激光显示具有色域大、寿命长、节能、环保等优势,是新一代重要的显示技术,红光半导体激光器则是其中的核心光源。随着激光显示产业的快速发展,人们对大功率红光半导体激光器的需求也不断增加。增大器件的输出功率、提高器件的光束质量已成为行业内的研究热点。主要介绍大功率红光半导体激光器的基本原理与技术难点,总结了目前国内外用于激光显示的红光半导体激光器的研究现状与进展,并对其未来的发展方向及前景进行分析。

3 μm附近中红外激光在激光医学、生物分子学以及光电对抗等科学和技术领域具有极高的应用前景和价值。介绍了中红外激光的产生方式和各种中红外激光器的特点;结合Er ³⁺离子能级结构,重点讨论了掺铒中红外激光器主要转换过程和存在的问题;总结了不同基质掺铒中红外激光器的研究进展;展望了高效率、高功率掺铒中红外激光器需要解决的问题及可能的技术途径。

激光多普勒测风雷达利用光学多普勒效应来实现对大气风场的非接触式测量,具有空间和时间分辨率高、覆盖范围大、探测距离大等特点,适用于可移动式、地基、车载、舰载、机载、星载等多种承载平台,广泛应用于飞行安全、风力发电、气象预报、科学研究、****等领域。针对当前激光多普勒测风雷达的主要体制、技术、国内外最新研究成果及应用进行介绍和分析,对直接探测和相干探测2种测风技术进行比较,并对激光多普勒测风技术的发展趋势、研究热点和应用拓展进行简要总结。

太赫兹辐射因其具有独特的空间传输优势以及大气敏感特性,具有很大的应用潜力。总结了国内外各大研究机构近年来在太赫兹空间探测方面的研究进展,简述了大型太赫兹地基、空基、天基探测平台的结构参数、工作环境及探测结果,并对不同探测平台的研究结果进行了对比,分析了不同太赫兹遥感设备的特点,提出了太赫兹在空间探测方面的应用前景和未来的发展趋势等。太赫兹空间探测将是一个实用性很强的研究领域,可以获取光学和微波所不可探测的信息,太赫兹空间探测技术的发展将为高分辨空间遥感奠定重要的研究基础。

针对走航式海洋环境监测的需要,研究一种基于分光光度法的便携式海水亚硝氮测定仪。该亚硝氮测定仪采用发光二极管(LED)和光电二极管分别作为仪器光源和检测器,利用控制芯片构建信号调理电路模块。该模块对LED光源提供恒流驱动,并对光电二极管检测到的光强信号进行转换、处理、解算。实验结果表明该亚硝氮测定仪具有低检出限(检出限为0.014 μmol·L ^-1)、高精度、优异的线性特性(线性相关系数大于0.9996)和良好的重复性(在3天内测定的相对标准偏差β_RSD为0.25%~1.3%)。

提出一种基于蜂巢模型标记的飞机蒙皮小型损伤定位方法。利用CCD相机对损伤位置进行拍摄,对图像进行亚像素级处理,得到相应的坐标。根据调和共轭原理和交比不变性可求得实际位置,实现准确定位。以实际位置为主基点进行基点传递,利用蜂巢模型的无限性与无缝隙外扩性,实现蒙皮表面其他基点与主基点的特征对比与匹配,进而完成对飞机蒙皮破损的精确检测。对比实验的结果表明:本文方法具有精度高、耗时少等特点,能有效地实现飞机蒙皮的破损检测定位。

研制了一种基于单圈金属码盘的小型绝对式光电编码器,其采用低刻划密度单圈绝对式编码方式和基于线阵图像探测器的译码方式。为进一步提高测角分辨率,提出了基于金属码盘的亚像素级差值细分算法,并阐述了精码与粗码的衔接方法;使用金属码盘设计了小型绝对式光电编码器,并对其进行了测试。试制了光电编码器,在直径为38 mm的金属码盘上刻划了256条单圈绝对式码道;采用亚像素级细分实现了2048倍的角度细分。所设计的单圈绝对式光电编码器外径小于50 mm,分辨率达到2.47″。通过实验得到测角误差均方差为16.3″。该编码器的研制提高了小型光电编码器的抗震动和抗冲击性能,为特种编码器的研制提供了技术基础。

