改善外腔半导体激光器调谐特性的新方法

基于原有的Littman结构外腔半导体激光器,提出采用一种新的光学方法来实现波长调谐。该方法采用了包含一个旋转楔形棱镜的“光杠杆”系统来降低调谐的机械要求,提高波长选择精度。通过选择不同的楔形棱镜顶角和光线入射角,机械要求可以降低1～2个数量级,波长选择精度也得到相同量级的提高。该方法使Littman结构外腔半导体激光器的调谐特性得到极大的改善,并大大降低了震动的敏感性。     

偏振干涉成像光谱仪中Wollaston棱镜光程差及条纹定位面的精确计算与分析

论述了基于单Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪的基本原理;采用波法线追迹方法,对光以4种不同入射方式经过偏振干涉成像光谱仪中单Wollaston棱镜的精确光程差、分束角及干涉条纹定位面进行了计算,并给出它们与棱镜楔角、入射角及入射位置之间的理论公式;采用计算机模拟对光程差、分束角及条纹定位面的精确值和近似值进行分析与比较,结果表明精确值和近似值之间存在较大差异;当棱镜楔角、入射角及入射位置增大时,精确值和近似值之间的偏离量随之增大;利用得到的精确值分析了条纹定位面的偏离量及其对傅里叶透镜成像的影响 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 Wollaston棱镜 光程差 条纹定位面     

Polarization Mixing Error Reduction in a Two-Beam Interferometer

A simple method to reduce the polarization mixing in a two-beam interferometer is proposed. A small separation angle Wollaston prism and an optical wedge were added to the conventional heterodyne setup. It was experimentally demonstrated that the polarization mixing error was reduced below 52.4 mrad by this method.     

分时偏振成像系统中光束偏离的补偿方法研究

分时偏振成像系统需要通过旋转检偏器获取场景的偏振信息(I, Q, U), 检偏器的前后表面间不平行(也称为楔角)将导致成像光束发生偏离且随检偏器旋转而旋转, 这将降低偏振成像系统的空间分辨率和偏振测量精度. 本文提出调整检偏器相对于入射主光轴倾斜角的方法来补偿上述光束偏离. 以格兰棱镜作为检偏器, 根据几何光学理论, 推导了分时偏振成像系统光束偏离的一阶近似补偿模型, 获得倾斜角与格兰棱镜楔角之间的函数关系, 并通过仿真模拟验证了该补偿方法的可行性和有效性. 研究结果表明, 将格兰棱镜置于汇聚光路中, 光束偏离的一阶误差可以通过调节格兰棱镜的倾斜角有效补偿; 倾斜角大小与棱镜折射率、楔角及棱镜距电荷耦合元件靶面的距离成正比, 与棱镜厚度成反比. 该结果为研制高精度分时偏振成像系统提供了切实可行的理论依据.     

Linear-wavenumber spectrometer for high-speed spectral-domain optical coherence tomography

An equidistant (in the wavenumber) spectrometer based on a diffraction grating, a compensation prism, and a CCD linear array is developed and implemented for spectral-domain optical coherence tomography. A criterion is introduced for estimating the level of residual nonequidistance. This criterion allows one to determine the threshold compensation level necessary for obtaining the spectrally limited spatial resolution. The method is tested in spectral-domain optical coherent tomography systems at wavelengths of 1270 and 830 nm.

     

消色差的1/4波长延迟器的几何光学设计

在许多光谱学测量和实验研究中,常需要一个消色差1/4波长延迟器来满足各种实验测量条件.这可以通过一个在工作波长范围内折射率变化较小的菱型棱镜来实现.为了使用方便,在光学系统中可设计一个具有三个全内反射面的V型棱镜,其总的相位延迟达90°,同时可避免光路偏差.在实际应用中,需对棱镜的尺寸和通光孔径进行优化设计,以达到最佳效果.在本文中,我们给出了具有这种结构的几何设计例子,还结合不同参量成功地设计研制了一个消色差的1/4波长延迟器,并应用于磁光材料的克尔效应测量中.文中给出了详细计算和误差修正,所给出的计算公式可用于其他尺寸的消色差1/4波长器的设计和研制.     

