基于孔径分割与视场分割的通道型成像光谱偏振技术-权乃承.pdf

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1、物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016) 080703基于孔径分割与视场分割的通道型成像光谱偏振技术 权乃承张淳民y穆廷魁(西安交通大学理学院,空间光学研究所,西安710049)(2015年11月30日收到; 2016年1月13日收到修改稿)本文基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术,提出一种成像光谱偏振技术的新方案.本方案在单一面阵探测器上同时获取经过不同强度调制的两对正反相干涉图,四幅干涉图相加获取强度加倍的目标图像,正反相干涉图相减获取纯干涉条纹,纯干涉条纹相加减获取强度加倍的单通道干涉条纹,对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信息.

2、文中描述了方案的原理结构,推导出了干涉强度的表达式,并利用计算机仿真验证了方案的可行性.为新型成像光谱偏振仪的设计和工程化应用提供了一种新思路.关键词:偏振成像光谱技术,孔径分割,视场分割,通道光谱技术PACS: 07.60.Rd, 07.60.Fs, 42.25.Hz, 42.25.Ja DOI: 10.7498/aps.65.0807031引言成像光谱偏振仪(imagingspectropolarimeter,ISP)是一种融合了照相机、光谱仪与偏振仪功能的新型探测仪器,能够同时获取目标的图像、光谱和偏振信息1 5. ISP将成像光谱仪获取的三维信息(一维光谱和二维空间)或者成像偏振仪获取

3、的三维信息(一维偏振和二维空间)拓展到了四维(一维光谱、二维空间和一维偏振信息),为目标探测和识别提供了更加丰富的信息源,在军事侦察、伪装识别、地质调查、大气环境监测、农业和海洋遥感等领域将发挥重要作用. ISP成像光谱偏振仪虽尚处于发展阶段,但其已引起了国内外相关研究机构的广泛关注6 10.由于自然界中存在的圆偏振光很少,获取全部线偏振光谱信息即可满足大多数的应用需求6;7.受基础原理限制,传统ISP普遍需要狭缝、运动部件以及电控调制相位延迟器,结构复杂,抗振能力及环境适应性差,很难满足航空航天遥感及野外探测的需求11 14.静态干涉成像光谱技术的发展为提高ISP的性能与实用性提供了新的思路

4、15 23.基于通道光谱技术与静态干涉成像光谱技术的ISP具有实时性好、高稳定性、无电控部件及共光路直线结构等优点,它利用相位延迟组件对目标的全部偏振信息进行强度调制,后置静态干涉成像光谱仪获取目标的图像与通道化的干涉图,通过对干涉图在光程差维进行滤波及傅里叶变换,便可同时获得目标的全部偏振光谱信息.但是,在实际的使用过程中各通道之间会出现不可避免的串扰,且光程差维的滤波会使各通道对应的光程差减小,从而导致光谱分辨率的降低24 26.并且获取的干涉图包含直流项,直流项一般视为背景噪声,在复原光谱时需要去除,否则会降低光谱的信噪比,而传统去背景方法存在计算量大、光程差零点漂移、对相干光束非等振幅

5、分光误差敏感等缺憾27 32.国家高技术研究发展计划(批准号: 2012AA121101)、国家自然科学基金重点项目(批准号: 41530422)、国家自然科学基金(批准号: 61540018, 61275184, 61405153)、国家科技重大专项(批准号: 32-Y30B08-9001-13/15)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20130201120047)资助的课题.通信作者. E-mail: 2016中国物理学会Chinese Physical Society http:/080703-1物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016

6、) 080703为了增强传统成像光谱偏振仪的实用性,在获取四维光学信息的基础上,提高获取信息的精度、信噪比以及系统的稳定性,本文提出一种基于孔径分割与视场分割的通道型成像光谱偏振仪(AFDCISP)新方案.入射光依次通过准直系统、消色差的 4波片、延迟器、偏振阵列、消色差的半波片、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、延迟器、分析器及双透镜组,在CCD上下两侧分别产生两对双通道互补的干涉图,四幅干涉图相加获取强度加倍的目标图像;通过干涉图相减获取强度加倍的纯干涉条纹;纯干涉条纹相加减保留单通道的干涉条纹,通过傅里叶变换便可获取目标的传统强度光谱与线偏振光谱信息.本文在详细论述装置组成的基

