项目成果/简介:随着现代激光技术的快速发展，激光跟踪在空间光通信、激光雷达、卫星遥感、定向能应用及工业测量等领域得到了广泛的应用，光束偏转原理、跟踪机构及其控制方法等是影响跟踪范围、精度、实时性和稳定性等光电跟踪性能的决定因素。在国家自然科学基金的支持下，由同济大学牵头，联合中国科学院上海光学精密机械研究所以及上海同新机电控制技术有限公司等单位开展了面向机器人误差测量等工业应用的多模式激光跟踪仪的研究。该研究对复杂场合下时变轨迹跟踪、测量或加工具有强适应性；结合图像采集系统，可以精确调整成像视轴以实现视觉导引或大范围高精度图像拼接。该项目从原理上拓展了激光多模式、变尺度跟踪的实现方法，形成了复杂场合下大范围高精度动态目标激光跟踪的核心技术，在机器人动态误差测量、动态成像检测、空间激光通信以及军事侦察等领域具有广泛的应用前景。应用范围:该项目经过几年培育，截至2018年6月已生产多模式激光跟踪系统样机5台套，主要应用于中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室、同济大学机械工程综合实验中心等单位。 在自由空间激光通信、激光雷达、光纤光开关、激光指示器等领域中，可用于激光光束的转向及指向稳定调整。在空间观测、侦察监视、红外对抗、搜索营救、显微观察、干涉测量、机器视觉等领域中，可用于改变成像视轴，扩大搜索范围或成像视场。国内外对基于旋转双棱镜的激光跟踪理论研究集中在光束转向机制、光束扫描模式、棱镜回转控制等方面。 产学研合作开发，意向合作单位：从事光电精密仪器开发的经验，对于激光跟踪技术具有一定的技术积累，如ABB公司、Leica、西门子、新松机器人、沈阳机床厂、高校科研院所以及国防单位等。项目阶段:小试效益分析:本项目在多模式激光跟踪方面形成的研究成果处于国际先进水平，不仅能够解决工业生产中对大范围、高精度特征的测量需求，而且在多自由度特征信息提取以及智能化控制等领域应用前景广阔，在推动激光跟踪测量技术的产业化进程、提高工业自动化水平和人才培养等方面，具有巨大的经济效益和社会效益。

基于粉床熔融形式的SLM技术可以视为一种新型、高效、清洁的粉末冶金工艺，利用激光快速凝固的特点，更容易实现掺杂增强金属基材料、梯度复合金属基材料的制备。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 金属激光选区熔化增材制造技术适合加工具有“小批量”、“定制式”、“形状复杂”特征的零件，与航空航天、生物医疗领域的零部件、器械的制作需求有很高的契合度。作为一种典型的激光增材制造工艺，激光选区熔化具有更高的成形分辨率和更低的使用门槛，可以实现高精度复杂结构零件快速制造。此外，基于粉床熔融形式的SLM技术可以视为一种新型、高效、清洁的粉末冶金工艺，利用激光快速凝固的特点，更容易实现掺杂增强金属基材料、梯度复合金属基材料的制备。 三、主要技术指标 1.激光器功率高达800W，预热温度达300℃，氧含量低至20 ppm； 2.多尺寸（160×160 mm，120×120 mm ，ø100 mm）成型缸任意切换； 3.双循环净化系统，保证工作腔的清洁。 四、知识产权 1.一种用于直接制造金属骨科植入物的激光选区熔化专用设备，专利号：201610341144.2 2.3D打印机铺粉机构及其打印方法，申请号：201811095024.4 3.一种适用于选区熔化成形的送粉铺粉装置，专利号：201820036929.3 4.一种3D打印机铺粉粉末回收装置，申请号：201811115016.1 五、成果图片  图1 激光选区熔化设备SLM RAP-Ⅳ样机（自研）   图2 小尺寸圆缸打印试验样件

