数十年来,人们一直在探索基于光的计算体系,期望通过光的特性,突破电子计算机的局限,从而提高计算速度和降低能耗。然而,传统光计算由于缺乏有效的逻辑、存储、互连单元,以及合理的应用场景,光计算止步于概念研究阶段。在当今大数据时代的推动下,信息通量及用量呈爆炸性增长。具有高集成度、大带宽、低成本、低能耗特征的硅基光电子技术应运而生,日趋成熟,并且验证了光电融合这一信息技术发展的趋势。光计算也随之向光电计算转变。分析近年来硅基光电子技术在光电计算方面的应用和发展,如在人工神经网络、非多项式时间复杂度难题的启发式算法、光电模拟计算、集成光电量子处理器和神经拟态计算等,重点论述了硅基光电子技术在促进光电计算的信息连接、数据处理和实用化演进等方面的优势,提出了硅基光电计算概念及初级系统,以突破传统电子技术或光子技术在计算方面的不足及其在人工智能等高性能计算领域中的限制。

碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)具有密度低、强度高、耐高温、抗腐蚀等优点,在航空航天领域具有广泛的应用潜力。但是CMC-SiC属于具有超高硬度且各向异性的难加工材料,常规加工技术难以胜任这种新型材料的优质高效加工。激光加工凭借加工质量高、非接触加工、输入热量低、适用范围广、易于和数控技术结合实现自动化等优势,有望成为CMC-SiC材质构件精密制造的主流技术。本文从CMC-SiC与激光的相互作用机理出发,分析了激光加工CMC-SiC中出现的典型热致缺陷,阐述了超短脉冲激光在CMC-SiC精密加工中展现的优势。在此基础上,指出了CMC-SiC激光加工技术的发展趋势,旨在为新型航空航天CMC-SiC材质构件的精密制造提供理论依据与技术参考。

为解决脉冲信号对导频产生干扰进而导致马赫-曾德尔电光调制器(MZM)工作点无法稳定的问题,提出了一种导频自适应的偏压控制技术。采用数字控制系统生成频率可变的导频,由快速傅里叶变换分析反馈信号的谐波分量,可以将MZM锁定于传输曲线的最低偏置点。通过实时监测偏置电压输出,自主改变导频频率,避免脉冲信号对导频的影响,实现了高消光比的激光脉冲调制。结果表明,激光脉冲的重复频率与导频一次谐波频率接近时,脉冲信号会影响调制器工作点的稳定,该系统可以实现导频频率在0.45~2 kHz范围内的自适应变化,满足不同重复频率的激光脉冲调制需求。脉冲峰值为10 V、占空比为10 %时,调制光脉冲的消光比可达26 dB,相较于脉冲信号对导频产生干扰时,输出脉冲消光比提高了约24 dB。

将KTiOAsO4(KTA)Stokes参量振荡器置于LD侧面泵浦的1064 nm调Q Nd 3+∶YAG谐振腔内,通过KTA晶体的非共线受激电磁耦子散射获得在1078.20~1088.20 nm范围内不连续调谐的Stokes激光。该Stokes激光又作为共线拉曼激光器的泵浦源在同一块KTA晶体中实现了受激拉曼散射,通过设计Stokes谐振腔的输出镜透过率,选择对一阶拉曼光进行输出,其在1106.08~1116.62 nm范围内不连续调谐。当LD泵浦功率为94.20 W,重复频率为5 kHz时,在1116.34 nm处得到了最大功率为1.62 W的拉曼激光输出。

首次搭建了基于ZnWO4/Nd∶YAG的一阶斯托克斯拉曼激光器,并研究了其在不同重复频率与不同输出耦合镜下的输出特性。采用ZnWO4晶体作为拉曼晶体,二极管泵浦Nd∶YAG晶体产生基频光,实现了波长为1177.6 nm的一阶斯托克斯激光输出。当输出耦合镜的透过率为35%,泵浦功率为22.1 W,重复频率9 kHz时,在1177.6 nm处获得了最大平均输出功率,为886 mW,对应的最短脉宽为2.2 ns,峰值功率为43.9 kW。

