北京航空航天大学建校70周年之“空天仪光”纪念专辑
——房建成，徐立军，宋凝芳，王琼华，郑铮，孙鸣捷，余霞
[摘要]2022年正值北京航空航天大学建校70周年之际,《中国激光》策划出版了“北京航空航天大学建校70周年之‘空天仪光’纪念专辑”,旨在全面介绍 北京航空航天大学在光学和激光技术领域的最新研究进展。专辑共收录了26篇特邀论文,作者来自仪器科学与光电工程学院、电子信息工程学院、材料科学与工程学院、生物医学工程学院、物理学院、机械工程及自动化学院等校内单位... ...
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置在前沿基础物理探索以及惯性导航领域具有广泛应用前景。建立了SERF原子自旋惯性测量装置的耦合系综动力学响应模型,通过仿真和实验量化分析了耦合系综动力学响应的影响因素,厘清了偏置磁场、耦合自旋系综极化率和弛豫率等因素对准静态响应信号的影响。发现在强 耦合点与自补偿点处,动态响应速度存在75倍的显著差异。进一步分析了偏置磁场、极化率和弛豫率对不同原子 组合的惯性测量装置响应系数的影响。发现在自补偿点处存在最优极化率,使惯性测量装置的角速度响应系数最 高,此最优点与原子种类和电子自旋弛豫率相关,可以通过降低电子自旋弛豫率将角速度响应系数提升近1倍。 明确了通过优化电子自旋极化率和抑制电子自旋弛豫率可以进一步提升SERF原子自旋惯性测量灵敏度和动态 性能,有望拓展其在惯性导航和基础物理探索中的应用。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]燃烧是工业界广泛使用的一种能量转换机制,实时掌握燃烧场燃烧状况对优化燃烧条件和探究燃烧规律具有重要意义。激光吸收光谱(LAS)技术作为一种测量灵敏度高、响应迅速的非接触测量手段,与计算层析成像(CT)技术相结合,可同时实现火焰温度和组分浓度分布的可视化测量,并进一步分析燃烧反应规律。近年来,LAS技术以其测量系统简单、环境适应性好等优势,在复杂燃烧场参数诊断领域得到了广泛应用。综述了激光吸收光谱层析成像技术及其在复杂燃烧场动态监测中的应用,主要从激光吸收光谱层析成像传感器、数据采集系统、层析 成像算法和复杂燃烧场实时动态监测等方面进行介绍。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]在基于无自旋交换弛豫(SERF)的原子自旋惯性测量系统中,通过测量检测光的旋光角来实现角速率测量,检测系统的偏振误差作为直接干扰量耦合在输出信号中导致漂移,严重降低了惯性测量系统的长期稳定性。理论推导了检测系统中残余旋光角与输出信号的关系,定量分析了单位残余旋光角变化引起的SERF原子自旋惯性仪表的漂移指标变化,得到了偏振波动敏感系数。提出了一种基于偏振波动敏感系数优化的偏振误差抑制方法。调节检测激光波长,使系统工作在刻度系数最大值处,并降低原子气室温度,进行了实验验证。最后利用Allan方差 对SERF原子自旋惯性测量装置的测试数据进行了漂移误差分析,零偏不稳定性由0.012 (°)/h 降低至 0.008 (°)/h,实现了偏振误差的抑制。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]基于光纤陀螺(FOG)的光纤旋转地震仪(FORS)对平动不敏感,兼具低噪声、高灵敏度和便携等优点,特别适用于行星地震学中三维旋转分量的观测。基于偏光干涉理论建立了消偏FOG中Sagnac干涉仪环路(SIA)的输出光谱模型,揭示了消偏FOG的误差机理,提出并验证了在SIA中增加高频相位调制的噪声抑制技术。设计了基于差分消偏光纤陀螺的高精度FORS,研制出BHFORS-3C 型三轴高精度旋转地震仪,三轴自噪声均小于4.5 nrad·s-1·Hz-12 。通过长期现场观测,获得了大量地震三维旋转观测数据,并进行了模型分析和研究。研制的旋转地震仪已具备现场应用条件,为行星地震学六分量观测和地震活动的精准分析提供了重要支撑。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]无自旋交换弛豫(SERF)原子惯性测量仪表因具有超高的理论精度和易于集成等优势,成为超高精度惯性测量仪表的重要发展方向。