1 山西大学 激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
3 中石油化工股份有限公司石油化工科学研究院, 北京 100083
4 中国兵器科学研究院, 北京 100089
5 山西新华防化装备研究院有限公司, 山西 太原 030041
6 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
7 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司, 山西 太原 030032
为了消除激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）中的自吸收效应，提高元素定量分析的精确度，同时满足工业中便捷分析元素的要求，需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术（self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy，SAF-LIBS）的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术，使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度，并将声光调制器（acousto-optic modulator，AOM）作为门控开关，从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器（intensified charge coupled device，ICCD）和中阶梯型光栅光谱仪，实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积，降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后，对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明，等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1 ~ 50 kHz激光重复频率范围内，Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱，确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下，Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小，在45°处信噪比最高，且在一定的积分时间下，最佳光学薄时间tot为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下，对Al元素进行定量分析和预测结果表明，Al元素定标曲线的线性度R2为0.982，平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽，同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点，有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。
激光诱导击穿光谱 自吸收免疫 光学薄 高重频激光器 声光门控 laser-induced breakdown and spectroscopy self-absorption free optically thin high repetition rate laser acousto-optic gating
长光卫星技术股份有限公司，吉林 长春 130033
为解决传统柔性支撑中小口径空间反射镜组件热稳定性与结构刚度间的矛盾，提出了一种新型刚性支撑结构，并为某高分辨率空间相机研制了通光口径?214 mm的高精度次镜组件。采用“镜体-锥套-支撑筒-刚性基板”组合，通过延长、优化热应力在组件内部的传递路径实现了消热目的。刚性支撑次镜组件重2.6 kg、4 ℃均匀温升工况下面形变化均方根（RMS）仿真值为2.573 nm，装调重力工况下镜体倾角和位移分别为2.028″、0.566 μm，与传统柔性支撑方案相比具有突出的优势。实测次镜的面形精度RMS为0.0181λ（λ=632.8 nm），在16 ℃及24 ℃时次镜面形变化量不超过0.0025λ；组件基频达到502.1 Hz，在快速高低温循环及大量级振动后次镜面形基本维持不变；装配容差测试中，次镜在0.02 mm不平度的作用下仅发生微弱变形。刚性支撑结构可以显著提升中小口径反射镜工作性能，在遥感器光机结构研制领域内具有广阔的应用前景。
空间光学 反射镜 刚性支撑 消热 面形精度稳定性 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0522005
1 中北大学半导体与物理学院, 山西 太原 030051
2 山西大学激光光谱研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006山西大学, 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
3 中国兵器科学研究院, 北京 100089
4 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