7、础上,从系统的原理出发,通过分析和计算,推导出了干涉条纹的强度表达式,并利用计算机仿真验证了方案的可行性.2原理方案2.1基本原理AFDCPIS的光学结构如图1所示.消色差的/4波片AQWP快轴沿x方向,延迟器R1的快轴与x轴的夹角为45,偏振阵列P1, P2为偏振方向分别平行于x轴与y轴的起偏器,这三者组成了光谱调制模块.消色差的半波片AHWP快轴与x轴夹角为22.5, Wollaston棱镜(WP)的主截面分别平行于x轴与y轴. Savart偏光镜左板的光轴位于与y轴正向、z轴负向成45夹角的平面内,光轴与z轴负向夹角为45; Savart偏光镜右板的光轴位于与y轴正向、z轴正向成45夹角

8、的平面内,光轴与z轴正向夹角为45.延迟器R2的快轴与x轴夹角为45,用于产生附加的光程差.线分析器(LA)的偏振方向平行于x轴,用于规化相干所需的透振方向.面阵CCD探测器放置在透镜组L12的后焦平面上,用于接收干涉强度图像.由目标发出的光线经过L0成像于视场光阑M处.中间像面经过L1准直后通过由AQWP, R1及偏振阵列组成的光谱调制模块,上光路和下光路的光线变为偏振方向分别沿x轴和y轴的线偏光E1x与E2y. AHWP将这两束光的偏振方向沿着x轴旋转45. E1x被WP竖直角剪切为两束振幅相等且偏振方向正交的线偏光Ex1x与Ey1x, SP将Ex1x横向剪切为振幅相等的正交线偏光,通过R

9、2产生附加光程差,再经LA规化透振方向,被L1汇聚在CCD的上半部分,进行干涉并产生干涉图IiA; Ey1x被SP横向剪切为振幅相等的正交线偏光,通过R2产生附加光程差,经LA规化透振方向,被L1汇聚在CCD上半部分的下侧,产生干涉图IaA.同样,E2y被WP竖直角剪切为两束振幅相等且偏振方向正交的线偏光Ex2y与Ey2y, SP将Ex2y横向剪切为振幅相等的正交线偏光,经过LA规化透振方向,被L2汇聚在CCD的下半部分,产生干涉图IiB; Ey2y被SP横向剪切为振幅相等的正交线偏光,经过LA被L2汇聚在CCD下半部分的下侧,产生干涉图IaB.所获取干涉图像对应像点的光程差在平行于y轴方向是

10、相等的,在平行于x轴方向随入射角同步变化.这四副干涉图相加获取强度加倍的目标图像; IiA与IaA相减获取强度加倍的纯干涉图IA; IiB与IaB相减xzyAQWP R1xyxy yxyyxx xyxyP1/P2 AHWP R2 LAWP SPL0L1L23M图1 AFDCISP光学结构图Fig. 1. Optical layout of the channeled spectropolarimeter based on division of aperture and eld of view.080703-2物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016)

11、080703获取强度加倍的纯干涉图IB; IA与IB相加减保留单一通道的干涉条纹,通过傅里叶变换便可获取目标的线偏振光谱信息.可见本方案在获取线偏振光谱信息的过程中,避免了光程差维的通道滤波,复原的偏振光谱具有高光谱分辨率的优点,通道间的串扰也不会影响光谱信息获取;同时,本方案从硬件上抑制了背景噪声,有利于提取高信噪比的纯干涉条纹.2.2理论推导从上述AFDCPIS结构和工作原理可知, WP等效为两个正交线偏振器,其穆勒矩阵分别表示为MWP(0), MWP(90); AQWP, R1, P1,P2, AHWP, SP, R2, LA的穆勒矩阵分别表示为: MQW, MR1, MHW, Mp(0

12、), Mp(90), MSP,MR2, MLA.根据偏振光学原理,空间点(x;y)发出光束的Stokes矢量S(x;y; )为S(x;y; ) =266664S0(x;y; )S1(x;y; )S2(x;y; )S3(x;y; )377775=266664I0(x;y; ) + I90(x;y; )I0(x;y; ) I90(x;y; )I45(x;y; ) I135(x;y; )IR(x;y; ) + IL(x;y; )377775; (1)其中, S0为光束总能量, I0, I90, I45和I135分别表示光束经过0, 90, 45和135线偏振片后的强度, IR和IL表示光束中的右旋和

