研究了不同厚度周期极化铌酸锂晶体(PPLN)对掺铒飞秒光纤激光器倍频特性的影响。基于非线性偏振旋转锁模原理和啁啾脉冲放大技术,在1560 nm波段实现了重复频率为100 MHz,输出功率为423 mW,脉冲宽度为80 fs的掺铒飞秒光纤激光输出。以此为基频光源,对0.5,1,10 mm三种不同厚度PPLN倍频晶体进行倍频特性研究,实现了波长在780 nm的飞秒激光输出。其中采用0.5 mm晶体时获得了功率为100.4 mW、脉冲宽度为104 fs的倍频光输出,倍频转换效率为23.7%;采用1 mm晶体时获得了功率为165.0 mW、脉冲宽度为161 fs的倍频输出,倍频转换效率为39%;采用10 mm晶体时获得了功率为185.5 mW,脉冲宽度为305 fs的倍频光输出,倍频转换效率达43.7%。并解释了倍频转换效率和倍频光脉冲宽度随PPLN晶体厚度的变化规律。实验数据为基于锁模光纤激光器产生780 nm波段飞秒光脉冲的研究提供了有益的参考。

报道了一种以二维材料MoS₂作为可饱和吸收体的全固态Tm∶YAG被动调Q激光器。该激光器以785 nm窄线宽半导体激光器作为抽运源,采用平平腔设计,以MoS₂纳米片作为可饱和吸收体,实现了2 μm 波段的被动调Q运转。在吸收抽运功率达到2.02 W时,获得了最大平均输出功率为421 mW、最小脉冲宽度为 423 ns、重复频率为49.36 kHz、最大单脉冲能量为8.53 μJ的脉冲激光输出。结果表明,MoS₂ 是一种可适用于2 μm 波段固态激光器的可饱和吸收体,为产生近红外波段的脉冲激光提供了一种新的方法。

准分子激光绝对波长校准技术中,参考中心波长位置抖动是影响校准精度的主要因素,寻峰算法是解决这类问题的有效途径。通过仿真和实验研究比较了5种寻峰算法,结果显示,高斯非线性曲线拟合寻峰法误差最小,算法平均误差为0.15 pm。通过研究强度阈值对5种寻峰算法的影响,明确了阈值优化对减小寻峰算法误差的重要性。选取各算法最佳强度阈值来优化算法,结果表明,高斯非线性曲线拟合寻峰算法的误差最低为0.04 pm,平均算法误差为0.06 pm,选取该寻峰算法作为绝对波长校准核心算法,能满足校准精度要求。通过对影响算法的误差原因进行分析,证明噪声大小是影响高斯非线性曲线拟合寻峰算法误差的主要因素,进一步提升校准精度须从抑制噪声角度出发。

对于输出频率易受环境干扰的光栅外腔反馈半导体激光器,在利用光栅和电流两通道反馈并进行动态特性优化后,基于原子偏振光谱的无调制稳频系统可极大地抑制低频随机干扰引起的激光频率波动,并使闭环谐振频率扩展到155 kHz。 此时稳频系统可将特征频率在120 Hz处的激光器频率干扰,抑制到开环时的1/13570。利用偏振光谱,还可以测量原子跃迁线中心频率附近小范围内激光频率的起伏,获得激光器对不同频率声致振动激励的声音响应特性,并可对比研究激光器隔音机壳的隔音效果。实验表明,隔音机壳对于不同频率的声音激励,隔音效果可从12.8下降到0.14。这可为机械结构和隔音系统的设计提供实验依据,并可促进声音精密测量的发展。

提出一种基于半导体光放大器(SOA)的光纤环形激光器,在一定范围内可以实现激光的单频输出,同时在该激光器中发现一种新的脉冲不稳定现象,这种不稳定现象与电流调节方向有关。分析和对比实验表明,产生这种现象是由相移光纤光栅的光热效应所致,减弱光热效应可以使得激光器输出更加稳定。

传统的1064 nm稳频激光器虽然能达到很高的频率稳定度和不确定度,但其体积比较庞大,系统设计比较复杂。而对于一些激光频率稳定度要求不高的实际应用,如高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达,系统简单与缩小体积应该是更受关注的因素。利用碘分子吸收谱线并结合频率调制光谱技术建立了一套小型化的1064 nm稳频激光器,该系统结构紧凑。通过高稳定的波长计进行监测,测量频率稳定后的激光器在10000 s时的阿伦偏差精度小于0.1 MHz。该稳频的1064 nm激光器系统已被用作高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达单频脉冲光源的种子激光器。

