“中国科学院上海光学精密机械研究所建所60周年”纪念专辑前言

2024年是中国科学院上海光学精密机械研究所建所60周年,值此之际,我们联合《中国激光》策划出版“中国科学院上海光学精密机械研究所建所60周年”纪念专辑,旨在全面介绍我所在光学及激光领域中的最新研究成果。中国科学院上海光学精密机械研究所始建于1964年。

基于邻域向量主成分分析图像增强的旁瓣弱光信号检测方法

针对基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量无法提取旁瓣图像更外围最小可测信号的问题,笔者提出了基于邻域向量主成分分析(NVPCA)图像增强的旁瓣弱光信号区域波峰参数检测方法。采取的主要优化措施为:首先,将旁瓣图像中的每个像素和它的8邻域像素看作一个列向量,构建一个9维数据立方体,选择主成分分析变换后的第1维数据为NVPCA图像;其次,通过角度变换转化检测对象,检测所有方向上一维旁瓣曲线的各个波峰参数,获得旁瓣弱光信号区域能量的量化分布;然后,搜索每个旁瓣波峰在所有方向上的极大值位置点,连接对应位置点生成每个旁瓣波峰的极大值圆环,计算各极大值圆环的灰度均值;最后,选择大于局域对比度方法(LCM)目标分离阈值且最小的极大值圆环的灰度均值作为整个旁瓣光束的最小可测信号。实验结果表明,采用基于NVPCA图像增强的旁瓣弱光信号检测方法能够从旁瓣图像的第5波峰环分离和提取最小可测信号,动态范围比值提升至原来的1.528倍,各旁瓣波峰参数满足精度要求,为未来大型激光装置强激光远场的精确测量奠定了基础。

ICF激光驱动装置用大尺寸激光薄膜元件

大尺寸高功率激光薄膜元件是我国神光系列等大型激光装置中的关键元件,常采用电子束蒸发技术,在高质量光学玻璃基底表面,通过交替沉积两种或多种材料制备而成。典型的高功率激光薄膜元件需具有特定的光谱性能以满足激光系统的光束传输需求,优良的力学性能以最小化波前畸变,高的激光损伤阈值以保障高功率激光装置的安全稳定运行。基于大尺寸高功率激光薄膜元件的关键性能,在调研国内外相关研究工作的基础上,重点介绍了近年来本实验室在大尺寸高功率激光薄膜的高精度膜层厚度和膜层应力控制、激光诱导薄膜损伤机理和激光薄膜损伤阈值提升技术等方面的主要研究进展,最后对该方向的研究进行了简要的总结与展望。

合肥红外自由电子激光光束线的设计与性能

红外光谱有着广泛的应用。合肥红外自由电子激光装置能够为用户提供高亮度的中/远红外辐射,为高水平的红外研究提供基础条件。自由电子激光和实验站之间需要用光束线连接起来,以便在完成红外辐射高效输送的同时进行聚焦、诊断等。本文介绍了合肥红外自由电子激光装置红外光束线的设计与性能,主要包括光束线的总体要求、设计方案和布局、光学设计、光斑演化、光束传输、激光的分束取样、激光宏脉冲的在线同步测量、激光光谱的在线同步测量等。调试结果表明,设计达到了预期指标,整个光束线可以稳定运行。

百纳秒脉宽单频大能量1064 nm激光器

报道了基于光纤-固体混合放大的百纳秒脉冲宽度单频大能量1064 nm激光光源的研究工作。采用1064 nm分布反馈(DFB)半导体激光器作为单频连续种子光光源,采用声光调制器将种子光整形为脉冲宽度约为149.0 ns的洛伦兹波形脉冲光,重复频率为60 Hz,经过级联的全保偏光纤放大器放大后,获得单脉冲能量约为2.1μJ、脉冲宽度约为216.7 ns的脉冲光输出。固体放大部分采用激光二极管(LD)端面抽运的Nd∶YVO4晶体作为高增益的前放大器进行双程放大,采用LD单侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为预放大器进行双程放大,采用两级LD双侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为功率放大器,最终获得了单脉冲能量为151.4 mJ、脉冲宽度约为267.8 ns的激光输出。采用光学外差法对输出脉冲激光的线宽进行了测试,线宽约为14.2 MHz。研究结果为星载相干测风激光雷达采用1.06μm的激光光源提供了新的技术路线。

