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RSS2023年 47卷 第6期
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[摘要]
[PDF 250KB]
2023, 47(6): 742-750.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.003
[HTML全文]
摘要:
3 μm~5 μm中红外激光处于大气窗口波段，对应着众多原子或分子的特征吸收峰，在医疗诊断、大气环境监测、空间通信以及光电对抗等诸多领域具有非常重要的应用价值。在这些应用领域，人们往往要求光源拥有窄谱宽和快速波长调谐功能，而窄谱宽激光具有较小的谱宽、能量集中，是满足这些应用的理想光源。总结了实现窄谱宽3 μm~5 μm中红外激光输出的Fe2+/Cr2+离子掺杂固体激光器和氟化物光纤激光器谱宽压缩技术，以量子级联激光器为例，展示了几种激光稳频的措施，重点阐述了结构紧凑、全固化的中红外光参量振荡器的调谐原理和压缩谱宽所采取的技术，对课题组在窄谱宽光参量振荡器方面的研究工作进行了介绍，并对窄谱宽中红外激光技术的研究前景进行了展望。
3 μm~5 μm中红外激光处于大气窗口波段，对应着众多原子或分子的特征吸收峰，在医疗诊断、大气环境监测、空间通信以及光电对抗等诸多领域具有非常重要的应用价值。在这些应用领域，人们往往要求光源拥有窄谱宽和快速波长调谐功能，而窄谱宽激光具有较小的谱宽、能量集中，是满足这些应用的理想光源。总结了实现窄谱宽3 μm~5 μm中红外激光输出的Fe2+/Cr2+离子掺杂固体激光器和氟化物光纤激光器谱宽压缩技术，以量子级联激光器为例，展示了几种激光稳频的措施，重点阐述了结构紧凑、全固化的中红外光参量振荡器的调谐原理和压缩谱宽所采取的技术，对课题组在窄谱宽光参量振荡器方面的研究工作进行了介绍，并对窄谱宽中红外激光技术的研究前景进行了展望。
2023, 47(6): 757-765.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.005
摘要:
光谱检测是鉴别物质类型、掌握物质含量的重要手段。凹面光栅作为光谱检测仪的核心器件，其成像质量直接影响检测质量, 影响凹面光栅的成像质量归类为像差消除与分辨率提升两个方面。综述了光谱检测仪研制、像差消除与分辨率提升的研究进展；总结了各方案消除像差、提高分辨率的技巧、特色以及需满足的条件；最后展望了基于凹面光栅的光谱检测未来可能发展方向。
光谱检测是鉴别物质类型、掌握物质含量的重要手段。凹面光栅作为光谱检测仪的核心器件，其成像质量直接影响检测质量, 影响凹面光栅的成像质量归类为像差消除与分辨率提升两个方面。综述了光谱检测仪研制、像差消除与分辨率提升的研究进展；总结了各方案消除像差、提高分辨率的技巧、特色以及需满足的条件；最后展望了基于凹面光栅的光谱检测未来可能发展方向。
2023, 47(6): 766-771.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.006
摘要:
为了解决低压器件中银基触头易熔焊、易烧蚀、电寿命不足的问题，采用了激光法制备新型石墨烯/银基复合触头。通过激光熔覆技术在商用AgNi15触头表面制备了全覆盖的石墨烯薄膜，将其作为独立涂层抵抗环境的破坏；进行了理论分析和实验验证，取得了最优工艺条件及相应的性能数据。结果表明，所制备的新型石墨烯/银基复合触头硬度为104.05 HV，密度为9.15 g/cm3，接触电阻为0.016 Ω。该研究为高性能低压触头提供了新的解决方案和实验基础。
为了解决低压器件中银基触头易熔焊、易烧蚀、电寿命不足的问题，采用了激光法制备新型石墨烯/银基复合触头。通过激光熔覆技术在商用AgNi15触头表面制备了全覆盖的石墨烯薄膜，将其作为独立涂层抵抗环境的破坏；进行了理论分析和实验验证，取得了最优工艺条件及相应的性能数据。结果表明，所制备的新型石墨烯/银基复合触头硬度为104.05 HV，密度为9.15 g/cm3，接触电阻为0.016 Ω。该研究为高性能低压触头提供了新的解决方案和实验基础。
2023, 47(6): 846-853.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.017
摘要:
