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RSS2011年 35卷 第3期
2011, 35(3): 289-292.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.001
[摘要]
[PDF 1102KB]
摘要:
光学吸收法是一种工程上有效可行的检测痕量甲烷气体的方法,具有广泛地应用于构建煤矿坑道等场合的安全防护和报警系统的潜力。为实现针对甲烷气体1653nm吸收峰特性的单色光源,采用金属有机化合物化学气相沉积外延和纳米压印等技术手段,从多量子阱外延材料设计和金属有机化合物化学气相沉生长到器件封装,研制了1653nm分布反馈激光器。器件性能达到了52dB边模抑制比、14.9%的外微分斜率效率、不大于12mA的阈值电流、匹配甲烷1653nm吸收带的0.116nm@20dB光谱线宽和稳定的光学与电学特性。基于该激光器,对体积分数为0.005～0.05的甲烷气体测试误差率不大于1.3%。结果表明,该器件能够应用于基于谐波法的痕量甲烷探测工程系统,且适应于批量制造。
光学吸收法是一种工程上有效可行的检测痕量甲烷气体的方法,具有广泛地应用于构建煤矿坑道等场合的安全防护和报警系统的潜力。为实现针对甲烷气体1653nm吸收峰特性的单色光源,采用金属有机化合物化学气相沉积外延和纳米压印等技术手段,从多量子阱外延材料设计和金属有机化合物化学气相沉生长到器件封装,研制了1653nm分布反馈激光器。器件性能达到了52dB边模抑制比、14.9%的外微分斜率效率、不大于12mA的阈值电流、匹配甲烷1653nm吸收带的0.116nm@20dB光谱线宽和稳定的光学与电学特性。基于该激光器,对体积分数为0.005～0.05的甲烷气体测试误差率不大于1.3%。结果表明,该器件能够应用于基于谐波法的痕量甲烷探测工程系统,且适应于批量制造。
2011, 35(3): 305-307,333.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.005
摘要:
为了研究长方体型Nd:GGG热容激光晶体的热效应,通过对激光晶体工作特点的分析,采用半解析各向异性热分析方法,建立了符合实际工作状态热模型,对长方体型Nd:GGG热容激光晶体进行了热分析,得到了激光晶体抽运阶段和冷却阶段晶体内部温度场计算公式,定量分析了晶体宽度和厚度对温度场的影响。结果表明,当使用输出功率为8100W、脉冲频率500Hz、脉冲宽度0.2ms的LD抽运晶体4s时,抽运面中心最高温升为169.1℃;停止抽运120s时,晶体最高温升下降到0.97%。所得结果为热容激光器的优化设计提供了理论依据。
为了研究长方体型Nd:GGG热容激光晶体的热效应,通过对激光晶体工作特点的分析,采用半解析各向异性热分析方法,建立了符合实际工作状态热模型,对长方体型Nd:GGG热容激光晶体进行了热分析,得到了激光晶体抽运阶段和冷却阶段晶体内部温度场计算公式,定量分析了晶体宽度和厚度对温度场的影响。结果表明,当使用输出功率为8100W、脉冲频率500Hz、脉冲宽度0.2ms的LD抽运晶体4s时,抽运面中心最高温升为169.1℃;停止抽运120s时,晶体最高温升下降到0.97%。所得结果为热容激光器的优化设计提供了理论依据。
2011, 35(3): 312-314,411.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.007
摘要:
为了研究光子晶体开放腔特性,采用平面波展开法和时域有限差分法对顶角为30楔角的光子晶体和空气槽交替组成的新型光子晶体开放腔进行了研究。研究发现,这种结构的光子晶体开放腔在两个归一化频率范围(0.3006～0.35,0.6755～0.6851)内具有负折射特性,并且在负折射频率范围内可形成一个零光程的闭合回路;光子晶体与空气槽的分界面上有高的透射率,能够在某个波长产生共振。结果表明,可以利用共振波长随着折射率的变化而变化的光子晶体开放腔实现折射率的高灵敏度测量。
为了研究光子晶体开放腔特性,采用平面波展开法和时域有限差分法对顶角为30楔角的光子晶体和空气槽交替组成的新型光子晶体开放腔进行了研究。研究发现,这种结构的光子晶体开放腔在两个归一化频率范围(0.3006～0.35,0.6755～0.6851)内具有负折射特性,并且在负折射频率范围内可形成一个零光程的闭合回路;光子晶体与空气槽的分界面上有高的透射率,能够在某个波长产生共振。结果表明,可以利用共振波长随着折射率的变化而变化的光子晶体开放腔实现折射率的高灵敏度测量。
2011, 35(3): 398-402.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.029
摘要:
为了研究LD抽运的被动调Q Nd:YAG/GdVO4内腔式喇曼激光器的输出特性,采用Nd:YAG作为激光介质,GdVO4晶体作为喇曼介质,分别用两块不同初始透过率的Cr4+:YAG晶体,得到并比较了采用不同初始透过率的Cr4+:YAG晶体时被动调Q喇曼激光器的性能。测量了平均输出功率、脉冲宽度和脉冲重复率随抽运功率的变化关系。当Cr4+:YAG的初始透过率为91%、输入功率是5.2W时,得到的喇曼光的最高功率为150.6mW,相应的转换效率为2.9%。结果表明,通过数值求解基频光和喇曼光空间分布的速率方程并应用到被动调Q内腔式喇曼激光器,获得的理论结果与实验结果大致相符。
为了研究LD抽运的被动调Q Nd:YAG/GdVO4内腔式喇曼激光器的输出特性,采用Nd:YAG作为激光介质,GdVO4晶体作为喇曼介质,分别用两块不同初始透过率的Cr4+:YAG晶体,得到并比较了采用不同初始透过率的Cr4+:YAG晶体时被动调Q喇曼激光器的性能。测量了平均输出功率、脉冲宽度和脉冲重复率随抽运功率的变化关系。当Cr4+:YAG的初始透过率为91%、输入功率是5.2W时,得到的喇曼光的最高功率为150.6mW,相应的转换效率为2.9%。结果表明,通过数值求解基频光和喇曼光空间分布的速率方程并应用到被动调Q内腔式喇曼激光器,获得的理论结果与实验结果大致相符。
