高亮度的钠导星是实现大气波前畸变精准探测的重要条件。已有研究表明,钠导星的后向共振荧光散射强度与大气传输效率、地磁场、季节、发射系统参数、接收系统参数和泵浦激光参数等诸多因素密切相关。脉冲型钠导星可有效提高自适应光学系统的波前探测信噪比。在多种激光参数泵浦模式下,开展了脉冲型钠导星回光强度的探测实验。基于高能量多纵模百微秒脉冲钠导星激光泵浦大气钠层,获取了一系列回光强度数据,与理论分析结果比较吻合。实验结果表明:泵浦激光谱线的精密控制是获得钠导星稳定回光强度的重要手段,基于圆偏振光双线展宽泵浦体制的钠导星工作模式是实现高效激发钠层原子并获得高亮度回光的有效途径。

采用基于多级级联的非线性展宽和偏移滤波的Mamyshev腔,提出了同步光谱可重叠多波长光纤激光器,该单腔环形结构解决了传统多波长激光器中增益竞争和同步输出困难的问题。通过数值仿真,实现了中心波长分别为1035,1040,1045,1050 nm的四波长脉冲的输出,每个波长的脉冲光谱宽度均为7 nm(大于相邻中心波长的间隔),峰值功率(在外部线性压缩之前)为0.9~1.0 kW,脉冲宽度约为0.28 ps。通过优化滤波器,讨论了对应的多波长输出,并分析了波长排列顺序对传输函数以及系统效率的影响。

提出了利用1.7 μm和2.3 μm双波长泵浦掺镝 (Dy) 氟化铟 (InF3) 光纤产生4.3 μm中红外激光的方案。计算了泵浦光功率、信号光功率以及粒子数密度在腔内的空间分布,数值分析了泵浦光功率、输出镜反射率、光纤长度、光纤损耗等对激光输出功率的影响。计算结果表明,双波长泵浦能有效地去除自终止效应,进而实现4.3 μm激光输出,激光输出功率主要取决于2.3 μm泵浦光功率。当1.7 μm泵浦光功率一定时,输出激光功率随2.3 μm泵浦光功率的增加呈线性增加;当2.3 μm泵浦光功率一定时,存在最佳的1.7 μm泵浦光功率,其使得激光输出功率最大。研究结论为在光纤中产生高功率连续波运转的4 μm波段激光提供了一种可行方案,该方案对利用双波长泵浦Dy∶InF3光纤激光器获得4 μm波段激光具有指导意义。

阿秒瞬态吸收(Attosecond Transient Absorption, ATA)谱是一种非常有用的研究原子分子中亚飞秒时间尺度超快动力学的技术。通过数值求解含时薛定谔方程,模拟了氢分子离子( H2+)在近红外(NIR)和深紫外(XUV)强复合激光场中的演化,对比了 H2+在核动和不动两种情形下ATA谱的异同。研究结果显示,当核不动时,所得的ATA谱与原子下的结构类似;当核动时,ATA谱呈现出丰富的周期调制的吸收线结构,而且其调制周期恰好等于NIR光周期的一半。通过分析 H2+的电离解离特性,证实了该半周期调制是源于 H2+基态和激发态的不同量子跃迁路径间的干涉。对比两种情形下的ATA谱,可以看出核运动对分子ATA谱的显著影响。

目前,汽车用镀锌钢板的搭接多采用电阻点焊技术,新型激光点焊技术——激光螺旋点焊以其高效率、高柔性的特点有望逐渐替代电阻点焊。研究了搭接间隙对激光螺旋点焊焊点成形与力学性能的影响,分析了不同间隙下高压锌蒸气的逃逸过程和缺陷的成因。研究结果表明:对于单层1.8 mm厚、6.7 mm焊点直径的ST12镀锌钢板搭接接头,激光螺旋点焊的间隙适应性较好,在0.2~0.4 mm的板间间隙内都可以获得成形良好、力学性能较好的焊点;当间隙大于0.1 mm时,可以有效避免锌蒸气逃逸造成的焊接缺陷;在间隙约为0.2 mm时,锌蒸气能够顺利逃逸,从而获得最佳的表面成形和力学性能。