为了实现红外波段的双频带完美吸收, 采用将不同电子掺杂浓度的单层带状黑磷在同一平面内交错排列的方法, 进行了理论分析和仿真模拟, 得到了此器件在红外波段的吸收光谱和传感性能。结果表明, 此吸收体可以在波长2 μm~5 μm的红外波段范围内实现双频带的完美吸收(吸收率大于99.9%), 此高吸收率是由于入射光波与器件满足了临界耦合条件而形成了共振加强; 在共振波长处, 光波被限制在黑磷附近; 此超材料吸收体的双频带特性在其作为传感器使用时具有独特的优势, 可以提高传感器的可靠性和准确性; 吸收波峰的偏移量与覆盖在此器件上的未知物质的折射率基本呈线性关系, 用此器件测得的未知物质的折射率与实际的折射率的误差在1%以内。该超材料吸收体结构简单, 对制作工艺的尺寸精确度要求不高, 在红外波段的多频带吸收和传感检测方面将会有广泛的应用。
为了实现红外波段的双频带完美吸收, 采用将不同电子掺杂浓度的单层带状黑磷在同一平面内交错排列的方法, 进行了理论分析和仿真模拟, 得到了此器件在红外波段的吸收光谱和传感性能。结果表明, 此吸收体可以在波长2 μm~5 μm的红外波段范围内实现双频带的完美吸收(吸收率大于99.9%), 此高吸收率是由于入射光波与器件满足了临界耦合条件而形成了共振加强; 在共振波长处, 光波被限制在黑磷附近; 此超材料吸收体的双频带特性在其作为传感器使用时具有独特的优势, 可以提高传感器的可靠性和准确性; 吸收波峰的偏移量与覆盖在此器件上的未知物质的折射率基本呈线性关系, 用此器件测得的未知物质的折射率与实际的折射率的误差在1%以内。该超材料吸收体结构简单, 对制作工艺的尺寸精确度要求不高, 在红外波段的多频带吸收和传感检测方面将会有广泛的应用。
2023, 47(6): 854-859.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.018
摘要:
为了实现单波长输出, 提出了一种基于单模石英-掺铒-单模石英结构混合介质光纤干涉仪(HFI)的单波长光纤激光器。基于混合介质光纤波导内的光场干涉原理及光波导理论, 分析了HFI的模式干涉理论, 研究了HFI内干涉光特性随中间段铒掺杂光纤(EDF)长度以及错位量的变化规律; 采用熔融错位法制备HFI, 优化了EDF的长度和单模光纤与EDF之间的偏移量。结果表明, 最佳EDF长度为15 mm, 单模光纤与EDF之间的最佳偏移量为7.9 μm; 选择长度为15 mm的EDF HFI作为环形光纤激光器谐振腔的选模器件, 可获得较高稳定性的单波长光纤激光器输出。这一结果对该激光器在光纤传感和光纤通信系统的应用是有帮助的。
为了实现单波长输出, 提出了一种基于单模石英-掺铒-单模石英结构混合介质光纤干涉仪(HFI)的单波长光纤激光器。基于混合介质光纤波导内的光场干涉原理及光波导理论, 分析了HFI的模式干涉理论, 研究了HFI内干涉光特性随中间段铒掺杂光纤(EDF)长度以及错位量的变化规律; 采用熔融错位法制备HFI, 优化了EDF的长度和单模光纤与EDF之间的偏移量。结果表明, 最佳EDF长度为15 mm, 单模光纤与EDF之间的最佳偏移量为7.9 μm; 选择长度为15 mm的EDF HFI作为环形光纤激光器谐振腔的选模器件, 可获得较高稳定性的单波长光纤激光器输出。这一结果对该激光器在光纤传感和光纤通信系统的应用是有帮助的。
2023, 47(6): 866-871.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.020
摘要:
为了研究多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜的光学常数, 以溴化铅和溴化铯为原料, 采用多步旋涂法在硅和FTO衬底上制得CsPbBr3薄膜。利用光弹调制式椭偏光谱仪对硅衬底上的薄膜进行了椭偏光谱分析, 使用Tanguy和Tauc-Lorentz 3组合模型对变角度的椭偏光谱进行参数拟合, 得到了薄膜光学常数在1.00 eV~5.00 eV范围内的色散关系, 并利用荧光发射光谱、吸收谱验证椭偏拟合结果。结果表明, 多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜的光学常数与其它方法相比具有一定的差异性, 其中折射率可能与薄膜表面粗糙度呈负相关; 椭偏拟合所得带隙为2.3 eV, 验证了荧光光谱、吸收谱的计算结果。该研究为多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜椭偏光谱拟合分析提供了参考。
为了研究多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜的光学常数, 以溴化铅和溴化铯为原料, 采用多步旋涂法在硅和FTO衬底上制得CsPbBr3薄膜。利用光弹调制式椭偏光谱仪对硅衬底上的薄膜进行了椭偏光谱分析, 使用Tanguy和Tauc-Lorentz 3组合模型对变角度的椭偏光谱进行参数拟合, 得到了薄膜光学常数在1.00 eV~5.00 eV范围内的色散关系, 并利用荧光发射光谱、吸收谱验证椭偏拟合结果。结果表明, 多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜的光学常数与其它方法相比具有一定的差异性, 其中折射率可能与薄膜表面粗糙度呈负相关; 椭偏拟合所得带隙为2.3 eV, 验证了荧光光谱、吸收谱的计算结果。该研究为多步旋涂法制备的CsPbBr3薄膜椭偏光谱拟合分析提供了参考。
