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    测量与计量

李雅婷   张福民   潘浩   史春钊   曲兴华  

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在双光路调频连续波激光测距过程中, 振动将光程差变化转为拍频信号不需要的相位调制, 并在拍频信号中引入多普勒频移, 导致拍频信号的频谱发生严重展宽和频移, 无法根据拍频频率计算距离值。为解决该问题, 提出一种基于四波混频效应的振动补偿方法, 该方法利用四波混频技术产生与原频率扫描信号扫描方向相反的新频率扫描信号, 通过两个频率扫描信号的测量拍频信号计算距离值。结果表明：当扫描带宽为10 nm, 待测距离为5 m, 待测目标以2 Hz的频率进行行程为100 μm的周期性位移时, 基于四波混频效应的振动补偿方法能有效消除振动对测距的影响, 测量标准差由补偿前的1.062 mm减小为29 μm; 该方法无需测量振动位移便可直接获取消除振动影响的距离值, 极大地简化了系统的硬件部分。

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张波   彭志涛   夏彦文   吕嘉坤   卢宗贵   孙志红   董军  

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提出一种基于共轭反射的高功率激光装置靶点时间同步测试方法。首先在靶点两侧放置一对相互平行、相对靶点距离相等的反射镜, 在反射镜关于靶点的共轭像点处放置两个高速光电探测器, 随后将靶室上下两个半球入射到靶点的激光分别反射到共轭像点的两个光电管上, 光电管输出波形信号的时间间隔即为待测光路之间的时间同步差。该测试方法具有操作简单、测试效率高等特点, 已成功应用于高功率激光装置多路激光时间同步的精密诊断。

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马国庆   刘丽   于正林   曹国华   王强  

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基于iGPS定位跟踪的三维形貌测量系统, 建立了测量系统的数学模型, 介绍了传统手眼标定技术的主要原理, 使用激光跟踪仪建立了系统转换关系。提出了一种融合特征点拟合的标定方法, 利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法得到了转换关系。对标定后的系统进行了基于机器人基坐标系和iGPS世界坐标系的点云拼接对比实验, 实验结果表明, 融合特征点拟合的标定方法提高了点云拼接的精度。

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李语强   伏红林   李荣旺   汤儒峰   李祝莲   翟东升   张海涛   皮晓宇   叶贤基   熊耀恒  

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为了实现嫦娥四号中继星的激光测距, 需要开展月球激光测距(LLR)进行技术验证。中国科学院云南天文台基于1.2 m的望远镜研制了共光路LLR系统, 在攻克了多项技术难题后, 于2018年1月22日成功探测到Apollo 15月面反射器的回波信号, 实现了LLR。多次重复实验结果表明, 该LLR系统具备极弱激光信号探测能力, 系统测量精度达到米级。

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王岱良   李玉  

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提出了一种基于旋转差值核估计的激光雷达（LiDAR）点云边缘提取方法。对点云中任意数据点, 在给定方向上以该数据点为对称中心, 以一定间距构建对称窗口; 在对称窗口中定义距离核函数, 计算两窗口内数据点的高程加权均值, 将两加权均值之差的绝对值作为该数据点在该方向上的边缘强度, 并选取所有方向上的最大边缘强度作为边缘点判据。计算最大边缘强度对应方向上两窗口内数据点的高程方差, 结合两方差的差值绝对值和边缘点判据提取建筑物与地面交界点; 调整两窗口间距, 再次计算所有方向上最大的高程方差之差绝对值, 并将该绝对值作为树木点的判据, 并在依此判据检测出的点集上去除建筑物与地面交界点后提取出树木点。利用激光传播特性将点云数据中的树木点滤除后, 再提取完整的建筑物边缘。实验结果表明, 所提方法有效克服了树木的影响, 建筑物边缘的提取精度约为80%。

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鲁晨阳   张佩   王光辉   朱菁   黄惠杰  

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鞘流技术是实现高浓度气溶胶颗粒物光学检测的关键技术之一。在空气动力学理论和国外相关研究的基础上设计了一种气体鞘流器来实现高浓度气溶胶粒子的有效测量。首先根据大型通用有限元分析软件ANSYS中的Gambit和Fluent模块对鞘流器进行仿真分析,确定了一组最佳的设计参数并依此制作了相应的鞘流器实物, 仿真结果表明该鞘流器可以将样气气流直径从1 mm压缩到0.34 mm, 有明显的压缩效果。接着提出了一种用光学尘埃粒子计数器的粒径分布误差间接分析鞘流器压缩效果的实验方案, 并对比分析了在同一台粒子计数器上分别配置1.0 mm普通气嘴、0.5 mm普通气嘴以及鞘流气嘴三种情况下0.3 μm粒子粒径的分布情况。实验结果表明, 本研究设计的鞘流器能够有效降低尘埃粒子的重叠率, 显著提升粒子计数器的浓度检测上限值。该结果验证了流体动力学分析的可行性, 为实现高浓度气溶胶粒子的光学测量提供了重要基础。

