“先进光学传感技术”专题前言
——肖连团，史保森，郝群，何兴道，张明江
[摘要]先进光学传感技术是科学研究的基础，光学手段为无损测量传感提供了有效方法，在时空分辨率、弱光成像、量子传感、精密光谱、光纤传感、激光陀螺等方面展现出强大优势。近年来，随着先进光学传感技术的不断发展，涌现出很多新原理、新方法，测量精度的逐步提升，进一步促进了先进光学传感技术在军事、国防、医疗、国家重大基础设施、能源安全保障等领域的深入应用...
查看详情中国科学技术大学
[摘要]金刚石中的氮-空位（NV）色心在室温下具有稳定的荧光发射，超长的电子自旋相干时间以及许多优良的光学性质，可以对电磁场，温度进行高灵敏度表征。光纤传感技术近几年来发展迅速，在电力、化工、交通、医疗、环保及**等领域得到广泛应用。光纤体系由于其集成度、实用性高以及操作便捷性，且具有优良的传输光能力，损耗较低，可与NV色心结合，形成一种高集成化、高灵敏度的便捷性传感系统，未来将会作为传感器件投入到许多领域的应用中，例如对生物细胞、材料温度、磁场等物理量的高灵敏度测量。本综述主要介绍NV色心体系的光纤量子传感技术的工作原理、实现方式以及在相关领域的应用。
太原理工大学
[摘要]基于线性调频（LFM）脉冲的光纤分布式声波传感（DAS）技术采用同时具有连续波形和脉冲波形优势的LFM脉冲作为探测光，利用频移产生附加相位实现光纤应变导致相位补偿的原理进行传感。可实现光纤链路沿线声/振信号的定量波形恢复，具有响应速度快、灵敏度高等特点，在地球物理学、线性基础设施监测等领域具有显著的优势和应用前景。论述基于LFM脉冲DAS技术的基本传感机理，概述传感距离、空间分辨率、频率响应与衰落噪声抑制等关键技术指标的研究进展，介绍DAS在典型应用中的进展，并对未来可能发展趋势进行探讨。
中国科学院国家授时中心
[摘要]光钟在近20年里发展迅速，稳定度和系统不确定度均比当前最好的微波原子钟高出两个量级，目前已有10个光学跃迁被国际计量局选定为二级秒定义并参与原子时的产生。本文介绍了光钟的工作原理和系统性能的评估，阐述了离子光钟和光晶格钟的最新研究进展，并总结了光钟绝对频率测量方法和进入二级秒定义的光频跃迁的测量结果。
中国计量大学
[摘要]表面等离子共振（SPR）现象因其对表面折射率变化的敏感而受到广泛关注，相应的SPR传感器以其独特的无标记、高灵敏度和快速检测的优势，在生物标志物检测、食品过敏原筛查和环境监测等领域具有广阔的应用潜力。本文介绍了SPR生物传感器的3种主要结构类型：棱镜耦合结构、光栅耦合结构、光纤耦合结构；着重研究了3种结构的检测原理、典型结构等传感特性及其进展；重点论述了SPR生物传感技术中生物功能化的研究现状和技术难题以及不同材料表面特性的SPR传感器；分析了目前SPR生物传感实际应用遇到的问题以及探讨了未来的研究方向；最后，结合实际情况，从结构和材料等方面展望了新型生物传感器的发展趋势。
重庆大学
[摘要]白光干涉型法布里-珀罗（F-P）传感技术能够实现间隙值的绝对测量。本文综述了基于白光干涉的光纤F-P传感技术领域的研究工作，重点阐述了高温高压极端环境下光纤F-P传感器及其解调技术的研究现状。目的是分析高温高压环境下基于光纤F-P传感技术的物理参数测量的原理与方法，实现基于白光干涉的光纤F-P传感技术的实用化和工程化。
武汉理工大学
