《三度学及其测量》课程建设的探索与实践

辐射度学、光度学和色度学(以下简称"三度学")是现代光电信息转换、传输、存储、显示、测量和计量的基础,随着光电信息技术、图像技术的发展和应用的扩展,"三度学"及其测量技术已成为光电工程领域科研和应用人员必备的专业基础知识和技术,在国内还没有完全类似的教材和课程设置。以往教学中仅在某些课程中部分涉及辐射度学和光度学的概念,难以使学生全面地掌握和应用相关的知识,至于色度学则更少涉及,系统讲授的课程大多安排在研究生阶段,但也较少涉及相关的实验仪器和技术的讲授。从光电信息科学与工程类专业知识体系结构的角度出发,总结了多年教学科研的经验,探索了以"三度学"作为教学内容,通过配合相关测量的实验,开展了"三度学"课程建设的探索。     

基于图形的黑体辐射三大基本定律关系阐述

运用Matlab可视化语言编程,绘制了表征普朗克辐射公式物理意义的图形.通过对该图形曲线的深入分析,直观地阐明了维恩位移定律和斯忒藩-玻尔兹曼定律与普朗克辐射公式的关系及这两个定律的物理含义;又从图形出发,采用数值计算方法,求解得到工程实践中所关心的波段辐射出射度参数,以及光电探测器优化选择的策略.     

半导体超辐射发光管自发发射因子的估算

自发发射因子β是半导体光电器件的重要参数,在以往对超辐射发光管的特性分析,特别是应用速率方程对超辐射器件的光强进行估算时,多沿用与超辐射发光器件相应结构激光器的β因子,由于两者的光输出特性不同,这种沿用不仅会造成β因子物理意义上的混乱,而且也给超辐射器件光电特性的分析带来了较大的误差。对超辐射发光管的自发发射因子β进行了讨论,提出了平均自发发射因子的概念,并对增益导引及折射率导引的β因子进行了估算     

铝丝阵Z箍缩辐射产生机理初步研究

利用一维非平衡辐射磁流体力学程序研究了铝丝阵内爆过程中的能量转化规律和辐射产生机理.细致讨论了Z箍缩过程中脉冲功率驱动器电磁能馈入等离子体,等离子体动能转化为内能以及通过一系列原子过程电子内能转化为X射线辐射的能量转化机理.结合离子布居信息深入分析了Z箍缩过程中的辐射产生机理.结果表明,在内爆压缩阶段,电离和激发过程占优,线辐射占据总辐射的绝大部分.在滞止时,离子大都处于裸核离化度,连续谱辐射达到峰值.在滞止附近,线辐射出现两个峰值.在膨胀过程中,光电复合过程优于三体复合,线辐射占总辐射的份额逐渐下降.     

太赫兹波段微腔器件的设计及其特性研究

采用磁控溅射法制备了金属Cr膜, 并利用太赫兹时域光谱法获得了其光学参数. 利用Cr膜的光学参数计算了其相位穿透深度, 设计了基于低温GaAs 的全金属平面微腔光电导太赫兹辐射器件. 模拟结果表明: 器件的谐振频率分别为0.32, 0.65, 0.98, 1.31和1.65 THz, 与自由空间的光电导太赫兹谱相比, 在谐振频率为0.32 THz处的峰值强度提高了25倍, 光谱半高全宽压缩了50倍. 讨论了辐射偶极子与腔内驻波场之间的耦合强度对器件辐射强度的影响, 发现当辐射中心位于驻波场波腹处时, 器件辐射最强, 位于波节处时辐射被严重抑制. 太赫兹波段微腔效应的研究对于实现单色性好, 连续调谐, 高效高辐射强度的太赫兹源具有一定的理论意义.     

大孔径光电导天线产生高功率窄带宽THz辐射特性分析

从大孔径光电导天线产生THz辐射的饱和理论出发，考虑了载流子的瞬变迁移率.分析了脉冲序列激发大孔径光电导天线产生高功率窄带宽THz辐射的特性.对比了单个光脉冲和序列光脉冲激发SI-GaAs和LT-GaAs光电导天线的饱和特性.分析表明，采用序列光脉冲激发载流子寿命小于光脉冲间隔的光电导天线时，可以克服大孔径光电导天线的饱和特性，产生高峰值功率的窄带THz辐射.     

