同轴吹气结构辅助吹气对飞秒激光深孔加工效率有着重要影响, 但在加工过程中存在排渣效果较差等情况。为了提升排渣能力, 采用ANSYS CFD软件分别仿真了同轴吹气、旁轴吹气以及双路吹气的流场分布, 并设计双路辅助吹气实验平台, 进行了理论分析和实验验证, 取得了微孔内部及周围的动态流场和流速矢量分布, 以及同轴、旁轴和双路吹气结构辅助下微孔加工后孔口形貌。结果表明, 双路辅助吹气不但可以提升加工效率, 同时也有助于工件表面洁净度的提升, 对飞秒激光高效深孔加工的实现有着重要意义。

机载激光测深技术因其灵活性好、速度快和测量精度高的特点, 逐渐取代了传统测量水深的方法, 并且在河道、近海海域的水深测量以及水下地形地貌的测绘等方面发挥着重要的作用。对机载激光测深技术进行了介绍, 阐述了机载激光测深系统的工作原理及其信号处理的两种主要方法, 分别对这两种方法进行了归纳并总结了其最新的应用研究, 归纳了我国机载激光测深的关键研究技术, 最后对其未来发展方向进行了展望, 并说明了今后对回波信号将采用的数据处理方法。

为了对电力场所SF6气体浓度进行有效监测, 采用光声光谱气体检测技术, 基于波长可调谐CO2激光器, 设计了一套大气环境下的SF6痕量气体检测系统, 并提出一种差分光声光谱技术以提升光声系统的检测灵敏度。结果表明,所设计的SF6气体检测光声系统的共振中心频率为1066Hz, 品质因数为32.04, 光声池常数为89.74Pa·m·W-1; 利用单谱线光声法, 在激光谱线10P12处检测SF6气体的灵敏度为0.06×10-6(体积分数); 采用差分光声光谱气体技术后, 在激光谱线10P12和10P16处3W强度调制光的照射下, 光声系统的灵敏度提升到0.02×10-6(体积分数)。差分光声光谱技术能有效降低噪声影响, 提升光声检测系统的灵敏度, 具有一定的实用价值。

为了提高材料的熔覆层性能, 采用图像处理技术对激光熔池温度场进行了检测。利用彩色CCD工业相机采集图像数据, 运用中值滤波方法去除图像噪声; 处理后的图像数据经过高精度HG-2标准高温黑体炉标定后得到温度拟合公式。通过图像处理将原始图像转化为伪彩色图像, 能够较好地反映熔池各个区域的温度分布及变化规律。结果表明, 通过拟合公式计算得到的温度与实际温度最大误差为1.23%。检测精度满足现场需求, 实现了对熔池的温度检测。

为了在激光熔覆再制造过程中得到更优的激光熔覆顺序选择决策方法, 采用有限元法对平面基材多道激光熔覆传热学模型的温度场瞬态解进行了理论分析, 并利用基于热电偶的测温系统验证了整个数值模拟过程的可靠性。提出了一种评估选择法, 即利用数值模拟来分析和评估基体瞬态温度场, 根据评估准则选择熔覆过程激光扫描顺序的轨迹优化方法。结果表明, 取得单向逐次和评估选择样件的实验硬度数据分别为625.38HV, 620.58HV, 623.34HV, 680.09HV, 673.58HV和683.01HV, 变形均值为0.9722mm和0.6458mm; 评估选择法有最均匀的温度场, 熔池周围有最大的温度梯度, 其能产生较大的熔覆层硬度及较小的组织尺度, 同时测量变形较小。该方法为激光熔覆的顺序选择提供了重要的参考价值。

