柔性光子器件不受传统光电子器件刚性物理状态限制,可弯曲、可折叠、可拉伸的形式使得器件独特的光电性质得以实现和调控,极大拓展了传统光电子器件的发展模式与应用空间。结合新功能光学材料、器件集成技术以及光子器件较电子器件在物质特异性传感、信道容量和抗电磁干扰能力上的优势,柔性光子技术在多学科交叉融合领域的前沿方向,如可穿戴传感、高速光互连、光场调控、生物光遗传等展现出巨大的研究和应用价值。然而目前存在柔性集成光子器件加工制备难、机械柔韧性有限、集成化程度低等挑战。针对以上问题简要回顾了近年来研究人员在柔性光子材料与器件方面取得的研究进展并对其相关技术应用前景进行了总结和展望。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种高效的分子光谱检测技术,被广泛应用于微痕量物质检测甚至单分子检测,涉及化学、生命科学和药物分析等多个领域。但“热点”的非均匀性、化学效应的非稳定性、分子数量的不确定性等会导致增强拉曼信号波动性增大,很难用于定量分析。从“热点”效应、化学效应、分子吸附、内标添加模式四个方面,综述了内标法原理、基底性能改善和三种内标物添加的模式(外部添加、核-内标分子-壳模式和基底自标定模式)。

激光破岩技术是利用高能量激光实现地层复杂岩性岩石高效可控破坏的一种新型的钻井技术,在石油、天然气开采以及矿业挖掘方面极具发展潜力。然而,目前关于激光破岩技术的研究还处于室内实验和理论探索阶段,在工业应用之前还存在诸多难点。着眼于激光与岩石相互作用过程涉及的对象,总结了近年来关于影响激光破岩效果的研究成果,分析梳理了激光参数、岩石性质、激光传递介质、工作环境这四方面因素的影响机制,对现存问题和今后的研究方向提出了建议。众多的研究表明,不同类型的影响因素对激光破岩的作用机制不同,且影响因素众多。量化激光破岩多因素影响机制,筛选关键影响因素,协调多因素共同作用,是实现激光高效破岩技术应用的重要课题。

利用PARASOL卫星搭载的多角度偏振地球反射率探测仪-3(POLDER-3)的偏振数据,反演了香河地区细粒子气溶胶光学厚度。反演数据与POLDER、MODIS业务化产品及AERONET数据进行对比分析,POLDER的细粒子气溶胶光学厚度反演效果显著优于MODIS产品,相关系数由0.67升至0.93,平均误差由0.32降至0.15。将POLDER偏振数据与神经元网络方法相结合,相关系数升至0.94,平均误差降为0.11。将该神经网络(NN)训练模型应用于杭州和香港地区进行验证,在杭州地区反演精度相似,在香港地区适用性较差。研究表明,利用POLDER偏振数据结合神经网络方法来提取细粒子气溶胶信息是可行的。

激光雷达和双目相机作为无人驾驶领域中重要的环境感知设备,两者之间的外参配准是其联合应用的重要基础,然而两种信息的融合意味着繁琐的校准过程。基于此,提出一种基于特征点对匹配求解的方法,采用两块矩形木板,分别提取双目相机与激光雷达坐标系下的木板边缘3D点云,拟合空间直线求取角点坐标,最后利用Kabsch算法求解配对的特征点之间的坐标转换,利用聚类法去除多次测量结果中的异常值,并求取平均值。通过搭建实验,所提算法可在Nvidia Jetson Tx2嵌入式开发板上实现,获得了准确的配准参数,验证了理论方法的可行性。此配准方法简单易行,可自动完成多次测量,相比于同类方法精度也有所提高。

结合Sahu-Shanmugam和Fournier-Forand体积散射函数,使用蒙特卡罗方法建立水下激光传输信道模型,利用该模型分析了接收端的光束扩展特性。研究了三种典型水域下,接收视场角和接收面直径对光束功率密度的影响,以及不同接收距离下光束功率密度的分布特性。结果表明:随着水域散射系数的增大和传输距离的增加,会加剧光束分布扩展;随着接收面直径的增大,光束功率密度的变化趋势逐渐减小,光束功率密度幅值随着接收视场角的增大而增加;随着传输距离的增加,光束功率密度分布逐渐离散。这些结果为水下定位或水下接收机等设计提供参考。

