期刊基本信息
创刊:
1964年 • 半月刊
名称:
激光与光电子学进展
英文:
Laser & Optoelectronics Progress
主管单位:
中国科学院
主办单位:
中科院上海光机所
出版单位:
中国激光杂志社
主编:
范滇元
执行主编:
邱建荣
副主编:
戴琼海 张龙 张雨东 曹良才
ISSN:
1006-4125
刊号:
CN 31-1690/TN
电话:
021-69918427
邮箱:
地址:
上海市嘉定区清河路390号
邮编:
201800
定价:
120元/期

本期栏目 2021, 58(3)

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激光与光电子学进展 第58卷 第3期

作者单位
摘要
北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室,北京 100871
飞秒强激光与物质相互作用后辐射出的高次谐波,具有单光子能量高、脉冲持续时间短、时空相干性好等特性,可以作为实验室台式化超快真空紫外和软X射线波段光源,同时高次谐波也可用于产生阿秒脉冲。这些先进光源的产生,极大地丰富了人类物质科学的研究手段。结合本课题组的高次谐波研究进展,介绍了气体高次谐波和固体高次谐波的产生原理、优化及应用。
原子与分子物理学 强场物理 高次谐波产生 阿秒脉冲 超快动力学 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300001
曾凤娇 1,2,3杨康建 1,2,3晏旭 1,2,3赵孟孟 1,2,3[ ... ]文良华 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 中国科学院自适应光学重点实验室,四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
3 中国科学院大学,北京 100049
4 宜宾学院物理与电子工程学院,四川 宜宾 644600
由于各国愈发重视海洋安全和领土安全问题,水下激光通信发挥着越来越重要的作用。在复杂的海洋环境中实现信息高速和安全的传输是水下激光通信亟待研究的课题。梳理了国内外水下激光通信系统的发展历程,总结了系统的技术优势,给出了通信原理,分析了影响系统性能的关键技术。最后指出未来的水下激光通信系统将具有更高的通信速率、更低的误码率、更远的通信距离、更大的容量、更小的功耗和更小的体积等优点,并从点对点通信发展到组网式通信。
光通信 水下激光通信 通信速率 误码率 通信距离 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300002
作者单位
摘要
1 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院研究生院,北京 100088
高功率超短脉冲激光器在强场物理、精密加工及**应用等各种领域均有广泛的应用前景。随着半导体泵浦源和光纤制造工艺的进步,超短脉冲光纤激光器的输出功率得到了极大提升,且由于光纤具有散热性好、环境稳定性好、光束质量好等优势,高功率超短脉冲光纤激光器及其放大压缩技术在近几年得到了越来越多研究人员的关注。聚焦于目前高功率超短脉冲光纤激光器及其放大压缩技术的前沿研究,综述了目前产生高功率、高能量超短光纤脉冲种子源的几种新方法(如Mamyshev锁模、“9字腔”锁模和时空锁模),并介绍了相干合束和脉冲非线性压缩技术在光纤中产生高功率超短脉冲的最新进展。
激光器 锁模激光器 Mamyshev锁模 “9字腔”锁模 时空锁模 放大压缩 相干合束 非线性压缩 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300003
作者单位
摘要
中国人民武装警察部队工程大学装备管理与保障学院,陕西 西安 710086
为了进一步定量分析激光对生物组织的物理剂量问题,为医疗、**等领域的相关研究提供理论依据,需要对生物组织光学特性参数进行准确的测量。为此,系统地综述了目前国内外测定生物组织光学特性参数的主流技术和方法,总结了各个方法的适用范围并将相关方法的优势与缺点进行了横向和纵向的对比分析。回顾了大多数仿真及实验的理论基础,同时对该领域的最新研究成果及应用进行了总结,便于研究者快速准确地追踪前沿。最后总结了目前该领域研究中所面临的主要问题并对今后的发展方向做出了一定的展望。
生物光学 组织光学 参数测量 积分球 (非)迭代法 逆蒙特卡罗模型 逆加倍法 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300004
作者单位
摘要
1 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,湖北 武汉 430070
2 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州 510640
光纤隐失波传感器具有设计简单、灵敏度高、易与其他传感技术相结合的特点,被广泛应用于生物和化学传感领域。概述了光纤隐失波传感的定义和常用的光纤种类;总结了光纤隐失波传感器的优化方法和原理;回顾了石英光纤以及硫系光纤在生化传感领域的研究进展,并展望了今后的发展方向和趋势。
光纤光学 石英光纤 硫系光纤 隐失波传感 生化传感器 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300005
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
拼接式望远镜由于主镜加工难度低、运载方便和制造成本低等特点已成为未来大口径望远镜的重要发展方向之一。主动支撑技术的成功应用为拼接式望远镜共焦共相调节提供了充足的保障。针对拼接式望远镜主镜主动支撑系统,本文首先简述了其所涉及的主要技术,之后对具体应用实例进行归纳与分析,最后为拼接式望远镜主镜支撑系统的设计提出建议,对未来拼接式望远镜支撑技术的发展具有一定的参考意义。