2011, 35(3): 412-414,417.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.032
摘要:
为了克服主动锁模脉冲能量低、被动调Q锁模稳定性差、锁模不完全的缺点,采用Cr4+:YAG和声光锁模器进行主被动联合锁模脉冲氙灯抽运的Nd:YAG激光器,实验验证和分析了Cr4+:YAG被动锁模,声光锁模器主动锁模及两者联合主被动锁模3种情况下输出脉冲的特性。结果表明,主被动联合锁模可得到200mJ输出能量、输出幅值和能量抖动小于5%、锁模深度100%、脉宽小于450ps的1064nm锁模脉冲输出,腔外增加KTP倍频晶体,可得到约41%的转换效率的532nm稳定锁模脉冲输出。这一结果验证了主被动锁模技术的可行性,有利于锁模技术的进一步发展。
为了克服主动锁模脉冲能量低、被动调Q锁模稳定性差、锁模不完全的缺点,采用Cr4+:YAG和声光锁模器进行主被动联合锁模脉冲氙灯抽运的Nd:YAG激光器,实验验证和分析了Cr4+:YAG被动锁模,声光锁模器主动锁模及两者联合主被动锁模3种情况下输出脉冲的特性。结果表明,主被动联合锁模可得到200mJ输出能量、输出幅值和能量抖动小于5%、锁模深度100%、脉宽小于450ps的1064nm锁模脉冲输出,腔外增加KTP倍频晶体,可得到约41%的转换效率的532nm稳定锁模脉冲输出。这一结果验证了主被动锁模技术的可行性,有利于锁模技术的进一步发展。
2011, 35(3): 418-421,424.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.034
摘要:
为了明确入射激光参量对激光诱导衍射环的影响及其机理,利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,数值模拟研究了高斯光束波前场曲对于高斯光束通过自散焦液晶介质后远场衍射图样的影响。结果表明,当波前场曲为无穷大时,随着光强的逐渐增大,远场衍射光斑中心明暗交替变化;当波前场曲为正时,随着波前场曲的减小,远场衍射光斑中心强度逐渐变暗并且平滑;当波前场曲为负时,随着波前场曲绝对值的减小,远场衍射光斑中心光强逐渐变强,且中心衍射亮斑较细锐。利用基尔霍夫衍射积分公式中的振幅因子和相位因子对这种现象进行了阐述,这对理解波前场曲与非线性相位因子的相互作用机制是有帮助的。
为了明确入射激光参量对激光诱导衍射环的影响及其机理,利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,数值模拟研究了高斯光束波前场曲对于高斯光束通过自散焦液晶介质后远场衍射图样的影响。结果表明,当波前场曲为无穷大时,随着光强的逐渐增大,远场衍射光斑中心明暗交替变化;当波前场曲为正时,随着波前场曲的减小,远场衍射光斑中心强度逐渐变暗并且平滑;当波前场曲为负时,随着波前场曲绝对值的减小,远场衍射光斑中心光强逐渐变强,且中心衍射亮斑较细锐。利用基尔霍夫衍射积分公式中的振幅因子和相位因子对这种现象进行了阐述,这对理解波前场曲与非线性相位因子的相互作用机制是有帮助的。
2011, 35(3): 293-298,304.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.002
摘要:
基于液晶材料的光束偏转系统具有高精度、低功耗、系统轻便、可随机指向等优点。介绍了该技术国内外研究动态;详细阐述了基于液晶材料光束偏转系统的基本原理、性能指标、研究进展及发展瓶颈;介绍了液晶材料与大角度步进器件组合使用实现大视场角光束偏转的几种新型技术;综合比较评价了各种液晶光束偏转技术发展前景;对新型液晶光束偏转技术发展方向作了展望。
基于液晶材料的光束偏转系统具有高精度、低功耗、系统轻便、可随机指向等优点。介绍了该技术国内外研究动态;详细阐述了基于液晶材料光束偏转系统的基本原理、性能指标、研究进展及发展瓶颈;介绍了液晶材料与大角度步进器件组合使用实现大视场角光束偏转的几种新型技术;综合比较评价了各种液晶光束偏转技术发展前景;对新型液晶光束偏转技术发展方向作了展望。
2011, 35(3): 308-311.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.006
摘要:
概述了193nm薄膜激光诱导损伤的研究进展。通过对紫外到深紫外波段几种典型薄膜损伤形貌的介绍,对比分析了193nm薄膜激光诱导损伤的可能原因。指出在该波段的氧化物薄膜损伤中,吸收是导致薄膜大块损伤的重要因素,而氟化物的薄膜损伤则是由沉积过程的膜层局部缺陷造成。根据薄膜样品的损伤分析表明,薄膜的某些制备参量与激光损伤阈值相关联。为提高薄膜元件的抗激光损伤能力,分别从薄膜材料的选择、膜系设计的完善以及沉积工艺的优化等3个方面出发,总结出改善薄膜激光损伤阈值的方法。
概述了193nm薄膜激光诱导损伤的研究进展。通过对紫外到深紫外波段几种典型薄膜损伤形貌的介绍,对比分析了193nm薄膜激光诱导损伤的可能原因。指出在该波段的氧化物薄膜损伤中,吸收是导致薄膜大块损伤的重要因素,而氟化物的薄膜损伤则是由沉积过程的膜层局部缺陷造成。根据薄膜样品的损伤分析表明,薄膜的某些制备参量与激光损伤阈值相关联。为提高薄膜元件的抗激光损伤能力,分别从薄膜材料的选择、膜系设计的完善以及沉积工艺的优化等3个方面出发,总结出改善薄膜激光损伤阈值的方法。
2011, 35(3): 338-342,379.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.014
摘要:
综述了近5年来固体Raman激光器和光参量振荡(OPO)激光器的发展情况,并对Raman激光器和OPO激光器在工作原理、晶体材料方面进行了比较。Raman激光器在光束质量、光路稳定方面存在优势,而OPO激光器调谐范围大,输出功率高。最后对固体Raman激光器和OPO激光器发展前景进行了简要介绍。
