今年是激光诞生60周年，是值得纪念的一年。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类科学史上的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。激光的诞生使人类掌握了一种无与伦比的强大光源和工具，大大推进了我们的科技进步，也照亮了我们的生活。

半导体激光器从诞生至今半个世纪,在理论、实践和应用方面取得了巨大进展,占据了整体激光领域的大部分市场,广泛应用于通信网络、工业加工、医疗美容、激光传感、航空**、安全防护,以及消费电子等领域。本文在回顾国际国内早期半导体激光器发展历程的基础上,重点针对高功率泵浦源领域的GaAs基8xx nm和9xx nm半导体激光器,三维感知领域的905 nm隧道结激光器和940 nm垂直腔面发射激光器,以及光谱分析和红外感测领域的GaSb基红外激光器和InP基量子级联激光器进行了简单总结。内容包括半导体激光器的主要应用场景、所追求的主要目标、近10年国内外发展的最新进展,以及今后可能的发展趋势与方向。

超快激光成丝是高功率超快激光在透明光学介质中传输时出现的一种独特非线性光学现象,所产生长度远超共焦范围的离子体通道被称为光丝;同时伴随超连续谱产生、荧光辐射和受激放大、脉冲自压缩等丰富的光学效应,在大气遥感、超快激光技术、人工干预天气、激光超精细加工等方面具有广泛应用前景。本文对成丝现象研究的历史发展进行了简单介绍,包括实验技术、基本物理机制和调控方法的主要研究进展,并对成丝在大气远程应用、物理化学机制、强THz波产生等方面的研究所面临的挑战进行了展望。

近年来,以神经网络为代表的人工智能技术正向着高速低功耗的方向快速发展。然而,受限于电子器件的固有极限,传统电子神经网络难以进一步提高功率效率与计算速度。而光子神经网络能够有机地将光电子技术与神经网络模型相结合,提供了突破这一瓶颈的有效手段。为了更好地了解光子神经网络的发展历程,把握当前光子神经网络的研究热点以及展望未来光子神经网络的发展方向,本文对光子前馈、循环以及脉冲神经网络的研究现状进行梳理,以阐释光子神经网络在实时训练、非线性运算、规模化和实用化方面面临的挑战及未来发展的趋势。

空气激光是以空气为增益介质产生的相干辐射,具有高准直度、高相干性、高强度以及自由空间传输等优点,为远程探测提供了全新的技术途径。同时,空气激光是强场超快激光与空气中的原子分子相互作用的结果,蕴含了新颖而丰富的强场物理效应。综述了空气激光近年来的主要研究进展。首先介绍了三类空气激光的产生途径及基本特征,然后从氮气离子激光的增益机制以及量子相干性两个层面阐述了空气激光所蕴含的新物理效应,并讨论了空气激光在远程探测中的应用,最后总结了空气激光研究的意义,展望了该方向面临的机遇与挑战。

涡旋光是一种携带轨道角动量、相位面呈螺旋状分布的新型结构光场,在量子纠缠、量子通信、光学微操控等领域已经获得了广泛应用。随着研究的深入,具有比传统涡旋光更复杂的拓扑结构、相位奇点、轨道角动量和偏振奇点的结构光场的产生,吸引了众多研究人员的兴趣。从固体激光腔内直接激发产生空间结构光和腔外调控得到空间结构光出发,分别介绍了离轴泵浦加像散转换、调制元件调制波形、泵浦整形三种腔内方法,以及空间光调制器光场定制、模式叠加、超构表面微结构设计的三种腔外方法,并分析比较了几种方法的优缺点,展望了未来空间涡旋结构光场的发展趋势。

精密定时已成为很多大型先进科学装置的必备技术,而定时精度是这些大型仪器实现其最终目标的关键因素。本文回顾了近年来定时技术的进展,包括不同类型的信号源(激光、微波和X射线脉冲)的定时测量方法,以及基于自由空间链路和光纤的大型定时同步系统。最后简单讨论了目前定时系统的主要限制因素及未来可能的研究方向。

光波导是集成光学中的基本元件之一,构建于光波导结构上的波导激光器是一种微型激光源,近年来受到较多研究人员的关注,并有望在未来光子学系统中发挥重要的作用。激光晶体是固态激光器的主要增益介质之一。本文综述了基于激光晶体的固态波导激光器的最新研究进展,包括连续波波导激光器和脉冲波导激光器(调Q或锁模),其工作波长涵盖了从可见光到中红外的各个波段;还对波导激光研究的未来发展方向进行了展望。

