设计了一款重复频率精确锁定的飞秒脉冲和皮秒脉冲双路输出光纤激光器。该激光器采用输出为近傅里叶变换极限的皮秒脉冲作为种子源,其脉冲宽度为21 ps,重复频率为40 MHz。该种子脉冲经1∶1分束后,分别注入飞秒和皮秒脉冲放大链路中。通过有效管理脉冲放大过程中的非线性和色散,实现了宽带光谱飞秒脉冲和窄带光谱皮秒脉冲的同步输出。其中,飞秒脉冲放大链路是将皮秒种子脉冲先经过单模光纤功率放大器,而后在50 m保偏单模光纤中利用自相位调制效应进行光谱展宽,光谱展宽至6.12 nm;进一步采用光栅对去啁啾后,得到了脉冲宽度为483 fs、平均功率为210 mW的飞秒脉冲输出。皮秒脉冲放大链路的皮秒种子脉冲经过功率预放大、脉冲选单至10 MHz后,由200/40光子晶体光纤主放大器进行功率提升,得到了脉冲宽度为25 ps、单脉冲能量为1.4 μJ、光谱宽度为0.86 nm的皮秒脉冲输出。此外,通过采用压电陶瓷精确控制和步进电机范围控制相结合的方式,实现了对皮秒种子源谐振腔重复频率的长时间精确锁定。激光器开启并达到热平衡后,8 h测量时间内重复频率峰峰值抖动小于3 mHz,标准偏差为0.31 mHz。

激光器输出功率稳定及高功率激光装置中长光程传输光束指向稳定,都对维持光学件位置的支撑镜架稳定性提出了很高的要求。为了维持光束的准直性,支撑结构必须兼顾可调节性和稳定性,而可调节性将引入不稳定性。本文针对可调节支撑镜架中常用的调节结构提出一种结构改进设计,通过添加单独起导向作用的精密滑动配合,实现对传统调节结构中导向与传动耦合的螺纹配合进行功能解耦,降低了螺纹配合中较大径向间隙对导向精度的影响,提高了镜架的稳定性;搭建了稳定性对比测试装置,实现在同一光路中对不同光学镜架的稳定性对比测试。实验结果验证了所提改进调节结构可有效提升光学支撑镜架结构的稳定性。

研究半导体激光器开环单向耦合的相位混沌同步。采用希尔伯特变换提取混沌激光器光场的相位时间序列,利用互相关系数、同步误差分析半导体激光器相位同步特性。实验结果表明,当注入强度大于0.80、频率失谐为-11.0~4.0 GHz时,主、从激光器可实现同步系数大于0.95的相位混沌同步,且相位混沌同步的参数范围大于强度混沌同步。实验也依据平均相位差验证了系统的相位锁定现象。

介绍了非稳腔薄片激光器腔内像差产生的原因及特点,提出了采用离焦校正变形镜和二维变形镜组合的方式校正腔内像差的主动校正技术,在仿真和优化设计基础上,研制的离焦校正变形镜动态范围为18.52 μm(峰谷值),二维变形镜镀膜后静态面形不大于0.04 μm(均方根误差),单驱动器动态范围大于6 μm(峰谷值),交连值在30%~35%范围内。将两种变形镜放置于激光器腔内进行主动闭环校正,经过离焦校正后光束质量改善至19.5,再经过二维变形镜校正后优化至6.5,波前像差由1.504 μm(均方根误差)减小至0.185 μm(均方根误差),光束质量提高了3倍,均方根误差值提高了8.1倍。实验结果证明,组合式校正模式可以有效地改善非稳腔薄片激光器腔内像差,其技术路线是可行的。

为解决现有甲板防滑涂层在高温、高速气流冲蚀等特殊服役条件下的使用及防护问题,采用激光熔覆技术在Q235碳钢表面制备了316L不锈钢耐蚀底层和316L+(ZrO2-8%Y2O3)防滑面层。采用腐蚀电化学测试方法研究涂层在海洋环境中的腐蚀电化学行为,并结合能谱分析及电镜分析等现代分析测试技术,对腐蚀后涂层的微观组织及内部结构进行表征;此外,对比分析了涂层在不同温度(200,400,1000 ℃)下的耐热性能和微观组织。结果表明:该新型铁基复合涂层表现出了较好的耐蚀性,且其耐蚀性比碳钢基体高出了2个数量级;在1000 ℃高温下,涂层表面无明显的剥落、开裂现象,表现出了较好的耐高温性能。

