角度加权对动态光散射信号噪声影响的抑制作用

在动态光散射技术中,光强自相关数据中信号噪声对测量结果的影响,主要取决于颗粒粒度反演算法。在多角度测量时,角度加权则成为左右噪声对测量结果影响的又一重要因素。本文在多角度动态光散射角度加权机理分析的基础上,研究了光强均值和迭代递归角度加权方法对测量信号噪声影响的抑制作用。结果表明,无信号噪声时,对于单峰小粒度分布,迭代递归方法加权对小颗粒粒度分布略有展宽;对于中、大颗粒,光强均值法进行角度加权所得的峰值误差略有增大;随着噪声的增加,迭代递归法加权所得反演结果的性能指标无显著变化,而光强均值法进行角度加权所得结果的峰值误差和分布误差均呈显著增大的趋势。306/974 nm标准双峰颗粒体系光强均值法和迭代递归法的反演峰值误差分别为0.170/0.121,0.092/0.097,迭代递归法峰值位置更准确,能够验证模拟数据的结论。迭代递归法通过各个散射角逐次反演和比较粒度分布重新计算角度权重,这种通过角度权重更新的“修正”作用,在很大程度上抵消了噪声导致的粒度分布误差,从而显现出抵御噪声影响的“去噪”性能。因此,在测量噪声较大的环境下,宜采用迭代递归方法进行多角度加权。     

噪声动态光散射数据Tikhonov与截断奇异值正则化反演

Tikhonov与截断奇异(TSVD)正则化是动态光散射数据反演中的两种重要方法,不同的正则化方法会对噪声DLS数据测量结果产生不同的影响。分别采用二阶差分矩阵的Tikhonov与TSVD方法,在6种噪声水平下,对宽窄不同的单峰与双峰分布颗粒进行了反演研究。结果表明:Tikhonov具有较好的光滑性;对于单峰分布颗粒,TSVD峰值误差更小、对于窄分布以及强噪声宽分布颗粒系反演,其抗噪性能更强、反演误差更小;对于双峰分布颗粒,Tikhonov具有较小的反演误差、较强的双峰分辨能力与抗噪声能力;对于窄分布颗粒的反演,一般TSVD峰值误差更小。在同样噪声情况下,Tikhonov与TSVD的双峰分辨力与颗粒的粒径峰值比有关。Tikhonov双峰分辨力较强,能够分辨出峰值比较低的颗粒。对实测200nm单峰颗粒进行反演,Tikhonov、TSVD的反演峰值误差分别为3%和1.85%,TSVD峰值位置更准确,能够验证模拟数据的结论。     

LED封装光学结构对光强分布的影响研究

从发光二极管的发光原理及结构出发,建立了发光二极管的光学模型,获得了发光二极管的光强分布曲线,并与实际测量数据进行了比较。通过改变模型中反光碗的张角、支架的插入深度、封装环氧树脂折射率以及透镜尺寸,得到不同结构参数下的光强分布。实验结果表明：反光碗张角、支架插入深度、封装环氧树脂折射率以及透镜尺寸对LED光强分布的影响有一定的规律性。这些规律对生产特定光强分布需求的LED具有实际的指导意义。     

一种实现线性无衍射结构光的方法研究

提出一种新的以光学测量为目的的线性无衍射结构光实现方法—组合三角棱镜法。利用衍射原理及菲涅尔近似原理,对平面波入射棱镜后光场的光强分布进行严格数学推导,得到了精确解的表达式,根据推导结果运用软件对棱镜后光强分布进行了模拟仿真。结果表明,所产生的线性结构光具有无衍射特性,且在中心线上具有更高的光强分布,该光源可作为表面形貌的线结构光测量。     

LED封装光学结构对光强分布的影响

从发光二极管(LED)的发光原理及结构出发,建立了LED的光学模型,获得了它的光强分布曲线,并与实际测量数据进行了比较.通过改变模型中反光碗的张角、支架的插入深度、封装环氧树脂折射率以及透镜尺寸,得到了不同结构参数下的光强分布.实验结果表明:反光碗张角、支架插入深度、封装环氧树脂折射率以及透镜尺寸对LED光强分布的影响有一定的规律性,这些规律对生产特定照明需求的LED具有实际指导意义.     

基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量方法

针对大型激光装置使用纹影法无法实现旁瓣光束弱信号区域光强分布精确测量的问题,提出了基于旁瓣光束衍射反演的纹影法强激光远场焦斑测量方法.采用逆向推演间接测量的研究方法,沿光路传播逆方向推导,以旁瓣光束衍射光强图像和相位图像作为输入,通过计算获得未遮挡前旁瓣光束远场焦斑分布.相比传统基于纹影的远场焦斑测量方法,本文的主要改...     

