同心阵列系统具有小型化与大视场的优势,通过探测器的拼接可实现更大视场高分成像。为了进一步实现大视场系统结构的小型化与轻量化,本文采用伽利略型同心阵列结构形式,设计了一款工作在可见光波段,全视场大小为65°,焦距为19 mm,F数为4.7,总长为44.3 mm的同心阵列系统。在特征频率208 lp/mm处系统的调制传递函数大于0.3,全视场弥散斑均方根半径均小于探测器像元尺寸2.4 μm,成像质量接近衍射极限。由于同心阵列系统结构的特殊性,其中继系统排布紧密,导致各中继系统间的串扰杂散光严重影响成像质量。针对该问题,本文采用内置消杂光光阑方法抑制串扰杂散光,并对光学系统的杂散光进行仿真分析。分析结果表明,在加入消杂光光阑后,杂光系数均降低至1×10−6以下,验证了串扰杂光抑制方法的有效性。
本文提出了一种基于宇称时间对称与饱和吸收效应的宽可调谐高光信噪比布里渊光纤激光器。这种新型布里渊光纤激光器是通过使用保偏掺铒光纤Sagnac环实现宇称时间对称和饱和吸收效应的。保偏掺铒光纤Sagnac环是由一个保偏掺铒光纤、一个耦合器和两个偏振控制器构成的。利用保偏掺铒光纤固有的双折射特性,在注入Stokes信号时形成两个处于正交偏振态的反馈环。其中一个环路在Sagnac环内提供顺时针方向的增益,而另一个环路在逆时针方向产生损耗。当饱和吸收效应参与的受激布里渊散射增益和损耗相平衡,并且增益值大于耦合系数时,由于宇称时间对称性被破坏,通过调整偏振控制器改变保偏掺铒光纤偏振态,可获得单纵模布里渊光纤激光器。与以往的布里渊光纤激光器相比,本文提出的激光器具有更精简的结构和更宽的波长可调范围,且不受掺铒光纤放大器带宽的限制,同时仍保持窄线宽单纵模输出。此外,由于保偏掺铒光纤的饱和吸收效应,提高了宇称时间对称受激布里渊散射增益对比度,因此获得了更高的光信噪比。实验结果表明,该激光器具有
鬼像是由于镜面间的残余反射所产生的一种杂散光。鬼像会降低光学系统的成像清晰度,湮灭目标,严重影响光学系统的性能。为了探究鬼像对成像系统性能的影响,构建了二次反射产生的鬼像影响下的调制传递函数(MTF)的计算模型。本文首先介绍了在近轴近似下的鬼像分析与描述的方法。接着,从调制传递函数的定义出发,考虑鬼像在像面处的照度对像面调制度的影响,构建了鬼像影响下的MTF计算模型。通过对一系统进行实例计算,并与仿真结果进行对比得到均方误差最大不超过
研究云地闪电通道的径向结构及光辐射特征,可为揭示云地闪电通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据,为闪电防护提供科学指导。本课题组利用无狭缝高速摄谱仪,在青海高原地区实施野外观测试验。在一次云地闪电中记录到了清晰可见的通道核心,而且在通道核心的外边缘和外部发光通道之间发现一个较弱的发光区。基于光谱观测结果,对比分析了首次回击和第三次继后回击的光辐射特征。实验验证了闪电通道电晕鞘模型,确定了连接点的位置,估算得到两个回击的闪击距离分别为57 m和53 m,并证实了回击放电最强的点在连接点处。由此可推断,在回击初期,云地闪电回击通道沿径向由内到外依次为通道核心-弱发光区-电晕鞘外层,即闪电通道内沿通道径向的电荷分布是不均匀的,闪电通道的光辐射特征与放电强度和持续时间密切相关。
本文对单晶硅小闪耀角光栅的各向异性湿法刻蚀制备工艺展开研究,制备了适用于软X射线中波波段的闪耀光栅,以满足国家同步辐射光源的需要。首先,基于严格耦合波法对小闪耀角光栅进行了结构参数优化及工艺容差分析。在晶向对准过程中,先通过环形预刻蚀确定硅片晶向,再基于倍频调整法实现光栅掩模与单晶硅<111>晶向的对准。研究了光刻胶灰化技术及活性剂对光栅槽形质量的影响,并通过单晶硅各向异性湿法刻蚀工艺成功制备了接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅。实验结果证明:所制备光栅闪耀角为1°,刻线密度为
脉搏蕴含人体丰富的血流信息,检测脉搏并推导出人体心血管系统健康状态正成为研究的热点。本文利用热注射法合成得到尺寸为3 nm的PbS量子点,在金叉指电极表面通过旋涂的方法构筑PbS量子点光电探测器。基于已制备的PbS量子点光电探测器研制了数据可视化的脉搏检测系统。运用光电容积脉搏波描记法,对同一测试者不同运动状态以及不同测试者同一运动状态进行测量,经过电路处理将测得的数据显示在电子显示屏上。结果表明,探测器在15.2 μW cm−2光强度照射下,其响应度(
明场成像能够提供细胞或组织的形态学信息,荧光成像可以获取关键蛋白的表达信息,基于两者的双模态关联成像是目前医学和科研中常用的组织样本检查方式。然而,在临床检查时通常利用基于邻近切片之间的关联成像进行观察。此时,组织结构和细胞层次均会有或多或少的改变,这在样本量不足、切片上的细胞有限或需要获得点对点精准形态学信息的情景下显得十分不利。因此,发展单切片双模态光学关联成像技术,在单张切片上同时提供组织形态和多个目标蛋白的分布及表达,有助于更准确地描述肿瘤及其微环境。在样本量稀缺的肾脏病理检测中,该技术显得尤为重要:肾脏病理需要利用明场成像获取苏木素-伊红染色后组织和细胞的病理形态学信息,而利用荧光成像来获取多个目标蛋白的分布及表达情况则是肾脏免疫病理筛查的必检分子项目。本文重点研究了将苏木素-伊红染色和免疫荧光染色在同一张肾脏切片上实现的组织样本处理方法,对染色、褪色及复染的流程进行改良和效果对比,并探索将单切片双模态图像进行创新性融合。
非均匀性校正是红外成像系统得到高质量的红外图像的重要步骤之一。现阶段,大口径红外辐射测量系统在外场应用中存在非均匀性校正耗时长和非均匀性校正效果不理想等问题。为此本文针对红外辐射测量系统需要积分时间连续变化的需求,提出一种快速宽动态的非均匀性校正算法。该算法考虑积分时间效应和光学系统杂散辐射的影响。利用25 mm口径的制冷型中波红外辐射特性测量系统进行试验验证。对比经典算法与本文所提出算法的校正效率,结果表明,本文提出算法效率是传统非均匀性校正算法的3.4倍。本文还利用剩余残差评价原始图像以及两种算法对图像校正的效果,利用多个积分时间(0.6 ms,3 ms和3.5 ms)模拟连续变化的积分,结果显示本文所提算法在各个积分时间下剩余残差表现稳定且校正图像都具有良好的校正效果。
针对传统光电探测方法在强光背景下目标探测对比度低的问题,本文提出一种基于激光照明的主动偏振成像方法。首先构建激光入射双向反射分布模型、激光入射偏振双向反射分布模型以及激光照明的目标表面偏振度模型,并分析3种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系。接着在暗室可控条件下开展逆光观测实验,验证目标偏振特性受激光束散角的影响。实验结果表明:强光背景下主动偏振成像目标对比度与传统被动强度成像相比提升了86.11%,不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性间存在差异,金属材质相对于非金属材质的线偏振度提升更高,实验结果与理论分析具有较好的一致性。最后,在室外开展太阳逆光观测实验,验证了研究方法在室外高强光、远距离下依旧具有适用性。本研究为提升强光背景下的目标精准感知能力奠定了理论基础。
针对传统偏振光谱成像方法难以适用于弹载平台的难题,本文提出了一种基于阵列光学的快速多维度成像制导光学方案。构建了通道分辨率与望远放大倍率的关联模型,实现了微透镜阵列、光谱滤光阵列和微纳偏振阵列探测器参数的精准匹配和高效利用。基于常规导引头和工业偏振探测器,设计了包含球形整流罩的多维度成像制导光学系统。系统采用4×4光场分割布局,在可见光波段内形成16个光谱通道,光谱分辨率为16 nm,单光路、单探测器条件下0°、45°、90°、135°等4个偏振方向偏振光谱图像数据立方体的同时高效获取。系统整体焦距为150 mm,筒长为145 mm。仿真结果表明,系统16个通道下全视场调制传递函数在奈奎斯特频率处均接近衍射极限,成像质量良好,满足弹载目标多维度探测与识别需求。
羟基(OH)是一种广泛存在于燃烧反应过程中的产物,在燃烧诊断技术中,基于羟基的二维空间分布常用于表征火焰的锋面结构,同时羟基也是表征火焰温度、火焰面密度和热释放速率等特征的重要参数。对燃烧火焰中的羟基进行有效探测是探究燃烧动力学演变过程,揭示火焰随机事件产生机理的重要支撑。平面激光诱导荧光(PLIF)技术作为一种光学测量方法,具有时空分辨率高、无干扰、可进行组份选择等优点,已成功用于对本生灯火焰、湍流火焰、旋流火焰和超声速火焰等多种燃烧火焰进行结构观测,为建立燃烧模型提供了重要参考。本文从PLIF探测的基本原理开始,梳理了PLIF技术在燃烧诊断领域的发展历程和研究现状,介绍了基于染料激光、光参量振荡和钛宝石三倍频方式实现的PLIF紫外光源技术,并对不同技术路线的特点进行了讨论,最后对用于OH-PLIF的紫外激光技术发展进行了展望。
本文以具有增益损耗平衡的非厄米离子阱系统为研究对象,从量子参数测量角度,利用量子Fisher信息量标度非厄米系统的量子相变特征。通过态矢量映射方法,研究了任意两能级非厄米量子系统的一般非幺正演化规律。量子Fisher 信息量的动力学演化在奇异点附近发生突然变化,并定量表征系统的量子临界现象。根据系统物相是否具有宇称和时间反演对称特性,我们可以获得两种不同行为的演化过程。在对称相区域中,量子Fisher 信息量随时间呈现振荡特征,获得较高的测量精度。在对称性被破坏的相区域里,它的含时变化经历单调递减过程。这两种动力学行为也被量子熵和量子相干证实。强调了利用量子Fisher信息来见证非厄米离子阱系统的相变。这些结论有助于非厄米量子信息技术发展。
为了提高液体透镜的成像质量和变焦范围,应用介电泳和液压驱动,设计了一款基于组合结构的双界面液体透镜,主要由介电泳双液体透镜和PDMS薄膜液体透镜组成。首先,在Comsol软件中建立液体透镜模型,研究不同电压下的液滴界面和PDMS薄膜的面型变化,并导出两个曲面的面型数据。其次,在Matlab软件中,采用非球面表达式进行拟合,得到不同电压下液滴的界面和薄膜的面型图及其相应的非球面系数。最后,在Zemax软件中,构建出相应的双界面组合液体透镜光学模型,像面选取为高斯像面,并通过相应器件的制备与初步实验研究,将仿真和实验数据进行了比较分析。结果表明,所设计的基于组合结构的双界面液体透镜仿真和实验的变焦范围基本一致, 同时在实验中获得了其变焦比可达
