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中国激光 2021年第19期48卷 227-254页

作者：倪一博闻顺沈子程杨原牧清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室北京100084

光场包含了振幅、相位、光谱、偏振等多个维度的信息。传统光电探测器一般仅能感知二维光强信息,若想实现对光场其他维度信息的获取,需利用多个光学元件组合,故存在系统复杂、难以集成等问题。超构表面是一种亚波长尺度的新型平面光学... 详细信息

光场包含了振幅、相位、光谱、偏振等多个维度的信息。传统光电探测器一般仅能感知二维光强信息,若想实现对光场其他维度信息的获取,需利用多个光学元件组合,故存在系统复杂、难以集成等问题。超构表面是一种亚波长尺度的新型平面光学元件。通过灵活的平面结构设计,超构表面可以对光场的振幅、相位、光谱、偏振等多维信息进行调控,从而为轻量化、集成化多维光场感知系统的实现提供可能。详细介绍了国内外基于超构表面实现光谱、偏振、深度等多维光场信息感知的最新研究成果,并对目前超构表面在多维光场感知领域面临的挑战以及未来的发展趋势进行了展望。

关键词：物理光学多维光场感知超构表面光谱成像偏振成像三维成像

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用于高反表面测量的分块平滑自适应条纹投影方法

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红外与激光工程 2023年第5期52卷 316-329页

作者：何信欣刘斌王春柳吴冠豪天津理工大学电气工程与自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室天津300384 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

条纹投影轮廓术用于测量高反表面时,相机成像会出现饱和区域,区域内相位信息难以提取,进而造成三维重建错误。为此,文中提出了一种分块平滑自适应条纹投影方法。首先,通过投影少量均匀灰度图,对饱和区域进行分块,根据各块的饱和程度,计... 详细信息

条纹投影轮廓术用于测量高反表面时,相机成像会出现饱和区域,区域内相位信息难以提取,进而造成三维重建错误。为此,文中提出了一种分块平滑自适应条纹投影方法。首先,通过投影少量均匀灰度图,对饱和区域进行分块,根据各块的饱和程度,计算相应的初始投影强度。随后,在不饱和情况下,投射亮暗两种强度的条纹图,通过在饱和区域融合两者相位信息,实现相机到投影仪的坐标匹配,获取初始映射投影强度;然后,对初始映射投影强度进行多项式拟合,构建平滑的投影强度曲线,用于逐像素获取最佳投影强度值,同步填补了因相机与投影机分辨率差异引起的映射孔洞,最终生成自适应条纹。最后,将生成的自适应条纹投射至被测物体,进行了相位解算和三维重建。实验结果表明:所提方法只需投影少量灰度图就能生成高动态范围的自适应条纹,实现了饱和区域相位信息的完整提取。相比于现有改进方法,面形三维重建的标准偏差分别减少了40%和28.6%,有效地提高了高反表面形貌测量精度。

关键词：自适应条纹投影三维测量最佳投影强度多项式拟合孔洞填补

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用于精密位移测量的微型光栅传感器开发

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光子学报 2021年第9期50卷 1-11页

作者：魏正杰张迪吴冠豪清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

基于双光栅干涉扫描原理,通过复用透射光栅实现干涉扫描型光栅位移传感器的小型化开发。开发了适用于精密位移测量的光栅传感器原理样机。传感器的电路系统包括信号转换放大电路模块和置于传感器D-SUB接口外壳内的信号处理电路模块。通... 详细信息

基于双光栅干涉扫描原理,通过复用透射光栅实现干涉扫描型光栅位移传感器的小型化开发。开发了适用于精密位移测量的光栅传感器原理样机。传感器的电路系统包括信号转换放大电路模块和置于传感器D-SUB接口外壳内的信号处理电路模块。通过15 pin接口输出四路电平为2.5±0.5 V的模拟差分信号,差分信号接口可用于高倍细分而达到高分辨率,具备RS422接口适配能力,可以提高传感器远距离传输的抗干扰能力。以电容传感器为基准,光栅位移传感器原理样机实现了±30 nm的重复性精度,满足10 mm/s的测量速度需求,10 s短时位移稳定性达到5 nm,6 h的长时间稳定性达到70 nm。

关键词：编码器光栅位移测量稳定性高精度仪器

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钙钛矿中热载流子的超快光谱探测

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光学学报 2021年第8期41卷 118-133页

作者：方红华黎潇泽周沄科孙洪波清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

热载流子能量耗散是太阳能电池效率损耗的主要来源之一。近年来,钙钛矿中的热载流子效应获得了研究人员的广泛关注。相比于传统半导体材料,钙钛矿具有较慢的热载流子冷却过程,有望利用这些热载流子,提高太阳能电池的能量转换效率,克服... 详细信息