基于非微扰量子电动力学的频域理论,研究了原子在不同频率双色激光场中的阈上电离过程。当两个激光场的频率均远低于原子电离势时,阈上电离谱来自大量通道的干涉结果,两个激光场在电离过程中起到相同的作用。随着激光频率的增加,阈上电离谱逐渐呈现多平台结构,不同平台对应电子吸收不同高频光子的过程。当一个激光场的单个光子能量远大于原子电离势时,两个激光场在电离过程中起到不同的作用,高频激光场决定原子的电离概率,低频激光场决定原子阈上电离谱每个平台的宽度,且平台宽度可以很好地用能量守恒公式给出。

基于铯原子( 133Cs)6S1/2-6P3/2-6D5/2阶梯型原子系统,将波长为852.335 nm或852.356 nm的泵浦光与波长为917.483 nm的探测光反向布局于室温下的铯原子气室中,获得了窄线宽、高信噪比的6P3/2-6D5/2超精细能级跃迁的双共振吸收光谱。利用声光调制器建立的“标尺”,可测得激发态6D5/2超精细能级分裂结构的全部频率间隔,进而得到该态的磁偶极超精细常数Ahfs为(-4.59±0.06) MHz,电四极超精细常数Bhfs为(-0.78±0.66) MHz,这与相关文献报道的结果一致。

液晶偏振光栅(LCPG)可实现光束非机械偏转,LCPG在实际制备中液晶分子填充不均匀会导致液晶层厚度不均匀,从而使光通过级联LCPGs有效区域的同一位置时的衍射效率降低。为了提高级联LCPGs的衍射效率,基于琼斯矩阵理论分析了驱动电压对LCPG衍射效率的影响,利用三级级联LCPGs构建光束偏转实验装置,通过施加不同驱动电压来测量光斑能量,得到衍射效率随电压的变化关系曲线。实验结果表明,当电压在2.0~2.4 V范围内时,+1级衍射效率达到0.80~0.84。

提出一种具有光束会聚功能的单层亚波长光栅结构,该结构能实现光束会聚及四路分光。利用严格耦合波分析法和波前相位控制原理设计并优化该亚波长光栅结构,并给出具体相位设计规则。基于有限元软件COMSOL对其进行仿真分析,结果表明,当波长为1550 nm 的横磁(TM)偏振光入射时,该结构可实现四路分束,每束光功率都相等且可实现光束会聚,经计算得到总体透射率为92.670%。该亚波长光栅结构有望在光通信集成以及空间光耦合等领域得到重要应用。

传统的跳角测量方法存在测量效率低、误差大、实用性差、测量范围窄等问题。针对这些问题,提出一种基于改进最小二乘法的火炮跳角测量方法。该方法采用改进圆拟合算法检测炮口图像的中心位置,并在双目摄像机的标定下得出火炮射击目标点的坐标位置,将炮口图像中心位置瞄准火炮射击目标后实弹射击。在数据处理中,计算得出火炮射击初速度矢量的方向,结合炮口图像中心位置与射击目标的瞄准方向,最终得出火炮跳角的实际测量值。实验结果表明,改进算法包含的参数少,目标函数简单,计算复杂度低,在缩短计算时间的同时还提高了炮口图像中心定位的精确度。测量结果显示,跳角实测值精度误差在0.5'之内,验证了跳角测量系统的准确性。

光学望远镜系统内部温度分布不均匀,镜面热变形等因素导致的离焦、球差等低阶大像差会严重降低光学系统的探测能力。给出了相位差法结合离焦光栅进行波前探测的原理,提出了权重线性递减的粒子群优化结合禁忌搜索的混合粒子群算法,并通过仿真验证了该算法的优化性能。采用相位差法结合离焦光栅采集两幅图像,然后通过混合粒子群算法求解目标函数,就可以重构波前,估计出波前像差。仿真结果表明,该算法可以实现对波前像差RMS值在0.859λ以下的目标函数的优化求解,优化后的波前残差达到10 -3量级,并且迭代3次左右即可以完全收敛,满足低阶大像差的校正精度要求。