综述了近5年来固体Raman激光器和光参量振荡(OPO)激光器的发展情况,并对Raman激光器和OPO激光器在工作原理、晶体材料方面进行了比较。Raman激光器在光束质量、光路稳定方面存在优势,而OPO激光器调谐范围大,输出功率高。最后对固体Raman激光器和OPO激光器发展前景进行了简要介绍。
2011, 35(3): 299-301,311.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.003
摘要:
为了去除激光干涉测速系统提取的小波脊的大量高频噪声,提高系统测量精度,采用一种基于经验模态分解的小波脊优化的方法,对高频噪声强度进行了很好的抑制,测量误差为原来未优化误差的42.3%,较大幅度提高了激光干涉测速系统的测量精度。结果表明,该方法对经过时频分析的信号去噪有重要的实用价值。
为了去除激光干涉测速系统提取的小波脊的大量高频噪声,提高系统测量精度,采用一种基于经验模态分解的小波脊优化的方法,对高频噪声强度进行了很好的抑制,测量误差为原来未优化误差的42.3%,较大幅度提高了激光干涉测速系统的测量精度。结果表明,该方法对经过时频分析的信号去噪有重要的实用价值。
2011, 35(3): 319-321,325.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.009
摘要:
为了找到更加简单稳定激光系统的混沌化方法,采用光延迟反馈方法对单环掺铒光纤激光器特性进行了数值仿真,得到了各种周期现象而且产生了混沌现象。结果表明,利用单模单环掺铒光纤激光器,在附加光延迟反馈环路的方法下可以实现混沌控制。这一结果对应用于保密通信的混沌化简化具有重要意义。
为了找到更加简单稳定激光系统的混沌化方法,采用光延迟反馈方法对单环掺铒光纤激光器特性进行了数值仿真,得到了各种周期现象而且产生了混沌现象。结果表明,利用单模单环掺铒光纤激光器,在附加光延迟反馈环路的方法下可以实现混沌控制。这一结果对应用于保密通信的混沌化简化具有重要意义。
2011, 35(3): 330-333.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.012
摘要:
为了研究适用于水下无线光通信的调制方式,采用分析水下无线光通信的信道模型、并推导该信道中用多幅度数字脉冲间隔调制方式的误包率表达式、带宽利用率和功率利用率的方法,对不同调制方式进行了理论分析比较。结果表明,多幅度数字脉冲间隔调制的带宽利用率和功率利用率最高。这一结果对选择适合用于水下无线光通信的调制方式是有帮助的。
为了研究适用于水下无线光通信的调制方式,采用分析水下无线光通信的信道模型、并推导该信道中用多幅度数字脉冲间隔调制方式的误包率表达式、带宽利用率和功率利用率的方法,对不同调制方式进行了理论分析比较。结果表明,多幅度数字脉冲间隔调制的带宽利用率和功率利用率最高。这一结果对选择适合用于水下无线光通信的调制方式是有帮助的。
2011, 35(3): 343-347.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.015
摘要:
为了解决偏射算法在偏射控制上的问题,提出了一种基于优先级与负载均衡的偏射路由算法。当冲突发生时,分割优先级低的突发数据包;将冲突部分的突发包偏射到空闲的链路上,并在空闲的链路中选择若干条当前最大剩余跳数小于源-目的节点的最大跳数的路由作为候选路由;最后,在这些候选路由中选择一条可以使网络中各链路使用波长数的统计方差最小的最佳路由。对该算法进行了理论分析和模拟仿真实验验证,取得了丢包率和时延随网络负荷变化的一系列数据。结果表明,该算法得到的端到端的传输时延位于最短路径偏射路由算法和基于负载平衡偏射路由算法之间,但是该算法能够有效地降低整个网络的丢包率,并且能够很好地保护高优先级突发数据包的完整性,从而提高整个网络的性能。
为了解决偏射算法在偏射控制上的问题,提出了一种基于优先级与负载均衡的偏射路由算法。当冲突发生时,分割优先级低的突发数据包;将冲突部分的突发包偏射到空闲的链路上,并在空闲的链路中选择若干条当前最大剩余跳数小于源-目的节点的最大跳数的路由作为候选路由;最后,在这些候选路由中选择一条可以使网络中各链路使用波长数的统计方差最小的最佳路由。对该算法进行了理论分析和模拟仿真实验验证,取得了丢包率和时延随网络负荷变化的一系列数据。结果表明,该算法得到的端到端的传输时延位于最短路径偏射路由算法和基于负载平衡偏射路由算法之间,但是该算法能够有效地降低整个网络的丢包率,并且能够很好地保护高优先级突发数据包的完整性,从而提高整个网络的性能。
2011, 35(3): 368-371.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.021
摘要:
为了管理光纤放大器的各项数据指标,基于简单网络管理协议（SNMP）设计了一种远程监控系统。该系统管理端采用SNMP++开发包为用户提供了友好的管理界面,代理端使用MSP430单片机和CS8900A网卡驱动芯片作为网络通信的硬件支持。建立了光纤放大器的各项数据指标管理信息库文件的私有节点。结果表明,系统通过与实际光纤放大器各功能电路联调测试,监控系统上各节点对应的各项数据指标均可在用户管理界面中被管理。这说明该监控系统可以用于对光纤放大器进行远程管理。
为了管理光纤放大器的各项数据指标,基于简单网络管理协议（SNMP）设计了一种远程监控系统。该系统管理端采用SNMP++开发包为用户提供了友好的管理界面,代理端使用MSP430单片机和CS8900A网卡驱动芯片作为网络通信的硬件支持。建立了光纤放大器的各项数据指标管理信息库文件的私有节点。结果表明,系统通过与实际光纤放大器各功能电路联调测试,监控系统上各节点对应的各项数据指标均可在用户管理界面中被管理。这说明该监控系统可以用于对光纤放大器进行远程管理。