采用KrF准分子激光辐照4H-SiC制备石墨烯层,从4H-SiC晶面取向对石墨烯生长质量影响的角度开展研究工作,分析激光能量密度、脉冲数及晶面取向对石墨烯质量的影响。当激光能量密度为1.06 J/cm 2,脉冲数为8000时,4H-SiC样品极性Si(0001)面和非极性a(11?20)面上生长的石墨烯质量均达到最好。石墨烯与4H-SiC衬底极性Si(0001)面之间存在缓冲层,为石墨烯的生长提供了模板,得到的石墨烯更为有序,缺陷态更少;而非极性a(11?20)面上生成的石墨烯与衬底之间未生成缓冲层,生长的石墨烯层较为无序,对激光参数的变化更为敏感。

采用摆动光纤激光-CMT电弧复合焊接方式对高速列车用带锁底6A01-T5铝合金型材进行焊接工艺试验。采用优化的焊接参数得到了表面成形均匀、外观无缺陷的良好接头,并对接头进行了气孔分布特征、显微组织和力学性能试验。研究结果表明:摆动激光复合焊缝成形优良,内部横、纵截面上气孔率的平均值分别为0.63%、0.06%,且以形状规则、直径小于50.0 μm的圆形气孔为主,与光束不摆动时相比,焊缝内的工艺性气孔得到了明显抑制;焊缝中心为树枝晶组织,二次枝晶明显弱化;焊缝区和热影响区的硬度值低于母材,为软化区;复合焊接接头的极限疲劳强度为105.0 MPa,抗拉强度平均值为223.19 MPa,抗拉强度达到了母材的84.22%;接头拉伸断口呈韧窝状,具有典型的韧性断裂特征。

激光熔覆过程伴随着成形气氛与熔池的接触,成形气氛是影响熔覆层显微组织的重要因素。为了实现大型复杂精密、高性能金属结构件的快速制备,高沉积率激光熔覆技术在传统激光熔覆技术的基础上大幅提高能量输入与质量输入,但这也会改变熔池的形貌与温度,从而改变气氛对熔池的作用;此外,随着成形件尺寸增大,提供保护气氛的成本也将急剧增大。基于此,本文采用高沉积率激光熔覆技术分别在氩气气氛与空气气氛下进行GH4169高温合金的单道熔覆实验,研究了成形气氛对高沉积率激光熔覆GH4169合金凝固条件、熔覆层几何特征以及显微组织的影响。结果表明:不同气氛的散热条件虽然改变了熔池的凝固条件,但其对氧化作用的影响很小;与氩气气氛相比,空气气氛下熔池的冷却速率更大,熔覆层一次枝晶间距更细小,Laves相更少,微观偏析程度更低。本文研究结果说明,相比于开放的空气气氛,氩气保护气氛对高沉积率激光熔覆GH4169合金凝固条件与显微组织没有明显的增益作用,这一结果可为工业生产提供参考。

减阻对于船舶运输有重要意义。采用超快激光在6061铝合金表面制备多种形状的微纳沟槽结构,研究了飞秒激光制备微纳结构工艺以及微U形沟槽结构表面的减阻性和耐蚀性。研究结果表明:调控超快激光加工参数与扫描路径可以快速制备出各种形状的微沟槽结构,其表面布满烧蚀产生的纳米颗粒,呈超亲水表面;与未经处理的表面相比,周期宽度分别为28 μm和50 μm、深度分别为20 μm和25 μm的两种微U形沟槽结构表面在水槽移动对比实验中的运动时间分别缩短了4.3%和11.6%,表明其水面阻力明显降低;将两种微U形结构表面进行低自由能修饰后形成超疏水表面,将这两种表面在3.5%NaCl溶液中进行耐蚀性测试,其表面腐蚀速率较超疏水处理前分别降低了87%和73%。超快激光制备的微纳结构具有较好的减阻性和耐蚀性,应用前景良好。

