期刊基本信息
创刊:
1974年 • 半月刊
名称:
中国激光
英文:
Chinese Journal of Lasers
主管单位:
中国科学院
主办单位:
中国科学院上海光机所
中国光学学会
出版单位:
中国激光杂志社
主编:
李儒新
执行主编:
罗毅
副主编:
骆清铭 张镇西 李学春 陈岐岱 顾冬冬 周朴
ISSN:
0258-7025
刊号:
CN 31-1339/TN
电话:
021-69917051
邮箱:
地址:
上海市嘉定区清河路390号
邮编:
201800
定价:
155元/期

本期栏目 2024, 51(5)

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中国激光 第51卷 第5期

满朝阳 1,2崔璨 1,2,*王雨雷 1,2,**刘福寒 1,2[ ... ]吕志伟 1,2
作者单位
摘要
1 河北工业大学先进激光技术研究中心,天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室,天津 300401
针对梯度掺杂晶体和均匀掺杂晶体,采用数值模拟的方式分析了泵浦光束腰半径、光束质量因子(M2)与束腰位置对模式匹配效率的影响,并通过实验验证了不同束腰位置对激光器输出功率的影响。由计算结果得到,在不同的泵浦光参数下,与均匀掺杂晶体相比,梯度掺杂晶体均具有更稳定的模式匹配;当泵浦光M2为10和50,束腰半径为0.5 mm时,对于任意位置的束腰,梯度掺杂晶体的模式匹配效率都高于均匀掺杂晶体。在实验上对比分析了泵浦光不同束腰位置的输出功率,结果表明,梯度掺杂晶体的模式匹配效率受泵浦光束腰位置的影响较小。当晶体位于谐振腔中心时,在高于70 W的泵浦条件下,梯度掺杂晶体的输出功率高于均匀掺杂晶体,最高输出功率为44.8 W,与均匀掺杂晶体相比,提高了4.67%;当晶体紧贴输入镜时,梯度掺杂晶体的最高输出功率为34.0 W,与均匀掺杂晶体相比,提高了11.84%。因此,梯度掺杂晶体更适用于高功率泵浦。
激光器 梯度掺杂晶体 模式匹配 激光器理论 端面泵浦 高功率激光 
中国激光
2024, 51(5): 0501001
高旺城 1马瑞 1全欣 1陈宇 1[ ... ]刘军 1,2,*
作者单位
摘要
1 深圳大学微纳光电子学研究院二维材料光电科技国际合作联合实验室,广东 深圳 518060
2 中国科学院高功率激光物理重点实验室,上海 201800
中红外波段高功率激光光源在工业加工和生物医疗等领域中有着广泛的应用。报道了基于主振荡器功率放大器(MOPA)结构的百瓦级中红外连续波光纤随机激光器,获得了最高输出功率为100.40 W、斜率效率为47.8%、波长为1980 nm的连续波激光输出。得益于MOPA结构中光纤随机激光种子源在激光放大过程中的光谱带宽保持特性,100.40 W激光输出时的3 dB光谱带宽仅为~0.2 nm。激光器的短时时域强度波动和长时功率波动均表现出优良的稳定性。所提实验技术方案和实验结果有望进一步拓宽中红外高功率光纤随机激光器的应用范围。
激光器 光纤随机激光器 高功率激光器 瑞利散射 中红外激光器 高稳定性 
中国激光
2024, 51(5): 0501002
盛泉 1,2耿婧旎 1,2李锦辉 3付士杰 1,2,*[ ... ]姚建铨 1,2
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
3 东南大学成贤学院,江苏 南京 210088
报道了基于Nd∶YVO4激光晶体和钨酸钆钾(KGW)拉曼晶体的端面泵浦连续波内腔拉曼激光器,实验研究了基频激光偏振方向对KGW拉曼激光器输出功率、光谱和模式特性的影响。当基频光偏振方向平行于KGW晶体的Nm轴时,901 cm-1拉曼频移增益较高,在36.6 W半导体激光泵浦功率下获得了6.63 W的 1177.3 nm连续波斯托克斯光输出,光光效率和斜效率分别为18.1%和24.7%;而当基频光沿KGW晶体Ng轴偏振时,由于768 cm-1和901 cm-1两条拉曼谱线的竞争以及对应89 cm-1小波数拉曼峰的级联拉曼斯托克斯光起振,拉曼激光器的光谱和功率特性均发生劣化。在实验中还观察到KGW像散的热透镜效应对激光模式产生的影响。
激光器 受激拉曼散射 连续波拉曼激光器 内腔拉曼激光器 钨酸钆钾晶体 
中国激光
2024, 51(5): 0501003
作者单位
摘要
新疆师范大学物理与电子工程学院,新疆发光矿物与光功能材料研究重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830054
设计了一种由1 μm涡旋光泵浦的闲频光单谐振KTiOAsO4涡旋光参量振荡器,并基于该光参量振荡器在近/中红外波段实现了高光束质量、高能量、窄光谱带宽的涡旋光输出。选取不同曲率半径的输入镜和平面输出镜分别建立平平腔和平凹腔两种腔结构,基于所建结构可以控制泵浦光的轨道角动量(OAM)选择性地传递给输出的信号光或闲频光。当泵浦光最大能量为20.6 mJ时,在近红外波段产生了3.04 mJ的信号涡旋光(1.535 μm),同时在中红外波段产生了0.82 mJ的闲频涡旋光(3.468 μm),它们对应的转换效率分别为28.21%和7.62%。基于泵浦光与谐振闲频光在两种腔型中的空间重叠效率,从理论上解释了泵浦光OAM的传递原理。测量得到输出信号光和闲频光的光谱带宽(半峰全宽)分别为λs=0.85 nm和λi=1.08 nm,其中闲频光在两个正交方向上的光束质量因子分别为Mx2≈2.1和My2≈2.2。