13、左旋圆偏振光.入射Stokes矢量Sin和IiA, IaA, IiB, IaB对应Stokes矢量的关系为SiA =MLAMR2MSPMWP(0)MHWMP(0)MR1MQWSin; (2)SaA =MLAMR2MSPMWP(90)MHWMP(0)MR1MQWSin; (3)SiB =MLAMR2MSPMWP(0)MHWMP(90)MR1MQWSin; (4)SaB =MLAMR2MSPMWP(90)MHWMP(90)MR1MQWSin: (5)在光学手册上查得各元件穆勒矩阵的具体表达式,代入上式可得:SiA=266664Sa0Sa1Sa2Sa3377775=2666666414(1+cos)

14、(S0+cosS1+sinS2)14(1+cos)(S0+cosS1+sinS2)0037777775; (6)SaA=266664Sb0Sb1Sb2Sb3377775=26666666414(1 cos)(S0+cosS1+sinS2)14(1 cos)(S0+cosS1+sinS2)00377777775; (7)SiB=266664Sc0Sc1Sc2Sc3377775=26666666414(1+cos)(S0 cosS1 sinS2)14(1+cos)(S0 cosS1 sinS2)00377777775;(8)SaB=26666664Sd0Sd1Sd2Sd337777775=2666

15、6666414(1 cos)(S0 cosS1 sinS2)14(1 cos)(S0 cosS1 sinS2)00377777775;(9)080703-3物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016) 080703其中为两相干光束之间的相位差,与光程差之间的关系为 = 2 (SP + R2), SP为SP产生的光程差, R2为延迟器R2产生的光程差, 为延迟器R1产生的相位延迟量.根据偏振光学原理可知, CCD所能采集到的光信号为总的光强信号,也即得到的四个干涉强度分别为Sa0, Sb0, Sc0与Sd0 21:IiA =14(1 +cos)(S0 +co

16、sS1 +sinS2); (10)IaA =14(1 cos)(S0 +cosS1 +sinS2); (11)IiB =14(1 +cos)(S0 cosS1 sinS2); (12)IaB =14(1 cos)(S0 cosS1 sinS2); (13)这四个干涉强度之和即为目标的图像.由(10)(13)式可以得到去掉背景的纯干涉强度:IA =IiA IaA=12(S0 +cosS1 +sinS2)cos; (14)IB =IiB IaB=12(S0 cosS1 sinS2)cos: (15)通过欧拉公式可得:IA =cosS02 +ei4 (S1 iS2)+ ei4 (S1 iS2)=C0

17、 +C 1 +C1; (16)IB =cosS02 ei4 (S1 iS2)ei4 (S1 iS2)=C0 C 1 C1; (17)其中, C0 = S02 , C 1 = ei4 (S1 iS2), C1 =e i4 (S1 iS2).可以看出,干涉图作为载频信号被调制成了以0, , 为中心点的三部分.通过选择R2所产生的相位,在整个光程差范围内只保留C0;C1,可以得到:IA = C0 +C1; (18)IB = C0 C1: (19)由(18), (19)式可得单通道的纯干涉条纹为C0 = IA +IB2 ; (20)C1 = IA IB2 : (21)利用傅里叶变换可得:S0 = 2F

18、TfC0g; (22)S1 = realf4FTfC1geig; (23)S2 = imagf4FTfC1geig; (24)其中FTf g代表傅里叶变换, realf g代表求复数实部, imagf g代表求复数虚部.通过两幅纯干涉条纹的加减运算只保留其中一个通道,通道之间存在的串扰不影响单通道干涉条纹的获取,并且该方法避免了光程差维的滤波,获取的单通道干涉图保留了与整个光学系统相同的光程差,由(22)(24)式所复原全部线偏振光谱的分辨率就不会下降,与系统决定的光谱分辨率一致;由于本系统获取了两对正反相的干涉图,利用正相与反相干涉图相减的方式提取纯干涉条纹,克服了传统去背景方法存在计算量大

