在粉末床激光熔融(LPBF)过程中,金属粉末在高能量激光束的作用下快速熔化与凝固,这一复杂的导热过程伴随着飞溅现象。飞溅本质上是在激光与金属粉末作用区及其附近的材料向周围运动的过程,这些材料不仅会落到成形区域影响成形零件的质量,还会落到非成形区域污染干净的粉末,是成形过程中的不利因素。此外,飞溅携带有丰富的信息,可以用于成形过程的监控。对飞溅行为进行深入分析与研究有助于完善LPBF成形的理论基础,并有望解决LPBF加工过程的可靠性问题,最终提升产品的质量。以LPBF工艺过程中的飞溅行为为研究对象,结合近几年的相关研究,综述了当前国内外LPBF过程中的飞溅行为以及基于飞溅特征的过程监控与质量控制技术的现状。

分析了准分子激光器放电腔内放电冲击波能量来源的计算方法,利用Fluent软件对放电冲击波物理过程进行了二维仿真,揭示了300 μs内横向冲击波和纵向冲击波的演化过程,获得了此过程中气体速度、密度、压力和温度等关键参数的变化规律。对仿真结果进行分析,得出了高重复频率放电腔设计中应注意的关键位置以及处理方法,提出了选取放电腔尺寸和边界等参数时的参考依据。

光刻用准分子激光器的能量特性在集成电路的光刻过程中至关重要,直接影响光刻机曝光线条的精度。为了实现对于衡量能量特性的能量稳定性和剂量精度的精确控制,从放电电压调节的角度对激光脉冲的能量特性控制进行了研究。为了设计能量特性控制算法,首先对准分子激光器的放电特性建立了仿真模型,并验证了模型的有效性。然后,设计了基于强化学习的准分子激光器能量特性控制算法。最后在仿真模型上,分别采用Z-N(Ziegler-Nichol)参数整定的比例积分(PI)算法、粒子群优化(PSO)整定的PI算法和基于强化学习的算法对出光脉冲进行了控制,将最终的结果进行对比。实验结果证明,在基于强化学习的能量控制算法的控制下,激光器的能量稳定性小于4%,剂量精度小于0.3%,并且动态性能要优于Z-N参数整定的PI算法、PSO整定的PI算法。证明了算法的优越性,提高了光刻用准分子激光器的鲁棒性和实用性,满足了半导体光刻需求。

设计并搭建了一台基于碳纳米管锁模的全保偏掺铒光纤激光器,输出功率为2.141 mW,重复频率为61.6924 MHz,光谱中心波长位于1563.94 nm处,半峰全宽为7.031 nm,研究了该激光器在振动方面的环境稳定性。将激光器置于振动台上,分别进行X、Y和Z方向符合卫星发射标准的加速度达到12g的鉴定级正弦振动实验和均方根加速度达到12.81grms的鉴定级随机振动实验。每次实验后测量激光器的锁模阈值、输出功率、锁模信号的信噪比、重复频率、中心波长以及谱宽。实验中发现振动后激光器仍然可以稳定锁模,光学性能也几乎没有发生变化。该研究为锁模光纤激光器的航天工程化提供了重要依据。

基于超强超短激光装置泵浦源系统中搭建的百焦耳级钕玻璃激光器,实验分别测量了该钕玻璃激光器在一分钟一发、两分钟一发、三分钟一发的重复频率条件下工作的热致波前畸变。通过采集激光波前信息反映出受热效应影响大小,通过分析实验结果最终确定了百焦耳级钕玻璃激光器能够稳定工作的重复频率。目前该钕玻璃激光器能够在三分钟一发的重复频率条件下稳定输出波长为526.5 nm、能量约为100 J的高光束质量激光脉冲,输出光斑能量呈近平顶分布。最终由多台百焦耳级钕玻璃激光器组成的泵浦源系统能够稳定输出泵浦光并成功地应用于泵浦SULF 10 PW终端钛宝石主放大器。

