TDLAS气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计

针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点,结合波长调制技术,设计和研究了用于TDLAS激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit,HSPDC)。基于波长调制技术,确定了TDLAS信号噪声抑制方法;采用光电二极管理想模型,分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数;基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明:所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW,信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz),截止频率较现有108 V/A跨阻放大电路高一个数量级,可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体激光遥测系统,当调制频率为3 kHz时,激光遥测系统获得了良好的检测性能,检测灵敏度达到88.66 mV/ppm,检测限优于0.565 ppm,线性拟合度R2为0.9996。研究表明,研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点,可集成化,能满足气体激光遥测应用需求。

基于飞秒激光的高速双光子刻写技术

基于飞秒激光的双光子聚合(two-photon polymerization,TPP)加工技术一直是三维微纳加工技术中的研究热点。随着生命科学、材料工程、微纳光学等领域对复杂、大面积微型三维器件制备需求的提升,TPP加工效率不足的问题日益严重,加工时间过长不仅造成加工结构的不稳定,更是严重阻碍这些重要三维器件的进一步推广应用。本文以TPP加工效率提升方面的研究工作为主线,分别从单光束刻写、并行多光束刻写、面曝光和体曝光四个方式进行总结与对比,阐述相应的光学系统设计、刻写策略、刻写精度与通量等方面的研究情况,总结各种技术的优势与劣势,同时展望未来发展趋势。

冷轧钢表面与内部缺陷检测研究

为实现冷轧钢缺陷的全面检测,针对其表面和内部缺陷检测展开研究。对于表面缺陷检测,提出采用双侧线光源照明方案,并与常规线光源照明方案进行对比。对于内部缺陷检测,从检测分辨率和缺陷边缘特征两方面分析X射线、超声以及红外热波成像等金属内部检测技术的适用性。经实验验证,双侧线光源照明不仅可以使YOLOv5目标检测算法总体平均精度mAP:0.5达到90.16%,相比线光源照明提升了15.46%,还可优化模型分类和提高训练效率。X射线和超声波检测法可检测直径为0.25 mm的盲孔,而红外热波成像技术则可有效识别出直径为1 mm的盲孔。在缺陷边缘特征评估中,X射线检测法的最小盲孔边缘灰度差值为145,超声波为89,红外热波成像为30。本研究提出了一种冷轧钢表面缺陷检测的改进方案,并为内部缺陷检测提供了思路。

汽车抬头显示动态畸变的主观实验评估

本文建立了一种基于双目3D显示观察的主观实验流程,利用主观实验数据来分析汽车车载增强现实抬头显示(AR-HUD)设备中的动态畸变对驾驶员主观感受的影响,同时评估观看来自不同眼盒位置的图像时双目融合过程中驾驶员可以接受的畸变大小临界值。实验研究结果显示,随着两眼之间的动态畸变差异的增大,驾驶员融合图像变得越来越困难,观看的不适程度也出现较快增长。同时本文也揭示了驾驶员在使用AR-HUD设备的过程中,同一眼盒两个不同位置处驾驶员可以接受的动态畸变临界条件为垂直畸变小于2%,水平畸变小于1%。此研究证实了动态畸变对驾驶员的主观感受具有较为显著的影响,并且为汽车抬头显示系统中光学设计的优化畸变过程提供了相关的数值约束参考。

PbS量子点掺杂聚合物宽带光纤放大器

随着人工智能、大数据、云计算、物联网、移动电子等的发展,传统的稀土离子掺杂单芯单模光纤放大器承载的光纤通信系统的传输容量已经逐渐接近香农极限,需要发展新型材料体系,以拓宽光纤通信系统的传输容量。相比于稀土离子,量子点具有较宽的发光带宽、可调波长的发光特性,且量子点的发光性质可以通过多种化学手段调控,在量子点光放大器上显示出了宽带光放大特性,受到学术界和产业界的广泛关注。在该背景下,本文提出将化学合成的PbS/CdS核壳量子点与低损耗聚合物集成,获得量子点掺杂光纤放大器,实现近红外通信波段可调波长、宽带光放大特性。文章研究并揭示了影响固化后的聚合物纤芯连续性的因素和影响机制,提出了降低固化胶前驱体液面附加压力、固化收缩力、聚合物前驱体与光纤内壁的摩擦力,并提高抽真空产生的牵引力以获得连续光纤,在此基础上获得了基于热固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)和光固化NOA61、NOA85固化胶的纤芯连续光纤,量子点光纤在1530~1630 nm获得了增益带宽达到100 nm以上的开关增益,最高增益达到6.5 dB。本文的研究结果将促进量子点光纤器件和宽带光通信技术的发展。