光学器件 涡旋光 闲频光谐振 光参量振荡器 KTiOAsO4 
中国激光
2024, 51(5): 0501004
作者单位
摘要
1 之江实验室,浙江 杭州 311121
2 中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 201800
3 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083

采用真空高温固相反应烧结技术制备了Ce∶Y3Al5O12(掺杂原子数分数为0.2%)与Al2O3复合相荧光陶瓷(简称Ce∶YAG-Al2O3),采用蓝光发光二极管(LED)芯片,以透射模式激发,系统研究了退火处理对荧光陶瓷发光性能的影响以及不同厚度与不同表面粗糙度的荧光陶瓷的发光性能的变化规律。结果表明,退火处理可明显改善荧光陶瓷的发光性能,且在相同激发条件下,随着荧光陶瓷厚度的增加,透射蓝光与荧光陶瓷所发出的黄绿荧光的强度比下降,色温降低,发光效率升高。陶瓷表面粗糙度的增加可明显提高荧光陶瓷的发光效率。对于同一荧光陶瓷样品,蓝光入射面的粗糙度小,光出射面的粗糙度大,有利于降低荧光陶瓷的色温,提高其发光效率。

材料 复合相荧光陶瓷 表面粗糙度 光电转换效率 色温 发光光谱 
中国激光
2024, 51(5): 0503001
作者单位
摘要
1 中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所,北京 100029
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
空气耦合(简称“空耦”)超声换能器具有非接触检测、适合复杂工况和原位检测等独特优势,已被广泛应用于超声无损检测等领域。声场重建对于开展空耦超声换能器声束宽度、扩散角等声场特性参数的表征,进而保障超声检测系统的横向分辨率及定位精度具有重要意义。笔者基于声光效应和层析成像技术对50~200 kHz空耦超声换能器的声场重建开展研究。超声声场的重建质量与空间分辨率密切相关,但高空间分辨率会导致扫描时间呈几何倍数增长。笔者从仿真和实验的角度对声场空间分辨率(即声场扫描参数)进行优化,在保证声场重建图像质量的前提下将扫描效率提高了2~4倍。同时,将优化后的声场重建结果与传声器在相同位置处的声场直接测量结果进行比较,验证了声光效应层析成像进行超声声场重建的可靠性。
测量 层析成像处理 声光效应 激光测振仪 声场表征 扫描效率 
中国激光
2024, 51(5): 0504001
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室,吉林 长春 130022
2 华东师范大学物理与电子学院,上海 200241
为解决激光扫描投影系统标定过程中易受环境光干扰、合作目标扫描时间长等问题,首先研究了应用于激光扫描投影合作目标定位的相关双采样探测方法,设计了适用于激光扫描投影仪的探测模块,经实验验证,设计的相关双采样探测模块在输入信号干扰比为-29.5 dB时仍能稳定地检测出激光光斑是否落在合作目标的高反射区。然后,针对相关双采样探测的特点,设计了一种基于二分原理的非连续扫描方法,以实现合作目标中心位置的快速提取。最后,使用此方法与栅矩形扫描方法对投影距离为3000 mm处的三个合作目标进行扫描探测和中心位置提取,实验结果表明,栅矩形扫描方式需获取10000个扫描点,而基于相关双采样探测的非连续扫描方法减少了97.4%的扫描点,且中心定位偏差优于0.06 mm。所研究的方法能够提高激光扫描投影系统合作目标探测过程的环境光自适应能力,大幅减少扫描点的同时还能保证中心位置提取精度。
激光扫描投影 相关双采样 二分原理 合作目标 
中国激光
2024, 51(5): 0504002
作者单位
摘要
1 南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210000
2 中航西安飞机工业集团股份有限公司复合材料厂,陕西 西安 710089
针对数字剪切散斑干涉技术在检测过程中得到的包裹相位图中存在噪声干扰的问题,本文提出了一种基于同态滤波的正余弦全变分融合降噪的激光散斑图像噪声抑制方法。首先对同态滤波后的包裹相位图进行正余弦分解,然后在分解的基础上通过全变分滤波来抑制噪声,最终通过散斑抑制指数的变化自适应地判断滤波是否完成。通过仿真与实验对所提方法的有效性进行了验证。首先向仿真包裹相位图中添加噪声并采用所提方法进行噪声抑制,根据散斑抑制指数验证所提方法的可行性;然后对预制缺陷的复合材料试件进行检测,并采用所提方法进行噪声抑制;最后通过散斑抑制指数和相位展开结果对所提方法的滤波效果进行验证。结果表明:采用所提方法得到的散斑抑制指数相较于传统的正余弦全变分滤波方法约降低了10.7%,同时有效地保护了相位信息不被破坏。
测量 融合滤波 数字剪切散斑干涉术 散斑图像 噪声抑制 
中国激光
2024, 51(5): 0504003
