强激光用非线性光学晶体研究进展(特邀)

以磷酸二氢钾(KDP)/磷酸二氘钾(DKDP)、三硼酸锂(LBO)、硼酸氧钙钇(YCOB)和硅酸镓镧族铌酸镓镧(LGN)为代表的非线性光学晶体已经在紫外到中红外的系列激光技术中获得了重要应用,长期受到国内外同行的广泛关注,其品质的提升和口径的扩大成为了当前国际竞争的焦点。着眼于强激光的重要需求,综述了KDP/DKDP、LBO、YCOB和LGN等重要非线性光学晶体的研究现状,介绍了其在大尺寸单晶生长及非线性光学性能等方面的研究进展,分析其在强激光非线性光学领域的应用前景。最后讨论了强激光用非线性光学晶体可能的发展方向和重点。

基于改进PointPillars的激光雷达三维目标检测

针对目前基于点云的三维目标检测算法中小目标检测效果差的问题,提出了基于改进PointPillars模型的三维目标检测方法。首先,改进了PointPillars模型中的pillar特征网络,提出了一个新的pillar编码模块,在编码网络中引入了平均池化和注意力池化,充分考虑了每个pillar模块的局部详细几何信息,提高了每个pillar模块的特征表示能力,从而提升了模型的小目标检测性能。其次,基于ConvNeXt改进了骨干网络中的二维卷积下采样模块,使模型在网络特征提取阶段能够提取丰富的上下文语义信息和全局特征,从而增强了算法的特征提取能力。在公开数据集KITTI上进行验证,实验结果表明,所提方法具有更高的检测精度,相较于原网络,改进后的算法的平均检测精度提升了3.63个百分点,证明了该方法的有效性。

太赫兹计算层析成像研究进展(特邀)

太赫兹波作为一种穿透性强、具有非电离性和惧水性的电磁波,可以穿透多种非金属、非极性介质材料。太赫兹计算层析成像技术基于傅里叶中心切片定理和直线传播模型,通过记录不同投影角度下的强度数据,采用滤波反投影等重建算法获得样品三维吸收系数分布和内外部结构信息分布。随着太赫兹成像器件的不断发展和应用场景的拓展,已发展出多种照明模式、成像光路和重建算法,并已在文物保护、骨密度测量和无损检测领域开展了应用探索。概述太赫兹计算层析技术的基本原理,并从提高重建质量、分辨率和采集效率三方面具体介绍太赫兹计算层析成像技术的最新研究。

基于区域立体匹配的单频条纹结构光三维测量

为克服传统质量导向相位展开方法无法正确展开多孤立物体的局限性,提出一种基于区域分割的立体质量导向相位展开方法。该方法将包裹相位分割为多个区域,并为每个孤立区域通过立体匹配算法确立左右相机多视图相位展开初始点,通过质量导向相位展开算法实现多视图孤立物体相位展开。进一步提出了基于区域双目立体展开相位匹配的单频条纹结构光三维(3D)测量,实现了单个频率包裹相位下的多孤立物体3D重建。实验结果表明,所提方法可以实现多孤立物体运动状态的3D重建,在四步相移和单幅条纹图条件下重建标准球的直径平均绝对值偏差分别为0.0135 mm和0.0347 mm。

超快激光在铌酸锂内部诱导微纳光子结构研究进展(特邀)

铌酸锂晶体(LN)凭借优异的光学特性,已经成为构建新一代集成光电器件和光学系统的关键性基础材料。基于强场-物质相互作用的超快激光选择性材料修饰技术使得在三维空间中按需创建LN基功能化微结构成为可能,为探索LN光子学、发展LN先进加工技术、构建集成光子器件和光学系统提供了有力的工具。本文聚焦近年来国内外研究团队所取得的重要进展,从超快激光修饰LN基本原理出发,重点介绍了超快激光在LN内部诱导微纳光子结构的新现象、新机制和新应用,包括超快激光直写光波导、制备非线性光子晶体、操控铁电畴、多维光存储等前沿领域的最新成果。最后,对超快激光赋能LN光子学进行了展望。

《激光与光电子学进展》——我国激光技术发展的功臣

《激光与光电子学进展》,其前身相继是《光学机械情报》、《光受激发射情报》、《激光情报》、《国外激光》的学术类期刊,是我国激光、光电子领域的第一本科技期刊,其创办时间最早、读者面广泛、影响力大,也是广大从事激光技术研究和应用的技术人员、教师、学生和管理人员的良师益友,使他们获得激光技术知识,了解激光技术和应用的最新发展动态,并为他们开发新的激光技术以及应用提供灵感。《激光与光电子学进展》是我国激光技术发展的有功之臣。

