为了得到一种新型椭圆扭曲多高斯-谢尔模(TMGSM)光束, 采用Mercer模式展开的方法进行了理论分析和验证, 证明了多高斯-谢尔模关联结构可携带扭曲相位, 详细研究了其在梯度折射率光纤中传输时的光强和相干度演化。结果表明, 椭圆TMGSM光束在梯度折射率光纤中传输时, 光强和相干度分布随着传输距离的增加发生周期性旋转, 并在0.5L(L为周期)的整数倍处偏转π/2, 其旋转角速度呈非线性变化且与扭曲因子的大小有关; 增大多高斯模数, 焦平面处光强分布的平顶区域增大, 相干度分布轮廓变小。此研究结果在光纤通信、聚焦成像、光学捕获等方面具有潜在的应用前景。

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一。本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红外吸收光谱仪以及原子力显微镜等对其进行了光学表征。采用自主搭建的高重复频率、窄脉宽飞秒Z扫描系统,重点研究了上述异质结薄膜在800 nm处的非线性光学特性,得到了其三阶非线性极化率虚部、品质因数等重要的非线性光学参数。结果表明:异质结的成功构建使得材料的非线性光学响应显著增强,超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜的品质因数是纯二硫化铼薄膜的3.5倍,纯石墨烯的1.6倍;超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜具有最高的反饱和吸收特性,其品质因数相较于粉末混合、离心后混合的异质结薄膜分别提高了44%和27%。本文为范德瓦耳斯异质结的制备提供了新思路,同时也为飞秒光限幅器件的研究打下了理论基础。

为探究相控阵超声阵列换能器中不同阵元参数对声场的影响，以相控阵超声波检测基本原理和声场辐射理论为支撑，应用MATLAB软件进行数值模拟分析，建立辐射声场模型，进行不同参数下的阵列换能器指向性和声场分析。分析了阵元各项参数变化时对波束质量、聚焦范围、成像效果的影响，结果表明：阵元中心频率过小会使成像分辨率过低，阵元中心频率过大会使声场穿透力弱，检测深度浅；阵元数的增加显著提高成像效果，但是也会使成本大大提高；当阵元宽度由0.1增加到0.3，成像效果显著改善，再增加到0.6，成像效果改善不明显；阵元中心距增加会提高聚焦精度和成像效果，但是超过0.8时，成像效果急剧下降；偏转角度小于30°时，成像效果稳定且清晰，当偏转角度过大时，成像效果明显变差；聚焦深度太小使得声束聚焦性差，成像效果不好，当聚焦深度大于检测表面，成像效果好。对于指导实际超声相控检测具有一定指导意义。

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用, 但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。 首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台, 同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、 电压及光谱信号, 对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定, 高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、 气泡等水下动态变化。 在此基础上, 设置光谱仪延时, 分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号; 改变水深条件, 得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。 根据谱线选取原则综合分析, 选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。 引弧不同时刻均选取了五组数据, 运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理, 以保证计算结果的准确性和可靠性。 从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线, 再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。 结果表明: 在相同水深条件下, 引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的, 但其变化趋势并不是简单的线性增加, 而是分别在引弧的不同时刻出现峰值; 随着水深的增加, 水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升, 但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢, 40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。 伴随着水深的增加, 水下环境压力增大造成电弧进一步压缩, 但压缩量有限。 由于电弧被压缩, 弧光的强度也增大。 通过光谱分析的方法, 从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质, 对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。

水下湿法焊接技术应用日益广泛, 由于特殊的焊接条件, 导致深水下其焊接质量亟待改善。 通过搭建水下湿法焊接实验平台, 压力罐调节气压分别模拟0.3, 20和40 m水深, 界定焊接引弧阶段, 分别采集三个水深环境条件下焊接引弧阶段的光谱信息及电压电流数据, 采集光谱信息时利用光谱仪的延时触发功能, 分别采集引弧5, 10, 15, 20和25 ms时刻的光谱数据, 对采集到的电弧光谱数据整理后进行诊断分析。 诊断分析时结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据, 得到各元素粒子的识别结果。 对于高价态的元素离子态, 因为其电离能比较大, 激发电离程度会受到电弧温度变化的影响, 不能仅靠光谱图进行识别诊断, 还需要进一步对其组分进行数密度计算。 结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息和水下湿法焊接反应过程, 确定出计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子, 求解由沙哈方程、 解离电离方程、 准中性方程、 气体压力平衡方程等组成的方程组, 采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解, 对于求解非线性方程组, 采取分段赋值的方法, 得到等离子体组分在三个水深环境下的数密度, 并对其变化规律进行分析, 探究不同水深环境对焊接电弧等离子体数密度影响及因素。 研究表明各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的, 随着水深加大电弧数密度变化幅度也快速增大。 随着水深的增加, 电弧会受到压缩, 但电弧不能无限制被压缩; 粒子的电离受温度的影响, 温度越大电离作用越强烈, 但当温度升高到一定程度时, 各个电离作用有其电离极限, 粒子数密度也不会无限增大。 通过不同水深条件下焊接电弧引弧阶段数密度的计算, 对水下焊接电弧引弧阶段粒子产生的机理进行了研究, 为提高水下焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。

