国家重大基础设施和关键区域的安全, 对于保障经济发展、****、社会稳定和人民生活具有极其重要的意义。基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面具有独特的技术优势, 近年来受到各国科技界和工业界的广泛关注。详述了本课题组近10年来在该领域的研究成果, 包括Φ-OTDR定量化相位解调技术、信号干涉衰落的机理研究、超高频率响应带宽系统、超高空间分辨率系统、低噪声窄线宽单频激光器和激光扫频技术等方面的进展; 介绍了Φ-OTDR系统在周界安防和铁路安全监测等领域的工程应用, 并对Φ-OTDR的国内外发展趋势进行了简要的评述。

环形谐振腔是激光陀螺(RLG)的核心。基于环形谐振腔光线传输理论, 通过求解自洽方程, 数值分析了反射镜的变形对谐振腔稳定性的影响; 在此基础上, 借助有限元分析软件Ansys, 通过参数化建模, 进一步开展了RLG腔长控制镜(PLCM)结构参数对其综合性能影响的仿真分析。结果表明, 在相同尺寸限制和不影响陀螺稳频工作效率的前提下, PLCM结构参数的局部优化可大大地提升谐振腔的动态稳定性; 实验验证与仿真分析结果相吻合, 且优化后的单筋PLCM可满足陀螺在常规机载导航系统振动环境下的使用要求。这对进一步提升RLG, 尤其是小型化RLG的工程化水平具有重要参考意义。

短蒸气室自加热碱金属激光器的原理是利用未被增益介质吸收的抽运光加热碱金属蒸气室。基于三能级速率方程, 建立了半导体激光双端抽运碱金属激光器的理论模型, 研究了增益介质长度、蒸气室温度和抽运源线宽等参数对短蒸气室自加热碱金属激光器输出激光的影响。研究结果表明, 在普通外腔半导体激光器抽运下, 增益介质长度为2 mm时可以实现瓦级激光输出, 选择较高的抽运光功率可提高自加热碱金属激光器的输出功率。该研究结果将为自加热碱金属激光器的实验提供理论基础, 并可进一步拓展小功率碱金属激光器的应用领域。

在马赫数为0.5气流条件下, 进行了激光辐照30CrMnSiA钢材料的温度测量实验。实验结果显示, 材料的温升速率和上升最高温度在有气流环境下比无气流环境下明显下降。利用数值反演方法获得了气流条件下激光加载面样品材料实际吸收热流密度变化以及温度变化。与无气流条件下的数据对比可发现, 相同温度对应的实际吸收热流密度在气流环境下大于无气流环境, 该结果是由气流条件加速样品材料的氧化影响激光金属反射率所致。

通过设计极低损耗808 nm半导体激光芯片外延结构, 实现腔内损耗小于0.5 cm-1。采用该高效率外延结构研制出高峰值功率808 nm巴条芯片, 巴条的填充因子为85%, 包含60个发光点, 发光区宽度为140 μm, 腔长为2 mm。在驱动电流为500 A, 脉冲宽度为200 μs, 重复频率为400 Hz, 占空比为8%的工作条件下, 该芯片的准连续(QCW)峰值输出功率为613 W, 斜率效率达1.34 W/A,峰值波长为807.46 nm, 光谱半峰全宽为2.88 nm。任意选取5只芯片, 在准连续300 W(占空比8%)条件下进行了寿命验证, 芯片寿命达到3.63×109 shot, 定功率300 W下电流变化小于10%, 达到商业化水平。

给出了一种适用于空间应用的全固态高重复频率窄脉冲激光器。激光器采用超稳双porro棱镜直线谐振腔, 以LD侧面抽运Nd∶YAG板条, 磷酸氧钛铷(RTP)晶体作为电光调Q开关, 并利用偏振耦合输出激光。实现了激光脉冲重复频率为1 kHz、平均功率为1.15 W、脉冲宽度为1.3 ns、光束质量因子M2为M2x=1.20和M2y=1.23、波长为1064 nm的脉冲激光输出。激光器结构紧凑, 性能良好, 可作为未来新型空间探测激光雷达系统的光源。

