基于腔内的模式选择耦合器(MSC),报道了一种输出模式可切换的调Q脉冲掺铒光纤激光器。通过布拉格光栅和MSC的共同作用,实现输出波长的选择和不同模式间的转换。由于MSC具有模式分离特性且激光腔具有双支路输出配置,通过调整腔内损耗可以实现对激光输出不同模式间的切换,成功地观察到了同时具有线偏振模式(LP01模式和LP11模式)的双波长调Q脉冲输出,该模式可切换激光器可以应用在通信、粒子捕获等领域。

窄线宽、大调谐带宽的本振激光种子源是空间相干光通信系统中的核心组件之一,通过窄线宽种子源结合外电光调制和窄带光栅滤波的方案,可以实现窄线宽和大调谐带宽,但通过温度控制的光纤光栅难以适应空间动平台间存在的高速多普勒频移。采用压电陶瓷控制的光纤光栅,结合梯度下降算法的闭环系统,实现了光纤光栅和注入激光波长的相对锁定。所提方案可适应40 MHz/s以上的空间多普勒频移。

自行研制出一种基于多程腔(MPC)技术的长纳秒脉冲532 nm Nd∶YAG调Q激光器。在重复频率为10 kHz时,采用MPC技术,将激光脉冲宽度从可调范围110~260 ns扩展到460~600 ns。在最短脉冲宽度为460 ns时,532 nm激光的输出功率为6.5 W。理论模拟了532 nm激光输出功率和脉冲宽度随基频激光功率的变化曲线,理论值与实验数据较好地吻合。这种长纳秒脉冲532 nm 绿光激光器对于工业和科学研究具有重要意义,如一些新材料的激光损伤特性研究。

提出一种多通道单脉冲激光能量变化的监测方法,用于实时监测脉冲激光的状态。首先采用多合一光纤束,对待测激光进行取样;再经过消色差透镜将光纤合束端面成像到CMOS图像传感器的感光面,通过软件获取光斑图像并提取不同光斑的灰度值,以表征脉冲激光能量;最后根据各待测激光总能量大小对灰度值进行标定,即可实现不同位置处激光能量变化的同时在线监测。利用该方法,对全高程全天时大气探测激光雷达系统中1064,532,589nm激光以及脉冲染料激光器中自发辐射 (ASE) 荧光的单脉冲能量变化进行了长时间同时在线监测,得到了激光雷达运行过程中这4束光单脉冲能量的变化情况,并根据监测结果计算了倍频晶体的倍频效率、脉冲染料激光器的转换效率及ASE比例系数。该研究为需要对多路激光单脉冲能量变化进行同时在线监测的光电系统提供了一种有效的解决方法。

基于共振域光栅的特性,采用商用绝缘硅片设计并制备了一种用于近红外通信波段的高性能偏振器件。在1.460~1.625μm的波长范围内,利用时域有限差分算法设计了一种周期为0.98μm的全介质共振域光栅,该光栅的消光比最大值为55dB。根据设计结果,采用电子束直写曝光技术对该偏振光栅进行了实验制备,并进行偏振性能测试。结果表明,该光栅的横向磁场偏振光透过率约在80%以上,消光比在20dB以上,最大值可达到32dB,与仿真结果基本一致。相比于传统亚波长金属光栅的周期需要小于1/4入射光波长才能起偏的性质,该偏振光栅在周期为近波长的条件下即有较好的偏振性能,在制备上降低了光刻工艺的难度。此外,该偏振器件是基于商用绝缘硅片制备,与现有的成熟半导体工艺兼容,具有较强的集成性和实用性。