19、、光程差零点漂移、对相干光束非等振幅分光误差敏感等缺点,便于提取高信噪比的纯干涉条纹.3仿真与分析此处采用的探测器为Princeton公司的Pho-tonMAZ:512B电子倍增EMCCD,空间分辨率为512 512,像素大小为16 m 16 m,像素间隔为16 m.探测波长范围为486960 nm,假定目标上某一点处的光谱强度如图2所示.根据奈奎斯特采样定理,为了避免光谱混叠现象,则最大采样间隔应为 = 1/ max = 0.243 m.由于一个干涉周期至少要采两个数据点,为了满足采样要求, CCD一行相邻两个像元对应的光程差间隔不能大于最大采样间隔.若相邻像元的光程差间隔刚好等于采样间隔,

20、则系统的最大光程差为max = (N/2) = 62:2 m.080703-4物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016) 080703400 500 600 700 800 900 100000.20.40.60.81.01.21.4/nmB/arb. unitsS0S1S2S3图2入射的Stokes光谱强度Fig. 2. Input Stokes spectrum.由偏振光学原理可知,相位延迟器所产生的光程差可以表示为R = nd其中n = ne no,为晶体的双折射率, d为延迟器的厚度.根据第二节的分析,可以得到CCD上干涉图的光程差分布如图3所示

21、.C10C0max-R2 max+R2-R1max+R2max+R2R12max图3探测器上双通道干涉图的光程差分布Fig. 3. Distribution of OPD on the detector array.图中max为系统的最大光程差, R1, R2分别为延迟器R1, R2产生的光程差.由于本方案避免了光程差维的通道滤波, C0, C1间的串扰不会对复原光谱产生影响.因此,该系统对R1, R2的厚度没有明确的要求,仅需要获取的干涉图满足过零采样,并且使包含完整光谱信息的干涉条纹能够全部出现在CCD上即可.此处选择R1, R2的值均为36 m.采用石英晶体为R1, R2的材料,双折率n

22、取为0.009 (忽略色散),那么R1, R2的厚度均为4 mm.WP和SP均采用在整个探测波段范围内具有高透射率的方解石晶体制作.如果L1, L2的焦距为80 mm, WP的分束角约为0.7时可以在y轴方向上充分利用CCD的尺寸,由此可得WP的结构角为2;为了能够充分利用CCD的光谱分辨率, SP所产生的剪切量应该为1.5 mm,那么SP的单板厚度为6.5 mm.图4模拟的在探测器上获取的二维干涉图Fig. 4. Simulated two dimensional interferogram onthe detector array.-40 -20 0 20 40 60 80 10000.5

23、1.0-40 -20 0 20 40 60 80 10000.51.0-40 -20 0 20 40 60 80 10000.51.0-40 -20 0 20 40 60 80 10000.51.0./mmB图5带有背景的一维干涉强度Fig. 5. One-dimensional interference intensity withbackground.图4为模拟的在探测器上获取的四幅二维干涉图,图5为每幅二维干涉图第20行对应的一维干涉强度.此图只是所有推扫图像中的某一副,不包含像元完整的光谱信息.可以看到在CCD上获取的干涉条纹呈双通道分布.图6为通过四幅干涉图相加所获取的目标图像,干涉

24、强度与图像之间已经完全分离.图7和图8为通过干涉图相减所获取的080703-5物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016) 080703图6获取的目标图像Fig. 6. Image of the target.图7二维纯干涉条纹Fig. 7. Two dimensional pure interference patterns.-40 -20 0 20 40 60 80 100-0.500.5-40 -20 0 20 40 60 80 100-0.500.5./mm./mmBB图8一维纯干涉强度Fig. 8. One-dimensional pure in

25、terference intensity.-40 -20 0 20 40 60 80 100-1.0-0.500.51.0-40 -20 0 20 40 60 80 100-0.4-0.200.20.4./mm./mmBB图9单通道一维纯干涉强度Fig. 9. Single channeled one-dimensional interferenceintensity.纯干涉图及其对应的一维干涉强度,此时背景已经完全去除.图9为获取的单通道纯干涉强度.对所有推扫图像进行上述操作,并对某像元对应纯干涉强度序列进行提取并重新排布,便可获得像元的完整光谱信息19.图10为复原的光谱强度,由于没有考虑