拼接弧线电机凭借其高转矩比和低速运行稳定等优点,为大口径天文望远镜观测提供了高性能驱动技术支持。由于电机运行过程中存在如参数畸变、谐波等其他内外部干扰,都是对提高电机性能的挑战。为此,本文提出了一种基于新型趋近律的积分滑模控制器,同时结合扩张状态观测器与负载观测器的混合控制策略,旨在优化传统滑模控制并增强系统的抗干扰能力。传统趋近律参数较为繁杂且不能很好的抑制抖振,新型的趋近律简化了参数,有效克服了系统抖振。其次,采用扩张状态观测器对反馈转速进行估计,然后结合q轴电流信息和估计的精确转速数据作为负载转矩观测器输入,进一步提高了负载观测性能,并将负载观测值转换为电流进行前馈补偿,用以提高电机的抗干扰性能。仿真和实验结果表明:所提出的双观测器方法能够精确观测电机的转速和负载,显著增强了电机的抗负载扰动能力;同时,采用的新型滑模速度控制器降低了电机转速超调量,并在一定程度上抑制了滑模的抖振,为弧线电机在大口径天文望远镜的高精度观测应用中提供了理论和实验支持。
数字光栅位移测量技术将CMOS相机的像素阵列当作一个“数字化”的光栅,通过构造光学光栅像和数字光栅的周期差,利用微米级的光学光栅像,实现纳米级的位移测量。其可以应用于光刻机的调焦调平传感器中,结合倾斜入射的检测光路,对晶圆表面高度进行精确测量。在实际测量中,晶圆表面意外出现的图形会干扰光学光栅的反射成像,进而影响图像处理结果。针对上述问题,本文提出一种数字光栅位移测量的工艺适应性方法,以数字光栅周期为单位,对存在干扰图案时的CMOS图像进行光强重建和光强曲线恢复,能在晶圆基底出现较大面积图案时表现出很好的稳定性,且该方法可以适应多种表面缺陷,如划痕、颗粒、污渍和沟槽等。实验结果表明,经图像光强重建后,光强曲线的均方误差大幅减小,修正后的
基于干涉条纹成像的测角系统具有测量范围大、精度高、抗干扰能力强等优点,其中非成像系统的参数设计方法及大测量范围下的精度变化情况尚不清晰,围绕这两方面内容展开研究。
首先,建立了双光栅干涉系统及光楔阵列波前分割的数学模型,接着,给出了近轴条件下非成像光学系统的参数设计方法,然后,完成了一台一维高精度光学测角系统的设计,最后,对该系统在整个测角范围内的测量误差进行了分析和计算。
利用本文提出的数学模型和方法,所设计的测角系统在[−5°,5°]的测量范围内,近轴区的测角分辨率为0.02″,随着测量范围的增大,近轴近似条件不再满足后,最大测量角度下精密轴的测量误差为0.42″。由干涉条纹相位的非线性变化引起的精定位误差,是系统测角误差的主要来源。
利用提出的模型和参数设计方法,可以设计出具有较高测角精度的光学测角系统。测量精度随着测量范围增加而下降,单纯提高精定位的细分倍数并不能提高测量精度。
为了精确控制激光光束指向,本文基于双液晶偏振光栅系统的光束指向算法,分析了系统中因光栅倾斜产生的误差。首先,本文采用了一种基于衍射光栅方程的光线追迹方法求解出射光束指向,引入了入射光束指向和光栅倾斜角,通过与仿真结果的对比验证了该方法的正确性和精度。其次,通过对光栅倾斜不同情况的分析,本文给出了不同倾斜情况下光栅姿态的表达式,并结合光线追迹方法得到了对应情况的出射光束指向表达式,分析了光栅倾斜产生的调零误差和旋转误差。研究结果表明,在0°~0.3°光栅倾斜角范围内,调零误差分别在0.25 mrad和2 mrad以内,旋转误差分别在85 mrad和430 mrad左右。本文方法可实现对双液晶偏振光栅系统中出射光束指向和光栅倾斜误差的精确计算。
为了解决动物夜间实时监测所面临的图像曝光度低、对比度低、特征提取困难等问题,通过研究轻量化自监督深度神经网络Zero-Denoise和改进型YOLOv8模型,来进行夜间动物目标的图像增强与精准识别。首先,通过轻量化的PDCE-Net进行第一阶段快速增强。提出了一个新的光照损失函数,并利用参数可调的Gamma校正原图与快速增强图,在基于Retinex原理和最大熵理论的PRED-Net中进行第二阶段的重增强。然后,改进YOLOv8模型,并对重增强后的图像进行目标识别。最后,在LOL(Low-Light dataset)数据集与自建动物数据集进行实验分析,验证Zero-Denoise网络和改进型YOLOv8模型对于夜间动物目标监测的改善效果。试验结果显示,Zero-Denoise 网络在 LOL 数据集上的PSNR、SSIM与MAE指标达到28.53、0.76、26.15,结合改进型 YOLOv8 在自建动物数据集上比 YOLOv8 基线模型的mAP值提升7.1%。使用 Zero-Denoise和改进型YOLOv8能获得良好的夜间动物目标图像。结果表明所提方法可用于进一步研究夜间动物目标精确监测。
针对强湍流环境下自适应光学系统无理想点信标波前探测的难题,本文提出利用光场传感器(Plenoptic sensor)对扩展信标的光场信息探测。对扩展信标的光场成像原理、波前位相重建算法、误差影响规律进行研究,利用等效法将扩展信标看做数个离散点的集合,简化扩展信标在光场传感器上的成像过程,然后将光场图像按照特定方式重新进行排列组合。通过图像互相关法和Zernike模式法实现0°视场的波前重建。针对不同输入像差系数、单列微透镜单元数和噪声等误差影响因素进行仿真研究,结果表明:当输入像差在6.5 λ以内时,波前重建精度约为0.08 λ,对于图像分辨率为
涡旋光束阵列在自由空间光通信上有很大的应用价值。采用多相位屏模拟大气湍流,研究了径向高斯涡旋光束阵列在大气湍流环境中传输的光场演化过程和轴上闪烁特性,分析了不同初始光束参数对径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数的影响,并将其与单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数进行了对比。研究结果表明:在弱湍流区域,rytov指数小于0.5时,单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数一直保持在小于1的数值区域,远小于径向高斯涡旋光束的轴上闪烁指数;而在中等强度湍流区域,径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数小于单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数;径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数会随着轨道角动量值的减小和径向阵列半径的增大而减小。研究结果对于大气湍流环境下的涡旋光通信具有一定的理论意义和应用价值。
液晶光学相控阵被广泛应用于激光雷达、激光通信以及激光武器中,进行激光光束的扫描控制。为了实现液晶相控阵的最优设计和激光光束高精度控制,本文重点研究工作波长、像素数、像素尺寸及有效灰度数对光束指向精度的影响规律。首先,根据液晶相位调制原理,仿真分析了周期光栅法和变周期光栅法的有效扫描角度和衍射效率;然后基于驱动电压灰度等分相位调制量,仿真分析指向误差随工作波长、像素数、像素尺寸以及有效灰度数的变化规律,推导出多变量普适公式;接着,仿真分析了驱动电压灰度非等分相位调制量时的指向精度,并和等分相位调制量的结果进行对比分析;最后,实验验证了有效灰度数、像素数和指向误差的关系,初步证实了经验公式的有效性。本文的研究结果可为液晶相控阵的设计提供理论依据。
为了对低频振动信号进行获取和监测,设计了一种对称圆形柔性铰链的二维振动传感器,可在
为了满足强激光系统中合束光栅的宽带、高衍射效率及偏振无关的需求,本文提出了一种双层梯形结构的偏振无关合束光栅。首先,基于严格耦合波理论,建立了一种以粒子群优化算法为核心的偏振无关合束光栅设计模型,通过随机生成特征波长实现效率特性寻优。然后,详细分析了单层梯形和双层梯形结构光栅的槽深、占宽比、侧壁倾角等结构参数对光栅衍射效率及带宽的影响。最后,对两种结构光栅的电场增强特性进行分析讨论。结果表明,双层梯形结构偏振无关合束光栅在51 nm(
拼接镜的共相误差检测是当前科学研究的热点问题之一,基于宽波段光源的共相检测技术解决了夏克哈特曼法由于目标流量低引起的测量时间长的问题,从而提升了piston误差的检测精度和量程。然而,在当前的宽波段算法的应用中,复杂的环境以及相机扰动等干扰因素的存在将致使获取的圆形孔径衍射图像含有一定量的噪声,从而导致相关系数值低于设定阈值,使该方法精度降低甚至失效。针对这一问题,本文提出将基于深度降噪卷积神经网络(DnCNN)的算法集成到宽波段算法中,以实现对噪声干扰的控制,并保留远场图像的相位信息。首先,将使用MATLAB获得的圆孔衍射图像作为DnCNN的训练数据,然后,将不同噪声水平的图像导入到训练好的降噪模型中,即可得到降噪后的图像以及降噪前、后圆孔衍射图像的峰值信噪比和二者与清晰无噪声图像间的结构相似度。结果表明:降噪处理后的图像与理想清晰图像之间的平均结构相似度相较于处理之前的有了明显提升,获得了理想的降噪效果,有效增强了宽波段算法在高噪声条件影响下的应对能力。该研究对于探索用于实际共相检测环境应用的宽波段光源算法具有较强的理论意义和应用价值。
为提升低轨卫星与地面站间激光链路的通信质量,商业地面站内望远镜配备的大口径主镜需适应户外环境中恶劣的温度条件。
针对某通光口径φ500 mm的高精度主镜组件,提出了一种使用室温硫化硅橡胶的中心支撑方案。镜体采用微晶材料,衬套和支撑筒均为钛合金材质,1 mm厚的胶层在卸载镜体自身重力的同时,可有效减小组件内部热应力。胶层的厚度和高度通过仿真优化确定,特制的粘接工装可准确控制胶层形状和厚度,衬套上的通气孔促进了胶层的充分固化。
仿真分析表明,主镜在40 °C均匀温度变化工况下的面形精度RMS值为4.199 nm,光轴竖直重力工况下的RMS值为13.748 nm,光轴水平重力工况下的RMS值为4.187 nm、镜体最大倾角和位移分别为4.722″和3.597 μm,组件基频达到53.45 Hz。实测主镜的面形精度为RMS 0.017λ (λ=632.8 nm),经大范围高低温循环试验及真空镀膜后,主镜均可保持高精度面形。