实验研究了放电频率、电脉冲能量、碎屑缓冲气体流量等极紫外光源参数对极紫外辐照损伤测试系统聚焦光束性能的影响。测试结果表明:极紫外辐照损伤测试系统焦深为±1.5 mm;聚焦光斑尺寸及单脉冲能量随光源电脉冲能量的增大而明显增大,受光源放电频率影响较小;典型工作条件下,光斑尺寸在0.79~1.44 mm之间,聚焦光束单脉冲能量在112.09~436.06 μJ范围内;在200 Hz、5.0 J时聚焦光束单脉冲能量最高为436.06 μJ,聚焦光束单脉冲能量密度最高达到31.53 mJ/cm 2,在1500 Hz、4.6 J时聚焦功率密度达32.87 W/cm 2;最优缓冲气体Ar气工作气压为1~2 Pa,此时聚焦光束单脉冲能量最优。该测试研究可为极紫外辐照损伤测试研究中系统参数优化及设置提供指导参考。

激光陀螺腔体材料的导热系数低,环境温度改变时,外界热量传入腔体内部过程中存在热弛豫。在陀螺温度循环实验中,热弛豫导致稳频控制系统参数偏离理想值,影响了陀螺精度。采用有限元分析法模拟-40 ℃→70 ℃实验过程中陀螺温度场分布情况。根据模拟结果,数学拟合腔体内、外层温度差与测试时间的函数关系。结合棱镜式激光陀螺稳频伺服系统的控制特征,计算出不同温度段下稳频系统的理想控制参数。利用数字电路技术实现了对棱镜式激光陀螺的分温度段、分参数稳频控制,实验证明陀螺精度有一定的提高。

利用频率分辨光学开关(FROG)法测量超短激光脉冲时,使用层叠成像算法能够实现脉冲的超分辨重建。将FROG法测量的迹图在频域中以矩阵形式表达,结合sinc函数在频率轴的延展性质,成功诠释了FROG法的相位编码原理,该分析为超短脉冲的超分辨恢复提供了理论支持。在此基础上,数值仿真演示了对FROG迹图的频率轴和延时轴同时进行欠采样的情形下,利用层叠成像算法实现的相位恢复结果。该结果有助于指导FROG的测量,提高测量的精度,减少测量时间。

针对压电快速倾斜镜的反作用力对有效光学元件的复杂动态耦合干扰问题,提出了基于多体系统的刚柔耦合和基于压电耦合理论的反作用力分析方法,对压电倾斜镜的反作用力进行了分析和补偿,并获取了中心柔性铰链的热点应力。理论和实验结果表明:压电耦合求解相比于多体系统的刚柔耦合方法更能准确地反映反作用力特性,实验测得反作用力的补偿比例可以达到90.14%,与数值计算的差异为3.96个百分点。所提的反作用力分析方法和动量补偿结构可为计算和消除倾斜镜的反作用力对光学系统的耦合干扰提供借鉴。

在光学参量啁啾反转脉冲放大(OPRCPA)系统中,展宽器和压缩器都可使用平行光栅对,从而避免常规展宽器中较大的谱剪切效应,简化展宽器结构。基于此,分析了 OPRCPA 系统中各阶色散对输出脉冲的影响,给出了相应的理论模型和数值计算方法,提出了用棱栅对补偿系统三阶色散的方案。

针对目前人工进行光束精密耦合所存在的装配效率低,质量一致性差的问题,开发出了一套激光陀螺光束精密耦合装配系统。分析了激光陀螺光束精密耦合原理,发现耦合光束的光场强度具有高斯分布特点,提出了光电探测器位姿的调整方法。分析了合光棱镜转动时的光路变化,提出了合光棱镜位姿的调整方法。并制定了光电探测器位置和合光棱镜位姿调整策略。依据上述调整方法和策略,在激光陀螺光束精密耦合系统上进行了光束耦合装配实验,实验结果表明该实验装配平台能够完成光束精密耦合装配任务。

