激光技术杂志

激光技术杂志2025年第2期

• 干涉仪量子增强相位精密测量的光子损耗鲁棒性

  李俊宏, 冯夏宁, 韦联福

  为了提高光子光学干涉仪在光子损耗情形下的相位测量精度，以典型的twin-Fock态为例输入光子马赫-曾德尔干涉仪，对光子符合计数探测在光子损耗下的探测精度进行了理论研究。结果表明，相较于宇称测量，当使用光子对作为输入时，光子符合计数探测方案对光子损耗显示出更强的鲁棒性，基于光子符合计数探测的相位测量精度在相位位于π/4和π/2之间时可以非常接近于量子克拉美罗界。采用光子符合计数探测方案有助于在实际环境中实现超高精度的相位测量，从而为突破传统散粒噪声限制提供了可能性。

• 面向视障人群的室内视觉辅助算法的研究

  欧阳玉旋, 张荣芬, 刘宇红, 彭垚潘

  为了解决现有室内视觉辅助算法检测性能低、模型参数量大、不易部署于边缘设备等问题，对你只看一次(YOLO)网络YOLOv7-tiny进行改进，提出一种新的YOLOv7-ghost网络模型。针对模型参数量大的问题，引入幽灵瓶颈(GB)代替部分池化操作和高效层聚合网络(ELAN)，大幅度降低模型参数量；构建了一个全新的高性能轻量化模块(即C2f-全局注意力模块)，综合考虑全局和局部特征信息，更好地捕捉节点的上下文信息; 然后引入快速空间金字塔池化和幽灵瓶颈(SPPF-GB)模块，对特征进行重组和压缩，以融合不同尺度的特征信息、增强特征的表达能力；最后在头部引入可变形卷积(DCN)，增强感受野的表达能力，以捕获目标周围更细粒度的目标结构和背景信息。结果表明，改进后的模型参数量下降了20.33%，模型大小下降了18.70%，平均精度mAP@0.50和mAP@0.50~0.95分别提升了1.2%和3.3%。该网络模型在保证轻量化的同时，检测精度得到了大幅度的提升，更利于室内场景目标检测算法实际应用的部署。

• 基于LIBS技术的钢丝表调液Zn元素快速检测分析

  时晨, 马明俊, 方丽, 赵南京, 殷高方, 陈富强, 张小玲

  为了实现钢丝表调液在线快速检测，采用滤纸富集钢丝表调液，验证富集方式的可行性；在此基础上研究了pH值对激光诱导击穿光谱(LIBS)技术检测结果的影响，并通过匹配标准样pH值分别建立定标曲线，反演某钢丝厂7种表调液中的Zn元素，进行了理论分析和实验验证。结果表明，Zn含量相同时，随着pH值变化，其LIBS光谱强度有显著差异；不同种类钢丝表调液pH值覆盖-0.91~8.95，针对不同pH值样品，其相关系数均达0.98以上，7种表调液LIBS技术检测与电感耦合等离子体质谱法检测结果之间平均相对误差为-13.09%；用LIBS技术结合pH值匹配建立定标曲线，可实现钢丝表调液中Zn元素快速准确测量。该研究为LIBS技术应用到钢丝生产过程中表调液关键元素的在线检测提供了方法基础。

• 激光增强不锈钢表面吸收率工艺及机制研究

  何荧, 吕绪明, 王怡龙, 李飞阳, 朱海红

  为了增强不锈钢表面红外波段的吸收率，采用纳秒光纤激光器对不锈钢板材表面进行改性处理，研究了工艺参数对烧蚀坑尺寸、表面粗糙度和黑度的影响以及激光增强不锈钢表面吸收率的机理，并提出了提高吸收率及生产效率的方法。结果表明，当其它工艺参数固定时，减小扫描速率却提高了搭接率，使得沟槽深度和试样表面粗糙度增大；不锈钢表面吸收率增强是具有陷光作用的微米级表面微结构和氧化发黑的综合作用结果，其中微结构陷光作用影响更大，吸收率与表面粗糙度正相关；当扫描间距很小时，由于在工件表面产生具有强烈陷光作用的凹凸不平的微米级微结构和热累积导致的氧化发黑，使得工件表面粗糙度及黑度大，吸收率可高达92%；当扫描间距合适时，烧蚀沟槽壁不会被下一道激光烧蚀，试样表面粗糙度大，可同时获得高吸收率和加工效率。该研究为高效率增强金属表面吸收率提供了新方法。