感恩与致谢——写在《激光与光电子学进展》创刊六十周年之际

六十载一个甲子轮回,在人类历史中匆匆一瞬间,而对于《激光与光电子学进展》(简称《进展》)而言,却是它破土萌芽到长成参天大树的整个发展历程。回顾历史,峥嵘岁月,心潮澎湃,思绪万千,感慨良多,千言万语凝聚成两个字:感恩。一要感恩期刊的创办者和开拓者,是他们的聪明才智和敏锐的洞察力以发展的眼光,高瞻远瞩,前瞻性地创办了中国激光领域的第一本情报刊物《光受激发射情报》。

激光雷达探测中基于贝叶斯网络的飞机尾流反演

尾流是飞机飞行时的必然产物,对航空安全有重大威胁,还限制着航空效率和容量的提升,飞机尾流涡核的精准辨识是动态缩减尾流间隔的前提,目前晴空尾涡探测的主要工具是相干多普勒激光雷达(CDL)。针对使用激光雷达进行飞机尾流探测中受限于雷达时空分辨率和背景风场的影响导致的识别和反演尾流关键参数误差较大这一问题,提出一种在激光雷达探测数据基础上基于贝叶斯网络(BN)和均方误差(MSE)构建的尾涡参数反演模型。搭建大气背景风和湍流环境,并将其叠加到模拟的尾涡速度场上,得到用于训练模型的仿真数据集。实验结果表明:所提算法能够得到误差较小的参数反演结果(仿真算例中涡核位置偏差在2 m以内,环量偏差在5%以内);在实际算例中,所提算法与传统算法相比,反演速度场均方误差显著降低(平均超过50%)。本研究可用于机场实时尾涡监测,对尾涡间隔标准制定有重要意义。

基于改进SECOND算法的点云三维目标检测

快速识别和精准定位周围目标是自动驾驶车辆安全、自主行驶的前提和基础。针对基于体素的点云三维目标检测方法识别与定位不准的问题,提出一种基于改进SECOND算法的点云三维目标检测算法。首先,在二维卷积骨干网络中引入自适应的空间特征融合模块融合不同尺度的空间特征,提高模型的特征表达能力。其次,充分利用边界框参数之间的关联性,采用three-dimensional distance-intersection over union (3D DIoU)损失作为边界框的定位回归损失函数,使得回归任务更加高效。最后,同时考虑候选框的分类置信度和定位精度,通过一个新的候选框质量评价标准,获得更平滑的回归结果。在KITTI测试集的实验结果表明,所提算法的3D检测精度优于许多以往的算法,与基准算法SECOND相比,在简单难度下的car类和cyclist类分别提高2.86百分点和3.84百分点,中等难度下分别提高2.99百分点和3.89百分点,困难难度下分别提高7.06百分点和4.27个百分点。

基于多阶段协同处理的水下图像增强

设计了一种多阶段水下图像增强模型,可以同时将空间精细纹理和高级上下文信息两种特征融合。模型由三个阶段组成,前两个阶段采用编码器-解码器结构,第三阶段则采用并行注意子网,所提模型可以同时学习空间细节和上下文信息两种特征,并且引入了监督注意力模块,能够加强特征学习,还设计了一个跨阶段特征融合机制用来巩固前后子网的中间特征。最后将所提模型与其他水下增强模型在同一测试集上运行,从运行结果得出,所提模型处理后的水下图像在主观视觉效果和客观评价质量上均优于大部分对比算法,在Test-1测试集上,峰值信噪比和结构相似度分别达到了26.2962 dB和0.8267。

基于改进YOLOv8算法的遥感图像目标检测

针对遥感图像目标检测算法漏检和误检率高、目标定位不精确、无法准确识别目标类别等问题,提出一种基于改进YOLOv8的目标检测算法。为提高模型的损失函数对梯度分配的灵活性,适应各种形状和尺寸的物体,设计了非单调聚焦机制与边界框几何因素相结合的边界框回归损失函数;为扩大模型的感受野并削弱遥感图像背景对检测目标的影响,采用全局注意力机制与残差块结合的方式,设计了残差全局注意力机制;为使模型适应遥感图像中目标物体的形变与不规则排列,对YOLOv8模型中的C2f模块进行改进,融入可变形卷积与可变形感兴趣区域池化层。实验结果表明,在DOTA数据集和RSOD数据集上,所提算法的平均精度均值(mAP@0.5)达到72.1%和94.6%,优于对比算法,提高了遥感图像目标检测精度,为遥感图像识别提供了新的手段。