提出一种对图片分区域检测的特征融合目标检测算法。利用角度旋转方法对数据集进行扩增;在Single Shot MultiBox Detector(SSD)算法的基础上,采用多尺度特征融合的方法在浅层特征图中融合更深层的特征,以扩大浅层特征图的感受野,提高小目标的检测精度;当输入图片较大时,如大于1024 pixel×1024 pixel,对目标图像进行分区域检测。为了验证该算法的精度,选择VOC2007+2012通用数据集和SDCI2018管制物品数据集对所提算法的精度进行测试。结果表明:所提算法在VOC2007+2012通用数据集上的检测精度为80.3%,比SSD算法提高了1.4%;在SDCI2018管制物品数据集上的检测精度为97.9%,比SSD算法提高了2.2%。所提算法能够实时准确地检测出安检图片中的管制物品,特别是对于大图片中的小目标检测效果较好。

携带轨道角动量的涡旋光束具有螺旋相位波前,照射到旋转物体上可以产生与拓扑荷数、转速成正比的旋转多普勒频移。利用旋转多普勒效应测量目标旋转角速度。使用空间光调制器的计算全息法产生涡旋光束,利用MATLAB控制加载在空间光调制器上的计算全息图的角速度来模拟物体的旋转,用光学外差法搭建光路,采用拓扑荷数分别为6,10,20的涡旋光束对旋转目标进行测量,利用CCD探测较弱的差频信号光,基于光强积分方法并通过时间采样,对实验数据进行余弦函数拟合,得到目标旋转角速度,结果与预设的数值一致。

基于在线-离线双子周期混合调度方式和节点模块化的设计思想,提出一种支持区分服务的节能动态波长带宽分配算法。该算法综合考虑光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU )两端节能机制的相互影响以及不同类别业务的时延和带宽约束条件,利用在线子周期和离线子周期分别为加速转发业务和确保转发/尽力而为业务授权。每个子周期内通过合理选择波长信道和传输窗口,尽可能减少激活波长数,延长节点处于低功耗状态时间,减少节点状态转换次数,避免信道出现高能耗空隙,以降低全网能耗。仿真结果表明:所提算法在保证业务不同约束要求的前提下,有利于降低ONU、OLT端能耗和全网总能耗。

针对视觉跟踪中的目标形变、部分遮挡和平面外旋转等问题,提出一种基于区域预估与自适应分类的视觉跟踪算法。该方法基于跟踪-修正-检测框架,利用Mean-Shift算法进行跟踪,并使跟踪器与检测器紧密相连,利用修正模块判断跟踪器和检测器是否需要在线更新;采用Kalman滤波器对目标潜在位置区域进行预估,避免全局扫描的繁琐流程;所提出的自适应方差分类器能够动态地调整分类器参数,增强分类器的灵活性,提高跟踪稳健性。采用OTB-2013评估基准中的视频序列进行测试,并将所提算法与其他4种具有代表性的视觉跟踪算法进行对比,实验结果表明,所提算法的稳健性和准确性均优于对比算法。

提出一种基于三维激光点云数据的建筑物立面轮廓提取方法。在数据预处理的基础上,采用考虑局部点云密度的自适应建筑物立面分割方法进行建筑物立面点云分割,并将分割后的建筑物立面进行重心化和坐标转换,利用轮廓提取算法进行建筑物立面轮廓提取。分别采用模拟和实测点云数据进行实验,结果表明,该方法能够有效提取建筑物立面轮廓。

