激光被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”,与原子能、计算机、半导体并称为20世纪新四大发明。大功率半导体激光器在工业加工、医疗美容、光纤通信、无人驾驶、智能机器人等方面有着广泛的应用。如何实现大功率半导体激光光源,一直以来都是国际的研究前沿和学科热点。为此,简述了大功率半导体激光器的发展历史,综述了大功率半导体激光器的共用技术,包括大功率芯片技术和大功率合束技术,并对大功率半导体激光的发展方向进行了展望。

近年来,客观世界和场景三维信息需求量的陡增,促使结构光三维测量技术快速发展。基于条纹投影和相移条纹分析的三维成像技术具有较好的精度和鲁棒性,在众多的技术方法中脱颖而出,被广泛地应用于工业检测、文物数字化、生物医学检测领域。而在人机交互、虚拟现实、在线检测、远程手术等具有时效性要求的应用场景中,实现实时三维测量具有重要意义和明显价值。首先简要介绍了基于相移条纹分析的三维成像技术基本原理,随后分类讨论了实时三维成像的多种优化实现方向,回顾了各类方向中不同的技术方案。最后,总结了基于相移条纹分析的实时三维成像技术所面临的挑战及有潜力的研究方向。

传统球面以及非球面可供光学系统设计使用的自由度较少。自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束,特别适用于校正非旋转对称系统的像差,同时可以减少系统中元件的数量,减小系统的体积与质量,实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能。自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力,但同时也带来了全新的困难与挑战。概括性地总结了自由曲面成像系统设计的研究现状。简要介绍了自由曲面的常用数学描述与自由曲面成像系统的像差理论,总结了自由曲面成像系统的设计方法,并对自由曲面在各类成像系统中的应用进行概述。最后,对自由曲面成像光学设计的未来发展方向进行了讨论与展望。

光学自由曲面具有强大的矫正像差和优化系统结构的能力,被誉为现代光学系统的变革性元件。但是,自由曲面面形过于复杂,其高精度检测存在巨大的难度,这限制了自由曲面面形的制造水平,其大规模应用也受到限制。目前,光学自由曲面的检测技术主要是从非球面检测技术发展而来的。回顾了近年来光学自由曲面检测方法的发展历程,着重分析了几种典型的检测方法及其特点,并展望了自由曲面检测技术的未来发展趋势。

本文回顾了过去10年激光相干合成领域取得的重要进展,总结了可合成激光模块性能提升的标志性成果,梳理了相干合成使能技术取得的重要突破,展示了不同类型激光相干合成取得的成果及其多样化应用,并对激光相干合成领域的发展进行了展望。

选区激光熔化(SLM)在航空航天领域精密复杂结构件的制造中极具发展潜力,它突破了传统制造技术成本高、周期长、精度低等问题,可更加灵活地实现功能-结构-材料一体化。本文针对航空航天轻量化结构件广泛采用的铝合金及其复合材料的SLM技术进行探讨,并进一步总结了提升SLM铝基材料样品力学性能的方法,包括前期参数优化、成形件后处理和添加增强相。综述了国内外关于SLM铝合金在航空航天领域的研究进展、具体应用及其成果展示,并探讨了其未来的发展前景。

最远点采样(FPS)算法可用于三维(3D)目标检测算法中关键点的采集,针对FPS采集的关键点中前景比例较低的问题,提出了一种基于语义分割特征的区域卷积神经网络(Seg-RCNN)3D目标检测算法。用一种基于语义分割特征的最远点采样(SegFPS)算法预测点的语义分割类别,以提高采集关键点中前景点的比例,从而提升Seg-RCNN算法的检测精度。该算法以激光点云作为输入,在第一阶段,利用3D稀疏卷积网络和2D卷积生成候选框和前景点分割网络(SegNet),得到每个点的分割类别;在第二阶段,基于SegNet输出的分割类别用SegFPS算法从原始点云中采集一小部分关键点,从而在降低算法时间复杂度和空间复杂度的同时保留一定比例的前景点和背景点。在KITTI测试集上的测试结果表明,相比现有的主流算法,Seg-RCNN算法的检测精度高、运行时间短,对中等级、容易等级Car类的3D检测精度分别为79.73%、89.16%,运算时间仅需80 ms。此外,基于机器人操作系统实现了算法的在线检测,验证了算法的工程实用性。

轨道角动量(OAM)作为一个全新的通信复用维度,在大气激光通信、卫星通信等领域有着广泛的应用价值。主要采用双路多进制OAM调制进行信息的传输,利用两路多进制信号产生具有不同拓扑荷值的涡旋光束再进行相干叠加,产生不同的光强图案,在接收端利用CCD相机记录下光强信息,通过光强信息可以识别不同的符号信息。采用双路四进制信息传输时,可以产生16种不同的光强图案,为了保证光强图案的差异性,提出了一种基于光强相关性的编码方案,同时探索了大气湍流对光强的影响。使用卷积神经网络(CNN)进行光强信息的识别,能够显著提高大气湍流影响下光强信息的识别率。

“没有测量就没有科学”,对物理量越来越精确的测量已成为现代科学和技术领域孜孜追求的目标。激光干涉精密测量具有可溯源,纳米甚至皮米高分辨率,以及数米、几千米甚至上千千米的超长测量范围等突出优点,被广泛用于IC装备、数控机床、超精密微纳制造、引力波探测等先进技术和前沿科学领域。清华大学激光精密测量与应用课题组长期围绕激光干涉和激光回馈干涉开展研究,先后在大频差、高功率保持的新原理双频激光器、用于无靶镜纳米测量的回馈干涉原理研究方面取得了突破,研制出新型双频激光干涉仪和激光回馈干涉仪,并在多个领域开展了应用研究。本文详细总结了课题组最近十年的研究成果,在此基础上展望了激光干涉精密测量与应用研究领域的发展前景。