• 激光熔覆AlN/TiAl制备Ti-Al-N复合涂层及其摩擦性能研究

  黄飞龙, 肖华强, 林波, 莫太骞

  为了制备耐磨钛基涂层，采用激光熔覆技术在TC4表面制备了Ti-Al-N涂层，对不同激光功率下涂层的物相组成、组织演变、硬度进行观察分析，再对复合涂层在空气环境中的摩擦学性能进行分析。结果表明，涂层增强相主要由Ti2AlN, TiN, TiAl及TixAly等组成，各物相衍射峰强度随激光功率的增加而改变，基体相则由(γ-TiAl+α2-Ti3Al)组成；涂层与基体冶金结合，随着激光功率的增加，组织由弥散分布的柱状晶逐渐变成粗大树枝晶，但在2.4 kW功率时，组织又变得细小；复合涂层的显微硬度可以达到基体的2.14倍；在空气摩擦环境中，不同试样均以磨粒磨损为主，其中基体磨损严重；不同激光功率下的涂层均大幅度提高了基体的耐磨性，涂层中有增强相的存在，涂层的最小磨损率为0.786×10-4 mm3·N-1·min-1，基体为1.34×10-4 mm3·N-1·min-1；通过控制激光功率可以调节涂层性能。这一研究可以对激光熔覆制备高耐磨钛基复合涂层在航天、海工设备中的应用提供基础支持。

• 新型光纤分布式喇曼放大技术研究进展

  李晓琳

  喇曼放大可实现对光信号在光纤链路中的分布式放大，具有高增益、低噪声的优异放大性能，是长距离光纤通信系统中的关键技术之一。为进一步延伸喇曼放大系统光信号传输距离、降低喇曼放大中的相对强度噪声转移、优化并预测喇曼放大系统增益大小、带宽、平坦度等性能参数，多种新型光纤分布式喇曼放大技术得到开发并应用。对近年来新型光纤分布式喇曼放大技术研究进展进行介绍，包括基于超长距离光纤激光器的高阶分布式喇曼放大技术、基于宽带非相干抽运源的低噪声喇曼放大技术及基于机器学习的智能分布式喇曼放大技术，并梳理了光纤分布式喇曼放大技术的基本发展趋势及改进方向。

• 激光雷达低空风切变告警算法的应用研究与分析

  赵刚, 黄轩, 华志强

  为了比较测风激光雷达(LiDAR)上组合切变算法和区域散度算法这两种低空风切变告警算法在复杂风场的应用效果，2017-12—2023-04在典型高原机场采用国产自研测风LiDAR，对由对流系统、冷锋和动量下传3种典型天气过程造成的15次风切变实例进行识别算法的有效性对比分析。结果表明，组合切变算法和区域散度算法的低空风切变识别准确率分别为73.3%和67.7%；通过算法识别结果得到的低空风切变告警有效性可持续10 min以上；组合切变算法在小尺度低空风切变的识别上更具优势，但若遇到风场变化缓慢的对流型及冷锋型低空风切变，两种算法的识别率都不高。该研究结果对改进低空风切变告警算法有较好的参考意义。

• 基于遗传算法的激光雷达点云半径滤波

  赵哲, 周维龙, 龙欢, 周红, 梁登辉, 柳骏涛, 李小宝

  点云降噪对激光雷达成像系统的精度至关重要。为了降低由接收器、多径效应、外部干扰和大气扰动引起的噪声，采用基于遗传算法的半径滤波进行降噪，通过遗传算法优化了半径滤波的关键参数(过滤半径和近邻阈值)。结果表明，在简单与复杂场景中，该算法保持了去噪精度和点保留率，同时提高了噪声召回率；复杂环境下噪声召回率比半径滤波提高了约21%，比统计滤波提升了约16%。该方法为激光雷达数据的处理提供了一种新颖有效的解决方案，对于提高激光雷达成像质量、提升数据处理效率以及自动化分析具有较为重要的应用价值。

