偏振光学成像：器件，技术与应用（特邀）

偏振是强度、波长和相位之外描述电磁波基本属性的第四个重要的“信息维度”参量,物体反射光或辐射光的偏振特性与其材质、几何形状、纹理结构和表面粗糙度、理化特性等本身性质密切相关。偏振光学成像是基于对光的偏振信息进行探测的新型光学成像手段,其利用目标反射光和背景杂散光的偏振特性差异,以达到改善目标成像质量、提高作用距离、提升探测能力和增强识别概率的目的。作为对强度、光谱和红外成像方式的有效补充手段,偏振光学成像对低信噪比复杂背景环境、强散射环境、低照度环境下的目标探测,具有重要的应用价值。结合作者多年来在偏振光学成像探测方面的研究工作基础,围绕相关的器件、技术和应用发展状况,对偏振光学成像研究领域进行了较为详细的介绍。包括偏振光学成像技术及偏振相机的国内外研究、发展和应用状况,与偏振光学成像密切相关的偏振光Stoke矩阵表示及偏振光学成像基本原理,以及研究团队在偏振相机研制及偏振光学成像探测方面开展的研究工作,主要涉及分孔径偏振光学成像系统的设计及关键器件和技术,偏振图像的信息处理技术及算法和应用。最后,对偏振光学成像研究目前需要解决的技术问题和发展方向给出了思考和建议。     

K9玻璃的离子束抛光

K9玻璃是常用的光学和微系统材料。随着光学和微系统技术的迅速发展，由于具有较低廉的价格、良好的微加工性能，在K9玻璃上制作微米、纳米尺度的微结构和微器件的技术，已应用于光电子、微波技术、衍射光学元件等众多领域。但是，由于光学和微波等器件的表面粗糙可引起光散射和信号损失，从而降低器件性能。因此材料表面的超光滑处理对提高光学和微波等器件的性能具有十分重要的意义。     

石墨烯光学性质及其应用研究进展

石墨烯因其优异的光学和电学性能,及其与硅基半导体工艺的兼容性,而备受学术界和工业界的广泛关注。作为一种独特的二维原子晶体材料,石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性,使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出,已显示出优异的性能和良好的应用前景。本文将介绍石墨烯光学性质、与光的相互作用以及提高方法,并给出其在光子和光电子器件领域的应用,分析了这些器件所使用的结构及特点,重点阐述了在全内反射结构下,石墨烯与光相互作用的增强及其偏振依赖性质,及其利用该偏振依赖性质在光学传感、光存储等方面的应用,以及在细胞传感方面的重要发现。最后对石墨烯光学性质及其应用的现状进行了总结和展望。     

光学元件残余偏振测量方法与装置

光学镜头的残余偏振是影响偏振遥感探测、偏振军事目标识别和精密光学测量仪器测量准确度的一个关键参数。针对大口径可见光波段光学镜头偏振度准确测量的问题,研制了一台光学镜头残余偏振度测量装置。该装置利用表面镀金属膜的大口径离轴抛物面反射镜作为准直光源,通过控制入射光的入射角、降低入射光源的残余偏振度等技术,在水平、垂直、45°、135°的方向获得了一致性很高的斯托克斯参量。为了验证该装置的性能,对可见光波段口径小于160 mm的光学镜头残余偏振进行了实际测量,测量结果表明,该测量装置的残余偏振度低于0.2%,可满足高精度光学镜头残余偏振的测量需要。     

偏振光学成像去雾技术综述

偏振光学成像技术是一种新型的光学成像技术。通过对光波偏振特性的探测,可以获得其他成像技术难以获得的独特信息,有效地增加信息探测维度。近年来,偏振光学成像技术被证明了可应用于雾霾或其他散射介质中的去雾清晰成像中。随后,偏振光学成像去雾技术作为一个独立的研究分支发展起来,并取得了很多优秀的研究成果。主要介绍了偏振光学成像去雾技术的基本原理、实现途径与算法、国内外研究进展和发展现状。     

基于MATLAB的矢量光束聚焦光场仿真

偏振是光的基本属性之一,也是光学课程教学中的重点内容。但由于课时限制等原因,光学课程对于光的偏振介绍比较简单,内容也局限于老旧内容。随着光学的发展,矢量偏振光束由于其独特的特性已经被广泛的研究和应用,因此,在光学课程中引入偏振发展的前沿知识,有助于学生探索新的光学发展领域,从而激发他们的学习兴趣,为推动教研融合作出积极贡献。本文以矢量偏振光束通过高数值孔径物镜的衍射为例,基于矢量衍射理论和MATLAB模拟仿真展示偏振态对光场传播过程和聚焦光场的影响。首先根据矢量衍射理论推导了聚焦场分布积分表示;然后借助MATLAB仿真给出了矢量偏振光束入射情况下聚焦光场分布;最后通过与常见的线偏振光和圆偏振光对比,对矢量偏振光束聚焦场分布进行了分析和总结。     

