激光技术杂志

激光技术杂志2025年第1期

• 基于可饱和吸收体和3 dB环镜滤波器结构的双波长激光器

  张威, 果鑫, 赖榕, 韩林桀, 夏志鸿

  为了提高双波长环形腔激光器的激光输出质量, 将掺铒光纤可饱和吸收体加入3 dB环镜, 构成滤波环, 采用滤波环与输出端耦合器级联实现激光器输出滤波, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 波长为1554 nm和1562 nm的激光输出带宽分别为0.029 nm和0.038 nm, 双波长峰值波动分别为0.0048 mW和0.0087 mW, 信噪比为55 dB。此基于可饱和吸收体和3 dB环镜滤波器结构的双波长激光器具有更好的线宽压窄特性和稳定性, 可应用于大容量通信和激光治疗等领域。

• 基于相干激光雷达的双偏振探测技术

  罗晓翩, 冯力天, 尹微, 靳国华, 彭涛, 董吉辉, 张永科, 周鼎富

  为了在大气遥感中对风场和退偏比进行联合分析, 提出了一种双偏振相干探测方法。基于传统相干测风激光雷达(LiDAR), 设计了能实现正交偏振信号分集接收的探测系统, 并推导了此系统下大气退偏比计算原理; 搭建系统并进行了实验, 在不同天气条件下, 对比观测平行偏振光和垂直偏振光径向风速信息, 结合实时大气退偏比参数双维度描述大气状态。结果表明, 激光发射能量为100 J、脉宽为400 ns、距离分辨率为30 m时, 阴天、雾天、雨天、晴天径向风速测程分别可达6.0 km、5.5 km、3.0 km、3.0 km; 大气退偏比测程为2.0 km、2.0 km、1.0 km、1.0 km; 测程内双通道径向风速的一致性不随天气而变化。该研究为大气多要素一体化探测提供了参考。

• 小型磁阻式快速反射镜研究

  胡子鹏, 刘力双, 刘鑫

  为了满足约束空间下的15 mm口径快速反射镜需求, 对磁阻式电磁驱动进行了理论分析和建模仿真, 分析了电磁驱动中线圈、永磁体参数、气隙, 磁芯及导磁体等参数对驱动力矩的影响; 根据仿真优化结果设计了快速反射镜样机, 并进行了实验测试。结果表明, 快速反射镜外形尺寸为?24.0 mm×33.5 mm, 转角范围为2维±1°, 工作带宽大于350 Hz, 主体重量79 g, 口径15.0 mm, 平均功耗7.36 W; 快速反射镜样机体积小、重量轻、转角范围大, 可应用于约束空间下的光束指向。此研究结果有助于推广小型磁阻式快速反射镜在空间或负载重量约束较高的场合进行应用。

• 基于采样平均法相差检测的溶解氧测量方法

  李天林, 刘天元, 黄梅珍

  为了实现光学法溶解氧质量浓度的快速高精度测量, 提出了一种基于采样平均法检测相位差的溶解氧测量方法。利用采样平均的方式消除单点误差的干扰、提高测量精度, 并进行了理论分析和实验验证, 对该方法的测量精度和速度进行分析, 同时研究了信号采样频率对测量误差的影响; 与现有多种方法的性能进行了对比, 并搭建溶解氧测量系统对测量效果进行验证。结果表明, 采样平均法检测相位差的优势明显, 其测量精度高(平均误差约为1.13°, 测量标准差为1.24°), 测量速度快; 溶解氧测量系统相对测量误差为2.84%, 相对测量标准差为4.51%, 实现了较高精度的溶解氧质量浓度测量。此研究为光学法高精度溶解氧测量提供了一种更简单准确的相位差检测方法。

• 采用柔性支撑振镜抑制周扫光电侦察系统像移

  曹佳乐, 陈青山, 夏润秋, 王艳林

  为了抑制周扫光电侦察系统的像移，并降低虚警率，采用柔性支撑振镜进行高频像移补偿。使用柔性支撑结构代替轴承支撑结构，给出了补偿振镜传递函数模型，搭建了包括目标标靶、方位转台、像移补偿振镜等功能部件的柔性支撑振镜像移补偿效果测试系统。结果表明，像移补偿振镜摆扫频率大于105 Hz，匀速段时间大于5.5 ms，速度稳定性大于99.60%, 探测器成像清晰，明显抑制像移，柔性支撑振镜可以满足周扫光电侦察系统高频像移补偿的需求。此研究对周扫光电侦察系统在高频成像探测时的像移补偿领域有一定的参考价值。