• 智能手机辅助的森林激光点云配准

  李佶洋, 陈茂霖, 姬翠翠, 潘建平

  地面激光扫描获取的精确林下3维信息通常需要将多站扫描点云数据进行配准。为了减少森林激光扫描数据采集时对额外设备或功能的需求，提出了一种使用智能手机定位定向数据的森林激光扫描数据配准方法。首先使用智能手机获取设站点定位信息和起始扫描方向，计算测站间的初始坐标转换参数，然后在初始转换参数基础上构建搜索空间，分别使用树干位置点的水平均方根误差和对应点数目构建两级目标函数，进行转换参数的搜索和筛选，并使用测站间距对树干位置点进行筛选，得到最终配准结果。结果表明，在6对测站上进行的配准实验中，得到平均旋转角误差为4.3′、水平和竖直平移误差分别为8.3 mm和35 mm。本文中的方法可提高配准效率和精度，且具有较高的稳定性，在冠层厚度不超过11.5 m下，智能手机可为森林点云配准提供有效的辅助信息。

• 铒镱共掺三硼酸铝钇晶体维尔德常数的测量

  王文荣, 戚蒙, 李渊骥, 冯晋霞, 张宽收

  为了利用激光增益介质自身的磁光效应，构建免额外磁光晶体的单向行波环形谐振腔或者单块非平面环形谐振腔，从而满足制备功率大于瓦级的连续波单频1.5 μm固体激光器的应用需求，采用了磁光调制技术结合平衡探测技术的方法，对铒镱共掺三硼酸铝钇晶体的维尔德常数进行了实验测量，得到了不同掺杂原子数分数及不同温度下晶体的维尔德常数。结果表明，当镱离子掺杂原子数分数为10%、15%、25%时，测得铒镱共掺三硼酸铝钇晶体的维尔德常数分别为48.11°/(T·m)、33.05°/(T·m)、10.88°/(T·m)；当镱离子掺杂原子数分数为25%的铒镱共掺三硼酸铝钇晶体的控温温度从13 ℃提高到38 ℃时，晶体的维尔德常数从11.40°/(T·m) 降低至10.15°/(T·m)；铒镱共掺三硼酸铝钇晶体的维尔德常数与钇铝石榴石晶体可比拟；此外，该晶体具有明显的顺磁性，减小镱离子掺杂原子数分数，或者降低激光晶体控温温度将有助于提升激光晶体自身的磁致旋光特性。该研究为构建无额外磁光晶体的连续波单频固体激光器提供了参考。

• 谐波重构降噪算法在光电乐音探测中的应用

  张世雨, 黄雪颖, 廖鹏昊, 张蓉竹

  为了抑制乐音信号光电探测时的系统噪声并保留乐音的音色，提出了一种改进的谐波重构算法来进行降噪处理。首先计算信号的先验信噪比，并在此基础上构建用于降噪处理的维纳滤波器；然后针对乐音信号存在多个谐波分量的特征，提出了一种梳状滤波器的设计方案；对乐音信号功率谱进行逆傅里叶变换后，确定乐音信号在一个基音周期内的采样点数，并将其作为梳状滤波器的节点参数，由此完成乐音信号的谐波增强；通过先验信噪比的计算对降噪效果进行了理论分析，再通过实验验证得到了不同降噪算法的降噪效果。结果表明，该算法能够很好地进行降噪处理，在信噪比为-5 dB、0 dB和5 dB时，相较于传统谐波重构算法而言，降低乐音信号对数频谱畸变的性能提升了50%以上，能够很好地保留乐音信号的音色。该研究为不同类型乐器演奏中的音色分析及评价提供了参考。

• 基于FPGA的快速反射镜自适应模糊增量式PID控制

  杨星宇, 吕勇

  为了解决快速反射镜在传统比例-积分-微分(PID)控制下超调量大及稳定所需时间长的问题，引入自适应模糊算法优化控制器参数，提高控制性能。根据音圈电机快速反射镜的构成与工作原理，构建音圈电机快速反射镜的闭环控制模型，并针对模糊控制器中的隶属度函数及论域进行优化；通过现场可编程门阵列实现自适应模糊增量PID控制器，并进行了仿真及实物测试。结果表明，自适应模糊增量式PID控制器能使整体闭环过程“零超调”、“零振荡”，同时相比于传统PID控制器，系统稳定所需的时间缩短了17.5%，系统带宽提高了16.7%。该方法可有效提高快反镜的控制效果，可应用于其它需要高精度控制的系统当中。

