标准球面透镜的几何特性与误差分析

标准球面透镜是斐索型干涉仪的核心器件，综述标准球面透镜的几何特性和误差。分析标准球面透镜在干涉照明光路和成像光路中的作用，重点介绍并实验验证了球面干涉成像的R-sinθ几何特性关系模型，给出了采用Q非球面实现非球面分裂的新型设计方法，以及2片式非球面标准球面透镜结构的实例，概述了针对小F数标准球面透镜球面干涉腔中的待测球面调整误差和移相空间非均匀性误差的研究成果，介绍了校正球面干涉腔中误差的波面差分算法，指出在近标准球面透镜焦点位置测量球面时的回程误差影响，从物像共轭关系角度解释了近焦点位置回程误差较大的原因，比对分析了标准球面透镜的透射波前与斜率对回程误差的影响。提出了在设计标准球面透镜时需注意的几何特性关系，以及使用标准球面透镜时易产生的误差和相应的抑制方法。     

基于FDTD的高深宽比沟槽结构低相干显微干涉信号仿真分析

低相干垂直扫描干涉技术是微结构形貌特征参数无损检测的有效手段。但当微结构的沟槽深宽比高于5∶1时,遮挡效应以及阶跃边缘复杂的衍射效应会导致本应仅包含一个包络的垂直扫描测量干涉信号异常,形成两个甚至多个包络,继而影响形貌检测结果。本文解析低相干垂直扫描干涉的测量过程,采用时域有限差分法对低相干显微干涉测量系统的显微成像、相干扫描测量过程进行数值仿真,计算待测微结构表面返回场及显微成像后的像面干涉场,得到低相干显微干涉信号。分别仿真了深宽比为5∶1、80∶3的硅基沟槽微结构的干涉信号,并与实验室自研的Linnik型低相干垂直扫描干涉系统对沟槽微结构的检测信号进行对比,匹配其高深宽比沟槽结构干涉信号的双包络及幅频双峰性的特征,验证所提方法的准确性。该仿真方法可应用于实测前对被测结构低相干显微干涉信号的先验性仿真计算,通过提前分析信号特征,为形貌复原算法的选取及改进指引优化方向。     

基于平移差分的微结构线宽显微测量方法

从显微成像测量线宽的理论模型出发,分析了限制测量精度的边缘定位误差因素,基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理,提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法,即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽,两步平移并采集三幅对沟槽清晰成像的显微图像,显微图像依次相减得到两幅差分图,将线宽测量转为差分脉冲距离测量,利用差分脉冲在阶跃边缘附近梯度变化灵敏度高的特点,突破衍射极限,提高线宽测量精度;再用纳米精度压电陶瓷位移台标定与显微成像系统有关的倍率测量常数,以压电陶瓷位移台的高精度保证测量结果的准确性。以可溯源计量部门、线宽为30.00μm的标准沟槽样板作为待测样品,10次测量得到线宽测量平均值30.03μm,标准差0.005μm,并对本方法进行了不确定度分析,最终得到合成不确定度为0.37%(k=1)。     

基于炉口辐射光谱支持向量机回归的转炉终点碳含量检测

转炉终点碳含量在线检测对实现炼钢终点准确控制，提高钢铁产品质量，降低能耗，减少废气排放具有重要意义。针对转炉冶炼终点控制及碳含量检测的难题，研究了一种新的基于炉口辐射光谱分析的非接触式在线碳含量检测方法。方法基于辐射光谱的支持向量机回归(SVR)实现转炉终点前过程的碳含量预测。通过远距离光谱采集系统获取炉口火焰光谱信息，基于冶炼过程炉口火焰辐射光谱变化规律的分析，分别提取了表征辐射光谱整体特征的两个参数即总谱宽和辐射峰值、以及表征发射谱的三个特征波长600，630和775 nm处的幅值作为支持向量机的输入，结合脱碳理论和实测碳值拟合重构的脱碳函数曲线作为支持向量机的输出，利用支持向量机回归方法建立光谱分布与碳含量的关系模型。通过训练样本集和测试集循环优化确定模型最佳参数。设计的仪器和优选的模型已安装在转炉生产现场长时间运行，现场实验结果表明，终点碳含量检测准确率为90.2%，测量时间小于0.3 s，可实时在线检测，能够满足生产需求，为转炉冶炼终点的精确控制提供了重要依据。     

基于辐射法和原子发射光谱法的转炉口火焰温度测量

转炉炼钢的终点控制包括钢水出钢时温度及其成分的控制,炉口火焰能够反映炉内脱碳速率及转炉运行参数等。工业炉燃烧火焰可见光谱段,普遍存在着钾(K)和钠(Na)等碱金属元素的原子发射谱线,利用K的特征谱线相对比值可以计算火焰温度。基于辐射双色法,三色法和谱线相对强度法对转炉口火焰温度进行了测量;数据处理过程中对特征谱线进行了基线拟合提取,小波脊线拟合提取;特征谱线进行了Gauss函数和Lorenz函数拟合。结果表明,辐射测温法对谱线比较敏感,选择合理的波段能够有效,精确地测量火焰温度;采用谱线相对强度法受制于特征谱线的数学模型、谱线的跃迁机率、能级的简并度及火焰的光学厚度,需要分辨率非常高的光谱仪才能进行高温转炉火焰中电子温度的测量。     

