光电子学与激光技术

机载激光通信系统发展现状与趋势

曾飞，高世杰，伞晓刚，等

摘要：目的：机载平台是激光通信系统应用的重要方向。为了研制实用的机载激光通信系统，介绍了解机载激光通信系统的基本组成、发展历史及其关键技术，同时指出其未来的发展方向。方法：机载激光通信系统由激光收发系统、跟踪瞄准系统、通信分系统等3部分组成。其中，激光收发系统是系统的核心，飞机的运动对跟踪性能要求很高。目前，高精度光电吊舱跟踪精度可以达到 10 ″ 左右，通过快反进行精跟踪精度可以达到 1 ″ 以内。但是，要完成机载激光通信的研制，还需要充分了解机载吊舱的环境及机载激光大气传输特性，因此有必要了解国内外机载激光通信方面的研究。结果：西方国家在机载激光通信方面做了大量的研究工作。1980年麦道公司在白沙靶场第一次演示了机载对地激光通信。系统口径191 mm，使用532 nm和1064 nm作为下传和上传波长，调制方式脉冲间隔调制，通信距离60 km，通信速率20 kbps。1995年ThermoTrex公司开始研发新一代机载激光通信系统RILC，目标是在12 km高空，实现距离50～500 km飞机间1 Gbps双向激光通信。光学系统封装于47 cm球形转塔中，具有20 cm直径的光学窗口。然而850 nm波段的器件随着1550 nm波段器件的发展而过时，并且系统的重量过重仅球形转塔就重达68 kg，因此到2005年该项目终止。2003年ITT公司开始利用货架产品来研制机载激光通信端机FALCON。该项目工作在1550 nm波段，而工作方式则是在12 km高度和100 km距离以低于10－6误码率进行2.5 Gbps双工通信。2009年，该系统试验中最远保持通信距离达到132 km。2008年新兴公司AOptix的FOENEX项目的目标是：使用口径10 cm带AO（Adaptive Optics）的系统，以10 Gbps的速率进行50 km空—地和200 km空—空激光通信组网实验研究。AOptix的R3.1 AO系统能以1 kHz的速率进行闭环波前校正，通信系统引入自动功率控制、前向误码纠正、重传等方法保证通信质量。FOENEX项目证明AO可以校正锐利距离以内的像差，包括气动光学效应和大气湍流造成的像差。2005年欧空局在气球实验中，从高度20 km的平流层向距离64.3 km的地面成功发送1.25 Gbps的数据，误码率低于10－9。在2008年的低速机载试验（100 m/s）中，仅使用粗跟踪就成功达到了40 km通信和85 km跟踪。在2013年的快速（0.7马赫）机载试验中，通信距离达到50 km，跟踪距离达到79 km。2012年美国海军实验室计划研究证微型激光通信模块，接收口径 5.08 cm，仅包含粗跟踪，计划搭载无人机与地面进行25 km 155 Mbps的通信。国内长春理工大学在2011年完成了两直升机17.5 km 1.5 Gbps的通信；2013年完成了两运12飞机144 km 2.5 Gbps通信。结论：机载激光通信系统的研制历程十分漫长，但是其性能尚不能完全满足实用要求。这主要是由大气信道和飞机环境的复杂性决定的，需要重点研究以下关键技术：（1）激光大气传输效应研究；（2）精确定位和跟踪技术研究；（3）环境适应性和可靠性研究；（4）系统集成设计和轻小型化研究；（5）面向新型应用的总体技术研究。随着机载激光通信系统研究的逐步深入，未来的应用前景将会不断扩展。在未来的信息化战争中，机载激光通信将会成为必不可少的通信手段。

