激光粉末床熔融(L-PBF)能够精确高效地制备复杂结构,适用于目前主流的医用金属材料,可赋予骨科植入物定制化的宏观微观结构,快速响应个性化的临床治疗需求,最大程度地适应骨缺损部位的生理环境并加快骨修复重建进程。本文从生物材料、结构设计和制造工艺角度出发,全面评述了激光粉末床熔融制备金属骨科植入物的发展现状,重点对钛合金和钽合金等不可降解金属以及镁合金和锌合金等可降解金属的激光粉末床熔融工艺特性及力学性能进行了比较分析,并对该技术在骨科植入物制备领域的未来发展进行了展望。

为获得脉冲宽度窄、波形对称性好、输出性能稳定的脉冲激光,设计了一种基于石墨烯量子点与二硫化钼的1064 nm双被动调Q激光器。该激光器采用结构简单的线形腔结构,以808 nm LD为抽运源、Nd∶YVO4为增益介质。分别采用水热法和锂离子-插层法获得了石墨烯量子点溶液与二硫化钼溶液。经旋涂、烘干等工艺制备出可饱和吸收体,作为被动调Q器件。相比于单被动调Q激光器,双被动调Q激光器输出的激光脉冲宽度更窄、脉冲波形对称性更好。当抽运功率为12.9 W时,实验测到的调Q激光脉冲宽度为180 ns,重复频率为1085 kHz,信噪比为44 dB,平均输出功率为595 mW。

为了研究碱金属铷蒸气激光器中新的波长输出情况及其可能的应用,在铷原子系统中通过5 2S1/2→6 2D5/2 和5 2S1/2→6 2D3/2的双光子激发和四波混频过程产生358.7 nm、359.1 nm、420.3 nm和421.7 nm四种波长的激光输出,得出了6 2D5/2和6 2D3/2能级的最佳共振位置以及共振线宽,研究了产生的四波混频激光信号强度随体系温度和泵浦光单脉冲能量的变化情况,发现了当体系温度高于185 ℃时6 2D5/2→6 2P1/2的反常跃迁情况并给出了初步解释。实验结果表明,这种通过铷蒸气四波混频产生蓝紫激光的技术可以为海洋资源探测、高密度信息存储及水下激光通信等领域提供一种新的激光光源。

采用激光焊打底和冷金属过渡(CMT)焊填充的工艺对FV520B钢进行焊接,研究了不同工艺参数下接头的组织和性能。激光打底焊后,焊缝熔化区的组织主要包括原奥氏体晶粒内平行排布的板条马氏体以及分布于原奥氏体晶界和马氏体板条界的δ铁素体;激光焊熔合线位置存在呈连续和离散状分布的δ铁素体。随着CMT填充焊热输入的增加,熔宽、熔深及热影响区的宽度均增加,激光打底焊热影响区和熔化区的组织特征逐渐消失;当CMT填充焊的热输入较低时,在紧靠填充焊熔合线的受热影响的激光焊熔化区(HALWFZ)内,晶粒在高温热影响下变为等轴状,并且随着到熔合线距离的增加而变小;当热输入量较高时,激光焊熔化区的柱状晶组织均转变为等轴晶且晶粒较大。与激光焊相比,填充焊后焊缝横截面在水平方向各区域的硬度分布更加均匀;随着填充焊热输入增加,HALWFZ的平均硬度先增大后减小。填充焊熔化区(FWFZ)的平均硬度低于激光焊熔化区(LWFZ);LWFZ在靠近熔合线处的硬度最低。填充焊后激光焊区域的强度大于母材,填充焊区域的强度小于母材。随着填充焊热输入增加,激光焊区域的冲击韧性增加。电化学腐蚀试验表明,随着热输入增加,LWFZ的腐蚀电位先升高后降低;填充焊前和填充焊后LWFZ的耐蚀性均高于母材。