LED光源发光特性连续测试系统的研制

基于运动导轨、多测试工位、计算机控制和LabVIEW软件开发,通过集成多种LED特性测试仪器,开发一套LED光源综合发光特性连续测试试系统,使待测的LED光源依次经过基于光强测试、基于积分球测试和基于光强空间分布测试的3个测试工位,实现LED光源的光、电、色等综合发光特性的自动连续测试。该套系统具有综合、自动、集成、连续、在线的突出优点,大大提高LED测试仪器的集成度和自动化水平,并有助于提高测试数据和结果的可靠性和准确性。     

小孔夫琅和费衍射法标定CCD光电响应特性

对比分析现有的各种CCD光电响应特性标定方法后,引入了利用小孔夫琅和费衍射标定CCD光电响应的方法.推导了该方法中Airy斑的理论相对光强分布I/I0与CCD像素位置n之间的定量关系,完成了对特定面阵CCD光电响应特性标定实验.在数据处理过程中,采用二次曲线拟合法准确获得了灰度曲线的峰值位置,实现了Airy斑归-化理论光强分布曲线与CCD实测灰度分布曲线对准,解决了这种方法的中心对准问题,得到准确的灰度峰值位置n0为404.650 0,获得了特定的CCD光电转换特性曲线.标定结果表明,平均相对误差为0.77%,拟合结果可靠.     

大功率白色发光二极管的特性研究

分析了大功率白色发光二极管的发光强度(即光强)、光通量和色坐标与测量位置的关系,提出了解决的方法。同时,对大功率白色发光二极管法向光强、光通量和峰值波长随电流和时间的变化情况做了分析,说明PN结温度对于大功率发光二极管的发光具有较大的影响。     

光学译码器编码条接收效果蒙特卡罗模拟

为了得到光学译码器编码条的光接收效果,使用蒙特卡罗方法对一特定尺寸的发光二极管封装结构及编码条进行了模拟研究.结果表明编码条所接收到的光源发射的光子数目大约占发射光子数的16.3%.光接收效果与光源和编码条位置的选择以及封装结构的构造有很大的关系,因此要提高编码条的光接收效果,有必要合理构造发光二级管光学封装结构并调整编码条的位置.     

用于光束整形的表面等离子体双光栅结构

为了对双边布拉格反射波导半导体激光器的远场双瓣特性进行整形,使之合并成为单瓣出光远场,在布拉格反射波导的出光腔面上制作了表面等离子体双光栅结构。利用Au-SiO₂光栅结构对表面等离子体的耦合效应和表面等离子体的透射增强现象将双瓣远场耦合成为单瓣出射,然后通过Au-Si₃N₄光栅结构将透射的表面等离子体耦合成为光子进行准直出射,最终得到单瓣准直的远场光斑。计算结果表明：当Au-SiO₂光栅厚度为50 nm,填充因子为0.5,光栅周期为350 nm;Au-Si₃N₄光栅厚度为70 nm,填充因子为0.5,光栅周期为660 nm时可以得到远场发散角压缩到6.1°的整形光斑,比没有双光栅结构的发散角缩小了3.6倍;其远场透射光功率达到了模式光源的62%,是没有双光栅结构单瓣出射功率的1.59倍;同时腔面反射率也降低到12.4%,是没有双光栅结构的0.53倍。结果显示,提出的双光栅结构优化了布拉格反射波导半导体激光器的出光远场特性。     

Design of a double-pass shear mode acousto-optic modulator

The design of a compact double-pass shear mode acousto-optic modulator for high power operation in the UV is presented. Using a spherical mirror retroreflector in the second pass to correct for beam deflection, changes in beam position and angle during frequency tuning can be eliminated. The use of the shear mode acousto-optic interaction offers several key advantages, but the strain-induced birefringence creates significant levels of spectral leakage in the system. These effects and the polarization of the beams are analyzed to minimize leakage. Using a heterodyne interferometry scheme, two double-pass acousto-optic modulators with offset acoustic frequency inputs are set up to measure the leakage intensity. The designed double-pass shear mode acousto-optic modulator was tested with lambda=351.1 nm and demonstrated a peak double-pass efficiency of 42.6% and a bandwidth of 28 MHz. Over this bandwidth the spectral leakage was reduced to approximately 0.01%-0.04% relative intensity.     

两路固体激光相干合成的实验研究

相干合成技术是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径之一。现提出了基于角锥棱镜的两路固体激光相干合成方案;在理论分析的基础上,开展了两路固体激光器相干合成的实验研究;得到了不同占空比和出射光束直径条件下的远场光强分布。远场光强分布和条纹可见度主要受到占空比和出射光束直径的影响。随着激光光束间距的减小,相干合成后的光斑数量减少,光斑的宽度增大,相干度明显提高;出射光束直径增大时,高阶模增多,光束质量变差但合成功率增大。     

基于轴棱锥用主被动方式产生短脉冲高功率近似无衍射光

利用轴棱锥构成的Bessel-Gauss谐振腔,首次由灯泵Nd:YAG调Q激光器主动式直接输出纳秒高功率近似无衍射Bessel-Gauss光脉冲。应用衍射理论给出的Bessel-Gauss场分布模型对结果进行分析,数值模拟和实验结果基本吻合。同时利用带抗共振环(ARR)的Nd:YAG调Q激光器输出的高稳定纳秒高斯脉冲,通过Axicon的光束整形,由被动方式获得近似理想的纳秒无衍射零阶Bessel光。利用胶片扫描法记录了光强分布的精细结构,测定得出无衍射光的中心光斑半径约为90μm,峰值功率密度高达2.3×10⁹ W/cm²。分析比较了主动和被动方式产生纳秒无衍射光的特性和优缺点。     