光学器件 拼接式望远镜 主动支撑 促动器 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300006
作者单位
摘要
武汉科技大学城市建设学院,湖北 武汉 430065
气溶胶光学厚度(AOD)是表征气溶胶含量及大气污染程度的关键因素。利用CALIPSO卫星level 2气溶胶廓线产品,分析2009年至2018年全球范围典型区域内AOD的时空变化特征及其变化趋势。结果表明:全球范围的AOD表现出一定的时空差异性。在空间尺度上,AOD高值中心主要分布在印度、沙特阿拉伯等地区;在时间尺度上,也存在明显的季节差异性。印度、沙特阿拉伯及中国北方等典型地区在MAM和DJF时期达到AOD峰值,巴西则在JJA时期达到AOD峰值。每个典型地区也存在显著的AOD趋势差异,印度地区AOD上升趋势最强。
大气光学 气溶胶 光学厚度 时空分布 全球范围 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0301001
作者单位
摘要
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京 100029
针对激光掩星探测对流层中上层到平流层下层高度范围内大气温度和压强的反演方法,进行了研究和仿真分析。选择对温度不敏感而对压强敏感的吸收线,利用吸收系数与吸收截面和压强的关系,通过迭代方式求解得到压强。选择弱吸收峰附近的吸收线,利用吸收系数与压强和温度的关系,根据反演得到的压强值通过迭代方式求解得到温度。为减小大气中其他气体吸收以及大气散射等消光因素对反演结果的影响,仿真过程采用差分波长的方法,在氧气A吸收带内,选取合适的吸收线,利用激光掩星差分透过率数据由Abel积分反变换反演得到各个激光轨迹切点高度处的差分吸收系数廓线,然后利用差分吸收系数反演各个切点高度处的压强和温度。仿真结果显示:压强反演误差主要受差分吸收系数反演误差的影响,随高度下降呈不断增大的趋势,最大误差约为6%;根据反演得到的压强值对温度进行反演,温度反演误差主要受压强和差分吸收系数反演误差的影响;两种影响部分抵消,最大温度反演误差在5 km高度附近约为1.5 K。建立误差模型进行分析,对反演误差中出现的一些变化趋势和影响因素进行解释。在去除差分吸收系数反演误差的条件下,对压强和温度进行1次循环求解,得到压强最大反演误差约为0.3%,温度最大反演误差约为1 K,将该条件下温度和压强的反演误差与有差分吸收系数反演误差时的反演误差进行对比,证实了减小差分吸收系数反演误差的重要性。
大气光学 温度和压强反演 差分吸收系数 迭代法 误差分析 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0301002
作者单位
摘要
西安空间无线电技术研究所,陕西 西安 710100
大气湍流与平台微振动的存在会导致星地激光通信链路的随机信道衰减,使通信质量无法得到保证。为了研究大气湍流与平台微振动共同影响下的星地激光通信性能,建立了联合星地激光链路随机衰减模型,并基于二进制相移键控调制、外差相干接收给出了该模型下系统平均误码率的闭合表达式。仿真分析了不同星地激光通信系统参数对系统误码率性能的影响,研究结果可为实际星地激光通信系统的设计提供一定的理论参考。
大气光学 大气湍流 相干光通信 星地激光通信 误码率 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0301003
作者单位
摘要
1 航天工程大学电子与光学工程系,北京 101416
2 航天工程大学研究生院,北京 101416
针对大动态范围下运动目标速度测量受限的问题,提出四光相干混频探测方法,通过提取多普勒频率以及移频量与多普勒差频可以实现更大动态范围的速度测量。在四光相干混频探测过程中,存在输出信号多和信号判别难度大的问题。为了解决以上问题,提出并设计空间偏振分光结构的四光相干混频探测结构,使用偏振分光技术实现四路输出信号的完全空间分离,可以避免信号之间的相互影响,降低信号处理的难度。从理论上对结构进行原理分析,并使用光学仿真软件对其进行仿真分析,验证理论和结构的可行性,同时可根据不同探测器输出信号判断目标的运动方向。
相干光学 四光相干 偏振分光 运动目标 大动态范围 多普勒频移 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0303001
作者单位
摘要
中北大学信息与通信工程学院,山西 太原 030051
设计一种基于anapole模式的高灵敏度传感器,由金属反射层、SiO2薄膜和开槽硅圆盘构成。利用硅纳米阵列中的anapole模式激发金属反射层以产生等离子体共振,通过模式匹配和相邻结构之间的耦合可以在周期性纳米结构中产生尖锐的共振峰。采用时域有限差分法对结构进行仿真分析,研究不同参数对传感器灵敏度的影响。仿真结果表明,纳米结构可以显著增强局部电场,同时降低能量的吸收率。利用圆偏振光可以在纳米结构周围实现自旋-轨道角动量的转换,有利于对神经递质等生物分子的传感。
衍射 anapole模式 等离子体 谐振波 高灵敏性 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0305001
何建 1,2陈娜 1,2,*陈振宜 1,2刘书朋 1,2商娅娜 1,2
作者单位
摘要
1 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200444
2 上海大学特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海 200444
