薄片激光器的导热距离短,能显著降低热透镜效应,已经成为高功率固体激光研究的热点。然而,随着泵浦口径和泵浦功率的不断增大,热效应愈发严重,其造成的热致畸变成为限制激光器出光功率和光束质量的主要因素之一。针对大尺寸薄片激光器工作时热致畸变过大的情况,提出了基于非均匀冷却的微通道复合射流冲击的流道设计思路。基于该思路完成了中心辐射结构冷却器的设计,并借助流-固-热耦合仿真,研究了不同冷却器的流道结构参数对增益介质热致畸变的影响。实验结果表明,采用中心辐射结构的冷却器能将相同条件下的增益介质的光学畸变缩小50%。

报道了一种mHz至MHz宽频段激光噪声的规范测量技术。通过研制基于迈克耳孙光纤干涉仪的相关延时自外差频率噪声测量装置和具有定标功能的光外差拍频测量装置,结合频谱分析仪和快速傅里叶变换分析仪等标准仪器,规范地测量出了单频激光在mHz至MHz宽频段内的频率和强度噪声特性,并验证了测量结果的准确性。该测量技术有望应用于引力波探测和精密测量等应用中的激光噪声评估。

采用波长为1064nm、脉宽为1μs的脉冲激光器对2024铝合金表面漆层进行激光清洗工艺试验,研究扫描速度、脉冲频率、激光功率对激光清洗漆层质量的影响规律,通过清洗表面形貌、漆层断裂横截面、清洗过程中收集的颗粒的形貌、清洗表面元素价态的变化,以及有限元模拟的温度场与应力场分布,深入分析了激光清洗漆层的过程与作用机制。结果表明:扫描速度、脉冲频率、激光功率均会不同程度地影响激光除漆质量,激光清洗质量随着扫描速度、脉冲频率的增加而先增加后降低,随着激光功率的增加而变好,在激光功率为16.5W、扫描速度为600mm/s、脉冲频率为30kHz的条件下,能够达到较好的激光清洗质量;不同工艺参数下激光清洗漆层的作用机制存在差异,其中内聚力破坏机制和裂纹扩展断裂机制是激光清洗漆层的主要作用机制。

超构透镜作为一种灵活调控空间光场相位、振幅及偏振的有效选择,在超分显微成像中受到了广泛的关注。为了提高多波长显微成像的分辨率,解决传统光学系统结构厚重、设计复杂等问题,基于相位补偿理论,运用传输相位法以及粒子群优化算法,设计了一种基于二氧化钛纳米单元柱的反射式消色差超构透镜,在500~550nm之间实现了恒定聚焦,且该透镜具有偏振不敏感的特性。与数值孔径相同但有色散的超构透镜的对比结果有效证实了该超构透镜的消色差功能。所设计的透镜可应用于多波长显微成像系统中并提高成像的分辨率。此外,该消色差透镜在数码相机和光学仪器等领域中也有较好的应用价值。

通过分析脉冲源激光辐照于工件表面激发的多模式、宽带超声体波信号并结合合成孔径聚焦技术(SAFT),实现了对工件内部微小缺陷的检测、定位和成像。首先基于有限元仿真模拟了激光激发超声波在含缺陷样品中的传播过程,编写了基于相移迁移法(PSM)的SAFT成像算法,然后在实验中使用激光在含缺陷样品表面激发超声波,使用激光测振仪探测超声波,并基于已有算法和探测结果对样品内缺陷进行了检测和定位,以验证算法的正确性。有限元仿真以及实验结果均表明,将激光超声技术与频域SAFT-PSM结合,能够有效地对微小缺陷进行检测和定位,且其图像重构速度快于时域SAFT,可为激光超声无损检测提供更快速的实时技术方案。

燃烧诊断与流场显示领域的研究热点已延伸至研发同时满足非侵入式、多参量同步测量、定量计算、多维可视化等技术要求的显示、测量新方法。研究复杂燃烧三维温度场和速度场的同时激光测量,表征燃烧化学反应和流场输运的重要特性。提出一种光偏折层析测温方法与粒子图像测速方法相结合的燃烧多参量场激光测量方法。设计温度场和速度场激光测量的实验系统,获取4方向莫尔偏折条纹和4幅火焰粒子图像。同时重建与可视化旋流燃烧温度分布和速度云图、流线、涡量等流场,并分析不同工况下的旋流火焰特性。对直接测量数据与重建结果进行对比,验证了所提方法的有效性。