作者单位
摘要
四川师范大学物理与电子工程学院,四川 成都 610068

采用数值模拟方法研究了大气非线性自聚焦效应对艾里光束上行大气传输特性和光束质量的影响,结果表明:大气自聚焦效应随着艾里光束指数截断因子的增大而增强,并会导致艾里光束的实际焦点向靶面移动。采用预散焦方法可使靶面上的光束始终保持艾里轮廓,同时可使靶面光强得到显著提高。本文得到了预散焦的焦距公式,并证实了其有效性。研究发现:预散焦后,即使光束功率远远超过了自聚焦临界功率,非均匀大气的自聚焦效应也不会破坏艾里光束的自加速特性,有助于地基激光束避开障碍物,清除空间碎片。在相同的功率下,艾里光束相比高斯光束在碎片靶面上有更高光强,并且艾里光束具有更强的抵抗自聚焦效应的能力。因此,艾里光束比高斯光束更适合地基激光对空间碎片的清除。

大气光学 艾里光束 非线性自聚焦效应 激光大气传输 传输特性 光束质量 
中国激光
2024, 51(5): 0505001
作者单位
摘要
上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网重点实验室,特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海 200444
为了利用模分复用(MDM)和超奈奎斯特(FTN)传输技术提高无源光网络(PON)的传输容量和频谱效率,同时也为了保证系统具有良好的误码率性能,本文提出了基于矩阵分解预编码和MIMO预均衡器的联合损伤补偿方法,用于消除超奈奎斯特模分复用无源光网络(FTN-MDM-PON)中存在的MDM信道损伤和FTN传输损伤。对于矩阵分解预编码技术,本文采用奇异值分解(SVD)预编码、带功率预分配的奇异值分解(SVD PA)预编码和Cholesky分解(Chol)预编码方式,分别将它们与MIMO预均衡器结合后对比三种联合方案降低FTN-MDM-PON系统误码率的效果。仿真实验结果表明:采用SVD PA预编码、Chol预编码与MIMO预均衡器结合的联合损伤补偿方法时,FTN-MDM-PON系统中的4个线偏振(LP)模式的FTN信号经过5 km少模光纤(FMF)传输后,接收端误码率能够低于7%硬判决-前向纠错(HD-FEC)门限3.8×10-3。其中,Chol预编码与MIMO预均衡器结合的联合补偿方案降低误码率的效果最优,相比于表现较优的SVD PA预编码结合MIMO预均衡器方案,接收光灵敏度提升了1 dB~3 dB。
光通信 无源光网络 模分复用 多输入多输出 超奈奎斯特 预编码 预均衡 
中国激光
2024, 51(5): 0506002
李俊 1,2姚瑞煦 1,2,*任美莹 1张家瑞 1,2[ ... ]马天 1,2
作者单位
摘要
1 西安科技大学安全科学与工程学院,陕西 西安 710054
2 陕西省煤火灾害防治重点实验室,陕西 西安 710054
针对天然气管道沿线威胁事件的实时识别问题,笔者提出了一种基于瑞利光时域反射分布式光纤振动监测系统和深度学习网络的方法。首先,利用分布式光纤振动监测系统采集28.9 km长管道沿线6类事件的波形信号,并通过格拉姆角场(GAF)将其转化为二维图像信息,然后利用GoogLeNet、VGG、AlexNet三种深度学习网络对图像信息进行分类对比,并分析了不同信噪比条件下GoogLeNet的分类效果。结果表明:GoogLeNet对6类事件的分类准确率最高,优于其他两种网络;当信噪比为8 dB时,GoogLeNet对人工挖掘和机械破坏事件数据进行滤波、GAF等处理之后没有出现误报。本文所提方法适合在实际现场使用,为管道安全监测提供了一种新的技术手段。
光纤光学 管道监测 格拉姆角场 分布式光纤振动 特征识别 
中国激光
2024, 51(5): 0506003
作者单位
摘要
广东工业大学信息工程学院,广东 广州 510006
本文提出了一种基于自由空间光和光纤混合链路的双向双输出多业务传输系统。在单光源条件下,该系统的下行链路可同时传输10 GHz的16PSK微波业务信号和60 GHz的4QAM-OFDM毫米波业务信号,上行链路可同时传输OOK基带业务信号和20 GHz的16QAM微波业务信号,实现了双向双输出而且可以应用于多通道。下行接收端采用自相干检测技术,光路干涉匹配良好时能够有效避免激光相位波动的影响,提高系统的接收灵敏度。采用波长重用和偏振复用技术可以实现上行传输的无光源化,为用户同时提供有线与无线的多元化服务。仿真结果表明:经600 m自由空间光和30 km光纤混合链路传输后,上行20 Gbit/s OOK输出信号的误码率远小于10-9,同速率的上行16QAM信号和下行16PSK、4QAM-OFDM数据信号的误差矢量幅度值均小于3.1%。仿真结果说明所提系统具有较好的性能表现。此外,还分析了晴天、小雾、大雾、小雨和大雨多种天气变化因素对多业务传输系统性能的影响。
光通信 多业务 双向双输出 单光源 自相干检测 偏振复用 
中国激光
2024, 51(5): 0506004
作者单位
摘要
1 常州工学院光电工程学院,江苏 常州 213032
2 南京大学智能光传感与调控技术教育部重点实验室,江苏 南京 210093
3 得克萨斯州立大学英格拉姆工程学院,美国 得克萨斯78666
