激光技术杂志

激光技术杂志2025年第3期

• 水导激光多层级对称耦合装置设计及其射流稳定性分析

  周嘉禾, 吴胜奇, 钟胜波, 李芝春, 黄诺帝, 朱利民

  光水耦合是水导激光加工中的关键环节，对加工效率和加工质量都有着至关重要的影响。为了进一步节省耦合装置的加工成本，实现低入口压力下腔内水压的均匀分布和射流的稳定，提高耦合装置性能和水导激光加工质量，设计了一种具有多层级对称流道的光水耦合装置结构。对耦合装置的流场分布进行了数值模拟仿真，分析了耦合腔内部的速度矢量、流线分布以及喷嘴口出射液流的形态。结果表明，光水耦合装置内各截面流场速度矢量分布均匀，无局部波动存在，射流在喷嘴出口处的速率可达40 m/s，出射后的稳定长度可达120 mm；在入流压力1.0 MPa、喷嘴孔直径250 μm的条件下，喷嘴孔处出射液流平衡稳定无波动，实际稳定长度约为85 mm。该光水耦合装置结构合理可靠，能够满足水导激光加工系统的设计和使用要求。

• 面向大尺寸物体的太赫兹CT成像技术

  沈思诗, 郝丛静, 徐振业, 刘劲松, 杨振刚, 王可嘉

  为了扩展太赫兹(THz)计算机断层扫描(CT)系统的成像景深，将0.1 THz超长无衍射波束应用于连续THz CT，使用新型面型的轴棱锥，产生了米级长度的无衍射波束，利用无衍射波束搭建了面向大尺寸物体的THz CT系统；在该系统的支持下，对大尺寸样品进行了扫描，取得了样品的投影数据，并对其进行了3维重建。结果表明，这种新型的THz CT系统可以对直径达600 mm的大尺寸样品进行3维成像，并获得物体的内部3维结构。这一研究为面向大尺寸物体的THz CT系统提供了一个范例，对拓展THz CT系统的应用场景是有帮助的。

• 红外波段激光驱动极紫外光刻光源研究进展

  吕天皓, 宋艳洁, 宗楠, 张申金, 薄勇, 彭钦军

  激光驱动等离子体产生13.5 nm的极紫外光源，用于目前最先进的光刻机，而10.6 μm CO2气体激光是商用极紫外光刻机的驱动光源。固体激光由于插头效率高、输出功率/能量可扩展性强等优点，有望在未来成为新一代驱动光源。归纳了产生极紫外光源的激光-等离子体相互作用的物理过程，综述了10.6 μm CO2气体激光器、1 μm和2 μm固体激光3种红外波段激光在驱动等离子体产生极紫外光和光学系统方面的研究进展，讨论了1 μm和2 μm固体激光器作为驱动光源的优越性。在此基础上，对红外波段激光驱动极紫外光刻光源的研究前景进行了展望。

• 天基合成孔径激光雷达空间目标成像系统分析

  崔岸婧, 高敬涵, 吴疆, 杨宏, 李道京

  合成孔径激光雷达可用较小口径实现高分辨率成像，在天基空间目标观测方面具有重要应用价值，但存在波束宽度窄、覆盖范围有限、目标搜索捕获困难等问题。为了解决这些问题，采用一种主动激光与被动红外复合的天基合成孔径激光雷达空间目标成像系统，分析了系统指标，给出了成像仿真结果。结果表明，通过激光/红外共孔径实现了系统轻量化；综合使用圆偏振激光发射信号和正交线偏振两通道接收信号，结合顺轨干涉处理，解决了退偏和目标/平台振动问题; 通过红外相机可实现目标搜索和跟踪，采用10 ns脉宽窄脉冲激光信号可实施目标测距和测速，使用10 ns脉宽、4 GHz带宽优化二进制相移键控信号，可实现0.10 m实时低分辨率成像和0.05 m高分辨率成像。系统设计方案对天基合成孔径激光雷达的研制具有参考价值。

• Si-SPAD抗辐照技术的研究进展

  蓝禹, 王鸥, 王江, 袁利, 柯尊贵, 邓世杰, 袁菲, 周小燕

  硅单光子雪崩光电二极管以低暗计数率、高单光子探测效率等性能优势，以及小型化、无需极低制冷温度等技术特点，成为了空间应用领域中最具前景的单光子探测器之一。降低太空辐射环境对探测器造成的损伤，减少暗计数率，并延长探测器的使用寿命，是尤为关键的技术。介绍了硅单光子雪崩光电二极管在抗辐照技术方面的研究现状和趋势，阐述了单光子探测器的工作机制及空间辐照效应对探测器性能的影响，对硅单光子雪崩光电二极管的未来发展前景进行了展望，指出通过增强制冷、高温退火、激光退火以及结构优化4种抗辐照手段的应用，有望进一步提高探测器的性能和可靠性，为空间探测和星地通信等领域的发展提供有效的技术支撑。