根据啁啾脉冲宽带放大动力学理论,采用数值模拟的方法对啁啾脉冲在钕玻璃多程放大系统中的放大特性及脉宽压缩特性进行了系统分析。首先分析了光谱未预补偿情况下,放大系统不同输入参数配置对放大脉冲各参数特性以及压缩后脉冲脉宽、信噪比的影响。利用基于修正输入的正向反馈迭代方法,获得了输出脉冲一定的情况下,所需要的输入脉冲波形和频谱分布。最后,将啁啾脉冲扩展至三维空间,反演分析计算小信号增益系数在空间非均匀分布时的脉冲放大特性,给出啁啾宽带放大计算中数据量大的解决方法。本文结果对高功率钕玻璃多程放大系统的啁啾脉冲放大优化设计有一定的参考意义。

采用光纤激光-冷金属过渡电弧(CMT)复合焊接工艺对6 mm厚A7204P-T4铝合金进行对接焊接,焊前在对接界面处预置不同尺寸的铌箔(焊缝中铌的质量分数为0.74%和1.36%),采用优化的焊接参数得到了成形良好的焊接接头。研究了铌含量对复合焊接接头微观组织和力学性能的影响,并分析了焊接接头的拉伸断裂机理和断口形貌。试验结果表明:未添加铌的焊缝组织主要由细晶区、柱状晶区和等轴树枝晶区组成;加入铌箔后,铌溶质偏析和含铌析出相的异相形核使得焊缝晶粒明显细化,柱状晶与树枝晶组织基本消失;加入质量分数为0.74%的铌后,焊缝熔合区和焊缝中心区的平均晶粒尺寸分别减小了57.9%和55%;不含铌以及铌质量分数分别为0.74%和1.36%的焊接接头的平均抗拉强度分别为325,334.5,328 MPa;铌质量分数为0.74%的焊接接头的断后延伸率为6%,与未加铌的相比,提高了约71%;三种试样的拉伸断口均以韧窝为为主,并伴随有明显的撕裂棱,表现出微孔聚集型断裂特征。

基于优化的SUS301L-HT不锈钢激光-MAG复合焊接工艺施焊,获得了质量等级优异的接头。采用光学显微镜对接头组织进分析,分析结果表明:焊缝的软化最为严重,其组织为奥氏体柱状晶和铁素体;热影响区发生不同程度的回复和再结晶,其硬度高于焊缝。针对接头强度薄弱的焊缝区进行裂纹扩展测试,研究不同阶段的裂纹扩展特性及断口特征,讨论焊缝组织对裂纹扩展过程的影响,结果表明:铁素体是疲劳裂纹的起源位置,并成为裂纹的优先扩展通道。对工艺进行进一步优化可以改善焊缝的裂纹扩展抗力。

薄壁密集焊缝结构是航空航天、造船及轨道交通等领域的重要结构形式,光纤激光焊接是该类结构有效、可靠的加工方法。构件变形和尺寸收缩是该类构件密集焊接时面临的两个主要技术难题。采用高频随焊冲击的方法进行相关试验,分析该方法对焊缝形貌、表面应力、焊接变形及尺寸收缩的影响规律。通过搭建专用装置模拟了薄壁密集焊缝结构的焊接,将随焊高频冲击位置设置在熔池后方的高温焊缝区。试验结果表明:针对GH3128高温合金薄板,该方法可将焊缝焊后的纵向残余应力由无冲击时的均值390.9 MPa调整为116.1 MPa,减小了约70%;该方法可将构件垂直于焊缝方向的翘曲变形量降低74.5%,将沿焊缝方向的尺寸收缩降低80%;针对06Cr19Ni10材料的圆筒形薄壁构件的多道焊接试验,随焊高频冲击可将构件的尺寸收缩由无冲击时的0.95 mm减小到0.29 mm。

