光学专题
编者按
本专题报道了关于多点扰动检测、光度立体视觉系统、空间欠采样太赫兹时域光谱成像方法、百纳焦量级全保偏掺镱光纤放大器系统、三镜环形腔内插入标准具获取高功率窄线宽可调谐 1 064 nm 激光技术、上转换荧光检测系统、硅基颗粒导向系统等方面的重要研究和进展综述。特别感谢来自北京大学、南京大学、北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、合肥工业大学、以及中国科学院深圳先进技术研究院等高校与科研机构的各位老师对本专题的贡献 。
本期客座编辑
焦国华 正高级工程师
中国科学院深圳先进院光电工程技术中心中心执行主任
主要研究方向为光电传感技术及光学成像技术等。
文章列表
2016, 5(5):1-10.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201605001
摘要:
光波在光纤中传输时，其偏振态对光纤外界的变化十分敏感。基于偏振效应的光时域反射技术可以实现对光纤沿线挤压、弯曲、振动等事件的分布式传感。然而，由于光波偏振态的前后关联性，光纤中最靠前的扰动往往会掩盖其后续扰动对偏振态造成的影响，使得光时域反射技术对多点扰动的检测存在困难。文章综述了该技术在多点扰动分布式传感检测方面的研究进展，对频谱分析法、解析本地双折射矢量法和基于特殊光纤的传感方法等技术手段进行了对比和分析。
光波在光纤中传输时，其偏振态对光纤外界的变化十分敏感。基于偏振效应的光时域反射技术可以实现对光纤沿线挤压、弯曲、振动等事件的分布式传感。然而，由于光波偏振态的前后关联性，光纤中最靠前的扰动往往会掩盖其后续扰动对偏振态造成的影响，使得光时域反射技术对多点扰动的检测存在困难。文章综述了该技术在多点扰动分布式传感检测方面的研究进展，对频谱分析法、解析本地双折射矢量法和基于特殊光纤的传感方法等技术手段进行了对比和分析。
2016, 5(5):38-48.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201605004
摘要:
文章研究了一种由近似点光源组成的光度立体视觉系统的标定方法。由于光源自身的非均匀发光特性，传统的平行光和点光源模型不再适用，为实现精确的三维法向重建，必须对光源及光照场进行精确的标定。论文首先根据光源自身的发光特性建立其辐射度模型，进而提出了一种两步标定策略，对光源位置参数及主光轴参数进行标定。以相机作为参照系，提出了一种多球标定方法，用于计算各个光源的位置参数，该方法利用相机观察到的多个球面高光点图像坐标，结合球体轮廓线及球体半径实现了光源位置的精确计算。为实现光源主光轴参数的估算，提出了一种基于参考平面的标定方法，通过分析近似点光源照射下的平面亮度分布，结合等亮度线拟合策略实现了光源主光轴方向参数的计算。基于系统标定参数以及光源的发光模型，就可以对每个场景点的入射光条件进行精确建模，从而实现精确的法向计算。在实验部分，分别对标准几何物体和自由曲面物体进行三维重建实验，并与传统的平行光及点光源模型进行了对比。结果显示，所提出的标定方法能够在非均匀光照条件下获得精确的三维法向重建 结果。
文章研究了一种由近似点光源组成的光度立体视觉系统的标定方法。由于光源自身的非均匀发光特性，传统的平行光和点光源模型不再适用，为实现精确的三维法向重建，必须对光源及光照场进行精确的标定。论文首先根据光源自身的发光特性建立其辐射度模型，进而提出了一种两步标定策略，对光源位置参数及主光轴参数进行标定。以相机作为参照系，提出了一种多球标定方法，用于计算各个光源的位置参数，该方法利用相机观察到的多个球面高光点图像坐标，结合球体轮廓线及球体半径实现了光源位置的精确计算。为实现光源主光轴参数的估算，提出了一种基于参考平面的标定方法，通过分析近似点光源照射下的平面亮度分布，结合等亮度线拟合策略实现了光源主光轴方向参数的计算。基于系统标定参数以及光源的发光模型，就可以对每个场景点的入射光条件进行精确建模，从而实现精确的法向计算。在实验部分，分别对标准几何物体和自由曲面物体进行三维重建实验，并与传统的平行光及点光源模型进行了对比。结果显示，所提出的标定方法能够在非均匀光照条件下获得精确的三维法向重建 结果。
2016, 5(5):49-58.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201605005
摘要:
文章针对传统太赫兹时域光谱成像技术存在的扫描时间长以及数据存储量大等问题，提出了一种基于压缩感知理论的空间欠采样太赫兹时域光谱成像方法。首先通过扫描电机获得目标非等间隔欠采样信号，然后利用压缩感知方法来重构缺失像素点的太赫兹信息。实验结果显示，当压缩比为 0.5 时， 所重构的太赫兹信号与全采样条件下的信号相关性可达 99.95%。通过对压缩重建图像的显示分析，时域图像中的缓变区域和频谱成像中的低频信号恢复效果较好。该方法为快速太赫兹光谱成像提供了一种有 效的技术手段。
文章针对传统太赫兹时域光谱成像技术存在的扫描时间长以及数据存储量大等问题，提出了一种基于压缩感知理论的空间欠采样太赫兹时域光谱成像方法。首先通过扫描电机获得目标非等间隔欠采样信号，然后利用压缩感知方法来重构缺失像素点的太赫兹信息。实验结果显示，当压缩比为 0.5 时， 所重构的太赫兹信号与全采样条件下的信号相关性可达 99.95%。通过对压缩重建图像的显示分析，时域图像中的缓变区域和频谱成像中的低频信号恢复效果较好。该方法为快速太赫兹光谱成像提供了一种有 效的技术手段。