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刘通   沈鸣   高鹏骐   赵有  

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提出了基于漫反射激光测距数据估算火箭残骸质心位置和翻滚姿态的方法。分析了火箭残骸的翻滚运动, 建立了漫反射激光测距仿真模型, 详细介绍了估算火箭残骸翻滚轴指向和翻滚周期的理论和仿真方法。采用快速Lomb-Scargle算法对德国Wettzell站测得的Soyuz火箭末级残骸的实测数据进行了分析, 通过比较仿真和实测数据的统计直方图, 推算了火箭残骸的长度及质心位置, 估算得到其观测周期为11.4 s, 赤经为203°, 赤纬为23°。

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毛宁   韦宏艳   蔡冬梅   贾鹏  

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针对复合涡旋光束拓扑荷信息测量的问题, 提出了一种利用其光强分布特征及经遮挡部分方位角的椭圆形光阑的衍射图样检测各子光束携带拓扑荷信息的方法。仿真结果表明：复合光束光强分布图中亮条纹数目和拖尾方向分别表征子光束拓扑荷差的绝对值和较高阶拓扑荷的符号; 衍射图样中暗条纹数目和条纹分布特点分别反映低阶拓扑荷的大小和符号。该方法可用于复合涡旋光束拓扑荷信息的检测。

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陈洪芳   汤亮   石照耀   宋辉旭   孙衍强  

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提出了一种基于双波长法补偿空气折射率的激光追踪测量系统的ZEMAX仿真分析方法。利用光学器件对偏振光的变换特性来建立系统的能量模型, 建立了基于ZEMAX软件的光学系统模型, 分析了光学系统中非理想的光学元件性能对干涉条纹对比度的影响。仿真分析结果表明, 当光学系统分光部分、追踪部分和接收部分的分光镜的分光比分别为2∶8、6∶4和5∶5时, 条纹对比度达到0.99, 光学系统的干涉效果最好。光学系统中的偏振分光镜在非理想条件下, 对干涉信号的条纹对比度的影响较小。

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    非线性光学

刘恂   沈学举   刁冬梅   黄富瑜  

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在非线性频率变换中, 常用级联晶体补偿走离角。然而在KTiOPO4晶体级联倍频实验中发现, 当其中一块晶体沿通光轴旋转180°时, 倍频转换效率急剧降低。理论分析表明, 当一块晶体旋转180°后, 其有效非线性系数正负号发生改变, 等效于在级联晶体之间产生了大小为π的相位失配量, 使倍频转换效率降低。提出了利用空气色散补偿该相位失配量的方法, 相较于使用波片的相位失配量补偿方法, 具有结构简单、温度稳定性好、无插入损耗和成本低等特点。实验结果表明, 利用空气色散可以补偿相位失配量, 消除单块晶体旋转对晶体级联倍频效率的影响, 验证了理论分析的正确性以及空气色散补偿方法的可行性。

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    光谱学

周素素   王新兵   左都罗  

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为了研究不同空气压力条件下碳等离子体的动力学特性, 采用发射光谱法对碳等离子体进行诊断。采用1064 nm Nd∶YAG激光器烧蚀碳靶, 测得早期的发射光谱为连续谱, 此时使用黑体辐射公式拟合并推算碳等离子体的电子温度; 当线状谱出现后, 采用玻尔兹曼作图法计算电子温度, 并观察电子温度和电子密度随延时的演化趋势, 以及空气压力对演化的影响。结果表明：不同空气压力条件下, 电子温度和电子密度随延时的变化趋势一致; 随着空气压力增大, 等离子体受到的限制更大, 粒子间的碰撞增加, 导致电子温度和电子密度随之增大; 在0.01 Pa压力下沉积得到了石墨烯薄膜。

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刘铭晖   董作人   辛国锋   孙延光   瞿荣辉   魏芳   殷磊  

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基于谱库的匹配识别是应用拉曼光谱进行物质成分鉴别的关键, 会直接影响匹配结果的准确性。在谱库匹配中, 尤其是针对混合物的光谱, 利用单一的匹配特征无法全面反映被测样本光谱与谱库光谱的相似性, 光谱匹配识别时需要综合考虑多种匹配特征。采用逻辑回归数学模型融合谱峰匹配系数、非负最小二乘匹配系数以及夹角余弦匹配系数, 提出了一种新的光谱集成匹配方法。该方法既考虑了被测样品的谱峰信息, 又考虑了其全谱信息。基于20种氨基酸混合物拉曼光谱谱库匹配的实验结果表明：所提光谱集成匹配方法具有更低的误判率。