近年来中红外超快锁模激光器发展极为迅速,有效地推动了中红外超快激光在中红外频率梳和分子光谱学、材料加工和激光手术、分子生物和化学等领域的应用。从近年来中红外超快光纤激光器的进展开始,介绍了该波段各类光纤激光的进展,并分析了如何从动力学调控上实现更窄脉宽、更远波长的技术方案;系统介绍了中红外光纤放大器中啁啾脉冲放大和非线性放大技术。综合来看,中红外超快光纤激光器正处在高速发展阶段,未来具有极高的应用价值。

基于皮秒拍瓦激光产生的高能X射线源具有强度高、脉宽短、焦点小的特点,利用这种X射线源发展出来的高时空分辨率X射线点投影背光照相是强加载条件下材料动态响应,以及惯性约束聚变等高能量密度物理研究中亟需的重要诊断技术。目前,研究人员主要依靠TITAN、OMEGA-EP和神光Ⅱ升级等大型皮秒拍瓦激光装置,对皮秒拍瓦激光与固体靶相互作用产生的X射线的能谱、转换效率、分辨率等关键参数进行了研究,发展了点投影背光照相技术,并开展了动态演示实验,成功获得了惯性约束聚变内爆过程和冲击加载材料微喷过程的演示图像。

毫秒和纳秒激光以其高可靠、高效率、低成本和可加工硬脆难加工材料的独特优势,成为加工氧化铝和氮化铝陶瓷的首选,在电子陶瓷基板表面孔的工业化加工中具有不可替代的作用。介绍了毫秒和纳秒激光加工作为电子基板的陶瓷材料的去除机理,如材料烧蚀阈值、光热作用和光化学作用等,讨论了毫秒和纳秒激光加工参数、加工环境等因素对陶瓷材料表面孔加工尺寸(如直径、深度和锥度等)的影响规律,总结了目前陶瓷基板表面激光孔加工工业化应用面临的问题,并对其未来的发展方向进行了展望。

光纤激光器具有光电转换效率高、以柔性介质传输激光、输出功率高、光束质量好、紧凑性和可靠性高等优点,适合用作粉末床熔融和定向能量沉积这两种金属增材制造技术的热源。综述了上述两种增材制造技术中光纤激光器热源的应用情况,包括光纤激光器的类型、输出功率、工作模式等,并分别阐述了以光纤激光器作为热源的上述两种增材制造技术成形典型金属材料的研究现状。粉末床熔融和定向能量沉积成形件的致密度、力学性能均超过了传统铸件,且接近锻件水平。最后对光纤激光器增材制造工艺的研究方向进行了展望,并结合两种金属增材制造技术的发展需求,对光纤激光器的发展进行了展望。

光不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。其中,自旋角动量与光波的圆偏振态有关,而轨道角动量来源于光波的螺旋相位结构。自Allen等1992年首次理论确认了光子轨道角动量的物理概念和内涵以来,这类具有特殊螺旋相位波前的新型光场吸引了越来越多的研究兴趣,在经典光学及量子光学领域均展示出了诸多重要的应用前景。本文从基础物理及应用物理两个层面出发,着重介绍了轨道角动量光束的制备与探测技术,特别是近年来轨道角动量调控在螺旋相衬成像技术、远程旋转多普勒效应探测技术及光学微操控技术等领域的研究进展。

稀土掺杂有源光纤激光器或放大器具有重量轻、体积小、电光转换效率高等优点,在空间激光通讯、空间激光雷达、太空垃圾处理及**等方面有重要应用价值。然而,常规稀土掺杂有源光纤在太空辐射环境中的辐射诱导损耗是非稀土掺杂无源光纤的1000倍以上,这给面向空间应用的光纤激光器或放大器的长期稳定性带来了严峻挑战。本文简要介绍了太空辐照环境、石英光纤在太空中的应用需求和所面临的挑战;然后从三个方面详细介绍了当前国内外在耐辐照有源光纤领域取得的最新研究成果:1)有源光纤辐致暗化机理,2)有源光纤耐辐射特性的影响因素,3)提高有源光纤耐辐射特性的方法;最后,对耐辐照有源光纤的未来研究方向进行了展望。