热载流子能量耗散是太阳能电池效率损耗的主要来源之一。近年来,钙钛矿中的热载流子效应获得了研究人员的广泛关注。相比于传统半导体材料,钙钛矿具有较慢的热载流子冷却过程,有望利用这些热载流子,提高太阳能电池的能量转换效率,克服单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限。本文主要阐述了近几年人们利用超快光谱技术在钙钛矿中观测到的热载流子弛豫现象,总结了其热载流子的动力学特性;对钙钛矿中各种体系中热载流子冷却的机理进行了梳理,并讨论了钙钛矿中热载流子的传输特性和抽取方法;最后对钙钛矿中的热载流子弛豫过程的调控和其热载流子太阳能电池中的应用发展进行了展望。

关键词：超快光学超快光谱热载流子太阳能电池钙钛矿

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压电陶瓷调制激光回馈外腔的实验和分析

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激光技术 2024年第4期48卷 572-577页

作者：钟尚殷邓勇张书练南通大学机械工程学院南通226019 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

为了研究微片激光器的光回馈效应的调制方式对激光器光灵敏度的影响,采用不同调制电压、频率驱动压电陶瓷(PZT)来调谐微片激光器外腔的方法,观察光回馈条纹幅值和灵敏度的变化情况,并结合复合腔等效模型进行了数值仿真和分析。结果表明... 详细信息

为了研究微片激光器的光回馈效应的调制方式对激光器光灵敏度的影响,采用不同调制电压、频率驱动压电陶瓷(PZT)来调谐微片激光器外腔的方法,观察光回馈条纹幅值和灵敏度的变化情况,并结合复合腔等效模型进行了数值仿真和分析。结果表明,增大PZT调制频率,使其越靠近激光器的弛豫振荡频率,光放大效果越明显,输出幅值和PZT调制频率具有相同变化趋势;PZT调制频率不变,将140 mA抽运电流调小至出光阈值电流约100 mA,弛豫振荡峰值会逐渐靠近PZT移频调制量,能主动放大回馈光,增益可高达105;光灵敏度与PZT移频量相对弛豫振荡峰值的距离有关,两者越接近,光灵敏度则越强;经PZT调制的激光回馈系统相对声光调制,有降低成本、易于调节的优势。该研究为联动调节抽运电流和PZT调制量获得幅值合适、噪声小的光回馈条纹提供了参考。

关键词：激光光学激光回馈弛豫振荡抽运电流压电陶瓷调制

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以激光回馈干涉技术提高砷化镓和蓝宝石晶体的折射率测量精度

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红外与激光工程 2022年第3期51卷 304-310页

作者：袁春宇曹阳邓勇张书练南通大学机械工程学院江苏南通226019 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

砷化镓和蓝宝石晶体已经广泛应用于红外领域、光电领域和军事设备,因此两种材料的折射率测量对光学设计、计量检测和工业应用具有重要意义。为提高两种材料折射率的测量精度,采用微片激光回馈干涉技术同时测量折射率和厚度。此系统结合... 详细信息

砷化镓和蓝宝石晶体已经广泛应用于红外领域、光电领域和军事设备,因此两种材料的折射率测量对光学设计、计量检测和工业应用具有重要意义。为提高两种材料折射率的测量精度,采用微片激光回馈干涉技术同时测量折射率和厚度。此系统结合外差调制和准公共路径对空气气流和振动进行补偿,因此具有高灵敏度、高精度和高稳定性的特点,特别是同时测量性以及仅需将样品加工成薄片状而非棱柱形。实验结果表明,砷化镓和蓝宝石晶体 (在寻常光下) 的折射率测量精度提高到10^(-3)和 10^(-4),且厚度的精度均为 10^(-4)mm。

关键词：砷化镓蓝宝石回馈干涉折射率精度

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基于非线性相关源雪崩管模型的恒虚警激光测距电路仿真试验研究

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光子学报 2023年第4期52卷 273-280页

作者：王巍赵启航杨森张珂柳兴博刘彤宇清华大学精密仪器系激光与光子技术研究所北京100084 清华大学精密仪器系精密测量技术与仪器国家重点实验室北京100084 中国电子科技集团公司第五十三研究所光电信息控制与安全技术重点实验室天津300308

依据雪崩光电二极管(APD)产品数据手册中雪崩增益、噪声(温度)与偏压的相关关系通过曲线拟合建立了APD输入、输出和偏压控制的函数模型,并基于非线性相关源控件构建了APD的电路仿真模型。设计了具有恒虚警APD偏压自动控制以及防近程散... 详细信息

