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激光与光电子技术应用
微型近红外光谱仪在苹果糖度测量中的应用研究
徐永浩, 宋彪, 陈晓帆, 黄梅珍
2019, 43(6): 735-740. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.001
摘要:
为了评估微型近红外光谱仪应用于现场水果糖度检测的可行性, 采用粒子群算法结合反向传播(BP)神经网络建立了苹果糖度的无损高精度快速检测方法, 研究了微型近红外光谱仪NIRscan以单波长和阿达玛变换两种测量模式获得的光谱数据, 应用多种不同的数据预处理方法和多元线性回归、偏最小二乘法、粒子群算法(PSO)、BP神经网络等算法建立分析模型。结果表明, 以阿达玛变换工作模式测得的光谱数据更好, 以1阶导数结合Savizky-Golay平滑算法作数据预处理, 应用PSO结合BP神经网络建立的苹果糖度预测模型具有更高的预测精度, 预测相关系数和均方根误差分别为0.9911和0.1502。该微型近红外光谱仪NIRscan用于苹果糖度的现场快速和高精度无损检测具有可行性。
基于像散的光学元件厚度非接触测量研究
李潇潇, 张志恒, 张效宇, 曹杰君, 曹兆楼
2019, 43(6): 741-746. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.002
摘要:
为了解决光学工厂低成本高精度检测光学元件厚度的实际问题, 采用像散法厚度测量技术搭建了测量系统, 并进行了理论分析和实验验证。该系统通过柱面镜引入像散形成长宽比与厚度相关的椭圆光斑, 基于实时图像处理获得元件厚度, 具有较高的测量效率, 最后使用商用玻璃平片及平凹透镜进行了测量实验。结果表明, 该系统测量不确定度在置信概率95%时小于2μm, 中心厚测量范围为25mm, 能够满足目前一般加工公差要求; 该装置操作简单、精度高、成本低, 可用于测量透明及不透明材料, 适用范围较广。该装置为企业提供了一种低成本、非接触、高精度的厚度测量方案, 适合中小型光学加工企业使用, 具有广阔的应用前景。
基于Tchebichef图像矩的氧化锌太赫兹光谱定量研究
殷贤华, 郭超, 奉慕霖, 贺微
2019, 43(6): 747-752. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.003
摘要:
为了提高多组分混合物太赫兹光谱定量分析的准确性和稳定性, 将Tchebichef图像矩结合偏最小二乘回归(PLS)的建模方法引入到太赫兹光谱定量分析中, 以橡胶添加剂氧化锌、白炭黑与丁腈橡胶的混合物为实验样本, 对混合物中的氧化锌进行定量分析。获取样本太赫兹吸光度数据后, 用3维光谱自构建方法构建样本的3维光谱, 利用Tchebichef图像矩提取样本3维光谱灰度图的特征信息, 然后用PLS建立定量模型对氧化锌进行定量分析。结果表明, 由本方法得到的样本预测集相关系数和均方根误差分别为0.9993和0.0351, 与用PLS和支持向量回归直接对吸光度数据进行建模的方法相比, 结果更加准确和稳定。本方法能够对混合物中氧化锌进行准确、稳定的定量分析, 为多组分混合物太赫兹光谱定量分析提供了新思路。
激光切割锂电池负极极片复合材料的数值模拟
晏一菓, 阳如坤, 李建相, 吴学科, 张屹
2019, 43(6): 773-778. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.008
摘要:
为了探究负极极片复合材料的切割性质, 采用有限元模型, 对激光切割锂离子电池负极极片复合材料温度场进行数值模拟计算。由温度场分布取得了负极切缝宽度与切缝深度的尺寸大小, 从中研究激光功率、切割速率和光斑半径对负极表层材料切缝宽度与切缝深度的影响。结果表明, 负极表层切缝宽度随激光功率和光斑半径的增加而增大, 随切割速率增大而减小; 切缝深度随激光功率增加而增大, 随切割速率和光斑半径增大而减小。切割至中间铜箔后, 切缝深度变化速率趋缓, 负极材料的复合结构对切缝深度存在明显影响; 在功率为170W、光斑半径为47μm、切割速率变化至600mm/s左右时, 效果最为明显, 切割深度在该参量下达到60μm, 且突破这一阈值后增长速率得到明显提升直至极片完全切断。这一结果可为激光应用于锂离子电池极片复合材料切割提供参考。
纳秒脉冲激光加工高反射率铝膜
吴鹏, 范云茹, 郭嘉伟, 刘晓旭, 周强, 邓光伟, 宋海智, 王浟
