基于相干瑞利散射的分布式光纤声波传感(DAS)技术可以实时获取光纤沿线各位置的振动和声场信息,具有传感范围大、时空精度高等独特优势,近年来得到了多个领域研究学者的广泛关注。论述了DAS的基本传感机理,概述了相干衰落抑制、响应带宽与空间分辨率提升等关键科学技术问题的研究进展,介绍了DAS在安防、铁路等领域的应用进展,并针对DAS技术未来可能的发展方向进行了评述与展望。

同轴送粉喷嘴是激光金属增材制造系统装备的核心部件之一,直接影响着激光增材制造零件的成形精度及性能。因其重要性,国内外学者们已开发出多种新型送粉喷嘴。简要从“光外送粉”和“光内送粉”两种光粉相对位置不同的送粉方式概括了国内外对同轴送粉喷嘴的研究,并从激光束和粉末束是否可变焦的角度进行了分析,指明了现有同轴送粉喷嘴的特点,对未来同轴送粉喷嘴的发展进行了展望。

激光金属增材制造通过金属材料快速熔化、凝固并逐层堆积的方式实现金属零件的近净成形。成形过程中温度梯度大,在零件内产生热应力和热变形,导致冶金缺陷以及显微组织性能退化,因此温度场检测、分析与控制一直是金属增材制造的关键问题。为此,综述了国内外增材制造温度场的有限元仿真分析,基于红外热像仪和高温计等仪器的成形表面、熔池温度在线检测分析,成形温度闭环控制与基板预热控制等方面的研究进展,比较了现有的增材制造温度场检测、分析与控制技术的优缺点,并分析了未来的发展趋势。

基于光纤传输的时频同步技术具有高精度、高稳定性和低损耗的优点。近年来光纤时频同步技术发展迅速,新方法、新技术和新应用不断涌现,具有很强的**应用需求和民用推广前景,系统梳理其发展现状、客观审视其未来发展趋势很有必要。在明确光纤时频同步技术原理与技术特点的基础上,分别介绍了光纤时间同步、频率同步、网络化同步等主要技术的现状,指出地基时频网络建设的重难点。对制约光纤时频同步技术实用化的问题进行了分析,认为商用网络中的远距离高精度传递是限制光纤时频同步技术的难点,也是后续研究需要重点解决的问题。

激光脱漆作为一种绿色、高效的新型脱漆技术,在制造和维修领域具有广泛的应用前景,正在逐步取代传统的脱漆工艺而发展成为最先进的物理脱漆方式。介绍了激光脱漆技术的原理,综述了基于不同激光器的激光脱漆技术的国内外研究进展,并对激光脱漆技术的发展前景进行了展望。

2 μm波段单频脉冲激光是用于大气风场及大气CO2浓度探测激光雷达的核心光源,根据不同的应用需求,系统阐述了2 μm波段连续单频激光器、高重复频率脉冲激光器、低重复频率脉冲激光器的研究历程,并着重分析了各自的技术特点,最后对单频2 μm波段全固态激光器的发展趋势作了展望。

光频域反射计(OFDR)作为分布式光纤传感(DOFS)领域的重要分支,具有高灵敏度和高空间分辨率等优势,是近年来该领域的研究热点。介绍了OFDR的原理及关键技术,系统综述了高空间性能光频域反射计及远程光频域反射计近年来国内外的研究进展,分析了OFDR在不同领域的最新应用,并对不同OFDR的特点进行总结。

涡旋光束具有携带轨道角动量的独特性质,在光学操纵、光学通信、量子光学等领域具有广阔的应用前景。将时域调控技术与涡旋光束相结合产生超短涡旋脉冲,对于极端强场条件下的物理实验研究以及超快非线性光谱、精密激光材料的加工等领域的研究具有重要意义。对近年来国内外超短涡旋脉冲产生方法的研究进展进行了调研,综述了超短涡旋脉冲的主要产生方法,并对各个方法的优势与不足进行了对比分析。

大气环境严重影响了自由空间光通信系统的性能。考虑到天气环境、大气湍流以及指向性误差等因素对激光通信的影响,建立了联合信道统计模型,并利用Meijer-G函数推导出基于开关键控调制的自由空间光通信系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率等性能参数及其闭合表达式。在不同类型的M湍流、不同的归一化指向性误差以及能见度为5 km和20 km天气的联合信道条件下,对系统性能参数进行仿真与分析。结果表明:指向性误差越小,通信系统性能参数受湍流影响越大;指向性误差越大,越可能存在最佳光束发散角使得通信系统达到最佳性能。