集成透镜的多波段红外探测器组件封装技术

多光谱探测器的小型化和集成化已成为红外探测器的发展方向之一。针对多波段探测器集成低温光学透镜的特点,提出了一种集成透镜兼窗口的气密性封装组件结构。对同一组件多波段探测器不同焦面高精度光学配准、低形变滤光片支撑结构及防光学串扰、杂散光抑制等方面进行了研究。以某项目用短波红外组件为研究对象,通过3个10元探测器拼接后与3个波段滤光片和透镜低温配准、低形变多波段滤光片窄缝拼接结构设计、杂散光分析抑制等关键技术,实现了3波段探测器与滤光片拼接精度优于±5μm,透镜与探测器配准精度优于±15μm,滤光片低温形变小于0.9278μm,多波段间无明显光学串扰,并经受住1500 h长时间通电老练以及总均方根加速度为22.0 g的随机振动和60g的冲击加速度试验考核。解决了多波段探测器小型化和集成化封装中的高精度配准、低形变滤光片支撑、防光学串扰、杂散光抑制等一系列问题。该组件已成功应用于某项目用光谱成像仪中。

激光重熔高锰钢的超声滚压强化及磨损性能研究

由于冲击载荷引起的动态霍尔-佩奇效应,高锰钢具有优异的形变硬化特性。研究高锰钢的激光重熔非均匀显微组织凝固原理及对超声滚压硬化行为的影响具有重要意义。对Mn13钢板表面先后进行激光重熔处理和超声滚压强化,通过扫描电子显微镜、场发射电子探针显微分析仪和电子背散射衍射仪分析了激光重熔高锰钢的显微组织和凝固过程,通过维氏硬度计和摩擦磨损试验机研究了激光重熔高锰钢的非均匀组织对超声滚压硬化的影响。研究发现:由于激光重熔过程的高温度梯度和高冷却速度,凝固组织从上到下依次为较薄的等轴树枝晶和垂直于结合面生长的柱状树枝晶,枝晶间为小角度晶界,且存在Mn元素的偏析;激光重熔高锰钢的非均匀组织在超声滚压下具有孪生硬化行为,表面硬度和耐磨性均有较大程度的提高。因此,激光重熔技术在高锰钢的表面处理领域具有潜在的应用前景。

基于太赫兹光谱数据融合实现多组分橡胶添加剂的定量检测

橡胶添加剂含量是判断橡胶质量好坏的一个重要标志。现有的检测方法不能满足橡胶中添加剂快速、准确、无损的检测需求,而且当检测对象为多组分混合物时,混合物的吸收光谱会出现重叠和失真现象,从而导致预测结果不准确。针对此问题,本文提出了一种基于太赫兹时域光谱结合化学计量学方法、数据融合的定量分析方法。以丁腈橡胶、白炭黑、氧化锌、防老剂H和防老剂MB制成五组分混合物并将其作为实验样品,利用太赫兹时域光谱系统获取并计算了五组分混合物在0.3~1.6 THz范围内的吸收光谱,然后通过求一阶导数的方式获得样品的导数光谱数据。低层数据融合直接将吸收光谱数据与导数光谱融合;中层数据融合将蒙特卡罗无信息变量消除法和连续投影算法进行特征提取后的变量进行融合;高层数据融合使用多元线性回归法进行融合。基于蒙特卡罗无信息变量消除法的中层数据融合的预测精度高于单一光谱的预测精度,而且预测性能最好。研究结果表明,太赫兹光谱结合支持向量回归、数据融合的方法可以实现多组分混合物中防老剂MB的快速、准确、无损检测,对于促进橡胶工业的快速发展具有十分重要的意义。

基于激光雷达和微波辐射计的气溶胶质量浓度反演算法研究与分析

大气气溶胶是重要的大气污染物之一,气溶胶质量浓度的垂直分布及其与气象要素的相互影响,对理解大气污染传输具有重要意义。激光雷达因具有高时空分辨率的探测优势而成为研究气溶胶颗粒物立体分布的有力工具。本文利用深圳米散射激光雷达、微波辐射计和近地面气溶胶质量浓度监测仪,根据均方差选取最优参数,建立基于消光系数的温湿融合PM_(2.5)质量浓度反演模型,并以深圳气象梯度观测塔4个高度的PM_(2.5)质量浓度小时均值为基准,对模拟结果进行了验证分析。结果显示:模拟值与观测值两者的变化趋势一致性较好,相关系数受模拟高度、相对湿度影响,并进行了晴天、多云天气下的比对,深圳气象梯度观测塔上4个高度的模拟值和实测值相关系数均大于0.68,平均绝对误差和均方根误差最大值分别为6.88μg/m^(3)和18.56μg/m^(3)。比较4个季节的模拟效果发现,冬季的模拟结果准确性要低于其他三个季节。最后通过个例分析,结合地面温度、相对湿度、风场和气压场,分析了深圳夏季颗粒物质量浓度的时空分布特征。

