重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
激光线宽作为表征激光相干性的重要参数，自激光技术诞生以来就备受人们关注。窄线宽激光器由于光谱纯度高、相干长度长、相位噪声低等优点，被广泛应用于引力波探测、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量，以及微波光子信号处理等领域。随着现代信息技术的发展，窄线宽激光器作为这些应用的核心光源，在固有的线宽、噪声等参数得到进一步优化的同时也被期望拥有一些新的性能，如参数的极致调控、时频超稳、波长调谐，以及波长扫描等。激光本征线宽源于自发辐射噪声，激光器线宽压缩的发展历程是研究人员与自发辐射噪声对抗的历程。纵观窄线宽激光的发展历史，激光腔构型从简单的两个反射镜构成的单主腔、多布拉格反射面（DBR）构成的单主腔、分布反馈（DFB）结构构成的单主腔，到激光单主腔加固定单外腔，再到波长自适应分布弱反馈激光构型，其核心思想都是利用反馈信号对自发辐射噪声进行抑制。本文以激光主腔构型的演化发展为叙述脉络，总结窄线宽激光技术的研究进展，对比激光谐振腔构型在激光线宽压缩、噪声抑制思想上的异同，最后重点介绍新近发展的波长自适应分布弱反馈窄线宽激光器，对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行分析和讨论。
激光 窄线宽 波长自适应 分布弱反馈 瑞利散射 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0114003
1 合肥工业大学 物理学院，安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学 核科学技术学院，安徽 合肥 230031
3 福建省辐射环境监督站，福建 福州 350013
NaI(TI)探测器是典型的闪烁体辐射探测器，其探测过程涉及辐射能量沉积、可见光信号产生与输运、光电转换与信号处理等物理过程。首先利用蒙特卡罗方法、Birks公式及射线追迹程序，开展了射线粒子在晶体中转为可见光输出过程的计算分析，并结合光电倍增管和信号处理电路的指标参数进行模拟仿真，得出探测器最终输出的脉冲电压信号参数；然后，在137Cs源辐射场中采用Φ50 mm×50 mm NaI(TI)晶体耦合光电倍增管开展实验验证，实验测得探测器输出脉冲信号的上升/下降时间比为0.39，与模拟计算数值0.36相比，相差约7.69%，表明模拟计算模型的输出结果与实测数据基本符合，初步证明了论文的模拟计算模型及计算分析过程的正确性。论文提出的方法，对于深入理解辐射粒子激发的荧光可见光在晶体闪烁体中的传输规律和闪烁体辐射探测器系统的优化设计，具有一定参考意义。
辐射探测 NaI(TI)晶体 蒙特卡罗 可见光传输 radiation detection NaI (TI) crystal Monte Carlo transport of visible light
武汉中旗生物医疗电子有限公司, 湖北武汉 430206
针对峰谷值法在低灌注下血氧饱和度测量准确度较低的缺点, 采用了一种基于卷积建模测量血氧饱和度的改进方法。该方法基于脉搏波具有周期性和稀疏性的特性, 通过对光电容积脉搏信号特征与其卷积信号特征进行分析, 使用其卷积信号代替脉搏信号测量血氧饱和度。实验结果表明, 提出的改进方法与峰谷值法在正常灌注指数下测量结果相近, 且在低灌注指数至 0.2%的条件下, 峰谷值法平均偏差和准确度分别为 5.304和 3.296, 改进方法的平均偏差和准确度分别为 1.224和 1.443, 改进方法的测量精度更高、稳定性更好, 为人体血氧饱和度测量提供了一种有效途径。
低灌注 光电容积脉搏信号 卷积建模 血氧饱和度 准确度 lowperfusion photoplethysmographysignal convolutionmodeling bloodoxygensaturation accuracy
苏州大学 光电科学与工程学院, 苏州 215006