为提高铜/钢转换接头搭接焊的强度与冶金相容性,提出了异种金属微织构激光焊接法。首先利用超快绿激光在钢基体表面制备微织构,以提高焊接时钢侧界面的浸润性与咬合强度,然后利用脉冲绿激光在微织构表面进行铜/钢熔化搭接焊,最后研究了微织构的形貌、接头组织、结合界面及拉伸性能与断裂机制。结果表明:在较高的激光功率与刻蚀次数下,热烧蚀程度加重,易导致凹槽内部质量恶化;表面织构化对接头组织与抗拉强度具有显著影响,表面织构化可以强化对流传质,增强铜向熔池底部(钢侧)的扩散,有利于形成含铜量更高的α-Fe、γ-Fe固溶体,使得熔池底部的显微硬度更高;当凹槽深度为89.91 μm时,织构化接头的抗拉强度最高,为112.5 MPa,相比未织构化接头提高了19.5%;接头的断裂机制为韧性断裂;接头拉伸性能的提高得益于固溶强化、熔合体积的增大以及涡旋咬合作用。

超快激光玻璃焊接通常采用大数值孔径显微物镜对激光束进行聚焦,焊接严格限制在极小的焦体积内,且工作距离短,焊接速度低,焊缝宽度窄,不利于工业应用。采用75 W绿光飞秒激光器和255 mm长焦距扫描振镜实现了显示屏玻璃的非光学接触高速焊接,获得了焦点位置、脉冲能量和扫描速度对焊缝成形的影响规律以及焊接工艺窗口,无缺陷焊接速度可高达6 m/min。焊缝的剪切强度可高达20 MPa,并具有良好的耐水性和高透过率,说明本焊接方法具有广阔的应用前景。

研究表面条纹微结构对激光诱导氧化膜着色机理的影响,具体分析不同工艺参数下激光诱导表面微结构的条纹宽度、条纹高度及条纹重叠度的变化特性。首先,通过改变离焦量、脉冲频率、扫描速度、条纹间隔、功率及打标次数等工艺参数来制备样本,观测并分析样本的条纹宽度受能量密度、光斑重叠度的影响,以估算条纹宽度。然后,通过条纹宽度和测量的表面粗糙度近似计算了条纹高度,理论与实际误差为-0.375 ~0.430 μm。同时,通过条纹宽度和条纹间隔计算了条纹间重叠度,并分析条纹高度、条纹间重叠度及表面粗糙度三者之间的关系。最后,通过表面粗糙度与条纹间隔计算类光栅闪耀角,发现类光栅闪耀角能更好地描述条纹凹凸程度。多次打标样本具有颜色饱和效应,并提出一种多层颜色打标模型。

提出了一种基于混合石墨烯-二氧化钒超材料的可切换多功能太赫兹宽带吸收器的有效设计。由于单元结构的对称性,该吸收器在电磁波垂直入射时具有极化不敏感特性,并且在宽入射角范围内仍能保持良好的吸收性能。数值仿真结果表明:利用相变材料二氧化钒独特的从绝缘体到全金属态的过渡特性,通过调节其电导率可以动态地调谐宽频吸收谱的幅值。通过施加外部偏置电压来调整石墨烯的费米能级,可将宽频吸收光谱的峰值吸收率从0.226调整至0.992。通过同时改变两个独立可控的参数(二氧化钒的电导率和石墨烯的费米能级),所提出的器件能够在宽频范围内的透明绝缘介质、全反射器和宽带吸收器之间切换。所设计的系统可扩展至红外和可见光波段,为实现高性能太赫兹设备提供了一种新的设计思路。

传统空间载波型数字散斑干涉技术(SC-DSPI)由于光路结构的限制,视场角很小,导致单次测量面积有限。提出一种大视角SC-DSPI光路,在传统SC-DSPI光路基础上增加4F光学系统进行图像传递,使得光路能够应用短焦镜头进行成像,以扩大测量视场角,从而实现大视场测量。实验结果表明,当测量距离为310 mm时,所提大视场SC-DSPI系统能够实现直径为180 mm物体的全场变形测量,且所得到的相位图质量高,测量效果良好。