无偏振效应分束器反射相移对法拉第镜式光学电流互感器输出光偏振态的影响

线性双折射和反射相移使光学电流互感器输出光偏振态产生椭圆退化并导致灵敏度降低,法拉第镜式光学电流互感器可以有效解决椭圆退化问题。无偏振效应分束器是构成该方案的核心器件,为了准确掌握无偏振效应分束器的性能和作用,用琼斯矩阵建立了无偏振效应分束器和法拉第镜式光学电流互感器的矩阵模型。分析了无偏振效应分束器反射相移对系统输出光偏振态的影响。提出无偏振效应分束器反射相移的测量方案并测出其常温下的实际值为5.02°,绘制了温度实验曲线。用MathCAD软件仿真了系统输出光偏振态图,并分析了椭率与无偏振效应分束器反射相移的关系。指出计量0.2级光学电流互感器所允许的反射相移漂移范围要小于0.1%。所得结果可为光学电流互感器的实用化研究提供参考。     

基于偏振菲涅尔反射比分布的主动偏振成像目标辨别方法

由于偏振特性是材料自身所决定的物理特性,其偏振图像含有丰富的目标信息,利用偏振信息对目标进行识别一直是国内外目标探测领域的研究热点,而主动偏振成像较之被动偏振成像更具有信噪比高以及可控性好等优势。在详细分析了偏振菲涅尔反射比分布的理论基础上,提出了一种利用探测物体表面的偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像方法。该方法在发射端将偏振方向正交的两种偏振态的光源交替照射到目标场景中,在探测端用分别装有两个偏振方向垂直的偏振片的CCD采集偏振图像。同时,将探测端架构在不同的探测方向采集目标经主动光源照射后的偏振数据,最后将这些数据传输到计算中心,通过最优化拟合技术反演出不同目标的光学常数,由于不同目标的表面材质不同,其反映出的光学常数就不同,从而达到辨识不同材质目标的目的。实验分别采用了仿真数据和实测数据来验证该方法的有效性。仿真实验显示,所提出的方法利用材料的光学常数对不同材料进行区分不仅是科学的而且更方便有效。实测数据进一步验证了该方法能够较好的恢复出目标的相关光学常数,尤其在区分金属和非金属材料方面表现突出,并且探测方法结构简单实用,在目标探测、伪装识别等领域中有较大应用前景。     

八边形晶格双芯光子晶体光纤偏振分束器

分别以碲玻璃和SF6玻璃作为基质材料,设计制作了一种基于双折射效应的新型八边形晶格双芯光子晶体光纤偏振分束器。应用全矢量有限元法（FEM）分析了碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中结构参数对双折射和相对耦合长度特性的影响,数值模拟了碲玻璃和SF6两种偏振分束器的性能。结果表明：在碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中,增大椭圆率可同时增加结构的双折射和相对耦合长度,与SF6玻璃偏振分束器相比较,碲玻璃偏振分束器具有更高的消光比和更大的带宽,即在工作波长为1.55 μm处,消光比达到最小值-53.46 dB,且消光比小于-20 dB的带宽为120 nm。     

基于slot波导的硅基长波红外偏振无关定向耦合器分析

硅基长波红外集成光电子器件是集成光学发展的一个新兴领域.阐述了利用等比例放大原理设计该波段下的slot波导的思路,分析了波导的限制因子、偏振特性等性质,并提出了工作波长为10.6 μm的偏振无关slot波导定向耦合器.     

线性双折射对光学玻璃电流传感器输出特性影响的理论分析

对线性双折射及入射起偏角对光学玻璃电流传感器输出特性的影响进行了理论推导与分析,给出了光学玻璃电流传感器在非理想状态下线性双折射对输出电压的调制函数的数学表达式,并给出了入射起偏角对系统影响的数学表达式及其对系统有无影响的条件.结果表明,线性双折射会以Sa(δ)函数(抽样函数)的形式调制理想光学玻璃电流传感器输出信号的尺度因子,同时以－sin２(δ／2)为影响因子决定入射起偏角对系统影响的大小;当入射起偏角取某些特殊值时其对系统的影响为零.该工作结果对于光学玻璃电流传感器的研究、设计具有一定的理论参考意义.     

玻璃空间电离辐照着色损伤考核方法

针对空间电离辐照的复杂性,在玻璃空间电离辐照着色损伤动力学研究基础上,讨论了玻璃空间电离辐照着色损伤考核面临的问题,提出了一种动力学的考核方法。基于该方法,以K9-HL玻璃为研究对象,研究了特定轨道（近地点350 km,远地点425 km,轨道倾角51.6）下玻璃空间电离辐照着色损伤过程,分析了特定轨道下玻璃空间电离辐照着色损伤特征,结果显示：K9-HL玻璃特征轨道在轨20年后蓝光区域透过率降低严重导致其必然呈现淡黄色,严重影响了其作为高性能无色光学材料的使用。此外,对玻璃空间电离辐照着色损伤60Co-射线辐照考核方法的适用性进行了分析讨论,结果表明,采用60Co-射线作为辐照源分析玻璃空间电离辐照着色损伤可能引入较大误差,造成该现象的原因是60Co-射线在玻璃中的作用深度极大及考核方法未考虑色心弛豫消失。     

