增强现实显示衍射光波导的设计

提出了在波矢k空间中设计衍射光波导片的相关理论,系统仿真并研究了光线波长、光栅周期、光栅时钟角、波导基底折射率以及波导基底折射率色散对衍射光波导视场角以及相关设计参数的影响.设计结果表明,当使用宽光谱光源时,光谱带边缘波长的视场存在切割,对显示效果影响不大,衍射光波导片适用于宽光谱光源.波导基底折射率色散对衍射光波导设...     

超表面在增强现实近眼显示中的应用研究进展

增强现实近眼显示器是信息显示技术领域的研究热点之一。针对传统近眼显示系统结构存在的视场与体积不能兼顾的瓶颈技术问题,超表面光学元件凭借其光场多维物理量的调控能力和平面集成化优势,为开发大视场轻薄紧凑化的近眼显示器提供了新思路。首先介绍了超表面光场调控原理,重点分析了基于超表面的多种增强现实近眼显示光学系统设计方案,主要包括基于超表面和自由曲面的光学系统设计方案、基于超表面的视网膜投影显示设计方案、基于超表面的光波导设计方案及全息显示设计方案等,讨论了超表面在增强现实近眼显示领域面临的挑战,并对其未来的前景进行了展望。     

超表面VR/AR显示技术研究进展

虚拟现实（VR）和增强现实（AR）是继计算机、智能手机和互联网之后出现的下一代革新技术,正在改变我们感知和沟通世界的方式。近年来,VR/AR头戴显示器蓬勃发展,对高分辨、高亮度的微型显示设备和小体积、轻质量的近眼显示光学系统的需求也越来越迫切。超表面作为一种在二维平面上排布亚波长纳米结构的新型超薄光学元器件,具有超越传统光学器件的强大电磁波调控能力,正在推进VR和AR设备向着小型化、轻量化方向发展。首先简要介绍VR/AR显示技术的基本原理并回顾发展历程;重点分析超表面和超透镜在VR/AR近眼显示光学系统中的设计原理、性能特点及应用方法,以及超表面在微型显示设备中的作用和应用效果;随后介绍超表面微纳加工技术和大面积批量制备方法;最后对超表面VR/AR显示技术进行总结,并对其发展前景进行展望。     

面向光束整形的自由曲面衍射光学设计方法(特邀)EI北大核心CSCD

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制,在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类,其中几何光学方法由于忽略了衍射效应,导致一些情形下的光束整形效果不够精细,但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件,同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法,然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展,最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。     

增强现实显示的偏振不敏感光栅波导研究

一般的光栅波导式头戴显示器因偏振敏感不能同时使用横电（TE）偏振光和横磁（TM）偏振光进行成像显示。为解决该问题,基于遗传算法与严格耦合波分析法提出了一种偏振不敏感光栅的设计方法。制作了偏振不敏感的光栅波导,进行了光栅波导的衍射效率测量实验。该光栅工作波长为532 nm。耦入光栅对TE偏振光的平均衍射效率从6.1%提高到了21.0%,对TM偏振光的平均衍射效率从13.7%提高到了40.5%,对非偏振光的平均衍射效率从9.9%提高到了30.7%。耦出光栅对TE偏振光的平均衍射效率从3.1%提高到了12.1%,对TM偏振光的平均衍射效率从0.8%提高到了10.7%,对非偏振光的平均衍射效率从1.9%提高到了11.4%。搭建了显示系统样机,测试表明显示效果清晰明亮。实现了30°×22°的大视场角,验证了偏振不敏感光栅波导设计方法和非偏振图像源在增强现实领域的可用性,为波导型增强现实系统的研究与发展提供一定的指导作用。     

