用蒙特卡罗法研究面光源在血液中的传播

用蒙特卡罗法模拟了光斑半径为0.1cm的633nm激光光源的玻璃-血液=玻璃3层样品结构中的传播，详细地讨论了漫反射率和总透过率与血液厚度的关系以及不同厚度血液其漫反射和总透过的径向强度分布。结果表明：血液的漫反射率很小且厚度达到0.08cm后，漫反射率就基本稳定；总透过率随血液厚度的增大而减小，当血液厚度达到0.10cm后，血液就基本不透光了；漫反射和总透过的径向强度主要分布的高斯光斑范围内。     

准分子激光微透镜整形均束装置

报道了248 nm准分子激光微透镜整形均束装置的研制结果。实际采集并拍摄了248 nm准分子激光光能量分布的彩色图像,使用Matlab分析处理该图像并提取了相关信息进行计算,通过光学软件ZEMAX模拟出符合实际准分子激光光能量分布的光源。通过分析空间光能量分布特征,设计并加工出一套适用于248 nm准分子激光的微透镜整形均束装置,且理论模拟和实际测试结果相吻合。248 nm准分子激光通过该光学系统整形均束后,可以在工作平面上得到一个约18 mm×18 mm的正方形光斑,光斑的能量均匀度误差(加工窗)在±2%以内,平顶因子为0.90,光能量通过率为85%左右,解决了248 nm准分子激光光斑形状不规则,且光斑能量分布不均匀的问题。该装置的研制成功,对于优质、高效地开展准分子激光微加工提供了具有自主知识产权的技术支撑。     

面光源在皮肤组织中传输的蒙特卡罗模拟计算

光在生物组织中的传输可用蒙特卡罗模拟来计算,但多数局限于对线光源垂直入射的模拟。在实际的使用中,入射光源的形状、大小、光强分布和会聚情况对生物组织内的光传输均有影响。本文以最简单的强度均匀分布的圆形面光源（平圆光源）和实际使用中最具代表性的强度成高斯分布的面光源（高斯光源）为例,讨论光束的大小,强度分布和聚焦情况对生物组织内光能量分布的影响。     

利用微区空间分辨漫反射测量组织光学特性

为了准确测量光源附近微区内的漫反射光分布,设计了一维光纤阵列探头,通过两个光开关的通道切换实现了对距离光源0.125～1.250 mm径向范围内10个位置漫反射光强的测量,空间分辨率为0.125 mm.实验测量的漫反射光分布与Monte Carlo(MC)结果相符合,验证了测量系统的可靠性,采用逆MC算法,实现了对生物组织模拟液光学参量的测量,测量结果与文献报道符合较好.     

激光在锥形多模光纤中的耦合效率与传输模式

基于光线追迹的方法建立了典型锥形多模光纤的传输模型,结合激光干扰设备激光的特点,模拟计算了激光在锥形多模光纤中的耦合效率和传输模式,并设计进行了光学实验。仿真和实验结果表明:高斯激光光斑经锥形多模光纤传输后为圆环形光斑;耦合效率随激光入射角的增大而减小,减小的速率随入射角的增大而减小。为解决圆环形光斑分布,提出了将输出端连接的圆柱形光纤弯曲一定角度的方法,该方法可以将光斑改善为二维正态分布的光斑,理论耦合效率近80%。该研究为激光干扰设备的干扰激光直接介入激光制导武器对抗半实物仿真系统提供了理论和实验支持。     

光纤耦合技术的星图模拟技术研究

针对深空导航敏感器的地面标定对多星等、高星等的技术要求,提出一种基于光纤耦合技术的星图模拟新方法,创新性的运用了OLED面光源和光纤耦合机构配合高精密靶标的技术来模拟星图.结合所设计星图模拟器指标,重点对光纤面光源耦合和OLED面光源亮度双调制技术进行了深入研究,分析了光纤面光源的耦合技术的关键条件,为实现较高的光耦合效率,选择数值孔径为0.6的大芯径聚合物光纤(POF)与自聚焦透镜组成耦合机构,设计结果表明聚光斑100 m,纤芯轴向光能量利用率大于80%;所研究的面光源双调制技术在星等模拟中的设计结果说明:该技术可解决单一的电气灰度调制或空间灰度调制无法实现5~10等星精确模拟的的技术难题.     