噪声的抑制对于相位光时域反射仪实现相位信号的精确测量至关重要。为此,在相干探测型相位光时域反射仪中采取了幅度形式噪声抑制和相位形式噪声抑制的双层处理方法,并且在“慢时间轴”和“快时间轴”两个方向上对相位形式的噪声进行抑制。首先,在正交解调时采用数字低通滤波器抑制幅度形式的噪声,以正确求解未解缠绕的包裹相位;接着,在“慢时间轴”方向上采用小波分解与重构的方法实现噪声的抑制,并借助相干探测型相位光时域反射仪相位变化线性分布的空间特征和噪声的随机性同时结合相关计算获得最佳小波分解层数;最后,在“快时间轴”方向上使用整体最小二乘的数据拟合方法进行噪声的抑制。实验结果表明:采用三重降噪得到的相位信号的均方根误差为0.17832 rad,比没有采用“慢时间轴”小波降噪的二重降噪方法降低了23.3%。这表明使用包含“慢时间轴”方向小波降噪的三重降噪方法能够实现更精确的相位信号测量。
光纤光学 光纤传感 相位光时域反射仪 定量测量 噪声抑制 小波降噪 
中国激光
2024, 51(5): 0506005
作者单位
摘要
1 山西大学物理电子工程学院,山西 太原 030006
2 山西大学光电研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西 太原 030006
3 山西大学极端光学协同创新中心,山西 太原 030006
基于铯原子6S1/2-6P3/2-6D5/2(852 nm+917 nm)阶梯型能级结构,以波长为852 nm圆偏振光作为泵浦光,将原子由基态6S1/2布居到中间激发态6P3/2,并将原子介质极化。波长为917 nm线偏振光作为信号光通过极化的原子介质后,其偏振面发生了旋转,从而实现了工作波长为917 nm非线性光学滤波器。实验上详细测量、分析了泵浦光功率、原子气室温度,以及泵浦光与信号光同、反向实验构型对该非线性光学滤波器性能的影响,在优化的实验参数下,该滤波器的峰值透射率可达20%,等效噪声带宽<60 MHz。超窄带宽的光学滤波器在原子钟、自由空间光通信、激光遥感系统等领域具有潜在的应用价值。
滤光器 非线性光学效应 激发态 遥感 
中国激光
2024, 51(5): 0508001
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室&光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
2 中国计量科学研究院时间频率计量研究所,北京 100029
3 国家市场监管重点实验室(时间频率与重力计量基准),北京 100029
4 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室,吉林 长春 130012
中红外飞秒光学频率梳在天文学、药物检测、生物化学、大气检测和材料科学等领域中有着广阔的应用前景。报道了一个高功率中红外飞秒光学频率梳系统,该系统主要由掺铒光纤飞秒光学频率梳、超连续谱产生装置、双包层掺铥光纤放大器和基于透射式衍射光栅对的压缩器四部分构成。掺铒光纤光学频率梳输出平均功率为350 mW、中心波长为1565 nm、重复频率为198 MHz、脉冲宽度为55 fs的飞秒激光,并将其注入到一段正色散高非线性光纤中,产生1100~2200 nm超连续光谱。超连续光通过由掺铥光纤构成的自泵浦放大器,产生中心波长为1925 nm、平均功率为50 mW的飞秒脉冲。将此脉冲作为双包层掺铥光纤放大器的种子源,功率被放大到36.07 W,压缩后得到平均功率为22.72 W、脉冲宽度为240 fs的飞秒激光脉冲输出。
非线性光学 光学频率梳 飞秒激光 啁啾脉冲放大 中红外波段 
中国激光
2024, 51(5): 0508002
作者单位
摘要
南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏 南京 211106
随着传感器技术的不断发展,三维点云被广泛应用于自动驾驶、机器人、遥感、文物修复、增强现实、虚拟现实等领域的视觉任务中。然而,直接应用收集到的海量原始点云数据得到的效果不佳,因此,基于深度学习的点云处理方法受到了越来越多的关注和研究。本文综述了近6年来基于深度学习的三维点云处理方法的研究进展。首先给出了三维点云的基本概念和获取方式,简述了4种点云处理任务;然后针对点云去噪和滤波、点云压缩、点云超分辨率以及点云修复-补全-重建任务,重点阐述了相应的深度学习方法的原理,并分析了其优缺点;随后介绍了22种点云数据集和4类评价指标,同时给出了性能对比结果;最后探讨了点云处理方法目前存在的问题,并对未来的研究趋势进行了展望。
深度学习 三维点云处理 点云去噪 点云压缩 点云修复 
中国激光
2024, 51(5): 0509001
杨荣 1,2,3董吉辉 1,2,3,*苏博家 1,2,3杨泽后 1,2,3,4[ ... ]周鼎富 1,2,3
作者单位
摘要
1 西南技术物理研究所,四川 成都 610041
2 激光雷达与器件技术四川省国防科技重点实验室,四川 成都 610041
3 中国兵器工业集团有限公司激光器件技术重点实验室,四川 成都 610041
4 北京理工大学物理学院,北京 100081
5 北京理工大学光电学院,北京 100081
