硅酸钛钡高温压电晶体及其传感器件研究进展

压电材料作为重要的功能材料,由其制备的结构健康检测器件已被广泛应用于国民经济的诸多领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源和智能制造等的发展,各类高温工况环境对压电材料的性能提出了更高的要求,因此研制综合性能优异的高温压电材料并将其应用到具有更高服役温度的传感器件中受到了研究者的广泛关注。硅酸钛钡(Ba_(2)TiSi_(2)O_(8),BTS)晶体具有较高的电阻率、较低的介电损耗和优良的压电性能,是一种具有良好应用前景的高温压电单晶材料。本文主要介绍了BTS晶体的提拉法生长制备工艺、单晶电弹性能表征、材料相变调控以及采用该晶体为核心元件研制的声表面波传感器和高温振动传感器的研究进展,最后对新型高温压电晶体及其传感器件的研发进行了总结和展望。

不同浓度Ag掺杂ZnS的电子结构及光学性质的第一性原理研究

具有优良热红外透明性的ZnS是一种重要的宽禁带半导体材料,在电致发光以及荧光效应方面有很大的潜力,因此被广泛用于发光器件和光催化等领域。对于ZnS进行适当的掺杂能有效改变其发光和吸收性能,从而让其作为发光材料拥有更大的应用价值。本工作应用基于密度泛函理论的第一性原理,计算并对比分析了纯净ZnS以及Ag掺杂浓度分别为3.125%、9.375%、25%、50%的ZnS的晶体学结构、电子性质以及光学性质。研究结果表明,更高的掺杂浓度能有效降低禁带宽度,并增强ZnS在红外波段的光学吸收与反射。本研究为制备Ag掺杂ZnS半导体提供了理论依据,针对不同需求调节掺杂浓度以制备特定性能的ZnS晶体。

黑磷半导体光物理及应用研究进展

与其他二维材料相比,二维黑磷具有较高的载流子迁移率、宽可调带隙和面内各向异性等特点,在晶体管、光子学、光电子学、传感器、电池和催化等领域引起科学家的广泛关注.然而,黑磷在自然环境条件下的不稳定性以及大面积、高质量半导体黑磷纳米材料制备的局限性严重滞缓了其在纳米器件、催化以及生物光子学领域的快速发展.本工作总结了近年来高稳定性黑磷纳米材料的可控制备和光学性质,重点突出其在光电探测器、非线性和线性光学、光催化和生物光子学等光学应用方面的研究进展,并对黑磷在未来光电子器件、光催化以及生物光子的挑战及机遇做出相应展望.

基于迁移学习和卷积神经网络多网络颈动脉图像分类检测研究

颈动脉超声检查是用于诊断斑块主要且方便的手段,从超声图像中准确获取关于斑块信息对于进一步临床诊断至关重要。由于超声仪器存在噪声的干扰以及人工技术操作差异,使得显示的切面图像不清晰、不标准,从而容易导致斑块的误检漏检。本研究提出一种基于迁移学习和CNN的深度学习算法多网络组合实现对颈动脉斑块更准确识别的研究。首先选取颈动脉清晰和模糊的共计2591张纵切面超声图像通过ResNet网络进行管腔质量分类控制;进行管腔分类后,选取清晰的软斑和硬斑信息的纵切面图像共计1114张,通过基于迁移学习的RetinaNet网络对其进行颈动脉管腔和斑块的分类检测并使用Faster R-CNN和SSD网络进行对比实验。对于管腔分类网络,测试集分类准确率达到93%;对于管腔和斑块分类检测网络,使用113张测试集图像得到管腔检测的平均精度在交并比(IOU)值为0.5时达到1,在IOU值为0.75时达到0.988,平均召回率达到0.869,均高于Faster R-CNN和SSD网络;得到硬斑和软斑检测的平均精度在IOU=0.5时分别达到0.899和0.855,平均召回率分别达到0.609和0.578。在进行颈动脉斑块分类识别前,进行颈动脉管腔图像的质量分类控制,能够有效避免图像不清晰带来的斑块误检,提高斑块检测的正确性,并对后续进行颈动脉三维重建具有重要意义。