设计了一种以高非线性三硫化二砷(As2Se3)作为纤芯、以温敏材料甲苯填充包层的悬吊芯光纤,并提出了一种产生可调谐超连续谱(SC)的方法。通过全矢量有限元法数值模拟了光纤中传输光的色散和非线性特性,利用非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法分析了在甲苯临界温度为-90~110 ℃范围内产生的SC,并进行了结构参数和泵浦参量的优化;引入光谱平坦度(SFM)的概念,对模拟产生的SC进行定量分析。研究发现,当光纤纤芯直径为3μm时,利用中心波长为3.1μm、峰值功率为20kW、脉冲宽度为300fs的泵浦源可在临界温度下实现1.20μm光谱宽度的调谐;随着可调谐光谱宽度的增大,SFM略有下降,SFM的取值范围为0.89~0.92,这说明SC保持平坦。产生的可调谐SC在物质探测、光谱学和环境分析等领域具有广阔的应用前景。

提出了一种用于电光调制和粗波分复用的片上集成器件。该集成器件的电光调制器模块和粗波分复用器模块都是由硅基光子晶体波导和L3型谐振腔组成,两个模块间采用硅基光子晶体波导连接。该器件根据等离子体色散效应,采用L3型谐振腔和PN结实现了对波长的调制;根据微腔与波导的直接耦合理论,采用L3型谐振腔结构实现了滤波。利用基于三维时域有限差分法(3D-FDTD)的Lumerical软件对其进行仿真分析,结果表明该集成器件在工作波长1530 nm和1550 nm下均可以先完成各自的电光调制再进行双通道波长的复用。该器件在工作波长1530 nm和1550 nm下的插入损耗分别为0.70 dB和0.95 dB,消光比分别为20.97 dB和22.05 dB,调制深度均为0.99,信道串扰分别为-29.05 dB和-27.59 dB,器件尺寸仅为17.83 μm×17.3 μm×0.22 μm。该集成器件结构紧凑,易于集成,可应用于高速大容量波分复用光通信系统。

目前构建基于机器学习的室内可见光定位模型主要依赖于光电二极管和指纹数量,为了降低指纹采集的复杂度,提高定位精度,提出一种基于指纹矩阵稀疏重构的室内三维可见光定位算法。该算法利用极限学习机训练稀疏采样点,采用奇异值分解和交替方向乘子法求解稀疏指纹矩阵的重构问题。该算法可以有效降低指纹的采样率,同时可以基于极限学习机算法较强的泛化能力提高定位速度和定位精度。在此基础上,由于可见光的多径反射等因素的影响,定位区域的边界定位误差大于内部定位误差,通过引入一种边界修正定位算法,可以有效降低边界定位误差。仿真和实验结果表明,与传统的机器学习算法相比,该算法在减少其所需指纹数量的同时,具有更高的定位速度和精度。

目前,基于压缩感知的可见光定位采用线性最小二乘法重构信号,容易陷入局部最优解,且需要高密度的发光二极管布局。针对这些问题,提出了一种基于粒子群优化压缩感知的可见光定位算法。首先,建立一种基于重构接收信号强度残差的适应度函数;其次,将指纹定位的权重求解问题转换为稀疏矩阵的重构问题;最后,采用粒子群优化重构信号。仿真结果表明,所提算法的时间复杂度较低、鲁棒性好,即使在低密度的发光二极管布局下,定位误差依然很小。当信噪比为10 dB、网格间距为50 cm时,所提算法定位误差的平均值为3.67 cm,显著低于现有的10种同类算法。还详细分析了不同参数对所提算法定位误差的影响,所得结果可为实际可见光定位系统的设计提供有益的参考。

由于具有低光毒性、高速宽视场以及多通道三维超分辨成像能力,超分辨结构照明显微术(SR-SIM)特别适合用于活细胞中动态精细结构的实时检测研究。超分辨结构照明显微图像重建算法(SIM-RA)对SR-SIM的成像质量具有决定性影响。本文首先简要介绍了超分辨显微术的发展现状,阐述了研究SR-SIM图像重建算法的必要性;然后介绍了SR-SIM的成像原理,并重点介绍了SR-SIM图像重建算法,包括SR-SIM中频繁使用的去卷积重建算法、SR-SIM校准与重建过程中参数值获取的算法,以及目前发展的超分辨结构照明显微图像重建算法,并介绍了SR-SIM工具箱;最后总结了当前发展超分辨结构照明显微图像重建算法需解决的5个问题。

