具有低声子能量，高热导率的立方晶系倍半氧化物陶瓷是一种有潜力的铥掺杂激光材料，其常规3F4→3H6跃迁发射谱线可拓展至2.1 μm波段。综述了Tm∶Sc2O3、Tm∶Y2O3、Tm∶Lu2O3陶瓷的光谱参数和激光性能的研究进展，并指出复合结构及混晶型陶瓷是掺铥倍半氧化物陶瓷激光的未来发展方向。

主要讨论了飞秒激光等离子体通道的形成机制,综述了飞秒激光等离子体通道电磁波传输的研究现状,并将等离子体通道归结为三种,即单通道传输线、双通道传输线和圆柱形空芯波导。最后,对飞秒激光等离子体通道传输电磁能的发展趋势进行了展望。

生物散斑是一种利用激光在物体内部的折射与反射来反映其内部信息的光学无损检测技术。生物散斑成像设备和图像处理算法不断改进,应用领域也在逐步扩大;但由于干扰因素的存在,建模精度仍是研究者关注的重点。本文较为详尽地整理了散斑图像处理算法,并对生物散斑技术在水果品质检测中的应用进行调研,归纳主要的成像设备,提出改进意见,旨在为后续研究提供启发。

论述了全电介质纳米颗粒的光学性质,介绍了全电介质纳米颗粒的制备方法,分析了各种制备方法的优缺点,回顾了全电介质纳米颗粒在高折射率纳米谐振器、光学纳米天线、超材料和超表面、非线性纳米光子学等方面的应用,给出了全电介质纳米颗粒的研究重点及发展方向。

归纳并分析了超像素算法和评价指标的最新研究成果及最新应用;对比了多种超像素算法的边缘召回率、欠分割错误率和紧凑度等评价指标,分析了各自的优势和不足。当前的超像素方法在精度和效率上都有较大的提高,应用领域不断增加,但仍难以满足特殊应用领域的超像素性能要求,需要研究稳健性和适应性更好的超像素算法。

利用多物理场软件COMSOL,建立241单元变形镜模型,计算得到变形镜驱动器影响函数数据。利用基于子孔径斜率法的241单元自适应光学系统光学像差校正程序,以3~60项泽尼克多项式拟合残差的均方根值为目标,分析了变形镜结构参数对系统校正能力的影响,确定了最佳参数值,计算得到最佳参数下的变形镜耦合量为11%。在241单元自适应光学系统中哈特曼传感器与变形镜之间存在不同平移和旋转误差的条件下,分析了系统对泽尼克多项式拟合能力的影响。结果表明,平移量和旋转量分别不能超过3 mm和6°。

提出了一种基于正交频分复用(OFDM)调制的室内可见光通信指纹匹配定位算法(FMLA-OFDM)。实验表明,相比于传统的质心定位算法,所提算法平均定位精度提高了56%,定位稳定性提高了55%;随着LED水平间距的增大,所提算法定位精度明显优于基于最小二乘法模型的定位精度;相比于基于二进制启闭键控(OOK)调制方式的模型,所提算法的平均定位精度提高了17%,定位稳定性提高了21%。

研究了大气衰减、湍流、瞄准误差和空间相关性共同作用的联合效应对大气无线光多输入多输出(MIMO)系统误码率(BER)的影响。利用泊松计数模型和指数相关模型,推导了联合效应下脉冲位置调制(PPM)的最大似然检测准则;采用Wilkinson近似方法推导了大气光MIMO系统BER的上界;仿真分析了联合效应中各因素对大气光MIMO系统BER的影响。结果表明,当大气衰减确定时,空间相关性对系统BER的影响最显著,抖动误差次之,湍流影响最小;当大气衰减变化时,传输距离是影响BER的最重要因素;另外,空间分集对系统性能的改善仅在信道独立时具有较好的效果,信道相关时效果并不明显。