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是中国第一台X射线相干光源,其辐射波长可覆盖水窗波段。为满足不同的用户需求,装置将加装椭圆极化波荡器,运行模式可在线偏振与圆偏振之间切换。基于SXFEL装置对偏振控制方案进行参数设计,评估了电子束抖动的影响,并在理论上分析了该方案的辐射稳定性。此外,还设计了一套圆偏振方向的快速切换结构,它可使SXFEL装置以10 Hz频率量级在不同的圆偏振方向之间切换。

相位恢复技术在材料科学、生物医学、天文学等领域有着广泛的应用,不同的相位恢复技术及应用领域,需要用到不同的光源。光源的波长、相干性以及能量等参数都会影响最终的相位恢复效果。在以往的研究中,就空间相干性而言,往往将光源当作完全相干光处理,但是在实际应用中,X射线、电子束等光源都是部分相干光,且完全相干光经过介质时其空间相干性也会降低,因此,如何在部分相干照明下恢复物体正确的相位信息尤为重要。本文概述了空间部分相干照明下相位恢复技术的研究背景及研究进展,重点介绍了常用的几种相位恢复方法:模式分解法、强度传输方程、微扰法以及焦移法等,并对这些方法的优劣进行了对比分析。此外,还概述了微扰法相位恢复技术在特殊关联部分相干光场测量及部分相干涡旋光束拓扑荷数测量中的应用。

近年来,空气激光因在大气传感和环境监测等领域具有重要的潜在应用价值而备受关注。空气激光通常是指强激光诱导大气组分粒子布居数反转,进而产生的远场无腔光放大的激射现象。氮气和氧气作为两种主要的大气组分,均可在强激光激发下产生激射行为。光增益介质可以是氧原子、氮原子、氮分子和氮分子离子。本文以飞秒光丝诱导氮分子和氮分子离子激光为例,讨论了空气激光的现象观测、机理探索和应用前景,并着重介绍了光场偏振效应对氮分子离子激射行为影响的研究进展。

人眼安全1550 nm 波段激光位于良好的大气传输窗口,以及室温工作的Ge和InGaAs探测器的探测灵敏区,可被广泛应用于激光雷达、激光测距和遥感测量等领域。利用激光二极管泵浦Er 3+掺杂晶体是一种直接输出1550 nm 波段紧凑型全固态激光的有效方法。本文主要综述了近年来采用Er 3+掺杂晶体作为增益介质的1550 nm波段全固态激光的研究进展,并对该波段激光的进一步发展进行了展望。

为了实现除拉曼呼吸模外的次级拉曼模的有效受激拉曼转换,进一步获得更多相干波长激光,在被动调Q内腔式固体拉曼激光器速率方程的基础上,推导了有两束拉曼光输出时的被动调Q内腔式固体拉曼激光器的速率方程,并对方程进行了归一化处理。推导出了两束拉曼光的归一化峰值功率和脉冲能量的表达式。数值模拟观察了各归一化参数对两束拉曼光输出脉冲特性的影响,数值上获得了这些归一化参数的最佳值,以实现次级拉曼模的有效受激拉曼转换。同时,对相关实验参数进行了验证和优化,获得了最佳的实验结果。

通过使用带有损耗点的腔镜,在Yb∶phosphate(Yb∶QX)振荡器里实现了一阶涡旋光束的输出。详细研究了涡旋光的光-光转换效率与损耗点直径和腔内激光模式直径及形状的关系。实验发现,在Z字型固体激光器中,当腔内激光模式直径为损耗点直径的4~6倍,激光模式在切线面和弧矢面的光斑直径比例(即椭圆率)约为80%,泵浦功率为1.59 W时,获得了光-光转换效率最高为7.7%的一阶涡旋光束。此研究可为利用损耗点在Z字型固体激光器中产生高转换效率的一阶涡旋光束提供理论实验依据。

