强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2025年第5期

• 多光谱目标检测算法及相关数据集综述

  张天泷, 耿远超, 廖予祯, 许党朋,

  相较于单一波段目标检测技术，多光谱目标检测技术通过捕获物体在多个不同波长的光谱波段下的反射或辐射信息，极大地提高目标检测的准确性和应对复杂环境的鲁棒性。在遥感、农业检测、环境保护、工业生产以及国防安全等领域有着广泛的应用。然而，目前多光谱目标检测领域仍面临着严峻挑战：多样化的高质量数据集以及高效目标检测算法的缺乏，严重制约了该技术的进一步发展和应用。鉴于此，综合阐释了多光谱目标检测数据集的制作方法以及多光谱目标检测算法的重要进展。首先，系统分析了多光谱数据集的构建过程，包括数据采集，预处理和数据标注。其次，全面分析了目标检测算法发展的历史脉络，这些算法涵盖了基于传统特征提取技术的目标检测算法、深度学习方法以及其改进版本。此外，着重强调了算法开发者为提升多光谱目标检测性能在特征融合、模型架构和子网络方面所作的关键改进。最后，探讨了多光谱目标检测技术未来的发展方向，期望为研究人员指明潜在的研究热点和应用领域，促成多光谱目标检测技术在实际场景中更广泛的应用，提升其社会价值。

• 连续热源加载下二维热扩散长度的数值模拟与测量

  花艳, 李笑玲, 韩玉晶, 刘晓凤, 李大伟, 赵元安, 帅坤, 王焜,

  热扩散系数是大能量、高功率激光系统中光学元件的重要参数，关系到元件的抗激光损伤性能，但现有热扩散系数测量方法在多维热传导情况下的测量结果误差较大，且热扩散长度是热扩散系数测量的基础，因此采用有限元法仿真了热源连续加热下的二维热传导并总结了热扩散长度与热扩散系数及加热时间之间的关系规律，据此提出了热源连续加热下测量二维热扩散长度的模型与方法。首先采用有限元分析建立模型仿真了一维热传导情况下的热扩散长度与热扩散系数的关系式并与数值解析表达式比较，二者符合较好，验证了使用连续热源与热扩散长度求解热扩散系数的可行性；之后扩展到二维热扩散情况，并讨论了热损失、样品厚度和热源加载时间对结果的影响；最后给出了实际测量方案，并给出提升测量精度措施。该工作为方便准确地测量材料或元件的热扩散长度提供思路，对制备高功率、大能量激光系统元件具有重要意义。

• 4H-SiC双极型光电晶体管电子束辐照效应

  叶思恩, 黄丹阳, 付祥和, 赵小龙, 贺永宁,

  当光电晶体管偏置在5 V下，辐照前，其暗电流约为58 nA，对365 nm紫外光的响应度约为31 A/W；器件经过10 MeV电子束辐照后，暗电流的数量级下降到10−11 A，响应度下降到原来的1/8左右。辐照后，器件的响应度受偏置电压的影响明显，随着偏置电压的减小而下降，当光电晶体管偏置在3 V下，响应度下降到2.25 A/W。电子束辐照还会影响紫外探测器的开关响应，使响应的总时间变长。结合光电晶体管工作时的电路模型，电子束辐照后引起光产生电流减小、晶体管增益下降和串联电阻增大是引起光电探测器紫外响应性能退化的主要原因。

• 高能量密度物质的X射线Talbot-Lau干涉诊断技术综述

  陈泽畑, 仵武汉, 李昆,

  随着高能量密度（HED）物质诊断需求的日益增长，X射线干涉成像技术在该领域得到了广泛关注和应用。主要综述了X射线干涉成像技术与系统的国内外最新进展，介绍了基于Talbot和Talbot-Lau干涉的X射线光栅成像原理和能力，Talbot干涉和Talbot-Lau干涉是通过利用具有周期性结构的光栅，对X射线的相位、吸收和散射特性进行高精度测量，从而实现对样品内部结构的无损检测与成像。总结了该技术在高能量密度物质诊断实验中的应用，介绍了Talbot干涉分析（TIA）代码，并依靠TIA程序与Flash流体力学代码结合进行了初步模拟，成功获取了Flash模型中的吸收、相位和暗场三种信息，最后总结和展望了X射线Talbot-Lau干涉诊断技术在高能量密度等离子体实验中的应用。

