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摘要

本文研制一套全自动散射特性测试平台,并使用该测试平台对汤姆孙散射诊断系统中杂散光吸光材料的表面散射特性开展实验测量研究。在1064 nm的波段下,该测试平台对双向反射分布函数的本底噪声水平优于2×10 -5sr -1。利用该测试平台测量反射镜、不锈钢、发黑铝合金和发黑涂层等多种材料的表面散射特性。依据相关测量结果,“科大一环”汤姆孙散射诊断系统采用了Avian Black-S发黑涂料以及Metal Velvet TM发黑铝箔用于吸收杂散光。利用测量结果给出多种材料的ABg模型参数,为杂散光追踪模拟计算提供必要数据。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(21):2129002
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摘要

对含固体粒子的气固两相尾焰红外辐射特性进行了仿真建模,并采用光线跟踪方法计算了尾焰辐射强度和辐射抑制率。设计了飞行状态尾焰流场的仿真环境和空基红外相机成像的仿真场景,通过固体粒子辐射抑制机理确定了粒子直径、粒子流量和粒子复折射率是影响辐射抑制率的主要因素。仿真计算结果表明:减小粒子直径、增大粒子流量能增强固体粒子的辐射抑制能力;增大粒子的吸收截面能增强固体粒子在气体吸收谱段的辐射抑制能力,同时降低其在非气体吸收谱段的辐射抑制能力;在某些情况下,固体粒子会增加尾焰辐射强度并改变光谱辐射特性。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(21):2129001
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摘要

提出了一种全芯片光源掩模联合优化的关键图形筛选方法,用图形的主要频率表征图形的特征,用主要频率的位置和轮廓信息描述主要频率在频域上的分布特征。设计了相应的主要频率提取方法、覆盖规则、聚类方法以及关键图形筛选方法,实现了全芯片光源掩模联合优化的关键图形筛选。采用荷兰ASML公司的商用计算光刻软件Tachyon进行了仿真验证,与ASML公司同类技术的对比结果表明,本方法获得的工艺窗口优于ASML Tachyon方法。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(21):2122001
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摘要

光学合成孔径成像系统中光学传递函数的频率响应下降,会不可避免地导致成像模糊,因此通常需要借助维纳滤波或盲解卷积算法来实现图像复原,最终获得清晰的高分辨率图像。提出一种基于U型卷积神经网络的深度学习框架,通过MATLAB软件构建数据集,以对网络进行训练,并将所训练的U型网络与盲解卷积算法的图像复原效果进行对比。数值仿真结果表明,在弱噪声条件下,U型网络在基于光学合成孔径成像系统的图像复原中展现出较强的复原能力以及一定的泛化能力和通用性,能够实现图像的快速盲复原,因而具有潜在的应用前景。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(21):2111001
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摘要

在吸收光谱燃烧流场诊断中,吸收分子谱线参数的准确性直接影响流场参数测量的精度。对燃烧诊断研究中主要探针水汽(H2O)分子的吸收谱线参数进行高精度校准。实验利用波长为1469 nm的近红外半导体激光器作为光源,采用高灵敏的免标定波长调制技术,结合自行搭建的实验室高温测量系统,获得了900~1500 K 温度范围内所选谱线的调制吸收光谱。利用非线性最小二乘L-M拟合算法对H2O吸收光谱进行拟合,精确获得了所选谱线在6807.83 cm -1和6808.04 cm -1的线强、自展宽系数和温度依赖系数;通过对比HITRAN和HITEMP数据库相应的光谱参数,可得线强的相对偏差分别为3.91%与-5.40%,自展宽系数的相对偏差分别为3.01%与-6.49%,温度依赖系数分别为0.5213与0.4567,线强的实验结果不确定度分别为1.05%与1.96%。所提出的免标定波长调制光谱参数标定法在高温光谱测量中具有检测灵敏度高、光谱信噪比高等优点,有利于提高光谱参数校准的精度,将为燃烧流场参数的精确反演提供谱线基础。

PDF全文HTML全文 中国激光 | 2020,47(10):1011001
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摘要

提出了一种基于电光效应的新型光参量放大方案,理论分析了磷酸二氘钾(DKDP)晶体增益带宽随氘化率的变化特性,研究了70%和95%氘化率的DKDP晶体在不同电场强度下的增益带宽变化特性。在885 nm中心波长处,对70%氘化率的DKDP晶体施加大小为1.67×10 5 V/m的场强时,增益带宽可从90 nm拓宽至124 nm;在808 nm中心波长处,对95%氘化率的DKDP晶体施加大小为1×10 5 V/m的场强时,增益带宽可从52 nm拓宽至68 nm。结果表明,在光学参量放大系统中,通过线性电光效应可以有效拓宽系统的增益带宽,同时可通过电光调制调节增益谱的中心波长,以进行连续波长调谐,在高能超短激光系统中具有很大的应用前景。

PDF全文HTML全文 中国激光 | 2020,47(10):1008001
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摘要

光热治疗是一种非侵入式、靶向性的新型治疗技术,但现有的光热治疗技术不能实时监测靶区的温度分布,且开环的激光控制方式不仅增大了治疗难度,也会对病灶周边的正常组织造成不可逆损伤。为此,提出了一种基于光声温度精准调控的光热治疗方法。研究了基于光声图像的温度成像算法,提出了光声温度敏感因子的概念,设计了基于光声温度敏感因子的闭环温度控制算法,最后搭建了一套基于光声温度精准调控的新型光热治疗系统,并进行了仿体实验。实验结果表明:基于光声温度精准调控的光热治疗方法可实现靶区温度的非接触式精准测量与控制,系统调节时间在10 s以内且温度控制均方根误差在0.7 ℃以内。基于光声温度精准调控的光热治疗方法可以作为一种更精准、高效的辅助手段应用于光热治疗领域。

