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光学精密工程

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2026年15期

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激光光谱技术与仪器 | 用于油中溶解乙炔气体检测的微腔光热传感器

激光光谱技术与仪器 | 用于油中溶解乙炔气体检测的微腔光热传感器

摘要:为实现变压器油中溶解气体的在线检测,提出一种基于微腔光热传感器的油中溶解乙炔( C₂H₂)气体检测方法。基于光热光谱气体检测技术,设计了集油气分离和气体检测功能于一体的微型光纤光热传感探头,且气室体积仅为1μL。将光纤法布里-珀罗(F-P)微腔作为气体吸收池和光学干涉仪,近红外激发光和探测光通过波分复用器(Wavelength Division Multiplexing, WDM)由单根光纤传输。其中,气体吸收产生的光热信号由光纤F-P干涉仪检测,并通过白光干涉相位解调方法读取信号。激发光经过掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)后输出功率达到410mW,系统对 C₂H₂气体体积分数的检测灵敏度为0.064 pm/(μL/L)。实验结果表明,所设计的光纤光热气体传感系统对油中溶解 C₂H₂气体体积分数检出限达到0.7μL/L。该传感系统具有气室体积小、抗电磁干扰、无需抽油和现场便于安装的优势,为变压器油中溶解 C₂H₂气体的检测提供了技术支持。
激光光谱技术与仪器 | 基于频率调制相位优化的激光稳频及其腔衰荡光谱应用

激光光谱技术与仪器 | 基于频率调制相位优化的激光稳频及其腔衰荡光谱应用

摘要:针对腔衰荡光谱(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)系统中激光器频率漂移、线宽过宽以及传统稳频技术难以兼顾快速单点测量与硬件成本等问题,建立了频率调制光谱中调制频率与相位选择的对应关系,并将其应用于激光稳频及腔衰荡光谱系统,实现了乙炔气体的单点快速测量。从理论上系统提示了频率调制光谱中吸收与色散相位误差信号随调制频率变化的演变规律,阐述了以300 MHz为临界点择优选择不同解调相位的物理特性,在300 MHz以下吸收信号占优,而在高频段则色散信号更具优势。实验搭建了基于FPGA的激光稳频系统,经验证误差信号峰峰值的演变规律与理论高度一致。通过优化气压与浓度等参数,利用PID控制器将激光频率精准锁定至乙炔吸收线中心,实现了频率稳定与线宽压窄。将稳频后的激光应用于腔衰荡光谱测量,实验结果表明:在9 MHz(吸收相位)与350 MHz(色散相位)调制频率下,经Allan方差分析系统的检测极限分别达到 6.23×10^-10/cm 与 2.51×10^-10/cm ,较未稳频的 1.55×10^-9/cm 提升了近一个数量级,相应的最低探测浓度为 5.09×10^-12mol/mol 与 1.26×10^-11mol/mol ,同样较未稳频的 1.55×10^-11mol/mol 实现了近一个量级的性能提升。高频色散相位虽具有优越的性能,但相较于低频吸收相位,提升幅度有限;因此,实际应用中可综合衡量调制频率与硬件成本,以实现性能与成本的平衡,为环境监测与工业传感领域实现高精度、低成本的气体监测提供重要参考。
激光光谱技术与仪器 | 低压水汽及氢氧同位素波长调制检测