硅锗合金在非平衡条件下凝固时容易出现成分偏析,光纤制备过程带来的成分分布不均匀问题会导致很高的光纤损耗。利用CO2激光对半圆柱硅棒和锗棒拼接法制备的硅锗芯石英包层光纤进行热处理,研究不同处理条件对纤芯成分分布的影响。实验结果表明,在激光扫描方向上的边缘区域可形成连续的富硅硅锗合金,并且越靠近该边缘区域,纤芯的成分分布越均匀。本研究为制备和优化硅锗芯光纤,实现纤芯均匀的成分分布提供了方法。
光纤光学 硅锗芯光纤 光纤材料 激光热处理 成分偏析 富硅均匀区 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0306001
聂敏 1郭建伟 1,*卫容宇 1杨光 1,2[ ... ]裴昌幸 3
作者单位
摘要
1 西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西 西安 710121
2 西北工业大学电子信息工程学院,陕西 西安 710072
3 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室,陕西 西安 710071
为解决全球范围内任意两个用户进行量子通信的路径选择问题,根据蒲公英球形量子卫星网络的结构特性,提出了一种两端纠缠交换的量子路由方案。该方案同时从源节点和目的节点向中间节点建立纠缠,并通过无线信道传送Bell测量结果,从而完成量子态信息从源节点到目的节点的传输过程。仿真结果表明:随着交换卫星数目的增多,两端纠缠交换路由方案可以有效节约量子态信息的传输时间;随着交换卫星节点的增加,采用两端纠缠交换路由方案的量子信道建立速率与逐跳纠缠交换方案的量子信道建立速率相比具有显著优势,其路由传输开销小于逐跳纠缠交换方案。由此可见,两端纠缠交换量子路由方案具有信息传输时间短、量子信道建立速率高、无线传输开销小等优势。
光通信 全球量子卫星网络 两端纠缠交换 路由发现 区域查询 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0306002
作者单位
摘要
内蒙古大学电子信息工程学院,内蒙古 呼和浩特 010021
提出了一种新的雷达系统线性调频信号产生与去啁啾的微波光子学方案。雷达发射端利用双平行马赫-曾德尔调制器产生4倍频的抑制载波双边带信号,利用光纤光栅将信号的两边带分离后分别进行循环相位调制,最后由光电探测器光电转换产生8倍频的线性调频信号。接收端利用发射端产生的中间信号将回波信号进行相位调制,滤出载波与含有回波信息的一阶边带拍频,得到1个单频信号,完成回波信号的去啁啾。经仿真分析并验证,使用10 GHz的射频信号,幅度为1、宽度为10 ns的抛物线信号,生成了中心频率为80 GHz、带宽为32 GHz、时间带宽积为320的线性调频信号,并详细验证了可调谐性能及压缩性能,生成时间带宽积为480、640、3200等的线性调频信号。在接收端完成了时延为1.0 μs、0.9 μs等回波信号的去啁啾,对应的探测距离为150 m、135 m等。方案结构紧凑,具有很好的可重构性。
光通信 线性调频信号 去啁啾 马赫-曾德尔调制器 8倍频 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0306003
作者单位
摘要
1 空军工程大学信息与导航学院,陕西 西安 710077
2 294638部队,江西 南昌 330000
研究基于解码转发(DF)中继的三跳混合射频/自由空间光/射频(RF/FSO/RF)航空通信链路性能。航空子节点到骨干节点为RF链路,骨干节点之间为FSO链路,并假设三跳中的调制方式相同,RF信道服从Nakagami-m衰落模型,FSO信道服从Exponentiated Weibull大气湍流分布模型。推导了端到端中断概率(OP)和平均误码率(BER)的闭合表达式,分析了大气湍流强度、RF信道衰落系数及不同调制方式对系统OP、平均BER性能的影响。结果表明:在三跳DF中继方式下,最优的OP、BER性能取决于信道质量最差的一跳,二进制相移键控(BPSK)调制误码性能要优于二进制频移键控(BFSK)调制及高阶PSK调制。推导的闭合表达式有利于量化分析链路性能,为系统设计提供参考。
光通信 RF/FSO/RF通信链路 Exponentiated Weibull分布模型 Nakagami-m衰落信道 平均误码率 中断概率 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0306004
陈振炜 1,2孟义朝 1,2,*詹遥牧 1,2
作者单位
摘要
1 上海大学光纤研究所,上海 201800
2 上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200444
研究了将光电振荡器产生的混沌信号作为物理随机数熵源时的采样率上限,通过研究不同的采样率对混沌熵源的随机特征的影响,得到满足随机采样条件的最大采样率;信号的随机特征通过自相关函数和功率谱表征,通过游程检验以及正态性检验得到最大采样率。仿真结果表明,对混沌信号进行随机采样时,存在一个采样率上限;在此基础上,通过计算可得到最大随机采样率和最大正态采样率,并分别研究了这两种最大采样率随光电振荡系统反馈强度的变化。
信号处理 非线性光信号处理 光电混沌 物理随机性 采样率 游程检验 正态性检验 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0307001
作者单位
摘要
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
旋转激光扫描测量系统采用光电扫描的计时方式并结合时空转换的原理实现角度交会定位,光电信号时域信息的精确性是影响测量精度的重要因素之一。针对测量系统中同步信号存在延时的问题,根据测角误差的特性提出一种基于发射基站转台正、反转测量目标的延时评估方法。通过定量分析同步信号的延时,建立同步信号的延时模型。基于可编程逻辑器件分析延时对测角精度的影响,研究同步信号电路延时的补偿算法并设计实验进行验证。实验结果表明,所提方法能够有效补偿同步信号原有约为190 ns的电路延时。