2019, 43(6): 779-783. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.009
摘要:
为了研究基于近红外纳秒脉冲激光的高反射率金属薄膜的加工可行性以及加工效果, 采用纳秒脉冲激光对高反射率铝膜进行激光加工, 分别测量了在不同激光光斑尺寸和不同激光能量的条件下, 铝膜表面所发生的烧蚀形态变化。结果表明, 即使铝膜表面反射率高达96%, 依然能对铝膜进行激光加工; 使用较高功率激光对铝膜表面进行离焦加工(能量密度约小于1000J/mm2)的烧蚀图样比使用较低功率激光对铝膜表面进行对焦加工(能量密度约大于2000J/mm2)的烧蚀图样更加规则。相关实验结果对激光加工高反射率材料时激光参量的选择可起到一定的指导作用。
基于快速激光恒温区的热电偶时间常数的测量
郝晓剑, 刘亭剑
2019, 43(6): 784-788. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.010
摘要:
为了解决热电偶时间常数测试中阶跃温度问题, 采用模糊控制算法反馈控制激光器的输出功率, 设计了一种新的参量自适应模糊比例-积分-微分控制算法的闭环控制系统, 并进行了理论分析和实验验证, 测得某K型热电偶的时间常数为421.1ms。结果表明, 该算法能有效缩短平衡时间和增强控温系统的抗干扰能力。该结果对热电偶的校准研究是有帮助的, 具有一定的工程参考及应用价值。
基于免校准波长调制的多光程吸收光谱
邵李刚, 邱选兵, 魏计林, 李传亮
2019, 43(6): 795-799. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.012
摘要:
为了研究免校准波长调制光谱技术对激光光强变化及外界干扰的免疫能力, 采用基于免校准波长调制技术的多光程吸收光谱, 以乙炔为测量目标, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 不同激光功率下得到的波长调制二次谐波信号幅值发生明显变化, 但通过免校准的方法得到的信号变化较小, 且受气流影响、部分遮光、系统振动等外界干扰影响较小; 采用免校准方法实验得到的体积分数在5×10-6 ~9×10-5范围内的光谱信号拥有较好的线性度, 相关系数达0.9997;采用Allan方差分析得到该实验系统的最小探测极限可达1.2×10-8。免校准波长调制光谱技术能较好地避免光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰, 从而提高系统稳定性和探测灵敏度。
基于空间矢量约束的煤矿掘进机组合测量方法
王以忠, 安忠猛, 黄喆, 张晓日, 相健, 张凯伦
2019, 43(6): 804-808. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.014
摘要:
为了解决煤矿掘进机位姿测量的问题, 将一组反向同轴安装的工业相机和捷联惯性导航系统组装成测偏单元, 并结合视觉测量和惯性导航技术提出了一种基于空间矢量约束的实时位姿组合测量方法。该方法通过测偏单元测得激光指向仪光源光斑的空间矢量、掌子面光斑的空间矢量和掘进机的姿态信息, 建立空间矢量约束方程以及坐标系转换得到掘进机位置信息, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 通过该方法能得到掘进机实时位姿的六自由度信息。该方法可用于煤矿掘进机的位姿测量, 具有广阔的应用和发展前景。
无人机激光无线能量传输APT系统跟踪设计
时振磊, 孟文文, 申景诗, 吴世臣, 王健隆, 曲源冰, 石德乐
2019, 43(6): 809-814. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.015
摘要:
无人机激光无线能量传输捕获、瞄准、跟踪(APT)系统是系统接收端获得稳定能源的保障。为了解决能量传输过程中充电链路高效可靠的问题, 结合无人机激光能量传输系统特点及实际需求, 在设计中建立自适应感兴趣区域, 提高图像处理速度, 降低噪声, 准确提取目标坐标; 综合考虑多重误差后通过Kalman预测算法实现稳定跟踪, 并根据系统特点提出了系统功率传输效率的计算方案。结果表明, 当无人机飞行速率在18km/h内, 该APT系统能够在300m~500m距离准确跟踪无人机, 跟踪精度在320μrad内。该方案能够保证激光能量传输过程的跟踪精度与可靠性。
表面等离子体共振海上溢油预警实验装置设计