超短脉冲激光可以直接对玻璃进行焊接,不需要在两片玻璃之间添加吸收介质,也不需要对材料进行热处理,应用前景广阔。利用飞秒激光热累积效应成功实现了石英玻璃之间的焊接,研究了激光重复频率和激光功率对玻璃焊接质量的影响。石英玻璃焊接区由3部分构成,包括顶部的圆形空腔、中部的熔融区域和底部的线形损伤结构,石英玻璃的焊接强度是3部分结构共同作用的结果。实验表明:在保持激光重复频率为500 kHz时,熔融区面积随着激光功率的增大而增大,但是焊接强度出现了先增大后减小的趋势;在保持激光功率为4.14 W时,熔融区面积和焊接强度随激光重复频率增长而减小。此外,还实现了铝硅酸盐玻璃之间和钠钙玻璃之间的焊接,并对不同成分玻璃的焊接端面形貌进行了对比。

通过在TC4粉末中加入变质剂B,进行了激光熔覆沉积实验。在沉积过程中引入了感应加热,研究了不同工艺条件下TC4熔覆层显微组织的变化。结果表明,当变质剂B和感应加热同时作用时,TC4熔覆层的晶粒细小且分布均匀、无明显β柱状晶,微观组织呈典型的网篮组织。当感应加热温度为900 ℃,B的质量分数分别为0.1%,0.05%和0.025%时,TC4熔覆层的组织由大量片状α相和少量初生α相组成,晶粒的长度为11~18 μm,宽度为4.40~6.90 μm。

以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为烧蚀靶材,以纳米碳粉和红外染料作为掺杂剂,采用微尺度羽流观测系统对GAP靶材的喷射羽流图像进行了观测,分析了掺杂浓度、靶材厚度及激光烧蚀模式对GAP烧蚀特性和推进性能的影响。结果表明,在激光烧蚀过程中,未掺杂吸收剂的GAP靶材利用率非常低;掺杂纳米碳粉后,靶材的推进性能显著增强,但对靶材厚度的依赖性较强,厚度较薄的掺杂纳米碳粉的GAP适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材;掺杂红外染料后,聚合物的气化程度显著提高,透射式下厚度对羽流喷射的影响较小。红外染料适合作为反射式激光烧蚀微推力器聚合物靶材的掺杂剂。

采用选区激光熔化(SLM)技术成形了AlSi10Mg合金,研究了该合金的显微组织及室温拉伸性能。结果表明:SLM成形AlSi10Mg合金具有细小的显微组织与较高的室温拉伸性能,且存在明显的各向异性;SLM成形过程中的高冷速显著细化了初生α-Al枝晶,熔池内部及边缘不同的凝固条件不仅使两处α-Al枝晶的尺寸不同,而且决定了α-Al枝晶的生长形态,但整体呈外延生长;结合试样不同取向上枝晶间Al-Si共晶组织的形态及演化规律,揭示了合金组织的各向异性;室温拉伸试样沿沉积方向(纵向)与扫描方向(横向)的强度相当,但延伸率相差近一倍,合金性能的各向异性主要表现在延展性上;拉伸断口SEM形貌特征体现了试样的断裂机理,结合横、纵向试样断口处的韧窝尺寸、Al-Si共晶组织形态、微裂纹形成等因素说明了断裂方式为沿晶断裂;SLM成形AlSi10Mg的组织与性能均优于传统铸件,有利于SLM技术在航空发动机控制系统典型复杂零部件的设计制造中实现工程化应用。

针对激光选区熔化(SLM)成形过程中易发生翘曲变形的问题,建立了一种“热源-局部-结构件”三级递进模型,采用生死单元法模拟了SLM成形中层层叠加的过程,并逐层施加固有应变,得到了宏观结构件SLM成形的变形趋势预测结果。将仿真结果与实际成形件进行对比,结果表明,固有应变有限元法能够有效预测SLM成形件的变形量。

