北京科技大学 数理学院应用物理系,北京 100083
采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术在斜切的砷化镓(GaAs)衬底上低温沉积了氮化镓(GaN)薄膜，对生长过程、表面机制以及界面特性等进行分析，得到GaN在215~270 ℃的温度窗口内生长速度(Growth-Per-Cycle，GPC)为0.082 nm/cycle，并从表面反应动力学和热力学方面对GPC的变化进行了分析。研究发现，生长的GaN薄膜为多晶，具有六方纤锌矿结构，且出现(103)结晶取向。在GaN/GaAs界面处观察到约1 nm厚的非晶层，这可能与生长前衬底表面活性位点的限制和前驱体的空间位阻效应有关。值得注意的是，在沉积的GaN薄膜中，所有的N皆与Ga以Ga-N键结合生成GaN，但是存在少部分Ga形成了Ga-O键和Ga-Ga键。这种成键方式，可能与GaN薄膜中存在的缺陷和杂质有关。
等离子增强原子层沉积 氮化镓 砷化镓衬底 低温 plasma-enhanced atomic layer deposition GaN GaAs substrate low temperature
1 四川大学 电子信息学院, 四川 成都 610041
2 苏州长光华芯光电技术股份有限公司, 江苏 苏州 215163
对自主研发的940 nm大功率三结垂直腔面发射激光器(VCSEL)单点器件的高温高电流老化失效后的器件进行了失效分析研究。首先, 通过热阻测试确定了加速老化实验的结温, 并计算了老化加速因子为104。随后, 对老化过程中产生的失效器件进行失效分析。通过老化前后器件L-I-V、正反向V-I、光学及红外外观、近场光斑及透射电子显微镜(TEM)研究了器件老化前后性能及发光模式变化, 确定了器件的失效位置, 分析了失效原因,并通过TEM图像确认了器件失效是由P-DBR中的位错生长导致。本文为国际首次对多结VCSEL器件失效分析的研究报道, 对继续优化VCSEL内部结构设计及提升工艺控制能力、提高多结VCSEL器件寿命及可靠性具有一定指导意义。
垂直腔面发射激光器 多结 失效分析 可靠性 vertical cavity surface emitting laser multi-junction failure analysis reliability
1 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测教育部重点实验室，江西 南昌 330063
光纤语音传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高和传感距离远等优势，但用其进行语音探测时往往存在较大的噪声，极大影响了语音信号的质量。为了对语音信号进行降噪处理，针对光纤语音传感系统提出了一种基于端点检测的多窗谱估计谱减法。通过端点检测判断噪声帧与语音帧，以实现噪声平均幅值的估计。搭建的直线型Sagnac光纤语音传感实验结果表明，相比传统谱减法及多窗谱估计谱减法，本方法对背景噪声的抑制效果更好，降噪后语言信号的信噪比可提高2～3 dB。
测量与计量 Sagnac效应 声音传感 谱减法 端点检测 语音降噪 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1106002
1 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330063
提出了一套基于现场可编程门阵列（FPGA）的分布式拉曼光纤传感系统，实现了信号的采集、传输、处理。为了提高系统的信噪比（SNR），提出了基于FPGA的累加迭代平均滤波算法和非线性小波变换阈值去噪法。首先对放大之后的斯托克斯光和反斯托克斯光信号进行累加迭代，然后再平均，经过8000次累加迭代平均之后，系统信噪比提高了36.748 dB。之后解调出温度，对温度信息再进行非线性小波变换阈值去噪，最后经过加温实验验证，系统的测温精度为±1.5 ℃左右。
光纤光学 拉曼 现场可编程门阵列 累加迭代平均 非线性小波变换阈值去噪 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0506006
1 南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验室，江西 南昌 330063
2 无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），江西 南昌 330063
基于弯曲光纤研发了脉搏测量系统。首先根据光纤的弯曲损耗理论设计了光纤传感头，然后对采集到的数据进行处理，提取和分析特征点。通过测量人体运动前后、不同年龄、不同性别的脉搏信号，发现人体运动后潮波消失，频率和幅值明显增大，中年人的潮波、重搏波峰、重搏波谷不如青年人的明显，女性的脉搏压力差较男性明显偏小。实验结果表明，基于弯曲光纤的脉搏测量系统可以再现脉搏信号的细节参数，能够准确测量到主波、潮波、重搏波峰、重搏波谷等特征点，该研究对促进数字脉诊技术的发展有重要意义。
光纤光学 弯曲光纤传感头 脉搏 特征点 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0506003
1 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330063