• 间接驱动双金属壳靶内爆出中子实验研究

  丁嘉帆, 黎航, 蒋炜, 景龙飞, 林雉伟, 郭亮,

  介绍了基于百千焦激光装置开展的一系列激光间接驱动双金属壳靶内爆出中子实验。双金属壳靶的设计来源于体点火方案，该方案通过解耦辐射烧蚀与内爆压缩过程，从而提高了内爆的鲁棒性。然而，由于双金属壳靶制备难度较大，首次实验中的中子产额远低于模拟预期。为解决这一问题，提出了两项关键改进措施：一是优化外壳接缝设计，降低流体力学不稳定性因素的影响，提高内外壳的碰撞效率以及内球的内爆效率；二是提高黑腔靶丸的耦合效率，增强激光能量的有效传递。通过这些改进，靶丸的压缩性能和内爆效率得到显著提升，最终实现了中子产额从 5.0\times 10^7 提升至 7.1\times 10^8 。

• 激光焦斑尺寸对极紫外辐射影响的理论研究

  蓝翔, 李学成, 杨顺熠, 唐桧波, 况龙钰, 胡广月,

  为了解激光焦斑尺寸对极紫外转换效率影响及产生影响的物理机制，通过理论解析的方式提出了激光烧蚀平面靶产生冕区等离子体的二维瞬态膨胀模型来研究激光焦斑对极紫外光转换效率的影响。发现在激光光强7.45×1010 W/cm2、半高全宽5 ns、波长1064 nm时，随着激光焦斑半径从60 μm增大到300 μm，相应地极紫外转换效率从1%增大到5.5%；而焦斑半径大于300 μm后，相应地极紫外转换效率保持在5.5%。这是由于激光烧蚀平面靶产生的冕区等离子体从初始的一维膨胀到随后的二维膨胀过程决定了发射极紫外光的等离子体区的饱和尺寸，并最终决定了极紫外光的转换效率。转换效率随焦斑半径变化的趋势可以解释激光烧蚀锡靶实验观察到的物理现象。

• 高功率小型化阶梯型双半圆波导模转天线设计

  陈雅欣, 李相强, 张健穹, 王庆峰, 唐先锋,

  在高功率微波辐射领域中，模式变换器加喇叭天线是实现旋转轴对称模定向辐射的常用技术，但模式变换器与喇叭天线的分离设计往往会使得天线轴向和口面尺寸较大。为了满足实际应用场景对天线小型化的需求，提出了一种模式控制与辐射一体化的阶梯型双半圆波导辐射天线。该天线由圆波导TM01模输入，通过插板将圆波导TM01模分成两路相位相反的半圆波导TE11模，之后再连接两个不对称的阶梯型半圆波导辐射器实现微波辐射。功分器采用了渐变圆波导进行匹配，同时采用大半径的内导体以提高功率容量。双半圆波导辐射器利用模式匹配法结合粒子群优化算法进行相位调节和模式控制。通过分区域的模式控制和辐射一体化设计，在辐射口面处达到更加均匀的同相电场分布，实现定向辐射，从而缩短了天线长度、降低了口面大小。优化设计了一个中心频率为2.85 GHz的天线模型，天线尺寸为1.18λ×1.18λ × 2.42λ。仿真结果表明：在2.75～2.96 GHz内天线回波损耗大于15 dB，在2.71～3 GHz内实际增益大于15.5 dBi，中心频点的实际增益为16.14 dBi，真空功率容量为906 MW。相比于传统的模式转换器加喇叭天线的技术路线，该天线具有高功率容量、小型化的特点。

• 稳压电源强场电磁辐射效应敏感现象

  李晓鹏, 魏光辉, 孙江宁, 卢新福, 万浩江,

  为探究电子设备在强电磁场环境中出现重启、关机现象的根本原因，以某型直流稳定电源为受试对象，观察在强场连续波电磁辐射作用下受试电源表现出的敏感现象。选择电压相对变化量作为效应参量，并描述效应参量随干扰场强的变化规律。辐照试验在GTEM室中进行，干扰信号频段为80～1000 MHz，最高场强为300 V/m。试验结果表明，受试电源的输出电压变化可分为两个阶段。干扰场强较低时，电压变化量表现为单调上升、单调下降或先上升后下降；该阶段电压变化量不超过20%，负载设备仍能正常运转。干扰场强较高时，电压变化量表现为突变，可分为停止干扰后关停（80～120 MHz、320～350 MHz）、施加干扰时关停（220～270 MHz、360～420 MHz）、重启（570～590 MHz、700～720 MHz、860～880 MHz）等三种对负载用电设备造成实际威胁的干扰现象。两个阶段的敏感现象无明显对应关系。