针对载波相位延迟和调制深度漂移对正弦相位调制干涉仪中相位解调精度的影响,提出一种基于卡尔曼滤波的相位生成载波(PGC)解调非线性误差补偿方法。首先建立由PGC正交分量参数构成的卡尔曼滤波状态空间观测模型。然后对PGC解调的正交分量幅值和偏置进行最优估计与修正,减小相位解调的非线性误差。最后理论分析阐述该补偿方法的原理,开展模拟干涉信号的相位解调仿真测试和正弦相位调制干涉位移测量实验。实验结果表明:提出的方法能够有效减小PGC相位解调非线性误差,实现纳米级精度的位移测量。

为解决基于位置敏感器件(PSD)的激光三角位移传感器在复杂光电噪声干扰下的精密标定问题,提出一种多元自适应卡尔曼滤波(MAKF)与非均匀B样条曲线拟合的联合标定方法。通过分析测量原理和计算方法,对位移传感器的非线性特性进行了详细说明,进而提出应用曲线拟合的方法进行非线性标定。针对曲线拟合的特点,设计了一种多元自适应卡尔曼预处理算法用于滤除光电噪声干扰;通过非均匀的节点矢量划分,构建了B样条曲线拟合模型,进一步提高了标定系统的精度。在实际工况下进行了标定实验,实验结果表明,该曲线拟合标定方法能够完成激光位移传感器的高精度标定,其定位精度为0.7%,平均测量误差可达0.012 mm,标定均方误差约为2.12×10 -5 mm 2。

针对折射现象对水下视觉系统的影响并为了实现视觉系统的便携性,本文构建了基于光平面约束的水下视觉测量系统。首先,建立了基于光平面约束的水下结构光测量模型,并从理论上证明了当投影仪垂直于折射平面投射且光平面经过投射光轴时,陆上投射光线与投影光轴构成的空气中的光平面以及水下折射光线与折射平面法向量构成的水下光平面为同一平面,这样从理论上证明了陆上标定代替水下标定的可行性,避免了光平面的水下标定过程;然后,根据光平面簇共线的约束条件设计了中心旋转编码光模式,通过光平面旋转角度实现了对投影光模式的编解码;最后,按照测量模型中的光平面约束条件,提出了对应的陆上优化标定方法。实验结果证明,本文提出的水下视觉测量系统在2 m以内的测量距离上,可以获得1.72 mm的测量精度。该系统可用于弥补当前水下声学三维形貌测量中无法进行近距离、高精度和高分辨率测量的不足,有效地避免了水下标定操作,提高了水下视觉测量系统的便携性,有利于扩大视觉测量系统在水下工程探测、水下三维形貌测量、水下结构缺陷检测中的应用。

针对线激光位移传感器采集的圆弧特征数据对应整圆的角度偏小、特征点存在噪声及离群点等严重影响圆中心定位精度的问题,提出半径约束迭代重加权最小二乘圆拟合(RC-IRLSCF)方法。为了克服既有圆弧特征检测过程中存在的噪声及离群点对检测精度的影响,构建基于半径约束及鲁棒损失函数的圆拟合目标优化模型,采用迭代重加权与Levenberg-Marquardt算法渐进优化求解模型,实现圆弧特征的精确拟合与定位。通过服役车轮踏面检测实验表明:利用线激光检测轮廓圆弧特征,在光散射和局部变形等原因产生邻近离群点的条件下,所提方法可实现圆弧的精确拟合与定位,具有一定的鲁棒性与抗噪性。

基于一种新型激光干涉仪,测量分析了换能器表面的振动状态。用多路探测单元激光干涉仪获得换能器二维表面上各点的振动波形,对工作性能差异较大的三个换能器(中心频率分别为2.25、5、10 MHz)进行对比。根据测得的换能器表面振动波形,利用有限元方法对超声检测中的回波信号进行定量计算,并将计算结果与实验结果进行对比。结果表明,激光干涉仪可直观、定量表征超声换能器的表面振动状态,并能清晰区分超声换能器工作性能的差异,测量结果对评判超声换能器性能、预测超声检测回波信号具有很好的应用价值。