大气等离子体抛光(APPP)是一种非接触式的化学刻蚀加工方法,具有效率高、成本低、精度高等优点,可以作为碳化硅(SiC)加工的一种有效手段。基于APPP气体放电理论和尖端电场畸变效应,分析了电极结构对等离子体放电稳定性和去除函数的影响;从理论上推导了APPP加工SiC的最优电极尖端半径,并进行了实验验证。在最优电极的基础上,系统分析了不同加工参数下APPP刻蚀SiC的去除函数的特性。通过优化电极结构和工艺参数,对直径为50 mm、初始面形误差峰谷(PV)值为475.846 nm、初始面形误差均方根(RMS)为124.771 nm的无压烧结碳化硅(S-SiC)进行加工,加工21 min后,S-SiC工件的PV值降低至103.510 nm,RMS值降低至12.148 nm,RMS收敛率达90.26%。实验结果显示:APPP加工SiC比大多数传统加工方法的效率更高。

采用激光搅拌焊接对7075铝合金与碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)进行对接焊,分析了焊接工艺参数对接头连接强度的影响规律;对焊接接头的力学性能进行了测试,分析了影响接头强度的因素和接头的失效形式。结果表明:焊接速度对接头强度的影响最大,之后依次为离焦量、激光功率、搅拌振幅、搅拌频率和夹具气压;在最佳参数下得到的接头的连接强度为11.7 MPa,在此情况下接头断裂发生在CFRTP表层,接头的失效形式为CFRTP基体撕裂;测量了焊接时接头处的温度变化规律,温度过高或过低都会降低接头的强度;适当降低焊接速度能延长接头的高温存在时间,增加接头强度。

一次性整体成型或传统的加工方式已不能满足聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维增强复合材料精密加工和装配的要求。首先分别采用波长为355 nm的紫外皮秒激光和波长为1030 nm的红外皮秒激光对PBO纤维增强复合材料进行切割加工,加工过程中采用渐进式焦点下移和多道扫描策略;然后采用扫描电子显微镜观察了复合材料的切割截面形貌,分析了材料的物理去除机制和加工热损伤;最后研究了激光功率、扫描速度和方向、脉冲重复频率等激光参数与切割质量、切割效率之间的关系。实验结果表明:紫外皮秒激光可以实现“冷加工”和光化学效应,得到了较高的切割质量;激光焦点随加工进程下移可以有效提高加工质量并改善材料切割表面的一致性。研究结果表明,采用8 W、400 kHz、1000 mm/s的激光参数可以进行高质、高效的材料加工。

研究外加交变电磁场对SUS316L奥氏体不锈钢激光填丝窄间隙焊接接头宏观成形、铁素体-奥氏体微观组织、接头力学行为及耐蚀性的影响,结果表明:交变电磁场能够实现焊丝在焊缝横向位置的可控熔化行为,使窄间隙焊接接头的熔宽增加,熔深减小,焊缝对称性提高,而且接头中的未熔合及气孔缺陷也得到了抑制。外加交变电磁场将振动能量直接引入到焊接熔池中,改变了熔池原有的自然对流模式,促使熔池中心的高温液态金属向坡口侧壁润湿铺展,改善焊缝成形;同时,熔池的搅拌作用使焊缝温度均匀,降低了熔池的温度梯度,抑制了粗大奥氏体柱状晶的生长,增加了晶粒取向的多样性。电磁场辅助焊接接头焊缝晶粒尺寸细小,枝晶间距较小,枝晶形态交错复杂。接头拉伸试验和电化学腐蚀试验表明,电-磁场辅助SUS316L不锈钢窄间隙焊接接头具有良好的的力学性能和和耐蚀性。

对传统轧制态(R)GH4169板材和SLM增材制造(3D)GH4169板材分别进行激光焊接,采用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪对接头显微组织特征进行表征,并对接头进行显微硬度和拉伸测试。试验结果表明熔合区显微组织主要由胞晶向枝晶或柱状晶转变,晶内和晶间区域存在大量δ相和laves相。R/3D GH4169接头、R/R GH4169接头和3D/3D GH4169接头的晶粒尺寸和析出相尺寸依次减小,熔合区平均显微硬度依次增加(250 HV,261 HV,274 HV),接头拉伸强度依次增加(768 MPa,799 MPa,985 MPa)。R/3D GH4169接头和R/R GH4169接头断裂以韧性断裂为主,而3D/3D GH4169接头主要为脆性断裂。

