激光技术杂志

激光技术杂志2025年第5期

• 矢量扭曲光束在GRIN光纤中的自旋轨道相互作用

  梁雅茹, 鲁博瑞, 霍楠, 尹晓金, 王静

  为了研究矢量扭曲光束在梯度折射率光纤中的自旋轨道相互作用，采用广义惠更斯-菲涅耳积分和ABCD传输矩阵方法，得到了一类径向偏振扭曲高斯-谢尔模光束在梯度折射率光纤中的交叉光谱密度矩阵元素表达式，详细分析了传输过程中的光强、偏振态、自旋角动量和轨道角动量的空间分布特性。结果表明，光束在传输过程中偏振态分布逐渐改变并产生了自旋角动量，发生了周期性的自旋轨道相互转换，并在焦平面L/2处达到转换极值；通过调控扭曲因子和相干长度可以实现对光束的光斑形状和偏振椭圆进行设计。此研究结果在光纤高容量通信、加密通信等方面展现出广阔的应用潜力与前景。

• 半导体激光器光反馈效应对原子传感系统小型化的影响

  冯宇辰, 郭彬, 王超, 汪之国

  为了评估光反馈效应对小型化原子传感系统的精度与稳定性的影响，利用小型化原子陀螺仪使用的半导体激光光源与光学元件搭建了光反馈效应测试光路，测试了光反馈引起的自混合干涉信号光功率波动；通过移动压电位移台，分别测试了偏振片、λ/4波片、原子气室、非球面透镜引起的光功率波动，并分析了处于光反馈条件下环境对光功率波动的潜在影响。结果表明，偏振片、λ/4波片、原子气室、非球面透镜最大可分别引起光功率4.8%，3.46%，6.62%，1.75%的功率波动；倾斜光学元件可以显著抑制光反馈效应，针对不便倾斜的光学元件，在不改变元件接收光功率的条件下，使用倾斜衰减片可以明显抑制光反馈效应。该研究可以为使用795 nm分布布喇格反射半导体激光器的原子传感系统小型化工作提供参考。

• 基于简易实频法的声光偏转器电学带宽的设计与优化

  李茁芸, 朱广志, 孙圣开, 欧阳敬, 乐轶瀚, 朱晓

  为了解决声光偏转器阻抗失配的问题，采用简易实频法，建立了换能器的互易无损二端口网络分析模型，并对宽带阻抗匹配电路中电子元件进行优化；以此为基础开展了中心频率165 MHz、目标带宽80 MHz声光偏转器宽带阻抗匹配的验证工作。结果表明，实验结果与理论仿真相符，其中封装的声光偏转器全带宽内衍射效率大于86.5%。这一结果对提升石英级声光偏转器整体性能参数是有帮助的，并能为激光精密微纳制造提供性能优越的无惯性高速扫描器件。

• 基于光真延迟的光纤稳相传输技术研究

  江笛, 徐嘉鑫, 范志强, 王云祥, 邱琪

  为了满足分布式相参雷达天线的微波信号传输需求，设计了基于光真延迟的宽带光纤稳相传输系统。该系统由光真延迟测量、光延迟补偿以及基于波分复用的微波信号光纤传输等部分组成。其中高精度真延迟测量采用了多频信号相位测距技术，光延迟补偿采用高精度机械延迟和比特延迟结合的可变光延迟线技术方案，具有亚皮秒的测量和补偿精度。搭建了8个通道的实验系统，在长度约2 km的光纤传输系统中，验证了系统方案的可行性。结果表明，通道内真延迟稳定精度优于1 ps，通道间延迟一致性优于1.7 ps。该研究为分步式宽带射频信号的传输提供了参考方案。

• 基于柱面透镜的声光调制器衍射光束圆度补偿

  孙圣开, 唐浩刚, 朱广志, 李茁芸, 朱晓

  为了解决声光调制器中由于声波矢与光波矢发散角不同、产生动量失配而导致衍射光束圆度下降的问题，采用强度角谱分析与传输矩阵分析方法，提出了在声光调制器前利用柱面透镜进行预补偿的技术方案，并进行了理论分析和实验验证。结果表明，在保持约90%的系统衍射效率下，经校正后衍射光束的圆度在整个传输路径上几乎保持不变，维持在0.98～0.99，接近初始椭圆度0.985。该预补偿方法能有效地解决声光调制中由于动量失配引起的衍射光圆度下降，平衡了声光调制器调制速率、衍射光圆度以及系统整体的能量利用率，这为高速声光调制中如何实现高质量光束衍射提供了一种参考方案。