师晨洋, 高璐, 甘洋, 张薛斌, 张瑾, 崔洪亮
2019, 43(6): 815-820. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.016
摘要:
为了实现对早期、小规模溢油检测及预警, 采用对外界介质折射率微小变化敏感的表面等离子体共振传感技术, 设计搭建了一套小型溢油检测实验装置, 创建了一个基于表面等离子体共振设计的GUI界面用于选取传感参量, 并通过C++编译了一套具有数据采集、存储、处理以及显示功能的软件用于数据处理以及提前预警, 进行了理论分析和实验验证, 取得了折射率为1.4451, 1.4774, 1.5299的原油样品的表面等离子体共振响应数据。结果表明, 实验数据与仿真结果相符, 该装置可用于海上溢油检测实验研究, 其软件设计满足预警需求。这一结果对海上溢油检测是有帮助的。
EEMGSM光束在各向异性湍流中的光束质量因子研究
束杰, 屈军
2019, 43(6): 834-840. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.019
摘要:
为了探究矢量椭圆多高斯-谢尔模(EEMGSM)光束的传输特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩理论, 理论推导了EEMGSM光束在各向异性湍流中传输的质量因子解析表达式。通过数值计算和分析, 探究了初始偏振度、初始相干度、腰宽、波长和湍流结构常数等与质量因子的变化规律。结果表明, EEMGSM光束的质量因子随着阶数、波长和腰宽的增大而减小; 随着初始相干度和湍流结构常数的减小而减小; 在相同条件下, 具有大初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量受各向异性的影响小于具有小初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量; 且在相同条件下, EEMGSM光束的质量因子比标量椭圆高斯-谢尔模(EGSM)光束小, 即EEMGSM光束具有缓解各向异性湍流影响的优点。所得结论对于自由空间光通信的研究具有一定的理论参考价值。
激光物理、材料与器件
三谱线、高峰值功率窄线宽纳秒光纤激光器
李川, 陈安涛, 赵文娟, 韩一平
2019, 43(6): 753-756. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.004
摘要:
为了抑制窄线宽脉冲光纤放大器中受激布里渊散射效应, 使用多谱线技术对单频种子源的线宽进行了拓展, 进行了基于三谱线的主振荡功率放大高峰值功率脉冲全光纤激光器实验验证。结果表明, 经过两级预放、一级功放, 获得激光输出的最大平均功率为303W, 脉宽为2.8ns, 重复频率为3.1MHz, 对应的峰值功率为35kW, 在最高功率输出情况下, 激光器的光束质量小于1.3;三谱线结构对受激布里渊散射有着明显的抑制作用。该研究为高峰值功率的脉冲光纤激光器放大技术提供了参考。
基于半导体环形激光器的光反馈动力学研究
张定梅
2019, 43(6): 789-794. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.011
摘要:
为了研究半导体环形激光器在外部交叉光反馈情况下的非线性动力学特性, 基于环形激光器的速率方程, 采用数值仿真的方法, 得到了各种反馈参量下的时间序列及功率谱, 并研究了反馈系数对混沌带宽及时间延迟特性的影响。结果表明, 在各种不同外部反馈参量的情况下, 环形激光器展现了单周期、多周期、低频反相波动以及混沌态等丰富的动力学态; 在对称光反馈时, 可得到最大为3.7GHz的混沌带宽; 在时间不对称光反馈时, 产生的混沌信号的时延特征被很好地抑制。该研究结果可为环形激光器的实际应用提供一定的理论参考。
基于MOPA结构的1064nm单频光纤激光器
朱志坚, 薛竣文, 王玉珂, 孙鲁, 苏秉华
2019, 43(6): 800-803. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.013
摘要:
为了抑制受激布里渊散射效应, 提高单频窄线宽种子源的放大功率, 采用主振荡功率放大器结构, 并对光纤长度、纤芯直径和抽运参量进行优化, 实现了42W的1064nm信号光输出。实验中, 一级放大采用914nm半导体激光器作为抽运源, 增益光纤芯径10μm, 长度8m;二级放大采用976nm半导体激光器作为抽运源, 增益光纤芯径20μm, 长度2.4m。在种子光功率40mW、一级放大的抽运功率6.8W、二级放大的抽运功率85W时, 得到了42W的1064nm信号光输出。结果表明, 光光转换效率约49.4%, 偏振消光比27.5dB; 输出信号光中心波长1064.5nm, 线宽约70MHz, 保持了种子光的单频特性。在42W连续输出时没有观察到受激布里渊散射, 继续增大抽运功率, 有望实现更高功率的放大。
高斯-谢尔脉冲在单模光纤中的传输特性研究
黄艳
2019, 43(6): 841-845. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.020
摘要:
为了研究高斯-谢尔模型(GSM)脉冲在单模光纤中的传输特性, 采用相干函数传播分析法推导出GSM脉冲经单模光纤传输后输出脉冲的时间相干函数解析表达式, 在此基础上分析脉冲宽度、相干时间和功率谱等特征量的变化, 并推导出在远端条件下单模光纤的时域广义范西特-泽尼克定理。结果表明, GSM脉冲在单模光纤中的传输存在功率谱和全局相干度两个守恒量, 且二者是一致的。该研究结果对激光传输领域具有一定的理论和现实意义。
基于高斯光束的飞秒激光光束质量检测技术
艾尼江·阿塔伍拉, 阿布都热苏力·阿不都热西提
2019, 43(6): 846-849. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.021
摘要:
为了研究飞秒激光光束质量因子M2基于高斯光束的传播特性和能量密度分布, 在对飞秒激光光束质量因子进行理论研究的基础上, 进行了相应的数据计算, 给出了飞秒激光脉冲照射屏幕表面时所形成的环形光斑宽度的测量方法, 设计了一套由飞秒激光器、透镜、介电材料玻璃屏幕所组成的实验平台; 将该方法与刀口法和CCD法测量值进行了对照, 并用刀口法、CCD法确认了飞秒激光束腰在不同位置时的激光光束质量因子取值范围。结果表明, 光束质量因子M2xy方向上的测量值分别为2.04, 1.24。该实验结果与理论分析基本一致, 比刀口法和CCD法结构简单, 所得结论数据可靠、执行方便, 对精密测量有一定的参考价值。
双光栅结构薄膜太阳能电池的优化
江达飞, 方晓敏, 廖东进
2019, 43(6): 850-854. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.022
摘要:
为了提高单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和转换效率, 采用在单晶硅薄膜太阳能电池正背面分别集成硅介质光栅和铝金属光栅的方法, 并利用有限时域差分法软件仿真研究了两种光栅的周期、厚度、占空比对单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和光转换效率的影响。结果表明, 通过优化可得当正背面光栅都处于最优值时(介质光栅占空比F=0.8、介质光栅周期P=0.632μm、介质光栅厚度hg=0.42μm; 金属光栅占空比F1=0.9、金属光栅周期P=0.632μm、金属光栅厚度hm=0.005μm), 短路电流密度可达35.15mA/cm2, 转换效率为43.35%;将最优光栅单晶硅薄膜太阳能电池与传统单晶硅薄膜太阳能电池对比, 无论是光程路径还是吸收效率, 光栅单晶硅薄膜太阳能电池都有显著的提高。这为以后制备高性能薄膜太阳能电池提供了理论指导。
光通信与光信息技术
熔锥型宽带光纤耦合器的研究
周梦薇, 任偲源, 朱益清, 姚晓天
2019, 43(6): 757-762. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.005
摘要:
为了探究非对称耦合器的特性, 利用具有折射率差异的两根光纤制作了宽带耦合器。采用数值计算模拟了不同折射率差光纤耦合器的光场分布以及输出光功率随拉伸长度的变化曲线, 并分析了两种宽带耦合器的带宽差异以及熔融度对功率转换比的影响; 采用光束传播法, 通过仿真模拟得到了理论带宽。结果表明, 耦合的功率转换比随两根光纤的不对称情况而变化, 功率转换比调节到耦合器分束比的大小时, 耦合器带宽最宽; 熔融度对宽带耦合器分束比有一定的调节作用; 3dB光纤耦合器在C+L波段波长响应平缓, 带宽范围达到150nm; 分束比3:7和1:9的耦合器带宽范围分别是210nm和330nm; 分束比1:99的耦合器带宽范围是420nm。此研究结果对制作非对称宽带耦合器提供了参考依据。
基于FPGA红外成像光谱数据处理系统研究
孙颖馨
