摘要：双光子直写技术凭借其高精度、任意三维结构刻写、高成本效益、材料设计高自由度等特点,已被成功应用到多种微纳光学器件的刻写中。基于双光子直写的微纳光学器件应用不断拓展,对刻写分辨率和通量都提出了更高的需求。超分辨激光纳米直写和高通量激光直写技术使得双光子直写具有nm级精度与cm级尺寸的跨尺度加工能力,进一步拓展了基于双光子直写的微纳光学器件研究领域。本文首先对双光子直写原理进行概述,介绍本课题组在利用双光子直写技术制造衍射光学器件、光纤集成器件方面的研究进展;然后,介绍本课题组在使用超分辨激光直写技术制备纳米光子器件方面的拓展研究,并展示了高精度、高通量激光直写技术在大面积刻写微纳光学器件上的技术优势。

摘要：本文建立了一种基于双目3D显示观察的主观实验流程,利用主观实验数据来分析汽车车载增强现实抬头显示(AR-HUD)设备中的动态畸变对驾驶员主观感受的影响,同时评估观看来自不同眼盒位置的图像时双目融合过程中驾驶员可以接受的畸变大小临界值。实验研究结果显示,随着两眼之间的动态畸变差异的增大,驾驶员融合图像变得越来越困难,观看的不适程度也出现较快增长。同时本文也揭示了驾驶员在使用AR-HUD设备的过程中,同一眼盒两个不同位置处驾驶员可以接受的动态畸变临界条件为垂直畸变小于2%,水平畸变小于1%。此研究证实了动态畸变对驾驶员的主观感受具有较为显著的影响,并且为汽车抬头显示系统中光学设计的优化畸变过程提供了相关的数值约束参考。

摘要：针对斐索干涉系统抑制相干噪声和提高面形误差检测能力的需求,阐述环形光源抑制相干噪声的原理,介绍干涉仪的仪器传递函数(ITF)理论与台阶板检测ITF的方法,提出了被测面口径分别为Ф100 mm、Ф810 mm的两套环形光源斐索干涉系统的方案,使用轴锥镜产生实环形光源,并采用了Ф100 mm、Ф810 mm系统复用部分镜组的设计思路,可有效降低?810 mm系统装调的难度。搭建实验系统时发现相干噪声得到了较好的抑制,但是用台阶板测得的系统的ITF较差。实验发现部分由台阶板反射回来的光无法进入成像镜组,更换为口径更大的成像镜组后,能使更多的光通过,且此时测得的ITF有了显著提高。分析了产生这一现象的原因,并采用了可以同时优化干涉系统的干涉光路与成像光路的方案,进而设计出了具有7.2 mm^(-1)面形误差检测能力的?100 mm系统以及0.4 mm^(-1)面形误差检测能力的?810 mm系统。

摘要：针对双光子激光直写片上光子引线波导的纳米级对准需求,提出了基于导星数字匹配与纳米智能对准的方法,实现了高精度、高密度片上光子引线互联纳米结构3D直写加工。面向片上光子引线波导的背景与需求,设计了双光子直写光刻系统的光学系统结构,在硬件上设计了独特的导星,在算法上利用机器视觉的智能识别方法,精确定位了片上光子引线波导连接结构。所刻写的光子引线与硅片波导的平均偏差角度为0.19°,绝对位置平均对准精度为29 nm,标准差为17 nm。所提方案为实现高精度、高密度的光学片上互联提供了一种可行的方法,在芯片封装、多材料功能结构制备、复杂结构修饰等高精度加工领域有着重要的科学和应用意义。

摘要：作为一种二维形式的超构材料,超构表面允许以前所未有的自由度对光的振幅、相位、偏振等维度进行灵活高效的调控,有望突破传统光学的限制,实现低成本、高性能、超轻超薄、功能新颖的新型光学元件,近年来引起了学术界和产业界越来越浓厚的研究兴趣。从物理机理、相位调控到正向设计方法,系统回顾了超构表面的设计原理。介绍了这些机理如何用于实现丰富的应用,包括功能复用、宽带宽、大视场、多层级联、非局域超构表面等,涵盖了最主要和最新的发展方向。最后,讨论了超构表面在走向实用化的道路上所面临的器件设计和加工制造上的挑战,并对领域未来的发展进行展望。

摘要：红外伪装技术是指隐藏或改变目标红外辐射特征的技术,对于提高目标的生存率具有重大意义。多波段探测技术的发展,给传统的红外伪装技术带来了严峻的挑战,使得多波段兼容红外伪装材料的研究变得十分紧迫。针对这一挑战,首先须厘清各波段的伪装要求,其次应合理利用各波段材料电磁响应的不同和结构尺寸的差异,设计分层次结构以满足不同波段的光谱要求。最后,应认识到现有研究存在的不足,向着适应更多探测波段、应用场景,制备工艺更简便、成本更低、应用性更优的方向发展。

摘要：为了在设计阶段预测光学系统加工装配后的像质并降低加工装配难度,提升设计效率,文中提供了一个高效的公差灵敏度降低方法。首先使用Zernike多项式量化像差,基于线性代数理论和Monte Carlo分析寻找引入扰动后系统的像差变化规律,通过降维后的像差场以及特征值分布确定主要引入像差;对系统制造过程中可能出现的失对称扰动和轴向扰动进行建模,基于节点像差理论描述扰动造成的引入像差,并通过统计分析确定关键表面;根据Zernike项与波像差的对应关系对像差空间进行变换,提出相应的评价函数纳入优化,进而抑制新像差的产生。将这一方法应用于两个不同的光学系统的设计,优化后预期加工性能(指定空间频率处98%置信度的MTF表现)分别提升了约68%和20%。与使用Zemax软件中TOLR操作数优化相比,结构1的优化时间由7 h缩短到36 min,并且在结构2的优化中成功实现了公差降敏。结果表明,该方法能够在提升效率的同时有效降低公差灵敏度。

摘要：针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点,结合波长调制技术,设计和研究了用于TDLAS激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit,HSPDC)。基于波长调制技术,确定了TDLAS信号噪声抑制方法;采用光电二极管理想模型,分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数;基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明:所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW,信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz),截止频率较现有108 V/A跨阻放大电路高一个数量级,可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体激光遥测系统,当调制频率为3 kHz时,激光遥测系统获得了良好的检测性能,检测灵敏度达到88.66 mV/ppm,检测限优于0.565 ppm,线性拟合度R2为0.9996。研究表明,研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点,可集成化,能满足气体激光遥测应用需求。

摘要：为提高太赫兹光电导天线输出效率,提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成,理论与仿真结果表明,前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率,后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点,数值计算结果表明,其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线,层级人工等离激元结构在较宽频带范围内(0.86~1.51 THz)实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。

摘要：位移传感器的装配精确性直接决定了传感器的测量精度,而辅助调校系统是实现精确装配的关键。本文基于光场式时栅结构特征与测量原理,分析其输出信号的空间调制函数与装配的关系,提出了一种以传感器输出测量信号为安装指标的辅助装配调校系统。根据光场式时栅传感器测量原理,结合实际装配结构,研究了动定尺安装姿态对测量误差的影响,确定以滚转角校准为安装姿态校准的主要目标;建立滚转角与测量信号相关的数学模型,基于该函数模型设计利用原始测量信号获得校准指标的辅助装配调校系统。实验表明:该系统能够直观地给出滚转角调校参数,帮助用户装配校准,能够将光场时栅传感器的原始误差降低至±1.3μm,具备环节简单、易于集成的优点。