针对现代制造业中类镜面物体表面缺陷检测的问题,研究了基于相位测量偏折术的自动检测方法。采用相移结合格雷码编码法提取反射图像相位,通过判断局部相位异常识别缺陷。分析相位提取错误导致误检现象的原因,提出一种折叠相位周期级数校正的方法。该方法能解决相位展开过程中的周期错位问题,保证相位的准确提取,避免误检问题。实验结果表明,基于相位偏折原理的检测方法能够实现对类镜面物体表面缺陷的准确、可靠检测。

提出一种多波长显微干涉光强一致性的控制方法。将光强可调的白光LED作为多波长光源,在显微干涉光路中加入光强探测器,将从不同滤光片出射光的光强实时反馈到STM32单片机中,通过PID(Proportion Integration Differentiation)控制快速调整LED输出光强,实现不同波长光强的一致性,进而得到灰度分布一致的多波长干涉图像。实验结果表明,本文方法能够使不同波长的光强快速准确地稳定在设定值,将对应的不同波长干涉图像对比度误差从18%减小到2%。

中医正骨治疗骨折具有“痛苦轻、愈合快、恢复好”等特点,为骨伤患者治疗首选。然而,正骨手法难教、难学,阻碍了中医正骨的传承和发展。开发的中医正骨仿真训练系统采集的数据因传感器和信道传输等因素不可避免地带有噪声,严重制约了正骨手法的量化、分析和评价。为此,针对中医正骨手法变化繁复的特点,提出了在卡尔曼滤波(KF)中增加速度、加速度向量,设计了0阶、1阶和2阶卡尔曼滤波算法,并通过实验方法确定了超参数的设置原则。将本文方法应用于澳大利亚手语标志数据集和中医正骨仿真训练系统中,能够滤除噪声,并较好地保留了正骨手法动作细节。

针对在K418薄壁叶片上局部再制造的多层立体成形组织难以调控优化的难点,开展该类合金激光再制造覆层工艺及组织研究。优选三组工艺进行Inconel 718成形试验,观察覆层显微组织,测试其力学性能,对比分析并进行单道多层立体成形试验。成形优化工艺的参数为激光功率为1.2 kW、扫描速度为300 mm/min、送粉速率为25 g/min、气体流速为3 L/min、脉宽为10 ms、占空比为1∶1。试验结果表明:单道覆层与基体形成了良好的冶金结合,高度和宽度分别为1.537 mm、1.414 mm,覆层主要由细小致密的等轴枝晶、定向生长的柱状枝晶和胞状晶组成,覆层显微硬度为263.7~289.7 HV0.2;多层立体成形总高度为3.67 mm,显微硬度范围为284.3~315.5 HV0.2,底层覆层析出Laves、MC和γ″相,弥散强化合金,提高了底部覆层的硬度。

为提升金属零件表面耐蚀性,采取激光熔覆技术在45#钢基体表面制备316L涂层。采用光学显微镜、能谱仪、扫描电镜、显微硬度仪等设备对涂层硬度、组织形貌、晶体类型等进行表征。结果显示,在一定加工参数下,涂层与基体呈良好的冶金结合,晶体类型主要为奥氏体组织,在晶间处存在少量的Cr23C6。316L涂层晶体尺寸随着能量密度的增加而增加,硬度则随之降低。当能量密度小于等于19 J·mm -2时,涂层易出现球化与毛化现象,当能量密度过高时,表面则出现涂层过烧,导致部分元素被烧损。通过分析腐蚀形貌可知:316L涂层的腐蚀失效形式主要为晶间腐蚀,同时表面存在少量的腐蚀坑;随着晶间腐蚀的加剧,45#钢基体开始出现腐蚀,表面形成大量的氧化层。

