1 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016
2 中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169
3 中国科学院大学，北京 100049
为了改善水导激光制备单晶镍合金微孔的表面形貌，降低微孔锥度，采用控制变量法研究了在单步螺旋打孔方法下，激光单脉冲能量、扫描速度、进给次数和扫描圈数对微孔表面形貌及锥度的影响规律。提出了多步螺旋打孔方法，并在优选加工参数组合下与单步螺旋打孔方法进行了比较。结果表明，增加单脉冲能量和降低扫描速度可以改善微孔表面形貌，减小微孔锥度。随着进给次数的增多，微孔表面形貌逐渐变好，微孔锥度先减小后饱和。随着扫描圈数的增多，微孔表面形貌逐渐变差，微孔锥度先增大后减小。采用多步螺旋打孔方法加工的微孔锥度仅为0.29°，比单步螺旋打孔方法降低了70%，且尺寸偏差和圆度都控制在20 μm以内。
激光技术 水导激光 螺旋打孔 高温合金 表面形貌 锥度 中国激光
2024, 51(16): 1602404
北京工业大学信息学部光电子技术教育部重点实验室，北京 100124
GaAs基垂直腔面发射激光器在干法刻蚀过程中，台面侧壁形成的缺陷会导致器件出现层结构分层、断裂以及氧化孔不规则等问题。针对该问题，提出了一种干法刻蚀与硫化铵钝化相结合的氧化前预处理方案，研究了硫化铵钝化处理对器件层结构以及氧化工艺稳定性的影响。扫描电子显微镜测试结果表明：器件侧壁层结构的分层现象减少，器件结构稳定性更好；高 Al 层的氧化速率更稳定，氧化孔形状更为规则。将该工艺方案用于制备氧化孔直径为5 μm的940 nm垂直腔面发射激光器，室温下，与传统工艺制备的器件相比，钝化后的器件的斜率效率提高了5%，各器件之间的性能一致性更好。同时，在1 mA的驱动电流下，激光器的边模抑制比可达36 dB，处于单模激射状态。在优化后的氧化工艺条件下，制备了形状规范的氧化孔结构，进一步改善了氧化限制型垂直腔面发射激光器的性能。
激光器 垂直腔面发射激光器 氧化孔 湿法氧化 钝化 干法刻蚀
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230567
1 天津大学机械工程学院，天津 300072
2 天津大学机械工程学院机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津 300072
3 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室，北京 100084
4 清华大学精密/超精密制造装备与控制北京市重点实验室，北京 100084
激光电解复合加工是将激光加工与电化学加工相结合的复合加工方法，可用于加工硬质导电材料，具有加快电化学溶解速率、避免重铸层和提高表面质量等优势。笔者提出了一种管电极耦合激光电解复合加工工艺，利用设计的管电极实现了激光能量与电化学能量在管电极内部的同轴传导以及在加工间隙处的可控耦合，所提工艺适用于高品质超大深径比小孔的加工。基于激光与电化学能量在加工间隙处的可控调节，提出了以激光加工为主导和以电化学加工为主导的耦合作用机制。通过分析激光辐照区温升对电解质电导率、电流密度、液相传质和电化学溶解速率的影响，以及电解产生的气泡和杂质等对激光能量的影响，建立了激光电解复合加工的材料去除模型，并进行了初步的激光电解复合加工仿真分析与实验研究。
激光技术 电解加工 理论模型 耦合机制 高深径比 深孔 中国激光
2024, 51(16): 1602402
1 深圳技术大学 工程物理学院，广东 深圳 518118
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
利用时域有限差分算法（FDTD）对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟，探究微纳结构靶中的光传输机制，分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果，对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性，分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明，通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔（线）阵列结构靶中孔洞（纳米线）直径和间距等结构参数，可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制，实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布，或是以一种稳定形态传输；激光在铜纳米孔阵列中传输时，透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果，对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性，给出物理图像及对应现象规律，根据光场调控需求，给出微纳结构靶设计。
纳米孔阵列结构靶 纳米线阵列结构靶 氧化铝 二氧化硅 铜 光场分布 nanopore array target nanowaire array target Al2O3 SiO2 Cu optical distribution 强激光与粒子束
2024, 36(3): 031002
1 福州大学 物理与信息工程学院， 平板显示技术国家和地方联合工程实验室， 福建 福州 350108
2 中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室）， 福建 福州 350108
量子点（Quantum dots）由于具有优异的光电特性，广泛应用于发光与显示、太阳能电池、光催化等领域，它的发现和合成获得了2023年诺贝尔化学奖。采用量子点色转换的Micro?LED全彩化显示技术无需巨量转移，有望实现大规模量产，然而，量子点在高强度Micro?LED出光激发下的性能和寿命仍存在局限。基于此，本文研究了基于量子点@有序介孔（QDs@SBA?15）复合材料的Micro?LED色转换技术及其特性，有序介孔分子筛载体独特的孔道结构不仅能够有效提升Micro?LED色转换和光提取效率，且致密的有序介孔材料也一定程度上保障了量子点的稳定性。首先，通过时域有限差分方法（FDTD）建立了Micro?LED仿真模型，探究量子点粒径和有序介孔材料的孔径对光提取效率的影响；基于仿真结果指导，进一步采用物理共混法制备了QDs@SBA?15复合材料，通过透射光谱、荧光激发光谱、紫外?可见光吸收谱等手段对其进行表征并确定浓度配比；最后，将该复合材料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合固化成膜，并研究了其光致发光性能。实验结果发现，量子点粒径和介孔材料孔径的匹配度以及量子点和有序介孔材料的比例浓度是影响QDs@SBA?15复合材料发光效率及Micro?LED色转换性能的关键因素；通过优化，所得复合材料可获得优异的发光性能以及良好的环境稳定性，相比于纯量子点色转换层，复合材料的光提取效率提升了81.73%，复合材料的环境稳定性提升了14.33%，以Micro?LED作为蓝光光源组成的三基色发光器件工作色域达到了104.52% NTSC。本研究为量子点色转换Micro?LED显示技术提供了理论指导，为实现Micro?LED全彩化开辟了新路径。
量子点 有序介孔材料 色转换 Micro-LED quantum dots ordered mesoporous materials color conversion Micro-LED
1 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室，河北 秦皇岛 066004
激光诱导荧光（LIF）技术是一种主动式的遥感光学探测技术。土壤是常见的天然多孔介质，与石油混合后油滴会进入其孔隙内部，其独特的结构可以使光线发生多次反射和吸收，这种现象导致LIF探测土壤石油污染物获得的荧光分布具有差异性。笔者根据土壤含油量的多少以及分布特点，将土壤石油污染物分为油泥与含油土壤，基于蒙特卡罗方法和多孔介质的隐函数表示法，分别建立油泥和含油土壤的荧光仿真模型，采用荧光转换效率（接收荧光功率与发射激光功率的比值）表征荧光强度，从不同出射方向分析发射出土壤的荧光分布情况。通过模拟不同油品污染的油泥和含油土壤在不同入射天顶角、孔隙率、孔隙密度下的荧光转换效率，分析不同油品、LIF系统参数和土壤因素对荧光分布的影响。仿真结果表明：对于同种石油污染的油泥和含油土壤，油泥因较高的含油量导致荧光信号强于含油土壤；当激光垂直入射时，LIF系统收集的荧光信号强度最高，入射角度增大会导致荧光信号强度逐渐减弱；土壤石油污染物的荧光强度会随着孔隙率的增大而增大，随着孔隙密度的增大而减小；在激光照射下，轻质原油污染的土壤由于吸收系数较低，产生的荧光信号要弱于重质石油污染的土壤。本研究为LIF探测陆地溢油污染提供了理论和技术支持。