• 光声成像中激光光源的优化

  宁鹏轩, 戈传辉, 王金瑞, 李晖, 吴淑莲

  为了优化光声成像系统的光斑形状，采用将传统圆形光斑准直并转换为线形光斑的方法，进行了分析和实验验证。通过软件设计双凸透镜对激光光束进行准直，将光束的平均发散角度减小到原来的26%；采用波纹透镜代替传统柱透镜，通过衍射效应将圆形光斑有效转换为线形光斑，使光斑能量分布更加均匀并扩大了扫描范围，从而提升了实验的稳定性和一致性。结果表明，准直后的激光光束在不同距离下均形成宽度一致的均匀光斑，光斑平均宽度大小在10 mm左右，而未经准直的光束由于发散角较大，平均宽度大小为20 mm，但光斑宽度变化跨度较大，光斑大小随距离改变明显不均匀；在添加波纹镜将圆形光斑转换为线形光斑后，线形光斑在4 cm和8 cm距离下的光斑大小基本保持不变，线形光斑的应用显著扩大了成像范围和覆盖面积。这一方法与以往采用柱透镜和传统激光技术的成像方式形成了鲜明对比，光声成像中激光光源的优化为光声成像效果提供了有效的保障。

• 基于点云配准的LiDAR输电线路绝缘子3维重建

  张正鹏, 刘建华, 胡天硕, 刘树辉, 谢欣余

  为了解决由于绝缘子点云结构稀疏、类型和挂点难于识别，导致建模困难的问题，实现绝缘子的高精度重建与挂接，采用了一种整合分类、配准以及挂点优化的绝缘子3维重建方法。利用绝缘子组的空间可分性和类型间姿态差异性，采用聚类和拟合方法实现对输电杆塔中多类型绝缘子分类，解决了现有方法只能区分单一类型的问题；针对稀疏和含有噪声的绝缘子点云配准和重建困难的问题，提出了一种从粗到精的针对低质量绝缘子点云配准和优化的重建方法；采用寻找最近邻挂点的方法，解决绝缘子与杆塔挂接不准确的问题，并对不同类型的绝缘子点云进行了实验。结果表明，绝缘子的重建精度可达到0.3000 m以内，能准确还原实际的形状和空间姿态。该研究为绝缘子重建的工程化应用提供了参考。

• 线能量对AH36钢激光-电弧复合焊成形及性能的影响研究

  王湘杰, 罗子艺, 胡永俊, 刘伟清

  为了研究线能量对AH36高强钢激光-电弧复合焊的成形和性能的影响，采用激光-熔化极活性气体（MAG）保护电弧焊复合焊接方法，在不同工艺参数下对8 mm厚AH36高强钢进行了对接焊，并从激光能量、电弧能量、能量密度分布3个角度进行了分析。结果表明，在激光能量10 kW、送丝速率8 m/min、离焦量?2 mm时，得到了无缺陷的焊缝且性能优异，其焊缝中心显微硬度最高达380 HV，抗拉强度达578.3 MPa，最大冲击功达62.2 J；在一定范围内，激光能量主要影响焊缝的背面成形，增大激光能量能够减小背面驼峰的数量和体积；电弧能量主要影响焊缝的正面成形；焊缝中心区复合作用区的显微组织主要由针状铁素体和多边形铁素体组成，激光区则主要是板条马氏体和贝氏体组成；焊缝中心激光区显微硬度高于复合区，增大线能量，复合区焊缝中心显微硬度从350 HV降低到300 HV；不同线能量下得到的焊接接头拉伸断裂位置均位于母材，抗拉强度达到了575 MPa以上；增大线能量能够改善焊接接头的冲击韧性，致使最大冲击功可达85.5 J。该研究为AH36钢激光-电弧复合焊接在船舶制造中的应用提供了依据。