2019, 43(6): 763-767. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.006
摘要:
目标实时探测是红外成像光谱系统的重要研究方向之一。为了同时保障系统数据处理速度与光谱复现精度, 研究了一种高速光谱反演系统。该系统由现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现, 对干涉条纹图像进行非均匀性校正、加窗切趾, 从而抑制干涉条纹数据中的直流噪声及杂散噪声; 再经快速傅里叶变换、相位校正、光谱标定最终获得光谱分布。结果表明, 本算法对杂散噪声具有很好的抑制效果, 非均匀性系数由11.23%降低至1.05%;对光谱的反演实验中本系统获得的光谱分布形态与MATLAB结果基本一致, 且在光谱细节部分的准确度更好一些; 系统采用流水线工作方式缩短了数据处理周期, 并且基于FPGA芯片的开发模块具有更强的兼容性。该系统具有处理速度快、体积小、稳定性高、兼容性强等优点, 在红外目标实时探测领域具有很好的应用前景。
振幅自由度对衍射光学元件成像的影响研究
孟妮妮, 钱晓凡, 刘滨, 李昕颖, 张亚萍
2019, 43(6): 855-862. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.023
摘要:
为了在衍射光学元件设计中提高再现像光强分布均匀性, 改善成像质量, 利用光场传播过程中一定存在泄漏的现象, 为目标图像增加了混合型振幅自由度, 优化了设计算法, 并设计了傅里叶变换型衍射光学元件, 验证了方法的有效性。结果表明, 增加振幅自由度后设计的元件的再现像光强不均匀性从14%左右降到了1%以下, 均方误差从10%左右降到了0.1%以下。该方法对Gerchberg & Saxton(GS)算法和模拟退火算法均适用。
光子学前沿进展
渐近式太赫兹多孔光子晶体光纤模式特性研究
汪成程, 张峰, 吴根柱
2019, 43(6): 768-772. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.007
摘要:
为了研究太赫兹波在新型渐近式多孔光子晶体光纤的传输特性, 采用有限元数值分析法进行了数值仿真, 分析了有效模态面积、纤芯孔隙度对有效材料损失及限制损耗、功率分布分数等波导特性的影响。结果表明, 在单模传输范围0.5THz~0.85THz内, 通过在光纤上引入渐近矩形阵列气孔和椭圆空穴, 实现了零色散、0.0532高双折射、有效材料损失为0.1157/cm, 限制损耗低至1.47×10-4dB/cm。此研究可用于制造极化THz波导、滤波器等, 对新一代太赫兹波导实现长距离、高性能传输的研究具有重要意义。
综述与评述
8μm~14μm长波红外相干辐射技术
王旭明, 杨峰, 董程, 薄勇, 彭钦军
2019, 43(6): 821-828. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.017
摘要:
8μm~14μm长波红外相干辐射在大气激光遥感与通信、高分辨分子指纹光谱及国家安全等诸多领域具有重要应用价值。概述了几种可获得8μm~14μm相干辐射的光源, 主要有CO2气体激光器、半导体量子级联激光器、红外自由电子激光器、红外超连续谱光源和非线性变频中红外固体激光器等。分别介绍了不同技术的基本原理及国内外进展, 并分析比较了各自的优缺点、发展方向及应用适用范围。其中, 非线性变频中红外固体激光器具有8μm~14μm连续调谐, 可飞秒、皮秒、纳秒及连续波运转, 重频1Hz~GHz可调的突出优势, 且全固化结构、可靠性高、光束质量好, 将成为发展实用化与精密化长波红外相干辐射光源的最佳选择。
光电对抗与强激光技术
光纤激光非相干合成效果分析
贺也洹, 张恩华, 王志海, 李慧剑, 李彬, 陈翔, 袁佳, 叶大华
2019, 43(6): 829-833. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.06.018
摘要:
为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w0、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明, 单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d0=2.8w0时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。