2011, 35(3): 388-390,402.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.026
摘要:
为了研究信道编码技术对无线光通信副载波系统差错性能的影响,基于无线光通信链路噪声特性,建立了大气信道等效数学模型。采用低密度奇偶校验(LDPC)码作为信道编码方式引入无线光通信,在不同光强闪烁指数下对基于副载波相移键控调制无线光通信系统进行了差错性能仿真,比较分析了LDPC编码前后副载波调制系统的误比特率,并对二相相移键控及四相相移键控两种系统进行了对比。结果表明,副载波二相相移键控调制系统的差错性能优于四相相移键控系统,同时LDPC码在弱湍流信道具有优越的纠错能力,可以获得比未编码系统较高的编码增益,在无线光通信领域具有一定的应用价值。
为了研究信道编码技术对无线光通信副载波系统差错性能的影响,基于无线光通信链路噪声特性,建立了大气信道等效数学模型。采用低密度奇偶校验(LDPC)码作为信道编码方式引入无线光通信,在不同光强闪烁指数下对基于副载波相移键控调制无线光通信系统进行了差错性能仿真,比较分析了LDPC编码前后副载波调制系统的误比特率,并对二相相移键控及四相相移键控两种系统进行了对比。结果表明,副载波二相相移键控调制系统的差错性能优于四相相移键控系统,同时LDPC码在弱湍流信道具有优越的纠错能力,可以获得比未编码系统较高的编码增益,在无线光通信领域具有一定的应用价值。
2011, 35(3): 428-432.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.037
摘要:
为了弥补基于固定阈值的肤色分割方法存在的缺陷,在对多种彩色空间和肤色模型进行分析的基础上,提出采用改进的2-D Otsu方法和YCgCr彩色空间进行肤色分割。首先将光照补偿之后的肤色样本图像从RGB彩色空间转换到YCgCr彩色空间,并利用样本图像上的179221个肤色点建立2维高斯模型;进而将待分割的图像进行光照补偿并转换到YCgCr彩色空间,利用已经建立的高斯模型计算图像的肤色相似度,得到肤色相似度图像;最后,结合像素的空间邻域信息,使用改进的2-D Otsu方法对肤色相似度图像进行2值化处理。对这种方法进行了理论分析和实验验证。结果表明,该肤色分割算法有效地克服了使用固定阈值法进行图像分割时缺乏针对性和抗噪性的缺陷,该算法是可行的。
为了弥补基于固定阈值的肤色分割方法存在的缺陷,在对多种彩色空间和肤色模型进行分析的基础上,提出采用改进的2-D Otsu方法和YCgCr彩色空间进行肤色分割。首先将光照补偿之后的肤色样本图像从RGB彩色空间转换到YCgCr彩色空间,并利用样本图像上的179221个肤色点建立2维高斯模型;进而将待分割的图像进行光照补偿并转换到YCgCr彩色空间,利用已经建立的高斯模型计算图像的肤色相似度,得到肤色相似度图像;最后,结合像素的空间邻域信息,使用改进的2-D Otsu方法对肤色相似度图像进行2值化处理。对这种方法进行了理论分析和实验验证。结果表明,该肤色分割算法有效地克服了使用固定阈值法进行图像分割时缺乏针对性和抗噪性的缺陷,该算法是可行的。
2011, 35(3): 302-304.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.004
摘要:
为了研究汽车用高强钢中合金元素磷对激光焊接头质量的影响,采用12kW的CO2激光器对4.8mm厚的含磷高强度无间隙原子钢M250P1进行了高功率焊接。对不同焊接工艺参量下的焊接接头进行了成型试验、拉伸力学性能、显微组织和扫描电子显微镜能谱分析。结果表明,在特定焊接工艺参量下,M250P1焊接接头虽具有良好的拉伸力学性能和成型性能,但在形变过程中焊接接头仍容易在熔核区发生开裂,其主要原因是熔核区内金属在快速冷却时,磷元素来不及扩散,在晶界聚集,形成磷偏析,导致焊接接头韧性下降。
为了研究汽车用高强钢中合金元素磷对激光焊接头质量的影响,采用12kW的CO2激光器对4.8mm厚的含磷高强度无间隙原子钢M250P1进行了高功率焊接。对不同焊接工艺参量下的焊接接头进行了成型试验、拉伸力学性能、显微组织和扫描电子显微镜能谱分析。结果表明,在特定焊接工艺参量下,M250P1焊接接头虽具有良好的拉伸力学性能和成型性能,但在形变过程中焊接接头仍容易在熔核区发生开裂,其主要原因是熔核区内金属在快速冷却时,磷元素来不及扩散,在晶界聚集,形成磷偏析,导致焊接接头韧性下降。
2011, 35(3): 315-318.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.008
摘要:
为了研究激光熔覆熔池尺寸,采用CCD摄像机和VISUAL C++平台自主开发的图像处理软件,建立了一套针对激光熔覆熔池宽度的在线检测系统,提取了熔池边缘和几何特征参量,通过标定试验测定系统的校正系数,在线获取了熔覆层的宽度。结果表明,该系统能比较准确地实现熔池宽度的在线检测,为实时检测激光熔覆熔池表面质量提供了一个有效的工具。
为了研究激光熔覆熔池尺寸,采用CCD摄像机和VISUAL C++平台自主开发的图像处理软件,建立了一套针对激光熔覆熔池宽度的在线检测系统,提取了熔池边缘和几何特征参量,通过标定试验测定系统的校正系数,在线获取了熔覆层的宽度。结果表明,该系统能比较准确地实现熔池宽度的在线检测,为实时检测激光熔覆熔池表面质量提供了一个有效的工具。
2011, 35(3): 322-325.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.010
摘要:
为了在大口径激光能量在线测量装置的设计过程中消除光斑不均匀性、强度随机性以及光束偏轴等造成的影响,提出了一种简易方法,利用普通漫射片透射取样,先将光束缩束尽量消除其各种空间信息,仅保留其强度信息,并保证取样点仅位于漫散射覆盖区域,消除透射分量及光束的偏振态的影响,同时保证取样点到漫射片之间距离远大于漫射片上光斑的尺寸,消除传感器接收角不足对测量结果的影响,激光能量采用光电积分方法获得。结果表明,根据上述方法设计的能量在线测量装置在整个激光接收面上各处的响应较一致,受到局部强度变化的影响较小,激光发散角或者光轴发生较小变化时对测量结果不会造成明显的影响。提出的上述措施在工程上可以消除各种因素对测量结果造成的影响,保证测量精度。
为了在大口径激光能量在线测量装置的设计过程中消除光斑不均匀性、强度随机性以及光束偏轴等造成的影响,提出了一种简易方法,利用普通漫射片透射取样,先将光束缩束尽量消除其各种空间信息,仅保留其强度信息,并保证取样点仅位于漫散射覆盖区域,消除透射分量及光束的偏振态的影响,同时保证取样点到漫射片之间距离远大于漫射片上光斑的尺寸,消除传感器接收角不足对测量结果的影响,激光能量采用光电积分方法获得。结果表明,根据上述方法设计的能量在线测量装置在整个激光接收面上各处的响应较一致,受到局部强度变化的影响较小,激光发散角或者光轴发生较小变化时对测量结果不会造成明显的影响。提出的上述措施在工程上可以消除各种因素对测量结果造成的影响,保证测量精度。
2011, 35(3): 334-337.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.013
摘要:
为了研究激光淬火过程中工件加工质量,研制了一套新型激光淬火动态检测系统。采用CCD实时采集淬火过程红外热辐射图像数据,通过合理选择CCD型号,消除了检测过程中图像过饱和现象。计算机图像处理将彩色图像转换为灰度图像,并对灰度图像进行伪彩色处理和阈值分割处理,获得了加工过程中硬化带宽度数据,设计出实时检测软件系统。结果表明,该检测系统能够较准确地实时检测激光表面淬火过程中硬化带宽度,为激光淬火质量控制奠定了基础。
为了研究激光淬火过程中工件加工质量,研制了一套新型激光淬火动态检测系统。采用CCD实时采集淬火过程红外热辐射图像数据,通过合理选择CCD型号,消除了检测过程中图像过饱和现象。计算机图像处理将彩色图像转换为灰度图像,并对灰度图像进行伪彩色处理和阈值分割处理,获得了加工过程中硬化带宽度数据,设计出实时检测软件系统。结果表明,该检测系统能够较准确地实时检测激光表面淬火过程中硬化带宽度,为激光淬火质量控制奠定了基础。
2011, 35(3): 352-355,387.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.017
摘要:
粒度反演算法是基于米氏散射理论的激光粒度仪的关键技术。针对独立模式迭代反演算法对噪声太敏感,以至于在实际应用中出现粒度测量失真的问题,提出采用5点3次数据平滑算法对其反演进行处理,同时以VISUALC++6.0为开发平台,编写测试软件对算法进行仿真研究,并与粒度真实分布进行了对比。结果表明,特征粒径D10,D90的误差分布小于5%,D50的误差分布小于3%,说明数据平滑处理后的反演结果能够反映粒度的真实分布,解决了探测光能误差使粒度测量结果失真的难题,基本满足了现代粉体工业粒度测量的精度高、抗干扰性能强、稳定可靠等要求。
粒度反演算法是基于米氏散射理论的激光粒度仪的关键技术。针对独立模式迭代反演算法对噪声太敏感,以至于在实际应用中出现粒度测量失真的问题,提出采用5点3次数据平滑算法对其反演进行处理,同时以VISUALC++6.0为开发平台,编写测试软件对算法进行仿真研究,并与粒度真实分布进行了对比。结果表明,特征粒径D10,D90的误差分布小于5%,D50的误差分布小于3%,说明数据平滑处理后的反演结果能够反映粒度的真实分布,解决了探测光能误差使粒度测量结果失真的难题,基本满足了现代粉体工业粒度测量的精度高、抗干扰性能强、稳定可靠等要求。
2011, 35(3): 360-363.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.019
摘要:
为了设计一种CO气体检测与排放回收综合控制系统,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术,利用单片机MC9S12DG128B作为核心控制器产生激光调制信号,通过采集经气体吸收后的光功率和2次谐波信号来分析气体浓度,把气体浓度信息上传到工控机进行实时监控。结果表明,CO激光检测气体灵敏度高、选择性强、响应速度快、能连续分析和抗干扰性能好,满足工业现场的要求。
为了设计一种CO气体检测与排放回收综合控制系统,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术,利用单片机MC9S12DG128B作为核心控制器产生激光调制信号,通过采集经气体吸收后的光功率和2次谐波信号来分析气体浓度,把气体浓度信息上传到工控机进行实时监控。结果表明,CO激光检测气体灵敏度高、选择性强、响应速度快、能连续分析和抗干扰性能好,满足工业现场的要求。
2011, 35(3): 372-375,397.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.022
摘要:
为了弥补激光打标系统中传统的位图打标方式的不足,提出了一种基于位图矢量化技术来实现位图激光打标的方法。该方法首先以数字曲线的形式提取出位图的骨架或边缘特征,然后采用多边形逼近的方法实现数字曲线的矢量化,最后再利用连续打标方式完成矢量化数据的打标输出。重点讨论了其中的数字曲线多边形逼近算法,分别对Freeman链码生成算法,近似数字直线段提取算法,以及多边形逼近算法进行了研究。结果表明,该逼近算法具有良好的逼近效果。该打标方法极大地提高了位图打标的速率和精度。
为了弥补激光打标系统中传统的位图打标方式的不足,提出了一种基于位图矢量化技术来实现位图激光打标的方法。该方法首先以数字曲线的形式提取出位图的骨架或边缘特征,然后采用多边形逼近的方法实现数字曲线的矢量化,最后再利用连续打标方式完成矢量化数据的打标输出。重点讨论了其中的数字曲线多边形逼近算法,分别对Freeman链码生成算法,近似数字直线段提取算法,以及多边形逼近算法进行了研究。结果表明,该逼近算法具有良好的逼近效果。该打标方法极大地提高了位图打标的速率和精度。