• 基于多尺度双边滤波Retinex的非均匀光照散斑图像矫正

  陈松, 温宇鑫, 安浩铭

  为了解决场景中非均匀光照导致散斑图像质量下降，进而影响数字图像相关测试精度的问题，采用多尺度双边滤波Retinex算法对散斑图像进行光学校正，实现光照不均匀场景下位移场与应力场的高精度光学测量；进行了模拟散斑图像的亚像素位移的实验，并与现有图像光学校正算法进行对比，取得了相应散斑图像位移均值误差、标准偏差以及质量评价指标数据。结果表明，所提出的算法对于非均匀光照散斑图像具有良好的校正效果，可以解决图像边界模糊和局部过度校正的问题，校正后散斑图像的平均灰度梯度从12.986上升到14.574，位移标准偏差从0.0443下降到0.0335。该方法可以增强散斑质量，保证光照不均匀场景下数字图像相关方法的测试精度和稳定性，提高复杂光照场景下数字图像相关方法的测试精度，为实际环境中光照突变的非接触测量提供了参考。

• 一种消除相位变化和调制深度的改进PGC解调技术

  童晓凡, 孔勇, 张贺, 吴慧慧, 廖后章

  为了解决传统的相位生成载波解调技术中载波相位延迟、初始相位差和低频环境噪声等因素引起的相位变化以及相位调制深度引起的波形失真问题，提出了一种新的基于传统反正切解调的改进解调算法。该算法从理论上可同时消除载波相位延迟等不同因素引起的相位变化和调制深度依赖性的影响，无需额外的计算和补偿。结果表明，通过仿真软件和构建马赫-曾德尔干涉仪解调设备对所提出的改进算法与其它两种算法的波形和性能指标进行比较，新算法信噪比高达71.51 dB，总谐波失真率低至0.0004501%；改进算法对载波相位延迟、初始相位差和低频环境噪声等因素引起的相位变化和调制深度不敏感。该研究为提高相位产生载波解调技术的精度，提高系统性能提供了参考。

• 端面抽运窄脉宽高转化率全固态532 nm激光器

  吕锋, 康恺, 邓俊杰

  为了得到高转化率与窄脉宽的绿光激光器，利用两个最大功率为80 W、中心波长为878 nm、线宽1 nm的激光二极管抽运源，端面抽运两个Nd ∶YVO4晶体，经过光阑选模和声光Q晶体调制后，利用三硼酸锂晶体将1064 nm基频光倍频后导出腔外，整体采用平凸非稳腔方式控制晶体热透镜效应，得到了在工作模式下稳定输出的532 nm绿光激光器。结果表明，当重复频率为100 kHz、两个抽运模块抽运功率都为70 W时，激光器的输出功率为36.7 W，脉宽7.3 ns，光光转化效率约为26.2%，光斑圆度大于90%且焦点光斑圆度大于97%，在80 kHz~200 kHz工作条件下, 脉冲抖动小于2%, 该参数绿光激光器在进行玻璃钻孔工艺时, 崩边在100 μm范围内，优于同类型激光器。该研究对于改善纳秒激光器产品工艺效果、拓展产品应用范围是有帮助的。

• 利用匹配滤波的调频连续波激光测距技术研究

  张鹏, 封治华, 张鹏飞, 赵渊明, 阮友田, 韩文杰, 张辉, 康朝阳

  基于差频解算的调频连续波激光测距技术存在测量距离短、易受噪声干扰、受非线性调频影响大的问题。为了在相同机制条件下解决此问题, 提出了基于匹配滤波的调频连续波激光测距方法, 改进相干探测光路, 加入信号反转单元和信号共轭单元, 将混频器换成卷积器, 同时满足系统响应与发射波形匹配, 并进行了相关仿真实验。结果表明, 相比差频解算方法, 匹配滤波方法可实现两倍于差频解算方法的测距范围, 信噪比提高了9. 5 dB, 在非线性调频误差为19. 8 MHz、198 MHz和396 MHz条件下均能得到较高分辨率的距离谱, 表现出较好的抵抗非线性调频的能力。此研究可为该领域的科研工作者提供技术指导和新的思路。