针对30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A高强钢的修复问题,采用30CrMnSiA合金粉末在两种基体上进行多层多道激光熔覆,研究了熔覆层、基体、热影响区的微观组织和力学性能。对于30CrMnSiA基体,其熔覆层组织主要为索氏体;随着层数增加,熔覆层中的索氏体减少,马氏体增多,盖面层主要为马氏体组织;热影响区组织主要为马氏体和少量块状铁素体,其中块状铁素体为原基体中铁素体的未熔相。对于30CrMnSiNi2A基体,其熔覆层组织主要为索氏体,随着层数增加,马氏体含量逐渐增加,但仍以索氏体为主;热影响区组织主要为索氏体和粗晶马氏体。在力学性能上,30CrMnSiA基体上熔覆层的硬度大于30CrMnSiNi2A基体上熔覆层的硬度,热影响区软化现象不明显,而30CrMnSiNi2A热影响区软化现象明显;30CrMnSiA基体上熔覆层试样的抗拉强度为基体的90%以上,且其冲击韧性、延伸率均优于基体;30CrMnSiNi2A基体上熔覆层试样的冲击韧性优于基体,但其抗拉强度、延伸率则大大低于基体。实验结果表明:30CrMnSiA合金粉末适合用于30CrMnSiA钢的激光熔覆修复,而对于30CrMnSiNi2A钢,则需要进一步减少热输入,以减小热影响区的宽度,减少粗晶马氏体的生成以及多层熔覆过程中马氏体的分解。

采用分离式霍普金森压杆对激光增材制造AerMet100超高强度钢沉积态和热处理态试样进行高应变率(1000~4200 s -1)动态压缩测试,并对微观组织和冲击断口进行了分析。结果表明:激光增材制造AerMet100钢具有明显的应变率敏感性,应变率强化效应显著;热处理可显著提高激光增材制造AerMet100钢的动态冲击性能,经885 ℃固溶(1 h)+(-73 ℃)深冷(1 h)+482 ℃回火(5 h)处理后,激光增材制造AerMet100钢试样表现出最佳的强韧性配比,动态冲击性能优异;当回火温度提高到494 ℃时,试样的动态压缩强度降低。

为研究能量配比系数(激光功率与电弧功率的比值)对铝合金激光-MIG复合焊接气孔的影响,采用X射线无损检测与金相显微组织观察法对6 mm厚6061铝合金激光-MIG复合焊接接头在能量配比系数为4.0、3.5、3.1下的气孔进行了分析。结果发现:激光功率对焊缝横截面底部熔宽的影响显著,增大电弧功率能有效增大复合作用区域的深度;在较高的能量配比系数下,焊缝内部气孔的直径较大,但其数量较少,气孔率较低;在焊缝横截面上,气孔主要分布在焊缝上部,下部较少;但是当能量配比系数降低至3.1时,气孔的分布趋于均匀,下部气孔数量增加显著,且工艺气孔的数量也有所增加。结果表明,提高激光功率的能量占比有利于降低气孔率。

采用高功率光纤激光对铜铪合金和低碳钢进行焊接,基于熔池快速凝固保留小孔法对比研究了小孔的形貌特征。结果表明:两种材料中均可保留小孔,孔口直径明显比光斑直径大;在铜铪合金中,孔口形貌呈现为大小圆环相交的“葫芦”状,位于焊接前方的小圆环直径与光斑直径相当,大圆环的直径在毫米量级;在低碳钢中可保留小孔的激光出光时间极短,其熔池凝固时间较长,且仅保留了小孔的大圆环区域。进一步的分析表明,焊接过程中的孔口形貌可分为激光直接作用区(直径与光斑直径相当)和蒸气压力维持区(直径在毫米量级);在数值模拟中构建激光焊接热源模型时应参考小孔的形貌特征。

针对开放环境下钛合金在激光熔覆过程中易被氧化的问题,提出了一种局部气氛保护模型。采用Fluent软件分析了不同保护气体流量下局部保护喷嘴可提供的有效保护气氛范围,并通过三次多项式拟合建立了气流有效保护长度的数学模型;然后利用响应面法建立了包括保护气体流量在内的工艺参数与熔覆过程中待保护高温区域长度之间的二次回归模型;对两个模型进行联立分析,最终建立了开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型。验证试验所得单道熔覆层形貌良好,表面呈银白色的金属光泽,说明熔覆过程中熔池及其周围高温区域得到了有效保护。所建局部气氛保护模型可用于指导开放环境下钛合金激光熔覆过程中保护气体流量的选用。

