三重共轭消杂散光光学系统的设计方法研究（英文）

杂散光抑制能力是光学系统的重要评价指标.红外光学系统不仅受到外部杂散光影响,而且受到仪器内部杂散光影响.传统的"物-像"共轭光学系统的设计方法未能全面考虑杂散光的抑制问题.提出一种三重共轭光学系统的设计方法,该方法设计出的光学系统具有"物-像"、"物-中间像"和"入瞳-出瞳"三重共轭关系,具有同时抑制内部和外部杂散光的能力.基于该方法设计出一种离轴三反射式消像散光学系统,该系统F/#=4、一维线视场7°,离轴5度视场外点源透过率低于5×10~(-4),系统冷屏效率达到96%,并获得良好的在轨图像.     

具有二次成像的紧凑型离轴三反光学系统设计

从杂散光抑制与体积压缩的需求出发,设计出具备二次成像、实出瞳的紧凑型离轴三反光学系统。给出了一种二次成像离轴三反光学系统的初始结构搭建思路,并运用自由曲面优化系统,依据该方法设计出了焦距130 mm、F数1.3、线视场5°×0.1°的离轴三反光学系统。系统成像质量接近衍射极限,具有二次成像和实出瞳的杂光抑制特性,理论上可以实现100%冷光阑效率,具有超小F数1.3的紧凑型特点,可用于航空航天探测等对杂光抑制要求较高的军事领域。     

长焦距同离轴混合式三反光学系统

将一个同轴三反系统和两个离轴三反系统相结合,设计了同离轴混合式三反光学系统。同轴系统视场角为1°×0.1°,F数为7.3,工作波段为0.38~0.78μm和1.2~1.7μm;离轴系统视场角为2°×0.1°,F数为18.9,工作波段为0.38~0.78μm。两系统焦距同为14 m,可同时推扫成像,均具有中间像面和实际出瞳,便于抑制杂散光。优化后,像质均接近衍射极限,各视场、各波段奈奎斯特频率处调制传递函数均大于0.41,满足静态传递函数优于0.2的系统设计要求。全系统结构紧凑,易于加工和装调。     

紧凑型四反射镜光学系统设计

离轴四反射镜较之于TMA系统,可更好地满足无人侦察机对于光学系统小型化、轻量化的需求。给出了一种基于赛德尔像差理论的四反射镜光学系统的设计方法。依据该方法,设计了一个焦距1000 mm,视场1.6°,相对孔径为F/5的光学系统。系统结构紧凑,成像质量接近衍射极限,具有长焦距和良好的杂散光抑制能力,体现了四反射镜系统的优势,证明了该理论的可行性与实用性。     

高光谱成像仪的杂散光分析

杂光分析是保证高光谱成像仪成像质量的关键技术之一。详细分析了高光谱成像仪光学系统的杂散光,设计了R-C前置镜的遮光罩和挡光环,并用Tracepro软件对高光谱成像仪光学系统进行了光机建模,分析了系统的一次、二次散射面,根据重要杂散光路径设置重点采用,计算出0.5°~40°不同离轴角度下的点源透射比值,从而得到地球表面反射光在像面产生的照度为5.5×10-3W/m2,小于中心视场光线在像面照度的3.5%,满足系统抑制杂散光的要求。     

月基望远镜杂散光PST研究与测试

针对月基望远镜（LOT）杂散光抑制能力的验证,在地面采用点源透过率法对其遮光罩视场外杂散光抑制比进行了测试,并利用光学系统视场外不同离轴角的点源透过率（PST）来评价其杂散光抑制比。该PST测试方法突破了以往的杂散光测试方法,采用高精度星模拟器与EMCCD结合的思路,保证了探测器在其线性区域内具有大动态范围探测能力的特性,其动态探测范围可达1012,可满足指标PST（在22离轴角）测试值10-7的要求。该方法能更客观、更直接地反应遮光罩的杂散光抑制能力,其PST（在22离轴角）测试不确定度可优于60%,远远高于以往杂散光抑制比的测试精度。另外,讨论了该测试方法需改进的几点措施,PST测试预期目标可达10-12。最后通过试验对LOT相机遮光罩的杂散光抑制比进行测试,验证了LOT相机杂散光抑制比满足设计要求。     

大视场红外折反光学系统杂散光分析

杂散光分析是保证光学系统成像质量的关键技术之一,根据红外光学系统杂散光的定义,指出大视场红外光学系统的杂光来源,以及杂光对系统的影响,并且建立了消杂光结构。在消杂结构中,为了减少内部辐射,遮光罩内部使用反射式挡光环。采用TracePro软件对系统进行建模、仿真分析,结果表明此红外光学系统的杂散光得到很好的抑制:太阳杂光抑制水平PST可以达到10-5～10-8,内部辐射到达像面杂散光能量量级为10-10 Ｗ,系统可以实现清晰成像。     