微柱镜面周期性纹理结构衍射杂散光研究

为分析车床加工百微米级口径微柱透镜时遗留周期性刀纹产生的杂散光影响,构建了周期结构模型,分析了表面周期性纹理结构对衍射杂散光的影响。利用傅里叶光学理论建立了该结构的衍射理论模型,计算了在不同深度下的衍射光场强度分布规律,所获得的理论结果与商业光学软件VirtualLab的物理光学仿真和实验测试结果基本一致,实现了对理论模型的理论与实验验证,为进一步解决该类光学器件中周期性加工刀纹产生的衍射杂散光问题提供了理论依据,对微柱透镜的高精度加工具有指导意义。

基于深度学习的三维点云处理方法研究进展

随着传感器技术的不断发展,三维点云被广泛应用于自动驾驶、机器人、遥感、文物修复、增强现实、虚拟现实等领域的视觉任务中。然而,直接应用收集到的海量原始点云数据得到的效果不佳,因此,基于深度学习的点云处理方法受到了越来越多的关注和研究。本文综述了近6年来基于深度学习的三维点云处理方法的研究进展。首先给出了三维点云的基本概念和获取方式,简述了4种点云处理任务;然后针对点云去噪和滤波、点云压缩、点云超分辨率以及点云修复-补全-重建任务,重点阐述了相应的深度学习方法的原理,并分析了其优缺点;随后介绍了22种点云数据集和4类评价指标,同时给出了性能对比结果;最后探讨了点云处理方法目前存在的问题,并对未来的研究趋势进行了展望。

激光加工碳纤维增强复合材料及其在航空航天领域应用(特邀)

碳纤维增强复合材料(CFRP)以其轻质高强、可设计性强等优势已成为航空航天领域不可或缺的关键材料之一。为满足制造装备的要求,需对一体成型的CFRP构件进行二次加工,然而CFRP非均质、各向异性、层合结构等特征使其在加工过程中易出现分层、毛刺、热影响区较大等缺陷。概述了CFRP各种加工方法的研究进展,对比分析了CFRP不同加工方法的优缺点,从方法、工艺及机理层面介绍了激光加工CFRP的研究现状,总结了CFRP在航空航天领域中的应用,分析讨论了CFRP激光加工当前面临的挑战和今后的研究重点。

光纤激光相干合成的研究历程与发展趋势:基于文献引用的视角(特邀)

从文献引用的视角全面回顾总结了光纤激光相干合成二十余年的研究历程。按照学术发展初期、学术高速发展期、学术发展平缓期和技术发展关键期等4个阶段,分别介绍了光纤激光相干合成的代表性成果,分析并总结了学术水平和影响力较为突出的文献,梳理了光纤激光相干合成从概念提出到实际应用的演进脉络,研判了未来发展趋势。

超构表面:设计原理与应用挑战(特邀)

作为一种二维形式的超构材料,超构表面允许以前所未有的自由度对光的振幅、相位、偏振等维度进行灵活高效的调控,有望突破传统光学的限制,实现低成本、高性能、超轻超薄、功能新颖的新型光学元件,近年来引起了学术界和产业界越来越浓厚的研究兴趣。从物理机理、相位调控到正向设计方法,系统回顾了超构表面的设计原理。介绍了这些机理如何用于实现丰富的应用,包括功能复用、宽带宽、大视场、多层级联、非局域超构表面等,涵盖了最主要和最新的发展方向。最后,讨论了超构表面在走向实用化的道路上所面临的器件设计和加工制造上的挑战,并对领域未来的发展进行展望。

激光等离子体爆轰波血栓推进机理的数值模拟研究

水下激光等离子体爆轰波能够作用于微球表面产生推力进而推动微球运动。本课题组依据水下激光等离子体爆轰波的作用机理,提出了激光等离子体爆轰波定点清除血栓的方法。以血液为介质建立血管血栓模型,采用光纤激光器作为动力,进行激光等离子体爆轰波血栓推进的机理研究及数值模拟。结果显示:激光等离子体爆轰波对血栓表面有一定大小的强推力作用,能量为20μJ的激光对直径为2 mm的下肢静脉血栓表面的峰值推力可以达到1.0 N,而且峰值推力的大小取决于激光能量以及血栓的尺寸和形状。水下光纤激光等离子体推进微球和团簇实验进一步证明了激光等离子体爆轰波定点清除血栓和打散团簇的可行性,为聚集型血栓团簇的定点清除提供了一种可行方法。

难熔高熵合金激光增材制造的发展:材料性能与制造工艺调控技术(特邀)