非晶态Si/SiN_x超晶格材料的发光与非线性光学特性

采用射频磁控反应溅射技术制备了a-Si/SiN_x超晶格材料,并采用热退火技术对材料进行处理。利用吸收光谱和X射线衍射谱对材料进行表征,结果表明Si层呈现非晶态。为研究材料的三阶非线性光学特性,对材料进行Z扫描研究,测量数据表明,材料的非线性吸收为反饱和吸收,材料非线性折射率呈现为负值,该材料的χ(3)的实部为4.57×10~(-17)C(1.39×10~(-7)esu),虚部为1.49×10~(-17)C(4.48×10~(-8)esu),该极化率数值比体硅材料的χ(3)值大5个数量级。对该材料非线性光学产生的机理进行了研究,认为材料体现出的较强的量子限制效应是非线性极化率增强的主要来源。     

新型干涉高光谱成像系统的光束剪切特性分析

提出了一种基于新型双折射横向剪切分束器的高光谱成像方法,采用的横向剪切分束器主要由Wollaston棱镜和角锥反射体组成.在分析双折射分束器的偏光结构和分光机理的基础上,利用光线追迹方法分析了光束在Wollaston棱镜中的传播特性,通过计算光束在双折射分束器中的传播方向及出射位置,推导出调制光程差的理论表达公式.根据理论推导结果,分别仿真分析了系统在不同扫描模式下光程差与入射光视场角以及角锥顶点偏移量的调制关系.基于理论分析结果搭建了实验装置,对光程差分析结果进行验证,实验结果与理论分析结果匹配较好.所提方法可以提高剪切光束的平行性,保证干涉条纹的高调制度,降低了复原光谱准确度对光学装调精度和元件加工精度的依赖性,具有结构稳定、复杂度低的显著特点.     

光学共振增强的表面铯激活银纳米结构光阴极

金属光阴极因其超短脉冲发射和运行寿命长的特性从而具有重要应用价值,但是较高的功函数和较强的电子散射使其需要采用高能量紫外光子激发且光电发射量子效率极低.本文利用Mie散射共振效应增强银纳米颗粒中的局域光学态密度,提升光吸收率和电子的输运效率,并利用激活层降低银的功函数,从而增强光阴极在可见光区的量子效率.采用时域有限差分方法分析银纳米球阵列的光学共振特性,采用磁控溅射和退火工艺在银/氧化锡铟复合衬底上制备银纳米球,紧接着在其表面沉积制备铯激活层,最后在高真空腔体中测试光电发射量子效率.实验结果表明平均粒径150 nm的银纳米球光阴极在425 nm波长的量子效率超过0.35%,为相同激活条件下银薄膜光阴极的12倍,峰值波长与理论计算的Mie共振波长相符合.     

基于多光谱法的激发温度和辐射温度瞬态测试技术

近些年来，随着国内外尖端科技快速发展，温度测量无论是对于国防建设领域还是对于工业制造领域都有着极为重要的指导意义和研究价值。尤其在瞬态超高温测量方面，测温精度要求更为严苛。测温方法多种多样，多光谱法由于其精度较高且适用性强，被国内外专家广泛运用。基于多光谱测温法，提出一种新的能够同时高精度测量目标的瞬态激发温度和辐射温度的方法。该方法通过查找可信度更高的目标物理特性数据以及更为精确的多光谱直线拟合方法，精准计算得到目标激发温度。通过建立更加准确的数学模型和算法，减小光谱发射率对整个测温过程的影响实现高精度的辐射温度测量。通过相关测温实验表明，系统测温精度达到3%。     

低场磁共振系统的低噪声前置放大器研究设计

噪声前置放大器是磁共振射频接收子系统中的重要组件,它的性能优劣直接决定了最终磁共振图像的好坏.目前市场上的低噪声前置放大器大多基于中高场磁共振系统开发,而针对低场磁共振系统的很少;另外,商用低场磁共振系统的低噪声前置放大器价格相对较贵,并且多采用两级放大结构,结构复杂、调试难度大、成本相对较高.在此背景下,针对0.5 T低场磁共振设备利用Keysight公司的先进设计系统(ADS)软件对低噪声前置放大器进行研究设计,采用一级放大结构,探索电路设计与布局对放大器性能的影响.实测结果表明自主设计的低噪声前置放大器在21 MHz共振频率附近噪声系数为0.5 dB左右,增益达到了30 dB,能够满足低场磁共振应用的要求.