光学相控阵技术研究进展与发展趋势

光学相控阵技术具有响应速度快、系统紧凑、功能多样和控制灵活等优点,在众多科学技术领域得到了广泛的应用。在近50年来的光学相控阵研究与应用中,涌现出了众多卓越的成果。为了对光学相控阵领域的发展进行梳理,简要回顾了光学相控阵技术的历史,并论述了光学相控阵技术的基本原理。从光束发射与接收等不同应用场景的角度,结合笔者的思考,深入介绍了光学相控阵在高品质的光源技术、激光相干合成技术、光束扫描技术、大气链路畸变控制技术以及合成孔径探测与成像技术多个领域的发展现状,并最后对光学相控阵技术的瓶颈与未来的发展研究趋势进行了评述。

用于高功率密度光束控制的光寻址光阀研制

为解决光寻址液晶光阀在高功率密度光束控制领域的应用限制,介绍一种可用于高功率密度激光系统的光寻址液晶光阀,该光阀开关比不低于140∶1,可在高于2300 W/cm^(2)的连续激光系统中正常工作。同时,所研制的光阀可在高重频吉瓦(GW)级功率密度的fs脉冲激光系统中正常工作,在该系统最大功率密度激光作用下,光阀未见明显温度变化,该脉冲激光系统最大平均功率密度超过300 W/cm^(2)。

连续激光辐照下二氧化钒薄膜热致相变实验研究

介绍了VO2薄膜的相变原理,用磁控离子溅射法制备了VO2薄膜,并进行了X射线衍射和不同温度下的光谱透过率测量。在1.319μm连续波激光辐照下,实时测量了VO2薄膜的温度变化,以及由于温度变化引起相变后对激光透过率的变化。结果表明,入射到薄膜表面的平均功率为8.9 W、光斑直径2 mm时,激光出光480 ms后,VO2的温度从室温上升到约100℃,薄膜发生了相变,其对1.319μm激光的透过率从相变前的48%降为相变后的28%。

碳纳米管悬浮液的光限幅特性实验研究

通过超声波降解法制备了多壁碳纳米管的水-表面活性剂悬浮液,测量了其对于1 064 nm,脉宽10 ns Nd:YAG调Q脉冲激光的光限幅曲线。实验发现:入射激光能量密度较低时,出射能量密度随入射能量密度的增加而线性增加;当入射能量密度为160 mJ/cm2时,出射能量不再线性增加并且逐渐趋近于光限幅器的嵌位输出值,约16 mJ,同时,对激光的透过率从71%下降到15%。通过Z扫描和探针光实验以及45°散射角下散射能量、散射率随入射激光能量变化曲线的测量,对碳纳米管悬浮液的光限幅机理进行了研究。结果表明:其限幅机理可能源于碳纳米管吸收激光能量后升华产生的膨胀的碳气泡对入射激光产生的非线性散射;另外,非线性折射对光限幅效果也有一定的作用。

液晶光学器件激光损伤研究

为了实现液晶光学器件在高功率固体脉冲激光装置上的应用,采用理论模拟和实验相结合的方法研究了液晶光学器件的激光损伤情况,建立了液晶光学器件激光损伤的物理模型,计算了一定入射激光能量密度下液晶光学器件的温度场分布和损伤情况,测量了液晶光学器件中聚酰亚胺薄膜和液晶材料的激光损伤阈值,得到了液晶光学器件的激光损伤机理和损伤阈值。结果表明,液晶光学器件的激光损伤主要源于组成液晶光学器件的聚酰亚胺薄膜和液晶材料因温度升高导致的破坏,通过液晶光学器件结构的合理设计和物理参量的选择可以提高其抗激光损伤能力。

碳纳米管悬浮液光限幅机理实验研究

为了研究碳纳米管悬浮液的光限幅机理,测量了碳纳米管悬浮液的散射能量和透射能量随入射激光能量密度的变化曲线,得到了不同入射激光能量密度下,散射光能量在平行于入射线偏振光偏振方向的散射面内的角度分布,并对碳纳米管悬浮液进行了探针光实验。根据米氏散射理论,计算了在不同大小的散射中心下,碳纳米管悬浮液的散射光能量在平行于入射线偏振光偏振方向的散射面内的角度分布,以及散射截面随散射中心半径大小的变化。结果表明,碳纳米管悬浮液光限幅可能源于碳纳米管吸收激光能量汽化形成的碳气泡引起的非线性散射。

