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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

光纤锁模激光器:从单模时域耗散孤子锁模到多模时空耗散孤子锁模(特邀)

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中国激光 2024年第1期51卷 69-83页

作者：高晨心曹博鲍成英杨昌喜肖晓晟清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室北京100084 北京邮电大学电子工程学院信息光子学与光通信全国重点实验室北京100876

在光纤锁模激光器中,模式相位锁定产生周期短脉冲的过程称为锁模过程,产生的脉冲在广义上被称为“光耗散孤子”。光纤锁模激光器从传统的单模光纤锁模激光器发展到了多模光纤锁模激光器,锁模机理从一维(1D)时域耗散孤子锁模发展到了(3+1... 详细信息

在光纤锁模激光器中,模式相位锁定产生周期短脉冲的过程称为锁模过程,产生的脉冲在广义上被称为“光耗散孤子”。光纤锁模激光器从传统的单模光纤锁模激光器发展到了多模光纤锁模激光器,锁模机理从一维(1D)时域耗散孤子锁模发展到了(3+1)维时空耗散孤子锁模。通过深入理解耗散孤子的产生机理,有望进一步推动光纤锁模激光器在科学和应用领域的发展,为更多领域带来更多创新和可能性。首先介绍单模光纤锁模激光器中的一维时域耗散孤子锁模,探讨不同色散区域中时域耗散孤子的产生机理;随后介绍多模光纤锁模激光器中时空耗散孤子的最新研究成果,讨论模间色散的补偿方法,揭示其丰富的时空锁模机理和潜在的应用场景;最后对光纤锁模激光器的发展前景进行展望。

关键词：激光器光纤锁模激光器耗散孤子锁模机理非线性光学

激光表面淬火对车轮多边形萌生及发展影响试验研究

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摩擦学学报（中英文） 2024年第2期44卷 154-166页

作者：黄金伟王文健丁昊昊郭俊刘启跃祝毅齐欢西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室摩擦学研究所四川成都610031 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027 成都青石激光科技有限公司四川成都610031

车轮多边形磨损是影响列车服役可靠性的常见异常磨损形式,而激光淬火是提高金属材料耐磨性能的新型技术,但目前关于激光淬火对车轮多边形的影响尚未深入研究.因此,本文中将研究激光淬火对车轮多边形萌生与发展的影响规律,探讨利用激光... 详细信息

车轮多边形磨损是影响列车服役可靠性的常见异常磨损形式,而激光淬火是提高金属材料耐磨性能的新型技术,但目前关于激光淬火对车轮多边形的影响尚未深入研究.因此,本文中将研究激光淬火对车轮多边形萌生与发展的影响规律,探讨利用激光淬火技术抑制车轮多边形的可行性.首先利用激光器对车轮试样进行点状淬火和全表面淬火,利用MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机进行轮轨滚动磨损试验,分析轮轨系统振动频率、车轮试样磨损表面宏观形貌、廓形、多边形阶数以及材料损伤等,探明激光淬火对车轮多边形形成的影响.结果表明:在车轮试样表面沿圆周方向均匀地进行12个和16个点状淬火时,滚动磨损试验中车轮试样分别萌生出12阶和16阶多边形,并激发出严重的轮轨系统振动,最终在15万转时产生较大波深的车轮多边形.对车轮表面进行全表面淬火处理时,滚动磨损试验过程中始终无车轮多边形产生.在此基础之上,本文作者对未淬火车轮试样进行6万转滚动磨损试验以形成多边形磨损,然后对多边形车轮试样进行点状淬火(波谷处淬火)和全表面淬火,继而进行轮轨滚动磨损试验.研究表明:对多边形车轮试样波谷区进行淬火强化后,多边形发展表现出先放缓后加快的现象,波谷逐渐转变为波峰;对多边形车轮试样进行全表面淬火强化后,多边形继续发展,运行15万转后多边形波深呈轻微下降趋势.研究结果对车轮多边形磨损控制技术研究具有理论指导意义.

关键词：车轮多边形激光表面淬火磨损硬度塑性变形

基于青光眼影像的人工智能辅助诊断技术及进展

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激光与光电子学进展 2024年第14期61卷 9-20页

作者：李明远房丰洲天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室微纳制造实验室天津300072

人眼内异常的眼内压是青光眼的主要表现之一,而在疾病的早期阶段患者并没有感到明显不适,往往难以及时发现,如果该疾病未得到及时治疗,则可能导致完全失明。青光眼的早期诊断可以有效预防永久性视力丧失,临床上人工检查是一种可行的解... 详细信息

