CN111308827A - 一种相位共轭透镜波前矫正器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种相位共轭透镜波前矫正器，是一种基于MO‑PVA非线性光学材料的相位共轭透镜波前矫正器，相对于入射光场波前，该矫正器产生其共轭相位，当入射光场波前经湍流大气一次传输导致相位畸变进入设计的光路后，经过相位共轭透镜(5)的透射或反射，产生相对于入射畸变相位的共轭相位，再经湍流大气二次传输返回，共轭相位再次发生畸变，抵消了一次传输发生的相位畸变，达到了矫正畸变波前相位的效果。本发明无需传统自适应光学系统中所必需的变形镜控制系统，只需要利用本发明相位共轭透镜和应用一般光学元件，即可实现对畸变波前的矫正,具有全视场共轭相位矫正、矫正精度高、响应速度快、结构简单可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学、自适应光学技术领域，特别是一种基于MO-PVA非线性光学材料的相位共轭透镜波前矫正器。
背景技术
随着人们对空间探索的活动日益增加，从空间获取的信息量也越来越大，从空间获取的信息都需要传回地面进行处理，传统的信息获取、信息传输方式已不能满足不断增长的空间信息带宽的需求。由于光探测和光传输具有响应快速、高带宽等优势，因而，空间激光通信(Free Space Optical Communication,FSOC)技术、空间成像光探测技术、激光雷达技术得到广泛应用。然而，从空间采用激光获取信息并将信息传回地面，不可避免地经过大气链路，激光经大气远距离传输时，会受到大气影响。由于空间大气的温度、压力等状态参量以及大气分子及悬浮微粒在空间随高度的分布不均匀，在气流作用下，出现随机扰动，导致折射率等光学参量随高度分布也不均匀，形成所谓大气湍流。大气湍流的随机变化，引起激光能量损耗、光强起伏、光束扩展、传输方向扭曲，到达角随机起伏，最终导致信号信噪比下降，使通信系统误码率增加，成像系统图像模糊，清晰度下降，严重时不能实现空间光传输与光成像探测。其物理机制是湍流大气与传输光场相互作用，引起传输光场波前发生畸变，导致上述一系列效应。当前国内外研究较多的大气湍流抑制技术是自适应光学方法，自适应光学技术可矫正畸变波前，但传统自适应光学结构复杂，算法繁琐，响应速度慢，实时性差，其关键器件—可变形镜研制难度大，难以推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有非线性光学特性MO-PVA材料的共轭相位波前畸变矫正器，以克服湍流大气引起的传输光场波前畸变导致的信号传输质量劣化以及成像清晰度下降问题。
本发明解决其技术问题所采用以下的技术方案：
本发明提供的相位共轭透镜波前矫正器，是一种基于MO-PVA非线性光学材料的相位共轭透镜波前矫正器，相对于入射光场波前，该矫正器产生其共轭相位，当入射光场波前经湍流大气一次传输导致相位畸变进入设计的光路后，经过相位共轭透镜的透射或反射，产生相对于入射畸变相位的共轭相位，再经湍流大气二次传输返回，共轭相位再次发生畸变，抵消了一次传输发生的相位畸变，达到了矫正畸变波前相位的效果。
本发明按照光路设计，主要由相位共轭透镜、泵浦激光器、分光棱镜、组合透镜及光学窗口组成，其中相位共轭透镜采用非线性光学相位共轭透镜。
所述的相位共轭透镜由MO-PVA非线性光学材料制成，用于产生四波混频非线性光学效果并获得相对于入射光场的共轭相位光。
所述的泵浦激光器采用固体激光器，装在外壳卡槽内，用于作为泵浦光光源。
所述的固体激光器是532nm固体激光器。
所述的分光棱镜采用偏振分光镜，装在专用偏振镜固定槽内，用于将泵浦激光器光源发出的光分成两束，作为产生四波混频的两路探测光。
所述的组合透镜由透射透镜、反光镜及分光镜构成，用于对光束整形和使光束按要求的方向传输，其中，透射透镜、反光镜和分光镜均在宽谱(可见光到红外)范围工作。。
所述的光学窗口布置在作为探测光信号的入射光线进入和畸变波前矫正器产生的共轭相位光输出的光路位置，用于引入入射光和输出相位共轭光。
本发明提供的上述相位共轭透镜波前矫正器，其应用于对信号光进行全视场的相位共轭，可以同时矫正波前畸变的低频和高频畸变。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
