与传统的仅能生成光轴方向的球形聚焦光斑不同，本文提出了一种在4Pi聚焦系统中通过反聚焦偶极子天线辐射场产生具有规定空间方向和间距的球形聚焦光斑的方法。该方法是将规定好长度和极化方向的空间偶极子天线置于4Pi聚集系统的焦点处，通过逆问题解析求解出生成球形聚焦光斑的物镜瞳孔面上的输入场。然后使用瞳孔面处的场，并选择合适的偶极子天线长度，就能获得球形聚焦光斑。数值结果表明，创建的球形聚焦光斑的空间方向与设置的偶极子天线的极化方向一致，球形聚焦光斑之间的距离也等于偶极子天线的长度。本文提出的方法比传统方法更灵活，可以创建具有规定空间位置的球形聚焦光斑，这对空间任意位置捕获纳米粒子具有很大的应用价值。
物理光学 球形聚焦光斑 偶极子天线 4Pi聚焦系统 光学学报
2024, 44(10): 1026033
强激光与粒子束
2024, 36(2): 025012
贵州大学大数据与信息工程学院, 贵州贵阳 550025
介绍并分析了一种新型的电介质基底, 旨在提升微波加热的温度分布均匀性。该基底为非轴对称结构, 由 FR-4环氧玻璃纤维板与氧化铝制成, 其几何参数的选定是以降低球形介质样品的平均温升变异系数为目的。为探究电介质基底对微波加热均匀性的影响, 采用球形马铃薯为研究对象, 利用 COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件模拟微波加热过程, 并计算马铃薯的平均温升变异系数。仿真结果表明: 相比于不加载基底直接加热, 加载电介质基底加热的马铃薯样品的平均温升变异系数降低了 40%以上。最后, 进行实验测试验证计算的有效性, 实验结果表明: 实验测试与仿真计算结果一致, 温度上升曲线吻合较好, 使用该电介质基底可以有效改善微波加热的均匀性。
微波加热 球形介质 非对称结构 多物理场仿真 加热均匀性 microwave heating spherical medium asymmetric structure multi-physics field simulation heating uniformity 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(11): 1342
中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
该文仿真设计了一种高频压电复合材料球形换能器, 利用COMSOL软件建立了有限元模型, 计算了换能器的声辐射特性, 分析了不同压电陶瓷材料、不同基元尺寸对换能器声辐射特性的影响。仿真分析结果表明, 球形高频换能器具有高频、宽带及可全向辐射声波等特性, 能广泛应用于水声探测与成像发射换能器及其阵列。
压电复合陶瓷材料 球形 全向 高频换能器 piezoelectric composite ceramic materials spherical sharp omnidirectional radiation high frequency transducer
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
采用OPAC (Optical Properties of Aerosols and Clouds) 模型提供的沙尘粒子谱分布和复折射率参数，结合多个入射波长，对群体沙尘气溶胶粒子的退偏振比进行了数值模拟计算。计算获得1064 nm、532 nm和355 nm入射波长下，不同轴比超椭球模型的沙尘气溶胶粒子群体的退偏振比分别为0.317，0.397和0.446，其中1064 nm波长的仿真结果与实际观测结果一致性最好，其次是532 nm波长的仿真结果，355 nm波长的仿真结果和实际观测结果有较大差异，其可能原因为采用了相同数目偶极子导致计算误差增大。本仿真研究中建立的非球形粒子散射模型和数值计算方法，为深入理解沙尘气溶胶光散射特性和研制多波长偏振激光雷达提供了理论基础。同时，多波长偏振探测也为气溶胶混合态和污染型气溶胶生成机理研究提供了重要的技术手段。
非球形粒子 超椭球模型 沙尘气溶胶 多波长 退偏振比 non-spherical particle super-ellipsoid model dust aerosol multi-wavelength depolarization ratio 大气与环境光学学报
2023, 18(5): 458
1 湖南理工学院物理与电子科学学院，湖南 岳阳 414006
2 湖南理工学院信息光子学与空间光通信湖南省重点实验室，湖南 岳阳 414006
3 湖南理工学院化学化工学院，湖南 岳阳 414006
4 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
偏振光衍射成像技术可以提供丰富的与细胞结构及组成成分相关的信息，在生物细胞无损检测领域具有重要的研究和应用价值。本文对酵母菌结构特征参数与其偏振衍射特征之间的定量关系进行了深入分析，分析结果表明：酵母菌单体短轴尺寸与偏振衍射条纹空间频率之间存在定量关系，基于偏振衍射实验测量图像可以实现酵母菌单体短轴尺寸分布的快速统计，并且酵母菌单体长短轴之比与退偏系数之间成高斯线性相关（R2=0.9986）。此外，结合偏振衍射图像纹理特征与支持向量机聚类模型可以实现酵母菌发芽率的快速统计，准确率为98.1%。利用多元线性回归模型可以预测出酵母菌母体和芽体的短轴比，模型调整后的决定系数为0.86。本研究结果可为基于偏振衍射特征的细胞结构参数反演研究提供借鉴。