由于等离子体是激光诱导击穿光谱（LIBS）的光谱源, 其内部粒子的分布结构将直接影响LIBS谱线的信噪比, 因此研究等离子体粒子分布结构和动态膨胀过程对提高LIBS的定量测量精度具有指导意义。 利用时间、 空间、 波长分辨的双波长差分成像技术分析激光诱导铝锡合金产生的二元等离子体, 获取等离子体内各态粒子发射率的时空分布图像, 以期探索不同激光支持吸收波（LSAW）类型的等离子体内各态粒子时空分布结构的演化机制。 实验通过低、 高激光辐照度的脉冲激光, 分别构建了激光支持燃烧波（LSCW）和激光支持爆轰波（LSDW）型等离子体。 通过观察等离子体的形态、 内部结构、 粒子分布、 粒子寿命, 结合元素的物理性质及谱线属性, 分析了激光与金属及等离子体之间的相互作用, 形成了二元激光等离子体的时空演化机制。 结果表明: （1）激光辐照度会改变等离子体的粒子分布结构; （2）低辐照度激光诱导产生的LSCW型等离子体内部有明显的层状分布, 激光主要吸收区位于蒸汽等离子体, 此时粒子的寿命较短, 分布结构主要依赖于元素熔点, 低熔点元素会先从难混溶合金表面熔化并析出, 分布于蒸汽等离子体顶部; （3）高辐照度激光产生等离子体的传播模型为LSDW型, 其内部蒸汽等离子体与冲击气体层有很大的混合区域, 激光主要被冲击气体层所吸收, 此时粒子寿命延长, 分布结构主要依赖于元素的相对原子质量。 高激光辐照度会使难混溶合金表面烧蚀区域内的粒子同时汽化, 粒子速度与相对原子质量的平方根成反比, 即相对原子质量小的粒子飞行速度快, 分布在蒸汽等离子体顶部。 以上等离子体粒子分布结构的时空演化机制有望普适于其他元素甚至多元等离子体情形。
激光诱导击穿光谱 激光支持燃烧波 激光支持爆轰波 粒子分布 Laser induced breakdown spectroscopy Laser supported combustion wave (LSCW) Laser supported detonation wave (LSDW) Species distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2067
1 河北工程大学 数理科学与工程学院, 河北 邯郸 056038
2 河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心, 河北 邯郸 056038
3 河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心, 河北 邯郸 056038
4 河北省煤矿智能化工程研究中心, 河北 邯郸 056038
在路面裂缝的检测中, 传统人工检测的方法准确性低, 效率低, 且单目视觉技术无法准确获得深度信息, 只能得到二维平面信息。基于此, 文章引入了双目线结构光技术, 提出了一种基于地面平均高度的三维裂缝提取算法, 实现了裂缝的三维信息采集。算法提取图像中每列像素值中最低点为起点, 向左右扩散形成一个边缘提取范围, 计算该列边缘提取范围以外的像素平均值作为地面平均高度值, 然后以最低点为中心开始遍历每个像素值, 当左右两边像素超过地面平均高度值时, 则确定两个像素点为裂缝边缘。整合所有列, 实现整条裂缝边缘的提取。实验结果表明: 文章提出的裂缝识别算法能够较为准确的对裂缝边缘进行提取, 通过与Canny边缘提取算法对比, 数据表明, 文章算法在连续性上表现更好, 本文算法的图像水平相关性数据总体都高于Canny边缘提取算法, 平均提高了30%。
双目视觉 图像处理 裂缝尺寸测量与计算 线结构光 binocular vision Image processing Crack size measurement and calculation Linear structured light
1 上海航天设备制造总厂有限公司, 上海 200000
2 复旦大学航空航天系, 上海 200000
3 沈阳飞机设计研究所, 沈阳 110000
针对舰载机无人机协同起降场景给出了舰载无人机编队起飞、返航过程中的任务剖面。提出了各飞行阶段的航线设计要求, 对起飞等待阶段、进近等待阶段、下滑着舰阶段以及复飞等待阶段的舰载无人机飞行航线分别进行了设计, 得到舰载无人机编队自主协同起降的全过程飞行航线及其相应的飞行关键点。最终, 通过Matlab对所设计的航线进行了仿真验证, 仿真结果验证了所设计的飞行航线符合相应的设计要求。
舰载无人机 编队起降 航线设计 马歇尔等待航线 carrier-based UAV formation take-off and landing route design Marshall waiting route
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 北京理工大学光电学院，北京 100081
3 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
4 32215部队
大气折射率结构常数是反映湍流强度变化状况的重要大气参数。针对反演时所需初始输入数据多、未运用单一类型数据反演的问题，提出一种以整层大气相干长度和整层大气等晕角数据为输入反演的新方法。基于广义的Hufnagel-Valley（HV）湍流模型，推导出和之间的理论关系式，以新疆南山实测的和数据为基础，反演计算得到广义HV模型的七个参数进而计算出廓线，再将七个参数值代入推导出的、理论关系式计算出单日值。仿真计算结果表明，拟合出的平均廓线和单日廓线，其变化趋势与香河模型相比，一致性较好，吻合度较高；单日计算值与实测值之间的日相关系数平均值达到了81.95%，最高达87%。该结果验证了所提方法的可行性，为研究廓线的反演提供了参考。
大气光学 大气湍流 大气折射率结构常数 大气相干长度 等晕角 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2101003
1 1.山东大学 新一代半导体材料研究院, 晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
2 2.齐鲁工业大学(山东省科学院) 材料科学与工程学院, 济南 250353