26、噪声的影响及CCD像元的响应效率偏差,得到复原光谱与输入光谱保持一致.500 600 700 800 9000.20.40.60.81.01.2/nmB/arb. unitsSi inS0S1S2Si out图10复原的偏振光谱Fig. 10. Superimposed original spectra (solid lines)and reconstructed spectra (dotted lines).4结论本文提出了一种静态、可同时获取目标图像、光谱、线偏振信息的成像光谱偏振技术新方案.论述了其结构原理、干涉理论及光谱复原方法.分析了该仪器实现获取目标四维光学信息的工作过程,通过理论

27、推导给出了干涉强度的具体表达式,并通过计算机仿真验证了方案的可行性.本方案融合了孔径分割、视场分割与通道光谱技术,采用了包含两个偏振方向正交的线偏振器(偏振阵列)的光谱调制模块和由两个透镜构成的透镜组,以及两个偏振分束器: Wollaston棱镜和Savart偏光镜,目的是在单一面阵探测器上同时获取四幅经过不同强度调制的两对正反相干涉图,进而反演出目标的图像、光谱与偏振信息.与传统通道型干涉偏振成像光谱技术相比,该方案从光学结构上避免了图像与干涉条纹之间的影响,通过干涉图间的简单加减运算,便可获得目标的纯图像与纯干涉强度,获取有效数据便捷,信噪比高;并且同时克服了由于通道混叠与通道滤波造成的光

28、谱畸变与光谱分辨率的降低,复原光谱精度较高,光谱分辨率与系统光谱分辨率一致,并且具有良好的实时080703-6物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016) 080703性.该项研究对偏振成像光谱技术的理论研究以及工程应用都有着重要的指导意义.参考文献1 Joseph S T, Denis L G, David B C, Joseph A S 2006Appl. Opt. 45 54532 Zhu B H, Zhang C M, Jian X H, Zeng W F 2012 ActaPhys. Sin. 61 090701 (in Chinese) 祝宝辉

29、,张淳民,简小华,曾文锋2012物理学报61 0907013 Denes L J, Gottlieb M S, Kaminsky B 1998 Opt. Eng.37 12624 Persky M J 1995 Rev. Sci. Instrum. 66 47635 Oka K, Kato T 1999 Opt. Lett. 24 14756 Tyo J S, Turner Jr T S 2001 Appl. Opt. 40 14507 Gupta N, Dahmani R, Choy S 2002 Opt. Eng. 41 10338 Gupta N, Voloshinov V 2004 A

30、ppl. Opt. 43 27529 Jones S, Iannarilli F, Kebabian P 2004 Opt. Exppress12 655910 Avendao-Alejo M, Rosete-Aguilar M 2006 J. Opt. Soc.Am. A 23 92611 Kevin W P, Theodore S T 1998 Proc. SPIE 3498 22312 Tyo J S, Theodore S T 1999 Proc. SPIE 3753 21413 Meng X, Li J, Liu D 2013 Opt. Lett. 38 77814 Guyot S,

31、 Anastasiadou M, Delchelle E, Martino A D2007 Opt. Express 15 739315 Zhang C M, Xiang L B, Zhao B C 2002 Opt. Comm.203 2116 Zhang C M, Xiangli B, Zhao B C 2004 Appl. Opt. 43609017 Zhang C M, Xiang L B, Zhao B C 2008 Opt. Comm.281 205018 Zhang C M, Jian X H 2010 Opt. Lett. 35 36619 Zhang C M, Zhu H C

32、, Zhao B C 2011 Opt. Express 19962620 Zhang C M, He J 2006 Opt. Express 14 1256121 Zhang C M, Xiang L B 2010 Interference Imaging Spec-troscopy (Beijing: Science Press) p54 (in Chinese) 张淳民,相里斌2010干涉成像光谱技术(北京:科学出版社)第54页22 Zhang C M, Liu N, Wu F Q 2010 Acta Phys. Sin. 59949 (in Chinese) 张淳民,刘宁,吴福2010

