红外调制光致发光光谱技术:从宽波段覆盖到微区高通量测量

光致发光光谱能够揭示半导体材料带隙、杂质能级等电子结构信息,还可以分析界面、载流子寿命、量子效率,在紫外-近红外波段得到广泛应用.在约4μm以长红外波段,由于热背景干扰强、光致发光信号弱、探测能力低,光致发光光谱研究长期受限.本文介绍了利用傅里叶变换光谱仪测量光致发光光谱的常规方法,简述了为突破红外波段困境于1989年提出、历经20多年发展的连续扫描傅里叶变换双调制光致发光光谱方法及所受机理局限;分析了2006年报道的基于步进扫描傅里叶变换光谱仪的红外调制光致发光光谱方法的抗干扰、灵敏度、信噪比优势,列举了国际上诸多研究组对红外调制光致发光光谱方法有效性的例证和以此取得的应用研究进展;总结了近年来宽波段、高通量扫描成像和空间微区分辨红外调制光致发光光谱测试方法发展以及从0.56-20μm可见-远红外宽波段覆盖到千级通道光谱高通量检测、2-3μm微区分辨红外调制光致发光光谱技术进步,列举了应用研究稀氮/稀铋量子阱、HgCdTe外延膜、InAs/GaSb超晶格等可见-远红外半导体材料阶段结果和合作研究典型进展.本文展现了红外调制光致发光光谱方法先进性和宽波段、高通量扫描成像与空间微区分辨光谱测试方法有效性,预见了未来进一步应用研究方向.

基于物联网和弱反射光栅阵列的地质灾害监测系统设计与应用

我国是世界上地质灾害类型最多、地质灾害最严重的国家之一,而雨量监测和形变监测在地质灾害监测中发挥着越来越重要的作用,因此确保地质灾害监测系统的长期运行以及在降雨期间的稳定运行尤为重要。文中基于STM32微控制器、LORA模块、4G模块设计了一款物联网数据采集控制板,并结合压电式雨量传感器、拉绳位移传感器研制了雨量智能监测仪、裂缝位移智能监测仪;结合物联网数据采集控制板和弱反射光栅阵列传感技术构建了基于物联网的弱反射光栅地质灾害监测系统,实现了对地质灾害体的定时监测和降雨期间的自动监测;最后将雨量智能监测仪、裂缝位移智能监测仪和弱反射光栅地质灾害监测系统应用于桐梓县大河镇新场火车站新场滑坡、崩塌的监测实验中。监测数据表明,弱反射光栅监测系统测得传感光缆41#弱反射光栅传感段的位移变化达5 mm,在其附近的位移监测仪也测到有位移变化,可有效实现对地质灾害的定时监测和降雨期间的自动监测。

基于注意力机制的高光谱图像降维在纸质文物霉斑识别的研究

纸质文物作为文物传承的重要工具,用于记录不同时期人类历史及人文风貌,其在保存过程中极易受到霉菌等微生物的侵害。霉菌会加速纤维素的降解,在纸张表面生成霉斑,并且散落的孢子会随空气流动大范围传播,增加其他纸质文物发生霉变的风险。因此,定期对纸质文物进行霉斑检测对了解纸质文物现状和纸质文物修复至关重要。高光谱成像技术是一种非接触性、非破坏性的检测技术,能同时获得空间数据和光谱数据,与计算机技术结合可以实现纸质文物的大批次实时无损检测。针对黑曲霉这一广泛出现的霉菌,提出一种基于注意力机制的高光谱数据降维方法,通过采集其高光谱数据,实现了高光谱冗余数据的自适应预处理。采集了来自重庆中国三峡博物馆提供的20份纸质文物黑曲霉霉斑样本,使用ENVI软件分析得出在413~855 nm波段范围内,黑曲霉霉斑感染区域和健康区域的平均光谱曲线,平均反射率差异明显;在855~1021 nm波段范围内,黑曲霉霉斑感染区域和墨迹区域的平均光谱曲线,平均反射率差异明显。文中将所提出方法与传统主成分分析和独立成分分析预处理方法分别处理原始高光谱数据,并将结果在经典U-Net、SegNet、DeepLabV3+和PSPNet四个语义分割网络上进行了对比。结果表明,该算法预处理的数据在U-Net和SegNet经典网络中有明显优势,相较于主成分分析法和独立成分分析法,霉斑识别精度取得了较大提升达到89.49%和88.46%,验证了本文所提出算法的有效性,为文物保护领域提供有效的支撑和新的思路。

