宽光谱吸收应用中光谱扫描区间的选择

与传统的窄带扫描吸收光谱技术相比,宽光谱吸收技术可以获取更宽光谱范围内的丰富吸收数据,具有很大的技术优势。宽光谱吸收技术测量系统的硬件与传统的可调谐二极管吸收光谱技术测量系统基本一致,唯一不同的是宽光谱吸收技术则使用宽带调谐光源。实际应用中,宽光谱吸收光源一般都具有较宽的光谱覆盖范围(>20 nm),而使用全谱段扫描会对数据采集、存储和处理提出较高的要求,从而增加系统成本和测量工作量。因此,选择合适宽度的光谱扫描区间就成为宽光谱吸收应用中的一个关键问题。利用等效下能级概念,提出了针对宽光谱吸收应用的光谱扫描区间选择的数值方法,并针对1.3μm波段和2μm波段开展了扫描区间选择研究。在1.3μm波段,计算给出的优选扫描谱段与文献报道中使用的谱段相重合,验证了选择方法的可行性和正确性。在2μm波段,在给定工况条件下,通过实验数据验证了所选择扫描区间在温度反演精度方面的优越性。针对实际应用中面临的宽工况环境,通过计算给出了2μm波段优选的扫描光谱区间。计算结果表明,在1.8μm的短波段和1.9μm的长波段均存在适用的光谱扫描区间,其中,1.86μm附近测温精度最高;更宽的扫描带宽有助于降低系统在全光谱范围内的整体测温不确定度。相关研究可为宽光谱吸收技术在燃烧流场诊断的现场应用提供关键技术指导。

高压强下2μm波段CO_(2)宽光谱吸收测量与分析

利用宽带可调谐掺铥光纤激光器开展了覆盖152 kPa至932 kPa的2µm波段CO_(2)宽光谱吸收测量实验,通过将实测谱与基于HITRAN数据库计算的理论谱进行峰值匹配完成了波长定标,然后将基线表示为三次多项式并结合理论光谱数据,对原始信号做基线-吸收线整体拟合得到了与实验参数设置相吻合的压强、温度和CO_(2)浓度信息。其中压强计算误差低于5%,温度计算误差低于1%,实测谱与理论谱的整体残差在0.04以内。另外对比了窄带吸收谱与宽带吸收谱的吸收面积反演结果,验证了宽光谱吸收技术在高压测量环境下的可靠性,在温度、气体摩尔分数近似不变的情况下,宽带吸收谱反演的吸收面积与压强在测量范围内保持了良好的线性关系。

宽光谱多传感器轴一致性检测系统设计

光轴一致性是衡量多传感器光电系统工作性能的重要指标,为了解决多传感器轴一致性检测系统工作波段范围较窄、系统灵活性较低的问题,本文结合光路切换和光热转换的思想,设计了一套宽光谱多传感器轴一致性检测系统。该系统采用卡塞格林反射式光学系统作为从可见光到长波红外范围内的接收和发射系统;通过步进电机的驱动,带动导轨上方反光镜位置移动,实现系统光路的切换;采用镀有硫化铜的锗玻璃,作为光热转换靶材,将短波长的光斑转换为热斑,采用长波红外探测器实现对各波段激光光斑图像采集。系统能够实现0.4~14μm波段光谱范围的检测;对光学系统进行像质评价分析,可以得到系统在不同波段下由像差引起的弥散斑(Root mean square,RMS)直径均在9μm以下,能量集中度较好;对系统检测精度进行分析,最大测量误差为0.1 mrad;通过导轨往返运动重复精度实验和系统测量准确度实验,对系统可靠性进行验证,结果表明检测系统满足仪表准确度1.5级的要求。该检测系统结构紧凑,适用波谱范围广,能够实现对多传感器光电设备的轴一致性检测。

基于色散补偿的宽光谱“9”字腔掺镱光纤激光器

超快激光器凭借其脉宽窄、光谱宽、峰值功率高等特点,在工业、医疗、科研等许多领域有着重要应用。通过在“9”字腔内进行色散补偿,激光器可以同时实现宽光谱输出与自启动锁模,当泵浦功率为160 mW时,光谱中连续光成分消失,两输出口的光谱半高全宽为22.6 nm和26.2 nm,压缩后脉冲宽度达到143 fs和128 fs。在自由运转情况下,1 h内输出激光的平均功率均方根值(root mean square,RMS)为0.1%。所设计的激光器具有光谱宽、集成度高、稳定性强的优点,能够满足微纳加工、生物光学、光谱探测等领域对超快激光的应用需求。

