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RSS2016年 40卷 第4期
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2016, 40(4): 461-465.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.001
[摘要]
[PDF 5789KB]
摘要:
在锶原子光晶格钟实验中,为了应对多变的实验环境和复杂的实验需求,使得某些光路中的激光不仅能够保证功率稳定,还可以进行时序性调控,采用了声光调制的方法,基于声光晶体的衍射效率随加载于其上的射频功率变化而变化这一原理,建立了一套反馈控制系统,实现了激光功率的主动稳定以及功率设定值的时序性可控。结果表明,在该系统中激光会根据时序控制信号稳定地工作在控制范围内的任意功率强度上,与无功率稳定的状态相比,激光功率的稳定度从10-2量级提高到了10-4量级。该系统的特点在于能够对功率进行稳定的时序控制。
在锶原子光晶格钟实验中,为了应对多变的实验环境和复杂的实验需求,使得某些光路中的激光不仅能够保证功率稳定,还可以进行时序性调控,采用了声光调制的方法,基于声光晶体的衍射效率随加载于其上的射频功率变化而变化这一原理,建立了一套反馈控制系统,实现了激光功率的主动稳定以及功率设定值的时序性可控。结果表明,在该系统中激光会根据时序控制信号稳定地工作在控制范围内的任意功率强度上,与无功率稳定的状态相比,激光功率的稳定度从10-2量级提高到了10-4量级。该系统的特点在于能够对功率进行稳定的时序控制。
2016, 40(4): 466-471.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.002
摘要:
为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角15、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-镜和入光口径8mm、光学杠杆比1:8、后工作距800mm40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm310mm50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10m,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。
为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角15、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-镜和入光口径8mm、光学杠杆比1:8、后工作距800mm40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm310mm50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10m,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。
2016, 40(4): 472-475.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.003
摘要:
为了开发一种用于测量各向同性均匀薄膜介质厚度的紧凑型薄膜测厚仪,采用了共光路垂直入射设计,利用薄膜干涉原理,通过非线性优化算法对反射光谱进行了拟合,反演计算出了薄膜样品的厚度。采用该仪器测量部分SiO2/Si薄膜样件,测量结果与商业椭偏仪测量结果之间的相对偏差小于0.5%,而单次测量时间仅为70ms。结果表明,该薄膜测厚仪具有对测量距离不敏感、光路简洁、结构紧凑及重复性精度良好等优点,对实现在线实时测量功能具有积极意义。
为了开发一种用于测量各向同性均匀薄膜介质厚度的紧凑型薄膜测厚仪,采用了共光路垂直入射设计,利用薄膜干涉原理,通过非线性优化算法对反射光谱进行了拟合,反演计算出了薄膜样品的厚度。采用该仪器测量部分SiO2/Si薄膜样件,测量结果与商业椭偏仪测量结果之间的相对偏差小于0.5%,而单次测量时间仅为70ms。结果表明,该薄膜测厚仪具有对测量距离不敏感、光路简洁、结构紧凑及重复性精度良好等优点,对实现在线实时测量功能具有积极意义。
2016, 40(4): 479-482.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.005
摘要:
为了抑制激光成像中的散斑噪声,采用灰度共生矩阵构建了激光显微散斑分析评价系统。系统采用波长为405nm的激光作为显微系统光源,利用电压驱动音圈电机振动样品对激光散斑噪声大小进行控制,同时采用CCD图像传感器采集不同驱动电压下的激光散斑噪声。通过对散斑噪声的角二阶矩、对比度、熵和逆差距特征参量的分析,较好地表征了激光散斑噪声的变化。结果表明,灰度共生矩阵方法可对激光显微成像中的散斑进行评价。
为了抑制激光成像中的散斑噪声,采用灰度共生矩阵构建了激光显微散斑分析评价系统。系统采用波长为405nm的激光作为显微系统光源,利用电压驱动音圈电机振动样品对激光散斑噪声大小进行控制,同时采用CCD图像传感器采集不同驱动电压下的激光散斑噪声。通过对散斑噪声的角二阶矩、对比度、熵和逆差距特征参量的分析,较好地表征了激光散斑噪声的变化。结果表明,灰度共生矩阵方法可对激光显微成像中的散斑进行评价。