介质微球超分辨光学成像:原理、技术与应用

光学显微技术在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域扮演着至关重要的角色,为微纳尺度的探索提供了强大的工具。然而,传统光学显微系统受到衍射极限的制约,最大分辨率极限约为光波长的一半(λ/2)。近年来,突破衍射极限、实现更高成像分辨率成为显微成像领域的研究热点。介质微球透镜通过调控光场,能够将入射光束聚焦于微球底部的极窄区域形成光子纳米射流,打破了阿贝(Abbe)衍射极限,使出射光束半峰全宽小于λ/2。与其他超分辨成像技术相比,微球超分辨成像具有简单直接、无须荧光染料标记、实时成像、可与现有显微系统相兼容等优势,为学术研究和实际应用开辟了新的机遇。该综述首先介绍了介质微球超分辨光学成像原理;随后,详细分析了影响微球超分辨光学成像能力的关键因素,包括微球光学性质、适用环境以及可控性等;最后,探讨了微球超分辨光学成像技术在生物医学、半导体器件、纳米材料科学领域中的应用。此外,还展望了微球超分辨光学成像技术未来发展面临的主要挑战。

高通量激光装置真空系统洁净度控制

在高通量激光装置真空系统运行过程中,泵组润滑油在真空环境下产生的分子污染可能扩散沉积在光学系统元件表面,在高通量激光辐照下诱导损伤,降低光学元件负载能力。针对真空系统洁净度控制开展研究,构建了包括真空泵组优化、增加低温冷阱吸附、增加冷阱在线加热再生工艺的真空系统洁净度控制方法。实验研究结果表明:真空系统经过120 h连续运行后,平均24 h非挥发性残留物表面沉积量维持在2.86×10^(-9)g/cm^(2)洁净水平,熔石英光学试片考核组和对照组在350 nm处的透过率以及12.3 J/cm^(2)通量以下的损伤密度曲线基本一致,证明了该方法的有效性。

利用匹配滤波的调频连续波激光测距技术研究

基于差频解算的调频连续波激光测距技术存在测量距离短、易受噪声干扰、受非线性调频影响大的问题。为了在相同机制条件下解决此问题,提出了基于匹配滤波的调频连续波激光测距方法,改进相干探测光路,加入信号反转单元和信号共轭单元,将混频器换成卷积器,同时满足系统响应与发射波形匹配,并进行了相关仿真实验。结果表明,相比差频解算方法,匹配滤波方法可实现两倍于差频解算方法的测距范围,信噪比提高了9.5 dB,在非线性调频误差为19.8 MHz、198 MHz和396 MHz条件下均能得到较高分辨率的距离谱,表现出较好的抵抗非线性调频的能力。此研究可为该领域的科研工作者提供技术指导和新的思路。

面向精密实验的飞秒激光精密加工技术研究进展

飞秒激光精密加工技术具备极短脉冲宽度避免或缓解热效应、极高峰值功率密度适用于任意固体材料、极小焦斑尺寸实现微区精准去除或改性等三个方面的特性,满足精密诊断/测量实验涉及的各类难加工及特种材料的安全精密加工需求。高稳定性高重复频率飞秒激光器的应用,弥补了低重复频率飞秒激光难以实现高速扫描的不足,这为精密实验所需各类精密样品/样件的高效精密加工提供了重要能量源。以中国工程物理研究院各研究所精密实验对精密样品的安全高效精密加工需求为切入点,分别以激光X射线精密靶材及结构、炸药材料微结构、超硬材料复合折射透镜结构、微型探头光纤精密固定结构、太赫兹滤波器核心结构等典型应用场景为例,介绍了高重频飞秒激光精密加工技术在难加工材料和特种材料安全高效精密加工方面的研究进展。