• 低成本半导体激光器2级高稳定温控系统研制

  孙磊, 宫廷, 郭古青, 田亚莉, 孙小聪, 周月婷, 邱选兵, 李传亮

  为了解决半导体激光器温度漂移导致输出波长偏移的问题，提出了一种双闭环分布式反馈(DFB)激光器2级温控系统。在激光器自身内部温控系统的基础上，引入了外部环境温度的环路控制系统，确保激光器能够处于稳定的工作温度范围内；以嵌入式处理器为主控制器，采用数字比例-积分-微分控制算法，结合脉冲宽度调制技术和低成本H桥芯片控制热电制冷器的加热和制冷，实现激光器温度的精确控制；环境温度不变的条件下改变激光器的控制温度，以及激光器的工作温度不变的条件下改变环境温度，并进行了温度稳定性实验。结果表明，该系统的温控精度可高达±0.03 ℃；以近红外DFB激光器进行波长稳定性实验时，连续120 min内，激光器波长变化的最大误差为0.0036 nm；电流保持不变的情况下，激光器输出波长与温度的相关系数高于0.9996。该温控系统具备高精度、低成本和紧凑体积的特点，在分子光谱、气体检测、光纤通信等领域具有一定的应用前景。

• 铯原子D2线饱和吸收谱稳频半导体激光器

  叶瀚礼, 高俊, 王新龙, 池皓, 陈炯, 崔索超, 耿安兵

  半导体激光器在自由运转过程中容易受到温度、振动等外界因素的影响，输出激光的频率稳定性难以满足量子精密测量、高精度光谱、激光通信等领域的技术要求。为了获得频率稳定的输出激光，设计了一种稳频半导体激光器。基于133Cs原子D2线的超精细能级结构特性和饱和吸收原理，将\left|6^2 \mathrm~S_1 / 2, F=4\right\rangle \rightarrow\left|6^2 \mathrmP_3 / 2, F^\prime=5\right\rangle饱和吸收峰对应的原子跃迁频率作为参考标准，采用反馈控制的方法实现了输出激光频率闭环锁定。结果表明，闭环锁定下秒级频率稳定度达3.88×10-12，积分时间16 s时频率稳定度最低达1.70×10-12，12 h拍频信号波动小于140 kHz，线宽为438.41 kHz@10 μs，12 h功率稳定性为6.11×10-4，整机体积为9×103 cm3；饱和吸收光谱和反馈控制的共同作用可以大幅度减小半导体激光器自由运转时的频率波动。该激光器频率稳定度等部分关键指标达到较高水平，实现小型化并长期稳定运行，能够满足量子测量等应用领域对频率锁定激光光源的技术要求。

• 4维和5维光声成像技术的研究进展

  艾景赛, 孙正, 李璐

  光声成像的出现拓展了生物医学成像技术在细胞、组织和活体中的应用，从而监测复杂内环境中的多种生理过程。通过加入时间维度或进行多光谱成像，可以获得更丰富的组织信息，实现对目标形态结构和功能成分的定性和定量分析。对4维(3维和时间或3维和光谱)、5维(3维和时间、光谱)光声成像技术及光声光谱解混技术的研究进展进行了综述，预测临床应用前景并总结出目前存在的问题，展望了未来可能的发展方向。

• 高灵敏度气溶胶粒子谱仪研究

  顾肖峰, 钟荣柯, 马星宇, 罗浚文, 徐国庆, 伍波

  为了提升气溶胶粒子谱仪的探测灵敏度，采用了两个光电探测器分别探测小粒子散射的侧向散射光和大粒子散射的前向散射光的方法，设计并研制了基于光散射的小型化高灵敏度气溶胶粒子谱仪；采用聚苯乙烯标准微球测试了粒子谱仪的信号响应, 并与国外同类型产品进行了24 h对比观测。结果表明，测试期间两者数浓度相关性好、变化趋势一致，研制的气溶胶粒子谱仪最小分辨粒径间隔为20 nm，且体积小、重量轻。该研究为小型无人机气溶胶探测提供了重要参考。