PDF全文HTML全文 中国激光 | 2020,47(10):1007001
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摘要

采用光强度调制鉴相方案,使用直接数字频率合成器(DDS)和激光驱动器产生频率稳定的调制激光,注入待测光路,在待测光路后进行光电转换和放大,引入参考本振信号作为混频器相位参考信号,利用混频器测量待测光路信号与参考本振信号的相位差,获得光路延时信息。主要特点如下:提出了在本振信号链路三段移相的差分式检测方法,优化了鉴相点,提高了测量精度;采用单段短时两相位点测量模式,有效降低了光源功率波动、光路中光强波动、光电探测及放大电路增益波动、温度变化导致相位差漂移等带来的测量误差;在每个相位点多次测量采样,根据测量的平均值计算相位差,推导时间差。详细分析了测量电压和被测时延之间的函数关系,分析了影响测量精度的因素,构建验证系统,完成了实验验证。实验结果表明:本方案在4 ns的时延内的测量精度可达1 ps,大幅提升了现有高功率激光装置的同步测量精度。

PDF全文HTML全文 中国激光 | 2020,47(10):1004002
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摘要

采用同轴送粉激光增材制造工艺制备了Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V钛合金,研究了沉积态及热处理态合金的组织,测试了热处理后合金的疲劳性能,分析了热处理前后合金组织的演化规律,讨论了显微组织、组织缺陷对疲劳性能的影响。研究结果表明:沉积态合金组织由向外延生长的粗大β柱状晶组成,晶内为细长的α片层和晶间β相组成的网篮组织,α相的体积分数明显多于β相;在两相区固溶时效后,组织仍由粗大的柱状晶组成,晶内α相粗化,β相体积分数明显增加;与同工艺条件下制备的Ti-6Al-4V合金相比,热处理Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V合金的疲劳性能在高应力区高于Ti-6Al-4V合金,在低应力区低于Ti-6Al-4V合金;两合金在合金元素含量、相组成、组织尺寸等方面的差异是影响疲劳性能的主要因素;断口分析表明,疲劳源均形核于条状未熔合缺陷及气孔缺陷处,且缺陷直径越大,距离表面越近,应力集中现象越明显,疲劳寿命越低。

PDF全文HTML全文 中国激光 | 2020,47(10):1002008
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摘要

研究半导体激光器开环单向耦合的相位混沌同步。采用希尔伯特变换提取混沌激光器光场的相位时间序列,利用互相关系数、同步误差分析半导体激光器相位同步特性。实验结果表明,当注入强度大于0.80、频率失谐为-11.0~4.0 GHz时,主、从激光器可实现同步系数大于0.95的相位混沌同步,且相位混沌同步的参数范围大于强度混沌同步。实验也依据平均相位差验证了系统的相位锁定现象。

PDF全文HTML全文 中国激光 | 2020,47(10):1001003
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摘要

设计了一款重复频率精确锁定的飞秒脉冲和皮秒脉冲双路输出光纤激光器。该激光器采用输出为近傅里叶变换极限的皮秒脉冲作为种子源,其脉冲宽度为21 ps,重复频率为40 MHz。该种子脉冲经1∶1分束后,分别注入飞秒和皮秒脉冲放大链路中。通过有效管理脉冲放大过程中的非线性和色散,实现了宽带光谱飞秒脉冲和窄带光谱皮秒脉冲的同步输出。其中,飞秒脉冲放大链路是将皮秒种子脉冲先经过单模光纤功率放大器,而后在50 m保偏单模光纤中利用自相位调制效应进行光谱展宽,光谱展宽至6.12 nm;进一步采用光栅对去啁啾后,得到了脉冲宽度为483 fs、平均功率为210 mW的飞秒脉冲输出。皮秒脉冲放大链路的皮秒种子脉冲经过功率预放大、脉冲选单至10 MHz后,由200/40光子晶体光纤主放大器进行功率提升,得到了脉冲宽度为25 ps、单脉冲能量为1.4 μJ、光谱宽度为0.86 nm的皮秒脉冲输出。此外,通过采用压电陶瓷精确控制和步进电机范围控制相结合的方式,实现了对皮秒种子源谐振腔重复频率的长时间精确锁定。激光器开启并达到热平衡后,8 h测量时间内重复频率峰峰值抖动小于3 mHz,标准偏差为0.31 mHz。

PDF全文HTML全文 中国激光 | 2020,47(10):1001001
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摘要

传统的基于RGB和骨骼特征的行为识别算法,普遍存在两种特征互补性不足及视频关键时序性不强等问题。为解决这一问题,提出一种自适应融合RGB和骨骼特征的行为识别算法。首先,面向RGB图像和骨骼图像,联合双向长短时记忆(LSTM)网络和自注意力机制提取两者的时空特征;然后,构建自适应权重计算网络(AWCN),并以两者的空间特征为输入计算出自适应权重;最后,利用自适应权重得到上述时空特征的融合特征,实现了最终的动作分类。通过在Penn Action、JHMDB和NTU RGB-D人体行为数据集上与现有的方法进行比较,实验结果表明,本文算法有效地提高了行为识别精度。

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摘要

在目标检测领域,小目标的检测识别一直都是研究的难点,导致模型提取到的特征并不具有良好的表达能力,因此对小目标的检测结果不佳。为此,提出一种基于特征金字塔网络(FPN)的改进算法。在原有基础上增加并行分支,再融合两种不同上采样方法的特征信息以加强小目标特征的表达能力。同时,增加多阈值检测器(Cascade R-CNN)强化小目标定位能力。基于无人机航拍数据集进行实验,实验结果表明,在MS COCO数据集下,所提算法的平均精确率相比原始FPN算法提高了9.7个百分点,具有良好的检测性能。