为实现在玻璃基体上直接制造电路的封装技术,采用真空蒸发法在玻璃上镀涂不同厚度的铜膜;运用ANSYS软件模拟计算镀铜玻璃焊接时的瞬态温度场及瞬态应力场分布;利用纳秒紫外激光进行焊接实验;观察测试了焊接接头形貌和力学性能。理论计算表明:当焊接电流强度为27 A时,焊接样品铜膜的平均温度大约为3000 ℃,铜膜气化速率缓慢,焊接效果较好;热应力集中在铜膜上,玻璃的热应力小于玻璃的理论强度,其中焊接速度为70 mm/s时,热应力最小;铜膜厚度为80 nm的焊接样品的抗拉强度最高,为14.34 MPa。由此可得到激光焊接的最佳工艺参数:焊接电流为27 A,焊接速度为70 mm/s,铜膜厚度为80 nm。

采用同轴送粉激光增材制造工艺制备了Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V钛合金,研究了沉积态及热处理态合金的组织,测试了热处理后合金的疲劳性能,分析了热处理前后合金组织的演化规律,讨论了显微组织、组织缺陷对疲劳性能的影响。研究结果表明:沉积态合金组织由向外延生长的粗大β柱状晶组成,晶内为细长的α片层和晶间β相组成的网篮组织,α相的体积分数明显多于β相;在两相区固溶时效后,组织仍由粗大的柱状晶组成,晶内α相粗化,β相体积分数明显增加;与同工艺条件下制备的Ti-6Al-4V合金相比,热处理Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V合金的疲劳性能在高应力区高于Ti-6Al-4V合金,在低应力区低于Ti-6Al-4V合金;两合金在合金元素含量、相组成、组织尺寸等方面的差异是影响疲劳性能的主要因素;断口分析表明,疲劳源均形核于条状未熔合缺陷及气孔缺陷处,且缺陷直径越大,距离表面越近,应力集中现象越明显,疲劳寿命越低。

采用波长为1064 nm的光纤激光器对Q345钢表面锈层进行激光清洗,研究了激光扫描速度对清洗质量的影响。结果表明:当扫描速度小于1000 mm·s -1时,激光对基体的损伤较大;当扫描速度达到5000 mm·s -1时,部分锈蚀仍残留于材料表面;当扫描速度为3000 mm·s -1时,清洗效果较好且基体不会受到损伤。随着扫描速度从1000 mm·s -1增加到6000 mm·s -1,清洗后Q345钢表面的铁含量呈现先增加后降低的趋势,而氧含量则是先降低再升高。当扫描速度为3000 mm·s -1时,Q345钢表面清洗后铁元素的质量分数达到了峰值,约为90%,氧元素的质量分数则达到谷值,约为7%;铁与氧的化合物较少,且钢的表面粗糙度亦较低,Ra≈6.9 μm。通过调节扫描速度可以获得较好的激光清洗效果;激光清洗后,Q345钢表面的电化学腐蚀性能有所提高。

为了改善氧化铈抛光液的性能,在不破坏钕玻璃表面质量的前提下提高钕玻璃的抛光效率,选择在氧化铈抛光液中加入阴离子表面活性剂雷米邦A,并研究了改性后的抛光液对氧化铈抛光液中粒子粒径、钕玻璃的材料去除率和抛光后钕玻璃表面质量的影响,分析了加入不同质量分数雷米邦A的抛光液在不同pH值下对钕玻璃抛光速率和抛光质量的影响。结果表明:雷米邦A能够抑制抛光液中纳米粒子的团聚,降低氧化铈的中位粒径,提高抛光效率。当二氧化铈质量分数为3%、pH为6.5、雷米邦A质量分数为0.30%时,材料去除率达到最大值169 nm/min;当二氧化铈质量分数为3%、pH为7、雷米邦A质量分数为0.20%时,钕玻璃的表面粗糙度达到最小值0.9 nm。

应用传输矩阵法和等效介质理论,研究了拓扑绝缘体与Sinc函数型光子晶体分界面上的Kerr效应和Faraday效应,结果显示,在某些频率处,两种线极化波的反射波极化平面都可能会发生近似± π2的旋转,其附近周期结构的等效介电常数也有突变。进一步研究还发现,透射波极化面的旋转角随频率的变化规律与周期结构(BAB)n等效磁导率随频率的变化规律类似。以上结果都说明,在拓扑绝缘体与函数型光子晶体分界面上的Kerr效应和Faraday效应与入射波频率、周期结构的介电常数和磁导率等关系紧密。

