设计了一种高效率、结构紧凑的高功率平面波导激光放大器。放大器使用新型平面波导结构,可以实现对芯层的多通泵浦,从而大幅度增加泵浦光的吸收长度,提高低掺杂Yb∶YAG芯层的泵浦吸收率。基于Yb ³⁺的激光动力学方程,结合光学追迹法与有限元方法构建了三维激光放大模型,并分别对双包层平面波导与新型平面波导的高功率激光放大器进行仿真。仿真结果表明,当泵浦总功率为10 kW和注入种子光的功率为200 W时,新型平面波导放大器具有更高的泵浦吸收率、更好的泵浦均匀性、更低的热损伤风险及更高的光-光转化效率。

傅里叶域锁模是一种可以同时获得快速频率或波长扫描和高质量激光输出的方法。以掺铒光纤激光器为例,首次系统性地论证了傅里叶域锁模扫频激光器的研究方法,主要内容包括激光谐振腔长与扫描滤波器速率匹配、腔内色散管理、扫描滤波器性能表征、激光增益介质特性分析、激光器系统设计等理论、原理及方法研究过程,以及激光极限锁模范围、单向扫描性能、不同延迟光纤和滤波器驱动频偏对激光输出功率影响、不同扫描方向激光瞬时线宽受滤波器驱动频偏影响等实验研究与讨论过程。同时,首次演示了以掺铒光纤为激光增益介质且波长扫描范围为3.072 nm、光信噪比为57.31 dB、扫描速率为62.918 kHz、瞬时线宽为4.28 GHz的高质量傅里叶域锁模扫频光纤激光输出,并讨论了其性能进一步提升方法。本文对于初步接触傅里叶域锁模扫频激光技术的研究人员具有重要的指导意义。

搭建了1030 nm波长的准连续长脉宽室温Yb∶YAG平面波导激光放大器,分析对比注入光强、抽运光强和抽运脉宽等因素对光-光转换效率的影响。采用主振荡功率放大结构,种子源为1030 nm连续保偏光纤激光器。放大器增益介质为一块Yb∶YAG平面波导,抽运源为两个准连续940 nm半导体激光阵列,抽运光经整形后分别从两个端面耦合进入平面波导。在双端抽运下,抽运重复频率为400 Hz和最大峰值功率为20.4 kW时获得了最大能量为4.65 J的激光放大输出,偏振度为97%,光-光转换效率为44.0%,与理论分析基本吻合。

开展结构Sn靶激光等离子体极紫外光辐射特性研究,对波长为1064 nm的脉冲激光等离子体产生的极紫外光谱进行研究。实验结果表明,当激光能量为500 mJ,结构靶凹槽深度为100 μm、宽度为300 μm时,结构靶凹槽产生13.5 nm(2%带宽)带内光辐射积分强度的增强倍率约为平面靶的1.57倍。同时发现,凹槽对激光等离子体膨胀具有抑制作用,导致不同凹槽宽度产生最佳增强倍率所对应的激光能量不同。研究聚焦光斑尺寸对结构靶产生极紫外光辐射的影响。实验结果表明,当聚焦光斑直径与凹槽宽度接近时,凹槽的13.5 nm(2%带宽)带内光辐射积分强度的增强倍率最高。此项研究对提高极紫外光辐射强度及转换效率具有重要意义。

报道了一种结构紧凑、成本低、稳定性高、操作简单,可应用于皮肤病学及医疗美容领域的黄光激光器。该激光器采用高功率保偏掺镱光纤激光器泵浦级联拉曼嵌套腔的结构,通过使用窄带宽的1178 nm光纤布拉格光栅以及优化拉曼增益光纤的长度,获得了高功率窄线宽线偏振1178 nm激光。结合基于周期极化钽酸锂晶体的单通倍频方式,实现了10.19 W连续波589 nm激光的输出,倍频效率为18.12%。此外,研制的工程样机功率峰峰值浮动小于2%。

针对传统的道路测量方法存在效率低、安全性差,且无法快速直接地获取井盖病害信息的问题,提出了一种结合三维激光点云的井盖病害检测方法。通过分析点云数据中路面井盖的空间分布特征和强度反射特性,首先设计了梯度和布料模拟滤波(CSF)组合算法提取地面点后生成强度图像,然后通过自适应阈值对强度图像进行二值化,在此基础上用限制参数的Hough圆检测方法定位井盖位置,实现了路面井盖的精准提取;最后通过计算井盖中心和邻域点云高差均值,实现了井盖的沉降病害检测。对北京三环道路的实地数据进行实验,结果显示,该方法能直接准确地获取路面井盖位置和病害等信息,井盖提取准确率达到84%,精准率达到98%。与传统测量方式相比,该方法可有效提高井盖提取效率和作业安全性,有助于后期公路路面井盖的检测和维护工作。