报道了一种紧凑型930 nm被动锁模掺钕全光纤激光器, 该激光器由掺钕全光纤振荡器和一级掺钕全光纤放大器构成。振荡器采用线型腔结构, 增益介质为长度8 cm的高掺杂掺钕石英光纤, 抽运源为一个最大功率为200 mW的808 nm单模半导体激光器, 利用半导体可饱和吸收镜实现被动锁模, 获得超短脉冲激光输出。振荡器输出平均功率为1 mW, 重复频率为28.2 MHz, 脉冲宽度为8.8 ps, 3 dB光谱宽度为0.37 nm。为抑制掺钕光纤放大器中1060 nm波段激光的竞争, 采用长度为10 m 的W型掺钕光纤作为增益介质进行功率放大, 很好地抑制了1060 nm波段激光, 最终实现了平均功率为117 mW, 中心波长为930 nm, 单脉冲能量为4.15 nJ, 重复频率为28.2 MHz, 脉冲宽度为8.8 ps, 10 dB光谱宽度为2.98 nm的脉冲激光输出。

利用四块Nd∶YVO4晶体, 采用主振荡功率放大结构对全固态连续单频1064 nm激光种子源进行四级放大, 实现了实验级别的百瓦级连续单频1064 nm激光源输出。注入抽运功率为220.00 W时, 放大级最大输出功率为103.80 W, 总的光光转化效率为33.2%。激光放大器的输出功率为97.73 W时, 激光放大器的长期功率稳定性在5小时内优于±0.53%, 光束质量因子M2<1.38, 强度噪声在4.3 MHz处达到了量子噪声极限。

提出了一种基于飞秒光纤激光器的光频率梳设计与研制技术。设计与研制出脉冲宽度为55 fs、频率为210 MHz的色散管理孤子锁模掺铒光纤激光器, 并优化设计了啁啾脉冲光纤放大链路; 由负色散高非线性光纤产生了频率范围为1080~2320 nm的倍频程超连续谱, 经f-2f(f为频率)自差拍检测出信噪比达32 dB的载波包络偏移频率; 通过将重复频率的4次谐波和载波包络偏移频率锁定到商用铷原子钟, 实现了对光频率梳的高精度锁定。测量结果表明, 1 s计数门控时间下的重复频率和偏移频率标准偏差分别为0.65 mHz和1.76 mHz, 100 s采样时间下的Allan偏差分别为1.74×10-13和1.80×10-11。这种光纤光梳可望满足光频计量、光梳光谱、时频传递和微波产生等领域的应用需求。

针对飞秒激光诱导电晕放电实验, 提出了一种新的电极优化设计方案。理论分析了球形电极与传统锥形电极在飞秒激光诱导电晕放电中的不同, 给出了飞秒光丝附近的空间电场分布, 比较了两种情形下飞秒光丝尖端附近电晕放电的起晕电场阈值。对比了球形电极与锥形电极在飞秒激光诱导电晕放电中的实验现象。理论和实验结果表明, 新设计的球形电极可显著提高飞秒光丝与外加电场的耦合效率, 并可提高飞秒光丝诱导电晕放电的效率。

进行了W-Cu复合材料的激光直接成形实验,研究了混合粉末均匀性和W粉的形态对激光直接成形W-Cu复合材料成形质量的影响, 对成形试样的微观组织进行了分析, 并测量了成形件的致密度。研究结果表明,当混合粉末均匀性较差时, 成形气孔主要是由W粉末颗粒团聚引起, 且随着激光功率的增大, 成形气孔数量增多, 成形件的致密度减小。使用直径为54~100 μm的球形W粉,由于粉末流动性好, 成形试样的致密度大于99%; 使用直径为25~54 μm的球形W粉, 由于送粉过程中粉末飞散, 成形试样Cu、W分布不均匀, 成形试样表面凹凸不平。