荧光激光雷达对气溶胶云团进行远程侦测时,常利用决策树法对云团的荧光光谱信号进行识别。当大气能见度较差或背景辐射较强时,激光雷达的信噪比下降,导致分类识别的准确性明显降低。针对这一问题,提出了一种基于特征提取的决策树分类方法,该方法充分利用荧光光谱信号的信息,具有较强的适用性。首先介绍了生物荧光光谱的特点及传统识别算法和改进识别算法的原理;然后实验测试了6种生物溶液的荧光谱,并通过在这6种生物物质的荧光光谱中增加不同强度的噪声,对两种分类识别算法的性能进行了对比分析。结果表明:所设计的基于特征提取的决策树算法的训练时间基本不随噪声大小改变,当光谱信号的信噪比为10时,对6种生物物质的识别准确率基本达到80%以上;对于两种荧光光谱极其相似的生物,具有较强的区分能力,识别准确性优于传统识别算法;抗噪能力较强,提高了生物气溶胶激光雷达的探测识别能力。
遥感 激光雷达 激光诱导荧光 机器学习 决策树 生物识别 
中国激光
2024, 51(5): 0510001
胡建鹏 1,2柴明钢 1,3,*王梦宇 1,2,**薛彩军 3[ ... ]伏燕军 1,2
作者单位
摘要
1 南昌航空大学 江西省光电信息科学技术重点实验室,江西 南昌 330063
2 南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室,江西 南昌 330063
3 南京航空航天大学 航空学院,江苏 南京 210016
4 中国空间技术研究院西安分院,陕西 西安 710199
研发低功耗、微型化的电流传感器有利于实现电流状态的智能监测,在风力发电、智能电网以及电动汽车等领域有着潜在应用前景。提出一种基于回音壁模式微管腔的非接触式电流传感器。首先通过电弧放电法在薄壁石英管中制备了回音壁模式微管腔,模式谱稳定激发且规则,品质因子Q值达到3.45×107。其次,在微管腔中填充Fe3O4纳米粒子磁流体并插入Cu丝,构建非接触式电流检测环境,当通入的电流强度发生改变时,与Fe3O4纳米粒子的相互作用引起微管腔的磁热效应,进而影响微管腔的折射率与体积。实验结果表明:测试电流从0增加到30 mA时,微管腔的谐振波长漂移了0.0973 nm,谐振波长的相对漂移量与电流的平方成线性关系,灵敏度达到10.811 nm/A2,探测极限达到2.936×10-9 A2/nm。所设计的电流传感器具有结构简单、灵敏度高、探测极限低、体积小、不受电磁干扰影响等优势,为微腔在非接触式电流检测中的应用提供了新路径。
传感器 光学微腔 微管腔 磁热效应 电流检测 微腔传感 
中国激光
2024, 51(5): 0510002
作者单位
摘要
南京邮电大学电子与光学工程学院,柔性电子(未来技术)学院,江苏 南京 210023
提出并实现了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)增敏空芯微瓶谐振腔(PS-HCMR)的高灵敏温度传感器。采用提拉镀膜法在高Q值(~7.83×107)PS-HCMR表面均匀涂敷一层PDMS薄膜以实现热敏功能化,基于PS-HCMR回音壁模共振谱的热敏感性以及PDMS的高热光效应和热膨胀效应,实现了对温度信号的高灵敏度感知与测量。实验结果表明:当膜层厚度为150 μm时,温度灵敏度可达0.127 nm·℃-1,相比于纯SiO2 HCMR提高了32倍。所提出的PS-HCMR的温度传感器具有灵敏度高、制备简单、结构紧凑等优势,在工业化控制、电力系统、环境监测等领域中具有良好的应用前景。
传感器 微腔 聚二甲基硅氧烷 增敏空芯微瓶谐振腔 回音壁模式 热光效应 温度灵敏度 
中国激光
2024, 51(5): 0510003
作者单位
摘要
1 河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100
2 山东科技大学测绘与空间信息学院,山东 青岛 266590
3 安徽建筑大学土木工程学院,安徽 合肥 230601
4 青岛秀山移动测量有限公司,山东 青岛 266590
针对基于车载激光点云的坑槽检测受道路横、纵坡度影响而导致误检和漏检等问题,提出了一种联合粗糙度与负偏态分布的路面坑槽检测方法。首先利用垂直度分割路面点云。然后,通过M估计样本一致性(MSAC)拟合局部基准平面,并计算点云的粗糙度;以粗糙度较小的区域作为潜在坑槽区域,并利用密度聚类和连续度实现潜在坑槽的单体化。最后,根据坑槽与邻域路面点云的粗糙度统计特征,结合负偏态分布实现坑槽区域的精确筛选,并提取坑槽的三维几何特征。采用开源数据和实测数据进行实验验证与分析。实验结果表明:实测数据路面中,坑槽检测的召回率达到89.2%,准确率达到76.7%;坑槽几何特征的提取结果与人工实地测量结果的最大相对偏差为9.4%,可为大规模的路面损坏检测提供有力支撑。
遥感 车载激光点云 粗糙度 偏态分布 路面坑槽检测 
中国激光
2024, 51(5): 0510004
作者单位
摘要
1 中国气象局气象探测中心,北京 100081
2 中国气象局气象探测工程技术研究中心,北京 100081
3 北京工商大学轻工科学与工程学院,北京 100048
4 深圳市国家气候观象台,广东 深圳 518040
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