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    光纤光学与光通信

刘焕淋   朱平鑫   陈勇   林振宇  

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基于LED的室内可见光通信(VLC)能够实现照明和高速率的数据传输, 但LED朗伯辐射模式和光线多径效应等使VLC系统下行链路在同一接收水平面的光功率和照明强度分布不均匀, 难以保证通信服务的公平性。提出了一种改进的遗传模拟退火算法(IGSAA)搜索最优的功率调节因子并调节LED阵列的发射功率。IGSAA基于不同接收点的接收功率差异的适应度函数, 采用双点交叉操作方式并根据种群最优个体信息和进化代数设计自适应变异概率以增强算法的搜索能力, 采用基于子群划分的概率交叉和变异方法以增加种群多样性。仿真结果表明, IGSAA能在有限进化代数内有效地提高室内VLC系统的覆盖均匀性。

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马兵斌   柯熙政   张颖  

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在相干光通信系统中, 由于大气湍流的影响, 信号光的偏振态具有不确定性, 而光混频器对信号光和本振光的偏振态比较敏感。结合光混频器原理推导出信号光偏振态、中频信号和混频效率三者之间的关系, 以中频信号幅值作为反馈控制信号光偏振态以提高混频效率, 并设计一种适用于相干光通信系统的单粒子优化算法。实验结果表明, 在闭环状态下, 偏振控制系统中频信号的幅值快速增大, 混频效率提升64%左右, 中频信号幅值的波动方差减小为0.001, 实现了相干光通信系统中的偏振控制。

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闫晗   杨远洪   杨福铃  

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基于热扩散机理, 研究了光纤陀螺中光纤环热扩散非互易相位误差导致的零漂的延迟响应特性, 发现了延迟时间的温度相关性, 获得了光纤环零漂延迟补偿模型。搭建高精度光纤陀螺实验系统, 在不同温度段, 采用近似“方波”形台阶温变激励, 验证了热致非互易性相位误差的延迟特性, 并获得了实验光纤环的模型参数。进行了光纤陀螺全温变零偏测试, 实验结果表明采用改进模型可获得更好的零偏补偿效果, 验证了新建模型的正确性和有效性。

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    激光器件与激光物理

李诚鑫   张宝富   卢麟   滕义超   李建华  

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微波光子变频与移相技术是微波光子雷达的两个关键技术, 若在实现微波光子变频的同时完成移相, 可以大幅降低微波光子雷达系统的复杂度和体积。本研究基于光电振荡环路提出一种可同时完成微波光子变频与移相的方法, 利用光电振荡环路对基频微波信号进行上变频, 通过改变光电振荡器的输出频率, 实现1.6～21.16 GHz可调谐上变频; 调节可调谐激光器的输出波长, 利用色散补偿光纤的延迟效应等效改变上变频信号的相位, 调谐范围可达50.4°。该方案将微波光子变频与移相技术结合, 在拓展光电振荡器应用范围的同时, 对微波光子雷达的实用化也有一定借鉴意义。

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龚鑫   孟俊清   张鑫   蒋静   陈卫标  

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为了探究正交波罗(Porro)棱镜谐振腔的模式, 在菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式的基础上, 采用快速傅里叶变换数值模拟的方法, 对Porro棱镜谐振腔输出模式进行了仿真计算。通过比较不同脊线宽度和直角制造误差的情况, 给出了正交双Porro棱镜谐振腔腔保持单横模运转的条件。仿真结果表明, Porro棱镜的加工误差在18 μm以下和角度误差在2″以下可保证输出光斑的完整性。

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白燕   延凤平   冯亭   韩文国   张鲁娜   程丹   白卓娅   温晓东  

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制作了一种单纵模超窄线宽环形腔掺铥光纤激光器, 使用未抽运的保偏掺铥光纤作为饱和吸收体, 结合光纤光栅法布里-珀罗滤波器, 实现了激光器的单纵模运转和超窄线宽输出。实验结果表明：激光器在室温下可以获得中心波长为1942.03 nm、光信噪比为63 dB的稳定输出。通过100 min的连续测量, 激光输出功率的波动小于0.62 dB, 中心波长的波动小于光谱仪的最小分辨率0.05 nm, 在一定时间内具有良好的稳定性。采用基于频率噪声的线宽测量方法测得0.01 s测量时间下的线宽为300 Hz, 在0.1 s测量时间下的线宽约为3 kHz。所制作的激光器将在对2 μm波段激光纵模及线宽特性有严格要求的领域具有重要应用价值。