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摘要

针对传统视觉里程计中光流法定位精度差、特征点法耗时多的问题,提出一种融合光流法和特征匹配的视觉里程计模型。该模型融合了基于帧间优化的LK光流位姿估计和基于关键帧的光流/特征点位姿优化算法。针对传统参考帧/当前帧跟踪方式容易产生累积误差的问题,在光流法的基础上,通过引入局部优化算法对相机进行初步位姿估计;针对特征法中图像插入频率过高、耗时多的问题,在关键帧的基础上,通过构建光流/特征点统一损失函数进行相机位姿优化。在EuRoC数据集上进行了算法定位精度测试,结果表明,简单环境下所提算法与特征点法的定位精度相当;在特征点缺失情况下,所提算法的定位精度较特征点法有所提高,具有一定的鲁棒性。运行时间测试结果表明,在保证定位精度的基础上,所提算法的运行时间较特征点法减少了37.9%,具有一定的实时性。

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摘要

针对Criminisi算法在修复敦煌壁画时易出现错误填充、修复效率较低等问题,提出了一种基于序贯相似性和布谷鸟寻优算法结合的敦煌壁画修复方法。首先采用P-Laplace算子重新定义数据项,改进了优先权计算方法,避免了优先权频繁趋于0的问题;其次引入动态阈值序贯相似性检测算法进行匹配块的搜索,提高了壁画修复效率;为了使匹配块选择更加合理,再利用布谷鸟寻优算法确定最佳匹配块;最后通过迭代更新完成壁画修复。通过对敦煌壁画的修复实验表明,本文方法相比于同类比较算法,取得了较好的主客观修复效果,并且修复效率也得到了进一步提升。

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摘要

在脊椎CT图像分割问题中,由于脊椎与组织对比度过低和噪声的影响,传统分割算法存在分割精度差和自动化程度低等问题。基于此,提出一种通过AttentionNet定位脊椎,然后使用改进的DenseUnet进行脊椎CT分割的方法。首先,对所有脊椎CT样本数据进行裁剪、重采样、灰度值归一化等预处理操作;再次,对样本使用AttentionNet训练得到具有位置信息的Attention图;然后,对传统DenseUnet进行改进,在每个Dense block加入Shuffle操作来增加网络的鲁棒性,在每个Dense block后加入1×1卷积,以降低通道数,减少网络参数量;接着使用改进后的DenseUnet对训练样本进行预训练,得到具有先验信息的预测图;最后,将Attention图、预测图及原始图像融合为三通道的训练样本作为输入,采用改进的DenseUnet训练分割模型,并在测试集上进行验证,最终实现脊椎CT自动分割。实验结果表明,所提方法的分割精度优于传统DenseUnet,是一种有效的脊椎CT自动分割方法。

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摘要

针对基于深度学习的传统方法对于次显著细节信息关注不足的问题,提出一种基于多尺度注意力机制的多分支网络来统筹图像的显著信息及次显著信息。首先,将多尺度特征融合方法(MSFF)与注意力机制相结合,设计了一个多尺度注意力模块(MSA),使得网络可以根据输入信息自适应地调节感受野大小,实现了对于不同尺度信息的充分利用。其次,建立一个多分支网络,实现对于全局特征和多元局部特征的协调统一,并利用多尺度注意力模块,分别实现对于全局显著信息及次显著局部细节信息的加权强化,得到更具判别性的特征用于最终的识别。实验结果表明,本文所设计的网络在多个数据集上都取得了较好的表现。

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摘要

定量相位显微技术容易受到环境扰动的影响。如何克服环境扰动对量化相位成像的影响,一直是相位成像领域研究的热点。着重介绍了物参共路数字全息显微技术和单光束定量相位显微技术。前者主要包括斐索干涉显微、Mirau干涉显微、离轴和同轴点衍射干涉显微、双球面照明的数字全息显微和空间复用数字全息显微;后者主要包括共轴数字全息和基于平行光照明、超斜照明和多点离轴照明的定量相衬显微。希望该综述能为构建高稳定性、实用化定量相位显微装置提供有益参考。

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摘要

介绍了高分五号全谱段光谱成像仪(VIMI)可见近红外波段星上定标组件的组成和工作方式,分析了VIMI发射后星上12次太阳漫反射板(SD)双向反射分布函数(BRDF)的量值衰减情况。对比SD反射率衰减监测仪(SDRDM)长期观测的太阳数据表明,不同监测波段探测器的衰减程度不同,其中900 nm监测波段的硅探测器衰减最大,约为4.3%。当入射角与观测方位夹角接近时,SD BRDF的衰减因子(H因子)变化很小。根据H因子的物理模型得到SDRDM实际监测的测量不确定度小于0.86%,满足小于1.5%的指标要求,且VIMI星上定标组件全寿命期输出光谱的辐亮度不确定度小于3.4%。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(20):2029001
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摘要

提出一种基于多层PtSe2/TiO2纳米棒(NR)阵列的肖特基结紫外光电探测器。多层PtSe2薄膜和TiO2 NRs分别由化学气相沉积法和水热法制备,通过湿转移法,即可获得具有上下结构的多层PtSe2/TiO2 NRs肖特基结器件。光电测试结果表明,所设计的器件对波长为365 nm的紫外光具有较明显的响应,开关比高达5.5×10 4,响应度和比探测率分别可达57 mA/W和8.36×10 11 Jones。此外,器件在空气环境中非常稳定,在空气中放置5周后,光电流基本没有下降。最后,对单个器件的图像传感特性进行研究,结果表明,PtSe2/TiO2探测器可用作图像传感器,能对简单的紫外图形进行成像。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(20):2025001
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摘要

