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激光与光电子技术应用
基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法
包为政, 张福民, 曲兴华
2020, 44(1): 1-6. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.001
摘要:
为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据, 并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。
激光诱导背向湿式刻蚀过程中工作液体的研究
谢小柱, 周彩霞, 高勋银, 任庆磊, 胡伟
2020, 44(1): 7-13. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.002
摘要:
为了使用低成本的红外光纤激光器对蓝宝石进行高效率高质量的加工, 采用激光诱导背向湿式刻蚀方法进行了理论分析和实验验证, 研制了一种新型的活性高且稳定性高的混合溶液, 硫酸铜的质量浓度为28g/L、次磷酸钠的质量浓度为40g/L、氨水的质量浓度为45g/L、pH值为12。在相同的加工条件下, 采用硫酸铜水溶液和混合溶液对蓝宝石进行切割。结果表明, 蓝宝石在混合溶液中的切割效率高出硫酸铜水溶液中的5倍左右; 采用混合溶液对蓝宝石进行成形切割, 加工出了高质量的异形蓝宝石零件。此研究对提高低功率激光作用下蓝宝石的加工效率有一定的指导意义。
Ni-Cr合金钎料激光钎焊金刚石表面金属化
李晋禹, 张明军, 胡永乐, 朱彬, 张健, 毛聪, 刘其城
2020, 44(1): 26-31. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.005
摘要:
为了研究激光钎焊金刚石磨粒表面金属化生成物类别与形成机制, 采用第一性原理的密度泛函理论对常见碳化物进行了计算, 并采用Ni-Cr合金钎料, 借助光纤激光热源对金刚石磨粒进行了激光钎焊试验, 获得了Cr3C2和Cr7C3两种碳化物的结构和力学性能参量以及金刚石磨粒表面微结构和碳化物种类。结果表明, Cr3C2和Cr7C3两者都具有金属性, 且后者韧性更强; 激光钎焊得到的金刚石磨粒与Ni-Cr合金钎料界面冶金反应层厚度约为4μm, 金刚石磨粒表面碳化物主要为Cr3C2; 超声辅助激光钎焊得到的金刚石磨粒表面碳化物为Cr3C2和Cr7C3, 超声波高频振动可以促进界面反应, 进而生成含碳量低的Cr7C3。此研究结果对激光钎焊金刚石技术的发展具有指导意义。
调控矢量激光场在表面处理中的应用研究
张云芝, 王吉明, 路元刚, 吴彤, 赫崇君, 顾晓蓉, 刘友文
2020, 44(1): 32-36. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.006
摘要:
为了研究调控矢量激光场在表面处理中的应用, 基于Nd:YAG脉冲调Q激光器, 搭建了矢量调控模块, 采用选取钛合金和单晶硅进行激光烧蚀打孔实验的方法, 对柱对称矢量激光的脉冲次数、光束的偏振态和拓扑荷数对激光表面处理的影响进行了系统研究。结果表明, 激光脉冲次数对孔的影响主要集中在孔深和孔径, 光束偏振态主要影响孔的圆度和光洁度, 拓扑荷数则影响孔底和孔周的光洁度。调控矢量激光作为一种特殊激光, 有望在优良材料加工和处理领域获得广泛应用。
全光纤声光调制径向跳动差分测量技术研究
曹泉泉, 王辉林, 宋华峣, 秦正健, 张守宇
2020, 44(1): 50-53. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.009
摘要:
为了实现机床在加工状态下主轴径向跳动非接触、高精度的测量,采用光外差法光路的激光多普勒差分检测方法,进行了理论分析和实验验证。直接耦合和透镜耦合的全光纤光路的应用,降低了布喇格衍射光路的调节难度,提高了测量分辨率和抗干扰能力,减小了噪声;光纤分光器实现了同一轴线上的差分测量,抑制了因测量光路本身的振动带来的干扰。得到了相对误差为0.0838%的主轴径向跳动测量结果,实现了纳米级跳动误差测量。结果表明,系统的相对误差和测量不确定度均小于0.1%。该研究对主轴径向跳动的实时测量有一定的指导意义。
K418合金叶片激光再制造Inconel718覆层匹配与强化
鲁耀钟, 雷卫宁, 任维彬, 徐杰
2020, 44(1): 54-60. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.010