[摘要]电池状态监测对于电池健康运行至关重要。随着电池性能不断提升，应用日益广泛，开发一种经济有效的电池传感系统迫在眉睫。与传统的电池传感技术相比，光纤传感器具有独特的优势，包括灵敏度高、体积小、容易集成、成本低等。本文全面概述了可用于电池状态监测的各种光纤传感器，包括光纤光栅传感器、光纤干涉仪传感器、光纤倏逝波传感器、光纤光致发光传感器和光纤散射传感器等，探讨了其工作原理，介绍了不同传感参数对应的传感方法及其性能。最后，提出了未来电池传感研究的挑战并进行了展望。
深圳大学
[摘要]基于瑞利散射的光频域反射技术（OFDR）因其高空间分辨率和高灵敏度等优点，在航空航天、健康医疗和高精密仪器检测等领域受到广泛关注。OFDR技术因光纤中瑞利信号弱和光源非线性调谐等问题，限制了其空间分辨率和传感距离等性能的提升。针对此问题，论述了OFDR传感原理，介绍了提升OFDR性能的光纤后处理和数据后处理2种方法，重点介绍了紫外曝光和飞秒激光后处理方法制备瑞利散射增强型光纤，并利用瑞利散射增强型光纤结合后处理算法，实现了温度、应变和三维形状传感。
哈尔滨工程大学
[摘要]残余应力广泛存在于材料和构件的加工制造过程中，其对材料和构件的工程性能，特别是疲劳寿命、变形、尺寸稳定性、耐蚀性和脆性断裂有显著的影响。为了给材料和构件的强度分析和加工变形预测提供理论依据，残余应力的测试和评估一直是当前制造业研究的重点，随着新型材料及其加工工艺的发展，对残余应力测试技术也提出了更高的要求。简述现有残余应力测试技术，重点聚焦光纤布拉格光栅在残余应力测试应用的进展，分析了存在的问题，展望了未来发展的趋势。
南京大学
[摘要]量子精密测量可以提供超越传统测量方法极限的测量精度和分辨能力。在过去几十年里，固定参数的量子增强技术取得了长足的进展。时变参数估计是引力波探测、导航定位等实际工程应用中的关键问题之一。因此，设计有效的量子增强时变参数估计方案并完善时变参数估计理论也是量子精密测量中的重要研究内容。最近研究发现时变参数估计的精度极限与信号自身连续性质密切相关。同时，与固定信号测量类似，压缩态等非经典资源也可以提高时变参数估计的精度。介绍了几种时变参数估计的精度极限，并总结了国内外量子增强时变参数估计的相关研究进展。
北京无线电测量研究所
[摘要]里德堡原子无线电波传感器的出现正在推动现代传感和测量方式的转变，利用量子效应实现经典无线电波测量无法比拟的全新探测能力。本文回顾了基于里德堡原子的无线电波测量进展，梳理了领域发展脉络，详细介绍了无线电波测量灵敏度极限并展望了未来的发展趋势。该研究将助力领域的发展以及工程应用的推进。
南京大学
[摘要]多模光纤内部的模式特性使其包含丰富的时空域信息。基于时空域信息提取的多模光纤成像作为一种新兴的光纤成像方法，具有器件尺寸小、分辨率高、信息容量大、侵入损伤小等优势，具备成为新一代高分辨率、低损伤内窥镜的潜力。本文总结了多模光纤成像的基本方法和相关进展，并介绍了机器学习与多模光纤成像结合的相关工作。此外，面向多模光纤成像的实际应用，讨论了动态干扰下多模光纤成像的方法和相关进展以及多模光纤成像在成像性能和质量上的不足。最后对多模光纤成像进行总结并加以展望。
山西大学
[摘要]超分辨荧光显微成像技术可以突破光学衍射极限，为研究亚细胞结构乃至蛋白质等生物大分子的内部动力学过程提供了极其重要的研究工具，因此自发明以来就被生物及医学领域的科研工作者所关注和应用，特别是近年来生命科学和生物技术的突飞猛进，使超分辨荧光显微成像技术得到了前所未有的发展。本文主要阐述四种较新超分辨荧光显微技术的研究进展，即最低光子数超分辨荧光显微成像，波动超分辨荧光显微成像，基于荧光发色团反聚束效应的超分辨显微成像，以及基于深度学习的超分辨显微成像方法。分别从这些超分辨荧光显微技术的基本原理，实验实现方法及相关要求，成像性能及其与相关技术的对比，以及与其他超分辨技术的结合等角度，对近期的研究进展和应用情况进行简要说明，以期给该领域的研究人员提供一些参考。
