临近空间飞行高温真空光纤绝压传感器设计

研制了一种用于临近空间飞行器在高温环境下的蓝宝石非本征法布里-珀罗干涉仪(extrinsic Fabry-Perot interferometer,EFPI)型光纤绝对压力传感器。蓝宝石晶片压力传感头由3片厚度不同的蓝宝石晶片键合构成,形成复合法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)腔,可以同时测量温度和绝对压力,通过实时监测温度,对压力测量进行温度补偿,去除温度对压力测量的影响。实验结果表明:900℃内的每个温度点下,密封FP腔的光学腔长随压力线性变化;室温下,压力灵敏度为11.6 nm/kPa,压力灵敏度随温度的上升略微升高,压力测量的分辨率达到86 Pa。

拉曼光谱技术在病理诊断中的研究进展

拉曼光谱技术能够提供与物质特定分子结构相关的光谱信息,可用于识别生物组织微小的生化变异,具有快速、实时、无损、无需样本预处理等优点,在临床病理诊断领域极具应用前景。与常规组织病理学分析相比,拉曼光谱技术能够直接检测活体组织,简化了分析程序,缩短了诊断时间。人体病变组织的细胞分子组成和结构可能发生变化,这为拉曼光谱技术在组织病理诊断中的应用提供了检测依据。基于组织分子组成与结构的差异,结合机器学习和化学计量学方法,拉曼光谱技术可以提供客观的诊断信息,实现快速、低侵入的病理诊断。回顾了近十年来拉曼光谱技术在组织病理诊断中的研究进展,对取得的关键成果进行了总结,阐述了当前离体和活体应用拉曼光谱技术的一些关键问题。针对离体拉曼光谱检测,重点评估福尔马林固定石蜡包埋样本、冷冻样本和新鲜组织样本等离体样本的适用情况;阐述拉曼光谱数据收集的关键技术,包括适用光源、光谱范围,以及病理样本光谱采集的方式等。对于活体拉曼光谱检测,重点介绍了活体检测研究中拉曼光谱技术应用的两种形式:结合医用内窥镜进行体内检测,以及开放手术中的直接检测;综述了临床适用的拉曼系统,重点介绍了当前活体拉曼研究中应用的光纤探头。同时,文章也讨论了拉曼光谱数据的处理与分析方法,通过光谱预处理,特征提取与分类识别,构建拉曼光谱病理诊断模型,在小样本范围能够获得较好的诊断结果。考虑临床实际应用,仍需要不断优化分析方法,实现拉曼光谱与生化信息的关联,将样本个体差异的影响纳入分类模型中,以提升模型性能。文章对拉曼光谱应用于病理诊断中的关键问题进行了讨论,为进一步开展研究提供参考。未来需要更深入和广泛地开展离体和活体研究,以促进拉曼光谱技术在临床中的应用。

光束轨道角动量谱的测量技术研究进展(特邀)

自Allen等证明具有螺旋相位波面的激光束携带有轨道角动量以来,对光束轨道角动量调控技术的研究取得了跨越式的发展,获得了包括相位涡旋光束、矢量涡旋光束、激光束阵列等多种新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测、激光加工、高分辨率成像等领域展现出广阔的应用前景。准确测量光束的轨道角动量是其应用的重要基础,早期人们更多地关注对待测光束所包含的轨道角动量成分分布的测量,后来逐步拓展至对各个轨道角动量成分的强度比重即轨道角动量谱的测量。文中系统地回顾并总结近年来光束轨道角动量谱测量技术的发展,主要介绍了包括基于衍射、模式分束等方法的新型光束轨道角动量谱测量技术。

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.