人眼内异常的眼内压是青光眼的主要表现之一,而在疾病的早期阶段患者并没有感到明显不适,往往难以及时发现,如果该疾病未得到及时治疗,则可能导致完全失明。青光眼的早期诊断可以有效预防永久性视力丧失,临床上人工检查是一种可行的解决方案,但这不仅费时费力,而且要求医生具备专门的知识和经验。现有的研究成果表明,将人工智能技术整合到影像中预防和检测青光眼是高效、准确的。系统介绍基于人工智能的青光眼辅助诊断领域的最新进展,探讨各种已发表的算法模型,总结此类研究存在的问题及未来可能的研究方向,并对基于多模态评估的青光眼智能检测技术的研究现状与未来发展趋势进行详细和深入的评述。

关键词：青光眼深度学习人工智能光学相干断层扫描眼底图像视野

协同随机森林方法和无人机LiDAR空谱数据的盐沼植被“精灵圈”识别

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光电工程 2024年第3期51卷 76-84页

作者：韩江涛谭凯张卫国周若彤刘帅华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241

“精灵圈”作为一种典型的空间自组织结构,对盐沼植被生态系统及其功能有重要影响。获取“精灵圈”的空间格局及时空变化,可为厘清其生态演化机理提供重要科学支撑。本文基于随机森林机器学习方法,结合无人机激光雷达(LiDAR)点云的空间... 详细信息

“精灵圈”作为一种典型的空间自组织结构,对盐沼植被生态系统及其功能有重要影响。获取“精灵圈”的空间格局及时空变化,可为厘清其生态演化机理提供重要科学支撑。本文基于随机森林机器学习方法,结合无人机激光雷达(LiDAR)点云的空间信息与光谱信息,对盐沼植被“精灵圈”进行智能识别与提取。首先,利用激光雷达方程和Phong模型,消除距离、入射角以及镜面反射效应对强度数据的影响,并且通过校正后强度数据滤波分离植被点云与地面点云。然后,构造系列空间特征及几何变量,利用随机森林算法,对植被点云中的正常植被和“精灵圈”进行分类。结果表明:该方法无需人工经验设置参数,能够精确地从无人机LiDAR三维点云数据中快速自动识别“精灵圈”,总体精度为83.9%。本文为“精灵圈”时空分布反演提供了一种高精度的方法,也为基于机器学习的三维点云数据处理提供了技术借鉴。

关键词：随机森林无人机激光雷达空间自组织点云分类

基于硅酸盐中磁性矿物包裹体的长江和黄河沉积物区分

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第四纪研究 2024年第2期44卷 540-550页

作者：汤佳冰张卫国华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241

环境磁学指标已被用来区分中国近海沉积物中长江和黄河物质来源,但是该方法会受到潜在的成岩作用影响。硅酸盐中的磁性矿物包裹体不受成岩作用影响,具有可靠区分物源的潜力。本研究将盐酸(10 mol/L)处理后样品的磁性特征视作硅酸盐中磁... 详细信息

环境磁学指标已被用来区分中国近海沉积物中长江和黄河物质来源,但是该方法会受到潜在的成岩作用影响。硅酸盐中的磁性矿物包裹体不受成岩作用影响,具有可靠区分物源的潜力。本研究将盐酸(10 mol/L)处理后样品的磁性特征视作硅酸盐中磁性矿物包裹体的贡献,以提供区分长江和黄河沉积物的新指标。结果表明,盐酸处理后样品中与磁性矿物含量有关的参数(χ、 SIRM、χARM、 HIRM)不到处理前样品参数值的10%;硅酸盐中的磁性矿物包裹体以低矫顽力的亚铁磁性矿物为主,相比原样中的亚铁磁性颗粒更细;盐酸处理后长江沉积物相比黄河,具有更高的SIRM、χARM、 HIRM值,表明前者包裹体中亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物含量更高。分粒级的磁学参数显示,两个河流沉积物磁性矿物包裹体SIRM与HIRM值随着粒级的增大而增大。由于长江支流众多,岩石类型复杂,包裹体磁性参数变化较大,而黄河物质主要来自于黄土高原的黄土,黄土由源区至高原的风力搬运过程中的分选和混合,使得包裹体磁性矿物含量较低,但磁性参数相对均一。本研究表明,利用硅酸盐中磁性矿物包裹体SIRM和S-100散点图、磁性参数主成分分析和热磁曲线,可有效区分长江和黄河沉积物。

关键词：包裹体环境磁学物源粒级分离长江黄河

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基于多角度投影方法的砂土颗粒三维形态表征

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 294-302页

作者：谢维强张晓平刘晓丽周小雄刘泉声清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 深地科学与工程云龙湖实验室徐州221116 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室武汉430072

砂土颗粒的形态学特征(尺寸和形状)对于评估砂土材料的力学特性至关重要,因此准确地量化其三维形态学特征是研究砂土材料力学特性的前提工作。相比三维测试(表征)方法,二维测试(表征)方法具有测试方式多、程序简单、成本低等优点。为研... 详细信息