针对利用彩色图像进行车辆检测时会受到路面阴影、车辆反光和光线不足等复杂情况影响的问题,提出一种基于卷积神经网络并融合彩色与深度图像的车辆检测算法。设计单通道RG-D融合网络和双通道RGB-D融合网络两种改进模型,分别用于提高检测速度和准确度。实验使用GTA(Grand Theft Auto)车辆数据集对该算法进行测试,并与基于RGB图像的其他流行算法进行对比和分析,结果表明:与基于彩色图像的Yolo v2算法相比,利用双通道RGB-D融合网络检测的准确率和召回率分别提升5.69%和6.31%,利用单通道RG-D融合网络对单一图像的最快检测速度达到24 ms。实验证明,基于RGB-D图像的改进网络模型能够实现实时检测,并有效提高车辆检测精度。

分析视网膜血管结构的变化是诊断和检测糖尿病、高血压等血管类相关疾病的最重要步骤。为此,提出了一种基于Frangi滤波器和大津法(Otsu)的视网膜血管分割方法。基于Frangi滤波器视网膜血管分割方法先对视网膜血管进行预处理,再基于Frangi滤波器对其边缘进行检测,并根据形态学方法分割出视网膜血管。然后,利用Otsu阈值分割预处理和增强后的视网膜血管。将上述两种方法获得的分割图像进行融合,获得最终的分割结果。实验结果表明,所提算法在DRIVE和STARE数据集上的平均灵敏性分别为58.1%、78.7%,特异性分别为93.1%、96.4%,而准确性则分别为93.8%、95.8%,其算法的执行时间仅为1.8 s。与传统的无监督分割算法相比,所提算法简单高效,能够很好地抑制噪声。

针对传统的归一化指数损失(Softmax损失)函数缺乏区别特征能力,对人脸特征无法进行判别性学习的问题,提出一种聚合判别多任务学习算法。首先,利用多任务级联卷积神经网络方法对目标图像进行人脸检测和对齐,剔除与人脸识别区域无关的图像;然后,利用深层卷积神经网络提取对齐后的人脸图像特征,同时使用聚合判别多任务学习算法将提取的人脸特征向量分解为学习类内特征的向量和判别类间身份的向量,加强对类内特征的约束,提高类间特征可分离性;最终分别采用最近邻分类器和十折交叉验证法进行人脸的识别和验证。实验结果表明:该算法在LFW人脸库中的验证准确率可达99.68%,改善了人脸识别性能,且在光照、姿势、表情和年龄变化测试中具有较好的稳健性,能有效应用于人脸识别的工程实践中。

通过四元数小波变换分解立体图像的左右视图,获取不同尺度不同方向的幅值相位信息,并结合人眼视觉特性生成单目图;对左右视图和单目图作亮度去均值对比度归一化(MSCN)处理,获取MSCN系数图,采用广义高斯分布模型拟合MSCN系数和MSCN四方向邻域系数乘积,提取统计参数特征(联合峰度、偏度、标准偏差和能量),组成特征向量,通过XGBoost模型预测图像质量感知得分。结果表明,所提立体图像质量评价算法在LIVE3D图像库上优于其他方法,并且运行速度得到大幅度提高。

针对复杂海况下遥感图像舰船检测易受舰船尾迹、海杂波、油污和薄云等影响,导致检测结果可靠性较低且小目标舰船不易被检测的问题,提出一种自适应稳健背景的显著性优化舰船目标检测模型。利用顶帽算法对原图进行预处理,抑制舰船尾迹、海杂波等干扰;提出自适应超像素分割方法对稳健背景检测模型进行优化;改进基于均值信息的大津法(Otsu),确定舰船所在区域。结果表明,该方法可以在多种海况下有效检测舰船位置,具有较高的检测准确率(91.20%)、召回率(79.31%)及综合评价指标(84.00%),相比于其他显著性检测模型,该方法具有明显优势,适用于复杂海况下遥感图像小目标舰船检测。