双面神亲/疏膜可用于实现水下气泡的单向运输,在学术研究和工业应用中具有重要的意义。利用纳秒脉冲激光打孔,并结合加热改性工艺,在锌箔上下表面制备出锥形微孔阵列。通过控制激光加工参数,研制出双面神锌箔,其上下表面具有不同的粗糙度和微观结构,并开展了水下气泡单向运动特性研究。通过能谱仪(EDS)对双面神锌箔表面的化学成分进行了分析,结果表明,锌箔上表面的润湿性变化主要归因于激光打孔和加热处理中亲水性羟基的吸附和解吸作用。利用高清工业相机观测水下气泡的动态行为,发现气泡可以在0.6 s内从疏气面渗透到亲气面,但在相反方向则会被堵塞。研究结果显示,在一定范围内,脉冲激光能量的增加不仅可以增大锌箔表面的微孔尺寸并改善锌箔表面疏水性,还可以显著提高气泡的运输速率,气泡在双面神锌箔中的运输特性主要归因于表面微纳结构和化学成分的共同作用。研究结论可为超高速气泡捕捉、输送、收集和气液分离等领域的先进材料设计提供参考。

采用高温熔融法制备了Tm 3+离子单掺杂及Ho 3+/Yb 3+共掺杂的碲锗酸盐玻璃,并研究了其在2 μm波段的发光性能。在808 nm激光二极管泵浦下,在Tm 3+单掺杂的碲锗酸盐玻璃中获得了1.81 μm波长的荧光,荧光的半峰全宽达211 nm,发射截面为6.32×10 -21 cm 2。在980 nm激光二极管泵浦下,在Ho 3+/Yb 3+共掺杂的碲锗酸盐玻璃中获得了2.03 μm波长的荧光,荧光的最大半峰全宽为170 nm,发射截面为3.2×10 -21 cm 2。研究结果表明,稀土离子掺杂的碲锗酸盐玻璃不仅具有优良的物化性能,而且具有优良的中红外2 μm发光性能,在中红外超短脉冲激光玻璃光纤材料领域具有潜在的应用价值。

为了准确测量残余应力的分布情况,提出一种基于反射式暗场白光数字全息的残余应力三维检测技术。该技术将激光损伤点附近区域沿着轴向以数值化的形式离散成多层,每层的暗场反射光强度正比于该层光学双折射的轴向梯度,因此利用白光数字全息测量每层暗场反射光强度,即可结合光弹效应重建各层的剪切应力。通过对激光损伤的熔石英玻璃测量,实际验证所提技术可以对样品的三维残余应力分布进行准确重建,且轴向分辨率可达10 μm。实验结果表明,所提技术可以提高加工工艺和衡量产品的质量。

采用光强度调制鉴相方案,使用直接数字频率合成器(DDS)和激光驱动器产生频率稳定的调制激光,注入待测光路,在待测光路后进行光电转换和放大,引入参考本振信号作为混频器相位参考信号,利用混频器测量待测光路信号与参考本振信号的相位差,获得光路延时信息。主要特点如下:提出了在本振信号链路三段移相的差分式检测方法,优化了鉴相点,提高了测量精度;采用单段短时两相位点测量模式,有效降低了光源功率波动、光路中光强波动、光电探测及放大电路增益波动、温度变化导致相位差漂移等带来的测量误差;在每个相位点多次测量采样,根据测量的平均值计算相位差,推导时间差。详细分析了测量电压和被测时延之间的函数关系,分析了影响测量精度的因素,构建验证系统,完成了实验验证。实验结果表明:本方案在4 ns的时延内的测量精度可达1 ps,大幅提升了现有高功率激光装置的同步测量精度。

为了抑制环境振动引入的测量误差,实现对球面光学元件面形的动态检测,提出了一种基于微偏振片阵列的反射式针孔点衍射干涉系统。该干涉系统使用短相干激光光源获得两束相干光,通过调节两束偏振光的光强比调节干涉条纹的对比度,利用集成微偏振片阵列CCD相机采集的单帧图像获得4幅相移干涉图,实现动态检测。用该干涉系统和ZYGO干涉仪测量同一凹面镜样品,得到的面形结果相吻合,验证了该干涉系统测量结果的准确性。在实验测量平台上外加电动机产生振动条件,结果表明,当振动速度小于16 μm/s时,都可得到较准确的面形测量结果,表明该干涉系统的抗振性能较好。

