辽东湾海冰反射特性

海冰反照率是研究海冰表面特性、海冰分布、海冰厚度和极地气候的重要光学量之一。将卫星于不同位置所测量到的海冰双向反射率准确地转化为相应的反照率的值,对于获得大规模海冰的时空特性是非常重要的。研究了辽东湾海冰反照率与海冰双向反射分布函数之间的相关关系。结果表明：(1)反照率与海冰组分密切相关,海冰表层颗粒物浓度越高,反照率α(λ)的值越小,气泡的含量越高,α(λ)越大;(2)当仪器探头天顶角θ为0°时,所测量的双向反射因子R_f与反照率α(λ)的值是相似的;随着θ的增大,R_f的值逐渐增大,且与探头方位角的相关性逐渐增强;当θ的值等于太阳天顶角63°时,R_f的值最大,且与探头方位角的相关性最强;(3)不同类型的冰具有不同的各向异性反射因子。     

水下环境光学特性测量方法

为实现水下对航行器光学探测,研究了水下环境光学特性测量机理,确立了海洋下行辐射、海洋上行辐射测量方法。在分析海洋下行辐射分布规律的基础上,简化了海洋下行辐射模型,建立了Janus海洋下行辐照度测量模型,设计了辐照度光学探头,确定了海洋上行辐射测量方法,并完成光学探头的响应度定标设计。分析表明,下行辐照度由标量辐照度、散射系数、体积衰减系数和漫衰减系数共同决定,均匀角分布入射辐射率,当入射角小于70°时,余弦误差小于5%,采用的Janus设计优化了海洋下行辐照度的测量。海洋下行辐射、海洋上行辐射测量方法的建立,为水下实现目标环境光学特性测量奠定了技术理论支撑。     

MOCVD多功能在线监测探头的设计与实现

根据MOCVD在线监测设备的发展需要,设计了一种多功能在线监测探头,能够同时实现带反射率修正的三种红外辐射测温以及两个波长的反射率曲线监测,即:940nm/1 550nm双波长比色测温、940nm单色辐射测温、1 550nm单色辐射测温、940nm反射率曲线以及1 550nm反射率曲线监测.对探头的比色测温性能进行测试分析,并利用该探头对Si(111)衬底在我国自主研发的MOCVD系统中生长InGaN/GaN MQW结构蓝光LED外延片进行在线监测.结果分析表明:比色测温900℃~1 100℃范围内精度高于1℃;在700℃~1 100℃范围内重复性误差均在0.7℃内;距离容差性为2mm;三种红外测温最低量程均为435℃;并能有效避免探测孔有效面积变化的影响;由940nm反射率曲线得:n-GaN层的膜厚监测相对误差为3.6%.该设计能够同时实现MOCVD在线测温及膜厚测量,可为MOCVD在线监测设备开发提供参考.     

2.7～3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7～3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7～3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7～3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。     

硫酸钡漫反射板在250～400 nm光谱辐射亮度标定中的应用研究

表面喷涂硫酸钡的漫反射板正入射时是最接近朗伯特性的用于标定光谱辐射亮度的实用漫反射板。通过实验测量硫酸钡漫反射板 2 5 0～ 4 0 0nm的半球反射率和双向反射分布函数表明 ,实测的双向反射分布函数与假定漫反射板为朗伯表面根据测量的半球反射率计算的双向反射分布函数的相对差值为 6 7% ,实测的双向反射分布函数随散射角的变化可达 2 8%。为提高光谱辐射亮度标定的准确性 ,考虑双向反射分布函数的微小变化和漫反射板上的光谱辐射照度的不均匀性 ,通过对光谱仪视场内每一小面元积分 ,最后可精确求得所测光谱辐射亮度 ,并标定光谱仪的光谱辐射亮度     

基于POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性

针对利用POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性和地表反射率进行研究.POLDER探测器能够提供可见光到红外的地气系统反射太阳光的反射率和偏振反射率的多方向数据.发展了一种基于多角度的总反射率和偏振反射率联合反演气溶胶光学参数的算法,根据倍加累加法矢量辐射传输模式构建查找表,反演过程中还考虑了测量数据的云检测处理,气体吸收校正和平流层气溶胶校正,通过865 nm波段总反射率和偏振反射率的模拟计算值和实际测量值的对比实现局部区域的气溶胶光学特性参数和地表反射率分布图的同时反演.并用CNES提供的POLDER气溶胶产品对反演结果进行了验证,该方法能够得到气溶胶光学厚度、折射指数、粒子有效半径和地表反射率较合理的反演结果.     