飞秒激光直写技术(FsLDW)因其优异的三维加工能力、高空间分辨率、低附加损伤等优点被广泛地应用于微纳加工领域, 但传统飞秒激光直写技术在加工效率、加工面积和加工精度之间存在矛盾。为了实现高速、大面积、高精度的激光微纳加工, 构建了一种由大范围水平位移台和高速旋转台组成的极坐标系飞秒激光直写系统。基于该系统, 研究了轴对称样品中心对准方法及曲面曲率校准方法, 并在曲面上制备了多阶三维结构。最终完成了在透镜曲面上制备直径为10 mm的衍射圆光栅结构, 实现了飞秒激光高速、大尺寸、高精度地制备大面积三维结构。该研究为高性能折衍混合光学元件的制备提供了有力的技术支持。

建立了能够反映高功率连续激光辐照碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板时材料发生烧蚀、热解与层间开裂等热力损伤效应的多尺度分析模型。从细观尺度分别建立了纤维和基体的热解动力学方程, 通过热重分析获得热解动力学参数, 进而得到CFRP层合板宏观的热物与力学性能参数。通过内聚力模型建立了激光辐照引起层间开裂的分析模型, 提出并建立了热解和层间开裂效应阻碍能量传递的热阻模型。将多尺度模型获得的热-力学性能参数与热力耦合数值模型相结合, 模拟了高功率连续激光引起的烧蚀、热解及层间开裂行为, 模拟结果与实验结果吻合较好。

基于光内送粉技术, 进行了空间密排多元扭曲薄壁件的成形研究, 获得了熔覆喷头的空间运动轨迹及姿态; 根据熔覆层截面与工艺参数之间的解析关系和单道实验, 建立了高度工艺模型, 并进行了二元扭曲薄壁成形; 采用间歇熔覆工艺, 完成了多元扭曲密排叶片的堆积。检测结果表明, 成形件表面平整, 叶片单元最小间隙为6.5 mm, 叶片厚度基本稳定在2.7 mm; 各部位组织致密、显微硬度分布较均匀。

采用分子动力学方法对深冷环境下(77 K)的单晶钛内诱导的位错扩展进行了模拟, 使用共同近邻分析(CNA) 法分析了温度对位错扩展的影响, 系统研究了激光冲击波在深冷环境和常温环境条件下沿［0001］方向的冲击传播特性。结果表明, ［0001］方向上单晶钛的激光冲击波为弹塑性双波结构。深冷环境下激光冲击波后材料内部出现大量位错, 塑性变形主要表现为不全位错的发射和传播。冲击应力和剪切应力与激光冲击波速度呈线性关系。深冷环境下的激光冲击波速度与冲击波压力均高于常温下的, 冲击波速度提高了9%～10%, 冲击波压力增加了8%。深冷激光冲击通过抑制动态回复从而诱导高密度位错,进而显著改善材料强度, 为深冷激光冲击强化机理的研究提供了参考。

在316不锈钢表面进行激光熔覆Stellite 3、Stellite 21与新型Co基合金(Co-3)试验, 分析了熔覆层的显微组织及相成分, 研究了硬度分布和耐擦伤机理。试验结果表明, Co-3显微组织均匀、致密, 无裂纹与气孔, 其强化相主要为(Co,W)3C、Cr23C6、Cr7C3和Co3Mo。熔覆层的平均显微硬度约为624 HV0.2, 较基体提高3倍以上。Co-3的耐擦伤性能明显优于316基体的, 在载荷为0~150 N的情况下, 当划痕长度s≤3.3 mm时, 擦伤机理主要是塑性变形; 当划痕长度3.3 mm＜s≤6.9 mm时, 擦伤机理主要是塑性变形引起的晶粒滑移与微裂纹形成; 当划痕长度s＞6.9 mm时, 擦伤机理主要是裂纹扩展与塑性去除。