摘要:
为了解决K418合金叶片再制造熔覆层易开裂、结合界面处力学性能较差等难题,采用具有输入可调控、热输入可控制以及降低熔池及热影响区温度等优势的脉冲激光,得出在工艺参量为激光功率2.5kW、送粉速率37.5g/min、扫描速率8mm/s,载气气流3L/min下,K418基体与Inconel718熔覆层之间能够形成良好的冶金结合。结果表明,熔覆层显微组织依次由界面处平面晶、底部胞状晶、中部树枝晶及顶部等轴晶组成;经过对比优化下的工艺参量,获得了成形质量良好且无明显裂纹、气孔等缺陷的Inconel718熔覆层;通过基体与覆层的硬度测试,覆层整体硬度值在300HV左右且分布较为均匀,基体平均硬度在400HV以上、结合界面处硬度值为460.46HV,相对于基体提升了12%;物相形分析表明,Inconel718熔覆层与基体K418性能匹配较好,激光再制造凝固成形时经历了L→γ→(γ+MC)→(γ+laves)的凝固过程,脉冲激光的热输入对基体K418合金热影响区完成了γ′相的固溶再析出过程,界面处沿晶界析出少量的二次析出相laves相和MC相对熔覆层及界面处晶界起到钉扎晶界、阻碍滑移的强化作用。试验相关工艺及参量为K418叶片激光再制造提供了借鉴和分析。
传递函数快速相关法的激光测速技术研究
宋华峣, 王辉林, 曹泉泉, 张守宇, 秦正健
2020, 44(1): 61-65. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.011
摘要:
激光技术测量是实现传送带、热轧钢板等运动物体测速的主要手段,为了改善测量精度和响应速度,提出系统传递相关分析测速技术。采用计算发射端和接收端之间两路信号的系统传递函数进行相关性分析的方法,进行了理论验证和实验分析,得到了相对误差小于0.1%的实验结果。结果表明,利用系统传递函数相关分析构建激光测速系统,代替解调电路,简化信号调理电路,可降低电路部分引起的不确定度;互功率谱函数法实现快速相关分析和频域求得系统传递函数,可提高系统响应速度;合理设置发射端间距,取样积分提高测量信噪比,降低环境引起的不确定度,测量不确定度小于0.2%。该研究对传送带速率的实时测量有一定指导意义。
缓冲气体对光声光谱法气体检测的影响
蔡家裕, 郭红, 王新兵, 左都罗
2020, 44(1): 81-85. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.014
摘要:
为了研究气压及缓冲气体种类对光声信号及共振频率的影响,采用光声光谱技术,设计了一套基于光声光谱技术原理的痕量气体检测系统。实验中以NH3标准气作为待测气体,采用向光声池内充入缓冲气体的方法来改变光声池内气压,在气压作为单一变量的条件下得出0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化;采用分别向光声池内充入不同种类缓冲气体的方法,得出不同缓冲气体条件下0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化。结果表明,随着气压的升高,光声信号幅值增大,并且越重的缓冲气体使光声信号增幅越大;气压的升高使得共振频率偏移,共振频率的偏移量与光声池内混合气体分子的摩尔质量成反比。该研究为解决在现场进行气体检测时,气压及背景气体变化的复杂环境对检测结果的影响提供了参考。
激光诱导击穿光谱用于煤中多元素同步检测
郝晓剑, 孙永凯
2020, 44(1): 119-124. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.021
摘要:
为了实现煤中碳、氢、硫3种非金属元素的快速同步定量检测, 采用激光诱导击穿光谱技术, 以波长1064nm的Nd:YAG固体激光器作为激发源, 在空气环境下烧蚀9种煤国家标准样品, 选取188.885nm~308.008nm和655nm~660nm波长范围光谱, 结合偏最小二乘回归, 同步检测煤中C, H, S 3种非金属元素, 取得了偏最小二乘回归的校正模型和预测模型数据, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, C, H, S元素的预测质量分数与真实质量分数的决定系数为0.9421, 0.9894, 0.9840, 预测均方根误差分别为2.2772, 0.2356, 0.1678, 平均相对误差分别为2.6348%, 7.1185%, 8.8600%。该研究证明了激光诱导击穿光谱技术结合偏最小二乘回归定量可用于煤中非金属元素的多元素检测。