1910 nm激光透射焊接同种透明聚苯乙烯工艺的研究

本文使用波长为1910 nm的半导体激光器对聚苯乙烯(PS)透明塑料板材进行了无吸收剂激光透射焊接实验,研究了激光功率、焊接速度以及线能量等参数对试件的焊接效果的影响。实验结果表明,1910 nm半导体激光器可以实现对同种聚苯乙烯透明塑料的无吸收剂焊接,且焊接效果优异。在线能量为3 J/mm时,得到了较为理想的焊接试件,焊缝形貌均匀规整,可承受的拉断力达到707 N,可满足食品、医疗等对塑料制品卫生标准要求较高的塑料加工领域的需求。本研究具有广阔的应用前景,对替代传统塑料焊接(超声焊接、摩擦焊接等)以及传统激光塑料焊接(需添加吸收剂)具有重要的研究意义。

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究（英文）

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平,实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高,单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减,而后脉冲概率先增大到一个峰值,然后减小.研究表明,为获得更高的性能,需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.

基于近红外的移动窗口BP神经网络实现山东绿茶产地溯源（英文）

将近红外光谱分析技术用于对山东省代表性绿茶(崂山绿茶和日照绿茶)进行快速、无损伤产地溯源.对平滑处理、一阶微分和二阶微分等几种不同的光谱预处理方法进行了系统性对比和研究创新.提出移动窗口BP神经网络(MW-BP-ANN)算法用于选择特征光谱变量.实验发现,一阶微分和移动窗口-BP神经网络可以大幅提高支持向量机(SVM)分类模型的预测能力.经预处理后,分类模型的最优鉴别准确率可达98.33%.研究结果表明,该光谱变量选择方法对提高产地溯源模型的预测能力起到至关重要作用.

角度调谐短波红外光谱组件光谱分辨率特性研究

介绍了一种工作于1 355~1 555 nm的新型多通道短波红外光谱组件,并以理论和实验相结合的方式定量研究了入射角度对光谱组件各通道中心波长的影响.实验结果表明,在0~10°斜入射条件下光谱组件各通道中心波长呈现不同程度的短波方向偏移现象,偏移程度与入射角度呈正相关.分别绘制出理论和实验中心波长偏移曲线,实验发现在入射角为5°和10°时中心波长平均偏移幅度约为5.7 nm和18.67 nm.此外,参照实验得出的角度偏移曲线对两次不同入射角度条件下的光谱进行插值整合,成功地将光谱组件分辨率从7.5 nm提高到3 nm;在此实验基础上提出了通过改变入射角度发展一种多通道角度调谐光谱组件,进而利用此方法提高光谱组件的测试分辨率.该结论对后续设计光谱组件入射光学系统和提高光谱组件测试分辨率具有一定指导意义.

晶圆低温直接键合技术研究进展

晶圆低温直接键合技术与传统键合方式相比具有对晶片及器件损伤小、无中介层污染、无需外部电场辅助等优势,在功率型半导体光电及电力电子器件、大功率固体激光器、MEMS、光电集成等领域具有巨大的应用潜力。文章从低温直接键合技术的发展历程入手,重点介绍了湿法疏水键合、湿法亲水键合和等离子体活化键合的物理化学机制。系统阐述了低温直接键合的工艺流程和键合强度的表征方法,探讨了低温直接键合的技术发展趋势,并对低温直接键合工艺的改善和创新应用拓展进行了展望。