采用激光技术在2 mm光斑尺寸下制备了不同Sc含量的AlSi10Mg合金,采用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和电子万能材料试验机等,研究了Sc含量对AlSi10Mg合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:合金组织主要为α-Al相和Si相;随着Sc的质量分数由0增加至0.2%,AlSi10Mg合金组织中的α-Al枝晶细化,并逐渐向等轴晶转变,而Si相则由纤维状向颗粒状变化,合金的致密性、力学性能和热稳定性均显著提高;当Sc的质量分数为0.2%时,合金的致密度约为98.39%,合金中出现的稀土相主要为Al3Sc,合金的显微硬度、规定塑性压缩强度Rpc0.2和形变量为25%时的抗压强度均达到最大值,相对于未添加Sc时分别提高了19.4%、23.1%、17.5%;当Sc的质量分数超过0.2%后,晶粒出现粗化现象,Sc对合金性能的优化作用减弱。激光熔化具有高能、快冷等特点,与传统工艺相比,采用激光熔化技术制备的合金的微观组织更细小,力学性能更好。稀土Sc和固溶强化的联合作用进一步提高了合金的力学性能。由于实验中的光斑尺寸偏大,因此合金的力学性能低于微米级别光斑尺寸下制备的合金。

定向能量沉积过程的智能化建模有助于解决沉积制造精度低的问题。以沉积工艺参数(激光功率、送粉速率、扫描速率、喷嘴高度)为输入、熔道宽度和高度为输出设计实验,建立基于高斯径向(RBF)核函数的支持向量回归(SVR)模型,采用该模型对熔道尺寸进行预测,并采用改进的粒子群优化(PSO)算法对RBF-SVR的超参数进行自动全局寻优。结果表明:RBF-SVR预测熔道宽度和高度的平均相对误差分别为4.58%和5.33%,小于反向传播(BP)神经网络预测的平均相对误差(6.72%和7.96%);所建模型适用于定向能量沉积熔道尺寸的预测,并能对沉积成型工艺参数的选取提供帮助。

为评价选区激光熔化成形GH3536航空发动机零件的高温服役性能,采用既定工艺制备了拉伸试棒,并对其进行了去应力退火和热等静压(HT+HIP)处理,然后测试了其在20~815 ℃的拉伸性能,并分析了合金的显微组织、断口形貌和断裂机制。结果表明:HT+HIP处理后,晶界析出(Cr,Mo)23C6,晶粒发生部分等轴化转变,但仍保留了定向凝固特性,垂直于成形方向的截面组织中的晶粒更细、晶界更多,沿晶界析出的链状碳化物使得晶界弱化,断裂机制以沿晶断裂为主;晶粒尺寸的各向异性是不同成形方向试棒力学性能和断口形貌存在差异的主要原因;随着测试温度升高,抗拉强度下降,延伸率先升后降;断裂机制随温度升高发生转变,高温下的沿晶断裂机制比室温下的更明显,塑性变形程度更小,裂纹更长。

锡基巴氏合金具有较低的摩擦因数、良好的耐磨性及抗胶合性,已被广泛用作高性能轴承零部件表面的耐磨材料。为改善传统浇注锡基巴氏合金中存在的缺陷并减少材料浪费,采用激光熔覆技术在20钢基体表面熔覆锡基巴氏合金,并将其与采用静止浇注、离心浇注工艺制备的合金进行对比。对三种合金层的微观组织、元素分布、显微硬度、摩擦磨损性能及内部质量进行检测和分析,结果表明:激光熔覆锡基巴氏合金的微观组织小于传统浇注合金的微观组织,且沿沉积方向的微观组织呈明暗交替的带状分布特征;激光熔覆合金层的显微硬度高于静止浇注合金层的显微硬度,与离心浇注工艺的相近;在干摩擦条件下,激光熔覆锡基巴氏合金的摩擦因数较传统浇注合金的大,其磨损机制以磨粒磨损为主;超声波和着色渗透无损探伤结果表明激光熔覆锡基巴氏合金层内无明显缺陷,与钢背结合良好。