本反射式强度调制型光纤传感器具有耐高温、耐高压、灵敏度高以及不受电磁干扰等诸多优点，能够在强磁场环境、高温环境、非导磁性转子等环境下工作。 可用于旋转机械位移、油膜厚度等的非接触在线测量，也可应用于航天、航空中 微小间隙的非接触测量。

可以量产/n该项目的特点是：1、全光纤传感、传输；2、本质无源；3、可用于高温高压恶劣环境；4、使用寿命长（>20 年）；5、灵敏度高；6、信号可长距离传输。市场预期：国内目前从事光纤传感器研发和生产的企业在不足30家，总年产值在千万量级。而光纤传感器全世界的年产值在几亿美元。光纤传感器的市场份额在不断增加，其增长速度远高于传感器行业的平均增速。目前在国内的主要应用领域包括石化管道的监测、土木工程监测、以及军用传感器。

本成果重点开展多材料集成的特种传感功能光纤、微纳尺度及高性能光纤传感器研究，重点开展半导体、晶体、金属、纳米粒子材料混合集成传感功能光纤制备、三维微结构光纤传感器件等理论和核心技术研究，在电力系统特种传感光纤技术方面达到国际领先水平，实现了从“传感机理”到“特种光纤研制”、“关键传感器件”再到“光电探测系统”及“工程化应用技术”的原创性整体突破。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 针对高温、高压、强辐射等恶劣环境及微纳尺度环境的微弱多参量检测中的关键科学问题，本成果重点开展多材料集成的特种传感功能光纤、微纳尺度及高性能光纤传感器研究，重点开展半导体、晶体、金属、纳米粒子材料混合集成传感功能光纤制备、三维微结构光纤传感器件等理论和核心技术研究，在电力系统特种传感光纤技术方面达到国际领先水平，实现了从“传感机理”到“特种光纤研制”、“关键传感器件”再到“光电探测系统”及“工程化应用技术”的原创性整体突破。 针对高压局部放电微弱荧光可靠探测难题，首次提出了铈铽掺杂石英荧光光纤传感技术，研制出铈铽共掺荧光增强石英光纤，解决了荧光探测灵敏度低、传感材料可靠性差的问题。针对高压环境下高灵敏温度探测难题，首次提出了硫化铅纳米掺杂温敏传感光纤技术，并研制出高灵敏度光纤光栅温度传感器，实现了对电力系统关键装备的在线监测及故障预警。研制出高压电缆及关键设备的局部放电在线监测系统，攻克了信号衰落误报、局部放电声发射信号增敏检测等难题。