• 激光超声在高压电缆检测中的应用研究

  朱家豪, 袁玲, 吴川彬, 何文, 张宏超, 陆健

  高压电缆在使用中会因环境问题造成断股损伤，现有检测技术不能满足在通电条件下对高压电塔上被卡箍包裹部分电缆断股损伤情况的检测。为了解决此问题，采用了非接触式激光超声检测手段对电缆断股损伤进行检测。对激光超声导波在高压电缆中传播的问题进行了理论研究，分析了高压电缆螺旋结构中小半径r、大半径R、轴向节距L等参数对频散曲线的影响; 建立瞬态模型，对激光在无损电缆中激发超声导波的物理问题进行研究; 使用B扫描与2维傅里叶变换信号分析手段，对螺旋结构基本阶模态L(0, 1)、T(0, 1)和F(1, 1)的幅值大小和频散特性进行了分析。结果表明，在使用激光超声对高压电缆进行检测时，0 kHz~100 kHz频率范围内的L(0, 1)和F(1, 1)模态最合适作为检测模态。这一结果对利用非接触式激光超声技术对高压电缆进行无损检测的研究是有帮助的。

• 基于线型光纤光栅阵列传感的引气管道泄漏监测研究

  曾川, 童杏林, 李泽恺, 黄文种, 史学锋

  飞机引气管泄漏监测系统主要采用共晶盐电类过热探测器作为其温度传感单元，为了克服该系统现存的电磁兼容性差、测量精度低、响应时间慢等技术瓶颈，对飞机引气管道泄漏探测的线型阵列光纤传感探头进行了研究，采用数学建模与模拟仿真的方法设计了光纤光栅阵列参数及封装结构体等，并进行了实验验证与数学分析。结果表明，该传感探头具备一定的应变免疫与振动抵抗能力，感温分辨率0.1 m，定位精度1.0 m，温度测量精度±3 ℃，工作温度0 ℃~180 ℃。此研究结果可替代共晶盐类泄漏探测传感器，为实现远程分布式轻型飞机的引气泄漏温度测量提供了一种新思路。

• 激光层裂法检测粘接结构界面结合强度的研究

  吴合槟, 朱帅光, 廖永红, 谭善源, 柯金龙, 林超辉, 张永康

  为了解决常规无损检测技术无法检测出“吻接”和“弱粘接”问题，选取自主设计的可变脉宽Nd ∶YAG激光器，采用3种方法处理表面，并使用两种粘接剂制备了粘接强度为4.68 MPa、17.69 MPa、21.35 MPa的不同粘接结构；采用固定的激光参数对粘接结构进行了激光冲击实验验证。结果表明, 当激光脉宽为30 ns、光斑直径为4 mm、激光能量为8 J时，抗拉强度为37 MPa的3M DP460粘接件未发生层裂，抗拉强度为15 MPa的3M DP810粘接件发生层裂损伤；随着激光能量的增大，4.68 MPa粘接结构的界面脱粘面积由12.5 mm2增大至50.0 mm2，而21.35 MPa的粘接结构没有发现明显损伤，说明在合适的激光参数下，激光层裂技术可作为一种无损检测手段，准确识别出粘接界面“弱粘接”和“吻接”。此研究可为激光层裂法在粘接结构界面结合强度检测领域的应用提供参考。

• 一种风冷近基模小型固体电光调Q激光器研究

  吕锋, 梁为, 李靖

  为了获得一种可在测距、目标指示等场景下使用的激光器，采用光线传输矩阵仿真分析了望远镜腔，用热阻计算分析了体内传热过程和表面散热过程，进行了理论分析和实验验证。获得了一种可在40 ℃环境温度中运行的风冷近基模小型固体电光调Q激光器，并取得了重复频率10 Hz、单脉冲能量100 mJ、光束质量因子M2=1.31、脉宽10 ns、发散角0.6 mrad的1064 nm激光输出。结果表明, 该激光器适合在测距、目标指示等要求激光器具有高单脉冲能量、高峰值功率、高光束质量等特点的场景下使用。这一结果对激光测距、激光指示等应用方面的发展有一定帮助。