文中支撑结构可以显著提升高精度反射镜的温度适应能力,在地面大型光电设备中具有广阔的应用前景。
本文报道了一种基于双有源区的4.7 μm中波红外量子级联激光器,脊宽为9.5 μm,可实现室温连续基横模工作。通过在单有源区中心插入0.8 μm InP间隔层,将原有的单有源区转变成双有源区结构,可显著降低器件有源区的峰值温度,同时抑制高阶横模的产生。在288 K温度下,腔长为5 mm的双有源区器件阈值电流密度为1.14 kA/cm2,连续输出功率为0.71 W,快轴发散角为27.3°,慢轴发散角为18.1°。同常规单有源区结构器件相比,采用双有源区结构的器件,其最大光输出功率未出现退化,同时器件慢轴方向由多模变化为基横模,光束质量得到了显著改善。本工作为改善高功率中波量子级联激光器的慢轴光束质量提供了一种解决思路。
传统的清洗方法不能对文物表面较小污染颗粒进行清洗,并且容易造成文物表面不可逆的损伤。为提高清洗污染物的能力,激光清洗技术逐渐应用于不同类型文物的清洗。研制纳秒激光清洗系统并对故宫博物院的大理石模拟样品和大理石碎片进行清洗,清洗的对象是黑色结壳污染物。为了避免变黄效应,采用波长为
为了降低海洋光学遥感图像中云区对海面表面纹理分析过程中的影响,本文开展信息熵-低通滤波融合掩膜的云层干扰去除的研究。首先分析现有遥感图像去云算法的基本原理及其局限性,指出其在高保真要求的遥感应用中的不适用性。随后针对这一问题,本文提出一种基于信息熵-低通滤波联合掩模的云层干扰去除方法。其中包括对遥感图像的改进矩匹配的去条带预处理,局部信息熵滤波、以及联合低频滤波作为遥感图像中各像元的校正参数。该算法具有复杂度低、便于快速处理的特点。实验结果表明:与现有的算法相比,本文提出的算法可在低计算复杂度的前提下,同时大幅增强各区域的纹理细节信息,其平均信息熵可达到7.8以上,对比度可达到60以上,平均梯度可达到200以上;在图像细节上,本文算法能够在不引入伪边缘、非均匀性的前提下,充分展现受云区影响的海表纹理细节,进一步满足高保真度要求的军事遥感应用需求。
为适应复杂动态变化尾流气泡场环境,提高水下探测装置对舰船尾流微弱信号探测信噪比与检出率。
本文提出了一种基于同步累积法的舰船尾流微弱信号检测方法,利用周期信号的重复性与噪声的随机性,对连续多个周期信号做累积归一化处理,降低随机噪声对探测性能的干扰,提升了探测信噪比;建立了针对舰船尾流微弱信号多时间尺度检测能力评估模型,评估本方法在多参量耦合下的探测性能。
通过在室内水池、室外湖泊条件下开展大量模拟舰船尾流探测实验,验证了该方法适配稀疏微小的远场尾流气泡至高湍流扰动下的大尺度近场气泡检测,
可实现全时域舰船尾流跟踪检测,有效提升水下兵器打击能力,为舰船尾流激光探测识别工程实践提供支撑。
长周期光纤光栅具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点,使其广泛应用于生物医学、电力工业以及航空航天等领域。本文提出了一种基于周期微通道的长周期光纤光栅传感器。首先通过飞秒激光微加工在单模光纤的包层中刻蚀出一系直线结构,然后通过湿法腐蚀技术对激光改性区域进行选择性腐蚀以获得周期性微通道结构,最后在通道中填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)以改善光谱质量。实验结果表明,该传感器可以进行温度、应力、折射率和弯曲等传感参数测量,具有良好的传感灵敏度。温度灵敏度为−55.19 pm/°C,应变灵敏度为−3.19 pm/με,最大折射率灵敏度为540.28 nm/RIU,弯曲灵敏度为2.65 dB/m−1,且均表现出良好的线性响应。该传感器在精密测量和传感领域有良好的应用前景。
脑胶质瘤是一种常见的颅内原发性肿瘤,具有治愈率、复发率高等特点。脑胶质瘤边界的精准识别是减少患者术后复发、改善愈后的重要前提。因此,发展快速、高灵敏度、无标记的脑胶质瘤诊断方法具有重要的临床意义。拉曼光谱技术作为一种指纹谱,能够在分子水平上反映物质的化学和结构信息,已经在脑胶质瘤的定性定位识别中表现出巨大的应用前景。本文首先介绍了不同种类的拉曼光谱技术,其次梳理了拉曼光谱技术在脑胶质瘤中的研究现状,最后对拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的未来发展进行展望。
为了研究典型目标材料表面的可见光偏振反射特性,本文针对传统“V”型表面结构缺陷,引入改进Blinn型阴影遮蔽函数,综合考虑镜面反射、漫反射和体散射的影响,建立了典型目标材料表面偏振六参量二向反射分布函数模型。对不同材料(聚丙烯塑料板、99氧化铝陶瓷板、铁板、绿漆铝板)目标样板进行可见光600 nm波段的偏振特性测试实验,并采用遗传算法进行参数反演。实验与仿真结果表明:与传统“V”型遮蔽模型相比,在入射角为50°,相对方位角为180°,0°~60°观测角对目标材料表面偏振特性的影响中,聚丙烯塑料板模型精度提升最大,RMSE百分比提升了70.61%;在入射角为50°,观测角为50°,DoLP随90°~270°相对方位角变化的过程中,与另两种参考模型相比,本模型精度至少提升了24.73%个百分点,线偏振度最小均方根误差值仅为1.29%。对于本文材料而言,偏振特性取决于其复折射率的值,当入射角确定,观测角为0°~60°,相对方位角在0°~360°内时,
傅里叶变换光谱技术(FTS)是气体成分分析及浓度的精准测量的有效手段,但在分析过程中待测气体的饱和吸收与弱吸收使某些波段的透过率偏离稳定区间,导致光谱信噪比降低以及仪器的非线性响应,降低浓度反演精度。
本文提出一种自适应多波段联合浓度反演算法,结合透过率稳定区间与谱宽阈值自适应选择待测气体的有效波段;采用非线性最小二乘拟合方法对各有效波段进行浓度反演并进行残差分析,获得各有效波段的浓度反演结果及其权重,通过加权平均实现待测气体浓度的精确定量分析。
设计并进行了算法验证实验,结果表明,自适应多波段联合浓度反演算法的稳定系数达到了0.9976,相较于传统的单波段及多波段浓度反演算法,反演结果的均方根误差分别降低了64.44%、41.52%,平均相对误差分别降低了65.97%、46.72%,平均绝对误差分别降低了66.32%、47.74%,
反演精度与稳定性得到了明显提升。
为了提高自注入锁定激光器频率连续可调谐范围,对FP微腔在频率热调谐过程中注入锁定相位的变化关系进行研究。
在传统频率热调谐的基础上,对自注入锁定激光器频率和相位等参数特性进行研究,提出一种在频率热调谐时加入自注入锁定相位补偿和DFB芯片电流补偿的改进算法,并在一台基于法布里-珀罗(FP)微腔自注入锁定激光器上对此算法进行验证实验。这台激光器波长为1550 nm,3 dB线宽为785 Hz,通过一对加热电阻对FP微腔进行频率热调谐。
改进后的算法在激光器原有驱动控制电路的单片机程序中实现,激光器硬件部分未作任何修改,最终实现了6GHz的频率连续调谐范围。
该工作为自注入锁定激光器提供一种简单高效且稳定性好的频率调谐方案,具有较高的实用性和市场前景。
太阳耀光是海面目标探测过程中的重要影响因素,针对陆地观测平台,利用耀光的偏振特性,提出一种基于线偏振图像共有成分与特征成分重构的海面耀光抑制方法。该方法利用分焦平面偏振相机获取四通道线偏振辐射图像,计算场景的偏振度信息,生成耀光抑制图像。在以偏振信息抑制场景耀光的基础上,结合线偏振辐射图像的特点,将耀光抑制辐射图像的光强分量分解为共有成分与特征成分,重新赋予二者新的权重因子得到重构后的耀光抑制图像。开展外场偏振实验,结果表明,针对三组典型实验数据,重构耀光抑制图像较光强图像的饱和像素占比相对降低的最大值为79.07%,空间频率与对比度相对提升的最大值分别为73.77%和172.73%。本文所提方法有效的抑制了海面场景中的耀光噪声且在背景细节信息恢复方面具有良好表现。
第三代红外焦平面探测器的不断发展使得探测器具备同时对两个不同波段的红外辐射进行响应的能力,输出双波段对应图像,双波段图像在目标探测和识别领域前景广阔。本文针对航空探测应用,采用320×256双色红外制冷型探测器,设计了一种工作波段在中波3.7~4.8 μm和长波7.7~9.5 μm的大变倍比制冷型红外双波段变焦光学系统,用于对目标的红外探测。该光学系统采用折射式和折反式结构相结合的方式,实现光学四视场切换式大范围变焦,采用二次成像以达到100%冷光阑效率。该光学系统四视场焦距分别为32 mm、200 mm、800 mm、1600 mm,变倍比为50×。实验结果表明,光学系统在双波段各变倍状态下,在调制传递函数特征频率为17 lp/mm时均接近衍射极限。该光学系统具有双波段、变倍范围大、大变倍比、快速切换多视场、结构简单紧凑、高质量成像等特征,将在搜索、侦察等安防领域中得到广泛应用。
变形光学系统是一种具有双平面对称性的相对特殊的光学系统,其结构引起了非旋转对称的偏振像差。本论文构建一个折反式变形光学系统,并对该系统的偏振像差及其对点扩散函数的影响进行系统分析,为后续变形光学系统的设计提供参考。
基于三维偏振光线追迹对折反式变形光学系统进行仿真计算,获得偏振像差的详细数据,并计算各个表面的二向衰减、相位延迟分布特性以及系统的琼斯瞳、振幅响应矩阵、点扩散函数和偏振串扰对比度。
最大二向衰减为0.145,最大相位延迟为1.46×10−2 rad,均出现在次镜位置。2∶1变形比的光学系统的振幅响应函数在长焦端和短焦端方向偏振串扰项存在40.6%的差异,偏振串扰对于该变形光学系统对比度限制在10−6量级。
高精度变形光学系统中的偏振像差不可忽略,可采用膜层设计和折反式结构等方法降低偏振像差影响。该研究结论可为变形光学系统在深空探测、相干通信系统等领域的设计提供参考。
为了能对飞秒激光系统的群延迟色散(group-delay dispersion,GDD)进行调控,设计并制备了相位延迟反射镜。本文系统的研究了相位延迟反射镜补偿群延迟色散的原理,使用Nb2O5和SiO2作为高低折射率材料,并通过将相位延迟反射镜与其互补镜配对的方式平缓了群延迟色散曲线。最后,制备出了相位调控数据为−800 fs2GDD的相位延迟的反射镜,在900 nm−1100 nm范围内,反射率达到99%以上。解决了飞秒激光系统带宽调节的问题,满足飞秒激光器的使用要求。