针对医用植入体材料锆基金属玻璃在应用中存在的生物兼容性问题,采用纳秒激光在金属玻璃试样表面诱导产生点阵和沟槽两种微纳结构,然后采用细胞活性测试、细胞分布和形态观察评价两种微纳结构对锆基金属玻璃生物兼容性的改善效果,并从表面形貌方面讨论激光表面改性对生物兼容性的改善机理。结果表明:相对于原始试样,激光诱导产生的沟槽结构能够显著增强成骨细胞在试样表面的黏附性和细胞活性,这主要归功于显著增加的表面粗糙度;点阵结构对细胞活性的改善效果不理想。除此之外,在沟槽试样表面,激光诱导产生的沟槽以及在沟槽内附着的微纳结构是成骨细胞在沟槽内部或附近沿着沟槽方向分布的主要原因。

宽带高损伤阈值低色散镜是拍瓦激光系统中不可或缺的光学元件。系统性地研究了金属-介质镜、介质镜和组合介质镜的光学性能、色散特性、抗损伤特性以及损伤机理。介质膜能够提高金属膜的损伤阈值,银-介质低色散镜的传输效率和损伤阈值比Au、Al更高;在飞秒激光作用下,金属-介质镜在近损伤阈值处为典型的鼓包形貌,这是由于金属层吸收了大量能量而产生了热应力破坏。在组合介质镜中,保护层HfO2的存在降低了Ta2O5中的电场,初始损伤层被转移至HfO2中,且在不牺牲反射带宽和色散性能的前提下介质膜的损伤阈值得到了提升。

提出了一种分析位置敏感探测器(PSD)对激光追踪测量系统性能影响的方法,分析了PSD的测量原理,建立了激光追踪测量系统中的PSD测量模型。利用Matlab/Simulink软件搭建了激光追踪测量系统的仿真模型,仿真分析了PSD的位移电压转换系数对激光追踪测量系统性能的影响。仿真结果表明,当位移电压转换系数αp为1000 m/V时,PSD的响应时间较短,激光追踪测量系统动态响应的超调量低、稳定时间短、动态超调误差小。实验结果表明,αp越大,PSD光电转换电路输出的电压误差越大,对激光追踪测量系统性能的影响也越大。当αp=1000 m/V时,PSD光电转换电路输出电压的误差最低,稳定时间最短。

针对单镜头激光三角法存在的光条遮挡问题,提出了一种解决光条遮挡问题的双镜头激光面型测量方法。首先通过实验观察并探究了光条在传感器中的分布现象及形成原因,分析了物体表面形貌、光学系统与光条分布的关系,以及光条分布对三维重建的影响;然后基于直入射激光三角法原理设计了双镜头测量系统,应用形态学处理结合灰度重心法等多种算法提取光条中心坐标,最后基于方差最小化对双镜头数据进行关联融合。实验结果表明:双镜头能够解决由光条遮挡造成的大面积形貌缺失的问题,能够重建待测物体表面形貌的完整包络,数据缺失占比小于0.5%。

弹性常数是描述金属箔材力学性能的重要参数。为了准确地测量出金属箔材的弹性常数,提出了一种基于激光超声技术的无损检测方法。首先,采用数值方法求解弹性模量计算的逆问题;然后,采用直接耦合的有限元方法,分别计算了脉冲激光在20 μm厚的镁锂合金、304不锈钢以及6061铝合金三种箔材上激励出的超声场,将模拟得到的兰姆波速度代入数值计算程序,得到了弹性模量及泊松比的计算值,并将该计算值与有限元模型设定值进行对比;最后,结合铝合金箔材的实验测量,验证了数值求解逆问题方法的有效性。结果表明:利用所提出的数值计算方法可精确地得到箔材的弹性模量及泊松比。所得结果为进一步使用弹性常数描述金属箔材的力学性能提供了参考。