报道了一种基于非线性光纤环形镜的工作在耗散孤子共振(DSR)区域的被动锁模掺铒光纤激光器,分别在反常和正常色散区获得了方波脉冲输出。在腔内净色散值约为-0.32ps 2的反常色散区,当泵浦功率为481.2mW时,获得了最大时域宽度为33ns、单脉冲能量约为12.4nJ的方波脉冲。通过在腔内插入一段7m长的色散补偿光纤,使激光器工作在腔内净色散值约为2.85ps 2的正常色散区,在同样的泵浦条件下,获得了最大时域宽度为34.3ns、单脉冲能量约为9.42nJ的方波脉冲。这表明在满足腔内参数平衡的条件下,DSR方波脉冲可同时在反常和正常色散区产生。另外,还研究了泵浦功率对方波脉冲的时域宽度和单脉冲能量的影响,结果表明,随着泵浦功率的增加,方波脉冲的时域宽度和单脉冲能量均呈线性变化。

提出一种基于45°倾斜光纤光栅(45°-TFG)辐射模的线偏振光纤激光器。利用环形谐振腔结构和光纤布拉格光栅,搭建了基于45°-TFG辐射模的线偏振调谐光纤激光器,首次实现了基于TFG辐射模的全光纤单偏振激光输出。实验结果显示,当输入泵浦光功率大于24 mW时,可实现稳定的激光输出,输出激光的中心波长为1553.45 nm,3 dB带宽为0.05 nm,偏振度高达99.8%,激光器系统的斜率效率为10.79%。同时,利用布拉格光纤光栅的温度敏感特性,实现了激光器波长输出从1553.21 nm到1554.03 nm的调谐,调谐灵敏度为11.37 pm/℃。

激光捷联惯组(LSIMU)在工作环境下受测量噪声干扰大,尤其是小型激光陀螺仪,不能精确识别地球自转角速度,导致捷联惯导系统无法准确、快速对动基座进行初始对准。针对该问题,提出了一种基于小波卡尔曼级联滤波的LSIMU动基座初始对准算法。仿真对比实验结果表明,相比其他初始对准算法,本算法可以有效提高初始对准精度、减小姿态角对准误差,将全球定位系统辅助激光捷联惯导系统的初始对准精度从10''提高到了5''以内,且方差最小,可以使对准误差更稳定、快速的收敛。

针对激光熔覆过程中两种粉末混合喷射后实际成分与设计成分偏差的问题,设计了钛(Ti)/羟基磷灰石(HA)粉末收集实验,该实验将未分离粉末宽度作为成分评价标准;然后基于响应曲面法建立了未分离粉末宽度与激光工艺参数之间的数学模型;通过对回归模型求极值,确定合理的工艺参数,抑制了激光沉积过程中粉末成分偏差现象。实验结果表明:离焦量对Ti/HA粉末分离的影响最大,其次是扫描速度,送粉率对预混合粉末分离的影响最小;未分离粉末宽度随着离焦量的增大而呈现先增大后减小的趋势,并随着扫描速度的增大而减小;当离焦量为-3~-1.5 mm,扫描速度为0~4 mm·s -1时,未分离粉末宽度较大,该范围内的工艺参数有利于改善Ti/HA生物医学材料成分配比不准确的问题。

受成形尺寸小、晶化严重等行为的影响,非晶合金的应用受到一定限制。本文以纯锆为基板,采用选择性激光熔化成形技术制备了15 mm×15 mm×15 mm的块体Zr50Ti5Cu27Ni10Al8非晶合金,对其微观组织进行了分析研究,并利用有限元软件ANSYS对该块体非晶合金制备过程中的热效应进行了模拟。研究结果表明:成形试样主要由非晶相组成;由于结构弛豫和晶胚的累积,在热影响区的叠加区发生了晶化,晶化相为Al5Ni3Zr2。本研究为激光增材制备块体非晶合金提供了一种可能有效的方法。