• S3FEL束流测试平台注入段废束桶束窗设计

  张浩, 赵峰, 林涵文, 李磊, 黄礼明, 尉伟,

  深圳中能高重复频率X射线自由电子激光（S3FEL）的预研项目中的束流测试平台，将用于攻克高重复频率自由电子激光中的多项重大关键技术。对S3FEL束流测试平台中注入段废束桶束窗进行结构设计，结合电子束流参数设计了一种钎焊水冷铜窗。通过有限元分析方法对束窗进行热结构计算，分析了不同冷却通道和冷却流速下的温度、应力和变形。综合考虑冷却效果、流致振动和经济效益因素，最终选取了M型水冷通道和流速为1 m/s的束窗设计。并对该束窗处的真空分布进行计算，结果满足了设计要求，验证了设计的合理性，能够确保装置稳定可靠运行。

• BCD工艺栅极驱动器总剂量效应

  许世萍, 崔江维, 郑齐文, 刘刚, 邢康伟, 李小龙, 施炜雷, 王信, 李豫东, 郭旗,

  针对一款BCD工艺栅极驱动器，采用环栅结构进行总剂量效应加固。通过60Co γ辐照试验，对比了加固和非加固器件电学参数随剂量变化情况。结果表明，总剂量辐射会导致器件的输出电压与电流特性发生退化，出现转换电压下降与输出电流上升的现象，同时发现总剂量辐射对输出电阻几乎无影响。对比两种栅极驱动器辐照前后的测试结果，证明环栅加固方法对抑制总剂量辐射引起的边缘漏电有一定的效果，但辐照总剂量达到500 krad(Si)时，加固器件发生功能失效。通过仿真模拟各级晶体管辐射损伤对器件最终输出结果的影响，确定初级施密特反相器内阈值电压漂移影响转换电压，而末级晶体管阈值电压漂移导致输出高电平下降。

• 脉冲电爆炸协同破岩技术研究

  徐尤来, 刘毅, 黄仕杰, 李柳霞, 林福昌,

  基于电磁能装备的电爆破在基坑工程中有巨大应用前景。提出了基于脉冲电源-电爆炸负载阵列的协同破岩技术，通过多应力波叠加实现大体积硬岩可控电爆破。分析了电爆炸过程中过电压产生机理以及多阵列协同过程中的过电压传递特性，提出了强流开关的过电压抑制方法。分析了单电爆炸负载与阵列协同破岩的作用效果，双电爆炸负载阵列单位体积破岩能耗为单电爆炸负载的38%，表明电爆炸负载阵列协同可有效实现大体积硬岩的可控电爆破。

• 基于PCSS触发TSS阵列的高压纳秒开关设计及应用

  张静, 屈光辉, 张琳, 赵国强, 张哲豪, 刘丽娜, 刘园园, 李明奇,

  指标高、结构紧凑、稳定性好的固态高压脉冲开关对脉冲功率技术的进步具有重要意义。提出基于光电导开关（PCSS）和电涌抑制晶闸管（TSS）阵列的高压纳秒开关技术路线，采用便于实现高压隔离的PCSS作为TSS阵列的触发单元，研制了一种新型高压纳秒开关模块（PTTSSM）。研制的20 kV开关模块输出峰值电流23.7 A，脉冲宽度122.1 ns，上升时间和下降时间分别为55.9 ns和128.3 ns，尺寸为60 mm×60 mm×40 mm；100 kV模块输出峰值电压60～100 kV可调、最大输出峰值电流356 A，脉宽1.308 μs，上升和下降时间分别是160.4 ns和2.454 μs，尺寸为150 mm×100 mm×50 mm，均能够长时间稳定工作。基于新型高压纳秒开关模块的脉冲电源在有机废水处理实验中成功产生大量稳定低温等离子体，有效降解有机物，验证了开关模块驱动产生等离子体的可行性和有效性。

• 一种基于钒掺4H-SiC光导开关的电磁振荡现象

  林舟洋, 陈志鹏, 孙倩, 郑重, 许坤, 蒋树庆, 张玉明, 王雨田, 胡彦飞, 郭辉,

  通过构建光导开关-金属线圈结构，发现了一种关于钒掺光导开关的电磁振荡现象。这种结构中光导开关响应于激光脉冲信号，金属线圈同时感应出振荡的脉冲信号。这种振荡信号的产生与输入偏压、激光能量、脉冲电路元件、光导开关的形状及结构无关，而与开关的输出特性有关。使用光导天线中的电流瞬冲模型可以较好地解释这一物理现象，通过在SiC半导体上制备欧姆接触电极形成光导开关，当超快激光脉冲照射材料表面时生成大量的光生载流子，同时在电极之间施加偏压信号。此时开关内部在电场作用下形成瞬态电流，进而形成电偶极结构，辐射出电磁波，金属线圈接收并产生振荡信号。