高超声速目标相干双频激光雷达探测技术

为研究双频激光雷达技术在高超声速目标探测方面的应用,理论分析了激光在等离子中的吸收衰减特性,以RAM-C实验数据为参考,通过仿真计算得到不同高超声速飞行场景下钝头体模型的等离子体电子密度,验证了计算的准确性。计算得到钝头体驻点线上温度分布范围为8000~16000 K,并结合理论分析得到了激光在等离子体鞘套中的衰减与电子密度、温度和激光频率的关系,表明等离子体鞘套对激光的吸收十分微小;通过对双频激光和单频激光在湍流传输中回波信噪比的对比分析,得到了双频激光的抗湍流干扰特性。由此表明双频激光雷达是探测高超声速目标的有效方式。

基于FPGA控制与白光干涉技术的多通道光纤EFPI绝对腔长测量系统

介绍了一种基于光纤白光干涉测量技术和现场可编程门阵列的多通道高速外腔式法珀干涉型传感器解调系统。该系统由一个半导体光放大器和一个光纤法珀可调谐滤波器来制作一个高速波长扫描光纤激光器,通过对称三角波技术驱动可调谐法珀滤波器产生扫描频率为1 kHz的扫频光谱。用FPGA实现EFPI传感器的高速信号解调。该系统实现了4通道每个通道2 kHz的EFPI传感器高速解调。

矢量涡旋光束的表征及腔内生成技术

矢量涡旋光束是一种新型的结构光场,具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布,在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入,对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高,给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外,如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究,提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作,包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等,并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。

基于大地距离计算相似度的海上目标轨迹预测

目前基于相似度的移动目标轨迹预测算法一般根据数据的时空特性进行分类,无法体现算法自身的特点,为此提出一种基于算法特征的分类方法。轨迹相似度算法通常需要先计算两点之间的距离,再开展后续计算,而常用的欧氏距离(ED)只适用于目标在小区域范围内移动的问题。针对现有基于相似度的轨迹预测算法无法适用于移动范围比较大的海上目标轨迹预测的问题,提出使用大地距离代替ED进行相似度计算。首先,对轨迹数据进行预处理和分段;其次采用离散弗雷歇距离(FD)作为相似性度量;最后,利用模拟数据和实际数据进行测试。实验结果表明,当海上目标移动范围较大时,采用ED算法可能会得到不正确的预测结果,而所提算法可输出正确的目标轨迹预测结果。

CEEMDAN联合小波阈值算法在水下激光雷达中抑制散射杂波的应用

水下激光雷达回波信号中往往含有大量散射噪声.为了能够有效抑制散射噪声,提高水下激光雷达测距精度,提出了基于自适应完备噪声经验模态分解(CEEMDAN)与小波阈值相结合的去噪新方法.首先通过相关系数法对自适应完备噪声经验模态分解得到的本征模态函数(IMF)进行筛选;然后对筛选后的本征模态函数进行小波阈值去噪,进一步去除本征模态函数中的噪声成分;最后将去噪后的本征模态函数进行信号重构得到去噪后信号.将该方法应用到不同衰减系数水体的强度调制连续光水下测距实验,使用白色聚氯乙烯(PVC)反射板为探测目标,在3.75个衰减长度时,直接采用相关极值确定延时,测距误差达到19.2 cm;应用该方法处理后,测距误差减小到6.2 cm,有效提高测距精度.

基于点云多帧融合的相邻障碍物聚类分割方法

相邻障碍物的分割是无人驾驶领域的技术难点,低线激光雷达点云稀疏,无法聚类远距离物体,但激光雷达线束越多越昂贵。为了实现低成本聚类分割相邻障碍物,实验场景选取常用交通场景对象相邻的人/人、人/车,提出了一种基于多帧融合的相邻障碍物分割方法。基于惯性测量单元、激光雷达融合多帧点云,解决了低线激光雷达因分辨率低而无法聚类远距离相邻行人的问题。提出改进的欧式聚类,加入自适应阈值和向量角度约束两个新的分割标准,提高相邻障碍物的分割效果。实验结果表明,该方法具有成本低、聚类精准等特点,与单帧传统欧式聚类算法相比,该方法针对相邻障碍物分割的准确度提升约30.7%,对低线激光雷达在障碍物聚类以及后续的检测具有一定参考意义。