碳纳米管的光限幅行为实验研究

制备了碳纳米管悬浮液和掺杂碳纳米管的石英玻璃。测量了碳纳米管悬浮液和掺杂碳纳米管的石英玻璃对波长1064nm、脉宽10ns的Nd：YAG调Q脉冲激光的光限幅曲线以及对重复频率脉冲激光的限幅能力，分析了悬浮液浓度和溶剂的热物理性质对光限幅性能的影响；在对可见光和近红外光保持相同透过率的情况下。碳纳米管悬浮液的光限幅能力优于掺杂碳纳米管的石英玻璃。

可见光液晶光谱成像系统研究

利用向列相液晶材料的电控双折射效应，研制了刚于可见光波段光谱调谐的大口径液晶町调滤光片，透过光谱测试表明，该滤光片在可见光波段（420－700nm）以20nm光谱分辨率可实现连续调谐和任意波长选择。利用该滤光片搭建了一种小型光谱成像系统，并在实验室内对若于样品进行了测试，结果表明，该系统可同时实现高图像分辨率和高光谱分辨率光谱成像，具备高、超光谱分辨率光谱成像的应用潜力，在化物医学、环境保护和资源探测等领域具有较好的应用前景。

反射式液晶空间光调制器电控光束偏转

为获得较大的光束电控偏转范围,使用空间分辨力高达8μm的反射式液晶空间光调制器实现了对入射632nm激光的电控偏转。利用双光束共焦干涉方法测量了液晶空间光调制器的电控相位延迟特性,最大相移量可达3π。根据二元光学理论和器件的电控相位延迟特性,设计了周期台阶相位模式和相应的加载灰度图,以最大衍射效率实现对入射光束的闪耀电控偏转。结果表明:相位模式台阶数为8时,可以实现10mrad的光束偏转,闪耀级次衍射效率可达46%。利用二元光学的衍射模型对影响衍射效率的关键因素进行了分析,认为器件较低的填充因子和周期台阶模式相位重置点诱导的指向矢回程区是限制光束衍射效率的主要因素。

强激光条件下5CB液晶中的激光诱导衍射环现象

强激光经5CB液晶传播时会产生非线性自相位调制现象,利用532nm和1 064nmCW激光研究了强激光条件下5CB液晶中的激光诱导衍射环现象,并对强激光在5CB液晶中产生自相位调制的现象和机理进行了讨论.当532nm激光和1 064nm激光功率密度分别大于10kW/cm2和300W/cm2时,接收白屏上有较明显的衍射环现象;当激光分别持续作用数十毫秒和数百毫秒量级时间时,接收屏上的衍射环现象消失.分别利用基尔霍夫衍射积分公式的菲涅耳近似和夫朗和费近似形式对5CB中激光自相位调制和激光诱导衍射环进行了数值模拟,数值结果与实验结果符合的较好.基于热传导理论定性分析了5CB液晶在不同波长和入射条件下的三阶非线性系数.结果表明:在强激光入射条件下,热效应是自相位调制的主要原因,这种三阶非线性系数除了与液晶的吸收系数和作用时间相关,还与激光作用面积甚至激光诱导指向矢转动过程相关.

低驱动电压的铌酸锂电光开关研究

为了降低电光开关的驱动电压,采用将铌酸锂晶体置于法布里-珀罗腔内的方法进行了实验研究,得到了电光开关透过特性随驱动电压的变化关系。结果表明,与采用正交偏振片的电光开关相比,法布里-珀罗电光开关的驱动电压大幅降低,由约2.1kV下降到约580V,产生光脉冲的上升沿明显缩短,由284μs减少至128μs。理论计算了法布里-珀罗电光开关透过特性随驱动电压的变化关系,计算结果与实验结果符合得较好。

强激光诱导液晶衍射环现象的实验与数值研究

强激光在液晶材料中传输时易诱导非线性效应,这种非线性效应对液晶器件光学性能有一定影响。高斯光束通过平行排列的5CB液晶材料后产生自衍射图像,利用高速相机对不同光强的532nm激光通过5CB液晶后的衍射图样成像,获得了从激光作用瞬间到液晶温度达到清亮点附近时衍射图样的变化过程。通过衍射图样对液晶材料光致折射率变化的性质进行了分析。利用基尔霍夫衍射积分公式数值模拟研究了相应强度532nm高斯光束通过非线性液晶材料后在衍射屏上的衍射图样,并与实验结果进行了比对,定性分析了液晶非线性对液晶器件性能的影响。