地基大口径红外光电设备快速辐射定标EI北大核心CSCD

在地基大口径红外光电设备的多目标分时观测中,为了消除环境因素对系统绝对辐射响应度的影响,在观测间歇快速地完成红外光电设备的辐射定标,研究了快速辐射定标方法。建立了定标实验的数学模型,确定了实验流程;以标准红外自然星为辐射定标源对红外光电设备的绝对辐射响应度进行了定标,并测量了大气透射率;对已知辐射照度的自然星进行观测,并通过定标实验得到的参数进行反演计算。数据表明,基于快速辐射定标方法的目标辐射照度反演最大相对误差为18.93%,定标实验占用时间约为4 min。作为对比,基于面源黑体定标光学系统并应用Modtran软件计算大气透射率的传统方法,反演最大相对误差为28.74%,定标实验占用时间约为17 min。结果表明,与传统方法相比,快速辐射定标方法的实验占用时间显著缩短,目标反演误差明显降低;系统不需要匹配面源黑体,大幅降低了成本。     

光电导天线太赫兹辐射峰值调控研究

针对微结构光电导天线与飞秒激光之间相互作用效应以及辐射太赫兹波调控问题进行了研究。采用德鲁德-洛伦兹理论模型获得微结构光电导天线辐射光电流密度,通过时域有限差分把光电流密度迭代在激励网格上,结合麦克斯韦方程求解时变电磁场,并通过传输线格林函数获得多层介质近场到远场的辐射太赫兹波,建立了辐射光电流与辐射阻抗、电磁共振模式之间的关系模型,模拟仿真分析了微结构S型光电导天线太赫兹波辐射调控机理。研究结果表明:微结构改变了天线等效模型的辐射阻抗;同时得知耦合系数不为零时存在耦合作用,且随着耦合系数增大共振频率峰值发生辐射增强和位移;并通过设计S型光电导天线获得辐射峰值频率调整范围为0.50~0.80 THz之间,对比工形天线辐射峰值频率由原来的0.40 T移动到0.76 T,频率调整度75%,峰值辐射效率约提高70%。该研究工作为后续高功率光导天线太赫兹波辐射的共振中心频点以及结构设计奠定重要基础。     

光电导天线产生太赫兹波的研究

研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性,采用时域有限差分方法(FDTD)来模拟计算光电导偶极天线的辐射特性,并在计算机上以伪彩色图进行了图形显示。采用电偶极子天线模型,以0.1THz电磁波为例计算了天线辐射的特性参数,得到天线的辐射电阻为790Ω,方向性系数为1.5。结果表明,光电导天线可以采用偶极天线的理论进行计算,可以通过提高电长度来增大辐射电阻,从而提高太赫兹的辐射功率。     

如何在"电动力学"课程中统一描述光的传输模型

本文结合光电信息科学与工程专业的特点,以“光线”和“高斯光束”的推导为例,探索关于自由空间中光传输理论模型的内在联系的教学,实践证明这种方法对于学生理解关于光传输的后续课程非常必要,为工科专业基础理论课的课程教学提供一定参考.     

调制激光致硅晶圆载流子辐射扫描成像试验研究

建立了调制激光诱发硅晶圆少数载流子密度波一维模型, 仿真分析了少数载流子输运参数对调制激光诱发载流子辐射信号频域响应的影响. 利用调制激光诱发载流子辐射扫描成像系统对含有表面划痕的硅晶圆进行了扫描成像试验研究. 通过少数载流子密度波模型与多参数拟合方法反求得到了扫描区域的输运参数二维分布图. 该方法得到的少数载流子寿命与利用传统光电导方法测量的少数载流子寿命结果相符; 分析了划痕对载流子输运参数造成的影响, 与光电导方法比较, 该方法可以测量不同位置的全部载流子输运参数且分辨率高.     

红外诱饵的辐射特性及在光电对抗系统中的作用

介绍了红外诱饵的辐射特性及在光电对抗系统中的作用，给出两类诱饵的光谱辐射特性曲线、光谱辐射数据表、红外热辐射特征、时域变化特性曲线等，指出诱饵弹的发展趋势。     

Z箍缩内爆过程中的能量转换机制研究

利用一维三温辐射磁流体力学程序对氖气和铝丝阵Z箍缩内爆过程中的能量转换过程进行了详细的数值研究，发现在内爆过程中离子和电子之间的碰撞能量交换是最主要的能量交换过程，其次是电子和光子之间的光电过程和轫致过程，而康普顿散射过程中的能量交换可以忽略不计；辐射出的x射线主要是在光电激发和光电复合过程中产生的，其次是在轫致辐射过程和康普顿散射过程中产生的.理论分析表明，辐射出的x射线能量可以超过，也可能小于其等离子体最大动能.数值模拟结果表明，在氖气Z箍缩中，辐射出的x射线能量没有超过其等离子体最大动能，而在铝丝阵列内爆中，辐射出的x射线能量超过了其等离子体最大动能，但小于磁压所做的功；在整个Z箍缩过程中欧姆加热能量是较小的. 关键词： Z箍缩 能量转换 x射线辐射     