铜及其合金材料热导性良好、反射率高, 采用单一激光焊接难度较大。提出绿-红外双波长脉冲激光同轴复合焊接方法, 并研制了焊接系统。系统的绿激光脉冲能量为255.4 mJ, 功率稳定度为±2%; 消色差焊接头保证了T2紫铜的双波长激光同轴复合精密焊接。对焊缝进行显微组织及显微硬度测试, 结果表明, 焊缝光滑平整, 无缺陷; 焊缝正面高度与母材区的持平, 宽度约为0.5 mm, 焊缝反面高度略低于母材区, 宽度约为0.4 mm; 焊缝平均显微硬度为134 HV, 为母材的64.8%, 未出现严重的软化现象。

利用光纤激光扫描焊接铝合金V型坡口, 研究了坡口角度、透镜焦距、离焦量等对坡口内材料熔化行为的影响。结果表明, V型坡口对光纤激光具有明显的汇聚作用。当焦距为300 mm、离焦量为0~10 mm、坡口角度为5°时, 坡口内可获得较好的熔化效果。进一步分析表明, 这与铝对光纤激光在布儒斯特角处的吸收率不高有关, 但由于每次反射会损失部分激光能量, 因此光纤激光在V型坡口内的反射次数不宜过多。

研究了基材热处理态和激光扫描速率对多道沉积DD5单晶高温合金沉积道内的杂晶(SGs)形核位置及数量的影响, 探讨了不同条件下杂晶的形成机理。结果表明, 当激光扫描速由5 mm/s增大到20 mm/s时, 沉积道顶部的柱状晶-等轴晶转变(CET)导致杂晶数目减少; 采用固溶方式处理基材时, 沉积道底部杂晶的尺寸和数量较铸态基材的明显减小; 沉积道之间的相互搭接不会产生新的杂晶;当采用固溶态基材、激光扫描速率为20 mm/s时, 基本可以得到无杂晶的多沉积道搭接界面。

采用激光增材制造技术制备了05Cr15Ni5Cu4Nb沉淀硬化不锈钢板件, 分析了沉积态、调整态、固溶态组织经时效热处理后的显微组织、析出相及力学性能, 并优化了热处理工艺。结果表明: 沉积态组织主要由外延生长的柱状晶组成, 柱状晶内包含多个胞状枝晶, 枝晶间存在残余铁素体, 沉积态组织抗拉强度为1128.5 MPa。经时效热处理后, 残余铁素体消除, 马氏体板条中弥散分布NbC颗粒和大量纳米级ε-Cu相。与沉积态组织相比, 时效态组织的显微硬度和拉伸强度均有大幅提高, 直接时效态和固溶时效态组织的塑性稍有降低, 但抗拉强度分别达1440 MPa和1367 MPa; 调整时效态组织可获得良好的强韧性配比, 延伸率与抗拉强度分别为16%和1164.5 MPa。

提出了一种基于频域光学相干层析成像(SDOCT)技术的非破坏性玻璃亚表面缺陷(SSDs)定量检测新方法,描述了所搭建SDOCT系统的成像原理和特性, 给出了所重建的玻璃SSDs二维和三维图像。利用所获得的图像, 可以定量获得玻璃SSDs的深度、尺寸和形状。该研究结果对光学零件的加工和应用具有重要意义。

为满足日盲探测系统的技术要求, 研制了一种可以实现紫外日盲区(200~270 nm)高透射、近紫外到近红外区(300~1200 nm)深截止的光学滤光片。通过分析材料的光学特性, 结合光学薄膜理论, 优化膜系结构, 设计了介质与金属组合的膜系。采用电子束加热蒸发的方法沉积金属膜, 通过对沉积速率的实验研究, 在保证金属光学性能的前提下, 有效降低了膜厚控制误差。采用逆向反演法与膜层敏感度分析, 对谐振层工艺参数进行优化, 有效降低了谐振层的控制误差。该滤光膜在200~270 nm波段的平均透射率达到51.21%, 在300~1200 nm抑制区的平均透射率为0.90%。