一种评价磁流变抛光工艺误差抑制能力的方法

为了分析磁流变加工过程中去除函数对加工精度的影响以及去除函数的抗中频误差性能,采用平滑谱方法对加工中误差抑制能力进行了评估。通过非球面光学元件对平滑谱方法及传统功率谱方法进行了理论分析、仿真实验及实验验证,采用平滑谱方法及传统功率谱方法分析了去除函数对非球面光学元件的面形误差和中频误差的抑制能力。结果表明,平滑谱方法对加工中误差抑制能力即去除函数可修正的面形误差值为0.22 mm-1;平滑谱函数可直观地判断去除函数对面形误差和中频误差的抑制能力,并可明确地定量化判断中频误差的变化规律。此方法为磁流变加工中误差抑制能力的评估问题提供了一种解决方案。

基于种子脉冲预整形的130μJ线偏振单频12μm纤芯铒镱共掺光纤激光器

报道了基于种子脉冲预整形实现的百微焦1550 nm线偏振脉冲单频光纤激光器.通过设计三角形脉冲种子波形,优化其前沿上升趋势及低强度持续时间,缓解脉冲激光在放大过程中因增益饱和效应引起的脉冲宽度压缩、激光峰值功率快速增长问题,实现高能量脉冲单频激光放大.实验中基于优化设计的脉冲种子波形,在纤芯直径为12μm的铒镱共掺光纤中,实现了脉冲宽度608 ns、能量130μJ、光谱线宽542 kHz的1550 nm线偏振脉冲单频激光输出.

钬、铥激光作用于软组织热效应的实验研究

为了提高激光手术效率和减少激光手术中对周围健康组织的损伤,探究了脉冲钬激光脉冲峰值功率、连续铥激光功率对于软组织热效应的影响。搭建体外模型装置来寻求激光消融组织的最佳参数,实验中脉冲钬激光功率分别为20W、40W、60W、80W,脉冲持续时间为200μs和800μs,脉冲能量分别选择1J、2J、4J。连续铥激光功率分别为20W、40W、60W、80W、100W、110W。最后,将体外模型置于生理盐水中,保持室温一定,对激光消融后的损伤组织进行切片和染色,分析病理切片。脉冲峰值功率对软组织的消融区产生较大影响,脉冲能量为4J×10Hz的激光组合比1J×40Hz的激光组合产生的消融深度提高111.82%,对凝固区的影响不大,改变仅为9.96%。脉冲持续时间对软组织的影响不大,脉宽较短产生的消融深度提高18.49%。组织消融深度随连续铥激光的功率提高而提高,消融效率也相应提高,热凝固区几乎不受影响。100W的消融效率比20W提高88.26%。

结合光学反馈以及光学锁相环的量子级联激光器线宽压窄和频率控制技术研究

中红外波段缺乏窄线宽、可精确调谐的激光源,限制了中红外精密光谱的发展.本文介绍了一种结合强光学反馈和光学锁相环技术的量子级联激光器(QCL)频率控制技术,通过强光学反馈先抑制QCL频率噪声中的高频成分,再使用光学锁相环将激光频率偏频锁定到另外一个超稳中红外激光源上.通过相位超前电路拓展锁定带宽,系统锁定后,将功率谱中心窄拍频信号提高66 dBm,低频区域相位噪声抑制到-81 dBc/Hz@2 kHz,高频区域相位噪声抑制到101 dBc/Hz@2 MHz,激光器线宽从3.8 MHz被压窄到3 Hz.最终,利用该激光器进行腔衰荡光谱信号的测量,相较于未锁定激光,信号的信噪比提升了5倍.