• 单视角CT非线性图像重建不确定度量化研究

  唐志鹏, 管永红, 景越峰,

  闪光照相技术可以对快速物理过程进行诊断，但由于是瞬时照相，获得的投影数量稀少。考虑视角典型受限（即一个视角）的情况下，CT图像重建不确定度量化方法的研究。目前的单视角CT图像重建不确定度量化方法通常假设在线性光程方程中含有高斯噪声的模型，但这种物理模型过于简化。从朗博比尔定律（Lambert-Beer’s law）出发，构建了关于透射率的指数衰减方程及其高斯噪声项，得到更合理的非线性图像重建模型，推导得到相应的非线性后验概率密度函数，然后利用RTO算法以及Gibbs算法对该后验概率进行抽样，通过统计抽样样本得到图像重建的平均值及其不确定度。为了验证新方法的有效性，给出了模拟数据，并与基于光程方程的线性图像重建结果进行了对比，结果表明基于透射率方程的非线性图像重建方法具有更好的不确定度估计潜力。

• 靶电流对核辐射探测器用铝薄膜组织及性能的影响

  李明旭, 李欣, 郭巧琴, 齐源昊, 雷雨,

  采用磁控溅射技术控制不同的铝靶电流在 聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）的表面制备双面铝薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察铝薄膜的微观形貌，使用X射线衍射仪（XRD）对铝薄膜进行物相分析，利用划格法检测铝薄膜和PET的结合情况，利用紫外-可见分光光度计检测铝薄膜的挡光性，采用手持式核辐射探测器检测α和β粒子射线粒子在铝薄膜中的透过率。结果表明：铝薄膜表面光滑平整，具有金属光泽，Al晶粒均匀致密。铝薄膜无孔洞、裂纹等缺陷；随着Al靶电流增加，Al晶粒尺寸、铝薄膜厚度及沉积速率均增大，铝薄膜粗糙度先降低后增大。铝薄膜的挡光性先提高后降低，α、β粒子的平均透过率均逐渐降低；当铝靶电流为2.0 A时，铝薄膜的粗糙度最小，为2.49 nm，光透过率最低在0.025%左右，α、β粒子的平均透过率最高，分别为581.7 CPS、547.2 CPS。

• 核脉冲峰值序列轻量化神经网络核素识别模型及其FPGA加速方法

  李超, 石睿, 曾树鑫, 徐鑫华, 魏雨鸿, 庹先国,

  放射性核素已在核医疗、核安保及无损检测等领域中广泛应用，而对其准确识别是放射性核素定性检测的基础。在便携式核素识别仪中，基于传统能谱分析方法存在延迟高、识别率低等不足。提出一种基于核脉冲峰值序列的核素识别轻量化神经网络模型及其FPGA硬件加速方法，通过引入深度可分离卷积和倒残差模块，并使用全局平均池化替代传统全连接层，构建了一种轻量化、高效的神经网络模型。针对网络训练数据集，通过蒙特卡罗工具包Geant4构建NaI(Tl)探测器模型，获取模拟能谱，再由核脉冲信号模拟仿真器根据能谱产生核脉冲信号序列，构建了16种核脉冲信号数据。最后，将训练好的模型通过量化、融合与并行计算等优化方法部署到PYNQ-Z2异构芯片，实现加速。实验结果表明，模型识别精度可达98.3%，相较传统卷积神经网络模型提高了13.2%，参数量仅为2 128。FPGA优化加速后单次识别耗时0.273 ms，功耗为1.94 W。