浅海底质高光谱反射率测量系统的设计及应用

海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分,影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性,因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量,以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响,双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。于2018年9月3日—8日,用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验,测量对象包括珊瑚、海草、泥沙、沙滩等多种底质。各底质类型之间具有光谱可分性,具体表现为,在波长大于580 nm的长波段,浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显,表明相对于空气中,水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量,证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540~600 nm波段有一个宽反射峰,而珊瑚的典型特征是在575,600和650 nm附近有三个特征反射峰。此外,珊瑚、沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395,430,490和520 nm存在反射峰,485和585 nm处有一个小吸收峰,而海草则相反,在395,430,490和520 nm存在吸收峰,485和585 nm处显示反射峰。以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础,同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。     

测量大口径光学元件反射率用精密扫描系统误差分析

为测量高能激光传输系统中大口径高反射率光学元件的反射率,设计了一种大口径光学元件二维扫描的精密测量系统。介绍了该系统的结构及其工作原理,分析了影响系统测量精度的因素,从理论上分析了扫描系统的系统误差对测量精度的影响,结果表明在垂直于光束传播方向上,水平偏差在0.29 mm时,测量误差在10-6量级;腔长的变化量较小时,可通过对衰荡腔腔镜的调节,实现对旋转轴偏差的补偿及对系统的精细调节。通过拟合处理光强与时间的数据得到对应的一次指数函数拟合曲线,并通过计算得到衰荡时间和反射率,经过对比分析可知,该误差分析方法能比较有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。     

海洋高光谱辐射实时观测系统的研制

研制了海洋水色高光谱辐射实时观测系统.该系统主要包括用于现场测量海面与海水近表层上行辐亮度和下行辐照度的高光谱光纤辐射计,装载高光谱光纤辐射计及其它辅助设施的海上观测平台,数据采集、实时通讯的控制系统.采用6通道光纤光谱仪解决了多参数测量同步性问题,通过自动调整光谱仪CCD积分时间提高其测量的动态范围;采用光纤光谱仪减小了光接收器的体积,减小了自阴影效应的影响;采用防污染装置解决了光学探头水下防污染问题.对系统的性能进行了室内测试及近海36 d试验.结果表明,光学系统零漂误差小于±5%,光学系统稳定可靠;浮标性能可很好地满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求;控制系统的数据采集和通讯可靠有效.     

面向光学器件透反射率测量的声光调制型激光功率稳定系统设计

在各类光学系统设计过程中,由于实验系统对于光学器件的透反射率要求不同,需要确定光学器件的透反射率。本文设计了一种对光学器件的透反射率进行精准测量及标定的系统,该系统通过对激光光源进行声光调制,使得激光输出功率的稳定度显著提高,避免了测量时光源不稳定带来的较大误差。实验结果表明,该系统能够稳定光源输出功率,稳定度维持在0.05%/h,甚至更高的水平,满足了光学器件透反射率测量的误差小,精度高等要求。     

用于真空紫外探测器标定的光学斩波器研究北大核心CSCD

为了满足基于低温辐射计的115 nm~400 nm波段探测器绝对光谱响应度高精度标定的需求,研制了一种由斩波片、转轴、伺服电机、U型光电开关、降温组件、支架和控制电路等组成的适用于真空环境的光学斩波器,使其在真空低温环境下将微弱的真空紫外-紫外辐射信号调制为频率已知的交变辐射信号,并由锁相放大器进行测量。实验结果表明,该光学斩波器的频率在80 Hz时的稳定性为±0.05 Hz,满足115 nm~400 nm波段探测器绝对光谱响应度标定对斩波器在10^(-4) Pa的真空环境下的使用要求。     

Polarization ratio characteristics of electromagnetic scattering from sea ice in polar areas

In the global climate system, the polar regions are sensitive indicators of climate change, in which sea ice plays an important role. Satellite remote sensing is a significant tool for monitoring sea ice. The use of synthetic aperture radar(SAR) images to distinguish sea ice from sea water is one of the current research hotspots in this topic. To distinguish sea ice from the open sea, the polarization ratio characteristics of sea ice and sea water are studied for L-band and C-band radars, based on an electromagnetic scattering model of sea ice derived from the integral equation method(IEM) and the radiative transfer(RT) model. Numerical experiments are carried out based on the model and the results are given as follows. For L-band, the polarization ratio for sea water depends only on the incident angle, while the polarization ratio for sea ice is related to the incident angle and the ice thickness. For C-band, the sea water polarization ratio is influenced by the incident angle and the root mean square(RMS) height of the sea surface. For C-band, for small to medium incident angles,the polarization ratio for bare sea ice is mainly determined by the incident angle and ice thickness. When the incident angle increases, the RMS height will also affect the polarization ratio for bare sea ice. If snow covers the sea ice, then the polarization ratio for sea ice decreases and is affected by the RMS height of snow surface, snow thickness, volume fraction and the radius of scatterers. The results show that the sea ice and the open sea can be distinguished by using either L-band or C-band radar according to their polarization ratio difference. However, the ability of L-band to make this differentiation is higher than that of C-band.     