离子迁移谱(IMS)是一种常压下快速、 高灵敏度的痕量化学物质检测方法, 广泛应用于化学战剂、 爆炸物和毒品等检测领域。 在离子迁移谱定性和定量分析中, 采集到的原始谱图除了包含样品自身信息外, 还包含了电噪声、 背景干扰等噪声, 特别是当分析物浓度低时, 噪声会严重影响定性和定量分析的准确性。 为提高离子迁移谱技术化学物质识别准确率, 需要对离子迁移谱谱图信号进行重构。 本文提出一种可同时实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取的新方法。 通过建立优化目标函数, 采用l1范数作为线性惩罚项, λ为正则化参数用来调节惩罚项在优化过程中的比例。 为了求解优化目标函数, 首先构造一个由Gaussian分布函数构成的超完备字典来表示离子迁移谱离子特征峰峰形, 采用替代函数方法对优化目标函数进行迭代求解, 当达到重构谱图与原始谱图均方根误差小于设定的阈值时停止迭代。 为了验证提出的方法性能, 分别采用仿真数据和甲基磷酸二甲酯(DMMP)样本数据进行验证, 其中仿真数据由高斯分布函数字典原子及高斯白噪声组成。 与此同时, 我们对仿真数据和真实样本数据分别采用小波软阈值、 小波硬阈值及S-G平滑滤波算法进行去噪重构。 采用均方根误差(RMSE)和信噪比(SNR)作为评价指标, 实验结果表明该方法成功实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取, 预处理结果比其他三种方法有显著的性能提升, 为开展离子迁移谱定性和定量分析研究提供了基础。

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摘要

报道一种基于45°辐射倾斜光纤光栅(RTFG)的全光纤偏振相关器件。由于独特的偏振相关模式耦合特性,其可作为一种理想的全光纤起偏器、偏振相关耦合器、全光纤衍射器。基于体电流法建立倾斜光纤光栅的偏振耦合理论,从理论和实验角度系统地分析45° RTFG的偏振辐射耦合、衍射分光及偏振特性。仿真结果和实验结果表明,45° RTFG的透射和辐射有良好的偏振功能。一根长度为24 mm的45° RTFG在波长为1550 nm处的偏振消光比(PER)为22 dB,3 dB带宽超过300 nm。通过制备不同长度的45° RTFG,可以实现具有不同PER的光栅。光栅的辐射模沿角向呈准高斯分布,沿轴向呈指数衰减分布,并且其空间衍射角色散约为0.054 (°)/nm。实验结果与理论结果完全匹配,45° RTFG具有潜在的应用前景。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(23):2306003
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摘要

道路湿滑程度是表征公路交通安全的重要指标,路面气象传感技术能准确检测道路积水和结冰的情况,进而定量分析临界滑水速度和路面附着系数等湿滑参数,通过实时调整车速甚至封闭道路,可有效预防交通事故。非接触式路面气象传感方法具有精度高、不破坏路基和安装灵活等特点,是目前的研究热点,但核心技术仍被国外垄断,设备价格十分昂贵。基于积水、结冰路面的红外反射光谱特征,利用1310 nm与1550 nm激光的反射光强,研究了一套水膜厚度检测及冰水状态判别的数学模型和探测方法。以此为基础建立了路面气象传感系统,并对系统的光学结构进行了仿真优化。实验结果表明,该系统的测量距离可达3~5 m,水膜厚度在9 mm下的测量误差小于0.1 mm,系统能够精准判别路面干燥、积水和结冰等气象状态,具备良好的实用价值。

PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(23):2312004
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摘要

The acceleration of polarized electrons, positrons, protons and ions in strong laser and plasma fields is a very attractive option for obtaining polarized beams in the multi-mega-electron volt range. Recently, there has been substantial progress in the understanding of the dominant mechanisms leading to high degrees of polarization, in the numerical modeling of these processes and in their experimental implementation. This review paper presents an overview on the current state of the field, and on the concepts of polarized laser–plasma accelerators and of beam polarimetry.

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    摘要

    对具有模式依赖损耗(MDL)的光纤模分复用(MDM)传输系统进行仿真,同时考虑了MDL与突发干扰对系统性能的影响。分析MDL对4×4 MDM传输系统的影响,同时施加不同强度的快速干扰。采用自适应算法,即最小方均(LMS)算法和递归最小二乘(RLS)算法,进行快速信道补偿,使用方均误差(MSE)计算信道补偿算法的性能。仿真结果表明:MDL使系统性能下降;LMS和RLS算法均能补偿动态干扰对系统的影响,但MDL使补偿后的系统性能变动较大,即MSE的方差变化较大。

    PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(23):2306006
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    摘要

    To determine whether a potassium dihydrogen phosphate (KDP) surface mitigated by micro-milling would potentially threaten downstream optics, we calculated the light-field modulation based on angular spectrum diffraction theory, and performed a laser damage test on downstream fused silica. The results showed that the downstream light intensification caused by a Gaussian mitigation pit of 800 μm width and 10 μm depth reached a peak value near the KDP rear surface, decreased sharply afterward, and eventually kept stable with the increase in downstream distance. The solved peak value of light intensification exceeded 6 in a range 8–19 mm downstream from the KDP rear surface, which is the most dangerous for downstream optics. Laser damage sites were then induced on the fused silica surface in subsequent laser damage tests. When the distance downstream was greater than 44 mm with a downstream light intensification of less than 3, there were no potential damage threats to downstream optics. The study proves that a mitigated KDP surface can cause laser damage to downstream optical components, to which attention should be paid in an actual application. Through this work, we find that the current manufacturing process and the mitigation index still need to be improved. The research methods and calculation models are also of great reference significance for related studies like optics mitigation and laser damage.

