基于COMSOL千瓦级激光清洗45钢锈层工艺研究

利用COMSOL Multiphysics软件模拟1064 nm波长、20~100 kHz重复频率、1000 W的大功率移动激光清洗实验平台,对激光清洗过程进行可视化分析,研究峰值功率密度和清洗速度对污染层和基底温度场及烧蚀形貌变化的影响规律。此外,利用扫描电子显微镜和粗糙度仪对不同峰值功率密度和搭接率下的激光清洗效果进行实验验证。结果表明:随激光清洗时间的增加,烧蚀过程锈层温度变化接近高斯变化趋势;激光清洗45钢理论清洗阈值为1.9×10^(7) W/cm^(2),理论损伤阈值为10.0×10^(7) W/cm^(2);阈值范围内,峰值功率密度越大,清洗速度适当降低,清洗效果和效率越佳;当峰值功率密度为6.0×10^(7) W/cm^(2)、清洗速度为300 mm/s、对应搭接率为70%时,清洗效果最佳。这些结果对于指导工业参数化kW级激光清洗实验意义重大。

超表面奇异点太赫兹传感(特邀)

奇异点是非厄米系统中的奇点,由两个或多个特征值及其相应的特征向量同时简并产生。超表面是在亚波长尺度上构建的二维人工电磁材料,其结构和性能的人工可设计性为研究非厄米现象提供了新的途径。本文首先介绍了非厄米系统和奇异点的基本理论并概述了奇异点的最新研究进展,之后介绍了超表面奇异点太赫兹传感的研究进展,最后总结了奇异点传感仍然存在的问题,并展望其发展趋势。

用于远程气体探测的双波长中红外激光器(特邀)

为了实现远程气体探测,基于由超晶格材料构成的光参量振荡器,研制了一台双波长输出的中红外激光器。该光参量振荡器通过种子注入的方式,实现了纳秒级窄线宽的中红外脉冲激光输出,重复频率为500 Hz,单脉冲能量超过1 mJ,并能够对准2.6~4.0μm波长范围内的NO、NO_(2)和SO_(2)的吸收峰。通过气体动态排放实验,在远程气体探测实验中对该激光器进行了验证。

微环外腔可调谐窄线宽半导体激光器特性分析

对基于氮化硅的微环外腔反馈窄线宽半导体激光器进行了性能表征和研究。通过对增益芯片的驱动电流、两个微环热电极电压、相位节热电极电压和半导体制冷器(Thermoelectric cooler,TEC)温度控制等参数的调节,实现了C波段可调谐输出,所提激光器的边模抑制比≥52 dB,输出功率>10 dBm。通过对激光器高频白噪声进行表征,计算得到激光器的线宽为0.84 kHz,相位噪声在0.01、0.1和1 kHz处分别为581.04、60.47和6.70μrad/Hz^(1/2)。通过对激光器的相对强度噪声(RIN)进行测试,在1~20 GHz范围内,激光器RIN≤-156 dB/Hz。基于上述优异的性能,基于氮化硅的微环外腔反馈窄线宽半导体激光器有望在光纤传感、微波光子、相干通信和多普勒激光雷达等领域发挥潜在应用价值。

基于径向基神经网络的相位畸变补偿算法(特邀)

数字全息显微镜(DHM)可以对生物样本的复杂波前进行数值重建,但是物体波前存在二次相位畸变和高阶像差,使得成像物体存在一定的相位像差。基于此,提出一种基于径向基神经网络(RBF)的相位畸变补偿算法。使用RBF网络构建非线性函数,最小化损失函数来估算物体的实际相位,损失函数考虑了全息面和RBF网络的输出。在仿真中以原模型为基准计算全局的均方误差,所提算法的均方误差为0.0374,主成分分析法(PCA)的为0.0470,频谱质心法(SCM)的为0.3303。搭建DHM系统用于HL60细胞的成像幅度和相位对比度观察,结果显示,所提算法能够更好地消除载波频率和相位畸变。所提算法无需了解光学参数,且可以通过调整采样点数量控制计算时间和插值精度,在弱散射物体或微纳结构三维形态测量中具有潜在的应用前景。