测量 大尺寸测量 旋转激光扫描 同步信号 延时补偿 正、反转评估 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0312002
尹玺 1万生鹏 1,2,*熊新中 1董德壮 1[ ... ]雷盈 1
作者单位
摘要
1 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室,江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室,江西 南昌 330063
对基于法布里-珀罗(F-P)微腔结构的光纤声传感系统进行研究。传感头由具有高熔点、低热膨胀系数的氧化锆(ZrO2)管贴合氧化石墨烯(GO)薄膜制作而成。测试结果显示,F-P微腔的腔长为92.943 μm,反射谱的干涉对比度达25 dB。对传感头的声音传感性能进行测试,结合多帧比较法,实现了语音前导无话帧的自动识别。运用基于小波包变换的维纳滤波方法对采集到的信号进行去噪,相比单纯运用维纳滤波的方法,信噪比提高了1.5 dB,从而提高了语音质量。整个系统结构简单、成本低、实用性高,应用场景广泛。
测量 光纤声传感 法布里-珀罗 氧化锆 氧化石墨烯 小波包变换 维纳滤波 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0312003
盛启明 1郑刚 2,*张雄星 2孙彬 2[ ... ]韩园 1
作者单位
摘要
1 西安工业大学电子信息工程学院,陕西 西安 710021
2 西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
针对传统调频连续波激光干涉位移传感器存在谐波串扰和动态测量范围较小的问题,研制一种具有三个独立法布里-珀罗干涉仪探测光路的三通道位移测量系统,该系统包含三个芯片,使用多芯片处理可以提高运算速度。通过信号线等长和软件来控制各芯片的同步测量,可以解决各独立通道测量不同步的问题。实验结果表明,各通道对速度为1 mm/s的运动目标的同步性测量误差仅为0.46 nm,600 mm行程的位移测量误差的标准差小于3 nm,线性拟合系数在0.99997以上,说明该系统可以实现三维运动目标的位移测量。
测量 调频连续波 位移测量 三通道 同步采样 法布里-珀罗干涉仪 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0312004
李朋超 1,2,3王金涛 1,2,4,*宋吉来 1,4王晓峰 4徐方 1,2,4
作者单位
摘要
1 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,辽宁 沈阳 110016
2 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110169
3 中国科学院大学,北京 100049
4 沈阳新松机器人自动化股份有限公司,辽宁 沈阳 110168
针对机器人自适应打磨曲面焊接区域的识别问题,提出了一种基于线结构光的打磨机器人自动识别起始点与终止点的算法和一种深度图像增强算子。增强算子将中心像素与8邻域内像素强度差的绝对值和作为中心像素值,以增强深度图像的可视化特征和打磨区域的纹理特征。首先,对点云数据进行滤波和空洞填充处理;然后,计算每一扫描行点云在高度方向的标准差;最后,对所得特征进行识别,找到一定范围内特征变化较大的位置,从而提取出打磨区域。实验结果表明,该增强算子对深度图像的增强效果极佳,本算法对起始与终止位置的识别精度均值小于1 mm,可达到像素级精度,具有较强的鲁棒性,且对噪声不敏感。在现场打磨测试中也证实了本算法的有效性和可行性。
测量与计量 点云 曲面焊缝 深度图像增强算子 表面特征 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0312005
作者单位
摘要
1 江苏理工学院机械工程学院,江苏 常州 213001
2 中国航发常州兰翔机械有限责任公司,江苏 常州 213022
3 常州工业职业技术学院现代装备制造学院,江苏 常州 213164
为了研究激光冲击处理对GH3039高温合金表面完整性的影响,对GH3039高温合金试样进行了不同次数的激光冲击。采用表面轮廓仪、显微硬度计及X射线衍射仪等表征了激光冲击前后GH3039高温合金的表面粗糙度、显微硬度、残余应力、微观结构及物相组成。结果表明:与母材相比,在激光一次、二次和三次冲击后,试样的表面粗糙度平均值分别增加了28.5%、54.1%和109.1%,表面显微硬度分别增加了21.4%、26.5%和28.6%,试样的近表层平均晶粒尺寸分别减小了54.5%、57.1%和59.3%;激光冲击处理将试样表面的残余应力由拉应力(75 MPa)转变为压应力(一次冲击后为-275 MPa、二次冲击后为-302.4 MPa和三次冲击后为-335 MPa);激光冲击试样的变形层深度由1.2 mm左右(一次冲击)增加到1.5 mm左右(三次冲击);随着冲击次数的增加,衍射峰的半峰全宽明显增大,这归因于晶粒细化和微观应变的增加。
激光技术 激光冲击处理 表面完整性 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0314001
作者单位
摘要
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海 200241