北京航空航天大学
[摘要]自主导航是深空探测的关键技术，国内外已经进行了多项地外行星自主着陆任务。基于陨石坑进行自主视觉导航的技术是当前的研究热点，各类行星的陨石坑特征丰富，基于地形特征进行位姿估计是视觉导航的重要技术。本文首先简要介绍了近几年深空探测领域导航技术的应用进展以及自主导航方法的分类，并根据传感器成像方式对视觉导航进行了分类，重点介绍了基于陨石坑的地形相对导航方法。然后总结了基于陨石坑方法的优势和难点，介绍了陨石坑的定义与数据类型，概括了国内外研究机构和人员。接着将基于陨石坑的导航方法分为陨石坑检测、陨石坑识别和位姿解算三个阶段，分别从监督检测、非监督检测和复合检测等方面详细介绍了陨石坑检测方法的研究现状，同时根据着陆阶段和有无初始姿态信息分别介绍了陨石坑识别的国内外方法，随之详细介绍了基于图像信息和结合动力学模型的位姿解算方法。最后对基于陨石坑的视觉导航技术进行了总结，并对其发展前景进行了展望。
长春理工大学
[摘要]光谱成像具有良好的多维信息获取能力，广泛应用在食品安全、医学诊断、环境监测、伪装识别及**遥感等领域。传统光谱成像系统受到分光器件的限制，其存在体积大、成本高和集成度低等问题。基于新型超构表面的成像光谱芯片可为传感器小型化、低成本提供有效解决方案。随着光谱分析需求的持续攀升，加速了超构表面成像光谱芯片的快速发展。本文综述了近年来超构表面成像光谱芯片研究进展。在此基础上，介绍了本团队最新研究成果，通过创新设计成像光谱芯片体系架构，可同时实现高能量利用率、高空间分辨率、高光谱分辨率，为芯片级光谱成像系统的应用打下良好的基础。最后论述了成像光谱芯片的发展趋势及应用前景，为实现光谱成像系统小型化提供参考。
国防科技大学
[摘要]光纤水听器作为一种新型水声传感器，对我国经略海洋战略有着重要意义。为了满足光纤水听器日益增长的实际应用需求，发展低成本、高集成度和高灵敏度的光纤传感技术尤为迫切。光纤光栅水听器因其易大规模成阵、高性价比和高可靠性成为下一代光纤水听器阵列的重要技术方案。本文从传感系统、探头结构和关键技术三个方面对光纤布拉格光栅水听器技术的进展进行了全面综述。此外还对目前光纤光栅水听器传感技术发展最为关键的干端信号解调问题进行了较为详细的论述。本文对于深入研究光纤光栅水听器系统的关键技术、提升其系统探测性能和推进其实际应用具有重要的指导意义。
北京工业大学
[摘要]二维材料在许多方面相较于常规材料的优异性能，引发了研究人员对于二维材料的广泛关注。目前二维材料已经成为了各个领域内的研究热点，被广泛应用于生物医学、电子、光电子和催化等诸多方面。本文主要就二维材料在生物医学领域内的光学传感应用做了总结与讨论。主要论述了二维材料的产生和发展、优缺点，基于二维材料的光学生物传感器类型、原理及其制造方法，以及这些传感器在单细胞、RNA、蛋白质分子高灵敏探测技术上的一些成果，并结合这些成果简要分析了利用二维材料的实验方案相较于传统方法的一些优势。最后对二维材料的发展现状做了简要总结，并对其未来发展作出了展望。
北京理工大学
[摘要]针对传统固定分辨率扫描式三维成像存在点云冗余度高、图像重构精度低的问题，提出了一种空间变分辨率扫描式三维重构成像方法，构建了多回波与变分辨率扫描成像模型，通过对多回波分解并提取目标信息，实现了针对目标的高分辨深度图像重构。通过对比实验验证了模型的有效性，结果表明，与传统定分辨率扫描成像相比，该方法在保证目标重构精度的同时，采样比仅为传统方法的50%，有效降低了点云采样冗余度。所获结果有利于支撑三维成像相关应用领域。