基于掺镱棒状光纤的高功率大能量四路相干合成飞秒激光系统

高平均功率(>500 W)、大脉冲能量(>1 mJ)飞秒光纤激光对包括阿秒光学在内的众多科研领域极为重要.受限于增益光纤较小的模场面积,多种非线性效应将从单根增益光纤放大产生的飞秒脉冲的能量限制在百微焦量级.平均功率和脉冲能量的进一步提升需要使用相干合成技术,将多路光纤的输出合成为一束.本文搭建了一套基于填充孔径相干合成的高功率大能量超快光纤激光系统,采用商用掺镱棒状光纤并利用随机并行梯度下降法实现四路放大器之间的相位锁定.在重复频率为1 MHz时,该相干合成系统输出平均功率为753 W,经过光栅对压缩后的平均功率为672 W,脉冲宽度为242 fs,对应的脉冲能量为0.67 mJ,系统具备良好的稳定性.降低重复频率至500 kHz,该系统输出压缩后的脉冲平均功率为534 W,脉冲宽度为247 fs,对应脉冲能量可达1.07 mJ.脉冲的平均功率和能量均可通过增加合成路数进一步提升,通过添加已着手研发的延迟和指向锁定系统,有望通过八路相干合成实现平均功率超过1 kW、脉冲能量超过2 mJ的飞秒脉冲输出.

集成毫米波通信和光通信的光电一体化天线设计

相对射频通信,光通信能够保持更高的传输速率和更可靠的信道模式。然而光通信技术也存在一些问题,如视距问题,即当在发送端与接收端有障碍物的情况下,光通信无法正常进行。针对上述问题,设计了一款能够同时进行毫米波通信和光通信的光电集成天线。当光通信无法正常工作时,毫米波天线可以工作,从而弥补了光通信存在的视距缺陷。设计中使用的主要材料是K9玻璃。利用K9玻璃在不同频段内的不同物理特性,通过设计合适的透镜形状,并对透镜进行放缩,以确保K9玻璃能够在毫米波通信频段和光通信频段实现不同形式的通信工作。K9玻璃作为介质谐振器时,实现的是毫米波通信;其作为透镜时,能对光波束进行聚焦,可实现光通信。毫米波天线采用共面波导馈电,通过开槽技术将贴片式的LED光源放置在介质谐振器正中心下方。该光电一体化天线将光波通信系统和毫米波通信系统集成在一块金属铝板上,能同时进行两种通信,且两种通信模式互不干扰。仿真结果表明,毫米波天线的工作频率在32.5~33.4GHz之间,频带内的增益稳定,单个介质谐振器的峰值增益能够达到5.4dBi。在加入透镜以后接收端的光功率得到明显提高,从而提高了光通信的传输速率。

小型磁阻式快速反射镜研究

为了满足约束空间下的15 mm口径快速反射镜需求,对磁阻式电磁驱动进行了理论分析和建模仿真,分析了电磁驱动中线圈、永磁体参数、气隙,磁芯及导磁体等参数对驱动力矩的影响;根据仿真优化结果设计了快速反射镜样机,并进行了实验测试。结果表明,快速反射镜外形尺寸为24.0 mm×33.5 mm,转角范围为2维±1°,工作带宽大于350 Hz,主体重量79 g,口径15.0 mm,平均功耗7.36 W;快速反射镜样机体积小、重量轻、转角范围大,可应用于约束空间下的光束指向。此研究结果有助于推广小型磁阻式快速反射镜在空间或负载重量约束较高的场合进行应用。

基于高低温循环退火方法的硅基碲镉汞位错抑制研究

高低温循环退火是降低碲镉汞(HgCdTe)材料位错密度的有效策略之一,被广泛用于提升HgCdTe质量。使用离位的高低温循环退火工艺对硅基HgCdTe材料进行热处理,并通过设计正交试验研究退火条件对HgCdTe材料的影响。在温度区间250~450℃、升温时间5 min、循环12次的条件下获得最佳退火效果。采用统计位错密度的方法对比退火前后HgCdTe材料的位错变化。与未退火的HgCdTe相比,退火后的HgCdTe位错密度降低了80%左右,为1×10^(6)~2×10^(6)cm^(-2)。X射线摇摆曲线测试结果表明,退火后硅基HgCdTe的半峰宽可降至75~80 arcsec。本研究综合提升了硅基HgCdTe的质量,为焦平面器件的研发提供了高质量的材料基础。

基于MOPA结构1064nm单频脉冲全光纤激光器的设计与分析

高功率的脉冲全光纤激光器因光束质量高、结构紧凑、易维护等特点应用广泛。此研究设计并搭建了一种基于MOPA结构的1064 nm单频脉冲全光纤激光器。在实验室环境下详细地调试、检测了该激光器的性能(平均光功率、脉冲宽度、峰值功率及光谱),探讨了调试过程中出现的SBS,并相应地分析了可行的抑制措施。试验结果显示所设计激光器输出平均光功率最高202.2 mW、脉冲宽度2.08 ns,峰值功率达19.4 kW。此MOPA结构实现了1064 nm种子信号光接近10万倍级的放大,证明了该结构光纤激光系统的有效性,为其进一步实用化的研究奠定了基础。