相比于第一代和第二代半导体材料, 第三代半导体材料具有更高的击穿场强、电子饱和速率、热导率以及更宽的带隙, 更适用于制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件、光电子器件和发光器件。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表之一, 是制作蓝绿激光、射频微波器件和电力电子器件的理想衬底材料, 在激光显示、5G通信、相控阵雷达、航空航天等领域具有广阔的应用前景。氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)方法因生长设备简单、生长条件温和和生长速度快而成为制备GaN晶体的主流方法。由于普遍使用石英反应器, HVPE法生长获得的非故意掺杂GaN不可避免地存在施主型杂质Si和O, 使其表现出n型半导体特性, 但载流子浓度高和导电率低限制了其在高频大功率器件中的应用。掺杂是改善半导体材料电学性能最普遍的方法, 通过掺杂不同掺杂剂可以获得不同类型的GaN单晶衬底, 提高其电化学特性, 从而满足市场应用的不同需求。本文介绍了GaN半导体晶体材料的基本结构和性质, 综述了近年来采用HVPE法生长高质量GaN晶体的主要研究进展; 对GaN的掺杂特性、掺杂剂类型、生长工艺以及掺杂原子对电学性能的影响进行了详细介绍。最后简述了HVPE法生长掺杂GaN单晶面临的挑战和机遇, 并展望了GaN单晶的未来发展前景。
氮化镓 氢化物气相外延 掺杂 晶体生长 综述 gallium nitride hydride vapor phase epitaxy doping crystal growth review
1 河北工程大学数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
2 河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心（筹），河北 邯郸 056038
3 河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心，河北 邯郸 056038
4 河北省煤矿智能化工程研究中心，河北 邯郸 056038
针对现有线结构光对复杂物体进行三维重建时存在信息缺失的问题，分析遮挡导致信息残缺的机理，定量分析线结构光系统参数和遮挡残缺之间的关系，提出一种长短基线结构光交叉补缺重建方法。基于双目线结构光硬件设备，构建了双目长基线和左右单目短基线3套不同基线的线结构光系统，对物体进行图像采集和三维重建。重建结果融合了双目、左目、右目图像的重建结果，实现了信息补缺，较好地改善了线结构光对具有复杂表面的物体进行三维重建时存在信息缺失的问题。实验结果显示，相比于传统双目线结构光，所提双目线结构光融合重建技术的重建缺失阈值从4.28 mm降低为2.14 mm，信息重建完整率从88%提升到92%，分别采集了充电器、盒子、开发板的三维数据，最高能够实现94%的信息重建。所提双目线结构光融合重建技术在不改变双目线结构光硬件设备的基础上，增加了信息采集完整度，拓宽了应用范围。
线结构光 双目 三维重建 表面突变 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1611001
山东大学，新一代半导体材料研究院，晶体材料国家重点实验室，济南 250100
氮化铝(AlN)是直接带隙半导体，具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率［3.2 W/(cm·K)］、高表面声波速率(VL= 10.13×105 cm/s，VT=6.3×105 cm/s)、高击穿场强和稳定的物理化学性能，是紫外/深紫外发光材料的理想衬底，由此制作的AlxGa1-xN材料，还可以实现200~365 nm波段内的连续发光；可以制作耐高压、耐高温、抗辐射和高频的电子器件，是具有巨大潜力的新一代半导体材料。本文介绍了物理气相传输法异质外延生长AlN单晶的原理，并从碳化硅(SiC)衬底上AlN单晶生长研究历程、AlN/SiC衬底生长AlN晶体以及偏晶向SiC衬底生长AlN晶体3个方面综述了SiC衬底上异质外延生长AlN晶体的研究进展。最后简述了SiC衬底上生长AlN单晶面临的挑战和机遇，展望了AlN材料的未来发展前景。
氮化铝单晶 碳化硅衬底 物理气相传输法 异质外延 aluminum nitride single crystal silicon carbide substrate physical phase transport heteroepitaxy
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院 航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春130033
在某型面阵分幅步进成像的航空光电载荷中，俯角分幅步进控制系统存在位置给定突变以及电机启停导致机身整体微晃动的问题，使系统调整时间延长超过时序控制并影响成像效果。提出了串级动态复合限幅控制方法，在带有Anti-Windup的主副回路串级控制基础上，根据“一周拍照开始信号”和“位置/速度控制信号”动态规划电压限幅和速度限幅的幅值，实现对步进给定突变的自适应以及根据需要减小机身整体微晃动影响，最终满足载荷时序控制要求。控制实验测试及动态成像实验表明：在该航空光电载荷俯角分幅步进控制系统采用串级动态复合限幅控制后，实现了拍照段步进位置和返程段回位控制的快速性和稳态性能，拍照段位置步进控制的稳态调整时间缩短了26.56%，返程段位置回位控制的稳态调整时间缩短了18.47%。该方法满足载荷时序控制要求，提高了动态成像的横向像移补偿效果。
航空光电载荷 航空相机 限幅 抗饱和 串级控制 airborne optical electronic load aerial camera amplitude limitation anti-windup cascade control 光学 精密工程
2023, 31(13): 1922