采用超窄间隙激光焊对100 mm厚304奥氏体不锈钢进行了焊接试验,并研究了接头的显微组织和力学性能。结果表明,超窄间隙激光焊可以实现百毫米级及以上厚板的有效连接且焊缝的成形良好。接头的显微组织由奥氏体和少量铁素体组成,晶粒呈胞状和等轴状。接头的拉伸强度为658 MPa。拉伸断裂位于焊缝的胞状晶区,断裂形式为典型的延性断裂,断口形貌为细小均匀的韧窝和撕裂棱。焊缝组织中等轴晶区的显微硬度大于胞状晶区。

搭建了正交的再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(RDP-LIBS)实验装置。以黄连为研究对象,用其特征谱线的光谱强度和信背比评估了光谱特性。通过优化探测延时、两束激光能量值组合及脉冲间隔等实验参数,提高了检测的灵敏度。相比单脉冲激光诱导击穿光谱(SP-LIBS)技术,RDP-LIBS技术对4条特征谱线(Fe、Al、Ca、CN)的光谱强度增强倍数分别为4.0,5.5,10.0和3.5。RDP-LIBS下的等离子体电子激发温度和电子数密度均比SP-LIBS下的有所提高。

利用激光增材制造技术制备了沉积态和锻态Ti60A钛合金,并在600~800 ℃温度下进行了氧化实验,研究了不同氧化条件下试样的增重量及显微硬度的变化规律。结果表明,沉积态和锻态Ti60A合金的表面氧化产物主要由TiO₂和Al₂O₃构成,氧化层的生成是由氧向基体内扩散与Al和Ti元素向外扩散的共同作用所致;在相同的实验条件下,与锻态的相比,沉积态Ti60A合金氧化增重量更小,表面氧化层更致密,厚度更小,氧元素的扩散深度更小,高温抗氧化性能更好。

通过激光熔化沉积技术,在Ti-6Al-4V(TC4)基材表面原位合成了NiTi基金属间化合物涂层,并研究了其微结构特征、显微硬度和电化学腐蚀性能。研究结果表明,涂层主要由NiTi、Ni₃Ti、NiTi₂和Ni₄Ti₃等金属间化合物组成;涂层的显微硬度达到800 HV,比TC4基材的提高了约1.3倍;涂层表面生成了不均匀钝化膜,出现大量点蚀,故该涂层的耐蚀性能与TC4基材的相比略有下降。

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在应用中温度与应变串扰的问题,利用飞秒激光结合相位掩模板法在异质光纤熔接点处刻写FBG,基于FBG的温度或应变响应系数的特点,实现温度与应变双参量的传感测量。分别标定了掺镱-石英FBG和铒镱共掺-石英FBG的温度和应变响应系数,结果表明,铒镱共掺FBG和石英FBG的温度响应系数差异较大,应变响应系数相近,故可用作温度、应变双参数传感测量。经过800 ℃的高温退火的铒镱共掺-石英异质FBG在700 ℃温度下可保持长时间反射率稳定,因此可应用于700 ℃以内的温度和应变双参量解调。

通过激光熔覆技术制备了自组装 Cu92Fe8偏晶复合涂层,研究了其相分离特征、显微硬度、耐腐蚀和磁学性能。结果表明,球磨后Cu92Fe8复合粉末的颗粒尺寸减小,且由少量的体心立方α-Fe相与固溶体Cu相组成。在激光熔覆过程中,过冷Cu92Fe8熔体发生液相分离,球状富铁的α-Fe颗粒均匀分布于富铜的ε-Cu相基体中;自组装 Cu92Fe8偏晶复合涂层的硬度均匀分布且略大于黄铜,耐腐蚀性能略逊于黄铜,但具有较好的软磁性能。

大型高功率激光驱动装置中,激光能量密度及系统运行速度主要受终端光学元件损伤增长的限制。为高效、精确地检测元件的损伤状态,提出了一种基于局部信噪比的自适应差异窗过滤算法。该算法通过设计一种作用在像素点上的窗函数,以关联邻域点的像素值强弱完成目标点或背景点的判断,从而完成种子图像的阈值化,最后通过对种子图像区域生长完成损伤分割。为验证算法的有效性,搭建了在线检测模拟平台以获取损伤样品图像,并使用该算法对图像进行处理。结果表明:对直径50 μm以上的损伤点,算法的平均识别率在99%以上,达到了高功率激光驱动系统对微小损伤检测的精度要求。因其不需要依据经验设定种子图像的阈值,与现有局部信噪比算法相比具有更高的自动化程度。

