计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展（特邀）

散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。     

掺铁铌酸钾晶体中的光感生各向异性散射及其光学限制效应

光学限制器是光学系统的保护装置,其保护特性 是由光限制材料与光强或功率有关 的光学非线性效应所产生的,其中光折变晶体中的光感生散射便为该效应之一,多年来受到 世界研究者的广泛研究和关注。对于这类光感生散射,有人提出它是由晶体的表面和体散射 产生的,研究使用的晶体为 LiNbO₃:Fe、LiTaO₃、BaTiO₃,并使用固定的晶体样品和 聚焦透 镜间距。为了进一步探索该散射的产生机理,本文研究了掺铁铌酸钾晶体在激光照射下产生 的光感生各向异性散射特性,利用Z扫描技术测量了该晶体中的 光感生折射率变化,并对晶 体中光散射形成的光学限制特性进行了研究。分析表明该各向异性散射主要是由掺铁铌酸钾 晶体中光感生的柱面透镜效应所导致的。利用光折变晶体中光感生光散射效应的光学限制器 ,一方面可以通过改变晶体尺寸、透镜焦距、小孔光阑大小等来调整其性质,另一方面因其 利用的是低功率连续波激光进行工作,所以能够承受更大的功率和更长的寿命。     

散射效应对FSO-OFDM系统的影响研究与仿真

为了研究了大气散射效应对光信号的影响,以雨粒子为例,从其物理特性出发,应用Mie散射理论和Joss雨滴谱分布,计算了雨粒子对光波传输的衰减,在此基础上分析了光散射效应对自由空间光通信-正交频分复用系统性能的影响。结果表明,在散射信道中,自由空间光通信-正交频分复用系统的性能主要取决于散射造成的光强度起伏方差,其次为散射造成的光强度衰减系数。     

苯的二级相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)

设计了一套光路布置使用受激喇曼散射为相干光源,泵浦光子同受激光子之间混频,观测到苯的相干反斯托克斯喇曼散射共振现象,并获得很强的第二级相干反斯托克斯喇曼线.     

基于相位共轭实现散射成像及光学幻像的双功能散射光调控方法（特邀）

近年来，人们对散射光调控的研究取得了极大的进展，产生了许多有趣的应用。其中透过散射介质的成像和光学幻像是两个极为引人注目的方向，但它们不经常同时被研究。文中将深入探索散射光成像和光学幻像的内在联系，在此基础上提出一种新颖的双功能散射光调控方法以在同一实验装置中根据需求实现散射成像和光学幻像。通过优化光路，结合相位恢复技术检测散射波前，利用相位共轭技术和高分辨率的纯相位液晶空间光调制器可以实现补偿散射的影响或实现特定衍射波前的产生。该系统只需要数秒即可完成散射光调控，因此可以对变化缓慢的散射环境实现动态散射成像或对缓慢变化的物体实现稳定的动态光学幻像。理论分析和实验演示证实了该调控方法的可行性。这一散射光调控方法有望在浑浊介质中的光学成像、光学伪装、反侦察、复杂光场调控等领域找到潜在的应用。     

Engineered Light Scattering in Colloidal Photonic Heterocrystals

Photonic heterocrystals are prepared by sandwiching films of self‐assembled opal and force‐assembled Langmuir–Blodgett colloidal crystals. Anomalously strong light scattering in conjunction with low reflectivity is observed with increasing angle of incidence in the spectral range of photonic bandgaps. The occurrence of light scattering at the interface has been assigned to the optical mode mismatch between the two types of photonic crystals. Photonic bandgap‐related mechanisms of trapping the decaying photonic crystal modes at the interface are suggested.     

非视距散射光通信研究进展

以紫外光通信为代表的非视距散射光通信是针对自由空间光通信的一种补充手段,在军事局域保密通信中得到广泛应用.阐述了散射光通信中的信道建模、调制解调等关键技术的研究现状及其工作原理,介绍了当前主流的光源、光检测器、光滤波器和光学天线等关键器件,并分析其优缺点及今后可能的发展方向.     