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白家荣   刘源   钟朝阳   孟洁   施君杰   王明建   孟俊清   侯霞   陈卫标  

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报道了一种可在低温环境下和100 ℃以上的宽温范围内稳定工作的纳秒级被动调Q的Nd∶YAG激光器。谐振腔采用抗失谐的双Porro棱镜组合腔型, 以热电制冷器控温的垂直腔面发射激光器侧面抽运Nd∶YAG板条晶体, 被动调Q晶体为Cr4+∶YAG。在抽运峰值功率为1 kW, 重复频率为1 Hz的条件下, 测量了激光器在不同温度下的工作情况。结果表明在-75～40 ℃温度范围内, 激光输出平均能量为18.79 mJ, 标准差为2.29 mJ, 脉宽约为4 ns, 近场光斑直径约为5 mm, 远场发散角小于0.9 mrad。激光器体积小、结构紧凑、可靠性高, 十分适合宽温范围尤其是低温环境下的空间激光应用。

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    激光制造

张斌   常森   王桔   王倩  

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提出了一种基于遗传算法的平面焊缝特征点提取方法。采用中值滤波、阈值分割法对焊缝图像进行预处理, 以减少噪声; 利用种子填充法进行图像分割, 提取出激光条纹连通域, 根据连通域特征抽象出激光条纹骨架提取的数学模型; 重点研究基于遗传算法的骨架提取方法, 并采用法向直线扫描法沿骨架方向提取中心点坐标; 对骨架中心点进行直线拟合, 并利用拉依达准则迭代剔除噪声点, 获得激光条纹骨架的准确位置和焊缝特征点坐标。经试验验证可知, 该方法能够有效消除焊缝图像中多种噪声及激光条纹宽度的干扰, 快速准确地检测出焊缝特征点的位置。

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环鹏程   王晓南   朱天才   陈文刚   胡增荣   张敏   陈长军  

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采用光纤激光器对2.8 mm厚800 MPa级热轧高强钢板进行了激光焊接, 通过调整激光功率获得了全熔透焊接接头, 观察了不同热输入下焊接接头的显微组织, 并测试了焊接接头的显微硬度、拉伸性能和冲击韧性, 研究了焊接接头显微组织与力学性能之间的关系。结果表明：焊接接头内不存在软化区, 焊接接头的抗拉强度可达到母材水平, 冲击功可达到母材的85.6%。

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汪军   李民   汪静雪   张兴权   魏伟   戚晓利   王会廷  

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采用波长为1064 nm、脉冲宽度约为10 ns的激光束对304不锈钢进行双面冲击强化处理(LSP), 利用三维形貌仪观察LSP试样的表面形貌, 采用X射线应力仪测量试样表面的残余应力; 采用伺服液压疲劳试验机对试样进行疲劳试验, 以得到疲劳裂纹扩展速率曲线; 采用扫描电子显微镜观察试样裂纹扩展不同阶段的断口形貌。结果表明：激光冲击强化处理可使试样表面产生最大变形量约为25 μm的塑性变形, 形成最大值为-218 MPa的残余压应力, 并可使裂纹源向试样内部转移; 激光冲击强化能显著降低冲击区域处的裂纹扩展速率。基于疲劳裂纹扩展速率曲线再次验证了激光冲击处理可显著提高304不锈钢的抗疲劳性能。

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李祚   隋尚   袁子豪   李浩胜   陈静   林鑫  

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采用高沉积率激光熔覆沉积技术制备了GH4169合金试样, 研究了沉积率为2.2 kg/h时GH4169合金的微观组织和拉伸断裂机制。结果表明：高沉积率激光熔覆沉积GH4169合金沉积态试样的析出相主要包括Laves相、针状δ相及不均匀分布的γ″和γ′强化相。拉伸测试结果表明, 沉积态GH4169高温合金的塑性和强度均低于锻件标准。

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夏佩云   尹玉环   蔡爱军   黄征   李丹   包云峰   封小松  

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采用激光清洗技术对2219铝合金硫酸阳极氧化膜进行清洗, 研究了清洗速度对阳极氧化膜去除效果的影响; 对清洗后的铝合金进行焊接试验, 以验证焊前激光清洗工艺的可行性; 最后分析了激光清洗阳极氧化膜的机理和特性。结果表明：2219铝合金在焊前通过激光清洗后可获得外观和内部质量良好的焊接接头; 2219铝合金阳极氧化膜激光清洗速度的阈值为1079 mm·min-1; 激光清洗去除2219铝合金阳极氧化膜的机制主要为爆炸和气化, 并存在部分弹性震动剥离机制。