激光选区熔化成形GH3536高温合金缺陷及质量控制

为了研究激光选区熔化GH3536高温合金成形工艺对成形件内部缺陷类型、尺寸、数量的影响,采用激光选区熔化设备进行样件制备,对其进行抛光态观察和致密度、缺陷数量测试,并分析了合金的缺陷类型、尺寸分布及数量。研究表明:随着工艺参数的改变,能量密度逐渐增加,成形件致密度逐渐增加,并趋于稳定。在79.17~92.59 J/mm^(3)的能量密度范围内,样件内部均匀致密,无缺陷;随着能量密度逐渐增大或者降低,样件内部主要为气孔型缺陷,气孔尺寸<0.1 mm。能量密度≤48.87 J/mm^(3)时,样件内部缺陷主要为未熔合及微裂纹。

基于交错组卷积与稀疏全局注意力的轻量级图像超分辨率重建

卷积神经网络已在图像超分辨率领域得到广泛应用,Transformer近年来在该类图像处理任务中的扩展更是具有里程碑的意义,然而这些大型网络具有过多的参数量和计算量,其在部署和应用上存在很大局限性。考虑到上述发展现状,提出一种基于交错组卷积与稀疏全局注意力的轻量级图像超分辨率重建网络,该网络引入了以交错组卷积为主的特征提取模块,对Transformer的多头自注意力机制进行优化,设计了一种稀疏全局注意力机制以增强特征学习能力,并提出了一种多尺度特征重构模块来提高重建效果。实验结果表明:相比其他几种基于深度神经网络的方法,所提方法的PSNR、SSIM、参数量、计算量等性能指标都表现较好。而与基于Transfomer的方法相比,所提方法在PSNR、SSIM指标上平均提高0.03、0.0002,在参数量、计算量、运行时间上平均降低2.66×10^(6)、130×10^(9)、930 ms。

不同形状椭球粒子对Mueller矩阵偏振的影响研究

针对偏振光通过烟尘环境时椭球灰尘粒子的Mueller矩阵偏振特性变化问题,利用T矩阵与蒙特卡罗模拟结合的方法实现多粒子散射仿真,结合Mueller矩阵极化分解方法分析椭球形粒子形貌参数变化对椭球粒子的Mueller矩阵、二向色性,以及其所导致的相位延迟性、退偏等参数的影响。仿真结果表明:对于椭球粒子的单次散射,横纵轴比相乘等于1的一对椭球粒子的退偏值、偏振度几乎相等;对于多次散射,可以通过Mueller矩阵元M_(24)、M_(34)、M_(42)和M_(43)区别球体和椭球体,通过Mueller矩阵元M_(12)、M_(13)、M_(21)、M_(31)区分椭球粒子的取向方向;椭球粒子的二向色性随着横纵轴比值的增加而衰减,且弱于球形粒子,相位延迟值随着横纵轴比值的增加没有明显变化,但强于球形粒子。本研究可为椭球粒子Mueller矩阵的研究奠定理论基础,为大气颗粒物检测提供新的方法。

基于螺旋长周期光纤光栅的宽带模式转换器

随着光通信网络的发展,高性能宽带模式转换器成为了迫切需求。提出并实验制备了强调制相移少模光纤螺旋长周期光栅,其可以实现全光纤宽带轨道角动量模式转换器的功能。通过增大二氧化碳激光的辐射功率在较短的少模光纤中制备强调制光栅可以显著增大光栅带宽,当在强调制光栅引入相移时,光栅的模式转换带宽会进一步增大。高阶模式转换的10-dB带宽均大于200 nm,且光栅在宽带波长范围内能够直接激发2阶与3阶轨道角动量模式。通过对光栅施加扭转与应力,能够实现宽带波长调谐。该少模光纤螺旋长周期光栅模式转换器可以实现大范围高转换效率的高阶轨道角动量模式激发。

宽色域视频图像技术研究进展

宽色域技术是目前画质增强方向的研究热点之一,该技术可以大大提高视频图像的色彩还原能力,改善人眼的视觉感受。扩展色域的方法主要分为3个方向,传输“负”值色光、高饱和三原色以及多原色。首先简述了宽色域技术的研究意义,然后主要对现有标准色域和主流宽色域标准进行了介绍,并且详细阐述了多原色宽色域的成像与显示技术,最后讨论了该领域待解决的问题以及未来发展趋势。