为解决相位图在去噪过程中出现的散斑噪声残留和边缘纹理模糊问题,基于正余弦分解提出了一种自适应全变分去噪方法。首先,用正余弦函数将原始相位图分解成两幅相位图;然后用自适应全变分算法处理分解后的相位图;最后,通过反正切运算合成去噪后的相位图,以快速去除大量散斑噪声并保留图像的边缘信息。对去噪结果进行定量评价和分析表明,与其他降噪方法相比,本方法得到的图像峰值信噪比提高了2.0 dB,且结构相似度较高。同时可以自适应地选择参数,减少去噪后相位图的波动性,改善相位图的质量。

基于掺镱光纤激光放大器理论模型,分析了光纤放大器中掺镱光纤弯曲半径对模式传输损耗的影响以及掺镱光纤长度对系统光-光转换效率的影响。结合实验中采用的掺镱光纤的特点,对掺镱光纤的弯曲半径及光纤长度进行了优化设计。基于主振荡放大结构中,种子光源的输出功率为170 W,光束质量为 M2x=1.10, M2y=1.05;放大器采用双端抽运的方式,使用自研30/600 μm掺镱光纤,最终实现了输出功率为10.14 kW,中心波长为1070.36 nm,3 dB带宽为5.32 nm的全光纤激光输出,光束质量为 M2x=3.12, M2y=3.18。放大级最大光-光转换效率为87.9%,斜率效率为89.2%,输出激光信噪比大于45 dB。

为了探究羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒与硒化镉量子点(CdSe QD)的共轭物HAP-QD作为生物纳米温度探针的可能性,将CdSe QD与HAP纳米颗粒进行化学偶联,得到HAP-QD共轭物,并研究了HAP-QD荧光谱的温度特性。首先用硅烷偶联剂KH550对HAP表面进行氨基修饰;然后在偶联活化剂的作用下将表面修饰有羧基的CdSe QD与表面修饰有氨基的HAP进行共价偶联,得到HAP-QD共轭物;最后测量了298~318 K温度范围内CdSe QD和HAP-QD的荧光谱。实验结果表明,HAP-QD的荧光谱峰位随温度的升高会出现红移,且具有良好的线性关系。

基于近弹道优化的方法提出了一种高性能的单行载流子光电二极管(UTC-PD)的设计方案,用该方案制备的UTC-PD具有大的响应速度、响应度和饱和输出,且可减轻负载电压摆幅效应。设计的新光电二极管采用具有渐变掺杂的部分耗尽吸收层。在收集层底部插入p型掺杂薄电荷层,对器件内部电场进行了优化设计,让光生电子以过冲速度漂移,这样可减少电子的渡越时间,并使器件具备了高偏置电压操作能力,从而增大3 dB带宽,提升饱和性能。仿真分析表明,在8 V的高反向偏置电压条件下,有源区面积为16 μm 2的该器件可以获得超过86 GHz的3 dB带宽,响应度为0.17 A/W。

在实际的光纤周界安防系统中,既要求判断入侵事件类别,又要求对各类事件发生的可能性做出全面评估。对此提出一种基于自回归滑动平均(ARMA)建模与Sigmoid概率拟合的入侵事件识别方法。在判断入侵事件类别方面,将光纤振动信号的ARMA建模系数与信号自身过零率相结合,构造特征向量,并将其馈入支持向量机(SVM),实现对攀爬、敲击、晃动、剪切、脚踢和撞击6种常见的入侵动作的识别;在评估各类事件的发生可能性方面,引入Sigmoid模型,对训练模式的SVM的各输出值作参数拟合,进而将测试样本的SVM值代入各自Sigmoid模型中完成评估。现场实验表明,该方法对6类常见入侵事件的平均识别率达到87.14%,且可提供各类事件的发生概率参考值,因而具有较高的实用价值。

光热治疗是一种非侵入式、靶向性的新型治疗技术,但现有的光热治疗技术不能实时监测靶区的温度分布,且开环的激光控制方式不仅增大了治疗难度,也会对病灶周边的正常组织造成不可逆损伤。为此,提出了一种基于光声温度精准调控的光热治疗方法。研究了基于光声图像的温度成像算法,提出了光声温度敏感因子的概念,设计了基于光声温度敏感因子的闭环温度控制算法,最后搭建了一套基于光声温度精准调控的新型光热治疗系统,并进行了仿体实验。实验结果表明:基于光声温度精准调控的光热治疗方法可实现靶区温度的非接触式精准测量与控制,系统调节时间在10 s以内且温度控制均方根误差在0.7 ℃以内。基于光声温度精准调控的光热治疗方法可以作为一种更精准、高效的辅助手段应用于光热治疗领域。