针对端面泵浦固体激光器的微通道冷却结构,基于流-固-热耦合的数值方法计算了不同冷却液流量下增益介质内部的温度分布和冷却结构的流动阻力,为下一步冷却结构的改进提供了理论依据。计算结果表明:当冷却液流量增加至15 L/min时,增益介质的最高温度不再出现明显下降,此时微通道冷却结构的内部流动阻力不会对冷却系统运行造成明显的影响;冷却结构的进出口位置及水冷方向对增益介质内部的热分布具有较大的影响。

将冷原子、超快和强激光技术结合,本课题组最近成功研发了一种新型磁光阱反冲离子动量谱仪(MOTRIMS)装置。介绍了MOTRIMS工作原理,使用吸收成像法和光电离法对靶的密度、温度和速度进行分析标定,得到三维MOT靶的温度为(130±30) μK,速度为(0.1±0.1) m/s,密度约为10 9 atom/cm 3,二维MOT和molasses靶的密度分别约为10 7 atom/cm 3和10 8 atom/cm 3。对比热蒸气靶,在离子飞行方向上冷原子靶的动量分辨率提高了约14倍,飞行时间谱的质量分辨率高达3000。利用800 nm飞秒激光探测Rb +的三维动量分布,在低激光强度10 11 W/cm 2下观测到明显的阈上电离现象,表明铷原子有很大的阈上电离截面。MOTRIMS具有高分辨离子动量分布全空间成像能力,是研究金属原子强场量子微观动力学的新工具。

以镁合金/钢对接接头为研究对象,选用组合热源模型模拟激光诱导TIG电弧复合热源的作用,考虑激光与TIG电弧的耦合效应及Fe-Ni固溶区的形成,利用ANSYS软件对焊接温度场分布和热循环曲线进行模拟计算。结果表明:所得模拟结果与实验结果吻合良好,验证了所建热源模型的准确性及适用性;镁合金/钢对接焊接头的峰值温度可达2249 ℃,焊接高温作用于镍夹层及其邻近的钢母材,促进了界面的冶金反应及元素扩散,为Fe-Ni固溶区、高熔点AlNi相及双固溶体结构界面层的形成提供了温度条件;液态镁合金熔池停留时间为0.28 s,能保证其在钢侧进行充分的润湿铺展,实现接头的良好成形;在熔池的搅拌作用下,AlNi强化相弥散分布,使得镁合金焊缝的强度增大。

在TC4粉中加入不同含量的硼粉进行激光增材制造试验,研究了硼对激光增材制造TC4钛合金微观组织及力学性能的影响。结果表明:添加微量硼可以有效细化原始柱状晶和晶内的板条α相;当硼的质量分数为0.05%时,原始β柱状晶的生长被限制,柱状晶的宽度明显减小;当硼的质量分数为0.1%时,原始柱状晶大量转变为等轴晶,晶内板条α集束的尺寸减小;对比没有添加硼的激光增材制造TC4,TC4-0.05B的塑性明显提高,但强度的变化不明显;沉积态和固溶时效态TC4-0.05B力学性能的各向异性都较小。

为研究电磁场对激光再制造V型槽中孔隙调控的影响,在激光再制造过程中同时耦合稳态的磁场与电场,以产生定向洛伦兹力;通过激光再制造实验研究了激光功率与电磁场参数对V型槽内孔隙率的调控规律,实验结果显示:当激光功率小于1400 W时,V型槽底部界面结合处易产生熔合不良现象,并且修复区内存在大量气孔;随着磁感应强度增大,V型槽底部熔合不良现象得到了有效调控,修复区内的孔隙率逐渐降低;当磁感应强度为1200 mT时,修复区的孔隙率降至0.006%,修复区内几乎无气孔与熔合不良缺陷。稳态磁场与稳态电场所提供的向下的洛伦兹力驱使金属熔体向下填充,并使气泡受电磁挤压力的作用而加速逸出,最终获得了致密的修复区。