2016, 40(4): 483-486.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.006
摘要:
为了提高激光打标系统中矢量文字的打标效率,通过分析TrueType字体轮廓结构和Bezier曲线的性质,给出一种TrueType字体轮廓直线逼近优化算法,并进行了理论分析和实验验证。该方法首先根据de Casteljau递推算法对TrueType字体轮廓中的Bezier曲线进行定比分割,然后用首尾控制点连线代替曲线,最后对逼近线段进行插值处理生成打标数据,并对比了直线逼近轮廓与标准TrueType字体轮廓。结果表明,该算法在满足精度的条件下,计算过程简单、生成的节点数少,提高了矢量文字的打标效率。
为了提高激光打标系统中矢量文字的打标效率,通过分析TrueType字体轮廓结构和Bezier曲线的性质,给出一种TrueType字体轮廓直线逼近优化算法,并进行了理论分析和实验验证。该方法首先根据de Casteljau递推算法对TrueType字体轮廓中的Bezier曲线进行定比分割,然后用首尾控制点连线代替曲线,最后对逼近线段进行插值处理生成打标数据,并对比了直线逼近轮廓与标准TrueType字体轮廓。结果表明,该算法在满足精度的条件下,计算过程简单、生成的节点数少,提高了矢量文字的打标效率。
2016, 40(4): 487-490.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.007
摘要:
为了通过实验得到向列相液晶材料的双折射率,利用迈克尔逊干涉原理设计了一种新的测量方法。在迈克尔逊干涉仪中放入楔形液晶盒,通过调节入射光的偏振方向分别实现了对寻常光和非寻常光折射率的精确测定。结果表明,该测量方法将折射率测量转换为长度的测量和干涉条纹的计数,简单易行、测量精度较高,对理论研究和实际开发液晶显示器件是非常重要的,在液晶材料和液晶器件生产中具有一定的推广价值。
为了通过实验得到向列相液晶材料的双折射率,利用迈克尔逊干涉原理设计了一种新的测量方法。在迈克尔逊干涉仪中放入楔形液晶盒,通过调节入射光的偏振方向分别实现了对寻常光和非寻常光折射率的精确测定。结果表明,该测量方法将折射率测量转换为长度的测量和干涉条纹的计数,简单易行、测量精度较高,对理论研究和实际开发液晶显示器件是非常重要的,在液晶材料和液晶器件生产中具有一定的推广价值。
2016, 40(4): 491-495.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.008
摘要:
双光栅单色仪的透过率函数对转动喇曼激光雷达回波信号的模拟计算、温度反演灵敏度的分析、温度反演公式的选择等具有重要作用。为了研究双光栅单色仪透过率函数的算法,采用一个变量把衍射光斑占出射光纤横截面积的比表示出来,然后利用光斑与光纤横截面是相离、相交还是相切的关系给出了透过率函数,对532nm的双光栅单色仪的透过率函数进行了理论分析与实验研究。结果表明,532nm双光栅单色仪的透过率曲线的中心波长分别为529.0nm,530.3nm,533.8nm和535.1nm,带宽为0.48nm,模拟的回波信号与实测回波信号基本重合,双光栅单色仪透过率函数的计算方法是正确的。
双光栅单色仪的透过率函数对转动喇曼激光雷达回波信号的模拟计算、温度反演灵敏度的分析、温度反演公式的选择等具有重要作用。为了研究双光栅单色仪透过率函数的算法,采用一个变量把衍射光斑占出射光纤横截面积的比表示出来,然后利用光斑与光纤横截面是相离、相交还是相切的关系给出了透过率函数,对532nm的双光栅单色仪的透过率函数进行了理论分析与实验研究。结果表明,532nm双光栅单色仪的透过率曲线的中心波长分别为529.0nm,530.3nm,533.8nm和535.1nm,带宽为0.48nm,模拟的回波信号与实测回波信号基本重合,双光栅单色仪透过率函数的计算方法是正确的。
2016, 40(4): 496-499.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.009
摘要:
为了将光子混频的连续太赫兹波透射成像系统应用于样品厚度检测中,采用该系统获得的相位信息对样品进行了2维厚度测量。利用两个外腔半导体结构的激光器搭建了基于光子混频的连续太赫兹波透射成像系统,并利用X-Y 2维电动平移台放置样品进行点点扫描成像。该系统可同时获得样品的幅度信息和相位信息,在太赫兹波辐射频率0.47THz时,系统信噪比可达68dB。计算得出的厚度值与实际样品的厚度值最大相差0.02mm;另外还分析了平行平面样品干涉效应和样品不同透射强度对厚度测量的影响。结果表明,样品折射率越高,平行平面干涉效应对厚度测量影响越大;样品透射系数越大,测量精度也越高。当样品太赫兹波透射系数大于0.5时,厚度测量精度优于2.0%。
为了将光子混频的连续太赫兹波透射成像系统应用于样品厚度检测中,采用该系统获得的相位信息对样品进行了2维厚度测量。利用两个外腔半导体结构的激光器搭建了基于光子混频的连续太赫兹波透射成像系统,并利用X-Y 2维电动平移台放置样品进行点点扫描成像。该系统可同时获得样品的幅度信息和相位信息,在太赫兹波辐射频率0.47THz时,系统信噪比可达68dB。计算得出的厚度值与实际样品的厚度值最大相差0.02mm;另外还分析了平行平面样品干涉效应和样品不同透射强度对厚度测量的影响。结果表明,样品折射率越高,平行平面干涉效应对厚度测量影响越大;样品透射系数越大,测量精度也越高。当样品太赫兹波透射系数大于0.5时,厚度测量精度优于2.0%。
2016, 40(4): 500-505.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.010
摘要:
为了满足现代手机镜头对高像素、小型化以及无杂散光的要求,采用光学塑料非球面技术以及蒙特卡洛光线追迹法,使用CODEV光学设计软件,设计了1款三单元5106像素的手机镜头。同时,运用LightTools光学分析软件进行杂散光分析。结果表明,该镜头的F数为2.6,全视场角为72.9,系统总长为3.1mm。最终组装产品的性能测试结果能满足设计要求,且无不可接受的杂散光。
为了满足现代手机镜头对高像素、小型化以及无杂散光的要求,采用光学塑料非球面技术以及蒙特卡洛光线追迹法,使用CODEV光学设计软件,设计了1款三单元5106像素的手机镜头。同时,运用LightTools光学分析软件进行杂散光分析。结果表明,该镜头的F数为2.6,全视场角为72.9,系统总长为3.1mm。最终组装产品的性能测试结果能满足设计要求,且无不可接受的杂散光。
2016, 40(4): 512-515.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.012
摘要:
为了探究激光毛化技术在硬质合金材料表面实现微织构的应用潜能,采用单因素分析法,在YG6X硬质合金刀片表面进行了激光毛化工艺试验研究,获得了直径约270m,高度约6m的火山口形貌的微织构。结果表明,激光脉冲宽度、抽运电压、气体压力对毛化微织构形貌有着显著影响,脉冲宽度和抽运电压会较大地增大织构尺寸,气体压力显著减小织构高度约43%;硬质合金激光毛化微织构易出现微裂纹,由中心延伸至周边;组织中材料分布不均,中间有大块孔洞与空腔,但与基体有着紧密的结合强度。
为了探究激光毛化技术在硬质合金材料表面实现微织构的应用潜能,采用单因素分析法,在YG6X硬质合金刀片表面进行了激光毛化工艺试验研究,获得了直径约270m,高度约6m的火山口形貌的微织构。结果表明,激光脉冲宽度、抽运电压、气体压力对毛化微织构形貌有着显著影响,脉冲宽度和抽运电压会较大地增大织构尺寸,气体压力显著减小织构高度约43%;硬质合金激光毛化微织构易出现微裂纹,由中心延伸至周边;组织中材料分布不均,中间有大块孔洞与空腔,但与基体有着紧密的结合强度。
2016, 40(4): 526-530.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.015
摘要:
为了开发应用于食品、医药及生物工程的新型选择性激光烧结快速成型材料,采用热重/差示扫描热法对蔗糖进行了热重-差热分析;利用SLS300快速成型机对蔗糖粉末以及淀粉-蔗糖混合粉末进行烧结实验分析,并评价了烧结质量。结果表明,蔗糖的最终升温温度在187℃~220℃时能保证良好的成型质量,利用淀粉对蔗糖改性后的混合材料烧结成型质量优于单一蔗糖粉的烧结,其尺寸精度为2.1%,最大弯曲强度为0.5620MPa,满足一般食品强度要求,这对于3-D打印技术在食品领域应用具有一定意义。
为了开发应用于食品、医药及生物工程的新型选择性激光烧结快速成型材料,采用热重/差示扫描热法对蔗糖进行了热重-差热分析;利用SLS300快速成型机对蔗糖粉末以及淀粉-蔗糖混合粉末进行烧结实验分析,并评价了烧结质量。结果表明,蔗糖的最终升温温度在187℃~220℃时能保证良好的成型质量,利用淀粉对蔗糖改性后的混合材料烧结成型质量优于单一蔗糖粉的烧结,其尺寸精度为2.1%,最大弯曲强度为0.5620MPa,满足一般食品强度要求,这对于3-D打印技术在食品领域应用具有一定意义。
2016, 40(4): 550-554.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.020
摘要:
为了得到紫外激光在陶瓷刀具表面加工微织构的过程中,激光能量密度、扫描速率、扫描次数和频率对微沟槽尺寸的影响规律,采用单因素实验方法进行了紫外激光加工陶瓷刀具的工艺实验,确定了使用355nm波长紫外激光器在陶瓷刀具表面加工微织构的合理参量。结果表明,在陶瓷刀具上加工出合适微织构,可提高陶瓷刀具性能并延长寿命。
为了得到紫外激光在陶瓷刀具表面加工微织构的过程中,激光能量密度、扫描速率、扫描次数和频率对微沟槽尺寸的影响规律,采用单因素实验方法进行了紫外激光加工陶瓷刀具的工艺实验,确定了使用355nm波长紫外激光器在陶瓷刀具表面加工微织构的合理参量。结果表明,在陶瓷刀具上加工出合适微织构,可提高陶瓷刀具性能并延长寿命。
2016, 40(4): 555-559.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.021
摘要:
为了解决燃气轮机叶片后缘轮廓的测量和模型化的难题,采用了基于概率密度的最小二乘圆拟合方法,通过对数据重复拟合过程若干次,求得每组的拟合圆心坐标和半径,以概率密度分布的最大值作为最优拟合值。通过数据仿真,对拟合数据误差进行了理论分析和实验验证,验证了该方法的可行性和鲁棒性。结果表明,实现了对叶片后缘轮廓的拟合和数据的参量估计,精度达到0.01mm,求得圆拟合的最优圆心坐标和半径;对于直线段和短圆弧组合的叶片后缘,在不知切点和圆弧方程的情况下,能够对叶片后缘轮廓拟合。此方法对叶片后缘轮廓的高精度测量、加工精度以及参量的设计有着重要的指导意义。
为了解决燃气轮机叶片后缘轮廓的测量和模型化的难题,采用了基于概率密度的最小二乘圆拟合方法,通过对数据重复拟合过程若干次,求得每组的拟合圆心坐标和半径,以概率密度分布的最大值作为最优拟合值。通过数据仿真,对拟合数据误差进行了理论分析和实验验证,验证了该方法的可行性和鲁棒性。结果表明,实现了对叶片后缘轮廓的拟合和数据的参量估计,精度达到0.01mm,求得圆拟合的最优圆心坐标和半径;对于直线段和短圆弧组合的叶片后缘,在不知切点和圆弧方程的情况下,能够对叶片后缘轮廓拟合。此方法对叶片后缘轮廓的高精度测量、加工精度以及参量的设计有着重要的指导意义。
