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中国激光 2024年第12期51卷 206-226页

作者：侯郑为刘少峰林琳涵李正操孙洪波清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室北京100084 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器全国重点实验室北京100084 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室吉林长春130012

飞秒激光三维(3D)打印具有无掩模、高精度、高分辨率、真三维制造等特点,在复杂微纳3D结构制造上难以替代,基于双光子聚合打印技术,已经在微机电、微纳光电、微纳光子等复杂器件制备上展现出巨大的应用前景。随着共混掺杂技术及新型无... 详细信息

飞秒激光三维(3D)打印具有无掩模、高精度、高分辨率、真三维制造等特点,在复杂微纳3D结构制造上难以替代,基于双光子聚合打印技术,已经在微机电、微纳光电、微纳光子等复杂器件制备上展现出巨大的应用前景。随着共混掺杂技术及新型无机光敏材料的发展,高无机功能材料占比的飞秒激光3D打印为高性能器件制备提供了更多的可能性,极大拓展了微纳3D制造的应用能力。围绕近年来基于无机材料体系的飞秒激光3D打印方法,从无机组分工艺、激光打印能力、无机功能材料体系及应用等方面总结现有飞秒激光3D打印微纳器件应用、发展前景及面临的挑战,并展望飞秒激光打印无机3D微纳结构的新材料、新方法、新应用。

关键词：激光技术飞秒激光 3D打印纳米技术无机材料功能材料

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从随机散斑到“浑浊透镜”——基于波前整形的散射光聚焦技术(特邀)

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光学学报 2024年第10期44卷 214-232页

作者：刘凯歌张恒康付星柳强清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084 清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室北京100084 北京控制工程研究所北京100190

散射介质会破坏光束的光波前分布和能量输送,限制了强散射环境下光镊、荧光成像、光通信等技术的应用。波前整形技术通过优化入射波前,重新规划散射介质内的光传输路径,实现了在散射介质内部或透过散射介质的光聚焦,从而克服了散射介质... 详细信息

散射介质会破坏光束的光波前分布和能量输送,限制了强散射环境下光镊、荧光成像、光通信等技术的应用。波前整形技术通过优化入射波前,重新规划散射介质内的光传输路径,实现了在散射介质内部或透过散射介质的光聚焦,从而克服了散射介质的限制,将散射光重新利用,使得散射介质成为一个类似透镜的光学元件,也被称为“浑浊透镜”。目前主要有依赖反馈调控的迭代优化方法、建立输入-输出联系的传输矩阵方法和利用光路可逆原理的相位共轭方法三类技术路线。本文从技术原理、应用背景以及重要进展等方面梳理了基于波前整形技术的散射介质聚焦的研究进展,并对比展望了三类技术在应用中的发展前景。

关键词：散射介质波前整形光聚焦迭代优化传输矩阵光学相位共轭

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激光跟踪测量系统伺服跟踪控制方法

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中国测试 2025年第1期51卷 97-104,118页

作者：段志君吴腾飞陈宗亮林嘉睿天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072

针对激光跟踪测量系统跟踪目标的运动轨迹不确定、加速度与速度不断变化的特点,为提升其稳态及动态性能,对伺服跟踪控制方法进行研究,提出一种基于模糊自适应的激光跟踪双闭环控制方法。电机定位控制环路采用模糊自适应微分先行PID,位... 详细信息

针对激光跟踪测量系统跟踪目标的运动轨迹不确定、加速度与速度不断变化的特点,为提升其稳态及动态性能,对伺服跟踪控制方法进行研究,提出一种基于模糊自适应的激光跟踪双闭环控制方法。电机定位控制环路采用模糊自适应微分先行PID,位置跟踪控制环路采用模糊自适应整定PI,设计不同模糊规则,实现控制参数实时整定,使其始终保持在最优区间。实验结果表明,该方法能够根据跟踪目标运动的不确定性产生的误差来实时调整控制参数,有效提升激光跟踪的稳态和动态性能,使跟踪系统的稳态误差降低至1.90′以内,跟随误差则降低至0.56′以内。

关键词：伺服跟踪控制模糊自适应稳态误差跟随误差

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强环境噪声下的双目视觉受电弓轨旁异常检测

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光学精密工程 2025年第3期33卷 438-451页

作者：赵进郭寅尹仕斌郭磊邾继贵天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072 易思维(杭州)科技股份有限公司浙江杭州310052

为了应对列车受电弓轨旁异常检测场景下,强环境噪声对双目视觉系统结构参数造成较大的扰动,导致视差图计算结果不准确进而影响异常检测精度的问题,对原有立体匹配方法进行改进后并结合异常特征检测方法,提出一种应用于该场景下的受电弓... 详细信息