本发明利用MO-PVA材料产生的非线性光学效应--简并四波混频效应，设计研制一种共轭相位空间传输光场波前畸变矫正器，具有简便实用、响应速度快、灵敏度高的特点。波前矫正器。本发明属于空间光学、自适应光学技术领域，可应用于空间激光通信、激光雷达以及空间成像光探测等技术领域。
(1)本发明相位共轭透镜畸变波前矫正器和传统自适应光学技术比较，无需传统自适应光学所必需的变形镜控制系统，本发明是利用自行发明研制的非线性光学材料相位共轭透镜，实现对入射光场的相位共轭，再应用一般光学元件，构建合理光学系统，即可实现对畸变波前的矫正，使系统大为简化，既降低了成本，又提高了可靠性。
(2)本发明相位共轭畸变波前矫正器也不需要传统自适应光学系统所需要的波前探测装置，消除了由波前探测及各种算法和控制带来的误差，使相位共轭精度得到很大的提高。
(3)传统自适应光学技术是将信标光的波前分为若干单元，分别进行部分相位共轭，而本发明相位共轭透镜畸变波前矫正器则是对信号光进行全视场的相位共轭，可以同时矫正波前畸变的低频和高频畸变。
(4)传统自适光学系统中由于有非常复杂的计算和控制过程，其反应速度约为毫秒量级。而本发明实现相位共轭的非线性光学效应是自动完成的，反应速度快，响应时间为纳秒量级，这一特性对非常有利于高速成像系统的快速矫正补偿，也非常适合应用于高带宽的激光空间通信。因为由相位共轭光补偿信号光波前畸变的时间必须小于由大气中湍流等引起波前畸变的效应的驰豫时间(为毫秒量级)，以使得在相位共轭光的补偿波前畸变过程中，大气能被视为稳态，由湍流大气产生的畸变也才能被矫正。因此本发明用非线性光学效应实现相位共轭补偿比传统自适应光学技术更适用于激光的大气传输和高速成像系统。
总之，无需传统自适应光学系统中所必需的变形镜控制系统，只需要利用本发明相位共轭透镜和应用一般光学元件，即可实现对畸变波前的矫正,具有全视场共轭相位矫正、矫正精度高、响应速度快(可达微妙)、结构简单可靠等特点。
附图说明
图1是本发明畸变波前矫正自适应光学方案示意图。
图2是畸变波前矫正原理。
图3是基于非线性光学材料的相位共轭透镜封装。图3与图4中，5-1.MO-PVA材料封装外壳；5-2.MO-PVA材料溶液。
图4是图3的左视图。
图5是MO-PVA材料溶液吸收光谱。
图6是相位共轭镜波前矫正效果测试示意图。
图7是初始光束与矫正光束传输演化过程示意图。
图8是初始光束、畸变光束和矫正光束光强分布图。
图中：1.激光器；2.分光镜；3.反光镜；4.反射镜；5.相位共轭透镜(5-1.MO-PVA材料封装外壳；5-2.MO-PVA材料溶液)；6.半波片；7.汇聚透镜；8.反射镜；9.信号源激光器；10.第一湍流大气模拟器；11.波前矫正器；12.封装玻璃外壳；13.MO-PVA材料溶液；14.封装固体材料；15.信号激光器；16.光束整形透镜；17.测试畸变光束分光镜；18.CMOS相机；19.第二湍流大气模拟器；20.分束镜。
具体实施方式
本发明针对湍流大气导致的空间传输光场波前畸变，以及传统自适应光学的缺陷，根据共轭相位原理，提出一种共轭相位空间传输光场波前畸变矫正技术，并发明研制一种基于非线性光学技术的共轭相位波前畸变矫正器。相对于入射光场波前，本发明器件可产生其共轭相位，当入射光场波前经湍流大气一次传输导致相位畸变，进入本发明设计的光路，经过本发明相位共轭透镜(透射或反射)，产生相对于入射畸变相位的共轭相位，再经湍流大气二次传输返回，共轭相位再次发生畸变，二次畸变的效果，抵消了一次传输发生的相位畸变，达到了矫正畸变波前相位的效果。本发明波前畸变矫正器响应速度快，实时性强，用于系统中，无需波前传感器，简化了算法，提高了矫正精度。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但不限定本发明。
本发明提供的相位共轭透镜波前矫正器，是一种基于MO-PVA非线性光学材料的相位共轭透镜波前矫正器，其结构如图1所示，主要由激光器1、偏振分光镜2、反光镜3、反射镜4、相位共轭透镜5、半波片6、汇聚透镜7、反射镜8和封装外壳构成。
