1 中国科学院大学集成电路学院，北京 100049
2 中国科学院微电子研究所光电技术研发中心，北京 100094
3 北京积水潭医院，北京 100035
激光器谐振腔输出的光束呈高斯分布，需要通过光束整形来提高均匀性，以满足应用的需求。从光学系统的特性出发，总结归纳了当前主要的三种激光光束整形技术，包括光阑法、场映射器法和多孔径光束聚焦法，分别介绍了三种激光光束整形技术的基本原理、应用范围和主要实现方法，阐述了不同激光光束整形方法的典型应用和研究进展，最后，综合讨论了激光光束整形技术目前所面临的问题及未来的发展方向。本综述对激光光束整形技术的研究具有一定的参考意义。
光束整形 光阑 场映射器 多孔径光束聚焦 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500005
1 中国科学院微电子研究所光电技术研发中心，北京 100094
2 中国科学院大学，北京 100049
翠绿宝石晶体的热透镜效应会严重影响激光器的输出性能。首先通过建立晶体的热传导模型，合理设定边界条件并求解相应的热传导方程，对造成热效应的三个因素进行分析，计算了相应因素下热焦距的理论值。然后，利用谐振腔的临界稳定条件，对晶体的热焦距进行测量，测量结果与理论计算值基本吻合，证明利用谐振腔的临界稳定条件测量F-P腔的热焦距是可行的。最后，对不同腔长下的输入输出特性进行了分析，详细解释了在热效应的复杂影响下输入-输出曲线中的凹陷现象。在计算出最大抽运功率下的热焦距后，调整相应腔参数，可以使激光腔在整个抽运功率范围内处于稳定状态。研究结果对于减少热透镜效应的影响、提高激光器的性能具有重要的指导作用。
激光器 翠绿宝石晶体 热透镜效应 F-P腔 热焦距 中国激光
2023, 50(19): 1901007
1 光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，重庆 400054
2 智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心，重庆 400054
3 重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054
采用近红外光谱进行检测时，光谱波段包含了大量的噪声和散射，这些都影响了模型的稳定性。基于竞争性自适应重加权算法（CARS）和互信息算法（MI）的特征波长筛选方法来建立偏最小二乘（PLS）回归模型，探测苹果内部的可溶性固形物含量（SSC）。通过光谱仪获取800~2400 nm的120个样本的漫反射光谱数据，经过预处理之后的数据通过Kennard-Stone（KS）算法随机选取96个作为校正集，24个作为预测集，然后分别建立全波段PLS模型、CARS-PLS模型和MI-PLS模型来对比分析。结果显示：利用全波段建立PLS模型，模型的决定系数R2为0.8511，模型均方根误差（RMSEC）以及预测均方根误差（RMSEP）分别为0.9413和1.1915；CARS算法筛选的特征波长点变量从303减少到了12，下降了96.03%，建立的PLS模型决定系数R2为0.8746，上升了2.76%，RMSEC和RMSEP分别为0.864和0.9757；MI-PLS模型包含了56个特征波长点，选用的波长占全波长的18.49%，R2、RMSEC和RMSEP分别为0.9218、0.6822和0.8235，MI-PLS与CARS-PLS相比特征波长数增长了64.55%，决定系数R2提高了0.0472。因此CARS和MI算法都能很好地解决光谱数据本身的噪声、散射等问题，可以有效用于特征波段筛选，所建立的模型可以对苹果内部SSC含量进行测定。
光谱学 互信息 竞争性自适应重加权算法 近红外光谱 可溶性固形物 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730003
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，重庆 400054
2 重庆理工大学理学院，重庆 400054
X射线荧光CT（XFCT）作为一种分子成像模式，存在着扫描时间长、辐射剂量大的问题，通常通过增大投影间隔、减少投影数量的稀疏投影方式来降低扫描时间与辐射剂量。因此，为在较少投影数量和较少迭代次数下提高重建图像质量，提出一种基于L1/2范数的XFCT重建算法。数值模拟实验结果表明：在较少投影数量和较少迭代次数下，所提基于L1/2范数的XFCT重建算法与传统Maximum Likelihood Expectation Maximization算法相比，其重建图像的均方根误差更小，全局图像质量索引更接近1，达到在较少投影数量和较少迭代次数下提高重建图像质量的目的。
图像处理 X射线荧光CT 图像重建 数值模拟 稀疏投影 L1/2范数 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0610010
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，重庆 400054
2 重庆大学微电子与通信工程学院，重庆 400044
3 重庆市铜梁区环境保护局，重庆 402560