声呐图像视觉检测是复杂水域资源勘探和水下异物目标探测领域的重要技术之一。针对声呐图像中小目标存在特征微弱和背景信息干扰问题,本文提出弱特征共焦通道调控水下声呐目标检测算法。首先,为提高模型对弱小目标信息捕获和表征能力,设计弱小目标特征激活策略并引入先验框尺度校准机制匹配底层语义特征检测分支以提高小目标检测精度;其次,应用全局信息聚合模块深入挖掘弱小目标全局特征,避免冗余信息覆盖小目标微弱关键特征;最后,为解决传统空间金字塔池化易忽视通道信息的问题,提出共焦通道调控池化模块,保留有效通道域小目标信息并克服复杂背景信息干扰。实验表明,本文模型在水下声呐数据集的九类弱小目标识别上平均检测精度达到83.3%,相较基准提高5.5%,其中铁桶、人体模型和立方体检测精度得到显著提高,分别提高24%、8.6%和7.3%,有效改善水下复杂环境中弱小目标漏检和误检问题。
针对现有非接触式血氧饱和度测量方法在头部动态场景下准确性低的问题,提出一种基于改进的自适应噪声完全集合经验模态分解与小波阈值相结合的去噪方法,用于提取高信噪比的脉搏波信号。首先,为解决自适应噪声完全经验模态分解在分解重构早期产生虚假分量和模态混叠的问题,在分解过程中加入高斯白噪声,使其成为改进的自适应噪声完全集合经验模态分解(ICEEMDAN),从而减少模态分量中残余噪声问题。然后,使用ICEEMDAN对红蓝色通道的脉搏波信号进行模态分解,并使用db8小波基函数对符合血氧频谱范围的分量进行3级分解和重构,将重构后的信号用于后续血氧值的计算。最后,将不同头部动态场景下测量的血氧饱和度结果进行实验对比分析,结果表明:不同头部场景下得到的血氧饱和度平均误差为0.73%,相较于其他算法平均误差降低1.93%。本文提出的去噪方法在不同头部场景下具有较好的稳定性,可满足日常血氧饱和度测量的需求。
当进行扫描重建时,示教扫描繁琐且通用性差,目前视点规划的重点依然是自动获取覆盖模型的最少视点集。本文为了实现对不同复杂程度零部件的自动化三维扫描重建,对视点规划过程中可能发生的视点冗余、视点遮挡、双目重建约束等问题进行研究。首先,针对现有视点规划难以对模型完整扫描的问题,通过分析面结构光扫描的特性,对Lloyd’s算法进行改进,提出使用欧式距离和法向量偏差的能量函数对模型进行Voronoi划分,生成初始扫描视点。接着,针对视点冗余问题,提出了对初始扫描视点进行分裂的迭代算法。最后,针对生成的视点容易产生遮挡的问题,提出了一种视线去遮挡策略,并以提高模型覆盖率为目的,提出了使用追扫视点的方法。实验结果表明:在最佳视点数量下,对于汽车铸件和壳体的覆盖率达到了94%以上,对于简单曲面汽车钣金的覆盖率达到了99.5%以上,并实现了汽车转向节的自动规划扫描,满足视点自动规划的覆盖率和效率以及对不同复杂程度零件的适应性要求。
三角网格模型配准是工业自动化检测软件中重要的一环,配准精度对检测机械零件的形位公差有重要影响。针对三角网格模型的自动配准的精度低、鲁棒性差的问题,本文提出一种面向机械零件三角网格模型自动配准中增强特征的分割方法。首先,确定三角网格模型特征分割的K值,通过拉普拉斯矩阵确定种子点进行迭代初始化。其次本文采用合适的区域形状代理和代价函数加速该过程,并进行多源迭代聚类得到特征分割结果。最终,在三角网格模型特征分割结果的基础上进行基于奇异值分解法的粗配准,根据EM-ICP进行精配准。与传统的特征描述子粗配准再ICP精配准的方法进行对比,实验结果表明本文方法的配准误差下降了25.2%,自动配准时间缩短了62.6%,有效地提高了三角网格模型自动配准的精度和效率。
窄线宽激光器是光谱学和精密计量学等实验的基本组成部分。由于半导体激光器对外部光学反馈十分敏感,所以可以利用光反馈的高带宽抑制半导体激光器的相位噪声,进而压窄线宽。于是我们采用光纤布拉格光栅作为反馈元件,搭建了长外腔反馈回路。为了降低了外界环境的温度起伏和气流扰动的影响,我们对反馈光路的光纤控温,使得1小时内最大温度起伏从0.039 °C降低到0.003 °C,并且温度起伏的方差降低了两个数量级。此外我们也测试了反馈带宽对激光线宽的影响,尽管我们实验所用光纤布拉格光栅的带宽远大于自由运转的激光线宽,但我们仍然观察到激光线宽被压窄,且光纤光栅的带宽越小,激光线宽越窄。对于此现象,我们认为在反馈回路中应该存在一种负反馈机制,可以将激光线宽稳定到反馈光谱的某个斜率处,所以光纤光栅的反馈带宽越窄,反馈光谱的斜率越大,反馈越灵敏。另外我们通过在0~1 mW范围内改变光纤光栅的反馈功率,观察到在反射功率0.8 mW时,光反馈将激光线宽从自由运转的100.5 kHz压窄到最窄11.5 kHz,在反射功率1 mW时,0.2 kHz~2 MHz范围内的相位噪声得到了大概22 dB的抑制。
为提高地基多普勒非对称空间外差(DASH)干涉仪在恶劣温度下的探测精度,对系统进行了光机热集成分析。首先,依据干涉仪的工作原理和相位算法建立了相位与温度的关联依据。其次,设计了光机热分析模型和热变形数据获取模型,采用温度负载仿真分析给出了干涉模块和成像光学系统在不同温度下的变形数据,拟合得出热变形所导致的相位误差。最后,基于各部件热变形造成的风速误差,给出合理的温控方案。结果表明,干涉模块占据主因,必须确保温度控制在20±0.05 °C内,并针对温度敏感部件进行温度控制,此时该部件造成的风速误差为3.8 m/s。成像光学系统放大倍数的热漂移、成像光学系统和探测器相对位置的热漂移占据次因,应将其控制在20±2 °C以内,此时该部件造成的风速误差为3.05 m/s,综上可以将干涉模块、成像光学系统、成像光学系统与探测器相对位置三者共同造成的风速测量误差控制在6.85 m/s内。本文的分析方案和温控措施可以为DASH干涉仪工程应用提供理论依据。
激光光束质量是衡量激光器应用性能的重要指标之一,面向远距离光电对抗应用场景,本文开展了非链式脉冲氟化氘(DF)激光器非稳腔设计和光束质量提升技术研究。设计了三组不同放大倍率的正分支虚共焦非稳腔,搭建了凸面腔镜横向和轴向两种支撑结构的非稳腔实验装置,其中横向支撑结构内置循环水冷却通道。以86.5%环围能量定义激光光斑大小,选用
基于信道随机特征的共享密钥提取是实现大气光信道物理层安全的一种有效手段。密钥生成速率和不一致率是关注焦点。利用大气湍流光信道随机特征作为共享随机源,提出多输入-多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)大气光信道环境下的密钥提取方案;采用另类奇异值分解法来分解信道矩阵,通过简单移动平均提升合法双方获得的信道特征序列间的相关性,并对移动平均后的信道特征序列进行单门限交错量化;合法双方基于分集差分值生成编码映射控制随机序列,实现对信道特征序列的单门限交错量化结果的编码映射。实验结果表明,本文方案的原始密钥不一致率在信噪比为30 dB时能够达到5.2×10−4,且生成的随机比特序列可通过美国国家标准与技术研究院(NIST)的随机性测试。本文结果对MIMO大气光信道密钥提取有一定参考价值。
燃煤锅炉燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。H2S和CO是燃煤锅炉燃烧场两种主要高温腐蚀气体,不仅腐蚀锅炉近壁面,其尾气对大气环境的危害都是极其严重的。基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术,结合波长调制光谱技术和频分复用技术,研制了一款无人值守的燃煤锅炉主燃区H2S和CO气体浓度在线实时监测设备。仿真模拟了6335−6341 cm−1范围内气体吸收光谱,选定1.5 μm附近的近红外激光器作为激光光源;研制了一套耐高温耐腐蚀的Herriott型多光程池,实现激光与气体相互作用的效光程达15 m;开发了硬件电路及相应的固件程序,实现了H2S和CO吸收光谱信号的二次解调信号与浓度反演。线性度和Allan方差实验表明,其线性拟合相关系数分别为0.9998和0.9995,在73 s和53 s的积分时间下,H2S和CO最低检测极限分别为0.2×10−6 mol/mol和0.344×10−6 mol/mol。最后,将研制的设备在某300 MW电负荷的四角切圆燃煤锅炉主燃区燃烧气氛场进行应用示范,对水冷壁附近的H2S和CO进行了同步测量。结果表明,锅炉中H2S和CO的浓度呈正相关,厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,造成对水冷壁的腐蚀。
光子集成干涉成像系统一般在子孔径焦平面处加单模光纤阵列,通过接收不同视场角的光束完成大视场拼接成像,但直接采用光纤阵列会导致成像视场不连续,子孔径焦距变长,厚度大幅度增加。针对以上问题,本文提出了一种结合微透镜阵列和光纤阵列对子孔径像面细分的方法实现视场无缝拼接,并通过摄远物镜和三透镜空间压缩板组合大幅度降低了子孔径阵列的整体厚度。设计结果表明,通过在光纤阵列前加65*65微透镜阵列对光束二次聚焦能够实现系统视场无缝拼接,视场扩大65倍后,全视场为0.0489°,可见光入射时单模光纤阵列中各光纤中心空间光耦合效率不低于40%,在加入空间压缩板压缩自由空间光路后,系统的整体厚度实现了1个数量级的压缩。该系统在实现光子集成干涉成像系统大视场无缝拼接成像的同时,为解决超长焦距镜头厚度过大的问题提供了新的思路。
激光通信是以光波为载体实现信息传输的通信技术,具有高速率、高带宽、小尺寸、抗干扰和保密性好等优势,具备实现空间信息网络高速传输和安全运行的关键能力。本世纪以来,国内外主要研究机构致力于研究激光通信技术在实现组网过程中所需要解决的一系列问题,包括一点对多点同时激光通信、节点内多路信号全光交换与转发、节点动态随遇接入、网络动态拓扑结构设计等关键技术,并开展了众多演示验证实验,部分研究成果已经投入应用。本文在对空间激光通信组网技术进行分析探讨的基础上,概述了国内外的激光通信组网技术的发展现状,重点对卫星星座、卫星中继和航空网络等领域中激光通信组网技术的应用情况和发展现状进行了分析和总结,对国内相关研究技术方案、实验验证情况等进行了综述,最后对激光通信组网技术与应用的发展趋势进行了预测。