高功率激光器的建造需要大量的高精度光学平板,其波前检测一般采用相移干涉技术。由于测试光在光学平板内的多次反射,存在由寄生干涉导致的死条纹现象。死条纹会在波前检测结果中引入周期性相位噪声,极大降低了波前检测结果的置信度。针对该问题,提出了一种基于小波变换的降噪方法,可根据死条纹噪声特征对波前检测结果进行降噪,不需要额外硬件或调整测试状态。实验结果表明,该方法可以有效滤除死条纹引入的相位噪声,且能很好地保留加工特征。

针对高功率大遮拦比窄环薄管激光的环域像差校正需求,提出一种基于新型环形边缘驱动变形镜的环域像差校正方法。利用环形边缘驱动变形镜构建自适应光学闭环控制系统,以实现对高功率大遮拦比窄环薄管激光波前的校正。使用新型的环形边缘驱动变形镜来验证所提方法对单一环域低阶像差的校正能力,并分析其对大遮拦比薄管激光的校正效果。实验结果表明,所提的环域像差校正方法能够有效校正大遮拦比窄环薄管激光的波前畸变,显著提高光束质量。

基于二维磁光光子晶体和拓扑光子学理论,提出一种新的光路传输网络结构,其由一系列光子晶体和空气的矩形单元组成。首先根据施加正向磁场、负向磁场和空气区域的三种情况分别标记为“+1”、“-1”和“0”并将其作为编码单元。然后构建2×2、3×3和4×4三种光路矩阵网络。最后利用COMSOL软件模拟光波的传输路径。仿真结果表明,通过不同的编码序列可以对光路实现灵活和多样的控制,从而在未来光集成回路中满足高密度光路传输和大容量信息处理的要求。

针对高功率激光装置对靶面辐照均匀性和背向散射抑制的要求,提出了一个远场束匀滑方案,该方案利用涡旋圆偏振光的干涉,实现了焦斑均匀性和偏振特性的同步调控。其基本原理是通过对宽带种子光进行选频,使激光集束内的子束出现一定波长差,并采用共轭的螺旋相位板将子光束变换成拓扑荷数相反的拉盖尔-高斯光,进而利用偏振控制器件将其分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光,通过这两子束在焦面上的相干叠加即可实现焦斑局部光强和偏振的快速旋转。建立了基于涡旋圆偏振光干涉的偏振旋转物理模型,分析了焦斑的均匀性和偏振特性随子束波长组合、螺旋相位板拓扑荷数和入射激光束参数的变化规律。结果表明,通过合理选取子束波长组合,所提偏振旋转方案可实现局部光强和偏振的快速旋转,且结合传统的光谱色散匀滑方案后,可在改善靶面辐照均匀性的同时对背向散射进行有效抑制。

提出通过单个空间光调制器制备厄米高斯(HG)光束的方法,理论上分析了输入光束空间横向分布与模式转换效率的关系,实验上采用最佳的椭圆形光斑入射,获得了高质量的HG6,0、HG8,0、HG10,0模光场,纯度分别为96.2%,94.9%,93.4%,并且HG10,0模的转换效率达到了14.45%,输出功率为217 mW,其转换效率较传统的基模高斯光束入射时提高了5.6倍。此高质量及高效的高阶厄米高斯光束制备方法,有望应用于高阶空间压缩态光场制备和空间小位移精密测量等方面。

研究了一种新型激光混沌编码系统。该系统将两个空间耦合激光器与另外两个激光器同步,实现了混沌保密通信中的交叉发射和交替并行接收(CEAPR)应用。理论上给出了两个CEAPR的混沌编码和解码方程;定义了激光混沌CEAPR的编码解码数学物理原则;实现了两个CEAPR技术方案的应用。系统显著特点是发射混沌编码载波的激光器和接收机激光器具有不同参数(完全不同于传统混沌通信收发同参数密钥系统),且发射源具有多个变量,可实现信息的安全交叉与交替传送,应用灵活,给入侵者从载波上破译通信内容增加了一定的难度。

