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光学学报
光学学报

曹健林

月刊

0253-2239

aos@siom.ac.cn

021-69918427

201800

上海市嘉定区清河路390号（上海800-211信箱）

光学学报/Journal Acta Optica SinicaCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本学报是国内外公开发行的光学学术刊物，反映中国光学科技的新概念、新成果、新进展。内容主要包括量子光学、非线性光学、适应光学、纤维光学、激光与物质相互作用、激光器件、全息和信息处理、光学元件和材料等。为我国光学科技人员与国内外同行进行学术交流、开展学术讨论以跟踪学科前沿和发展我国光学事业服务。
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    一种高性能40×30单光子雪崩探测器dTOF传感芯片

    左海杰杨振兴李昕霞胡之厅...
    1-9页
    查看更多>>摘要：介绍了一种新型高性能背照式(BSI)单光子雪崩二极管(SPAD)阵列传感器的设计和性能特性。该结构采用20 µm像素设计，具有低击穿电压及小温度系数的特点。该传感器采用3D堆叠制造，SPAD晶圆和逻辑晶圆之间通过Cu—Cu混合键合来增大光子接收面积，SPAD晶圆采用55 nm BSI工艺制成，逻辑晶圆采用40 nm逻辑工艺制成。通过在BSI像素结构中引入光子散射结构、底部反射镜和微透镜等进一步提高了光子吸收率。器件的雪崩电压低于20 V，雪崩电压温度系数为18 mV/℃，4 V过偏压下905 nm光子探测效率(PDE)的典型值为28。8％。实际应用中可以通过调节填充因子和雪崩区电场来调节器件的PDE。该传感器的暗计数率(DCR)为14Hz/µm2，Afterpulse小于0。5％，Crosstalk小于0。5％，jitter为350 ps，具有良好的探测性能。该传感器为高性能dTOF(direct time of flight)测距芯片提供一种可量产的市场解决方案。该传感器设计不仅可适用于各种移动端的应用，如移动和虚拟现实/增强现实(VR/AR)等对PDE要求不高的场景，而且可以应用于车载自动驾驶、无人机等对PDE要求较高的应用场景。

    单光子雪崩二极管背照式光子探测效率暗噪声串扰

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    基于矢量伴随优化的激光分束衍射元件研究

    陈国徽夏良平王春艳党随虎...
    10-17页
    查看更多>>摘要：基于传统傍轴近似的标量衍射理论在设计大角度衍射元件时，实际衍射光场分布与理想光场分布差异很大。本文提出采用矢量衍射理论结合伴随迭代优化算法设计大角度衍射光学元件，实现大角度衍射元件的快速优化设计。结合实际衍射光场分布需求，通过傅里叶迭代算法寻找大角度衍射元件初始相位分布，并将其转换成介电常数分布，采用时域有限差分矢量方法计算正向场和伴随场的场强分布，获得介电常数的梯度分布。根据梯度方向优化衍射结构，以提升衍射光场的分布均匀性。为了验证该方法的有效性，以激光均匀分束为例，基于该方法设计了632。8 nm波长下最大衍射角达78°的7×3衍射分束结构，通过电子束光刻和纳米压印工艺在常规折射率材料上完成了衍射元件的制作，分束均匀性误差达到了29。14％，证明了该设计方法的有效性。本文提出的方法对不同要求的大角度激光分束衍射元件的设计具有重要的指导意义。

    矢量衍射伴随法高均匀性激光分束

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    基于以太网接口的水下无线光中继通信系统设计

    杨祎封一博窦雨昂张建磊...
    18-29页
    查看更多>>摘要：由于水下无线光通信(UWOC)在水下传输距离有限且辐照范围受环境约束，提出一种基于蓝绿波分的链式中继网络拓扑结构，在延长数据传输距离的同时也可改变数据传输方向。首先，针对电光/光电异构数据类型，设计了基于以太网数据的层级数据处理结构，解决了高速并行以太网数据到低速串行光信道数据的转换问题。其次，针对无线光数据传输模式，设计了一种引导序列、类串口字符帧结构和数据转发协议，在节省系统能耗的同时，提高了系统可靠性。最后，使用现场可编程门阵列(FPGA)实现了这些算法和协议，搭建了实验系统，探究了在不同的传输速率和接收光功率的情况下，引导序列长度对系统数据可靠传输的影响，并在3 m标准实验水箱中测试了不同速率的三点级联系统性能。实验结果表明，当引导序列长度为3～22 B时，相比于端对端通信系统数据丢帧率的传输距离，中继级联系统在相同丢帧率下可成倍地延长水下通信距离。