均匀且稳定的温度场是SERF惯性测量仪表实现超高精度测量的重要基础,提出了一种基于光谱吸收的碱金属气室全域温度梯度测量方法,通过在线获取气室不同位置激光入射前后的强度,根据光强比与温度的函数关系可获得气室内部相应位置的温度信息。较为全面地分析了光谱吸收法实现在线碱金属气室温度测量的可行性以及线偏振检测光频率对测温结果的影响,并通过有限元仿真与实验测试结果的对比,验证 了所提方法的有效性。所提温度梯度测量方法是基于仪表原有设备实现的,不引入额外干扰,简单可靠且可操作 性强。此方法的提出为SERF惯性测量仪表的加热系统设计与性能提升提供了重要的技术支撑。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]回音壁模式微腔具有高品质因子、小模式体积、低非线性阈值特性,与自注入锁定技术相结合可以实现激光稳频与线宽压缩,因此在激光陀螺、激光测距、相干光通信等领域具有潜在的应用价值。随着回音壁模式微腔制作工艺的不断突破,实现高集成度、稳定、低噪声、宽波长覆盖范围的光源成为研究热点。综述了基于回音壁模式微 腔的激光自注入锁定技术近年来的研究进展。首先,详细介绍了回音壁模式微腔的关键参数,包括谐振波长、自由 光谱范围、品质因子和模式体积;其次,分析了基于回音壁模式微腔的激光自注入锁定技术的机理,并综述了其在 窄线宽激光器中的应用;随后,分析了回音壁模式微腔的非线性特性,并且介绍了由四波混频效应引起的光频梳的 特性;同时,以片上集成的回音壁模式微腔为主要研究对象,阐述了自注入锁定光频梳的研究进展;最后对回音壁 模式微腔在激光技术领域中的发展趋势进行了展望。
北京航空航天大学物理学院
[摘要]现代光电信息产业的快速发展对半导体光电器件提出了越来越高的要求,从而推动了半导体低维复合量子结构材料的研究和发展。其中,富铟团簇自组装复合量子结构材料因展现出灵活的结构调控性和优异的光学性能,获得了广泛的关注,成为实现新一代高性能半导体发光器件的重要结构材料。介绍了当前三种典型的低维铟基阱点复合量子结构材料及其光学性能,重点分析了基于InGaAs材料的富铟团簇自组装阱点复合量子结构材 料的特殊生长机制以及新发现的优异光学性能,详细阐述了这种新的结构在实现新一代光谱功率均匀一致的超宽 调谐半导体激光器、偏振双波长激光器以及偏振独立半导体光放大器等方面的应用成果和发展前景。
北京航空航天大学电子信息工程学院
[摘要]双光梳技术作为一种新型高分辨率、宽带光学测量技术,在气体吸收监测、绝对距离测量、泵浦探测、电磁频谱测量等领域中有重要应用。以低复杂度产生高质量的双光频梳是该技术走向现场检测、取得更广泛应用的关键瓶颈之一。以一台激光器实现高相干双光频梳生成的单腔双光梳技术的出现显著地推动了低复杂度双光梳测量 技术的发展,成为了当前光频梳技术研究的重要方向。在这一新技术体系的产生与发展过程中,我国研究团队发 挥了重要作用。回顾了近十年来单腔双光梳,特别是目前得到最多研究与应用的单腔双光梳光纤激光技术的发展 历程,全面综述了单腔双光梳的多种技术路径及其特点,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。
北京航空航天大学电子信息工程学院光电实验室
[摘要]滤波效应对脉冲的形成、波形调控和动态传输有重大的影响。展示了一种以全光纤马赫-曾德尔干涉仪作为紧凑梳状滤波器的多功能掺铥光纤激光器,实现了多波长连续激光输出、多波长锁模激光脉冲输出,在1842~1898 nm 光谱范围内可调谐输出单波长锁模激光并同时获得四波长锁模脉冲。采用拉锥技术制备了全光纤微结谐振器,在掺铒光纤激光器腔中,获得了束缚态孤子,且锁模状态可实现从基频状态到谐波锁模的切换。通过调控 谐振腔功率以及偏振状态,实现了24阶谐波锁模,其脉冲形态仍是束缚态孤子。实验结果以及数值分析结果表 明,滤波效应对脉冲形态有显著的影响。
北京航空航天大学机械工程与自动化学院
[摘要]激光精密加工技术在航空航天、集成电路、医疗器械等战略新兴产业领域展现出了巨大优势。本文重点介绍了北京航空航天大学激光团队近年来在激光精密抛光、金属-复合材料高强连接、一站式功能表面制备、超快激光刀钻骨、超快激光助力硅晶圆制造等方面的研究进展,对相关结果进行分析与总结,并展望了激光精密加工技术 的未来发展方向和应用前景。
