1 南京工业大学 数理科学学院， 江苏 南京 211816
2 浙江农林大学 光机电工程学院， 浙江 杭州 311300
随着信息化时代的高速发展，对微电子器件中光电材料的选择、新功能的开发提出了更高的要求。传统光电器件大多利用半导体材料在光照下电导率增加的正光电导性效应进行功能化设计。近年来，研究发现还存在另一种反常的光电导效应——负光电导（Negative photoconductivity，NPC），即在光照条件下电导率降低，由于其在光电探测、逻辑器件、神经形态器件、低功耗非易失性存储器方面的潜在应用而备受关注。NPC的产生机制一般包括载流子的俘获效应、表面分子的吸附-解吸、表面等离子体极化激元和局域表面等离子体共振、光辐射热效应等。本文详细讨论了不同光电器件中NPC产生的物理机制，分析了材料选择、器件结构设计、能带结构变化对不同异质结器件中NPC效应的影响，概括了光电器件中负光电导效应的实际应用，这为光电器件的性能优化和新型光电器件设计提供了重要参考，为未来异质结光电信息器件实现尺寸更小、光导增益更高、速率更快、功耗更低奠定了科学基础。
负光电导 应用 光电器件 negative photoconductivity application optoelectronic devices
浙江农林大学光机电工程学院，浙江 杭州 311300
基于视觉的光学三维重建技术得益于对场景干预少、获取信息丰富等优点，在探测范围有限、非接触的场合得到了广泛应用。首先，主要介绍了基于主动视觉下的结构光法、莫尔法、飞行时间法、激光扫描法和基于被动视觉下的立体视觉法、运动恢复结构法，并分析了这些技术的优缺点；其次，总结并讨论了光学三维重建技术在农作物信息感知研究中的应用现状；最后，对光学三维重建的未来研究进行了展望。
光学三维重建 主动视觉 被动视觉 农作物 信息感知 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0400004
1 湖南工业大学 计算机学院，湖南 株洲 412007
2 深圳华创芯光科技有限公司，广东 深圳 518118
3 河北工业大学 电子信息学院，天津 050019
4 湖南师范大学 物电院，长沙 410081
针对室内可见光定位(VLP)实际应用的大面积面板灯排列场景中存在的定位精确度低、信号干扰严重等问题，提出了一种基于接收信号强度(RSS)算法的码分多址(CDMA)调制解调VLP系统，介绍了RSS算法和CDMA调制解调VLP系统原理，通过实验验证了系统定位精度。实验结果表明：在未考虑实时移动和延迟刷新等因素的情况下，固定点位的定位最大误差为0.3 m，算法解决了传统定位算法中边缘角落区域定位精度低的问题，提高了VLP系统的鲁棒性。
可见光定位 码分多址 接收信号强度 光定位算法 鲁棒性 visible light positioning, code division multiple
1 西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心，四川 成都 610031
2 西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031
3 西南交通大学唐山研究院，河北 唐山 063000
枕簧是铁路货车减振装置的关键部件，发挥着承载和缓冲的作用，其尺寸直接影响车辆的减振能力与特性。为保证行车安全，铁路货车段修和厂修时必须对枕簧几何尺寸等进行测量与检查。为提高枕簧检修过程中的测量效率，提出了一种基于三维激光点云的枕簧几何尺寸测量方法。该方法采用线激光传感器获取了枕簧三维点云数据，利用下采样和k-means聚类等算法实现了点云数据的预处理，然后通过平面拟合利用高度测量算法测量了枕簧高度；经过点云降维、边缘提取、圆分割后利用改进的圆拟合算法测量了枕簧内、外直径。搭建试验平台进行了测量算法的精度、可靠性和重复性试验。结果表明：测量10组不同枕簧，最大平均误差在±0.35 mm内，平均测量时间为2.7 s；测量4组枕簧10次，最大平均误差在±0.35 mm内，重复性小于3%。测试结果具有良好的精度和稳定性，满足检修规程和检修工艺要求。
测量 枕簧测量 三维点云 线激光传感器 平面拟合 中国激光
2023, 50(19): 1904001