所述激光器1装在封装外壳12中的卡槽内，该激光器可以采用连续固体激光器，例如532nm固体激光器，用于作为泵浦光光源。经过分光镜2分光后，提供功率均为15mW的正(背)向泵浦光。
所述分光镜2可以采用偏振分光镜，装在专用偏振镜固定槽内，用于将泵浦激光器光源发出的光分成两束，作为产生四波混频的两路探测光。
所述反光镜3可以采用宽谱反光镜，装在按光路设计要求的封装外壳12的固定位置，用于反射由分光镜分束之一的光，并耦合到反射镜8，使之进入MO-PVA非线性光学材料的相位共轭透镜，作为产生四波混频的一路探测光。
所述反射镜4可以采用宽谱反光镜，装在按光路设计要求的封装外壳12固定位置，用于反射由分光镜分束的另一路光进入由MO-PVA非线性光学材料制成的相位共轭透镜5，作为产生四波混频的另一路探测光源。
所述相位共轭透镜5可以采用MO-PVA相位共轭透镜，装在按要求设计的光路中并固定在封装外壳12的适当位置，用于产生四波混频非线性光学效果并获得相对于入射光场的共轭相位光。
当光束入射到非线性光学材料中时，会产生简并四波混频(DFWM)效应。简并四波混频〔即四个波都有相同的频率〕对应光电场与物质相互作用的三阶微扰。三阶非线性效应的产生与三阶非线性极化率相关当光频接近于材料的共振频率时，由于极化率共振增强，会大大提高相位共轭反射系数。
所述半波片6可以采用宽谱波片，装在分光镜后，用于调整作为产生四波混频效应的一路探测光的相位，确保产生和入射光场相位共轭的光束。
所述汇聚透镜7可以采用宽谱透镜组，其焦距为500mm，直径为50mm，焦点正好处于相位共轭透镜5上。该汇聚透镜装在入射光场进入和产生的共轭相位光场输出的光路中，用于接收入射光能量和将产生的共轭相位光整形成平行光束输出。
所述反射镜8可以采用宽谱反光镜，装在按光路设计要求的封装外壳固定位置，用于接收由反射镜3耦合来的光，并使之进入MO-PVA非线性光学材料(MO-PVA材料溶液13，其颜色为红色)的相位共轭透镜5，作为产生四波混频的一路探测光。另外，反射镜8还将从透射透镜7接收的入射光以合适角度反射进入相位共轭透镜5，作为产生四波混频的信号光；同时，还将相位共轭透镜5产生的和入射光场相位共轭的光束反射进入透汇聚镜7整形成为平行光输出，以实现本发明相位共轭波前矫正功能。
本发明提供的相位共轭透镜波前矫正器，可以采以下方法制作：
1、设计研制的基于MO-PVA材料的相位共轭透镜(包括透射和反射两种形式的透镜)。本发明设计及应用相关工艺技术(例如溅射等)，通过合理的配比(例如体积配比9：1)，对MO-PVA材料进行特殊处理(例如加热搅拌)，使之成为一种可产生非线性光学效应中的四波混频效应的功能液体材料，并用透明材料予以合理封装，成为可透射光能量的可产生相位共轭透镜；透射和反射两种形式的透镜，均具有非线性光学特性，可产生光学四波混频效应，形成相对于入射光场相位的共轭相位透镜。
封装工艺为：在封装透明材料的一面的表面予以镀光学材料膜，膜厚为500nm，于此制成可反射光能量的相位共轭反射透镜。若在封装透明材料的两个表面予以镀光学材料膜，膜厚为500nm，于此制成可透射光能量的相位共轭透射透镜5(图1)。
2、在相位共轭透镜5的基础上，应用该相位共轭透镜，实现一种相位共轭畸变波前矫正自适应光学系统，该系统整体工作于反射式波前畸变矫正方式。
本发明自适应光学系统不同于传统自适应光学，不需要波前传感器，也不需要可变形镜，亦不需要复杂的波前检测与波前重构算法，直接以本发明相位共轭透镜为波前矫正核心器件，产生相对于入射光场波前的共轭相位光场。
本发明提供的相位共轭透镜波前矫正器，其工作过程如下：
1.对入射光场畸变波前的矫正：
如图1所示，整体为反射式波前畸变矫正器。由激光器1输出连续激光(532nm)作为产生四波混频非线性光学效应的泵浦光，该泵浦光经由分光镜2(BS)分光后，分别经由反光镜3、反射镜4反射后，经反射镜3输出的光束经过反射镜8，产生作为泵浦光光源的两束光束Ef和Eb，相向入射在相位共轭透镜5上，该两光束的偏振方向可由半波片(HWP)6进行调整。经湍流大气传输后的入射光场畸变波前光束Ep经过汇聚透镜(L)7后以小角度(小于8°)入射到反射镜8，与泵浦光Eb、Ef重合共同作用于相位共轭透镜5，产生非线性光学效应——简并四波混频(DFWM)，四波混频产生与入射光束Ep相位共轭的光束Es光，沿入射光束方向的路径返回。Es是由本发明相位共轭透镜产生的和入射光场相位共轭的光束，经过第一湍流大气模拟器10和第二湍流大气模拟器20的湍流大气二次传输，便实现了对入射光场畸变波前的矫正。第一和第二湍流大气模拟器是同一种湍流大气模拟器。