2016, 40(4): 560-564.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.022
摘要:
为了设计单个椭球面缩束(扩束)透镜,采用全面学习策略的粒子群算法作为设计方法,依据光线折射定律矢量形式所表征的椭球面折射特性进行了理论分析,得到了用全面学习策略的粒子群优化算法设计单个椭球面缩束(扩束)透镜的适应度数据公式,设计出了线度小于170mm缩束14.16倍的单个椭球面缩束透镜,并用光线追迹方法模拟了缩束或扩束过程。结果表明,单个椭球面透镜可以起到缩束或者扩束作用,全面学习策略的粒子群算法可用于椭球面缩束透镜的设计。这一结果对于简化扩(缩)束系统结构、设计出适应于不同要求的单个扩(缩)束透镜是有帮助的。
为了设计单个椭球面缩束(扩束)透镜,采用全面学习策略的粒子群算法作为设计方法,依据光线折射定律矢量形式所表征的椭球面折射特性进行了理论分析,得到了用全面学习策略的粒子群优化算法设计单个椭球面缩束(扩束)透镜的适应度数据公式,设计出了线度小于170mm缩束14.16倍的单个椭球面缩束透镜,并用光线追迹方法模拟了缩束或扩束过程。结果表明,单个椭球面透镜可以起到缩束或者扩束作用,全面学习策略的粒子群算法可用于椭球面缩束透镜的设计。这一结果对于简化扩(缩)束系统结构、设计出适应于不同要求的单个扩(缩)束透镜是有帮助的。
2016, 40(4): 576-581.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.025
摘要:
为了实现阵列激光雷达发射单脉冲激光瞬间3维成像,解决多路激光距离测量问题,采用并行处理架构设计了25路并行距离测量系统,由4个测量单元和1个复用单元构成1个多核并行处理机。每个测量单元包含8路跨阻放大器和8路高速比较器、1片TDC-GPX芯片和1个STM32处理器;复用单元由现场可编程门阵列实现多路测量数据打包,并通过USB2.0完成数据上传。结果表明,多路激光测距误差小于25cm;测量系统具有开放性,测量通道数易于扩展,子板可互换;并提出了按距离分段的误差校正方法,无须重复测量多次,可在单脉冲探测下直接校正测距数据。这为研制更高精度的阵列激光雷达系统奠定了一定的基础。
为了实现阵列激光雷达发射单脉冲激光瞬间3维成像,解决多路激光距离测量问题,采用并行处理架构设计了25路并行距离测量系统,由4个测量单元和1个复用单元构成1个多核并行处理机。每个测量单元包含8路跨阻放大器和8路高速比较器、1片TDC-GPX芯片和1个STM32处理器;复用单元由现场可编程门阵列实现多路测量数据打包,并通过USB2.0完成数据上传。结果表明,多路激光测距误差小于25cm;测量系统具有开放性,测量通道数易于扩展,子板可互换;并提出了按距离分段的误差校正方法,无须重复测量多次,可在单脉冲探测下直接校正测距数据。这为研制更高精度的阵列激光雷达系统奠定了一定的基础。
2016, 40(4): 586-591.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.027
摘要:
为了改善现有CO2激光器工频LC谐振充电时充电电压随激光器工作频率升高而降低、影响激光输出的稳定性和光束质量,不利于装置的小型化和轻量化的问题。采用全桥逆变结构和串联谐振软开关电路,研究了36kV/10kW高频高压充电电源。该电源系统采用三相380V交流电作为供电系统,大功率智能功率模块作为全桥逆变电路。逆变交流信号经串联谐振电路及高频脉冲变压器得到高压脉冲信号,高压脉冲经整流给负载电容充电,电源应用电压电流双闭环控制系统,输出电压、电流经采样及放大后,反馈到电源控制芯片SG3525,芯片SG3525通过判断反馈信号的大小,控制输出脉冲宽度调制驱动信号的占空比。激光器放电频率为25Hz时,电源输出电压为37kV,峰值输出功率为13.05kW,充电效率为0.826。结果表明,该高频高压充电电源适合用作CO2激光器的高压充电电源。
为了改善现有CO2激光器工频LC谐振充电时充电电压随激光器工作频率升高而降低、影响激光输出的稳定性和光束质量,不利于装置的小型化和轻量化的问题。采用全桥逆变结构和串联谐振软开关电路,研究了36kV/10kW高频高压充电电源。该电源系统采用三相380V交流电作为供电系统,大功率智能功率模块作为全桥逆变电路。逆变交流信号经串联谐振电路及高频脉冲变压器得到高压脉冲信号,高压脉冲经整流给负载电容充电,电源应用电压电流双闭环控制系统,输出电压、电流经采样及放大后,反馈到电源控制芯片SG3525,芯片SG3525通过判断反馈信号的大小,控制输出脉冲宽度调制驱动信号的占空比。激光器放电频率为25Hz时,电源输出电压为37kV,峰值输出功率为13.05kW,充电效率为0.826。结果表明,该高频高压充电电源适合用作CO2激光器的高压充电电源。
2016, 40(4): 592-595.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.028
摘要:
为了实现激光能量的衰减,采用3组衰减盘级联的方法,实现了激光能量的宽范围衰减。衰减系统由STM32定时器产生的脉冲驱动步进电机,并用霍尔传感器位置定位实现对衰减盘的精确旋转。分析了设计方案中光机部件、电机驱动、旋转控制等机构。结果表明,衰减范围为0%~97.51%,验证了系统的可靠性和重复性。这一结果对高功率激光器衰减的研究有一定的帮助。