研究了激光熔化沉积硼变质TC4钛合金材料在不同应变幅值下的低周疲劳性能。结果表明,激光熔化沉积硼变质TC4样件在0.8%~1.0%应变幅值下的低周疲劳性能与退火态锻件相当。通过对比分析固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4与退火态TC4锻件的微观组织、低周疲劳性能可以发现,当经受高于1.0%的应变幅值时,固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4的网篮组织比TC4退火态锻件的双态组织具有更好的抵抗裂纹扩展的能力。此外,固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金在各种应变幅值下均发生了不同程度的循环软化行为。最后采用扫描电镜对固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的低周疲劳断口形貌进行了观察,并研究了低周疲劳失效过程中裂纹的扩展过程。

采用基于体积平均法的气-固-液三相激光熔覆模型,探究了工艺参数对45钢表面激光熔覆316L不锈钢熔覆层中Cr元素分布及其均匀性的影响。首先,使用Cr元素的平均浓度来表征熔覆层中元素的分布情况,并对熔覆过程中Cr元素分布的演变进行分析;然后,将Cr元素在y方向分布的计算结果与实验结果进行对比,验证了模型的可靠性;之后通过设定的正交工艺参数进行模拟,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素平均含量之间的关系;最后,根据模拟结果对熔池的流动行为进行分析,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素在x方向分布均匀性之间的关系。研究结果表明:对熔覆层中Cr元素含量影响最大的工艺参数是送粉率,然后依次为激光功率和扫描速度,送粉率与Cr元素含量呈正相关,激光功率与Cr元素含量呈负相关。熔池凝固速率与流速对熔覆层中Cr元素分布的均匀性有较大影响,可通过适当增大激光功率和降低扫描速度来获得元素分布更为均匀的熔覆层。

镍钛合金是一种常见的智能材料,具有优良的形状记忆效应,在航空航天、医学和电子等领域具有广泛应用。激光选区熔化技术能够突破传统制造工艺的局限,成形出形状复杂且性能优异的镍钛合金构件,使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上实现可控变化,是“4D打印”的研究热点方向之一。本文简要介绍了激光选区熔化成形镍钛合金的国内外研究进展与技术现状,分析了成形工艺、热处理工艺等对镍钛合金成形件相变温度以及形状记忆效应和超弹性两大性能的影响,总结了激光选区熔化成形镍钛合金较为适宜的工艺参数,并对SLM成形镍钛合金的未来发展进行了展望,为镍钛合金激光选区熔化“4D打印”提供参考。

采用激光直接沉积技术制备TA2/TA15梯度材料,研究了该梯度材料的显微组织演变及弯曲性能,并通过有限元模拟重点探讨了弯曲过程中梯度过渡区不同成分合金的应力-应变行为。结果表明:由底部TA15合金向上过渡至TA2合金时,微观组织由网篮α+β相逐渐向单相α相过渡,合金元素种类和β相体积分数逐渐减少,α相体积分数逐渐增加。随着Al元素含量增加,显微硬度增大,抗弯强度由964 MPa增大至2156 MPa。有限元应力场模拟结果表明,试样在弯曲变形过程中,顶部受到压应力作用,底部受到拉应力作用。与TA15试样相比,Al元素含量减少会降低梯度材料的抗弯强度,但会大幅提升其塑性能力,并实现应力均匀过渡。在所有的试样中,GZ-3试样的综合性能最优。

构建了高斯脉冲激光线刻蚀能量密度分布模型,研究了激光功率和脉冲数对化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石表面上的点/线尺寸的影响规律,得到了能量在材料表面的扩散机理及刻蚀面组分,并在此基础上进行了激光面刻蚀。结果表明:高斯单脉冲激光作用下刻蚀轮廓近似为高斯曲面,间接证明了激光束在材料表面作用的能量呈高斯分布,且刻蚀面由金刚石、石墨和杂化物质构成,CVD金刚石表面的脉冲点刻蚀深度和宽度都随着激光功率和脉冲数的增大而增大。激光功率对CVD金刚石表面线刻蚀程度的影响较大,当功率值增大12W时,刻蚀宽度和侧面扫入深度分别增大23.32μm和346.04μm;激光扫描速度则对CVD金刚石表面线刻蚀程度的影响相对较小,当扫描速度增大49.8mm/s时,刻蚀宽度和侧面扫入深度分别减小了6.35μm和70μm。在功率为3W、扫描速度为50mm/s和扫描间距为2μm的条件下进行了激光面刻蚀,刻蚀深度为9.71μm,表面粗糙度为1.10μm。