为了应对列车受电弓轨旁异常检测场景下,强环境噪声对双目视觉系统结构参数造成较大的扰动,导致视差图计算结果不准确进而影响异常检测精度的问题,对原有立体匹配方法进行改进后并结合异常特征检测方法,提出一种应用于该场景下的受电弓轨旁异常检测方法。采用扩展邻域的代价计算和加权代价聚合方法,有效解决在强环境噪声时由于环境振动或自身结构蠕变导致双目极线不准确的情况;采用局部二值模式方法计算代价分布函数,使算法更适用于已知工件的固定场景检测;结合实际应用场景,限定视差计算搜索空间,优化计算效率,提升轨旁检测的实时性;最后对三维重建后的点云信息进行异常特征检测,在受电弓轨旁异常检测系统中验证了算法的有效性。实验结果表明,本文提出的算法较传统算法测量精度提升60%以上,时间效率提升30%以上,有效解决了该场景下轨道交通现场检测设备效率低和精度不足的问题。

关键词：受电弓检测立体匹配异常检测视差优化三维重建

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基于双光梳的精密离心机动态半径外基准测量

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光学精密工程 2025年第3期33卷 349-358页

作者：周思宇马宇轩贺栋张春京汤莉刘欣王姗姗吴冠豪清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器全国重点实验室北京100084 光维(广东)科技有限公司广东佛山528200 超精密航天控制仪器技术实验室北京100039 北京航天控制仪器研究所北京100039 北京理工大学光电学院北京100081 近地面探测全国重点实验室北京100072

为实现对精密离心机动态半径的精准测量,基于双光梳测距技术的高测速、高精度、绝对测距优势,结合柱面镜与会聚光路组成的空间光学布局,建立了离心机动态半径外基准测量系统。介绍了基于双光梳测距的外基准测量装置构成及其工作原理,分... 详细信息

为实现对精密离心机动态半径的精准测量,基于双光梳测距技术的高测速、高精度、绝对测距优势,结合柱面镜与会聚光路组成的空间光学布局,建立了离心机动态半径外基准测量系统。介绍了基于双光梳测距的外基准测量装置构成及其工作原理,分析了柱面镜靶标曲率半径误差与装调误差对动态半径测量精度的影响,并提出互补偿误差修正方法。然后,搭建实验系统对精密离心机在不同加速度下的动态半径进行了实时测量,评估了静态测量精度和动态测量精度。最后,分析了测量误差的来源并提出了系统优化方案。实验结果表明:系统可有效测量出加速度在0g~15g内的动态半径变化量。在2 kHz的重频差下进行20次滑动平均,动态测量精度优于0.56μm,动态半径最大值为204.90μm,满足精密离心机动态半径的高速、高精度测量要求,可用于提升离心机加速度标定精度。

关键词：绝对测距精密离心机动态半径外基准双光梳

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基于螺旋超材料的定向声传感装置的设计

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第8期57卷 877-889页

作者：李想李健李昱霖赵云峰郑健峰黄新敬天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072 国家管网集团北方管道有限责任公司廊坊065000

传统定向声传感装置往往依赖于内部电路设计或多传感器复杂算法的方式压制特定方向的环境噪声以提高信号信噪比,其具有较大的体积,并且很难改变指向特性,影响了在实际场景中的使用效果与普适性.基于螺旋超材料设计了一种可重配置的声学... 详细信息

传统定向声传感装置往往依赖于内部电路设计或多传感器复杂算法的方式压制特定方向的环境噪声以提高信号信噪比,其具有较大的体积,并且很难改变指向特性,影响了在实际场景中的使用效果与普适性.基于螺旋超材料设计了一种可重配置的声学传感装置,通过超单元的精巧设计与超结构的应用赋予了单麦克风声学系统良好的定向传感和频率筛选特性.该装置采用单叶片螺旋超单元实现独特频率和方向响应特性.根据声路与等效介质转换理论,螺旋超材料具有周期性峰谷变化的频响特性.通过对螺距的调整,在基频和倍频频段内设计出具有特定频率特性的超单元,可控波长可达到自身长度的15倍.通过有限元仿真以及四传感器透射系数测量系统对超单元的频率透射特性进行了研究和测试,实验结果证明了其峰值频率响应与理论模型相一致.进一步,依据尺寸模型和多模型敏感角度分析,提出了一套超结构的设计方案与实现方法,并且具体制造了一种八角柱形超结构.分析了其中心测点处的声压变化与内外声压场,结果表明:在结构插槽内放入不同峰值频率的超单元,将改变整个超结构的敏感频率;重新排布超单元的排布顺序,将实现超结构指向性的重构.采用自动旋转实验平台对超结构的指向性进行验证,实验结果证明了超结构的定向传感性与仿真结果相一致,并能够通过单元分布的简单重配置实现不同的定向声传感装置.本文提出的设计方法为构建高信噪比的可调定向声采集设备提供了新的可借鉴思路.