针对数字体制机载多脉冲激光测距机信号处理算法引入测距误差的问题, 提出减少脉冲激光回波波形失真的降噪算法以及改善激光测距精度的校正措施, 可用于脉冲激光目标的精确定位。结合数字体制多脉冲激光目标检测过程分析数字信号处理算法引入的测距误差, 指出信号采样率限制了目标定位的距离分辨率, 低通滤波环节的非线性相频特性是造成波形失真、峰值点偏移的主要因素。然后, 针对这些问题给出了改善多脉冲激光目标定位精度的具体算法: 基于对称小波基实施回波信号小波分解, 利用改进Donoho阈值处理小波系数, 用以减小重构目标波形峰值点位置的偏移; 采用差分组合函数搜索目标回波的峰值点, 基于非对称高斯脉冲模型进行高采样率拟合, 对峰值点位置加以校正, 改善定位的精确性。通过仿真选取合适的小波基, 对比不同算法信噪比改善及峰值点定位的性能。在室外高塔开展消光比激光测距实验, 结果显示信噪比为1.5的激光目标定位精度小于2 m, 验证了多脉冲激光目标精确定位算法的性能。

阐述了一种基于低相干光干涉技术的透镜中心厚度的测量方法, 并设计了腔式测量结构对未知折射率的材料进行中心厚度测量。测量系统为包括低相干测量和激光测距的全光纤结构。低相干测量结构参考臂和激光测距结构参考臂的共光路设计降低了环境因素的影响, 提高了测量稳定性, 并利用七步相移法实现对干涉信号的定位和提取。另外, 利用低相干测量方法中的平衡差分结构去除了干涉信号中的直流项, 同时提高了弱信号的定位精度。实验结果表明, 该腔式测量结构对殷瓦合金标准块的测量精度优于0.5 μm, 该系统能够实现对透镜中心厚度的高精度测量, 满足高精密光学系统的测量要求。

为提高地面激光瞄准系统对运动目标的瞄准精度, 研究了目标的运动特性, 并对不同提前量算法的计算精度进行分析。从航天器和天体的运动规律出发, 建立一种基于双行根数(TLE)星历表的地平坐标系下的航天器轨道动力学模型, 研究了航天器在地平坐标系下斜距、角度、角速度、角加速度的变化规律; 根据理论轨道数据, 分析了激光瞄准系统的一、二阶瞄准提前量的变化规律; 针对实际非时间连续系统, 分别用后向差分法和中心差分法对提前量进行误差分析。研究结果表明, 目标的角速度、角加速度及急动度等高阶项均对瞄准提前量有直接影响, 中心差分提前量算法更具优势。

在多相机组合测量应用场景中, 各相机之间常常存在没有重叠视场的特殊情况, 该条件下多相机组安装关系的标定极具挑战性。针对传统基于全站仪的标定方法过于繁琐的缺点, 基于机器人领域里手眼标定与多相机组安装关系标定的等价关系, 给出了求解多相机组安装关系的基础方程, 推导了利用四元数描述旋转矩阵下基础方程的解算步骤, 提出了一种基于手眼标定的无重叠视场多相机组标定方法。实验结果表明, 与传统标定方法相比, 该方法在不降低测量精度的前提下, 无需其他测量传感器的辅助, 极大减少了人工作业量, 操作更加简单灵活, 工作效率更高。

为有效检测光学元件体内的缺陷情况, 利用全内反射技术, 让激光束在光学元件内部多次全内反射后获得缺陷的散射光斑图像, 结合基于最小二乘法的椭圆拟合等方法对散射图像进行处理, 得到缺陷的三维位置信息。对该方法进行了实验验证, 实验结果表明, 扫描采集35幅图像即可完成对尺寸为150 mm×120 mm×20 mm的大口径光学元件的全部缺陷检测, 待测样品缺陷点的深度位置定位精度优于150 μm, 说明该方法可以有效检测大口径光学元件缺陷点。针对可能影响实验结果的误差来源和限制系统分辨率的因素进行了分析, 结果表明提高成像系统横向分辨率或减小激光束横截面宽度均可有效地提高系统的分辨率。