鱼眼镜头图像畸变的校正方法

提出了一种校正鱼眼镜头图像畸变的新方法。通过追迹光学系统的主光线,获得它在投影平面上的径向位置与它在像平面上位置之间的关系曲线;然后用傅立叶级数拟合该关系曲线;并求出该级数的逆函数,结果就可以根据畸变图像复原没有畸变的图像。用该方法数值模拟两个鱼眼镜头系统的图像畸变校正;并用其中一个鱼眼镜头（尼康16 mm/F2.8）拍摄的两张图像进行了畸变校正实验。结果表明,当设置投影平面和物平面重合时,恢复的图像相对于物体的残余径向高度误差非常小（小于0.25%）。实验证明了该方法是可行的。     

新型激光投影显示方棒照明系统的设计

以非成像理论中光学扩展量的传递规律为依据,给出了激光二极管(LD)阵列作为光源的新型激光投影显示系统中方棒照明光路元器件尺寸及入射光束孔径角的确定方法。选用3×8红光LD阵列作为光源,0.45inch(1inch=25.4mm)硅基液晶(LCOS)芯片为空间光调制器(SLM),应用光学设计软件Zemax给出了方棒照明系统的设计实例,包括LD阵列光源光束整形系统、方棒匀光系统、方棒中继系统的设计。结果显示方棒照明系统具有较高的光能利用率及较好的光斑均匀性。由此得出较高光能传递质量的新型激光投影显示系统中方棒照明系统的设计方法。     

单模光纤章动跟踪耦合系统设计

在光纤激光通信系统中,为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响,本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理,分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上,对激光章动跟踪系统进行了设计,主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器,并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台,对系统进行了实验测试。通过实验测试得到,在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%,并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响,得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求,并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。     

一种全局优化的激光光斑亚像素定中算法

根据激光光斑特征提出其中心位置检测方法,该法先假定激光光斑中心位置,再利用假定激光光斑中心点的投影圆上等效光强原理对其进行重建,并将重建前后两者的光强差的绝对值之和作为评价假定点与真实光斑中心距离的指标,最后,根据所述指标最小化原则求取激光光斑中心位置。理论分析表明,对于标准高斯分布的激光光斑,所述评价指标与假定点及真实光斑中心间的距离成正比,在真实光斑中心处,其评价指标值为零。对于实际激光光斑,在其中心处所述评价指标的值接近于零,为提高其抗噪声干扰能力,采用距离加权法作为其改进的评价指标。对有噪声干扰的实例计算结果表明,该法中心定位达到亚像素精度优于0.1 pixels,不仅定中精度高,而且算法速度快、稳定性好、抗干扰能力强。     

激光模拟射击高精度命中环数算法研究

为了解决激光模拟射击中由于图像畸变和光斑中心定位误差而造成命中环数计算结果与实际值偏差较大的问题,提出一种高精度命中环数算法。算法通过参考点确定靶环中心,采用带阈值处理的灰度重心法计算光斑中心,利用参考点对畸变图像进行透视变形校正和径向畸变校正,消除因图像畸变而带来的计算误差,最后计算出准确的射击命中环数。实验结果表明,高精度命中环数算法能有效消除误差,提高命中环数计算精度,命中环数达到01环级别,光斑中心在靶面上的定位精度达到01mm级,满足激光模拟射击技术要求,在激光模拟射击中具有实用意义。     

光纤激光阵列相干合束的研究

相干合束是获得高功率、高光束质量激光的一种重要方法。为了分析光纤激光合束的特点,通过对相干合束不同传输距离光强分布特点的模拟对比,研究了光纤激光阵列结构、相位随机抖动、光纤间距、传输距离等因素对相干合成的影响,分析了相干合成时桶中功率随传输距离的变化。结果表明,相干合成时,不同光纤激光阵列结构在传输距离较近位置光强分布差别很大;随着传输距离增加,光强分布基本都接近高斯分布;轴上点光强分布极大值个数和阵列结构环数紧密联系;各光束之间的随机相位差越小,相干合成效果越好。这些结果对光纤激光相干和束的实验研究有一定的参考价值。     