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8°,相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。     

基于二维函数PST的离轴四反系统杂散光分析

离轴四反系统是顺应多光合一机载观瞄系统未来发展的光机核心部件。该类型系统容易受到视场外部强杂散光的影响,系统杂散光的点源透射率(PST)一般要求不大于10^-4量级,因此,对系统PST进行全方位扫描计算是分析和抑制其杂散光的关键。针对系统的非对称性,将PST作为随杂散光入射空间水平角和垂直角变化的二维函数,用以评价外部杂散光的影响,同时建立了水平角、垂直角与光机建模所需绕坐标轴旋转的过程量的对应转换关系,编制了仿真控制程序,通过调用LightTools软件实现杂散光的自动追迹和PST的二维扫描计算。对多光合一离轴四反系统,计算了整个入射半球空间内、所有方向的杂散光对应的PST分布情况,从而筛选出对机载观瞄应用影响较大的三路杂散光,寻找到其传输的路径和关键表面。基于此,设计了内部遮光罩和挡光环,优化系统内部的杂散光陷阱结构,使得系统的PST峰值由原来10^-1量级降低至10^-4量级,在规避角范围以外小于10^-7,可满足机载光电观瞄系统的使用要求。为离轴四反系统杂散光分析及抑制提供了依据。     

大视场日冕仪光学系统杂散光抑制

大视场日冕仪主要用来对215倍太阳半径内的日冕进行全周向观测以监测太阳活动并对影响日地空间的灾害性空间天气进行预警。根据杂散光抑制要求,将大视场日冕仪的光学系统设计成外掩透射式二次成像结构,其光学系统长度为355.89 mm,视场为±20°,焦距为40 mm。将大视场日冕仪杂散光按照光强分为三级,其中一级为太阳直射光,二级为外掩体和外窗口边缘的衍射光,三级为内掩体表面反射光、物镜口径边缘的衍射光和散射杂散光。对这三级杂散光分别进行抑制后得到内视场的杂散光抑制水平为10-9量级,外视场的杂散光抑制水平为10-13量级。     

一种新型光开关交换器

探讨了光偏振现象和旋光现象的特点 ,进而利用偏振和旋光现象提出一种新型光开关交换器。这种交换器具有结构简单、与输入光的偏振态无关、不会产生相位差、插入损耗和信道串扰小、响应速度快、器件体积小等优点 ,同时可以使用此器件和光波分复用 /解复用器相结合 ,方便地实现任意波长的上下路。对 2× 2开关交换器的性能进行了分析 ,结果表明它的插入损耗和信道串话都很小。     

自由空间光通讯中应用的光纤耦合系统设计

在分析光纤通信、光纤传感等系统光纤耦合特点的基础上，讨论了自由空间光通讯系统光纤耦合前端的设计理念和总体要求。给出了针对840m通讯波段的光纤耦合系统设计实例，并且对设计优化结果进行了分析。     

Optical Maintenance in PONs

The maintenance of the ODN (optical distribution network) in PONs (Passive Optical Networks) to be used for the future telecommunication access networks is discussed. A review of the techniques used to perform this function, aimed to guarantee the performances of optical cables, splices, connectors, and other passive components of the network, is provided. Post-fault maintenance (to detect, locate, and restore the faults) and preventive maintenance (to reduce the fault events) are both considered. The use of measuring and monitoring systems based on OTDRs (optical time domain reflectometers) is examined in detail, considering the different proposed schemes. These are based on reference reflectors set at the end of the branches, fiber selectors, wavelength division routing, chained branches, and use of dedicated fibers. An overview of the key components for the considered measuring and monitoring systems is given, considering the present status and the foreseeable evolution for the different devices: optical selectors, filters, reflectors, couplers, selective wavelength routers, and OTDRs.     

基于光二分路器的多路分光比的设计

提出一种设计多路分光器分光比的新方法--分解组合法.将多路分光器视为光二分路器的各种组合,分解后,引入等效光纤长度的新概念,将分光损耗对等折算为一定长度的光纤损耗,再利用光二分路器分光比的简便设计方法,巧妙地设计出多路分光器的各路分光比.     