以直角型Au/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au微焊点为对象,通过去除表面污染物和易挥发物以及观察焊盘Au层内部的微观缺陷,分析了无钎剂激光喷射锡球键合过程中溅射缺陷产生的原因及机理。结果表明:遍布Au层内的微空洞中的空气受热后体积急剧膨胀是导致溅射的关键因素。微空洞位置不同,形成的缺陷形态也不同,微空洞在焊盘边缘附近时容易引起锡溅,在焊盘中间位置时容易引起气孔缺陷,严重时锡溅和气孔同时出现。受凝固时间和气泡上浮极限速度的影响,初始尺寸较大的气泡易于形成空洞或锡溅缺陷,而较小的气泡则易在微焊点内部形成气孔。

为了研究增减材交互过程中基体温度状态对工件表面质量的影响,对冷却不同时间的增材工件进行铣削加工,并测试工件表面的粗糙度、表面形貌、残余应力、微观组织及硬度。在482 ℃基体温度下进行铣削加工时,工件表面的粗糙度约为2.226 μm,表面有凹坑和凸起的缺陷,工件表面残余应力为残余拉应力,沉积层顶部硬度约为200 HV。在205 ℃和164 ℃基体温度下进行铣削加工时,工件表面的粗糙度分别降低到1.192 μm和0.844 μm,表面形貌均由均匀的铣削纹理组成,工件表面残余应力由残余拉应力转化为残余压应力,沉积层顶部硬度分别为309 HV和286 HV。结果表明:随着基体温度的降低,工件表面粗糙度降低,表面缺陷减少,表面残余应力由残余拉应力转化为残余压应力,硬度增加,工件表面质量得到提高。

提出了一种新型的宽带可调谐超材料吸收器/反射器的设计方案,该结构由方形的单层石墨烯和被SiO2介质层隔开的金属接地平面组成。由于单元结构的对称性,在光波垂直入射时该吸收器具有极化不敏感特性。通过连续地调节石墨烯的费米能级,可以改变其表面电导率,使得该结构在整个宽吸收带上的工作状态可以在反射器和吸收器之间切换。数值仿真结果表明,该吸收器的吸收率在90%以上的吸收带宽达到了4.13 THz,并且吸收器在65°的宽入射角范围内保持着良好的宽带吸收性能。所提吸收器可以广泛应用于高性能的太赫兹设备中,如有源伪装、成像、调制器和光电开关等。

当待测气体浓度较高时,腔内吸收损耗较大,限制了腔衰荡光谱检测技术的检测量程。针对这一问题,分析了采样阈值与气体浓度检测之间的相关性,模拟了阈值调节对检测精度的影响,建立了描述阈值与气体浓度的动态响应范围的模型,提出了通过调节阈值实现检测量程扩展的方法。在实验中,利用腔衰荡光谱检测装置对不同浓度的甲烷标准气体进行测量,测量结果与理论模拟结果一致。通过调节检测阈值,将量程扩展到1×10 -4(体积分数),动态响应范围为2.72×10 4,最大引用误差为0.78%。该方法解决了腔衰荡光谱技术中低检出限和大量程不能同时满足的问题,为阈值参数的设置提供了分析方法。

扩展柯西色散模型是表征混合液晶在可见光至红外光谱的通用双折射率色散模型,然而随着混合液晶的应用范围进入紫外光谱区,扩展柯西色散模型不能很好地表征混合液晶在该波长范围内的双折射率色散。为此,引入Sellmeier模型表征混合液晶在紫外至红外光谱的双折射率色散,并利用光谱椭偏仪精确测量混合液晶的双折射率数值,然后采用非线性拟合的方法求解Sellmeier模型系数。结果显示,扩展柯西模型的χ2检验数值为0.0349,而Sellmeier模型的χ2检验数值为0.0019,在标准测试波长589 nm以及紫外波段378 nm下,Sellmeier模型拟合值都更接近于实际测量值。通过实验和χ2检验对比分析可以证明,相比于扩展柯西色散模型,Sellmeier模型在紫外至红外波段具有更好的拟合效果。

基于Kretschmann结构,建立了一种具有四层介质的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器理论模型。通过仿真可知,当折射率为1.333~1.336时,反射波p、s偏振分量的相位差与折射率呈近似线性的变化关系,并得到了光纤SPR的传感测量公式。实验使用双频He-Ne激光器作为光源,提出了一套基于共光路结构的外差干涉光纤SPR测量系统,并采用相位解调的信号处理方法,使传感器具有较高的测量分辨率。甘油溶液的实验标定数据表明测量结果与理论分析一致,且结果与采用其他测量方法得到的结果吻合度较好,二者所得折射率的相互误差小于8.0×10 -5。所提传感器可以应用于环境检测、食品安全、药物筛选及临床医学等领域中。