2016, 5(5):59-66.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201605006
摘要:
论文提出了一种百纳焦量级全保偏掺镱光纤放大器系统的设计方法，该系统利用掺镱光纤锁模激光器作为种子源，采用啁啾脉冲放大技术，通过两级掺镱光纤放大，并对放大输出光进行压缩。实验结果显示，压缩后可获得单脉冲能量 113 纳焦，脉冲宽度 221 飞秒的激光输出。
论文提出了一种百纳焦量级全保偏掺镱光纤放大器系统的设计方法，该系统利用掺镱光纤锁模激光器作为种子源，采用啁啾脉冲放大技术，通过两级掺镱光纤放大，并对放大输出光进行压缩。实验结果显示，压缩后可获得单脉冲能量 113 纳焦，脉冲宽度 221 飞秒的激光输出。
2016, 5(5):67-73.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201605007
摘要:
文章采用了三镜环形腔内插入标准具获取高功率窄线宽可调谐 1 064 nm 激光。对环形腔的单向运行、标准具压窄线宽与调谐波长及激光大基模体积运转进行了理论分析与计算，结合实验优化了腔镜曲率与输出耦合率。在 808 nm 半导体激光泵浦功率 151 W 条件下，获得输出功率 33.7 W、光束质量因子 M 2＝1.28、线宽 0.1 GHz 的单向 1 064 nm 激光输出，相应的光转换效率 22.3%。采用高精度控温仪对标准具进行精确温控，实现激光波长的精密调谐。改变标准具温度获得 1 064 nm 波长调谐范围 72.6 GHz，调谐精度为 220 MHz。波长调谐过程中 1 064 nm 激光输出功率变化约 10%。整个系统稳定可靠，而且相对简单，较易实现，为获得可调谐窄线宽 1 064 nm 激光提供了实用有效的技术手段。
文章采用了三镜环形腔内插入标准具获取高功率窄线宽可调谐 1 064 nm 激光。对环形腔的单向运行、标准具压窄线宽与调谐波长及激光大基模体积运转进行了理论分析与计算，结合实验优化了腔镜曲率与输出耦合率。在 808 nm 半导体激光泵浦功率 151 W 条件下，获得输出功率 33.7 W、光束质量因子 M 2＝1.28、线宽 0.1 GHz 的单向 1 064 nm 激光输出，相应的光转换效率 22.3%。采用高精度控温仪对标准具进行精确温控，实现激光波长的精密调谐。改变标准具温度获得 1 064 nm 波长调谐范围 72.6 GHz，调谐精度为 220 MHz。波长调谐过程中 1 064 nm 激光输出功率变化约 10%。整个系统稳定可靠，而且相对简单，较易实现，为获得可调谐窄线宽 1 064 nm 激光提供了实用有效的技术手段。
2016, 5(5):74-82.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201605008
摘要:
上转换荧光材料在很多领域都具有新颖的应用潜力，然而其较低的发光效率给定量检测带来 了难度。文章针对上转换荧光材料发光效率较低的特点，利用角锥棱镜的光学特性，设计了一套新型的上转换荧光检测光路。该装置将传统单工荧光检测光路扩展为双工系统，利用同轴多芯光纤从角锥 棱镜两端同时接收荧光，提高了检测系统对微弱荧光的采集效率。在本研究中，设计了一系列实验来检验双工荧光收集光路的可行性，量化了荧光检测系统的线性度，从而证明了基于角锥棱镜上转换荧 光检测系统的可行性。
上转换荧光材料在很多领域都具有新颖的应用潜力，然而其较低的发光效率给定量检测带来 了难度。文章针对上转换荧光材料发光效率较低的特点，利用角锥棱镜的光学特性，设计了一套新型的上转换荧光检测光路。该装置将传统单工荧光检测光路扩展为双工系统，利用同轴多芯光纤从角锥 棱镜两端同时接收荧光，提高了检测系统对微弱荧光的采集效率。在本研究中，设计了一系列实验来检验双工荧光收集光路的可行性，量化了荧光检测系统的线性度，从而证明了基于角锥棱镜上转换荧 光检测系统的可行性。
2016, 5(5):83-89.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201605009
摘要:
光学微操控技术已从颗粒的捕获和传输拓展到颗粒的分选和导向等更高级的逻辑操控，硅基光镊技术因能突破衍射极限并操控亚微米量级的颗粒而成为了微操控领域中最重要的手段之一。传统的硅基光镊技术一般采用微环、定向耦合器和多模干涉仪等器件，通过调节波长实现颗粒导向操作。文章提出了一种通过偏振调控的硅基颗粒导向操作方法，通过时域有限差分设计和优化了系统结构参数，并验证了该结构在颗粒导向操作中的可行性。实验装置结构简单、体积小巧，且操控更加方便。
光学微操控技术已从颗粒的捕获和传输拓展到颗粒的分选和导向等更高级的逻辑操控，硅基光镊技术因能突破衍射极限并操控亚微米量级的颗粒而成为了微操控领域中最重要的手段之一。传统的硅基光镊技术一般采用微环、定向耦合器和多模干涉仪等器件，通过调节波长实现颗粒导向操作。文章提出了一种通过偏振调控的硅基颗粒导向操作方法，通过时域有限差分设计和优化了系统结构参数，并验证了该结构在颗粒导向操作中的可行性。实验装置结构简单、体积小巧，且操控更加方便。