2023, 47(6): 729-735.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.001
摘要:
为了提升调频连续波激光雷达调制带宽、从而提高距离分辨率，采用基于双平行Mach-Zehnder调制器的外调制方式，结合无光滤波器的微波光子倍频技术，通过1 GHz的射频源实现8 GHz的宽带射频调制信号，并利用搭建的模型研究了微波光子倍频子系统中消光比、调制系数和移相器相位偏移3个参数的变化对调频连续波激光雷达系统性能的影响。结果表明，大部分商用调制器的消光比可以满足使用需求，调制系数在2.385~2.425范围内或电移相器误差不大于1.3°时，该激光雷达探测信号峰的功率抑制比可以保持在20 dB以上。此研究结果为微波光子倍频技术在调频连续波激光雷达中的应用提供了理论支持，对工程实现有一定的参考意义。
为了提升调频连续波激光雷达调制带宽、从而提高距离分辨率，采用基于双平行Mach-Zehnder调制器的外调制方式，结合无光滤波器的微波光子倍频技术，通过1 GHz的射频源实现8 GHz的宽带射频调制信号，并利用搭建的模型研究了微波光子倍频子系统中消光比、调制系数和移相器相位偏移3个参数的变化对调频连续波激光雷达系统性能的影响。结果表明，大部分商用调制器的消光比可以满足使用需求，调制系数在2.385~2.425范围内或电移相器误差不大于1.3°时，该激光雷达探测信号峰的功率抑制比可以保持在20 dB以上。此研究结果为微波光子倍频技术在调频连续波激光雷达中的应用提供了理论支持，对工程实现有一定的参考意义。
2023, 47(6): 751-756.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.004
摘要:
为了研究光学参量如何影响测风激光雷达相干效率的问题，结合理论推导与实验验证进行了研究。基于光场叠加理论，讨论了本振光束腰、光纤耦合器芯径、光学系统像差对系统相干效率的影响; 开展大气湍流影响实验，测量了不同光学参量的系统在典型天气条件下的信噪比。结果表明，光瞳口径为100 mm、F数为2时，最优束腰半径为3.3 μm，最佳匹配接收光纤芯径为9 μm，光学系统波像差均方根值应不大于0.06λ；在强湍流作用下，当能见度小于5 km时，雷达探测距离降低60%。此研究对光学参量的优化具有重要参考意义。
为了研究光学参量如何影响测风激光雷达相干效率的问题，结合理论推导与实验验证进行了研究。基于光场叠加理论，讨论了本振光束腰、光纤耦合器芯径、光学系统像差对系统相干效率的影响; 开展大气湍流影响实验，测量了不同光学参量的系统在典型天气条件下的信噪比。结果表明，光瞳口径为100 mm、F数为2时，最优束腰半径为3.3 μm，最佳匹配接收光纤芯径为9 μm，光学系统波像差均方根值应不大于0.06λ；在强湍流作用下，当能见度小于5 km时，雷达探测距离降低60%。此研究对光学参量的优化具有重要参考意义。
2023, 47(6): 778-785.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.008
摘要:
为了探究广汉机场上空边界层高度的变化特征, 利用多普勒激光雷达的载噪比数据, 采用梯度法、小波协方差法和标准方差法, 对机场上空的边界层高度进行了反演, 并与L波段探空和飞机探测数据进行了对比, 利用飞机探测数据和探空仪数据对激光雷达反演的边界层高度进行了验证。结果表明, 在对流边界层顶的识别上, 3种方法都能较好地捕获边界层信息, 且一致性较好, 但在对残余层顶和稳定边界层顶的识别上, 梯度法无论是准确性、连续性还是稳定性上都表现出了明显优势; 反演得到的对流边界层和残余层高度维持在2000 m左右, 稳定边界层高度在100 m~200 m之间; 受边界层内湍流的影响, 物质边界层高度与热力边界层高度在某些时段会出现显著差异。该研究可为飞行训练提供预警信息, 更好地保障飞行安全。