提出了一种基于高光谱数据简化的改进非负矩阵分解端元提取方法,通过计算和比较图像的光谱信息熵,划分图像的同质区,只选择同质区中最具代表性的像元参与非负矩阵分解运算,减少了端元提取算法的运算量。实验结果显示,数据简化前后运用非负矩阵分解算法所提取的几种矿物的光谱角均值基本相等,但数据简化后端元提取算法的运行时间减少了4/5,算法的运行效率提高。

提出了一种基于k均值(k-means)聚类的点云精简方法。与包围盒法相比,在压缩率近似相同的条件下,k-means聚类方法能较好地保留细节特征,与原始数据的稠密稀疏分布更加一致,所建模型表面更光滑。

提出了一种低参数量实时图像语义分割网络模型Atrous-squeezeseg。模型在最低参数量为2.1×10 ⁷时的运算帧率为45.3 frame/s,像素点准确度与均交并比分别可达到59.5%与62.9%。同时,嵌入式设备NVIDIA TX2的运算帧率可达8.3 frame/s。实验结果表明,相比于其他分割算法,所提模型的速度和参数量均得到了提升。

提出了一种结合深度学习的图像降噪算法。采用尺度感知边缘保护滤波器对噪声图像进行多尺度分解,利用其尺度感知和边缘保持的特性对图像噪声等小结构信息进行移除,并保持边缘细节不变;将训练好的卷积神经网络模型用于学习图像细节信息,并用于指导被尺度感知边缘保护滤波器处理后的图像进行细节恢复。结果表明,本文降噪算法能够有效降噪,并保持较好的高频信息,融合结果更利于人类视觉观察。

研究了分数阶微分及其掩模算子的特性,提出了一种新的基于局部二进制模式方差(LBPV)的分数阶微分的图像增强算法,运用LBPV理论对图像进行了特征提取,构建了更加有效的分数阶掩模模板。实验结果表明,与现有的分数阶微分图像增强算法相比,所提算法在增强图像的纹理和细节信息上具有良好的效果。

对区域的边界和物体边缘像素使用聚焦操作来计算区域显著特征,采用全局颜色显著性计算全局显著特征,基于卷积神经网络(CNN)融合区域显著特征和全局显著特征,获得最终的显著图,同时采用循环结构网络,多次参考周围环境信息,剔除噪声特点。在MSRA图像库和ECSSD图像库中测试所提算法,其平均精度和平均召回的调和平均值、平均误差均优于当前流行算法。

提出一种基于控制点一致性约束的稳健仿射迭代最近点算法,该方法通过建立控制点约束下的目标函数,引导数据点集仿射配准到目标点集,建立数据点集和目标点集的最近点对应关系,采用随机抽样一致性方法筛选高精度形状控制点,实现控制点约束下的目标函数更新仿射变换。实验结果表明,与传统的图像点集仿射配准算法相比,所提算法的准确性和稳健性显著提高。

提出一种新的点云特征检测算子——直线截距比特征检测算子。根据相邻点之间的几何关系提出直线截距比,构建了特征筛选条件函数,利用关于点距的高斯函数对特征筛选条件函数进行修正。实验结果表明,随着模型中噪声强度的增加,所提算法的特征误识别率更低。所提算法能快速、准确地筛选出特征点,且具有良好的抗噪能力和更强的特征识别能力。

利用矢量有限元法,研究了加载右手材料和左手材料的对脊重叠鳍线的传输特性,重点讨论了金属鳍的厚度对其特性的影响,同时研究了材料对主模截止波长、单模带宽、主模和第一高阶模场结构及色散特性的影响。结果表明,加载左手材料时,主模截止波长几乎都比加载右手材料时小,主模截止波长和单模带宽随加载区域的扩大呈相反的变化趋势,主模场线和第一高阶模场线在加载区域的分布形状完全相反,色散特性相似。这些数值计算结果有助于新型微波和毫米波器件的设计。