激光聚变靶丸冰层折射率与粗糙度表征技术研究

惯性约束聚变装置对靶丸燃料层的均匀性要求严苛,检测系统需要具备折射率、厚度与粗糙度等参数的高精度表征能力。搭建了一套基于干涉与背光阴影成像技术的振镜扫描靶丸同步表征系统,并基于代数重构算法重建了靶丸冰层轮廓粗糙度与三维折射率分布。仿真与实验结果表明,轮廓粗糙度表征的相对误差优于2.2%,本文系统对多种靶丸结构三维折射率的重建结果平均值的相对误差均小于0.16%,这证明了表征技术的可靠性,为聚变靶丸制备工艺提供了有效的支撑。

偏振荧光显微成像技术及研究进展(特邀)

生命体是由大量有机排列的分子组成的,其结构不仅与分子的位置分布有关,还与分子的排列方式和空间取向有关。偏振荧光显微成像技术利用荧光的偏振特性,能够对生物结构的分子取向进行观测和成像,进而从分子层面揭示生命活动的功能和代谢信息,有力推动了生物医学相关领域的研究和发展。本文从偏振荧光成像原理出发,对目前存在的多种偏振荧光显微成像技术进行原理介绍和现状分析,列举了其在生物医学领域的相关应用,讨论了其发展趋势及前景,旨在为该领域的科研人员了解偏振荧光显微成像技术提供参考。

亚20nm荧光超分辨显微技术研究进展(特邀)

荧光超分辨显微技术自20世纪90年代诞生以来,经历了多代创新与发展,其空间分辨率已经远超衍射极限,横向分辨率能够达20 nm以下,可以实现分子尺度的生物成像与动态追踪。新一代超高分辨率显微技术的产生得益于传统超分辨技术的深度发展和结合创新。详细介绍横向分辨率在亚20 nm尺度的新一代荧光超分辨显微技术,并阐述其与传统超分辨原理的联系与区别。此外,针对分辨率的限制因素,就光学系统、扫描策略和样品制备等方面进行探讨,并展望高分辨率荧光显微技术在生物医学领域中的应用前景和发展方向。

四硫富瓦烯-苯均四酸二亚酰胺有机共晶的光电磁耦合特性

利用四硫富瓦烯(TTF)给体和苯均四酸二亚酰胺(PMDI)受体,发展了一种新型有机共晶TTF-PMDI.该共晶给受体分子间具有强电荷转移作用,并表现出铁电性和磁电耦合效应,包括磁电容效应和磁场诱导铁电极化的变化,光刺激下,该共晶还表现出电容和铁电极化变化,详细讨论了这些效应产生的机制,并探讨了三线态电荷转移态对电容和铁电极化变化的影响.本文的研究结果将促进多功能共晶的材料和器件的发展,为多场感知领域的应用提供了一种新的可能.

光学显微图像定量评价方法及应用研究进展(特邀)

作为工业数字图像质量评价在应用领域的重要延伸,光学显微图像定量评价主要通过对图像特征和属性进行分析计算,针对性地量化评估图像的质量。近年来,随着各类光学显微成像技术的蓬勃发展,图像定量化评价的重要性日益凸显,在总体图像处理中具有指导性作用。对现有的光学显微图像定量评价指标及相关算法进行总结,对各个算法的模型结构和性能表现进行讨论说明,阐述显微图像定量评价的应用和发展趋势,并对该领域目前所存在的问题和难点进行分析和展望。

两种基于激光雷达的水云反演方法对比研究

介绍两种分别基于偏振米散射激光雷达(ML)与双视场高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的水云反演方法,通过4个典型水云案例的反演结果对比了两者的性能表现。结果表明,两种方法对于水云消光系数的反演精度相当,而双视场HSRL方法的有效半径反演精度优于偏振ML方法。在牺牲一定算法效率的前提下,可以通过增大查找表格点分辨率以提高偏振ML方法的反演精度。因为HSRL分子通道信号强度较弱,双视场HSRL方法的反演稳定性更容易受到分子通道信号噪声干扰。这两种水云方法的评估将为后续基于激光雷达观测水云的仪器与算法发展提供重要参考。