针对传统轴承故障诊断算法精度低、易受噪声干扰等问题,提出一种经验模态分解与卷积神经网络相结合的诊断方法。利用光纤布拉格光栅(FBG)获取轴承的振动信号,再由经验模态分解将信号分解为多个本征模态函数(IMF)分量,并提取有效信号,利用IMF分量的结构特性将IMF分量组合成矩阵,输入至改进的卷积神经网络中进行故障分类识别。实验结果表明,所提方法能有效识别正常轴承、故障轴承及复合故障轴承,其识别准确率大于91%。

针对液晶光学相控阵(LCOPA)调制相位分布测量实时可溯源的问题,结合空间啁啾技术与双光梳干涉测量技术,提出一种基于光梳的空间高分辨相位测量方法。针对光栅以及光梳光源的参数对系统空间分辨率以及测量视场的影响进行理论仿真分析。理论仿真结果表明,该方法的测量视场可达100 mm,空间分辨率优于2 μm。实验结果表明,该方法能够在微秒时间尺度内实现LCOPA多通道驱动电极调制相位分布的快速测量,因此有望为LCOPA器件的研制和性能的评价提供有效途径。

在车轮廓形动态检测过程中,线激光传感器只能安装在轨道旁作业,线激光测量平面与车轮表面交线无法通过车轮轮心,导致采集到的大量车轮廓形数据存在仿射畸变,难以用传统迭代最近邻(ICP)算法进行准确匹配,测量精确性与鲁棒性难以保证。提出了一种基于感兴趣域的加权尺度迭代最近邻 (ROI-RSICP) 算法,对存在仿射畸变的磨耗车轮廓形实现了精确测量。首先,根据车轮廓形磨耗特征和大量磨耗车轮数据,采用PointNet深度学习网络,将采集的车轮廓形点集分成磨耗感兴趣区域(ROI)和非磨耗区域;然后,通过对磨耗ROI和非磨耗区域赋予不同权重值,提出了ROI-RSICP方法,并实现了仿射畸变磨耗车轮廓形与标准廓形的精确配准;最后,通过Hausdorff距离算法实现了车轮磨耗可视化处理。实验对比了ICP算法、Scaling ICP算法、ROI-RSICP算法以及第四种检查器的测量结果,验证了所提算法对仿射畸变磨耗车轮廓形动态检测的可行性。

当前墨迹伪造造成的经济损失逐年增加,基于此,提出一种基于扫频光学相干层析(SSOCT)的墨迹鉴别方法。使用自主搭建的SSOCT成像系统采集墨迹样品背向反射光强随深度下降的数据,通过数据拟合获得墨迹层的衰减系数,用以区分同种颜色不同品牌墨水在白纸上书写的墨迹。实验测得百乐牌墨迹衰减系数范围为0.1333~0.1434,得力牌墨迹衰减系数范围为0.1501~0.1695,英雄牌墨迹衰减系数范围为0.1748~0.1892。重建了使用三种墨水书写的“OCT”字母的X-Y横截面图像,实现了墨迹的鉴别与区分,验证了方法的可行性。

基于惠更斯-菲涅耳衍射理论进行数值计算,发现柱面望远镜整形系统的柱面镜旋转失调不仅会导致平行光束远场焦斑旋转倾斜,还会导致其在倾斜方向上出现拉长、离焦现象,该像差来源于柱面镜旋转导致的像散与离焦的叠加,上述结果说明远场焦斑的离焦也可以出现在旋转失调的柱面镜整形系统中。此外,定量给出包含激光中心波长、整形光束尺寸、柱面镜间距、放大率的归一化相位系数与远场焦斑形态的相关关系,该系数可以用于评判柱面整形系统对柱面镜旋转失调的敏感度。最后搭建了相应的实验装置进行验证,实验结果与计算结果较好地吻合。

针对光轴控制系统中广泛使用的压电倾斜镜,分析了其基本工作原理和数学模型,描述了遗传算法在模型中的辨识过程。针对大口径压电倾斜镜,搭建了频率响应测试系统,实现了对压电倾斜镜传递函数的参数辨识。对比辨识传递函数的频率响应与实际测量数据,并对系统中存在的多个谐振点的辨识精度进行分析。实验结果表明,在各个谐振点处,遗传算法获得的传递函数频率响应与实际测量数据具有较高的一致性,利用该算法得到的传递函数能更为准确地分析光轴控制系统的动态特性,有针对性地设计先进的控制算法,从而达到提高光轴控制系统性能的目的。