针对FR-4覆铜板高精度微孔成形中传统机械打孔流程繁琐、精密化程度低等问题,采用飞秒激光对覆铜板进行单因素试验和正交试验,以入口直径、出口直径和锥度作为评判指标,探讨工艺参数对微孔质量的影响规律。结果表明,对微孔质量影响最大的因素为单脉冲能量,影响最小的因素为重复频率,最优工艺参数组合为:单脉冲能量29μJ,重复频率92kHz,脉冲个数2112,离焦量0.01mm。采用优化的工艺参数组后,可以对FR-4覆铜板进行高质量和高精度的打孔,实现快速、高效地制作印刷电路板。

提出了一种基于反距离权重(Inverse Distance Weighting, IDW)算法修正坐标测量机(Coordinate Measuring Machine, CMM)体积误差的方法。首先利用激光追踪仪多站位测量技术并结合列文伯格-马夸尔特 (Levenberg-Marquardt, L-M) 算法,获取了CMM空间测量点的体积误差。随后利用IDW算法对测量点的体积误差进行空间插值,从而获得了CMM整个测量空间内任意点的体积误差。实验结果表明,IDW算法对测量路径要求低,插值精度高,各个方向体积误差的误差吻合度均可达96%以上。研究结果为工件在测量空间中最优测量位置的选取提供了参考。

通过在锂离子电池内部埋入分布式光纤温度传感器,实现了对电池内温度场的实时分布式原位监测,并对其运行健康状态进行了预警和评估。根据锂离子电池结构设计模型,理论上模拟分析了不同运行环境下锂离子电池内温度场的分布状态和演化规律。基于此,选取特征温度点(正负极耳、中心点)优化传感器的布设位置,实现各种情况下温度场的准确测量,基于性价比给出传感器的优化组合,减少了传感器使用数量,降低了布设工艺的难度及解调设备的成本。在实验中埋入分布式级联的光纤光栅温度传感器,对模拟分析结果进行了验证。实验结果表明,随着外界环境温度的上升,各特征点温度都随之上升,但上升速率整体变小,而中心温度点具有较快的温升效应,实验结果与理论结果一致。该方法为未来大尺度锂离子电池集成组件健康状态的原位监测提供了技术参考和实施方案。

研究离轴照明的系统中,光学表面环带中频面形误差对于照明光场均匀性和半影宽度的影响。推导了二极照明下中频面形误差的峰谷(PV)值和系统的相干因子对线扩展函数(LSF)分布的解析关系,并通过数值计算分析了二极照明下,中频面形误差对照明镜组线扩展函数的影响。阐述了中频面形误差降低照明光场的均匀性和增大半影宽度的理论机制。利用实际制造的面形数据结合商用光学设计软件对光刻机照明系统中照明镜组进行仿真。结果表明,这种仿真方法可以快速评估中频面形误差对照明光场和半影宽度的影响,在设计阶段使用实际制造的面形对系统进行仿真,为光学设计和光学加工公差分配提供了理论依据。