利用激光熔覆工艺制备锡基合金熔覆层、镍/锡基合金熔覆层,对两种熔覆层的显微组织、硬度及摩擦磨损性能进行分析,并与铸造锡基巴氏合金进行对比。结果表明:锡基合金熔覆层由方块状SnSb、花瓣状Cu6Sn5和基体相α-Sn组成。由于镍元素的扩散作用,在镍/锡基合金熔覆层底部生成了NixSny和CuNiSb2混合相;两种激光熔覆层在截面深度0.1~0.7 mm处的显微硬度差别不大,均约为50 HV;随着截面深度增大,镍/锡基合金熔覆层的硬度急剧升高,这是因为过渡层中的镍元素扩散到了熔覆层,形成了Sn-Ni金属间化合物,增大了这一区域的硬度;镍/锡基合金熔覆层和锡基合金熔覆层的平均摩擦因数分别为0.165和0.199,均优于铸造锡基巴氏合金;两种激光熔覆层的磨损机理为表面疲劳磨损,磨损面有点蚀现象。铸造锡基巴氏合金的磨损较为严重,出现了犁沟,磨损机理为表面疲劳磨损和磨粒磨损。

使用选区激光熔化技术,通过改变激光功率和扫描速度进行阵列实验,获得了多组GH4169块体。计算能量输入密度并测量块体的致密度,观察其组织的孔隙情况与微观形貌。结果表明:扫描速度太低时,组织内产生圆形气孔;扫描速度过高时,组织内产生不规则形状的孔隙。而在扫描速度为0.9~1.5 m/s、激光功率为260~350 W的合理工艺参数下,可成形致密度较高、孔隙较少的样件,最高致密度为99.7%。致密度良好的块体微观组织呈柱状树枝晶形态,随着能量输入密度的提升,枝晶生长稳定并逐步细化。

差分偏振损耗所导致的零偏直接影响四频差动激光陀螺性能。基于此,提出一种通过优化反射镜配置参数来有效减小差分偏振损耗的方法。基于琼斯矩阵,通过求解自洽方程,数值分析了四频差动激光陀螺反射镜参数及非共面折叠角对差分偏振损耗的影响,讨论确定了反射镜的较优参数配置。数值计算结果表明,反射镜反射相移对差分偏振损耗影响最为显著。当4个反射镜反射相移和为0且正负反射相移互相抵消时,差分偏振损耗为0,这对减小差分偏振损耗的工程化应用具有重要参考意义。

采用Nd∶YAG激光器开展X65管线钢激光深熔焊接实验,通过光学显微镜、扫描电镜、硬度仪,观察焊缝形貌,表征焊缝区域的微观组织,测量焊缝区域的硬度变化。结果表明:由于焊接偏转角度的变化影响了激光在空间中的能量分配,焊缝深度从8 mm下降至4 mm,且沿焊接厚度方向,焊缝形貌沿激光偏转角度发生了偏转;由于焊接裂纹与温度、温度梯度等相关,通过降低焊接速度,在焊缝收尾处观察到了裂纹;随着焊接速度的增加,焊接热影响区的宽度变窄,焊缝区最大硬度由472.1 HV增大到565.5 HV;熔凝区硬度分布的非对称性随着焊接速度的增大而增强。

采用双频激光相干探测技术实现高速目标的多普勒测量。结合随机统计理论和维纳-欣钦定理推导得到存在强度扰动时双频激光相干探测的信号功率谱函数,基于理论模型分析了拍频线宽和扰动频率对信号功率谱的影响,并进行了数值仿真和实验研究。结果表明,功率谱分布表现为洛伦兹型,在远距离探测时,拍频信号线宽的增加使功率谱展宽。强度扰动频率接近多普勒频移量时,功率谱展宽,幅度下降,这增加了频谱提取难度,降低了多普勒测量精度。

基于表面等离子体慢光波导原理,利用介质硅(介质层)和金属金(金属层)设计出在整个近红外波段有高吸收效率的超材料吸收器。经过模拟计算发现设计的超材料吸收器在金属层厚度和介质层厚度分别为0.04 μm和0.02 μm时光吸收带宽最大,且波导层宽度和吸收器层数对吸收带宽也有较大影响。在TM偏振态下,光入射角小于40°时,计算得出超材料吸收器在整个近红外波段可以保持90%以上的吸收效率,而且在垂直入射条件下对TE和TM偏振具有相同的吸收效率,这体现了设计的超材料吸收器具有偏振无关的特性。