    水下无线光通信中继系统以太网异构数据FPGA

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    基于多项式曲面解耦算法的光纤温盐度传感器

    吴新新常建华胡子怡柯欣怡...
    30-41页
    查看更多>>摘要：提出一种基于半开腔结构的全光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)传感器，并用于海水温度和盐度的同时测量。该传感器是将一段单模光纤(SMF)熔接在两段具有较大横向偏移的多模光纤(MMF)中制作而成的。海水温度和盐度的变化会改变两束干涉光之间的相位差，进而导致透射光谱中干涉倾角波长发生偏移，从而实现对温度和盐度的高灵敏度测量。实验结果表明，该传感器的最大温度和盐度灵敏度分别为2。1636 nm/℃和-2。65 nm/‰。针对海水温度与盐度之间存在的串扰问题，采用包含交互作用项的二次多项式曲面拟合非线性解耦算法可实现数据的精确解耦，相较于常用的线性解耦算法，其测量误差明显降低。该传感器灵敏度高，性能稳定，在复杂的海洋环境参数检测中具有广阔的应用前景。

    光纤传感器马赫-曾德尔干涉解耦算法温度盐度

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    聚合物光纤阵列面板的先进制备技术与成像性能研究

    马西响任宏宇乔辉王梓舟...
    42-52页
    查看更多>>摘要：旨在开发一种高性能聚合物光纤阵列面板的制备技术，并评估其在光学成像领域的潜在应用价值。采用预制棒成型-拉丝-排板-热压等工艺流程，成功制备了聚合物光纤阵列面板。通过基于Box-Behnken响应曲面法设计模型，对热压工艺进行优化，系统考察了热压温度、压力及热压时间等参数对光透过率的影响。实验结果表明，二阶多项式回归模型方程能够很好地拟合所有自变量，在最佳反应条件下，即热压温度为181。8 ℃、压力为0。28 MPa、热压时间为40。8 min时，所制备的聚合物光纤阵列面板的光透过率达到94。07％。此外，对面板的传像性能及成像效果进行了全面评估，结果显示，所制备的聚合物光纤阵列面板的最大像位移为240 µm、放大率为(100±2)％、分辨率高达10。10 lp/mm，成像清晰。这些研究结果为聚合物光纤阵列面板在光学成像领域的应用提供了有力的技术支持。

    光纤光学集成光学元件光纤元件光纤成像聚合物成像系统

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    基于经验模态分解的折射率、pH和温度三参量同时检测光纤传感器

    闵洋常建华柯欣怡吴新新...
    53-64页
    查看更多>>摘要：提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)和马赫-曾德尔干涉(MZI)效应结合经验模态分解(EMD)同时对折射率、pH和温度进行检测的光纤传感器。该传感器由空芯光纤(HCF)与两段多模光纤(MMF)构成，利用银纳米膜和聚丙烯酸/壳聚糖(PAA/CS)高折射率pH敏感材料将HCF的侧面划分成区域I和区域Ⅱ，分别用于测量折射率(单位为RIU)和pH。通过EMD将区域Ⅲ中由环境温度变化所产生的MZI干涉光谱分解为本征模态函数(IMF)，建立温度变化与IMF之间的关系，扩大对温度变化的动态测量范围，实现温度补偿。实验结果显示，传感器在1。333～1。370折射率范围内的灵敏度达到了2381。71 nm/RIU，在4。12～10。14的pH值范围内的灵敏度为-14。62 nm/pH，在20～80 ℃温度范围内的温度灵敏度为85。27 pm/℃，在海洋环境监测、生物化学检测等领域具有广泛的应用前景。

    表面等离子体共振马赫-曾德尔干涉仪经验模态分解多参数传感

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    超几何高斯光束在吸收型各向异性海洋湍流中的平均信道容量