来源出版物：中国光学, 2016, 9(1): 65-73

入选年份：2016

太赫兹数字全息术的研发与应用

郑显华，王新柯，孙文峰，等

摘要：目的：随着太赫兹技术的逐渐成熟，太赫兹数字全息术作为最重要的发展方向之一，已经逐渐在众多科研和工业领域显示了强大的应用实力。建立了一套太赫兹数字全息成像系统，采用一系列方法提高系统的分辨率、信噪比和偏振测量能力，并且将此系统应用于不同的太赫兹基础研究和技术发展之中。方法：在成像系统的开发方面，（1）利用准近场探测技术提高成像分辨率，使太赫兹光束与探测光从相对方向照射探测晶体，以至样品可以与探测晶体紧贴放置，尽量消除太赫兹光波在传输过程中产生的衍射影响；（2）利用差分探测技术提高系统信噪比，使携带太赫兹信息的探测光依次通过1/4波片、渥拉斯顿棱镜、透镜组和 CCD摄像头，获取两个探测光斑并将二者相减提取太赫兹信息，同时采用动态相减技术消除探测光中背景噪声的影响；（3）通过调节探测光偏振态的方法对太赫兹光波偏振信息进行测量，在探测光中插入1/2波片，调整探测光偏振与探测晶体＜001＞方向平行，测量太赫兹水平偏振分量，调整探测光偏振与探测晶体＜001＞方向成45°，测量太赫兹竖直偏振分量。在成像系统的应用方面，将此系统作为测试平台对几种太赫兹 Metasurface器件进行功能表征，对太赫兹金属波导的传输模式进行测定，对聚焦太赫兹光束的Gouy相移现象进行观测。结果：实现了太赫兹成像系统的性能提升，（1）利用准近场探测技术，将成像分辨率提升至280 μm，实现了亚波长量级的成像能力；（2）利用差分探测技术，在保证成像质量不变的前提下，有效抑制了由于激光波动引入的噪声，成功提升了系统信噪比；（3）通过调整探测光偏振态，成功实现了对太赫兹场偏振态的测量，测量精度可达到对0.5°偏振改变量的测定。以此系统为测量平台，实现了一系列太赫兹成像应用研究。（1）研制了以V型金属天线为调制单元的Metasurface太赫兹波前调制器，包括：平板球透镜、全息相位板、涡旋相位板，利用成像系统观测了太赫兹光波通过这些器件后的聚焦成像、全息显示、涡旋波前等效果，实现了超薄平板太赫兹器件；（2）测量了太赫兹波在金属共轴波导内的传播模式，发现太赫兹波主要在波导内的电介质层进行传输，其模式是由TE11、TE1（2）TM11、TM12本征模的线性叠加构成的，且4个模式没有明显的群速度色散，本工作为开发太赫兹波导提供了有效的测量平台；（3）表征了汇聚太赫兹光波在通过焦点后产生的 Gouy相移现象，用聚乙烯透镜聚焦太赫兹光波，并通过Z扫描记录太赫兹光波通过焦点过程中的相位变化，观测了在光轴附近相位产生λ的变化，证明了Gouy相移的出现是由于对光场横向限制所引入的，证明了利用本成像系统研究基础物理问题的可行性。结论：太赫兹数字全息术发展至今已经形成了较为成熟的技术体系，建立的太赫兹成像系统为可以对物质全方位的光学信息进行精准测量，对于分析光与物质相互作用是一项强有力的研究手段。根据已发表的报道，太赫兹数字全息术正逐步被应用于微纳光学器件表征、生物制药成像、光学信息传输、半导体载流子输运、以及众多基础物理化学问题的研究中。随着太赫兹光子学领域的不断发展，更强的太赫兹源、更灵敏的太赫兹探测技术、以及众多太赫兹波段的光学器件不断地被研制，太赫兹数字全息术终将被广泛普及。