太赫兹参量源研究进展

太赫兹参量源是一种激光驱动的太赫兹辐射源,它具有高相干性、可调谐、室温运转等优点。在简要介绍太赫兹参量源的基本原理后,重点总结了近年来国内外对太赫兹参量源的代表性研究成果,主要包括:1)太赫兹参量源中常用的几种非线性晶体,包括铌酸锂、磷酸钛氧钾、砷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷;2)大单脉冲能量太赫兹参量源,主要产生方法包括使用垂直表面出射结构、使用环形腔、增加非线性晶体损伤阈值等,目前报道的最大单脉冲能量达到17μJ;3)高平均功率太赫兹参量源,主要产生方法包括使用半导体激光器侧面泵浦激光器、兼顾提高泵浦光脉冲能量和脉冲重复频率等,目前报道的最大平均功率为367μW;4)太赫兹参量源的理论模拟,主要包括以耦合波方程为基础的,分别针对太赫兹参量产生器、种子注入式太赫兹参量产生器、内腔泵浦与外腔泵浦太赫兹参量振荡器建立的理论模型。

无吸收剂激光透射焊接聚碳酸酯的工艺研究

在不添加吸收剂的条件下,使用1910 nm半导体激光器对同种聚碳酸酯(PC)透明塑料板材进行了激光透射焊接实验。分析了激光功率、焊接速度及线能量等参数对试件焊接效果的影响规律,确定了焊接效果理想的试件的工艺参数。结果证明,最佳线能量为2.5 J/mm,此线能量下获得的试件形貌规整、拉断力大,焊接效果理想。保持最佳线能量不变,通过改变激光功率和焊接速度得到的多组试件的焊接效果基本一致,在激光功率为30 W,焊接速度可达到12 mm/s且焊接效果较为理想。

NH_(3)在硼纳米管表面吸附的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论研究了NH_(3)在完整和含有缺陷的硼纳米管上的吸附行为以及相关电子性质.计算结果表明,对于α硼纳米管,在不同的直径和手性条件下,NH_(3)均倾向于吸附在配位数为6的顶位上.电子结构计算结果表明,NH_(3)能够吸附在纳米管表面主要是由于N和B原子产生了较强的相互作用.表明硼纳米管是一种潜在的NH_(3)气气敏材料.

大于10000:1的宽量程比热式质量流量计研究

本文设计并研制了一种基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems MEMS)流量芯片的高性能气体质量流量计,在保证精度的同时极大地扩宽了量程比这一关键技术参数,用于满足实验室、氢能、环保等产业对高精度、宽量程气体质量流量计的要求。在无分流情况下,通过理论分析和实验测试得到MEMS流量芯片的灵敏度和检测下限分别为:0.192 mV/sccm和2.707×10^(-3)mL/min,并以此设计了一种双模运算处理电路和分流流道设计,用来拓展流量计的测量量程范围。为了保证宽量程范围内的稳定性与准确性,对流量计内部的流道结构进行了流体仿真分析,并对双模运算处理电路进行了协同优化设计。测试结果表明该气体质量流量计的最小探测极限为0.659 mL/min,在0.1-100 slm范围内输出电压的测试结果的最大相对标准差为1.07%,流量波动的满量程误差为0.15%;在0-100 mL/min范围内输出电压的最大相对标准差为3.6%,流量波动的满量程误差为0.09%。该流量计在0.15%的满量程误差范围内可实现最大检测流量为100 slm,最小检测流量10 mL/min,可实现10000∶1的量程比,并具有较好的重复性和稳定性。

激光透射焊接异种塑料的实验研究

为了得到无吸收剂添加的聚碳酸酯(PC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)的异种塑料焊接试样,利用热塑性塑料对1910 nm的激光具有较高的吸收率的特性,使用1910 nm的半导体激光器对上层透明PC塑料和下层白色ABS塑料进行了激光透射焊接实验研究。实验中通过改变激光功率和焊接速度来改变激光在焊件表面的热输入值。实验结果表明,激光热输入在3.3 J/mm时,PC和ABS异种塑料焊接得到的试样焊缝外观效果较好,焊缝最大的剪切力达到了7.25 MPa。证明了1910 nm半导体激光器可有效对PC和ABS异种塑料进行无吸收剂焊接。