    常帅陈航张鹏何爽...
    65-75页
    查看更多>>摘要：超几何高斯(HyGG)光束具有近似无衍射、自聚焦和自重构特性，有望用于提升基于轨道角动量(OAM)的水下光通信系统的信道容量。基于Rytov近似及广义惠更斯菲涅耳原理推导了HyGG光束在吸收型各向异性海水信道下的OAM探测概率及平均信道容量的解析表达式。分析了HyGG光束在无湍流衰减信道下的光强分布，并详细探究了光源参数、信道环境参数及通信系统参数对HyGG光束传输及通信质量的影响。结果表明，HyGG光束的自聚焦能力随空心度参数的增大而增强。光束的波长、OAM模式数、束腰半径、空心度参数以及发射功率、接收孔径尺寸、OAM信道数、传输距离、湍流的强度、各向异性程度、内外尺度均会对通信系统的平均信道容量产生影响。通信系统误码率与平均信道容量变化趋势相反。此外，空心度参数大于0的HyGG光束在远距离传输下的传输及通信特性优于拉盖尔高斯(LG)光束及高斯涡旋(GV)光束。这些结果对基于HyGG光束的水下光通信链路的搭建具有重要指导意义。

    超几何高斯光束海洋湍流轨道角动量误码率平均信道容量

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    空间光谱耦合型多光谱相机的辐射定标

    吴旋杨斌李先峰张军强...
    76-85页
    查看更多>>摘要：为了实现空间光谱耦合型多光谱相机的高精度光谱辐射测量，构建辐射响应模型并提出了一种辐射定标方法。通过研究空间光谱耦合型多光谱相机的分光原理和成像过程，根据辐射传输理论推导建立其完整的辐射响应模型。基于所构建的辐射响应模型，提出采用多光源组合的实验室辐射定标方法，实现光源在光谱与辐射两个维度的同时变化，从而建立关于辐射响应的超定方程组，通过全链路光谱辐射传输计算辐射响应系数的初值，并采用梯度下降法解算辐射响应系数的最优解。分别从实验室和外场验证了辐射响应定标系数的准确性。针对空间光谱耦合型多光谱相机，构建的辐射响应模型及提出的辐射定标方法消除了不同波段辐射响应重叠带来的影响，以保证该类型多光谱相机的光谱辐射测量精度。

    多光谱耦合辐射响应模型辐射定标梯度下降法

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    基于贝塞尔光束对被遮挡物体的单像素成像

    杨子璇蒋雪松汤宇晨吴晶晶...
    86-97页
    查看更多>>摘要：在复杂环境下，单像素成像通常被认为比传统成像具有更高的稳定性。针对物体被不透光障碍物遮挡的情况进行分析，利用数字微镜阵列(DMD)获得扫描贝塞尔光束，将其作为照明模式实现单像素成像(Bessel-SPI)。不同于点扫描成像方法，通过选择合适的扫描步长，在相同低采样率下，Bessel-SPI可以在无障碍物遮挡下获得和常用的Hadamard-SPI相近的成像质量。而在不透光障碍物遮挡时，Bessel-SPI展现出更大的优势。重点分析了障碍物和物体不同的轴向位置以及障碍物形状对成像结果的影响，证明了Bessel-SPI对被遮挡物体的完整成像是需要条件的，只有当各种因素共同作用使得受障碍物影响的Bessel光束获得较好的自愈合效果时，才有可能获得物体的完整图像。

    成像系统单像素成像压缩感知贝塞尔光束

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    最短基线长度对集成干涉系统的影响

    张震曾雪锋刘洋王灵杰...
    98-106页
    查看更多>>摘要：集成干涉成像是一种兼顾高分辨率和轻量化优势的远场成像技术，有望在保证高分辨率的同时将体积和功耗减小至1/10。针对最短基线长度对该系统成像的影响进行研究。首先，对集成干涉成像系统的工作原理进行分析，并结合采样定理，得出最短基线长度与最大观测视场之间的约束关系。然后建立仿真流程，在透镜匹配形式不变的情况下，通过调整微透镜间隔以改变最短基线长度，最终得到恢复图像。结果表明:在满足视场要求的情况下，通过延长基线可以提高系统的分辨能力，但是一旦突破最大观测视场的限制，由于空间混叠的存在，系统成像质量会明显下降，对应恢复图像的均方根误差平均增加31。02％，峰值信噪比平均下降28。21％。

    成像系统干涉成像干涉基线计算机仿真

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