• 316不锈钢表面激光熔覆(FeCoCrNi)85(TiAl)15高熵涂层及其摩擦学行为研究

  曹思琪, 肖华强, 张法光

  为了增强316不锈钢(SUS316)的表面力学特性，通过激光熔覆技术结合同轴粉末输送方法，在SUS316表面制备了(FeCoCrNi)85(TiAl)15高熵合金熔覆层，采用X射线衍射、扫描电镜、电子透射分析技术等表征技术，连同维氏硬度仪和往复式摩擦磨损试验机对(FeCoCrNi)85(TiAl)15的微观组织、相组成、表面显微硬度、摩擦学特性及磨损机理进行了分析。结果表明，(FeCoCrNi)85(TiAl)15高熵合金的显微组织主要为等轴晶，且为含有面心立方(FCC)与体心立方的(BCC)双相结构，其中富Ti微米晶弥散分布于双相基体上，BCC基体中存在大量 01\overline1 BCC// 01\overline1 L21的共格析出；涂层表面维氏硬度为514 HV，较基体而言提高了66.9%；涂层在干滑动摩擦条件下的平均摩擦系数为0.331和磨损率为1.936×10?5 mm3/(N·m)，相比于SUS316的平均摩擦系数0.418与磨损率2.906×10?5 mm3/(N·m)，表现出显著的优势；磨痕形貌存在大量的犁沟和少量的黏着痕，说明磨损机理主要为磨粒磨损并伴有轻微黏着磨损。该研究可为利用激光熔覆直接实现FeCoCrNi系高熵合金涂层成分组织调控及提升摩擦磨损性能提供指导意义。

• 基于机器视觉波分复用器件光斑自动检测装置

  张娜, 王鹏峰, 郜玉鑫, 宫僖成, 金骥, 李运堂

  为了降低人工作业强度、提高波分复用器件检测速度和检测质量，设计了基于机器视觉的波分复用器件光斑自动检测装置。采用四轴运动平台结合硅胶真空吸嘴实现波分复用器件自动抓取和姿态调整；利用电荷耦合器件相机采集波分复用器件图像，通过灰度化、边缘检测获取器件的轮廓和偏转角度；采用互补金属氧化物半导体相机获取波分复用器件的出射光斑，利用霍夫圆检测确定多路光斑的圆心坐标和数量，通过最小二乘法将多路光斑圆心坐标拟合成直线，并根据直线斜率评价光器件的质量。结果表明，光斑自动检测装置可在37 s内完成光器件质量检测，是人工检测速度的3倍，准确率高于97%。该研究可为高速高精度波分复用器件光斑自动化检测装置的研制提供参考。

• 利用半周期激光场调控高阶单级次谐波脉冲

  王亚丽, 刘航, 冯立强

  为了获得光子能量可调的高阶单级次谐波脉冲，采用求解含时薛定谔方程的方法，研究了He原子在特殊啁啾波形下加入半周期激光场后发射高阶单级次谐波脉冲的特点。结果表明，在正向半周期激光场调控下，高阶单级次谐波的级次由125级次变化到了97级次，即高阶单级次谐波随着半周期激光延迟时间增大而向低能区移动；在负向半周期激光场调控下，高阶单级次谐波的级次由125级次变化到了157级次，即高阶单级次谐波随着半周期激光延迟时间增大而向高能区移动；随着半周期激光光强增大，高阶单级次谐波的移动会更加明显。这些结果对获得高阶单级次谐波脉冲光源是有帮助的。

• 基于数据流的漂移性多光斑聚类算法研究

  申超屹, 刘怡, 王雪梅, 马蒙蒙, 曾晶, 刘东升

  为了降低多接入通信系统误比特率，基于四象限探测器的多目标光斑分辨技术，分析了通信激光光斑数据流的特点，对3种传统聚类算法进行了比较。对在多光斑分辨方面表现出更好综合效果的k均值聚类算法进行了扩展，提出了基于数据流的漂移性多光斑聚类算法。首先通过初始聚类自适应选择最优簇数，然后对新光斑数据进行实时漂移检测和聚类，并对算法的分类判决参数进行实时更新。结果表明, 该算法解决了光斑漂移下的多光斑分辨问题，光斑分辨精确度相比传统算法有显著提高，稳定在90%以上。该研究提高了通信质量, 为多接入通信的实现提供了算法支撑。