为了探究广汉机场上空边界层高度的变化特征, 利用多普勒激光雷达的载噪比数据, 采用梯度法、小波协方差法和标准方差法, 对机场上空的边界层高度进行了反演, 并与L波段探空和飞机探测数据进行了对比, 利用飞机探测数据和探空仪数据对激光雷达反演的边界层高度进行了验证。结果表明, 在对流边界层顶的识别上, 3种方法都能较好地捕获边界层信息, 且一致性较好, 但在对残余层顶和稳定边界层顶的识别上, 梯度法无论是准确性、连续性还是稳定性上都表现出了明显优势; 反演得到的对流边界层和残余层高度维持在2000 m左右, 稳定边界层高度在100 m~200 m之间; 受边界层内湍流的影响, 物质边界层高度与热力边界层高度在某些时段会出现显著差异。该研究可为飞行训练提供预警信息, 更好地保障飞行安全。
2023, 47(6): 786-794.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.009
摘要:
为了研究水雾对激光加工碳纤维复合材料(CFRP)的影响, 采用水雾辅助激光加工CFRP的方法, 通过正交实验、多元线性回归分析和光学仪器进行了理论分析和实验验证, 得到了水雾对激光加工CFRP的影响规律并优化了工艺参数。结果表明, 随着喷嘴高度、喷嘴角度增加和气体压力减小, 激光光斑直径逐渐减小; 随着喷嘴角度增加和气体压力减小, 激光损失率逐渐减小, 喷嘴高度对激光功率影响小; 当喷嘴角度50°、气体压力0.2 MPa和喷嘴高度为30 mm时, 可以获得最大5.303的深宽比, 此时激光损失率为1.473%;建立的水雾参数与加工质量之间的经验公式可以预测切缝内部特征; 与气体辅助激光加工CFRP相比, 水雾辅助激光加工CFRP可以获得更小的截面热影响区和更大的槽深。该研究可为激光低损伤加工CFRP提供参考。
为了研究水雾对激光加工碳纤维复合材料(CFRP)的影响, 采用水雾辅助激光加工CFRP的方法, 通过正交实验、多元线性回归分析和光学仪器进行了理论分析和实验验证, 得到了水雾对激光加工CFRP的影响规律并优化了工艺参数。结果表明, 随着喷嘴高度、喷嘴角度增加和气体压力减小, 激光光斑直径逐渐减小; 随着喷嘴角度增加和气体压力减小, 激光损失率逐渐减小, 喷嘴高度对激光功率影响小; 当喷嘴角度50°、气体压力0.2 MPa和喷嘴高度为30 mm时, 可以获得最大5.303的深宽比, 此时激光损失率为1.473%;建立的水雾参数与加工质量之间的经验公式可以预测切缝内部特征; 与气体辅助激光加工CFRP相比, 水雾辅助激光加工CFRP可以获得更小的截面热影响区和更大的槽深。该研究可为激光低损伤加工CFRP提供参考。
2023, 47(6): 811-815.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.012
摘要:
为了改善光电精跟踪系统的动态响应特性, 采用预先修正方法对快速执行器件音圈电机快反镜进行优化控制。在快反镜的闭环控制回路中增设前馈环节, 根据目标探测与识别环节给出的脱靶量实施预测式调节控制, 以加快执行速度; 介绍了基于快反镜的光电精跟踪系统的一般构成与工作原理, 给出了音圈电机快反镜的闭环控制模型, 并执行了前馈-反馈控制方法; 搭建了包括目标模拟、目标成像探测与识别、目标快速跟踪等功能部件的实验系统, 对上述方法进行了实验测试。结果表明, 系统延迟由2.9 ms缩短至0.8 ms, 系统带宽由20 Hz提高至45 Hz。该方法可以大幅压缩光电精跟踪系统的时间延迟, 提高系统带宽。
为了改善光电精跟踪系统的动态响应特性, 采用预先修正方法对快速执行器件音圈电机快反镜进行优化控制。在快反镜的闭环控制回路中增设前馈环节, 根据目标探测与识别环节给出的脱靶量实施预测式调节控制, 以加快执行速度; 介绍了基于快反镜的光电精跟踪系统的一般构成与工作原理, 给出了音圈电机快反镜的闭环控制模型, 并执行了前馈-反馈控制方法; 搭建了包括目标模拟、目标成像探测与识别、目标快速跟踪等功能部件的实验系统, 对上述方法进行了实验测试。结果表明, 系统延迟由2.9 ms缩短至0.8 ms, 系统带宽由20 Hz提高至45 Hz。该方法可以大幅压缩光电精跟踪系统的时间延迟, 提高系统带宽。
2023, 47(6): 824-830.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.014
摘要:
为了探究纳秒激光烧蚀单晶硅过程中熔融物质的喷溅过程, 对不同加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅的过程进行了模拟仿真及实验验证。采用Level-Set界面追踪法, 通过仿真软件建立有限元模型, 对空气、静水和真空加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅时物质抛出过程进行模拟仿真, 研究了不同加工环境中温度场、速度场对表面喷溅的影响; 采用波长266 nm、脉宽30 ns和频率50 Hz的单脉冲激光烧蚀单晶硅的工艺实验对仿真结果进行验证, 通过原子力显微镜和数字显微镜对烧蚀结果进行了表征。结果表明, 空气环境中, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率达到14.1 m/s, 在微孔内部蒸汽压力的作用下, 烧蚀区域熔融物质向外喷出; 静水环境中, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率为1.68 m/s, 远低于空气中的喷溅速率, 熔融物质快速冷却; 真空环境中, 材料在短时间内汽化, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率最大可达18.4 m/s, 较高的喷溅速率有利于物质的抛出。加工环境对纳秒激光烧蚀单晶硅的物质抛出影响较大, 这为提高纳秒激光加工单晶硅的加工质量提供了参考。
为了探究纳秒激光烧蚀单晶硅过程中熔融物质的喷溅过程, 对不同加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅的过程进行了模拟仿真及实验验证。采用Level-Set界面追踪法, 通过仿真软件建立有限元模型, 对空气、静水和真空加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅时物质抛出过程进行模拟仿真, 研究了不同加工环境中温度场、速度场对表面喷溅的影响; 采用波长266 nm、脉宽30 ns和频率50 Hz的单脉冲激光烧蚀单晶硅的工艺实验对仿真结果进行验证, 通过原子力显微镜和数字显微镜对烧蚀结果进行了表征。结果表明, 空气环境中, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率达到14.1 m/s, 在微孔内部蒸汽压力的作用下, 烧蚀区域熔融物质向外喷出; 静水环境中, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率为1.68 m/s, 远低于空气中的喷溅速率, 熔融物质快速冷却; 真空环境中, 材料在短时间内汽化, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率最大可达18.4 m/s, 较高的喷溅速率有利于物质的抛出。加工环境对纳秒激光烧蚀单晶硅的物质抛出影响较大, 这为提高纳秒激光加工单晶硅的加工质量提供了参考。
2023, 47(6): 860-865.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.019
摘要:
为了探讨1维微尺度热传导模型不同激光能量对石墨转化纳米金刚石相变机理的影响, 采用基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟优化后的石墨结构, 用有限差分法计算了激光辐照石墨表面的温度分布; 基于sp3杂化键可以明显地区分金刚石和石墨结构, 根据能量耦合得到不同激光能量条件下辐照石墨的态密度带隙, 研究了碳原子键合条件。结果表明, 只有当激光能量达到5 J时, 才能形成少量sp3杂化碳原子; 随着激光能量的增加, 液相下受辐照的石墨表面的温度随之增加, 碳原子中的自由电子更容易移动到成键分子轨道, 电子的电负性增强, 从而增强sp3键的极性, 并有助于将sp2键转变为sp3键。该研究结果对在液相激光辐照下提升纳米金刚石制备效率、探究纳米金刚石制备机理有重要的现实意义。
为了探讨1维微尺度热传导模型不同激光能量对石墨转化纳米金刚石相变机理的影响, 采用基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟优化后的石墨结构, 用有限差分法计算了激光辐照石墨表面的温度分布; 基于sp3杂化键可以明显地区分金刚石和石墨结构, 根据能量耦合得到不同激光能量条件下辐照石墨的态密度带隙, 研究了碳原子键合条件。结果表明, 只有当激光能量达到5 J时, 才能形成少量sp3杂化碳原子; 随着激光能量的增加, 液相下受辐照的石墨表面的温度随之增加, 碳原子中的自由电子更容易移动到成键分子轨道, 电子的电负性增强, 从而增强sp3键的极性, 并有助于将sp2键转变为sp3键。该研究结果对在液相激光辐照下提升纳米金刚石制备效率、探究纳米金刚石制备机理有重要的现实意义。
2023, 47(6): 872-880.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.021
摘要:
为了解决食品生产加工场所的卫生检查地点不固定、检测效果受环境因素影响大等问题, 根据不同种类食品残留物在紫外光照射下产生不同波长荧光的特性, 采用荧光成像技术和分块大津算法, 开发了一种能够协助现场检测员进行视觉卫生检查的手持式荧光成像设备。利用3种常见材料表面(木制案板、不锈钢板、聚乙烯塑料板)对奶粉(体积分数为50%、33%、20%、10%、2%)和菠菜残渣(体积分数为50%、33%、25%、20%、10%)进行了实验验证。结果表明, 该系统可以协助检测员进行卫生安全检查, 不同体积分数菠菜残渣在3种材料表面检出率为100%, 不同体积分数奶粉残留物在木制案板和不锈钢板表面检出率为100%, 在聚乙烯塑料板表面, 除体积分数为2%的奶粉残留物部分检出外, 其余体积分数奶粉残留物均能有效检出。该研究为食品加工场所手持式卫生检测设备开发提供了参考。
为了解决食品生产加工场所的卫生检查地点不固定、检测效果受环境因素影响大等问题, 根据不同种类食品残留物在紫外光照射下产生不同波长荧光的特性, 采用荧光成像技术和分块大津算法, 开发了一种能够协助现场检测员进行视觉卫生检查的手持式荧光成像设备。利用3种常见材料表面(木制案板、不锈钢板、聚乙烯塑料板)对奶粉(体积分数为50%、33%、20%、10%、2%)和菠菜残渣(体积分数为50%、33%、25%、20%、10%)进行了实验验证。结果表明, 该系统可以协助检测员进行卫生安全检查, 不同体积分数菠菜残渣在3种材料表面检出率为100%, 不同体积分数奶粉残留物在木制案板和不锈钢板表面检出率为100%, 在聚乙烯塑料板表面, 除体积分数为2%的奶粉残留物部分检出外, 其余体积分数奶粉残留物均能有效检出。该研究为食品加工场所手持式卫生检测设备开发提供了参考。
2023, 47(6): 736-741.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.002
摘要:
为了探究多基色激光显示系统的彩色散斑特性，采用蒙特卡洛的统计方法模拟了彩色散斑的空间分布。在CIE-u′v′色品图中，定义了彩色散斑椭圆的简化模型，描述了显示系统的彩色散斑空间分布，分析了不同基色数目和波长组合对彩色散斑的影响。结果表明，该椭圆随着基色数目的增加而缩小，彩色散斑严重程度下降；三基色系统的椭圆面积为16.0×10-4，而六基色系统的椭圆面积为6.81×10-4, 其中绿基色对彩色散斑的影响最大；在多基色显示系统中，对于给定白平衡点的各基色亮度配比不唯一，因此在颜色表现和散斑现象之间存在权衡，当减小散斑对比度值较大的基色亮度的权重时，将减弱彩色散斑现象。该研究为多基色激光显示系统的彩色散斑评估提供了理论指导。
为了探究多基色激光显示系统的彩色散斑特性，采用蒙特卡洛的统计方法模拟了彩色散斑的空间分布。在CIE-u′v′色品图中，定义了彩色散斑椭圆的简化模型，描述了显示系统的彩色散斑空间分布，分析了不同基色数目和波长组合对彩色散斑的影响。结果表明，该椭圆随着基色数目的增加而缩小，彩色散斑严重程度下降；三基色系统的椭圆面积为16.0×10-4，而六基色系统的椭圆面积为6.81×10-4, 其中绿基色对彩色散斑的影响最大；在多基色显示系统中，对于给定白平衡点的各基色亮度配比不唯一，因此在颜色表现和散斑现象之间存在权衡，当减小散斑对比度值较大的基色亮度的权重时，将减弱彩色散斑现象。该研究为多基色激光显示系统的彩色散斑评估提供了理论指导。
2023, 47(6): 772-777.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.007
摘要:
为了获得更大的绿色部分色域与超高清显示标准(Rec. 2020)中更高的色域覆盖比例, 在三基色的基础上添加了532 nm激光作为第四基色。在CIEL*a*b*立体颜色空间中, 系统理论地分析了波长组合为660 nm, 532 nm, 520 nm, 465 nm的红绿绿蓝(RGGB)四基色系统, 研究了它在色域体积、色域覆盖率以及在特定颜色区域的颜色渲染能力等方面的表现。结果表明, 其色域体积峰值为2218900, 与Rec.2020标准的色域覆盖比例最大为97.51%, 黄色区域的色域增强峰值为29.75%, 绿色区域的色域增强峰值为9.58%;与红绿蓝(RGB)三基色组合和红绿蓝黄(RGBY)四基色组合相比, RGGB四基色组合在各个参数维度均有优异表现, 可以根据性能需求来灵活选择对应的四基色亮度比例。此研究为实际四基色显示系统的搭建提供了理论指导。
为了获得更大的绿色部分色域与超高清显示标准(Rec. 2020)中更高的色域覆盖比例, 在三基色的基础上添加了532 nm激光作为第四基色。在CIEL*a*b*立体颜色空间中, 系统理论地分析了波长组合为660 nm, 532 nm, 520 nm, 465 nm的红绿绿蓝(RGGB)四基色系统, 研究了它在色域体积、色域覆盖率以及在特定颜色区域的颜色渲染能力等方面的表现。结果表明, 其色域体积峰值为2218900, 与Rec.2020标准的色域覆盖比例最大为97.51%, 黄色区域的色域增强峰值为29.75%, 绿色区域的色域增强峰值为9.58%;与红绿蓝(RGB)三基色组合和红绿蓝黄(RGBY)四基色组合相比, RGGB四基色组合在各个参数维度均有优异表现, 可以根据性能需求来灵活选择对应的四基色亮度比例。此研究为实际四基色显示系统的搭建提供了理论指导。
