亚微米外部电光检测技术

将固浸透镜技术与电光检测技术相结合，建立了具有亚微米空间分辨率的外部电光检测系统，通过使用GaAs半球作外部电光探头，用数值孔径为0.3的显微物镜对波长为1.3μm的探测光束进行聚焦，得到了半峰全宽直径为0.7μm的聚焦光斑，成功测量了微带线上10kHz的正弦波信号，验证了系统的线性响应特性，并得到了6mV/√Hz的电压灵敏度。     

Application of Solid Immersion Lens to Submicron Resolution Imaging of Nano-Scale Quantum Wells

We have discussed the resolution of submicron photoluminescence (PL) imaging using a solid immersion lens (SIL), which collects an evanescent light field. We apply the SIL microscope to measure PL image of a strip-line-patterned GaAs quantum well structure at low temperature. An improved resolution beyond diffraction limit and high collection efficiency of PL are realized.This paper was originally presented at the 5th International Conference on NEAR FIELD OPTICS and RELATED TECHNOLOGIES (NFO-5), which was held on December 6–10, 1998 at Coganoi Bay Hotel, Shirahama, Japan, in cooperation with the Japan Society of Applied Physics and Mombusho Grant-in Aid for Scientific Research on Priority Areas “Nearfield Nano-optics” Project, sponsored by Japan Society for the Promotion of Science.     

用角谱方法分析固体浸没透镜的近场光场

固体浸没透镜在超高度近场光存储和超分辨率显微观测中具有独特的作用，本文利用角谱理论并计及光波的矢量特性，分析了固体浸没透镜的近场矢量光场特性，给出了它的光场图样，并着重讨论了线偏光入射条件下，出射光场的偏振状态。     

Experimental Research on Focusing Property of Radially Polarized Beam Based on Solid Immersion Lens

Realization of a near-field optical virtual probe based on an evanescent Bessel beam is strongly dependent on a radially polarized beam; this makes it essential to study the focusing property of the beam. In this paper, two experimental setups based on a fiber device and a liquid crystal device, respectively, are built to generate a radially polarized beam. This beam and an annular radially polarized beam are focused by means of a high numerical aperture objective and a solid immersion lens (SIL). Near-field distribution of the focus spot, the evanescent Bessel field, is experimentally measured with a scanning near-field optical microscope (SNOM). The full width at half maximum (FWHM) of the central peak of the evanescent Bessel field is about 200 nm in the close vicinity of the bottom surface of SIL. This has potential for use as a near-field optical virtual probe.     

固体浸没透镜飞行高度的气浮控制

采用固体浸没透镜的光存储方法是提高光存储密度的比较实用的近场光存储方法,而严格控制SIL下底面与光存储介质之间的亚波长级距离是此光存储系统正常工作的前提.本文采用电容法测量SIL的飞行高度,采用弹性悬臂将SIL加载在转盘表面上,转盘以不同速度转动时SIL将悬浮在不同的高度.计算机首先采集到SIL的飞行高度信息,再与设定的飞行高度作比较,根据比较结果调整转盘转速,从而达到调整SIL飞行高度的目的.采用此方法,可以动态地将SIL的下底面控制在距高速转动的转盘表面上150～600 nm范围内的一定高度上.     

固体浸没透镜出射光场偏振特性研究

在固体浸没透镜近场光存储中, 光的偏振对近场光场分布具有很大的影响. 采用三维时域有限差分法, 对聚焦线偏振高斯光束通过固体浸没透镜后焦平面上各分量场分布及距离焦平面不同位置光斑图样进行了模拟. 结果表明在焦平面上及距离焦平面较近的近场区域, 出射光场在与入射光偏振垂直方向出现显著的场增强现象, 从而使光斑图样呈近似椭圆分布; 而在距焦平面较远的远场区域光斑图样趋向圆形对称分布.     

FDTD方法对固体浸没透镜的光场分析

采用二维时域有限差分(2D-FDTD)方法研究了高斯光束通过固体浸没透镜(SIL)的光场分布特性.模拟结果表明,SIL的折射率越大,底面出射的光斑越小,但随离底面距离的增大光束很快展宽;当只有入射角大于全反射临界角、具有高空间频率的部分高斯光束聚焦到SIL底面金属膜中心的微孔时,针对不同直径的微孔,模拟了出射光场的分布,发现微孔直径在某一特定值时,出射光斑半径在距SIL底面近半个波长范围内无明显改变,该结果为增大SIL和存储介质间距的方案提供了理论依据.     

半球形固体浸没透镜显微系统的透射光场研究

应用高数值孔径系统的矢量衍射理论研究了半球形固体浸没透镜(SIL)球面表面的反射对SIL系统透射场的影响.研究结果表明,半球形SIL球面表面的反射对SIL显微系统的透射光强产生很大的影响.然而,这种反射不改变半球形SIL显微系统的分辨率.SIL球面介质界面材料的折射率失配越大,透射光强减小越多.在SIL的球面表面涂上减反膜或者在物镜和SIL之间填充折射率较大（但比SIL的折射率小）的介质可以提高系统的透射光强.     