大气气溶胶是重要的大气污染物之一,气溶胶质量浓度的垂直分布及其与气象要素的相互影响,对理解大气污染传输具有重要意义。激光雷达因具有高时空分辨率的探测优势而成为研究气溶胶颗粒物立体分布的有力工具。本文利用深圳米散射激光雷达、微波辐射计和近地面气溶胶质量浓度监测仪,根据均方差选取最优参数,建立基于消光系数的温湿融合PM2.5质量浓度反演模型,并以深圳气象梯度观测塔4个高度的PM2.5质量浓度小时均值为基准,对模拟结果进行了验证分析。结果显示:模拟值与观测值两者的变化趋势一致性较好,相关系数受模拟高度、相对湿度影响,并进行了晴天、多云天气下的比对,深圳气象梯度观测塔上4个高度的模拟值和实测值相关系数均大于0.68,平均绝对误差和均方根误差最大值分别为6.88 μg/m3和18.56 μg/m3。比较4个季节的模拟效果发现,冬季的模拟结果准确性要低于其他三个季节。最后通过个例分析,结合地面温度、相对湿度、风场和气压场,分析了深圳夏季颗粒物质量浓度的时空分布特征。
激光雷达 PM2.5质量浓度 消光系数 
中国激光
2024, 51(5): 0510005
王前进 1,2孙鹏帅 2,*张志荣 1,2,3,4蔡永军 5[ ... ]吴边 2
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230031
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院,河北 廊坊 065000
针对石油化工、煤矿安全等领域对气体浓度宽量程检测的需求,对波长调制光谱检测气体浓度时的非线性特征进行了研究,提出仅用波长调制方法实现气体浓度的宽动态范围测量。该方法根据激光吸收光谱技术原理,对吸收项及其泰勒展开式进行分析,在小吸收度时采用线性近似,在大吸收度时采用三次多项式近似。并且使用甲烷气体(CH4)作为实验对象,搭建了CH4检测系统,验证了该方法在气体浓度宽量程检测方面的可行性。经过实验验证,该方法能够实现4个数量级大跨度范围(1.5×10-6~10000×10-6)的CH4检测。对阈值为1000×10-6(在3 m有效光程下吸收度为0.0236)以下和以上的气体体积分数分别进行检测,反演浓度和标准浓度之间均表现出良好的相关性,拟合优度均大于0.999。另外,在吸收度大于0.0236的范围内,该方法的最大测量相对误差为0.93%,绝对误差为-92.1×10-6。为了验证其稳定性,对体积分数为5000×10-6(吸收度为0.118)的CH4进行长时间测量,并统计其反演浓度的高斯分布,经过计算得到其半峰半宽为15.9×10-6。实验证明该方法突破了传统波长调制光谱只能测量低浓度的局限,在宽量程检测中获得了良好的检测结果,为气体浓度宽量程检测提供了一种新思路,同时也大大拓宽了波长调制光谱的应用范围。
光谱学 波长调制光谱 非线性特征 甲烷气体(CH4 宽量程检测 
中国激光
2024, 51(5): 0511001
作者单位
摘要
1 燕山大学信息科学与工程学院,河北 秦皇岛 066004
2 河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室,河北 秦皇岛 066004
激光诱导荧光(LIF)技术是一种主动式的遥感光学探测技术。土壤是常见的天然多孔介质,与石油混合后油滴会进入其孔隙内部,其独特的结构可以使光线发生多次反射和吸收,这种现象导致LIF探测土壤石油污染物获得的荧光分布具有差异性。笔者根据土壤含油量的多少以及分布特点,将土壤石油污染物分为油泥与含油土壤,基于蒙特卡罗方法和多孔介质的隐函数表示法,分别建立油泥和含油土壤的荧光仿真模型,采用荧光转换效率(接收荧光功率与发射激光功率的比值)表征荧光强度,从不同出射方向分析发射出土壤的荧光分布情况。通过模拟不同油品污染的油泥和含油土壤在不同入射天顶角、孔隙率、孔隙密度下的荧光转换效率,分析不同油品、LIF系统参数和土壤因素对荧光分布的影响。仿真结果表明:对于同种石油污染的油泥和含油土壤,油泥因较高的含油量导致荧光信号强于含油土壤;当激光垂直入射时,LIF系统收集的荧光信号强度最高,入射角度增大会导致荧光信号强度逐渐减弱;土壤石油污染物的荧光强度会随着孔隙率的增大而增大,随着孔隙密度的增大而减小;在激光照射下,轻质原油污染的土壤由于吸收系数较低,产生的荧光信号要弱于重质石油污染的土壤。本研究为LIF探测陆地溢油污染提供了理论和技术支持。
光谱学 激光诱导荧光 蒙特卡罗 多孔介质 土壤石油污染物 荧光仿真 
中国激光
2024, 51(5): 0511002
代玉银 1孙艳 2冯志书 3于丹 2,*[ ... ]金明星 4,***
作者单位
摘要
1 吉林大学白求恩第一医院核医学科,吉林 长春 130021
2 空军航空大学航空基础学院,吉林 长春 130022
3 空军航空大学作战勤务学院,吉林 长春 130022
4 吉林大学原子与分子物理研究所,吉林 长春 130012