为提高闪烁光纤辐射探测性能,采用改进的插棒法制备了基于高性能闪烁晶体材料LYSO∶Ce的石英包层晶体闪烁光纤。利用电子加速器进行电子辐照对比实验,研究了石英包层LYSO∶Ce闪烁光纤(SLCF)与现有的石英包层YAG∶Ce闪烁光纤(SYCF)的电子辐射响应,并进一步分析了光纤长度、光纤与辐射源距离对SLCF的辐射传感特性的影响。通过辐射实验验证了SLCF的辐射传感特性的可重复性。实验结果表明,SLCF具有优良的电子辐射响应和传感特性。

针对合成孔径连续声束合成(SASB)算法渡越时间存在误差,会带来严重伪影的问题,提出线性约束最小方差(MV)准则和SASB算法相结合的内镜超声成像(SASB-MV)算法。该算法首先对各个虚拟源点进行固定聚焦,获取成像点的超声回波信号矢量,根据成像点的超声回波信号矢量构建样本协方差矩阵;然后由线性约束最小方差准则构建权值矢量;最后,通过权值矢量和超声回波信号矢量得到成像点的高分辨率回波信号值。在Filed Ⅱ中进行散射点仿真实验和圆形暗斑仿真实验。实验结果表明本文算法的横向分辨率相比动态接收聚焦算法(DRF)和SASB算法分别提高了59.1%和31.2%,同时图像对比度分别提高了44.7%和16.2%。

为解决传统随机梯度下降(SPGD)算法参数难以实时调节、收敛速度较慢的难题,提出了一种基于自适应增益及联合指标优化的高效SPGD算法,建立了该算法的数值仿真模型,并将该算法用于千瓦级板条激光器的光束净化。仿真结果表明:与传统SPGD算法相比,提出的算法无需参数调节,且收敛速度和收敛效果均有显著提升,在对千瓦级板条激光器的光束净化实验中,激光光束质量β由7.89优化至1.95。

提出了一种可直接生成可调艾里光束的可变形透镜,相比于其他生成艾里光束的方法,该可变形透镜可嵌入光路中直接生成艾里光束。制备了可变形透镜的原理样机,并搭建了基于波前传感器的艾里光束生成系统。实验上基于制备的可变形透镜生成了高质量的立方相位可调的艾里光束,生成的立方相位的残余误差小于相应目标幅值的3.4%,生成的艾里光束的光强分布和传播特性与理论结果相吻合,故该可变形透镜在直接生成可调艾里光束方面有潜在的应用价值。

自由光瞳照明技术是28 nm及以下节点浸没光刻机中一种重要的光刻分辨率增强技术,其通过微反射镜阵列(MMA)调整光束的角谱来实现任意照明模式, MMA角位置分布对自由光瞳照明技术的应用具有重要的意义。提出了基于遗传算法的MMA角位置分布算法,该算法相比基于模拟退火算法的MMA角位置分布算法,迭代速度提高了10倍以上,并且该算法得到的MMA角位置分布可精确复现目标光瞳强度分布。光刻性能仿真结果表明,对于数千种光刻胶曝光图形,算法光瞳和目标光瞳的光刻胶曝光图形不对称性分布的方均根(RMS)值基本一致,关键尺寸差异分布RMS值均小于0.5 nm。

衍射效应会导致出射光发散到各个方向。为了减小衍射效应带来的发散效果,并解决出射端波导辐射距离短、辐射效率低的问题,采用二维正方晶格光子晶体构建了一种新型的光子晶体波导出射口结构。首先采用Y型通道结构来提高输出端的透射率;然后采用多支路结构进行耦合,以提高出射光的集束性,从而增大光波的辐射距离;最后进一步优化了出射口的周期数。通过平面波展开法和时域有限差分法进行分析和仿真,仿真结果表明:在辐射距离为110 μm处,辐射光波的发散角度约为3°,辐射效率可达到25%以上;具有Y型缺陷、出射口数目为16,并且出射口周期数为4的正方晶格光子晶体能够实现良好的定向辐射。