光栅波导增强现实显示系统误差像质分析与实验

光栅波导显示系统在生产加工和装调过程中,由于微纳加工设备的系统误差、累计误差和人为装调误差会影响系统成像质量产生重像、模糊等问题。为了解决上述问题,设计了一种一维扩瞳光栅波导并采用光线追迹仿真方法,分析了光栅波导平行度误差、光栅周期误差、系统装调误差对成像质量的影响。实验加工并装调测试了光栅波导的成像质量,通过控制波导平整度在0.3′以内,光栅周期公差在0.2 nm以内,制造了一维出瞳扩展光栅波导,准直装调后达到了30×12°视场角,实现了良好的增强现实显示效果和清晰的成像质量,对实际的量产制造具有指导意义。     

悬浮光力传感技术研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

悬浮光力传感技术利用真空环境的光阱实现对微纳尺度机械振子的悬浮和囚禁,将待测物理量转换为光悬浮机械振子运动参数的变化,理论上该振子与外部环境热噪声和振动完全隔绝,具有极高的测量分辨率潜力和易于小型化的独特优势。该技术在精密测量、微观热力学研究、暗物质观测、宏观量子态操控等领域具有广阔的应用前景。首先,阐述了悬浮光力系统中光力与光阱的基础概念和力学测量等基本理论;其次,介绍了其中初始起支、光力增强、位移测量、输出信号标定和等效反馈冷却等关键技术的研究进展,对比分析各子技术的特点,随后列举了悬浮光力传感技术在极弱力、加速度、微观质量、电学量、力矩等物理量测量中的典型应用;最后,总结了该技术的发展趋势,并提出相关建议。     

微弱光信号的量子增强接收优化方法(特邀)EI北大核心CSCD

在经典理论框架下,相干探测性能受限于散粒噪声对应的标准量子极限,而量子增强接收技术通过引入位移算子,采用关联的方式将经典的平衡零拍/零差探测转化为光子数态的测量,理论上可以突破标准量子极限并不断逼近Helstrom极限。无歧义量子态识别(Unambiguous State Discrimination,USD)是量子增强接收常用的识别判决策略之一。然而,由于微弱光信号的能量有限,传统的USD量子增强接收方法的适用微弱信号范围较小,微弱信号识别的错误率较高。提出了一种QPSK调制量子增强接收的混合测量优化方案,该方案首先通过二态零差测量将QPSK相干态的区分转化为BPSK相干态的区分,然后通过BPSK量子增强接收测量实现相干态的无歧义识别。仿真表明,混合测量方案在平均光子数在3.2~11.3之间优于经典的外差测量方案,而且比传统QPSK量子增强接收方案具有更大的适用信号范围。     

光学微纳结构红外隐身技术研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

随着红外探测技术手段的多样化发展,红外隐身技术的需求日益迫切。由于传统的红外隐身技术面临着多途径目标探测和多功能兼容的严峻挑战,因此研究光学微纳结构红外隐身技术有着十分重要的意义。基于局域共振机制的亚波长尺度的光学微纳结构,极大地丰富了人们对光的传输行为的调控。在红外隐身技术领域,光学微纳结构可以针对红外辐射特性进行材料和结构的精细化设计,从而满足理想红外隐身发射光谱的需求,为发展更加多光谱、多功能、自适应的红外隐身技术提供全新的解决方案。文中围绕红外隐身技术的相关研究,首先介绍了多层薄膜吸收体、金属表面等离子激元、基于相变材料薄膜可调吸收体、智能化设计光学微纳结构实现光谱响应的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来基于光学微纳结构的红外隐身技术新特点,包括多光谱红外隐身技术、多功能红外隐身技术、自适应红外隐身技术的发展现状。最后,梳理了光学微纳结构红外隐身技术所存在的不足及面临的困难并对未来的研究方向和发展趋势进行了展望。     

光学陀螺背向散射问题综述(特邀)EI北大核心CSCD

光学陀螺作为光电惯性导航系统的核心器件,在众多领域发挥着举足轻重的作用。随着科学技术的不断进步,传统的激光陀螺、轻质化的光纤陀螺以及集成化的微光陀螺齐头并进、蓬勃发展,但无论是哪一种陀螺样式,在性能优化的过程之中都不可避免地需要考虑背向散射的问题。背向散射是光学陀螺中的一种噪声源,其会带来陀螺的输出偏置或闭锁效应,从而影响其性能。为了更好地理解光学陀螺中的背向散射机制,首先从半经典理论下的自洽方程组出发讨论背向散射的基本原理,而后依照光学陀螺的发展脉络,分析各种光学陀螺的背向散射分析方法、测量手段以及抑制方法,最后对目前光学陀螺中有关背向散射亟待解决的问题进行总结并展望。     