为了研究射频强度调制激光信号光源的参量, 特别是调制深度对调制波的抗干扰能力产生的影响, 采用干涉法对射频强度调制激光信号在通过大气湍流干扰后其相位的变化进行了理论分析和实验验证。搭建了Mach-Zehnder干涉仪, 参加干涉的两束光分别为未经调制的单频光和调制后的双频光。以干涉条纹对比度作为信号相位起伏的衡量标准, 比较不同大气湍流干扰条件下, 干涉条纹的对比度随调制深度的变化。大气湍流由空间光调制器模拟产生, 分别在26.32%,42.04%,67.59%和85.04% 4种调制深度下, 比较有无大气湍流时干涉条纹的对比度的变化。结果表明, 调制信号的调制度越深, 其抗大气湍流干扰的能力越强。该结论对双频激光雷达光源的选择具有一定的参考意义。

为了优化器件的结构参量, 把光栅结构的周期、高度、占空比作为优化的粒子, 采用粒子群优化算法和严格耦合波分析算法, 对粒子群中粒子的适应值进行了比较, 对金属-介质光栅滤光片结构进行了理论分析和仿真优化, 在一定范围内找到最优参量。结果表明, 根据MATLAB仿真结果进行优化, 得到周期为0.300μm, 金属光栅厚度为0.035μm, 介质光栅厚度为0.400μm, 光栅占空比为0.77; 在TM光垂直入射时, 该结构对波长为0.65μm的红光透射率达到80.27%, 旁带透射效率不超过15%; 该结构实现了特定波长光的高效透射, 从而实现了滤光。该结构为亚波长光栅的设计、制备研究和实际应用提供了参考。

为了实现陶瓷基体表面无钯化学镀镍, 以10g/L NiSO4·6H2O和45g/L NaH2PO2的混合溶液为活化液涂覆于基体表面, 利用激光扫描后使基体活化, 再进行化学镀镍。研究了激光功率、光斑直径以及扫描速率对镀层覆盖率的影响, 通过扫描电镜观察了粗化、活化以及施镀后的微观形貌, 并对活化及施镀后的基体表面进行了成分分析, 对镀层结合性、导电性以及可焊性进行了检测。结果表明, 当以激光功率为3W、光斑直径为2mm、扫描速率为5mm/s对基体进行扫描时, 基体表面生成一层平均直径为0.1μm的Ni微粒; 施镀后, 镀层覆盖率为100%; 镀层微观表面平滑、致密, 晶胞直径均在10μm以上; 镀层中P的质量分数为0.0771, 为非晶态结构, 具有良好的耐磨性和耐腐蚀性能; 镀层具有较强的结合性和良好的可焊性, 电阻率为7.67×10-5Ω·cm, 为良导体。该工艺成本低、无污染, 能实现陶瓷基体表面局部化学镀镍, 通过对激光的运动控制, 能够使基体表面沉积各种精细图形, 具有一定的实用价值。

为了选择设计红外预警卫星的最优探测谱段范围, 采用一种基于目标与背景对比度确定探测谱段的方法, 在综合考虑目标、背景及探测方向等因素、结合探测器参量的前提下, 分别对类HTV-2飞行器在不同工况、不同观测角度和不同波长范围内的辐射强度、多种地球/大气背景辐射及不同情况下的目标背景对比度进行了理论分析和仿真。结果表明, 针对类HTV-2飞行器, 正俯视观测时, 在30km高度、马赫数Ma=7和50km高度、马赫数Ma=17两种工况下, 任一背景下, 目标与背景对比度在2.65μm～2.85μm谱段处都较大。该结果对探测这一类目标时的谱段选取具有重要参考价值。

为了测量分布反馈(DFB)单模半导体激光器线宽, 采用一种新颖的基于马赫-曾德尔干涉结构的光纤自外差测量方案, 设计了一套全光纤延时自外差法测量系统, 并进行了理论分析。在此基础上搭建了延时光纤长度分别为900m,3000m和6000m的窄带线宽测量系统, 对实验室一台中心波长为1550nm、标称线宽值为800kHz的DFB单模半导体激光器光源进行了测试, 测得激光器线宽值分别为951.566kHz,832.471kHz和802.221kHz, 并对所设计的方案进行了模拟仿真验证。结果表明, 与模拟仿真结果作对比, 延时光纤长度为6000m时的窄带线宽测量系统最优, 其误差在3%之内, 证明了所用自外差干涉原理的合理性和准确性。全光纤移频延时自外差法对测量DFB激光器线宽具有优越性和重要的实用价值。

