧化为ZnO,获得性能稳定的氧化锌包覆CsPbBr3量子点的聚甲基丙烯酸甲酯膜。所制备的量子点薄膜具有较好的水稳定性和光学特性,光致发光量子产率(PLQY)高达82.2%;在水中浸泡7 d后,荧光强度保持初始值的55.4%。随后,将所制备的绿光量子点薄膜与红色荧光粉和蓝光二极管进行集成,制备了白光发光器件,其显示白光色坐标为(0.32,0.34),色域覆盖度为127.18%的NTSC和色域覆盖度为94.96%的Rec.2020色域。
量子光学 钙钛矿 量子点 包覆 聚甲基丙烯酸甲酯 二乙基锌 quantum optics perovskite quantum dots coating polymethyl methacrylate diethylzinc 
光学学报
2023, 43(22): 2227001
作者单位
摘要
西安交通大学电气工程学院,陕西 西安 710049
氢气作为一种可持续、无污染的新型绿色能源,在现代工业中受到了广泛关注。但在存储和使用过程中,氢气容易发生泄漏并引发爆炸,因此对其体积分数进行检测非常重要。为此,提出一种基于钯(Pd)修饰六方氮化硼(hBN)薄膜的新型探针式光纤氢气传感器。讨论hBN薄膜的机械和光学特性,指出其作为Fabry-Perot(F-P)干涉仪反射膜在机械、光学、氢气吸附/脱附速度等领域所具有的显著技术优势;研究hBN表面敷Pd的工艺过程;设计以Pd修饰hBN薄膜为反射膜的光纤F-P腔结构并研究其制备工艺。实验结果表明,所设计的传感器在氢气体积分数为0.02%~0.5%时的检测灵敏度为0.58 pm/10-6,对体积分数为0.1%的氢气的响应时间为60 s,且具有重复性好等特点。该传感器结构紧凑、耐腐蚀,在电力变压器油中氢气检测等方面具有潜在的技术优势。
传感器 氢气体积分数 氮化硼 Fabry-Perot干涉 在线测量 sensor hydrogen volume fraction boron nitride Fabry-Perot interference online measurement 
光学学报
2023, 43(22): 2228001
尚秋峰 1,2,3刘峰 1,*
作者单位
摘要
1 华北电力大学电子与通信工程系,河北 保定 071003
2 河北省电力物联网技术重点实验室,河北 保定 071003
3 华北电力大学保定市光纤传感与光通信技术重点实验室,河北 保定 071003
光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的铺设角度偏差和标定误差影响检测点曲率和弯曲方向的测量精度,进而导致形状重构误差。针对该问题,提出了曲率和弯曲方向的误差修正模型,以及FBG铺设角度偏差和标定误差自校正模型。利用自校正模型优化FBG的铺设角度和标定系数,并将其代入曲率和弯曲方向误差修正模型,从而提升了形状传感器的重构精度。对模型进行了仿真和实验验证,误差修正后,不同形状的远端重构误差分别从11.66 mm、14.42 mm和22.6 mm降低为4.43 mm、5.67 mm和9.57 mm,相对误差分别从2.56%、3.1%和4.96%降低至0.95%、1.22%和2.06%。所提模型为FBG形状传感器重构提供了一种有效的误差修正方法,不需要复杂的实验校准过程,在FBG形状测量场景中具有较大的应用潜力。
形状重构 光纤布拉格光栅 误差修正 种群优化 shape reconfiguration fiber Bragg grating error correction population optimization 
光学学报
2023, 43(22): 2228002
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
粒子形状是不规则粒子测量中的一个重要参数,干涉粒子成像(IPI)技术已经被广泛应用于不规则粒子形状的表征,但目前仍然缺少从大量散斑数据中对不规则粒子形状进行快速分析的方法。基于DenseNet网络,本文提出了一种利用从IPI系统获取的离焦散斑对不规则粒子形状直接进行分类的方法,通过改进的模拟粒子系统建立包含超过7000张散斑数据的模拟冰晶粒子散斑数据集,在不同位深的情况下对共9种形状类别的冰晶粒子离焦散斑进行了网络训练和验证。实验结果表明,散斑数据集上的最高分类精度达到92.7%,同时在信息压缩比仅为12.5%的情况下形状分类精度仍超过85%。本文提出的方法对IPI测量中粒子形状的快速分析具有重要意义,并且可以实现测量散斑数据的低成本存储和高效率传输。
散射 干涉粒子成像 粒子形状 深度学习 scattering interferometric particle imaging particle shape deep learning 
光学学报
2023, 43(22): 2229001
任姣姣 1,2,3,*焦铁鑫 1,2,3顾健 1,2,3陈奇 3[ ... ]张霁旸 3
作者单位
摘要
1 长春理工大学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,吉林 长春 130022
3 长春理工大学中山研究院,广东 中山 528400
利用太赫兹时域光谱技术对不同煤灰分含量的光谱进行分析,发现在0.5~3 THz频段内,随着煤灰分含量的增加,其折射率会逐步提高,吸收效应也会逐步增强;考虑到煤样品厚度对光谱的影响,提出一种基于厚度校正的吸收系数特征提取方法,提高了低灰分煤样品吸收曲线的数据区分度;利用双通道卷积神经网络提取折射率和吸收系数特征,建立了煤灰分预测模型。实验结果显示,训练集的拟合度为R2=98.21%,预测精度ERMS=0.1442,而预测集的R2=93.56%,ERMS=0.2037,均优于传统PLSR、BP和LSSVM等方法。可见,所提方法在解决选煤厂煤灰分检测问题上具有较好的表现,为选煤厂提供了一种新的技术路径。
光谱学 太赫兹时域光谱技术 煤灰分 折射率 吸收系数 卷积神经网络 预测 spectroscopy terahertz time-domain spectroscopy coal ash refractive index absorption coefficient convolutional neural network prediction 
光学学报
2023, 43(22): 2230001
作者单位
摘要
1 中国科学院电工研究所,北京 100190
2 中国科学院大学,北京 100049
目前,国产大功率端窗X射线管存在束流和功率小于设计值的问题。从热电子发射理论和空间电荷受限发射理论出发,对大功率端窗X射线管的束流进行优化研究。在理论仿真中,计算两种理论模型下的电子束轨迹、束流大小和靶面焦斑。计算分析表明,现有问题主要是灯丝附近的电势分布不合理造成的。基于这一分析,对现有结构提出两种优化方案:一种不改变现有结构仅通过改变灯丝电势来克服灯丝附近的空间电荷效应;另一种通过改变灯丝位置来使灯丝附近的加速电压分布更加合理。基于这两种优化方案,再次进行仿真计算,计算结果显示,两种方案可以有效提高现有大功率X射线管的束流。最后设计了验证性实验,测得了该结构在额定最大灯丝电流下的温度限制束流大小,并验证了仿真计算的准确性,同时也验证了提出的两种优化方案的可行性。
X射线源 空间电荷限制 热电子发射 性能优化 X-ray source space charge limitation thermal electron emission performance optimization 
光学学报
2023, 43(22): 2234001