激光光谱技术与仪器 | 低压水汽及氢氧同位素波长调制检测

摘要:针对低压、动态条件下微量水汽及其氢氧同位素检测中存在的弱吸收信号提取困难和谱线交叠问题,提出一种基于波长调制吸收光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS)的检测方法。利用中心波长1.863μm的分布反馈式半导体激光器(Distributed Feedback Laser, DFB)作为激光光源,构建了有效光程为12m、吸收池容积为80cm3的小型化检测装置,由单次扫描输出实现对H?1?O、H?1?O、H?1?O和HDO的同时探测。通过不同标准水样开展标定实验,建立弱同位素通道与参考通道拟合积分面积比和标准真值之间的对应关系,实现水汽氢氧同位素比率及其δ值的测量。实验结果表明,各同位素拟合积分面积与水汽压力之间均呈线性相关,相关系数R2均大于0.99;在340Pa稳态条件下,δD,δ1?O和δ1?O通道的最优积分时间分别为18,23和20s,对应最小Allan偏差分别为2.015‰,3.636‰和1.317‰;模拟月壤实验验证了该方法能够跟踪吸附分馏过程中的同位素动态变化,当前实验条件下的10%~90%压力响应时间为71s;与2.731μm,25m有效光程直接吸收方法对比,所得δD结果表现出一致的变化趋势。本文方法能够实现低压条件下水汽及其氢氧同位素的稳态定量测量和动态过程测量,可为低压、动态过程中的水汽及氢氧同位素小型化原位检测提供技术支撑。
激光光谱技术与仪器 | 基于辐射本底扣除和对数放大的 TDLAS 燃烧温度快速反演

激光光谱技术与仪器 | 基于辐射本底扣除和对数放大的 TDLAS 燃烧温度快速反演

摘要:针对传统可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)系统因复杂谱线拟合与数值反演算法导致处理速度难以满足发动机毫秒级瞬态燃烧测量需求的问题,提出并研制了一种基于对数放大的快速硬件光谱处理系统,并围绕系统总体方案设计、背景辐射自动扣除电路设计、对数放大电路设计、算法修正以及实时数据处理架构等方面展开研究。该系统在模拟前端引入自主设计的背景辐射自动扣除电路和基于LOG114芯片的对数比放大电路,直接输出与吸光度成正比的电压信号;数字部分采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)完成高速数据采集与吸光度积分累加,再由微控制器实现温度反演。实验结果表明,在100 kHz扫描频率下,系统可实现背景辐射稳定扣除,单次温度计算时间约为2.5 ms。该系统可实现毫秒级的高温流场快速测量,具备捕捉发动机瞬态燃烧变化的潜力。
现代应用光学 | 户外适应的主缆空隙率结构光测量系统

现代应用光学 | 户外适应的主缆空隙率结构光测量系统

摘要:针对强光照、高温与高湿等户外紧缆施工环境下主缆空隙率难以实现非接触式精密测量的问题,提出一种基于多面结构光相机协同采集的主缆空隙率测量系统。该系统采用四台面结构光相机环绕主缆按90°等间隔布置,实现主缆表面360°全周向点云采集;同时集成机械遮光、TEC制冷单元与视窗加热薄膜,以提高系统在户外复杂环境下的光学成像稳定性与环境适应能力。在多相机标定方面,采用基于视场重叠约束的张正友标定方法完成四路相机的全局外参标定,统一多相机坐标系,并实现主缆点云的高精度拼接。实验结果表明,所构建系统在50℃、高湿及10 ⁵ lux强光照条件下仍能够稳定获取高质量主缆点云,多相机联合标定的平均重投影误差低于0.7 pixel,主缆点云实现毫米级空间拼接,主缆截面积测量相对误差低于0.3%。结果验证了该系统在户外紧缆施工场景下开展主缆空隙率非接触式精密测量的可行性与工程应用价值。
现代应用光学 | 852 nm 波段半导体激光器研究进展

现代应用光学 | 852 nm 波段半导体激光器研究进展

摘要:852 nm半导体激光器与铯原子D?线跃迁高度匹配,是铯原子钟、量子传感、冷原子操控和精密光谱系统中的关键光源。系统综述了852 nm波段半导体激光器在量子阱材料体系、器件结构设计、核心性能优化及工程应用方面的研究进展。从材料演进角度分析了AlGaAs/GaAs、无铝InGaAsP/GaAs和InAlGaAs/GaAs等体系的发展逻辑,阐明了载流子限制能力、腔面可靠性、温度稳定性和电光转换效率之间的内在关联。按照器件类型总结了分布反馈激光器(Distributed Feedback Laser, DFB)、垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)、外腔反馈激光器、垂直外腔面发射激光器(Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser, VECSEL)及高功率边发射激光器的发展现状,比较了其在线宽、功率、斜率效率、单模稳定性和系统集成方面的性能差异。最后,对国内外商用852 nm半导体激光器产品进行了分析,指出当前国内仍主要集中在代理销售、模块封装和整机集成环节,核心芯片及增益芯片仍依赖国外供应。未来,852 nm半导体激光器会向窄线宽、高功率、高效率、宽温稳定、高可靠和芯片级集成方向发展,为新一代铯原子钟和量子精密测量系统提供支撑。
现代应用光学 | 双镜面物体面形三维测量的虚拟基准标定