所矫正激光光束的波长不局限于532nm，包括可见光、红外范围。针对不同波长的激光，可以定制非线性光学材料以及泵浦光光源，以实现不同波长的畸变光束的矫正。
2.相位共轭畸变波前矫正系统工作原理示意图：
参见图2，由信号激光器9发出的未畸变相位①光束进入湍流大气，经过大气湍流模拟器10传输后相位如图2中②，到达波前矫正器11，经相位共轭透镜(此处为反射透镜)波前矫正器11反射之后，相位如图2中③。由图可见，波前突出的部分经过反射之后变成最迟滞部分，在通过湍流回传后波前恢复到了初始状态④。事实上，产生的波前是准确地复制了入射波前而向相反的方向传播，由此可以对任意畸变的波前进行矫正。
本发明相位共轭透镜由甲基橙(MO)参杂聚乙烯醇(PVA)溶液，按体积配比9：1混合，形成体积浓度10％的MO-PVA非线性光学功能液体材料(MO-PVA材料溶液13)，该材料在532nm的激光波长下具有优异的简并四波混频特性。将MO-PVA材料溶液13封装于两块方形石英玻璃中，方形玻璃的厚度为1mm，尺寸为50mm×50mm，边框宽度为10mm。MO-PVA材料溶液光程为1mm。封装如图3和图4所示。MO-PVA材料溶液吸收光谱如图5所示。由图5可以看出，MO-PVA材料溶液的吸收峰处于435nm，在波长吸收带内的波长入射样品时，都会激发产生非线性光学特性。样品在488nm、515nm和532nm下用Z-scan测量了三阶非线性折射率n2分别测量为：-8.54×10-11esu、-2.06×10-10esu、-1.23×10-9esu。结果表明，MO-PVA材料溶液非常适用于基于532nm波长下的波前矫正器。
本发明矫正效果较好，可以通过图6所示的测试装置验证实际矫正效果测试的结果。
参见图6：信号光光源由532nm信号激光器15产生，经过光束整形透镜16后，光束具有一定的发散角而扩束。湍流扰动由第二湍流大气模拟器19产生，当光束通过第二湍流大气模拟器19时，波前会产生一定程度的畸变。畸变光束经由分束镜20反射后，入射到CMOS相机18，相机记录其光强畸变实际分布。而透射的畸变光束入射到相位共轭透镜5中，产生的矫正光束沿反向传输。矫正光束再次通过湍流完成矫正过程，经过测试畸变光束分光镜17分光后，由CMOS相机18探测光斑的光强分布，提供畸变波前数据，分析处理后得出矫正效果。
对于远距离的激光通信，在激光传输的同时，光束能量会随着距离增加发生扩散，由于接收端透镜组的口径有限，能够有效接收到的光强信息很少，这很大程度上增加了探测的难度。针对这一问题，相位共轭透镜所产生的自聚焦效应会将光束汇聚并恢复为初始的光斑大小，可以极大地降低干扰并提高探测效率。在无扰动的测试中，我们对比了初始入射的高斯光束和经过相位共轭透镜反射的矫正光束。测试结果如图7所示。可以看出，由于具有一定的发散角，原始高斯光束在经过矫正前具有一个明显的发散角，随着传播距离的提升，光束半径逐渐变大，从0.21mm增加到了0.32mm，中心点的光强也随之减弱。在经过相位共轭透镜的矫正过后，随着传输距离的增加，光斑半径从0.33mm减小到0.22mm，光束在传输的过程中开始自聚焦，大大增强了中心区域的光强。这种自聚焦的特性在实际自由空间激光通信系统中具有非常高的应用价值。
在具有扰动的情况下，相位共轭透镜5的矫正结果如图8所示。测试过程中，我们利用湍流大气模拟器产生折射率扰动。湍流大气模拟器所产生热量引起的空气密度不均匀分布可以模拟大气湍流效果。通过对比图中初始光束和畸变光束，可以看出在通过模拟大气湍流后，光束的形状发生了很大的变化，不仅光斑半径扩大，光束中心点也发生了偏移。在经过相位共轭透镜矫正之后，矫正光斑与初始光斑相比，中心点光束偏移已经缩小到了0.1mm以内，且光强分布也基本还原为了高斯分布状态，由此看出，相位共轭镜对大气湍流所产生的波前畸变实现了良好的矫正，矫正程度为1/50波长。。