山西大学
[摘要]在以偏振编码为基础的量子保密通信中，由于外界温度、应力以及光纤的本身缺陷等因素，使得偏振态无法保持长期稳定，增加系统的误码率，因此需进行偏振控制以维持通信系统正常运行。诱骗态已经成为现阶段量子通信网络的常规操作，利用诱骗光子作为偏振参考，有望实现系统偏振态长时间、不间断地锁定控制，提高通信效率。提出了利用现场可编程逻辑门阵列进行偏振态制备以及强光、单光子偏振控制于一体的系统偏振解决方案，将偏振态制备、强光偏振控制、单光子偏振控制单元集成在一个系统中，提高了系统的集成化，增加了系统管理的便捷性，实验测试偏振态制备单元可以根据需要产生不同的偏振态，经过强光偏振控制后，保真度可达99.11%±0.44%，经单光子偏振控制后保真度可达97.93%±0.96%，演示证明了方案的有效性和稳定性。
华东师范大学
[摘要]实现了具有最轻质量碱金属6Li的冷原子干涉仪，并通过精确测量其反冲频率初步获得精细结构常数。为了克服6Li原子的总角动量为半整数所导致的对磁场敏感的困难，提出一种磁不敏感Raman跃迁，实现了垂直Raman光的共轭Ramsey Bordé型原子干涉仪，其相干时间超过2.3 ms。通过几何关系用四组干涉仪消除Raman光束之间角度带来的误差。测量得到的反冲频率ωr为2π×73672.789（36）Hz，精细结构常数为1/137.035976（33），是迄今为止基于冷原子干涉仪对6Li反冲频率的最精确测量。6Li冷原子干涉仪的实现不仅丰富了原子干涉仪的元素，而且由于其反冲频率大的特点，在精密测量领域具有极大的潜力。
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院
[摘要]重力梯度仪在资源勘探、地球物理研究、自主导航等领域有重要的应用价值。原子干涉重力梯度仪是一种新型的高精度测量仪器，小型实用化是其实现广泛应用需要解决的核心问题。本文设计实现了1套可测量水平分量的小型高精度原子重力梯度仪。该仪器采用全石英材料真空腔体与附件框架相结合的技术方案，使得探头部分的体积降低到105 L，采用模块化双面光路结构，使得光学单元的体积降低为36 L，因而具有十分优良的可搬运性能。在实验室条件下，该原子重力梯度仪的测量灵敏度为320 E/ ，测量分辨率为3.3 E@4800 s (1 E=1×10-9 s-2)。
华东师范大学
[摘要]高精度的干涉仪在精密测量领域有着非常重要的作用。相位估计的不确定度通常用来判定一个干涉仪测量的精密程度，相位估计的不确定度越小意味着相位灵敏度越高。在理论上提出了由光学参量放大器和线性光学分束器（BS）组成的非线性干涉仪。基于热 原子系综四波混频（FWM）过程的光学参量放大器用来实现干涉仪中光束的合成与分离。BS作为反馈控制器，通过控制器件的反射率，来控制FWM过程的出射光返回到入射光端口的比例。与传统干涉仪的相位灵敏度相比，通过理论计算证明了基于光学参量放大器反馈的非线性干涉仪相位灵敏度更高。本研究结果在量子精密测量领域有着潜在的研究价值。
华南师范大学
[摘要]近年来，基于里德堡原子的微波电场测量研究进展迅速，将光学平台上的原子微波电场测量系统一体化和集成化是工程应用的前提条件。据此，本文介绍了里德堡原子微波电场测量原理以及确定跃迁共振频率的方法，同时结合852 nm激光调制转移稳频和509 nm激光电磁诱导透明稳频方案研制了可搬运的原子微波电场测量仪。利用此仪器，演示了直接溯源至国际标准单位制的微波电场测量以及微弱微波信号的探测。