基于光子晶体谐振腔优越的选频特性,设计了一种八波长光子晶体波分复用器。利用平面波展开法得到了特定晶格排列和半径下光子晶体的能带结构,采用时域有限差分法分析了微腔耦合频率的变化规律,得出环形谐振器和微腔之间的共振耦合特性。该器件主要由4个光子晶体环形腔和8个尺寸不同的微腔组成,实现了1.37,1.39,1.42,1.44,1.50,1.51,1.53,1.55 μm等8个波长的波分解复用。结果表明,只通过调节微腔中心柱和外围介质柱的半径,就可以使8个波长从特定端口输出,且输出效率都可以达到97%以上。所设计的器件尺寸为23 μm×18 μm,具有物理尺寸小、耦合效率高等优点,在集成光学领域具有潜在的应用前景。

利用ANSYS有限元分析软件数值模拟激光熔覆过程,得到了不同工艺参数下的温度场。在与数值模拟相同条件下,在27SiMn钢表面进行激光熔覆304不锈钢实验,利用光学显微镜观察熔覆层的显微组织。结果表明,熔池内峰值温度随着激光功率的增大而增大,随着激光扫描速度的增大而减小;数值模拟与实验所得到的熔池几何尺寸基本一致;当激光功率为2500 W,扫描速度为13 mm/s时,熔覆层的晶粒细小,组织致密,熔覆层成形性最佳。

采用808 nm大功率半导体激光器巴条进行了封装实验,对影响封装质量的两个重要因素,即管炉温度和烧结时间进行了优化。结果表明,在管炉温度为650 ℃、烧结时间为100 s时,焊料层界面空洞最少,半导体激光器巴条的smile效应值最低,阈值电流最小,波长更加稳定,烧结质量最优。

提出了一种基于高斯映射的K均值方法,先对目标点进行k近邻搜索,再对由目标点及其近邻点组成的三角形集合的单位法向量进行高斯映射。选用轮廓系数作为聚类有效性指标,确定出最佳聚类数,根据不同曲面聚类分布的规律,得到三维激光点云模型的特征线。对比实验结果表明,所提方法评价指标简单易用且噪声少,可以完整高效地提取出规则点云以及不规则点云的特征线。

利用凝胶注模成型工艺将采用选择性激光烧结技术制备的多孔石墨预制体与含莫来石的陶瓷浆料进行复合,经冻干和烧结后得到了石墨/莫来石复合材料;测试分析了各试样的性能,确定了莫来石陶瓷相的合理烧结工艺。结果表明,多孔石墨预制体的开气孔率为60%,密度为0.518 g·cm ^-3,导热系数约为1.01 W·m ^-1·K ^-1,抗弯强度为1.7 MPa。烧结后莫来石的最大相对密度为80.4%,抗压强度为28.3 MPa,抗弯强度为27.5 MPa,导热系数为2.35 W·m ^-1·K ^-1。多孔石墨预制体的后处理可避免复合区域出现裂纹及两相结合不佳的现象,大幅增强了复合材料的整体性与界面结合性。

提出了一种基于机器视觉的包装袋缺陷检测方法。以冰棍包装袋缺陷检测为实例,提取了长度、宽度、面积、填充度和监测框与内部目标区域的位置关系5种特征值,经缺陷检测与分类,输出了连袋、外形尺寸错误、包装袋上有异物和包装版面移动4种缺陷类型。实验结果表明,算法缺陷识别成功率可达98.75%,满足生产过程对实时、快速、高精度的要求,已被应用于实际生产线,取得了良好效果。

提出了一种基因表达式编程寻优的色调对比度增强算法。选用多幅低照度图像作为参考图像,将该方法与自适应直方图均衡化、同态滤波、多尺度Retinex和带颜色恢复的多尺度Retinex等方法的实验结果进行了比较。所提算法的峰值信噪比、结构相似度和基于局部方差质量指数的平均值分别为25.93、0.75和0.87,均优于其他算法,在主观上亮度和对比度都更自然,更符合人眼视觉特性。该算法可广泛适用于低照度环境下的机器视觉领域。

提出了一种可将光散射信息整合到干涉相位成像系统的设计方法。建立了均质细胞、单核细胞、双核细胞模型,通过分析样品的相位分布信息快速定量提取样品的形态特征,确定了样品的亚结构特征。通过红细胞和中性粒细胞实验,指出了结合散射信息的必要性和优势。研究结果验证了所提系统的可行性,并提出了改进方向。该系统结构简单、便于操作,为细胞形态结构特征的快速无损检测提供了参考。