采用激光诱导共晶反应钎焊技术对Ti6Al4V和Inconel 718异种金属进行焊接,研究了不同热输入下制备的接头的微观组织和力学性能。结果表明:当热输入为48 J/mm时,铌中间层过度熔化,未能有效阻隔Ti6Al4V和Inconel 718的混合,接头中有大量的TixNiy金属间化合物生成,导致接头直接开裂;当热输入降低到40 J/mm时,全厚度未熔化铌中间层的存在成功阻碍了熔池中Ti6Al4V和Inconel 718的混合,并形成两个连接界面,即(Ti,Nb)熔化区界面和Nb/Inconel 718共晶反应钎焊界面,接头中未形成TixNiy金属间化合物且接头的抗拉强度达到了205 MPa;随着热输入进一步降低到34 J/mm时,低的Nb/Inconel 718界面温度导致共晶反应钎焊不能充分进行,形成了明显的未熔合缺陷,接头的抗拉强度仅为103 MPa。

为研究18Ni300模具钢选区激光熔化成形过程中多目标最优工艺问题,设计了以激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度为工艺参数,以致密度、硬度、耐磨性为响应目标的响应面中心组合设计实验。结合灰色关联分析得到多目标的综合灰色关联度,通过分析实验的灰色关联度得到了拟合度达78.50%的回归预测模型,以及针对三个响应目标的最优工艺参数,分别为激光功率250 W,扫描速度850 mm/s,扫描间距0.05 mm,铺粉厚度0.02 mm,此工艺参数理想的灰色关联度可达0.9312;在最优工艺参数下得到了相对密度为99.5%、硬度为41.5 HRC、磨损体积为192000 μm 3、灰色关联度为0.8895的验证样件,该样件符合预期结果,说明优化方法切实可行。

采用激光选区熔化(SLM)工艺打印18Ni-300马氏体时效钢零件,研究了正离焦量对18Ni-300成型零件打印质量和力学性能的影响规律。结果表明:当离焦量较小(+1.5 mm)时,功率密度过高,导致熔池内部产生湍流,熔道表面出现明显的球化现象,成型试样内部出现较大的孔隙缺陷,力学性能下降,拉伸断口呈准解理断裂特征;随着离焦量增加,功率密度减小,光斑和熔道随之变宽,改善了试样的性能,试样的拉伸断裂机制转变成塑性断裂;当离焦量为+2.5 mm时,功率密度适中,熔道之间形成了良好搭接,内部组织均匀,增强了层间结合,试样的硬度和抗拉强度分别为37.7 HRC和1215 MPa;当离焦量增加至+3 mm以上时,熔道之间的搭接率过大,出现过度堆叠现象,功率密度过低,光斑穿透力减弱,影响了层间结合,试样性能下降。

基于ABAQUS软件建立了考虑搭接界面接触约束的顺序耦合热-弹塑性有限元模型,研究了完全熔透和部分熔透搭接激光焊接接头的温度场、残余应力场以及焊接变形,并通过试验验证了模型的准确性。结果表明:完全熔透焊接接头由于热输入量较高,其高纵向残余应力区的范围比部分熔透焊接接头宽约30%;由于部分熔透板材对焊缝金属自由膨胀的约束强于熔透板材,故部分熔透焊接接头下板搭接界面的横向残余应力峰值(198 MPa)大于完全熔透焊接接头;部分熔透焊接接头上下表面之间的横向收缩差异明显大于完全熔透焊接接头,从而导致部分熔透焊接接头沿板厚方向的焊接变形更大。

为研究激光冲击与喷丸复合强化对TC4钛合金疲劳性能的影响,在测试不同强化工艺状态(未强化状态、喷丸强化状态、激光冲击强化状态、激光冲击与喷丸复合强化状态)TC4钛合金表面残余应力的基础上,进行了细节疲劳额定强度截止值(DFRcutoff)试验,并利用ABAQUS有限元仿真分析其表层残余应力分布。试验结果表明:复合强化TC4钛合金的表面残余压应力和DFRcutoff最大,相比于未强化状态分别提高了189.1%和62.3%。仿真结果表明:表面处理会在试样表面形成残余压应力,激光冲击与喷丸复合强化状态试样的表面残余压应力最大,喷丸强化试样的次之,激光冲击强化试样的最小;激光冲击与喷丸复合强化试样中的残余压应力层最深,激光冲击强化试样的次之,喷丸强化试样的最浅。结合试验结果与有限元分析可知,TC4钛合金的DFRcutoff与表面残余压应力和残余压应力层深度呈正相关。