现代应用光学 | 双镜面物体面形三维测量的虚拟基准标定

摘要:在先进装备制造和复杂光学仪器中存在一类双镜面物体,其两工作面法向夹角大,整体三维面形测量难度较高。采用相位偏折术分别测量两工作面时,由于所测数据位于不同坐标系,且缺少统一的实体基准,故难以确定对应两面数据之间的关系。该问题会直接影响两侧点云的坐标统一与后续拼接精度,使双镜面整体面形重建受到限制。为此,本文提出一种虚拟基准标定方法,以子系统标定过程中形成的虚拟参考面构建虚拟基准,并结合多姿态平面镜相位重建结果与转台坐标系约束,确定两虚拟参考面之间的空间变换关系,实现双镜面测量数据统一。实验结果表明,所提标定方法能够完成双镜面点云拼接,右表面相对于标准平面的均方根误差为0.059 mm,实现了双镜面物体的整体三维面形重建。
微纳技术与精密机械 | 电容式三维纳米测量测头

微纳技术与精密机械 | 电容式三维纳米测量测头

摘要:三维纳米测头是微纳米三坐标测量机的一个关键部件,现有三维纳米测头因存在测量性能不足,无法满足实际需求的问题,故提出一种基于电容位移传感器的三维纳米测量测头并通过实验验证了其性能。该测头主要由电容位移传感器、极板、弹性机构和探针等结构组成。三路高精度电容位移传感器呈正三角形分布,利用建立的几何计算模型计算测球位移以得到测头姿态。实验结果表明,测头三维分辨力优于3 nm,测量范围水平方向可达260 μm,竖直方向为70 μm;水平方向接触重复性均优于9.4 nm,竖直方向重复性优于8.7 nm。研究验证了该测头在微纳米尺度测量中的良好测量性能,为精密制造与检测提供了有效的技术支撑。
微纳技术与精密机械 | 单模硅波导与光栅耦合器在干法刻蚀中的系统性工艺偏差分析

微纳技术与精密机械 | 单模硅波导与光栅耦合器在干法刻蚀中的系统性工艺偏差分析

摘要:本研究系统评估了8英寸绝缘层上硅平台光刻与干法刻蚀工艺的晶圆级均匀性对硅光无源器件物理形貌及光学性能的映射关系。基于220 nm顶层硅平台,采用深紫外光刻与电感耦合等离子体反应离子刻蚀工艺,完成了光栅耦合器(70 nm浅刻蚀)与单模直波导(220 nm全刻蚀)的两步全流程流片加工。利用原子力显微镜、关键尺寸扫描电子显微镜及全自动光学探针台对5片8寸晶圆的物理尺寸与传输损耗进行了全
微纳技术与精密机械 | 高灵敏度双向测量光纤光栅位移传感器及其在隧道变形监测中的应用

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摘要:为准确识别结构位移动态变化的幅值与方向,本文提出一种基于凸台-凹槽结构增强等强度梁应变响应的高灵敏度光纤光栅位移传感器,并系统完成了测量原理、结构设计、温度补偿及样机性能验证。实验结果表明,该传感器具备双向位移感知能力,在±60 mm量程内,传感器灵敏度为63.446 pm/mm,综合测量精度为0.1459 mm,且在稳定性、重复性、迟滞、温度适应性及抗蠕变性能方面表现良好。现场
信息科学 | 厚壁圆孔单目背光精密位姿测量的灰度积分投影双模态