潜在指印的检测是物证检测中关键的一步。针对多种渗透性纸张上遗留的潜在指印,基于潜在指印残留物中有机物成分在紫外光激发下会产生荧光的特性,采用266 nm紫外激光器作为激发光源,通过二维激光扫描系统对潜在指印区域进行快速扫描,采用窄带滤光片滤除干扰光,以指印条纹对比度作为依据优化实验参数,采用剔除奇异亮点和提高对比度的方法复原指印荧光图像。通过对复印纸、书写纸、学生作业纸、便利贴和报纸这5种渗透性纸张上的汗指印和油指印进行检测,获得了汗指印和油指印的清晰图像。该方法可实现渗透性纸张上潜在指印的无损检测,在刑事侦查、痕迹检测等多个领域具有重要应用。

为了解决目前目标识别方法应用平台难以实现小体积、低成本的问题,利用线扫描完成激光引信的探测成像,得到了DHGF算法的样本矩阵,建立了基于激光线扫描成像引信的四元评价算法对典型目标的识别模型。该模型使用德尔菲法确定目标轮廓相似度指标集;采用层次分析法确定指标权重分配;运用灰色系统理论确定评价灰类,得到单因素模糊评判矩阵;通过模糊数学理论得出目标识别的评价结果。该算法克服了在小样本数据的情况下,目标识别过程中的模糊性、不确定性等问题,并完成了对典型目标的仿真。仿真结果表明:该算法具备对典型目标的识别能力,可为激光扫描成像引信目标识别提供参考。

在阴影遮挡等非视距应用场景中,可见光通信系统的性能受限于严重的光功率衰减影响。基于仿生复眼的工作原理,设计了一种球面仿生复眼微透镜组和复合抛物面聚光器耦合的光学接收天线。利用TracePro软件分析球面仿生复眼的非成像特性,发现当探测面面积一定时,随着邻子眼光轴夹角减小,能量收集比率逐步提高,当邻子眼光轴夹角小于局部最优值时,能量收集比率达90%以上,接近最优。光轴夹角的局部最优值与探测器面积呈正相关。复眼的大视场特性随邻子眼光轴夹角的增大而逐步丧失,最终趋近于单透镜特性。对于可见光通信非视距链路的应用,可获得天线增益达56.45,视场角大于90°。利用MATLAB对室内信道进行数值分析,证明了仿生复眼多级耦合光学天线在阴影遮挡严重的场景下依旧能保持较高的馈入光功率,与普通的单透镜天线相比,平均功率提高了20 dBm,表明所设计的光学天线具有大视场和高增益的特性,可有效提高室内可见光通信系统的抗阴影遮挡性能。

目前直接探测PM_2.5质量浓度高度廓线有一定的困难,但可以通过一定的关系把激光雷达探测出的气溶胶后向散射系数高度廓线转化为PM_2.5质量浓度高度廓线。在把气溶胶后向散射系数廓线转化为PM_2.5质量浓度的过程中,气溶胶吸湿因子是一个关键的参数。激光雷达系统可探测气溶胶后向散射系数在近地面的高度分布廓线,PM_2.5质量探测仪可探测所在处的PM_2.5质量浓度和大气相对湿度。将这两种仪器置于同一地点同时进行探测,以获取同一地点同一时间的气溶胶后向散射系数、PM_2.5质量浓度和大气相对湿度。在理论的指导下对所探测的数据进行拟合,可得出吸湿因子的表达式。对2016年5月—2017年10月合肥地区仪器所在地的气溶胶后向散射系数、PM_2.5质量浓度和大气相对湿度的探测数据进行拟合,获得了PM_2.5质量浓度与气溶胶后向散射系数之间吸湿因子的变化规律。

在内爆物理实验中,多组激光脉冲在不同时刻与靶相互作用,产生若干瞬态物理过程。准确诊断这些激光与靶作用产生的瞬态过程之间的时序关系,对于成功获取实验状态的相关参数非常重要。提出了一种基于电磁辐射的内爆物理实验时序诊断方法,利用激光与金属靶相互作用时会产生强烈的电磁脉冲辐射,可获得不同激光与靶作用过程的时序关系,为判断和控制不同激光与靶作用过程之间的时序提供重要依据。在神光III主机大型激光装置上进行的实验测试表明,基于电磁辐射的内爆物理实验时序诊断方法可以准确确定预脉冲激光、主脉冲激光以及背光激光等与腔靶和平面背光靶之间作用的时序关系。该方法具有操作简单,测量精度高的优点,对于精确把握激光与靶相互作用过程的时间关系,提升实验精度有着重要意义。

