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综述

面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器
胡思奇, 田睿娟, 甘雪涛
2021, 14(5): 1039-1055. doi: 10.37188/CO.2021-0003
摘要:
二维材料因其独特的结构和优异的电子和光电性能,为硅基光电子集成器件提供了新的发展机遇。近年来,面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器已被广泛研究。本文梳理了构建光电探测器的几种二维材料基本特性及其探测机制,回顾了基于二维材料的硅光子集成光电探测器研究进展,总结了其器件结构和主要性能指标。最后,讨论了进一步提升硅光子集成二维材料光电探测器性能的策略,包括大规模二维材料集成器件的制备、器件结构与金属接触界面的优化以及新兴二维材料光电探测器的探索,以期推动二维材料在硅基光电子混合集成探测器领域的商业化应用。
光学频率梳的相干合成研究进展
马骏超, 孟丽丽, 张瑞雪, 卓笑, 倪凯, 吴冠豪, 孙栋
2021, 14(5): 1056-1068. doi: 10.37188/CO.2021-0071
摘要:
光学频率梳(光频梳)具有脉冲宽度窄、频率精度高、频率梳齿稳定以及相干性好等优良的时频域特性,近年来成为超快激光技术及计量科学等领域的研究热点,并发展成为一种重要的科研工具。近期,一类基于光频梳相干合成的新型光源,可实现对光的偏振或轨道角动量进行射频波段的周期性且高速稳定的调制。本文从光频梳的基本概念出发,分别就偏振调制和轨道角动量调制两个方面,详细介绍了基于光频梳相干合成新型光源的基本原理、实验技术以及表征手段等的最新研究进展。最后简要讨论光频梳相干合成技术在固体光谱学、光学操控、光与物质相互作用等领域的应用前景。
可调微纳滤波结构的研究进展
余晓畅, 许雅晴, 蔡佳辰, 袁梦琦, 高博, 虞益挺
2021, 14(5): 1069-1088. doi: 10.37188/CO.2021-0044
摘要:
传统的光谱成像系统体积较大、工作模式固定,难以满足日益复杂的应用需要。可调微纳滤波结构赋予了微型光谱成像系统轻量、灵活的独特优势,有望实现自适应、智能化的技术目标。本文综述了近些年来国内外已有的可调滤波方法和工作原理;论述了采用液晶及其他相变材料、诱导化学反应等静态式的可调方法,珐珀腔、微纳可调光栅等动态式的滤波结构以及机械拉伸、静电驱动、光驱动等实现手段;介绍了基于微流控芯片、石墨烯实现可调滤波的前沿工作;探讨了可调微纳滤波芯片面临的难题、挑战和未来的发展趋势。
弹性发射光学制造技术研究进展
李佳慧, 侯溪, 张云, 王佳, 钟显云
2021, 14(5): 1089-1103. doi: 10.37188/CO.2021-0022
摘要:
深紫外光刻、极紫外光刻和先进光源等现代光学工程需求牵引先进光学制造技术持续发展,要求超光滑光学元件表面粗糙度达到原子级水平以及表面全频段面形误差达到RMS(Root Mean Square)亚纳米量级甚至几十皮米,推动超光滑光学元件制造要求不断逼近物理极限。目前,对于如何实现上述超高精度要求的超光滑加工技术及装备仍然存在技术挑战。尤其对如何实现柱面,椭球面,超环面等复杂曲面的原子量级超光滑加工仍是国内外前沿研究方向。弹性发射加工技术是一种去除函数稳定,超低亚表面缺陷,面向原子级的超光滑加工方法,可以作为加工上述精度要求光学元件的手段。本文总结了弹性发射加工技术的国内外研究现状及最新进展,归纳了弹性发射加工技术的原理,包含流体特性、抛光颗粒运动特性和化学特性,弹性发射加工装备,影响弹性发射加工技术表面粗糙度提升和材料去除效率的因素,分析了弹性发射加工技术面临的问题,展望了未来的发展方向,期望为弹性发射加工技术进一步发展和应用提供一定的参考。
先进光刻中的聚焦控制预算(I)-光路部分
钟志坚, 李琛毅, 李世光, 郭磊, 韦亚一
2021, 14(5): 1104-1119. doi: 10.37188/CO.2021-0033
摘要:
随着大规模集成电路芯片制造的技术节点不断缩小,光刻机的聚焦控制变得尤为困难。为了保证硅片曝光的质量,需要快速、准确地将硅片在几十纳米的聚焦深度范围(DOF)内进行快速调整。因此,需要仔细分析光刻过程中导致焦点偏移或工艺窗口变化的各种因素,制定合理的聚焦控制预算,将各种误差因素控制在一定范围内。本文聚焦极紫外(EUV)光刻,综述包含EUV在内的先进光刻机中光路部分对聚焦控制有影响的各种因素,总结它们产生的原理及仿真、实验结果,为开展先进光刻聚焦控制预算研究提供参考。
近1 μm波段可调谐光纤光源的研究进展
党文佳, 高奇, 李哲, 李刚
2021, 14(5): 1120-1132. doi: 10.37188/CO.2021-0125
摘要:
近1 μm波段的可调谐光纤光源在光纤传感、激光冷却、光化学、光谱学以及医疗等领域具有广泛应用,近年来成为光纤光源领域的一个研究热点。本文首先系统回顾了能够实现波长调谐的4类光纤光源的发展历程,然后分析了它们存在的问题及可能的解决思路,最后对近1 μm波段可调谐光纤光源进行了总结和展望。
半导体激光器系统输出混沌激光研究进展
匡尚奇, 郭祥帅, 冯玉玲, 李博涵, 张依宁, 于萍, 庞爽
2021, 14(5): 1133-1145. doi: 10.37188/CO.2020-0216
摘要:
混沌激光由于其类噪声的随机性和优良的抗干扰性,广泛应用于混沌保密通讯、激光雷达、光学检测等方面,而且半导体激光器自身体积小且结构稳定,成为产生混沌激光的主要激光器之一。但是,常规光反馈结构的半导体激光器系统输出的混沌激光信号带宽较窄且存在延时特征,这严重影响了混沌激光的应用。针对半导体激光器系统的上述问题,本文综合介绍了降低延时特征和优化混沌激光带宽的研究进展,对混沌保密通讯十分重要的混沌激光的同步性研究进展和半导体激光器系统输出的混沌激光在应用方面的研究进行了总结,并最终对半导体激光器系统输出的混沌激光的未来发展与应用前景进行展望。
增强现实显示技术综述
史晓刚, 薛正辉, 李会会, 王丙杰, 李双龙
2021, 14(5): 1146-1161. doi: 10.37188/CO.2021-0032
摘要:
增强现实显示技术近年来发展迅速,已成为全球信息技术及产业的研究热点和发展重点,有望彻底改变人们感知和处理各种数字信息的方式。同时,微显示技术和光学技术的最新进展为增强现实显示技术的进一步发展指明了方向。本文分析了人眼视觉系统对增强现实头戴式显示器的光学性能要求,将目前增强现实头戴式显示器可实现的规格与之进行比较,说明了现阶段增强现实显示技术的发展水平和面临的主要挑战;重点阐述了增强现实显示技术中各种微显示器和光学组合器的基本原理和所能达到的参数指标,说明了它们的技术先进性和可实现性,同时对它们的发展前景进行了展望。
显微条纹投影小视场三维表面成像技术综述
王永红, 张倩, 胡寅, 王欢庆
2021, 14(3): 447-457. doi: 10.37188/CO.2020-0199
摘要:
智能制造不断向着精密化、微型化、集成化的方向发展,具有代表性的集成电路技术及其衍生出的MEMS等微型传感器技术等得以迅猛发展,快速精确地获取微型器件表面信息并进行缺陷检测对于集成电路和MEMS等产业发展具有重要意义。基于结构光的条纹投影技术具有非接触、高精度、高效率、全场测量等优点,在精密测量中发挥着重要的作用。近年来,显微条纹投影测量系统,包括其光学系统结构,系统标定,相位获取以及三维重建方法等各个方面取得了重大发展。本文回顾了显微条纹投影三维测量系统的结构原理,分析了不同于传统投射模型的小视场系统标定问题,介绍了显微投影系统结构发展过程,同时对由系统结构以及金属测量时造成的反光问题进行了分析,在此基础上,对显微条纹投影三维测量系统的发展前景进行了展望。
中红外Fe2+:ZnSe激光器研究进展
徐飞, 潘其坤, 陈飞, 张阔, 于德洋, 何洋, 孙俊杰
2021, 14(3): 458-469. doi: 10.37188/CO.2020-0180
摘要:
发光谱位于3~5 μm大气窗口处的中红外激光在医疗、工业加工、大气遥感、空间通讯、红外对抗等领域具有广泛的应用前景。以过渡金属(TM)掺杂Ⅱ~Ⅵ族硫化物晶体作为增益介质的激光器件可实现中红外激光输出,其中Fe2+:ZnSe激光器具有转换效率高、中红外波段可调谐范围宽、结构紧凑等优点,是中红外波段实现高功率、高能量、短脉冲的最有效途径之一。随着近些年材料技术的发展,Fe2+:ZnSe激光器发展迅速,逐渐成为热点之一。本文综述了以Fe2+:ZnSe激光器为代表的TM2+:Ⅱ~Ⅵ族激光器的发展历程,介绍并分析了Fe2+:ZnSe增益介质的制备方法,讨论了影响Fe2+:ZnSe激光器性能的泵浦源及因素,综合评述了Fe2+:ZnSe激光器的输出特性,总结了Fe2+:ZnSe激光器在室温和超短脉冲方向上的最新进展,并展望了Fe2+:ZnSe激光器后续可能的发展方向。