来源出版物：中国激光, 2014, 41(2): 0209003

入选年份：2016

二维快速傅里叶变换干涉图相位提取误差分析

张敏，唐锋，王向朝，等

摘要：目的：相位提取作为干涉测量的重要环节，其精度大小将直接影响最终的检测精度。基于空间载波的傅里叶变换（FFT）法，能从单幅条纹干涉图中快速精确地提取出原始波面的相位信息，相比于相移法而言，不易受外部测量环境变化的影响，在光学车间和动态干涉仪等应用中有着重要的实用价值。基于ZYGO干涉仪实测干涉图，利用二维FFT法进行相位提取，并与相移干涉相位测量结果进行比对，对影响FFT法相位提取精度的边缘误差、窗函数、滤波器设计、干涉图延拓，以及载波条纹数等因素进行了综合分析。方法：采用直接二维FFT法对边缘误差进行分析，频域滤波器采用以正一级频谱中心为中心频率的二阶巴特沃思低通滤波器，滤波宽度为 0.4。分别加海明窗（FWHM＝270)、高斯窗（FWHM＝239）、凯塞窗（FWHM＝309）并对比边缘误差和全局误差相对于不加窗时的变化情况。采用二阶巴特沃思滤波器、圆柱形镶余弦边滤波器、FlashPhase组合滤波器对相位提取误差受滤波器设计的影响进行分析。采用基于2D FFT变换的Gerchberg迭代延拓方法对干涉图进行延拓，并进行相位提取和误差分析。通过对比不同载波条纹数下的相位提取情况，分析载波条纹数对相位提取误差的影响。结果：直接二维FFT法的边缘0.05R径向长度所对应的环形区域的相位提取误差较大，内部0.95R径向长度所对应的中心区域的相位提取误差较小，且边缘0.05R环形区域的相位提取误差决定了全局相位提取误差的大小。高斯窗在半高宽（FWHM）为239个像素点时，相位提取误差最小。经同样分析可以得到海明窗在半高宽为270个像素点时，凯赛窗在半高宽为309个像素点时，相位提取误差最小。相比于不加窗，加海明窗、高斯窗或者凯塞窗仅能使边缘误差PV值减小约0.004λ，全局误差仍然由边缘误差所决定。相比于常用的二阶巴特沃思低通滤波器，使用圆柱形镶余弦边滤波器或组合滤波器滤波能使边缘误差PV值减小约0.02λ，全局误差仍然由边缘误差所决定。干涉图经迭代延拓后边缘误差得到了极大的改善，PV值由无干涉图延拓时的0.08 λ数量级下降至0.04λ数量级。全局误差 PV值由无干涉图延拓时的 0.08λ数量级下降至0.05λ数量级，且全局误差不再完全由边缘误差决定。采用干涉图延拓的2D FFT法进行相位提取，条纹数在12和20时误差较大，而条纹数在38到156之间（即载波频率为干涉图空间分辨率的1/13～1/3）时，均能得到比较准确的测量结果，相位提取全局误差较小，PV值约为0.05λ数量级。结论：对影响FFT法相位提取精度的边缘误差、窗函数、滤波器设计、干涉图延拓，以及载波条纹数等因素进行了分析。直接二维 FFT法干涉图边缘0.05R环形区域的相位提取误差最大，且决定了全局误差的大小。窗函数对边缘误差改善不明显，优化滤波器设计对边缘误差有一定改善。干涉图延拓能有效减小边缘误差，相位提取精度提高约0.03λ，对连续光学面检测而言是提高二维 FFT法相位提取精度的最佳方法。在干涉图载波频率为干涉图空间分辨率的1/13～1/3时均能得到较准确的测量结果，相位提取误差PV值可优于λ/20；载波频率越高，细节分辨能力越强。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(3): 0308002

