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基于光栅+傅里叶光谱的宽波段大角度光谱椭偏技术研究
1
作者 张瑞 白沁 +4 位作者 徐承雨 王赛飞 孔泉慧子 薛鹏 王志斌 《光谱学与光谱分析》 北大核心 2025年第10期2930-2934,共5页
随着半导体、光电子技术的快速发展,紫外到中红外不同波段的薄膜材料被广泛应用,而薄膜厚度、折射率、消光系数等参数的高精度测量是上述器件质量和性能提高的关键。而光谱椭偏技术是其检测的最佳手段。但现有光谱椭偏测量技术无法同时... 随着半导体、光电子技术的快速发展,紫外到中红外不同波段的薄膜材料被广泛应用,而薄膜厚度、折射率、消光系数等参数的高精度测量是上述器件质量和性能提高的关键。而光谱椭偏技术是其检测的最佳手段。但现有光谱椭偏测量技术无法同时实现紫外-可见-短波红外宽波段透反射多角度测量,为此提出一种基于光栅+傅里叶光谱的宽波段大角度光谱椭偏测量技术。紫外-短波红外波段UV-SWIR(192~2100 nm)采用光栅光谱椭偏技术,短波红外-中红外波段SWIR-MIR(2000~3200 nm)采用傅里叶光谱椭偏技术,两个波段核心是探测光谱方式和位置不同,UV-SWIR波段的光栅光谱测量在检偏臂后端,SWIR-MIR波段的傅里叶干涉在起偏臂前端。为实现大角度测量,整个系统采用卧式旋转方式,两个波段起偏固定不动,检偏臂和样品台可大角度旋转,实现192~3200 nm宽波段、15°~90°大角度光谱椭偏系统集成。搭建原理样机,对Si基底上不同薄膜材料、不同厚度、不同膜层样片进行测量,其中用SiO_(2)-Si(薄膜为电介质)、ZnO-Si(薄膜为半导体)、PI-Si(薄膜为聚合物)、Si_(3)N_(4)-Al_(2)O_(3)-Si(电介质双层膜)、Au-SiO_(2)-Si(金属电介质双层膜)进行实验验证,并分别对样片穆勒矩阵M_(S)中的N=cos2Ψ、C=sin2ΨcosΔ和S=sin2ΨsinΔ与波长的关系进行测量,进而获得光谱椭偏参数Ψ和Δ,结合光谱椭偏理论拟合反演得到样片薄膜厚度。为验证该方法和系统的重复测量精度,对上述样片各进行30次重复测量实验。实验结果表明,该宽波段光谱椭偏系统的薄膜厚度测量精度优于0.7 nm,厚度重复性测量精度可达0.04 nm。该光谱椭偏测量技术可根据不同材料选择最优的光谱波段,进而提高其对更广泛材料类参数的测量精度,因此在高精度、宽波段、大角度薄膜椭偏测量领域具有重要的应用前景。 展开更多
关键词 光谱椭偏 宽波段 大视场 光栅及傅里叶光谱
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索引圆环灰度差值最小的光斑中心逼近法
2
作者 王亚祺 李晓 +4 位作者 张瑞 王志斌 杨帅 武振涛 赵泽伟 《应用光学》 北大核心 2025年第3期622-631,共10页
为了提高光栅衍射型激光告警系统参考位置的定位精度,提出了一种基于索引圆环灰度差值最小的光斑中心逼近法。根据给定光斑中心的初始坐标生成3×3中心坐标矩阵,使用Lagrange插值法求出以中心坐标矩阵为中心的索引圆环上各点的灰度... 为了提高光栅衍射型激光告警系统参考位置的定位精度,提出了一种基于索引圆环灰度差值最小的光斑中心逼近法。根据给定光斑中心的初始坐标生成3×3中心坐标矩阵,使用Lagrange插值法求出以中心坐标矩阵为中心的索引圆环上各点的灰度值,通过二分法逐步逼近索引圆环灰度差值最小的中心坐标,即光斑中心真实坐标。在准确性对比实验中,所提出的算法在3组理想光斑模型样本中x方向、y方向平均误差分别为0.001 3像素、0.001 1像素。在稳定性对比实验中,该算法在3组实际光斑图片样本中x方向、y方向平均标准差分别为0.165 3像素、0.186 0像素。基于索引圆环灰度差值最小的光斑中心逼近法在两个对比实验中均得到了最低的平均误差或标准差,具有更高的精度和更好的稳定性,提高了激光告警系统参考位置的定位精度,为光斑中心定位算法提供了新的解决思路。 展开更多
关键词 光斑建模 LAGRANGE插值 中心定位 逼近法 激光告警
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基于投影分割的激光告警光斑中心快速提取算法
3
作者 武振涛 张瑞 +5 位作者 李文越 畅彦祥 王亚祺 杨帅 薛鹏 王志斌 《应用光学》 CAS 北大核心 2024年第6期1170-1178,共9页
针对现有激光告警系统中因数据处理不及时导致漏警、响应速度慢的问题,提出了一种基于投影分割的光斑中心快速提取算法,根据衍射图像中各级光斑横向均匀分布的特点,提出先向坐标轴投影,再分别计算光斑中心坐标,实现快速提取的方法。将... 针对现有激光告警系统中因数据处理不及时导致漏警、响应速度慢的问题,提出了一种基于投影分割的光斑中心快速提取算法,根据衍射图像中各级光斑横向均匀分布的特点,提出先向坐标轴投影,再分别计算光斑中心坐标,实现快速提取的方法。将该算法部署到FPGA硬件系统,使告警系统能够在一帧图像传输周期内完成光斑中心坐标提取任务,提高了图像处理效率,进而实现高效告警。经实验证明,该算法光斑中心坐标提取最大误差为1个像素,告警系统响应时间为17.453 ms。该方法通过优化图像处理算法,缩短了告警设备响应时间,实现了对来袭激光快速、准确的告警。 展开更多