基于正交双向迭代的自由曲面激光光束整形设计(特邀)EI北大核心CSCD

激光光束整形技术在现代激光工业领域具有重要作用,为了克服传统激光光束整形自由曲面构造中存在法向矢量偏差的局限性,文中提出一种正交双向迭代的自由曲面设计方法。该方法基于能量守恒和斯涅尔定律建立光源与目标面的能量映射关系,通过正交方向坐标点迭代获得自由曲面数据点,同时利用相邻坐标点的均值进行曲面法向矢量修正,从而提高自由曲面的构造精度。设计实例表明,准直入射的激光光束经自由曲面整形反射镜,在特定目标区域内可形成高均匀度光斑。进一步从自由曲面的连续性、拟合精度与面形误差三个方面,与传统设计方法进行了详细对比分析。结果表明,所提设计方法得到的激光光束整形自由曲面连续性与平滑度更好,拟合精度更高;且在加工误差允许范围内,目标面的辐照度均匀性更稳定。     

超窄线宽布里渊光纤激光器研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

基于光纤受激布里渊散射的布里渊光纤激光器以其Hz量级甚至亚Hz量级的超窄线宽特性,自问世以来便吸引了广泛的研究关注。超窄线宽布里渊光纤激光器主要经历三个发展阶段,从最初的基于单模光纤谐振腔的布里渊光纤激光器,到向腔内引入掺铒光纤放大器的布里渊掺铒光纤激光器,再到利用一段普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的紧凑型布里渊掺铒光纤激光器,激光器的性能不断得到发展,相关理论研究也不断得到丰富。近10年,紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的研究取得了一系列的进展,在高精度光纤传感等诸多领域有着十分重要的应用前景。按照三个发展阶段依次梳理和总结了布里渊光纤激光器的研究进展,重点阐述了紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的机理、特性和应用,并对其未来发展方向进行展望。     

高转换效率的中红外BaGa_(4)Se_(7)光参量振荡器(特邀)EI北大核心CSCD

为抑制光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)振荡过程中信号光和闲频光向泵浦光的逆转换,首次采用在L型OPO腔的支路中插入信号光倍频晶体LiB_(3)O_(5)的(简称LBO)的方式,实现了BaGa_(4)Se_(7)(BGSe)OPO闲频光的高转换效率输出,当泵浦激光(1.06μm)能量为115 mJ时,闲频光(3.5μm)能量为16.18 mJ,光光转换效率为14.06%,斜效率为18.4%,这是目前已知1.06μm激光泵浦BGSe OPO最高的转换效率。模拟了不同泵浦能量下L型腔中有无LBO晶体时BGSe OPO腔内的三波波形,并给出了闲频光在实验中的输出波形。与传统OPO腔相比,所提出的L型OPO腔(含倍频晶体)在大能量泵浦条件下抑制了逆转换,可获得更高的闲频光转换效率。     

应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计(特邀)EI北大核心CSCD

针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求,基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性,通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构,并在此基础上,通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件,从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例,设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm,仅由3个反射面构成,MTF优于0.2@114 lp/mm,畸变低于0.5%,相对照度高于95%,像面无暗角。该系统无遮拦,无色差,且相较于常规潜望式长焦镜头,在小型化、轻量化方面具备明显优势,为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。     

制冷型大面阵自由曲面离轴三反光学系统设计(特邀)EI北大核心CSCD

针对超大面阵红外遥感探测的需求,设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构,具有实出瞳并与冷光阑匹配,能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比,该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器,具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm,工作波段为1.5~5μm,工作F数为5,视场为30°×25°。结构上,主镜采用偶次非球面,次镜和三镜采用XY多项式自由曲面,以校正大视场下的各种像差,系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4,满足大面阵红外探测器的成像质量要求。     