中空硒化钼纳米球光催化剂的构筑及宽光谱光催化性能研究

本文设计并合成了具有中空壳层结构的MoSe_(2)纳米球高效光催化剂,其在紫外-可见-近红外光区具有优异的光催化性能。中空壳层结构不但能够提供丰富的活性界面,而且有效地增加了材料对太阳光的利用率。紫外-可见-近红外漫反射光谱表明,中空结构的MoSe_(2)光吸收性能明显增强,光谱响应范围拓展至近红外光区。1T相MoSe_(2)具有高电导率促使更多的光生电荷参与氧化还原反应,同时1T-MoSe_(2)作为电子受体,进一步优化了光生载流子的转移途径和传输效率。中空MoSe_(2)纳米球在广谱照射下80.0 min内对罗丹明-B(Rh-B)的去除率高达88.9%,表现出良好的光催化活性。本文详细阐述了中空壳层结构MoSe_(2)纳米球的形成机制,对其光催化性能进行了探讨和总结。

一种用于监控侦察的大视场宽光谱光学系统设计

为了满足监控侦察对光学系统日夜两用及监控范围广的需求,运用像差分析方法和光学设计软件设计了一种大视场宽光谱光学系统。设计的光学系统由7片透镜组成,所有透镜的光学面均采用球面设计,工作波段为400~1100 nm,最大全视场角达到140°,焦距为2.33 mm,f数为5,后工作距离为7.42 mm;在奈奎斯特频率42 lp/mm处,视场角范围的调制传递函数值均大于0.28,相对照度均大于96%,最大视场角的F-theta畸变值为27.85%;最后,对设计的光学系统中各类型公差进行了分析。结果表明,设计的光学系统像差校正较好,具有较好的成像质量且易于加工。

宽光谱多参数激光告警探测研究

随着激光技术的发展,激光武器得到了快速发展,针对来袭激光的威胁,激光告警也成为目前各国发展的重点,不同的激光告警系统探测不同的参数,根据告警参数采取相应的躲避和反击措施;目前激光告警主要探测参数有来袭激光方位角、俯仰角、激光波长、激光脉冲宽度等,但现有激光告警系统无法实现多参数的同时探测,且光谱范围窄、视场小、探测俯仰角和方位角为相对角度、无法获得绝对来袭方向。为此本文提出宽光谱波段、大视场、多参数激光告警新方法,可实现450~1700 nm宽光谱来袭激光波长、绝对方位角、绝对俯仰角、脉冲宽度多参数的高精度综合测量,该方法主要由激光脉冲宽度测量、绝对角度及激光波长测量、控制及数据处理三大部分组成。其中脉冲宽度测量模块由光学镜头、多带通窄带滤光片、高速光电探测器组成,实现来袭脉冲激光的高速光电转换;绝对角度及激光波长测量模块由光栅、大视场宽波段消色差镜头、多带通窄带滤光片、宽波段面阵探测器、三维电子罗盘组成,通过一级和零级衍射光斑位置获得来袭激光波长、相对方位角和相对俯仰角信息,结合三维电子罗盘测得的方位角、俯仰角以及横滚角,进而获得来袭激光的三维绝对方位角和绝对俯仰角。多带通窄带滤光片主要是根据常用几个军用激光波长进行选通滤光,有效滤除背景光的影响,降低系统虚警、漏警。理论分析推导具体测量方法和参数,设计宽光谱多参数激光告警探测系统样机,并进行实验可行性验证。实验结果表明,该系统的方位角视场120°、俯仰角视场96°、角度测量精度优于1°、中心波长测量精度优于10 nm、脉宽测量精度优于3 ns。该技术将为海、陆、空、天领域对来袭激光的高精度多参数综合探测奠定基础,有望提高复杂战场的生存能力。

室温下CO的近红外波段宽光谱吸收测量

CO是含碳化合物在燃烧过程中产生的一种重要中间物质,通过对CO的吸收光谱测量可以实现对燃烧过程的诊断.针对CO的测量多使用传统的单吸收线和双吸收线技术,在基于吸收光谱技术的燃烧场二维参数分布测量中,需设置大量的光束投影以满足空间分辨要求.宽光谱吸收技术可以在单次扫描内获得整个宽带扫描波段的吸收信息,与传统的分立谱线窄带吸收技术相比,具有非常明显的技术优势.使用宽光谱吸收技术可以大大减少光束投影数量要求,有效降低系统复杂度,改善参数反演鲁棒性,提高测量系统适用性.但是,目前针对CO的宽光谱吸收测量则鲜有报道,亟需开展相关的基础研究工作.本文利用1.5 μm波段宽带可调谐光源对室温中的CO开展了宽光谱吸收测量实验,并对不同压强下CO的吸收特性进行了对比,实验测量结果与HITRAN2016数据库相吻合.利用1565—1570 nm范围内的实测宽光谱吸收数据,通过一阶导数法对CO温度和摩尔分数进行了反演;虽然宽带吸收光谱各吸收峰强度测量值存在一定畸变,但依然得到了准确的反演结果,温度和摩尔分数反演误差均在5%以内,验证了宽光谱吸收测量的可靠性,为后续基于CO宽光谱吸收测量的燃烧流场二维层析诊断提供了技术支撑.