皮肤胆固醇含量可以作为评价动脉粥样硬化的重要指标之一,现有的皮肤胆固醇含量检测主要基于实验室活检进行,缺少快速无创的检测技术和装备。针对以皮肤胆固醇含量为评价指标的动脉粥样硬化的早期快速筛查需求,本文提出了基于荧光光谱法的皮肤胆固醇快速无创检测方法,研发了一种皮肤胆固醇无创检测系统。为了提高测量的准确性和稳定性,该系统对温度引起的检测试剂荧光效率的波动进行了修正。本文结合气相色谱法对测量结果的准确性进行了验证,并通过检测正常人群和动脉粥样硬化高风险人群的皮肤胆固醇含量,明确了该系统的临床应用价值。本文的研究结果表明,462~520 nm波段内的平均荧光强度与温度的相关系数为-0.995(p<0.0001),可据此建立温度校准曲线对由温度差异引起的荧光波动进行修正。校正后,系统测量的皮肤胆固醇含量与气相色谱测量值的相关性显著,相关系数为0.905(p<0.0001)。在动脉粥样硬化高风险人群的筛查实验中,动脉粥样硬化高风险人群和正常人群的皮肤胆固醇检测结果具有显著差异(P=0.0004)。与现有技术相比,基于荧光光谱法的皮肤胆固醇检测技术具有测量快速无创等优势,为大规模开展动脉粥样硬化的早期风险筛查提供了先进技术手段。

针对灰度视频的目标检测依赖先验知识、召回率低以及单一算法无法同时兼顾静态与动态背景等问题,提出一种基于统计的背景建模算法。该算法无需先验知识,根据统计信息可以准确区分静态背景和动态背景,并采取不同的检测策略提取目标。对于静态背景,采用改进的三帧差分法自适应设置阈值,可以保证较高的召回率。对于动态背景,采用改进的概率密度估计法可以有效降低虚警率。采用所提算法对光照变化以及阴影进行处理,可以进一步提升算法的性能。在公开数据集与实际采集红外数据进行验证实验。实验结果表明,所提算法在多种场景中处理灰度视频的结果比其他传统算法好,在保证准确率的同时可以极大地提升召回率,并且有效提高目标的完整性。

阶梯光栅共相拼接技术是实现增大光栅尺寸、进一步提高天文光谱分辨率(天文光谱分辨率R>10 5)的关键。为了提高中阶梯拼接光栅的调整角度精度,本文基于干涉条纹傅里叶分析,提出了一种干涉条纹空间载频频率的九像素平均算法;然后结合干涉条纹光栅拼接技术,模拟了不同角度偏差下的条纹变化及其相应的傅里叶分析角度计算,在实验上实现了对系统角度调整系数的标定以及对傅里叶算法计算的调整偏角精度的分析,获得了拼接光栅调整系统中角度最大计算误差精度小于0.4 μrad的结果,为天文上应用的大尺寸拼接光栅的共相调节提供了理论支持。

药品食品的安全问题一直是人们关注的重点。相比于传统的食源性致病菌光谱检测方法,拉曼光谱法具有检测范围广、检测灵活、光谱特征突出等特点。本文以常见的食源性致病菌为研究对象,利用拉曼光谱仪采集了11种食源性致病菌样品的132个拉曼光谱数据,提出了一种基于主成分分析和随机森林算法的分类模型。实验结果表明,主成分分析结合随机森林算法的分类模型可以将食源性致病菌区分开,且分类准确度可达到91.36%。

用金纳米粒子(Au NPs)作为基底,基于罗丹明6G(R6G)探针分子拉曼特征峰随pH的变化,构建了一种具有表面增强拉曼散射(SERS)信号输出的pH传感器。由于(闭)开环形式下存在的(去)质子化R6G分子吸附于增强基底表面的倾斜度取向不同,R6G在不同pH下表现出了不同的SERS活性。根据寻找到的R6G在1363 cm -1和1314 cm -1位置处的SERS光谱峰面积比与pH的线性关系,设计出pH传感器。实验结果表明:R6G的SERS信号在室温下可以稳定2 h以上;当样品溶液pH在7和3之间转换时,传感器表现出了较好的恢复性。在pH检测过程中引入其他金属阳离子后,该探针表现出了对H +较好的选择性。通过检测实际样品的pH发现,该探针的分析性能良好,适于在酸性介质中检测pH。