研究了由三个非对称光纤布拉格光栅(FBG)构成的双腔结构的双波长透射特性。三个FBG之间的周期(或布拉格波长)不同,导致它们的禁带部分重叠,形成两个重叠区域。通过调节FBG的周期来控制每个重叠区域的大小,使每个重叠区域只允许一个波长通过,从而实现双波长透射。如果在双透射情况下增加腔长,则透射带宽会被压窄,从而获得超窄带宽。此外,两个透射波长之间的间隔可通过改变FBG的周期而改变。基于该全光纤结构的设计思路,可以将其进一步推广以实现等间隔甚至是不等间隔的多波长透射。该结构在双波长或多波长光纤激光器领域具有潜在应用价值。

为实现紫外波段激光的柔性传输,拉制了一款包层有7 根毛细玻璃管的空芯反谐振光纤。光纤的外径为95 μm,纤芯直径为11 μm;包层孔的直径平均为5 μm,壁厚平均为319 nm。经测试发现,该光纤可同时实现266 nm、355 nm两个重要的紫外激光波段的导光,传输损耗分别为0.25 dB/m@266 nm,0.8 dB/m@355 nm。测量光纤两个传输通带内的弯曲损耗,结果表明,当弯曲半径为5 cm时,弯曲损耗分别为0.05 dB/m@266 nm,0.023 dB/m@355 nm。该光纤纤芯直径小,对弯曲不敏感,使设备进一步小型化成为可能。拉制的这款无节点空芯反谐振光纤有望在激光传输和紫外激光光谱学中发挥重要作用。

针对基于人工路标的二维激光雷达导航定位应用,提出一种基于激光雷达回波强度的自适应圆柱形人工路标中心提取方法。分析了不同应用环境对路标中心提取的影响,包括不同的漫反射背景面、激光雷达与背景面的入射角以及镜面反射面。搭建不同应用场景的物理实验平台,采集原始激光雷达扫描数据,给出三种中心识别算法的识别结果,并对比分析了实验结果。最终实验结果表明,本文提出的算法在各种应用场景下均可以稳定、准确地识别人工路标中心点,具有较高的鲁棒性以及较高的实用性。

点云分类是机载LiDAR点云应用于城市建模、道路提取等的重要阶段。虽然点云分类的方法有很多,但依然存在如多维特征向量信息冗余、复杂场景下点云分类精度不高等问题。针对这些问题,提出一种基于多基元特征向量融合的点云分类方法。该方法分别基于点基元和对象基元提取特征向量,并结合色彩信息,利用随机森林对点云数据进行分类。实验结果表明,所提的多基元分类方法相较于单基元分类方法能够获得更高的分类精度。为了进一步分析随机森林用于点云分类的有效性,分别使用支持向量机(SVM)以及反向传播(BP)神经网络进行对比分析。实验结果表明,随机森林方法所获得的三组点云分类结果在召回率以及F1得分两个评价指标中均高于另外两种方法。

临近空间风场数据对飞行器的姿态控制和飞行安全具有重要意义。针对中国科学院上海光学精密机械研究所自行研制的可搭载于临近空间飞行器的直接探测多普勒激光测风雷达(DWL)原理样机,介绍了其工作原理、系统结构,并给出了相关的技术参数。对该DWL原理样机进行了地面自测试实验,并将反演结果与相干探测激光测风雷达(CDL)和探空气球的测量结果进行了对比。结果显示:该DWL原理样机反演的近地面的风速风向结果与CDL和探空气球的测量结果具有良好的一致性。在0.3~1.1 km的高度范围内,以CDL的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差(RMSE)为1.38 m/s,风向均方根误差为9°;在0~3 km的高度范围内,以探空气球的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差不大于2.1 m/s,风向均方根误差不大于10°。