光纤陀螺受辐照影响机理分析

构成光纤陀螺敏感器件的保偏光纤环在辐射环境中损耗会增加,陀螺的精度随之降低,从而限制了光纤陀螺在空间中的应用。采用60Co作为辐射源模拟空间辐射环境,对光纤陀螺及其光电器件进行了大量的试验,并对光纤陀螺及其光电器件受空间辐射影响的机理进行了研究,得出光纤陀螺光电器件中保偏光纤环受辐射影响最严重,从而重点分析了光纤陀螺敏感器件保偏光纤环的辐射影响机理,从原理上探讨了保偏光纤环在辐射条件下损耗的增加对光纤陀螺的影响,为光纤陀螺抗辐射加固技术提供了理论基础。     

提高光电本科专业学生学习主动性途径的探索与研究

光电专业学生不仅需要具有扎实的理论基础, 还需要具备很强的动手实践能力, 而提高学习主动性对 于激发学生潜能, 提高学习效率效果, 提高人才培养质量有着重要的作用. 笔者主要通过问卷调查和抽样访谈的形 式, 对我院光电专业学生的学习主动性现状进行了调查和分析, 在此基础上对影响光电专业学生学习主动性的主 要因素进行了分析, 提出了提高光电专业学生学习主动性的一些途径和措施     

CCD成像电子学单元光电参量测试系统

针对空间光学相机重要组成部分的CCD成像电子学单元的光电参量测试需求,介绍了CCD成像电子学单元光电参量测试必要性,提出了对CCD成像电子学单元光电参量进行系统测试的试验方案,并设计、研制了测试装置。对于该装置进行了系统调试与标定,得到单色仪波长定标系数为1.003 29,并对CCD成像电子学单元辐射性能测试中积分球的稳定性及均匀性进行了测试,测试结果满足要求。通过标准探测器标定待测探测器,得到待测探测器的相对光谱响应度。整套装置满足测试要求。     

氢氧混合物爆轰激励下铝粉快速反应温度的测量

此文采用光谱仪及光电探测技术，测量了激波管中加入不同粒度的铝粉后快速反应的激发温度和辐射温度。结果表明：温度随铝粉粒度减小而增大；激发温度高于辐射温度；激波管中铝粉快速反应的热辐射近似为灰体辐射。     

硅雪崩二极管光子辐射特性的实验研究

利用计数统计测量的方法，对工作在击穿状态下的硅雪崩光电二极管(APD)光子辐射的暂态特性以及计数统计特性进行了实验研究.将APD辐射光子的计数统计曲线与相应Poisson、热光场进行比较，发现其在采样时间为10 ms的情况下计数统计服从Super-Poisson分布.另外实验给出了APD光子辐射的光谱特性.     

多光谱辐射瞬态高温测温计的研制

在现代动力学发射系统中,在强电磁场激发下瞬间产生的等离子体的火焰辐射温度对飞行目标运动状态以及动力系统轨道烧灼情况有着重要的影响。针对该情况下火焰不仅温度极高,而且其产生是一个瞬态过程。因此,传统的接触式测温方法不再使用,而基于光学高温计和CCD成像阵列等非接触式测温方法也无法响应瞬态过程。文章以经典的普朗克黑体辐射定律作为理论基础,结合多波长光谱辐射方法,研制了新型的多光谱辐射瞬态高温测温计。该高温计可以对目标产生的从300～860nm的波段内任意波长光谱的提取,最快响应时间可达到2ns。通过采用高分辨率衍射光栅和光纤连接的方式,保证多光谱提取的准确性。实验结果表明,利用目标发出的多光谱辐射测温与高速响应光电探测器件相结合的方法能够测量得到动力发射目标表面辐射温度分布的同时,也保证了较高的精度,满足了对于发射瞬间物体表面瞬态温度测试的要求。     

球形粒子的近场辐射换热研究

近场辐射引起的能量交换可以比远场辐射高若干个数量级.本文计算了SiC和Cu两种球形颗粒的近场辐射换热,发现当颗粒间距非常小时,辐射换热会大大强化.颗粒直径、颗粒间距以及颗粒的介电常数是决定近场辐射换热大小的重要因素,而颗粒温度对近场辐射换热的影响较小.