采用频率梳方法测量太赫兹频率时, 其测量精度取决于重复频率的锁定精度和拍频信号的测量精度。拍频信号频率由频率计数器测量得到, 对信号的信噪比(SNR)和信号强度均有要求, 且SNR越高频率测量精度越高。因此, 拍频信号的探测和SNR的提高是太赫兹频率测量中最关键的环节。系统地研究了影响拍频信号信噪比的主要因素, 包括拍频产生方法、信号放大方案、拍频频率以及被测光源功率对拍频SNR的影响。通过全面的系统优化, 在实验上获得了SNR优于60 dB的拍频信号, 为太赫兹频率的高精度测量奠定了良好的基础。

为实现调谐范围宽、调谐速度快、带宽窄、驱动电压低以及可批量化生产的可调光学滤波器, 提出了一种新型微机电系统(MEMS)可调光学滤波器。由高反射率可动光学镜面与准直扩束光纤端面组成法布里-珀罗(F-P)腔。通过静电驱动改变F-P腔的腔长以调整滤波器的输出光波长, 分析了可调光学滤波器的波长调谐原理和静电驱动原理, 给出了器件的结构参数和综合设计考虑。利用体硅加工工艺成功制作了可调光学滤波器样品, 并进行了实验测试。实验结果表明, 通过改变准直扩束光纤的初始位置, 3 dB带宽与自由谱域之间具有可调性。该可调光学滤波器兼备了MEMS技术与光纤技术的优点, 并且结构紧凑、工艺简单、驱动电压低, 可用于光通信等场合。

为了研究波前畸变对光束指向探测的影响, 采用蒙特卡罗方法分别在整口径和不同口径、不同排布的子口径情况下, 对光束进行了模拟分析。研究结果表明, 当波前畸变的均方根值小于0.163λ时, 光束指向探测误差小于0.5 μrad; 当波前畸变的均方根值小于0.234λ时, 光束指向探测误差小于1 μrad。可选取波前畸变相对较小的子光束区域来计算整口径的光束指向。

惯性约束聚变精密物理实验要求高功率激光驱动器具备时域-频域精密调控能力, 以实现对激光与等离子体相互作用过程中非线性效应的抑制。基于保偏光纤和单偏振光纤技术, 采用温度调谐双振荡器结合两级波导相位调制器实现激光脉冲频域精密调控, 采用两级高速电光调制脉冲整形技术实现激光脉冲时域精密调控, 将微波射频信号取样检测与声光开关进行连锁以确保整个系统的安全运行。实验获得了光谱带宽为0.15～0.3 nm、中心波长范围为1052.4～1053.6 nm的连续可调微焦耳级激光脉冲, 波长调谐精度为0.1 nm,在微焦级实现了对比度大于500∶1的高对比度整形激光脉冲, 脉冲时间波形顶部调制深度小于10%。

利用基于多输入多输出算法的无约束频域均衡(FDE)对6×6模分复用(MDM)系统进行解复用, 以消除模式耦合和差分模时延等损伤对信号的影响。分别用无约束频域最小均方(FD-LMS)算法和无约束频域恒模算法(FD-CMA)对MDM系统进行解复用, 验证了无约束FDE的解复用效果; 并将无约束FD-LMS算法及FD-CMA的均衡性能分别与有约束FD-LMS算法及FD-CMA进行对比。仿真结果显示, 无约束FDE的解复用性能与有约束FDE相近, 但其在计算复杂度方面优势明显。

利用传输矩阵法推导了Gires-Tournois(G-T)标准具的群时延和色散特性, 分析了将G-T标准具用于多通道色散补偿的原理, 并使用级联G-T标准具来提升色散补偿能力。介绍了一种基于温度控制的级联G-T标准具色散补偿装置; 通过控制各级标准具的温度来调整标准具内折射率参数, 以实现目标色散的拟合。利用Matlab软件进行仿真验证, 模拟结果表明: 该装置可以同时补偿C波段和L波段的全通道色散, 并且色散补偿精度高, 群时延抖动小, 符合高速率光通信系统色散补偿的要求。