基于硒微米棒的宽光谱响应的光电探测器

采用物理气相沉积法合成硒微米棒,并以银浆为电极制备了金属-半导体-金属结构的光电探测器。该光电探测器在3 V偏压和450 nm光照下具有快速的响应速度(上升时间=41 ms,下降时间=46 ms),优异的响应度(18.32 m A/W)和探测率(1.65×10^(8)Jones)。光谱测试表明器件具有从可见光到近红外的宽光谱探测能力(450~1550 nm)。此外,该器件还可以在无偏压下进行自供能探测。本研究将进一步完善硒半导体在宽光谱光电探测中的应用和发展。

基于衍射元件的宽光谱紫外中继光学系统研究

紫外像增强器在电晕检测、战略国防、科学研究等领域具有广泛的应用,但由于与其配合使用的紫外光学镜头可用材料匮乏,存在色差校正困难等问题,难以满足宽光谱应用需求。论文分析了单层衍射元件和双层衍射元件在宽波段紫外光学系统中的适用性,并各设计了一套宽光谱、高分辨率的紫外光学系统。单层衍射紫外光学系统的工作波长范围为230 nm~280 nm,在截止频率60 lp·mm^(-1)处调制传递函数(MTF)值优于0.47;双层衍射紫外光学系统的工作波长范围为200 nm~400 nm,在截止频率60 lp·mm^(-1)处MTF值优于0.49。设计结果表明:衍射元件能够有效校正紫外光谱色差,与现有宽光谱紫外系统相比,该文设计的光学系统为中继成像系统,并且具有更宽的紫外光谱范围与更高的成像分辨率。

基于TRIZ理论的宽光谱光学常数拟合

针对包络法拟合宽光谱透明薄膜材料光学常数中所遇到的透射率曲线获取和极点值选取问题,本文采用TRIZ理论中的资源分析法和矛盾矩阵,充分利用现有资源并提出解决方案。以ZnS为例,为获取透明区透射率曲线,采用分割原理,利用现有测试设备和基底材料,获得全波段透射率曲线,完成ZnS材料光学常数拟合。通过对比带通膜系半宽的实际值与理论值,其误差在5%以下,间接验证了光学常数的准确性,为透明薄膜材料宽光谱光学常数计算提供理论工具。

15 mm~300 mm宽光谱变焦光学系统设计

变焦光学系统不仅适用于照相、监控以及显微等日常生活中,还被广泛应用于航空航天及国防建设等领域。随着应用范围的扩大,对其性能指标的要求也越来越多,该文设计了一款15 mm~300 mm的宽光谱四组元连续变焦光学系统。该系统采用正组补偿结构实现了20×的光学变焦,工作在450 nm~900 nm光谱范围,工作温度范围为-40℃~60℃;采用了18片球面玻璃镜片,总长160 mm,最大口径66 mm,长焦F数优于5,系统结构紧凑,满足小型化要求。系统在可见光波段,中心视场的调制传递函数(modulation transfer function, MTF)>0.4@145 lp/mm,全视场MTF>0.2@145 lp/mm;在近红外波段,中心视场MTF>0.45@60 lp/mm,全视场MTF>0.2@60 lp/mm。从设计结果可以看出,该设计满足高性能指标要求,对于宽光谱、大变倍比、小型化的变焦光学系统设计具有一定的参考意义。

大数值孔径宽光谱折反式物镜设计(特邀)

为了满足半导体缺陷检测系统对成像系统高分辨的要求,依据系统的特点和设计指标,设计了一种近紫外-可见光大数值孔径折反式物镜。在近紫外-可见光波段对光学玻璃材料的色散特性进行分析,通过二级光谱理论计算,选择合适的玻璃材料,对光学系统的二级光谱进行了校正。该物镜使用11片球面透镜,结构紧凑。设计出一套光谱范围为360~520 nm、数值孔径为0.9、焦距为5.65 mm、视场大小为0.8 mm、工作距离为0.8 mm的物镜,采用无限远共轭折反式结构。设计结果表明:该物镜的MTF较好,全视场波像差小于0.09λ(λ=632.8 nm),各种几何像差均得到了较好的校正,满足复消色差条件,并且结构简单,具有较长的工作距离,为实际的生产装配和应用提供了便利。