对基于法布里-珀罗（F-P）微腔结构的光纤声传感系统进行研究。传感头由具有高熔点、低热膨胀系数的氧化锆（ZrO2）管贴合氧化石墨烯（GO）薄膜制作而成。测试结果显示，F-P微腔的腔长为92.943 μm，反射谱的干涉对比度达25 dB。对传感头的声音传感性能进行测试，结合多帧比较法，实现了语音前导无话帧的自动识别。运用基于小波包变换的维纳滤波方法对采集到的信号进行去噪，相比单纯运用维纳滤波的方法，信噪比提高了1.5 dB，从而提高了语音质量。整个系统结构简单、成本低、实用性高，应用场景广泛。
测量 光纤声传感 法布里-珀罗 氧化锆 氧化石墨烯 小波包变换 维纳滤波 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0312003
1 南昌航空大学 江西省光电检测技术工程实验室，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学 无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330063
可调谐激光器在光纤传感和光纤通信中有着广泛的应用，引起了人们的广泛重视。设计并搭建了基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器系统。通过FPGA设计的基于DDS (direct digital frequency synthesis)函数信号发生器与模拟放大电路结合产生的驱动电压，调节FFP-TF2腔长的变化，进而改变激光器的输出波长。该系统可以实现对FFP-TF2单点电压和扫描电压的驱动，从而激光器可以输出单波长激光和多波长扫描激光，在激光器输出波长1 532 nm~1 568 nm范围内，可以调节单波长输出，也可以调节多波长扫描范围，且两种模式可以切换使用。实验结果表明，激光器输出3 dB线宽基本保持在0.01 nm左右，激光器输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.934%，灵敏度为3.915 nm/V，而FFP-TF2输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.986%，灵敏度为4.021 nm/V，激光器输出中心波长相对FFP-TF2的误差为2.6%，说明该激光器系统输出波长具有线宽窄、稳定性好、灵活性高等优点。
光纤光学 FFP-TF2 可调谐 FPGA DDS optical fiber optics FFP-TF2 tunable FPGA DDS
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷达改进的遗传算法,能够准确、快速、并行地反演出风矢量解。对算法进行了仿真,结果显示,改进后的遗传算法在收敛速度以及全局寻优能力方面相对于传统遗传算法都有着明显提升,并且在低信噪比信号仿真对比中,此方法风场反演结果优于传统非线性最小二乘法反演结果。将该方法应用于实际雷达系统中,在激光雷达与探空气球实测数据对比中,两者水平风速均方根误差小于0.7 m/s,水平风向标准偏差小于6°,这些结果验证了风场反演结果的精确性。将采用所提方法得到的结果与实测数据最小二乘法风场反演结果进行对比,发现在当时的大气条件下,频谱估计法约有12.3%的探测距离的增大。仿真和实测数据对比结果充分证明了此方法反演三维风场的能力和有效性。
遥感 风场测量 相干多普勒测风激光雷达 遗传算法 频谱估计
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光工程技术实验室, 上海 201800
4 中国科学院大学, 北京 100049
临近空间风场数据对飞行器的姿态控制和飞行安全具有重要意义。针对中国科学院上海光学精密机械研究所自行研制的可搭载于临近空间飞行器的直接探测多普勒激光测风雷达(DWL)原理样机,介绍了其工作原理、系统结构,并给出了相关的技术参数。对该DWL原理样机进行了地面自测试实验,并将反演结果与相干探测激光测风雷达(CDL)和探空气球的测量结果进行了对比。结果显示:该DWL原理样机反演的近地面的风速风向结果与CDL和探空气球的测量结果具有良好的一致性。在0.3~1.1 km的高度范围内,以CDL的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差(RMSE)为1.38 m/s,风向均方根误差为9°;在0~3 km的高度范围内,以探空气球的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差不大于2.1 m/s,风向均方根误差不大于10°。
遥感 激光测风雷达 多普勒频移 风场探测 数据对比
针对实际应用中轨面伤损检测系统检测速度较慢的问题, 在保证检测精度的前提下, 结合轨面图像特点及软件工程的思想, 提出了面向算法、编程技术和存储介质3个层面的优化方法。算法优化通过重新设计算法流程, 合理取舍步骤, 实现算法到CPU的高效映射; 编程技术优化使用多线程编程, 通过并行运算充分利用处理器的多核优势; 存储介质优化通过使用读写快、质量轻、能耗低、体积小的固态硬盘进行图像读写, 有效地提升了硬件效率。实验结果表明, 优化后平均每幅轨面图像检测耗时由17.94 ms降低到仅8.33 ms, 速度提升了53.57%, 在分辨率为1 mm的精度下换算成车速约为207 km/h, 可以满足铁路轨面伤损在线检测需求。
轨面伤损检测 软件优化 算法优化 多线程编程 固态硬盘 在线检测 rail surface defects detection software optimization algorithm optimization multi-thread programme solid state drives online detection