光学镜面污染对激光传输特性的影响

光学镜面的散射对光学系统的性能有十分重要的影响。选用可见光0.632 8m、近红外光1.053 m 和热红外光10.6 m 三种激光波长，利用修正的米氏理论和光学表面的双向反射分布函数（BRDF）研究光学镜面在不同污染条件下激光的传输特性。研究结果表明:当镜面粗糙度远远小于入射光波长（ ）时，干净镜面的散射强度与成正比，与成反比。污染镜面散射强度与污染颗粒的尺寸和数量有关，颗粒分布越复杂，散射越显著。另外，波长越短，BRDF 越大，散射越复杂。     

基于高频微波技术的分布式光纤传感器布里渊散射信号检测

分析了布里渊分布式光纤传感技术原理,采用自行研制的光纤单纵模分布反馈(DFB)激光器结合电光调制技术,利用相干检测技术,对布里渊微弱后向散射信号进行检测。通过改进滤波放大技术,对微弱后向散射光信号进行有效放大,再用扰偏技术及信号采样平均处理,实现对光纤传感器后向布里渊散射信号在11 GHz高频段直接采集显示。结果表明,探测所得布里渊散射信号峰值功率可达50 mV,能有效降低解调系统信号检测难度,改善了系统信噪比(SNR)。初步实验结果证明了该方案的可行性。     

Precise measurement of gold nanorods by using depolarized dynamic light scattering apparatus

A precise and noninvasive method for the size and shape measurement of gold nanorods(GNRs) has been proposed based on depolarized dynamic light scattering(DDLS). A home-made DDLS apparatus has been established. By applying depolarized optical path with precise alignment method, the signal-to-noise ratio(SNR) of this apparatus is highly improved. GNRs with three different diameter and length has been precisely measured by using DDLS method as well as scanning electron microscopy(SEM). The thickness of adsorption layer of cetyltrimethylammonium bromide(CTAB) in solution has been taken into consideration. Results show that size measurement of GNRs by using DDLS method agrees very well with that by using SEM. In addition, it is shown that the extinction spectroscopy strongly limited the application of DDLS method by affecting the effective scattering light intensity. Proper laser wavelength should be chosen before the application of this method.     

光学薄膜界面粗糙度互相关特性与光散射

为了研究光学薄膜界面的互相关特性及光散射特性,介绍了光学薄膜的散射理论和模型。依据光学薄膜矢量散射的表达式,借助于总背向散射理论分析了光学薄膜界面互相关特性对光散射的影响,并用实验验证和分析了TiO2单层薄膜膜层厚度,K9玻璃基底粗糙度以及离子束辅助沉积(IBAD)工艺等因素对光学薄膜界面互相关特性的影响。结果表明,根据矢量光散射理论计算的光学薄膜界面互相关特性和光散射的关系与实验测量结果一致。随着基底粗糙度、薄膜光学厚度的增加,薄膜界面的互相关特性会变差,采用离子束辅助沉积的TiO2单层薄膜的膜层界面互相关性明显好于不用离子束辅助沉积的薄膜。     

基于布里渊损耗的单端分布式光纤传感系统研究

基于布里渊散射的分布式光纤传感系统以其可在整根光纤中同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息,进而成为传感领域国内外研究的热点。针对传统的布里渊光时域分析分布式传感器只能双端入射且成本较高的缺陷,探索性地提出了一种新型的单端布里渊损耗光时域分析传感结构。采用一台窄线宽激光器作为唯一光源,应用铌酸锂电光强度调制器调制入射光产生频移可调的脉冲泵浦光,与经过光纤布拉格光栅反射的连续探测光进行布里渊散射放大效应。通过检测探测光光功率,采用洛伦兹和高斯函数线性权重谱和Levenberg-Marquardt算法得到了不同脉宽下整根光纤布里渊损耗谱。实验结果初步证明了这种传感结构对于分布式测量是可行的,对单端BOTDA的研制具有一定的供参考价值。     