880nm半导体激光器列阵及光纤耦合模块

为了使半导体激光泵浦Nd∶YVO4固体激光器能获得大功率、高光束质量、线偏振的激光输出,利用PICS3D软件设计了InGaAs/GaAs应变量子阱结构,制作了发射波长为880 nm的大功率半导体激光器列阵。该激光器列阵激射区单元宽为100μm,周期为200μm,填充因子为50%,激光器列阵CS封装模块室温连续输出功率达60.8 W,光谱半高全宽(FWHM)为2.4 nm。为进一步改善大功率半导体激光器列阵的光束质量,增加半导体激光端面泵浦功率密度,采用阶梯反射镜组对880 nm大功率半导体激光器列阵进行了光束整形,利用阶梯镜金属表面反射率受近红外波长变化影响小的特点,研制出高稳定性、大功率光纤耦合模块。模块输出功率为44.9 W,光-光耦合效率达73.8%,尾纤芯径Φ为400μm,数值孔径(NA)为0.22。     

Two-frequency acousto-optic modulator driver to improve the beam pointing stability during intensity ramps

We report on a scheme to improve the pointing stability of the first order beam diffracted by an acousto-optic modulator (AOM). Due to thermal effects inside the crystal, the angular position of the beam can change by as much as 1 mrad when the radio-frequency power in the AOM is reduced to decrease the first order beam intensity. This is done, for example, to perform forced evaporative cooling in ultracold atom experiments using far-off-resonant optical traps. We solve this problem by driving the AOM with two radio frequencies f(1) and f(2). The power of f(2) is adjusted relative to the power of f(1) to keep the total power constant. Using this, the beam displacement is decreased by a factor of 20. The method is simple to implement in existing experimental setups, without any modification of the optics.     

Three-dimensional high-resolution particle tracking for optical tweezers by forward scattered light

A quadrant photodiode placed in the back-focal plane of the microscope of a laser trap provides a high-resolution position sensor. We show that in addition to the lateral displacement of a trapped sphere, its axial position can be measured by the ratio of the intensity of scattered laser light to the total amount of the light reaching the detector. The addition of the axial information offers true three-dimensional position detection in solution, creating, together with a position control, a photonic force microscope with nanometer spatial and microsecond temporal resolution. The measured position signals are explained as interference of the unscattered trapping laser beam with the laser light scattered by the trapped bead. Our model explains experimental data for trapped particles in the Rayleigh regime (radius a <0.2lambda) for displacements up to the focal dimensions. The cross-talk between the signals in the three directions is explained and it is shown that this cross-talk can be neglected for lateral displacements smaller than 75 nm and axial displacements below 150 nm. The advantages of three-dimensional single-particle tracking over conventional video-tracking are shown through the example of the diffusion of the GPI-anchored membrane protein Thy1.1 on a neurite.     

基于彩色图像的结构光重构三维表面颜色渲染

许多行业已不仅需要获取物体的三维形貌信息,还需要获取物体的颜色信息,因此表面颜色渲染技术受到了广泛关注。但在直接赋颜色的过程中,存在由于被测表面几何特性不同而带来的误差。为了反映被测表面的几何特性变化,本文将被测表面分解为若干子单元,因此被测表面几何特性的变化即可视为各子单元与投影仪以及摄像机之间相对位置的变化。在此基础上建立了上述位置关系的数学模型,分析了各子单元的斜率变化与其入射、反射光强的关系,结合这种关系对颜色的影响,并从消除入射光、反射光的影响给颜色渲染的误差出发,给出了子单元选取准则,从而提出一种不受入射、反射光强影响的颜色渲染方法。利用结构光三维测量系统得到的三维测量数据,进行了颜色渲染仿真实验和物理实验,结果表明：被测表面各局部位置的入射、反射光强得到了统一的修正,经过渲染后的被测表面颜色信息与其真实颜色基本吻合,变换测量角度仍能获得良好的视觉效果。     

Analysis of line integrated electron density using plasma position data on Korea Superconducting Tokamak Advanced Research

A 280 GHz single-channel horizontal millimeter-wave interferometer system has been installed for plasma electron density measurements on the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) device. This system has a triangular beam path that does not pass through the plasma axis due to geometrical constraints in the superconducting tokamak. The term line density on KSTAR has a different meaning from the line density of other tokamaks. To estimate the peak density and the mean density from the measured line density, information on the position of the plasma is needed. The information has been calculated from tangentially viewed visible images using the toroidal symmetry of the plasma. Interface definition language routines have been developed for this purpose. The calculated plasma position data correspond well to calculation results from magnetic analysis. With the position data and an estimated plasma profile, the peak density and the mean density have been obtained from the line density. From these results, changes of plasma density themselves can be separated from effects of the plasma movements, so they can give valuable information on the plasma status.