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      摘要

      Using the Dirac–Heisenberg–Wigner formalism, effects of the asymmetric pulse shape on the generation of electron-positron pairs in three typical polarized fields, i.e., linear, middle elliptical and circular fields, are investigated. Two kinds of asymmetries for the falling pulse length, short and elongated, are studied. We find that the interference effect disappears with the shorter pulse length and that the peak value of the momentum spectrum is concentrated in the center of the momentum space. In the case of the extending falling pulse length, a multiring structure without interference appears in the momentum spectrum. Research results show that the momentum spectrum is very sensitive to the asymmetry of the pulse as well as to the polarization of the fields. We also find that the number density of electron-positron pairs under different polarizations is sensitive to the asymmetry of the electric field. For the short falling pulse, the number density can be significantly enhanced by over two orders of magnitude. These results could be useful in planning high-power and/or high-intensity laser experiments.

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        摘要

        A single-frequency pulsed holmium-doped yttrium lithium fluoride (Ho:YLF) amplifier pumped by a Tm-doped fiber laser was demonstrated. The seed was an injection-seeded Q-switched Ho:YLF laser. The output energy from the single-frequency pulsed amplifier was 24.2 mJ, with a pulse width of 250 ns at a pulse repetition frequency (PRF) of 100 Hz. The energy stability during 30 min was improved to 1% after the single-frequency pulsed Ho:YLF laser was amplified. The line width of the single-frequency pulsed spectrum of the Ho:YLF amplifier was 2.81 MHz. The single-frequency pulsed Ho:YLF amplifier can be applied to differential absorption lidar (DIAL), since its output spectrum is around the P12 CO2 absorption line.

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          摘要

          为了实现对甲烷和二氧化碳双气体一体化测量,设计了以两个窄带中红外发光二极管(LED)作为甲烷和二氧化碳测量光源、以两个光电二极管(PD)作为探测器敏感元件的双LED-PD光学测量结构,研制了中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统。对谱线及光学器件的选择、双LED光源脉冲电流调制、温度补偿算法进行了研究。根据甲烷和二氧化碳气体的红外线吸收光谱特征进行光学测量结构的设计,利用LED器件高速响应特性完成双光源脉冲电流调制时序算法,即采用窄脉冲模式进行电流驱动。在温度实验分析的基础上,采用中值归一数据预处理得到温度影响因子,然后对温度影响因子进行线性拟合得出温度补偿算法。实验结果表明:传感系统的平均功耗低至38.3 mW;甲烷测量误差最小为0.06%(体积分数),二氧化碳测量误差最小为0.05%(体积分数),可满足煤矿中甲烷和二氧化碳双气体浓度低功耗、稳定可靠实时测量的要求。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(23):2330001
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          摘要

          甲烷是瓦斯的主要成分和温室气体之一,检测甲烷浓度对于工业生产安全和人员的生命健康保障均具有重要意义。本文设计了一种用于甲烷检测的共轴石英音叉增强光声光谱系统,利用石英音叉较高的品质因数克服了传统光声光谱技术中麦克风易受环境噪声干扰的缺点。设计了小型化气室,其体积仅为3 cm×2 cm×1 cm,简化了检测系统的结构。结合波长调制技术,分析了二次谐波信号幅值与调制深度的关系,实验得到的最佳调制电压幅度为0.175 V,对应的调制深度为0.169 cm -1。对甲烷浓度(体积分数为5×10 -4~5×10 -3)和二次谐波信号幅值进行拟合,线性度为0.99791;采用Allan方差分析了系统的稳定性,当平均时间为5 s时,系统的检测下限为4.337×10 -5。基于小体积光声池的光声光谱气体传感器具有体积小、质量轻、成本低的优点,更适合于便携式传感应用。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2430001
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          摘要

          量子密钥分配在实际应用中会受到有限探测器死时间的影响,当信号脉冲发送速率过大时,探测器测量失败的概率增加,安全密钥生成速率降低。对标记配对相干态光源下测量设备无关量子密钥分配的有限探测器死时间问题进行了分析。研究并仿真了安全密钥生成速率与信号发送速率的关系。考虑探测器死时间时,基于标记配对相干态光源的测量设备无关量子密钥分配协议的安全密钥生成速率比基于弱相干光源的测量设备无关量子密钥分配协议的安全密钥生成速率高。分析了有限探测器死时间τ分别为50,100,150 ns时安全密钥生成速率的情况。结果表明,有限探测器死时间越大,安全密钥生成速率的极限值越低。安全密钥生成速率的极限与有限探测器死时间的关系为8.1×10 3/τ。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2427001
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          摘要

          为了使折射率传感器具有高品质因子和高灵敏度,提出一种基于槽型光波导的一维光子晶体微环谐振器。该结构中两种不同状态的光模式在不同的光路上相互干涉而产生Fano共振,这种非对称线型的结构能够获得更高的消光比和品质因子,在折射率传感方面也有更好的灵敏度。采用时域有限差分法对结构进行分析和模拟仿真。仿真结果表明,所提结构的品质因子达到30950,比传统微环谐振器提高4倍以上;消光比为29.08 dB,比传统微环谐振器高出16.89 dB。在折射率传感特性的分析中,所提结构的灵敏度达到344 nm/RIU,比传统微环谐振器提高3倍;灵敏度检测下限为1.4×10 -4 RIU。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2413002
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          摘要

          提出一种基于集成光波导沟槽耦合器的超紧凑折射率传感器。该结构包括入射波导、反射波导及透射波导,亚微米宽的沟槽位于入射波导与反射波导的交汇处。入射波导中的导波光在沟槽侧壁发生受抑全内反射,使得一部分光经消逝场耦合进入透射波导,另一部分光被反射进入反射波导。透射光强度取决于消逝场耦合效率,而后者依赖于沟槽填充物的折射率,这意味着这种集成光波导沟槽耦合结构可作为微纳传感器用于实时探测液体折射率或溶液浓度。以氮化铝脊型波导为例,对这种新型折射率传感器进行仿真设计和仿真验证,经过结构优化,其折射率灵敏度可达207.05 %/RIU。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2413001
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          摘要