通过对光学相干层析(OCT)系统中的噪声源进行分析,提出了一种将小波变换和分数阶积分结合的OCT图像去噪方法。先将OCT图像进行小波分解,获得不同频带的子图像。将低频近似图像保持不变,对水平、垂直和对角三个方向的高频细节图像采用三种改进的分数阶积分Tiansi模板进行滤波,最后将低频近似图像与三个分数阶积分滤波后的高频细节图像合成,得到去噪后的图像。实验结果表明;该算法在有效降低OCT图像散斑噪声的同时,尽可能地保留了图像的细节;相比经典的去噪算法和单一的分数阶积分算法,本文算法的去噪效果较好。

为解决桥梁底部裂缝检测结果受噪声影响大的问题,提出一种基于Bilateral-Frangi滤波的裂缝检测算法。常规Frangi滤波算法的物理模型与裂缝的灰度值分布具有极高的匹配度,但其预处理环节在平滑噪声的同时会去除裂缝的高频信息,即会破坏裂缝的边缘结构。针对此问题,本文优化了常规Frangi算法的物理模型,在预处理环节加入灰度值域的高斯核函数,与原有的空域高斯核函数构成Bilateral高斯核函数,实现了在保边去噪的同时增强裂缝的功能,提高了裂缝检测的准确性。实验结果显示,本文算法的误检率为0.07%,漏检率为3.31%,在对比算法中表现最出色,为高噪声图像的裂缝检测提供了一种新思路。

为了解决铝材表面激光处理无法形成高色差、高对比度的黑色图形问题,以阳极氧化5052铝合金为研究对象,选用脉冲宽度为4 ns的光纤激光器,设定扫描速度为130 mm/s,频率为300 kHz,扫描间距为0.005 mm,设定功率为27%P₀~33%P₀(P₀为激光器的额定功率),以得到高色差、高对比度的黑色图形,研究激光功率对图形对比度及微观形貌的影响,分析阳极氧化铝表面激光处理形成图形的机理。结果表明:当激光功率超过1.64 W时,激光能量达到铝材熔化阈值,材料表面开始形成图形,随着功率的增大,对比度逐渐上升;当激光功率增大到2.13~2.76 W时,铝材表面熔化与蒸发形成细裂纹的微观形貌,宏观显示为黑色,对比度达到最大;激光功率增大至3.32 W后,铝材表面完全熔化,细裂纹形貌消失,宏观显示为灰白色,对比度下降。该技术有助于激光与铝材作用机理的进一步研究,对推动物联网技术的发展具有重要意义。

制备了高品质因子的法布里-珀罗(F-P)光学微腔,结合光微流控技术,采用溶于液体的有机染料香豆素6(Cou6)、罗丹明6G(R6G)、LDS 751的混合物作为增益介质,实现了低阈值级联荧光共振能量转移(FRET)光微流激光的输出。实验采用430 nm(Cou6的最大吸收峰)脉冲光作为抽运光,利用Cou6(供体)和R6G(受体)、R6G(供体)和LDS 751(受体)之间的共振能量转移,即两级共振能量转移过程,产生了对应有机染料LDS 751发射峰的近红外光微流激光。3种染料的FRET过程极大地降低了光微流激光产生的阈值,提高了激光产生过程中的转换效率,可在单一抽运源的情况下,将激光发射波长向长波长方向扩展。

激光修正技术是一种采用高能量密度激光对齿轮表面进行微加工的新型加工方法。基于傅里叶能量吸收现象,考虑能量累积、蒸发等效应,建立纳秒脉冲激光微修正的动能量热模型,通过仿真分析了纳秒激光修正齿轮材料20CrMnTi温度场的演变规律,观察了修正表面烧蚀坑的形貌,测量了烧蚀坑的深度和拉曼光谱。实验不仅证实了动能量热模型的正确性与可行性,也为纳秒脉冲激光微修正齿轮的研究提供了理论指导。