光纤延迟环型射频存储技术因其大瞬时带宽、快速响应能力等优势在电子干扰领域备受关注。为了实现复杂脉冲信号的多样式存储,先后实现了移频型、门控半导体光放大器(SOA)型、级联型等不同光纤延迟环结构,通过对延迟环结构的对比分析和优化设计,获得了高保真、高分辨率、长时延、脉宽可重构的多功能存储方案。级联存储结构,实现了超过2000次脉冲复制、大于500 μs的高分辨率长时延存储,以及200 ns~10 μs的脉宽重构,可广泛应用于大范围脉宽、快速长时延存储和复杂调制格式等不同场景中。

利用超奈奎斯特传输技术可进一步提升现有大气光通信系统的传输速率,但是大气湍流的存在会严重影响系统的性能。针对这一问题,推导了Gamma-Gamma大气湍流信道中超奈奎斯特大气光通信系统的平均误码率和平均容量表达式。讨论了湍流强度、传输距离、加速因子等参数对系统性能的影响。蒙特卡罗仿真结果表明,超奈奎斯特传输技术可有效提高系统的平均容量,同时传输距离的增加和加速因子的减小对系统误码率及平均容量的影响较明显。在加速因子为0.75、信噪比为18 dB、弱湍流条件下,采用超奈奎斯特传输技术后系统的平均容量优于未引入该技术的系统的31%。

提出一种基于非本征法布里-珀罗腔的新型光纤声发射传感器。采用数字光处理3D打印技术制备声振动敏感膜片,该结构基于灵活的数字模型设计,可一次成型,易于与标准光纤陶瓷插芯表面集成。实验结果表明:所制备的法布里-珀罗传感器具有较高的消光比;该声发射传感器在频率为600 Hz~2.4 kHz时具有较高的灵敏度,在频率为1.6 kHz时,声压灵敏度为2.81 mV/Pa。基于3D打印技术的光纤声发射传感器具有稳定性好、制备工艺简单等优点,在声发射检测领域具有潜在的应用前景。

将保偏全光纤环形谐振腔作为转移腔,实现了1550 nm参考激光器到1572 nm从激光器的频率稳定度转移,并研究了温度对光纤谐振腔长期稳定性的影响。理论和实验表明,仅通过压电陶瓷调谐腔长不能很好地实现频率稳定度转移。因此,提出用压电陶瓷快反馈和温控实现环形腔的稳定度转移,可使从激光器的频率稳定度在积分时间为1 s时的阿伦方差为2×10 -12,在积分时间为1000 s时的阿伦方差为5×10 -12。

为了实现生物组织化学特性与物理结构的同时测量,提出了结合光学相干层析扫描(OCT)成像与荧光比率成像的双模态内窥探头。根据OCT成像原理,确定OCT系统的中心波长为1300 nm;根据所选用pH指示剂(SNARF-1)的吸收光谱与反射光谱,确定荧光的激发波长为520 nm。根据ABCD矩阵计算并确定探头的基本结构,基于理论计算结果进行光学元件的加工与探头的组装。此外,搭建了双模态系统,采用该系统测量了探头的横向分辨率与工作距离。通过猪大肠验证了探头同时进行成像和pH检测的能力,实验结果表明:探头能同时进行OCT成像与pH测量,并且具有较高的精度。OCT成像在空气中的横向分辨率约为37.3 μm,工作距离约为13.4 mm,在生物组织中可以实现精度为0.01的pH测量。