为了实现激光能量的衰减,采用3组衰减盘级联的方法,实现了激光能量的宽范围衰减。衰减系统由STM32定时器产生的脉冲驱动步进电机,并用霍尔传感器位置定位实现对衰减盘的精确旋转。分析了设计方案中光机部件、电机驱动、旋转控制等机构。结果表明,衰减范围为0%~97.51%,验证了系统的可靠性和重复性。这一结果对高功率激光器衰减的研究有一定的帮助。
2016, 40(4): 601-605.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.030
摘要:
为了研究冲击波的传播特性,采用有限元分析方法模拟不同参量激光冲击铜薄膜的过程,结合应力波理论分析了膜-基系统的动态应力波传播特性。结果表明,激光能量为30mJ时,冲击波为弹性波,薄膜在单次冲击作用下,其内质点速率最大为-0.018mm/s,3次冲击作用下,薄膜内部质点速度与残余应变变化较小;激光能量为120mJ时,冲击波为弹塑性波,3次冲击比单次冲击质点最大速率减小了26.44%,残余应变深度增加了35.48%。这对研究冲击波传播具有指导意义。
为了研究冲击波的传播特性,采用有限元分析方法模拟不同参量激光冲击铜薄膜的过程,结合应力波理论分析了膜-基系统的动态应力波传播特性。结果表明,激光能量为30mJ时,冲击波为弹性波,薄膜在单次冲击作用下,其内质点速率最大为-0.018mm/s,3次冲击作用下,薄膜内部质点速度与残余应变变化较小;激光能量为120mJ时,冲击波为弹塑性波,3次冲击比单次冲击质点最大速率减小了26.44%,残余应变深度增加了35.48%。这对研究冲击波传播具有指导意义。
2016, 40(4): 606-609.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.031
摘要:
为了研究钢/铝异种金属激光深熔焊接的温度分布情况,采用有限元ANSYS软件建立了钢/铝异种金属激光对接焊的数学模型,对焊接温度场进行了模拟。通过计算模拟得到了不同时刻的温度场分布云图、试件表面节点的热循环曲线以及焊接速率对温度场变化的影响,并与实际焊接试验结果进行了对比。结果表明,焊接温度场呈非对称分布,钢一侧的温度梯度大于铝合金一侧的温度梯度;随着焊接速率的增大,热源中心的最高温度会逐渐降低,焊接熔池的熔宽也会随之逐渐变小。模拟的焊缝形状与实际焊接实验得到的焊缝截面的熔合线基本一致,熔池熔宽的模拟结果与实验结果误差在5%以内,验证了模拟结果的准确性。
为了研究钢/铝异种金属激光深熔焊接的温度分布情况,采用有限元ANSYS软件建立了钢/铝异种金属激光对接焊的数学模型,对焊接温度场进行了模拟。通过计算模拟得到了不同时刻的温度场分布云图、试件表面节点的热循环曲线以及焊接速率对温度场变化的影响,并与实际焊接试验结果进行了对比。结果表明,焊接温度场呈非对称分布,钢一侧的温度梯度大于铝合金一侧的温度梯度;随着焊接速率的增大,热源中心的最高温度会逐渐降低,焊接熔池的熔宽也会随之逐渐变小。模拟的焊缝形状与实际焊接实验得到的焊缝截面的熔合线基本一致,熔池熔宽的模拟结果与实验结果误差在5%以内,验证了模拟结果的准确性。
2016, 40(4): 476-478.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.004
摘要:
为了研究单轴晶体铌酸锂双折射滤光片的温度特性,采用计算机进行数值理论分析,讨论了入射光方向上铌酸锂晶体双折射率和厚度随温度变化的关系,并利用Ultra-6600系列紫外-可见分光光度计对铌酸锂滤光片进行了光谱测量和实验验证。结果表明,在不同波段的滤波带宽,可以找到某些特定的入射角度,使滤光片的中心波长不随温度变化而变化,双折射滤光片温度的稳定性可以保持。此结果说明,可以通过调节入射光方向来提高滤光片的温度稳定性和使用精度。
为了研究单轴晶体铌酸锂双折射滤光片的温度特性,采用计算机进行数值理论分析,讨论了入射光方向上铌酸锂晶体双折射率和厚度随温度变化的关系,并利用Ultra-6600系列紫外-可见分光光度计对铌酸锂滤光片进行了光谱测量和实验验证。结果表明,在不同波段的滤波带宽,可以找到某些特定的入射角度,使滤光片的中心波长不随温度变化而变化,双折射滤光片温度的稳定性可以保持。此结果说明,可以通过调节入射光方向来提高滤光片的温度稳定性和使用精度。
2016, 40(4): 596-600.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.029
摘要:
为了探究更多新结构的梳状滤波器,采用了一种新型的基于取样光栅的Sagnac环滤波器的设计方案。利用Jones矩阵理论,建立了该滤波器的理论模型,并对其传输光谱进行了分析和数值仿真。通过选取不同的光纤光栅的长度L、光纤环臂差L和取样周期P等参量的值,可以得到6种具有分立谱线、高反射率、等间隔的窄带梳状透射谱,且具有良好的波长选择性和信道隔离度。结果表明,这种滤波器可应用于波分复用系统的多通道窄带滤波器、双波长的光纤激光器和分布式传感系统等,对结合光纤光栅和Sagnac环结构的滤波器的研究和应用提供了一定的参考。
为了探究更多新结构的梳状滤波器,采用了一种新型的基于取样光栅的Sagnac环滤波器的设计方案。利用Jones矩阵理论,建立了该滤波器的理论模型,并对其传输光谱进行了分析和数值仿真。通过选取不同的光纤光栅的长度L、光纤环臂差L和取样周期P等参量的值,可以得到6种具有分立谱线、高反射率、等间隔的窄带梳状透射谱,且具有良好的波长选择性和信道隔离度。结果表明,这种滤波器可应用于波分复用系统的多通道窄带滤波器、双波长的光纤激光器和分布式传感系统等,对结合光纤光栅和Sagnac环结构的滤波器的研究和应用提供了一定的参考。
2016, 40(4): 506-511.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.011