结合注意力机制的双流卷积自编码高光谱解混方法

针对基于卷积自编码进行空-谱联合的高光谱解混方法中,过度引入像元光谱之间的空间相关性导致丰度过于平滑的现象,提出一种结合注意力机制的双流卷积自编码高光谱解混方法(DSCU-Net)。首先,利用双流卷积网络分别提取高光谱图像的空间特征和光谱特征;其次,为了确保空间特征和光谱特征之间的平衡性,引入通道注意力机制对提取到的空间特征进行重加权,并对光谱特征和重加权后的空间特征进行融合;最后,使用融合后的特征进行高光谱图像重构,并将重构结果送入解混网络的主干网络中进行光谱解混。通过最小化两次重构误差进行解混网络的训练。为了验证所提方法的性能,在两个真实数据集上进行实验,并对复杂场景下算法的性能表现进行分析。结果表明,DSCU-Net能够有效减少过度引入空间相关性造成丰度过于平滑的现象,具有更好的解混性能。

钙钛矿太阳能电池中的二氧化锡电子传输层调控

作为平面异质结钙钛矿太阳能电池(PSCs)的重要组成部分,电子传输层(ETL)在提升PSCs器件的性能和稳定性上起着重要的作用。尽管最常用的两类ETL材料——二氧化钛(TiO_(2))和二氧化锡(SnO_(2)),均以纳米颗粒和溶液方式制备,TiO_(2)却面临着电子迁移率低、器件滞回效应大、化学稳定性差、需高温制备等问题,相比之下,SnO_(2)具有优异的光电学性质、更高的稳定性、可低温制备等优势。聚焦于基于SnO_(2)ETL的PSCs稳定性和界面电荷提取,首先综述了SnO_(2)材料的物理性质和优点;然后从制备和成膜方法(如化学浴沉积、溶液旋涂等)入手,进一步阐明了SnO_(2)的体相和表面缺陷;最后基于SnO_(2)ETL的缺陷,从界面钝化、体相掺杂和双电子层构筑等三方面重点介绍了提升PSCs稳定性和界面载流子提取效率的途径。该综述可助力PSCs性能和稳定性的进一步提升,为该新兴光伏技术进一步实用化贡献有用的见解。

谱峰增益补偿的中红外超连续谱数值模拟

采用一种具有双零色散点的三角形纤芯硅单质光子晶体光纤作为中红外超连续谱激光的非线性工作介质,利用峰值功率为1500 W、脉冲宽度为100 fs、波长范围为2.6~2.9μm的泵浦光激发长度为0.1 m的光子晶体光纤,获得覆盖2~7μm波段的中红外超连续谱。通过改变泵浦光波长实现了谱峰增益补偿,扩大了对气体检测特征波长的光谱覆盖范围。这种谱峰增益补偿的中红外超连续谱可用于实时检测多种温室气体、有毒气体和易燃易爆气体。

区域激光曝光粉末床熔融成形温度场-流场仿真研究

通过COMSOL有限元仿真软件数值模拟区域激光曝光粉末床熔融成形过程,获得区域激光曝光粉末床熔融成形的温度场和流场分布规律,通过分析流场和温度场的演变过程进一步揭示表面张力和马兰戈尼力对熔池成形的影响。结果表明:相较于传统激光粉末床熔融成形,区域激光曝光粉末床熔融成形得到的熔池具有更小的峰值流速,在水平方向上具有非常小的温度梯度,表面张力是熔池成形的主要驱动力,得到的熔池具有更小的表面粗糙度。

基于多约束图形分割的点云对象基元获取方法

针对目前LiDAR点云对象基元获取方法存在的运算量大、不能对建筑物不同屋顶平面进行有效分割等问题,提出一种基于多约束图形分割的点云对象基元获取方法。该方法采用基于图的分割策略,首先使用邻近点约束条件构建网图结构,以此来降低图的复杂度,提高算法的实现效率;然后对相邻节点的法向量夹角进行阈值约束,从而将位于同一平面的点云分割为同一对象基元;最后进行最大边长约束,对建筑物点云与其邻近的植被点进行分离。为验证所提方法的有效性,选用3组由国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)提供的公开测试数据集进行测试以及2组由武汉大学提供的数据集进行实验分析。实验结果表明,所提方法能够有效分割建筑物的不同屋顶平面。使用DBSCAN和谱聚类方法与所提方法进行对比,利用准确率、召回率和F1得分作为精度评价指标。相比其他方法,在5组不同建筑物环境的点云数据中,所提方法均能取得最佳的整体分割效果,召回率和F1得分均优于其他两种方法。