基于动态扩散荧光层析成像(DFT)的荧光剂药代动力学参数(渗透率等),可为判断不同生物组织体的生理过程和病理信息提供参考。自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)作为一种动态分析方法,具有精确的建模和多参数在线估计等优势。基于DFT系统对吲哚菁绿(ICG)在健康小鼠肝脏和荷瘤小鼠皮下移植瘤组织中的代谢过程进行了测量,然后采用DFT重建技术获得了ICG的时间序列荧光层析图像,在此基础上结合二室模型和AEKF方法得到了ICG的时间序列渗透率参数层析图像。对比两种实验结果可知,肿瘤中ICG的渗透率参数Kpe、Kep均较健康小鼠肝脏中的小。时间序列荧光层析图像显示,AEKF方法能有效获得复杂生物体实时、稳定的ICG药代动力学参数。

消化道肿瘤是最常见的肿瘤疾病之一。新兴的光声成像技术可以敏锐地捕捉肿瘤周围滋养血管的信息,有助于临床进行更精准的诊断。匹配的血管增强算法可以有效突出图像中的血管网络,但光声活体内窥成像的探测角度有限,易造成明显的血管形态异常,现有方法很难实现有效的血管增强。采用自研的光声内窥系统对大鼠直肠进行活体成像,针对活体成像结果提出了一种融合结构和强度两个层面信息的三维血管增强算法,并采用该算法对结直肠血管图像进行了增强。结果表明:所提算法可以有效提升增强效果,抑制机械抖动带来的边缘毛刺,在活体状态下获取了高质量的结直肠三维血管图像,说明其在基础医学研究和临床应用中具有一定的潜在价值。

为了提高由有效视角图像切片嵌合(EPISM)方法获得的全息体视图再现像的质量,分析传统EPISM方法生成合成视差图像过程中的拼接错误,提出多参考面的EPISM方法。理论分析表明三维物体与算法参考面或者光轴重合部分的合成视差图像不存在误差,距离算法参考面或者光轴越远,合成视差图像的误差越大。减小采样相机的间隔可以在一定程度上减小误差。为了进一步改善EPISM方法,将传统EPISM方法的单个算法参考面拓展成多个,对生成的多组合成视差图像进行重新组合,最终得到更小误差的合成视差图像。仿真和光学实验结果表明,使用多参考面的EPISM方法可以有效提高全息体视图的成像质量。

为了在保证图像质量的前提下进一步加快毫米波全息成像的图像重建速度,提出了基于降维策略的快速反向传播重建 (DR-BP) 算法。基于亚毫米波单站式成像实验(280~320 GHz)以及多发多收正交阵列成像FEKO电磁仿真实验(70~80 GHz)对DR-BP算法进行验证。实验结果表明,DR-BP算法相比仅适用于单站式成像的快速傅里叶变换算法,重建图像边缘干扰少,相比传统的反向传播算法,重建速度大幅提升,本文实验中获得的图像质量相同时,重建速度可提升60倍。

针对多角度偏振成像仪探测器光电性能的评估需求,研制一套图像传感器光电性能参数通用测试系统,并提出一种基于珀耳帖效应的热电制冷器和低温循环机相组合的探测器控温方法。实验结果表明积分球的光源稳定性为0.036%,照度均匀度≥99.3%,探测器制冷系统降温速率约为2.2 ℃/min,温控精度优于±0.15 ℃,实现在-10~25 ℃的工作温度范围内对量子效率、光响应不一致性、暗电流、满阱电荷和光响应非线性等关键性能参数的测量,多角度偏振成像仪探测器不同波长下的光响应不一致性优于3%,光响应非线性优于1%,工作温度升高至9 ℃暗电流增加1.25倍,近红外波段的量子效率变化3.58个百分点。探测器性能的评估为多角度偏振成像仪整机的性能测试和定标需求提供保障。

交通标志等道路设施的空间位置信息是城市三维建模的基本要素之一,也是道路设施养护管理的必要内容。为此,提出一种基于移动测量数据的小型交通标志自动提取方案,基于改进的卷积神经网络SlimNet模型对全景影像上的小交标进行检测,提出一种基于深度图的目标三维空间地理定位方法,并采用以中心点为准的距离判断法提取目标的对角线。选取三类小型交通标志的实测数据对所提方法进行验证分析。实验结果表明,SlimNet模型的平均正确率相比经典的VGG16(Visual Geometry Group 16)模型有4.2个百分点的提升。采用提出的地理定位和矢量化方案,三类目标在实验区的召回率和精确率均达到86%以上,证明整体方案的有效可行性。该方法为城市多类目标的精确三维空间地理定位提供新思路。

