为了解决在激光加工中大尺寸多盲孔的网点加工件定位困难的问题, 用工业相机拍摄局部图片, 根据网点中盲孔的结构特征和分布特点, 采用最小二乘法拟合圆的方法检测局部图片中的盲孔, 使用邻域特征的方法寻找网点中的特征点, 并利用特征点匹配实现局部定位整体,从而实现了加工件的精确和高效定位。结果表明, 邻域特征法对网点中盲孔的定位精度为0.02mm, 实现了对盲孔的有效定位, 解决了网点加工件定位困难的问题。该研究为在盲孔中完成激光加工等后续研究提供了基础。

为了满足军用远程激光测距机对小体积高峰值功率固体激光器的应用需求, 采用短腔长、正交偏振电光调Q技术, 设计了小型风冷LD抽运Nd∶YAG固体激光器, 并对样机进行了实验验证。结果表明,激光器重量630g、重频20Hz、输出能量85mJ、脉冲宽度3.9ns、激光峰值功率21.8MW、束散角1.9mrad, 满足了小型化和高峰值功率的要求。该激光器具备较强环境适应性, 目前已实现工程化应用。

为了在复合肥生产中对其成分进行快速检测, 达到指导生产的目的, 采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)与支持向量机(SVM)方法结合对复合肥中磷(P)元素进行定量分析。实验中选取磷元素的P Ⅰ 213.5nm, P Ⅰ 214.9nm和P Ⅰ 215.4nm 3条特征谱线对58个复合肥样品进行分析。采用随机选择法将58个样品划分为训练集(43个样本)和测试集(15个样本), 用网格搜索法对复合肥中P元素的定量分析模型进行参量寻优, 构建了SVM分析模型。结果表明, 所建立的训练集定标模型的相关系数R2=0.981, 说明训练集的参考值和预测值的相关性较高; 测试集中验证样本P元素的参考值与预测值的相关系数R2=0.992, 均方误差为4.95×10-5 , 说明所构建的SVM模型的适用性较强; 训练集的平均绝对误差和相对误差分别为5.9×10-4和3.99×10-3; 测试集的平均绝对误差和相对误差分别为5.6×10-4和3.28×10-3。将SVM算法与 LIBS技术结合可实现复合肥中磷元素的快速检测, 这为复合肥中元素含量快速检测提供了参考。

研究相位敏感光时域反射仪振动检测时, 高功率激光脉冲的入射使得光电探测器产生饱和现象而导致光纤前端振动传感不敏感, 低功率又满足不了远距离检测的需求。 为了解决这一问题, 采用一种新型传感结构的方法进行了理论分析和实验验证。根据入射功率的高低对光纤分段检测, 通过相应的数据处理, 实现了光纤振动全程敏感的结果。同时, 为了进一步提高该系统的振动灵敏度和信噪比, 对比分析了雪崩二极管检测与利用低噪声光电二极管检测的结果, 并比较了声光调制器与半导体光放大器的实验效果。结果表明, 当测量距离为38km时, 相比雪崩二极管检测, 利用低噪声光电二极管与掺铒光纤放大器有更高的信噪比; 相比声光调制器, 利用半导体光放大器能得到更高信噪比。该新型传感结构为光纤传感器领域的科学研究和工程应用提供了很好的参考。

金属-石墨烯光子晶体-金属复合结构可实现多带吸收。为了解该复合结构的吸收特性, 采用传输矩阵法, 研究了可见光波段结构参量对其多带吸收特性的影响。结果表明, 各吸收带的中心波长与石墨烯化学势的大小无关; 吸收带的个数与石墨烯光子晶体周期单元个数及电介质层的光学厚度有关; 周期单元数越大, 介质层光学厚度越大, 吸收带的个数就越多; 两金属层的厚度对吸收特性的影响存在差异, 要使光吸收率尽可能高, 衬底一侧的金属层要尽可能厚, 入射空间一侧的金属层的厚度则存在一个最优值; 垂直入射时合理选择相关参量, 各主要吸收峰可有90%以上的吸收率。此研究结果为研制基于石墨烯的多带光吸收器提供了参考。