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徐家乐   周建忠   谭文胜   孟宪凯   黄舒   何文渊  

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采用超声振动辅助激光熔覆工艺, 在GCr15轴承钢表面制备了钴基合金涂层, 在750 ℃/100 h条件下分析了试样的微观结构和高温氧化行为。结果表明：超声振动并未改变熔覆层的相组成, 只是在近表层形成了更加均匀细小的等轴晶组织。涂层经100 h高温氧化后遵循抛物线氧化规律。相比于传统的激光熔覆涂层, 超声振动辅助激光熔覆涂层表面形成的氧化膜更加细小致密, 且无明显的氧化破裂和剥落缺陷, 同时伴随大量高温稳定性好的CoCr2O4尖晶石相生成, 氧化增重与氧化速率常数分别减小了19.2%和50.8%, 涂层的抗高温氧化性能进一步提升。

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陈帅   陶凤和   贾长治  

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采用选区激光熔化(SLM)技术制备4Cr5MoSiV1模具钢试样, 研究激光线能量密度η对显微组织、碳元素损耗及显微硬度的影响。研究表明：SLM成型4Cr5MoSiV1模具钢试样的显微组织主要为马氏体和少量残余奥氏体。脱碳反应、飞溅行为和元素烧蚀共同造成碳元素的损耗, 当η=950 J·m-1时, 碳元素损耗率高达17.7%。随着η的增加, 试样的晶粒尺寸增大、碳元素损耗率升高、马氏体含量降低; 在同一η下, 试样过渡区的晶粒尺寸最小、碳元素损耗率最低, 而热影响区的晶粒尺寸最大、碳元素损耗率最高。随着η的减小, 孔隙缺陷增多; 当η过大时, 试样将出现冷裂纹缺陷。当η=905 J·m-1时, 试样显微组织均匀, 致密度高, 具有较高的显微硬度(熔池中心区域为710.3 HV, 过渡区为732.4 HV)。

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沈义平   陈聪   高明   成群林   李中权   曾晓雁  

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为了探究中厚板铝合金光纤激光切割工艺特性, 开展了光纤激光切割8 mm厚AA2219铝合金工艺实验, 系统研究了激光功率、切割速度、离焦量和辅助气压等工艺参数对切缝质量的影响。以根部挂渣高度和切缝下部分倾斜条纹区域所占板厚比例来表征切缝质量。实验结果表明, 激光功率和辅助气压是影响切缝质量的最主要的工艺参数, 当激光功率增大至5.4 kW、辅助气压取值范围增大至1100~1500 kPa时, 切缝挂渣量最少。最后, 为了进一步提高中厚度铝合金激光切割质量, 根据空气动力学原理, 利用流体力学模拟设计并制作了简易Laval喷嘴, 采用该喷嘴进行实验发现, 切缝表面倾斜条纹区域范围从0.5降至0.14, 而挂渣高度变化较小。

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张志研   王奕博   梁浩   赵树森   林学春   李新阳  

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基于烧蚀气化材料去除机理, 利用高重复频率脉冲激光对低热导率树脂基涂漆的定量去除进行理论及实验研究。研究了二维振镜系统激光清洗扫描方式的选取, 以及脉冲激光作用于材料表面光斑的分布特性。对材料表面的温度变化进行理论仿真后发现, 脉冲间隔对材料温度变化的影响较小。进行了高重复频率脉冲激光烧蚀气化去除低热导率涂漆的实验, 结果表明:作用于涂漆表面的脉冲数与烧蚀气化去除深度线性相关, 从而建立了二者之间的一维线性关系方程。

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刘亚楠   孙荣禄   牛伟   张天刚   谭金花  

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通过激光熔覆技术在Ti811钛合金表面制备了Ti基复合涂层, 研究了涂层的物相组成、微观组织、显微硬度及摩擦磨损性能, 分析了TiB2-TiC复合镶嵌结构的形成机理。结果表明：涂层主要由增强相TiC和TiB2、金属间化合物Ti2Ni以及基底α-Ti组成; TiB2的(0001)面和TiC的(111)面之间的错配度仅为1.057%, TiB2可以作为TiC最有效的异质形核的核心, 形成TiB2-TiC复合结构; 弥散强化、固溶强化和细晶强化效应使得涂层的显微硬度可达617 HV, 为Ti811钛合金的1.62倍; 涂层具有良好的摩擦磨损性能, 磨损体积、磨损深度和平均摩擦因数分别为175×10-3 mm3、80.13 μm和0.39, 磨损体积较基体约下降了26%。

