水下邻域声场的高精度重建对研究分析邻域声场结构特点和提升水声传感性能有重要意义。在激光束宽度远小于声波波长的条件下，激光束穿过声场的偏转效应既携带了声场声压信息，也携带了梯度信息，这为直接引入Kirchhoff积分定理进行声场重建计算提供了数据传感基础。在此基础上，利用激光传感声场的稠密性，引入虚拟扩展声场孔径的计算方法，进一步接近了Kirchhoff积分定理对无穷大积分区间的理论要求。在水下邻域空间，对提出的声场重建思路和方法进行了验证。实验结果表明，与直接进行声全息的方法相比，所提声场重建方法的峰值信噪比提高了约5.5 dB，为高精度邻域声场传感器的开发提供了可行新思路。
激光偏转 光学声场重建 声全息 边界延拓 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0501003
南京信息工程大学遥感与测绘工程学院，江苏 南京 210044
卷积神经网络（CNNs）在高光谱图像分类中已经取得了令人瞩目的成果。但由于卷积运算的局限性，CNNs并不能很好地进行上下文信息交互。为了解决远距离捕获高光谱序列关系的问题，本文将Transformer用于高光谱分类。提出了一种基于Swin Transformer的多尺度混合光谱注意力模型（SMSaNet）。在提出的SMSaNet中使用多尺度光谱增强残差融合模块和光谱注意力模块对光谱特征进行建模，使用改进的Swin Transformer模块来提取空间特征，最后使用全连接层实现对高光谱图像的分类。在两个公开数据集Indian Pines和University of Pavia上将SMSaNet与其他5种分类方法进行对比实验，结果表明SMSaNet获得了最优的分类效果，总体分类精度分别达到了99.51%和99.56%。
图像处理 高光谱遥感 残差网络 注意力机制 Transformer 感受野 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1228002
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
拉曼光谱是一种新型且强大的月球与深空探测工具。介绍了深空拉曼光谱技术的原理及技术特点，梳理了国际上深空拉曼光谱技术的发展现状，介绍了目前国际上在研/在轨的5台拉曼光谱载荷的设计情况。在此基础上，对深空探测拉曼光谱技术的关键问题进行了分析总结，对该技术的下一步发展进行了展望。
光学设计 光谱测量 拉曼光谱 月球与深空探测 激光光谱 光栅光谱仪
向空间扩展维度的通信模型是进一步提升无线通信容量的重要研究方向。然而，空间维度上的正交信道构建主要还存在两方面的理论问题：一是病态问题；二是稀疏问题。针对上述两个问题，提出了一种新型空间维度扩容通信模型。该模型基于声光效应采用激光器扩展空间维度，利用优化算法设计稀疏阵列布局，采用聚类算法确定最优分布。通过仿真计算模型实例，可得其条件数为25，经聚类分析后仅需4个激光接收器，便可替代原88个单元天线，组成接收阵列。该模型对提升无线通信容量有着重要研究意义，为搭建水下远距离大容量的轻巧一体化通信系统提供新思路，并为无线通信模型的理论发展储备基础性研究。
激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2307001
1 天津大学海洋科学与技术学院，天津 300072
2 四川永星电子有限公司，四川 成都 610000
3 深圳市联影高端医疗装备创新研究院，广东 深圳 518045
高分辨感知声波相位是实现水下声学目标跟踪与定位的核心问题之一。传统方法基于压电效应完成目标信号的相位感知，在传感机理上存在相位分辨率相对较低、障板干扰、声波振动起讫点不明等问题。本团队提出了基于声光效应的新型激光阵列水声相位高分辨传感方法，并设计了由5束平行激光组成的阵列传感装置(装置孔径为340 mm)，并于消声水池条件下验证了该装置的有效性。实验结果显示，本方法的水声相位感知分辨率优于1°，水下目标跟踪的角度分辨率优于0.05°。该方法为新型水下目标高分辨跟踪定位技术的发展提供了研究储备。
传感器 声光效应 光学传感 Raman-Nath衍射 广义互相关 声学跟踪 中国激光
2022, 49(18): 1810004
1 深圳大学 物理与光电工程学院 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学 信息工程学院，广东 深圳 518060
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