便携式激光诱导击穿光谱最新研究进展
曾庆栋, 袁梦甜, 朱志恒, 陈光辉, 汪婕, 余华清, 郭连波, 李祥友
2021, 14(3): 470-486. doi: 10.37188/CO.2020-0093
摘要:
作为一种新型快速的物质成分分析技术,激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)已经在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力。然而,由于野外作业或工业现场检测环境嘈杂恶劣,对仪器设备的尺寸和抗恶劣环境的能力提出了更高的要求。近年来,新型激光器的发展进一步促进了LIBS仪器化的进程,使得其逐渐从实验室迈向工业应用,同时也使得LIBS系统逐渐趋于仪器化、专业化、便携化。本文综述了便携式LIBS的发展历程,对各种激光光源(小型Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案)应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论,探讨了当前便携式LIBS存在的基本问题,并对其未来发展趋势进行了展望。
Research progress of the laser vibration measurement techniques for acoustic-to-seismic coupling landmine detection
LI Jin-hui, MA Hui, YANG Chen-ye, ZHANG Xiao-qing, LUO Xin-yu, WANG Chi
2021, 14(3): 487-502. doi: 10.37188/CO.2020-0134
摘要:
Acoustic-to-seismic coupling landmine detection technology based on the unique mechanical characteristics of landmines and the acoustic-to-seismic coupling principle has broad application prospects in safe and effective detection of landmines. However, a significant amount of work must be done to study the practical landmine detection system. Among them, the acoustic coupled surface vibration signals are very weak and complicated, which has always been a challenging problem to detect such signals accurately and quickly. In this paper, the non-contact laser measurement techniques of surface vibrations based on the principle of the acoustic-to-seismic coupling landmine detection technology were reviewed, including laser Doppler interferometry, electronic speckle pattern interferometry and laser self-mixing interferometry, etc., and the application feasibility of electronic speckle-shearing pattern interferometry in acoustic-to-seismic coupling landmine detection was analyzed.