为了提高条纹投影动态3-D形貌测量精度, 采用加窗傅里叶分析辅助相移的方法来减小运动导致的相移误差。首先采用加窗傅里叶分析法估计变形条纹间的实际相移量, 然后采用最小二乘法估计出变形条纹的高精度相位分布, 最后由估计的相位计算得到场景3维形貌。理论分析了物体运动对相移量的影响, 通过仿真研究了所提方法的相移量估计精度, 并搭建了实验系统进行验证。结果表明, 实验中采用所提方法的相位恢复精度达到0.1673rad, 比现有方法有明显提高。该方法用来提高条纹投影动态3-D形貌测量中相位精度是有效的。

为了探究激光直接金属沉积316L不锈钢的表面粉末粘附工艺规律, 利用高速摄像机分析粉末粘附类型,采用单因素试验的方法, 定量研究了单道多层沉积中的送粉速率、送粉气流量和线能量密度对粉末粘附的影响规律。结果表明, 粉末粘附主要包括熔池熔液逸出和未熔粉末粘附两种类型; 随着送粉速率的增加和送粉气流量的减小, 薄壁件侧表面粉末粘附程度增加, 而粉末粘附程度则对激光线能量密度的变化不敏感;激光功率700W、扫描速率700mm/min、送粉量13.54g/min、送粉气流量14L/min、离焦量+22mm时, 激光直接金属沉积薄壁件表面粉末粘附较少。研究结果能够成为改善316L不锈钢增材制件表面质量的重要依据。

为了获得X射线范围内的阿秒脉冲, 采用紫外-啁啾组合激光束产生高强度谐波光谱和阿秒脉冲的方法, 进行了理论分析。结果表明, 当引入正向啁啾参量时, 虽然谐波截止能量有微小延伸, 但是谐波辐射效率明显下降; 当引入负向啁啾参量时, 不仅谐波截止能量得到延伸, 并且谐波辐射效率比正向啁啾条件下有所增强; 将一束125nm的紫外光源引入到啁啾激光下, 由于共振增强电离的影响, 谐波辐射效率有明显增强, 在紫外-正向啁啾驱动下, 不仅谐波辐射强度被增强25倍, 而且谐波截止能量得到延伸, 形成了一个382eV的平台区, 在紫外-负向啁啾驱动下, 虽然谐波截止能量没有明显变化, 但是谐波辐射效率有110倍的提高, 进而形成一个410eV的平台区; 通过叠加组合场下的谐波, 可获得一系列70as以内的单个阿秒脉冲。该研究对阿秒科学的发展是有帮助的。

为了提高高光谱遥感技术的分析精度, 利用标量衍射理论, 对矩形光栅局部结构误差的衍射效率进行了分析, 并计算了光栅局部周期和缝宽误差对衍射效率的影响。结果表明, 当加工误差使得光栅局部缝宽变大时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变小, 这一误差对±1级处的衍射光强影响相对较小, 随着误差的增加, 越高的衍射级次其光强下降得越快; 而当加工误差使得光栅局部缝宽变小时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变大, 同样, 当误差变大时, 相对±1级的衍射光受到的影响而言, 级次越高对应的主极大衍射光强增大得越快。该研究对于加工矩形光栅减小局部周期和缝宽误差控制提供了参考。

为了研究光差分相移键控(DPSK)调制格式在光纤高速传输系统中的色散补偿, 利用色散补偿光纤(DCF)的色散补偿原理, 对40Gbit/s光纤传输系统进行色散补偿, 分析了40Gbit/s单通道光纤传输系统中3种DPSK调制格式信号的频谱特性; 仿真了3种码型的色散容忍度以及3种调制格式在考虑光纤的非线性下的色散补偿方案。结果表明, 光非归零码差分相移键控(NRZ-DPSK)信号具有最好的色散容忍度, 但其受非线性的影响比较大; 33%归零码差分相移键控(33%RZ-DPSK)信号的色散容忍度差, 但其色散补偿后的效果优于NRZ-DPSK; 而载波抑制归零码差分相移键控信号对色散和非线性效应都有较好的抑制; 3种DPSK调制格式均在对称补偿2方案中色散补偿的效果最佳。此仿真研究对光DPSK信号在光纤中的色散补偿具有参考意义。