闭环检测算法可消除视觉同时定位与建图(VSLAM)系统的累计误差,并对构建全局一致性地图有重要作用。针对现有传统闭环检测算法在视角与场景外观变化下准确率与稳健性降低,及部分基于深度学习方法特征提取与闭环识别实时性不佳的问题,设计了一种融合Gist特征与卷积自编码的闭环检测算法,将Gist特征作为卷积自编码网络重构目标,可增强模型在外观变化下的场景特征表达能力;同时通过透视变换构造视角变化训练图像对,以提升模型在视角变化下闭环检测的准确率与稳健性。所设计的模型较精简,可实现实时关键帧特征提取与闭环检测。在Gardens Point与Nordland数据集的实验结果表明,相较于传统视觉词袋模型(BoVW)、Gist算法及现有部分深度学习方法,本文算法可以达到更高的准确率和稳健性。

设计一种具有梯度相位的高透射率宽带毫米波超表面结构,该超表面结构在55~75 GHz频段内工作。该结构由2个介电层和3个金属层组成,其中间金属层为缺口矩形环,缺口矩形环的几何形状可以对相位进行0~2π范围内的调整,实现偏振转换。具有不同缺口矩形环的结构单元的透射相位差在工作频段内基本保持不变,从而保证了其宽带特性。栅格层的作用是使超表面结构具有高透射性能。所设计的透射超表面结构已成功应用于平面透镜及轨道角动量波束的超表面设计中。

为了降低探测设备或制导**对**装备的威胁,研究了可见光、远红外与多种激光(0.93,1.06,10.6 μm)兼容的隐身光子晶体薄膜的设计与优化问题。首先分析了已有的远红外与10.6 μm激光兼容的隐身光子晶体的缺陷,主要是10.6 μm激光的隐身性能随其入射角度增大而迅速降低;然后在保证远红外隐身性能的前提下,提出了通过展宽光子局域的方式来优化这一缺陷的思路。对于优化后的光子晶体薄膜,当入射角度在0°~60°内变化时,10.6 μm处的反射率始终保持在20%以下,即提高了10.6 μm激光隐身性能对入射角度的稳定性。在此结构的基础上,通过叠加准周期结构的方式来实现隐身波段向可见光与其他军用激光的拓展。得到的光子晶体薄膜具有黄、绿或蓝的特征,可以用来模拟荒漠、林地或海洋的颜色,并且其在0.93 μm和1.06 μm波长处的反射率随入射角度变化始终保持在10%以下,理论上可以大幅减小该激光的回波功率。

研究了光源附近微区的漫反射率R 与收集孔径 、约化散射系数μ'_s和散射相函数相关的参数γ之间的关系。根据不同的生物组织,选取不同的散射相函数,采用Monte Carlo 模拟方法得到了光子经生物组织后的漫反射率数据,用得到的数据来验证反射率R 与无量纲的约化散射系数μ'_s 之间的关系。结果表明:当μ'_s <2时,R 对散射相函数的变化是敏感的,且与μ'_s 呈线性关系,其斜率与γ呈二次函数关系。光源附近微区的漫反射率R 对γ的变化是敏感的,这为测量与生物组织微观结构相关的散射参数γ提供了一种较为简单的方法。

设计了一种宽带低损耗交叉杆式单平衡混频器。理论分析了单平衡混频器的三种拓扑结构,根据分析结果选择器件的架构。在射频端将二极管直接安装在减高后的波导传输线上,实现二极管与传输线的宽带匹配,同时规避了平面传输线的损耗。本振和中频端均采用微带线(非平衡传输线)作为馈线,易与其他平面结构相互集成。波导过渡结构、本振带通滤波器和中频低通滤波器覆盖整个W波段(75~110 GHz),以保证混频器的宽带特性。测试结果表明,在中频100 MHz时,整个W波段内混频器的单边带变频损耗为(5±0.5) dB。