采用高速摄像仪观察了光纤激光深熔焊接羽辉的动态行为,分析了羽辉的形成原因。结果表明:羽辉可分为底部周期性摆动部分和类似于激光束聚焦形态的狭长形部分;当小孔前壁上激光致蒸发蒸气靠近小孔口时,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最大,反之,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最小;狭长形羽辉的强度随着离焦量的增加(或深熔小孔口直径的增大)而增大。进一步分析表明:底部周期性摆动羽辉的形成与小孔前壁表面激光致蒸发蒸气的喷发有关;底部摆动羽辉的喷发过程中存在大量微粒;狭长形羽辉的形成与底部摆动羽辉沿光束方向喷发时携带的微粒进入光束内、受激光束加热发光有关。

光谱强度与电子密度是陶瓷激光增材制造等离子体的两个重要特征。孔隙裂纹缺陷直接影响着陶瓷件的性能。搭建了等离子体监测平台,采用阈值分割法对孔隙缺陷进行提取。通过分析等离子体羽辉和谱线特征来研究工艺参数对等离子体谱线强度和电子密度的影响,得出了等离子体特征与成形缺陷具有相关性这一结论。试验结果表明:与金属材料相比,氧化铝陶瓷蒸气电离形成的等离子体羽辉喷发得更高,面积更大;等离子体谱线强度随激光功率和扫描速度的增大而升高,随送粉速率的增大而降低;电子密度随激光功率、扫描速度和送粉速率的增大而升高;在成形过程中,等离子体谱线强度、电子密度与孔隙、裂纹这两类成形缺陷均具有强相关性。

以聚酰胺(PA)和不锈钢(1Cr18Ni9Ti)搭接接头为研究对象,计算了焊接过程中界面处的热过程,并分析了其对塑料热分解行为影响,获得了优化的焊接热输入;然后通过试验验证,获得了稳定连接的PA-1Cr18Ni9Ti接头,并对PA-1Cr18Ni9Ti界面的连接机制进行研究。结果表明:焊接过程中聚酰胺的热分解与时间、升温速率有关;当激光焊接热输入为77.8 J·mm -1(激光功率700 W,焊接速度9 mm·s -1,离焦量70 mm)时,可保证PA-1Cr18Ni9Ti界面处的聚酰胺在充分熔化、铺展的同时,减少热分解,同时可避免聚酰胺的烧蚀和碳化;PA-1Cr18Ni9Ti界面能够形成Cr—O—C化学键,有利于提高两者的结合强度。

利用激光熔覆技术在42CrMo钢表面制备了Stellite-6钴基涂层,然后在不同的温度下对涂层进行热处理,探究了热处理温度对涂层显微组织、硬度、耐蚀性和摩擦学性能的影响。结果表明:热处理能有效减小涂层内部的残余应力,消除裂纹、孔洞等缺陷;在900 ℃下进行热处理后,FCC结构的钴演变为HCP结构的钴,亚稳态M7C3型碳化物演变为稳态M23C6型碳化物;经过900 ℃×1 h的热处理后,涂层的近表面硬度是未热处理涂层的1.5倍,约为1300 HV;未热处理涂层的摩擦因数为0.42,磨损机理主要表现为塑性变形、犁沟及脆性剥落;热处理后,涂层的摩擦因数降至0.29,磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损;热处理后生成的稳态M23C6型碳化物具有强化合金、提升涂层力学性能的作用;未热处理涂层与热处理涂层的自腐蚀电流密度均约为3.3×10 -3 A·cm -2,自腐蚀电位均在-0.29 V左右,单个容抗弧特征近乎重合。热处理过程中发生的再结晶和晶粒尺寸变化、马氏体相变对钴基涂层耐蚀性的影响不大。