基于最优化线性波数光谱仪的谱域光学相干层析成像系统

相比传统光谱仪,基于线性波数光谱仪的谱域光学相干层析(OCT)无需对非线性波数干涉光谱数据进行重采样和插值,可大大减少数据计算量并提高成像灵敏度.通过模拟计算干涉光谱信号和点扩散函数,以点扩散函数半峰全宽值的倒数作为评价准则,可以优化包括色散棱镜材料的折射率、顶角角度以及衍射光栅和色散棱镜之间旋转角角度的线性波数光谱仪的结构参数.根据优化结果,实验中选用F2玻璃等边色散棱镜,以光栅-棱镜间旋转角角度为21.8°搭建了最优化线性波数光谱仪,并引入谱域OCT成像系统.实验测得成像系统的轴向分辨率达到8.52μm,灵敏度达到91 dB,6 dB成像深度达到1.2 mm.结合具有通用并行计算能力的图形处理卡,在无需重采样和插值的情况下可实时处理和显示人手指指甲皮肤接缝处的横断面OCT图像,验证了基于最优化线性波数光谱仪的谱域OCT系统的成像性能.     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

Angle-deviation optical profilometer

We propose a new optical profilometer for three-dimensional(3D) surface profile measurement in real time.The deviation angle is based on geometrical optics and is proportional to the apex angle of a test plate.Measuring the reflectivity of a parallelogram prism allows detection of the deviation angle when the beam is incident at the nearby critical angle.The reflectivity is inversely proportional to the deviation angle and proportional to the apex angle and surface height.We use a charge-coupled device(CCD) camera at the image plane to capture the reflectivity profile and obtain the 3D surface profile directly.     

基于加工公差约束的自由曲面棱镜设计

自由曲面棱镜是轻型头盔显示系统的核心光学器件,其巧妙的设计以及精密的加工方法历来备受研究者的关注。目前有关自由曲面棱镜的研究主要集中于视场角和成像质量上,而忽略了公差设计,尤其是加工误差对棱镜的影响。针对这一现象,在详细分析了自由曲面棱镜的加工误差来源之后,提出了基于公差约束的自由曲面棱镜优化设计方法,以保证在加工精度允许的前提下得到最佳的成像质量。通过光学仿真实验及成像质量分析,验证了该方法的有效性。     

激光雷达系统快速准直的方法和光学装置

 研制了一种能够方便、快速调节激光雷达收发光路准直的光学装置,分析了装置楔角的选取要求、准直误差及其相应的矫正方法。该装置结构简单,主要由两个楔形光学平板组成,通过电机转动两个楔板可使出射光束方向在一定范围内任意改变,该调节范围由楔板的楔角和折射率决定。利用折射定律,严格推导了装置中两个楔形光学平板的旋转角度与出射光束方向之间的关系。提出了将该光学装置插入到激光雷达发射光路,采用螺旋式粗扫、圆形和径向细扫相结合的光束扫描方式实现对激光雷达准直的方法,并给出了系统准直调节过程中的判断准则和具体的准直步骤。     

改型Wollaston棱镜的光程差及其特性分析

简述了改型Wollaston棱镜的偏光结构和分光机理;应用波法线追迹法分析了光在棱镜中的传播规律与波矢轨迹;推导出了任意入射面内、以任意角入射时光在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了改型Wollaston棱镜中o光和e光光程差的理论表达公式;采用计算机模拟,给出了光程差随入射角、入射面与棱镜主截面的夹角、棱镜结构角及波长的变化曲线,并对其变化特性进行了深入的分析. 该研究对偏光棱镜的理论研究具有普遍的指导意义,为偏振分光器件及干涉成像光谱仪的研制和应用提供了重要的理论依据和实践指导. 关键词： 改型Wollaston棱镜 波法线追迹法 光程差     

用于静态和动态平面内位移测量的剪切束电子斑纹图干涉术的相移和载波技术

报道了一种新颖的用于平面内位移测量的相移和载波技术。在剪切束电子斑纹图干涉度量术中，照明光束由棱镜分为两个波前，棱镜的侧面移动将引入相移。在棱镜后加一小角光楔，则光楔的转动产生载波条纹。棱镜或光楔的转动可由机械或电学机构精密控制。形变信息由数字图像处理算法，相位迭代和傅里叶变换法给出。文中介绍了理论及其实验演示的结果     