为了同时满足激光装置对大口径反射镜面形精度和结构稳定性的控制要求,提出了一种反射镜多自由度解耦的多点夹持方式,通过限位实现对反射镜多自由度的控制,以此避免由夹持带来的附加面形。采用有限元法分析了所提方式的有效性,并通过实验验证了分析方法及该夹持方式的可行性,结果表明采用该反射镜夹持方式带来的附加面形较小,满足反射镜低应力附加夹持面形的要求。在此基础上,对45°倾斜放置的反射镜的面形进行了模拟,探究了不同夹持点位置分布对反射镜面形精度的影响规律,模拟结果表明:为了保证反射镜的面形精度,至少要有一个夹持点位于反射镜的长边。该研究成果对大口径反射镜夹持设计具有重要的指导意义。

针对交错正交幅度调制的相干光滤波器组多载波通信系统,提出了一种新型联合估计算法。该算法通过对训练序列进行特殊的设计,同时完成了时间同步与信道估计任务,有效地提高了频谱效率。首先,根据相干光滤波器组多载波系统模型,仔细推导了时域波形的共轭对称性条件。在此基础上,提出了一种时间同步方法,该方法将伪随机序列与共轭对称性结合,提高了时间同步的准确性。然后,利用双相关导频原理进行信道估计,该方法既能规避固有虚部干扰的影响,同时又能保持时域波形的共轭对称性。最后,通过搭建数值仿真平台,研究了该系统的传输性能,仿真结果表明该算法可以有效地完成对时间同步和信道响应的联合估计任务。

实验研究了一种采用单个激光源和一个双极化马赫-曾德尔调制器(MZM)产生两路不同频率光射频信号的矢量系统。通过光副载波复用,采用一个调制器和一个光载波即可将两路四相相移键控(QPSK)射频信号加载到两个不同频率的光副载波上,采用偏振复用克服不同频率光信号的串扰,实现了80 km单模光纤(SMF)的高质量信号传输。实验表明,单边带调制格式下,15 GHz和30 GHz的QPSK信号分别经双极化MZM调制,并经80 km SMF传输后,15 GHz的QPSK信号的传输性能表现更优,当光电检测器(PD)的输入功率高于-10.2 dBm时,其解调后的系统误码率(BER)低于3.8×10 -3。系统结构简单,复杂度低,使用的电、光器件少,有效地降低了成本,在未来接入网中发挥了巨大的作用。

为了克服自由空间光通信系统中大气湍流、机械平台振动等因素的影响,提出了一种基于峰值功率反馈结合快速反射镜的章动耦合方案,并搭建了章动实验平台。通过快速反射镜引入一定频率和幅度的正弦扰动进行动态跟踪实验,结果表明,在跟踪状态且耦合效率不低于55%时,系统的最大耦合范围能达到1.1 mrad。同时设计的跟踪算法可以很好地校正大幅度扰动,使探测器接收光功率的均方误差由开环时的9.91%降低到闭环时的0.81%。测试了系统在不同信噪比下的章动耦合效率,结果表明,耦合效率随信噪比的降低而降低。

设计了一种基于异质结构的低串扰3-LP模12芯光纤,纤芯采用异质无沟槽辅助的环形折射率分布,结构简单且能增大纤芯的有效模场面积。利用COMSOL软件分析了异质纤芯的芯间串扰、有效模场面积等性能,结果表明,异质纤芯LP01,LP11,LP21模的芯间串扰分别低于-0.78,-0.66,-0.4 dB/km,有效模场面积分别为150,166,200 μm 2。使用方点阵型纤芯排布方式,可实现包层直径约为213.8 μm、相对纤芯复用因子为26.9的低串扰3-LP模12芯光纤设计,为通信容量的升级扩容提供器件支持。