针对室内场景点云平面分割存在的问题,提出一种基于投影长度点云分层和基于均值漂移法向量约束的平面分割新方法。该方法首先通过主成分分析方法估算点云的法向量,再求取点云的投影长度并进行分层,然后取最大分层点云进行法向量约束,利用余下点云拟合求取平面参数并去除该平面模型包含的点云,重复上述步骤以求取所有平面的参数,接着在原始点云中提取模型点云并进行模型优化,得到最终的平面分割结果。实验结果证明,所提方法可以有效分割室内场景点云中的平面结构,提取的点云平面有较高的精度,且相较于最大似然采样一致性算法和改进的3D霍夫变换方法,所提方法在时间效率上有很大提升,更适用于室内场景点云的平面分割。

提出一种基于全光纤光谱干涉的多路超短脉冲大动态范围时间同步单次测量方法,弥补了非线性相关法测量同步状态时测量范围小和示波器测量时分辨率差的不足,解决了同步测量中空间光路的复杂性和单次实时测量的难题。首先对多路光纤阵列干涉测量进行仿真计算,然后设计四路脉冲传输的光路并在实验中验证多路同步单次测量方法的可行性,最后详细分析测量误差的来源和影响。该测量方法的最小同步时间精度为5.3 fs,测量范围为1.055~14.751 ps,与仿真结果有较好的一致性。该测量方法具有光纤链路易于集成、光谱干涉数据处理速度快、测量信号能量需求低等优势,在多路超短脉冲激光相干合束系统中有重要应用前景。

近年来,线结构光轮廓测量技术已成为钢轨廓形检测的重要手段。为了满足钢轨轮廓高精度的测量要求,提出了基于Zemax软件的线结构光钢轨轮廓测量系统仿真模型。将线结构光钢轨轮廓测量系统分解为图像采集模块、系统标定模块和轮廓测量模块,在Zemax非序列模式下依次对三个模块进行建模,得到钢轨轮廓测量系统仿真模型。对比实验表明,系统仿真模型与实际系统的测量结果较为接近,模拟测量结果符合实际情况,仿真模型能够实现对钢轨轮廓测量过程的准确模拟。该仿真模型为线结构光钢轨轮廓测量相关问题研究提供了一种新的分析方法,对光学系统设计、光学元件选型和测量精度提升具有指导意义。

提出了一种利用局域温度控制的高精度相移控制技术制备多相移光纤光栅滤波器的方法。首先,分析了多相移光纤光栅中相移量和相移位置的误差对多相移光纤光栅滤波器的插入损耗、带宽和形状因子的影响,得到了高性能多相移光纤光栅制备所需的相移量精度(0.0029π)和相移位置精度(368 μm)。然后,实验证实了利用局域温度控制引入高精度相移(相移量精度为0.0007π,相移位置精度为30 μm)的可行性。最后,利用所提方法制备了多相移光纤光栅,并对其光谱进行了测试和理论仿真。结果表明,基于所提方法制备的多相移光纤光栅滤波器的频率响应接近理论仿真下的理想滤波器特性,插入损耗约为0.5 dB,3 dB带宽约为366 MHz,20 dB带宽约为972 MHz,形状因子约为0.38。所提制备多相移光纤光栅滤波器的方法精确、简单、经济,没有对光纤光栅的结构造成永久性的改变,具有相移量可擦除的优势,可进一步应用于制备新型可调谐光纤滤波器。

在光声层析成像重建方法中,当考虑超声换能器特别是大晶面超声换能器的尺寸影响时,经典的光声模型重建算法需将晶面离散化,通过分别计算每个离散点的正向模型并求和来建立最终的正向模型矩阵。这种基于模型的重建方法已被证明比传统的延迟叠加和反投影重建方法具有更高的精确性,但同时也会导致巨大的时间消耗和计算/存储空间。本文提出了一种基于虚拟平行投影的光声模型重建方法,该方法用直接建立虚拟平行投影的模型矩阵来代替晶面离散点模型矩阵之和,适用于使用大晶面柱形聚焦或平面超声换能器的光声层析成像系统。数值模拟、仿体实验及活体实验结果表明,所提方法与基于离散化晶面的光声模型重建方法具有相似的图像重建性能,但其重建过程的时间消耗和计算/存储空间需求显著降低。