北京航空航天大学材料科学与工程学院
[摘要]近年来,随着“中国制造2025”的大力推动,增材制造技术已经在航空航天、国防军工等多个战略产业领域展现出了巨大的应用价值和广阔的应用前景,是世界先进制造领域发展最快、技术研究最活跃、关注度最高的研究方向之一。虽然增材制造技术与整体锻造等传统加工方法相比有着诸多优势,但当金属增材制造成形工艺选择不合适时,成形件内部易产生气孔、未熔合等缺陷;同时,制造过程中超快的加热/冷却会在构件中产生较大的残余应 力,最终导致构件开裂、变形,显著降低增材制造成形件的内部质量和力学性能。由于增材制造过程涉及十分复杂 的材料冶金、物理、化学和热力耦合现象,因此难以通过传统的材料表征手段对其进行分析。随着同步辐射光源和 中子源的快速发展,基于同步辐射和中子衍射的表征技术在分析金属增材制造零件内部缺陷和力学性能等方面扮 演着越来越重要的角色,这些技术可以阐明增材制造过程中熔池的动力学行为、凝固缺陷的产生机制、构件中应力 的分布状态以及非平衡固态相变等过程。本文综述了同步辐射和中子衍射技术在增材制造过程中进行原位观察 和应力分析的原理、各自的优势以及它们在增材制造中的实际应用,总结了其应用于金属增材制造技术的最新进 展,并对其未来的发展进行了展望。
北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院
[摘要]陀螺仪作为惯性导航的关键部件,决定了飞行器、运载机械和无人系统等导航定位的精度和姿态控制的稳定性。在兼顾精度的同时,小体积可集成陀螺仪的需求越来越迫切,微纳集成谐振式光学陀螺有望同时满足可集成与高精度等应用需求。本文结合国内外近年来微纳集成光学陀螺研究的新进展,综述了谐振式集成光学陀螺的研究现状、瓶颈问题和未来发展趋势;基于新材料、新结构和新物理效应等可能的解决途径,重点阐述了光增益补 偿、色散调控、非厄米奇异点等对谐振式集成光学陀螺敏感性能的影响;最后,对谐振式集成光学陀螺的未来发展 趋势进行了展望。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]光子带隙光纤具有弯曲损耗小、对环境变化不敏感等优点,是极端应用条件下高稳定光纤陀螺的理想光纤。但光子带隙光纤的传输损耗大,缺乏适用于光纤陀螺的低损耗、小模场光子带隙光纤。提出了独立反谐振纤芯光 纤构型,将纤芯与包层进行空间隔离,利用纤芯壁反谐振效应抑制基模与表面模的耦合,利用反谐振与光子带隙双 重效应将光限制在纤芯中传输,从而实现了光子带隙光纤小模场、低损耗的特性。理论分析结果表明,所提出的光 纤构型可将模场直径为~8 μm 的光子带隙光纤的损耗降低至<3.5 dB/km。采用两步法制备的光纤基本复现了 设计结构,但占空比与设计值存在偏差,导致带隙偏移,实验测得所制备光纤的最小损耗为~25 dB/km@1200 nm。
北京航空航天大学电子信息工程学院
[摘要]微波光子和光通信等应用对多波长高相干的光载波有巨大需求。针对传统方案中载波频差与噪声难以兼顾的瓶颈,本文介绍了基于共振泵浦的多波长共腔受激布里渊散射(SBS)激光技术。得益于共腔的激射结构、灵活的泵浦选择以及SBS对激光线宽的压窄效应,该技术在生成频差可控、频相高相关的低噪光载波方面具有显著优 势。本文结合已有和最新实验结果,演示并验证了该技术在稳频低噪太赫兹载波生成、高速太赫兹通信、高效相干 光通信等领域特定场景下的应用潜力。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]受激布里渊散射效应是一种典型的三阶光学非线性效应,通过强光激发可以在不同介质中产生。受激布里渊散射激光具有低阈值、超窄线宽、相邻阶散射光相向传播等优异特性,促进其在高分辨率光谱仪、光学传感以及量子计算等领域的广泛应用。布里渊激光输出的光谱线宽超窄且相邻阶光束相向传播,为集成化光学陀螺的构建 提供了便利。首先总结了受激布里渊散射效应的产生机理,分析了不同介质中受激布里渊散射光的特性,进而综 述了基于微腔结构的布里渊光学陀螺的研究进展,最后对基于布里渊散射效应的集成化光学陀螺的研究前景进行 了展望。