依据雪崩光电二极管(APD)产品数据手册中雪崩增益、噪声(温度)与偏压的相关关系通过曲线拟合建立了APD输入、输出和偏压控制的函数模型,并基于非线性相关源控件构建了APD的电路仿真模型。设计了具有恒虚警APD偏压自动控制以及防近程散射时间增益控制的测距电路,引入自动增益控制信号,完成了恒虚警激光测距电路的全闭环动态仿真试验研究。仿真结果表明,恒虚警测距电路可根据虚警率设计值自动捕捉APD最佳雪崩增益工作偏压,虚警率每百毫秒60~70次时最小可探测光功率达到25 nW,与实际值接近,验证了恒虚警全闭环仿真模型的可行性。

关键词：雪崩光电二极管非线性相关源恒虚警激光测距全闭环仿真近程误测

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激光干涉精密测量与应用

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中国激光 2021年第15期48卷 222-243页

作者：谈宜东徐欣张书练清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

"没有测量就没有科学",对物理量越来越精确的测量已成为现代科学和技术领域孜孜追求的目标。激光干涉精密测量具有可溯源,纳米甚至皮米高分辨率,以及数米、几千米甚至上千千米的超长测量范围等突出优点,被广泛用于IC装备、数... 详细信息

"没有测量就没有科学",对物理量越来越精确的测量已成为现代科学和技术领域孜孜追求的目标。激光干涉精密测量具有可溯源,纳米甚至皮米高分辨率,以及数米、几千米甚至上千千米的超长测量范围等突出优点,被广泛用于IC装备、数控机床、超精密微纳制造、引力波探测等先进技术和前沿科学领域。清华大学激光精密测量与应用课题组长期围绕激光干涉和激光回馈干涉开展研究,先后在大频差、高功率保持的新原理双频激光器、用于无靶镜纳米测量的回馈干涉原理研究方面取得了突破,研制出新型双频激光干涉仪和激光回馈干涉仪,并在多个领域开展了应用研究。本文详细总结了课题组最近十年的研究成果,在此基础上展望了激光干涉精密测量与应用研究领域的发展前景。

关键词：激光光学精密测量激光干涉激光回馈计量应用

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基于参数空间遍历的空间光调制器量化取值优化

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中国激光 2021年第12期48卷 307-316页

作者：何泽浩隋晓萌曹良才金国藩精密测试技术及仪器国家重点实验室清华大学精密仪器系北京100084

由于现有空间光调制器(SLM)的调制特性,连续取值的复振幅型计算全息图(CGH)通常需要被转换为离散取值的纯振幅型或纯相位型CGH。将连续值近似为离散值的量化过程会对CGH的全息重建质量产生显著的影响。选择峰值信噪比(PSNR)作为重建质... 详细信息

由于现有空间光调制器(SLM)的调制特性,连续取值的复振幅型计算全息图(CGH)通常需要被转换为离散取值的纯振幅型或纯相位型CGH。将连续值近似为离散值的量化过程会对CGH的全息重建质量产生显著的影响。选择峰值信噪比(PSNR)作为重建质量的评价依据,采用参数空间遍历法,定量评估了CGH振幅和相位的量化取值对重建质量的影响。评估过程充分考虑了分辨率、补零范围、重建距离、重建波长、随机相位、像素间距、位深度及相位调制偏差等关键参数对全息重建的作用。在此基础上,提出了针对现有和未来SLM的最佳量化方案。

关键词：全息计算全息全息显示振幅相位量化

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高斯光束准直倍率的研究及再讨论

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光学学报 2021年第9期41卷 153-157页

作者：田明旺王一帆张书练谈宜东清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室北京100084

基于高斯光束q参数变换理论严格推导出倒置望远系统对高斯光束的准直倍率,结果表明,在不考虑透镜遮挡条件下,倒置望远系统对高斯光束的准直倍率仅与几何压缩比有关,与高斯光束的束腰半径及物距无关。进一步研究发现,在适当的近似前提下... 详细信息

基于高斯光束q参数变换理论严格推导出倒置望远系统对高斯光束的准直倍率,结果表明,在不考虑透镜遮挡条件下,倒置望远系统对高斯光束的准直倍率仅与几何压缩比有关,与高斯光束的束腰半径及物距无关。进一步研究发现,在适当的近似前提下,本文推导结果可与激光原理教材中的相关推导获得统一。对本文算法进行仿真,结果显示,在满足激光原理教材讨论的条件下,本文得到的准直倍率与其所得结果相一致。本文所得高斯光束经倒置望远系统的准直倍率可以为相关科研与工程实践活动中的准直操作部分提供更准确的参考。

关键词：激光光学高斯光束准直倍率

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