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    全息与信息处理

王仁德   张亚萍   王帆   祝旭锋   李重光   张永安   许蔚  

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提出一种在光学扫描全息系统中采用环形光瞳滤波器来实现选择性边缘提取的方法, 基于双光瞳外差扫描技术使用单个二维光学扫描来获取三维物体的全息信息。首先, 采用小孔滤波器和环形光瞳滤波器作为两个光瞳来形成复合光场对物体进行扫描, 以提取物体的边缘信息; 其次, 通过移动并破坏环形光瞳滤波器的对称性, 并选择两个完全相同的环形光瞳滤波器来实现对物体各向异性的选择性提取。计算机仿真实验的结果表明, 通过在光学扫描全息系统中使用环形光瞳滤波器, 可以很好地实现各向同性与各向异性的选择性边缘提取。

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    生物医学光子学与激光医学

丁雪梅   王兵元   刘东远   张耀   潘甜甜   高峰  

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功能近红外光谱成像已成为脑功能研究的首选手段。为得到高灵敏度、大动态范围以及高时间分辨率的成像系统, 开发了基于改进锁相光子计数的多通道近红外脑功能成像系统。光源模块由波长为785, 808, 830 nm的激光二极管(各16个)组成, 调制方波的频率间隔为252 Hz; 探测模块包括9个光子计数式光电倍增管。该系统结合了单光子计数技术的超高灵敏度与方波调制模式数字锁相检测的简易并行性, 测量线性相关系数可达0.9989, 信道间的串扰可忽略不计, 具有较强的抗干扰能力和准确的空间定位能力。

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    太赫兹技术

茅晨曦   臧小飞   朱亦鸣  

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设计了一种近场涡旋光束干涉的微结构阵列。在该阵列中, 一对正交排列的矩形小孔构成阿基米德螺旋线。在线偏振太赫兹波的激励下, 其左旋和右旋分量分别形成具有异号拓扑荷数的近场涡旋光束, 并叠加产生新的电场分布。数值仿真结果表明, 通过调控每个矩形小孔的角度和螺旋线的螺距, 可实现任意拓扑荷数的正交涡旋光束的电场叠加。

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李广森   延凤平   王伟   乔楠  

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设计了一种基于光敏半导体砷化镓的主动式电磁诱导透明超材料。砷化镓的光电特性使该超材料结构中的外围圆环能在各个光照条件下响应不同频率的电磁波; 其与中心开口环耦合, 分别能够在1.47 THz与0.7 THz两个频点处产生强烈的电磁诱导透明效应。通过调节光照强度来改变砷化镓的电导率, 并拆分表面金属环结构进行对比, 分析了该超材料结构的光敏性能与其实现多波段电磁诱导透明效应的物理机理; 同时研究了砷化镓宽度、中心开口环开口大小与基底厚度对电磁诱导透明效应的影响。仿真结果表明, 该超材料结构能够在不同光照条件下, 于太赫兹波段的多个频点处产生高强度的波速迟滞效应, 并伴随较高的折射率灵敏度, 在太赫兹缓存器件与折射率传感领域有一定的应用价值。

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    微纳光学

陈颖   许扬眉   高新贝   曹景刚   谢进朝   朱奇光   李少华  

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基于表面等离激元在亚波长结构的传播特性, 提出了一种含矩形腔的金属-介质-金属(MIM)波导与T型腔耦合的结构。T型腔形成的较窄离散态与矩形腔形成的较宽连续态相互耦合, 经过干涉相消形成Fano共振。采用耦合模理论, 分析了Fano共振的形成机理; 运用有限元分析法对该结构进行模拟仿真, 分析结构参数对其折射率传感特性的影响。结果表明, 经过结构参数的优化, 其优质因子可达6.04×104, 灵敏度为1120 nm/RIU, 该研究结果可为光子回路的集成及纳米级传感器的设计提供理论参考。

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林鹤   付跃刚   欧阳名钊   赵宇   朱启凡   吴锦双  