激光物理、材料与器件
波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响
李纲, 卢峰, 朱斌, 吴玉迟, 谷渝秋
2020, 44(1): 14-19. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.003
摘要:
为了研究波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响, 基于瑞利-索末菲标量衍射理论, 对比研究了在散焦、像散、慧差、三叶形像差以及球差等各类波前像差下, 均匀强度分布和高斯强度分布的超短飞秒激光脉冲的聚焦特性。结果表明, 波前像差对均匀强度分布的飞秒脉冲在焦平面处的光强分布具有明显的不利影响, 从而降低飞秒脉冲的聚焦峰值功率, 而对高斯强度分布的飞秒脉冲影响相对较小, 即在高斯强度分布下, 在焦平面处仍然有可能获得较好的、近衍射极限的聚焦光斑; 在非焦平面处, 即使初始脉冲具有高斯强度分布, 非焦平面处的光强分布受各类波前像差的影响也较为明显; 对于所研究的30fs(1/e2半宽度)超短脉冲, 波前像差对脉冲持续时间的影响几乎可以忽略。此研究结果对超短飞秒激光束的光束质量评估及聚焦特性分析具有实际的指导意义。
双横模输出微片谐振腔双频频差调谐特性研究
贵崑, 张子龙, 赵长明, 张海洋, 田顺
2020, 44(1): 20-25. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.004
摘要:
双偏振激光谐振腔能够产生两个垂直偏振的横模模式, 分别为基横模(TEM00)和具有轨道角动量的涡旋光束(LG01), 二者在光频率上具有频差。为了研究两个横模的频率差调谐特性, 采用温度与电压相结合的调谐技术方法, 实现拍频信号在不同频率范围的连续调谐。理论计算分析了两模式频差分别与温度和电压的对应关系, 实验实现了频差的大范围可调谐性, 并对频差的调谐精度进行了测量分析。结果表明, 频差与温度和电压之间都呈现出良好的线性关系, 并得到对温度和电压的调谐斜率分别为3.14GHz/K和1.76MHz/V。该研究能够更好地分析双偏振谐振腔直接产生涡旋光束现象, 并在激光通信和激光雷达探测等技术领域具有应用价值。
通过调控激光波形获得波长可调的单阶谐波
冯立强
2020, 44(1): 37-41. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.007
摘要:
为了获得波长可调的单阶谐波, 采用调控双色场激光波形的方法, 对谐波辐射进行了理论分析, 并取得了单阶谐波增强的范围在182阶谐波到328阶谐波的数据。结果表明, 单阶谐波的增强来源于谐波辐射短量子路径中的折叠区域; 第2束调控场的脉宽对谐波辐射折叠区域有较大影响。该研究为获得单阶谐波脉冲提供了一种新的方案, 对激光光源的发展有帮助。
基于π型结构双折射超表面的设计与应用
韩晓晓, 童元伟
2020, 44(1): 42-49. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.008
摘要:
为了实现结构简单、透射率高的双折射超表面, 采用广义薄板跃迁条件分析了该超表面结构与其周围入射场、反射场和透射场的关系, 并利用介质空间域的表面极化率、磁化率等描述了相应超表面的等效特性, 设计出一种基于π型金属结构单元的双折射超表面。通过将具有梯度透射相位的7个单元按照顺序排列, 形成具有对垂直入射x, y极化电磁波双折射性能的超表面。结果表明, 在波束折射和偏振分束超表面中, 损失均低于-8dB; λ/4波片中达到全透射; 所设计的双折射超表面对垂直入射的电磁波具有高透射特性, 并且能够分离x极化电磁波和y极化电磁波的波束, 实现双折射。该研究结果对高性能超表面的设计与实现具有一定的指导意义。
高效率、高能量、皮秒可见光参量放大器
董程, 杨峰, 王旭明, 韩琳, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦
2020, 44(1): 96-99. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.017
摘要:
为了提高皮秒可见光参量产生/放大器(OPG/OPA)的转换效率及输出能量, 采用走离补偿结构和镜片膜系特殊设计等方法进行了实验验证。研究了在不同的抽运能量下OPA信号光的光束质量因子M2的演化过程和信号光在430nm~680nm内的调谐输出性能。结果表明, 在6.9mJ的355nm抽运能量下, 最高获得了2.7mJ的510nm信号光能量输出, 对应的光光转换效率为39.1%, 光子转换效率为56.2%;该方法可以有效提高OPG/OPA的输出能量和转换效率。该研究对紫外和深紫外晶体的表征是有帮助的。