对于稀土离子掺杂的上转换发光，由于稀土离子吸收截面小、吸收范围窄，导致其发光强度受限。最近，在稀土上转换纳米粒子的表面连接近红外染料分子敏化发光，被证实是提高上转换发光强度的有效策略。然而，将染料分子连接经典的稀土Yb掺杂纳米粒子，并不能有效利用染料分子的敏化能力。针对这一问题，本文通过高温热分解法成功制备了Nd3+敏化的核/壳/壳 (NaYF4:Yb/Er (20/2%)@ NaYF4:Yb (10 %)@ NaYF4:Nd (80 %))纳米结构，与经典的IR-806敏化的NaYF4:Yb/Er纳米结构相比，IR-806敏化的Nd3+掺杂的核/壳/壳纳米结构的上转换发光(500~700 nm)强度增强了约38倍。通过荧光光谱及荧光寿命分析证实，上转换发光强度增强源于Nd的吸收与近红外染料分子的有效交叠，以及壳层结构对发光中心的保护作用(Er3+ (4S3/2→4I15/2)的寿命延长了1.7倍)。另外，研究发现纳米壳层结构中最外层掺杂的Yb3+离子将导致染料敏化发光减弱。进一步，这种IR-806敏化的Nd掺杂的核/壳/壳纳米结构可实现增强发光中心为Ho及Tm的上转换发光。本文研究为提高染料敏化上转换发光及应用提供了新途径。
上转换发光 稀土离子 染料敏化 纳米粒子 upconversion luminescence dye-sensitized lanthanide ion nanoparticles
传统的海水声速测量方法是基于压电效应发展起来的，该方法在测量飞行时间和飞行距离时，因时间起始点不确定而存在误差，无法实现高精度的声速测量。为了解决此问题，本文提出了一种基于光频梳和超声脉冲之间声光效应的水下声速测量方法，同时引入声光效应理论，在声场和激光之间建立清晰的相互作用标识点。通过搭建双迈克耳孙干涉仪系统，测量超声脉冲穿过两个测量臂时产生的光脉冲标记，并分别使用互相关技术测量了超声波传播的时间和距离。该方案溯源清晰，精度提升空间大。实验结果表明，该实验系统可以实现水下声速的高精度测量，测量不确定度为0.023 m/s，有望成为一种用于测量水下声速的新型校准设备。
测量 声光效应 光学频率梳 脉冲互相关 溯源性 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1112006
1 深圳大学物理与光电工程学院 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室， 广东 深圳 518060
2 深圳大学 信息工程学院， 广东 深圳 518060
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室， 吉林 长春 130033
单带上转换红光发射在高分辨生物标记及三维彩色显示方面具有重要应用。本文针对Ho3+/Ce3+共掺杂纳米体系单带上转换红光较弱的问题，设计制备了染料(IR-806)敏化的NaYF4∶Yb/Ho/Ce(20%/2%/10%) @NaYF4∶Nd(20%)纳米晶，显著增强了上转换红光发射。采用溶剂热法制备了均匀的上转换纳米粒子，通过调控核内部Ce3+离子掺杂浓度比例(0~10%)逐步获得单带上转换红光发射。在此基础上，通过上转换纳米粒子表面连接近红外IR-806染料分子，808 nm激发下其上转换发光强度提高了约22倍，特别地，红绿荧光强度比从4.8增至8.4。结果表明，染料敏化可用于增强上转换单带红光发射，并提高红光色纯度，这有利于高清晰的生物成像应用。
上转换发光 单带红光发射 染料敏化 纳米粒子 upconversion luminescence single-band red emission dye-sensitization nanoparticles
基于光学频率梳与超声脉冲之间的声光效应, 提出了一种海水声速直接测量的方法。根据光学频率梳模间拍频的相位测量了超声脉冲的飞行距离,根据脉冲声光效应引起的零级光的强度变化测量了超声脉冲的飞行时间。搭建了基于马赫-曾德尔干涉仪的测量装置。实验结果表明,该方法可以在实验室条件下实现高精度的海水声速测量,测量不确定度优于5 cm/s。
测量 海水声速测量 脉冲声光效应 飞秒光学频率梳模间拍频 海洋计量
天津大学 海洋科学与技术学院, 天津 300072
散射介质对光的随机散射作用是制约其光学聚焦和成像的重要因素, 光学相位共轭技术能够通过对散射光场共轭还原实现透过散射介质的光学聚焦和成像, 其中散射光场相位的获取是共轭还原的核心。阐述了偏振相移的基本原理, 将偏振相移与相位共轭技术相结合, 设计了新的基于偏振相移的数字光学相位共轭系统。采用633 nm的HeNe激光器作为系统光源, 毛玻璃作为散射介质开展散射光聚焦实验研究。实验结果表明: 该装置能够成功实现透过散射介质的光学聚焦, 其中聚焦点与背景光强的比值可达约400倍。
相位共轭 偏振相移 数字全息 散射光聚焦 phase conjugation polarization phase shifting digital holography focusing of scattering light