2011, 35(3): 376-379.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.023
摘要:
为了实时进行水下管道泄漏监测和定位,采用干涉的方法,研制了一种基于Sagnac干涉仪的直线型分布式光纤管道泄漏监测系统。分析了该干涉仪应用于泄漏检测的原理及其泄漏源定位方法,并通过实验研究了管道压力对检测系统的影响。当管道压力大于0.35MPa时,系统的检测效果较佳,且定位误差小于1.17%;压力小于0.35MPa时,无法实现泄漏点定位。结果表明,当管道压力大于0.35MPa时,研制的水下管道泄漏检测系统能有效检测管道泄漏发生,且较准确地确定泄漏源位置。
为了实时进行水下管道泄漏监测和定位,采用干涉的方法,研制了一种基于Sagnac干涉仪的直线型分布式光纤管道泄漏监测系统。分析了该干涉仪应用于泄漏检测的原理及其泄漏源定位方法,并通过实验研究了管道压力对检测系统的影响。当管道压力大于0.35MPa时,系统的检测效果较佳,且定位误差小于1.17%;压力小于0.35MPa时,无法实现泄漏点定位。结果表明,当管道压力大于0.35MPa时,研制的水下管道泄漏检测系统能有效检测管道泄漏发生,且较准确地确定泄漏源位置。
2011, 35(3): 380-383.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.024
摘要:
为了研究电介质随机表面散射特性的物理产生机制,采用基于Kirchhoff近似的Monte-Carlo方法进行了数值计算,得到了一组不同粗糙程度的电介质随机表面在s线偏振光入射时的散射光强度空间分布。所有表面自相关长度相同。结果表明,随均方根高度的增加,散射光强度空间分布呈现峰值衰减、展宽和向后向移动的特征。对这些散射特征进行分析可知,这些散射特征产生的主要因素是本地面元的斜率分布和本地反射率,它们共同影响了散射光强度分布曲线的轮廓特征。这一结果对其它情形下的粗糙表面散射特征产生机制的研究有一定参考价值。
为了研究电介质随机表面散射特性的物理产生机制,采用基于Kirchhoff近似的Monte-Carlo方法进行了数值计算,得到了一组不同粗糙程度的电介质随机表面在s线偏振光入射时的散射光强度空间分布。所有表面自相关长度相同。结果表明,随均方根高度的增加,散射光强度空间分布呈现峰值衰减、展宽和向后向移动的特征。对这些散射特征进行分析可知,这些散射特征产生的主要因素是本地面元的斜率分布和本地反射率,它们共同影响了散射光强度分布曲线的轮廓特征。这一结果对其它情形下的粗糙表面散射特征产生机制的研究有一定参考价值。
2011, 35(3): 384-387.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.025
摘要:
为了研究激光电磁场对真空中电子的作用,从洛伦兹方程出发,得出了电子运动轨迹,实现了激光场对电子的加速。继而由运动电子产生的流密度,得到了电子的辐射能量谱,分析了相对论电子的辐射特点。结果表明,高斯激光场对真空中电子有很好的加速效果,最大轴向速度可达0.9c。
为了研究激光电磁场对真空中电子的作用,从洛伦兹方程出发,得出了电子运动轨迹,实现了激光场对电子的加速。继而由运动电子产生的流密度,得到了电子的辐射能量谱,分析了相对论电子的辐射特点。结果表明,高斯激光场对真空中电子有很好的加速效果,最大轴向速度可达0.9c。
2011, 35(3): 391-394.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.027
摘要:
为了进一步提高多元线性阵列超声换能器的方向特性,采用多元相控聚焦的方法,研究了多元线性阵列超声换能器的主频、阵元个数和阵元间距对其方向性的影响。结果表明,当超声换能器的主频较低时,可以采用较大尺寸的阵元组;而对于主频较高的超声换能器,阵元尺寸应该取小一些,其方向性较好。这将有利于光声信号的探测与成像。
为了进一步提高多元线性阵列超声换能器的方向特性,采用多元相控聚焦的方法,研究了多元线性阵列超声换能器的主频、阵元个数和阵元间距对其方向性的影响。结果表明,当超声换能器的主频较低时,可以采用较大尺寸的阵元组;而对于主频较高的超声换能器,阵元尺寸应该取小一些,其方向性较好。这将有利于光声信号的探测与成像。
2011, 35(3): 395-397.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.028
摘要:
为了研究活性焊接技术对低功率脉冲激光焊焊缝熔深增加的可行性,提高脉冲激光焊的焊接效率和降低焊接成本,采用低功率脉冲活性激光焊接方法,就TiO2,SiO2,Cr2O3,CaF2和NaF5种活性剂对SUS304不锈钢板焊缝熔深的影响进行了理论分析和试验验证,取得了焊缝熔深、深宽比及熔宽变化的数据。结果表明,活性剂对焊缝熔深均有不同程度的影响,其中TiO2和SiO2分别使熔深增加38.290%,17.175%;在焊缝深宽比方面,Cr2O3,TiO2,SiO2活性剂均使深宽比有不同程度的增加,而氟化物则对深宽比没有明显增加效果;同时,活性剂的存在不仅提高了激光的吸收率,还改变了熔池流动状态,使得焊缝中的显微组织发生变化。这一结果对于进一步探讨活性剂在激光焊接技术中的实际应用是有帮助的。
为了研究活性焊接技术对低功率脉冲激光焊焊缝熔深增加的可行性,提高脉冲激光焊的焊接效率和降低焊接成本,采用低功率脉冲活性激光焊接方法,就TiO2,SiO2,Cr2O3,CaF2和NaF5种活性剂对SUS304不锈钢板焊缝熔深的影响进行了理论分析和试验验证,取得了焊缝熔深、深宽比及熔宽变化的数据。结果表明,活性剂对焊缝熔深均有不同程度的影响,其中TiO2和SiO2分别使熔深增加38.290%,17.175%;在焊缝深宽比方面,Cr2O3,TiO2,SiO2活性剂均使深宽比有不同程度的增加,而氟化物则对深宽比没有明显增加效果;同时,活性剂的存在不仅提高了激光的吸收率,还改变了熔池流动状态,使得焊缝中的显微组织发生变化。这一结果对于进一步探讨活性剂在激光焊接技术中的实际应用是有帮助的。