现有图像增强方法在处理模糊且分辨率较低的图像时, 因图像的细节缺乏真实性并且存在伪影现象, 会导致增强效果较差。为了解决这一问题, 采用一种基于深度密集残差生成对抗网络(DDR GAN)的低分辨率模糊图像增强算法, 实现了低质量图像的有效增强。首先构建端到端的生成对抗网络框架; 然后设计深度密集残差隐特征编码架构, 提升对输入图像的深层语义特征表示, 增强图像生成效能; 最后重构损失函数, 添加感知损失以指导模型学习生成图像的真实性。结果表明, 相比于目前最先进的增强型超分辨率GAN法(ESR GAN)和第2版去模糊GAN法(DeBlur GAN-V2), DDR GAN生成的图像在视觉效果上更佳, 具有更高的清晰度和更丰富的图像细节; 在客观评价指标方面, DDR GAN相较于ESR GAN和DeBlur GAN-V2, 峰值信噪比分别提高1.7072 dB和1.1683 dB, 结构相似度分别提高0.0783和0.0713。该算法对低分辨率模糊图像的复原增强是有帮助的。
图像处理 深度密集残差生成对抗网络 深度学习 低分辨率模糊图像 image processing deep dense residual generative adversarial network deep learning low-resolution blurred image
1 苏州大学, 江苏 苏州 215000
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100000
针对遥感图像目标检测的目标尺度小、分辨率过低的问题, 提出残差对抗目标检测算法的遥感图像检测方法。通过残差对抗的方式对图像的特征信息进行重构, 完成图像分辨率的提升。在Backbone主干网络提取图像特征信息的基础上由Neck结构将特征进行融合, 最后由CIoU_Loss损失函数提高定位回归精度, 提高模型性能。实验结果表明, 与其他算法相比, 在平均精确率、平均召回率、平均综合指标F1值、平均mAP值方面分别提高了8.15%,6.9%,7.15%,6.75%。所提算法在低分辨率遥感图像目标检测方面准确性较高, 对遥感图像小目标检测效果较好。
遥感 目标检测 超分辨率 残差对抗 remote sensing object detection super-resolution residual adversarialism
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044
3 湖南长城海盾光纤科技有限公司，湖南 长沙 410000
光纤水听器探头在深海静水压力下存在变形，这会影响其对水下声信号的探测性能，甚至会使探头失稳而无法在深海环境中继续作业。传统电学传感器因受限于尺寸和电磁干扰等因素，故难以被用于水听器探头的形变监测中。光纤光栅点式传感器的空间分辨率较低，故也无法对尺寸小的光纤水听器探头进行全分布式力学监测。为此，提出了一种基于光频域反射仪的高空间分辨率、高精度的光纤水听器探头形变监测方法。在实验中，光纤紧密缠绕在水听器探头的表面，采用自主研制的分布式光纤形状监测分析仪测量了探头形变产生的光纤瑞利散射光谱的波长漂移，并采用逆向积分的方法实现了探头形状的二维重构。研究结果表明：随着静水压力的增大，水听器探头直径逐渐缩小，并沿周向出现周期性凹陷；当静压力达到6 MPa时，三个周期性凹陷深度达到124 μm。该实验研究结果与基于ANASYS的耐压性仿真结果相符。
传感器 分布式光纤传感 光频域反射仪 光纤水听器 形状传感
1 先进输电技术国家重点实验室, 北京 102209
2 全球能源互联网研究院有限公司, 北京 102209
SiC因其优越的电学特性，已发展成为高压功率器件领域的翘楚。然而，SiC与SiO2界面存在高密度界面态，使得SiC MOSFET沟道迁移率远低于SiC材料本身的体迁移率，大大约束了SiC材料本身电学性能的发挥。为改善反型层沟道迁移率，不同功率器件厂商采用了不同的栅极氧化工艺，所实现的栅极氧化层界面态密度各有不同，现有的功率器件仿真软件提供的多种界面态能级分布模型都需要芯片厂商实际的流片数据作为支撑，这对功率器件上游设计人员产生了阻碍。基于此，文章通过流片测试数据，结合TCAD仿真软件给出了一种用于SiC MOSFET器件仿真的界面态能级分布模型。利用给出的界面态能级分布模型，与实际产品对比，仿真得出的I-V曲线与测试曲线基本重合。
界面态 仿真模型 反型层迁移率 界面陷阱 SiC MOSFET SiC MOSFET interface state simulation model inversion layer mobility interface trap