首先介绍激光链路通信的优势,然后介绍基于生成对抗网络(GAN)的端到端通信学习系统,提高了通信系统的实时性与全局优化性。针对传统GAN在训练与应用中模式坍塌和训练不稳定的问题,引入Wasserstein生成对抗网络进行改进。最后将Wasserstein生成对抗网络应用于端到端通信系统中。实验结果表明,Wasserstein生成对抗网络可以对加性高斯白噪声信道和对数正态信道进行有效模拟,且解决了传统GAN训练不稳定和模式坍塌的问题。

以航天器中结构的形态感知与可视化重构为研究背景,提出了一种基于准分布光纤光栅传感器网络的板状结构变形监测系统和坐标转换曲面重构算法。首先利用ABAQUS有限元分析软件对四边固支平板结构中心点加载的变形状态进行仿真分析,确定了光纤光栅传感器的位置;研究并分析了光纤光栅的应变检测原理以及基于坐标变换的三维曲面重构算法;最终搭建了一套变形检测系统并进行了相关实验。结果表明,测量点变形量的均方根误差≤0.04 mm,相对误差≤3.5%,该系统可用于航天器板状结构的变形监测。

荧光免疫层析定量检测技术已被广泛应用于临床检测领域,如新型冠状病毒肺炎的筛查和检测。为了提高检测精准度,提出了基于荧光显微镜数字图像处理的荧光免疫层析定量检测方法。首先构建了显微系统的光通量损失方程,然后根据面阵CCD输出的数字图像特征提取原始图像中的RGB分量并对其进行加权处理,之后拟合了面阵CCD的量子响应速率曲线,获得了荧光信号的相对强度。根据荧光信号强度即可反演出待测物的浓度。实验验证后可知,检测结果的变异系数为3.04%,线性拟合系数大于0.99。本检测方法可对最低质量浓度为0.1 ng/mL的待测物进行准确检测,适用于CCD成像型荧光显微镜系统,对荧光检测具有一定的参考意义。

血管内光学相干层析成像(IVOCT)对于心血管疾病的早期诊断具有重要意义。成像探头是IVOCT系统的核心器件。设计了一种基于微型螺旋桨驱动的IVOCT探头,该探头未使用传统内窥探头中为光束扫描提供动力的微型电机等电动装置,而是利用IVOCT系统成像时冲刷血液的流体驱动安装在探头末端的螺旋桨,从而带动安装在螺旋桨转轴上的直角棱镜旋转,实现光束对血管壁的扫描成像。对螺旋桨进行优化设计,提高了流体的驱动效率。探头外径为1.5 mm,探头扫描速度最高可达491 r/s。利用集成该探头的IVOCT系统对白胶带样品、小葱葱管以及离体鸡心脏动脉血管样品进行成像,获得了清晰的样品层析图像,验证了该探头的成像能力。

基于掺氧化镁铌酸锂晶体,采用临界相位匹配技术以及半整块腔型结构进行外腔倍频实验并制备了532 nm激光。对热透镜效应引起的倍频腔模式失配进行了理论分析。在较高基频光注入倍频腔时,通过重新进行模式匹配,缓解了模式失配对倍频转换效率的影响,最终可实现最大倍频转换效率为(49.3±0.45)%的倍频过程,对应输出功率为567.0 mW。通过模式清洁器改善了输出532 nm激光的光束质量并有效降低了其强度噪声,最终实现了输出功率为470 mW、光束质量因子为1.05的低噪声532 nm激光,其在分析频率1.65 MHz处达到散粒噪声极限。此倍频系统结构紧凑,输出功率稳定,可为集成量子压缩光源提供有效泵浦光场,在量子精密测量以及量子信息科学等领域中发挥重要作用。