入选年份：2016

机械刻划光栅的刻线弯曲与位置误差对平面光栅性能影响及其修方法

李晓天，巴音贺希格，齐向东，等

摘要：目的：机械刻划法是制作平面光栅的重要方法之一。推导了含有刻线弯曲和刻线位置误差的平面光栅在焦平面上成像数学模型，分析了上述两种误差对平面光栅光谱性能的影响，据此对光栅刻划机刻划系统进行改进设计，从而将有助于提高光栅质量及应用水平。方法：根据费马原理，建立单色平行光入射、非理想平面光栅在焦平面上成像的光线追迹数学模型，研究了光栅刻线弯曲和刻线位置误差对光栅分辨本领和杂散光等光谱性能的影响。并将该非理想光栅结构带入到 Czerny-Turner结构光栅光谱仪光学系统中，分析刻线弯曲和刻线位置误差对该光谱仪性能的影响，将光线追迹软件计算结果与所建立的非理想光栅的数学模型的分析结果进行对比。最后根据以上仿真分析结果，对光栅刻划机刻划刀架系统进行了改进设计及实验验证。结果：根据建立非理想光栅成像模型对刻线弯曲和刻线位置误差对光谱性能的影响进行分析，并考虑到实际使用光栅的任意级次的衍射波前的峰谷值一般不超过 2λ，结果表明：光栅刻线弯曲对光栅弧矢方向的分辨本领影响极大，但对子午方向的分辨本领影响甚微，而且刻线弯曲对子午方向的光栅杂散光几乎无影响。刻线位置误差主要影响子午方向的光栅分辨本领和杂散光等光谱性能。当光栅的实际栅距与理想栅距存在偏差时，会使像平面的衍射光位置在子午方向上发生偏移，且偏差越大，实际衍射光与理想衍射光位置偏移量越大。采用光线追迹软件对含有非理想平面光栅的光谱仪进行成像分析，其结论与所建立的非理想光栅成像数学模型的分析结论一致。根据以上分析可知，等间距刻线弯曲对光栅杂散光影响较小，因此本文主要进行了刻线位置误差的修正。提出了光栅刻划机的刻划刀架系统的改进方案，将原有的鞍型滑块与安装板间的刚性连接改变为基于杠杆原理的合页式柔性连接方式。当鞍形滑块存在分度方向位移时，经过该杠杆结构后，金刚石刀尖位移量比鞍形滑块的位移量明显缩小。实验结果表明，改进后的光栅刻划刀架系统刻划出的光栅平均刻线形状值降低至原有值的一半以下，由光栅刻线形状不重复导致的光栅局部刻线位置误差显著下降。结构改进后的光栅杂散光水平与改进前相比有明显改善。结论：等间距刻线弯曲主要影响光栅弧矢方向的光谱性能，而对光栅子午方向杂散光、分辨本来等光谱性能影响甚微；刻线位置误差则主要影响光栅子午方向的光谱性能；在光栅刻划机研制中，首先应减小光栅刻线位置误差、改善光栅在子午方向的光谱性能，然后应采取适当方案减小刻线弯曲。据此对光栅刻划机的刻划刀架系统进行了改进，有效降低了刻划光栅的杂散光。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(3): 0308009