玻璃测厚系统中激光双光斑中心定位方法

双激光光斑中心定位是利用半导体激光和CCD组成的玻璃厚度测量系统中的重要步骤。双光斑中心测量中由于光斑之间相互干扰,易导致光斑分布不均匀和杂散斑干扰严重等问题。传统的定位算法应用在玻璃测厚系统中均存在精度较低、抗干扰能力差等缺点。提出一种基于高斯拟合法的改进算法。首先采用二维零均值高斯函数进行平滑滤波;然后利用高斯拟合法对光斑进行拟合,以获得表征光斑理想光强分布的高斯函数;最后根据理想光强分布将杂散斑滤除后再进行高斯拟合求得光斑中心坐标。仿真实验结果表明此方法可以提高中心定位的精确度和抗干扰能力,使定位误差小于0.1个像素。     

PSD安装倾斜误差对光斑定位影响的研究

针对入射光能量为高斯分布时,位置敏感探测器(PSD)安装倾斜影响光斑定位的问题,建立了光斑定位畸变误差数学模型,并进行了仿真。仿真结果表明,光斑定位畸变误差随着PSD倾斜角度、高斯光束的束腰半径和与光束束腰之间的距离的增加而增加,其中前两项的变化对PSD光斑定位精度的影响在小范围内可以忽略,最后一项影响较大。所建立的光斑定位畸变误差模型及仿真结果为PSD的实际工程应用提供了有效的理论依据。     

几种金属结构材料的激光冲击损伤形貌特性实验研究

激光冲击是一种以高功率脉冲激光辐照金属材料的新型表面改性处理技术。课题组通过对铝、钛和不锈钢这三种典型的金属结构材料,在有水约束层和记号笔涂层作保护层的情况下,进行激光冲击对比试验,获得强激光冲击作用下金属结构材料的损伤特性,并定量分析了激光冲击次数与金属材料表面凹坑深度的关系,结果表明凹坑深度与冲击次数呈线性关系且斜率与金属材料的屈服强度成反比。为了探究激光冲击光斑形貌对于金属材料损伤的影响,我们还对比了方斑和圆斑的冲击情况。     

卫星激光通信中目标跟踪算法的改进

分析了用重心法计算光斑能量中心时图像相对光源强度分布失真引入的误差，建立了强度失真模型，引入修正该失真的修正因子，提出了相应的修正算法，并讨论了该修正算法在卫星激光通信跟踪系统中的应用。计算机模拟结果表明，在适当的情况下，计算出的由于像面上强度分布相对光源失真而导致的跟踪角度偏差可增至109″，从而证明了在激光卫星通信系统中，修正因子的引入提高了定位、跟踪精度和信道的可靠性。     

管道三维检测仪的激光光斑位敏探测技术

通过摄像机采集激光光斑在成像屏上的图像并计算光斑坐标变化的方法,来检测地下管线的位置分布以及弯曲变化,具有精度高、响应灵敏等优点。在投影屏边缘处设计了五个固定孔作为尺度定标点,采集激光光斑在管道中移动的投影图像,采用多种数字图像处理方法,获得了五个固定孔投影椭圆的位置以及光斑的位置。此方法比以前检测光斑位置的方法,数据稳定可靠,有助于地下管道的三维分布测试的精度提高。     

基于多元正态分布的飞秒激光烧蚀光斑质心提取

飞秒激光在加工单晶硅过程中伴随着等离子体衍生发光现象,并以激光光斑形式表现出来,激光烧蚀效果受激光脉冲能量、光学设置、材料特性、环境参数等因素的影响,参数的选择是实现理想加工的关键,由此引入光斑质心的提取,研究光斑的变化规律以提高加工精度的目的。常用的质心提取算法有灰度质心法、高斯曲面拟合法等,但由于受到噪声的影响,光斑的灰度峰值可能发生偏差,提取的质心同真实质心相比误差较大,由此引入多元正态分布,在多个方向拟合高斯曲面,通过极大似然法估计质心,在精度方面得到了很大的改善。     

激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。