针对偏振光谱图像融合方法在地物混杂背景遥感探测中多尺度变换融合图像边缘轮廓细节模糊、对比度不佳的问题,采用一种基于非下采样轮廓波变换的稀疏表示与引导滤波器相结合的图像融合方法,以改善融合图像的质量和视觉效果。首先,该方法通过非下采样轮廓波变换对光谱图像和偏振图像进行多尺度多方向分解,进而将图像分解成不同子带内的特征信息。其次,低频子带采用稀疏表示融合,从而降低融合图像中物体对比度损失。此外,采用引导滤波器融合高频子带,达到增强图像轮廓细节信息的效果。最后,对低频与高频融合系数进行非下采样轮廓波逆变换最终得出融合图像。分析表明融合图像对比度相对于原始光谱图像与偏振度图像分别提升了54.5%和15.4%,更容易区分混杂背景下阴影中的物体。基于此方法对偏振光谱成像仪所采集的不同波长下的光谱与偏振图像进行融合,并实现真彩还原。真彩还原图像证明此融合方法在保留混杂背景下的环境信息的同时实现物体和背景区分,有效提高了偏振光谱遥感探测成像的图像质量,有助于提升偏振光谱遥感探测成像中图像信息的完整性和真实性,扩大其在复杂环境遥感探测和图像识别中的应用范围。
随着光谱成像技术的飞速发展,使用多光谱滤光片阵列(Multispectral filter array,MSFA)采集多光谱图像的空间和光谱信息已经成为研究热点。如何利用低采样率且强频谱互相关性的原始数据进行重构成为了瓶颈和制约。因此基于一种含有全通波段的8波段4×4MSFA,提出了空谱联合的多分支注意力残差网络模型。首先使用多分支模型对各个波段插值后的图像特征进行学习。其次八个波段和全通波段的特征信息联合通过本文设计的空间通道注意力模型,应用多层卷积和卷积注意力模块并使用残差补偿的方式可以有效的弥补各波段的颜色差异和丰富边缘纹理相关特征信息。最后初步插值的全通波段和其余波段特征信息通过无需进行批量归一化的残差密集块对多光谱图像空间和光谱相关性进行特征学习以匹配各个波段的光谱信息。实验结果表明,本文对于在D65光源下测试图像的峰值信噪比、结构相似度和光谱角相似度分别优于最先进深度学习方法3.46%、0.27%和6%,并且此方法不仅减少了伪影还获得更多的纹理细节。
太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征,在探测领域被广泛应用,因此设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先,以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构,应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程,给出了系统初始结构参数求解函数和方法,再结合光学设计软件对系统像差进一步校正,最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由四块同轴折射透镜构成,焦距70 mm,F数为1.4,全视场角为8°,在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数(MTF)值均大于0.32,各视场内的弥散斑均方根(RMS)半径均小于艾里斑半径,最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明,本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点,满足设计要求,它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。
中频面形误差(MSFSE)会导致光学系统发生小角度散射,影响系统性能。为了在光学设计和光学加工中制定合理的中频面形误差公差,就中频面形误差对光学系统调制传递函数(MTF)的影响进行了量化研究。在衍射受限条件下,推导出正弦型中频面形误差对光学系统MTF的影响的表达式并对其进行分析,然后通过光学设计软件仿真验证理论推导结果。假设光学系统光瞳上带有正弦型中频面形误差,对光瞳函数进行傅立叶变换,然后平方得到点扩散函数(PSF),再对PSF进行傅立叶变换得到光学系统的光学传递函数(OTF),对OTF取模,即可得到中频误差影响下的MTF表达式。将该式与衍射受限条件下无中频误差的光学系统MTF进行对比,得到中频误差对光学系统MTF的量化影响。理论计算结果表明:正弦型中频误差会使光学系统的MTF在不同空间频率处产生不同的损失,损失值随空间频率呈周期性变化;峰谷值(PV)分别为0.030 μm、0.095 μm、0.159 μm和0.223 μm的中频面形误差,导致的光学系统MTF的最大损失比例分别为0.89%、8.80%、23.48%和43.31%;随着中频误差PV的增加,MTF的损失值呈非线性快速增加。软件仿真结果与理论计算结果吻合。
通过离子注入方法,首次将Dy3+和Tb3+共掺入氮化铝(AlN)薄膜,并研究了其晶体结构、阴极荧光和能量传递机制。拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)结果显示,在Tb3+剂量一定的情况下,Dy3+的注入会导致晶格内部压应力增大,随着Dy3+的持续注入,一部分点缺陷发生复合,内部部分压应力会得到释放。阴极荧光光谱(CL)显示,高剂量Tb3+注入下,随着Dy3+剂量的增加,Tb3+的发射强度与Dy3+的发射强度呈现出不同的变化趋势。进一步分析表明可能存在Tb3+的5D4→7F6至Dy3+的6H15/2→4F9/2的共振能量传递。通过研究发现在不同Tb3+和Dy3+注入剂量下,样品的发光颜色在黄绿色与橙黄色之间转变,色温在4042~5119K范围变化。由上述研究结果可知,通过改变Tb3+与Dy3+共注入的剂量比可以有效调控材料的发光色坐标与色温。
针对基质晶格各向异性对稀土离子偏振发光特性的影响,采用水热法制备了ZnO微米棒及铕掺杂ZnO微米棒。对照研究发现,掺杂后的样品长径比增加,形貌由哑铃型转变为直微米棒。光学性质分析表明,385 nm处的束缚激子发光使得ZnO微米棒的紫外发光呈明显不对称线形,550 nm处观测到一个较弱的可见区发光。掺杂铕离子后,可见区域发光明显增强。对于Eu3+离子掺杂ZnO微米棒,532 nm激发下可观测到窄半峰宽的Eu3+离子特征发光峰。调节入射激发光的偏振方向时,Eu3+离子发光峰强度随偏振光角度呈周期性变化,且发光偏振度随掺杂浓度的增加而增大。结果表明,借助ZnO微米棒基质晶格可获得对激发光偏振敏感的铕离子发光。掺杂ZnO微米棒能够将低维ZnO材料的紫外光吸收性能与稀土离子优异的可见发光特性进行整合,使其在偏振光谱探测等领域具有重要的应用价值。
有机发光二极管衬底侧向辐射光谱与正向辐射光谱相比,存在明显的窄化现象。研究影响器件侧向辐射光谱窄化的因素,进一步减小辐射光谱的线宽,可为电泵浦有机发光二极管激光辐射研究打下基础。本文研究了随有机发光二极管空穴传输层 NPB 厚度的变化,器件衬底侧向辐射光谱的半高宽、峰位以及偏振特性的变化情况。比较了有机发光二极管衬底边缘两侧蒸镀银膜与未蒸镀银膜时的衬底侧向辐射光谱。研究发现蒸镀银膜时有机发光二极管的衬底侧向辐射光谱半高宽变窄,并且当空穴传输层 NPB 的厚度为 130 nm 时,器件衬底侧向辐射光谱半高宽低至 14 nm。说明器件衬底两侧存在银膜作为反射镜的情况下,衬底中侧向传播的光将受到光学谐振腔的作用。本文的研究结果为有机发光二极管辐射光谱的窄化和辐射光放大提供了一种新思路。
本文基于对称的类H型结构设计了一种超材料太赫兹带阻滤波器,这种H型结构的连续金属臂可以流通电流。利用电磁仿真软件CST Microwave Studio 2021研究了该滤波器的滤波特性。通过改变H型双臂间距臂长、周期长度、双H间距离等,确定了滤波器的几何参数。结果表明,该结构可实现偏振选择的功能,在
以半导体可饱和吸收镜SESAM作为锁模启动元件,利用同带泵浦技术首次在Tm:CaYALO4(Tm:CYA)激光器实现了被动调Q锁模运转。光路采用X型四镜腔结构,泵浦源采用Er:Y3Al5O12(Er:YAG)固体激光器,其中心波长为1650 nm。分别采用0.5%、1.5%、3%和5%透过率的输出耦合镜,对激光器连续光输出和锁模输出特性进行研究。结果表明:当采用5%透过率的输出耦合镜时,激光器的输出特性最好;当激光器在连续光运转情况下,得到了894 mW的最高功率和16%的最大斜效率输出;将连续光功率优化至最高,在光路中加入SESAM锁模元件后,当吸收泵浦功率大于1.86 W时,激光运转进入不稳定的调Q状态;当吸收泵浦功率提高到5.7 W时,实现了稳定的被动调Q锁模运转;吸收泵浦功率达到6.99 W时,采用5%透过率的输出耦合镜,获得了最高输出功率为399 mW的锁模脉冲激光;此时调Q包络下重复频率为98.11 MHz,脉冲宽度为619.4 ps,对应的最大单脉冲能量为4.07 nJ,调Q包络中锁模脉冲调制深度接近100%。实验结果证明,同带泵浦技术可以用于激光器以产生调Q锁模脉冲,为超短脉冲激光的产生提供了一种新的泵浦方式。
研究了一种基于微机电系统(MEMS)技术用于高压测量的硅-玻光纤法布里-珀罗(FP)压力传感器。该传感器以硅材料作为敏感元件,将电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀后的单晶硅膜片和高硼硅玻璃阳极键合构成FP腔。传感头使用MEMS技术批量制造,结构稳定、抗过载能力强、在高压环境下不容易失效。实验结果表明,该传感器能够实现30 MPa的高压压力测量,灵敏度为46.94 nm/MPa,线性拟合度为0.99897,测量结果具有较好的一致性和可靠性,所设计的压力传感器在高压检测方面有很强的应用前景。
双环级联谐振腔(Cascaded Microring Resonators, CMRR)传感器作为一种新型的光学传感器,因具有高灵敏度、易于集成、功耗小等优点被广泛应用于生物、医学等领域。为了实现CMRR传感器输出光谱的实时数据分析处理,提出了一种基于Python的实时CMRR传感器输出光谱包络拟合方法。首先,利用不同的拟合模型对CMRR传感器输出光谱进行拟合;然后,通过灵敏度误差百分比对不同拟合模型的拟合误差进行比较,结果显示平滑样条拟合法在实时处理CMRR传感器输出光谱过程中表现最佳;最后对不同浓度的NaCl溶液进行实时输出光谱采集处理,验证了CMRR传感器输出光谱实时采集处理程序的可靠性。实验结果表明CMRR传感器的波长漂移量与溶液浓度呈线性关系。通过计算可知CMRR传感器对于盐水的灵敏度约为671.03529 nm/RIU。