砂土颗粒的形态学特征(尺寸和形状)对于评估砂土材料的力学特性至关重要,因此准确地量化其三维形态学特征是研究砂土材料力学特性的前提工作。相比三维测试(表征)方法,二维测试(表征)方法具有测试方式多、程序简单、成本低等优点。为研究二维图像对砂土颗粒三维形态的表征,利用三维激光扫描技术获取砂土颗粒的三维点云数据;然后利用计算机算法重构砂粒的三维模型,准确快速地自动提取砂粒的三维形态特征;借助算法获取了随机单一投影法、最大最小投影面积法(选自1000张投影)和三正交方向投影法下的砂粒二维形态参数;分析了二维参数与三维参数之间的相关关系,提出了基于砂土颗粒二维形态特征表征三维形态特征的可靠方法。结果表明,砂土颗粒的三维尺寸(长、宽、厚)可使用相应的二维尺寸估算(线性拟合系数R~2=0.735~0.994);3种投影方法中,最大最小投影面积法和三正交方向投影法可准确地估算砂土颗粒的三维形态,为砂土材料的快速定量化表征提供了实用方法。

关键词：砂土颗粒形态特征三维激光扫描二维投影数字图像处理

基于DMPC的无信控交叉口智能网联车辆多车协同轨迹规划

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汽车安全与节能学报 2024年第2期15卷 235-241页

作者：金立生魏青嵩谢宪毅石业玮雒国凤李克强燕山大学车辆与能源学院秦皇岛066000 清华大学智能绿色车辆与交通全国重点实验室(原汽车安全与节能国家重点实验室)北京100083

为了解决智能网联自动驾驶环境下无信控十字交叉口多车协同通行的冲突问题,该文提出了一种基于分布式模型预测控制(DMPC)的多车协同轨迹规划方法。采用分布式模型预测框架实现多车协同轨迹规划的分布式独立计算,利用滚动时域预测周车轨... 详细信息

为了解决智能网联自动驾驶环境下无信控十字交叉口多车协同通行的冲突问题,该文提出了一种基于分布式模型预测控制(DMPC)的多车协同轨迹规划方法。采用分布式模型预测框架实现多车协同轨迹规划的分布式独立计算,利用滚动时域预测周车轨迹实现车-车未来状态交互,基于智能网联环境车-车交互通信功能实现规划结果共享;引入道路边界约束、加速度约束与碰撞约束等车辆安全约束条件,通过二次规划求解可以安全通行十字路口的多车轨迹;基于MATLAB驾驶场景生成模块建立无信控十字交叉口环境,并在2种场景下验证了该方法的有效性。结果表明:在直行工况和左转工况下多车间最小距离分别为2.58 m和2.99 m,均满足避撞的安全距离约束,实现了多车之间的协同避撞并且能够保证通行效率。

关键词：车辆工程无信控十字交叉口多车协同分布式模型预测控制(DMPC) 轨迹规划

换流阀高压直流电容聚丙烯材料选型关键参数与方法

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高电压技术 2024年第6期50卷 2354-2362页

作者：冉昭玉刘雨杭孟礼李琦电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 北京100084

高压直流电容器作为海上风电柔直换流阀中功率模块的重要部件,是换流阀中国产化程度最低的核心元件。双向拉伸聚丙烯(biaxially-oriented polypropylene,BOPP)薄膜的介电与储能特性直接影响电容耐压等级和容量,目前大量依赖进口。为了... 详细信息

高压直流电容器作为海上风电柔直换流阀中功率模块的重要部件,是换流阀中国产化程度最低的核心元件。双向拉伸聚丙烯(biaxially-oriented polypropylene,BOPP)薄膜的介电与储能特性直接影响电容耐压等级和容量,目前大量依赖进口。为了应对电容器紧凑化发展的趋势及其在复杂运行工况下长期安全稳定运行的挑战,开展了聚丙烯材料选型关键参数研究。调研并选取国内外主要电容厂家现有的聚丙烯材料,结合粒料与表面材料微观结构、结晶参数、介电性能等实验测试分析,基于神经网络分析发现,影响聚丙烯材料介电储能特性的关键影响因素包括等规度、灰分、结晶参数、高温高场下介质损耗及泄漏电流,从而为换流阀高压直流电容聚丙烯材料选型提供依据。结果表明,国产超纯粒料相较于进口粒料所对应的聚丙烯薄膜关键物化参数差距较小,85℃高温下充放电效率90%对应的电场强度及储能密度基本相当,交直流叠加电场650 kV/mm以内,薄膜充放电效率维持在同一水平,因此有望应用于换流阀实际工程。

关键词：直流电容器聚丙烯选型微观结构介电储能性能