• 固体隙法布里-珀罗干涉仪成像特性仿真研究

  潘海涛, 陆家加, 龚秋成, 王天才, 朱亚军, 张斌, 谭中奇

  法布里-珀罗(F-P)干涉仪多采用气体隙F-P腔结构，常受腔镜调节、稳定性、体积等因素的限制，为了解决上述问题，利用固体隙F-P腔结构进行了改进。基于多光束干涉理论对固体隙F-P干涉仪开展仿真研究，对各级次干涉条纹峰值位置和半峰全宽位置进行了求解，分析了固体隙F-P腔的腔长、反射率和介质折射率3个因素对固体隙F-P干涉仪的成像质量影响，并根据需求加工了一块16 mm厚的固体隙F-P腔样品。结果表明，1级条纹峰值位置偏差优于5个像素点，其它级次条纹偏差均优于2个像素点，两者吻合性较好。该工作初步验证了固体隙结构在干涉仪成像中的适用性和可扩展性，完成了固体隙F-P干涉仪的基础理论探索，并为固体隙F-P干涉仪的相关研发工作提供了参考。

• 三线性分解算法研究多组分的天麻粉荧光光谱

  李雷, 吴庆州, 王涛

  为了解决化学提纯方法的片面性和局限性，采用三线性分解算法、平方误差和法、折半信度法与同步荧光光谱相结合，对多组分共存的天麻粉荧光光谱进行了理论分析和实验验证，并确定了天麻粉溶液荧光的算法模型具有3种组分。结果表明，第1组分荧光特征峰激发波长λex在275 nm ~280 nm，发射波长λem在305 nm~310 nm，该组分对应的荧光物质应该是天麻中含量较高的天麻素；第2组分荧光特征峰激发波长λex在305 nm~310 nm，发射波长λem在400 nm~405 nm；第3组分荧光特征峰激发波长λex在355 nm~360 nm，发射波长λem在440 nm~445 nm；采用数学分离三线性分解算法可以替代繁杂的化学分离，同时具有去除背景噪声干扰、简化高维光谱分析等优点，且从整体视角、全局特征表达了多组分共存物质的荧光特性。该研究对多组分物质的光谱分析提供了参考。

• 基于改进白鲨优化的DIC位移测量方法

  李君, 雷宗宇, 蔡子峥, 付海波

  为了提高数字图像相关方法中整像素位移搜索算法的性能，引入了白鲨优化算法，并通过采用tent混沌映射、引入动态非线性时间因子、设置自动终止条件和增加三步搜索法等措施进行改进。为了提高亚像素位移求解精度和效率，将双三次插值、改进的白鲨优化算法和曲面拟合法相结合，提出了一种改进的曲面拟合法，通过数值模拟实验和低碳钢拉伸实验对算法的性能进行分析。结果表明，改进的白鲨优化算法搜索成功率高达100%，计算时间与粒子群算法相当，仅是粗-细搜索法的1/4；改进的曲面拟合法的计算精度与牛顿-拉普森(N-R)法相当，但计算耗时仅为N-R法的3.50%；改进的白鲨优化算法可快速、准确地实现整像素位移搜索；改进的曲面拟合法具有较高的计算精度和计算效率，且在实际测量中依旧能保持较好的稳定性。该研究为数字图像相关方法的改进和应用提供了参考。

• 镁合金调制振荡激光焊接及温度场仿真研究

  张明军, 段维, 王锐, 王海龙, 郭靖, 李河清, 庞小兵

  为了改善镁合金焊接过程中的热效率并减少焊缝表面成形缺陷，采用一种功率调制振荡激光焊接技术，对厚度为5 mm的AZ31B镁合金进行了对接焊接，分析了焊缝的表面成形、显微组织和力学性能等方面的结果，并对焊接温度场进行了数值模拟仿真分析。结果表明，功率调制振荡激光焊接相比常规激光焊接能显著减少焊接缺陷，增加熔宽并提升能量耦合效率；焊缝中心晶粒细化，β强化相增多，力学性能提升，抗拉强度和伸长率分别达到母材的96.1%和58.7%；焊缝中心温度降低约500 K，热量分布更均匀，熔池温度梯度减小。此研究结果在提升镁合金接头性能、载运工具轻量化以及节能减排方面具有重要的现实意义。