无线光通信在国内的发展状况

介绍了无线光通信技术的起源，阐述了无线光通信技术的基本特点，着重分析了国内无线光通信技术的发展状况，并对无线光通信技术的发展趋势进行了讨论。     

分组交换技术在光传输网中的研究与设计

针对用电路交换技术传输OTN信号面临容量、速率受限的问题,研究了基于包结构的光传送网的优势并提出实现方案。文中首先介绍了分组交换网络和光传送网相结合的基本结构,以及OTN帧结构及混合网络中标准的包格式,最后描述了一个将OTN技术和数据包技术相融合的可实现结构。该结构能将光信道数据单元解复用为低阶形式,并将其切割为离散的数据包。切割好的数据包由标准包接口送往包交换芯片进行交换,交换后的数据包进入重组模块,将其重组为连续的数据流,再由复用模块将光信道数据单元复用到其高阶形态发送出去。     

中国东部典型城市群AOD 时空演变及预测

为精准预测我国东部典型城市群的气溶胶光学厚度 (AOD), 基于 2010–2019 年 MODIS 数据, 分析了京津冀、 长三角、珠三角区域之间以及区域内部的 AOD 时空差异特征, 构建了小波变换与 BP 神经网络相结合的 AOD 预测模 型, 并对典型城市群 AOD 进行了预测。研究结果表明: 1) 各城市群气溶胶浓度峰值均出现在夏季, 京津冀地区 AOD 均值最高, 长三角次之, 珠三角最小; 2) AOD 影响因素分析表明, 生产总值指数、人口密度、温度因素与 AOD 正相关, 植被覆盖指数 (NDVI)、降水量、风速与 AOD 负相关; 3) 各地区 AOD 预测结果其平均绝对误差 (MAE) 均低于 0.12, 误差小于 BP 神经网络预测结果, R2 均大于 0.75, 说明该模型相比 BP 神经网络, 能够有效提高 AOD 预测能力。     

星间光通信中跟踪控制技术及发展

星间光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,其中光学ATP系统的设计是关键技术之一。对ATP系统的特点进行了讨论,介绍了ATP系统中的跟瞄过程,综述了国内外在星间光通信ATP跟踪系统中所采用的控制算法,指出研究新的控制算法或新的PID参数整定方法,是提高ATP跟踪系统精度的发展方向。     

高速高效光电探测器的制备、测试及特性分析

报道了一种垂直入射的InP基InGaAs pin光电探测器,介绍了它的制备和测试方法并对器件所展示出的高效,高速,高线性度特性进行了分析。器件的暗电流密度在0和-5V偏压时分别为1.37×10-5 A/cm2和93×10-5 A/cm2;在1.55μm波长,-3V偏压下,器件的线性光响应高达28mW,相应的最大线性电流为17mA,响应度达到0.61A/W(无减反射膜);在-5V偏压下,器件获得高达17.5GHz的3dB带宽。     

Nanosensor Design Packages: A Smart and Compact Development for Metal Ions Sensing Responses

With recent advances in mesostructured materials and nanotechnologies, new methods are emerging to design optical sensors and biosensors, and to develop highly sensitive solid sensors. Here, highly sensitive, low cost, simple nanosensor designs for naked‐eye detection of toxic metal ions are successfully developed by the immobilization of commercially available α,β,γ,δ‐tetrakis(1‐methylpyridinium‐4‐yl)porphine p‐toluenesulfonate (TMPyP) and diphenylcarbazide (DPC), and chemically synthesized 4‐n‐dodecyl‐6‐(2‐thiazolylazo) resorcinol (DTAR) and 4‐n‐dodecyl‐6‐(2‐pyridylazo) phenol (DPAP) chromophore molecules into spherical nanosized cavities and surfaces. A rational strategy was crucial to develop optical nanosensors that can be used to control accurate recognition and signaling abilities of analyte species for ion‐sensing purposes. This is the first reported evidence of the significant key factors of the development of receptors as ‘indicator dyes' and surface‐confinement materials as ‘carriers' to broadening the applicability of optical chemical sensors for selective discrimination of trace levels of toxic analytes. In all the nanosensor design techniques presented here, a dense pattern of immobilized hydrophobic ‘neutral' and hydrophilic ‘charged' chromophores with intrinsic mobility, as a result of extremely robust constructed sequences on nanoscale structures, is a key to enhancing the sensing functionality of optical nanosensors. These nanosensor designs can be used as cage probe sinks with reliable control, for the first time, over the colorimetric recognition of cadmium ions to low levels of concentration in the range of 10^–9 to 10^–10 M . Optimization of control sensing conditions is established to achieve enhanced signal response and color intensities. These chemical nanosensors are reversible and have the potential to serve effectively in on‐site field analysis of environmental samples, which eliminates the necessity for instrument‐dependent analysis. Moreover, these new classes of optical cage sensors exhibit long‐term stability of signaling and recognition functionalities that in general provide extraordinary sensitivity, selectivity, reusability, and fast kinetic detection and quantification of various deleterious metal ions in our environment.