时空干涉的飞秒激光空间整形技术是一种新型图形化激光加工方法,相比传统技术更加简单灵活并有更高的效率。然而此技术中的缩束系统造成的成像畸变严重影响了加工的准确性。本文模拟并分析了该系统中的畸变现象,利用空间光调制器的相位全息图补偿畸变引起的空间光场的位置变化和光强分布不均。此方法可使曝光处干涉图案的最大偏移量由10.66 μm趋近于0,在实验中将相对最大偏差由60.42%降至8%以下,并使该处二维光强分布趋近于平顶光。该算法降低了时空干涉的飞秒激光空间整形技术对于缩束成像系统的设计需求,节省了成本与时间。基于以上方法,在不锈钢表面拼接加工出了1.5 mm×1.5 mm的具备多级别防伪能力的二维码图案。
激光器 飞秒激光整形 时空干涉 畸变校正 平顶光整形 微纳加工 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0314002
作者单位
摘要
1 中国民航大学民航技术研究院,天津 300300
2 中国民航大学航空工程学院,天津 300300
3 中国民航大学中欧航空工程师学院,天津 300300
采用通快TruDisk4002型同轴送粉光纤激光器,在TC4合金基材表面上制备了单道Ni基激光熔覆层,其中TC4合金的质量分数为35%、Ni60的质量分数为65%,涂层无裂纹气孔等缺陷。通过ABAQUS软件建立了涂层的有限元模型,温度场模拟结果显示,熔池出现“慧尾”现象,与实际激光热源的运行特点吻合。熔池最高温度为3200 ℃左右,激光热源前端的温度梯度大,热源后端的温度梯度小,熔池轮廓与涂层的形貌特征基本吻合,尺寸误差小于5%。从涂层残余应力场的分布来看,熔覆层两侧边缘区域和结合区附近的应力集中现象较为严重,容易萌生裂纹,熔覆层两侧的裂纹主要与高斯热源的分布特点相关,结合区的裂纹主要是由熔覆材料的热物性能差异导致的。实验结果表明,熔覆层的边缘和结合区均出现了明显的裂纹缺陷,与有限元计算结果一致。
激光技术 TC4合金 激光熔覆 数值模拟 应力集中 裂纹 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0314003
作者单位
摘要
1 防灾科技学院生态环境学院,河北 廊坊 065201
2 自然资源部国土卫星遥感应用中心,北京 100048
3 中国人民解放军联勤保障部队作战数据室,湖北 武汉 430010
质心定位精度不仅是影响星载激光测高仪姿态精度的关键因素之一,也是探测卫星平台颤振的一种新型技术手段。针对地球科学激光测高仪系统(GLAS)卫星平台激光光斑数据存在噪声信息、空间分辨率较低、最大能量值不唯一等影响质心定位精度的问题,研究了星载激光光斑空间分辨率提高在卫星平台颤振探测中的可行性。首先,提出一种非光斑下的暗通道模板去噪方法,对长时序激光光斑进行去噪处理;其次,协同反卷积与超分辨率重建方法在改善激光光斑的“拖尾”现象的同时提高其空间分辨率;最后,提出一种质心跟踪的灰度加权亚像素质心方法,对长时序激光光斑进行跟踪定位,以实现对卫星平台颤振的初步探测。实验结果表明,本文质心定位方法的残差拟合精度相较于灰度加权法平均约提高0.08 pixel、相较于高斯曲面拟合法平均约提高0.08 pixel、相较于椭圆拟合法平均约提高0.1 pixel,并初步探测到GLAS卫星平台存在周期约为94 min的姿态变化规律。
测量 超分辨率重建 颤振探测 质心定位 激光光斑 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0314004
作者单位
摘要
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
出射激光脉冲功率的变化对大气激光雷达数据采集的准确度具有很大的影响,因此需要对脉冲激光器功率进行准确的检测。基于出射激光脉冲窄脉宽、高重复频率的特点,提出一种针对窄脉冲激光器的功率检测系统。首先,采用光电二极管构成的光电转换电路实现对激光信号的光电转换;其次,采用跨导型峰值保持电路对激光单脉冲进行峰值保持;最后,通过同步触发信号实现单片机对峰值的采集,测出脉冲激光器出射脉冲的功率。经实验测试,该系统适用于大气激光雷达使用的脉宽为10 ns、重复频率为10 kHz、波长为532 nm的激光脉冲功率检测,且测试结果与标准激光功率计相比具有良好的线性关系和精度,满足应用需求。
激光器 窄脉冲激光 峰值保持电路 跨导放大器 光电二极管 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0314005
作者单位
摘要
1 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室,河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北 秦皇岛 066004
为了对H13模具钢进行更好的强化和修复,在H13钢基体上采用激光熔覆制备了H13/Ni/WC混合粉末双层梯度熔覆层,在两层熔覆层的初始粉末中,Ni/WC混合粉末的质量分数分别为15%和30%。测试并比较了基体与熔覆层的显微硬度、高温硬度、热疲劳性能和耐磨损性能,探讨了熔覆层的磨损机理。熔覆层横截面的显微硬度从基体到熔覆层外表面呈明显的梯度分布规律,接近熔覆层外表面区域的显微硬度为1100 HV,而基体的显微硬度仅为400 HV。高温硬度测试结果表明:随着测试温度升高,基体和接近熔覆层外表面区域的硬度均下降,且熔覆层下降的幅度大于基体,室温时基体和熔覆层的硬度分别为1347.68 HV和1510.35 HV;当测试温度达到800 ℃时,基体和熔覆层的硬度分别下降到1006.8 HV和921.4 HV;当测试温度为500 ℃左右时,两区域的硬度相当。耐磨性测试结果表明:当测试温度在500 ℃以下时,熔覆层的耐磨性优于基体;当测试温度在500 ℃及以上时,熔覆层的耐磨性低于基体。主要原因是当测试温度低于500 ℃时,熔覆层中马氏体的强度和硬度很高,使得熔覆层较基体具有更高的硬度;但当测试温度高于500 ℃时,会发生退火现象,从而导致熔覆层表面的硬度和耐磨性急剧下降。