本文提出了一种共路并行荧光辐射差分超分辨显微成像方法,利用单个空间光调制器(SLM)同时产生两个相位灰度图,对入射激光的水平偏振分量和垂直偏振分量同时进行调制,使得最终的会聚光场由错开的高斯实心光斑和空心光斑组成。在样品面上,利用错开的实心光斑和空心光斑同时对样品进行扫描,与此同时在探测端利用两个探测器同时收集错开光斑所激发的荧光信号,采用荧光辐射差分(FED)方法对采集的图像进行处理,就可以实现对样品的快速超分辨成像。与传统的并行荧光辐射差分超分辨显微术相比,本方法在保留了将成像速度提高一倍的优势的同时克服了非共路并行系统中不同器件引入的噪声、漂移对图像质量的影响,并简化了光路。实验结果表明所提共路并行荧光辐射差分超分辨显微成像方法具有良好的超衍射极限成像能力。

针对基于深度学习的机载激光雷达(LiDAR)点云分类方法训练时间长、对样本数据需求量较大等问题,提出了一种整合迁移学习与全卷积神经网络(FCN)的小样本机载LiDAR点云分类方法。首先,对机载LiDAR点云的光谱信息进行补充,并提取点云数据的归一化高程、强度值和植被指数特征构建三通道点云特征图。然后,通过设置不同的邻域大小和投影方向,生成多尺度和多投影特征图,并采用密集连接网络DenseNet201预训练模型提取多尺度、多投影深度特征。最后,通过池化操作提取深度特征中的全局特征,用FCN进行初步分类后基于图割优化策略实现机载LiDAR点云的高精度分类。在标准测试数据集上的实验结果表明,在训练样本数量约占数据集1.4%的情况下,本方法的总体分类精度可达到89.91%。

为了实现大气甲烷(CH₄)浓度的高灵敏、实时检测,研制了一种基于开放光路的高稳定性笼式结构光学谐振腔,并结合离轴积分腔输出光谱技术研制了一种大气CH₄浓度传感系统。采用中心波长为1653 nm的可调谐半导体激光器作为光源,将反射率为99.92%的高反射镜置于距离光源35 cm处构建光学谐振腔。实验测得高反射镜的实际反射率为99.93%,谐振腔的有效光程可达516 m。Allan方差结果表明,当积分时间为4 s时,基于离轴积分腔的CH₄检测系统的最低检测下限为8×10 ^-9。利用开放光路的优势,开展了CH₄泄漏模拟实验,实验证明该系统具有快速检测CH₄泄漏的能力,为进一步研制应用于现场、且能快速响应的甲烷泄漏检测仪提供了依据。

随着计算机深度学习技术的不断发展,卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)作为代表算法,为高光谱图像分类提供了新的解决方案。但是,因为数据量迅速膨胀,复杂模型的分类精度和速度并不令人满意。因此提出了一种面向高光谱图像分类的轻量级融合CNN算法3D-2D-1D CNN。该算法融合不同维度的CNN,联合空间信息和光谱信息进行高光谱遥感图像分类。利用Indian Pines、Pavia University、Salinas Scene和WHU-Hi-Han Chuan数据集对该算法进行测试,结果显示,总体分类精度分别达到99.65%、99.95%、100%和99.85%;与3D CNN算法和3D-2D CNN算法相比,训练时间和测试时间都明显降低。研究表明,所提算法能够在保证高分类精度的前提下有效地提高数据的分析速度。所提算法综合利用三种CNN对高光谱空-谱联合信息的抽象表达能力,有效促进了CNN在高光谱遥感图像分类领域中的应用。

围绕工字钢梁损伤识别问题,研制了一种新型双端固定梁结构光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,实现了工字钢梁振动响应的有效获取。在此基础上,研究了工字钢梁损伤自动识别方法,利用其对FBG振动传感器获取的振动响应进行处理。该方法采用小波包能量比变化偏差(ERVD)作为损伤特征,进而基于极限学习机(ELM)算法实现工字钢梁损伤状态识别。传感器仿真模拟和实验测试结果表明:设计的FBG振动传感器频率响应范围为10~350 Hz,在加速度响应范围为0.2g~3.0g时,灵敏度为6.7 pm/g,具有良好的线性度和横向抗干扰能力。工字钢梁损伤识别实验结果表明:所提方法对工字钢梁的损伤状态识别准确率达到96.7%,与常规的基于back propagation(BP)神经网络的损伤识别方法相比,准确率提高了3.4个百分点。

二维激光雷达广泛应用于室内障碍物检测中,而障碍物的聚类分割是环境感知中的关键技术。环境特征的复杂性和数据密度分布的不均匀性,导致传统聚类方法无法同时对不同距离、不同类型的障碍物实现良好聚类,容易发生漏检和误检。针对室内障碍物的检测需求,分析了激光雷达的数据特点和室内环境的几何特征,提出了一种改进的基于距离和障碍物特征的自适应阈值聚类分割方法,将阈值调整为随目标距离和类内密度变化的自适应参数。在基于激光雷达的智能车感知系统上进行了复杂障碍物的聚类分割实验,结果表明,相比传统方法,本方法可以明显改善不同距离、不同类型障碍物的聚类分割效果,分割准确度可达到92.23%。