为研究陕西省旬邑县西头遗址上庙墓地出土的西周早期铜泡和铜镜上的三处纺织遗痕P1﹑J1和J2, 使用红外光谱仪﹑三维视频显微系统和扫描电子显微镜对其进行了结构分析和种类鉴别。 从红外吸收光谱图中发现这三处遗痕都存在纤维素与木质素中的CH2弯曲振动产生的1 434 cm-1波数附近、 纤维素中葡萄糖环中C-O醚键伸缩振动产生的1 080和1 033 cm-1波数附近的强峰; 在1 645~1 610 cm-1区域内出现吸收峰, 该峰代表的是木质素中共轭羰基和CC的伸缩振动; 且J1﹑J2在纤维素中β-D-葡萄糖苷键的特征吸收振动谱带898 cm-1波数附近存在强峰; 这些特征峰都与天然麻类纤维的红外吸收光谱图吻合, 可推测这三处纺织遗痕为麻类纺织品。 显微观察发现其纤维表面较为粗糙, 径向呈圆筒状或扁平的袋状, 截面呈三角形和椭圆形, 与麻类中的大麻显微结构相似, 故推测其为大麻制品。 测量其纺织密度可知, 铜泡上的纺织品较为细密为23×25根·cm-2; 铜镜上的纺织品较为疏松, 分别为13×6和13×14根·cm-2。 使用独立样本T检验发现, 三处纺织品的经纬线直径数据存在显著性差异, 应是区别使用经纬线纺织而成的。 根据以上分析结果得出由于墓葬规格的差异, 铜泡上纺织物比铜镜更细密, 且铜镜上两种纺织品编织密度差异较大, 根据其附着的不同位置可推测铜镜上的纺织物J2为包裹物, J1为在埋藏时垫衬在铜镜下方的纺织物, 且铜镜在下葬时正面朝下放置。 从出土物可知, 在商周时期已经能利用大麻作物进行纺织, 并且纺织水平发展成熟; 铜离子的抑菌作用使墓葬中的纺织品保存至今, 这得益于古人使用纺织物包裹青铜器埋葬的习惯。
旬邑西头遗址 纺织物 红外光谱分析 显微分析 Xitou site Textile Infrared spectrum analysis Microscopic analysis
南京信息工程大学物理与光电工程学院，江苏 南京 210044
生物散斑技术能够无损表征微生物活性，在农产品品质管控领域受到广泛关注，然而，传统散斑图像处理方法不易区分不同生物活性区域，在质量评估和分类过程中会产生误差。针对此问题，提出一种基于小波能量谱图的新型图像处理分析方法。首先基于正交小波进行图像分解，然后提取其低频分量建立能量谱图，最后计算图像的能量强度分布，定量分析散斑活动。在市面常见的冰糖心苹果上进行的碰撞实验结果表明，与传统Fujii法、加权广义差分法、改进惯性矩法及小波熵法相比，所提方法不仅能够揭示苹果生物活性随时间的演变规律，还通过具有更高对比度和稳定性的指标实现对苹果表面正常区域和碰撞区域的区分。由于所提处理分析方法可有效识别苹果表皮瘀伤，有望在水果机械损伤评估领域获得广泛应用。
成像系统 激光 散斑成像 无损检测 小波 数字图像处理 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0611004
1 重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074
2 重庆建设汽车系统股份有限公司，重庆 400052
基于蹦床效应提出新型蹦床声子晶体模型。借助有限元法，计算蹦床声子晶体能带结构、本征模态，并与传统声子晶体对比，选择调整蹦床声子晶体柱体高度进行彩虹捕获效应研究。按照不同柱体高度蹦床声子晶体，将16个蹦床声子晶体单胞分别以单一编号、有序及随机完全无序排列形式组合，计算对应传输损失曲线，分析不同排列组合形式对彩虹捕获效应的影响。并进一步设计了3种轻度无序排列形式蹦床声子晶体阵列，以分析无序度对彩虹捕获效应的影响。结果表明：新型蹦床声子晶体带隙宽度是传统声子晶体的2.1倍，采用蹦床声子晶体有序排列形式表现出明显的彩虹捕获现象，而完全无序排列形式则表现出强烈的“逆彩虹捕获”现象；采用3种轻度无序排列形式蹦床声子晶体阵列对激励信号的衰减能力与有序排列基本相同，表明所设计的新型蹦床声子晶体对阵列的轻度无序排列具有鲁棒性。本工作为今后定向设计衰减频域及最大衰减幅度的彩虹捕获声子晶体阵列提供了参考。
蹦床效应 声子晶体 彩虹捕获效应 阵列形式 传输损失 trampoline effect phononic crystal rainbow trapping effect array form transmission loss
温州医科大学眼视光学院(生物医学工程学院)，浙江 温州 325035
针对目前临床上尚缺乏有效可行的烧伤程度精准诊断的难题，本课题组研究了基于空间频域成像的烧伤程度无创定量评估方法。本课题组通过基于单次快照多频解调方法的空间频域成像技术，实时、大面积、高分辨地反演出了与烧伤组织结构、生理特性紧密相关的光学参数(吸收系数与约化散射系数)，并结合系统聚类方法与多参数降维分析，提高了烧伤程度分类的准确性，缩短了分类时间。鼠烧伤模型的实验结果表明：动态监测光学参数的变化趋势可以显著区分出三种不同的烧伤程度，系统聚类分析缩短了分类时间，基于主因子的多参数降维分析表现出了更强的抗干扰性。本文方法为临床烧伤的早期诊断提供了一种极具潜力的实现途径。