新型电光材料调制性能研究进展
吕潇磊, 赵继广, 杜小平, 宋一铄, 张朋, 张建伟
2021, 14(3): 503-515. doi: 10.37188/CO.2020-0039
摘要:
基于电光晶体的偏振调制技术在激光三维成像领域起着越来越重要的作用。受限于铌酸锂(LN)材料的低视场和高半波电压,采用传统电光调制技术难以进一步提升三维成像性能。随着钙钛矿结构电光材料制备工艺的日趋成熟,基于新型材料的电光调制技术将成为突破激光三维成像探测精度的最佳手段,铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)、锆钛酸镧铅(PLZT)和钽铌酸钾(KTN)3种典型材料具有优良的电光性能和介电性质;能够突破视场和半波电压的限制,但应用到电光调制领域时存在PMNT调制带宽较低、PLZT透过性能较差、KTN实际应用带宽较低等难题。未来的研究将着眼于将该调制技术的实用性,一方面通过掺杂改性等手段提升电光调制性能,另一方面通过建立性能表征模型优化系统的信噪比。
可见光通信中正交频分复用调制技术
徐宪莹, 岳殿武
2021, 14(3): 516-527. doi: 10.37188/CO.2020-0051
摘要:
可见光通信(VLC)由于可以弥补射频通信的不足而成为研究热点,正交频分复用(OFDM)技术因其高数据速率和抗频率选择性衰落被广泛应用在VLC中。本文从能量效率、频谱效率、误码率、计算复杂度等方面对可见光通信系统中OFDM调制技术进行研究和比较,主要包括基于离散傅立叶变换的单极性方案、改进或增强型方案和混合型方案,基于哈特莱变换的光OFDM,以及基于LED索引调制的光OFDM。文中介绍了多种光OFDM调制技术的工作原理综合对比了频谱效率等性能;研究了光OFDM系统接收机改进方案;总结了可见光OFDM系统存在的问题和未来研究方向。本文对可见光OFDM系统进行归纳和总结,为提出更加高效的单极化调制技术、进一步提高系统频谱效率及可靠性提供了参考。
光学自由曲面自适应干涉检测研究新进展
张磊, 吴金灵, 刘仁虎, 俞本立
2021, 14(2): 227-244. doi: 10.37188/CO.2020-0126
摘要:
光学自由曲面因其表面自由度较多而难于进行检测。干涉检测法具有高精度非接触的特点,但传统干涉仪中的静态补偿器在自由曲面加工过程中未知面形不断变化的情况下,难以实现原位检测。因此,可编程控制的大动态范围自适应补偿器成为近年来自由曲面干涉检测中的研究热点。结合课题组在自由曲面自适应干涉检测领域的工作,介绍了光学自由曲面自适应干涉检测的最新研究进展,详细分析了基于可变形镜和空间光调制器的自适应干涉检测技术,介绍了针对干涉图目标的自适应控制算法,总结了两大类自适应检测方法的优点以及发展瓶颈,并对未来自由曲面的自适应检测技术进行了展望。
Interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics
WU Ni-shan, XIA Li
2021, 14(2): 245-263. doi: 10.37188/CO.2020-0121
摘要:
Quasi-distributed fiber sensing systems play an important role in the fields of civil engineering, energy surveying, aerospace, national defense, chemicals, etc. Interrogation technology for quasi-distributed fiber sensing systems based on microwave photonics is widely used in high-speed and high-precision signal demodulation and sensor positioning in optical fiber multiplexing systems. Compared to conventional optical wavelength interrogation, this technology greatly improves system demodulation rate and compensates for the defects of traditional sensor positioning methods. This paper introduces the recent research progress of quasi-distributed fiber sensing interrogation technology based on microwave photonics; compares and analyzes the advantages and disadvantages of several existing microwave demodulation systems from the perspective of their fiber grating quasi-distributed sensing and fiber Fabry-Perot quasi-distributed sensing systems, respectively; and provides a summary of the prospective direction of future research in quasi-distributed fiber sensing interrogation technology based on microwave photonics.