研究了光学鉴频器的精密温控方法及其对鉴频光学谱线、鉴频误差的影响。设计了双层温控结构及电路,采用三线制等长接法、双路电流源方向切换等方式来减小引线电阻影响,消除了两路电流源失配。研究了基于现场可编程门阵列(FPGA)的模拟和数字混合温度控制方法,不同温度设置点的控制实验显示温控精度达到了0.0062 ℃,测量误差为0.0036 ℃。用单频紫外激光测试了该温控精度对光学鉴频器的谱线移动、透过率的影响边界,在该控制精度下的透过率谱线平移为0.11 MHz,造成的速度测量误差为0.0195 m/s。

为满足精密测量领域精度高、可靠性强、实时性好的测量要求,提出一种基于Zemax仿真的激光追踪测量光学系统能量分析方法。根据激光追踪测量光学系统原理,建立激光追踪测量光学系统能量模型,利用Zemax仿真分析非理想光学元件对光学系统能量的影响。仿真结果表明,干涉分光镜的分光比为5∶5且追踪分光镜的分光比为7∶3时,四路干涉信号能量接近,条纹对比度达到0.89,干涉效果最好。偏振分光镜反射率在非理想条件下,四路干涉信号的条纹对比度会下降。偏振分光镜透射率在非理想条件下不影响四路干涉信号的条纹对比度。该研究对激光追踪测量系统的精度提升、可靠性评估、光学系统设计和光学元件选择具有指导意义。

超表面在柱矢量光束(CVB)产生方面具有效率高、器件精巧等优势,被广泛用于CVB产生及相关应用,但是该方法存在一个比较大的缺点:超表面的结构是固定的,因此生成的CVB的阶数是不可调的。为了解决该问题,在1550 nm波段实验证明了一种通过模式的加减操作来高效调控CVB偏振阶数的方法。通过将两块超表面级联在一起,实现了CVB偏振阶数的减法运算;在两块超表面之间插入一块半波片,通过反转CVB偏振阶数,实现了CVB偏振阶数的加法运算。最终实现了在-8~8范围内以2为步长的CVB偏振阶数调控操作,实验结果与Jones矩阵的计算结果完全吻合。

随着红外光纤制备技术的不断发展,低损耗、高非线性且结构完美的红外硫系光纤的研制迫在眉睫。采用了传统的熔融淬冷法和动态蒸馏纯化工艺制备了As₄₀Se₅₈Te₂和As₄₀Se₆₀两种玻璃样品,基于两次多步挤压法制备了完美芯包阶跃结构的硫系光纤预制棒,在聚合物的保护下拉制出了损耗较低的阶跃型单模硫系玻璃光纤。结果表明:蒸馏纯化工艺可有效去除硫系玻璃中大部分杂质,2%摩尔百分比的Se被Te替换可有效实现小数值孔径并达到单模传输条件,采用截断法对单模硫系光纤进行了损耗测试,其最低损耗为1.66 dB/m(6.06 μm),工作波段为2.5~12 μm。以光参量放大器(OPA)为抽运源获得了覆盖1.5~13.2 μm(40 dB带宽)的超连续谱输出,光纤有较好的中远红外传输性能和极高的光学非线性性能。

提出了一种基于并联结构的多模式复用器/解复用器。该多模式复用器/解复用器由一根少模光纤和两根单模光纤构成。根据有效折射率匹配原则确定了光纤参数,仿真分析了不同芯间距对多模式复用器/解复用器性能的影响,得出最佳芯间距。仿真分析了该多模式复用器/解复用器对应的工作波长带宽。结果表明:该多模式复用器/解复用器不需要结合模式转换器即可实现LP₀₁、LP₁₁和LP₀₂三种模式的复用,最佳耦合区长度为4530 μm,工作波长带宽可达60 nm。

提出并设计了一种基于正交光相干接收的光载波上下边带信号分离技术,可用在布里渊散射分布式光纤传感系统中,实现对斯托克斯光和反斯托克斯光的无损分离。该技术利用正交光相干接收技术,保留了光场的相位信息,使光载波的上下边带在不同的输出端口处于相干叠加或相干抵消状态,从而实现上下边带的分离。结果表明,该技术可使光载波的上下边带分别从两个端口输出,且输出与输入信号功率线性相关,具有很好的线性度。分离之后的上边带光信号和下边带光信号之间的串扰小于-20 dB。与常用的光学滤波器方法相比,该技术无温度敏感器件,具有很好的稳定性和可靠性。