超分辨荧光成像实验的分辨率和成像质量与实验过程中收集到的荧光分子光子数和背景噪声有着密切的关系。为了实现低光子数、高背景光下的快速超分辨荧光显微成像,利用所提卷积神经网络算法实现了对极低信噪比信号的恢复,并结合重构网络进行了超分辨成像。结果表明:利用该方法可以实现荧光信号在低信噪比下的有效恢复,峰值信噪比可达27 dB,明显优于同类的其他两种算法。该方法还可以配合Deep-STORM重构网络在低信噪比下实现快速的超分辨成像。重构结果的归一化均方误差为7.5%,分辨率相较其他算法有明显提升。实验条件下的重构结果验证了该方法的能力,为弱信号下的荧光快速超分辨成像提供了可行方案。

提出了一种基于电光效应的新型光参量放大方案,理论分析了磷酸二氘钾(DKDP)晶体增益带宽随氘化率的变化特性,研究了70%和95%氘化率的DKDP晶体在不同电场强度下的增益带宽变化特性。在885 nm中心波长处,对70%氘化率的DKDP晶体施加大小为1.67×10 5 V/m的场强时,增益带宽可从90 nm拓宽至124 nm;在808 nm中心波长处,对95%氘化率的DKDP晶体施加大小为1×10 5 V/m的场强时,增益带宽可从52 nm拓宽至68 nm。结果表明,在光学参量放大系统中,通过线性电光效应可以有效拓宽系统的增益带宽,同时可通过电光调制调节增益谱的中心波长,以进行连续波长调谐,在高能超短激光系统中具有很大的应用前景。

目标微多普勒特征可作为目标识别的依据,其探测往往受到激光雷达自身在激光束方向上振动的影响,并且测量结果受到本地振动的影响。提出了一种利用目标自身参考点来抑制本地干扰的方法,分析了目标待测位置和参考位置的回波与本地振动信号的拍频信号,并进行补偿处理,从而达到抑制本地振动、目标相对运动干扰的目的。实验结果表明,所提方法对本地振动和目标相对运动干扰的抑制具有显著的效果,相对补偿精度小于5%,补偿后得到的微多普勒特征能较好地反映目标真实的微振动形式。

针对高分辨率遥感影像中分类法提取的建筑物轮廓不规则问题,设计了一种逐级优化规整建筑物轮廓的方法。根据分类验证思想提取的建筑物的初始结果,首先提取建筑物初始轮廓进行多边形拟合,获取与建筑物轴线倾斜程度相一致的最佳拟合外接矩形,然后将建筑物轮廓线段与最佳拟合外接矩形边界进行等分并比较两者之间的单向Hausdorff距离,对距离较小且满足替换条件的轮廓线段等分点利用对应的最佳拟合外接矩形边界等分点进行替换,实现轮廓初步的规整优化;接着利用Shi--Tomasi算法对建筑物局部无法规整的复杂轮廓区域进行特征角点提取、匹配、排序与剔除,进一步对边缘特征点进行有序连接与重构,实现轮廓深度的优化,最终提高边缘表达准确度和提取精度。通过对多幅遥感影像进行实验对比分析,结果表明本文方法不仅适用于不同分类方法提取的建筑物结果的轮廓优化,有效提高建筑物轮廓的边缘表达精度,而且相比于轮廓优化参照方法,逐级优化能更准确地适应复杂建筑物轮廓的细节变化,优化的精度整体较优,使建筑物边缘的准确性、规整程度得到有效改善,能更真实准确地反映建筑物的真实形状。

为了提高系统的互易性及有效抑制背向散射噪声对RMOG检测精度的影响,提出一种基于光开关抑制背向散射噪声的谐振式微光学陀螺。首先分析和测试实际RMOG系统中背向散射噪声的影响;然后对顺、逆时针两路光波信号进行同频调制,并利用1×2光开关施加时分复用信号使得激光信号在顺、逆时针两个方向来回切换,在时间上分离信号光和背向散射光,用于减小背向散射噪声对RMOG检测精度的影响;分析光开关的信道串扰、切换时间对背向散射噪声的抑制作用。实验结果表明,光开关能够减小背向散射噪声,减小程度受开关串扰的制约,开关切换时间需结合光波导环形谐振腔的时间常数及环路锁定时间进行优化设计。