扫描激光雷达在无人驾驶系统中起着不可替代的作用,是近几年的研究热点。由于多脉冲周期之间每个点的时刻皆不相同,激光雷达与成像目标之间的相对运动会造成目标三维图像重构的畸变,因此必须进行补偿才能够实现真正的高精度三维成像。为此,提出了一种基于相干调频连续波激光雷达速度测量对于运动产生畸变进行逐点补偿的方法。仿真与实验结果表明,速度相对误差和成像距离误差分别为0.52%和±4.76 cm。与传统加速度计方法相比,本文方法不依赖于加速度计等外部测量,具有更高的普适性,对于激光雷达的实际应用具有重要意义。

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有无需制备样品、多元素同时测量和快速检测等优点,在物质检测领域得到了广泛应用,选择合适的实验装置参数是其取得良好检测效果的重要基础。在单因素实验的基础上,以激光能量、延迟时间和焦深为影响因素,以光谱信背比作为响应指标,建立了一种优化激光诱导击穿光谱实验装置参数的多因素响应面模型。研究了不同影响因素及它们之间的耦合作用对光谱质量的影响,得到的最优实验参数为激光能量114 mJ,延迟时间1.86 μs,焦深1.75 mm。最后,对响应面法所得的最优实验参数进行实验验证,得出谱线信背比均值为7.45,较单因素实验法提高了1.92%,相对标准偏差为3.16%,较单因素实验法下降了0.94%。结果表明,响应面法比单因素实验法更加有效、可靠。

针对存在增益损耗的三能级非厄米量子系统,提出了一种新型的非厄米受激拉曼绝热捷径(NH-STIRSAP)技术。该技术基于传统的受激拉曼绝热通道(STIRAP),通过灵活调控系统的非厄米项,使系统演化中的非绝热耦合得到有效抵消,从而加速绝热演化过程。详细的数值计算和理论分析结果证实,基于所提技术,系统的绝热演化速度快,且制备的量子态具有高保真度。并展示了所提技术在量子分束方面的应用。与传统绝热捷径技术相比,NH-STIRSAP新技术具有更广泛的应用。

针对主动诱骗态方案可能引入边信息的缺点,通过结合旋转不变态,研究了基于标记配对相干态和脉冲位置调制的被动诱骗态测量设备无关量子密钥分配(MDI-QKD)协议。比较了传统MDI-QKD协议、基于旋转不变态的被动诱骗态MDI-QKD协议和具有不同帧长的基于旋转不变态的被动诱骗态MDI-QKD协议的性能优劣。仿真结果表明,引入旋转不变态和脉冲位置调制可以提高密钥生成率和安全传输距离。随着帧长的增加,协议的性能得以改善。因此,在没有强度调制的情况下,该协议避免了光源侧信道的影响,密钥生成率较高。

利用TiN纳米粒子对CdSe量子点和多孔Al2O3薄膜构成的异质结的表面荧光增强效应进行了实验研究。采用电化学沉积的方法,将TiN纳米粒子沉积于多孔Al2O3薄膜表面,再将胶体CdSe量子点自组装于TiN/Al2O3薄膜的表面,进而制备了CdSe/TiN/Al2O3异质结。同时,利用扫描近场光学显微镜测量了CdSe/TiN/Al2O3异质结的表面增强荧光效应。结果表明,由于TiN具有良好的电子传输特性,提高了CdSe量子点和多孔Al2O3薄膜之间的光生电子转移效率,进而增强了多孔Al2O3薄膜界面的荧光。该研究结果可广泛应用于光伏、光显示、光传感及纳米生物成像等领域。