激光诱导氮掺杂石墨烯宽光谱光电探测器

石墨烯作为一种新型半金属材料,具有良好的导电性、光学透明度和机械性能,自发现以来备受研究者关注。特别是石墨烯的零带隙狄拉克色散关系赋予其特殊的光电性质,如宽带光吸收和高载流子迁移率,使得石墨烯基光电探测器具有宽广谱检测和快速响应能力。然而,传统的石墨烯制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法等存在产量低、设备昂贵、工艺复杂和化学污染等问题。除此之外,单层石墨烯光吸收率和载流子寿命短,严重影响了石墨烯光电探测器的响应度。为了解决上述问题,文中采用一步激光刻蚀法在三聚氰胺-聚酰亚胺复合薄膜上原位诱导生成氮掺杂的多孔石墨烯,制备了光响应增强的石墨烯宽光谱探测器。这种激光直写的制备工艺效率高、成本低、无污染,可快速制备石墨烯光电探测器。经测试,该探测器在630 nm可见光辐照下的光响应度为2.17 mA·W^(-1),相比未掺杂的激光诱导石墨烯光电探测器的响应度提高了一个数量级。此外,该探测器在343 nm紫外和1 550 nm红外波段都具有光响应能力,响应度分别为3.06、2.63 mA·W^(-1)。该方法为简单、高效、低成本制备高性能石墨烯基光电器件提供了可行性方案。

宽光谱Czerny-Turner光谱仪中的彗差与分辨率

小型光谱仪较多地采用Czerny-Turner(切尼—特纳)光路结构,其设计应遵循Shafer消彗差原理消除中心波长处的初级彗差并尽量平直整个谱面以提高分辨率。但常规设计并未考虑非中心波长处彗差和分辨率的变化情况。在对两种典型切尼—特纳光路结构进行初级彗差分析的基础上,指出交叉型光路结构宽光谱范围内的分辨率呈"V"形,而M型光路结构分辨率在全光谱范围内变化较小,近似呈"一"形,即后者宽光谱范围内的分辨率一致性远好于前者。针对于此,该文设计了光谱范围为400～600nm的2种光路,并对其进行了理论计算和对比实验,实验结果表明,两者边缘波长处分辨率分别比中心波长处分辨率低3.7倍和1.2倍,与理论计算结果基本一致。

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为了提高星敏感器相对孔径,拓宽探测光谱范围,文中通过探测器灵敏度模型的计算,确定了星敏感器光学系统的设计参数,进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.45°×8.45°(对角线视场角为11.96°),总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%,质心色偏差控制在±2μm内,能量集中度(3×3像元内)大于80%,最大倍率色差为-0.073μm,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计要求,镜头的成像质量良好。

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400-1100nm，焦距2000mm，相对口径1／10的折射式平行光管系统，论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数y建立复消色差方程组求解初始结构，使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后，给出Zemax软件分析的像差结果，系统中心视场内的点列图优于5μm，中心波长波像差优于1／60λ，焦距色偏移量为0．33mm，其余像差均在设计指标之内。

基于宽光谱监控的光学薄膜自动控制技术

单波长监控很难精确控制宽波段上的光学特性 若采用宽光谱扫描可以在很宽的波长范围内监控薄膜特性 ,则控制既直观又准确 虽然宽光谱监控的思想很早就提出了 ,但这项技术的实用性一直不高 开发了一套宽光谱监控系统 ,使用线阵CCD配合计算机 ,可以实现光谱快速扫描 通过采用一些特殊的方法 ,系统可以达到较高的精度 配合改进的光学薄膜监控软件 。

宽光谱、长焦距准直物镜光学设计

介绍了大视场、宽光谱、长焦距微光准直物镜的光学设计。重点讨论了宽谱段准直物镜的二级光谱校正及像差平衡问题,并用Zemax软件,进行了光学设计。设计结果:系统的二级光谱为0.1 mm,其他像差也达到了像质要求。

可见/红外宽光谱分色片偏振调控的设计

针对光学系统中可见/红外宽光谱分色片的偏振特性,采用诱导透射法设计了满足偏振遥感光学系统能量要求的可见/红外宽光谱分色片,并对其偏振特性进行了分析.通过计算获得了透射带400~900 nm可见/红外宽光谱分色片的偏振情况,采用等效层理论在其基底背面设计了偏振调控膜系,对分色片透射带的偏振度加以调控.使用needle优化算法,设定了不同优化目标,得到了三种不同的设计结果,在可见光波段的偏振度范围分别为0.013~0.0376、0.068~0.108和0.098~0.147.设计结果显示分色片透射带偏振特性在一定程度上可调,调控后可以满足系统对透射光在不同偏振度下的要求.