根据激光星间链路的技术特点,并考虑导航卫星星间链路需兼顾通信、高精度测量与自主定轨的多重要求,研究了全球导航卫星系统(GNSS)激光星间链路拓扑的动态优化问题。采用有限状态自动机(FSA)思想建立了一种导航卫星激光星间链路的链路周期表。综合卫星平台、轨道动力学、激光终端捕获跟踪性能等工程约束条件,以网络时延和链路空间位置精度因子(PDOP)作为通信性能和高精度测量的量化指标,建立拓扑的多目标优化模型。提出一种基于多目标模拟退火算法(MOSA)的改进算法,求解全局最优拓扑结构,并在某卫星或某条激光链路不可用时进行动态优化。此外,还设计了一种避免冲突的链路交叉算法,改进了多源最小时延路由算法。仿真结果表明:在包括24颗MEO和3颗IGSO卫星的GNSS中,经该算法优化的拓扑结构具有良好的通信和测量性能,能够有效改善网络时延、PDOP值;当个别卫星或个别激光链路不可用时,改进算法计算出的拓扑结构仍能较好地兼顾高速通信与高精度测量性能。

通过设计不同光学参数的组织仿体,研究吸收、散射对组织荧光光谱及组织漫反射光谱的影响规律,优化经验复原算法,以校正吸收、散射的影响,获得组织的固有荧光光谱。结果显示:使用优化的经验复原算法(经验参数k_x和k_m分别为0.9和-0.8)能够有效降低吸收、散射对荧光强度的影响,且荧光强度与荧光成分的浓度线性相关。在基于皮肤组织荧光光谱法筛查糖尿病的应用研究中应用上述光谱复原算法,结果显示:与原始荧光光谱相比,采用复原后的固有荧光光谱进行糖尿病筛查时,受试者工作特征(ROC)曲线覆盖面积由0.54增加至0.81,在特异性同为70.6%时,敏感性由38.6%增至77.6%。采用组织仿体优化生物组织固有荧光光谱经验复原算法能有效提高荧光光谱的临床应用价值。

在理论和实验上,分析了皮秒激光脉冲抽运所产生的参量荧光的时间相干特性。通过引入二阶复相干度,理论研究了在信号光与闲频光群速度走离存在的条件下,抽运功率和抽运脉宽对参量荧光时间相干性的影响。计算结果表明适当的抽运功率和较短的抽运脉宽是提升参量荧光时间相干性的重要条件,而过高的抽运功率或者较宽的抽运脉宽则会降低参量荧光的时间相干性。利用周期极化铌酸锂晶体,在实验上对理论结果进行了初步的实验验证。

为了实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测,解决激光超声检测内部缺陷时衍射回波信号弱、透射体波检测无法获得缺陷深度信息等问题,提出了一种激光超声反射横波双阴影检测方法。该方法结合超声透射法和反射法的优点,依据缺陷对反射横波的两次衰减作用,利用时间飞行法对样品进行扫描检测,通过波形互相关算法计算波形时延,精确测量了激光激发点与探测点距离和横波双阴影间距,结合样品厚度实现了对直径为0.8 mm内部缺陷的检出和深度定位。与X射线数字射线照相、传统超声换能器检测的结果进行对比后可知,激光超声方法能够实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测和精确定位。

为了实现更高灵敏度的温度传感,提出一种基于宇称-时间(PT)对称结构的光学温度传感器理论模型。该模型在PT对称布拉格反射镜结构中嵌入热光材料共振腔。热光材料的折射率随温度变化,进而影响结构在缺陷模式处的透射率大小。利用传输矩阵法计算模型的透射率谱线,结果显示,在不同温度下,该结构的缺陷模式透射率大小变化远大于模式位置的变化,因此,通过透射率大小的变化可实现温度传感。微腔共振导致结构具有独特的增益放大,该传感器灵敏度最大可达6.82 dB·K ^-1,检测范围最大达44.4 K,并且可以通过调节结构参数,使传感器在小范围高灵敏度和大范围低灵敏度两种模式之间转换。