          首先采用藻类荧光产率模型,以荧光饱和参数Eσ作为饱和激发光强的判断标准,提出了一种激发光强自适应方法,以准确获取不同藻类的光合荧光参数。结果表明,7种藻经自适应调整后可快速而稳定地获得饱和激发光强,调整结果的相对标准偏差均小于2.5%。然后利用激发光强自适应的可变光脉冲诱导荧光(TPLIF)技术测量了7种藻的有效光吸收截面σPSII,并分析了不同门类藻的σPSII差异。最后采用TPLIF技术测量了不同生长时期的小球藻样品,记录了其荧光参数Fv/Fm值和变化趋势,并将其与光合活性分析仪Fast-Ocean的测量结果进行对比,结果发现两者测得的Fv/Fm值保持一致,相关系数为0.9939。本研究为不同生长时期(生长状态差异明显)、不同种类藻光合荧光参数的准确测量提供了有效的饱和激发手段。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2412001
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          摘要

          煤矸石分离对环境保护和资源高效利用具有重要意义,因此,提出了一种基于多光谱成像技术和目标检测的煤矸石智能分离方法。首先,在实验室搭建了煤矸石多光谱采集系统,共采集850组多光谱数据;其次,研究了多光谱中各波段煤矸石的识别率及相关性,从25个波段中选出3个波段构成伪RGB(Red,Green,Blue)图像;最后,用改进的目标检测模型YOLO v4.1检测煤矸石。实验结果表明,YOLO v4.1在测试集上检测煤和煤矸石的平均精度均值为98.26%,检测时间约为4.18 s。该方法不仅能准确识别出煤和煤矸石,还能获取两者的相对位置和大小,对煤矸石的分离操作具有重要意义。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2411001
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          摘要

          提出一种将卷积神经网络(CNN)学习特征与传统影像学特征结合的肺结节良恶性鉴别方法。首先,从电子计算机断层扫描(CT)图像中分割出肺结节区域,并使用传统机器学习方法提取结节区域的影像学特征;然后,使用截取的肺结节训练3D-Inception-ResNet模型,提取网络学习的CNN特征,组合两类特征,并利用随机森林(RF)模型进行特征选择;最后,采用支持向量机(SVM)、RF等传统分类器对肺结节进行良恶性鉴别诊断。使用LIDC-IDRI数据库中的1036个肺结节进行实验验证,最终所提方法的分类准确率、敏感度、特异度及接受者操作特性曲线(ROC)下面积(AUC)分别达94.98%、90.02%、97.03%及97.43%。实验结果表明,所提方法能准确地判别肺结节的良恶性,并优于大部分主流方法。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2410002
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          摘要

          21世纪初诞生的超分辨光学成像技术在生命科学研究中发挥着巨大作用,极大地增强了人们探索微纳尺度亚细胞结构的能力,然而这些成像技术往往耗时长,成本高。如今,许多研究者致力于基于深度学习的图像超分辨重建算法的研究中。利用自主搭建的随机光学重构超分辨显微镜获得细胞微管骨架超分辨图像,然后采用双线性插值降采样法处理得到低分辨率输入图集,再分别使用传统的三次样条插值法和增强型深度超分辨率神经网络进行学习训练,实现低分辨率图像的超分辨重建。结果表明:通过深度学习所重建的各种降采样的图像效果均优于采用传统插值法得到的图像效果,尤其是二倍降采样重建图像在主观和客观评价指标上可比拟实验获得的微管骨架超分辨图像。基于增强型深度超分辨率神经网络的细胞骨架图像超分辨重建有望提供一种简捷、有效和高性价比的成像方法,可应用于对细胞骨架超微结构的快速预测。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2410001
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          摘要

          提出一种基于光子晶体光纤(PCF)的光纤迈克耳孙干涉仪,传感器结构由单模光纤(SMF)与一段PCF熔接构成。SMF与PCF之间的粗锥作为耦合器,既能激发出PCF中的高阶包层模,又能耦合PCF端面反射回的纤芯基模与高阶包层模,形成模间干涉。由于PCF中的空气孔全部暴露在环境中,湿气与光纤充分作用,有效提高了传感器的湿度灵敏度。传感实验结果表明,在30%~90%的相对湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为-0.095 dB/%,线性拟合度为0.998;在20~100 ℃的温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm/℃,线性拟合度为0.997,温度引起的湿度测量误差为0.01%/℃;稳定性实验结果显示,该传感器的湿度测量标准误差为0.25%;呼吸测试表明,传感器的响应时间为190 ms。所设计的传感器结构简单、制作简便、灵敏度高、稳定性好、响应快,在湿度监测领域有较好的应用前景。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2406002
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          摘要

          通过构建人工神经网络模型估算中国西北高原地区近地面光学湍流。对多层感知器(MLP)的结构进行优化,其输入层包括10个特征,隐含层包括40个神经元。探讨已建多层感知器的性能,结果表明:当训练集和测试集来自同一地区时,模型的平均相对误差为1.34%,折射率结构常数的实测值和估计值的拟合优度为0.94;当训练集和测试集来自不同地区时,多层感知器的泛化能力需进一步提高。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2401002
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          摘要