线性渐变透过率薄膜元件是光刻系统中光可变衰减器的关键元件。采用电子束蒸发实现了近线性248 nm渐变透过率光学薄膜的设计与制备。通过对敏感度进行计算和优化,基于减反膜基础膜系实现了低敏感非规整膜系的设计。采用紫外光控-晶控组合的高精度膜厚监控措施,可使膜厚的控制精度达到0.3%,误差容忍度达到0.5%。在248 nm S偏振光照射下,采用JGS1熔融石英基片以及Al2O3和SiO2膜料制备的透射膜,在入射角为21°~35°的范围内实现了透过率从10%到97.8%的线性调控,满足光可变衰减器的性能需求。

为实现弱信号对比度的高动态范围测量,基于二阶自相关理论,提出了一种实现纳焦级弱信号对比度高动态范围测量的方法。理论分析了能量(功率)、相位匹配和测量噪声对测量动态范围的影响,发现通过对测量噪声能量的光子计数进行探测、精确设置相位匹配过程中的非共线角,并采用聚焦和滤波方式对测量噪声进行抑制,可有效提升测量的动态范围。在此基础上,建立了一台弱信号高动态范围测量系统,利用神光II高能拍瓦激光种子源,实现了纳焦级弱信号1.0×10 11的高测量动态范围,这一数值与理论分析结果相符;同时,实现了种子源4.3×10 8对比度的准确甄别。研究结果对国内高能拍瓦激光系统对比度的提升具有重要意义。

针对建筑物特征信息提取的效率和精度问题,提出了一种基于点云切片和最小包围矩形的建筑物特征信息提取算法。该算法先对点云进行去噪和切片处理,然后利用每个切片中相邻点之间的水平角和竖直角差值自动快速提取建筑物整体和门窗的轮廓点,之后对轮廓点进行滤波、分类和排序,最后采用最小包围矩形提取规则建筑的整体尺寸和门窗尺寸信息。通过三组实验,将提取出的建筑物整体和门窗尺寸与实际尺寸进行比较,结果表明:所提算法对建筑物门窗和整体尺寸的提取准确度在3 cm以内,总体精度可达97.4%以上,对160万左右建筑物点云数据的提取总时间在8 s以内,证明了所提算法的有效性。

点云的边缘是将点云模型转换为高质量曲面或实体模型的重要中间特征。为了有效地提取点云边缘,针对现有点云边缘检测算法设置统一邻域值或邻域半径造成的边缘检测不准确的问题,提出一种基于局部边缘特征描述子的自适应边缘检测算法。首先定义法向量特征模型,引入法向量变化率,基于法向量变化率提出邻域自适应方法;然后结合点云局部区域的曲率密度,定义局部边缘特征描述子;最后根据特征描述子取值符合高斯分布的特点自动调整阈值,解决了对于不同的点云模型需要人工调参的问题。通过在多种不同的点云数据集上进行实验,证明了该算法可以在保持模型原始信息的前提下,准确地提取模型的边缘信息,具有可重复性和一定的鲁棒性。

针对光栅结构光系统测量误差对拟合结果的影响,提出了一种基于测量环境的误差确定方法。统计不同光源环境及测量距离下的高度测量误差,利用参数或非参数拟合获取其概率密度函数,将上述误差连同平面测量误差一起添加至理想平面模型,通过最小二乘法仿真计算出模型的法向量及定点坐标。实验结果表明:该方法得到的模型参数与根据真实测量数据计算得到的数值基本一致,法向及定点误差分别低于0.001 rad和0.233 mm;所提方法能有效解决光栅结构光系统在不同环境下测量结果精确度不高的问题,此外还能应对实际点云因数据缺失等因素而难以实现高精度拟合的情况,为后续误差校正提供依据。