• 基于双向长短时记忆神经网络的激光脉冲信号波形识别

  刘岳昕, 李海廷, 胡鑫, 曾双, 王晨, 王文鼎, 漆可心

  为了解决激光半主动制导领域中脉冲信号波形识别模块存在的信号特征提取难、波形种类多样、计算效率低等问题，采用了一种基于双向长短时记忆（BiLSTM）神经网络的激光脉冲信号波形识别方法。以背景光噪声下的激光脉冲信号作为研究对象，通过采集模块收集数据后，由预处理模块输出完整激光信号数据集；将所得数据集作为输入，经过长短时记忆神经网络处理后，得到最终的分类结果。结果表明，该方法利用激光脉冲信号在时域中的直观特征，实现了对不同功率激光信号与背景噪声信号的识别与分类，其识别准确率均高于99.7%。与单纯的长短时记忆神经网络相比，BiLSTM具有更加优秀的网络性能，在保证高性能的前提下，激光半主动制导武器的抗干扰能力得到了有效提升。

• 基于光学偏振法的直线度误差测量

  孙怡, 张宝武, 王依兵, 刘维, 罗贤欢, 许子杰, 方振远, 朱玲

  为了发展微小角度和直线度误差的测量技术，采用了一种基于光偏振性的直线度误差测量方法。理论推导了由激光斑点侧移量解算角度量的关系式，构建了虚拟仿真系统，考察了该方法的可行性；基于虚拟仿真和软件建模，以一根长度1 m、表面呈现出良好线性特征、符合预期几何精度要求的导轨为对象进行了实验验证，并与自准直仪方法进行了比较。结果表明，该方法和自准直仪测得小角度的正切值在±1.5×10?4范围内吻合得很好。该研究对微小角度和直线度误差的测量是有帮助的。

• 单层Bi2O2S表面卤族元素钝化研究

  何新, 张巧璇, 江孝伟, 王继超, 项璟, 陈曦, 孙浩, 单金鑫

  为了拓展单层Bi2O2S的带隙可调控范围，采用第一性原理计算方法系统研究了单层Bi2O2S表面卤族元素Y（Y为F, Cl, Br, I）钝化后的材料结构和电子特性。使用广义梯度近似（GGA-PBE）泛函和杂化密度泛函（HSE06）分别计算了单层Bi2O2S—Y（Y为F, Cl, Br, I）体系的能带结构等，并对不同基组泛函所得结果进行了对比分析。结果表明，当表面采用F、Cl、Br、I不同终端原子钝化时，单层Bi2O2S的结构几乎保持不变；F、Cl、Br终端原子倾向于从裸露的Bi2O2S层获得电子，而I终端原子则倾向于丢失少量电子；钝化后的单层Bi2O2S具有可在较大范围内（1.249 eV~1.996 eV）调节的间接带隙，具体值取决于表面钝化的卤族元素Y种类。表面卤族元素钝化可以有效调节2维Bi2O2S的带隙，这对于2维Bi2O2S在光电等领域的应用具有一定指导意义。

• 新型超高强钢激光焊接接头组织与性能研究

  周泠成, 王莹, 李冬晓, 刘瑞涛, 王重阳, 赵津

  为了研究2.2 mm新型超高强度钢的激光焊接接头的组织与性能，采用激光对接焊接方法，结合有限元模拟仿真，设计了高功率、高速度和低功率、低速度两套方案，以优化焊接工艺参数；在优化后的工艺条件下，系统分析了焊接接头的宏观形貌、力学性能及微观结构；并通过力学性能测试与显微组织分析，获得了焊接接头的抗拉强度、伸长率及硬度等关键数据。结果表明，在激光功率和焊接速率分别为1000 W、10 mm/s及2000 W、22.5 mm/s的条件下，焊接接头实现了完全焊透，其抗拉强度分别为母材的80%和90%以上，伸长率均达到14%；硬度分布呈现M形，焊缝金属区的硬度明显高于母材，而热影响区则出现显著的软化现象；焊接接头力学性能降低的主要原因在于显微组织的非均匀性，焊接接头硬度差异主要由组织相变引起。此研究为超高强度钢领域的激光焊接技术提供了坚实的理论基础和实践指导。