大气气溶胶粒径分布的多波长激光雷达反演

提出一种基于正则化方法改进的气溶胶微物理特性反演算法,通过引入模式半径范围作为先验约束,并对差异最小值附近的解进行平均,以解决反演时存在的欠定问题。对1500组不同类型的气溶胶粒径分布进行仿真,测试了所提反演算法对气溶胶微物理特性参数的反演精度与稳定性。考虑在20%随机高斯噪声的影响下,90%以上气溶胶的有效半径、体积浓度和表面积浓度反演相对误差可被控制在±33%、±45%和±50%范围内。误差统计结果表明,所提算法基于多波长的气溶胶光学特性,可实现对气溶胶粒径分布的可靠反演。

基于边缘光与化学抑制方法的三维结构表面粗糙度优化研究(特邀)

表面粗糙度是影响激光直写技术制备微纳光学器件质量的核心参数之一,其对于曲面类光场调控微纳器件的性能来说至关重要。在传统的刻写方法中,过低的轴向分辨率会对弯曲轮廓器件的表面粗糙度产生不利影响,使其产生不必要的台阶状痕迹,从而影响器件的光学性能。目前主要采用刻写策略优化的方式降低器件的表面粗糙度,如环形扫描方法以及将表面聚合与整体曝光固化相结合的方法。本课题组分别基于边缘光抑制技术与化学抑制技术,研究了轴向刻写特征尺寸的压缩对平面结构表面粗糙度的影响。进一步,本课题组结合两种抑制技术,提出了一种通过降低轴向分辨率来降低光学器件表面粗糙度的方法,利用此方法刻写的微透镜的表面均方根粗糙度为6.84 nm。该技术为复杂光学器件制备中表面粗糙度的优化提供了参考。

光纤多通道并行激光直写光刻系统(特邀)

激光直写是一项应用广泛的微纳加工技术。但受限于通量,单通道激光直写技术无法实现大面积应用。为此,提出并验证一种多通道激光直写技术,以提升激光直写技术的通量。与传统的以空间光光路为基础的多通道系统不同,介绍的技术使用光纤器件实现多通道并行刻写,且每个通道可独立调控。通过加工多种微纳结构进行测试,证明搭建的系统兼容多种光刻胶,在ps量级脉宽情况下可实现横向126 nm、纵向222 nm的加工精度。系统结构紧凑,具备加工大面积复杂图形、三维结构的能力,证明光纤器件应用在多通道系统中的可行性,为高通量激光直写技术发展提出新的技术途径。

等离激元隧道结(特邀)

等离激元隧道结是可以同时支持表面等离激元响应与电子隧穿效应的具有纳米尺度介质间隙的金属-绝缘体-金属结构。隧道结中电子、等离激元和光子等受到极强的约束并发生丰富的相互作用,这为在纳米尺度上研究和操控电子、光子,以及发展新一代纳米光电子器件提供了一个新的平台。本文综述了等离激元隧道结在等离激元激发/发光和等离激元/光子-电子转换中的应用。

激光雷达比历史数据的模糊综合评价研究

气溶胶是地气系统辐射强迫评估的主要不确定来源之一,激光雷达探测的气溶胶廓线数据有助于定量评估气溶胶的气候效应。除已发布的气溶胶观测产品外,大量气溶胶激光雷达观测数据分布于文献中。然而,目前尚缺乏对气溶胶历史文献数据的整合分析。因此,聚焦现有观测产品较缺乏的激光雷达比参数,充分考虑气溶胶的类型差异,提出了一种激光雷达比历史文献数据的模糊综合评价分析方法。基于Web of Science数据库,发现不同类型气溶胶(沙尘、沙尘混合、火山灰、海洋、烟尘、城市工业气溶胶)的激光雷达比均呈高斯分布,且集中范围均存在重叠。历史文献数据能与气溶胶观测数据产品提供的数据形成互补,所提出的模糊综合评价分析方法有助于提升人们对气溶胶光学特性的认识。

热辐射方向调控研究进展(特邀)

自然界物体产生的热辐射通常是波长连续、非偏振和全方向的。将热辐射限制在特定的波长范围和特定方向内的能力对于提高器件的能量利用效率具有重要意义。随着纳米技术的快速发展,热辐射方向调控器件正逐渐朝着微纳热辐射器的方向发展。介绍了纳米光子结构实现热辐射方向调控的主要研究方法,列举了热辐射方向调控的主要应用,并总结了目前热辐射方向调控研究仍存在的问题,最后对热辐射方向调控及其应用的未来发展进行了展望。