基于合作搜索算法的二阶碲基光纤拉曼放大器优化设计

随着新一代移动通信系统发展,对高数据速率和更大带宽的需求日益增加,利用碲基光纤作为传输介质,采用了两路二阶泵浦和四路一阶泵浦设计的二阶拉曼光纤放大器实现了对C+L全波段信号光进行放大,能够有效缓解带宽增长给光通信网络带来的挑战。首先对简化后的二阶拉曼耦合波方程进行数值求解,再利用合作搜索算法对二阶拉曼光纤放大器泵浦参数进行优化,以达到提升系统输出性能的目的。同时,分析了在相同泵浦参数的配置下一阶拉曼光纤放大器和二阶拉曼光纤放大器的性能以及二阶泵浦光功率、光纤长度这两个重要因素对二阶碲基拉曼光纤放大器平均输出增益和增益平坦度的影响。最终在1530~1630 nm的超宽带宽范围内,设计出的二阶碲基光纤拉曼放大器平均输出增益为27.3601 dB,增益平坦度为0.6601 dB。

调频连续波激光雷达光源非线性校正技术(特邀)

调频连续波(FMCW)激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势,近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中,扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响,导致扫频非线性的产生,使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题,本文从原理出发,分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响,系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展,并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结,为后续相关研究提供启发。

基于量子纠缠的远程态制备研究进展(特邀)

基于远程分发的量子纠缠,远程态制备能够实现量子态的远程制备和操控,是实现量子态传输的一种重要方式。近年来,远程态制备取得了重要研究进展,相继实现了单量子比特、连续变量量子比特、压缩态、非高斯态和光学猫态的远程制备。本文简要介绍远程态制备的基本原理、离散变量和连续变量远程态制备的研究进展及其发展趋势。

激光粉末床熔融技术中铺粉致密度的影响因素研究

激光粉末床熔融(LPBF)技术具有成形精度高、表面粗糙度低、成形件性能优异等特点,是目前金属增材制造领域中应用最广泛的一种成形技术。其中,铺粉过程作为LPBF技术的关键环节,粉末床铺粉质量对铺粉致密度及成形件性能具有重要影响,基于此,本文综述了LPBF技术中铺粉致密度的影响因素。首先,总结了粉末床铺粉质量的表征评价方法,如图像分析法、X射线原位监测法和取样器法等。在此基础上,从粉末特征和铺粉工艺出发,分别阐述了粉末粒度、粉末形貌、粉末制备方法、粉末再循环及铺粉工艺参数对粉末床铺粉致密度的影响规律。其中,粉末的粒度分布和形貌是影响铺粉致密度关键因素,较宽的单峰分布和粗细颗粒混合的双峰分布有利于提高粉末堆积密度。粉末的形貌越接近球形,粉末流动性越好,越有利于提升粉末铺展性和铺粉均匀性。粉末堆积密度和铺粉均匀性共同作用将提升粉末床铺粉致密度和成形样品的致密度。铺粉工艺条件的变化可以影响粉末床的铺粉质量及密度,其中控制合理的铺粉速度、选用滚筒类型的刮刀和增大基体的粗糙度将进一步提升粉末床的铺粉致密度。最后,本文对进一步提升粉床的铺粉致密度的方法和技术进行了展望。

基于改进灰狼遗传算法的相机标定

为解决传统相机标定中标定精度低、可重复性差、鲁棒性弱等问题,提出一种基于改进灰狼遗传算法的相机标定优化方法。对灰狼算法中的种群初始化、线性收敛因子及位置更新策略进行改进,并融入了基于维度学习的搜索策略和改进的选择、交叉、变异算子,以优化相机标定参数。首先,利用MATLAB标定工具箱对标定板图像进行角点提取,基于相机标定原理,建立标定板角点坐标与空间三维点坐标的对应关系,以获取相机内参及畸变系数的初估值,并据此设定待优化参数的寻优范围。接着,以初估值为基础在寻优范围内生成灰狼遗传算法的初始种群。然后,构建平均重投影误差方程,以最小化该误差为目标函数,利用改进的灰狼遗传算法对标定参数进行优化。最后,将该方法与其他优化方法进行实验对比。结果表明,基于改进灰狼遗传算法的相机标定方法在平均重投影误差最小(0.02054 pixel)的同时,也展现了最佳的可重复性和鲁棒性。