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]激光具有高亮度、高方向性、高能量、高光束质量等优点,已被广泛应用于工业、传感、通信和医疗等领域,尤其是在医学领域已被用于治疗血管疾病。血栓是一种严重的血管疾病,发病机理较为复杂。血栓会导致血管内血液堵塞,器官供血不足,严重危害人体生命健康。激光技术的快速发展推动了激光医疗的研究进展,脉冲激光以其 较高的重复频率、高能量、高峰值功率等优点,在治疗血栓方面具有广阔的应用前景。激光作用于血栓主要通过其 与生物组织之间发生的光化学效应、光热效应和光机械效应实现激光溶栓。本文综述了激光在血栓消融方面的应 用现状,主要从体外及临床治疗方面进行总结,归纳了激光溶栓的应用进展以及未来可能的发展方向。
北京航空航天大学生物与医学工程学院
[摘要]在过去的几十年中,内窥镜已被用于以微创或无创的方式观察人体内空腔内部或人体内部器官表面,以进行诊断或治疗。然而,临床上常用的普通白光内窥镜和放大内窥镜的分辨率低、对比度差,需要通过病理活检来确诊。近年来,新应用于临床的窄谱技术通过光学或数字滤波的方式利用蓝光照射组织,以强化黏膜表面的细微结构和微血管形态,提高成像对比度,但仍未解决成像分辨率低的问题。因此,白光和窄带光内窥镜无法实现真正的 光学活检,严重降低了诊断的准确性。共聚焦内窥镜由于分辨率可达亚微米量级并且具有光学切片的能力,可以 呈现出与病理活检高度一致的细胞形态。共聚焦内窥显微成像技术在消化道、皮肤、眼部等疾病的诊断方面具有 重要作用。本文对共聚焦内窥显微成像技术进行了简述,主要对荧光共聚焦显微成像和反射式共聚焦显微成像、 探头式共聚焦内窥成像技术和整合式共聚焦内窥成像技术进行介绍,讨论了共聚焦内窥显微成像技术在生物医学 领域的应用。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]双光子内窥成像技术是一种基于双光子激发原理的新型内窥成像技术,具有光学层析能力、穿透深度深、光毒性小、无标记成像等技术优势,可以同时实现细胞结构成像和功能成像,在生命科学、临床医学等领域具有巨大的发展潜力。在近十几年的发展中,压电陶瓷扫描式双光子内窥成像技术不断取得突破,并在生物医学成像领域 实现了新应用。本文对压电陶瓷扫描式双光子内窥成像技术及其在国内外的研究进展进行了总结,并介绍了该技 术在生物医学成像领域的应用。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]计算全息可以记录和再现任意物体的波前信息,无论物体是否真实存在,因此在裸眼3D显示领域具有很大的应用潜力,其中彩色计算全息3D显示技术得到了广泛关注。首先分析了彩色计算全息3D显示技术中的色差种类与原理,接着对彩色计算全息3D显示技术进行了分类概述,总结了现有彩色计算全息3D显示技术的优缺点,并 对未来彩色计算全息3D显示技术的发展趋势进行了展望。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]光纤陀螺已成为航天器惯性导航与姿轨控制的主选器件。经过几十年的技术攻关,北京航空航天大学形成了成熟的光纤陀螺技术体系,研制了适用于各种空间应用需求的光纤陀螺系列产品。对北京航空航天大学光纤陀螺空间应用的若干关键技术加以综述。基于高可靠和小型化要求,介绍了双光源四轴光纤陀螺方案,阐述了光纤陀螺在轨故障诊断技术;为进一步实现小型化,介绍了小型三轴一体光纤陀螺配置方案以及利用时分复用技术实 现的最简三轴陀螺配置方案;介绍了进一步提高组件级抗辐照性能的基于保偏光子晶体光纤的光纤陀螺方案。基 于上述关键技术和配置方案的系列光纤陀螺产品,已在数十次空间任务中发挥了重要作用。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]轻量型感知激光雷达(LiDAR)是一种具有环境目标感知能力的主动式三维光学成像技术,在深空探测与无人驾驶领域被广泛应用。回顾了轻量型感知激光雷达关键技术的重要进展,总结了以收发系统和扫描机构为核心的轻量型系统设计,梳理了高精度测距技术和指向误差校正技术的标志性成果,展示了感知激光雷达不同领域的 应用,展望了感知激光雷达芯片化、智能化、高性能化的发展趋势。