针对飞秒脉冲激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)中Al靶温度对AlO分子光谱的影响进行了实验研究。通过测量AlO分子的光谱强度和振动温度,发现Al靶温度对fs-LIBS技术中AlO分子的光谱特性有显著的影响。研究结果表明,提高靶材温度能有效增强fs-LIBS中AlO分子的光谱信号强度,并提高分子的振动温度和寿命。此外,时间分辨光谱分析结果还揭示出在高Al靶温度条件下,AlO分子的辐射寿命较长,光谱信号强度较强。这意味着在高温下,分子能够停留更长的时间,增加了光谱信号的持续时间。通过调控飞秒激光能量和靶材温度,可以获得更强的分子发射和光谱信号,从而实现更高的灵敏度和准确性。研究结果为fs-LIBS技术中样品温度对分子光谱的调控机制研究提供了实验数据。
光谱学 激光诱导击穿光谱 飞秒激光 分子光谱 样品温度 AlO 
中国激光
2024, 51(5): 0511003
作者单位
摘要
1 航宇救生装备有限公司,湖北 襄阳 441003
2 安徽大学物理与光电工程学院,安徽 合肥 230601
针对光声光谱系统本底噪声限制问题,以圆柱形声共振器作为研究对象,开展了双共振腔光声池设计,并将共振光声光谱和差分探测原理相结合,建立了一套基于近红外半导体激光器的高灵敏度激光光谱气体探测系统。以空气中的水汽(H2O)分子作为检测对象,结合高灵敏度波长调制二次谐波探测方法,对建立的差分式共振光声光谱系统进行了理论分析和实验评估。艾伦方差分析结果显示,系统可实现几个10-6量级水汽分子浓度的高灵敏度检测。相较于传统单通道光声探测模式,所提出的差分探测式共振光声光谱探测技术可有效提升系统的稳定性和检测灵敏度,最佳信号平均时间可提高2倍。
光谱学 光声光谱 差分探测 共振效应 气体检测 
中国激光
2024, 51(5): 0511004
吴鹏 1,2单昌功 2,5,6,7,*王薇 2谢宇 4[ ... ]刘诚 1,3
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学,安徽 合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽 合肥 230026
4 合肥学院自动化系,安徽 合肥 230601
5 中层大气和全球环境探测重点实验室,北京 100084
6 粤港澳环境质量协同创新联合实验室,广东 广州 510000
7 国家环境保护大气复合污染来源与控制重点实验室,北京 100084
傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术已被广泛用于监测环境大气中的温室气体和痕量污染气体。本课题组基于便携式傅里叶变换红外光谱仪(EM27/SUN)收集的近红外太阳吸收光谱,利用非线性最小二乘拟合光谱反演算法,反演了深圳市沿海大气水汽及其稳定同位素HDO的柱浓度,并计算了水汽同位素比值δD以及水汽蒸散同位素δDET。在2023年2月27日到3月11日观测期间,干空气柱平均摩尔混合比XH2O的平均值为3226.11 mg/kg,标准偏差为27.42 mg/kg,ln (XH2O)与大气地表温度高度相关,相关系数为0.94。观测期间,水汽同位素比δD在-122.52‰和-16.54‰之间变化。利用Rayleigh蒸馏模型理解δD与水汽柱浓度之间的关系,结果发现ln(δD×1000+1)与ln(XH2O)之间有着显著的相关性(R=0.74),表明该地区大气水汽稳定同位素变化与水汽系数变化有着较大的相关性。最后,利用Keeling比值分析方法进行分析,结果显示,大气水汽蒸散同位素特征δDET在(-289.92±8.89)‰和(21.79±7.19)‰之间变化。便携式FTIR光谱仪及其测量方法能够被用于准确观测大气水汽及其稳定同位素的时间变化,为海边大气水循环研究提供了基础数据。
光谱学 近红外光谱 傅里叶变换红外光谱技术 水汽 稳定同位素 
中国激光
2024, 51(5): 0511005
孙昊 1唐乐 1,2,4王春艳 1张为国 3,4[ ... ]夏良平 2,4,*
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 长江师范学院微纳光电器件与智能感知系统重点实验室,重庆 408100
3 中国科学院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成研究中心,重庆 400714
4 珠海迈时光电科技有限公司,广东 珠海 519060
为分析车床加工百微米级口径微柱透镜时遗留周期性刀纹产生的杂散光影响,构建了周期结构模型,分析了表面周期性纹理结构对衍射杂散光的影响。利用傅里叶光学理论建立了该结构的衍射理论模型,计算了在不同深度下的衍射光场强度分布规律,所获得的理论结果与商业光学软件VirtualLab的物理光学仿真和实验测试结果基本一致,实现了对理论模型的理论与实验验证,为进一步解决该类光学器件中周期性加工刀纹产生的衍射杂散光问题提供了理论依据,对微柱透镜的高精度加工具有指导意义。
衍射 周期性纹理 微柱透镜 傅里叶光学 杂散光 
中国激光
2024, 51(5): 0513001
秦琰琰 1,2黄瑞冬 1,2刘孝兵 1钱诚 1,3[ ... ]毛庆和 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽省光子器件与材料重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230039