微型差动式共焦自聚焦光聚焦探测系统

为解决微小内轮廓尺寸为代表的微小尺寸的非接触式超精密测量问题，提出了将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的高分辨率和绝对位置跟踪特性相结合的差动式自聚焦共焦微型显微技术的光探测技术，建立了相应的传感系统，介绍了系统的工作原理和构成，自聚焦透镜测头直径为1mm，两个探测器差动设置，不但消除了光源的光强漂移和探测器的电子漂移产生的共模噪声，提高了测量信噪比，而且有效地提高了系统的轴向分辨率，初步实验表明，系统轴向分辨率在倾斜率小于20度的范围内可达5nm。     

基于光探针技术的自聚焦透镜光斑测量方法

以扫描探针显微理论为基础,讨论了基于光学纤维探针技术的自聚焦透镜光斑测量方法,介绍了实验系统的构成和测量原理、光学探针的制作和软件控制技术,并且以日本产NSG自聚焦透镜为样品进行了光斑测量和分析.所得结果对于评价自聚焦透镜的成像性能具有重要意义.     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。     

毛细管X光透镜共聚焦技术在测厚中的应用

为了实现对薄膜和镀层材料厚度的微区无损分析,利用多毛细管X光会聚透镜和多毛细管X光平行束透镜设计并搭建了普通实验室X射线光源的共聚焦微束X射线荧光测厚仪,对该共聚焦测厚仪的性能进行了系统表征。利用该测厚仪测定了厚度约为25μm的Ni独立薄膜样品和压于硅基表面厚度约为15μm的Ni薄膜样品厚度,对应它们的相对测量误差分别为3.7%和6.7%。另外,还对厚度约为10μm Ni薄膜样品的厚度均匀性进行了测量。该共聚焦测厚仪可以对样品进行微区深度分析,并且具有元素分辨能力,从而使得该谱仪可以测量多层膜样品不同层的膜厚,在薄膜和镀层厚度表征领域具有潜在的应用。     

基于数字信号处理技术的连续变焦镜头控制系统设计

针对以往连续变焦镜头控制系统存在的速度响应慢、准确度低等缺点,对连续变焦镜头及其控制系统的设计方法进行改进.采用机械补偿的变焦距镜头理论,确定变焦距系统位移曲线.基于数字信号处理技术和步进电机的控制技术,设计了包括数字信号处理器、步进电机、步进电机驱动器、键盘控制、计算机通信、液晶显示模块为一体的控制系统,同时对变焦距...     

基于裸光纤探头的双点光子多普勒测速系统

全光纤光子多普勒速度测量(PDV)系统是一种新型的激光测速系统,可广泛用于冲击波、爆轰波以及其他短时高速运动物体的速度测量。多点测量可以获得靶面不同位置的速度,以测量靶面的形变。为提高测量的空间分辨率,提出使用裸光纤束为PDV系统的探头,并在实验上实现了空间分辨率为375μm的双点速度测量。裸光纤探头的间距较小,一个探头的测量结果可能受到另一个探头反射光的干扰。理论和实验的研究结果表明,当靶面各点速度相同时,测量结果不受干扰光的影响;当各点速度不同时,其测速误差不但与两被测点的速度差有关,还与传感光和干扰光的光强和相位有关。     

基于数字信号处理技术的连续变焦镜头控制系统设计

针对以往连续变焦镜头控制系统存在的速度响应慢、准确度低等缺点,对连续变焦镜头及其控制系统的设计方法进行改进.采用机械补偿的变焦距镜头理论,确定变焦距系统位移曲线.基于数字信号处理技术和步进电机的控制技术,设计了包括数字信号处理器、步进电机、步进电机驱动器、键盘控制、计算机通信、液晶显示模块为一体的控制系统,同时对变焦距系统增加了自锁模块,提高了控制系统的安全性与可靠性.初步实验结果表明,控制系统准确度在0.01 mm以内,满足0.12 mm的设计指标.     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47%,与仿真结果45%非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20%,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

基于Talbot-Moiré法测量透镜焦距的CCD亚像素标定技术

利用Ronchi光栅的Talbot效应和Moiré条纹测量长焦透镜焦距,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的定量关系可求得透镜焦距.分别采用Canny算子和形态学方法对光栅的栅线中心进行像素级定位,再用高斯曲线拟合对其进行亚像素定位.经过对标准条纹的标定,验证了该方法的条纹中心定位误差小于0.1个像素.采用光栅作为系统的自基准对CCD像素当量进行了亚像素标定,为条纹斜率和宽度的计算提供了可靠的测量基准,经过计算,采用这些数据计算的焦距误差为0.10%.     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47％,与仿真结果45％非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20％,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失。以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法。可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统。它以中心波长为1.65 μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InGaAs探测器。同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%。在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10-6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2 000 m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。     

基于多模光纤的分布式喇曼测温系统

基于喇曼散射和光时域反射原理,分析后向散射光中反斯托克斯光和斯托克斯光光强比值,研制了基于多模光纤的分布式喇曼温度传感系统.采用对低、高温段温度分别进行拟合的动态温度标定方案,将测温精度提升至±1℃.分别对系统温度分辨率、测温精度、空间分辨率以及重复性进行了实验,结果表明:系统温度分辨率为1℃,空间分辨率为1m,系统稳定性良好,能够适应复杂环境变化.