为解决光纤干涉仪输出条纹可见度受单模光纤双折射效应引起的偏振衰落影响,提出一种消除偏振衰落的简单方法,该方法可同时实现光纤干涉仪传感器的空间点探测。设计一种内置旋转角度为45°的法拉第旋光器的传感探头,将其与旋转角度为45°的法拉第旋转镜分别加在Michelson光纤干涉仪的两端。对干涉仪系统进行了理论计算分析,在外界环境变化和偏振控制器改变条件下进行干涉仪可见度测量实验。结果表明:该方法在对外界进行点探测的同时能够有效克服光纤干涉仪的偏振衰落,得到了变化小于0.9% 的干涉稳定度。

针对目前光子晶体光纤传感器存在对模间干涉敏感、难以封装等问题,搭建了一种基于光载微波干涉的光子晶体光纤传感系统。系统干涉发生在光载波的微波包络之间,光不发生干涉,光波的偏振衰落、色散、模间干涉等对系统的信号质量影响很小,因此不需要对系统中光子晶体光纤进行特殊处理,且该系统对加工精度要求较低。分别对系统进行了应变与高温传感实验。应变实验结果表明:微波域干涉条纹可见度为20 dB,8 GHz处应变测量灵敏度为6.3 kHz/με,微应变测量分辨率可达1.59 με。温度实验结果表明:系统在室温到800 ℃温度范围内的温度测量灵敏度为76.04 kHz/℃,理论上温度测量分辨率可达0.13 ℃,通过多组长度探头的温度实验证明系统具有良好的温度灵敏度与稳定性。

研究了一种用于塑料光纤阵列等距V形槽散射点加工方法。提出一种重力微压刀刻技术,理论分析了散射点光散射率与提供重力的砝码质量的关系。结果表明:V形槽散射点的光散射率随砝码质量的增大呈3/2幂指数增加。通过建立等距散射点均匀发光模型,理论推导了加工时各散射点所需的砝码质量计算公式。实验验证了V形槽散射点的光散射率与砝码质量的关系并得到了它们的关系曲线。采用通过砝码质量计算公式得到的参数,制作了亮度均匀度高于85%的单根等距散射点侧面发光塑料光纤,以及尺寸为180 mm×101 mm的等距散射点塑料光纤阵列背光板,亮度均匀度为90.9%。实验结果证明了重力微压刀刻技术制备塑料光纤阵列等距V形槽散射点的可行性。

提出了一种结合独立分量分析(ICA)算法的投影栅相位法,用于实现强反射表面三维形貌的测量。分析了强反射表面的反射光(主要由镜面反射光以及漫反射光组成)的模型及其特点。针对镜面反射光的偏振特性,通过在CCD摄像机镜头前加装偏振片,可以对镜面反射光进行初步的滤除。同时旋转偏振片,以获得不同角度下的偏振图像。利用反射光模型并结合独立分量分析算法,将镜面反射光分量以及漫反射光分量进行分离。最后使用漫反射光分量图像对物体进行三维重建。实测了一块表面光滑的铝合金工件,验证了该方法的可行性。

相位偏折测量系统的标定是影响其测量精度的重要因素。针对立体相位偏折测量系统中显示屏和相机位姿关系标定困难的问题,研究了一种新的系统标定方法。通过在显示屏上构造特征点,引入摄影测量系统作为显示屏坐标系与相机坐标系的转换中介,实现了显示屏坐标系与相机坐标系转换关系的高精度标定。搭建立体偏折系统进行标定精度验证,得到的重建表面平面度结果小于1 μm,这证明了本标定方法的可行性和有效性。

大气中二氧化硫(SO2)浓度很低,发出的荧光信号很弱,直接影响了SO2浓度的检测精度,并且传统荧光采集光路长,这阻碍了仪器的微型化发展。为提高荧光信号的采集效率以及仪器的检测精度,缩短传统光路,针对荧光随机性发散分布特征,利用ZEMAX软件进行痕量SO2荧光信号采集光路的设计,并与传统荧光采集光路进行对比仿真分析。仿真结果表明:优化后的荧光采集光路对荧光的采集效率约为22.6%,比传统荧光采集光路的采集效率高4倍,透镜组的像方主点到最佳采集点的距离减少了29.17%。优化后的光路有利于进一步实现已有大气痕量硫检测仪器的小型化改进与检测精度的提高。