基于镜像T矩阵法的楔形波导中有限长圆柱声散射研究

针对楔形波导中两端带球帽的有限长圆柱声散射问题,提出了一种镜像T矩阵法进行求解。该方法是一种半解析方法,能够根据镜像原理将楔形波导中点声源入射下有限长圆柱声散射等效为无界域中多点源入射下多目标声散射问题,再结合球谐函数的平移加法定理和旋转加法定理获得楔形波导中有限长圆柱的转换矩阵(T矩阵),即可计算出楔形波导中有限长圆柱声散射半解析解。通过数值计算研究了点声源相对位置、有限长圆柱的空间姿态、浸没深度和波导倾角对楔形波导中有限长圆柱背向散射以及散射声场空间分布的影响。该工作可推广至浅海波导中多目标声散射问题研究。

基于深度强化学习的工业物联网路由优化方法

常规的工业物联网路由优化协议多以独立形式设定,链路利用率大幅度降低,为此提出了基于深度强化学习的工业物联网路由优化方法。根据当前的路由优化需求,先进行实时监测节点部署及路由运行数据采集,采用多阶的方式扩大覆盖范围,制定多阶路由协议,后以此为基础,构建工业物联网路由优化模型,采用离散化辅助处理实现路由优化。最终测试结果表明:应用所提方法,最终得出的链路利用率提升比均可以达到5.5以上,所设计方法的针对性更强,应用效果更佳。

Effect of Bi/Si Ratio of BiBSi Glass on Its Structure, Properties and Laser Sealing Shear Strength for Vacuum Glazing

The low-melting glass of Bi2O_(3)-B2O_(3)-SiO_(2)(BiBSi)system was used for the first time for laser sealing of vacuum glazing.Under the condition of constant boron content,how the structure and properties vary with Bi/Si ratio in low-melting glass was investigated.In addition,the relationships between laser power,low-melting glass solder with different Bi/Si ratios and laser sealing shear strength were revealed.The results show that a decrease in the Bi/Si ratio can cause a contraction of the glass network of the low-melting glass,leading to an increase of its characteristic temperature and a decrease of its coefficient of thermal expansion.During laser sealing,the copper ions in the low-melting glass play an endothermic role.A change in the Bi/Si ratio will affect the valence state transition of the copper ions in the low-melting glass.The absorbance of the low-melting glass does not follow the expected correlation with the Bi/Si ratio,but shows a linear correlation with the content of divalent copper ions.The greater the concentration of divalent copper ions,the greater the absorbance of the low-melting glass,and the lower the laser power required for laser sealing.The shear strength of the low melting glass solder after laser sealing was tested,and it was found that the maximum shear strength of Z1 glass sample was the highest up to 2.67 MPa.

端面抽运窄脉宽高转化率全固态532nm激光器

为了得到高转化率与窄脉宽的绿光激光器,利用两个最大功率为80 W、中心波长为878 nm、线宽1 nm的激光二极管抽运源,端面抽运两个Nd∶YVO 4晶体,经过光阑选模和声光Q晶体调制后,利用三硼酸锂晶体将1064 nm基频光倍频后导出腔外,整体采用平凸非稳腔方式控制晶体热透镜效应,得到了在工作模式下稳定输出的532 nm绿光激光器。结果表明,当重复频率为100 kHz、两个抽运模块抽运功率都为70 W时,激光器的输出功率为36.7 W,脉宽7.3 ns,光光转化效率约为26.2%,光斑圆度大于90%且焦点光斑圆度大于97%,在80 kHz~200 kHz工作条件下,脉冲抖动小于2%,该参数绿光激光器在进行玻璃钻孔工艺时,崩边在100μm范围内,优于同类型激光器。该研究对于改善纳秒激光器产品工艺效果、拓展产品应用范围是有帮助的。