2011, 35(3): 403-406.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.030
摘要:
为了改善激光超声检测中声表面波的信噪比,利用对激光线源进行时间和空间上的调制获得激光阵列作为激励源辐照铝板表面,采用有限元法分别模拟了大位移幅值声表面波(巨声表面波)的激发以及巨声表面波与铝板表面矩形缺陷相互作用的过程。结果表明,激光阵列经过时间调制后辐照铝材料上激发出的声表面波,其垂直于表面方向的位移幅值与阵列中线源个数成线性比例;且巨声表面波与表面缺陷作用后所产生的反射回波的位移幅值也随着线源个数的增多得到明显增大。模拟结果对在激光超声检测中应用激光阵列提高声表面波的信噪比提供了理论依据。
为了改善激光超声检测中声表面波的信噪比,利用对激光线源进行时间和空间上的调制获得激光阵列作为激励源辐照铝板表面,采用有限元法分别模拟了大位移幅值声表面波(巨声表面波)的激发以及巨声表面波与铝板表面矩形缺陷相互作用的过程。结果表明,激光阵列经过时间调制后辐照铝材料上激发出的声表面波,其垂直于表面方向的位移幅值与阵列中线源个数成线性比例;且巨声表面波与表面缺陷作用后所产生的反射回波的位移幅值也随着线源个数的增多得到明显增大。模拟结果对在激光超声检测中应用激光阵列提高声表面波的信噪比提供了理论依据。
2011, 35(3): 407-411.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.031
摘要:
为了实现盾构机的自动导向,研制了一种新型无衍射光电子标靶,给出了该电子标靶系统的构成和姿态角测量原理。针对标靶光学系统难以确定精确光学中心的问题,提出一种新型标定方法,直接将全站仪激光入射在标靶中CCD上的光斑中心位置和全站仪的角度值联系起来,建立一一对应的映射关系数据库。工作时,由光斑中心位置可直接插值得到入射光线的空间角度,再结合电子水平仪读数,计算出标靶的实际坡度角、滚动角和水平方位角,并进而计算盾首中心坐标。结果表明,利用该方法对无衍射光电子标靶进行标定能够获得较高的标定精度,从而在标靶进行测量工作时获得较高的测量精度。
为了实现盾构机的自动导向,研制了一种新型无衍射光电子标靶,给出了该电子标靶系统的构成和姿态角测量原理。针对标靶光学系统难以确定精确光学中心的问题,提出一种新型标定方法,直接将全站仪激光入射在标靶中CCD上的光斑中心位置和全站仪的角度值联系起来,建立一一对应的映射关系数据库。工作时,由光斑中心位置可直接插值得到入射光线的空间角度,再结合电子水平仪读数,计算出标靶的实际坡度角、滚动角和水平方位角,并进而计算盾首中心坐标。结果表明,利用该方法对无衍射光电子标靶进行标定能够获得较高的标定精度,从而在标靶进行测量工作时获得较高的测量精度。
2011, 35(3): 422-424.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.035
摘要:
为了在一个通信网络中,找到多源点到多目的点的路由总代价最小的符合带宽-时延约束的路由集,根据服务质量组播路由的特点,结合遗传算法的寻优特性,采用一种求解带宽-时延约束的两层遗传算法的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了多源点到多目的点组播路由集的代价数据。结果表明,所提出的算法可以有效找到多组播路由问题的优化解。
为了在一个通信网络中,找到多源点到多目的点的路由总代价最小的符合带宽-时延约束的路由集,根据服务质量组播路由的特点,结合遗传算法的寻优特性,采用一种求解带宽-时延约束的两层遗传算法的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了多源点到多目的点组播路由集的代价数据。结果表明,所提出的算法可以有效找到多组播路由问题的优化解。
2011, 35(3): 425-427,432.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.036
摘要:
为了探讨1Cr18Ni9Ti不锈钢组织及性能的变化,采用激光相变硬化处理的方法,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、磨损试验机、恒电位仪等研究了激光相变硬化层的组织及性能。进行了理论分析和实验验证,取得了激光相变硬化层的硬度、耐磨性、耐蚀性数据。结果表明,激光相变硬化层主要由奥氏体、马氏体、Fe-(Cr,Ni)以及Fe等组成。随着激光功率的增大,平均显微硬度先增加后减小,在功率为750W时,平均显微硬度达最大值,为223.5HK;在功率为550W时,耐磨性最好,磨损率为基体的56%。激光相变硬化处理后耐蚀性增强;最小的维钝电流密度是基体的33%,最大的钝化稳定区长度是基体的7倍。这一结果对研究1Cr18Ni9Ti不锈钢组织及性能的转变是有帮助的。
为了探讨1Cr18Ni9Ti不锈钢组织及性能的变化,采用激光相变硬化处理的方法,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、磨损试验机、恒电位仪等研究了激光相变硬化层的组织及性能。进行了理论分析和实验验证,取得了激光相变硬化层的硬度、耐磨性、耐蚀性数据。结果表明,激光相变硬化层主要由奥氏体、马氏体、Fe-(Cr,Ni)以及Fe等组成。随着激光功率的增大,平均显微硬度先增加后减小,在功率为750W时,平均显微硬度达最大值,为223.5HK;在功率为550W时,耐磨性最好,磨损率为基体的56%。激光相变硬化处理后耐蚀性增强;最小的维钝电流密度是基体的33%,最大的钝化稳定区长度是基体的7倍。这一结果对研究1Cr18Ni9Ti不锈钢组织及性能的转变是有帮助的。