采用离轴脉冲激光全息诊断技术,在发动机试车台上对某型号涡轮发动机喷嘴在常温常压及高温纯空气来流条件下的燃油雾化参数进行了实验测量,获得了雾化场空间结构特征、雾化粒子空间位置、数量分布以及索太尔平均直径分布等三维量化数据。实验结果表明,常温常压条件下,该型号喷嘴形成的雾化场呈空心圆锥体分布,雾化粒子集中分布在锥体表面,粒子直径多在60~80 μm之间,随距喷嘴距离的增加,粒子直径减小且趋近一致,表现出均匀的雾化效果;喷射压力较低时,近喷嘴区域密集涡流环下游出现一个类似主流环的涡流环,随着喷射压力的增大,喷嘴附近涡流环数量减少,液膜波纹及细丝增多,下游没有观察到主流环;射流两侧的雾化结构呈现不完全对称分布。在800 K、5.5 kPa的高温纯空气来流作用的工况条件下,燃烧室内雾化粒子的平均直径减小至12 μm左右,雾化质量得到明显改善。

针对单一点云数据在古遗迹数据存档和模型重建过程中存在数据缺失的问题,以柬埔寨吴哥女王宫遗址为例,提出一套完整和高效的数字化记录与重建方案。通过结合地基激光雷达点云与无人机影像视觉点云,可以解决模型重建过程中激光与视觉点云的配准和融合以及模型构建与修补等关键问题,从而获得目标对象的三维模型。在此基础上,进一步提出的模型应用成果场景漫游动画和平立剖面图,能够更好地为吴哥女王宫保护、修复和研究提供静态和动态数据基础。所提方案能够为古遗迹保护过程中的数据采集、数字化存档、数据分析、场景展示和遗迹修复等多方面提供数据基础与技术参考,进一步推动激光雷达在该领域中的应用。

构建已知纯净物光谱数据库,计算待识别混合物光谱与数据库中各纯净物光谱的相似度,是利用拉曼光谱技术进行混合物成分分析的常用策略。受测量仪器性能及待测混合物所含成分相互干扰的影响,待识别混合物中所含物质成分的光谱与数据库中对应的纯净物光谱相比会有不同程度的失真,从而给基于纯净物光谱数据库的组分鉴别带来极大困难。针对这一问题,提出了一种使用已知混合物光谱数据来改善混合物成分识别精度的方法。首先利用纯净物拉曼光谱谱峰的位移和半峰全宽信息,将已知混合物的光谱谱峰与其所含有的具体物质对应;然后基于谱峰拉曼位移、半峰全宽和谱峰强度分别构建纯净物、已知混合物和待识别混合物的特征参数,并利用模糊隶属度函数计算待识别混合物光谱与纯净物光谱、已知混合物所含物质光谱的相似度;最终根据光谱相似度确定待识别混合物中含有的疑似组分。基于204种纯净物和8种已知混合物光谱数据库,对81种混合物进行了识别,结果表明:所提方法可降低由光谱失真导致的相似度计算误差,提高识别准确率;相比于纯净物数据库搜索策略,本文方法的识别精度由76.34%提高到了92.83%。

为实现对红枣品种的判别,利用高光谱技术并结合机器学习算法对金丝大枣、骏枣和滩枣这三个品种的新疆红枣进行研究。首先,分别利用多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、一阶导(1-Der)和Savitzky-Golay(SG)平滑等数据预处理方法对原始光谱进行预处理,研究了预处理方法对建模的影响;然后,利用光谱-理化值共生距离法(SPXY)将样本集划分为校正集和预测集,基于线性判别分析(LDA)、K-最近邻分类(KNN)和支持向量机(SVM)算法对预处理后的全波段光谱建立红枣品种鉴别模型,结果显示,在多种预处理方法中,1-Der的处理效果最好;然后,结合主成分分析(PCA)、连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权采样(CARS)等特征提取方法对全波段光谱进行特征波段的提取,再基于特征波段建立红枣品种鉴别模型,结果发现,在几种特征提取方法中,基于CARS所提特征波段建立的模型可以获得最高的鉴别准确率;最后,以SVM模型为例对模型运行时间进行了比较,结果发现,基于特征波段所建模型的运行时间远短于基于全波段所建模型的运行时间。