针对接触式测量高铁机车静态限界效率低、精度低、耗时长、劳动强度大等问题,基于回转射线簇测量的原理,研制出新型的高铁静态限界二维扫描传感器。传感器安装在运动导轨上,可实现静态限界的高效自动化测量。借助高精度大理石平面对传感器进行标定,建立测量系统的坐标系,结合外部标定,将传感器测量结果转换到轨道坐标系下的三维坐标,从而得到高铁的静态限界测量数据。实验验证,该传感器精度优于1 mm,满足了静态限界测量的需求。

对平行于长边和平行于短边的两种“Z”形扫描路径进行有限元仿真。综合考虑热传导、热对流、热辐射效应和温度对合金粉末材料热物性参数和相变潜热的影响,建立瞬态选区激光熔化(SLM)温度场有限元模型并与实验测得的残余应力数据和金相图进行对比。结果表明:在SLM过程中,短边扫描形成的温度场更均匀,温度标准差和温度梯度更小,成形件的残余应力和孔隙更小;在扫描过程中,扫描区域边界点的温度梯度大于扫描区域中点的温度梯度,残余应力峰值出现在成形件边界处;通过预热基板,可以使温度场更均匀,减少温度标准差和温度梯度,达到减小成形件残余应力和孔隙的目的,提高成形质量。研究扫描路径对温度场的影响,可为提高SLM技术水平提供参考。

使用5 W红外飞秒激光器对牙科全瓷修复中常用的玻璃陶瓷材料VITA MARK II进行铣削加工实验,系统研究超快激光加工工艺参数对铣削效率以及铣削效果的影响,并利用5 W红外飞秒激光器实验结果对20 W红外飞秒激光器铣削效率进行模拟预估。实验结果表明,在激光重复频率为100 kHz,扫描速度为200 mm/s,扫描间距为0.01 mm的条件下,5 W红外飞秒激光器对VITA MARK II陶瓷的铣削效率最高,为0.0409 mm 3/s。加工后的VITA MARK II陶瓷粗糙度为3~5 μm,崩边量在50 μm以内,斜坡量在100 μm以内。该牙科玻璃陶瓷的激光切割阈值约为0.72 J/cm 2。推算出20 W红外飞秒激光器对VITA MARK II陶瓷的铣削效率为0.1558 mm 3/s。上述实验论证了5 W激光切割牙科玻璃陶瓷的可行性及有效性,可为20 W红外飞秒激光铣削实验样机的搭建提供参考。

对采用选区激光熔化(SLM)技术打印316L不锈钢进行数值模拟,并研究了零件在水平面内的摆放角度和竖直面内的倾斜角度对SLM过程热力行为的影响。研究结果表明:对尺寸为50 mm×5 mm×10 mm的长条形加工零件采用短直线的扫描策略,在零件摆放的水平面内,当长边与刮刀之间的夹角为45°时,由热应力产生的形变量最小;在竖直面内,零件与垂直方向的夹角为15°时产生的形变量最小;零件在基板上和取下后的形变量会产生较大的差异,取下后形变量将增大70%左右。

提出一种新的加载区域设置方法——面嵌入式加载区域设置方法,阐述其设置原理和操作步骤,并与现有的加载区域设置方法进行比较,最后进行实验验证。研究结果表明:面嵌入式加载区域设置方法所得加载区域可以更好地拟合实际问题中的光斑形状和大小,其精确性不以牺牲零件模型网格质量为代价,同时,该方法在多点冲击中可以通过加载区域的平移及复制实现多个冲击面加载,大大缩短建模过程中的加载区域设置时间,提高建模效率及模拟精度,是一种高效的精密加载区域设置方法。

采用选区激光熔化(SLM)技术制备了GH4169冲击韧性试样,并对其微观组织进行观察。结果表明:在优选的SLM工艺参数范围内,成形试样中定向凝固的细化柱状晶组织均匀排列,在功率P=260 W、扫描速度ν=0.9 m/s的条件下,GH4169试样的室温韧性值为43.9 J/cm 2,且随着激光功率和扫描速度的增大,冲击韧性值不断降低,冲击试样断口有明显的穿晶断裂特征。