0.9~1.0 μm近红外连续光纤激光器的研究进展
党文佳, 李哲, 卢娜, 李玉婷, 张蕾, 田晓
2021, 14(2): 264-274. doi: 10.37188/CO.2020-0193
摘要:
波长为0.9~1.0 μm的近红外连续光纤激光器在高功率蓝光和紫外激光产生、高功率单模泵浦源、生物医学以及激光雷达等领域具有重要的应用前景,成为近年来的一个研究热点。目前,0.9~1.0 μm光纤激光器的增益机制主要有稀土离子增益和非线性效应增益,本文详细梳理了基于这两类增益机制的0.9~1.0 μm连续光纤激光器的研究进展,并深入分析了各类激光器存在的技术瓶颈及解决途径,最后对0.9~1.0 μm光纤激光器的发展趋势和应用前景进行了展望。
面向天基引力波探测的时间延迟干涉技术
王登峰, 姚鑫, 焦仲科, 任帅, 刘玄, 钟兴旺
2021, 14(2): 275-288. doi: 10.37188/CO.2020-0098
摘要:
时间延迟干涉技术(Time-delay Interferometry,TDI)对中国引力波探测项目及其它天基激光精密测量任务具有重要的参考价值。在天基引力波探测任务中,需利用激光干涉仪对无拖曳检验质量块间实现十皮米量级的位移测量精度。其中,激光源频率噪声和时钟频率噪声是两项主要噪声。在欧洲主导的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)引力波探测项目中,利用TDI对三星上的十二组相位测量值进行延迟和线性组合,构造出臂长相等的干涉仪,从而消除了激光源噪声以及光学平台位移噪声。为了消除时钟噪声,将时钟信号倍频到GHz,再通过相位调制的方式加载到星间激光链路上,最终从时钟边带拍频信号中提取出时钟噪声,并在TDI的数据组合中将时钟噪声项消除。为了实现TDI的时间延迟处理,要求对星间绝对距离进行精确测量。因此,在TDI机制中,星间激光链路需要同时实现位移测量、时钟边带调制和绝对距离测量3个功能。其中,后两个功能分别大约消耗10%和1%的载波激光功率。LISA项目针对TDI技术的地面论证结果表明,TDI技术对激光源和时钟的噪声抑制分别达到了109和5.8×104倍。
微小卫星激光通信系统发展现状与趋势
高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 马爽, 牛艳君, 杨会生
2020, 13(6): 1171-1181. doi: 10.37188/CO.2020-0033
摘要:
空间激光通信凭借其速率高、体积小、质量轻和功耗低的优势,成为卫星间高速通信不可或缺的有效手段,特别在微小卫星应用场合,更能体现激光通信的优势。文章详细介绍了微小卫星激光通信技术领域最新的研究进展。在此基础上,总结了需要突破的同轨终端轻小型化、异轨终端轻小型化、大气湍流影响抑制等关键技术,归纳了工程化应用、双工通信、单点对多点、国产化和批产能力5个方面的发展趋势。
激光散斑目标探测技术综述
郜魏柯, 杜小平, 王阳, 杨步一
2020, 13(6): 1182-1193. doi: 10.37188/CO.2020-0049
摘要:
基于激光散斑的目标探测技术是一种长期以来被人们忽略的激光探测技术,该技术将传统激光探测技术中视为噪声的激光散斑视为新的信息来源,通过分析激光散斑形成机理探究散斑统计特性与目标物理特性间的关系,并结合行之有效的分析反演方法来获得包括目标形状、尺寸、表面粗糙度以及动力学参数等信息。与传统激光探测技术相比,基于激光散斑的目标探测技术具有结构简单,对光学系统要求低,对目标表面物理特性及微动特性敏感等特点,目前已广泛应用于航天、医学、工业、军事等多个领域。本文对近年来各类基于激光散斑的目标探测技术进行了分类总结,对各类探测方法的用途和优缺点以及适用环境进行了对比分析,对未来基于激光散斑的目标探测方法的发展趋势加以分析。
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