308nm准分子激光剥离聚酰亚胺薄膜实验研究
陈星, 游利兵, 代甜甜, 王宏伟, 杨礼昭, 程超, 方晓东
2020, 44(1): 100-107. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.018
摘要:
为了研究聚酰亚胺薄膜在308nm准分子激光下的剥离效果, 采用实验研究的方法, 分别探究了激光能量密度、光斑重叠率、脉冲频率、衬底温度对激光剥离效果的影响, 并结合显微镜观察剥离后的衬底和薄膜形貌。结果表明, 激光剥离能量阈值约为160mJ/cm2, 在激光能量密度为180mJ/cm2~190mJ/cm2左右、光斑重叠率为68.33%时, 剥离效果较好; 提高衬底温度有利于激光剥离过程。该研究对聚酰亚胺薄膜在柔性电子领域的工业化应用具有一定意义。
变结构反应离子刻蚀腔室流场热场的数值仿真
张景文, 范斌, 李志炜, 汉语
2020, 44(1): 136-142. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.024
摘要:
为了提高刻蚀的均匀性, 对400mm反应离子刻蚀(RIE)腔室建立了气体流动的连续流体模型和热传递模型, 研究了反应腔室内压强、流速和温度分布。冷却板恒温285K时, 依次改变入口流量和出口压强, 分别分析了腔室内部基片晶圆附近的流速、压强、温度的分布; 依次改变极板间距离(30mm~60mm)、进气口直径(300mm~620mm)、抽气口直径(50mm~250mm), 分析了反应腔室内气流和温度分布。结果表明, 压强分布呈现出边缘低中心高的特征, 流速呈现边缘高且中心低的特征, 且在小流量时压强的均匀性较好; 压强分布的均匀性随腔室极板间距离增加而有所提高, 且随腔室气体出口面积减小与进口面积增加也有所提高; 基片晶圆上方附近处温度场大面均匀、稳定, 几乎不受入口流量波动变化的影响, 热稳定性良好。该研究对大口径RIE腔室结构设计改进及对大口径反应离子刻蚀工艺控制具有重要意义。
综述与评述
基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术研究进展
罗贤锋, 游利兵, 徐健, 方晓东, 罗乐
2020, 44(1): 66-73. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.012
摘要:
元素成像技术是一种基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的元素光谱强度成像技术,该技术拥有多元素分析能力、原位成像能力和大面积样本扫描成像能力,且样本制备简易、成像速度快。首先介绍了LIBS元素分布成像技术的原理,其次介绍了目前常用的LIBS成像设备,最后回顾了LIBS成像技术在古气候学、病理分析、药物代谢及植物学分析等领域的相关应用。
彩色夜视技术方法综述
蒋云峰, 武东生, 黄富瑜
2020, 44(1): 108-112. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.019
摘要:
为了得到具有自然彩色的夜视图像, 彩色夜视技术的研究成为夜视技术研究领域的一大热点。介绍了夜视技术的发展概况和获得具有自然感彩色夜视图像的彩色夜视技术手段, 主要可分为硬件方式和软件合成的方式, 其中软件方式主要有基于多传感器图像融合的方法和基于色彩传递的方法。详细介绍了两种方式的技术方案, 并对彩色夜视技术做出了技术展望。
光通信与光信息技术
光纤周界报警信号自适应压缩感知
杨正理, 史文, 陈海霞
2020, 44(1): 74-80. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.013
摘要:
在光纤周界报警系统中,对光纤振动信号进行分析与辨识时,针对高频、大规模信号在采样、存储、传输与信号处理过程中存在网络宽带、存储容量、计算速度等一系列限制问题,提出基于小波包的光纤周界报警信号自适应压缩感知方法。对光纤振动信号进行多尺度小波包分解,通过计算各尺度下小波包系数高频部分的数学期望作为阈值,对小波包系数进行置零处理,自适应地选择小波包分解尺度,使信号在频域得到更高的稀疏度;根据小波包系数块的数学期望和信息熵对小波包系数块进行分类,并针对不同系数块的类型设计对应的处理方法,提高信号的传输与处理速度。结果表明,该方法能够有效减少光纤振动信号的观测数据,并在相同采样率前提下,能够提高信号的重构精度和重构速度。