地平式天文望远镜在跟踪观测过程中,因方位轴与地球自转轴不重合及库徳光路中的折轴反射镜在望远镜跟踪过程中相对转动,会引入物方及像方视场旋转。传统的消旋K镜可以消除视场旋转,但会带来较大的仪器偏振,不利于望远镜实现高精度偏振测量。无偏消旋镜由5块反射镜组成,通过优化设计可以保证在消除像旋的同时减小仪器偏振,但其不规则的结构设计使装调过程面临新的挑战。针对无偏消旋镜提出双光路自准直装调方案,基于MATLAB仿真分析了镜面误差及光轴偏差对装调结果的影响,并对无偏消旋镜进行实验室装调及偏振检测。结果表明:无偏消旋镜经装调后倾斜误差可控制在15 arcsec以内,其仪器偏振明显低于传统K镜。

为提升光腔衰荡高反射率测量技术的精度,提出了一种基于耦合光腔衰荡技术的高反射率测量方法。该方法在耦合光腔衰荡系统中引入衰荡腔腔内模式监测模块,以腔内运行模式为判据寻找初始腔和测试腔耦合效率一致的状态,从而实现更高的测量精度。实验结果表明:在确保腔内模式处于基横模状态时,初始腔和测试腔腔内的等效损耗降低值几乎一致;对于同一高反射率待测样片,该技术对比传统方法可实现10.0%~27.1%测量精度的提升。

采用复合光栅相位测量轮廓术进行三维测量时,从变形复合条纹中能有效地解调出相移变形条纹,此时滤波窗口的选择至关重要。通过分析噪声特征及其对频谱成分不同取向影响的差异性,寻找空间频谱在两个正交方向上的最佳滤波窗口,建立了一种提高测量精度的混合滤波窗口。数字模拟表明,所设计的混合窗口对噪声的抑制均优于矩形、三角形、布莱克曼和汉宁等滤波窗。已知高度平面的测量结果表明,采用均衡噪声和频谱泄漏的混合窗口的重构误差最小,其误差均方根比汉宁滤波窗口减小了9.64%,测量精度得到有效改善。实物测量实验验证了所提方法的可行性和有效性。

根据空间精密定位技术需求,提出一种空间四象限概念,用于空间载体主动定位引导与高速通信。在固定的时间间隔内,通过光束扫描方式在空间依次形成4个光斑,接收探测器依次接收4个光斑的部分能量,按质心计算原理解算接收端相对于发射中心的位置及角度偏移。应用蒙特卡罗方法对空间四象限定位系统进行建模与仿真,并搭建实验系统对仿真结果进行验证与分析。结果表明,空间四象限定位方法可行,可为空间定位、导航等具体应用提供技术支持。

为了实现模分复用系统中的模式转换,提出了基于环形光纤的倾斜长周期光纤光栅的矢量模式转换方法。利用有限差分法和耦合模理论,研究了折射率调制的倾斜角度、幅度函数、光栅长度及耦合系数对模式耦合的影响。结果表明,在相位匹配条件下,该光栅可在不同波长处实现基模到特定高阶矢量模式的转换,且波长间隔大于150 nm。倾斜角度在模式耦合中起着关键作用,在倾斜角度约为84°时转换效率可达到最大。与现有模式转换方法相比,这种模式转换器模式间隔较大,模式间串扰低、转换效率高,在轨道角动量复用和矢量模式复用中有潜在应用价值。