基于时序数据回归分析的深度学习云检测

云的存在影响卫星数据的使用,因此准确高效的云检测在遥感图像目标识别和参数定量反演中具有重要作用。针对亮地表、薄碎云及云边界等难以识别、不同尺度特征的云检测精度不稳定等问题,对短期时序数据进行线性回归计算,将前后时序数据的表观反射率斜率变化趋势作为输入特征。为充分挖掘不同尺度的信息,采用具有密集跳跃结构和深监督结构的UNet++模型进行云检测研究。与单时相数据集的U-Net、SegNet和UNet++相比,所提方法可以更有效地突出多尺度特征,增加对亮地表、云边缘和薄云信息的敏感度。结果表明,所提方法在云检测方面得到较高的精度,总体精度达98.21%,误检率降低至1.07%,漏检率降低至3.12%。所提方法能有效降低裸地、道路、建筑物、冰雪等亮地表对云识别的干扰,提升了对薄云的识别精度,且适用于不同下垫面的遥感影像。

新型深紫外非线性光学晶体研究进展(特邀)

深紫外非线性光学晶体通过非线性光学效应改变激光频率,输出波长短于200 nm的深紫外激光,是全固态深紫外激光源的核心材料,在深紫外激光光刻、半导体芯片缺陷检测、高端科研装备等领域有重要的应用价值。近年来,新型深紫外非线性光学晶体材料的研究取得了系列进展,涌现出若干具有应用前景的候选材料。本文着重介绍基于实验测得的折射率,相位匹配波长达到深紫外区的晶体材料,综述其在材料设计、晶体制备、基本性能和结构-性能关系等方面的研究进展,探讨了实用化深紫外非线性光学晶体材料的发展趋势。

基于可见光的无线传能系统仿真与设计

针对火箭点火、无线传感等中距离、强电磁干扰环境下的供电问题,设计了一种可见光无线传能系统,利用可见光实现数米距离的无线能量供给。通过光学仿真软件建立了可见光无线传能系统的光学模型,分析了光源轴向离焦量、平凸透镜位移对光能利用率、光斑均匀性、光电转换效率的影响,并确定了系统的实验参数,为实现更大功率、更远距离、更高效率的可见光无线传能和变距离传输自动装置提供了依据。实验测试结果表明,使用反光和聚光透镜组合,大幅减少了光束散射,有效提高了可见光无线传能系统的能量传输效率。该系统有助于解决当前无线供电米级以上的中距离盲区,以低成本解决部分极端环境下更换电池不便、电磁干扰严重情况时的小功率装置供电问题。

基于VCSEL投影阵列的散斑结构光三维成像技术及其传感器设计

散斑投影轮廓术通过投影单幅随机散斑图案编码场景的深度信息,利用散斑匹配技术建立立体图像间的全局对应关系,从而实现单帧3D重建。但由于被测物体表面的复杂反射特性和双相机间存在的视角差异,投影单幅散斑图案无法为整个测量空间中每个像素编码全局唯一的特征,由此带来的误匹配问题导致测量精度较低,难以满足一些工业场景的高精度测量需求。提出一种基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)投影阵列的散斑结构光三维成像技术及其传感器设计方法,所研制的三维结构光传感器集成了3个小型化散斑投影模组,投影一组空间位置不同的散斑图案,对被测场景的深度信息进行高效时空编码。提出一种由粗到精的时空散斑相关算法,以提升测量精度,重建复杂物体的精细轮廓。通过精度分析、三维模型扫描、小目标金属零件检测、复杂场景测量等实验证明,所提三维结构光传感器实现了远距离、大视场的高精度三维测量,可潜在应用于零件分拣、机器人码垛等工业场景。

反射式红外激光触发装置失稳现象分析与研究

针对红外触发装置在经过长时间工作之后出现失稳现象,在分析红外触发装置工作原理的基础上,通过实验监测和分析手段得出如下结论:红外触发装置经长时间工作后,因温度累积导致温度上升,引起红外激光触发装置的光源——红外激光器阈值电流Ith(T)上升,而温度升高同时引起激光光源驱动恒流源输出电流Iout(T)降低,当Iout(T)<Ith(T)时,红外激光器无法正常发出激光,输出功率不稳定,导致红外触发器失稳。在此研究基础上,通过提高恒流源的输出电流至最大阈值电流的1.44倍,即640 mA后,可保证在系统温度变化范围内,I out(T)>Ith(T),红外激光器始终处于稳定发光状态,从而使红外触发装置也处于稳定工作状态。经过长时间的上电运行验证实验,红外触发器工作稳定,未发生误触发信号,较好解决了其失稳问题。此研究对提高红外触发装置的稳定性有重要的工程应用价值。