难熔高熵合金具有超越传统合金的优异性能,强度和硬度更高,高温性能和耐蚀性更优异,在航空航天、核工程、武器装备等领域具有广阔的应用前景。难熔高熵合金发展面临着两个难点:常规真空电弧熔炼方法制备的难熔高熵合金存在成分偏析严重、研发周期冗长、材料尺寸受限等难题;难熔高熵合金的硬度很高,难以实现复杂结构的成形和加工。因此,现有的冶金、成形、加工等技术面临挑战。通过激光增材制造实现材料与结构一体化成形是突破现有问题的发展方向,国内外学者在此方面进行了大量探索。本文对难熔高熵合金激光增材制造的发展现状进行了综述与分析,介绍了难熔高熵合金复杂构件从材料到制造的研究进展,阐述了高熵合金的研发途径、增材成形工艺和缺陷调控、难熔高熵合金在不同温度下的力学性能,以及增材制造工艺面临的挑战和取得的进展,最后总结了难熔高熵合金增材制造未来的应用方向和发展趋势。

16.4 W中红外3.5μm掺铒氟化物光纤激光器

3.5μm波段的中红外激光光源作为光谱分析、生物医疗以及红外对抗等应用领域的重要工具近年来备受关注。自2014年“0.98μm+1.97μm”双波长泵浦方案提出以来[1],基于掺铒氟化物光纤的3.5μm波段光纤激光器功率水平得到快速提升,2022年,加拿大拉瓦尔大学研究团队创造了14.9 W的3.5μm光纤激光功率纪录[2]。然而,由于激光上能级存在针对1.97μm泵浦光的严重的激发态吸收(4F9/2→4F7/2)过程,高泵浦功率下3.5μm激光表现出功率猝灭现象。通常需要采用较高的0.98μm泵浦占比来抑制激光功率的猝灭,这导致3.5μm激光的总光光效率较低,往往小于20%,在高功率下面临着严重的热损伤风险。针对这一问题,本团队于2023年提出了1990 nm长波泵浦方案。该方案通过平衡虚拟基态吸收和激发态吸收过程来抑制激光猝灭,实现了功率为7.2 W、光光效率为26%的3.5μm激光输出[3]。

基于卷积神经网络智能识别吸收峰的激光稳频方法

针对饱和吸收光谱激光稳频技术中多吸收峰难以自动识别、误差信号灵敏度低的问题,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)智能识别铷原子吸收峰的激光频率锁定方法。首先设计了大、小卷积核相结合的5个卷积-Re LU-最大池化模块+两层全连接层的一维卷积神经网络;然后对激光器进行线性扫频,获得了包含24个饱和吸收峰的铷原子的饱和吸收光谱信号S_(sa)(t),提取每个吸收峰的位置序号,将其与饱和吸收光谱信号作为卷积神经网络训练的标签和数据,利用训练后的卷积神经网络实现吸收峰的智能识别;最后采用正交解调技术精确提取饱和吸收光谱信号的相位,使本振信号相位与其自动匹配,提高误差信号的灵敏度。设计了基于上位机卷积神经网络智能寻峰+现场可编程门阵列(FPGA)实时信号处理的激光频率锁定系统,锁定后的激光频率与光频梳拍频结果表明:在7500 s内,激光频率波动标准差为7.94 k Hz;平均时间为64 s时,相对Allan方差为3.50×10^(-12)。所提出的方法可被广泛应用于饱和吸收光谱激光稳频领域。

样品温度对飞秒激光诱导Al等离子体中AlO光谱的影响

针对飞秒脉冲激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)中Al靶温度对AlO分子光谱的影响进行了实验研究。通过测量AlO分子的光谱强度和振动温度,发现Al靶温度对fs-LIBS技术中AlO分子的光谱特性有显著的影响。研究结果表明,提高靶材温度能有效增强fs-LIBS中AlO分子的光谱信号强度,并提高分子的振动温度和寿命。此外,时间分辨光谱分析结果还揭示出在高Al靶温度条件下,AlO分子的辐射寿命较长,光谱信号强度较强。这意味着在高温下,分子能够停留更长的时间,增加了光谱信号的持续时间。通过调控飞秒激光能量和靶材温度,可以获得更强的分子发射和光谱信号,从而实现更高的灵敏度和准确性。研究结果为fs-LIBS技术中样品温度对分子光谱的调控机制研究提供了实验数据。

高能皮秒拍瓦激光研究进展、技术挑战及发展趋势

兼具高峰值功率和高脉冲能量两大特征的皮秒拍瓦激光与物质相互作用的物理效果跟脉冲信噪比、聚焦功率密度和时空调控精度等关键因素直接相关。深入研究了这三大因素相应的受限机制、关键技术以及神光II升级装置中皮秒拍瓦激光等典型代表的最新技术进展,对于提升拍瓦激光性能具有指导作用。针对皮秒拍瓦激光的负载受限问题,从元器件损伤阈值、光场退化和洁净控制等方面进行了分析,并综述了基于等离子体光学的脉冲放大及压缩技术在突破高功率激光负载瓶颈的新研究动向。此外,皮秒拍瓦激光要从实验室走向更广泛的应用,还需要持续推进高效高能重复频率皮秒拍瓦激光的技术攻关。