直拉法在制备硅单晶的过程中存在机理假设多、多场耦合下边界条件不明确和化学变化交错且相互影响等问题，导致无法建立准确的机理模型用于硅单晶生长过程控制。针对此问题，本文以单晶炉拉晶车间的大量晶体生长数据为基础，基于互信息理论提出的最大信息系数(MIC)算法，对与晶体直径相关的特征参数进行分析，然后基于带外源输入的非线性自回归(NARX)动态神经网络，建立多输入单输出的等径阶段晶体直径预测模型，并对三台单晶炉拉晶数据进行直径预测，预测的平均均方误差值为0.000 774。最后将NARX动态神经网络同反向传播(BP)神经网络进行对比分析，验证了该模型的优越性。结果表明，NARX动态神经网络为晶体直径的控制提供了一种更准确的辨识模型。

飞秒光纤激光器具有脉宽极短，瞬时功率高，对加工材料无选择性等特点，被广泛应用于精密微孔制造领域。为此，提出了一种高精度轨迹可调光束扫描系统，利用电机控制偏转光楔组和平行平板组相对于激光光轴的角度，再通过聚焦透镜缩小光斑，实现精准控制下飞秒激光的旋转扫描，解决了目前高深径比、倒锥孔加工困难的问题。将该系统应用于汽车喷油嘴油孔加工，实现了加工孔径的孔径为25~800 μm，孔径误差≤±2 μm；在锥度孔加工中可实现微孔锥度-5°~+5°；实现了深径比为20∶1的微孔加工。

直拉硅单晶的生长过程涉及多场多相耦合与复杂的物理化学变化，其中工艺参数的波动是导致晶体直径不均匀的重要原因，如何实现工艺参数的控制以获得理想的、均匀的晶体直径具有重要的研究意义。本文分析现有控制方法存在不稳定以及控制效果不佳的问题后，提出基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制模型来控制硅单晶生长过程中的晶体直径。首先以坩埚上升速度与加热器的功率作为控制输入参数，晶体直径作为输出，搭建无模型自适应控制模型，并分析算法的稳定性。其次将控制模型进行仿真实验，发现硅单晶直径控制模型中不同的超参数设定会影响控制过程的迭代次数以及控制效果。最后，利用贝叶斯优化超参数的取值范围，并进行最终的仿真实验，结果表明，经贝叶斯参数优化后的控制模型计算快、迭代次数少，输出的晶体直径稳定，同时将生长工艺参数控制在实际生产要求范围内。因此，基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制实现了硅单晶直径均匀稳定的有效控制，具有结合工程背景的实际应用前景。

直拉法硅单晶生长是一个多场多相耦合、物理变化复杂，且具有大滞后和非线性现象的过程，基于单晶硅生长系统内部机理所构建的机理模型由于存在诸多假设而无法应用于工程实际。因此，本文以现有CL120-97单晶炉拉晶车间的长期、海量晶体生长数据为基础，忽略炉内复杂的晶体生长环境，对影响晶体直径的拉晶参数进行关联性分析及特征量化，探寻拉晶数据中所蕴藏的规律信息，进而建立基于数据驱动的BP神经网络晶体直径预测模型，并针对现有BP神经网络易陷入局部极小值的问题，采用遗传算法对BP神经网络的阈值和权值进行优化，以提高晶体直径预测的准确性。通过实际拉晶数据对模型预测结果进行验证，结果表明，对任意选取的8组拉晶数据进行直径预测，预测的平均相对百分比误差为0.095 71%，证明该模型对于等径阶段晶体直径的预测是可行的。

降低单晶硅电池的生产成本，是提高光伏产业效益的关键。在等径拉晶过程中，采用分段加热可以减少加热器的输出功率，降低加热系统的能耗。本文在分析单晶硅拉晶过程中加热区域及能耗的基础上，提出细分加热器结构改进加热电路对单晶炉加热系统进行优化。实验设计了两段加热和三段加热两种模型(即方案1和方案2)，并分别将其导入有限元仿真软件进行模拟实验。结果表明，两段加热对拉晶过程的影响较大，三段加热对拉晶过程的影响较小，后者更能保证拉晶过程的稳定进行。能耗计算发现，前者能耗降低为6.98％，而后者能耗降低达到了9.49％。因此，采用三段加热的优化设计更有利于降低光伏企业的生产成本。

光伏发电以绿色、可再生、能源质量高和不受资源分布地域的限制等优点被广泛使用, 单晶硅又以低衰减率和高转换效率等优点渐渐超过了多晶硅光伏电池在市场中的份额,但成本问题和产能问题一直束缚着单晶硅太阳能产业的发展。本文提出了一种在晶体生长过程中随硅液面下降而下降的直拉单晶炉热屏结构, 来解决在拉晶过程中坩埚上升所造成的拉晶速度和稳定性降低以及拉晶能耗增加的问题, 并以CL120-97单晶炉热场为研究对象, 利用有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及氩气流场进行分析。分析仿真结果表明,优化后单晶炉不仅可以提高单晶炉拉晶的速度和质量, 而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。

单晶炉是一种在以高纯氩气为主的惰性气体环境中，用石墨热场加热，将多晶硅材料加以熔化，用直拉法生长单晶硅的设备,在太阳能单晶硅拉制的过程中，如何提高拉晶的速度和质量以及降低设备的能耗一直是单晶硅厂家永恒的追求。本文从机械结构的角度分析了坩埚上升在单晶炉拉晶过程中所造成的拉晶速度下降和额外能耗问题，在此问题的基础上提出了一种加热器随坩埚在拉晶过程中上升的单晶炉结构优化方法，并通过有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及拉晶过程中加热器功率进行分析。结果表明，改进后的单晶炉不仅可以提高拉晶过程的稳定性和拉晶速度,从而进一步提高单晶炉的拉晶质量和产量，而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。

研究了射频板条CO2激光器光束整形系统球面镜横向位移失调和角度失调对输出光束光强分布的影响。研究表明, 横向位移失调情况下, 输出光束对非稳方向的失调更加敏感, 波导方向失调对输出光束光强分布基本无影响。非稳方向横向位移失调达到0.1 mm时, 光强分布由圆形分布变为类似椭圆分布, 光强峰值也不在中心区域。角度失调情况下, 波导方向相对敏感。非稳方向失调角度仅为0.05°时, 光强分布就已经见明显的畸变。波导方向的角度失调达到0.5°时, 光束有明显的位移, 会对功率造成影响。

以双目立体视觉理论为基础, 采用基于模仿人眼的双目单视面所给出的规律, 设计出一套简单的三维重建算法。为了利用双目单视面的原理, 采用两个光轴交叉放置的相机来拍摄物体。对所得的两幅图片进行坐标转换, 将图像坐标转换为角度坐标, 然后在球坐标域进行特征匹配, 对得到的匹配点进行曲线拟合, 将拟合得到的点转换到空间域, 进而得到目标物体的三维模型。实验结果表明, 此匹配算法可以准确确定目标物体的位置, 而且此算法计算复杂度比较低, 后期的数据处理采用分段匹配的方式, 使得坐标转换以后得到的目标物体的三维模型相对准确且稠密。