激光无吸收剂透射焊接PVC透明塑料板工艺研究

使用1 710 nm半导体激光器对同种透明聚氯乙烯(PVC)塑料板材进行无吸收剂激光透射焊接。选择激光功率、焊接速度、离焦量三个焊接工艺参数进行了三因素三水平的正交实验,得到一组最优焊接工艺参数,最后探究了线能量对焊接效果的影响。实验结果表明:影响焊接效果的最主要因素为激光功率,其次是焊接速度,最后是离焦量;最优焊接工艺参数为:激光功率18 W,焊接速度10 mm/s,离焦量-1 mm,对应的试件拉断力为816.7 N。线能量为1.89 J/mm时,拉断力达到最大值832.1 N,此时焊缝内会有少量气泡存在。

基于APD-PIN结电容平衡电路的门控单光子探测器

以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲,门宽约1 ns,脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路,可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量,抑制比大于40 d B。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量,并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52℃,0.1~200 MHz门控频率条件下,10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于6×10^(-6)/gate、1.9%,最高探测效率可达26.4%。

一种新型单片集成光谱传感器的波长定标方法（英文）

新型短波红外单片集成光谱传感器(MCSS)是光谱传感物联网的核心感知部件.提出了一种MCSS的波长定标方法,根据相对光谱响应度和波长分配原则把相邻像素组成一个定标通道.分别采用MCSS和两款商用光谱仪测量标准物质的光谱.实验结果表明,平均定标偏差为1.8 nm,与一款具有相似FWHM和取样间隔的商用光谱仪接近,能够满足实际应用的需要.

基于FPGA的短波红外图像灰度级拉伸算法实现

为了增强短波红外成像仪的成像对比度,提高目标的识别率,介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的灰度拉伸算法的实现方法。利用视频数据两帧之间灰度分布近似的特性,通过统计上一帧图像的灰度分布,计算图像拉伸所需要的参数,处理当前帧的图像,达到实时处理的效果。在灰度统计模块中,利用FPGA的片上块随机存储器(Block RAM)资源,采用非倍频的流水线数字逻辑设计,避免了跨时钟域的操作,降低了系统状态机的复杂度,提高了系统的工作频率。采用国产320×256元InGaAs面阵探测器,搭载了Xilinx Artix-7系列芯片的实验平台进行实验,仿真结果表明,该方法能有效提高短波红外图像的对比度,具有占用资源少、运算速度快、成本低、可移植性高等优点,满足短波红外成像仪实时灰度拉伸处理的设计要求。

基于InGaAs NFAD的集成型低噪声近红外单光子探测器

近年来,单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管(Negative Feedback Avalanche Diode,NFAD)的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合,针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题,创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路,并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽,同时提高了淬灭性能和稳定性。此外,为了降低暗噪声计数率,针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计,对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明:无前置放大器设计的探测器性能稳定,对1550 nm波长光子的最高探测效率可达33%,在-50℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns,此时暗计数率890 Hz,后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好,环境20℃风冷下的最低制冷温度可稳定在-58℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器尤其适用于对性能和环境空间要求更严苛的应用场合。

利用晶体拼接实现大口径会聚光束三倍频

惯性约束聚变激光驱动器中,熔石英透镜的紫外激光损伤问题一直是限制其负载能力提升的重要因素。对此提出了一种新的大口径光束三倍频构型方案,将三倍频晶体置于聚焦透镜之后,在基频光和倍频光的会聚过程中实现和频。大口径会聚光束的入射角度达36.35 mrad,为满足相位匹配条件,三倍频晶体采用相位匹配接受角度更大、损伤阈值更高的LBO晶体。理论分析表明,3块切割角度不同的LBO晶体拼接即可满足会聚光束相位匹配容忍角的要求。原理性实验也验证了该方案的可行性。该构型不仅能规避熔石英透镜的紫外激光辐照,提升激光驱动器的负载能力,而且能突破LBO晶体的口径受限问题。