2023, 47(6): 795-802.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.010
摘要:
为了线结构光平面标定的准确性和高效性, 以及提高线结构光平面标定方法的普适性, 提出了一种基于2维圆形标靶的线结构光平面标定方法。采用光条提取算法得到照射在2维圆形标定靶任意位置处光条中心点的亚像素坐标值, 将光条上所有点拟合成直线, 交圆形标定靶每列靶标连线于一点; 得到每列靶标连线与拟合出的光条中心线交点后, 连接交点与相机光学中心形成一条直线; 联立该连线的直线方程与像素坐标系下两条交线的直线方程, 以及2维圆形标定靶所在平面的方程, 求解出每个交点在相机坐标系下的坐标; 最后采用最小二乘拟合算法进行平面拟合, 得到了所求光平面方程; 介绍了该标定方法的基本原理和实现过程, 搭建实验系统对其有效性进行了验证。结果表明, 用该方法求取光平面的平均测量误差可以达到2.36737 mm, 鲁棒性高, 且标定流程十分简便, 适用于一般的工程应用和机械加工过程。该研究为线结构光传感器的光平面标定提供了参考。
为了线结构光平面标定的准确性和高效性, 以及提高线结构光平面标定方法的普适性, 提出了一种基于2维圆形标靶的线结构光平面标定方法。采用光条提取算法得到照射在2维圆形标定靶任意位置处光条中心点的亚像素坐标值, 将光条上所有点拟合成直线, 交圆形标定靶每列靶标连线于一点; 得到每列靶标连线与拟合出的光条中心线交点后, 连接交点与相机光学中心形成一条直线; 联立该连线的直线方程与像素坐标系下两条交线的直线方程, 以及2维圆形标定靶所在平面的方程, 求解出每个交点在相机坐标系下的坐标; 最后采用最小二乘拟合算法进行平面拟合, 得到了所求光平面方程; 介绍了该标定方法的基本原理和实现过程, 搭建实验系统对其有效性进行了验证。结果表明, 用该方法求取光平面的平均测量误差可以达到2.36737 mm, 鲁棒性高, 且标定流程十分简便, 适用于一般的工程应用和机械加工过程。该研究为线结构光传感器的光平面标定提供了参考。
2023, 47(6): 803-810.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.011
摘要:
为了研究自相似脉冲在Mach-Zehnder干涉仪的压缩特性, 采用非线性薛定谔方程对自相似脉冲的演化和压缩进行了模拟, 分析了基于级联单模光纤的Mach-Zehnder干涉仪的光纤参数对脉冲压缩的影响。结果表明, 在不考虑高阶色散的情况下, 当上臂的两种单模光纤长度分别为8.16 m和2.16 m、下臂的单模光纤长度为8.16 m时, 获得半峰全宽为27.85 fs、峰值功率为1860.59 W、基座能量比例为10.241%的最佳压缩脉冲; 考虑高阶色散时, 脉冲在单模光纤中传输呈现出峰值功率增大、基座增大的现象, 且脉冲右移不利于输出基座较小的压缩脉冲; 当3阶色散系数小于0.001 ps3/km时, 利用Mach-Zehnder干涉仪来压缩能获得质量较好的飞秒脉冲。该研究结果对于自相似脉冲的压缩研究具有一定的参考价值。
为了研究自相似脉冲在Mach-Zehnder干涉仪的压缩特性, 采用非线性薛定谔方程对自相似脉冲的演化和压缩进行了模拟, 分析了基于级联单模光纤的Mach-Zehnder干涉仪的光纤参数对脉冲压缩的影响。结果表明, 在不考虑高阶色散的情况下, 当上臂的两种单模光纤长度分别为8.16 m和2.16 m、下臂的单模光纤长度为8.16 m时, 获得半峰全宽为27.85 fs、峰值功率为1860.59 W、基座能量比例为10.241%的最佳压缩脉冲; 考虑高阶色散时, 脉冲在单模光纤中传输呈现出峰值功率增大、基座增大的现象, 且脉冲右移不利于输出基座较小的压缩脉冲; 当3阶色散系数小于0.001 ps3/km时, 利用Mach-Zehnder干涉仪来压缩能获得质量较好的飞秒脉冲。该研究结果对于自相似脉冲的压缩研究具有一定的参考价值。
2023, 47(6): 816-823.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.013
摘要:
为了提高泊松表面重建算法效率并改善重建结果细节表现, 采用一种基于混合树的点云搜索方法, 平衡了八叉树和二叉树技术关于时间复杂度和空间复杂度的冲突; 并在点云搜索阶段通过引入多个能量项对点云进行密度评估与滤波等, 针对点云稀疏部分进行自适应的点云稠密化以保证重建模型的细节与准确度。结果表明, 混合树重建算法与泊松表面重建算法及屏蔽泊松算法相比, 速度分别平均提升了33%和15%, 且能更好地保持重建模型的细节, 误差最小。该研究为点云的表面重建提供了参考。
为了提高泊松表面重建算法效率并改善重建结果细节表现, 采用一种基于混合树的点云搜索方法, 平衡了八叉树和二叉树技术关于时间复杂度和空间复杂度的冲突; 并在点云搜索阶段通过引入多个能量项对点云进行密度评估与滤波等, 针对点云稀疏部分进行自适应的点云稠密化以保证重建模型的细节与准确度。结果表明, 混合树重建算法与泊松表面重建算法及屏蔽泊松算法相比, 速度分别平均提升了33%和15%, 且能更好地保持重建模型的细节, 误差最小。该研究为点云的表面重建提供了参考。
2023, 47(6): 831-840.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.015
摘要:
为了提高基于结构光法的3维重建精度, 采用机器学习中的回归模型对物体进行了3维形貌测量, 通过以单目式获取对象高度点不同方向的光强信息簇样本, 将其作为回归模型的训练集, 在训练好回归模型后, 直接建立起条纹图案的光强信息分布与对象高度之间的映射函数关系, 完成对目标的3维测量; 将调制条纹光数值信息以特征形式导入回归模型, 获得端到端高度信息, 验证了机器学习的神经网络回归模型在3维面形重建上的可行性。结果表明, 该模型即使在投影特征模糊或噪音较大的情况也能较精确地重建3维面形, 平均重建误差为1.40×10-4 mm, 优于一般面形重建方法的数据。该研究为物体在强干扰条件下的单目式高精度3维面形重建提供了参考, 简化了繁琐的计算过程和测量过程, 提高了测量精度。
为了提高基于结构光法的3维重建精度, 采用机器学习中的回归模型对物体进行了3维形貌测量, 通过以单目式获取对象高度点不同方向的光强信息簇样本, 将其作为回归模型的训练集, 在训练好回归模型后, 直接建立起条纹图案的光强信息分布与对象高度之间的映射函数关系, 完成对目标的3维测量; 将调制条纹光数值信息以特征形式导入回归模型, 获得端到端高度信息, 验证了机器学习的神经网络回归模型在3维面形重建上的可行性。结果表明, 该模型即使在投影特征模糊或噪音较大的情况也能较精确地重建3维面形, 平均重建误差为1.40×10-4 mm, 优于一般面形重建方法的数据。该研究为物体在强干扰条件下的单目式高精度3维面形重建提供了参考, 简化了繁琐的计算过程和测量过程, 提高了测量精度。
2023, 47(6): 841-845.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.06.016
摘要:
为了研制温度稳定性满足中高精度光纤陀螺仪中超荧光光源使用要求的掺铒光纤, 采用螯合物气相沉积法制备了Al-Er共掺和Al-Ge-Er共掺两种掺铒光纤。同时对两种光纤的吸收系数和本底损耗进行了测试研究, 并搭建超荧光光源测试平台, 对Al-Ge-Er共掺光纤的温度稳定性进行了实验验证。结果表明, 在制备光纤时通入等量的铒的螯合物, Al-Er共掺光纤具有更高的吸收系数, 但本底损耗较高; 两种光纤在1530 nm的吸收系数分别为35.6 dB/m和20.0 dB/m, 在1200 nm的本底损耗为31.7 dB/km和6.3 dB/km; 在-45.0 ℃~70.0 ℃变温范围内, Al-Ge-Er共掺光纤的自发辐射光谱在中心波长为1560.84 nm, 10.51 nm带宽的平均波长变化约为6.52×10-7 nm/℃, 该光纤可满足高精度光纤陀螺的超荧光光源使用要求。该研究为掺铒光纤的研制提供了参考。
为了研制温度稳定性满足中高精度光纤陀螺仪中超荧光光源使用要求的掺铒光纤, 采用螯合物气相沉积法制备了Al-Er共掺和Al-Ge-Er共掺两种掺铒光纤。同时对两种光纤的吸收系数和本底损耗进行了测试研究, 并搭建超荧光光源测试平台, 对Al-Ge-Er共掺光纤的温度稳定性进行了实验验证。结果表明, 在制备光纤时通入等量的铒的螯合物, Al-Er共掺光纤具有更高的吸收系数, 但本底损耗较高; 两种光纤在1530 nm的吸收系数分别为35.6 dB/m和20.0 dB/m, 在1200 nm的本底损耗为31.7 dB/km和6.3 dB/km; 在-45.0 ℃~70.0 ℃变温范围内, Al-Ge-Er共掺光纤的自发辐射光谱在中心波长为1560.84 nm, 10.51 nm带宽的平均波长变化约为6.52×10-7 nm/℃, 该光纤可满足高精度光纤陀螺的超荧光光源使用要求。该研究为掺铒光纤的研制提供了参考。