入选年份：2016

一种提高偏振光斯托克斯参量测量精度的方法

汤飞龙，李中梁，步扬，等

摘要：目的：偏振光照明技术可有效提高光刻成像质量，偏振光斯托克斯（Stokes）参量的高精度测量则是实现该技术的前提与基础。旋转波片法是测量Stokes参量的常用方法，1/4波片相位延迟量误差是影响旋转波片法Stokes参量测量精度的主要因素。相对于可见光波段，目前常用的光刻机使用深紫外波段光源，在该波段制造理想的1/4波片的难度更高，波片相位延迟量误差更大，其对偏振光Stokes参量测量的影响也更为显著。通过研究Stokes参量测量误差与1/4波片相位延迟量误差之间关系，提出一种提高光束Stokes参量测量精度的优化旋转波片法。方法：通过对旋转波片法测量Stokes参量的原理进行理论分析，得出Stokes参量测量误差与1/4波片相位延迟量误差的关系式。在此基础上进行分析，提出了提高光束Stokes参量测量精度的优化旋转波片法，该方法首先测量得到待测光束的偏振方位角，然后调整检偏器透光轴方向与待测光束偏振方向成 90°后测量得到归一化 Stokes参量 S10、S20，调整检偏器透光轴方向与待测光束偏振方向成 45°后测量得到归一化 Stokes参量 S30。进一步通过对该方法进行模拟计算与实验研究，验证了该方法的有效性。结果：理论分析结果表明，当检偏器透光轴方向与待测光束偏振方向之间的夹角为90°时，相位延迟量误差引起的归一化Stokes参量S10、S20测量误差最小，当检偏器透光轴方向与待测光束偏振方向之间的夹角为 45°时，相位延迟量误差引起的归一化Stokes参量S30测量误差最小；模拟计算结果表明，当波片相位延迟量误差小于1.2°时，采用优化的旋转波片法使测量误差由原来的3.59%降低至0.11%；实验研究结果表明，采用优化旋转波片法使测量误差从原来的 4.31%降低至 0.33%。结论：通过对传统旋转波片法测量Stokes参量的原理进行理论分析，研究和讨论了Stokes参量测量误差与相位延迟量误差之间关系，在此基础上提出了优化的旋转波片法。通过调整检偏器透光轴方向与待测光束偏振方向成90°或45°后再进行测量，可有效减少相位延迟量误差对偏振光Stokes参量测量的影响；当待测光束为线偏振光或只关注光束的线偏振成分时，只需调整检偏器透光轴方向与待测光束偏振方向成 90°后测量。该方法操作简单、可行性强、效果明显，对线偏振光Stokes参量测量精度提高效果尤为显著。对于目前光刻机常用的深紫外波段线偏振光，在该波段波片相位延迟量等误差更大，采用该优化方法可有效减小相位延迟量误差对偏振光 Stokes参量测量的影响，从而有效提高测量精度。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(4): 0408006

入选年份：2016

基于矢量辐射传输的大气偏振建模

王威，褚金奎，崔岩，等

摘要：目的：为了获得更精确的偏振信息，能够计算在一定的大气环境、地表情况、云和气溶胶状况以及给定测试参数条件下，天空中某个方向上光波的Stokes参量，并据此计算相关偏振信息，利用倍加—累加法为基础求解矢量辐射传输方程（RT3），研究基于RT3的大气偏振模式。方法：从大气散射基本理论出发，设定了大气模式、气溶胶模型、测试参数，利用倍加—累加法求解矢量辐射传输方程，得到了天空仿真点处的光波Stokes参量，然后计算光波的偏振信息，最后结合天空偏振数据处理软件，分别针对Rayleigh散射大气和实际大气进行了天空偏振仿真模拟。首先，设置较为合理的大气模式和气溶胶模型，将对流层分为两层，即0～5 km的风雨层和5～15 km的Rayleigh散射层，建立基于美国标准大气模式的简化双层大气模式；气溶胶模型选取的气溶胶粒径范围为 0.001～1μm，并对气溶胶粒子的物理特性（如粒度谱分布）以及光学特性（如复折射指数）进行参数化处理，气溶胶粒度谱分布选用修正的伽马分布，复折射指数采用典型气溶胶随波长变化的折射指数模型。然后，利用倍加—累加法原理求解矢量辐射传输方程。在倍加—累加法中，对于一个厚的均匀层，可以将其划分为2n个完全相同的薄层，通过倍加法计算可以非常迅速地获得其反射和透射性质。倍加法用来求均匀层间的反射透射矩阵，而非均匀层之间采用累加法。在RT3模式中，用傅里叶级数对方位角进行展开、对天顶角进行离散化。最后，利用Visual C++和OpenGL绘制天空偏振模型图，基于Rayleigh 散射大气进行偏振建模与传统理论建模方法进行对比分析，从而验证建模的正确性；仿真模拟实际大气条件的天空偏振分布模型，分析其分布规律以及光波波长、天气情况、地表反照率对天空偏振的影响。结果：在Rayleigh散射大气条件下，基于RT3的天空偏振模型与传统理论模型基本吻合，是正确的；该模型还可以研究不同波长对大气偏振的影响规律，在纯净大气Rayleigh散射情况下，偏振度随波长的增大而增大，即长波长有利于天空偏振光测试。在模拟实际大气条件下，基于RT3的偏振建模仿真结果表明：（1）对于不同天气、不同波长，偏振度均是在太阳点和 Argeo中性点处较小，且散射角为 90°时最大，这些偏振分布规律与传统理论模型一致。（2）对于晴朗无云天空，波长越长，DOP越大，越利于偏振光测试；而多云、阴霾等恶劣天气，短波段对应 DOP较大，更有利于偏振测试与应用。（3）地表反照率越大，DOP越小，越不利于偏振测试研究与应用。结论：倍加—累加法是求解矢量辐射传输方程的一种数值解法。利用RT3求解矢量辐射传输方程，完成了对Rayleigh散射条件和实际大气条件下天空偏振建模。通过测试验证了基于RT3建立的大气偏振模型是正确的，比传统Rayleigh散射理论模型更接近于实际天空偏振模型。通过该模型能够研究不同波长、不同天气情况以及不同地表反照率对天空偏振分布的影响规律，也能够研究不同气溶胶分布对天空偏振的影响。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(5): 0513001