• 飞秒激光加工高温合金气膜孔锥度及表面形貌研究

  刘丹, 陈根余, 李明全, 董理, 丁兵

  为了加工孔径小、锥度小、不能有重铸层、微裂纹等缺陷的叶片气膜孔，搭建了飞秒旋切加工平台来开展制孔试验。分析了螺旋钻孔光学系统的工作原理，采用正交试验和方差分析法研究了楔形棱镜偏转角、反射镜平移量、空心电机转速、激光功率、离焦量对孔径、锥度、飞溅和显色区域的影响。结果表明，旋切制孔中楔形棱镜的偏转角对孔径和反射镜的平移量对锥度的影响最显著；加工400 μm直孔的最优参数为楔形棱镜偏转15°，反射镜平移15 mm，空心电机转速2000 r/min，功率16 W，离焦量0.2 mm。该研究为飞秒激光旋切加工工艺参数的选取提供了参考。

• 调控矢量激光在湍流环境中的旋转多普勒测量

  胡建飞, 骆斌, 王吉明, 吴彤

  实际环境中，大气湍流和不理想的目标会对旋转多普勒信号提取产生强烈干扰。为了从大气湍流等干扰中提取出有效的多普勒信号，采用多阶矢量涡旋光束偏振测量的方法，构建了基于矢量涡旋光束的抗湍流旋转多普勒测量系统，并研究了不同强度湍流环境下的旋转多普勒频移测量，成功得到了不同速度粗糙目标物有效的多普勒信号。结果表明，通过用5阶、10阶、15阶和20阶涡旋光束对不同湍流强度下两种角速度的测量，验证了复杂环境下利用偏振维度可以有效过滤湍流噪声影响，并实现对物体角速度的准确测量，同时较高阶数的涡旋光束更有利于提高测量系统在复杂环境中的鲁棒性。该研究为风能发电、气象预报、医学研究以及海洋大气等领域中在湍流环境下的数据监测提供了有效参考。

• 混合法制备的双锥角型光纤探针的应用

  曾祥, 王婉玲, 汪凯伟, 张波, 刘子龙

  为了提高双锥角型光纤探针的捕获效率，采用静态化学腐蚀法制备1次锥角，研磨法制备2次锥角，然后使用基于双锥角型光纤探针的单光纤光镊系统对酵母菌细胞进行捕获实验; 并采用界面层腐蚀法制备出了参数相近的双锥角型光纤探针，分别测量了两种不同方法制备的光纤探针对酵母菌细胞的捕获力大小。结果表明，混合法制备的双锥角型光纤探针具有更好的表面光滑度和对称性，其捕获效率比界面层腐蚀法制备的双锥角型光纤探针提高了20%。该研究对混合法制备双锥角型光纤探针是有帮助的。

• 基于激光诱导击穿光谱的标准加入法的研究进展

  杨新艳, 李东东, 叶文清, 洪涛, 华泽丰, 秦正波, 郑贤锋

  基体效应是限制激光诱导击穿光谱(LIBS)发展的技术“短板”。为了降低基体效应，克服复杂基质标样难以获得的技术难点，标准加入法被引入LIBS技术领域。介绍了标准加入法的5种实施方式，指出了标准加入法辅助LIBS技术在环境、考古及矿物、食品及药材安全监测等领域的具体应用，讨论了在线、数据处理辅助和样品简化标准加入法3种改进方法的原理和应用，其中在线标准加入法可实现样品的自动化制样，提高LIBS技术定量分析的效率；数据处理辅助标准加入法弱化光谱背景干扰、光谱波动和自吸收效应，提高标准加入法辅助LIBS技术的定量分析准确度；样品简化标准加入法克服无法直接检测粉末样品的缺点，在简化样品数量的同时，提高标准加入法辅助LIBS技术的检测效率。基于上述应用进展及其改进方法，指出了标准加入法辅助LIBS技术在液体和粉末样品痕迹检测方面的优势。

• 紧凑型同轴微脉冲激光雷达研究

  钟荣柯, 顾肖峰, 马星宇, 罗浚文, 张明顺, 伍波

  为了解决传统气溶胶雷达体积庞大、结构复杂的问题，提出了一种结构紧凑的便携式微脉冲激光雷达系统。采用收发同轴的光学结构设计了非球面透镜光学收发系统，对杂散光进行分析，通过结构设计减弱杂散光影响; 进行了理论分析与实验验证，取得了减弱杂散光影响后的气溶胶探测数据。结果表明，所研制的雷达系统距离分辨率为6 m，可实时探测3 km距离内的气溶胶分布。该研究对微脉冲激光雷达设备小型化提供了参考。