煤矿的现代化建设需要实现煤矸石的智能分选。设计了一个基于多光谱图像的煤矸石检测模型,其目的是快速、准确地为智能分选提供煤矸石位置。首先,采集煤和煤矸石的多光谱数据,利用最佳指数因子理论从多光谱图像的25个波段中选择3个构成伪RGB图像。其次,设计一个轻量的检测模型,记为YOLO mg。最后,基于伪RGB图像将设计的模型用于煤矸石检测研究,并通过非极大值抑制联合置信度阈值过滤冗余边界框。实验结果显示,YOLO mg在204 pixel×204 pixel的输入分辨率下,实现了煤矸石91.91%的平均检测精度,并且115张光谱图像的检测耗时仅为1.225 s。所设计的轻量检测模型能实现煤矸石最快速的识别和定位,这对煤矸石的智能分离操作具有重要意义。

基于激光诱导击穿光谱(LIBS)对铁矿石、锰矿石和铬矿石中的Fe元素进行定量分析。由于矿石成分复杂,采取一系列的光谱预处理来降低由激光能量波动及样品不稳定烧蚀所造成的光谱波动。本文将分类和定量分析方法结合,首先通过支持向量机对光谱进行分类以避免不同类矿石间的基体效应。然后通过相关性变量筛选偏最小二乘回归分析(R-PLS)改进算法进行分析,发现三类矿石的预测集方均根误差分别降至0.975%、0.418%、0.123%,平均相对误差分别降至1.46%、6.72%和1.09%。实验结果表明,矿石分类后再进行相关性变量筛选偏最小二乘回归分析的方法可以有效提升预测准确度,为矿石成分在线检测的应用提供了可靠依据。

基于光学Tamm态(OTS)的局域场增强特性和石墨烯的电控特性,提出一种含石墨烯的金属-分布式布拉格反射镜-金属(M-DBR-M)复合结构。考虑石墨烯层对介质界面连续性的影响,基于修正的传输矩阵法建立完善的理论模型,并研究结构参数以及驱动电压对OTS特性的影响。结果表明,随着驱动电压的增大,两个OTS的本征波长均发生蓝移,当驱动电压大于石墨烯的突变电压时,本征波长发生蓝移且趋于稳定,说明可以通过电控石墨烯来实现OTS的本征波长在一定范围内动态可调;增大DBR周期数,两个OTS的本征波长分别发生红移和蓝移,说明吸收率对周期数的波动具有鲁棒性;入射端的金属层厚度在25~35 nm之间,能够实现完美吸收;出射端的金属层厚度则在70 nm处有吸收率的极大值。

提出了一个新型水基宽带超材料吸波结构,利用水在微波波段优异的电磁特性,使该结构对于入射电磁波的吸收率在8.2~78.32 GHz频段内始终保持90%以上。当电磁波的入射角度变化时,吸波器仍然具有优异的吸收性能,尤其是在横磁模式下,即使入射角度达到70°时吸收率基本仍能全部保持在90%以上;由于设计的吸波器为完全的中心对称结构,因此极化角度对其吸收特性的影响十分微弱;调整温度在0~100 ℃范围内变化时,该吸波器在整个仿真频段内几乎始终保持90%以上的高吸收率。所提出的吸波结构不仅具有宽带高吸收率特性,且具有广角入射、极化无关以及热稳定的优异性能。该吸波结构可通过3D打印技术进行制备,大大降低了制作的复杂度和成本,对于新型宽带介质吸波器的应用和发展具有十分重要的作用。

对偶极子天线加载方形开口谐振环所构成的太赫兹微结构光电导天线性能展开分析研究。在偶极子天线的基础模型上,基于耦合波理论描述微结构共振模式在入射光和微结构相互作用下振幅的动力学过程;通过调整结构参数模拟分析太赫兹波与结构间的局域耦合特性关系,仿真对比偶极子和微结构光电导天线参数与太赫兹辐射时域脉冲波形和频谱特性关系,以及偶极子天线与微结构天线辐射方向的仿真结果。研究结果表明,随着天线结构参数,如极间间隙的增大,结构间的耦合系数逐步增大,耦合强度逐渐增加,产生的局域电磁共振模式使共振频率处的电磁能量得到极大增强。调整长度、宽度和极间间隙获得最佳结构参数,使最大辐射强度提高了340%,共振峰值逐步发生频移,频率移动范围为0.2~0.8 THz。