哈尔滨理工大学
[摘要]矢量光场独特的空间模式及偏振分布使其成为目前研究的热点问题，模间相位的变化直接影响矢量光场的偏振分布，使其在测量及传感领域具有巨大的应用潜力。提出并实验论证了一种由矢量光场注入的单频激光干涉仪技术：首先将臂间微小位移映射为矢量传感光场的模间相位变化，然后通过空间偏振层析实时监测、解算光场矢量模态，进而可在任意相位变化区间（含相位不敏感区域）实现标准量子或海森堡（注入N00N态时）极限的相位测量精度。
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院
[摘要]提出基于平顶复合光脉冲构建大动量原子干涉仪的方案。利用大动量原子干涉仪灵敏度函数解析模型，对大动量原子干涉仪的对比度和相位噪声进行分析。将平顶复合光脉冲应用于原子干涉仪进行仿真计算，结果表明平顶光相比高斯光可提高原子团跃迁的一致性，增加原子干涉条纹的对比度。通过设计对称反向的复合脉冲序列，抑制多脉冲作用过程中相位噪声和振动噪声的干扰。数值仿真结果表明，相比高斯光脉冲，使用平顶复合光脉冲的大动量原子干涉仪的灵敏度提高了1个量级，同时具有较好的抑制环境噪声的能力。
南昌航空大学
[摘要]介绍了一种基于螯合剂功能化的拉锥光纤传感器，用于定量检测低浓度重金属铅离子Pb2+。该传感器由单模和四芯光纤制成，并对中间四芯光纤进行拉锥到直径15 μm。在此基础上，使用乙二胺四乙酸（EDTA）作为金属螯合剂固定在拉锥四芯光纤传感器表面，从而实现对铅离子Pb2+的高灵敏度检测。实验结果表明，该传感器对重金属铅离子Pb2+检测限为1 ng/mL。此外，该传感器具有良好的稳定性，以及制备工艺简单和响应速度快等优点。
东北大学
[摘要]为了实现对海水温度与盐度变化的同时监测，提出了一种基于光子晶体光纤（PCF）的表面等离子体共振（SPR）传感器。该传感器探头通过在两段多模光纤之间熔接一段PCF实现，并在PCF表面镀金膜用以激发SPR现象。该方案将光纤SPR传感探头与温敏材料聚二甲基硅氧烷相结合形成双重SPR效应，实现了海水的温度与盐度同时检测。实验结果表明：该传感器的最大温度灵敏度为-2.021 nm/℃，最大盐度灵敏度为0.418 nm/‰。该传感器体积小、制作简单、性能优异，适用于海水的多参数、分布式测量，在液态物质测量中有较好的应用前景。
电子科技大学
[摘要]拉曼光纤随机激光结合无源传感单元可以实现超长距离的准分布式传感。然而，受限于光谱探测速度，该传感方案通常只适用于静态传感领域。针对该问题，将拉曼光纤随机激光与拍频光谱探测技术相结合，提出了一种新型的拉曼光纤随机激光长距离动态传感技术。首先，基于含时光谱稳态模型论证了光谱快速测量对长距离动态传感的适用性。随后，在原理性验证实验中通过处理本振光与光纤随机激光拍频后的时域信号，实现了对光纤随机激光光谱的快速测量，并突破了光波往返时间对传感带宽的限制。同时，利用去噪卷积神经网络对光谱的中心波长变化进行标定，大幅提高了扰动信号探测的信号质量，实现了对不同频率、不同波形的扰动信息的准确测量。该研究为进一步拓展光纤随机激光的应用领域提供了新的思路。
Sm3+掺杂NaYF4和BiPO4单颗粒微米晶体发光偏振特性研究
西安交通大学