传统的舌诊信息主要由临床主观判断获取,缺乏客观、定量的度量手段,而且被诊人员自我状态的复杂性也会影响诊断结果的准确性。对此,提出一种基于自我舌象色谱比较分析的诊断方法。利用图像处理技术对健康舌象的正片与病变舌象的彩色负片进行叠加,选取舌象的信息敏感区域,同时采集数据,借助RGB和CIE Lab色彩模型之间的转换关系,得到离散的色谱分布特征,并结合定量参数范围进行健康状态的诊断。仿真与实验分析验证了该方法的可行性和正确性。该方法能够有效地改善舌象诊断效果,有利于推动中医舌诊技术的进一步发展。

针对现有三点式光笔测量系统采用透视三点(P3P)算法求解出现多解的问题,提出一种基于光场成像的三点式光笔多解排除算法。对光场相机中心子孔径进行高精度内参标定;通过光场相机采集图像,运用P3P算法获得提取的中心子孔径图像中两组光笔激光点的摄像机坐标;利用高斯成像公式计算两组解的深度值,将区域窗口光场重聚焦到两组深度平面。选取合适的清晰度评价方法对两幅图像的清晰度进行比较,获得最终的光笔位姿矩阵,解算笔尖的三维坐标。选用精密三坐标平移台移动距离作为比对基准,实验结果表明:本实验测量系统与三坐标平移台在X、Y、Z方向的最大位置差值分别为0.35,0.40,0.54 mm,该结果与运用四点重投影选取正解的结果相同,证明了所提出的方法的有效性和准确性。

提出一种磁流变抛光瞬变过程多相颗粒流模型,获得了瞬变过程在宏观、介观、微观三个层次的力学关联,从而建立了基于三向在位力学信号的瞬变过程表征方法,在位、同步、动态地测定了磁流变抛光的三向力学信号,解决了毫米尺度空间下磁流变抛光液-固界面的在位测量问题。采用屈服强度为220 kPa、宾汉黏度为0.07 Pa·s的高去除率抛光液对?50 mm的BK7超精密平面元件进行磁流变抛光实验,测量得到磁流变抛光流场瞬变响应时间为700 ms。

氧化铟锡(ITO)导电膜具有电阻率低、透光性好、耐高温等优点,在光电领域具有重要应用。现有加工方法得到的ITO电极尺寸一般为10~200 μm,这限制了ITO电极在微纳领域的应用,为解决此限制,在传统湿法刻蚀方法的基础上,利用无掩模光刻技术对ITO玻璃表面光刻胶进行高精度曝光,再通过优化曝光、显影及刻蚀等过程,最终加工出尺寸仅为2 μm的电极。所提方法所加工的电极具有线性度高、无钻蚀、误差小等优点,为ITO电极在微纳领域应用开发提供了有现实意义的参考。

为了将光纤束端头发光应用于均匀照明场景,设计了一种基于光纤照明技术的光纤端头灯并制作了样灯模型。基于光纤导光特性设计LED光源与光纤束的耦合装置,通过公差分析得到代数多项式拟合配光曲线的最佳拟合阶次为10;并结合裁剪法设计光纤束端头的配光透镜,将光纤束与透镜进行装配得到灯具。仿真得到灯具在300 mm远接收平面上的光斑垂直照度均匀度为90.99%,水平照度均匀度为89.59%,耦合装置的耦合效率为87%。最后经过误差实验分析得到系统的最佳耦合距离为2 mm,透镜与发光端面的距离为50 mm,灯具的实际光斑照度均匀度为81.54%。理论和实验结果表明光学透镜明显改善了光纤端头光束的发散特性和均匀性,该光纤端头灯设计方案为将光纤端头发光应用于均匀照明设计提供了一种可行方案。

提出了一种基于光电振荡器结合电选频腔产生线性调频信号的方案,其中电选频腔由电放大器、电衰减器和移相器组成。通过调节电选频腔中移相器的偏置电压,利用光电振荡器输出信号与电选频腔输出信号间的频率牵引效应,能够产生中心频率为8.3 GHz的线性调频信号,频率变化范围约为550 MHz,调谐率约为5.5 MHz/μs,时间带宽积为5.5×10 4(带宽550 MHz,持续时间100 μs),其相位噪声由光电振荡器的相位噪声决定,其频率变化范围由移相器的偏置电压范围决定。与已有方法相比,该方案的系统结构较为简单,产生的线性调频信号具有较高的频谱纯度,相位噪声低至-116 dBc/Hz@10 kHz。