关键词 激光告警 投影分割 图像处理 FPGA
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基于FPGA的脉冲激光告警系统设计
4
作者 张瑞 武振涛 +3 位作者 薛鹏 杨帅 徐承雨 王志斌 《激光杂志》 北大核心 2025年第6期29-35,共7页
针对脉冲激光被广泛应用于编码通信、精确制导、高功率毁伤等激光武器的情况,且目前缺少对脉冲激光威胁进行有效告警的措施,为此提出了一种基于FPGA的脉冲激光告警系统。通过增加积分时间在帧周期内的占比来提高脉冲捕获概率,采用图像... 针对脉冲激光被广泛应用于编码通信、精确制导、高功率毁伤等激光武器的情况,且目前缺少对脉冲激光威胁进行有效告警的措施,为此提出了一种基于FPGA的脉冲激光告警系统。通过增加积分时间在帧周期内的占比来提高脉冲捕获概率,采用图像差分提高信噪比,并快速提取光斑坐标,最后以查表的形式读出来袭激光的方位、俯仰角度。利用FPGA并行处理的优势,能保证对脉冲激光的实时响应。实验结果表明,该系统在220 mW@1064 nm激光器模拟输入的条件下,对脉冲宽度范围为100 ns~100μs的脉冲激光实现告警,测量角度误差小于0.3°,对单脉冲的捕获概率能达到97%,并能实现1064 nm、1313 nm、1550 nm等常用激光波长的识别。 展开更多
关键词 激光告警 脉冲激光 数据处理 FPGA
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弹光差频调制全Stokes矢量测量及修正方法研究
5
作者 白沁 张瑞 +2 位作者 薛鹏 王志斌 孔泉慧子 《光电工程》 北大核心 2025年第5期25-32,共8页
为实现全Stokes矢量的高精度测量,提出一种双弹光调制器(photoelectric modulator,PEM)的互差频调制全Stokes矢量测量方法。利用两种不同频率的PEM对入射光进行差频调制,被测偏振矢量与PEM相位延迟幅值同时被调制在不同的差频分量中。... 为实现全Stokes矢量的高精度测量,提出一种双弹光调制器(photoelectric modulator,PEM)的互差频调制全Stokes矢量测量方法。利用两种不同频率的PEM对入射光进行差频调制,被测偏振矢量与PEM相位延迟幅值同时被调制在不同的差频分量中。通过奇次差频分量相除操作,可实时获得PEM相位延迟幅值。结合不同差频分量,精确获得被测光Stokes矢量。该方法可减小PEM测量系统中相位延迟幅值波动引入的误差。理论及实验分析结果显示,测得Stokes矢量方差在10^(-5)量级,该方法将对高精度偏振测量提供支撑。 展开更多
关键词 弹光差频调制 Stokes矢量 相位延迟幅值修正
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用于旋光检测的高频率小延迟量弹光调制器设计
6
作者 吕健宁 张瑞 +3 位作者 薛鹏 郭浩杰 徐承雨 王志斌 《应用光学》 北大核心 2025年第3期676-681,共6页
针对弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)在高精度旋光检测中对小延迟量测量的需求,提出了一种旋光检测高频小延迟PEM方案。通过COMSOL(COMSOL multiphysics)有限元仿真模拟驻波模式下的谐振频率在120 kHz附近的PEM,进行振动模态分... 针对弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)在高精度旋光检测中对小延迟量测量的需求,提出了一种旋光检测高频小延迟PEM方案。通过COMSOL(COMSOL multiphysics)有限元仿真模拟驻波模式下的谐振频率在120 kHz附近的PEM,进行振动模态分析和尺寸确定,并设计加工高频小延迟PEM样品。对PEM样品进行实验验证,通过FPGA(field programmable gate array)提取出1~4倍频信号幅值作为主要研究对象,实现了小延迟PEM相位延迟幅值的自动计算以及待测旋光角度测量。实验结果表明:测量系统的高频小延迟PEM频率达120.32 kHz,相位延迟幅值平均值为0.11 rad,重复性为0.000 7,相位延迟幅值较传统单PEM减小2.9倍,对微弱高精度旋光检测具有较大的现实意义。 展开更多
关键词 弹光调制 高频率 小延迟量 旋光检测