光电复合缆绳是系留无人机的生命线,可以起到电力传输和信号传输的作用。当缆绳内部张力过大时,内部光纤会出现断裂情况,为了掌握缆绳内部的张力分布,需对缆绳的应变进行测量。使用光纤布拉格光栅传感器测量复合缆绳的轴向应变时发现,细长复合缆绳的大幅快速运动容易引起缆绳的局部弯曲,导致反射谱的反射峰出现分裂现象。基于材料力学理论分析了复合缆绳弯曲时反射峰发生分裂的原因,通过实验对理论分析结果进行了验证,并提出了一种改进的测量方法,避免了粘胶和缆绳内部剪力对测量结果的影响,有效提高了轴向应变测量的准确性。

在吸收光谱燃烧流场诊断中,吸收分子谱线参数的准确性直接影响流场参数测量的精度。对燃烧诊断研究中主要探针水汽(H2O)分子的吸收谱线参数进行高精度校准。实验利用波长为1469 nm的近红外半导体激光器作为光源,采用高灵敏的免标定波长调制技术,结合自行搭建的实验室高温测量系统,获得了900~1500 K 温度范围内所选谱线的调制吸收光谱。利用非线性最小二乘L-M拟合算法对H2O吸收光谱进行拟合,精确获得了所选谱线在6807.83 cm -1和6808.04 cm -1的线强、自展宽系数和温度依赖系数;通过对比HITRAN和HITEMP数据库相应的光谱参数,可得线强的相对偏差分别为3.91%与-5.40%,自展宽系数的相对偏差分别为3.01%与-6.49%,温度依赖系数分别为0.5213与0.4567,线强的实验结果不确定度分别为1.05%与1.96%。所提出的免标定波长调制光谱参数标定法在高温光谱测量中具有检测灵敏度高、光谱信噪比高等优点,有利于提高光谱参数校准的精度,将为燃烧流场参数的精确反演提供谱线基础。

采用荧光分光光度计直接获取土壤中多环芳烃(PAHs)的三维荧光光谱,并利用非平滑非负矩阵分解(nsNMF)对其进行解析,结果表明,非负矩阵分解(NMF)能够从混叠光谱中提取出单一多环芳烃的荧光光谱信号。在随机初始值下,nsNMF优于基于交替式非负最小二乘的标准非负矩阵分解(NMF/ANLS),解析光谱与参考光谱的相似系数均在0.824以上。特别是在农田土壤中,菲和蒽的解析光谱与标准参考光谱的相似系数分别由0.758、0.845(NMF/ANLS)提高到0.907、0.913(nsNMF)。三维荧光光谱结合nsNMF能够实现土壤多环芳烃组分的快速识别。

乳化溢油是溢油进入海域之后与海水相互作用产生的一种溢油污染形态。而这种形态在开展激光诱导荧光(LIF)探测时表现出不同于其他形态的特性。因此,从荧光光谱的角度出发,以柴油和煤油为实验对象,开展轻质油乳化物荧光特性变化规律的实验研究。结果表明:轻质油的乳化会经历不同阶段,随着油水比分布的不断变化,将对激光照射发射荧光光谱产生不同的影响。不同阶段的光谱曲线对比分析可知:当激发波长为405 nm,发射波长为420~500 nm时,乳化过程存在荧光峰数目增多、峰值有增有减、谱峰的比值改变、荧光峰位偏移等一系列光谱变化特征。这些变化的特征构成轻质油乳化的荧光特性变化规律。该规律可为实际乳化溢油的LIF探测识别和状态评估提供一定依据。由于轻质油组分的差异,相同荧光特性变化趋势下的变化程度会有不同,想要实现乳化溢油的精准监测,后续还需结合具体油种考虑。

将激光烧蚀与吸收光谱技术结合,搭建一套激光烧蚀吸收光谱实验测量装置。将合金钢作为待测样品,选择铝原子的基态跃迁(394.40 nm)作为分析谱线,开展合金钢中铝元素的定量检测与分析实验。实验结果表明,在激光脉冲能量为30 mJ、探测高度为2 mm及采样延迟时间为8 μs的实验条件下,较为适宜对合金钢中不同含量铝元素进行定量检测与分析。在优化的实验条件下,获得合金钢标准样品中铝原子的高分辨率和灵敏度吸收光谱信号,并建立铝含量与吸收强度的定标曲线。定标曲线的拟合相关参数优于0.999,检测限为0.066%。研究结果证明激光烧蚀吸收光谱技术在合金钢中铝元素定量分析方面的可行性,以及在合金钢及其他材料中痕量元素和同位素定量分析方面具有巨大潜力。