• 规则截面无限长柱体的光散射研究

  颜兵, 张华永, 陈平, 刘晨华

  为了研究任意规则截面的无限长柱体对入射光束的散射特性，提出了一种半解析方法。采用适当的圆柱矢量波函数来展开散射场和内场，通过电磁场边界条件和投影法确定展开系数; 以基模高斯光束和径向环状光束照射横截面为圆形、椭圆形和矩形的无限长柱体为例，对归一化的近场强度分布进行了数值仿真。结果表明, 光束经过圆柱和椭圆柱传输后发生明显的干涉现象，而矩形柱对光束具有一定的汇聚作用。该研究为求解任意规则横截面的无限长柱体对任意光束的散射提供了一个应用方便的半解析解。

• 基于Schatten-p LatLRR的电力设备红外与可见光图像融合

  史文云, 任晓明, 颜楠楠

  为了解决潜在低秩表示(LatLRR)方法中使用的核函数可能导致的对秩函数逼近出现偏差问题，采用基于Schatten-p范数与潜在低秩分解的方法，进行了理论分析和实验验证。通过中值滤波方法对图像去噪，利用基于Schatten-p范数和LatLRR的图像分解方法，将图像分解为低秩部分与显著部分；采用算数平均策略融合红外与可见光的低秩部分，采用求和策略融合红外与可见光图像的显著部分；最终采用求和策略融合已融合好的低秩部分与显著部分，得到兼具清晰的纹理信息和显著的热故障信息的红外与可见光融合图像。结果表明, 最佳融合效果的p值为0.6, 在7种算法中有最好的融合性能。该方法能够有效地捕捉电力系统红外与可见光源图像中丰富的整体结构和局部结构信息。

• 面发射激光器的高速性能研究

  陈钊, 李惠, 钟础宇, 张幸, 苗威, 王彬, 张帅一

  为了简化工艺，提高面发射激光器的调制带宽与数据传输速率，采用多量子阱有源区设计、介质平面化工艺制备、氧化约束限制等方法，制备了一种发射波长为850 nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。工艺上采用低介电常数的聚酰亚胺(PI)进行平面化，而非高速VCSEL芯片上常用的苯并环丁烯, 研究了基于PI胶平面化工艺的高速器件的寄生响应。结果表明，在低偏置电流下，具有3 μm氧化孔径的VCSEL显示出最大调制带宽为25.2 GHz，谐振频率为24.3 GHz，寄生截止频率为13.2 GHz，调制电流效率因子为22.726 GHz/mA1/2, D因子为19.670 GHz/mA1/2，阈值电流和微分电阻分别达到0.27 mA和215.965 Ω，最大光输出功率为0.9 mW; PI方案可用于调制带宽为25 GHz及以下的产品。这一结果对简化工艺、提高面发射激光器的数据传输速率具有一定的指导意义。

• 融合坐标注意力机制的植物低照度多光谱图像增强模型

  张伯驹, 朱启兵, 黄敏, 赵鑫

  为了解决短时曝光条件下高(多)光谱图像照度和信噪比偏低问题，提出了一种基于改进残差(Res-UNet)的高(多)光谱图像增强模型。该模型以Res-UNet为主干网络，采用空洞空间金字塔池化和坐标注意力机制强化模型的特征聚合能力，并引入标准分数损失函数以改善模型对光谱曲线的重构能力，利用图像增强质量指标和下游任务(干旱叶片分割精度)对所提模型的性能进行评价。结果表明，改进后模型的峰值信噪比、结构相似度和光谱角映射分别达到0.9852、39.71和3.120，优于对比算法；其对于干旱叶片的分割精确率也高于各类主流算法。该模型对植物低照多光谱图像增强的有效性，可为各类光谱图像下游任务提供信息支持。

• 2维超大行程快反镜的分段非线性拟合标定

  李晓天, 陈青山, 王艳林, 刘力双

  为了实现集高速扫描与精确指向功能于一体的2维超大行程快速反射镜(快反镜)的高重复定位精度与分辨率，采用分段标定方法，设计了2维超大行程快反镜角度标定系统；对多项式拟合法进行优化得到分段式非线性拟合法，并对标定模型进行了理论分析和实验测试。结果表明，在±5°范围内，传统的多项式拟合法标定误差最高达1.7 mrad，而优化后的分段式非线性拟合法在±5°标定的拟合误差小于8.2 μrad，x、y轴分辨率分别可达4.6 μrad和5.6 μrad，x、y轴重复定位精度分别为19.4 μrad和9.6 μrad。此研究对精确控制2维超大行程快反镜有重要的作用。