摘要:
随着微纳加工技术的发展,微纳尺度下材料的热物性参量测量变得尤为重要。首先介绍了飞秒激光测量微纳尺度下材料热物性参量的基本原理、测量系统的实现方法,对比了所采用的双温模型、双曲两步辐射模型、双曲一步模型、抛物一步模型、双相滞模型和抛物两步模型等主要的传热模型。其次,介绍了飞秒激光测量物性参量的基本特点。然后,介绍了单波长正面抽运与探测系统、双波长正面抽运及探测和加热探测不同侧3种常见结构的飞秒激光物性测量系统。最后,展望了飞秒激光物性测量的研究方向。
随着微纳加工技术的发展,微纳尺度下材料的热物性参量测量变得尤为重要。首先介绍了飞秒激光测量微纳尺度下材料热物性参量的基本原理、测量系统的实现方法,对比了所采用的双温模型、双曲两步辐射模型、双曲一步模型、抛物一步模型、双相滞模型和抛物两步模型等主要的传热模型。其次,介绍了飞秒激光测量物性参量的基本特点。然后,介绍了单波长正面抽运与探测系统、双波长正面抽运及探测和加热探测不同侧3种常见结构的飞秒激光物性测量系统。最后,展望了飞秒激光物性测量的研究方向。
2016, 40(4): 516-520.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.013
摘要:
为了研究激光辐照焦平面探测器的温度效应,采用ANSYS有限元软件建立高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的3维结构分析模型,并对该探测器3维温度场效应进行了研究。结果表明,激光辐照下,探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上,探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时,将会引起探测器的热熔融损伤,且熔融损伤阈值受到脉宽、光斑半径等激光参量的影响;高斯脉冲激光辐照下,探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域,其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质,并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。这为进一步研究温升效应引起的应力场分布、提高探测器激光防护性能提供了重要的理论分析依据。
为了研究激光辐照焦平面探测器的温度效应,采用ANSYS有限元软件建立高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的3维结构分析模型,并对该探测器3维温度场效应进行了研究。结果表明,激光辐照下,探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上,探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时,将会引起探测器的热熔融损伤,且熔融损伤阈值受到脉宽、光斑半径等激光参量的影响;高斯脉冲激光辐照下,探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域,其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质,并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。这为进一步研究温升效应引起的应力场分布、提高探测器激光防护性能提供了重要的理论分析依据。
2016, 40(4): 521-525.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.014
摘要:
为了抑制雾天图像质量的退化,基于大气散射物理模型及偏振图像暗通道原理,提出了一种改进的雾天偏振遥感图像去雾算法。首先依据大气散射模型对雾天偏振成像机理进行分析,对大气偏振信息对去雾的影响进行了阐述。其次利用边缘检测和闭运算自动获取雾天偏振图像的天空区域,估算无穷远大气光强和大气偏振度。最后,针对图像中存在的噪声干扰等因素,修正大气偏振度及大气光强,恢复了退化图像的辐射强度信息。通过理论分析和实验验证,取得了较好的雾天图像复原结果。结果表明,该算法可以准确获取天空区域,实现更高鲁棒性的天空区域估计方法,有效提高图像的对比度和清晰度,增加图像细节,改善雾天图像的质量。该算法能够有效抑制雾天对图像造成的退化,从而提高遥感的目标探测和识别能力。
为了抑制雾天图像质量的退化,基于大气散射物理模型及偏振图像暗通道原理,提出了一种改进的雾天偏振遥感图像去雾算法。首先依据大气散射模型对雾天偏振成像机理进行分析,对大气偏振信息对去雾的影响进行了阐述。其次利用边缘检测和闭运算自动获取雾天偏振图像的天空区域,估算无穷远大气光强和大气偏振度。最后,针对图像中存在的噪声干扰等因素,修正大气偏振度及大气光强,恢复了退化图像的辐射强度信息。通过理论分析和实验验证,取得了较好的雾天图像复原结果。结果表明,该算法可以准确获取天空区域,实现更高鲁棒性的天空区域估计方法,有效提高图像的对比度和清晰度,增加图像细节,改善雾天图像的质量。该算法能够有效抑制雾天对图像造成的退化,从而提高遥感的目标探测和识别能力。
2016, 40(4): 531-535.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.016
摘要:
为了降低光突发交换网络中突发包的丢失率、减小网络延时、提高网络信道的利用率,采用了一种新型考虑优先级的基于冗余合并的突发包冲突解决机制。算法增加了回退信道作为保护信道,根据业务的优先级对冲突的突发包进行分段,使无法顺利传送的突发包碎片进入到回退信道;同时,考虑到网络中存在着很多短小而难以利用的信道资源,算法将回退信道里的突发包碎片进行多次克隆,多个克隆碎片和由上游节点到来的突发包合并成粒度可变的虚拟突发包发送,克隆碎片的优先级定义为最低,以保证不抢占正常突发包的信道资源。结果表明,相比以往的冲突解决算法,此算法具有较低的丢包率、相对小的延时率和优越的信道利用率。
为了降低光突发交换网络中突发包的丢失率、减小网络延时、提高网络信道的利用率,采用了一种新型考虑优先级的基于冗余合并的突发包冲突解决机制。算法增加了回退信道作为保护信道,根据业务的优先级对冲突的突发包进行分段,使无法顺利传送的突发包碎片进入到回退信道;同时,考虑到网络中存在着很多短小而难以利用的信道资源,算法将回退信道里的突发包碎片进行多次克隆,多个克隆碎片和由上游节点到来的突发包合并成粒度可变的虚拟突发包发送,克隆碎片的优先级定义为最低,以保证不抢占正常突发包的信道资源。结果表明,相比以往的冲突解决算法,此算法具有较低的丢包率、相对小的延时率和优越的信道利用率。
2016, 40(4): 536-540.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.017
摘要:
为了降低传感器系统的成本及体积,利用光纤激光传感单元的特性,采用光开关选通的光纤激光水听器时分复用技术,构建了实用的基于光开关的4元光纤激光水听器时分阵列。进行了理论分析和实验验证,分析了使用光开关选通的光纤激光水听器时分复用阵列方案的选通脉宽和损耗,指出了各通道光脉冲对干涉信号的采样率的限制因素。结果表明,光开关选通的光纤激光水听器时分阵列可以很好地完成复用信号的采集和复用,实验中4元时分复用水听器相邻通道的串扰为-17dB。
为了降低传感器系统的成本及体积,利用光纤激光传感单元的特性,采用光开关选通的光纤激光水听器时分复用技术,构建了实用的基于光开关的4元光纤激光水听器时分阵列。进行了理论分析和实验验证,分析了使用光开关选通的光纤激光水听器时分复用阵列方案的选通脉宽和损耗,指出了各通道光脉冲对干涉信号的采样率的限制因素。结果表明,光开关选通的光纤激光水听器时分阵列可以很好地完成复用信号的采集和复用,实验中4元时分复用水听器相邻通道的串扰为-17dB。
2016, 40(4): 541-544.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.018
摘要:
为了解决分布式光纤温度传感器在高炉热风管现场出现的温度漂移问题,采用光源中心频率匹配法对其进行了理论推导和实验验证。通过对入射光电流与参考光电流的差值进行检测来实时调整F-P光滤波器的带宽,使滤波器允许通过的频率范围始终包含光源的中心频率,实现滤波器带宽与光源中心频率的匹配。采用频率匹配法使光纤传感器输出的Raman比与距离的曲线在不同环境温度下基本重合,传感器的线性度约为0.52%。结果表明,采用光源中心频率匹配法可减小光纤传感器的温漂,且不影响传感器的线性度。将中心频率匹配法与分布式光纤温度传感技术相结合对于实现热风管表面温度的有效测量具有一定的意义。
为了解决分布式光纤温度传感器在高炉热风管现场出现的温度漂移问题,采用光源中心频率匹配法对其进行了理论推导和实验验证。通过对入射光电流与参考光电流的差值进行检测来实时调整F-P光滤波器的带宽,使滤波器允许通过的频率范围始终包含光源的中心频率,实现滤波器带宽与光源中心频率的匹配。采用频率匹配法使光纤传感器输出的Raman比与距离的曲线在不同环境温度下基本重合,传感器的线性度约为0.52%。结果表明,采用光源中心频率匹配法可减小光纤传感器的温漂,且不影响传感器的线性度。将中心频率匹配法与分布式光纤温度传感技术相结合对于实现热风管表面温度的有效测量具有一定的意义。
2016, 40(4): 565-570.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.023
摘要:
为了保证光子辅助压缩感知系统在获取宽带信号的过程中,测量矩阵保持零均值,采用基于马赫-曾德尔调制器的并行结构,以实现待处理信号与零均值随机序列的混频;同时采用数字域后补偿的方式,改善了强度调制器非线性对系统恢复效果的负面影响,在一定范围内提升了系统的恢复效果。结果表明,改进后的光子辅助压缩感知结构在获取宽带射频稀疏信号时,具有更好的恢复效果。
为了保证光子辅助压缩感知系统在获取宽带信号的过程中,测量矩阵保持零均值,采用基于马赫-曾德尔调制器的并行结构,以实现待处理信号与零均值随机序列的混频;同时采用数字域后补偿的方式,改善了强度调制器非线性对系统恢复效果的负面影响,在一定范围内提升了系统的恢复效果。结果表明,改进后的光子辅助压缩感知结构在获取宽带射频稀疏信号时,具有更好的恢复效果。
2016, 40(4): 582-585.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.026
摘要:
为了优化宽泛可调的低频基准射频信号系统、降低射频生成系统的相位噪声,采用减少部件的优化设计方法,使用调幅器改善相位噪声,实现了系统设计的简化。经过理论分析和实验验证,取得了低频射频信号条件下的系统相位噪声与频率偏移数据。结果表明,可以通过机械隔离来消除由于光纤振动产生的过量相位噪声。这在未来的光通信领域中具有一定的应用价值和实际意义。
为了优化宽泛可调的低频基准射频信号系统、降低射频生成系统的相位噪声,采用减少部件的优化设计方法,使用调幅器改善相位噪声,实现了系统设计的简化。经过理论分析和实验验证,取得了低频射频信号条件下的系统相位噪声与频率偏移数据。结果表明,可以通过机械隔离来消除由于光纤振动产生的过量相位噪声。这在未来的光通信领域中具有一定的应用价值和实际意义。