光盘信息坑散射光强的测量

波导多层存储是一种三维光存储技术，如何对光盘信息坑散射光强的测量是其须解决的关键技术之一。本文介绍了利用光学共轭技术测量光盘单个信息坑散射光强的实验原理，给出了采用光电倍增管测量光盘信息坑散射光强的实验结果。结果表明，利用该装置可以检测光盘有无信息坑时散射光强的变化，实现对信息坑散射光强及信息坑的测量，测出信息坑的大小与理论值一致。     

基于光学相位共轭的数字化波前整形技术（特邀）

光在生物组织中传播时,会被微观尺度上不均匀的组织随机散射,这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程,通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿,可以实现散射光的操控与重新聚焦。在各类波前整形技术中,基于光学相位共轭的数字化波前整形技术具有可调控自由度高、系统响应速度快等优点,最适宜与生物医学应用相结合,如生物活体成像、操控、治疗等。文中将重点关注基于光学相位共轭的数字化波前整形技术的发展,探讨该技术在应用研发中面临的主要技术瓶颈和挑战,并概述其应用开展情况。     

An experimental study of in-plane light scattering in titanium diffused Y-cut LiNbO3optical waveguides

This paper describes experimental studies on in-plane scattering of TE-polarized light in titanium-diffused Y-cut LiNbO3optical waveguides as a function of the diffusion process parameters of time, temperature, and the initial film thickness. The dependence of surface roughness on the waveguide fabrication parameters is also described. It has been found that as diffusion time and temperature are increased, in-plane light scattering firstly decreases but then eventually increases. The eventual increase in in-plane scattering is, apparently, because of growth of subsurface waveguide defects. From these studies, a reasonably consistent interpretation for the dependence of the quality of the optical waveguide on the waveguide fabrication parameters has emerged.     

固体散射体二维位移传感器的研究

应用激光多普勒效应 ,设计了用两声光调制器获得三束测量光的声光调制、双光束差动、大口径接收的光学结构 ,提出了计算机实时跟踪丢失信号的位移补偿方法 ,实现了对普通纸张表面和前苏联生产的各种加工方法(车、铣、刨、磨 )的粗糙度样板的二维面内位移的远距离测量 ,测量距离为 10m ,测量精度为± 0 5 %。     

随机分布反馈光纤激光器研究进展

随机分布反馈光纤激光器(RDFFL)是近几年才发展起来的一种新型光纤激光器。它在结构上区别于传统激光器,即无反射镜,激光的反馈通过光纤中随机分布的背向瑞利散射效应实现,因此是一种随机激光器。RDFFL通过光纤中的分布式拉曼散射效应获得增益,可实现稳定的、空间不相干的连续激光输出,被认为是一种重要的新光源,可用于非线性光学、光通信和传感等领域。对RDFFL的研究进展进行了综述,阐明了其工作原理,从理论上分析了其工作特性,并分析了其应用与发展前景。     

硬盘盘片表面疵病检测装置的光学系统设计

为了检测硬盘盘片表面疵病的大小是否符合标准,设计了一种检测装置.采用光的散射理论,结合硬盘盘片表面疵病的粗糙度等级和实验结果,利用光照射到粗糙表面时发生的散射现象、散射光的特性以及散射模型建立的理论基础,对4种散射模型进行了分析和比较.并以混合型散射模型为基础,利用光学设计软件完成了该检测装置的光学系统设计.结果表明,混合型散射模型的散射角最大、散射能量密度最大,最适合用于反映硬盘盘片表面疵病造成的散射现象.     

宽视场远距离光学散射成像技术研究进展

散射体内部颗粒分布及折射率分布的不均匀对经过散射体的携带目标信息的光子传播造成干扰,导致直接探测的图像失真。针对该问题,发展了众多的光学散射成像技术,实现了部分特定散射介质条件下的目标成像。介绍了基于弹道光子优化采集的部分传统散射成像技术的原理,还介绍了最新发展的计算散射成像技术的基本原理与技术特点。计算散射成像技术正朝着充分利用大光学厚度散射介质引起的非弹道光子的方向发展,其中基于光学记忆效应和相位恢复的算法、相干衍射成像、叠层迭代引擎等计算成像技术可能适应厚散射介质动态变化、目标非稀疏性等特点,有望应用于宽视场、远距离散射成像领域。