为了提高光学元件的面形精度,精确拟合出离子束去除函数。以去除函数的方均根(RMS)为分析对象,分析不同叠加间距下离子束等量去除的去除量及波动量。根据理论及实验数据分析验证一维等量去除的可行性,得出最优叠加间距为σ。再以σ为叠加间距进行二维等量去除理论及实验分析,通过30 s熔石英二维等量去除实验,得出去除量为384.7 nm。结合抛光实验,对RMS值为138.5 nm的Φ100 mm口径的熔石英平面窗口玻璃进行面形修正,加工后RMS值为18 nm,面形收敛率达到7.82。

对空间离轴反射式CCD相机的杂散光情况进行分析,通过对CCD的照度图进行分解,对占CCD照度图能量较大的杂散光光路进行解析,确定杂散光路径。根据仿真结果,针对两个成像通道提出杂散光抑制措施并对抑制措施进行优化设计。经过再次仿真,两个成像通道杂散光系数得到大幅降低。根据相机观测对象,利用点源透过率(PST)作为检验杂散光抑制措施有效性的指标。当离轴角为30°,相机的PST达到10 -8数量级,满足设计指标要求。

针对傅里叶变换红外光谱仪检测污染气体时红外光谱信号出现的基线漂移现象,提出一种采用改进迭代多项式拟合的红外光谱基线校正方法,该方法可以自动识别光谱信号的特征峰,从光谱中截断完整的特征峰后,采用双边阈值对红外光谱迭代得到最优的拟合基线。利用仿真光谱以及三氯乙烷、氨气的实测光谱对该方法进行验证,并将其与常见的3种多项式拟合方法进行对比,结果表明:采用所提方法对光谱进行校正后,特征峰更明显,基线更平缓。仿真和实测数据表明,所提方法提高了现有多项式拟合基线校正方法的准确性,是一种具有良好性能的基线校正方法。

通过电子束热蒸发技术在K9玻璃上镀制光学厚度为λ/4的TiO2薄膜,研究不同沉积速率和沉积角度对TiO2薄膜散射损耗的影响规律和机理,并利用TalysurfCCI白光干涉表面轮廓仪和Horos散射仪分别测量镀制前后薄膜表面粗糙度和双向反射分布函数。实验结果表明:TiO2薄膜表面粗糙度随着沉积速率的增大而减小,最终趋于0.88 nm,且实验值都小于基底表面粗糙度1.5 nm,说明TiO2薄膜可以降低基底表面粗糙度,具有平滑基底的作用。随着入射沉积角的增大,薄膜的表面粗糙度逐渐增大,当沉积角为0°和20°时,薄膜表面粗糙度小于基底表面粗糙度;当沉积角为40°和60°时,薄膜表面粗糙度大于基底表面粗糙度。薄膜表面散射量随表面粗糙度的减小而降低,两者具有正相关关系,实验数据与理论计算结果相吻合;当薄膜表面粗糙度小于基底粗糙度时,薄膜表面散射将低于裸基底的表面散射,可实现减散射的效果。

为把握好地球系统模拟、遥感地物反演的太阳辐射数据精度,需要探讨尺度效应引起的太阳高度角的区域代表性问题以及确定太阳高度角数据密度的方法。设计区域太阳高度角平均偏差计算方法,建立分布合理的样本数据,根据计算方法选择样本数据,计算区域太阳高度角平均偏差,按制定的统计方法归纳其规律特征。统计得到,区域太阳高度角平均偏差与区域直径为实质性相关,为正相关近线性关系,线性系数随着区域直径的增大而略微减小,当区域直径小于3000 km时,线性系数为(1.8969~1.9084)×10 -3 (°)·km -1,同宽区域的太阳高度角平均偏差的离散程度极小。结果表明:统计规律具有简洁性、高稳定性及高可靠性,为地域性或全球性地球系统模拟、地物反演中太阳高度角数据密度的确定提供科学依据。