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基于差分进化算法的微秒级超高速椭偏测量研究
7
作者 王赛飞 张瑞 +2 位作者 薛鹏 徐承雨 王志斌 《应用光学》 北大核心 2025年第4期859-867,共9页
针对传统机械旋转补偿器型椭偏测量时间分辨率低、稳定性较差等问题,提出一种基于差分进化算法的穆勒矩阵求解系统模型,在此基础上结合超高速弹光调制实现了全穆勒矩阵微秒级测量。首先,通过对双驱动弹光调制器(photoelasticmodulator,P... 针对传统机械旋转补偿器型椭偏测量时间分辨率低、稳定性较差等问题,提出一种基于差分进化算法的穆勒矩阵求解系统模型,在此基础上结合超高速弹光调制实现了全穆勒矩阵微秒级测量。首先,通过对双驱动弹光调制器(photoelasticmodulator,PEM)的工作模式展开研究,证明了在纯行波模式下,能够实现快轴方向的快速且周期性的旋转;然后,设计并加工了驱动频率分别为60kHz和100kHz的PEMs,构建了基于双驱动PEM的超高速椭偏测量模型,通过差分进化算法进行光强拟合,建立了穆勒矩阵求解系统模型,求解得到其光学周期在微秒级,对样品穆勒矩阵所有元素拟合的均方误差均小于0.001。 展开更多
关键词 弹光调制器 超高速快轴旋转 差分进化算法 穆勒矩阵
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非接触式高精度微弱感应电流信息获取
8
作者 王耀利 徐徛征 +2 位作者 王志斌 杨庆东 张磊 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第6期96-107,共12页
在工业监测与安全检测领域,微弱电流信号的非接触式高精度(TMR)检测是保障关键设备运行可靠性的核心技术。针对传统检测方法在高频存在的信号失真与噪声干扰以及检测精度过大的难题,研究提出一种基于非接触式的高精度微弱感应电流信息... 在工业监测与安全检测领域,微弱电流信号的非接触式高精度(TMR)检测是保障关键设备运行可靠性的核心技术。针对传统检测方法在高频存在的信号失真与噪声干扰以及检测精度过大的难题,研究提出一种基于非接触式的高精度微弱感应电流信息获取与解调测试方法,通过下变频与数字锁相解决桥丝式电雷管等设备的电流监测难题,实现微弱电流的精准测量,研究采用“下变频-滤波处理-数字锁相”对系统进行优化,实现5~200 mA微弱电流的高精度获取。该方案突破传统接触式测量的电磁耦合干扰瓶颈,构建了从物理传感到数字解算的一体化检测体系。研究采用TMR作为前端感应单元,利用其高灵敏度与宽频响应特性,来弥补现有系统在高频段测量的技术难题。信号处理环节通过混频器将不同频段信号统一频率下变频至50 kHz,结合低通滤波与ADC,消除高频噪声干扰;后端利用FPGA实现百万次乘累加数字锁相运算,通过互相关检测原理分离目标信号与背景噪声型。经测试验证:在50 kHz~10 GHz频段范围内,系统检测精度达≤±0.65 mA,且实时性通过FPGA并行处理得到保障。非接触式检测方案通过传感器物理屏蔽与数字算法协同为电雷管安全监测、工业设备电流计量提供了低成本、高可靠性的技术路径,与广泛应用前景。 展开更多
关键词 微弱感应电流 TMR 高精度 噪声抑制
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运用频闪照明的弹光调制型双折射显微成像
9
作者 董业 任书宣 +2 位作者 王志斌 王爽 李克武 《光学精密工程》 北大核心 2025年第19期3021-3031,共11页
为实现高速、高精度的双折射显微测量,提出了一种基于弹光调制的双折射显微成像方案。利用弹光调制技术高调制频率、大调制纯度等偏振调制优势,实现了双折射显微成像测量,然后,运用频闪照明法解决了弹光调制器的“高频调制”与相机“低... 为实现高速、高精度的双折射显微测量,提出了一种基于弹光调制的双折射显微成像方案。利用弹光调制技术高调制频率、大调制纯度等偏振调制优势,实现了双折射显微成像测量,然后,运用频闪照明法解决了弹光调制器的“高频调制”与相机“低采集帧率”之间的矛盾。进行0°,30°,90°三个弹光调制相位下采集图像实验,以解算样品的双折射相位延迟量分布。最后,搭建实验系统并对波片和椴树茎切片样品进行了测量实验。实验结果表明,波片延迟量测量误差优于1%,延迟量精度满足±λ/300,延迟量分布最大偏差不超过1.62 nm。椴树茎切片的不同延迟量分布区能够完成不同部位的区域识别,且单次测量时间小于3 ms。该方案实现了高速、高精度的双折射分布测量,且具备双折射相位延迟量分布测量能力,可为二维新材料、生物组织成像等研究提供先进技术手段。 展开更多
关键词 显微成像 弹光调制 频闪照明 相位延迟量 双折射
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