• 激光侦毒雷达折衍型长波接收光学系统设计

  彭涛, 姜勇, 杜赛, 陈涌, 李晓锋, 李晶, 周鼎富

  为了提高激光侦毒雷达探测距离和环境适应性，采用被动消热差法设计折衍型长波接收光学系统，利用二元衍射面特有的色差特性，实现了光学系统消色差及2级光谱校正。在光学系统工作波长9 μm~11 μm、焦距270 mm、F数2.27、光学透过率不小于86.6%条件下，采用蒙特卡罗统计法进行公差分析，开展了高低温环境及系统挂飞试验，并测量关键技术指标，验证了仿真结果及设计合理性。结果表明，光学系统波前像差均方根为0.03λ，在-40 ℃~60 ℃温度范围内调制传递函数均大于0.47，像质优良；飞行试验中，应用该光学系统的激光侦毒雷达最大探测距离达到4.05 km，优于系统技术要求，所设计光学系统合格。此研究对推动生化环境激光主动遥测雷达的发展具有积极作用。

• 激光入射角度对去除6061铝合金非均匀漆面的影响

  姚迪, 马玉平, 赵世宇, 单玉强

  为了深入研究激光入射角度对非均匀涂层表面清洁效果的作用规律，选取5个不同的倾斜入射角(90°、75°、60°、45°和30°)，对6061铝合金上的不均匀厚度漆层进行了激光清洗实验。检测了处理后的表面形貌、粗糙度以及硬度，构建了一个激光热效应模型；并通过仿真与实验结果的对比分析，揭示了不同入射角下激光对铝合金基体表面温度分布和形貌的影响。结果表明，在激光清洗过程中，不同入射角对于6061铝合金上非均匀漆层的去除效果及对铝表面的损伤程度有显著影响；30°入射角的激光清洗相较于90°垂直入射激光，表面粗糙度值降低了近22 μm，降幅达到80%；随着入射角度的增加，清洗后的维氏硬度逐步提高；斜入射激光清洗方法在处理表面凹凸不平的涂层时效果更好，能显著提高表面的光滑度。此项研究不仅为激光清洗技术的优化提供了宝贵的参考依据，同时也为非均匀涂层表面处理技术的发展贡献了实用的科学数据。

• 相机和到达角基站间的外参标定

  汪菲菲, 周志强

  为了填补相机和到达角（AoA）基站间的外参标定领域的研究空白，使用棋盘格标定板，从图像中提取标签位置，基于两种传感器数据之间的几何约束来计算最优外参, 并进行了理论分析和实验验证，取得了仿真和实验数据。结果表明，采用该方法得到的标定结果, 距离误差在0.08 m以内，角度误差在3.5°以内。该研究对相机和AoA基站间的外参标定以及机器人感知系统设计是有帮助的。

• 测风激光雷达在拉萨贡嘎机场转风预报中的应用

  王慷, 周立, 陆雪蓓, 丁魅理, 其美旺珍

  拉萨贡嘎机场地处雅鲁藏布江河谷，地形和下垫面共同作用导致风场环境复杂，为了验证测风激光雷达在高高原的风场探测能力，总结转风预报经验，利用FC-Ⅲ型测风激光雷达图像，结合航空器空中报告和地面观测资料，对风切变监测功能和转风过程要素特点进行了分析。结果表明, 测风激光雷达擅长对风场的高时空密度进行监测, 可以较好地捕捉到4000 m范围内进近航路的风切变; 雨季，通过雷达图像能提前跟踪1000 m~2000 m对流云中层外流和1000 m以下近地面强风区推进情况，根据最大风速、距离等要素推算出跑道精细化转风时间；干季，南风分量的触发高度为1000 m~1500 m，转南风后存在中层动量损失、垂直气流和散度突变等特点，转西风前20 min，1000 m~2000 m高度层的西风分量持续增大至10 m/s以上，转风后中高层西风分量维持，可以统计入流区推进位置和转风时间的相关性，为精细化预报积累指标。此项工作对拓展测风激光雷达在高高原地区的应用场景、提升地面风精细化预报水平具有重要意义。