信息科学 | 厚壁圆孔单目背光精密位姿测量的灰度积分投影双模态

摘要:在微型热电偶等精密部件的圆柱孔-轴装配过程中,圆孔位姿的高精度测量是保证装配同轴度的关键环节。然而,针对具有一定厚度的微小圆孔(孔径大小为0.03~3.7 mm,结构常数k>2.5)结构测量,传统三维视觉方法系统复杂、建模困难,且单目背光视觉在倾斜条件下孔壁遮挡,从而导致光斑边缘模糊,降低了测量精度与稳定性。为此,提出一种基于灰度积分投影的双模态厚壁圆孔单目背光精密位姿测量方法。通过建立厚壁圆孔的背光成像几何模型,获得了光斑形态与圆孔倾斜角度关系。在此基础上,提出了粗调线性逆解与精调极值搜索的双模态位姿测量方法。在粗调阶段,通过全局能量统计的灰度积分投影,将二维图像降维为一维光通量分布曲线,从而规避局部边缘模糊的干扰,提取光斑形态的水平特征宽度,利用其在大倾角(超过70%理论截止角)下呈现的线性映射特征,构建姿态逆解模型,实现圆孔大偏差的快速修正;在精调阶段,切换至基于透射光通量的搜索方法,利用光通量在零位姿态处取得全局极大值的物理特性,通过闭环迭代寻优,实现对圆孔位姿的高精度定位。实验结果表明,在大倾角且伴随毛刺干扰的复杂工况下,该方法展现出极强的抗扰动稳定性,检测成功率在91%以上,有效提升了精密装配的精度与效率,为实际工程应用提供了一种低成本解决方案。
信息科学 | 双轨制形态学引导的蛋白印迹多曝光图像融合

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摘要:针对蛋白印迹单次曝光图像受限于成像动态范围、高丰度条带饱和及低丰度条带信号淹没的问题,提出一种基于双轨制形态学引导的多曝光融合算法。首先,获取多曝光序列的蛋白印迹图像,并对条带特征设计包括自适应曝光、形态学显著性与空间注意力的多线索权重,通过非线性增益和归一化形成最终权重图。然后,依托双轨制金字塔框架,对于图像分解通道,通过形态学门控引导非线性多尺度特征提取;对于在权重金字塔通道,
信息科学 | 基于双重频域增强与动态核引导的 DFD-DETR 钢材表面缺陷检测

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摘要:针对钢铁表面缺陷检测中复杂背景干扰导致的低对比度缺陷特征难以表征,以及跨尺度特征融合过程中局部细节易丢失的问题,提出一种融合双重频域增强与动态核引导的改进型检测框架 DFD-DETR。首先,针对轧制纹理等低频背景对缺陷边缘特征的干扰,设计了双重频域增强模块(Dual-Frequency Domain Enhancement, DFE)。该模块由前置高通滤波与后置频谱门控两部分组成,前者通过固定高通响应抑制轧制纹理等低频背景信息,后者利用可学习频谱门控对融合后的频域特征进行自适应重校准,从而增强微弱缺陷的边缘响应。随后,为在一定程度上克服传统特征融合过程中浅层细节被深层语义覆盖的困难,提出动态核引导模块(Dynamic Kernel Guidance, DKG)。利用深层语义特征生成空间自适应动态卷积核,对浅层高分辨率特征进行局部引导融合,从而增强多尺度缺陷的结构表征能力。在 NEU-DET 与 GC10-DET 数据集上的实验结果表明,本文方法的 mAP@0.5 分别达到 80.8% 与 73.4%,相比基线 RF-DE-TR,所提出方法在复杂背景下的低对比度及多尺度缺陷检测任务中取得了更优的检测结果,具有较好的检测性能与一定的泛化能力。

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目录

激光光谱技术与仪器 | 用于油中溶解乙炔气体检测的微腔光热传感器

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激光光谱技术与仪器 | 基于频率调制相位优化的激光稳频及其腔衰荡光谱应用

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激光光谱技术与仪器 | 低压水汽及氢氧同位素波长调制检测

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