海面太阳耀光背景下的偏振探测技术

为了实时抑制太阳耀光对海面目标探测的影响,基于偏振光学理论,设计并构建了一套偏振自适应滤波探测系统。本文介绍了偏振探测系统的功能和组成、偏振探测及背景抑制原理,并给出了该系统的光学设计结果;利用自适应偏振滤波探测系统,通过搭载望远镜跟踪试验平台,针对海上典型目标,开展了相关的偏振验证实验。实验结果表明:海面太阳耀光存在比较明显的偏振特性,采用常规探测手段,探测器极易出现饱和,而利用偏振探测技术则能够有效抑制太阳耀光的影响,进而实现目标的有效探测。     

定向凝固单晶冰的取向确定与选晶

基于六方冰晶偏振光学特性,定义了用于确定冰晶晶体取向的三个参数:光轴倾角α,消光角β和与冰晶基面(0001)面内晶体学择优方向1120与温度梯度的夹角γ,提出了定量判定冰晶晶体取向的理论基础,并在定向凝固平台上采用偏光显微镜成功实现了冰晶晶体取向的精确主动控制,获得了任意取向的单晶冰.本文成功解决了冰晶的定向凝固晶体取向确定和选择的难题,为冰晶生长过程中相关理论问题的研究提供了有效的途径.     

托卡马克等离子体辐射诊断中的线积分辐射率

在托卡马克等离子体辐射诊断中,通过阿贝尔反汪或层析分析从线积分辐射率中得到的空间分布,是辐射率在束线宽度范围内的平均值的分布,束线宽度限制了诊断的空间分辨能力。当探测器无穷小的近似条件不成立时。束线宽度显著大于探测器中心对光栏孔径张角决定的宽度,并且在给定束线截面内各点辐射对探测信号的贡献差别可能变得重要从而导致辐射率的宽度平均成为带权重的平均。     

Scattering of Radiation of the Sun and the Sky from Two Dimensional Rough Sea Surfaces

The scattering of optical wave from two dimensional rough sea surfaces is studied first with method of facets. The sea surface is divided into many facets, and each facet is treated as a surface with small roughness instead of a smooth plane, therefore more practical and effective. In addition the shadowing function of sea surfaces for arbitrary incident and scattering angles is numerically calculated with the Z-BUFFER method, which applies to any kinks of rough surfaces compared with the methods available. Finally the spectral irradiance of the sun and the spectral radiance of the sky for different time at sea level with fine weather are obtained with the software of Lowtran7, and the scattering of the radiation of the sun and the sky from two dimensional rough sea surfaces for different time, waveband and wind speed is studied, which is of great reference value for reducing the interference to the infrared detector due to the scattering of the radiation of the sun and the sky from sea surfaces.     

A new beamline for infrared microscopy in the SR center of Ritsumeikan University

A new beamline for an infrared (IR) microspectroscopy is under construction in the SR center of Ritsumeikan University. We designed an optical system which collects synchrotron radiation (SR) photons by installing one toroidal mirror and two plane mirrors in the storage ring chamber. As a result, the acceptance angle can be widened up to 250 mrad in horizontal and 63 mrad in vertical. Our aim is to develop an IR microspectroscopy beamline with spatial resolution of the order of sub micron from mid-IR to far-IR. In this paper, we present a designed optical system of IR microspectroscopy and the results of ray-tracing.     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

复合光学系统杂散辐射分析及抑制

以双谱段光谱仪为例，针对前端为卡塞格林结构形式的复合光学系统，设计了一种杂散辐射抑制装置。该装置含有外遮光罩1、外遮光罩2和2个内遮光罩，其中外遮光罩2有效地阻挡了直接进入光学系统的外杂散光。该装置可抑制各谱段的杂散辐射，其中可见光支路杂散辐射抑制后的杂光PST与信号光PST相差7~8个数量级，近红外支路杂散辐射抑制后的杂光PST与信号光PST相差5~6个数量级。该装置可提高光谱仪工作时段，性能稳定有效，且系统图像不受杂散光影响。     

Design and evaluation of a Blu-ray pickup head system for determining the tilt angle and displacement of the test plane

We present an optical system design for determining the tilt angle and displacement of the test plane. The proposed optical system consists of a Blu-ray pickup head and a pigtailed laser diode with a uniform Gaussian beam. The optical system is evaluated by two optical design software packages, Code V and LightTools. A quadrant detector is used to detect the relative relationship of the V_A, V_B, V_C and V_D output signals, which can be used to measure the tilt angle and displacement on the test plane. Both the tilt angle and displacement on the test plane can be determined from the change in the beam shape on the quadrant detector. The proposed system can generate a circular uniform beam shape to reduce the misjudgment and to enhance the measurement accuracy. Various simulation cases are presented in detail to show the feasibility of the proposed system.