提出一种新的结构光条纹中心线提取算法,该算法能在不同的干扰环境下稳定地提取出光条中心线,并且具备修补断线的能力。利用密度聚类算法的无监督特性,即使存在断线或噪声干扰,仍能快速聚类中心线的候选像素点集合,大幅缩小搜索范围;经过实验数据分析发现,不同场景的中心线还具有亮度高且趋于连续的共性特征,使用像素点间欧氏距离和亮度值定义能量函数对该特征建模,利用最短路径搜索算法迭代收敛实现中心线精确提取。实验结果表明,在三种强烈干扰的结构光图像中,算法提取中心线均方根误差约为0.4 pixel;处理速度相比同样抗干扰能力较强的图像接缝算法提高了12.48倍。所提算法在保持运算速度快、精度高的同时,大幅提高了抗干扰能力,有效降低了工业生产中使用结构光测量时的条件限制。

为了解决光场相机应用于三维测量时,在弱纹理区域和精细结构区域难以获得准确视差估计结果问题,提出了基于深度学习技术对光场深度估计进行建模,并建立了光场视差与真实深度之间的转换关系。将所提方法应用于多种复杂场景中,实验结果均表明:该方法可以准确获取弱纹理区域和精细结构区域的视差信息,较好地复原场景的三维结构,视差估计处理时间压缩到1s量级,相比传统的基于代价优化的方法,降低了1~2个数量级。

非线性激光超声裂纹检测技术的核心是使用机械/光热加载的方式在裂纹上施加载荷,使裂纹实现周期性开合。针对关于这一裂纹闭合机理研究较少的问题,在加热激光辐照区域内,使用时域激光超声方法对真实微裂纹的闭合响应及裂纹闭合引起的裂纹局部塑性/弹性微观变化进行研究。通过分析各模态超声波在裂纹不同闭合状态下的峰峰值、到达时间变化,可以获得裂纹闭合的相关信息。结果表明,信号峰峰值和到达时间的变化过程与裂纹闭合出现的早晚有关,裂纹闭合出现早晚的顺序与裂纹宽度对应。

在已知图像观测值和相机内外参数的多视图三角化中,由于观测噪声的存在,导致中点法和L2反投影标准法分别在三角化精度和效率上存在不足。因此,提出了一种基于逆深度自适应加权的多视图三角化方法。首先,通过构建待估计空间三维点在多视图环境下的逆深度模型,赋予不同视点下观测误差对应的自适应权重。然后,确定多视图三角化近似角度误差的无偏估计模型。最后,利用固定点迭代快速求解代价函数。在仿真和实际数据集上的实验结果表明,本方法能很好地平衡多视图三角化的精度和效率,且在不同噪声情况下的重建精度和迭代次数有较强的鲁棒性。

针对新型飞行器对装配精度需求的不断提高,常用的数字化测量辅助装配系统已无法满足的问题,基于iGPS激光测量系统提出一种新型多装置混合对接测量方法,并基于该测量方法建立位姿测量模型、位姿解算模型和对接路径解算模型。iGPS激光测量系统引导全局对接后,触发局部多数据融合测量系统对局部位姿进行传感,通过局部位姿解算模型即可求解接合耳片之间的角度误差和位置误差,补偿误差后可优化对接路径,从而提高对接精度。实验结果表明,补偿误差后的位置精度达到5.8×10 -2mm,角度精度达到9°×10 -3,说明所提方法满足实际对接精度的需求。

大气边界层的垂直分层可以阻碍或改变能量、动量、湿气和微量物质的垂直和水平传输,所以边界层高度对于大气的研究特别重要。探空数据在时间上不能连续给出全天的边界层高度变化,很多情况下边界层顶的气溶胶含量的梯度不明显,所以不能准确给出边界层高度。本文基于拉曼激光雷达的水汽混合比数据,采用斜率法和Douglas-Peucker(DP)算法相结合的方法反演边界层高度,并将其结果与探空数据进行比较,结果表明两者吻合得较好。