关键词：声学指向性声学传感超材料超结构

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调频连续波激光雷达光源非线性校正技术

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激光与光电子学进展 2024年

作者：林晨啸谈宜东清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室

调频连续波（Frequency-modulated Continuous-wave,FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很... 详细信息

调频连续波（Frequency-modulated Continuous-wave,FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中，扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响，导致扫频非线性的产生，使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题，本文从原理出发，分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响，系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展，并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结，为后续相关研究提供启发。

关键词：调频连续波激光雷达绝对测距扫频光源非线性校正

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4H-SiC激光烧蚀的三维分子动力学研究

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中国激光 2024年第20期51卷 261-268页

作者：安豪杰王金石房丰洲天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院微纳制造实验室(MNMT) 天津300072

飞秒激光直写在原子及近原子尺度制造领域中表现出独特的优势。为了研究飞秒激光与材料在原子及近原子尺度的相互作用过程,给出了一种基于双温方程的三维分子动力学模型,开展了4H-SiC表面飞秒激光烧蚀过程与机制的研究,对不同能量密度... 详细信息

飞秒激光直写在原子及近原子尺度制造领域中表现出独特的优势。为了研究飞秒激光与材料在原子及近原子尺度的相互作用过程,给出了一种基于双温方程的三维分子动力学模型,开展了4H-SiC表面飞秒激光烧蚀过程与机制的研究,对不同能量密度激光辐照产生的原子轨迹、温度场、结构形貌和烧蚀产物进行了分析,并探讨了能量密度对表面改性和材料去除的影响。研究结果表明:在低能量密度下,碳化硅材料经激光诱导主要发生晶相结构向非晶相结构的转变;而在高能量密度下,中心区材料的爆炸沸腾是材料喷射去除以及边缘材料堆积的主要原因。烧蚀产物为气与液的两相混合物,其组分占比依赖于激光能量密度。该三维模型为原子及近原子尺度飞秒激光加工提供了理论分析的新途径。

关键词：激光技术材料加工双温模型分子动力学原子及近原子尺度制造

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近场分布式光度计的研究进展及应用

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应用光学 2024年第1期45卷 17-25页

作者：何泽浩王洪远闵锐曹良才清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

亮度计成像精度、存储器数据容量和计算机运算能力决定了近场分布式光度计的探测能力。随着成像技术和计算机技术的发展,近场分布式光度计的测量性能有了革命性的提升。介绍了近场分布式光度计的工作原理,归纳了近场分布式光度计相对于... 详细信息

亮度计成像精度、存储器数据容量和计算机运算能力决定了近场分布式光度计的探测能力。随着成像技术和计算机技术的发展,近场分布式光度计的测量性能有了革命性的提升。介绍了近场分布式光度计的工作原理,归纳了近场分布式光度计相对于远场分布式光度计的优势。综述了国内外近场分布式光度计的研究进展,对比了部分国内外产品的性能指标。针对近场分布式光度计元数据精度不足、扫描重构速度偏慢和溯源装置适应性受限的现状,从部件、软件和系统等方面归纳了相应的解决方案。结合近场分布式光度计的特点和优势,展望了其在照明显示、交通运输、工业视觉和文物保护等领域的应用。

关键词：光度测量照明测量显示测量分布式光度计近场分布式光度计

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微球辅助干涉术中的相位误差补偿方法(英文)

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Journal of Measurement Science and Instrumentation 2024年

作者：洪羽剑付晓锋苏中元胡晓东天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室

近年来，微球辅助显微术得到了迅速发展以实现对微结构的测量。微球辅助显微术可以与光学干涉显微术结合，以实现高横向分辨力的表面形貌测量。然而，微球为干涉光路引入了复杂的相位变化，致使光路不对称，这一误差限制了微球辅助干涉... 详细信息

近年来，微球辅助显微术得到了迅速发展以实现对微结构的测量。微球辅助显微术可以与光学干涉显微术结合，以实现高横向分辨力的表面形貌测量。然而，微球为干涉光路引入了复杂的相位变化，致使光路不对称，这一误差限制了微球辅助干涉术应用。本文仿真了微球的相位传输机制，分析微球直径及其相对于样品的位置对微球相位传输的影响，得出必须对每个微球采用独特的补偿过程这一结论，提出了一种基于微球三维位置调控的相位补偿方法，并将其应用于微球辅助显微和白光干涉测量结合的系统中，减少了微球引入的相位误差，同时提高了光学系统的横向分辨力。该方法提高了微球辅助干涉的表面形貌测量精度，为复杂微结构表面形貌的光学测量提供了新的发展思路。

关键词：微球辅助显微术微球辅助干涉术光学干涉显微术表面形貌测量相位补偿

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