提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷达改进的遗传算法,能够准确、快速、并行地反演出风矢量解。对算法进行了仿真,结果显示,改进后的遗传算法在收敛速度以及全局寻优能力方面相对于传统遗传算法都有着明显提升,并且在低信噪比信号仿真对比中,此方法风场反演结果优于传统非线性最小二乘法反演结果。将该方法应用于实际雷达系统中,在激光雷达与探空气球实测数据对比中,两者水平风速均方根误差小于0.7 m/s,水平风向标准偏差小于6°,这些结果验证了风场反演结果的精确性。将采用所提方法得到的结果与实测数据最小二乘法风场反演结果进行对比,发现在当时的大气条件下,频谱估计法约有12.3%的探测距离的增大。仿真和实测数据对比结果充分证明了此方法反演三维风场的能力和有效性。

激光诱导击穿光谱技术具有实时在线、非接触式测量和无损分析等优点,在物质检测领域得到了广泛应用,选择合适的分析谱线是其取得良好检测效果的重要基础。结合遗传算法(GA)的全局优化能力和粒子群算法(PSO)的局部搜索能力,提出了一种从激光诱导击穿光谱的原始光谱数据中自适应选择分析谱线与内标谱线的方法,利用该方法选择的分析谱线与内标谱线对铝合金中4种主要非铝元素(Mg、Mn、Si和Fe)进行定量分析,得到的拟合优度均值为0.972,均方根误差均值为0.35%,相对标准差均值为3.53%,最后遍历其他所有分析谱线进行定量分析,并对比它们的定标性能。结果表明,利用PSO-GA搜索优化得到的分析谱线与内标谱线较PSO、GA算法获得的谱线更优。

在大气环境中,研究平行板约束对激光诱导PMMA等离子体中CN分子光谱的影响,测量得到的5条光谱峰所处波长分别为388.29 nm(0-0)、387.0 nm(1-1)、386.14 nm(2-2)、385.44 nm(3-3)及385.03 nm(4-4)。实验结果表明,空间约束下的CN分子光谱峰强度明显高于无空间约束下的。另外,通过拟合CN光谱获得了CN分子的振动温度,结果显示,空间约束下的CN分子的振动温度明显高于无空间约束下的振动温度,且高激光能量下的CN分子振动温度高于低激光能量下的振动温度。平行板反射冲击波压缩等离子体羽,使得其温度和数密度增加,增强了激光诱导PMMA等离子体中CN分子的光谱强度。

可燃冰是一种清洁无污染的新型能源。为了对可燃冰资源进行深海连续走航勘探,膜分离-离轴积分腔输出光谱联用技术(M-ICOS)被应用于海水溶解CH4和CO2气体的探测。M-ICOS系统由膜分离单元、腔内温度压力控制单元、光腔、光谱测量单元和工业计算机等组成。实验研究发现,该系统的温度和压力控制精度分别为0.0003733 ℃和0.6799 Pa,CH4检测极限为0.56×10 -9,CO2检测极限为0.62×10 -6。利用M-ICOS系统在南海神狐海域进行了实地测量实验,实验发现,在海面下500~700 m处,水中溶解的CH4和CO2浓度有剧烈的波动,这可能是由于此处海流携带了海底可燃冰富集区域释放的高浓度溶解气体。M-ICOS系统具有良好的灵敏度和稳定性,能够在深海恶劣条件下对海水溶解CH4和CO2进行探测,从而实现对可燃冰资源的连续走航勘探。

高精细度光学微腔是强耦合腔量子电动力学(QED)实验系统的核心。然而,受限于光学微腔有限的介入空间,被光学腔俘获的原子内态很难得到有效的初始化处理。通过选用与原子基态及更高阶激发态相互作用的光场,有效避免了微腔腔镜对介入空间的限制,实现了对光学微腔内的原子内态的光泵浦及原子态(自旋极化)的有效制备。同时,基于强耦合光学微腔与腔内不同原子内态的耦合强度差异,建立了一套用于描述和优化腔内原子极化率的模型,最终获得了85%的腔内铯原子的态制备效率。