2μm人眼安全波段太阳光抽运激光器的理论研究

太阳光直接抽运激光器在空间光通信、遥感等领域有着重要的潜在应用,但是一直以来人们对太阳光抽运激光器的研究局限于以掺Nd3+粒子为增益介质的1μm波段.通过对现有固体激光工作物质的吸收谱进行分析,发现掺Tm3+离子在太阳辐射较强的可见光波段具有强的吸收峰,使2μm人眼安全波段实现太阳光直接抽运激光输出成为可能.本文对Tm:YAG和Tm:YAP两种常见晶体的吸收谱与太阳光谱匹配度进行了分析计算,得出两种材料用于太阳光抽运激光器的阈值抽运功率密度分别为1.14和1.434 kW/cm3.选择与抽运阈值功率密度低的Tm:YAG晶体作为增益介质,使用TracePro软件建立太阳光抽运激光器的二级抽运模型,并对模型进行优化,得到了锥形腔窗口与菲涅耳透镜的最佳距离、晶体棒的最佳长度以及锥形腔最佳锥度.本文的工作为实现太阳光直接抽运2μm激光输出做了理论上的准备.

可调谐外腔半导体激光器研究进展

可调谐外腔半导体激光器具有线宽窄、调谐范围宽、单模输出、输出功率高等优良特性,在白光干涉测量技术、波分复用系统、相干光通信、光纤传感等领域有着广泛的应用。文章首先介绍了可调谐外腔半导体激光器的基本原理以及各种典型外腔结构的调谐机理,然后根据外腔结构阐述了各种可调谐外腔半导体激光器的最新研究进展,分析了不同外腔结构的优缺点,最后对可调谐外腔半导体激光器的不足进行了总结,展望了其未来发展趋势。

基于小波变换的激光水下测距

提出一种基于小波变换思想的水下测距方法.根据信号的能量一致性以及小波的带通滤波特性,并以二元样条插值为架构,实现信号的时频结合.该方法先将时域信号进行小波时域分解滤波,获得较为完整的时域有效信息,然后对初步处理的时域信号进行小波频域分解,通过找寻信号时频域对应的能量最值位置锁定目标,实现精确测距目的.进行不同衰减长度水体的连续光水下测距实验,分析该方法对连续光水下探测的影响.经实验验证,该测距方法在输出功率2.3 W内,成功实现对8个衰减长度内目标的准确测量,其测距精度小于1 cm.

微纳光纤Fabry-Perot超低温压力传感器研究

提出了一种用于超低温环境的微纳光纤非本征法布里-珀罗干涉仪压力传感器。单模光纤端面通过飞秒激光刻蚀出微孔,与无芯光纤熔接形成密闭的法珀腔。通过将无芯光纤切割、研磨等步骤,制作出微纳光纤压力传感器。利用飞秒激光微加工,可以加工出不同孔径的微孔及不同厚度的膜片,得到不同灵敏度及测量压力范围的压力传感器。实验结果表明,提出的传感器在-196℃、0~5 MPa的压力范围内表现出良好的线性度,压力升高和降低过程中腔长-压力灵敏度分别为110.33 nm/MPa和110.68 nm/MPa。该传感器能够满足超低温环境下的压力测量需求。

湍流大气中高稳定性全庞加莱球光束模式选择(特邀)

作为新型结构光束的一类,全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合,近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而,传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响,进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏,对具有"C"型偏振奇点的全庞加莱球光束、"V"型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明,相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言,坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r0=0.5 m,0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r0=0.056 m),优势区域缩小至2σ∈[-5π/32,0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。

蓝宝石光纤高温Fabry-Perot传感器综述

蓝宝石为晶体材料,其熔点为2045℃,具有高强度、高耐热性、高抗腐蚀性等良好的高温物理化学性能。单晶蓝宝石光纤可以在高于1000℃的超高温下传输光信号,基于其制作的蓝宝石光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器耐超高温、本征安全,适用于危险、恶劣的环境中,近年来,得到广泛研究,已研制出用于超高温环境的蓝宝石光纤温度、压力、振动传感器。文章综述了蓝宝石光纤F-P传感器的研究进展,介绍了课题组在蓝宝石光纤传感技术方面的研究成果,最后对传感器的研制提出了改进建议。