提出了一种基于扫频激光器的超宽带线性调频(LFM)信号产生和传输的方法。该方法使用扫频激光器产生频率随时间周期性变化的光信号,注入马赫-曾德尔调制器后产生载波抑制双边带光信号,利用嵌有光纤光栅(FBG)的Sagnac环完成双边带光信号的分离。Sagnac环的透射光信号经延时后与反射光信号拍频,从而产生了超宽带LFM信号。仿真分别产生了载频30 GHz、带宽16 GHz、时宽带宽积8000的超宽带连续波LFM信号和超宽带脉冲波LFM信号。所提方案解决了天线拉远场景中超宽带LFM信号经光纤传输时的功率周期性衰落问题。在多目标探测分析中,方案产生的信号表现出高精度临近目标分辨能力。所提方案具有载频、时宽、啁啾率和啁啾符号独立调谐的优点,可实现高载频、超宽带LFM信号的产生和功率周期性衰减抑制传输。

针对室内可见光通信链路性能提高问题,提出了一种适用于室内可见光通信的高效混合调制方案。该混合调制方案通过将频谱高效的多维无载波幅度相位(CAP)调制与功率高效的多脉冲位置调制(MPPM)相结合,利用MPPM的不同脉冲时隙信息控制CAP信号的传输。基于Lambertian光照模型,推导了高斯信道下N维DCO(DC offset)-CAP-MPPM方案的误码率(SER)解析表达式,仿真验证了其准确性。此外,对比分析了该混合调制方案与传统MPPM及多维DCO-CAP方案的性能优劣。通过数值仿真,分析了脉冲占比、调制阶数以及CAP维度等参数对混合调制方案误码性能的影响,仿真结果表明,混合多维DCO-CAP-MPPM方案在可以提供灵活的多址接入功能基础上,通过选择合适参数,可以得到优于传统MPPM或CAP调制的误码性能。

依据光纤折射率温变效应,得出了单向链路和往返双纤链路中单波长信号时延波动与双波长信号时延差波动的比值相等的理论模型,进而提出了与现有光纤通信网络兼容的双纤单向传输授时方法,仿真研究了双波长信号时延差波动和比值随波长和温度的变化规律。搭建了75 km双纤单向链路的延时测量平台,对比值相等模型进行了实验研究。实验结果表明:传输50 km后在终端站得到的比值为-266.9,时间信号经75 km双纤往返传输回本地站后得到的比值为-256.4,推算得出单向传输时延波动的理论与实际值相差520 ps。仿真和实验结果验证了基于双纤单向传输的授时方法的可行性。

随机光学重建显微镜(STORM)关键技术包括大量随机闪烁图像的数据定位与重建算法,而现有的常用开源算法在大数据量情况下存在用时过长或内存受限等限制,影响了STORM技术的进一步推广应用。基于MATLAB和并行计算的方法构建了WindSTORM PLUS开源算法,采用该算法进行单分子定位数据处理。在模拟数据集下,对比WindSTORM和ThunderSTORM,WindSTORM PLUS算法的处理速度提高了1000%,且对比WindSTORM,内存需求降低了60%。此外,搭建了easySTORM系统,在实验数据的处理耗时对比中,WindSTORM PLUS只有WindSTORM和Gauss-WLS的9%,验证了其在超大数据集下处理速度的优越性。WindSTORM PLUS开源算法为超分辨图像处理提供了一个新的高速处理方案。

光学相干层析成像(OCT)具有分辨率高、成像深度深和成像速度快的优点,为评估肾脏状态提供了一种新方法。肾脏缺血再灌注会导致肾功能单元发生损伤,采用无损成像可以实时快速地评价肾脏的活性状态。采用中心波长为1300 nm的SDOCT(spectral-domain OCT)对Wistar大鼠肾脏进行活体二维和三维成像,图像能够清晰地显示肾皮质层的肾小管微结构。结果表明:OCT对肾脏缺血再灌注过程响应灵敏,在肾脏状态评估方面具有广阔的应用前景。