为实现痕量甲烷气体的宽动态范围高灵敏度检测,本文开展了双边带拍频抑制模式的外差相敏色散光谱技术研发,研究了电光调制器工作特性以及偏置电压调控方法,对比了抑制与非抑制模式下的色散相位谱轮廓与信噪比,并对检测性能(如线性动态检测范围)进行了系统研究。基于近红外分布式反馈激光器和电光调制器,搭建了外差相敏色散甲烷气体检测系统,通过探索和分析电光调制器的最佳工作区间,实现了双边带拍频抑制进而得到了大幅值、高信噪比的色散相位信号。测量了典型高频(1.2 GHz)强度调制下甲烷/氮气标气的色散相位信号,获取了色散相位信号峰峰值随气体浓度的变化规律。同时开展了波长调制光谱技术实验,对两种技术的线性度、检测动态范围和对光功率波动的抗干扰性能进行对比研究。最后,通过测量不同浓度的标气验证了该系统在宽动态、快速时间响应下的性能。所开发的基于外差相敏色散光谱技术的甲烷检测系统具有线性度高(
采用电光位相调制器对泵浦光进行位相调制,得到射频调制转移光谱 (MTS),并研究MTS光谱的类色散信号中心过零点斜率优化问题。通过改变泵浦光的调制频率,泵浦光与探测光的光斑大小,研究MTS光谱信号过零点斜率与二者之间的参数依赖关系,在泵浦光调制频率为~3.6 MHz(大约是自然线宽的0.69倍)时,得到最佳的MTS光谱信号。最后利用最优的MTS光谱将DL Pro @ 852 nm 激光频率锁定到铯原子D2线(F = 4) − (F = 5’)循环跃迁,在60 min采样时间内激光频率起伏约为170 kHz,与自由运转时激光器~11 MHz的频率起伏相比,频率起伏得到了显著改善。
针对水下视觉测量中相机标定采集的水下标定图像退化造成标志点信息缺损的问题,提出了一种基于图像块分解融合的水下标定图像增强算法。首先,针对水下标定图像光照不均匀造成图像去雾困难的问题,基于同态滤波实现图像分割并计算全局背景光强,以实现图像去雾。然后,针对水下图像去雾后仍然存在噪声、模糊、光照不均匀等问题,分别进行对比度增强与细节信息增强以获得两幅互补增强图像,将互补图像划分成多个图像块,将图像块分解为平均强度、信号强度和信号结构3个独立分量,3个分量分开融合并求解最终增强图像。最后,采用主客观评价及标志点检测实验评价水下标定图像增强后的质量。实验结果表明,本文方法的视觉效果及客观评价得分均高于UDCP、MSR及ACDC方法,浑浊度为7.6NTU、11.4NTU、15.7NTU、18.4NTU时,标志点检测数量分别提高了2.0%、2.3%、9.3%、21.2%。因此,本文方法可以有效提高水下标定图像质量,为水下视觉测量提供一种稳定可靠的水下标定图像增强方法。
为实现冷轧钢缺陷的全面检测,针对其表面和内部缺陷检测展开研究。对于表面缺陷检测,提出采用双侧线光源照明方案,并与常规线光源照明方案进行对比。对于内部缺陷检测,从检测分辨率和缺陷边缘特征两方面分析X射线、超声以及红外热波成像等金属内部检测技术的适用性。经实验验证,双侧线光源照明不仅可以使YOLOv5目标检测算法总体平均精度mAP:0.5达到90.16%,相比线光源照明提升了15.46%,还可优化模型分类和提高训练效率。X射线和超声波检测法可检测直径为0.25 mm的盲孔,而红外热波成像技术则可有效识别出直径为1 mm的盲孔。在缺陷边缘特征评估中,X射线检测法的最小盲孔边缘灰度差值为145,超声波为89,红外热波成像为30。本研究提出了一种冷轧钢表面缺陷检测的改进方案,并为内部缺陷检测提供了思路。
基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)级联拓扑结构的线性光学处理器被证明是实现光学神经网络(Optical Neural Network, ONN)的重要途径,但还有不少实际问题有待解决。针对芯片制造、测试过程中可能导致的相位误差和插入损耗等问题,通过实验和理论仿真分析了几种基于MZI结构的可重构光学处理器。发现可以通过单个
应变重构是相衬光学相干层析力学性能表征中的关键步骤,其需要准确计算出差分包裹相位的梯度分布。为了能够解决强噪声干扰下的相位梯度重构信噪比低的难题,提出了一种基于贝叶斯神经网络的相位梯度计算方法。首先,通过计算机模拟不同散斑噪声等级下的包裹相位图,并生成相应的理想相位梯度,以构建网络的训练集。其次,基于网络训练集采用贝叶斯推断理论学习强噪声环境下的包裹相位与相位梯度的“端到端”映射关系。最后,将相衬光学相干层析测量的差分包裹相位结果送入贝叶斯神经网络进行处理,实现高信噪比相位梯度预测。此外,通过借助贝叶斯神经网络的统计特性,以模型不确定度来定量评估相位梯度预测结果的可靠性。通过数值实验和三点弯曲力学加载实验对比分析了本文方法和主流矢量方法的性能。实验结果表明:在噪声较小的条件下,本文方法重构的相位梯度信噪比可提升8%;在噪声较强条件下,本文方法能成功恢复因相位条纹难以分辨而无法计算的相位梯度。此外,模型不确定度能够定量分析网络的相位梯度预测误差。可以预见,在样品形变复杂且先验信息未知的条件下,本工作为相衬光学相干层析提供了一种有效的应变重构方法,从而能实现高质量和高可靠的内部力学性能表征。
非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准,同时其光路易受到机械振动干扰,导致全息再现像的质量降低。本文借助涡旋光特殊的相位分布,提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位,引入高精度相移。基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置,采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量,并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定,实验验证了涡旋相移的可行性;对微透镜阵列进行了重复测量实验,将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行比较。结果表明:测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897 μm,平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量,具有易操作、稳定可靠、准确性高等优点。
基于双目立体匹配重建物体表面三维形貌时,其匹配精度往往受限于传感器尺寸、镜头焦距和光源环境等物理条件。针对此问题,本文提出了一种基于插值超分辨的双目表面三维重建方法。首先,在图像预处理阶段,建立基于小波变换与双直方图均衡融合的图像增强方法,克服传统双目视觉受限于复杂环境光干扰等问题;其次,构建基于拉格朗日与三次多项式插值的超分辨算法,提升图像像素密度,为双目匹配代价计算阶段增加图像细节,从而提高匹配精度;最后,基于SLIC算法对目标图像进行分割,并针对各分割区域分别做二次曲面拟合,进而获得与物体实际表面更为贴合的高度曲线,从而降低重建误差并可提高重建精度。实验结果表明:5组测量样品的全局高度测量平均相对误差为±2.3%,实验平均测量时长为1.882 8 s,最大时长为1.936 2 s,较传统方法有明显提升。实验分析结果验证了本文所提方法的有效性。
点云配准是获取三维点云模型空间姿态的关键步骤,为了进一步提高点云配准的效率和准确性,提出了一种基于逐点前进法特征点提取的改进型点云配准方法。首先,利用逐点前进法快速提取点云特征点,在保留点云模型特征的同时大幅精简点云数量。然后,通过使用法向量约束改进的KN-4PCS算法进行粗配准,以实现源点云与目标点云的初步配准。最后,使用双向Kd-tree优化的LM-ICP算法完成精配准。实验结果显示:在斯坦福大学开放点云数据配准实验中,其平均误差较SAC-IA+ICP算法减少了约70.2%,较NDT+ICP算法减少了约49.6%,配准耗时分别减少约86.2%和81.9%,同时在引入不同程度的高斯噪声后仍能保持较高的精度和较低的耗时。在真实室内物体点云配准实验中,其平均配准误差为0.0742 mm,算法耗时平均为0.572 s。通过斯坦福开放数据与真实室内场景物体点云数据对比分析结果表明:本方法能够有效提高点云配准的效率、准确性和鲁棒性,为基于点云的室内目标识别与位姿估计奠定了良好的基础。
液滴图像边缘的高精度提取是测量水接触角较为关键的一环,针对常规边缘提取方法噪声鲁棒性差、边缘提取不完整、精度低的问题,本文提出了一种改进丰富卷积特征(RCF)的液滴边缘检测模型。首先,在深度特征提取阶段引入特征融合模块,使用多个特征让模型更加鲁棒,减少过拟合的风险;其次,设计多感受野模块代替RCF后边的contact层,通过多个感受野来提取更多的语义信息,使边缘细节更加丰富;然后,在模型每一层之前引入高效通道注意力机制,增强模型对图像中重要特征的关注程度;最后,设计并引入MaxBlurPool下采样技术,减少计算量和参数量,提高平移不变性。在自制液滴数据集上的实验结果表明,本文模型的固定轮廓阈值(ODS)提高到0.816、单图像最佳阈值(OIS)提高到0.829、检测准确率高达90.17%,相较原模型提高了1.85个百分点,能够准确检测液滴边缘特征。
星载二维转台是空间相机等光电设备的主要承载机构,U型架是转台的关键支撑部件。为了对星载二维转台U型架进行结构优化与轻量化设计,研制高承载比和轻量化的星载二维转台,本文设计了一种用于星载二维转台的碳纤维复合材料U型架。首先,利用碳纤维复合材料代替钛合金材料,结合考虑工艺性,设计了一种变截面管状结构U型架。接着,按照基于铺层工艺的有限元建模方法对碳纤维U型架进行有限元建模与仿真分析。然后,试制U型架样机并通过模态试验验证有限元模型的准确性。最后,提出一种理论分析法、遗传算法、有限元法相结合的三级优化方法对碳纤维U型架铺层角度、铺层厚度与铺层顺序进行优化设计。结果表明:模态试验与仿真得到的U型架振型完全一致,频率相差在5%以内。初始设计的碳纤维U型架比钛合金U型架质量减少了45.7%,通过对复合材料铺层的优化设计,使U型架质量进一步减少了13.8%,固有频率提升了10.14%。本文所采用的复合材料建模与优化方法正确,设计的碳纤维U型架满足星载二维转台轻量化设计需求。