基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术(特邀)EI北大核心CSCD

里德堡原子是一种高激发态的原子,具有较大电偶极矩,相邻能级差可覆盖DC~THz的超宽频谱范围,因而可以实现电磁场高灵敏、超宽带的传感接收。基于里德堡原子的无线电光学测量是通过碱金属原子在探测光和控制光等两束激光的精确调控下转变为里德堡原子,并使探测光透射光谱产生电磁诱导透明效应,进而在输入的无线电信号的作用下,使其透明光谱发生Autler-Townes(AT)劈裂,完成无线电信号到光学信号的转化,从而实现无线电信号频率、幅度、相位等信息的提取,具有直接解调、无需校准、抗电磁毁伤等特点。近年来,该技术在电场计量、电磁频谱侦测、通信、雷达等电子信息技术领域引起人们的强烈关注。该技术的关键在于如何从原子系统输出光谱中快速准确地提取出无线电信号的信息。针对静态无线电信号、动态无线电信号、单频无线电信号、多频无线电信号等不同类型的无线电信号,对应的信息提取和光谱处理方式也不同。依据不同类型的无线电信号,对基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术进行分类,并综述其原理、技术特点及国内外研究进展,最后结合该技术特点及其应用前景,对未来发展趋势作了展望。     

非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控(特邀)EI北大核心CSCD

自由曲面光束强度与波前调控旨在借助多个自由曲面实现对光束强度与波前两个属性的精准调控,然而这一调控工作通常要求观测平面垂直于光轴,导致系统光路布局受限。针对这一问题,文中提出了一种可实现灵活光路布局的自由曲面光束强度与波前调控方法。首先设定一个垂直于光轴的虚拟观测平面,并建立目标离轴观测平面上的特定照明分布和该垂轴虚拟观测平面上相应照明分布之间的映射关系。结合斯涅耳定律、局部能量守恒定律和光程守恒约束,建立针对垂轴虚拟平面的带有非线性边界条件的光束调控Monge-Ampère(MA)方程,之后采用有限差分法求解该垂轴布局光束调控模型,进而得到非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控的数值解。采用该方法设计了一个用于调控点光源光束强度与波前的自由曲面透镜,借助蒙特卡洛光线追迹,验证了该方法在非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控中的有效性。     

大型自由曲面离轴三反光学系统降敏设计(特邀)EI北大核心CSCD

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势,结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面,可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大,光学系统误差敏感度剧增,加工难度和装调敏感度也随之提高,耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度,误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松,在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此,降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比,结果表明,在光学系统构型无显著差异的情况下,使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异,调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现,局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。     

LD泵浦高亮度光纤激光器:设计、仿真与实现(特邀)EI北大核心CSCD

LD泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点,在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。在大部分实际应用中,由功率和光束质量决定的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标。受到非线性效应(尤其是受激拉曼散射)和模式不稳定效应的限制,当前高亮度掺镱光纤激光器输出功率提升遭遇了明显的技术瓶颈。为了抑制非线性效应和模式不稳定效应,在传统方法的基础上,提出了变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等成体系的方法以提升光纤激光器的输出功率;为了有效提高对光纤激光器的设计研发能力,提出并开发了具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser。首先,介绍了影响宽谱高功率掺镱光纤激光器亮度提升的主要限制因素,给出了各个限制因素的抑制方法;其次,利用自研光纤激光仿真软件SeeFiberLaser对提升光纤激光器功率的方法进行优化设计,并对工业常用的振荡器和高亮度光纤激光放大器进行仿真优化;然后,介绍课题组采用后向泵浦、变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等方法提升激光功率,实现的6~10 kW高亮度功率光纤激光器;最后,对更高亮度光纤激光器的技术方案进行讨论和展望,提出了无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路,提出了基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和集成化无源器件的新型高功率近单模光纤激光器技术方案。