提出一种可实现相位调谐的微波光子上、下变频信号生成方案,其主要器件为偏振复用-双驱动马赫-曾德尔调制器(PDM-DMZM)。在所提方案中通过调节调制器直流偏置点实现上、下变频信号的切换,通过调节偏振控制器实现相位连续调谐,该方案可扩展为多通道独立相位调谐系统。仿真结果表明,频率为10GHz的射频信号可以分别转换为下变频信号(1GHz)和上变频信号(19GHz),其相位可在0°~360°范围内连续调谐,且不同相位下生成信号的功率最大波动在0.3dB以内,杂散信号抑制比可保持在20dB以上,系统的最大输入频率可调范围为0.5~65.0GHz,生成的移相信号频率可覆盖几GHz到130GHz。

针对大型室内场所用户移动定位复杂度较高、定位精度较低和定位不合理等问题,提出一种基于隐马尔可夫模型的可见光与惯导融合定位算法。首先在离线建库阶段建立室内停车场地图和定位指纹图,采集每个参考节点的可见光接收信号强度和节点间的距离与角度,建立隐马尔可夫模型。其次,在在线定位阶段,根据用户最大移动速度减小状态转移候选集,并获取可见光信号和运动信息。最后,利用改进的维特比算法进行用户轨迹匹配定位。仿真结果表明:所提算法在2500m 2室内停车场中能准确预测用户的运动轨迹,参考节点的预测准确率约为85%,平均定位误差约为3.35m;与其他4种定位算法相比,所提算法的定位轨迹连续、更平滑、精度更高。

设计并实验验证了一种基于双驱马赫-曾德尔调制器(DDMZM)和受激布里渊散射(SBS)窄带光子滤波的新型镜像抑制微波光子混频器结构。将射频(RF)和本振(LO)信号分别输入至DDMZM上下臂的射频端口,控制偏置电压,使得由RF和LO信号所引起的光边带之间满足等效相位调制关系,以抑制由RF同LO光边带拍频产生的带内干扰中频(IF)信号。进一步地,借助SBS损耗谱的窄带光子滤波特性,将有用RF光边带同LO光边带之间的等效相位调制关系转换为强度调制,实现了有用IF信号的产生。实验结果表明:该混频器的镜像抑制比(IRR)可达43dB,在6~20GHz的RF信号以及0.5~1.5GHz的IF信号工作频段,系统的IRR性能可分别保持在35dB~40dB的水平上。

基于外部光反馈注入垂直腔面发射激光器(VCSEL)的混沌偏振系统以及线性电光调制理论,提出了一种可重构的光电混沌逻辑门实现方案,并给出了具体的物理模型。首先,通过计算确定VCSEL输出光为混沌态时的参数空间,如外加电场、光反馈强度。然后,将外加电场调制为门控因子,光反馈强度调制为逻辑输入,逻辑输出采用阈值机制进行解调。当逻辑输入与门控因子满足不同逻辑运算关系时,系统就能灵活切换不同的混沌逻辑门,如AND、NAND、OR、NOR、XOR和XNOR。

调制光栅Y分支(MG-Y)可调谐半导体激光器能够实现宽波长范围的快速调谐,有望成为光纤传感应用中最有发展前景的光源之一。为了满足光纤传感应用中对于精细波长准连续调谐的需求,提出了一种基于样条插值的MG-Y型激光器的自动化测试技术。该方案充分利用了MG-Y激光器的调谐特性,通过左、右光栅反射区电流的粗扫描获取覆盖40 nm范围的平滑的调谐路径。将每一条路径内的左右光栅反射区电流组合对应的线性调谐段进行去重拼接后,可实现目标波长的快速插值检索。通过对半导体光放大器的电流和相位区电流的双重校准,实现了激光器在不同输出波长下的平坦功率。利用该技术构建了覆盖1527~1567 nm、波长间隔为8 pm的波长-电流查找表。该查找表的电流调谐路径平滑,功率波动小于0.2 dBm,可用于需要进行快速光谱采集的光纤传感应用中。