入选年份：2016

可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿

袁松，阚瑞峰，何亚柏，等

摘要：目的：可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）具有高分辨、高灵敏度和快速测量等特点，在环境检测、工业过程检测等方面具有很好的应用前景。但是TDLAS系统在长期连续工作时，存在激光输出波长随环境温度变化而发生漂移的问题。针对这一问题，研究了激光输出波长随环境温度变化特征及其对光谱处理的定量影响问题，为了消除激光输出波长的漂移，设计了基于ADμC841的温度补偿电路，根据环境温度实时调整激光器的设置温度，对激光器进行谱线锁定，在温控试验箱中进行了测试和验证实验，当环境温度在20～60℃之间变化时，激光器的波长漂移量为4.1 pm，为TDLAS技术的推广应用奠定了基础。方法：由于造成激光器波长漂移的原因众多，漂移的根本原因也难以区分，但温度变化对激光器波长影响最大，所以采取用温度传感器来测量激光器所处的环境温度，根据激光器波长随环境温度变化的特征，利用DAC每2 s重新设置一次激光器温度的方法，以修正温控箱内温度变化时电路板上电子元件特性变化造成的波长漂移，弥补目前商用激光器自身控制系统的不足，实现激光器的波长稳定。结果：激光器的波长变化呈现单一特性，随着环境温度的升高，激光器的波长向短波方向偏移。在没有温度补偿时，激光器波长在环境温度 20～60℃变化时，波长变化量为78.1 pm。当利用12位DAC根据激光器波长随环境温度变化的特征，对激光器进行温度补偿后，在相同环境温度变化范围内，波长变化量为 9.8 pm。为了提高 DAC的补偿精度，对 DAC的输出进行电阻分压，单次补偿后，激光器的波长变化量减小，由于补偿区间减小，补偿次数增多，可以达到更精确的补偿效果，在相同温度变化区间内，激光器总的波长漂移量为4.1 pm，尤其当外界温度变化比较大时，温度控制精度得到了保证，把波长变化对光谱处理的影响大大减小。结论：造成DFB半导体激光器波长漂移的原因很多，这将对吸光度的计算和浓度反演造成影响，尤其是在多条吸收谱线的情况下。以上实验表明，采用根据环境温度重新设置激光器温度的方法，可以修正环境温度变化时电路板上电子元件特性变化造成的波长漂移，大大减小了激光器波长的漂移量。当外界温度变化比较大时，温度控制精度得到了保证，谱线锁定满足了实验要求，这对 TDLAS应用于工业过程检测及其它恶劣环境下的气体检测提供了稳定的保障。同时探讨了其它减小激光器波长漂移的方法，为TDLAS技术的推广应用奠定了基础。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(5): 0515002

入选年份：2016