1.7μm波段光纤激光技术研究进展及应用

1.7μm波段有许多分子吸收线,位于活体组织的透明窗口中。该波段激光源在材料加工、中红外激光产生、气体检测、医疗手术和生物成像等领域有着重要的应用,受到国内外研究者的重视,并取得了一些研究成果。总结了国内外1.7μm波段激光器的研究进展及相关应用,介绍了长春理工大学在该领域的工作。尽管现有的研究和应用仍面临着一系列问题,但随着相关技术的不断提高,1.7μm波段高性能光纤激光器必将得到快速的发展。

面向太赫兹波段的负曲率光纤设计及数值研究

文章设计了一种基于环烯烃共聚物(cyclic olefin copolymer,COC)的空芯负曲率光纤(negative curvature fiber,NCF),分析结构参数光纤芯径、管径和毛细管厚度对光纤限制损耗的影响,并对参数进行优化,使得单包层NCF在2.0~2.5 THz频率范围内限制损耗为10^(-4)~10^(-5)dB/m,损耗最低值可降到8.90×10^(-5)dB/m;引入内包层管破坏常规负曲率光纤的对称性,使纤芯模式与内包层管壁模式进行耦合,从而增加x和y偏振方向的折射率和损耗差异产生双折射;对影响光纤双折射特性和限制损耗的因素进行分析,在2.0~3.0 THz频率范围内双折射系数可达到10^(-4)~10^(-5)。该文结果为太赫兹NCF的长距离传输、偏振敏感等应用提供了一条新的途径。

共孔径多模遥感相机光学系统设计

为了使遥感相机同时具备大视场搜索和多波段高分辨成像功能,提出了一种成像与搜索模块一体化的遥感相机光学系统。大视场搜索模块采用离轴四反结构,通过推扫的模式对目标区域进行扫描;小视场成像模块通过次镜分光,实现可见光和中波红外同时高分辨成像。各系统复用大口径主镜有效降低了遥感相机的体积和质量。当轨道高度为500 km时,该系统可实现以8 m的地面分辨率对33 km线宽的地面进行推扫搜索,确定目标后,通过调整卫星姿态,使可见光和中波红外成像模块分别以0.45 m和3.2 m的分辨率对地面目标进行高分辨凝视成像。公差分析结果表明,可见光成像模块、中波红外成像模块以及搜索模块各视场的调制传递函数(MTF)分别在其奈奎斯特频率处(133 lp/mm、20 lp/mm和33 lp/mm)均大于0.2。该系统能够满足实际加工和装调要求,为实现紧凑型空间光学系统的设计提供了一种可行性方案。

支持突发粒度的多粒度光交换结构研究

多粒度光交换能减小光交叉连接矩阵的规模,能降低光节点的成本。然而现有多粒度光交换结构的最小交换粒度常为波长,该交换粒度太大,会导致核心节点的链路利用率低。针对这种缺陷,提出了一种支持突发粒度的多粒度光交换节点结构。在传统级联式多粒度光交换结构的基础上,核心节点结构增加了光突发交换矩阵,利用光突发交换的交换粒度小和统计复用特性,提高了链路利用率;并且去掉了波长交换矩阵,以降低核心光节点的复杂度和成本。在这种新结构下,提出了一种波带分配算法,能根据业务流量的实际需求动态地新建和拆除波带信道,从而提高了波带信道的利用率。

一种高效的多粒度光交换结构及其波带疏导算法

多粒度光交换可以减少密集型光波复用系统中波长交换平面的端口数量,但是传统的多粒度光交换结构中波带交换平面与波长交换平面之间存在着紧密的耦合关系,使得多粒度光交换的结构比较复杂.为此,提出了一种新的多粒度光交换结构.在新的结构中,波长交换平面与波带交换平面完全独立,从而可以有效地简化多粒度光交换的结构,减少波长交换平面的端口数量.为了提高新结构中波带利用率,提出了与新结构相适应的业务疏导算法.仿真结果表明,这种算法可以有效地减少业务阻塞.