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本研究采用严格耦合波分析法设计具有宽带广角抗反射特性的ZnS MS材料的蛾眼亚波长周期微纳结构。基于严格耦合波理论, 控制周期尺寸小于入射波长与材料折射率的比值, 实现高级次衍射波为倏逝波, 以提高蛾眼结构宽带抗反射效率。采用时域有限差分法分析蛾眼结构周期、底端直径、结构高度和顶端直径对光谱透过率的影响, 并对4种结构参数进行优化。此外, 还选取可见光、近红外和中红外三个特征波长进行宽角度入射的电场分析。研究结果表明：在短波范围内, 蛾眼宽角度抗反射性能取决于结构表面的减反射和前向散射的能力; 而在长波范围内, 蛾眼结构被视为ZnS MS平面膜层, 其光谱特性主要受Fabry-Perot干涉影响。该研究为不同波段宽角度蛾眼结构设计提供了理论依据和设计方法。

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    遥感与传感器

郭俊杰   姚志刚   韩志刚   赵增亮   严卫  

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多角度偏振成像仪(MAI)采用背照式面阵CCD探测器, 用于定量获取云与气溶胶参数。暗电流是影响面阵CCD探测器数据质量及其定量应用的主要因素之一。为了分析CCD暗电流特征及其通道依赖性, 并改进CCD成像质量, 在分析MAI 0级数据特征的基础上, 提出基于夜间场景对MAI各通道暗电流特征进行分析的方法, 并于2018年2月2日—16日开展了MAI夜间场景观测实验。通过对比MAI挡光通道白天和夜间的观测结果可知, 白天和夜间观测到的暗电流特征无明显差异。故基于夜间观测数据对MAI 13个通道的暗电流特征开展分析, 结果表明：各通道暗电流分布均存在一定程度的非均匀性及“坏点”, 且单个通道的分布具有较好的稳定性, 但各通道之间存在显著差异。基于图像法对“坏点”进行校正, 基于线性、非性线关系对像元间的不均匀分布进行校正后, 暗电流图像的标准差由12.1%降至6.9%。以晴空洋面观测值为参考, 暗电流及“坏点”对像元观测的最大相对误差由9.1%降至3.0%。分析结果表明：相对于设置暗电流监测通道, 基于夜间观测的暗电流监测不仅可以监测各通道的暗电流特征, 还可以处理暗电流的通道依赖性问题。因此, 在后续的星载观测仪器设计中, 无需单独设置暗电流监测通道就可以直接利用CCD夜间观测对各通道暗电流进行在轨监测与校正。

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项衍   张天舒   刘建国   吕立慧  

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2015年12月份重污染频发的北京市先后启动两次大气重污染红色预警。本研究根据中科院大气物理研究所铁塔分部激光雷达的立体探测数据, 采用梯度法反演北京市区大气边界层高度, 并对中尺度数值模式WRF的模拟结果进行评估。结果表明, 虽然两种方法的结果具有较好的一致性, 但是极值并没有很好地吻合。激光雷达反演边界层高度日变化与WRF模拟结果的相关性达到0.76, 均方根误差为163 m, 平均偏差为-61 m。同时发现在清洁天气下, WRF模拟的准确性要高于污染天气下的模拟结果。此外地面观测的PM2.5质量浓度与激光雷达反演的大气边界层高度相关性达到-0.85。

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方欣   王敏   胡顺星  

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利用AML-2型车载测污激光雷达测得的合肥梅雨季节大气污染物的监测数据, 研究梅雨季节对流层大气气溶胶和臭氧的时空分布特征, 对比分析雨水对大气污染物消减的影响。结果表明：梅雨季节气溶胶的消光系数较小, 且随着高度增大呈递减的趋势, 在0.5 km高度处, 多天的消光系数为 0.1～0.18 km-1; 持续降水对气溶胶浓度具有显著的消减作用, 梅雨季节之前和梅雨季节气溶胶消光系数的均值分别为0.37 km-1和0.14 km-1; 梅雨季节臭氧的时空变化特征明显, 臭氧浓度随高度的增大而逐渐减小, 臭氧浓度的日差异较大, 2008年6月20日和24日, 0.4 km高度处臭氧质量浓度相差59.5 μg/m3; 与梅雨季节之前相比, 梅雨季节的臭氧浓度大幅减小, 相同高度处臭氧质量浓度均值的差值可达41.8 μg/m3。

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门华涛   李国元   陈继溢   赵严铭   邢艳秋  

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激光测高卫星的回波波形是其核心数据之一, 回波波形的仿真分析对卫星指标论证及数据处理具有重要的参考价值。综合考虑地物反射率、发射波形和激光断面阵列(LPA)这3个因素对回波仿真结果的影响, 并进行对比实验, 探讨了最优的模拟仿真方法。实验中选择某研究区, 以冰、云和陆地高程卫星(ICESat)/地球科学激光测高系统(GLAS)数据作为验证数据, 通过相关系数对回波仿真精度进行评价。结果表明：在考虑实际地物反射率和发射波形后可以明显提高回波仿真的精度, 仿真结果的相关系数从0. 9337提高到0.9492; 由于LPA的像素空间分辨率较低, 故得到的仿真精度误差较大, 通过3次样条插值提高像素分辨率后可使仿真精度提高到0.9513。

