1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国-俄罗斯激光科学“一带一路”联合实验室，上海 201800
激光干涉仪中光学元件表面划痕和灰尘等会在干涉图中形成衍射环状相干噪声，极大影响测量精度。为了消除此类相干噪声，提出了一种基于多模光纤耦合角度变化的扩展光源方法，控制平行光束经过旋转毛玻璃耦合进入多模光纤的角度，达到抑制散斑和相干噪声的效果。通过理论推导和仿真模型构建，基于纤芯直径为1 mm的多模光纤扩展光源，在直径为25.4 mm的泰曼-格林干涉仪上进行了实验验证。结果表明：通过改变入射角度可以控制扩展光源的形态，在-3°~2°的入射角度范围内，干涉仪的信噪比最大值与正入射时相比提高了40.3%，此时入射角度处于纤端光斑形态发生变化的临界角度与正入射角度中间，且该临界值与理论推导和仿真结果一致。实验证明了所提方法可以抑制干涉仪的相干噪声。
光纤光学 干涉测量 扩展光源 相干噪声 信噪比
1 同济大学 测绘与地理信息学院，上海200092
2 上海市航天测绘遥感与空间探测重点实验室，上海0009
3 上海海洋大学 海洋科学学院，上海20106
ICESat-2（Ice， Cloud and Land Elevation Satellite-2）是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星，可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外，还包含大气散射等背景信号，需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性，本文首先选取了六种地表覆盖类型（城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川）及不同观测条件的数据，对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明：白天观测数据的背景光子率平均为106（点/秒）数量级，远高于夜晚观测数据的背景光子率——104（点/秒）数量级，弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当，六种地表覆盖类型中，冰盖/冰川的背景光子率最高。然后，根据统计结果筛选出21组测高数据，并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验，分析精度后得出结论：改进局部密度法的去噪效果最佳，算法召回率、精准度和F值均大于0.90，算法较为稳定。最后，对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析，可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。
ICESat-2 激光测高 光子计数激光雷达 点云去噪 背景光子率 ICESat-2 laser altimetry photon counting LiDAR photon denoising background rate 
河南农业大学食品科学技术学院, 河南 郑州 450000
为了探究食源性致病菌芽孢的拉曼特征指纹图谱, 实现快速识别, 该研究以产气荚膜梭菌(C. perfringens)、 艰难梭菌(C. difficile)和蜡样芽孢杆菌(B. cereus)的芽孢为研究对象, 以柠檬酸钠还原法制备的AgNPs溶胶为基底材料, 用SERS技术对芽孢进行拉曼光谱检测, 解析食源性致病菌芽孢的分子结构、 不同芽孢之间的异同之处。 将3种食源性致病菌芽孢的SERS光谱与主成分分析(PCA)和系统聚类分析(HCA)相结合并进行对比分析, 实现不同种属食源性致病菌芽孢的定性识别。 结果表明, 不同食源性致病菌芽孢的SERS光谱的特异性和重现性良好。 芽孢光谱中Ca2+-DPA的拉曼振动峰数量和峰强度占主要地位, 其拉曼振动峰位置在657~663, 818~820, 1 017, 1 389~1 393, 1 441~1 449和1 572~1 576 cm-1波段。 C. difficile spores SERS光谱中Ca2+-DPA的六个特征峰峰强度均高于C. perfringens spores和B. cereus spores, C. perfringens spores次之。 Ca2+-DPA在1 017 cm-1(Ca2+-DPA)处拉曼峰强度在3种芽孢的SERS光谱中均最高且差异明显, 是Ca2+-DPA的主要特征峰, 也是3种芽孢的主要特征峰。 此外, C. perfringens spores在936 cm-1(磷脂N—C拉伸)、 1 294 cm-1(脂质中的CH2变形振动)、 1 609 cm-1(蛋白质中的酪氨酸)和1 649 cm-1(蛋白质中的酰胺I)显示特有拉曼振动峰; C. difficile spores在890 cm-1(=C—O—C=拉伸)显示特有拉曼振动峰。 PCA分析结果显示PC1和PC2方差贡献率分别为51.1%和39.7%, 累积贡献率达90.8%, 可以将所有样本有效区分。 HCA分析可以看出3种芽孢的SERS光谱被分为三个聚类, 3种芽孢各自聚类无交叉干扰。 结合多元统计分析不仅有效实现了3种芽孢之间的区分, 也实现了梭菌属芽孢和杆菌属芽孢的区分, 为食品安全控制提供有效手段。
食源性致病菌芽孢 表面增强拉曼光谱 光谱解析 快速识别 Food-borne pathogenic bacteria spores SERS AgNPs Spectral analysis Rapid identification AgNPs 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2774