利用IPG YLS-6000光纤激光器对厚度为1.6 mm的QP1180高强钢进行激光焊接,研究了不同热输入(14~36 J/mm)对激光焊接接头组织及性能的影响。研究结果表明,热输入值达到21 J/mm及以上时可获得全熔透焊接接头,且随着热输入值的增加,熔宽逐渐增大。焊接接头存在软化区,但软化程度较低(≤10.1%)。焊接接头软化区受两侧强化相的约束,导致完全熔透焊接接头拉伸后断裂在母材处,强度与母材相当。杯突试验中,热输值入为21~36 J/mm时,焊接试样开裂位置垂直于焊缝失效,三种全熔透焊接接头的杯突值均达到了母材的70%。激光焊接热输入值控制在21~36 J/mm,可保证全熔透焊缝性能满足工业化应用要求。

利用视网膜功能测量仪对眼底进行结构成像来直接观察体内丰富的循环系统,并对视网膜的血氧饱和度及血管直径进行无创、定量的功能性成像测量。对糖尿病患者和健康人群进行视网膜功能成像并作定量比较分析,结果表明,在糖尿病患者中,视网膜动脉血氧饱和度相比健康人群有显著性提高,视网膜动静脉血氧饱和度差值有显著性增大,视网膜黄斑中心凹无灌注区面积也有显著增大。此外,在糖尿病患者和健康人群中,视网膜动静脉的直径均存在差异,且静脉直径总大于动脉直径。研究结果表明通过视网膜功能成像可以检测糖尿病患者的视网膜氧代谢和灌注率等参数的临床变化,帮助医生更好地观察、评估糖尿病患者视网膜微血管的病理改变,并在糖尿病患者眼科并发症的早期诊断和预后评估方面具有一定的应用潜力。

对两艾里-高斯光束在一维非局域非线性缺陷晶格中的相互作用进行数值研究,并分别讨论了非线性非局域性、晶格性质、光束性质、光束入射角以及两光束相位差对传输实验结果的影响。实验发现两艾里-高斯光束在不同条件下相互作用会形成晶格孤子、准呼吸子,甚至还出现了晶格孤子对。其中,多数情况下观察到了准呼吸子,且准呼吸子的空间大小和周期受到了非局域非线性、晶格缺陷以及光速自加速的影响。当两艾里-高斯光束之间存在相位差入射时,它们在晶格中相互作用,形成两个孤子对,一对孤子垂直传输,而另一对孤子斜向传输。

为满足机器视觉系统对可变倍双远心系统的需求,设计了一款可实现连续变倍的双远心镜头。该系统的放大倍率为-0.50×至-0.20×,物方视场可观测的直径范围为22~55 mm,可满足低畸变(各倍率段均小于 0.1%)、高分辨率(77.5 lp/mm处均大于 0.30)、高远心度(各倍率段均小于 0.1°)等设计要求,在使用过程中同时具有对物面、像面位移不敏感和可连续变倍检测的优点。重点介绍两种求解变倍凸轮曲线的方法,并进行相互验证,验证结果表明了凸轮曲线数据的准确性,这对变倍系统的后期生产加工具有重要作用。

提出利用信赖域狗腿法解决通用非球面光学元件抛光后置求解的强非线性问题。基于低序体表示和齐次变换方法建立适用于任意非球面面形和任意轨迹抛光的正向运动学模型;基于信赖域狗腿法建立强非线性正向运动学模型的数值优化求解方法,获得相应的逆向运动学数值结果;对逆向运动学数值求解结果进行处理得到各轴控制量,用于抛光后置处理。对一初始面形均方根值为0.037λ的离轴非球面采用光栅线进行4轮抛光,采用螺旋线进行5轮抛光,加工元件的面形收敛到均方根值为0.012λ,总收敛效率达到67.57%,表明所提后置处理方法是正确的,能够用于非球面加工。

慢刀伺服(STS)车削技术是加工自由曲面光学元件的一种有效方法。但是在慢刀伺服车削过程中,面形的矢高和口径大小会影响加工精度。针对这种情况,通过研究慢刀伺服车削等弧长法和等角度法的线性化误差趋势,提出了一种先等弧长、后等角度的组合车削轨迹优化方法。为实现车削轨迹的合理规划,对新的车削轨迹衔接点的选取进行了优化设计,利用MATLAB软件以正弦网格曲面为例进行仿真,结果表明该车削轨迹优化方法能够有效提高其面形精度。