准相位匹配有利于实现高效的自发参量下转换, 它由非线性晶体的极化周期和依赖于温度的折射率决定。为了确定特定波长处所需的晶体温度,需要测量相位匹配波长随晶体温度的变化关系。单色仪的传统测量方法具有测量精度较低且耗时长等缺点。提出了一种实验方法,该方法能快速准确测量纠缠光子相位匹配波长随晶体温度变化的关系。在信号和闲置光路中先后加入色散元件, 通过测量纠缠光子对到达时间关联峰值处的时间延迟随晶体温度的变化关系, 利用波长到时间的映射关系将其转化为波长随晶体温度的变化关系。给出了周期极化铌酸锂(PPLN)波导和周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体的实验测量结果,测量精度优于0.1 nm, 测量时间约为几分钟。测量精度受限于单光子探测器的抖动时间和色散元件色散量的大小。原则上,抖动时间越小,色散量越大,测量精度越高。最后讨论了Sellmeier方程计算的结果与实验结果存在差异的可能原因。所提方法可以用来校准相位匹配波长与晶体温度的关系及极化周期,并有望实现温度依赖的Sellmeier方程的修正或改进。

研究了一种N型四能级原子结构中的近共振增益光栅(NRGG)效应。结果表明,当耦合场的失谐值为0,探测场和调制场的失谐值接近于0时,利用调制场和耦合场可以调控探测场的增益和相位,使得探测场的能量和高阶衍射效率都得到显著提高。在这个过程中,调制场强度存在阈值。获得了具有增益高、衍射能力强和阈值可控的光栅,该光栅在全光开关、全光逻辑门和全光调制等应用中将会发挥较大的作用。

设计了一种超材料三维模型,由闭合方环和4个开口谐振方环通过正、反向双开口方环与闭合方环相互耦合来组成,在太赫兹范围内具有多波段电磁诱导透明(EIT)效应。该结构分别实现了在1.21、1.46、1.61、1.98THz这四波段的电磁诱导透明现象,并且谐振强度均达到0.9左右。通过将结构单元进行拆分并相互对比分析,研究了该超材料结构产生多波段EIT效应的物理机理,并重点分析了开口大小、闭合方环尺寸对EIT强度与带宽的影响。通过对三维立体结构仿真分析可知,所设计的超材料不仅在多个波段获得了较高的折射率灵敏度,还具有高强度、多频点的慢光效应。因此,其在折射率传感与光缓存器件等领域,具有良好的应用前景。

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。

为减少选区激光熔化铜成形过程中铜粉对激光的反射,提高激光吸收率和成形件致密度,通过机械球磨使用具有高激光吸收率的纳米TiC对粒径为15~53 μm的铜粉进行改性。结果表明:改性后的铜粉对激光的吸收率由22%提高到53.7%;在激光功率为340 W、扫描速度为500 mm/s条件下成形的试样,其致密度由改性前的90.7%提高到99.8%。采用纳米TiC对铜粉进行改性,实现了铜粉对激光吸收率的大幅度提升和小功率激光扫描条件下选区激光熔化高致密铜的成形。

建立了一套基于光压原理的高功率激光测量装置,其功率测量不确定度优于2%(置信因子k=2)。在0.6~15 kW功率范围内将光压方法与量热方法进行了比较,得到的最大相对偏差小于1%。该装置的功率测量上限仅受限于激光反射镜的损伤阈值,因此其功率测量上限可达100 kW甚至更高,同时还具有响应速度快、测量准确度高、可在线测量等优点。

采用基于非线性光纤环形镜的哑铃形结构搭建了全光纤全保偏掺镱锁模激光器。通过使用全保偏大模场光纤、高功率光纤器件和优化的腔结构,实现了脉冲宽度在156 ps到8.1 ns范围内可调的高功率、大能量矩形耗散孤子共振脉冲输出,在最大泵浦功率22.7 W下激光器直接输出功率达到5.5 W,脉冲能量达到0.68 μJ,峰值功率为84 W。得益于全保偏光纤结构,所设计的激光器具有出色的抗干扰性和稳定性。