激光技术 H13钢 激光熔覆 梯度熔覆层 高温硬度 高温耐磨性 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0314006
作者单位
摘要
1 光电控制技术重点实验室,河南 洛阳 471000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471000
为解决机载远程单光子测距激光器热稳定性差、受背景光噪声影响大的问题,提出了一种适用于机载环境的小型化、窄线宽、低能耗激光器设计方案。激光器采取主振荡功率放大构型。种子源激光器使用反射式体布拉格光栅作为耦合输出镜,在重复频率为10 kHz条件下,获得线宽为0.035 nm激光输出,光束质量为Mx2=1.303,My2=1.271,光光转换效率为44.4%;放大器选用innoslab构型放大激光能量,可以有效缓解热问题、提升光束质量。为此,采用蒙特卡罗方法建立单光子测距回波信号模型,验证了提高激光器性能可以降低激光抖动对精度的影响,同时较窄的线宽输出可以采用相匹配的窄带滤光片来减少背景噪声干扰,从而提高测距精度。
激光器 单光子测距 反射式体布拉格光栅 蒙特卡罗方法 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0314007
作者单位
摘要
云南大学信息学院,云南 昆明 650500
在硅平面上设计了一种基于二氧化钒(VO2)超材料的可调谐太赫兹(THz)宽带吸收器,该吸收器由VO2谐振层和被SiO2介质隔开的金属反射层组成。数值仿真结果表明,具有高电导率(30000 S/m)的VO2表现为金属相,其吸收率大于90%时吸收带宽达到了2 THz,并且分别在4.5 THz和5.8 THz处实现了吸收率为99.3%和99.6%的完美吸收。具有低电导率(100 S/m)的VO2则表现为绝缘相,其在相应的宽频吸收带内的峰值吸收率仅为8%。因此,通过改变吸收器结构中VO2材料的电导率,可以实现宽频带内吸收率的动态调谐以及吸收和反射功能的切换。此外,由于结构的对称性,所提出的吸收器在垂直入射条件下具有偏振不敏感特性,并且在大入射角度范围内保持着良好的吸收性能。
材料 超材料 太赫兹 可调谐吸收器 二氧化钒 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0316001
作者单位
摘要
1 郑州师范学院物理与电子工程学院,河南 郑州 450044
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室,上海 200083
提出一种由硅-绝缘体(SOI)结构与涂覆石墨烯层的纳米线(GCNW)构成的低损耗波导结构,采用有限元方法详细研究波导结构中石墨烯等离激元基模传输特性对频率、几何参数、材料参数以及石墨烯化学势的依赖关系。仿真结果表明,该波导中低折射率的SiO2介质层可实现高性能的深度亚波长光约束。得益于低折射率的SiO2介质层和SOI衬底以及石墨烯层的高折射率对比度,可获得极小模场面积的低损耗等离激元模式。所提出的波导结构为高性能和深度亚波长可调谐集成光子器件的设计提供一定的参考。
光学器件 表面光学 波导 表面等离激元 红外波 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0323001
作者单位
摘要
兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070
基于光子晶体谐振腔的耦合原理,采用环形腔与微腔结构结合的形式,设计了一种六通道波分复用器。利用平面波展开法研究了晶格常数为0.55 μm时光子晶体禁带范围随介质柱半径的变化关系,并得到其能带结构。采用时域有限差分法分析了谐振腔结构对波长的影响,得到了该谐振腔结构的传输特性曲线及电场分布,并实现了波长为1.3298,1.4316,1.4419,1.5564,1.5966,1.6191 μm的六通道波分复用。实验结果表明,该器件通过调节微腔内外的介质柱半径进行选频,通过增加反射点的微腔结构减少串扰,通过改变输出端边缘介质柱的半径提高输出效率。最终实现透射率大于90%,平均带宽为9 nm的通道,且通道间串扰小,窄带特性好。器件尺寸仅为13.4 μm×17.6 μm,有利于进行光器件集成,具有潜在的应用价值。
光学设计 时域有限差分法 共振耦合 谐振腔 波分复用器 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0323002
聂敏 1张帆 1,*杨光 1,2张美玲 1[ ... ]裴昌幸 3
作者单位
摘要
1 西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西 西安 710121
2 西北工业大学电子信息工程学院,陕西 西安 710072
3 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室,陕西 西安 710071
在星舰量子密钥分发系统中,发送量子密钥的量子卫星是低轨道卫星,追踪量子卫星的接收设备安装在船舰上。接收设备需要追踪卫星的运动,接收端基矢不可避免地会发生旋转。分析了导致基矢旋转的原因,针对BB84协议,建立了基矢旋转角与量子误码率、获取信息量的定量关系。结果表明,当传输距离为200 km,基矢旋转角分别为2°和10°时,量子误码率和获取的信息量分别为8.255×10-5和0.99、2.044×10-3和0.91。基矢旋转角大于2°时,星舰量子密钥分发系统的性能有明显下降,这表明进行星舰量子密钥分发时,需根据基矢旋转角的大小提前进行自适应校正。
量子光学 基矢旋转 星舰量子密钥分发 量子误码率 安全密钥 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0327001