面向天线组阵的光载微波光纤稳定传输技术

光载微波光纤稳定传输技术解决了天线组阵中所需的延时(或相位)稳定的微波信号远距离分配难题,在多天线协同的新一代微波测量中具有不可替代的作用。本文介绍了光载微波光纤稳定传输的基本理论,分析了制约传输稳定性的关键因素,并展示了基于相位预补偿和基于光延时校正的提高传输稳定性的技术途径。通过光电双外差混频的相位检测高灵敏地感知光纤链路延时变化,并分别利用微波相位调控和光延时调控来对这一变化进行高精度的补偿,最终实现了多路时间抖动在数十fs量级的高稳定光载微波传输,为天线组阵等多天线协同微波测量中的信号级同步提供了有效的解决方案。

长波红外量子级联激光器的高效率光纤合束

长波红外量子级联激光器(QCL)具有波长设计灵活、体积小、寿命长等优点。目前单横模QCL较低的输出功率(1~3 W)是限制其应用的主要因素。光纤功率合束技术是提升输出功率的有效手段。然而由于长波红外波段缺少低传输损耗的玻璃光纤,使得高效率长波红外光纤功率合束的实现难度很大。本文研究了基于低损耗单模空芯光纤的长波红外激光功率合束技术。针对基横模长波红外QCL有源区尺寸大、发散角大的特点,设计了大数值孔径扩展光源双非球面准直镜,有效提高了单模光纤耦合效率。设计制备了无端面损耗的长波红外单模光纤束,光纤传输效率高达91.2%,实现了7.6~7.8μm波段QCL的高效率合束。当4个长波红外QCL的输出总功率为2.27 W时,采用所设计的光纤耦合光学系统及制备的4×1单模空芯光纤合束器获得了1.5 W的连续输出,总合束效率为66%。此外,测量得到单根单模长波红外光纤耦合输出光的光束质量因子M~2为1.2,光强分布和光束质量因子均优于QCL的直接输出激光,说明空芯单模光纤具有一定的非高斯光束模式净化作用。合束光束的传输质量因子为2.6,依然具有较好的光束质量。本文所研究的光纤合束方式对QCL的输出波长、偏振态均不敏感,且具有良好的可扩展性。实验结果表明,此方式可有效解决长波红外QCL单元器件输出功率偏低的问题。

基于异常反射型超表面的中红外激光偏振合束器

提出一种基于异常反射超表面的偏振合束器。当两束偏振态正交的(X方向线偏振和Y方向线偏振)4.0μm波段光束分别以11.54°和-11.54°角入射至超表面时,借助异常反射效应,两路光会同时以0°角反射,从而实现偏振合束。超表面偏振合束器由2μm×20μm的周期性排列超胞构成,制备在硅衬底上。每个超胞包含10个离散的2μm×2μm单胞。单胞由底层金、中间层二氧化硅和顶层矩形硅柱构成。采用粒子群算法优化顶层硅柱的两个边长尺寸,可实现两路正交偏振光相位和振幅的独立操纵,使X和Y方向线偏振光的异常反射率高达96.6%和97.7%。基于这一偏振合束器,设计了中红外激光偏振合束实验装置。当两路入射光均为基横模高斯光束时,通过仿真分析得到合束后光束的传输质量因子M2为1.12,整个合束装置的合束总效率为85.3%。仿真结果表明,所提出的合束技术可有效提高中红外激光的输出亮度。

全局采样空间注意力机制及其在图像分类与小目标检测识别中的应用

注意力机制的出现和应用在一定程度上改善了神经网络对全局信息应用不足的缺陷,但常见的注意力机制模块也同样存在感受野小无法关注全局信息的问题,而某些全局注意力机制模块则计算成本过高。为此,提出一种基于卷积、池化、对比方法的轻量化注意力模块,即全局采样空间注意力模块。对于深度网络推理过程中部分模块输出的中间特征图,该注意力模块通过对比差值的形式获取所需要的空间注意力图。全局采样空间注意力模块是一种轻量化的通用模块,能够直接置入卷积神经网络中,增加的成本几乎可以忽略不计,并且其能够与网络一同进行端到端训练。主要在随机抽取的部分ImageNet-1K数据集和团队自制的“低慢小”无人机数据集中对模块进行了验证。实验结果显示,相比其他模块,所提模块在图像分类和小目标检测识别任务中具备1百分点~3百分点的性能提升效果,证明了所提模块的性能与其在小目标检测方面的适用性。