光谱学 激光诱导荧光 蒙特卡罗 多孔介质 土壤石油污染物 荧光仿真
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081
消除拼接主镜式望远镜的分块子镜间的共相位倾斜（tip-tilt）误差是有效提升集光能力、实现共相位成像的关键之一。提出了一种基于相位传递函数（PTF）的分块子镜的tip-tilt高精度检测方法。在分块镜的共轭面处设置具有离散孔结构的光阑，将其作为tip-tilt检测系统的入瞳，借助傅里叶分析，推导建立了误差检测系统的PTF与tip-tilt的函数关系，通过对探测得到的点扩散函数进行傅里叶分析，得到PTF，依据建立的函数关系即可实现tip-tilt的高精度检测。对所提方法进行了仿真分析和实验验证，检测精度的均方根（RMS）值为（为波长）。所提方法结构简单，只需要设置一个具有离散孔结构的光阑，可用于拼接式主镜、稀疏孔径系统的共相位tip-tilt误差检测。
傅里叶光学 相位传递函数 分块镜 倾斜误差 离散孔光阑 傅里叶变换
1 弱光非线性光子学教育部重点实验室，南开大学物理科学学院，泰达应用物理研究院，天津 300071
2 药物化学生物学全国重点实验室，南开大学生命科学学院，细胞应答交叉科学中心，天津 300071
3 南开大学深圳研究院，广东 深圳 518083
4 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
核孔复合物（NPC）是细胞核膜上由多种蛋白组装而成的复杂结构，在细胞核质交换和信息传递中起着关键作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）以其特异性和高成像分辨率成为研究NPC超微结构的主要方法之一。然而，由于抗体标记不完全等因素导致的数据丢失，给后续分析带来了困难。笔者使用SMLM提供的定位信息，结合基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）和层次聚类算法进行数据的提取和分类，建立了NPC筛选和定位的分析流程，并采用该处理流程得到了缺失较少且形貌比较均匀的核孔。进一步，基于最小二乘法原理对筛选得到的大量NPC进行质心对齐的重构处理，成功复现出了其经典的八重对称结构，并揭示了核孔蛋白Nup133与Nup98的精确相对位置关系。本研究通过建立核孔筛选和重构的标准流程，填补了SMLM数据的缺失。采用该流程对多种核孔蛋白进行分析，揭示它们的结构特性。所建流程为理解核孔的复杂结构提供了一种高通量的定量分析方法。
生物光学 超分辨成像 单分子定位 核孔复合物 聚类算法 重构
1 浙江大学 工程师学院，浙江杭州3005
2 中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西西安710089
3 中国科学院 福建物质结构研究所 泉州装备制造研究中心，福建泉州62100
4 浙江大学 机械工程学院，浙江杭州310058
为了实现复杂环境下航空零件孔特征的高效高精度检测，提出了一种集成视觉显著性和群决策的检测方法。在经典FT显著性检测算法中引入图像增强步骤，并为每个像素赋予以最大显著区域中心为参考的权重，使用改进后的方法对图像进行孔区域分割。设计具有多尺度多结构元素的新型数学形态学边缘检测算法，结合轮廓细化算法对孔区域进行轮廓提取。最后，利用Meanshift算法寻找轮廓点的圆心位置，建立新的基于群决策的圆半径计算模型，获得孔特征的关键几何参数。结果表明：改进的视觉显著性特征检测算法能够生成更加突显孔特征的全分辨率显著图；新型数学形态学边缘检测算法能获得简化且可靠的轮廓点；该方法在不均匀光照、各类孔缺陷和孔内壁干扰等条件下均显示出较好的稳定性；即使在噪声密度高达30%时仍能成功完成孔检测，且圆心坐标和半径的误差均小于0.012 mm；平均检测时间仅为0.236 s。该方法能够在复杂环境下对航空零件孔特征进行准确、稳定的检测。
航空零件 孔特征检测 显著性检测 数学形态学 群决策 aircraft part hole feature detection saliency detection mathematical morphology group decision making