为满足对管道内壁快速检测的需求,设计了一种具有超半球视场的折衍混合环带式全景成像系统。该系统由环带全景成像(PAL)系统的头部单元和应用二元衍射面设计的中继透镜组成,各视场光线经PAL头部单元收束后再由中继透镜成像于电荷耦合器件上。二元衍射面的引入有利于改善成像效果、简化光学结构。对其衍射效率的进行理论分析,结果显示,二元衍射面的衍射效率在设计波段范围内不低于80%。设计的系统总长为97.836 mm,焦距为-4.537 mm,视场范围为360°×(45°~105°)。为保证弱光环境下的成像质量,取光圈数F为3,全视场调制传递函数在90 lp/mm处不低于0.5。设计结果表明系统具有良好的成像效果,可以满足管壁检测的需求。

基于线性干涉效应和环形谐振器,提出了一种二维光子晶体全光逻辑门的设计方法。通过在环形腔中引入光程差,产生相应的相位差,从而导致光波发生相长干涉或相消干涉,实现了或、与、异或、非、或非和与非等光学逻辑门。利用平面波展开法和时域有限差分法对逻辑器件进行模拟分析,对逻辑功能进行验证,结果表明:所设计的器件不仅物理尺寸小,而且透射率、对比度高,响应周期快,均在218 fs以内,在集成光学领域具有潜在的应用前景。

通过测试15个白光LED球泡灯的光谱分布及蓝光危害值、色温、功率、光效等参数,研究了灯源的蓝光危害值与光谱结构的关系,计算了叠加单色光光谱后新光谱结构的蓝光危害值。结果表明在长波段和短波段同时叠加两个不同幅值的单色光光谱时,可以得到色温基本保持不变、蓝光危害值降低的光谱结构光源,其显色指数得以提高,但光效变化略有降低,实现了通过优化光谱来降低白光LED球泡灯蓝光危害值、提高光源显色指数的目的。

研究了随相位位置变化的量子行走的性质,以及硬币和行走者之间的纠缠度。行走者回到原点的概率以及位置方差随演化时间呈准周期性变化,这种量子行走即为准周期演化量子行走。通过纠缠熵度量硬币和行走者之间的纠缠关联。数值计算表明纠缠熵与系统初态、演化步数以及相位因子有关。选择合适的硬币操作,纠缠熵随着演化步数呈现准周期性变化。对于给定的初态,选择适当的相位因子和演化步数,可使硬币与行走者处于最大纠缠态。

针对钙钛矿太阳能电池中Spiro-OMeTAD层氧化不足或氧化过度而导致器件性能较低的问题,研究了空穴层Spiro-OMeTAD氧化对器件光电性能的影响。采用4种不同的方式对空穴层进行氧化,对氧化前后空穴层薄膜的光电性能进行研究,以确定最佳的氧化方式及条件。制备了结构为ITO/SnO₂/CH₃NH₃PbI₃/Spiro-OMeTAD/Ag的平面型器件,对氧化前后器件的光电性能进行表征及对比分析。结果表明:有效的氧化方式可减少Spiro-OMeTAD膜表面的针孔,使Spiro-OMeTAD膜层更加致密,提高钙钛矿太阳能电池的填充因子;氧化处理同时也降低了Spiro-OMeTAD膜层对光的寄生吸收,提升了钙钛矿太阳能电池的有效光学吸收率。此外,氧气氧化Spiro-OMeTAD前驱液的方式,优于其他三种氧化方式,由此得到的器件相比于空气氧化器件,正扫模式下填充因子由0.43增加至0.63,光电转化效率由9.06%提升至14.19%。

提出了一种使用飞秒激光直写掩模加工微柱阵列的方法。利用高重复频率飞秒激光的热氧化效应在硅表面制作出二氧化硅点阵列,然后经氢氧化钾刻蚀得到微柱阵列。相比于传统的制作微柱阵列的方法,使用飞秒激光直写掩模制作微柱阵列的方法工艺简单,成本更低。此外,探究了激光功率、曝光时间和氢氟酸蚀刻对掩模尺寸的影响。这种微柱阵列在减反、传感等领域具有很好的应用价值。