报道了时序控制的抽运-检测型铷原子磁力仪中二能级磁共振物理过程的经典理论和实验研究。该原子磁力仪的工作原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于铷原子对线偏振光中左、右圆偏振成分有不同的吸收率,光的偏振方向会发生与磁场相关的转动。采用二能级磁共振经典物理图像描述了射频场与原子作用的物理过程,采用旋转坐标系推导了相关表达式,并在实验室坐标系中给出了原子磁力仪输出信号的表达式,指出铷原子磁力仪的输出信号与原子磁矩在探测光方向上的投影矢量有关,并通过实验验证了理论分析结果。研究结论有助于加深对磁共振经典物理图像的理解及时序控制的抽运-检测型铷原子磁力仪的工作原理和参数设置。

利用原子力显微镜(AFM)、荧光显微成像系统以及时间分辨单光子计数(TCSPC)系统,对金纳米球(AuNS)-银纳米线(AgNW)耦合结构纳米间隙内的量子点荧光自发辐射增强以及表面等离激元(SPP)传导特性进行研究。实验使用两种方式实现了金纳米球和银纳米线间的耦合。第一种方式为:将金纳米球和量子点的混合溶液及银纳米线溶液依次涂覆到SiO2基片上,寻找随机存在的金纳米球-银纳米线耦合结构。第二种方式为:利用AFM进行纳米操纵,在SiO2基片上实现了可控的金纳米球和银纳米线耦合结构。利用该结构,实现了最高达到611的量子点自发辐射速率增强因子,同时也观测到了被增强的荧光激发SPP沿银纳米线传导。利用COMSOL Multiphysics仿真软件,对金纳米球-银纳米线耦合结构附近不同位置和偏振的量子点自发辐射速率增强因子进行了模拟计算,并且和单个金纳米球、单根银纳米线附近量子点自发辐射速率增强因子进行了对比,结果表明金纳米球-银纳米线耦合结构能够获得更高的自发辐射速率增强因子。计算了量子点激发的银纳米线上SPP的场分布,得到了与实验相符的结果。

在完整的二维正方晶格硅中引入线缺陷和点缺陷,利用波导耦合和线性干涉,提出一种基于二维光子晶体的三输入全光逻辑“与”门。利用平面波展开法和时域有限差分法对所提与门进行仿真研究。结果表明,所提与门在波长为1544~1555 nm时对比度不小于3.5 dB,响应时间达到亚皮秒量级,点缺陷偏移介质柱可以横向偏移的范围为0.06~0.19 μm。本方案结构简单、工作波长范围较宽、响应时间较快,能实现三输入情况下的逻辑与。所提与门在全光信号处理系统和集成光路中具有重要作用。

玻璃纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、建筑行业和运输行业等领域,但由于制作和使用该材料的过程中常出现脱粘、分层等缺陷,很有必要对其进行无损检测。采用太赫兹层析技术与缺陷特征波形成像相结合的方法,对不同深度、不同面积的玻璃纤维增强复合材料脱粘缺陷进行了研究。针对层析成像中出现的条纹干扰,提出了一种基于相位的太赫兹层析图像条纹抑制方法,该方法消除了层析成像中出现的条纹干扰,进一步提高了成像质量,实现了对距试件上表面5 mm、直径为5 mm、厚度为0.05 mm的脱粘缺陷的识别。该研究为对反射式太赫兹层析成像结果的处理提供了新的方法。

翠绿宝石是性能优良的宽带可调谐激光晶体,具有荧光寿命长、饱和能量密度高、吸收带宽较宽以及热力学性能优良等诸多优点。翠绿宝石晶体独特的吸收带表明除了使用闪光灯泵浦,还可以使用蓝光激光二极管(LD)、绿光激光器、黄光激光器、红光LD等多种可见光光源作为泵浦源。其中,基于日渐成熟的高功率红光LD泵浦源的翠绿宝石激光器具有效率高、体积小等优势,逐渐成为固体激光领域的研究热点。利用两台光纤耦合输出的638 nm高功率LD作为泵浦源,使用双端偏振泵浦结构对翠绿宝石晶体进行抽运,实现了中心波长为760 nm、功率达10.5 W的可见光波段激光输出,光-光转换效率为20%。这是目前国内利用红光LD泵浦翠绿宝石晶体实现的最高输出功率。