利用光纤布拉格光栅(FBG)构建大型传感网络时,在相同带宽的条件下,为了增加传感器的数量,会尽可能多地写入光纤光栅,因此将导致部分光谱发生重叠,使FBG中心波长识别困难,解调精度降低。为此,提出一种改进粒子群优化(PSO)算法,以提高中心波长的识别精度。结合光谱形状复用技术构建重叠光谱模型,搭建温度实验系统来获取重叠光谱信号,并对PSO算法中的权重因子和学习因子进行了改进,利用所提算法对重叠光谱模型参数进行优化,并将其与6种优化算法进行对比。仿真与实验结果表明,所提算法与对比算法相比,具有收敛速度快、运行时间短、波长识别精度高的特点,且波长解调误差均小于1 pm,验证了算法的有效性和可行性。

以三维点云或模型表达的单体化建筑信息是城市规划、市政管理、数字城市建设等多个应用领域的关键信息要素。利用航空影像密集匹配点云,提出了一种针对复杂建筑区域建筑单体的快速提取算法。在对点云进行滤波处理及水平点云提取和聚类的基础上,将点云面域投影至二维平面格网化,并结合立面信息及面域几何特征将非屋顶面的点云面域滤除,进一步基于栅格图像计算点云面域之间的拓扑关系,得到了各建筑单体的点云覆盖范围,最后实现了建筑单体点云的提取。实验结果表明,所提算法对建筑单体点云提取的召回率和查准率平均值分别为92.6%和89.9%,说明所提算法能够有效支撑复杂区域建筑单体的提取。

为消除拉曼光谱检测中样品装载容器的荧光背景干扰,利用样品拉曼信号光与容器产生的荧光不共焦的特性,设计了一种双轴共焦的检测光路结构。实验结果表明:来自容器的荧光干扰幅度出现数量级的衰减,拉曼信号光幅度下降了约30%;双轴共焦拉曼检测方法能够避免传统共轴共焦检测方法中拉曼信号光和荧光混合接收的问题,解决了荧光干扰对拉曼信号动态检测范围的限制,实现了对荧光材料容器装载样品拉曼信号的有效检测。

受到水溶液内部复杂基质效应的影响,激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在水溶液样品的连续在线检测分析应用中受到很大制约。提出了一种微孔喷射辅助LIBS的新技术,用以实现水溶液中金属元素的连续在线分析。该方法通过微米量级的小孔矩阵和压电陶瓷振荡片将流动液体在线转化成密集的小液滴并连续喷出来,辅助LIBS系统进行检测。依据此思路,设计实现了一套由微孔喷射装置和传统LIBS装置组成的微孔喷射辅助LIBS检测系统。利用该系统,以水溶液中的Ca元素为目标元素展开实验,研究该方法的最优化实验参数、等离子体物理特性和检测能力等。结果表明,该方法对Ca元素的在线检测限能够达到0.96 mg/L,且在0~1124 mg/L范围内谱峰强度和浓度之间具有较好的线性关系。

将基于图像清晰度评价函数的自动聚焦算法应用于共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS),基于LabVIEW编写的控制软件对共线DP-LIBS实验系统与CCD相机、三维移动平台进行有效控制,将图像清晰度评价、自动聚焦算法和三维移动平台相结合,实现了样品的自动聚焦功能。实验结果表明:两激光脉冲间隔的最优位置为0.55 μs;原子谱线的稳定性高于离子谱线;采用自动聚焦系统后,光谱强度的相对标准偏差(RSD)从16.7%降低到6.7%,钢样中Cr元素和Mn元素定量分析的相关系数分别从0.851和0.639提高到0.947和0.923。自动聚焦系统能够提高信号的稳定性和测量精度。

针对基于弱相干光源(WCS)和轨道角动量(OAM)的测量设备无关量子密钥分配(MDI-QKD)协议的密钥生成率较低的问题,研究了基于奇相干光源(OCS)和OAM的MDI-QKD协议,并对其性能参数进行了分析。分析了密钥生成率、探测器的品质因子与安全传输距离之间的关系,并对比了基于OCS和OAM的MDI-QKD协议与基于WCS和OAM的MDI-QKD协议的性能优劣。仿真结果表明,随着安全传输距离的增大,密钥生成率减小。采用OCS大大减少了多光子脉冲数,弥补了WCS的不足,而采用OAM解决了基的依赖性缺陷问题,从而增大了最大安全传输的距离,该研究为实用的量子密钥分配协议提供了重要的理论参考。