多模光纤是一种厚散射介质,当目标图像经过多模光纤传输时将形成多种模式耦合,从而在光纤的输出端生成散斑图案。基于深度学习对多模光纤成像进行复原,解决了厚散射介质成像失真的问题。采用DenseUnet,并以散斑图样作为模型的输入来重建目标图像。DenseUnet模型采用融合机制加深了网络的深度,提高了重建的准确性,并具有很好的鲁棒性。实验结果表明,DenseUnet可以很好地对具有不同长度的多模光纤产生的散斑图像进行重建。

依据组织学特征,构建静脉及其周围组织三维模型,通过扩散近似理论模拟激光腔内辐照静脉的光分布,采用有限元法求解生物热方程,获得组织各处温度分布,并根据Arrhenius方程计算激光辐照引起的损伤。比较研究了放射状光纤与放射状二环光纤的光热响应,探讨了激光功率、回拉速度、线性静脉内能量密度、静脉直径对放射状二环光纤治疗效果的影响。结果表明:采用放射状二环光纤辐照组织,各处温度较放射状光纤低,可减少光纤与血管壁的粘附;同样的线性静脉内能量密度辐照组织,激光功率较低的治疗方案安全性较高;静脉直径越大,需更高的线性静脉内能量密度才能达到治疗效果。提出的模型有利于更好地理解激光腔内治疗的作用机理。

作为一种新型的模型动物,斑马鱼被广泛应用到大脑相关的研究中,但目前缺乏高分辨率活体评估幼年(>7日龄)到成年阶段斑马鱼大脑的成像技术。利用光学相干层析术(OCT)对孵化21 ,45 ,100d的斑马鱼大脑进行活体成像,并与切片染色的结果进行对比。结果说明:OCT的成像深度和分辨率足以显示三个年龄段的斑马鱼大脑,OCT图像显示的大脑结构特征与切片染色结果匹配较好。二维和三维OCT结果都定量显示斑马鱼大脑在80d内显著增大,但切片染色结果由于组织萎缩,不能准确地评估大脑发育情况。研究结果表明,OCT作为一种高效的活体成像工具,可用于基于斑马鱼的脑发育研究。

双相滞(DPL)非傅里叶导热模型能够反映脉冲激光与生物组织瞬态作用过程,但在很多运用DPL模型对生物组织传热机制进行研究的文献中,既有应用傅里叶边界条件也有应用非傅里叶边界条件,得出的很多传热机制结论是相互矛盾的。运用DPL非傅里叶模型控制方程,导出了非傅里叶和傅里叶边界条件,并利用积分变换及拉普拉斯变换法,分别给出了非傅里叶和傅里叶边界条件问题的解析解。以皮肤生物组织作为算例,计算结果表明,在非傅里叶控制方程条件下,基于非傅里叶边界条件预测的组织内的温度分布符合能量守恒定律,而基于傅里叶边界条件预测的组织内的温度分布则不符合能量守恒定律。非傅里叶边界条件下所得的温升幅值和温度的变化速率与傅里叶边界条件下所得的结论相反。采用傅里叶边界条件,对应的热损伤明显低于非傅里叶边界条件热损伤且过于保守。最后从能量守恒角度指出, DPL非傅里叶边界条件就是边界的DPL型能量守恒方程,傅里叶边界条件是傅里叶模型的能量守恒方程。傅里叶生物传热控制方程应与傅里叶型边界条件相配合,而DPL非傅里叶生物传热方程应与非傅里叶边界条件相配合。

利用随机相矢量和模型,描述了光学相干层析术(OCT)结构信号的强度概率密度分布,推导出振幅差分信号的概率密度分布,从理论上确定了差分图像的动态与静态区域的阈值模型。利用一套可对人体皮肤的微血管进行扫描成像的扫频光学相干层析系统,通过阈值模型生成二值化图像,将实验室已有的基于体数据的互相关图像与二值化图像相结合。结果表明该模型有助于减小图像的散斑噪声,从而获得更清晰的结构信息。