变间隙法布里-珀罗干涉仪光程差线性分析

对于变间隙法布里-珀罗（F-P）干涉式成像光谱仪,空间干涉信息是否按光程差等间隔采样,即光程差与探测器像元位置之间是否是线性变化关系,直接决定了光谱数据处理的难易程度。经分析,变间隙法布里-珀罗干涉式光谱成像系统的光程差是干涉仪分光产生的两艾里斑的中心距离的函数,而两艾里斑中心距与探测器像元位置并非一直保持线性关系,与干涉仪楔角的取值有关。研究了不同楔角条件下光程差与探测器像元位置之间的关系曲线,结果表明,在任意楔角下,光程差与探测器阵列像元位置之间均保持良好的线性关系。长波红外变间隙F-P干涉式光谱成像系统与高精度光谱辐射计测得的特征峰位置重合度达100%。     

等光程干涉仪中参考镜楔角最优补偿方式研究北大核心CSCD

在测量多表面平行样品时,多面干涉会影响测量结果。为了能改善多面干涉问题,介绍了等光程干涉仪,并研究了参考镜楔角的最佳补偿方式。在等光程干涉仪中,由于参考镜和分光镜的楔角和倾角的存在,测量结果中会带有回程误差。根据参考镜楔角的不同情况采用了不同的补偿,理论分析并确定了各种补偿的放置方式和补偿量,同时研究了倾角和楔角的大小对于要被遮拦光束高度和像方数值孔径NA的影响。再利用Zemax进行不同补偿方式下的干涉仪仿真,并根据仿真得到的干涉图PV值分析回程误差的大小。分析表明:选用最佳补偿方式,参考镜楔角为1′,回程误差优于0.003个波长。     

星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。     

二元光学透镜在资源卫星中的应用

使用一种基于二元光学透镜的分光成像及消色差原理的新方法来设计资源卫星的中继光学系统。通过分析二元光学透镜的分光成像原理、消色差原理、衍射效率与阶数和工作波长及设计波长的比之间的关系,又考虑到单独设计制造二元光学透镜的难度,采用折衍混合成像光学系统来拟定资源卫星中继光学系统的设计方案,给出用ZEMAX软件设计的具体结果。设计实例及分析结果表明,包含二元光学透镜的折衍混合成像系统可以很好的实现光谱波段分离,用于资源卫星的光学系统具有一定的适用性。     

基于莫尔干涉的激光中心波长精确检测的研究

为了提高激光中心波长检测的精确度,提出了基于正交干涉原理的静态干涉系统,由两个相互垂直的棱镜组成产生二维平面上的光程差分布,以面阵CCD取代线阵CCD,对平面上的正交干涉条纹数据进行采集.在计算分析莫尔干涉仪的光程差分布的基础上,计算干涉图像中干涉条纹的拼接及傅氏变换等,最终得到光谱分辨率.由MATLAB仿真软件分析结果可知,静态莫尔干涉系统可以产生的光程差最大为234μm,比等尺寸的傅里叶干涉体高约一个数量级.实验标定用的光谱仪选用LAB SPAKR 750A型光谱仪,针对中心波长为635 nm的半导体激光器进行测量,结果显示中心波长位置基本一致,但在中心波长附近的光谱细节上莫尔干涉优于传统干涉具.     

Polarimetric method for the determination of the optical axis tilt angle at boundaries of a liquid-crystal layer

A polarimetric method is proposed to determine the tilt angle of the local optical axis of a liquid crystal at layer boundaries. The method is based on the measurement of the azimuthal polarization angles of light waves passed through a liquid-crystal cell or reflected from it. This method requires neither the knowledge of the refractive indices of a liquid crystal nor the homogeneity of the layer. The method can be applied in the whole range of tilt angles. Experimental data on the measurement of the tilt angles in cells assembled by the scheme of a prism liquid-crystal polarizer are presented.     

Novel optical sensor for simultaneous measurement of liquid concentration and temperature

The paper describes a new optical sensor for simultaneous liquid concentration and temperature measurement. Temperature-dependent semiconductor absorption at the band edge is used as the principle of the temperature measurement, and the sensor exploits beam deviation caused by refraction due to the liquid concentration at the receiving end face of the optical device. The light intensity peak value and its deviation are detected by a charge-coupled device (CCD), and then the measured optical signal is reflected by a reflecting pyramid prism. The sensor probe is composed of an intrinsically pure GaAs single crystal, a reflecting pyramid prism, a partitioned water cell. Theoretical analysis and preliminary experimental results verify the feasibility of the proposed system.