一、产品简介     本实验系统覆盖了光纤光学、 光纤通信和光纤传感器等相关领域。是学生学习并了解光纤传输信息和光纤传感信息的基本原理和相关技术的基础实验设备，通过实验掌握相关的基本原理和基本操作，为以后的学习奠定坚实的基础。涉及的专业：信息类专业、通信专业、光学专业、物理专业、计量测试专业和仪器科学专业等。 二、实验内容 光纤光学基本知识 1）光纤激光器与光纤的耦合实验； 2）光纤传输损耗性质及测量实验； 3）光纤数值孔径（NA）测量实验； 半导体激光器特性实验 1）半导体激光器阈值实验； 2）半导体激光器效率、串联电阻和背光电流的测量； 3）半导体激光器的调制特性实验； 4） 半导体激光器的结发热效应实验； 光纤无源器件 1）光纤转换器测试实验； 2）光纤变换器测试实验； 3）光纤耦合器测试实验； 4）光纤隔离器特性测试实验； 5）波分复用器和解复用器测试实验； 6）可调光纤衰减器测试实验； 7）光纤机械光开关特性测试实验； 光纤传感实验 1）M-Z光纤干涉实验； 2）光纤温度传感实验； 3）光纤压力传感实验； 光纤通信实验 1）多模光纤特性测量； 2）单模光纤特性测量； 3）法兰盘特性测量； 4）衰减器特性测量； 5）光分路器特性测量； 6）光波分复用器特性测量； 7）回波反损测量； 8）光波长测量； 9）扰模器制作； 10）PI特性测量； 11）光源稳定性测量； 12）模拟信号光调制； 13）模拟信号光接收； 14）图像信号传输； 15）CMI码型变换实验； 16）接收定时恢复电路实验； 17）消光比测量； 18）加扰码实验； 19）5B6B码型变换实验； 20）光时域反射测试仪； 21）CDMA扩频调制解调实验； 22）AMI／HDB3终端接口实验； 23）同步数据接口实验； 24）异步数据接口实验； 25）CMI传输系统测试； 26）5B6B线路编码通信系统综合测试； 27）CDMA传输系统测试； 28）在线误码测试； 29）计算机数据传输系统测试； 30）光纤传输系统抗干扰性能测量； 31）同步数据通信系统测试； 6、智能语音光纤通信设计实验 本实验主要涉及语音识别，光纤通信，和智能灯控三部分，利用语音识别电路将语音口令转化为电信号，信号通过远距离数据传输的光纤发送给主控电路，最终主控电路根据解析出的口令来实现控制LED灯的开关、亮度的切换以及颜色的切换。本实验实现了声音信号-电信号-光信号-电信号的一个数据传输与转化的过程，通过本实验，能够让学生进一步学习声光电的数字传输与转化应用，以及光纤通信的优势。  三、实验配置参数 1、 激光器波长：650±20nm， 功率：≤5mw，输出端口：FC/PC ； 1310/1550±20nm，功率：1-2.5mw，连续可调；输出端口：FC/PC； 2、可见光功率探头：中心波长：650nm，最大输入功率5.5mw； 3、红外探头：响应波长范围：800-1700nm； 最大输入功率：4mw，校准波长：1550nm/1310nm； 4、光纤数值孔径参数：多模光纤跳线：纤芯直径62.5um；长：1米； 5光纤机械光开关：插入损耗：1310/1550  P1→P2 0.56/0.54 dB ，P1→P3 0.53/0.47 dB ;回波损耗＞50dB ；开关速度：≦8ms ； 6、高隔离度光纤隔离器：最大插入损耗：0.35dB ；回波损耗：≧50dB ；隔离度：≧30dB ； 7、光纤耦合器：分光比：50% : 50% ；最大插入损耗1310/1550: 3.3dB ; 8、光纤波分复用器：隔离度：1310nm ：31.8% ；1550nm ：34%；插入损耗：1310nm ：0.30%；1550nm ：0.34% ； 9、光纤可调衰减器：0-30db可调； 10、光纤温度传感器：测温范围：-40°~260°，精度1%； 11、光检测灵敏度高，实际测试指标约-40dBm； 12、可建立临时应急通信系统（点对点距离大于50公里），可传输PCM电话、同步数据（速率：2.048Mbps），计算机数据、模拟图像等业务。 13、语音识别/声控芯片：内置单声道mono 16-bit A/D 模数转换；内置双声道stereo 16-bit D/A 数模转换；内置 20mW 双声道耳机放大器输出；内置 550mW 单声道扬声器放大器输出；支持并行接口或者 SPI 接口；内置锁相电路 PLL，输入主控时钟频率为 2MHz - 34MHz；工作电压：(VDD: for internal core) 3.3V；48pin 的 QFN 7*7 标准封装；省电模式耗电：1uA； 14、TF卡(MICRO SD 卡)：存储空间512M； 15、喇叭：直径5CM；负载电阻8欧；额定功率1W；厚度1.1CM ； 16、麦克风：3.5mm迷你麦克风；灵敏度52DB； 17、光纤收发器：额定电压:DC 5V; 物理接口：DB9串口接口与SC接头；RS-232数据传输速率： DC-250Kbps； 18、单模光纤跳线：接口：SC-SC单模光纤跳线；类型：单模；工作波长：1310-1550nm；纤芯直径：9μm。 四、实验目的 1、了解光连接器及其原理、种类，实验操作进行连接器参数测量； 2、掌握光纤偏振控制器工作原理，实验操作单模光纤偏振状态控制； 3、了解光纤耦合器用途及其性能参数，实验操作测量耦合器特性参数测量； 4、了解光纤隔离器用途及其性能参数，实验操作光纤隔离器特性参数测量； 5、了解光纤光开关用途及其性能参数，实验操作光纤光开关特性参数测量； 6、了解光波分复用器（WDM）原理与意义，操作双波长波分复用（WDM）原理性实验； 7、实现声音信号-电信号-光信号-电信号的一个数据传输与转化的过程，通过本实验，能够让学生进一步学习声光电的数字传输与转化应用，以及光纤通信的优势。