为了获得结构简单、成本相对低廉的高功率780nm激光, 采用了单块倍频晶体的腔外倍频方法。分布式反馈半导体激光器产生的连续激光注入光纤放大器后, 通过周期极化铌酸锂晶体进行准相位匹配, 取得了铷原子的饱和吸收光谱。结果表明, 该激光器产生了1.2W的倍频光, 具有较高的输出功率。这一结果对铷原子钟、原子干涉仪等冷原子物理实验的小型化是有帮助的。

为了使激光器能够稳定工作, 设计并实现了一个控制速度快、精度高, 并且可调谐的温度控制系统。该系统使用ATmega328P为处理器, 通过粒子群算法自整定比例-积分-微分(PID)系数, 采用闭环负反馈的PID结构实现对激光器的温度控制。结果表明, 在本系统控制下, 激光器能在15s左右达到目标温度, 且到达目标温度后温度误差约为±0.01℃, 并可保持较长时间, 激光器输出功率波动很小, 方差仅为568.49μW。该系统对蝶形封装激光器的温度可以实现有效的温度控制。

为了解决分布式反馈激光器的光发射次模块耦合封装中存在最大耦合效率局限的问题,采用楔形截顶光纤微透镜代替分立式透镜的直接耦合的方法, 得到斜面倾角0.6rad、耦合距离60μm、半宽度15μm的楔形截顶光纤端面模型。在此基础上与分立式和直接耦合进行对比, 讨论了纵向、横向和角度偏移误差。结果表明, 纵向耦合距离在-21.45μm~56.79μm, 角向耦合角度在-8.3°~8.5°, 耦合效率始终大于70%;结构整体容忍度较高, 耦合效率达84.40%。该研究可为下一代分布式反馈激光器的次发射模块耦合封装器件提供新的解决方案。

为了解决卷积神经网络在进行连续行人检测时, 检测行人速度较慢, 达不到实时性要求的问题, 采用基于历史信息的区域卷积神经网络行人检测算法, 利用前一幅图像中的检测结果对当前图像的检测过程进行优化, 将前一帧的检测结果作为对当前帧提取推荐区域的参考信息, 并使用当前帧与前一帧的灰度值差异图对当前图像的卷积特征进行过滤, 以缩小滑动窗口检测时的搜索区域。在加州理工学院行人检测数据集上进行了检测实验。结果表明, 结合历史信息的算法与先进的算法相比检测速度提升了2.5倍, 同时检测准确率提升了1.5%。该算法实现了实时行人检测, 设计的网络能有效检测小目标行人。

为了实现大规模2维相控阵天线的光学真时延系统, 采用基于硅基光子学的二进制硅基集成二进制光延迟线技术, 提出一种2维相控阵(N×N)真时延网络, 利用2维相控阵结构的对称性以及行延迟和列延迟的独立控制, 真时延网络的复杂度可以降低至(N-1)/2(N为奇数)或N/2(N为偶数)。理论分析了该时延控制方案和集成时延芯片的设计,以8×8的2维相控阵为例, 设计实现了包含4种硅基二进制时延线的真时延芯片, 测量了该芯片的时延量, 并针对测量的时延量仿真分析了2维相控阵天线的波束扫描特性。结果表明, 该真时延网络能够满足相控阵天线波束指向要求(角度误差小于0.5°);集成光学技术的采用减小系统的体积和成本。该研究为大规模2维相控阵天线的真时延网络实现提供了一种可行的方法。

为了实现锁模光纤激光器的波长可调谐, 采用半导体可饱和吸收镜(SESAM), 搭建了环形腔被动锁模掺镱光纤激光器。在腔内无偏振控制器及可调谐滤波器等器件的前提下, 通过改变光纤跳线端面至SESAM的距离, 实现光谱在1029.5nm~1042.7nm之间的稳定可调谐, 基频重复频率为18.0MHz, 脉冲宽度为130ps, 锁模脉冲信噪比达44dB。结果表明, 该锁模光纤激光器具有较高的信噪比及较宽的可调谐范围。该研究为可调谐被动锁模光纤激光器的研制提供了重要的参考价值。