          涡旋光束在大气中传输时的湍流效应导致其轨道角动量发生串扰,传输质量下降。为了有效减小光波在大气传输中的湍流影响,探索减缓湍流效应的措施,利用螺旋谱分析理论,研究了各向异性非Kolmogorov大气湍流及光束参数对聚焦贝塞尔光束的螺旋谱展宽和接收功率的影响。结果表明,光束的波长、拓扑荷数、束腰半径、宽度参数以及湍流的强度、各向异性程度、内外尺度均会对接收功率产生影响。通过多层相位屏模拟法对比研究了聚焦与准直贝塞尔光束的螺旋谱分布情况,分析得出聚焦贝塞尔光束的接收功率更高、串扰功率更低。

          PDF全文HTML全文 光学学报 | 2020,40(24):2401001
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          摘要

          本文报道一种mHz-MHz宽频段激光噪声的规范测量技术。通过研制基于迈克尔逊光纤干涉仪的相关延时自外差频率噪声测量装置和具有定标功能的光外差拍频测量装置,结合频谱分析仪和快速傅立叶变换分析仪等标准仪器,规范地测量出了单频激光在[mHz,MHz]宽频段内的频率和强度噪声特性,并验证了测量结果的准确性。该测量技术可望用于引力波探测和精密测量等应用中的激光噪声评估。

          PDF全文 中国激光 | 2021,48(03):030102
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          摘要

          本文报道一种自主设计研制的面向Rb原子精密测量应用的780 nm高功率激光源样机。该样机采用线偏振、窄线宽且频率可宽带调谐的单个1560 nm光纤激光器作为种子源,通过有效提升光纤放大器的输出功率,经PPLN倍频产生的780 nm激光功率高达2.25 W。采用边带锁定的饱和吸收稳频技术,高功率780 nm激光中心频率可长期稳定在150 kHz以内,且可精确调谐1.2 GHz,线偏振度高达23 dB。该样机操作方便、可搬运,非常适合于

          PDF全文 中国激光 | 2021,48(05):050101
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          摘要

          高光谱图像聚类问题一直是图像处理领域的一个热点。谱聚类算法是最流行的聚类算法之一,广泛应用于高光谱图像聚类中。然而,因谱聚类算法的计算复杂度较大,导致难以处理大规模的高光谱图像数据。由于二叉树能够较快的选取锚点,同时基于二叉树锚点图充分利用了高光谱图像的光谱和空间特性,保证了聚类性能又降低计算复杂度。然而该聚类算法一般采用有核的聚类方法,因此不可避免的引入了参数调节。因此,在二

          PDF全文 激光与光电子学进展 | 2021,58(02):021021
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          摘要

          在可见光定位系统中,需要接收端捕获来自不同参考光源的可见光信号,进而根据已知的参考光源位置信息,通过预设的可见光定位算法来估计接收端的位置坐标。在上述定位过程中,通常假设光源为朗伯型光源,即光源的光波束符合朗伯规律。实际上,为实现特定照明效果,固态光源厂商经常通过改进分装工艺、加装二次光学透镜等途径来对光波束进行再次塑造,从而获得多样化空间光波束。一般来说,此类光波束并不遵从朗

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(05):052301
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          摘要

          强耦合腔量子电动力学(Cavity Quantum Electrodynamics, 简称C-QED)系统主要研究受限空间中的光与物质相互作用的物理现象。该系统为深入认识原子与光子相互作用的动力学行为提供了有力工具,是研究光与物质相互作用及其交叉领域研究的重要平台。高精细度法布里-珀罗光学微腔(Fabry-Pérot Cavity, 简称F-P腔)作为强耦合C-QED系统的核心部分,是实现光与物质强耦合,探索极端条件下光与物质相互作用、实现原子的

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):012701
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          摘要

          以微带为代表的传统微波传输线缺乏对电磁模式精细操控的能力,导致传统电子信息系统在空间耦合、动态响应和性能鲁棒性等方面存在瓶颈。人工表面等离激元超材料具有从物理层打破上述瓶颈的能力,因此成为光学与信息领域的研究热点之一。人工表面等离激元超材料是一类模拟光频段表面等离激元特性、在微波和太赫兹频段精细操控表面波的新型超材料,不仅可灵活调控电磁波,而且具有与平面电路相似的构型特性,因此

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):012401
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          摘要

          超疏水表面由于具有广泛的应用前景引起了研究者的关注。与传统微纳加工方法相比,飞秒激光技术具有加工材料广,加工精度高,可控性强等优势,目前成为制备超疏水表面的一种有效途径。本文介绍了飞秒激光微纳加工的特点,总结了近些年来采用飞秒激光技术在不同材料表面构筑超疏水表面的研究进展,并对其相应应用进行了介绍,最后探讨了该领域目前存在的问题及未来发展方向。

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):011403
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          摘要

          光学显微镜具有无损、样品友好、速度快等优点,一直是人类探索微观世界的主要手段。但是,由于受到衍射极限限制,长期以来,光学成像系统的分辨率最高仅能达到可见光半波长量级,逐渐成为科学技术发展的桎梏。荧光超分辨光学显微成像技术利用荧光非线性效应,打破了光学衍射极限,填补了电子显微镜(~1nm)和普通可见光学显微镜(200-250nm)之间的空缺。然而,对于大多数样品特别是非荧光标记样品而言,利用

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):011101
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          摘要

          由于散射光相位变化对于外部扰动极其敏感,相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术具有高动态响应、超高灵敏等特点,使得其相对于现有的其他分布式光纤传感技术在环境适应性与光缆布设的便捷性方面有明显的优势。本文介绍Φ-OTDR系统的原理、结构、性能和应用情况,并对其发展趋势进行展望。

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):010604
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          摘要