• 宽温工作的激光照明用近红外OPO固体激光器

  辛潮, 赵翀, 王雨佳, 崔莹, 伍家凯, 褚召华, 熊波, 魏晓羽

  为了在宽工作温度范围内，实现激光照明用800 nm波段激光器的工程化，采用端面抽运固体激光器进行了相关实验。由激光二极管阵列端面抽运的Nd : YAG激光器产生1064 nm激光，经过倍频产生532 nm激光，再经过光学参量变换产生800 nm波段的激光; 并对抽运源采用主动温控和多波长匹配技术，对磷酸钛氧钾(KTP)晶体进行主动加热。结果表明, 得到了能量不小于20 mJ、脉宽为12 ns、发散角为3.5 mrad的800 nm波段激光; 在-40℃~55℃范围内，可按照25 Hz频率连续稳定工作不小于3 min; 与直接使用808 nm半导体激光器作为照明光源相比，激光峰值功率更高，光束质量更好，脉冲宽度更窄，有利于提升激光照明的作用距离和测距精度。该激光器用于激光主动照明成像系统具有高环境温度适应性，满足工程化尤其是对宽工作温度范围的要求。

• 多芯光纤中时空频碎片感知的频谱分配算法

  陈光明, 任丹萍, 邓玉静, 胡劲华, 赵继军

  为了有效解决基于多芯光纤的空分复用弹性光网络中资源分配导致的频谱碎片问题，提出了一种负载资源协同的时域空间域频域(时空频)(LRS-TSF)碎片感知算法。首先结合路径负载情况和业务频隙需求设计路由选择策略，优先选择路径负载较小、业务频隙需求较少的路径; 然后从时空频3维角度对可用频谱资源进行碎片度量，采用时空频碎片感知模型，减少业务分配过程中频谱碎片的出现，并为后续业务预留连续空闲频谱资源。结果表明，当负载为400 Erlang~960 Erlang时，LRS-TSF碎片感知算法相较于其它算法，在阻塞率、频谱利用率和碎片率方面取得了更好的性能。该研究为进一步解决空分复用弹性光网中的频谱碎片问题提供了参考。

• 一种新型喷嘴结构对小尺度射流的影响

  张家铭, 甘志银

  为了提高小尺度水射流的稳定长度，利用相关软件，采用两相流流体体积模型，通过设置参数，对直径60 μm~100 μm的水射流进行了计算流体动力学仿真，研究水射流在不同情景下的有效长度，设计了一种主动生成的气体保护层的喷嘴结构。结果表明，当喷孔直径为100 μm、压强在30 MPa以下时，由于加工精度的影响，传统的尖锐直角形成收缩水射流方式不可行, 而本文中的方法可在0.7 MPa压强下生成较为稳定的水射流。该方法加工难度小、所需压强低，对于水导激光加工的喷嘴结构设计制造有参考价值。

• 32×32元硅盖革APD探测器的凝视型激光3维成像

  王江, 王鸥, 陈蔚, 袁利, 柯尊贵, 郝昕, 孔繁林, 姜鹏

  为了实现对特定目标区域的高精度探测，采用了凝视型激光3维成像技术，基于自研32×32元硅盖革模式激光焦平面探测器，搭建了一套1064 nm激光3维成像实验系统。探测器组件采用带有温度采样与控制模块的斯特林制冷型封装技术，实现了在深低温环境下的高控温精度、高稳定性运行；成像系统通过发射脉冲激光点阵照射目标区域，并利用上述探测器捕获激光回波信号；经距离门噪声过滤和3维点云数据预处理后，取得了200 m处目标的3维距离图像以及670 m处目标的2维强度图像。结果表明，该激光3维成像系统具有30 cm的距离分辨率，可精确展现目标的几何细节。该研究为硅盖革模式激光焦平面探测器凝视3维成像技术的实际工程应用提供了参考。

• 激光诱导击穿光谱结合PCA-BP算法的荧光粉检测与识别

  沈令斌, 田丽萍, 田东鹏, 刘玉柱

  为了提高电子废弃物的分类回收利用效率，基于激光诱导击穿光谱技术和主成分分析(PCA)算法与反向传播(BP)算法, 建立了一种电子荧光粉检测与识别系统来验证该系统的可靠性。以3种不同型号的荧光粉(CRT-B，P43和P47)为例，采用该系统获取荧光粉样品在200 nm~890 nm范围内的激光诱导击穿光谱数据，完成了对光谱谱线校正和元素标定。结果表明，荧光粉CRT-B富含元素Zn、Al，P43富含元素Gd，P47富含元素Y、Si，P47中还检测到微量元素Ce；利用PCA算法分析光谱数据，前3个主成分的贡献率高达99.769%，3种荧光粉在空间中可以被清晰地分开；建立的PCA-BP神经网络模型对CRT-B、P43及P47荧光粉的识别率分别为99.8%、100%和100%。该研究结果对工业生产生活中电子废弃物的快速检测和回收利用是有帮助的。