研究了批量制备的锥形光纤表面增强拉曼散射(SERS)探针的定量检测性能。在统一的制备条件下,基于静电吸附自组装方法批量制备的同一批次锥形光纤探针具有良好的互换性。基于相同检测条件,在同一福美双样品浓度下测得SERS光谱幅度的相对标准偏差(RSD)可达8%以下。不同批次的光纤探针存在互换性退化问题,难以满足实际定量检测应用对光纤探针数目的要求。为了解决该问题,提出并演示了一种将不同批次光纤探针的光谱数据同化至同批次光纤探针测量结果的同化方法。通过对同化后的大样本光谱数据进行统计平均和数据拟合,获得了福美双样品在2×10-8~10-6 mol/L浓度范围内的SERS定量关系曲线,福美双加标样品的测试回收率可达90%~110%。该研究结果对于实际SERS定量检测具有参考意义。
光纤光学 表面增强拉曼散射 锥形光纤探针 批量制备 定量检测 静电吸附自组装法 福美双 
中国激光
2024, 51(5): 0513002
殷贤华 1,2陈慧聪 1,2张活 1,2,*
作者单位
摘要
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西 桂林 541004
2 广西自动检测技术与仪器重点实验室,广西 桂林 541004
橡胶添加剂含量是判断橡胶质量好坏的一个重要标志。现有的检测方法不能满足橡胶中添加剂快速、准确、无损的检测需求,而且当检测对象为多组分混合物时,混合物的吸收光谱会出现重叠和失真现象,从而导致预测结果不准确。针对此问题,本文提出了一种基于太赫兹时域光谱结合化学计量学方法、数据融合的定量分析方法。以丁腈橡胶、白炭黑、氧化锌、防老剂H和防老剂MB制成五组分混合物并将其作为实验样品,利用太赫兹时域光谱系统获取并计算了五组分混合物在0.3~1.6 THz范围内的吸收光谱,然后通过求一阶导数的方式获得样品的导数光谱数据。低层数据融合直接将吸收光谱数据与导数光谱融合;中层数据融合将蒙特卡罗无信息变量消除法和连续投影算法进行特征提取后的变量进行融合;高层数据融合使用多元线性回归法进行融合。基于蒙特卡罗无信息变量消除法的中层数据融合的预测精度高于单一光谱的预测精度,而且预测性能最好。研究结果表明,太赫兹光谱结合支持向量回归、数据融合的方法可以实现多组分混合物中防老剂MB的快速、准确、无损检测,对于促进橡胶工业的快速发展具有十分重要的意义。
光谱学 橡胶及添加剂 多组分混合物 太赫兹光谱 定量检测 数据融合 
中国激光
2024, 51(5): 0514001
李昊 1,2杨保来 1,2饶斌裕 1,2叶新宇 1,2[ ... ]陈金宝 1,2
作者单位
摘要
1 国防科技大学前沿交叉学科学院,湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室,湖南 长沙 410073
光纤光栅(FBG)在高功率光纤振荡器中发挥着重要作用,既可以作为谐振腔腔镜,又可以抑制受激拉曼散射(SRS)效应。使用飞秒激光在芯径为30 μm的大模场双包层光纤(LMA-DCF)上刻写了波长为1080 nm的FBG对以及波长为1135 nm的啁啾倾斜光纤光栅(CTFBG),利用FBG对搭建了全光纤振荡器,并使用CTFBG抑制了SRS,实现了9 kW激光功率输出,斜率效率为83.4%。研究结果有利于推动高功率FBG的研制和高功率光纤振荡器的发展。
光纤光学 飞秒激光 光纤振荡器 高功率激光器 受激拉曼散射 光纤光栅 
中国激光
2024, 51(5): 0515001
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西 西安 710119
2 哈尔滨工程大学青岛创新发展基地,山东 青岛 266000

3 μm 波段光纤激光因在环境监测、医疗成像、科 学研究和工业加工等多个领域中的应用潜力而备受关 注。近年来,国际研究机构在 3 μm 波段光纤激光器的 大 功 率 、全 光 纤 化 等 方 面 取 得 了 显 著 的 研 究 进 展 。 2022 年,加拿大拉瓦尔大学基于增益光纤中直接刻写 的光纤光栅实现了全光纤结构,获得了最大输出功率 达到 14.9 W 的 3.5 μm 光纤激光。由于中红外光栅刻 写技术(耐高功率性能、光栅对的波长匹配性能等)相 对落后,国内在 3 μm 波段光纤激光器功率提升和集成 化方面的研究明显滞后。目前国内公开报道的该波段 激光的最高输出功率为天津大学团队采用空间光路结 构实现的 7.2 W,尚无 10 W 级 3.5 μm 全光纤激光输出 的研究报道。近期,中国科学院西安光学精密机械研 究所基于自制的中红外氟化物光纤光栅,在优化异质 光纤熔接与热管理技术的基础上,实现了 3.5 μm 全光 纤激光输出,功率为 10.1 W,斜率效率达 41.7%。

中国激光
2024, 51(5): 0516001
陈潇 1黄善旻 1黄良金 1,2,3,*曹家宁 1[ ... ]姜宗福 1
作者单位
摘要
1 国防科技大学前沿交叉学科学院,湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室,湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室,湖南 长沙 410073
中国激光
2024, 51(5): 0516002