• 基于核相关滤波器的强噪声焊缝跟踪

  巩书青, 章国宝, 朱宏伟

  在基于结构光视觉的焊缝跟踪中，焊接时产生的电弧和飞溅等强噪声会大幅降低焊缝的能见度，导致跟踪失败。为了解决这一问题，提出了一种基于改进核相关滤波器的焊缝跟踪算法，以更好地适应强噪声的环境。首先获取焊缝的初始特征点，基于焊缝激光条纹的灰度分布特征，通过Steger算法提取焊缝激光条纹的中心线; 接着对中心线进行滤波并求导来获取焊缝的初始特征点; 最后将焊缝的初始特征点作为初始输入，应用改进的核相关滤波器对焊缝特征点进行学习与跟踪。结果表明，在强噪声干扰的情况下，该算法的平均误差为0.305 mm，最大跟踪误差为0.479 mm，取得了良好的跟踪效果并有效避免了跟踪漂移。该研究为高精度焊缝跟踪提供了有益参考。

• 基于仪表放大器的温度脉动仪的测量不确定度

  夏惠军, 杨欢, 邬欣明, 邓万涛, 高伟翔, 杨天志, 李彪辉

  表征大气湍流强度的关键参数一般是折射率结构常数，其由温度脉动仪测量得到。为了研究该常数的测量不确定度，基于温度脉动仪的工作原理，采用直径为10 μm、电阻值为90 Ω、温度变化系数为4.5×10-3/K的钨丝作为测量传感器，获取温度差系综平均，并将同步监测到的压强、温度、距离等参数进行综合分析计算，得到折射率结构常数的测量不确定度。结果表明，当近地面层的大气折射率结构常数的真实值范围在10-13~10-16时，计算得到的折射率结构常数测量不确定度可控制在1%之内，具有较高的可信度。这一结果对于提高温度脉动仪的测量误差具有很大的作用，同时也为控制其测量不确定度提供了新的解决途径。

• 激光切割Q235钢板在救援破拆中的研究

  陈谦哲, 刘列, 韩良华

  救援行动中对快速、高效破拆工具有巨大的需求，激光切割因其非接触式、高速度和高精度的特点而显示出巨大潜力。为了探究激光切割技术在救援破拆Q235钢板中的应用, 以8 mm和15 mm厚度的Q235钢板为研究对象，采用高功率光纤激光器进行远距离切割实验，理论分析和实验验证了激光功率和切割速率对切割质量的影响。结果表明, 对于8 mm厚钢板，激光头与工件距离为10 m、切割速率为2.00 mm/s、激光功率为10 kW时，切割效果最佳；对于15 mm厚钢板，激光头与工件距离为13 m、切割速率为2.25 mm/s、激光功率为13 kW时，切割效果最佳；硬度测试还揭示了激光功率对切割后材料硬度的影响，表明激光切割不仅改变了材料的几何形状，还可能影响其机械性能。这一结果对激光切割技术在救援破拆领域是有帮助的，并为实际应用提供了优化的工艺参数。

• 纳秒激光去除铝合金表面漆层的工艺研究

  车亚龙, 华希俊, 王康, 孙义皓, 孙瑜, 华逸舟, 汤发全

  为了提高激光除漆的质量和效率，对2024铝合金表面喷涂丙烯酸漆层并进行了清洗实验。采用正交试验法对除漆后试样表面的形貌、元素能谱及粗糙度进行了观察和分析，研究了各激光参数对除漆效果的影响程度，并通过验证实验对比得出最佳工艺参数组合。结果表明, 5个主要参数中对除漆厚度影响最为显著的是激光功率；在单次扫描能基本去除漆层的情况下，单一提高激光功率不能明显提高除漆效果；在合适的参数组合下，能够完全去除铝合金表面200 μm左右的漆层，并且不损伤基材。该研究为激光除漆工艺提供了一定参考。

• 国产嵌入式FPC激光钻孔设备功率监测与调控方法研究

  李浩, 刘晓东, 陈雨嘉, 彭杨, 李雪莲, 王磊

  为了使工业中柔性印刷电路(FPC)板激光钻孔设备的激光功率可实时监测、可稳定及动态调整，采用一种基于国产GD32芯片作为核心的嵌入式功率监测与自动调控的方法，进行了理论分析和实验验证。结果表明, 激光器的设置功率与实际监测功率的拟合直线均方误差小于0.05626，激光功率波动小于2%。此研究结果证明了该方法可用于FPC激光钻孔设备。