33、物理学报5994923 Mu T K, Zhang C M, Ren W Y, Zhang L, Zhu B H 2011Acta Phys. Sin. 60 070704 (in Chinese) 穆廷魁,张淳民,任文艺,张霖,祝宝辉2011物理学报60 07070424 Jones S H, Iannarilli F J, Kebabian P L 2004 Opt. Ex-press 12 655925 Craven-Jones J, Kudenov M W, Stapelbroek M G 2011Appl. Opt. 50 117026 Zhao Y Q, Zhang L, Pan

34、Q 2009 Appl. Opt. 48 23627 Kudenov M W, Hagen N A, Dereniak E L 2007 Opt.Express 15 1279228 Snik F, Karalidi T, Keller C U 2009 Appl. Opt. 48 133729 Roy A, Rafert J B 2004 Proc. SPIE 5298 18830 Zamora G, Truitt P, Nemeth S, Raman B, Soliz P 2004Proc. SPIE 5314 13831 Hashimoto M, Kawata S 1992 Appl.

35、Opt. 31 609632 Padgett M J, Harvey A R, Duncan A J, Sibbett W 1994Appl. Opt. 33 6035080703-7物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 8 (2016) 080703Channeled spectropolarimetry based on division ofaperture and eld of view Quan Nai-Cheng Zhang Chun-Miny Mu Ting-Kui(Institute of Space Optics, School of Scienc

36、e, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China)( Received 30 November 2015; revised manuscript received 13 January 2016 )AbstractIn order to obtain accurate image, spectrum and polarization state of target by the interferometric channeledspectropolarimeter, the interferogram and the image need to b

37、e separated. Although it can be achieved by digital imageprocessing technology, heavy computations with approximation would be introduced. In the application of channeledspectropolarimetry, an inevitable crosstalk will be present between channels of the interferogram formed on the CCD.Spatial lterin

38、g in the optical path dierence domain will generate a loss of spectral resolution and the distortion of therecovered spectrum. To overcome these drawbacks, a static imaging channeled spectropolarimeter based on division ofaperture and eld of view is presented. The aperture is divided by a polarizati

39、on array, which consists of two polarizerswith their transmission axes perpendicular to each other. The eld of view is divided by a pair of lenses with the samefocal lengths. The spectral modulation module is composed of an achromatic quarter wave plate, a retarder and apolarization array. The inter

40、ference system consists of an achromatic half wave plate, a Wollaston prism, and a Savartpolariscope. Two pairs of in-phase and anti-phase interferogram with dierent intensity modulations can be obtainedsimultaneously on a single detector array. The pure image of the target is acquired by the summat

41、ion of the fourinterferograms. The background intensity is removed by the subtraction of the interferograms with in-phase and anti-phase, and the pure interference fringes can be acquired. By the summation and subtraction of the two pure interferencefringes, the single channeled interference fringes

42、 corresponding to spectrum of intensity and linear polarization statecan be obtained. Spectral and polarization information of the target are acquired by Fourier transform of the singlechanneled interference fringes. Compared with previous instruments, the described model has the signicant advantage

43、that the background intensity can be removed from the hardware of the layout, and thus avoiding the spatial lteringin the optical path dierence domain. The obtained spectra have the same resolutions as those obtained from theinterference system, and the distortion of the recovered spectrum can also

44、be vanished. Since there is neither rotatingpart nor moving part, the system is relatively robust. In the present paper, the principle of the instrument is described,and the interference fringe intensity distribution formula is obtained and analyzed. The performance of the system isdemonstrated thro

45、ugh a numerical simulation. This work will provide an important theoretical basis and the practicalinstruction for designing a new type of imaging sepctropolarimeter and its engineering applications.Keywords: imaging spectropolarimeter, channeled spectrometry, division of aperture, division of eldof

46、 viewPACS: 07.60.Rd, 07.60.Fs, 42.25.Hz, 42.25.Ja DOI: 10.7498/aps.65.080703* Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No.2012AA121101), the Key Program of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41530422), the NationalNat

47、ural Science Foundation of China (Grant Nos. 61540018, 61275184, 61405153), the National Science and TechnologyMajor Project of the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 32-Y30B08-9001-13/15), and the SpecializedResearch Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20130201120047). Corresponding author. E-mail: 080703-8