为了进一步提升光纤激光器的输出功率, 采用大模场面积掺铥光纤来抑制非线性效应, 利用非均匀布喇格掺铥光纤结构, 通过优化参量, 在满足单模传输条件下获得模场面积为719μm2的大模场面积光纤。基于此光纤建立了793nm波长抽运下大模场掺铥光纤放大器理论模型。由于大模场面积光纤能降低光功率密度, 抑制Stokes光功率, 因此该种光纤放大器在高抽运功率下相比普通单模光纤放大器能够得到更大的输出功率。结果表明, 当抽运光功率为100W时, 所设计大模场面积光纤与普通单模光纤相比, 转换效率提高5%, 达到40%, 输出功率达到41.01W。以上研究对于实际掺铥光纤放大器的设计有重要应用价值。

为了解决目前室内定位算法精度不高等问题, 设计了一套兼顾照明与定位的可见光室内定位装置。首先按照国际照度标准对室内光源进行了布局, 然后设计了强度调制/直接检测的可见光收发系统和以STM32为核心处理器的室内定位系统平台, 最后采用多点标定相对定位方法, 实现了目标点坐标及区域的标定。结果表明, 在满足照明的条件下, 测量误差低于10cm, 部分定位区域的测量误差为3cm,甚至0cm; 误差分辨率为0.1cm, 相对误差小于10cm。该研究为目前室内定位技术提供了一种方案。

为了研究双频Nd∶YVO4微片激光器的功率均衡机制, 利用实验研究分析了微片激光器的抽运电流、工作温度和谐振波长等参量之间关系。不断增大双频激光器抽运电流, 通过降低晶体温度不断重新实现双频激光功率的均衡, 最终获得了不同抽运电流下的双频激光器的功率均衡温度, 以及双频功率积与抽运电流的关系数据。结果表明, 双频激光信号功率均衡温度与抽运电流呈分段负相关, 双频功率积与抽运电流呈正相关。此结果说明通过改变抽运电流和温控温度可以实现功率可调的功率均衡的双频激光信号输出。

为了提高干涉加密技术的光学处理速度和光学实现的可行性, 基于干涉原理的加密技术的思想, 结合光栅滤波器的图像处理方法, 研究了基于光栅滤波器的4f系统双图像光学加密技术。该技术利用已成熟的基于光栅滤波的图像相加减4f系统, 将两个待加密图像转化为两个实值的白噪声, 理论模拟验证了该方法的可行性和有效性。结果表明, 该方法简单实用, 易于光学实现并具有很高的安全性。

为了改善全光逻辑门的相位差特性, 对全光逻辑异或门的相位差进行了研究。采用细化分段模型对量子点半导体光放大器的动态过程进行建模, 利用牛顿法和4阶龙格-库塔法求解三能级跃迁速率方程以及光场传输方程, 实现了基于量子点半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪结构的全光逻辑异或门; 研究了有源区长度、最大模式增益、输入抽运光功率以及输入抽运光脉冲宽度对通过干涉仪两臂探测光相位差的影响,同时讨论了探测光的相位差与输出光功率的关系。结果表明, 增大有源区长度、最大模式增益以及输入抽运光功率, 均能使探测光相位差增大; 随着抽运光脉冲宽度增大, 探测光相位差先增大而后趋于平缓, 之后不断减小; 有源区长度为2.0mm、最大模式增益为3000m-1、输入抽运光功率为5dBm、抽运光脉冲宽度为1.0ps时, 最大相位差增加至0.3277π; 随着探测光相位差增大, 输出光功率增大;通过优化参量可以增大探测光的相位差, 而输出光功率会随着探测光相位差的增大而增大。该研究为提高转换信号质量提供了参考。