静态红外地平仪的光学系统优化设计

分析了静态红外地平仪对卫星姿态测量的影响因素,发现测量误差主要来源于冷云的干扰,为了避开冷云的干扰,减少测量误差,又不使地平仪系统所接收的地球辐射能量太低,需要对光学系统重新进行优化设计。通过重新选择光学波段,并加大光学系统的通光口径,实现了光学系统的优化设计,对优化后系统进行分析计算,相对于优化前,系统所接收到的地球辐射总能量最多降低5%,但冷云的干扰却减少了30%。结果表明光学系统的优化设计将会大大提高静态红外地平仪对卫星姿态的测量精度。

中性大气折射指数理论研究

给出大气折射指数与气象参数间的理论关系式,考虑压力温度比的二次项对折射指数的影响,指出在目前的精度测定范围内应该考虑这一效应。同时,基于电磁介质的色散理论,给出了位相与群折射指数随波长变化的理论模型,指出对于同一波段或是不同波段,群折射指数与位相折射指数是可以相互转化的,即从理论上证明可以利用光学天文观测的蒙气差来研究射电波段的大气折射延迟。

单块KTA晶体级联光参量振荡2.6μm激光器

提出了一种新型的基于非临界相位匹配KTA晶体的自级联光参量振荡（OPO）激光技术。采用LD端面泵浦Nd：YVO4晶体实现1.06μm振荡,腔内泵浦按非临界相位匹配角度切割的KTA晶体,将KTA晶体初次OPO产生的1.5μm信号光封闭在腔内用作二次OPO的泵浦光,实现基于单块KTA晶体自级联OPO的转化。在输出功率8W的808nm波长半导体激光泵浦下获得输出功率超过400mW、斜效率12.7%的2.6μm波长激光输出。结果表明基于单块KTA晶体的级联光参量振荡激光器可望成为获得脉冲2.5～2.7μm波段中红外激光的有效途径。

用于慢性软组织损伤的大功率光谱治疗仪

光谱波段和治疗光强度是光治疗的关键,决定了适应症、治疗深度和疗效。基于水滤红外线A原理,本文采用大功率高效卤素灯为光源,通过对光束整形、密闭液体过滤器以及电子学控制等系统设计了大功率光谱治疗仪,其基本性能与国外先进产品基本相同。该治疗仪的光谱、光功率密度、电气安全性和电磁兼容性通过了医疗器械注册检验,并应用于慢性软织损伤炎症、疼痛的临床治疗中。临床实验结果显示,71例患者在经过(6±1)天治疗后的总有效率达100%,显效率达80.28%,未发生不良反应。该治疗仪提升了有效光谱宽度和治疗光强度,降低了热效应,提高了穿透深度和疗效,有望广泛用于软组织的损伤、慢性炎症、疼痛及伤口愈合等领域。

新型非临界相位匹配KTA-OPO 2μm激光器

首次提出了一种基于非临界相位匹配KTA光参量振荡的新型2μm脉冲激光技术。采用激光二极管(LD)端面泵浦Nd:YVO4晶体实现1.3μm振荡,腔内泵浦非临界相位匹配切割的KTA晶体,初步实现了超过1W的2.1μm波段激光输出,光光转化效率10%,脉宽3.4ns(30kHz)。相对于其他方式获得的2μm波段激光,具有脉宽窄、峰值高、谱线纯等优点,是一种获得2μm波段激光的有效新途径。

一种改进的多粒度光交叉连接结构

多粒度光交叉连接能够提供光纤、波带和波长三种粒度的光交换,这一机制能有效提高交换性能,同时通过交换端口数的减少来降低光交换的成本。在这种交换结构中,需要在下层进行交换的信号需要首先经过上层的交换,或者所有信号都需要被不加区分地解复用出来进行交换,这造成了信号的过大损耗和失真,以及交换端口的浪费。我们在介绍了现有的研究以后,提出一种改进后的多粒度光交叉连接结构。通过仿真分析,可以看出这一新结构能够比其他结构更灵活地配置交换端口,同时能够避免不必要的信号损耗和失真,降低交换成本。

玻璃基底上双波段增透膜的设计与制备

采用离子束辅助沉积技术，在K9玻璃基底上完成了双波段（0．43～0．9μm及1．54μm）增透膜的设计与制备，单面镀制该增透薄膜的实测光谱曲线表明：在0．43～0．9μm波长范围内，平均透射率大于94．6％，峰值透射率大于95．4％；在1．54μm波长处，透射率不低于93．5％．