• 基于涡旋光的三种气辉(极光)光谱线型的比较研究

  李存霞, 章艺珊, 周健, 刘洋河, 惠宁菊, 王彦龙, 符迪迪, 唐远河,

  对被动遥感探测高层大气风场所使用的高斯光谱线型、洛伦兹线型与佛克托线型三种线型的气辉（极光）光源引入涡旋光因子后，从理论上导出了三种线型涡旋光表达式，模拟得到三种气辉（极光）涡旋光线型的调制图像，三种线型随拓扑荷数的变化出现不同程度的消光：高斯型涡旋光绕轴旋进一周相位改变2πl，整体呈螺旋形，中心消光部分及相位随拓扑荷数l增加而增大；洛伦兹型涡旋光以横轴分布方向为主要的消光方向。随着l增加光强减弱，以间断式进行中心消光，具有螺旋空间相位结构；佛克托型涡旋光的花样对称分布于横向与纵向两侧，顶部呈“V”型沿-z方向消光。给出三种线型涡旋光的干涉强度与光程差、拓扑荷数的关系式，模拟得到三种线型涡旋光的干涉条纹的3D图，发现不同拓扑荷数下空间光谱强度产生不同的叉形结构：随着涡旋相位的改变，原有空间分布发生变化，整体从光强最大处开始向两侧延伸并挤压，分数拓扑荷数下涡旋相位挤压和错位影响更大。实验结果发现高斯型涡旋光的亮环数目与拓扑荷数l相同，拓扑荷数l每增加1，则总拓扑相位就会增加2π，束腰半径也随之增加。

• 基于衍射成像的高分辨X射线诊断技术仿真研究

  李锦波, 徐捷, 穆宝忠, 王新,

  为了研究激光聚变内爆中出现的流体力学不稳定性问题，需要具备大视场、高分辨率的X射线诊断技术。菲涅耳波带片（FZP）是一种圆形非周期光栅结构，可实现X射线的高空间分辨率成像。开展了基于衍射成像的高分辨X射线诊断技术仿真研究，展示了FZP对于流体力学不稳定性问题的应用前景。基于衍射理论建立FZP理论模型，根据诊断实验环境，设计了工作能点为8.04 keV下的FZP结构参数。基于光学仿真模型，对FZP成像色差问题进行模拟，给出了空间分辨与光谱带宽的关系，仿真结果表明，光源带宽小于0.2 keV，FZP的分辨率优于3 μm。通过网格背光成像仿真表明，FZP在0.8 mm视场内，可以实现优于3 μm的分辨。

• 基于电介质的2.5 MeV小型化高束流功率加速管设计

  范雨轩, 杨京鹤, 朱志斌, 王博, 王常强, 雷瀚,

  横向尾场导致的束流崩溃效应是限制加速器向强流小型化发展的主要因素。介质金属盘片混合加速结构是具有小型化高束流功率特性的新型加速结构，但其结构较为复杂，导致装配和调谐困难。通过开展介质金属盘片混合加速结构研究，明确介质材料对腔体性能的影响，从而优化结构以解决装配和调谐的问题。该结构优化后可以大幅度降低横向尾场导致的束流崩溃，增大束流功率。基于优化后的结构，设计一只工作频率为S波段2856 MHz，具有小型化高束流平均功率特性的2.5 MeV加速管。介绍了加速结构的优化及加速管的物理设计，采用数值计算方法完成了加速管束流动力学设计，并用PARMELA进行了验证计算。本研究明确该结构具有成为新一代大束流功率辐照直线加速器的潜力。

• 紧凑型X射线光源的共振注入方法

  董自强, 邵琢瑕, 张通, 王琳, 陆亚林,

  针对紧凑型X射线光源的一体化储存环注入系统这一核心问题开展研究。利用三维电磁场仿真软件CST与束流动力学模拟软件ELEGANT，重点对注入系统中的关键元件−扰动器进行多参数优化设计。研究了电子束流在半整数注入过程中的相空间演化规律，优化了注入元件的结构参数，针对紧凑型储存环优化了注入方案，计算结果显示扰动器相对于注入点的最佳摆放位置是150°～210°，电子束流注入位置相对于平衡轨道为30 mm，扰动器停止工作后电子振幅最小可缩小至3.4 mm。最后分析了紧凑型储存环采用多次多圈注入模式实现束流注入的可行性，计算结果显示扰动器工作频率为3 MHz时可获得最大注入效率。

• 飞秒激光直写FBG用于谐振腔输出功率突破千瓦

  赵蓉, 高晨晖, 路欣达, 饶斌裕, 田鑫, 李昊, 王蒙, 李智贤, 杨保来, 陈子伦, 马鹏飞, 王泽锋,

  运用飞秒激光逐面直写技术，结合光束整形方法，成功实现了一步直写大面积光栅栅面。基于该方法在20/400 μm双包层光纤中成功制备高低反光栅对，并用于搭建全光纤振荡器。在2262W泵浦功率下实现1664W近单模激光输出，光-光转换效率达73.47%，光束质量因子M2=1.46，输出光谱3-dB带宽为3 nm且无受激拉曼散射峰。研究结果表明，飞秒激光直写技术在高功率光栅制备中同时具备工艺灵活性与热管理优势，为全光纤激光器性能提升提供关键技术路径。