结合激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,设计激光清洗在线监测系统以实时监测激光清洗的质量。实验所用的激光器为光纤激光器,其可以在多维空间中加工应用。首先确定激光清洗速度,并研究LIBS随激光单脉冲能量密度的变化规律,用来表征碳纤维复合材料清洗的效果。然后在数据分析的处理上,采用均值平滑去除背景的方法处理包络状的光谱连续背景;采用DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法实现光谱噪声和有效数据的分离;采用皮尔逊系数分析的方法确定激光清洗的最佳烧蚀次数,为激光清洗实现过程自动优化控制提供判定依据。最后采用扫描电子显微镜分析碳纤维表面形貌特征,证实LIBS技术在线监测激光清洗效果的有效性。

设计了可聚焦红绿蓝三色光的偏振复用超表面器件。该器件通过几何相位原理调整二氧化钛纳米柱的旋转角以实现对入射光场的调控,仅使用三种不同尺寸的纳米柱便可获得较高的偏振转换效率。通过将三色光分别聚焦至同一焦平面的不同位置处,基于偏振响应特性实现了焦点位置可控。所设计的超表面器件可作为紧凑型光学器件应用在便携式成像系统、偏振器件和加密信息传输等领域。

近年来,表面等离激元(SP)增强的金属纳米结构中热载流子产生、传输和收集得到了广泛而深入的研究。其中,利用电子隧穿和热发射效应实现的全新光电转换机制,结合平面化制作和CMOS兼容集成等,有望成为硅基红外光电探测的备选方案。目前这类探测器主要为金属-半导体肖特基结的光伏型器件,其光电响应较弱。为此,报道了一种基于金属-硅复合无序纳米结构的光电导器件,得益于无序表面等离激元局域热点效应和多叉指金属-半导体-金属(MSM)结构的显著光电导增益,实验获得了硅亚带隙的宽带强光电响应。该热载流子介导的多叉指MSM器件在1310 nm波长处的光电流响应度高达2.50 A/W。

Sagnac干涉仪在光学滤波领域有着重要应用。基于三维氮化硅波导平台,利用双层的多微环系统实现了新型类Sagnac谐振滤波系统,其中底层主微环腔分别与顶层输入/输出波导和单/双子微环实现了反馈耦合。光经耦合区域产生了两束相向传输并互相干涉的光波,从而实现了滤波波形和谐振峰位可调的滤波结构。基于传输矩阵和迭代方法分析输出光谱,通过改变波导与微腔的耦合系数设计输出光谱波形,利用金属加热电极调制主微腔的相位以调控谐振峰位。理论分析和实验表征结果表明,通过增加顶层子微环数可有效增强器件的密集滤波效果,此三维集成结构可提供更多的设计自由度。相关的多微环谐振滤波系统可以广泛应用于光通信和光传感等领域。

亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊特性,因此利用纳米压印技术在方形的PC(Polycarbonate,聚碳酸酯)上制作了一种亚波长金属纳米光栅偏振器,其周期为278 nm,深度为110 nm,占空比为0.5,沉积的金属铝层为70 nm。然后采用光谱测试系统对制作的亚波长金属光栅偏振器进行了简单的性能测试。实验结果表明:当入射光波长在600 nm时,制作的亚波长金属光栅偏振器具有较好的偏振特性,其TM偏振光透射效率高达55%,且消光比高达32 dB。另外,利用实验室前期制作的6通道传感器对制作的偏振器性能进行了测试,测试结果显示制作的偏振器的平均误差为0.2002°,最大误差为1.105°,标准误差为0.7255°。该制作工艺只涉及纳米压印工艺和金属蒸镀工艺两个工艺步骤,制作过程不涉及压印胶的涂覆、剥离和刻蚀工艺,因此在低成本、批量化制作大面积的偏振器方面具有很明显的优势,可普遍用于光探测器件、光电开光等半导体光电子器件的制作。

实验搭建了基于同步脉冲泵浦的非线性差频中红外光源,利用主-从注入式全光调制技术实现了保偏掺饵和掺镱锁模光纤激光器的被动同步输出,结合高非线性光纤光谱展宽和宽带可调谐滤波器,获得了2940~3260 nm宽波段可调谐的中红外皮秒激光,平均功率为580~926 mW,最大泵浦光转换效率为41%。实验发现,小功率的同步诱导脉冲注入可以大幅降低中红外参量产生的泵浦阈值,从而放宽了高效率中红外产生对高功率泵浦光场的要求。