提出了广义拉格朗日乘子(GLM)算法、内点法和修正序列二次规划算法三种优化算法。采用像差分布合理的正-负-正-负-正镜头结构,设定合理的普适性参数,利用所提的三种方法计算获得了变焦范围为30~100 mm、恒定F数为2.8、视场角为24.421°~71.608°的全画幅变焦镜头的高斯结构,并分析对比了三种优化算法。利用实际镜组替换由GLM算法获取的高斯结构,采用全球面设计,获得了满足成像要求的全画幅变焦镜头的优化设计,三条变焦和补偿曲线均具有良好的线性度,系统调制传递函数在50 lp/mm处的平均值均大于0.1,该全球面设计为后期基于非球面优化设计提供了良好的初始结构。

提出了半径按比例依次增大的改进型并联微环阵列,研究了其滤波信道的切换和路由方法,实现了并联微环滤波信道的灵活切换和路由。利用传输矩阵法,分析了并联微环和改进型并联微环阵列的传输特性,并采用MATLAB对改进型三微环阵列滤波信道的路由方法进行了分析。结果表明,当相邻的两个微环满足相消干涉条件时,滤波信道关闭,对应波长的光不能通过;当两个相邻微环满足相长干涉条件时,滤波信道打开,对应波长的光可以通过。设计了由4个改进型微环阵列构成的2×2路由器。

提出了一种双帧数模融合扫描策略,优化了数字脉宽调制部分。设计了一种硅基有机发光二极管(OLED)微显示器驱动电路,该电路包括像素驱动电路,在帧频为60 Hz、灰度等级为256、分辨率为1920 pixel×3 pixel×1080 pixel的条件下,扫描效率可达99.22%,数据传输频率降低至23.328 MHz。结果表明,该像素驱动电路可有效减少漏电流,保证灰度精度,降低最小电流,并提高硅基OLED微显示器的对比度。

提出了一种利用电磁超表面实现Ku波段(12~18 GHz)的低剖面反射型线性极化转换表面,该表面能对Ku波段的线极化电磁波进行正交极化旋转。给出了极化转换表面的设计原理,并对极化转换表面工作的物理原理进行了解释,通过仿真确定了极化转换表面谐振点的位置。测试结果表明,该线性极化转换表面在工作频带内可以实现80%以上的转换效率,具有转换效率高、尺寸小、厚度薄和结构简单等优点。

利用自组装的数字全息表面等离子体共振成像技术,分别检测了两种具有不同分子质量的桃胶多糖(PGP-1与PGP-2)与半乳糖凝集素-3的相互作用。制备了表面等离子体共振成像生物芯片,同时检测了具有不同浓度的桃胶多糖样品与半乳糖凝集素-3的结合过程,制作了标准曲线,并计算了相互作用的结合平衡常数。结果表明,两种具有不同分子质量的桃胶多糖可以直接结合半乳糖凝集素-3,其中PGP-1的结合平衡常数为8.36×10 ⁵ M ^-,PGP-2的结合平衡常数为1.24×10 ⁵ M ^-。结合曲线符合生物分子相互作用的规律,证明了该方法在多通量生物检测中的可行性。该方法实验装置简单、易操作、无需标记、成本低,在高通量分析技术中具有一定的应用前景。

基于色散位移光纤中的自发四波混频过程,制备了具备光学输出以及电子辅助信号输出的1550 nm通讯波段便携式偏振纠缠量子光源,标准单模光纤端口可输出信号波长和闲置波长分别为1558.17 nm和1548.51 nm的偏振纠缠光子对,同轴电缆端口可输出用于单光子探测器和数据采集系统的经延时调谐和分频的电信号。结果表明,当单通道光子产生率约为0.0007 pair/pulse时,符合计数率与随机符合计数率之比可达22.8;偏振纠缠干涉条纹可见度为87%。