• 便携式小型化磁光阱系统

  丁会, 高蓓, 苏殿强, 姬中华, 蒋源, 马一飞, 赵延霆

  为了实现一种新型且简单的磁光阱(MOT)原子俘获，采用了大口径单光束和多个反射镜组合的方式来简化磁光阱结构，并用永磁体替代线圈提供所需的梯度磁场来增加冷原子俘获装置的便携性。分析了腔室内的偏振光和实验光路构成，并进行了实验验证；采用收集荧光法、及释放和再捕获的方法测得了在不同铷原子释放器电流下的原子数目和电流关闭后原子团寿命的变化。结果表明，俘获的87Rb原子团的大小约为1.5 mm，冷原子数目大约为1.7×107，原子团的温度约为177 μK。该MOT结构可以在小型化的基础上实现理想的原子俘获，研究结果为新型量子传感器领域提供了参考。

• 基于色散渐减光纤的自相似子激光器优化设计

  陈楚浜, 张巧芬, 吴铭扬, 王桂棠, 吴黎明, 邓耀华

  为了提高自相似子激光器可容忍的最高增益饱和能量，基于脉冲在色散渐减光纤(DDF)中进行自相似演化时具有较强抗光波分裂特性的原理，采用DDF替代自相似子激光器中的单模光纤(SMF)的方法，进行了理论分析和仿真验证。结果表明，DDF替代SMF后，激光器可容忍的最高增益饱和能量增大33.3%, 激光器的输出脉冲能量提高109.2%, 脉冲峰值功率提高20.6%, 脉宽缩短23.1%, 自相似评价因子从0.077降低到0.065;在自相似子激光器中利用DDF替代SMF进行脉冲演化可有效提高激光器的最大增益饱和能量，进而使激光器的输出自相似脉冲的脉冲能量更大、脉冲峰值功率更高、脉宽更窄、脉冲质量更高。此研究对获取高功率自相似脉冲具有一定参考价值。

• 基于改进complex-YOLO激光雷达的行人检测算法研究

  许立, 凌铭, 王若铭

  激光雷达点云有明显的离散性，其信息密度远低于图像，从而导致行人检测在此背景下的检测精度较低。为了解决此问题，提出了一种基于改进型复合你只看一次(complex-YOLO)的激光雷达行人检测方法。设计了一种新的网络特征提取结构，增强主干网络的特征学习能力，以便在数据稀缺的情况下更充分地挖掘信息; 使用的级联特征金字塔网络及其多分支线性融合方法能够融合不同尺度、不同深度的特征，提升网络的泛化性能，以应对数据特征畸变的情况; 在训练过程中还采用了增强交并比(EIoU)以加速网络的收敛速度。结果表明，改进后的算法检测精度提升了3.03%。该研究对在稀疏数据情况下提高行人检测精度是有帮助的。

• 选区激光熔化WC-12Co单道成型工艺参数优化

  贾娜, 余本军, 张纯朴, 王春昕, 刘九庆

  为了实现硬质合金WC-12Co金属粉末制品整体成型制造，采用选区激光熔化(SLM)技术对WC-12Co合金粉末单道熔池成形进行了理论分析和实验验证，取得了单道熔池成形的最佳工艺参数。结果表明, 激光扫描速率和功率的不同组合影响了单道熔池的连续性和形貌，当激光功率为340 W、扫描速率为600 mm/s、扫描间距为60 μm/道、铺粉厚度为40 μm/层时，单道熔池形貌达到了最佳状态，呈现出稳定连续的“鱼鳞状”形貌，成形对象单层裂纹最少；在单道成形过程中，单道熔池截面出现了W元素聚集的现象，该现象是导致成形WC-Co块体各向异性的重要原因。该研究结果对硬质合金WC-12Co金属粉末制品的成形起到了决定性的作用。

• 基于霍夫圆检测的五轴光纤准直器自动耦合装置

  郜玉鑫, 王鹏峰, 金骥, 张娜, 金杰, 章聪, 李运堂

  为了解决波分复用器生产过程中光纤准直器耦合装配耗时长、自动化程度低等问题，设计了基于霍夫圆检测的五轴光纤准直器自动耦合装置。利用具有X、Y、Z 3个移动自由度和R、J 2个转动自由度的五轴调节平台带动U型真空吸嘴实现准直器稳定吸取和位姿调整；采用半透式红外光卡和相机模组构成视觉系统，利用霍夫圆检测获取光卡上光斑的中心坐标，通过五轴调节平台将准直器移动至与光斑中心相同的轴线上实现准直器位姿粗调；采用光功率计测量耦合光功率，由R、J自由度微调准直器获取最佳耦合位姿，实现准直器精准耦合。结果表明，自动耦合装置效率比人工提高6倍，光纤准直器耦合效率高于75%，满足产品质量要求。该研究为光纤准直器高效自动耦合提供了参考。