开展了入射角度对1064 nm纳秒激光诱导水下等离子体声波信号特性影响的研究,结果表明:当激光垂直入射时,激光诱导水下等离子体声波信号强度最大;随着入射角度增大,激光诱导水下等离子体声波信号强度逐渐减弱。由等离子体发光图像可知,激光诱导水下等离子体产生了多次聚焦。随着入射角度增大,水等离子体长度逐渐增加,等离子体腔体半径逐渐减小,且水等离子体发光辐射强度逐渐变弱。这是因为空气-水界面处的光学折射效应导致透镜的等效焦距变大,延长了聚焦透镜的瑞利长度,从而使激光诱导水下等离子体声信号的强度变弱。研究结果对激光水下声波探测以及激光通信具有重要意义。

为进一步提高激光甲烷遥测仪的抗噪能力,在波长调制光谱技术“相干检测、低1/f噪声”的基础上,进一步利用小波去噪技术的“多尺度、多分辨分析”能力对气体吸收传感信号进行去噪处理。首先建立了一种甲烷遥测系统,通过仿真优化了小波去噪的相关参数,并分析了基于经验模态分解的小波去噪方法的效果;在采用和不采用小波去噪算法的情况下,开展了传感器性能的对比实验,以此验证该技术应用于遥测系统的可行性。利用积分浓度为200×10 -6 m的甲烷气体样品开展的甲烷检测实验结果表明,采用小波去噪算法提取二次谐波信号时,可将信噪比从116.4提高到179.8。对遥测系统开展的标定实验结果表明,提取的二次谐波信号幅值与气体浓度呈正比,未采用小波去噪算法时二者的拟合优度为0.990,采用小波去噪算法后的拟合优度为0.996。根据Allan方差的计算结果,未采用小波去噪算法时检测下限为3.4×10 -6 m,采用小波去噪算法后检测下限降至1.7×10 -6 m,检测分辨率提高了1倍。基于小波去噪和波长调制技术的激光甲烷遥测方法具有较高的信噪比、线性度和稳定性,可推广应用至现有的甲烷遥测系统中。

为了了解在高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱中原子辐射的时域特征,选择925银合金为样品,采用高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱技术,通过实验研究了不同电容条件下Ag I 328.07 nm、Ag I 338.29 nm、Ag I 520.91 nm、Ag I 546.55 nm、Cu I 324.75 nm、Cu I 510.55 nm原子辐射谱线的时域图。尽管这些谱线对应于不同的上能级,但由于火花放电的作用,原子辐射在时域上表现出了非常相近的特点。原子辐射的维持时间和衰减特性主要由火花放电的电学参数决定,上能级的能量高低对它们的影响并不明显。在高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱中,非门控信号记录模式下记录的光谱近似等效于门控信号记录模式下记录的光谱,可以用于开展元素的定量分析,这有助于降低该技术对门控光电探测器件的要求。

在高次谐波产生过程中,相位匹配是提高其产生效率的必备技术。传统相位匹配技术在各向同性的气体介质中无法实现,而准相位匹配技术作为一种可行的替代方案,可以突破高次谐波产生过程中相干长度的限制,实现谐波强度随传播距离持续增加。采用准连续的逆向传播太赫兹光场调制高次谐波的产生过程,以实现准相位匹配;通过模拟计算探讨了谐波光谱与调制场参数之间的关系,结果发现获得准相位匹配的光子能量与太赫兹调制场波长成反比,与调制场场强、泵浦激光场强的比值成正比。

提出一种基于超材料的由上下层格栅金属和中间层聚酰亚胺薄膜组成的太赫兹宽频反射器,可解决现有反射器遇到的反射率与反射带宽无法同时最优的问题。利用时域有限差分法对该反射器的反射性能进行研究和分析,通过优化金属层数、中间层聚酰亚胺薄膜厚度、格栅周期长度及格栅宽度等,确定了可以同时提高反射带宽和反射率的特征尺寸。结果表明:这种反射器在太赫兹频段具有优异的反射性能和较大的反射带宽,在0~4.0 THz工作频段内,其反射率在0.98以上的频段宽度可达2.04 THz。所提结构为太赫兹宽频通信技术的发展提供了一种高性能反射器件的设计方案。