光子太赫兹通信技术研究进展(特邀)

具有高载波频率与可用大带宽的太赫兹频带(频率范围0.1~10 THz)已成为满足未来6G移动通信网络所需的100 Gbit/s甚至1 Tbit/s超高数据速率的候选频段。与完全使用电子器件生成太赫兹信号的全电方式相比,光子辅助技术可以突破电子器件带宽限制的瓶颈,生成高频率、大带宽、频率灵活可调,并易与大容量光纤链路集成的太赫兹信号。基于光子学辅助技术与各种先进器件及数字信号处理算法,在宽带太赫兹通信和感知的多个领域取得了重大成果:在大容量太赫兹传输领域,综合应用多维复用技术,实现了最大容量6.4 Tbit/s的光子太赫兹信号传输;在远距离太赫兹传输领域,设计了高增益太赫兹天线模块,实现了长达400 m的335 GHz太赫兹无线传输距离;在实时太赫兹通信领域,基于商用数字相干光学模块实现了创纪录的100、2×100 GbE太赫兹实时通信系统;在太赫兹通信与感知一体化领域,分别基于时分复用与频分复用方案生成了通信与感知一体化信号,同时实现了太赫兹频段的大容量通信与高精度感知功能;在太赫兹有线传输领域,基于镀银金属空芯光纤,实现了300 GHz频段太赫兹信号的1 m有线传输,系统净容量超过140 Gbit/s。本文分别对以上系统的实验装置进行了详细的介绍,并对实验结果进行了讨论。

动态场景下基于加权静态的视觉SLAM算法

针对传统视觉同步定位和映射(SLAM)系统在动态环境中鲁棒性和定位精度低等问题,基于ORB-SLAM2算法框架,提出一种在室内动态环境中运行稳健的视觉SLAM算法。首先,语义分割线程采用改进的轻量化语义分割网络YOLOv5获得动态对象的语义掩码,并通过语义掩码选择ORB特征点,同时,几何线程通过加权几何约束的方法检测动态对象的运动状态信息。然后,提出一种给语义静态特征点赋予权值,并对相机的位姿和特征点的权值进行局部光束平差法(BA)联合优化的算法,有效地减少动态特征点的影响。最后,在TUM数据集和真实的室内动态场景中进行实验,结果表明,与改进之前的ORB-SLAM2算法相比,所提算法有效地提高了系统在高动态数据集中的定位精度,并且绝对轨迹误差和相对轨迹误差的均方根误差(RMSE)分别提升了96.10%和92.06%以上。

高能半导体泵浦碱金属激光器的发展和挑战(特邀)

半导体泵浦碱金属激光器近年来发展迅速,其高能高效、轻量紧凑和单口径输出的优势日渐凸显。本文综述了碱金属激光器的技术特点,回顾其发展历程,重点对功率放大的关切因素进行了梳理和评估,同时对新兴的类碱金属激光器的发展进行了介绍。

核壳结构粒子与群粒子光学散射特性研究

为探究近红外波段下气溶胶粒子的散射特性,基于离散偶极子近似法,对黑碳和硫酸盐气溶胶内混合核壳结构粒子及同种气溶胶粒子的2种假设结构的光学散射特性进行研究。编译构建以黑碳为核、硫酸铵为壳的核壳结构粒子模型,模拟计算特定入射方向的入射波长(875、1020、1640、2000 nm)下粒子的消光效率因子、散射效率因子、吸收效率因子、不对称因子及单次散射反照率随有效粒径的变化。数值计算结果表明:在同一入射波长下,随着有效粒径的增大,单核核壳粒子、二核团簇粒子、三核团簇粒子的消光、散射、吸收效率因子主要呈先增后减趋势,且3种粒子的散射、消光效率因子相差不超过10%。随着核粒子数增加,粒子结构半径增大,效率因子峰值后移。在4个波长下,多核团簇粒子的不对称因子平均比单核核壳粒子大0.1777、0.1960、0.2900和0.3131,而2种多核粒子的不对称因子平均仅相差0.096。在有效粒径相同的情况下,单核核壳粒子的单次散射反照率基本高于多核粒子,波长越大差异越明显。该研究结果可对复杂大气环境下气溶胶粒子的光学散射特性、污染物及气候效应监测等领域的分析提供一定的参考价值。