          在多媒体和数据应用程序快速扩展以及驱动骨干网带宽需求量迅速增长的网络背景下,时分、波分、偏分复用技术与多级调制方式使得大容量传输系统中单模光纤容量快速接近香农理论极限。空分复用技术(SDM)可以突破该限制,为未来光纤容量增长提供新的解决方案。本文通过讨论多芯光纤、少模/多模光纤和少模多芯光纤三种SDM技术方案来详细介绍SDM光纤的研究进展及研究方法,同时对三种光纤方案进行对比以表明各种方案

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):010603
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          摘要

          小目标检测存在目标特征容易丢失、分辨率低的问题。针对像素占比小于0.02的小目标,本文提出一种改进YOLO-V3卷积神经网络的检测方法。首先,本文对数据集中小目标进行了复制变换增强,以提升训练过程中网络小目标的注意力。其次,针对浅层视觉信息与深层语义信息的尺度融合,提出了跨级检测层的网络结构来提高网络对小目标的适应能力。最后,针对高分图像的检测效果,提出了深度和广度结合的残差块组传递结构

          PDF全文 激光与光电子学进展 | 2021,58(06):061012
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          摘要

          随着激光技术的不断发展,超强激光脉冲驱动的离子加速研究吸引了国内外科学家们的广泛关注,相继在离子能量提升、发散角控制和单能性提高等方面取得了一系列重要进展。本文通过回顾激光驱动离子加速的研究历程,对离子加速的主要作用机制、基本理论模型、数值模拟和实验研究等作了详细阐述。同时,文章对激光驱动离子加速的重要应用作了归纳总结。

          PDF全文 中国激光 | 2021,48(04):0401014
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          摘要

          绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器。绝对重力测量是指对地球表面重力加速度g值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用。历史上最早的绝对重力测量约在1590年。1590年到1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量。自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):010202
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          摘要

          振镜扫描系统由于其高速、高精度等优点被广泛应用于激光快速成型、激光精密打标、激光扫描测量等诸多领域。其中,振镜扫描技术与线结构光测量技术的结合为实现高速高精度的三维扫描测量提供新的途径,但由于振镜系统的引入而导致的系统测量误差却鲜有研究。首先搭建了线激光一维振镜扫描系统并使用一基于双棋盘格标定板的标定方法进行了系统标定。建立了系统的误差模型并对扫描过程中的测量误差进行了理论分析

          PDF全文 光学学报 | 2020,40(23):231501
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          摘要

          提出了一种采用单个光调制器产生频率稳定、偏振复用的矢量毫米波信号新方案。通过将双极化马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)和偏振复用16阶正交幅度调制(PDM-16QAM)格式相结合,最大实现了64 Gbit/s@28 GHz PDM-16QAM信号在系统链路中的有效传输,并将误码率控制在4.2×10-2以内。系统结构简单,频谱效率高,传输速率上有了较大的增加,在未来光载无线通信网络中具有巨大的应用价值。

          PDF全文 光学学报 | 2020,40(23):230602
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          摘要

          光与物质的相互作用一直是科学的主旋律之一。随着超强超短激光技术的快速发展,如今人们可以研究单个原子的内部世界,并调控光与电子的相互作用,从而实现了探索原子内电子的超快动力学过程。强激光诱导的原子隧道电离是众多强场物理现象的基石,具有重要的研究意义,也是研究前沿的热点之一。在本文中,我们将综述强场原子隧道电离的最新研究进展。第一部分包括隧道电离在自然坐标系(即抛物坐标系)中的非绝

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):010201
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          摘要

          利用差分拉曼光谱技术和决策树模型,建立了常见鞋底材料种类鉴别的分类模型,为鞋底材料种类鉴别提供了一种新的方法。通过前期谱图预处理后,根据样本主要成分的不同对样本进行分类,再利用主成分分析和层次聚类分析验证分类结果,基于分类结果建立了分类树模型,最终对36个样本实现了准确率为97.2%的识别分类,且正确鉴别出3个未知样本。结果表明,利用差分拉曼光谱技术和决策树模型可实现对鞋底样本光谱较为

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          摘要

          目前涉及公共安全领域非法入侵事件的数量也随着急剧增加,迫切需要新型传感技术来侦测非法入侵事件。传统视频、光纤监测方法对事件定位精度较低,难以对复杂事件实时主动捕捉和分析;传统方法对事件行为模式识别不准确,人工监守强度大;且传统单一技术分离监测,缺乏多参量融合感知能力。针对精确定位、准确识别、多参量融合等瓶颈问题,天津大学、天地伟业公司等研究机构提出了光电信息事件识别感知关键技术

          PDF全文 光学学报 | 2021,41(01):010602
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          摘要

          皮肤胆固醇可作为评价动脉粥样硬化的重要指标之一,现有的研究主要基于实验室活检分析,缺少快速、无创检测技术和装备。针对以皮肤胆固醇为评价指标的动脉粥样硬化早期快速筛查需求,研究了基于荧光光谱法的皮肤胆固醇快速无创检测方法,研发了一种皮肤胆固醇无创检测系统。为提高测量的准确性和稳定性,系统对温度引起的检测试剂荧光效率的波动进行了修正,结合气相色谱法对测量结果的准确性进行验证,并通过

          PDF全文 中国激光 | 2021,48(03):030701
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          摘要

          基于弹道粒子-团簇模型,模拟多分散生物凝聚粒子模型,利用离散偶极子近似方法,计算不同孔隙率、不同原始颗粒数量、不同粒径分布方式多分散生物凝聚粒子模型的消光系数,分析孔隙率、颗粒数和粒径分布对凝聚粒子消光特性的影响。结果表明,多分散生物凝聚粒子的消光系数随孔隙率的增大而减小;凝聚粒子包含的原始颗粒数量越多,粒径分布的均值越大,消光系数越大;粒径分布的方差对消光系数没有明显的影响。

          PDF全文 中国激光 | 2021,48(04):040108
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