一种低驱动电压的电光开关设计

介绍了一种基于法布里-珀罗标准具的电光开关,对开关的工作原理进行了分析,并对开关的结构进行了设计。以铌酸锂晶体为例,计算了开关透过特性随驱动电压、激光波长的变化规律。结果表明,在晶体参数相同的情况下,这种法布里-珀罗标准具开关与采用正交偏振片的电光开关相比,可以大幅降低电光晶体的驱动电压,同时还具有较好的选模能力。

强激光诱导向列相液晶指向矢转动的数值研究

激光诱导液晶指向矢转动的物理过程由欧拉-拉格朗日方程描述,激光在液晶中的传输则由麦克斯韦方程描述,在几何光学近似条件下可以利用几何光学光线传输方程来描述。通过对这对耦合的微分方程组进行数值求解,研究了激光诱导液晶指向矢转动的物理机制,讨论了激光诱导液晶指向矢转动的阈值问题,比较了不同液晶盒几何参数与不同入射激光初始偏振状态对液晶指向矢转动的影响。此外,还研究了强激光在液晶中传输时指向矢转动对激光偏振态的影响。

液晶微透镜阵列在波前传感领域的应用概述

液晶微透镜阵列是利用液晶的电控双折射特性和微电子工艺制作的微光学元件,具有焦距可调、工作电压低甚至阵列数目、透镜孔径以及形状可调的优点,应用于哈特曼波前探测技术时可以有效提升哈特曼波前传感的动态探测能力,显示出良好的竞争力。简要概述了哈特曼波前传感技术和液晶微透镜阵列制作技术的发展、现状,对不同类型的液晶微透镜阵列制作技术的优缺点进行了分析,并着重介绍了基于液晶空间光调制器的微透镜阵列在波前探测领域的应用。

基于光谱与纹理特征的高空间分辨率图像分类算法

针对遥感高分辨率光谱图像的特点,提出了一种将纹理信息与光谱信息相结合的分类算法。对传统的局部二值模式纹理提取方法(LBPV)进行改进,并应用到高分辨率图像的土地覆盖分类中。结果表明,加入LBPV纹理特征的分类算法具有很好的空间连续性以及较高的分类精度。

基于控制点的多光谱图像自动配准研究

针对同类传感器多光谱图像的配准,提出了一种快速有效的图像自动配准方法。该方法采用Forstner算子分别从参考图像和配准图像提取控制点,再利用基于灰度相关的算法匹配同名像点,然后利用同名像点求解仿射变换参数,实现多光谱图像的配准。通过液晶光谱相机成像实验对该方法进行验证,结果证明了该方法处理速度快,配准精度高。

提高平行发射方式相干合成效率

从傅里叶变换光学的相关理论出发,提出了一种适合提高平行发射方式下的相干合成效率的方法。并依据激光光学的知识,通过数值模拟计算该方法对激光相干合成效率的影响。以平行发射系统和透镜系统作参考,发现对各光束赋初始相位的方法可以提高平行发射系统的合成效率,并且其极限值为对应透镜系统的合成效率。不同的赋初始相位值对合成效率的影响结果各不相同,通过对比,找到了最好的赋初始相位值方案。

高光谱成像技术在纸质档案数字图像去污方面的应用

针对纸质档案数字化过程中面临的污迹、霉斑以及涂画笔迹等问题,采用可见光-近红外波段高光谱成像技术对若干纸质样本在550nm^900nm可见光近红外波段进行了成像实验,获取了样本的可见光-近红外光谱图像数据。研究结果表明,高光谱成像技术可在数字化过程中有效去除样本图像中的霉斑和涂画笔迹,降低数字图像去除污迹的难度,提高纸质档案数字化中的图像质量。

带宽可调型光学滤波器的研究

为了研究带宽可调型光学滤波器,采用对手性液晶膜施加电压的方法,对手性液晶布喇格反射带宽随外加电场的变化规律进行了分析和测量。实验结果表明,在外加电场到达一定的阈值后,液晶分子要旋转一定的角度;在外加电场和液晶盒边界条件的共同限制下,手性液晶的螺距在螺旋轴方向上形成了梯度变化,造成了手型液晶布喇格反射带宽的加宽,且反射带宽随外加电压的增加而增加,以此可制成带宽可调型光学滤光片。