为了实现基于光纤光谱技术结合模式识别无损检测苹果表面疤痕, 利用光纤光谱采集系统采集了完好无损和表面有疤痕苹果的光谱数据, 采用标准正态变换(SNV)和1阶导数对原始光谱数据进行预处理; 利用主成分分析方法对预处理后的光谱数据进行降维, 以提取能反映苹果表面疤痕的特征光谱; 利用k最近邻(KNN)模式识别方法和偏最小二乘判别分析方法, 建立了苹果表面疤痕的识别模型。结果表明, 采用主成分分析法选择了累计贡献率超过99%的前8个主成分作为样本集特征光谱数据, 很好地实现了光谱数据的降维; 利用1阶导数+KNN识别模型对校正集以及SNV+KNN识别模型对预测集中正常果和疤痕果的正确率识别均高达96.0%。验证了基于光纤光谱技术结合模式识别方法无损检测苹果表面疤痕的可行性。

为了提升激光技术在色素性疾病治疗等生物医学应用效果, 研制了一种1064nm, 532nm, 570nm三波长激光器。采用电光调Q Nd∶YAG激光器获得最窄脉宽为11ns的1064nm脉冲激光输出, 使用磷酸氧钛钾(KTP)非线性晶体对基频光腔外倍频获得532nm激光输出; 以固体染料块为激光增益介质, 倍频光为抽运光, 可获得中心波长为570nm的黄光输出, 光光转换效率为61.3%。结果表明, 通过改变氙灯注入电压, 可以调节1064nm激光脉冲输出特性; 增加固体染料激光器腔长, 可以调节染料激光输出光谱特性。该研究结果对激光器灵活应用具有重要意义。

传统无线通信的方式在电磁敏感场景下难免会对信号造成干扰, 为了不影响通信系统的稳定性与可靠性, 结合可见光具有对电磁不敏感的特性, 搭建了以可见光作为信息载体在电磁敏感环境下实现兼顾照明的智慧系统。首先采用以0.5m×0.5m×0.3m的立体空间作为房间模型、对室内光源布局进行合理的布局优化方法, 使其达到国际化室内照明标准;其次设计了系统的上下行链路以及信号帧结构, 实现了稳定的信息传输; 最后搭建了系统的实物模型, 并对系统进行了调试。结果表明, 本系统可稳定地实现照明及室内环境参量的实时监控与数据传输, 误比特率低于10-6, 能够稳定通信10h以上。该研究为大场景的布设参量提供了参考。

为了充分利用连续视觉图像中3维空间信息, 解决无人机自主降落过程中的定位问题, 在稠密3维点云法和光流法定位原理的基础上, 提出了基于同物不同时图像像空间的定位方法。以理论推算、图形注释等方式, 通过求解单个像素点和整个图像移动变化情况, 将连续帧图像的形变、量变信息分解为无人机和参照物的空间相对运动信息, 并结合已知的参照物运动参量, 推算了无人机飞行位姿信息, 完成了无人机基于光学视觉图像的空间定位方法研究。结果表明, 该研究为视觉系统在无人机降落回收过程中独立实现空间定位提供了一定的借鉴和参考。

为了准确测量高温下逃逸氨的体积分数, 采用可调谐半导体激光吸收光谱技术、波长调制光谱技术(WMS)和长光程技术, 开发了一套高温小型化的逃逸氨气测量仪; 为了减小逃逸氨气的吸附效应和提高探测灵敏度, 研制了新型高温长光程样品吸收池。在前期研制的激光驱动模块基础上, 采用74HC4046锁相环芯片作为可调正弦调制信号源, 以EPM7064为移相和倍频逻辑控制芯片, 同时采用两片AD630作为一次解调(WMS-1f)和二次解调(WMS-2f)同步解调乘法器, 实现了吸收信号的1f和2f同步解调。此外, 以STM32F429为主控制器, 将解调滤波后的信号输入到AD7606进行模数转换, 并进行数字滤波和体积分数的反演。结果表明, 氨气体积分数与WMS-1f幅值、WMS-2f幅值以及同步解调WMS-2f/WMS-1f归一化幅度值的线性拟合系数分别为0.998, 0.997以及0.998;Allen方差表明在优化时间228s时, 其测量的体积分数最低为0.496×10-6, 在体积分数为20×10-6~100×10-6范围内测量误差小于±2%。该测量仪可以为燃煤电厂氨逃逸的高温测量提供高精度的原始数据。