本发明提供的相位共轭透镜波前矫正器，具有以下特点：
(1)本发明相位共轭透镜畸变波前矫正器无需传统自适应光学系统中所必需的变形镜控制系统，是利用非线性光学效应实现相位共轭，只应用一般光学元件，即可实现对畸变波前的矫正，使系统大为简化，既降低了成本，又提高了可靠性。
(2)本发明相位共轭畸变波前矫正器不需要传统自适应光学系统所需要的波前探测装置，消除了由波前探测及各种算法和控制带来的误差，使相位共轭精度得到很大的提高。
(3)本发明与传统自适应光学技术将信标光的波前分为若干单元，分别进行部分相位共轭完全不同，相位共轭透镜畸变波前矫正器是对信号光进行全视场的相位共轭，可以同时矫正波前畸变的低频和高频畸变。
(4)传统自适光学系统中由于有非常复杂的计算和控制过程，其反应速度约为毫秒量级。而本发明实现相位共轭的非线性光学效应是自动完成的，反应速度快，响应时间为纳秒量级，这一特性对非常有利于高速成像系统的快速矫正补偿，也非常适合应用于高带宽的激光空间通信。因为由相位共轭光补偿信号光波前畸变的时间必须小于由大气中湍流等引起波前畸变的效应的驰豫时间(为毫秒量级)，以使得在相位共轭光的补偿波前畸变过程中，大气能被视为稳态，由湍流大气产生的畸变也才能被矫正。因此本发明用非线性光学效应实现相位共轭补偿比传统自适应光学技术更适用于激光的大气传输和高速成像系统。
Claims (9)
1.一种相位共轭透镜波前矫正器，其特征是一种基于MO-PVA非线性光学材料的相位共轭透镜波前矫正器，相对于入射光场波前，该矫正器产生其共轭相位，当入射光场波前经湍流大气一次传输导致相位畸变进入设计的光路后，经过相位共轭透镜(5)的透射或反射，产生相对于入射畸变相位的共轭相位，再经湍流大气二次传输返回，共轭相位再次发生畸变，抵消了一次传输发生的相位畸变，达到了矫正畸变波前相位的效果。
2.根据权利要求1所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于按照光路设计，主要由相位共轭透镜(5)、泵浦激光器、分光棱镜、组合透镜及光学窗口组成，其中相位共轭透镜(5)采用非线性光学相位共轭透镜。
3.根据权利要求2所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于相位共轭透镜(5)由MO-PVA非线性光学材料制成，用于产生四波混频非线性光学效果并获得相对于入射光场的共轭相位光。
4.根据权利要求2所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于泵浦激光器采用固体激光器，装在外壳卡槽内，用于作为泵浦光光源。
5.根据权利要求4所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于采用532nm固体激光器。
6.根据权利要求2所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于分光棱镜采用偏振分光镜，装在专用偏振镜固定槽内，用于将泵浦激光器光源发出的光分成两束，作为产生四波混频的两路探测光。
7.根据权利要求2所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于组合透镜由透射透镜、反光镜及分光镜构成，用于对光束整形和使光束按要求的方向传输，其中，透射透镜、反光镜和分光镜均在宽谱范围工作。
8.根据权利要求2所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于光学窗口布置在作为探测光信号的入射光线进入和畸变波前矫正器产生的共轭相位光输出的光路位置，用于引入入射光和输出相位共轭光。
9.根据权利要求1至8中任一所述的相位共轭透镜波前矫正器，其特征在于应用于对信号光进行全视场的相位共轭，可以同时矫正波前畸变的低频和高频畸变。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| US5438412A (en) * | 1993-03-31 | 1995-08-01 | Agency Of Industrial Science Technology, Ministry Of International Trade & Industry | Phase conjugate interferometer for testing paraboloidal mirror surfaces |