孙宾宾 1,2,*沈涛 1贾磊 2李洪鹏 2[ ... ]陈雨魁 3
作者单位
摘要
1 火箭军工程大学核工程学院,陕西 西安 710025
2 北京遥感设备研究所25所,北京 100854
3 电子科技大学电子科学与工程学院,四川 成都 611731
为了有效剔除无效目标,降低雷达虚警概率,提出一种基于雷达环境噪声统计和目标功率分布特性的动态阈值计算方法。运用直方图统计方法估计每个距离门的噪声水平并对其进行峰值搜索找到局部峰值点,同时根据不同距离门雷达信号衰减的强弱,动态分配阈值增益,得到自适应峰值检测阈值。然后将局部峰值点作为参考单元的信号,并将其输入到检测方法中求解检测门限。实验结果表明,所提方法能够有效识别雷达在实际复杂应用场景下的目标。
遥感 毫米波雷达 直方图统计 动态阈值 峰值检测 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0328002
汪洋浪 1王科未 1,2邹斌 1,2,*
作者单位
摘要
1 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430070
为解决运梁车在过隧道时载梁片两侧距离隧道壁过窄的问题,提出一种基于粒子群算法的16线激光雷达实时检测隧道中心线的方法。对某型号运梁车,设计三维激光雷达支架,安装及标定激光雷达,构建隧道中心实时检测平台。使用粒子群算法和PCL(Point Cloud Library)中的点云滤波对激光雷达数据进行处理,实时求解出车辆前进方向相对于隧道纵向的横摆角度,在此基础上求出隧道壁横截面点云,并用粒子群算法拟合出该圆的中心点坐标和半径,从而拟合出隧道中心线。实验结果表明,该方法可有效检测出隧道中心线,同时该方法求出的隧道半径与隧道实际半径的误差以及提取的隧道中心线与实际中心线的误差均在3 cm以内,这表明文章提出的算法可以对隧道中心进行实时检测。
遥感 激光雷达 粒子群算法 实时检测 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0328004
作者单位
摘要
中北大学信息与通信工程学院,山西 太原 030051
节点定位技术是无线传感器网络应用的关键。针对传统质心定位算法定位精度低的问题,提出了一种基于接收信号强度指示的三维质心迭代定位算法。算法根据测距技术简化未知节点的定位参考节点,通过节点间的空间几何关系得到距离偏移系数,利用系数的最优解对质心坐标进行修正,并多次迭代更新系数以更新定位结果,直到达到迭代准则为止。仿真实验结果表明,相比于传统的质心定位算法,本文算法可提高定位精度20%~28%,能有效减少无线传感器网络三维定位的定位误差。
遥感 接收信号强度指示 三维定位 质心定位 无线传感网络 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0328005
赫立群 1段锦 1,2张肃 2贺敬航 1[ ... ]付强 2
作者单位
摘要
1 长春理工大学电子信息工程学院,吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室,吉林 长春 130022
使用Stokes矢量表征光子的偏振状态,基于Mie散射理论计算出Muller矩阵,并将该矩阵用于体现海雾粒子的散射特性,利用蒙特卡罗方法求解海雾环境下的矢量辐射传输问题,从而模拟光子在海雾粒子中的散射情况。研究讨论了不同海雾粒子半径下,透射率和反射率随传输距离的变化情况,以及不同入射光偏振态及不同波长的入射光条件下,偏振度随海雾能见度的变化情况。该仿真实验结果为光在海雾粒子中偏振传输特性的研究提供了有益参考。
散射 偏振传输特性 矢量辐射传输 蒙特卡罗仿真 海雾环境 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0329001
作者单位
摘要
1 中国石油大学(北京)理学院,北京 102249
2 内蒙古自治区草原工作站,内蒙古 呼和浩特 010020
利用太赫兹时域光谱技术对黄耆类牧草种子样品进行测试,得到5种常见沙打旺牧草种子在0.2~1.2 THz有效频率范围内的太赫兹时域谱,然后通过快速傅里叶变换得到了各牧草种子样品的吸收系数、折射率等光学参数。研究后发现:在有效频率范围内,样品时域谱的峰值强度和延迟时间均不同,且每条谱线的平均吸收系数和标准差也有明显差异,各样品的平均折射率也有较大差异。同时,本文提出了一种将主成分分析(PCA)与随机森林(RF)机器学习算法相结合的优化实验数据的混合模型PCA-RF,并基于太赫兹折射率谱,采用PCA-RF模型和RF模型对5种牧草种子的200个数据集进行了统计计算。结果表明:混合模型PCA-RF的平均分类准确率为91.20%;与RF模型相比,不管是总的平均分类准确率,还是每种样品的分类准确率,PCA-RF模型都优于RF模型。研究结果表明,太赫兹时域光谱技术结合混合机器学习算法的PCA-RF模型是一种无损鉴定牧草种子真伪的有效手段,可用于鉴别同族且差异较小的牧草品种。
光谱学 太赫兹时域光谱 主成分分析 随机森林 定性鉴别 定量分析 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330001
邓瑶 1,2唐雯 3李峥辉 1,2钟尚文 3[ ... ]姚顺春 1,2,*
作者单位
摘要
1 华南理工大学电力学院,广东 广州 510640
2 广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心,广东 广州 510640
3 广东红海湾发电有限公司,广东 汕尾 516626