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]单光子激光雷达是一种基于微弱光探测的新型激光雷达技术,可实现单个光子探测与计数,目前已达到了理论的探测极限。单光子激光雷达技术与弱光探测、超远距探测、人工智能等技术领域紧密结合并共同发展,产生了诸多研究成果。不同于传统激光雷达,单光子激光雷达通过对回波光子信号进行时间累积恢复出回波信号的离散波形,获取目标距离与反射率信息。回顾了单光子激光雷达系统和相关算法的发展历史,重点介绍了典型的单 光子激光雷达系统与图像重建算法,讨论了单光子激光雷达在远距离探测和无人驾驶领域的技术应用和发展现 状,并对其未来发展前景进行了展望。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院精密光机电一体化技术教育部重点实验室
[摘要]针对海面太阳耀光背景下传感器受到强干扰而无法有效探测的问题,本文提出了太阳耀光场景下的自适应偏振探测方法。根据太阳耀光辐射分量的偏振特性,本团队设计了单/双偏振片观测模式,搭建了中红外偏振探测系统。先根据计算得到的不同场景下的耀光辐射,切换相应的工作模式进行耀光抑制,以增强目标在图像中的对比度;然后结合图像处理滤波算法,对不同太阳耀光背景下的船体目标进行有效探测。两种工作模式被用于太阳 耀光抑制实验:针对远距离、近布儒斯特角观测实验场景,选择单偏振片观测模式即可有效凸显目标,然后结合形 态学滤波算法就可实现目标探测;针对近距离、近水平角观测实验场景,选择双偏振片观测模式,可在有效抑制太 阳耀光水平分量的同时对残留的垂直分量进行抑制,然后结合管道滤波算法即可实现目标探测。野外实验结果表 明,本文提出的两种偏振探测模式均可有效削弱不同场景下的海面太阳耀光辐射,有利于提升偏振系统对不同场 景的适应能力。
北京航空航天大学电子信息工程学院
[摘要]高能强场太赫兹(THz)激光在量子材料物态调控、全光电子加速、生物医疗等方面拥有重要的应用价值。高效率、高光束质量、高稳定性(简称“三高”)的强场THz光源的缺乏极大阻碍了强场THz科学与应用的发展。基 于飞秒激光抽运铌酸锂晶体通过倾斜波前技术产生高能强场THz辐射是突破上述“三高”强场THz光源的有效途 径之一。回顾了铌酸锂倾斜波前技术的发展历程,从理论原理、实验方法、应用实例等三个方面综述了国内外铌酸 锂强THz源及其应用现状,阐述了北京航空航天大学近五年与国内外高校院所合作实现的铌酸锂THz强源及其 应用重要进展。
北京航空航天大学电子信息工程学院
[摘要]基于相干探测的太赫兹频域光谱仪(THz-FDS)是国际上正在发展的一种高分辨率太赫兹光谱测量与分析系统。本团队搭建了连续波透射式THz-FDS和反射式THz-FDS系统,并利用两种系统对固体、液体和气体样品进行测量,介绍了测量数据的分析处理方法。采用透射式THz-FDS系统对比研究了极值法和希尔伯特变换法提取样品折射率的特性,同时将希尔伯特变换法用于处理系统信号,准确获取了乳糖一水合物的折射率,并获得了极高的频率分辨率;采用透射式THz-FDS系统结合传输矩阵法,消除了测量液体样品过程中的Fabry-Pérot谐振,成 功获得了非极性有机液体样品正己烷和环己烷的折射率。在反射式THz-FDS系统的研究方面,通过自参考方法 准确获得了甲醇和乙醇在太赫兹频段的介电常数;研究了单减Kramers-Kronig (SSKK)估计相位误差的方法,成 功提取了固体掺杂硅样品在太赫兹频段的折射率和吸收系数,测量和计算数据与前人研究结果基本吻合。本研究 为频域太赫兹光谱技术的发展与应用奠定了基础。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
[摘要]单像素成像是一种采用没有空间分辨能力的单像素探测器和空间光调制器通过重构获得图像的新型成像方式。相较于传统阵列探测器成像方式,单像素成像具有高灵敏、抗干扰等优势,在诸多领域有着非常广阔的应用前景。单像素成像的光场调制策略和图像重构方法对成像结果的影响极大。回顾了单像素成像的发展历史,对主 要的调制器件、调制策略和重构方法进行了分析、比较和讨论。为单像素成像在不同领域的应用提供技术支撑。