2016, 40(4): 615-618.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.033
摘要:
为了对相位敏感光时域反射系统进行优化设计,采用相位敏感光时域反射原理搭建了一套多点入侵检测系统,通过数值模拟和实验分析了激光器线宽对系统性能的影响,由理论分析发现,随着激光器线宽的增大,系统探测到的后向相干瑞利散射的波纹逐渐平滑,系统的信噪比和定位精度也随之降低,直至不能定位和识别干扰信息;并利用7km的光纤进行了相关实验。结果表明,当激光器线宽由5kHz增加到200kHz时,系统探测到的后向瑞利散射信号出现了较大的平滑,信噪比则由12dB减小到3dB,这与理论分析的规律一致。
为了对相位敏感光时域反射系统进行优化设计,采用相位敏感光时域反射原理搭建了一套多点入侵检测系统,通过数值模拟和实验分析了激光器线宽对系统性能的影响,由理论分析发现,随着激光器线宽的增大,系统探测到的后向相干瑞利散射的波纹逐渐平滑,系统的信噪比和定位精度也随之降低,直至不能定位和识别干扰信息;并利用7km的光纤进行了相关实验。结果表明,当激光器线宽由5kHz增加到200kHz时,系统探测到的后向瑞利散射信号出现了较大的平滑,信噪比则由12dB减小到3dB,这与理论分析的规律一致。
2016, 40(4): 545-549.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.019
摘要:
为了研究射频板条CO2激光器射频频率波动对输出光束的影响,采用等效电路分析和实验测量的方法研究了射频频率对激光器输入输出特性的影响。计算得到射频频率变化2MHz时引起的阻抗实部变化率为0.01%,说明射频频率漂移对放电部分等效电路参量影响很小。射频频率采用79.4MHz,80.0MHz,80.7MHz,81.4MHz,82.0MHz和82.7MHz,以设计频率81.4MHz对应的输出功率为基准,占空比设置为80%时,频率漂移1MHz则激光功率下降约150W。激光功率随频率变化趋势与理论结果一致。结果表明,射频频率变化引起的阻抗匹配问题是导致输出功率波动的主要原因,可以通过改进匹配网络来克服射频频率的波动对激光器性能的影响。
为了研究射频板条CO2激光器射频频率波动对输出光束的影响,采用等效电路分析和实验测量的方法研究了射频频率对激光器输入输出特性的影响。计算得到射频频率变化2MHz时引起的阻抗实部变化率为0.01%,说明射频频率漂移对放电部分等效电路参量影响很小。射频频率采用79.4MHz,80.0MHz,80.7MHz,81.4MHz,82.0MHz和82.7MHz,以设计频率81.4MHz对应的输出功率为基准,占空比设置为80%时,频率漂移1MHz则激光功率下降约150W。激光功率随频率变化趋势与理论结果一致。结果表明,射频频率变化引起的阻抗匹配问题是导致输出功率波动的主要原因,可以通过改进匹配网络来克服射频频率的波动对激光器性能的影响。
2016, 40(4): 571-575.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.024
摘要:
为了验证饱和吸收体参量对被动锁模掺铥光纤激光器的输出特性的影响,基于耦合Ginzburg-Landau方程进行了数值研究,阐明了掺铥锁模光纤激光器在高调制深度饱和吸收体调制下的时域和频域特性。结果表明,优化选择的高调制深度可饱和吸收体可以有效缩短脉宽,减小时间带宽积。此研究结果对发展稳定、超快中红外超快激光具有指导意义。
为了验证饱和吸收体参量对被动锁模掺铥光纤激光器的输出特性的影响,基于耦合Ginzburg-Landau方程进行了数值研究,阐明了掺铥锁模光纤激光器在高调制深度饱和吸收体调制下的时域和频域特性。结果表明,优化选择的高调制深度可饱和吸收体可以有效缩短脉宽,减小时间带宽积。此研究结果对发展稳定、超快中红外超快激光具有指导意义。
2016, 40(4): 610-614.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.04.032
摘要:
热效应是限制外腔面发射激光器(VECSEL)输出功率和光束质量的主要原因。为了优化VECSEL增益芯片有源区量子阱的设计,降低激光器的热效应,提高斜效率和输出功率,采用光致荧光谱方法,对设计波长980nm VECSEL自发辐射谱的热特性进行了实验研究。取得了不同热沉温度下边发射和面发射谱随温度的变化数据。结果表明,反映有源区量子阱自身特性的边发射谱峰值波长随温度升高的红移速率是0.5nm/K,而受到增益芯片多层结构调制的面发射谱峰值波长随温度升高的红移速率只有0.1nm/K;由于受到VECSEL增益芯片中微腔的限制,面发射谱分离为多个模式,分别与微腔的腔模对应。可见对量子阱的发射波长及微腔腔长做预偏置优化处理,可以显著改善激光器的输出性能。
热效应是限制外腔面发射激光器(VECSEL)输出功率和光束质量的主要原因。为了优化VECSEL增益芯片有源区量子阱的设计,降低激光器的热效应,提高斜效率和输出功率,采用光致荧光谱方法,对设计波长980nm VECSEL自发辐射谱的热特性进行了实验研究。取得了不同热沉温度下边发射和面发射谱随温度的变化数据。结果表明,反映有源区量子阱自身特性的边发射谱峰值波长随温度升高的红移速率是0.5nm/K,而受到增益芯片多层结构调制的面发射谱峰值波长随温度升高的红移速率只有0.1nm/K;由于受到VECSEL增益芯片中微腔的限制,面发射谱分离为多个模式,分别与微腔的腔模对应。可见对量子阱的发射波长及微腔腔长做预偏置优化处理,可以显著改善激光器的输出性能。