[摘要]本研究利用搭建的高精度单颗粒偏振光谱表征系统，测量了六方相NaYF4：Sm3+和单斜相BiPO4：Sm3+单颗粒微米晶体的偏振发光特性，并结合偏振庞加莱球法和偏振拟合法对偏振发光峰进行了分析。结果表明，两种晶相中的Sm3+离子均发射部分偏振光，不同的是，六方相发光峰的线偏角精确沿着或垂直于结晶c轴，而单斜相发光的线偏角与结晶c轴存在非平行或正交的夹角。基于局部点群对称性和晶体宏观对称性，揭示了六方相发光峰的正交线偏角起源于光学跃迁偶极子绕结晶c轴的旋转对称分布，而单斜相中偶极子不具备旋转对称性，导致其发光峰的线偏角随机取向。该发现对于利用晶体结构获得具有理想偏振发光特性的稀土单颗粒晶体具有指导意义。
山西大学
[摘要]基于氮化硅的微腔是一种应用广泛的集成光学器件，不仅可以输出用于精密测距和光钟的光频梳，而且能够作为高效的片上量子光源。微腔中光频梳的稳定性是实际应用的重要条件。在理论和实验上研究了氮化硅微腔中光频梳的演化及热自稳定性。在微腔非线性过程和热动力学的基础上，分析了在不同功率和失谐的连续光泵浦下微腔中光频梳的梳态演化和热自稳定性。结果表明，可以通过精确控制微腔的泵浦功率和失谐量调节“图灵环”态的输出，同时微腔系统可通过功率和波长扰动导致的共振漂移补偿噪声的影响，实现稳定运转。该研究为基于微腔量子光源的实验提供了必要基础。
南昌航空大学
[摘要]本文对基于光纤布拉格光栅（FBG）的呼吸测量及分类系统进行了研究。为了方便智能穿戴的需要，用聚二甲基硅氧烷对裸光纤光栅进行了封装，搭建呼吸监测系统，实现了呼吸信号的测量。采集了屏息、咳嗽、正常呼吸和运动后呼吸四种呼吸信号，基于小波分解与重构，对采集的呼吸信号进行预处理并提取呼吸信号的频率、振幅因数、波形因数和能量作为区分呼吸类型的特征。构建基于支持向量机（SVM）的呼吸分类模型，采用粒子群（PSO）优化SVM的模型参数，最后实现了97.1875%的分类准确率。该系统具有成本低、结构紧凑、设计简单等特点，可以丰富数字诊疗技术。
天津大学
[摘要]本文对基于光纤布拉格光栅（FBG）的呼吸测量及分类系统进行了研究。为了方便智能穿戴的需要，用聚二甲基硅氧烷对裸光纤光栅进行了封装，搭建呼吸监测系统，实现了呼吸信号的测量。采集了屏息、咳嗽、正常呼吸和运动后呼吸四种呼吸信号，基于小波分解与重构，对采集的呼吸信号进行预处理并提取呼吸信号的频率、振幅因数、波形因数和能量作为区分呼吸类型的特征。构建基于支持向量机（SVM）的呼吸分类模型，采用粒子群（PSO）优化SVM的模型参数，最后实现了97.1875%的分类准确率。该系统具有成本低、结构紧凑、设计简单等特点，可以丰富数字诊疗技术。
河南理工大学
[摘要]以高功率散裂靶测温需要为牵引，设计并制备了一种基于飞秒光纤光栅的高温传感阵列。采用飞秒激光刻写的光纤光栅和管式封装方法，扩大并提升了传感器的测温范围和机械强度。研究并优化了涉及退火步骤、退火时间、退火温度在内的退火工艺，并进行多次退火（800 ℃，20 h）处理，提高了光纤布拉格光栅的稳定性。通过对其进行标定测试，获得了温度-波长的精确拟合函数。结果表明，传感器在100~500 ℃温度范围内的精度达±0.2 ℃。经过现场测试，该传感器可实现对高功率散裂靶温度的精确测试。
齐鲁工业大学（山东省科学院）
[摘要]研究了一种光纤布拉格光栅顶板离层传感器，其具有结构简单、安装方便、成本较低等优点。光纤传感器自身不带电，适合应用在煤矿生产环境，传感器内部由机械结构组成，通过机械联动实现了传感器测量位移的转换，便于采用钢丝绳与顶板固定，同时也为实际应用中改变量程和灵敏度提供了便利。传感器使用了3个光栅，其多光栅的设计满足了对多点实时监测的需求，也提供了一种温度补偿的方法，在多个温度下的实验结果验证了该传感器具有可靠的线性系数，精度可以在±2 mm之内，量程可达300 mm。