研究了外加纵向恒定磁场对10 mm厚SUS316L奥氏体不锈钢窄间隙激光-MIG多层焊接接头成形、奥氏体和铁素体微观组织以及疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:在磁场作用下,接头上部复合焊接层的熔深减小,熔宽增大,下部复合焊接层的对称性提高,但上、下部焊接层的面积和层间重熔面积无明显变化;磁场的加入导致了不同的熔合线形状,改变了熔合线附近组织的生长方向,改善了熔合线附近母材的热循环,减小了焊接热影响区的宽度并抑制了晶粒的粗化;磁场可以促进层间胞状晶向树枝晶转变,改变铁素体枝晶的形态,细化层间和层内奥氏体组织;焊缝组织细化可以增大层间组织疲劳裂纹扩展的阻力,降低接头的裂纹敏感性。

采用选区激光熔化(SLM)技术制备了24CrNiMo合金钢件,研究了SLM工艺参数对成形合金钢件显微组织、致密度、硬度及拉伸性能的影响。结果表明:成形合金钢的显微组织由回火马氏体和少量残余奥氏体组成;随着激光功率增大和扫描速度降低,熔池体积增大,冷却速度降低,回火马氏体板条粗化,热影响区变宽,合金钢的硬度降低;同时,成形合金钢内未熔合孔洞减少,致密度增加;当激光功率为320 W、扫描速度为750 mm/s时,合金钢的致密度最高,为99.93%;当激光功率为320 W、扫描速度为950 mm/s时,成形合金钢的拉伸性能最佳,其抗拉强度和屈服强度分别为1362 MPa和1252 MPa,延伸率为16.2%。在合适的激光成形参数下,SLM成形24CrNiMo合金钢的综合力学性能明显优于铸态合金钢。

提出了一种在玻璃表面制备嵌入式亚微米金属线的方法。首先利用飞秒激光直写技术在玻璃表面烧蚀出亚微米线宽的凹槽,然后采用连续流化学镀工艺在样品表面沉积金属薄膜,再经过热处理和机械抛光,可实现玻璃表面嵌入式亚微米线宽金属结构的可控制备。将飞秒激光烧蚀的阈值效应与连续流化学镀相结合,可制备出最小线宽约为0.66 μm的金属银线。四探针法测试结果表明,制备的亚微米金属银线具有良好的导电性,其电阻率约为体积银电阻率的1.2倍。

采用激光熔覆技术制备了碳纤维增强316L不锈钢,研究了扫描速度对碳纤维增强316L不锈钢显微结构、显微硬度和耐磨性的影响。结果表明:激光熔覆316L不锈钢由γ-Fe相组成,而激光熔覆碳纤维增强316L不锈钢主要由M23C6、γ-Fe和α-Fe组成,其中M23C6均匀地分布在γ-Fe和α-Fe树枝晶间;随着扫描速度增大,枝晶臂间距减小,显微硬度先增加后减小,耐磨性先增强后降低;当扫描速度为12 mm/s时,激光熔覆碳纤维增强316L不锈钢的耐磨性最好,相对于未加碳纤维的激光熔覆316L不锈钢提高了约25.3%。

为克服光腔衰荡高反射率测量过程中初始腔和测试腔结构转换导致的腔参数相对失调,提升调腔效率,提出一种基于衰荡腔透射光斑形态监测的调腔方法。以衰荡腔透射光斑外接矩形宽高比及光斑与其外接矩形面积的比率作为调腔依据,抑制腔参数失调导致的高阶横模激发,使初始腔和测试腔透射光斑均保持在基横模状态。实验结果显示:以宽高比和面积比作为调腔依据,不仅能够分辨不同的光斑模式,同时能有效应对模式间的特殊光斑形态(如椭圆光斑、多模跳变等)。当初始腔和测试腔光斑均调节至基横模状态时,测得的样片反射率均值最高且方均根最小。结果表明该方法有助于提高光腔衰荡高反射率测量技术的调腔效率。

为了检测金属材料生产、使用过程中的厚度损失及表面裂缝损伤,对比分析了激光干涉仪和电磁超声换能器(EMAT)对金属激光超声信号探测的准确度和实用性。采用激光干涉仪表面波信号与纵波信号相结合的方法探测了铝板厚度,并根据背面纵波信号测量了铝板表面裂痕缺陷深度;采用EMAT表面波信号确定铝板裂痕缺陷的位置,纵波信号确定铝板的厚度。结果表明,相比激光干涉仪的复杂激光超声信号接收光路,EMAT铝板测厚及裂痕缺陷位置检测的误差均在4%以下,且裂痕缺陷位置的预测值不会随着表面裂痕缺陷深度的减小而增加。可见,采用激光超声与电磁超声相结合的方法可有效地降低检测条件的复杂性,提高激光超声的实用性。