光学玻璃加工后的表面结构研究

本文采用了散粒磨料(SiC)和固着磨料(金刚石丸片)加工了八种光学玻璃后,在电子显微镜下观察加工表面,发现玻璃表面层的裂纹有别于传统的网状结构,而是呈现出片状叠加状态。这一发现将有助于光学加工研磨机理的深入研究,正确测定破坏层的深度,合理确定光学玻璃冷加工中各工序间余量。     

光隔离器用微型晶体偏光棱镜的研制

本文以光隔离器用偏光棱镜为例介绍了微型晶体偏光棱镜的设计、材料选择以及加工方法。将通光孔径小于５ｍｍ的偏光棱镜称为微型棱镜。其结构设计通常遵从常规偏光棱镜的设计方法，但是考虑到器件微型化造成的材料机械强度的降低、加工应力对器件性能的影响以及加工工艺的技术难度的增加等因素，作者在器件结构设计上作了周密地考虑。为配合设计工作，文中相应地详细介绍了材料性能的检测方法，并给出了典型材料的测量数据结果。文中最后部分较为完整具体地介绍了借助晶体靠模技术对微型偏光棱镜实施加工的过程。本文对从事小型精密光学器件设计加工人员有一定的参考作用     

Effect of neutron irradiation on etching,optical and structural properties of microscopic glass slide used as a solid state nuclear track detector

Microscopic glass slides are soda-lime glasses which are readily available and are easy to manufacture with low production cost. The application of these glasses as nuclear track detector will help us to make use of these glasses as solid-state nuclear track detector. The present paper describes the variation in the etching, optical and structural properties of the soda-lime microscopic glass slides due to neutron irradiation of different fluences. The color transformation and an increase in the optical absorption with neutron irradiation are observed. Both the bulk and track etch rates are found to increase with neutron fluence, thus showing a similar dependence on neutron fluence, but the sensitivity remains almost constant.     

Effects of linear birefringence inside sensing head upon bulk glass current sensors’ sensitivity

The effects of the linear birefringence inside a bulk glass current sensing element and the incident polarizing angle upon the performance of a bulk glass optical current sensor are derived and analyzed theoretically. The investigation results show that the linear birefringence will modify the scale factor of the system with a sample function; it can also affect the extent of the influence of the incident polarizing angle, at the same time. When the incident polarizing angle has some special values such as 0, 45, or 90, its effect on the system will be zero. These results might provide some useful reference to the researchers and designers of bulk glass optical current sensors.     

An optional explanation for nickel sites of nickel-zinc phosphate glasses by their optical spectra and EPR g factor

In this paper, the nickel site, optical spectra and electron paramagnetic resonance (EPR) g factor of nickel-zinc phosphate glasses have been studied by ligand-field theory. The orbital mixing effect between p and d orbits has been included in the calculation by two-spin-orbit parameter model. The present study shows that nickel occupies the tetrahedral zinc site with cubic symmetry in nickel-zinc phosphate glasses. Unlike the result of previous study that assigns nickel to an octahedral interstitial site, it is an optional explanation for nickel sites in nickel-zinc phosphate glasses by analysing the optical absorption spectra and EPR g factor.     

Design of liquid-glass achromatic zoom lens

Optical liquids are ideal materials for designing apochromatic lens due to their lower refractive index and higher Abbe numbers than those of the ordinary optical glasses. Based on the Buchdahl dispersion formula, the dispersion coefficient diagram of liquids and glasses is established. The liquid-glass combination lens(LGCL) with small secondary spectrum is obtained by calculating the combination structure with low dispersion liquid and glasses. The initial optical structure of the liquid-glass apochromatic lens(LGAL) can be obtained by replacing two glass lenses in an initial optical system with the LGCL. Using the multi-configuration optimization of ZEMAX, the liquid-glass achromatic zoom lens (LGAZL) can be designed by optimizing the LGAL. The LGAZL has an objective field of view ?63 mm–?57 mm, an image field of view 8 mm, a working distance 240 mm and the zoom range of focal length 75–85 mm. The chromatic aberration and the secondary spectrum of the LGAZL are all less than 3 μm in the whole zoom range.     

渗TiO2高硅氧玻璃的光吸收性

本文研究了渗TiO₂高硅氧玻璃的结构与光吸收性。实验结果表明玻璃的光吸收决定于玻璃中的锐钛矿微晶,微晶增大、减小可使玻璃的光吸收限向长、短波方向移动。直径约80?的锐钛矿微晶就能显示出与大块晶体一样的光吸收限。 关键词：     

The rotating linearly polarized light from a polarizing Mach–Zehnder interferometer: Production and applications

The production and control of a required polarization state are very important in optical measurements such as thin film surface characterization, ensuring continuity of data measurement and speedy acquisition. In this paper, a polarizing Mach–Zehnder interferometer is used to generate rotating linearly polarized light. Theoretical analysis and experimentation on the proposed configuration show good agreement. Applications of the rotating linearly polarized light generated from the proposed polarizing interferometer are demonstrated. The applications include measurements of the phase retardation of several wave retarders. The results from the preliminary investigation show a promising performance of the proposed setup.