• 基于多分类高斯SVM的光纤信号的模式识别方法

  吴明埝, 沈一春, 陈青青, 王道根, 李松林, 谢书鸿, 尹建华, 徐拥军

  为了有效提升光纤信号识别精度，采用了一种基于多分类的高斯支持向量机(SVM)的信号事件类型判别方法，先通过汉宁窗卷积的方法以及95%能量的原则来识别事件发生始末段信息，再从时域、频域以及尺度域等角度出发，对归一化后的多种特征参数的均值与离散性进行分析，并选取合适的主要特征参数，最后采用基于多分类高斯SVM算法对3组不同事件类型进行了分类识别，通过理论分析和实验验证，取得了不同类型光纤事件信号的数据。结果表明，对30组实验数据的事件类型进行模式识别，正确率在96%以上。该方法流程满足了光纤传感的事件信号高精度识别要求，对光纤传感器应用具有较重要的参考价值。

• 一种评价磁流变抛光工艺误差抑制能力的方法

  高博, 范斌, 王佳, 吴湘, 辛强

  为了分析磁流变加工过程中去除函数对加工精度的影响以及去除函数的抗中频误差性能，采用平滑谱方法对加工中误差抑制能力进行了评估。通过非球面光学元件对平滑谱方法及传统功率谱方法进行了理论分析、仿真实验及实验验证，采用平滑谱方法及传统功率谱方法分析了去除函数对非球面光学元件的面形误差和中频误差的抑制能力。结果表明，平滑谱方法对加工中误差抑制能力即去除函数可修正的面形误差值为0.22 mm-1；平滑谱函数可直观地判断去除函数对面形误差和中频误差的抑制能力，并可明确地定量化判断中频误差的变化规律。此方法为磁流变加工中误差抑制能力的评估问题提供了一种解决方案。

• CO2脉冲激光雕刻CFRP表面形貌特征研究

  蔡颂, 余凡, 杨奇, 胡沙沙

  为了探究CO2脉冲激光对碳纤维增强复合材料(CFRP)的加工工艺质量，采用单因素试验方法，进行了理论分析和实验验证，得到了扫描速率、激光功率对加工质量的影响规律，并对CFRP进行了圆形图案雕刻实验。结果表明，材料在激光功率为50 W和扫描速率为60 mm/s时发生穿透，且随着扫描速率降低，材料吸收能量增多而导致图案完全穿透；设定扫描速率为100 mm/s、功率在10 W~5 W范围内变化时，材料表面颜色逐渐出现了白色条纹；采用横向与纵向法测量雕刻后的材料表面粗糙度，两种测量方法均表明其粗糙度的数值呈现先减小后增加的规律，并在激光功率为7 W时粗糙度达到最小值(约为7.030 μm)；雕刻完成的材料经超声波清洗后，当激光功率为9 W、扫描速率为20 mm/s时，粗糙度达到最大值且表面残留物较少，此时雕刻效果较好。此研究结果可为脉冲激光加工碳纤维复合材料工艺提供一定的指导作用。

• 基于能见度激光雷达的机场主导能见度测量

  李仁翔, 戴求淼, 袁山山, 王岚萱, 杨晓琦, 张慧, 朱威威, 徐文静

  为了保障航空器的安全起降，且大范围准确地监测机场能见度分布情况，采用误差分析方法，选取深圳宝安国际机场2022-01—2023-06激光雷达(LiDAR)观测数据，分别与人工观测主导能见度数据和自观系统计算的加权能见度数据进行了比对分析，初步验证了能见度激光雷达测量主导能见度的准确性与可靠性。结果表明，激光雷达观测数据与人工观测数据及自观系统观测数据的平均相对偏差分别为-5.30%和-5.45%，且激光雷达对大范围内能见度的早期变化更为敏感；降雨条件及主导能见度小于1500 m时，激光雷达观测结果的误差较大，需加以人工辅助观测，当主导能见度大于1500 m时，激光雷达可以代替人工输出主导能见度数据。该研究为基于能见度激光雷达的主导能见度测量实现机场业务化运行提供了依据和借鉴。