雾化场粒径测量对于测试和评价喷雾性能意义重大, 总结分析光学粒径测量技术手段十分重要。介绍了喷雾的基本原理及粒径数学表征; 论述了喷雾场测试中主流及新兴的粒径光学测试方法如光散射、平面结构光照明、相位多普勒分析仪、激光全息技术、双光谱成像等方法的原理及特点, 列举了这些测试方法的典型应用场合。针对喷雾场测试中存在的问题分别进行总结评述并进行对比分析, 对喷雾场粒径测量中如何恰当选取测试方法给出具体的参考建议。

为了减缓银颗粒氧化从而提高稳定性并维持高信号强度, 采用石墨烯包裹银颗粒, 利用超薄的石墨烯来减缓银颗粒氧化的速度的方法进行了试验研究。试验中, 基底在放置一个月后仍能检测到浓度低至10-11mol/L的R6G溶液。结果表明, 石墨烯的存在使得石墨烯/银颗粒复合结构兼具电磁增强机制和化学增强机制, 提高了基底的检测灵敏度; 基底的增强效果随时间的衰减速度下降了近1倍, 提高了喇曼基底的稳定性。该方法经济简捷, 可以广泛适用于各种银基喇曼基底, 并且不会对基底原本的结构造成破坏。

为了提高遥感图像空间域重建质量, 采用改进凸集投影(POCS)算法的点扩散函数, 提出了一种改进的POCS超分辨率重建算法。首先给出POCS算法基本原理以及具体实现步骤, 在此基础上对算法做出改进, 即对待重建的高分辨初始帧进行边缘检测, 对检测到的边缘像素点应用改进的点扩散函数(PSF), 使边缘处像素点对应的PSF水平方向与垂直方向系数依据边缘斜率变化而设置不同的权重; 最后分别采用两组数据集对改进POCS算法的有效性进行验证。结果表明, 该改进的POCS算法有效地提高了图像重建的效果, 两组实验平均绝对误差效果分别提升了0.79%和0.26%, 达到了提高图像重建质量的目的。该算法具有较好的实际应用价值。

为了研究CN自由基B2Σ+~X2Σ+光谱及温度随着条件的变化规律, 采用激光诱导击穿光谱的方法, 击穿空气环境下的高纯石墨产生CN自由基, 并用高分辨率光谱仪测量其B2Σ+~X2Σ+的发射光谱, 改变激光能量和激光焦点位置研究不同条件下的CN自由基光谱。结果表明, 激光能量从30mJ调谐到50mJ, 增加步长为5mJ, 光谱强度随着激光能量的增大变强; 单脉冲能量为50mJ时光谱强度达到最大值; 此外, 测量光谱在样品上表面到焦点距离为8mm时, 信噪比达到最大值; 利用LIFBASE软件对光谱数据进行拟合, 得出CN自由基的振动温度的量级约为104K, 转动温度约为4000K; CN自由基的振动温度随着距离的增加整体呈现下降的趋势, 而转动温度呈现上升的趋势。这些结果对研究宇宙星体和探索高温化学反应有重要作用。

为了优化高功率板条激光器的光束质量, 采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法,针对半导体侧面抽运板条激光器, 测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距, 建立了热透镜等效模型, 并以平-平腔为参考, 设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器, 扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量, 并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明, 当平-凹腔的腔长为370mm时, 输出功率为59.9W, 水平方向M2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9, 竖直方向M2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。

飞秒激光脉冲在传输过程中, 克尔自聚焦和等离子体散焦相互作用形成了长距离的自导光通道, 该过程称为飞秒激光成丝。飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射为燃烧诊断提供了新的可能性, 为理解燃烧过程、提高燃烧效率和减少污染物的产生提供了有用的信息。针对飞秒激光成丝诱导的荧光辐射在燃烧诊断中的应用, 介绍了飞秒激光在火焰中的传输特性以及成丝动力学过程, 陈述了飞秒激光成丝诱导非线性光谱的机理及其在高温燃烧场诊断应用中的研究现状和进展, 探讨了当前飞秒激光成丝在该领域所面临的挑战和应用前景。