水泥浆粉含有可吸附重金属离子的成分，可作为吸附剂来处理重金属离子废水。本文利用硅酸盐水泥制备了不同水化龄期的水泥浆粉来处理含Pb2+废水，通过X射线衍射仪、同步热分析仪、电感耦合等离子体发射光谱仪等测试方法，研究了水泥浆粉龄期、浆粉用量、Pb2+浓度、pH值、温度、时间对Pb2+去除效果及吸附行为的影响。结果表明，水泥浆粉对废水中的Pb2+去除率普遍大于80%。在35 ℃、pH=2、吸附时间200 min时，0.04 g水灰比为0.50、水化龄期为60 d的水泥浆粉对初始浓度为700 mg/L的Pb2+溶液的Pb2+去除率为96.06%，吸附容量为336.22 mg/g。水泥浆粉对Pb2+的吸附热力学符合Freundlich吸附等温模型，吸附动力学符合拟一级动力学模型。
水泥浆粉 C-S-H凝胶 铅离子废水 吸附 吸附热力学 吸附动力学 cement slurry powder C-S-H gel lead ion wastewater adsorption adsorption thermodynamics adsorption kinetics
湘潭大学 物理与光电工程学院, 湘潭 411105
近年来, 随着神经网络的发展, 多种光电神经网络框架相继提出, 在图像和语音处理等方面表现出强大的应用潜力。设计一种新型的基于透明介质成像的光学散射神经网络框架。描述透明介质双向散射传播的物理特性, 采用多层堆叠散射介质构建神经网络单层智能单元, 并利用非线性光电材料薄膜实现非线性激活, 级联单层智能单元构建深度网络物理模型; 根据双向散射物理模型构造对应的双向数字复值神经网络, 并根据复值求导链式法则推导数字权重更新的后向传播算法,其复值网络权重参数通过调控散射介质的物理参数来实现; 在MNIST数据集上验证其智能分类的有效性。
透明散射成像 光学散射矩阵 双向复值神经网络 后向传播算法 transparent scattering imaging optical scattering matrix bidirectional complex-valued neural network backpropagation algorithm
1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心, 上海 201800
2 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
3 合肥知常光电科技有限公司, 安徽 合肥 230088
4 中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室, 上海 201800
针对氧化钇透明陶瓷在制备过程中产生的气孔、杂质等缺陷难以实现定量化无损检测、评估的问题,本研究团队提出了基于光热热透镜效应的扫描成像测量方法,建立了氧化钇透明陶瓷表面和体内不同区域的光热吸收信号与气孔、杂质等缺陷之间的关联。根据吸收幅值的统计分布特征,采用以E+3σ(E和σ分别为吸收的平均值和标准差)为阈值对扫描图像进行分割的方法来表征缺陷的分布。与光学显微镜观测等方法相比,该方法具有灵敏度高、可准确表征缺陷的吸收等优点,可以为缺陷对材料吸收特性和热学特性的影响提供评判依据,进一步为氧化钇透明陶瓷制备工艺的改进提供重要支撑。
材料 氧化钇透明陶瓷 缺陷 光热扫描成像 光学吸收 中国激光
2021, 48(23): 2303001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心, 上海 201800
2 合肥知常光电科技有限公司, 安徽 合肥 230031
3 超光滑表面无损检测安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
衍射光栅是非常重要的色散元件, 在光谱分析领域中有着广泛的应用, 光栅光谱衍射效率的测量对于评估光栅性能和改进光栅制备工艺有着重要的作用。 在目前常见光栅光谱衍射效率的测量技术中, 由于存在两种需要重复数百次的机械运动, 因而光栅光谱衍射效率的测量速度比较缓慢, 如获取700～900 nm波段范围内的光谱衍射效率, 大约需要5～8 min的时间。 在之前的研究中, 报道了一种快速测量光栅光谱衍射效率的新方法, 新方法采用声光可调谐滤波器、 积分球探测器和高速数据采集系统, 可以完全消除现有测量方法中存在的两种耗时的机械运动, 由于测量过程中没有任何机械运动的参与, 新方法能在10 ms量级获得700～900 nm波段范围内的光谱衍射效率。 首先对光栅光谱衍射效率测量新方法的主要误差来源进行了系统分析, 发现新方法一个比较明显的误差来源是凸透镜的透过率与入射角相关; 然后结合光学模拟, 得到了激光光束以不同入射角度传播通过凸透镜时的透过率, 并提出了相应的误差校正方法; 最后结合实验测量数据, 我们对光栅光谱衍射效率新测量技术的误差校正方法进行了实验验证。 数据分析结果表明, 在550～750 nm波段范围内测得的光栅光谱衍射效率, 经过误差校正后, 新方法与传统测量方法之间绝对误差的平均值从校正前的0.207%降低到校正后的0.099%, 由于传统光栅光谱衍射效率测量方法的测量精度约为0.1%, 结果表明, 提出的误差校准方法能成功消除光栅光谱衍射效率新测量方法的主要误差来源。
光栅 衍射效率 光谱 测量 误差 Grating Diffraction efficiency Spectrum Measurenent Error 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1973
1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为了抑制环境振动引入的测量误差,实现对球面光学元件面形的动态检测,提出了一种基于微偏振片阵列的反射式针孔点衍射干涉系统。该干涉系统使用短相干激光光源获得两束相干光,通过调节两束偏振光的光强比调节干涉条纹的对比度,利用集成微偏振片阵列CCD相机采集的单帧图像获得4幅相移干涉图,实现动态检测。用该干涉系统和ZYGO干涉仪测量同一凹面镜样品,得到的面形结果相吻合,验证了该干涉系统测量结果的准确性。在实验测量平台上外加电动机产生振动条件,结果表明,当振动速度小于16 μm/s时,都可得到较准确的面形测量结果,表明该干涉系统的抗振性能较好。
测量与计量 干涉测量 球面面形 点衍射干涉仪 偏振相移 中国激光
2020, 47(10): 1004003