为合理选择不同材质的角膜接触镜,基于几何光学成像的原理,建立了基于角膜接触镜的角膜成像模型,分析了不同折射率的角膜接触镜对角膜成像质量的影响;利用逆光学成像思维,设计了一种用于检测成像质量变化的近轴光学系统,分别将不同材料和厚度的角膜接触镜加入该光学系统,定量分析不同材质的角膜接触镜对成像质量的影响。该光学系统的有效焦距为18.36 mm,筒长为36.49 mm,像高为2.48 mm,调制传递函数值接近极限衍射,全视场的畸变量小于0.1%。ZEMAX仿真结果表明:材料为硬性角膜接触镜PMMA、厚度为0.05 mm的角膜接触镜可同时满足增强现实技术中接触式设备的成像和佩戴需求。

在生物医学领域,为了降低成本,降低对高端器件的依赖,以及实现对无标记样本的光谱和结构等多维度图像分析的目的,基于窄带LED光源技术,自主研制了一套多通道LED照明的多光谱显微成像系统。本系统在420~680nm范围内系统的光谱分辨率约为20nm,空间分辨率优于2μm,在放大倍数为13倍时成像范围为520μm × 416μm。为了验证系统在临床病理分析中的可行性,采集了小鼠皮肤鳞状细胞原位癌病变病理切片和正常皮肤组织病理切片的多光谱图像。从多光谱图像中可以清楚地观察结构,由图像序列中提取的光谱信息表明,癌变细胞核的反射率在可见光波段内与正常细胞核有明显差异,能有效区分两种细胞。这些实验结果表明,基于LED照明的多光谱显微成像系统有望替代传统昂贵、复杂的多光谱成像系统,并可在病理分析中发挥重要作用。

为了研制探测中高层风场的瑞利-米散射多普勒激光雷达系统,前期在实验室搭建了一套基于三通道法布里-珀罗干涉仪(FPI)的532 nm瑞利-米多普勒激光雷达验证系统,并进行实际比对实验。利用验证系统,首先开展了FPI透过率校准实验,采用非线性拟合方法获得了三个通道FPI实际透过率曲线,FPI-1、FPI-2和FPI-L的谱宽分别为1.20 GHz、1.22 GHz、1.18 GHz,峰值透过率分别为0.817、0.807、0.768,FPI-1和FPI-2及FPI-1和FPI-L的峰峰间隔分别为3.91 GHz和1.25 GHz,并进一步给出了米散射和瑞利散射信号入射时系统实际的风速探测灵敏度。其次,开展了径向风速连续观测实验和水平风场对比观测实验。实验结果表明:在单次径向风速测量中,时空分辨率为2 min和75 m的情况下,系统白天和晚间分别具备10 km和16 km左右高度的风场探测能力。在白天2.7~10 km、晚间1.5~10 km高度范围内,系统测得的水平风场数据与探空气球测得的水平风场数据吻合度较高,晚间70.8%的水平风速和风向数据偏差小于2 m/s和10°;95%的水平风速和风向数据偏差小于5 m/s和15°,充分验证了系统风场测量结果的准确性。

介电谱技术是一种利用宏观介电参数分析微观结构变化的技术。相比于微波频段,太赫兹介电谱含有丰富的指纹谱信息,能反映物质内部多种运动模式。在太赫兹频段研究了天然橡胶制品热氧老化后的介电谱,进而分析了分子结构的变化。研究结果表明,经过不同老化时间后,样本的太赫兹介电常数的实部和虚部均具有明确的变化规律,且与材料在老化中的微观结构变化相对应。对测试得到的太赫兹介电谱数据进行拟合,获得了相应的零频介电常数、光频介电常数和介电强度,从分子整体结构的角度分析了橡胶老化过程中材料的极性结构和分子间的网络化结构与分子链分解和交联的关系。研究结论表明,太赫兹介电谱在材料老化无损检测方面具有潜在的应用价值。