在星地领域,激光通讯设备的发射光轴和接收光轴的对准度至关重要,而温度变化会导致光学元件和机械结构变形,影响光轴对准度,使系统探测精度降低。针对这一问题,本文设计了一种用于探测的高精度光轴稳定系统,根据宽波段和共轭成像的技术要求,使用具有像传递的离轴反射式开普勒望远系统压缩光束,经过分光镜后分别进入到探测子单元中,并设计了长焦距光轴稳定探测系统以提高探测精度;为校正反射系统的热差,根据光学被动无热化技术利用折射镜组补偿反射镜组的热致像差;设计机械结构并进行有限元分析;对有限元数据进行处理并带回到光学软件中仿真温度变化引起的光轴偏移角度;最后搭建平台进行验证。结果表明:光轴稳定探测系统在−10 °C时光轴偏移角度为3.90″,在45 °C时光轴偏移角度为4.23″,降低了温度变化对光轴偏移的影响。
为了实现大靶面、大变倍比显微成像并解决同轴柯勒照明高集成度设计的问题,本文提出了一种基于同轴柯勒照明的大变倍比紧凑型显微镜光学系统设计方法。首先,对望远镜和显微镜连续变倍光学系统的成像原理进行了分析,并对正组补偿式变倍显微镜光学系统的设计原理进行了理论分析。然后,提出把前固定组分解为准直组和汇聚组,并在两镜组间设计分光镜,并通过共用透镜组实现同轴柯勒照明系统的紧凑型设计。最后,对大靶面连续变倍显微镜系统和与之匹配的同轴柯勒照明光学系统进行设计,设计结果表明显微成像光学系统的变倍比为10×,工作距离为60 mm,物方最高分辨率为1.75 µm,同轴照明均匀性为94.3%。该系统具有成像质量好、畸变小、变倍曲线平滑、体积小巧等特点,实验验证了该设计方法的可行性。
光谱合成技术是实现高能激光输出的重要技术途径,如何在高功率输出的前提下,保证高光束质量的激光输出已成为当前光谱合成技术最迫切要解决的问题。本文针对155 mm×140 mm矩形口径、(1 064±3)nm、(1030±3)nm和(635±5)nm波段光束的参数检测问题,设计了大口径多波段多参数检测系统。波前检测单元基于开普勒的望远结构,在构建变形镜与微透镜共轭关系的同时,压缩光束口径以匹配探测器尺寸。前组物镜采用卡塞格林结构,以解决大口径、多波段的色差校正难题;后组镜采用三片式复消色差折射镜组,补偿色差的同时,兼顾无热化设计,用以补偿前组物镜的残余热差和后组镜热差。经波前检测单元后进行分光探测,实现光束质量和光束均匀性检测。为了提高系统的环境适应性,采用光学被动无热化方法对系统进行了20 °C±10 °C的无热化设计。最后,对系统进行装调测试,采用泽尼克波前复原方法对波前探测相机采集的光斑图像进行波前复原,测得10 °C~30 °C下系统波前的RMS值优于0.0524λ(λ=632.8 nm),光束均匀性优于0.893,光束质量
噪声系数是评价高频电子器件传输信号性能的重要参数,随着工作频率的增加,高频电子器件的噪声系数通常会增大,现有噪声源的超噪比无法满足测量需求。为了实现高频电子器件噪声系数的测量,本文基于非相干光混频技术,将三束非相干光耦合进入单行载流子光电二极管,研制了220~325 GHz高超噪比且可调谐的太赫兹光子噪声源,超噪比可调谐至45 dB。通过Y因子法将其应用于大噪声系数、负变频增益太赫兹混频器噪声系数的测量。测量得到太赫兹混频器噪声系数的范围为16~32 dB,变频增益约为−13 dB,测量不确定度为0.43 dB。研制的高超噪比且可调谐的太赫兹光子噪声源,能够满足大噪声系数太赫兹电子器件的测量需求,对太赫兹电子器件噪声系数的测量以及指导器件的进一步优化有着重要的作用。
针对偏移正交幅度调制的相干光正交频分复用(CO-OFDM-OQAM)通信系统,本文提出了一种基于实虚交替导频的相位噪声抑制算法。该算法利用激光器相位噪声的性质和固有虚部干扰(IMI)系数的对称性规律设计全新的实虚交替导频,结合线性拟合,能够准确估计每个频域符号的公共相位误差(CPE)。由于是在频域进行补偿,与时域相位噪声抑制算法相比,计算复杂度大幅下降。搭建了有效速率为65 GBits/s的偏振复用CO-OFDM-OQAM系统的数值仿真平台,研究了不同激光器线宽和子载波个数下系统的传输性能,考察了所提方法对相位噪声的抑制效果。获得的结果证实:OSNR固定为25 dB,子载波总数分别为256、512和1024时,误码率达到FEC极限时所需要的线宽分别为801.1、349和138.4 kHz。对于使用16-QAM调制格式、子载波个数为256或512的系统,能较好补偿激光器的相位噪声,而且不会影响功率峰均比。
为进一步提升激光通信精跟踪系统的控制性能,本文对音圈电机驱动的快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)控制方法进行了研究。针对FSM中存在的强轴间耦合与外部扰动问题,提出了融合前馈解耦补偿与固定时间扩张状态观测器的复合快速非奇异终端滑模控制策略。首先,采用系统辨识方法建立FSM的双输入双输出耦合传递函数矩阵模型,并设计前馈解耦补偿器补偿耦合分量,以实现
针对冠脉造影图像照明不均、血管结构与背景区域对比度低、冠脉血管拓扑结构复杂等分割难点,建立了一个冠脉造影血管分割标注数据集,并在此基础上提出了一种基于特征图金字塔的冠脉造影图像血管分割模型。本文模型以U-Net网络为基础进行改进和优化,首先,将U-Net编码部分的第一个卷积层修改为一个7×7的卷积层,并提高每一层的感受野,在编解码层中引入修改后的ConvNeXt block,使得网络提取更深层次特征的能力有所提升;其次,设计分组注意力机制模块GA,并将其引入到U-Net跨连接处,对编码部分提取的特征进行增强,弥补编解码器间存在的语义差距;最后,在U-Net解码器处设计了一个特征图金字塔级联模块PFC,融合各尺度的特征图,并在PFC中每一层中加入SE注意力机制模块,用于筛选特征图中的有效信息,网络损失函数为PFC模块各层输出的加权,以监督网络各层的特征提取。本文模型在测试集上的测试结果如下:Dice系数为0.8843,Jaccard系数为0.7926。实验结果表明,相比其他常用方法,本文模型在冠脉血管分割上具有较强的鲁棒性,在低对比度下能够有效抑制噪声,对冠脉血管具有更好的分割效果。
一种主要成分是脂质的白色不透明物质(WOS)会覆盖与癌症诊断有关的微观结构,但WOS的形态特征又与肿瘤分级有密切关系。为了给医生提供更多与脂质相关的可用信息,本文对脂质图像的分割方法进行了研究。首先,介绍了基于Retinex框架的脂质图像增强算法,并介绍了反光去除算法。然后,介绍了基于活动轮廓模型的脂质分割方法,该方法从校正后的色调值中提取局部信息,从强度值中提取全局信息,自适应地获得权重因子,并基于初始轮廓来分割脂质区域。最后,基于自研细胞内镜成像系统,设计了仿体实验来验证了该方法的有效性。实验结果表明,该分割方法的像素准确度、灵敏度、Dice系数均高于90%。该方法能够克服照明不均匀、反光等的影响,很好地反映脂质的形状,为医生提供可用的信息。
空间态势感知(Space Situational Awareness, SSA)数据仿真可以为空间监测设备及态势感知算法(包括空间目标检测、跟踪、识别和表征)的开发、测试和验证提供关键性数据支持,在空间态势感知能力建设中发挥重要作用。本文以天基空间态势感知光学数据仿真为研究对象,给出了SSA数据仿真的研究目的和主要研究内容,详述了SSA光学成像仿真的典型研究方法与过程。介绍了国内外相关工作的研究现状与工作进展,涵盖双目视觉传感器、激光雷达、红外传感器、可见光望远镜和恒星敏感器等不同光学传感系统的成像建模与仿真工作成果。分析了空间态势感知数据仿真研究的发展趋势,为未来SSA数据仿真研究思路与方法提供参考。
条纹结构光技术是近年来发展迅速的非接触式测量方法,为机械加工在机检测提供了新的解决方案。由于加工环境光线复杂且金属零件本身具有高反光的特性,造成结构光在机检测的精度降低。将高动态范围(High Dynamic Range,HDR)技术应用于结构光检测中,可抑制高反光的影响,实现金属零件在复杂场景的测量。本文首先介绍了结构光测量原理,总结出HDR结构光在机检测面临的难点;其次,对HDR结构光技术进行了全面综述,以机械加工在机检测为背景,对基于硬件设备的HDR技术和基于条纹算法的HDR技术分别进行了归纳分析;然后,根据在机检测的条件需求,对各类技术进行总结,并比较不同方法的优缺点和在机检测的适用性;最后,结合近年来先进制造技术和精密测量的研究热点,对潜在应用进行分析,提出技术展望。
激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是利用强脉冲激光与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲激光诱导等离子体的过程中,不同的激光参数(能量、脉宽、波长)、检测过程中的环境条件以及材料本身的特性等,对激光诱导等离子体的物理机制都有不同程度的影响,进而影响LIBS定量分析的结果。本文综述了现阶段LIBS技术中包括LIBS基本原理、激光参数区别、环境和材料特性差异所涉及的物理机制。为深入理解激光与物质相互作用、提升LIBS检测能力提供了依据。
基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤激光器具有光路简单、结构紧凑、可靠性高、成本低等特点,在实际工程应用以及在空间受限的载荷平台上有着显著优势,是高功率光谱合成的理想子束模块。受自脉冲效应的影响,多纵模振荡种子源的时域特性较差,导致放大过程中会产生较强的光谱展宽与受激拉曼散射效应。这限制了其输出功率的进一步提升并降低了其光谱纯度。本文首先介绍了4种常见的窄线宽种子源,并重点分析了多纵模振荡种子源中自脉冲效应产生的机理及抑制方法,对优化多纵模振荡种子源和放大器的关键技术进行了详细介绍,归纳总结了近几年的技术突破与研究成果,对未来的发展方向进行了展望分析。本文研究对基于多纵模振荡种子源的窄线宽激光器的功率提升和光谱优化提供一定思路。