为了降低卷积神经网络计算的复杂度, 改善特征提取过程中的过拟合现象, 解决经典网络模型不能有效处理大尺寸图片的问题, 采用了加权联合降维的特征融合与分类识别算法, 根据两特征的识别贡献率对主成分分析法(PCA)降维处理和随机投影(RP)处理结果进行加权融合, 然后将结果提供给卷积神经网络进行处理,提取图像分类的高层特征, 使用欧氏距离分类器对识别对象进行分类, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 经过加权联合降维对数据进行预处理, PCA矩阵与RP降维矩阵之比重达到6∶4, 识别率高达96%以上。该算法有效提高了准确率, 使大尺寸图片在深度学习网络中有良好的识别效果, 改善了网络的适应性。

黄光激光作为激光研究领域的一大热点, 取得了丰硕的研究成果及广泛的应用。随着可同时作为激光晶体和喇曼晶体的自喇曼晶体的发展, 逐渐掀起了自喇曼黄光激光器的研究热潮。总结归纳了近10年来固体自喇曼黄光激光器的研究进展。按激光器的工作方式将其分成连续式和脉冲式激光器, 通过分类比较不同工作方式的激光器各自的优缺点, 明确了自喇曼黄光激光器今后的研究趋势是多方法并用。结构紧凑、低阈值等特点使其在生物医疗领域拥有巨大的应用潜力。以后的研究重点更偏向于高转换率、高稳定性、低成本及小型化。该研究报告为后续研究方向提供了参考。

超颖表面是一种基于亚波长结构的光学平板膜层,可在亚波长传输范围内调控入射光束的相位、振幅和偏振。为了代替传统的曲面光学元件, 采用传输相位调控理论和广义折反射定律, 设计了一种新型的超颖表面, 并进行了程序模拟, 取得了此亚波长结构对光束聚焦调控的数据。结果表明, 当增加超颖表面的椭圆基元的长短轴长度时, 材料的等效折射率增加, 并且适用的波长范围增加到0.7μm~1.2μm; 通过优化超表面结构参量, 可实现在宽波带范围内的相位调控, 进而获得聚焦光场的优化, 在一定程度上可以代替传统光学元件实现光学聚焦。该研究结果在超分辨率成像及光刻等方面有一定参考价值, 在一些特殊的需要亚波长结构调控光束的情况下可以使光路简单化, 并且比传统的光学元件有着厚度方面的优势。

为了提高野外复杂环境下无人机回收的回收精度及回收成功率, 采用了基于激光末端引导体制的无人机精确回收方法, 对激光末端引导精确回收无人机系统的工作原理及流程进行了理论分析和验证, 取得了无人机引导距离段与激光引导光场辐射场以及无人机偏航角度信息与系统精确回收之间的数据关系。结果表明, 在距离着落点1km～2km的粗引导距离段, 保持恒定40m的激光引导光场辐射场, 可以使无人机快速进入激光辐射场调整偏航角度信息, 提高回收的可靠性; 在中间距离段, 激光辐射场与着落距离按线性关系变化, 有利于粗引导转入精确引导阶段; 在距离着落点500m以内的精确引导距离段, 保持20m的激光引导光场辐射场, 可以提高无人机系统的回收精度。将该方案应用到无人机的回收系统中, 可以显著提高无人机在复杂环境下的回收精度。

高光谱图像的空间分辨率较低, 导致大量混合像元存在于高光谱图像中。混合像元的存在是使高光谱图像目标分类准确率降低的主要原因之一。高光谱像元解混在高光谱遥感图像处理中具有非常重要的意义。高光谱像元解混主要分为线性和非线性光谱解混两种方法,研究最广泛的是线性光谱解混。归纳了线性光谱解混的两个步骤: (1)提取纯净像元中地物的光谱信号, 即提取端元,这是关键步骤; (2)利用端元的加权线性组合对混合像元进行光谱解混, 即丰度反演。简述了端元提取及丰度反演研究的主要进展,介绍了端元提取的几种典型算法。通过归纳、对比和分析, 总结了不同端元提取方法的特点, 并对高光谱解混的研究前景进行了展望。