提出了一种扫频光学相干层析成像k-clock延时校正算法, 该算法基于互相关运算, 能够有效校正光源自带k-clock信号的延时。由于扫频光源的不稳定性、同步触发硬件的精度不足以及外界环境影响, 扫频光源自带的k-clock信号在重采样干涉信号时很可能与干涉信号之间有一个不确定的延时, 导致系统分辨率下降。通过实验获得一个标准k-clock信号, 然后利用互相关运算计算出需要校正的k-clock信号的延时。由计算出的延时, 将k-clock信号进行左右移动从而对其进行校正, 再利用三次样条插值获得波数域等间隔的干涉信号。实验结果表明, 该算法平均运行时间为0.18 s, 能够将系统分辨率提高18.2%, 改善系统性能。

为了提高超分辨率光涨落成像(SOFI)的速度, 结合改进的超分辨率光涨落成像算法和光片荧光显微镜, 加入两个小波滤波器分别在时间和空间上消除低频背景噪声和原始图像读出噪声, 结果成功将SOFI所需的图像数量降低。对50张量子点和斑马鱼的成像图片进行处理, 研究表明引入改进的SOFI算法可以在不改变光路结构情况下将光片荧光显微镜的横向分辨率提高两倍, 该方法可以扩展到活体的生物研究, 突破物镜数值孔径对光片显微镜的限制。

金属增强荧光(MEF)理论一直是近年来研究的热点。通过研究光谱测量、细胞共聚焦成像和流式细胞术(FCM)等方法来定量分析不同长径比(3.1~6.5)的金纳米双锥对光敏剂铝酞菁(AlPcS)的荧光和光动力疗法(PDT)效果的增强效应。荧光光谱和共聚焦成像结果表明, 高长径比的金纳米双锥使铝酞菁的荧光强度大大增强, 最大增强因子为6; 低长径比的金纳米双锥由于其等离子共振带与铝酞菁的荧光带接近, 因此使铝酞菁的荧光强度大大降低。Hela细胞(人上皮宫颈癌细胞)的凋亡测定结果显示: 金纳米双锥的加入, 特别是高长径比的金纳米双锥的加入, 使得铝酞菁的载药率和产生单线态氧的能力提高, 从而降低了Hela细胞的存活率, 增强了铝酞菁的光动力疗法效果。本实验为表面增强荧光的研究提供了一个新的途径, 并扩展了金属纳米粒子在生命科学领域的应用。

双飞秒激光绝对距离测量系统具有测量精度高、更新速率快的优点, 然而测量过程中的高斯白噪声会造成测距精度的降低。提出了一种基于卡尔曼滤波技术的提高双飞秒激光绝对距离测量精度的方法, 即通过建立卡尔曼滤波状态空间模型得到测量结果的最优状态估计, 大幅度降低随机过程引入的测量精度损失, 同时可以得到速度信息估计值。实验结果表明, 目标静止时卡尔曼滤波技术可将测量标准差降低近一个数量级; 目标匀速运动时, 稳定状态下三维状态空间模型估计的速度标准差约4 μm/s。

针对国产机载激光雷达测深系统海陆波形分类识别的需求, 基于多通道海洋激光雷达波形数据的特点, 通过提取多通道波形的特征参数, 采用支持向量机的方法构建分类模型对海陆波形进行分类。通过检验结果证明, 该分类方法总体精度和Kappa系数分别达99.03%和0.9805。该方法海陆波形分类精度满足工程应用需求, 适用于国产机载激光雷达测深系统的波形分类处理, 为后续深度计算过程中水体介质光速校正和潮汐波浪改正奠定基础。

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验, 采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号, 选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号, 得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线, 借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据, 反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道, 重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据, 对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪, 然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演, 得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线; 利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线, 可以清晰看出气溶胶的分布特征, 对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1 km-1左右, 表明对流层低空自由大气比较干净; 对流层高空大气气溶胶消光系数在云影响下可达到6 km-1, 无云时气溶胶消光系数最大值一般为0.1 km-1左右, 表明高空大气比较干净。