光程吸收光谱技术是吸收光谱技术发展中的一个重要分支,近年来基于不同光源技术、吸收腔技术、探测方式的光程吸收光谱技术大量涌现。随着对探测灵敏度和吸收光程长度需求的提高,出现了基于增强吸收原理的光程吸收光谱技术,包括:积分腔光谱(ICOS)、腔增强吸收光谱(CEAS)和腔衰荡光谱(CRDS)。增强吸收光谱技术具有高光谱分辨率、高灵敏度、快速响应、便携等优势,但至今缺乏统一的概念和明确的分类依据。本文梳理了吸收光谱技术的发展历程,明确了多光程吸收光谱技术的概念。依据吸收腔内是否发生谐振吸收,提出了基于谐振原理的吸收光谱技术这一概念,分析总结了谐振吸收光谱技术的研究现状,并对这些技术在各领域的应用进行概述。最后,对谐振吸收光谱技术中关键技术的未来发展进行了展望。
光纤光镊具有结构简单、操作灵活、尺寸小的特点,在生化分析、生命科学等领域有广泛应用。特殊纤芯结构的光纤探针在近场倏逝波光阱力、纤芯光束耦合传输、微流控技术交叉协同应用等方面具有天然优势,能实现细胞、亚细胞级微粒收集、输运等功能,可以显著提升微粒的三维捕获能力以及动态操纵水平。本文综述了不同纤芯结构光纤光镊的结构特点与应用技术研究进展,对特种芯光纤光镊系统中探针制备、激光光源、耦合方式等关键技术进行了梳理和对比,总结与展望了不同结构特种芯光纤在光纤光镊中的作用与发展。
氮化镓基Micro-LED具备高亮度、高响应频率、低功耗等优点,是未来显示技术和可见光通信系统的理想选择,但是目前外量子效率(EQE)低下这一问题严重影响其规模化量产及进一步应用。为了突破EQE低下这一瓶颈,通过分析Micro-LED外量子效率的影响因素,得知EQE下降的主要原因包括侧壁缺陷引起的载流子损耗及非辐射复合。总结了侧壁缺陷对载流子输运及复合的影响。综述了目前常用的侧壁处理技术及修复方法,指出现有侧壁处理方法较为笼统、针对性不足且载流子与侧壁缺陷的作用机理并不十分清楚。提出应深入系统地研究侧壁缺陷种类和分布、载流子与侧壁缺陷作用机制及侧壁处理过程中的缺陷修复模式。本文为提高外量子效率、加快Micro-LED商业化量产进程提供设计思路和理论依据。
作为一种新型光电探测技术,偏振成像可同时获取场景的空间分布和偏振特征,针对特定应用场景具有优异的材质区分及轮廓辨识能力,广泛应用于目标探测、生命科学、环境监测、三维成像等领域。偏振分光或滤光器件是偏振成像系统的核心元件,然而该类传统器件受限于体积庞大、性能不佳、易受干扰等问题,难以满足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系统的要求。超构表面是一种结构单元以亚波长间隔准周期排列而成的二维平面器件,可在不同偏振方向对光场的振幅、相位进行精细操纵。基于超构表面的偏振器件具有体积小、重量轻、维度高等特点,为集成化偏振成像系统提供了新的解决方案。本文针对偏振成像,综述相关超构表面的功能原理、发展脉络和未来趋势,讨论并展望其在成像应用和系统集成方面所面临的挑战与机遇。
为了明晰碟片多通放大器的腔体设计方法,本文对不同类型的碟片多通放大器做归纳与总结,共归纳出4
微型头戴式单光子荧光显微成像技术是近些年出现的用于神经科学研究的一种突破性方法,可以对自由移动活体动物的神经活动进行实时成像,提供了一种前所未有的方式来访问神经信号,增强了对大脑如何工作的理解。在脑科学研究需求的推动下,目前已经出现了许多种类型的微型头戴式单光子荧光显微镜,如高分辨率成像、无线记录、三维成像、双区域成像和双色成像等。为了更加全面地了解和认识这种新兴的光学神经成像技术,本文按成像视场进行分类,对目前报道的不同类型微型头戴式单光子荧光显微镜所具有的特点进行了介绍,重点讨论了其所采用的光学系统方案和光学性能参数,分析对比了不同方案的优缺点,以及未来的改进方向,以便为脑科学研究人员的实际应用提供参考。
非视域(Non-Line-of-Sight, NLoS)成像是近年来发展起来的一项新兴技术,其通过分析成像场景中的中介面信息来重建隐藏场景,实现了“拐弯成像”的效果,在多个领域有巨大的应用价值。本文主要针对NLoS成像重建算法进行综述性研究。考虑到目前NLoS成像分类存在交叉和非独立现象,本文基于物理成像模式和算法模型的不同特点,对其进行了独立的重新分类。根据提出的分类标准分别对传统和基于深度学习的NLoS成像重建算法进行了归纳总结,对代表性算法的发展现状进行了概述,推导了典型方法的实现原理,并对比了传统重建方法和基于深度学习的NLoS成像重建算法的重建应用结果。总结了NLoS成像目前存在的挑战和未来的发展方向。该研究对不同类型的NLoS成像进行了较为全面的梳理,对NLoS成像重建算法在内的一系列研究的进一步发展有着一定的支撑和推动作用。
光致热弹光谱是一种基于石英音叉热弹效应的新型气体检测技术,具有成本低、体积小、灵敏度高及光谱响应范围宽等优点,是目前一种重要的痕量气体检测方法。本文首先分析了基于光致热弹光谱的气体浓度测量原理,其次,从提高检测系统灵敏度的各种技术方法角度出发,介绍了近年来开发的提高石英音叉热弹光谱系统检测灵敏度的技术方法,从信号幅值、信噪比、最小检出限和归一化噪声等效吸收系数等方面,对系统的性能改进提升效果进行评估。最后,简要评述了光致热弹光谱在现场气体检测中的应用研究进展,对进一步提高检测系统灵敏度的方法进行了总结与展望。
温度、湿度、压强是3个重要的大气参数。快速、准确地了解大气的温度、湿度和压强信息及其变化趋势,对天气、气候、人工影响天气等研究有重要意义。拉曼激光雷达通过分离拉曼散射信号反演得到各种大气环境相关参数,可实现对大气参数廓线信息的高精度探测,在大气温湿压探测中独具优势与潜力。本文介绍了拉曼激光雷达对大气温度、湿度和压强的探测原理与反演方法,着重介绍了拉曼激光雷达中滤光片、标准具、光栅等常用分光器件的优缺点及其进展,以及拉曼激光雷达中涉及到的探测技术。最后例举了利用拉曼激光雷达对气象参数测量的典型应用。
随着光学成像技术的不断发展和遥感应用需求的日益增长,跨尺度高分辨率光学技术在遥感领域得到广泛应用。为了获得更多的目标细节信息,国内外研究学者在不同技术方向开展了相关研究。本文对遥感成像技术进行了总结分类,介绍了具有代表性的航天高分辨率对地光学遥感载荷技术,重点关注单体结构主镜、可展开分块拼接主镜、光学干涉主镜、光栅衍射主镜、虚拟合成孔径、光子型综合孔径成像、计算超分辨成像、编队合成孔径等成像模式,为高分辨率对地光学遥感载荷发展提供新的发展思路。
随着激光技术的飞速发展,激光在医疗领域中的应用得到了日益广泛的关注。由于其具有无接触、精度高、损伤小、便携性和操作灵活等优点,激光医疗极大地丰富了临床医疗的技术手段,在部分疾病的治疗中逐渐取代了传统方法,提升了医疗行业整体的技术水平。当前,激光医疗的市场占有率不断增加,发展前景十分广阔。本文介绍了激光医疗技术和医用激光系统的要求,重点对激光医疗在各临床科室中的应用研究现状进行了全面阐述,最后针对我国激光医疗领域存在的问题给出了建议。
周期光学系统,如光子晶体和光学超材料,可以在亚波长尺度形成高密度的电磁场能量局域,并获得极小的模式体积,在光操控领域具有巨大的应用潜力。近年来,研究人员在周期光学系统中发现一种光与物质的强相互作用,其被称为连续域束缚态。它是一类频率位于辐射连续域内但被完全局域的特殊电磁本征态,具有诸多有趣的物理特性和丰富的应用场景。本文系统性综述了周期光学系统中连续域束缚态的分类及其理论体系,并总结了其基本物理特性和最新应用发展。周期光学系统中的连续域束缚态正在为集成光学、信息光学、生物光学、拓扑光学以及非线性光学等领域注入新的发展动力。
二维(2D)半导体材料Bi2O2Se由于具有独特的晶体结构与能带结构、超高的载流子迁移率和优异的稳定性,在紫外-可见-近红外光谱区的高性能电子与光电应用领域有着广阔的前景。本文综述了Bi2O2Se的材料制备与光学表征最新研究进展:首先,介绍了2D Bi2O2Se的制备方法及生长机理,包括化学气相沉积法(CVD)、湿化学工艺、分子束外延法(MBE)和脉冲激光沉积法(PLD)等;其次,介绍了其晶体结构和电子能带结构的基本性质;接下来,通过稳态光谱的研究,可以对2D Bi2O2Se随厚度变化的带隙等物理性质进行研究;通过研究其晶体振动模式,可进一步研究2D Bi2O2Se材料的缺陷形态、温度系数与热导率;此外,超快光谱技术也可以帮助研究2D Bi2O2Se材料内部载流子的弛豫过程与输运性能;最后,简述了当前Bi2O2Se研究面临的挑战与应用的前景。
全景内窥成像技术可有效减小体内器官的观察盲区,具有缩短手术时间、降低术中出血风险、改善手术预后、缩短术后恢复时间等多种优点,在微创手术和术前检查中有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文从原理和产品应用两个方面对全景内窥成像技术进行了梳理。首先,综述了基于二维和三维成像的各种全景内窥成像技术,阐述了它们各自的实现方式,并分析了其关键指标和性能。其次,对比分析了由全景内窥成像技术衍生出来的胶囊内窥镜、全景结直肠镜等多种不同类型的产品,并展望了全景内窥成像技术的发展趋势和应用前景。
单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合它们各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量及高功率、容线宽及高亮度方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望了单片集成式MOPA的发展趋势。
稀土掺杂的上转换发光纳米材料在信息安全、生物医学、光纤通信、显示和能源等众多领域有着巨大的应用潜力,受到了相关各领域研究人员的广泛关注。特别是近年来发展起来的具有正交激发发射特性的上转换发光纳米颗粒,其可在不同的激发条件下产生动态变化的光色输出,因而具备一系列新的特性与功能,大大地扩展了应用范围。本文综述稀土离子正交上转换发光的发展历程,系统论述了基于核壳结构的正交激发发射体系的设计原理和构建方法,介绍了其在信息存储、安全防伪、显示、传感、生物成像及治疗等领域的最新研究进展,并探讨了未来相关研究中可能面临的机遇和挑战。
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