| US20070030542A1 (en) * | 2005-08-03 | 2007-02-08 | Grasso Robert J | Method and apparatus for compensating for atmospheric turbulence based on holographic atmospheric turbulence sampling |
| WO2015041320A1 (ja) * | 2013-09-20 | 2015-03-26 | 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 | 補償光学系及び光学装置 |
| CN106452581A (zh) * | 2016-07-28 | 2017-02-22 | 杭州摩焕科技有限公司 | 基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统 |
| CN110086534A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-08-02 | 西安理工大学 | 一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法 |
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2019
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5438412A (en) * | 1993-03-31 | 1995-08-01 | Agency Of Industrial Science Technology, Ministry Of International Trade & Industry | Phase conjugate interferometer for testing paraboloidal mirror surfaces |
| US20070030542A1 (en) * | 2005-08-03 | 2007-02-08 | Grasso Robert J | Method and apparatus for compensating for atmospheric turbulence based on holographic atmospheric turbulence sampling |
| WO2015041320A1 (ja) * | 2013-09-20 | 2015-03-26 | 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 | 補償光学系及び光学装置 |
| CN106452581A (zh) * | 2016-07-28 | 2017-02-22 | 杭州摩焕科技有限公司 | 基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统 |
| CN110086534A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-08-02 | 西安理工大学 | 一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| TSUTOMU SATO, KAZUO NAKAGAWA AND HIROFUMI FUJIWARA: "Polarization-Dependent Light-Gated Phase Conjugation in Methyl-Orange Doped Polymer Film", 《OPTICAL REVIE》 * |
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