基于光纤光栅传感技术的煤矿顶板安全在线监测系统是以中国矿业大学多年来形成的顶板动态监测与支护质量检测理论、技术、软件仪器为基础，最新引进光纤光栅传感技术，进行集成创新，建立起来的新型矿用顶板动态、围岩应力、锚杆（索）受力、支架受压的在线实时监测系统。此系统将计算机技术、光纤通信与数据处理技术、传感器技术和煤矿安全技术融为一体，通过各种不同功能的光纤光栅传感器，将被测的不同形式的物理量（如应力、应变、位移、压力等）转变成便于记录及再处理的光信号，通过光纤光栅信号处理仪器对监测的数据进行处理，处理结果上传至监控主机，构成一套合理的煤矿顶板安全在线监测系统。 本系统主要分为巷道顶板在线监测和综采工作面支架工作阻力在线监测两部分，可以实现多重功能：（1）监测掘进和回采巷道的顶板离层位移与速度；（2）监测锚杆支护巷道锚杆或锚索的载荷应力；（3）监测巷道围岩或煤柱内部应力；（4）监测综采工作面支架和超前支护工作阻力；（5）井上计算机在线动态显示监测参数和超限预警；（6）该系统监测的数据自动存储，可以历史查询以及数据信息共享。 本项目研究是一项源于国家高科技研究发展计划（863计划）、自然科学基金项目、江苏省优势学科建设项目的开发项目，主要针对目前我国煤矿顶板安全监测水平低、事故突发频繁等现状，通过技术开发和煤矿实践应用相结合的技术路线，建立煤矿顶板安全监测和事故突发预警系统，从而实现煤炭资源绿色高效开采及科学采矿的理念。

本项目属于光纤传感领域。项目适应多种应用环境和工程需求，发明了高精度、高稳定混合式光纤传感解调技术，恶劣环境下高可靠性光纤多传感器封装技术，多波段混叠式光纤多气体传感技术和混合式光纤传感组网融合技术。授权发明专利56项，其中美国专利3项。制定国家军用标准1项。获光纤传感产品测试认证38项。已应用到多项国家航空航天试验及电力、石化重大关键基础设施工程安全监测上，在光纤传感安全监测领域起到引领作用。

激光智能增材制造系统是将激光3D打印系统与激光制造仿真物理模型，CAD、CAE、CAPP、CAM技术，高精度多种在线控制系统相结合的下一代增材制造设备。该系统可根据三维模型特征优化加工路径；可根据工件材质和性能要求，通过模拟程序得到优化加工参数；在制造过程中，可通过尺寸扫描测量，实时调整加工量；通过温度、图像、等离子光谱等传感器在线采集特征信息，实时调整加工参数；制造完成后，可给出热处理参数，进一步提高产品性能。系统整体智能化程度高，集成度高，在实现激光金属3D打印的同时，可大幅提高打印工件的尺寸精度和机械性能。该技术适用于复杂高性能产品设计制造、核心工件再制造、航空装备、核电装备、轨道交通装备、海洋工程装备等高端制造领域，还可用于模具精准修复。