生物光学 非球形生物细胞 偏振光散射 衍射成像 定量分析 中国激光
2023, 50(21): 2107110
1 武汉科技大学机械自动化学院冶金装备及其控制省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430081
2 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081
3 武汉科技大学精密制造研究院，湖北 武汉 430081
4 江苏健龙岸电科技有限公司，江苏 宜兴 214200
圆球形辅助靶标的单目视觉测量系统中，光轴和球心不共线会使二维椭圆图像中心与实际球心成像坐标产生偏差，针对此，提出一种单目视觉的球形靶标球心成像坐标求解方法。首先，对单目成像系统进行标定，分析球心成像坐标与对应二维椭圆图像中心之间偏差影响因素，建立单目球心成像坐标求解模型。其次，采用改进Zernike矩方法实现对椭圆图像边缘亚像素的提取，仿真实验表明其椭圆中心定位精度提高了25.00%以上。最后，设计单目测量球形靶标距离实验方案，对不同间隔的球形靶标进行实验验证，结果表明所提方法求解的球形靶标移动距离与实际值的最大绝对偏差小于0.039 mm，满足单目视觉机器人系统目标定位精度、稳定性的要求。
视觉测量 球形靶标 球心定位 Zernike矩 机器视觉 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1211005
华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用，但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法，限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法，设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法，可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型，通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明，与传统的正则化Tikhonov算法相比，所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明，仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。
散射 多角度动态光散射 颗粒系粒径分布 广义回归神经网络 非球形颗粒分析
特种光纤与光接入网重点实验室，特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海大学通信与信息工程学院，上海 200444
柑橘是我国总种植面积最大的水果，改进其品质筛选方法能够降低劳动成本并有效提升产业经济收益。本文利用蒙特卡罗法对柑橘的近红外光检测进行模拟仿真，根据柑橘三层结构建立了具有不同吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子的三层球形光学模型。同时，综合考虑光子入射轨迹、曲面边界对光子运动轨迹的影响以及收集的反馈信息，搭建了柑橘品质近红外检测的仿真系统，并设计了一种收发一体的多功能光纤探测器。结果表明，所设计的光纤探测器可以实现对果肉层光子的选择性探测，有效提高了柑橘内部品质信息的检测灵敏度。
光纤光学 光纤探头 蒙特卡罗模拟 柑橘无损检测 近红外光谱技术 球形模型 中国激光
2023, 50(10): 1005001
1 武汉理工大学资源与环境工程学院, 武汉 430070
2 矿物资源加工与环境湖北省重点实验室, 武汉 430070
3 武汉理工大学材料科学与工程学院, 武汉 430070
4 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
为了提高石墨固废利用率, 本文以石墨开采废石为细骨料, 添加球形石墨尾料以及不同质量分数的废石石粉进行电热板材配方试验, 探究了石墨开采废石取代量、石粉掺量对电热板材性能的影响。结果表明: 在100%(质量分数)使用石墨开采废石作为细骨料时, 养护28 d的水泥板材抗折强度及抗压强度分别达到11.09 MPa和50.90 MPa, 虽然略低于使用标准砂的水泥板材的强度指标, 但是仍可满足相关要求, 说明石墨开采废石可以作为细骨料使用; 在废石石粉掺量为7%(质量分数)时, 电热板材的抗折强度和抗压强度最高分别达到6.21 MPa和33.00 MPa, 虽然强度有所降低, 但是仍可满足低强度板材的要求; 在球形石墨尾料掺量为9%(质量分数)时, 电热板材体积电阻率为1.94 Ω·m, 发热温度为71 ℃, 具有良好的电热效果。
石墨固废 电热板材 球形石墨尾料 力学性能 电学性能 体积电阻率 graphite solid waste electrothermal plate spherical graphite tailing mechanical property electrical performance volume resistivity