• 连续CO2激光维持Ar等离子体的研究

  郝子宜, 胡艳菲, 左都罗, 王新兵

  为了探究连续CO2激光在不同气压及功率条件下激发Ar等离子体的基本特性，采用连续CO2激光器，在250 W~500 W的功率范围内、 0.3 MPa~0.6 MPa的氩气环境中维持了Ar等离子体，并通过实验取得了等离子体质心位置、稳定性和形态特性。结果表明，当气压从0.3 MPa增加到0.6 MPa、激光功率由250 W增加到500 W时，等离子体质心位置向激光入射反方向移动，等离子体质心位置标准差由0.04827 mm降低至0.02135 mm，质心稳定性提高；对于Ar等离子体的形态特性，随气压升高，离子体体积缩小，随亮度增大，椭球率减小，形貌逐渐趋向球形; 而激光功率的提升则主要导致等离子体尺寸扩大，椭球率仍保持稳定；采用阴影法观察到等离子体周围存在的周期性上升气流，验证了热重力对流对等离子体稳定性的关键影响。得到的CO2激光在不同条件下激发Ar等离子体的基本特性，可为优化等离子体光源提供理论基础。

• 基于SIFT特征匹配的小变形初值估计研究

  董伟, 毛镪, 张海东, 施天威

  为了克服基于尺度不变特征变换（SIFT）特征匹配的小变形初值估计受到特征点误匹配和匹配精度不确定性的影响，引入了对误匹配引起的异常值具有一定抗性的最小一乘算法和霍夫变换算法进行拟合获取变形初值。通过模拟散斑图实验检验最小一乘算法和霍夫变换算法的小变形初值估计可靠性，与随机抽样一致性算法的结果进行了对比；并通过相似模拟实验检验初值算法真实情况下的可靠性。结果表明，在小位移情形下，最小一乘算法的位移初值标准差低于霍夫变换算法和随机抽样一致性算法，为0.0033 pixel ～0.0068 pixel，且在数字图像相关方法中使用其位移初值的相关搜索平均迭代次数为3.692～4.370次；对于实验过程中散斑图出现的破损区域，最小一乘算法的位移初值和数字图像相关方法的位移测量值存在明显差值，最大值为11.80 pixel，最小值为?7.35 pixel，最小一乘算法的变形初值依然可靠，但数字图像相关方法的变形测量有失效风险。该研究为数字图像相关方法的小变形初值估计提供了一定的参考。

• 4×1功率合束器的仿真分析

  沈俊宏, 石宇航, 张恩涛, 郑云瀚, 蒋放, 任鹏, 杨峰

  为了研究影响光纤功率合束器整体效能的因素，采用建模仿真的方法，基于有限差分格式的光束传播法，分析了功率合束器不同位置的光场分布以及光纤数值孔径、纤芯直径和拉锥长度对合束器传输效率的影响。结果表明，在综合考虑传输效率和光束质量的基础上，得到功率合束器的传输效率为97.17%，M 2=2.15；输入光纤的数值孔径越大，合束器的传输效率通常越高；当输入光纤的数值孔径在0.064与0.065之间时，由于引入了损耗较高的高阶模，传输效率反而下降；对比不同输出光纤纤芯直径的传输效率，发现传输效率随输出光纤纤芯直径的增大而增加、随拉锥长度的增加而增加，但在某些区域，由于模式耦合效应和能量扩散，传输效率随拉锥长度的增加而下降。这些结果对于合束器的生产制造是有一定帮助的。

• Zernike多项式拟合人眼波前像差研究进展

  舒衍, 柯程虎, 柯熙政

  随着眼科手术和视觉矫正技术的发展，对人眼波前像差的准确描述和分析变得尤为重要。从人眼波前像差的形成机理及其Zernike多项式的数学表达入手，综述了Zernike多项式在拟合人眼波前像差方面的国内外研究进展，介绍了波前像差的测量方法、Zernike多项式系数的计算方法以及不同瞳孔直径下系数的统计特性，总结了不同项Zernike像差对人眼成像质量的影响，最后展望了该领域的未来发展方向。

• 白天激光雷达天光背景遏制技术研究进展

  秦曌鹏, 李晓锋, 苏博家, 马旭良, 陈春利, 陈涌, 董吉辉

  激光雷达技术是一种用于高精度测量大气参数的重要工具，随着激光技术、探测器技术及信号处理技术的进步，激光雷达在气象监测、气候研究及环境管理等领域显示出广泛的应用前景。针对目前白天探测的难点问题，从激光雷达的探测原理入手，对激光雷达受到的太阳背景辐射影响进行了仿真分析，梳理讨论了国内外激光雷达的各种天光背景遏制技术的研究进展，分析总结了目前常用的背景辐射抑制方式，并对白天探测的发展进行了展望。