探测海洋目标的光学遥感器工作波段选择

在遥感器的研制任务中。工作波段的选择对于目标探测和识别至关重要。针对海洋目标探测这种从大背景下探测小目标的应用，分析了限制目标探测的主要因素。以深海水域舰船目标为例，利用大气辐射传输模型MODTRAN4．0模拟计算了某型号遥感器在可见光谱区域内各个波段的目标／背景对比度和信噪比，并以此作为依据得出结论一以海洋目标探测为主要目的的宽波段遥感器的最佳工作波段为0．5～0．9μm。

双波段宽带减反膜的研究

根据电视/红外双色制导的要求，研制了锗酸盐基底上的双波段宽带减反膜。其膜系设计采用二氧化钛和二氧化硅分别作为高、低折射率膜料的13层膜堆，镀制的膜层满足环境稳定性标准。在0．56-0．75μm波长范围内，双面镀膜后的平均透过率大于98％，单面平均剩余反射率不超过0．5％；在3．6～4．8μ波长范围内，双面镀膜后的平均透过率至少可达到85％，单面平均剩余反射率不超过1．5％。

基于可调光滤波器的波带交换节点性能研究

提出了一种基于可调光滤波器的波带交换节点结构,讨论了这种节点在不同波带算法下的性能。结果表明,这种波带交换节点结构能有效降低波带交换节点端口数目,提高网络吞吐量,具有很好的网络性能。

红外宽波段双层谐衍射光学系统的设计

相比传统的折反射元件，衍射光学元件和谐衍射光学元件因其独特的色散性能和温度效应在消色差和补偿热差方面有得天独厚的优势，将其应用于混合光学系统，可以简化结构，提高像质。但是二者衍射效率均依赖于波长，降低了宽波段成像的对比度。而双层谐衍射元件可以减弱衍射效率对波长的依赖性。因此，该红外宽波段系统采用双层谐衍射元件，第一层材料为Ge，第二层材料为．ZnSe，微结构厚度分别为73．3μm和149．3μm，整个工作波段的衍射效率达到97．5％以上。在CodeV中仿真优化得出：混合系统的各种像差性能都比较理想，特别是宽波段8～14Ixm的色差得到了很好的校正，二级光谱得到较好的控制，系统的调制光学传递函数接近衍射限。最终的性能测试结果显示：各项性能均可满足使用要求。

环境温度变化对双波段谐衍射光学元件衍射效率的影响

基于二元光学元件的位相延迟表达式,推导出谐衍射光学元件随环境温度影响的位相延迟表达式、衍射效率表达式和带宽积分平均衍射效率表达式.定性分析了谐衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率与环境温度变化的关系.从理论上解释了谐衍射光学元件的特性,确定了谐衍射光学元件衍射波峰随环境温度变化的现象与变化规律.分析表明:在双波红外范围内,谐衍射光学元件的谐波长随环境温度升高向长波方向漂移,随环境温度降低向短波方向漂移.环境温度变化对谐衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的影响较大.因此谐衍射光学元件只能应用于波段较窄、温度变化范围较小的折衍射混合成像光学系统中.

超宽带微波光纤延迟线

介绍了宽带微波光纤延迟线的基本原理、系统组成。叙述了超宽带微波光纤延迟线的研制过程,包括:光发射模块的研制、光接收模块的研制、低噪声前置放大器的研制及整个系统链路的设计、链接、调试等。最后给出了超宽带微波光纤延迟线的测试结果。

红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计

大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化,引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题,为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜,物镜为卡赛格林反射物镜组,无需消色差,在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计;还设计了红外成像中继光学系统,可实现100%冷光阑效率,并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差,使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限,达到了0.5以上,满足设计指标要求。

双像双视场红外光学系统

介绍了一种双像双视场红外光学系统,对其设计方法、分光原理和分光元件进行了深入讨论。由于使用了孔径分光、光楔对双视场图像进行空间分离、二向色性分束镜进行光谱细分,两光路合一,使卡塞格林光学系统的潜力得到了充分发挥,实现了共窗口、共探测器的双像双视场成像光学系统。系统能提供一幅场景的两幅图像,两视场之间无需切换,两视场具有不同的光谱波段。通过电子系统的波段比处理技术,能提高整机系统的抗干扰能力,提高整机系统的探测精度和识别概率。