重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
提出了一种基于聚合物微球腔的温度传感器，该温度传感器利用微球腔谐振波长漂移量测量外界环境温度变化量，兼具结构紧凑和高度灵敏的特点。首先利用有限时域差分法对拉锥光纤耦合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的谐振结构进行了仿真分析，验证了拉锥光纤激发聚合物微球腔中回音壁模式的可行性。实验结果表明，束腰直径为1.8 µm的拉锥光纤与直径为数十微米的聚合物微球之间通过消逝场耦合的方式能够激发品质因子为104量级的回音壁模式。利用点式封装和全包裹封装相结合的方式将拉锥光纤和聚合物微球封装一体，一方面可保持两者之间稳定的耦合状态，另一方面保护拉锥光纤和微球腔免受外界污染。由于聚合物微球腔的负热光系数大于其热膨胀系数，其谐振光谱随外界温度降低发生红移。当外界环境温度在20~30 ℃范围内变化时，聚合物微球腔温度灵敏度为68 pm/℃。与传统光纤温度传感器相比，该传感器的高品质因子使其具有更低的探测极限，在受限空间内的原位温度精密测量中具有潜在的应用前景。
温度传感器 微腔 回音壁模式 聚合物 temperature sensor microcavity whispering gallery mode polymer 红外与激光工程
2022, 51(10): 20220535
1 清华大学电子工程系, 北京 100084
2 中国人民解放军 31401部队, 吉林长春 130022
3 北京科技大学计算机与通信工程学院, 北京 100083
对于视觉惯性里程计(VIO), 视觉遮挡、运动物体等复杂场景可能带来异常的视觉测量, 导致系统定位精确度急剧下降。对此, 提出了一种新的 VIO异常视觉测量的检测和处理方法。通过选取检测指标、设置先验阈值和设计检测分类器, 实现对异常视觉测量的检测与分类；提出多传感器融合策略和自适应误差加权算法, 及时消除与实际运动不一致的异常视觉测量的影响；最后, 将异常视觉测量检测和处理算法整合到基于关键帧的视觉惯性里程计(OKVIS)系统中, 提出了视觉惯性里程计的异常检测和处理(EDS-VIO)系统框架。在复杂场景仿真数据集上的评测结果表明, EDS-VIO比 OKVIS取得了更好的性能, 定位误差均值从 1.045 m下降到 0.437 m。所提方法较好地提升了 VIO在复杂场景中的定位精确度和鲁棒性。
视觉惯性里程计 异常视觉测量 多传感器融合 自适应误差权重 复杂场景 Visual-Inertial Odometry abnormal visual measurement multi-sensor fusion strategy adaptive error weighting complex scene 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(10): 1038
窄线宽激光器具有极高的光谱纯度、极大的峰值谱密度、超长的相干长度和极低的相位噪声，因而作为核心光源在引力波探测、光学时钟、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量以及微波光子信号处理等领域中具有重要应用。激光及应用研究的深入开展，对激光器的综合参数性能提出了更高的要求，窄线宽激光器正沿着线宽超窄、时频超稳、波长可调和波长可扫等方向发展。立足激光腔内自发辐射与受激辐射的互作用原理，对激光腔的架构进行深入研究是目前实现窄线宽激光参数极致调控的重要研究思路之一。为了抑制自发辐射对受激辐射能量的扰动，激光自发明以来，逐渐发展了主腔激光、固定外腔反馈激光和自适应分布反馈激光等构型的激光器。其中，基于自适应分布反馈的激光架构主要是基于分布反馈对主激光腔内自发辐射的时空随机微扰进行深度抑制，达到对激光线宽进行波长自适应压缩的目的。本文首先介绍了窄线宽激光器的应用需求与架构演化脉络，随后介绍了主腔激光和固定外腔反馈激光的研究进展。然后重点介绍了新近发展的自适应分布反馈窄线宽激光器，对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行了分析和讨论。最后以分布式光纤传感、激光相干通信以及片上光信息处理作为典型应用领域介绍了窄线宽激光器的潜在应用，并展望了窄线宽激光器的发展前景和未来趋势。