水下湿法焊接技术近年来得到了越来越广泛的应用, 提高水下湿法焊接的焊接质量是很多研究的重点。 水下湿法焊接电弧等离子体组分直接影响焊接稳定性和焊接质量, 但对水下湿法焊接电弧等离子体组分的相关研究一直很少, 更缺乏从光谱层面对水下湿法焊接电弧等离子体组分进行诊断研究。 首先通过对水下湿法焊接的过程进行研究, 搭建了水下湿法焊接实验平台, 通过电弧光谱诊断系统, 对得到的电弧光谱进行诊断分析, 确定了计算电弧等离子体组分所考虑的主要元素。 在光谱诊断结果的基础上, 进一步对水下湿法焊接电弧气泡成分的解离和电离过程进行分析, 确定了计算水下湿法焊接电弧等离子体组分所需考虑的18种粒子, 在计算得出配分函数的基础上, 通过牛顿迭代法求解由Saha方程、 电荷准中性和方程原子守恒方程组成的方程组, 得出了各个粒子的数密度, 绘制了各个粒子的数密度随温度变化的曲线。 计算结果表明, 在不同温度区间, 水下湿法焊接电弧等离子体中发生的反应不同, 生成的主要粒子不同, 在温度较低时, 水下湿法焊接电弧等离子体主要是由没有电离的分子、 原子及电离能较低的低价态离子组成, 随着温度的升高, 解离反应和电离反应持续进行, 高价态的离子不断被电离出来； 不同粒子随温度变化的趋势也不同, 有的粒子数密度随温度持续升高, 有的不断降低； 计算的结果显示各粒子在不同温度区间变化的趋势与光谱诊断结果相符合, 验证了计算结果的正确性。 等离子体组分的确定为从机理层面对水下湿法的电弧进行研究奠定了基础, 也为进一步对水下湿法焊接电弧热力学属性及辐射属性等参数的研究提供了理论依据。

尖轨作为道岔的重要部件,工作环境恶劣,易出现表面磨损、剥离掉块等缺陷。激光熔覆技术可以显著提高尖轨表面的硬度,从而提高其表面耐磨性,减少表面伤损,延长尖轨的使用寿命。采用半导体激光熔覆工艺,在U71Mn道岔尖轨表面制备了Fe-W-Cr铁基复合激光熔覆层,对熔覆层的组织形貌、物相组成及元素分布进行了检测,并对其硬度、冲击性能与摩擦磨损性能进行了分析。结果表明:铁基熔覆层无明显缺陷,且与道岔尖轨形成了冶金结合,熔覆层内大部分区域为树枝晶,在晶界处分布着网状碳化物;熔覆层的平均硬度为876.8 HV(道岔尖轨用钢为252.3 HV),冲击韧度为2.30 J/cm 2,平均摩擦因数为0.31(道岔尖轨用钢为0.63);在同等的摩擦磨损条件下,铁基熔覆层的磨损量为0.0043 g,仅为道岔尖轨用钢(0.0408 g)的10.54%。半导体激光熔覆工艺使得道岔尖轨表面的硬度及耐磨性能得到了显著提高,从而使其服役性能得到了明显改善。

为了探究部分相干月牙形光束在非Kolmogorov谱中漂移的演化规律, 采用拓展Huygens-Fresnel原理, 得到了相应的解析表达式, 并运用MATLAB进行了数值模拟。结果表明, 在非Kolmogorov谱中, 部分相干月牙形光束的漂移分别随着各向异性参量的增大、湍流内尺度的增大、湍流外尺度的减小、结构常数的减小而降低; 与各向同性湍流相比, 各向异性湍流对漂移的影响较小; 月牙形光束的最大光强位置的离轴距离分别随着波长、光束阶数的增大而增大, 随着相干长度的增大而减小。月牙形光束由于最大光强位置的离轴特性, 有利于绕过障碍物传输, 所得结论对实际光通信有一定参考价值。

将石墨烯作为宽带可饱和吸收体分别应用在1.06 μm Nd∶YAG固体激光器、2μm Tm∶YAP固体激光器以及1.55 μm掺铒全光纤激光中.石墨烯采用化学汽相沉积法制备, 以乙炔作为碳源, 25 μm厚的铜箔作为生长基体和催化剂, H2为载气, Ar为辅助气体, 在常压、1 000 ℃高温条件下进行生长.1.06 μm Nd∶YAG固体激光器实验中, 采用直线型侧面泵浦腔型结构, 当输出功率为10 W时, 得到了重复频率为360 kHz, 脉冲宽度240 ns的最短脉冲输出, 其单脉冲能量为27 μJ, 峰值功率为115.7 W; 2 μm Tm∶YAP固体激光器实验中, 使用中心波长在795 nm附近的半导体激光器作为泵浦源, 采用10%透过率的输出镜获得了脉宽为1.4 μs的最窄调Q脉冲; 环形腔1.55 μm掺铒全光纤激光器实验中, 利用1.25 m长的高掺铒光纤作为增益光纤, 当泵浦功率为100 mW时, 输出功率为10 mW, 获得了脉冲宽度314 ps的稳定被动连续锁模脉冲, 脉冲重复频率为20 MHz并验证了同次制备的石墨烯的宽带可饱和吸收特性.