一种两步相移数字全息的设计与实验验证
位文广, 韩俊鹤, 付玉洲
2020, 44(1): 86-90. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.015
摘要:
为了快速有效地测量微小透明物体表面形貌,设计了一种基于Mach-Zehnder干涉仪的两步相移数字全息系统。该系统使用两个相同的CCD在不同距离同时采集干涉图像,利用光学相移单元在每个CCD记录的干涉图之间形成一个π的相移,然后通过光的空间传递函数及傅里叶变换给出了相位重建的算法。搭建了两步相移干涉光路,以微透镜阵列作为待测物体,验证了该系统的可行性。结果表明,该系统比四步相移法节省一半以上的时间,且能够达到与四步相移法相一致的相位重建结果。该方法对提高相位重建效率具有一定的帮助。
基于提升小波的古铜镜X光图像融合方法研究
刘凯, 王慧琴, 吴萌, 相建凯, 卢英
2020, 44(1): 113-118. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.020
摘要:
为了将古铜镜X光图像信息综合到同一图像中, 采用提升小波的方式将源图像进行分解, 并分别对低频、高频采用不同的融合规则进行了图像融合。低频采用区域能量与区域方差相结合的方法, 高频采用空间频率加邻域像素点规范中间像素点的方法, 最后经提升小波逆变换得到目标图像; 同时进行了理论分析和实验验证, 取得了融合图像的信息熵、平均梯度和标准差数据。结果表明, 在3组实验中, 相对于其它几种算法, 本文中算法的信息熵平均提升了5.76%, 平均梯度平均提升了28.70%, 标准差平均提升了7.70%, 算法有效地保留了源图像的信息, 对于边缘的传递效果更优秀。这一结果对古铜镜X光图像的融合是有帮助的。
基于遗传算法的数字图像相关变形初值估计
刘禹, 肖世德, 张睿, 张若凌, 张磊
2020, 44(1): 130-135. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.023
摘要:
为了克服传统的基于牛顿-拉夫森迭代的数字图像相关法受迭代初值影响较大等问题, 提出了一种结合遗传算法的数字图像相关法。以待测数据点为中心, 选取邻域内的若干估值点, 通过基于遗传算法的数字图像相关法匹配出变形前后估值点对坐标; 随机选取不共线的3组或以上估值点对代入仿射变换模型, 依据仿射变换结果估计变形初值, 并作为牛顿-拉夫森迭代初值; 最后结合牛顿-拉夫森迭代法计算亚像素位移值。结果表明, 该方法的匹配时间相对传统方法平均降低37.54%, 相较于传统的数字图像相关法在搜索性能、匹配精度等方面更加可靠。该研究为数字图像相关法中迭代初值优化效果对匹配速度和精度的影响提供了参考。
光生物学与医学光子学
基于近红外光谱在皮瓣移植术后的监测系统
张锦龙, 辛明, 樊琳琳, 张峰, 员琳, 韩笑笑, 杨濠琨
2020, 44(1): 91-95. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.016
摘要:
皮下组织血氧参量是反映皮瓣移植术后皮瓣存活状况的重要依据。为了无创、连续、实时地监测皮肤组织氧饱和度,采用近红外光谱法进行了理论分析和实验验证,提出了一种电流-电压(I-V)转换思路并搭建了测量系统。利用该系统进行了稳定性验证实验、前臂静脉阻断模拟皮瓣血管栓塞实验。结果表明,不同人体、不同部位的组织氧饱和度存在微小差异,差异幅度均在0.05左右;静脉阻断下系统组织氧参量发生显著改变,最大降幅0.25。该系统具有较高灵敏度,能够连续测量组织氧饱和度参量、反映组织氧变化趋势,可以为临床检测术后皮瓣血氧运输状态提供重要参考。
面向计算机显微视觉系统的白细胞识别
张从鹏, 马岩, 毛潭, 熊国顺
2020, 44(1): 125-129. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.01.022
摘要:
为了解决人工镜检白细胞识别效率低下的问题, 采用计算机显微视觉平台进行了白细胞自动识别研究。白细胞图像分割方面, 筛选图像颜色模型之后采用区域生长算法实现白细胞与图像背景的精确剥离; 并利用大津法(即灰度直方图波谷阈值分割方法)实现了白细胞细胞核和细胞浆的提取; 根据细胞的形态、颜色及纹理特征用人工神经网络分类器对大样本量的白细胞进行了识别分类。结果表明, 采用白细胞图像分割和智能辨识算法具有较高的精度和效率, 最终准确度能够达到95.6%。该系统满足临床医学显微视觉白细胞自动检测的需求。