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    中国激光大科学装置

冷雨欣  

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上海超强超短激光实验装置(SULF)是上海建设具有全球影响力的科创中心、打造世界级重大科技基础设施集群的首批重大项目之一。结合国内外超强超短激光研究现状和趋势, 简单介绍了SULF的研制背景、建设现状和未来主要应用和发展方向。

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朱健强   陈绍和   郑玉霞   黄关龙   刘仁红   唐贤忠   张明科   徐振华   沈丽青   陈庆浩   彭增云   朱宝强   竺庆春   唐永兴   张伟清   唐福林   刘凤翘   毛楚生   朱俭   马伟新   李学春   杨琳   王树森   杨义   蔡希洁   林尊琪   范滇元   王世绩   顾援   邓锡铭  

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神光Ⅱ大型固体高功率激光装置是我国激光驱动器发展历史的里程碑, 其成功研制使我国高功率固体激光工程与技术、聚变物理与基础物理研究实现了全面且本质的跨越式发展。简要概述了神光Ⅱ激光装置研制中创新发展的大量工程方案与技术手段, 举例介绍了神光Ⅱ激光装置在近20年来的高质量运行中取得的众多有国际影响力的研究成果。经多方支持和多年持续发展, 已经形成数万焦耳级纳秒激光装置、皮秒拍瓦以及飞秒拍瓦激光装置等, 这些装置是我国惯性约束核聚变、强场物理、高能量密度物理等研究领域中重要的物理实验核心平台之一。

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张小民   魏晓峰  

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巨型高峰值功率激光装置的总体规模与性能是一个国家在强激光技术研究与应用领域综合实力的集中体现。简要介绍了装置基本结构、关键科学技术与工程问题以及总体设计要素, 回顾了两台中国二代巨型高峰值功率激光装置的基本状态与技术特点, 展望了未来中国高峰值功率激光技术与工程发展的基本趋势。

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赵振堂   王东   殷立新   顾强   方国平   谷鸣   冷用斌   周巧根   刘波   唐传祥   黄文会   刘志   江怀东   翁祖谦  

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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, 其最短波长可达到2 nm。这台基于1.5 GeV C波段高梯度电子直线加速器的激光装置包含1条种子型自由电子激光(FEL)束线、1条自放大自发辐射束线以及5个实验站。整个装置的研制分试验装置(SXFEL-TF)和用户装置(SXFEL-UF)两个阶段进行, 基于0.84 GeV直线加速器的SXFEL-TF以掌握种子型FEL级联技术和短波长回声型FEL为主要目标, 而SXFEL-UF的目标则是建成可提供5个实验站的用户装置并于2019年底开始首批实验。介绍了SXFEL的基本构成和目前装置研制的进展。

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余永   李钦明   杨家岳   王光磊   史磊   丁洪利   陶凯   汤振兴   贺志刚   陈志超   田宇欢   戴东旭   吴国荣   张未卿   杨学明   冯超   陈思   王震   谷端   陈杰   刘晓庆   兰太和   冯冽   张文艳   钟少鹏   张俊强   李林   肖诚成   李昊   赵欢   陈广花   朱海君   丁建国   黄毛毛   张伟   赖龙伟   杨夫彬   王光宏   相升旺   胡晓   刘以勇   孙森   高飞   蒋志强   周孝轩   刘永芳   吴勇华   陈志豪   王锐萍   黄大章   张猛   邓海啸   李宾   林国强   俞路阳   阎映炳   阎山川   夏晓彬   周巧根   刘波   顾强   谷鸣   方国平   冷用斌   殷立新   王东   赵振堂  

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先进光源的发展在前沿科学研究中发挥的作用越来越重要。近十年来, 飞速发展的自由电子激光技术为科学家们提供了探索未知世界、发现新科学规律和实现技术变革的重要工具。建成的大连极紫外(EUV)相干光源的运行波段为50~150 nm, 单脉冲能量大于100 μJ, 且可提供10-12 s和10-13 s量级的超快激光脉冲, 是我国第一台自由电子激光用户装置, 并且是国际上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光用户装置, 在世界范围内为用户提供具有高峰值亮度和超短脉冲的极紫外激光。大连EUV相干光源是由国家自然科学基金委资助、由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所共同承担的重大科学仪器研制项目, 目标是打造一个以先进极紫外光源为核心、主要用于能源基础科学研究的光子科学平台。

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