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术利用了半导体激光器可调谐和窄线宽的特性,具有高选择性和高灵敏度,可以在气体成分复杂、高温等恶劣环境下准确测量CO2。基于TDLAS的扫描波长直接吸收(SDAS)技术是常用的气体浓度反演方法,针对该方法反演气体浓度时采用的吸光度积分法需要准确获得频域信息,从而导致系统结构复杂的问题,本文提出了基于直接吸收峰峰值标定的气体浓度反演方法。首先利用HITRAN2016光谱数据库建立CO2数值仿真模型,并参考电厂尾部烟道内高温和高浓度的CO2环境,分析了吸收峰峰值随浓度(10%~20%)和温度(298~338 K)的理论变化规律,然后将理论规律作为建立实际吸收峰峰值浓度标定模型和温度修正曲线的参考依据。通过搭建基于TDLAS的CO2检测实验系统,验证了所提方法应用于浓度测量的可行性。研究结果显示,采用峰值标定法反演得到的CO2浓度的相对误差均方值为1.08%,验证了利用吸收峰峰值标定的气体浓度反演方法在高浓度CO2准确测量方面的可行性。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱 直接吸收 吸收峰峰值 浓度反演 温度修正 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330002
作者单位
摘要
中国人民公安大学侦查学院,北京 100038
不法分子通常会在毒品中掺杂其他物质来增加毒品质量,获取高额利润。为了实现掺杂毒品快速准确的定性、定量分析,同时探究不同建模方法、不同波段光谱以及数据降维等对模型分类结果的影响,本文采用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱仪采集了咖啡因、葡萄糖、扑热息痛、非那西汀和淀粉5种添加组分与盐酸甲基苯丙胺混合后的红外光谱数据(共计135份),对数据进行预处理后进行分类模型的构建。实验结果表明:特征变量与原始变量相比能达到更高的分类识别准确率;多层感知器和径向基函数可用于5种添加物的分类识别,但不适用于区分不同质量分数的甲基苯丙胺样品;对光谱指纹区数据使用因子分析降维结合Bayes判别分析(BDA)构建的分类模型,在16维和33维变量处能够分别实现5种添加物和不同质量分数甲基苯丙胺样品的完全区分,准确率可达100%。该研究实现了甲基苯丙胺与5种添加组分快速准确的定性定量分析,为毒品来源的推断提供了科学的数据支撑,也为基层民警处理此类案件提供了理论支撑和方法参考。
光谱学 甲基苯丙胺 添加组分 因子分析 多元建模 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330003
作者单位
摘要
中国人民公安大学侦查学院,北京 100038
光谱数据融合作为一种新兴的光谱分析技术,可以有效结合不同光谱技术的检出特点。本文将红外光谱指纹区与拉曼光谱信号较强波段数据进行融合,对288个手帕纸样本开展分类研究。采用线性判别分析对189个训练样本建立分类模型,模型的分类结果相比于独立使用红外光谱或拉曼光谱具有显著提升的准确率,但区分效果仍然不理想。利用主成分分析提取35个主成分进行线性判别分析的准确率可达100%。提取测试样本的32个主成分建模,模型的准确率可达到100%,分类结果理想。光谱融合技术为法庭科学领域手帕纸的分类鉴别提供了一种有效工具。
光谱学 光谱数据融合 手帕纸 线性判别分析 红外光谱 拉曼光谱 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330004
作者单位
摘要
忻州师范学院地理系,山西 忻州 034000
对艾比湖湿地自然保护区的芦苇叶片进行了采样、含水量测定,利用FieldSpec3便携式光谱仪现场进行了芦苇叶片的光谱测量,并对芦苇叶片原始光谱进行了平滑处理、导数变换,分析在不同微分窗口尺度下芦苇叶片一阶导数对含水量变化的响应特征,同时提取特征参数表征芦苇叶片含水量。研究表明:当w=1~15时,一阶光谱曲线噪声难以有效降低,致使光谱曲线的轮廓不易辨别,叶片含水量变化引起的光谱响应特征不易判断。当w=16~30时,微分窗口尺度的增大较好地消除了芦苇叶片一阶导数光谱值中的噪声,芦苇叶片一阶导数光谱与含水量之间的相关系数在1460~1500 nm波段与1374~1534 nm 波段相比,相关系数波动小,标准差小,表现较稳定,1460~1500 nm波段一阶导数光谱对含水量的响应呈现比较一致、显著的特征;将1460~1500 nm波段内一阶导数光谱值的平均值作为特征参数,在微分窗口尺度1~30下,该特征参数与其他窗口尺度相比,更适合指示芦苇叶片含水量变化,为干旱区湿地芦苇水分遥感监测中采用短波红外反射光谱分析技术定量检验芦苇叶片水分提供新的途径。
光谱学 短波红外 芦苇叶片含水量 一阶导数光谱 特征参数 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330005
作者单位
摘要
1 中国人民公安大学刑事科学技术学院,北京 100038
2 北京华仪宏盛技术有限公司,北京 100123
为了分析纸张灰烬的主要成分并判别纸张种类,实验将30种品牌的纸张制备成纸张灰烬,用X射线荧光光谱仪测量其主要成分,基于测量数据训练支持向量机(SVM)分类器,最终实现了纸张种类和品牌来源的判别。实验精确测量90组纸张灰烬的主要成分数据,按比例随机生成训练集和测试集;在MATLAB实验平台上,利用交互式检验法确定径向基核函数的最佳参数c、g,建立了支持向量机分类模型;研究了训练集测试集比例与测试准确率的关系,当训练集测试集比例为17∶1时,模型测试准确率可达100%;最后,用Pearson相关系数分析造成模型误判的原因。研究表明,支持向量机分类模型能有效实现样品分类,可用于测试纸张灰烬的种类和品牌来源,有益于法庭科学中相关问题的解决并且为公安民警在犯罪现场收集物证提供帮助。
光谱学 X射线荧光光谱 纸张灰烬 支持向量机算法 交互式检验 Pearson相关系数 
激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330006