为了制造高精度塑料衍射微透镜,提出采用Taguchi方法在大范围内选择工艺参数,通过信噪比确定显著影响微结构成型精度的工艺参数,并通过加权综合评分法进行多目标优化获得最优参数组合。结果表明保压压力、模具温度和保压时间对微结构成型精度具有显著影响。为了提高衍射微结构成型精度,分析了衍射微透镜注塑成型误差的主要来源并建立了误差补偿模型。实验结果表明注塑成型的衍射微结构高度误差为5.69%,周期宽度误差为6.16%,衍射微结构的注塑成型精度获得显著提高。

设计了一种基于Fano共振的等离子体折射率纳米传感器,传感器由带存根谐振腔的直波导耦合开口方环谐振器组成。使用有限元分析法研究了该传感器结构的传输特性,并分析了结构参数对系统传感特性的影响。计算结果表明该结构可以激发Fano共振,且共振峰的位置和线型可以通过改变关键参数进行调节。通过调整结构参数,该结构的灵敏度值可以达到1125.7 nm/RIU,品质因数为30.01。该结构在光学集成回路方面具有潜在的应用前景,尤其是在纳米生物传感器方面。

为使成像光谱仪能在复杂振动环境和宽温(5~35 ℃)下使用,基于Offner同心结构凸面光栅的光学系统,研制出短波红外成像光谱仪系统。为了验证结构设计的合理性,利用Patran & Nastran对仪器光机结构进行模态分析、静载分析及热致响应分析,并采用广义逆矩阵方法对静载响应分析结果进行处理,得到仪器光学元件的面形变化和刚体位移数据。在0~40 ℃温度范围和4 g加速度载荷下,仪器光学面形变化的方均根(RMS)值小于34 nm,各镜之间相对位置变化小于0.05 mm,各镜偏心小于0.05 mm,满足仪器面形和刚体位移公差要求。振动实验表明,成像光谱仪的一阶模态为559 Hz,远高于一般环境激励,其刚度满足使用要求。温度实验表明,宽温范围内波长极值漂移为0.306 pixel,光谱带宽极值变化为0.493Δ(Δ为吸收峰的半峰全宽)。工程分析和实验验证了该结构的环境适应性,这对仪器工程化具有重要的实用价值。

通过激光诱导击穿光谱(LIBS)对钢液表面的不同位置进行激发检测,对得到的光谱数据进行归一化预处理。通过主成分分析法筛选出4个代表性因素,将得到的4个因素作为输入信息,针对钢液中Mn、Ni、Cr和Si四种元素,训练并建立定标模型。利用Cat-fish 粒子群(PSO)算法选出最优参数值,最后用测试集来验证模型的预测效果。实验结果表明:Cat-fish PSO-支持向量回归(SVR)的决定系数R2大于0.95,相对标准偏差RSD均值为3.53%,均方根误差RMSE在1.5%以内;所提模型优于普通SVR预测模型,能够快速精确检测出元素含量。该研究为LIBS在线准确定量分析钢液元素提供了借鉴性较高的优化算法。

针对微型紫外光谱仪应用设计要求,开展了紫外光谱仪系统研究,完成了IV型光学系统设计。研制出在线实时分析的微型紫外光谱仪,对样机主要参数的测试表明:其工作波长为200~400 nm,分辨率达0.31 nm,波长准确性为±0.1 nm,信噪比为507∶1。通过12 h系统稳定性测试,结果表明该样机光谱波动小于0.47%,达到了光谱仪长期工作的稳定性要求。在25 ℃的实验条件下通过SO2气体对光谱仪性能进行测试,基于差分吸收光谱技术理论,完成了标准气体的差分吸收截面计算。通过连续24 h对质量浓度为20~100 mg/m 3的SO2进行测试,结果表明光谱仪测试数据反演质量浓度的波动性小于1%,线性误差小于0.6%,最大示值误差为-0.56 mg/m 3。

提出一种基于高光谱成像技术的血迹陈旧度无损预测方法。利用高光谱成像仪获取白瓷砖、白纸、白棉布3种介质上不同陈旧度的血迹光谱图像,筛选550~800 nm特征光谱波段,并通过人工神经网络模型实现血迹遗留时间的预测。结果表明:在实验室环境下,30 h内3种介质上的血迹遗留时间预测的回归分析决定系数( RP2)均大于0.9930,预测方均根误差(RMSEP)为18.29 min,中位相对误差(δM)平均值为8.05%,可见该方法能对较短时间内的血迹陈旧度进行有效预测。