为了探索光纤布拉格光栅(FBG)传感技术在针对不同桩径静压桩贯入特性测试中的适用性,分别采用拉伸试验机、砂标法标定FBG应变传感器、FBG压力传感器,传感器线性度及测试精度较好,并配合不同桩径的模型桩在大尺寸模型箱中进行了室内静压沉桩试验。试验结果表明:FBG传感技术能够较好地满足不同桩径静压桩贯入特性的测试要求,所用传感器具有较高的线性度、灵敏性,经验证测试数据可靠,传感器安装方法可行;所用传感器能够对模型桩贯入过程中的压桩力、桩端阻力、侧摩阻力、桩身轴力、单位侧摩阻力进行动态、精准的监测,较为直观地反映了不同桩径的模型桩在静压过程中的贯入特性差异及变化规律。

针对水下环境中因光线折射、水体浑浊等产生的物体特征点难以提取的问题,设计了一种利用线结构光阵列提供视觉特征的水下双目测量系统,通过提取光条中心获得大量特征点。推导建立水下双目光路折射模型,并提出一种改进的外极线匹配方法,用于获得特征点三维坐标,实现了水下物体的测量和三维形貌还原。实验结果表明,所提方法对水下物体的测量精度与陆上相当,测量误差在0.3 mm以内,满足测量精度要求。系统测量过程快速准确,适用于水下实时定位测量。

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)可以有效地检测光纤的振动信息,但受传感光纤长度的限制,可检测的振动频率范围一般在几百赫兹到几千赫兹之间。为了提高振动检测范围,组建了基于外差相干检测的φ-OTDR系统,采用I/Q解调方法获得传感光纤散射光信号的相位信息,对此相位信息在空间域与时域上相继进行差分相位解调,从而实现对光纤中高频振动信号的分布式检测。理论上分析了高频振动检测方案的可行性,并在实验中有效解调出了频率为500 kHz的振动信号,传感距离达到了23 km。

提出一种用于声波方向检测的弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)分布式传感器,并进行了实验验证。将两个相邻WFBG间的分布式传感光纤用于检测声波振动信号。两段传感光纤解调的信号相位差对应于声波到达的时间差,再由时间差计算得到声波方向。一段长50 m的传感光纤环放置于振动液柱内,测得其平均声压灵敏度为-155.10 dB(re rad/μPa);两段50 m的传感光纤分布放置在木地板上用于接收正弦声波,探测方向的均方根误差为1.35°。理论推导和实验结果表明,这种分布式传感器能够实现对声波方向的检测,与传统基底缠绕光纤结构相比尺寸超细,有望搭载在水下无人航行器上,实现对水下发声目标的探测。

基于相似匹配方法的布里渊频移提取算法具有无需预设模型、适应性强的优点。为了获得谱信号参数和扫频参数对算法性能的影响,在仅单一因素变化情况下系统研究了布里渊线宽(简称线宽)、信噪比、扫频间隔、扫频范围对布里渊频移提取准确性的影响规律。结果表明:频移误差与线宽成线性关系,探测谱与参考谱线宽差距本身对算法准确性产生的影响较小;频移误差随参考谱和探测谱信噪比的增加均呈指数规律减小;扫频间隔不变时随参考谱扫频范围增加频移误差存在增加的趋势,同时计算时间线性增加;探测谱的扫频范围为2倍线宽时频移误差最小。研究结果可为布里渊频移的准确提取提供参考。

为研究三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)光合作用生理指标与岩藻黄素含量之间的相关性,采用不同的发光二极管单色光质对三角褐指藻进行处理,测定岩藻黄素含量、光合作用相关生理参数和相关基因表达,并研究测定指标之间的相关性。研究结果表明:紫光可极显著地提高三角褐指藻岩藻黄素和叶绿素a的含量(P<0.01)。光合生理指标结果表明,红光可极显著地促进三角褐指藻藻细胞的Y(II)、rETRmax和α值(P<0.01),黄光处理后的三角褐指藻藻细胞的NPQ值最低,比对照组降低了63.45%(P<0.01)。RT-qPCR分析结果表明:蓝光更利于光合作用碳反应相关基因rbcL的表达;红光、蓝光、绿光和紫光可极显著地促进捕光天线合成基因fcpB的表达(P<0.01),其中红光促进fcpB基因表达的能力最强,比对照处理组提高了5.4倍。Pearson相关性分析表明:三角褐指藻岩藻黄素含量与rETRmax、fcpB基因表达呈显著正相关,与rbcL基因的表达呈极显著负相关,说明三角褐指藻可通过不同波长的光调控rETRmax参数及fcpB基因表达来提高光合作用效率,进而促进岩藻黄素的合成与积累。