2011, 35(3): 326-329.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.011
摘要:
目前天然方解石紧缺,在实际使用过程中存在一些缺陷和限制。为缓解现行偏光棱镜材料紧缺的压力,对新型的双折射-BBO替代材料进行了设计研究,通过光在界面上的全反射原理设计了李普奇式及格兰-泰勒式偏光棱镜,给出了它们相应的结构角取值范围及对应的视场角大小,并重点设计得出了230nm～800nm宽频情况下相应的理论值。结果表明,这种材料在紫外波段适用性很好,同时具有大的视场角。该工作为进一步研究开发新型材料的偏光器件打下了基础。
目前天然方解石紧缺,在实际使用过程中存在一些缺陷和限制。为缓解现行偏光棱镜材料紧缺的压力,对新型的双折射-BBO替代材料进行了设计研究,通过光在界面上的全反射原理设计了李普奇式及格兰-泰勒式偏光棱镜,给出了它们相应的结构角取值范围及对应的视场角大小,并重点设计得出了230nm～800nm宽频情况下相应的理论值。结果表明,这种材料在紫外波段适用性很好,同时具有大的视场角。该工作为进一步研究开发新型材料的偏光器件打下了基础。
2011, 35(3): 348-351.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.016
摘要:
为了研究波像差对拼接的影响,采用模拟计算的方法对两对存在像差的子光栅的远场光斑特性参量进行了理论计算,在一定评价判据的基础上,得到了光栅的拼接精度。结果表明,当拼接子光栅的波像差为0.5的慧差时,其最大拼缝偏差约为0.42个光栅周期,最大角度偏差约为0.52rad,均比无像差时的拼接要求有所降低,这一结果对制作大口径拼接压缩光栅是有帮助的。
为了研究波像差对拼接的影响,采用模拟计算的方法对两对存在像差的子光栅的远场光斑特性参量进行了理论计算,在一定评价判据的基础上,得到了光栅的拼接精度。结果表明,当拼接子光栅的波像差为0.5的慧差时,其最大拼缝偏差约为0.42个光栅周期,最大角度偏差约为0.52rad,均比无像差时的拼接要求有所降低,这一结果对制作大口径拼接压缩光栅是有帮助的。
2011, 35(3): 356-359.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.018
摘要:
为了研究自由空间的相干光探测,基于亚波长偏振光栅的衍射和偏振特性,提出了一种新的24的90空间光桥接器。该桥接器主要由一个亚波长偏振光栅、两个/2波片和两个偏振分束器构成。结果表明,通过亚波长偏振光栅将信号光束和本振光束进行空间光桥接,通过左旋和右旋圆偏振光在偏光分离时的相位性质实现所需的相位关系,避免了传统空间光桥接器中对分光元件的相位要求,易于实现稳定的相位输出,在空间激光相干探测系统中有潜在应用。
为了研究自由空间的相干光探测,基于亚波长偏振光栅的衍射和偏振特性,提出了一种新的24的90空间光桥接器。该桥接器主要由一个亚波长偏振光栅、两个/2波片和两个偏振分束器构成。结果表明,通过亚波长偏振光栅将信号光束和本振光束进行空间光桥接,通过左旋和右旋圆偏振光在偏光分离时的相位性质实现所需的相位关系,避免了传统空间光桥接器中对分光元件的相位要求,易于实现稳定的相位输出,在空间激光相干探测系统中有潜在应用。
2011, 35(3): 364-367,383.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.020
摘要:
为了研究铬原子经过波长为425.55nm 1维高斯激光驻波会聚作用后的沉积情况,采用原子与激光相互作用的原子轨道方法和波动方法两种理论模型进行了3维仿真。结果表明,同一激光功率条件下,两种方法的仿真条纹在激光束方向上都具有相同的周期性,在垂直激光束方向上具有非常相似的延展性,即随着激光功率的增加,原本的一条仿真条纹会逐渐分裂开来,由于原子波动性的影响,波动方法仿真的条纹中还有明显的干涉边峰,这种现象随着激光功率的增加而变得更加明显。这些仿真结果为实验提供了更加丰富的理论指导。
为了研究铬原子经过波长为425.55nm 1维高斯激光驻波会聚作用后的沉积情况,采用原子与激光相互作用的原子轨道方法和波动方法两种理论模型进行了3维仿真。结果表明,同一激光功率条件下,两种方法的仿真条纹在激光束方向上都具有相同的周期性,在垂直激光束方向上具有非常相似的延展性,即随着激光功率的增加,原本的一条仿真条纹会逐渐分裂开来,由于原子波动性的影响,波动方法仿真的条纹中还有明显的干涉边峰,这种现象随着激光功率的增加而变得更加明显。这些仿真结果为实验提供了更加丰富的理论指导。
2011, 35(3): 415-417.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.033
摘要:
为了研究常用间隔层材料的软X射线多层膜的材料设计,利用Lawrence-Livermore国家实验室提供的软X射线多层膜设计程序进行模拟计算,得到了软X射线波段内的具有高反射率的膜系。结果表明,Mo在相当大的波段范围内具有良好的光学特性;除了在12.44nm是首选膜系外(除4.36nm外),其它波长都有较高的反射率;U作为吸收层材料,在相当大的波段范围内,与其它间隔层材料配对的多层膜也具有较高的反射率。这对多层膜膜系的材料选择有一定的指导意义。
为了研究常用间隔层材料的软X射线多层膜的材料设计,利用Lawrence-Livermore国家实验室提供的软X射线多层膜设计程序进行模拟计算,得到了软X射线波段内的具有高反射率的膜系。结果表明,Mo在相当大的波段范围内具有良好的光学特性;除了在12.44nm是首选膜系外(除4.36nm外),其它波长都有较高的反射率;U作为吸收层材料,在相当大的波段范围内,与其它间隔层材料配对的多层膜也具有较高的反射率。这对多层膜膜系的材料选择有一定的指导意义。