基于传输矩阵法,通过计算一维有限光子结构的阻抗,研究了由反转对称层状光子结构构成的组合结构中界面态存在的条件。对于分别由反转对称中心不同的元胞构成的两个光子结构而言,其阻抗虚部在所有奇数带隙内符号相反,在偶数带隙内符号相同,因此两个反转对称结构存在阻抗虚部之和在奇数带隙内为零的特征频率,由两个光子结构构成的组合结构在该特征频率处存在一个界面态,同时整个组合结构的阻抗虚部在该特征频率处也等于零。若由多个反转对称中心不同的有限大层状结构按照交替排列的方式构成组合结构,则在同一个奇数带隙内会出现多个界面态,在这些界面态频率处组合结构的阻抗虚部仍然等于零,各界面态光波的电场分布在组合界面处表现出显著的局域性。通过改变其中一部分结构的元胞数来调控组合结构中出现的多个界面态的位置,可满足不同的应用需求。

提出了一种用于太赫兹图像的基于噪声估计的自适应迭代去噪算法。利用噪声水平估计方法获得真实实验图像的噪声标准差,使用基于四叉树的加权双平方非局部均值去噪方法对噪声图像进行去噪以提高重建图像的质量,并对去噪后的图像再次进行噪声估计与去噪,通过反复迭代获得最佳的去噪效果。实验结果表明,所提方法能较好地保留图像的细节,有效地去除由成像系统所引起的背景噪声,其对太赫兹图像具有较好的去噪效果。

基于太赫兹时域光谱技术对胶层的固化特性进行分析,研究胶层的消光系数与折射率在固化周期内的变化趋势。利用高斯曲线拟合后的多层胶接结构能量积分值、飞行时间(TOF)的均值和半峰半宽两个特征值来表征多层胶接结构的固化特性。结果表明,固化96 h后,两个特征值的统计结果逐渐稳定。胶层的消光系数和折射率有相同的变化趋势,证明胶层固化在96 h左右基本完成。采用的能量积分值与TOF两个特征值可以间接地作为胶接工艺中固化终点的评价指标,进而提高了材料检测水平。

针对太赫兹全息再现像易出现边界模糊的问题,提出了一种基于进化算法优化区域生长的分割方法。首先对原始图像进行双边滤波,同时进行形态学腐蚀操作,得到区域生长的种子。其次利用遗传算法和差分进化算法进行阈值寻优,以限制区域生长。得到太赫兹全息图像的分割结果后,以平均结构相似度(MSSIM)为客观评价来衡量算法的有效性,分割结果显示进化算法优化的区域生长算法效果较好,MSSIM可达0.8以上。最后,为比较两种进化算法的寻优性能,将算法应用于可见光图像,根据图像的分割结果,得到差分进化算法在速度和寻优能力上均优于遗传算法的结论。

提出了一种以双开口谐振环和金属短线组合结构为基本单元的太赫兹高灵敏度传感器。具有不同辐射损耗的谐振环和金属短线的电磁波在远场的相消性干涉,使得反射谐振的线宽压窄,呈现出典型的非对称Fano型反射谱。数值模拟表明:通过改变双开口谐振环与金属短线之间的耦合距离,可以调谐传感器的品质因子;当耦合距离为22 μm时,品质因子可高达83。研究了所提超材料传感器对外加有机物厚度的敏感性,结果发现,频率偏移随有机物厚度增加呈指数增长,并在厚度超过10 μm之后逐渐达到饱和。此外,对外加有机物传感器的折射率传感进行了研究,结果发现,当有机物厚度为22 μm时,传感器的灵敏度约为171 GHz/RIU,FOM值约为18.3,表现出极高的灵敏度。这种高灵敏度的传感器在生物化学检测方面具有广阔的应用前景。

研究了Nd∶YVO4固体皮秒振荡器与掺铒光纤锁模振荡器的脉冲同步技术,为光参量放大、中红外产生等应用奠定了实验基础。实验采用光电二极管分别探测一台商售1064 nm Nd∶YVO4固体皮秒振荡器和一台自制1555 nm掺铒光纤锁模振荡器的脉冲重复频率,通过混频、低通滤波等电路处理得到了两台激光器重复频率的相对误差,并将该误差信号反馈至内置于1555 nm掺铒光纤锁模振荡器中用于精调腔长的压电陶瓷和粗调腔长的步进电机上,实现了两台激光器重复频率的同步。本实验中的同步装置具有结构简单、集成度高、可靠性高的特点。