研究了空间非均匀啁啾场作用下氦离子的高次谐波辐射和单个阿秒脉冲的产生。计算结果表明:相比单个空间非均匀场和单个啁啾场驱动产生的谐波谱,空间非均匀啁啾场驱动产生的谐波谱的截止位置得到了极大的拓展,并且产生了带宽为1073 eV的超连续谱。此外,这种时空组合场可以实现抑制长路径而选取短路径,从而有效地贡献连续谱的产生。直接叠加连续谱上大范围的谐波,可获得脉宽为13 as的单个阿秒脉冲。通过调节啁啾参数,可实现脉宽仅为7.4 as的单个脉冲的输出。

白光扩展光源的低空间相干性,使得相位像不可避免地会遭受光晕效应的影响。基于此,提出了一种基于希尔伯特变换的快速消除光晕效应的方法。该方法不需要样品的任何先验知识,只需对测量相位像的导数作希尔伯特变换,并将变换后得到的图像和原测量图像中正确的高频数据和低频数据准确混合,即可有效地消除光晕效应,并保留白光相位成像系统的高分辨率。将所提方法应用于实验获取的白光衍射相位像数据,包括标准聚苯乙烯微球数据和活体血红细胞数据。实验结果表明,所提方法可以快速有效地消除白光衍射相位像的光晕效应。

求取体积参数是空间体对象形态分析的基本内容。采用激光雷达对空间物体进行扫描获得激光点云并求得其体积。首先使用三维激光雷达扫描物体获得原始点云;点云经过三维空间变换后,对点云进行缺失数据修补;再通过滤波和下采样处理进行点云去噪和点云数据的精简;最后采用一种隐式曲面重建算法构建三维点云的mesh网格模型,进而由网格模型求取体积。通过实验验证,使用激光雷达分别扫描了两个实验对象,将实验体积结果与实际的体积数据相比,误差分别仅为0.456%和0.394%,表明该体积计算方法有良好的曲面重建效果和体积计算精度。

为直观、全面、系统地分析设备参数、水体光学传输特性和目标反射特性对水下激光主动成像的影响,为水下光电成像系统的设计优化提供可视化参考依据,建立了水下激光主动成像的可视化模型。该模型基于蒙特卡罗方法追踪整个水下成像过程中光子的状态变化,分别采用几何光学近似和随机碰撞原理模拟随机粗糙表面和水体悬浮粒子对光的散射,并通过高斯物像公式获得最终的仿真图像,实现水下目标激光成像的可视化。为验证仿真结果,对在实验室受控水箱环境中获得的实际图像与相同参数条件下的模拟图像进行比较。结果表明,仿真图像与实验图像具有相同的特征及变化规律,表明该模型较好地模拟了水下激光主动成像的过程,准确度较高、可用性较好。

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)与支持向量机(SVM)相结合用于分析土壤中Mn元素含量。44个土壤样品采集于安徽淮北地区,采用Kennard-Stone(K-S)方法将样品划分为训练集(34个)和测试集(10个),分别使用多元线性回归(MIR)、网格搜索法(GSM)、遗传算法(GA)、粒子群优化(PSO)和最小二乘法(LS)建立定量分析模型。结果表明:MIR、GSM和PSO模型所得到的训练集相关系数 Rtra2只有0.861、0.866和0.862,测试集相关系数 Rt2低于0.9,相对误差大于8.6%,误差较大;GA模型的 Rtra2大于0.93, Rt2小于0.9,训练时间较长,需减少训练时间和提高测试集相关性;LS模型寻优效果较好, Rtra2提高到0.998, Rt2提高到0.967,相对误差小,训练时间同比大幅度缩短,相关性好,泛化能力强,更适合用于土壤中Mn元素的快速检测。