医用光学 医学生物成像 空间频域成像 烧伤程度评估 组织光学参数 中国激光
2022, 49(24): 2407205
1 重庆交通大学机电与车辆工程学院, 重庆 400074
2 重庆建设汽车系统股份有限公司, 重庆 400052
基于局域共振机理提出1种双侧空心不对称散射体声子晶体结构, 借助有限元法, 计算了双侧空心不对称散射体声子晶体能带结构、传输损失谱及本征位移场, 得到了起始频率为79.4 Hz、带宽为1 065.2 Hz的超宽第1完全带隙。结合等效弹簧质量系统, 分析标记点的本征位移场振动模态, 揭示出新型双侧空心不对称散射体声子晶体带隙形成机理。分析了包裹层缺口角度、连接短板宽度、空心圆柱散射体高度等几何参数对第1完全带隙的影响规律, 并改变声子晶体几何参数实现对带隙频率的调控。结果表明: 双侧不对称二维空心散射体声子晶体第1完全带隙的起始频率有效降低至80 Hz以下, 带宽超过1 000 Hz; 改变声子晶体结构参数可实现局域共振与Bragg散射带隙同时存在于一种声子晶体中, 为单一声子晶体同时调控低频、高频带隙提供了可能。
双侧空心不对称 声子晶体 局域共振 完全带隙 低频振动控制 bilateral hollow asymmetry phononic crystal locally resonance complete band gap low frequency vibration control
天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072
在一台光学发动机上, 利用火焰高速成像技术和自发光光谱分析法, 研究了燃料敏感性(S)为0和6时对发动机缸内火焰发展和燃烧发光光谱的影响。 试验过程中, 通过改变喷油时刻 (SOI=-25, -15和-5°CA ATDC) 使燃烧模式从部分预混燃烧过渡到传统柴油燃烧模式。 通过使用正庚烷、 异辛烷、 乙醇混合燃料来改变燃料敏感性。 结果表明, 在PPC模式下(-25°CA ATDC), 火焰发展过程是从近壁面区域开始着火, 而后向燃烧室中心发展, 即存在类似火焰传播过程, 同时在燃烧室下部未燃区域也形成新的着火自燃点。 敏感性对燃烧相位影响较大, 对缸内燃烧火焰发展历程影响较小; 高敏感性燃料OH和CH带状光谱出现的时刻推迟, 表明高敏感性燃料高温反应过程推迟, 且光谱强度更低, 表明碳烟辐射强度减弱。 在PPC到CDC之间的过渡区域(-15°CA ATDC), 燃烧火焰发光更亮, 燃烧反应速率比-25°CA ATDC时刻的反应速率更快。 高、 低敏感性燃料对缸压放热率的影响规律与-25°CA ATDC相近, 此时的燃烧反应更剧烈, 放热率更高, 碳烟出现时刻更早。 该喷油时刻下的光谱强度高于PPC模式下的光谱强度, 说明此时的CO氧化反应与碳烟辐射更强。 在CDC模式下(-5°CA ATDC), 由于使用的燃料活性较低, 燃烧放热时刻过于推迟, 放热量很小, 缸内燃烧压力低, 因此燃料敏感性对缸压和放热率的影响不明显, 但从燃烧着火图像中可以看到高敏感性燃料的火焰出现时刻较低敏感性燃料推迟。 低敏感性燃料的燃烧初期蓝色火焰首先出现在燃烧室中心, 着火火焰出现时刻更早, 之后蓝色火焰从中心向周围扩散, 呈现火焰传播为主导的燃烧过程; 燃烧后期, 局部混合气过浓区导致亮黄色火焰面积逐渐增大并向周围扩散。 高敏感性燃料的火焰发展趋势与低敏感性燃料类似, 黄色火焰的亮度与面积更小。 尽管高、 低敏感性燃料的OH和CH带状光谱的出现时间相近, 但高敏感性燃料的光谱强度仍更低。 综合分析, 火焰发展结构与自发光光谱特征主要受喷油时刻的影响, 燃料的敏感性主要影响着火时刻和火焰自发光光谱强度, 且高敏感性燃料的光谱强度更低。
光学发动机 部分预混燃烧(PPC) 燃料敏感性 自发光光谱 火焰发展 Optical engine Partially premixed combustion (PPC) Fuel sensitivity Self-luminous spectrum Flame development 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 2999