提出了一种基于MobileNetV2和VGG11组分拟合（CF-VGG11）卷积神经网络（CNN）与平行因子分析（PARAFAC）结合的水样分类和荧光组分拟合方法，通过输入单个三维荧光光谱（3D-EEM）数据来预测水样类别、溶解性有机物（DOM）质量浓度等级和荧光组分。算法以PARAFAC结果为基础建立荧光光谱数据集，分两步完成类别与组分的预测：第一步使用MobileNetV2算法对不同水样进行类别预测和DOM质量浓度分级；第二步使用CF-VGG11网络拟合荧光组分。采集地表水、工业废水处理水、污水处理厂进出口水和乡村饮用水4种类型的水样构建数据集，获得了95.83%的分类精度和98.11%的组分拟合精度。实验结果表明，所提方法可对不同水样和DOM质量浓度等级进行准确分类，拟合特定荧光组分，精确定位污染源，并能进行超标预警。
光谱学 三维荧光光谱 水污染 分类 卷积神经网络
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 陕西应用物理化学研究所，陕西 西安 710061
三维发射层析技术跨越了传统二维层析技术中的“切片”过程，将被测区域作为一个整体进行重建，投影方向及位置不局限在同一水平面内，可以解决实际燃烧场测试中探测器位置受限以及装配误差等问题，对燃烧场的三维成像及测试具有重要意义。针对已有三维发射层析技术中权重矩阵的计算存在数据量大、精度和效率低等问题，在三维空间相机成像投影数学模型的基础上，提出了一种基于线性插值原理的三维权重矩阵计算方法，并结合代数迭代算法实现层析重建。通过数值模拟验证了算法精度，建立了多相机发射层析系统并对燃烧火焰进行三维层析重建。研究结果对提高层析重建精度和效率具有重要的参考价值。
层析重建技术 权重矩阵 线性插值 相机成像模型 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 3788/LOP202259
由于氰胺类化合物在有机合成领域的重要应用, 对各种氰胺类化合物的设计和机理研究成为国内外的研究热点。 结构是功能材料设计的基础, 为了更深入的探索一种典型的氰胺类化合物-双氰胺的结构稳定性, 研究了24 GPa压强下双氰胺的高压拉曼光谱。 在压强作用下, 绝大多数的拉曼谱线向高波数方向移动, 表明双氰胺的官能团折合键长被压缩, 并且有四个特征拉曼带的强度发生了很大的变化(502,524, 934和2 157 cm-1), 它们分别归属为N—H, N—C≡N, C=N—C以及C≡N键的振动。 同时在光谱上有新拉曼峰的出现, 原有拉曼峰的消失或者某些拉曼峰的劈裂, 这都表明了在压强作用下双氰胺出现了新的结构, 并且电子云密度发生了重构。 通过双氰胺的拉曼频移-压强关系曲线, 观察到绝大多数曲线的斜率在5 GPa下存在突变, 得出其可能在5 GPa附近发生一阶结构相变。 在结构相变前后, 观察到C=N和C≡N的频移-压强关系曲线斜率无显著变化, 表明这两种官能团在相变前后对压强的响应不变。 与此相反, N—H键的弯曲振动的曲线斜率变化显著, 表明这种官能团对压强存在复杂的响应, 这归因于双氰胺分子中存在复杂的氢键作用。 N—H键的伸缩振动谱线强度随着压强的增加而逐渐减弱, 并且拉曼频率出现了反常的蓝移, 这表明在新的相结构中N—H键长随压强增加而变长, 双氰胺分子间的氢键作用增强。 常规情况下, 双氰胺具有亚氨式和氨式两种互变异构体, 亚氨式的特征峰为2 157 cm-1, 氨式的特征峰为2 203 cm-1。 根据两种异构体的特征拉曼谱线强度随压强的演变规律, 发现随着压强的增加双氰胺的氨式结构比例逐渐减少, 最终在11 GPa下全部变成亚氨式结构。 研究表明高压拉曼光谱方法是研究氰胺类化合物结构相变和异构体调控的有效手段, 为功能材料的设计和合成提供一定的研究基础。
拉曼 高压 双氰胺 相变 Raman High-pressure Dicyandiamide Phase transition 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3046
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室, 重庆 400054
2 重庆理工大学理学院, 重庆 400054
基于X射线管的X射线荧光计算机断层扫描术(CT)受多种因素影响,成像质量不佳,几何参数误差是制约其高质量图像重建的重要因素之一。本文分析成像二维平面模体与探测器相对位置偏移对投影数据的影响,并基于原始投影数据和原始重建图像再投影数据的局部线性关系实现几何偏移参数校正;利用Geant4模拟存在偏移参数的扇束X射线荧光CT系统,使用模拟投影数据验证校正方法。研究结果表明:该方法能计算出相对精确的几何偏移量,有效消除几何参数误差对重建图像的影响,校正后的重建图像信息熵降低,平均梯度和标准差提高,图像质量提升。
成像系统 X射线荧光计算机断层扫描术 几何校正 局部线性关系 蒙特卡罗模拟 光学学报
2021, 41(20): 2011002
1 长春吉大附中实验学校, 吉林 长春 130021
2 吉林大学物理学院, 吉林 长春 130012
为了探究β-胡萝卜素在高压下是否会发生相变, 进行了0～30 Gpa压强范围内β-胡萝卜素的高压拉曼光谱实验。通过评估不同压强范围内拉曼光谱频移-压强的线性函数变化来判断β-胡萝卜素是否发生相变。研究表明, 当压强升至约为7 Gpa以及14 Gpa时, β-胡萝卜素分子的频移-压强线性函数方程发生了变化, 即发生了相变。通过分析频移-压强函数线性关系是否发生变化来判断相变, 是简捷、方便的技术方法。关于纯β-胡萝卜素压力相变的研究, 暂未检索到相关报道。
β-胡萝卜素 共振拉曼光谱 高压 相变 β-carotene resonance raman spectroscopy high pressure phase transition