为了降低光传送网传输过程中产生的偏振模色散对传输信号质量的影响, 采用将光环形器置于光传送网光放大器前端的方法, 对光传送网通信传输中的偏振模色散效果进行了仿真。经过偏振模色散抑制后, 传输眼图具有更加明显的张开状态, 系统的传输性能有一定的提高, 在一定程度上抑制了光传送网中存在的偏振模色散, 有效改善了信号的质量。结果表明, 从添加光环形器前后补偿偏振模色散的误比特率计算结果发现, 误比特率的效率提高了约1倍, 光环形器对光传送网通信的偏振模色散现象具有显著的抑制效果。该方案对不同传输速度的偏振态光信号延迟进行等效补偿, 最终实现补偿偏振模色散的效果。

为了在TE波下获得可调谐的吸收频谱, 设计了一款基于等离子体超材料的吸波器。采用全波仿真方法对该吸波器的吸收率和表面电流图进行了计算, 并探讨了结构参量c, v和入射角度θ对吸收率的影响。结果表明, 通过激励不同的等离子体谐振区域不但可以改善其吸收特性, 而且还能获得可调谐的吸收频谱; 改变结构参量c和v可以在实现拓展吸收带宽的同时, 使得吸收频域也发生移动; 改变入射角度θ的大小对吸收率的影响不大。该吸波器具有很好的角度稳定性。

为了研究空气中杂质颗粒对光传输的影响, 采用有限元法分析了有多个杂质微粒同时存在的情况下, 颗粒物连接处的光强分布情况, 取得了不同颗粒物之间的强度差异数据, 并给出了一种解决复杂多杂质微粒存在情况下的通用解决方案。结果表明, 对于球体颗粒物杂质, 当同时有两个杂质微粒存在时, 穿过杂质的微粒呈现出从低到高的趋势, 在杂质微粒互相接触的区域光强达到最大值;对于立方体杂质微粒, 光强分布呈现出较强的波动特性, 且光强强度比球体杂质微粒的光强强度在数量级上多了100倍。该研究模型可移植性强, 能推广应用到多个领域,这一结果对后续开展光在气体中传播的理论是有帮助的。

为了实现高灵敏的表面等离子体共振(SPR)折射率传感, 提出一种基于大纤芯的单芯光子晶体光纤SPR传感结构, 采用全矢量有限元方法对其传感特性进行了数值仿真和分析。结果表明, 该结构具有比较宽的折射率传感范围(1.36~1.55), 同时具有较高的传感灵敏度, 平均传感灵敏度达12139nm/RIU; 在折射率1.36~1.42区域, 线性传感灵敏度为5646.4nm/RIU, 线性度为0.9317; 而在折射率1.42~1.57区域, 传感灵敏度达到15326.8nm/RIU, 线性度为0.98738, 传感特性出现明显的线性分段情况。该研究结果为实现高灵敏的光子晶体光纤SPR传感器提供了重要的理论依据。

红外成像系统设计中, 一般采用宽动态的采集电路以获得丰富的细节信息, 当前大部分的显示设备都只有8位, 所以将宽动态图像压缩成低动态图像同时保持尽可能多的信息成为重点。研究了当前主流的宽动态红外图像处理算法, 分析了映射、图像分层和梯度域3类算法的优缺点, 实现了3类算法中的经典算法,并用同一张红外图片进行对比分析, 提出了各类算法的改进意见。图像分层算法要在抑制光晕和梯度反转的情况下降低时间复杂度; 梯度域算法需在进一步提高细节信息的情况下抑制背景噪声。