为了探究涡旋空心光束在端面抽运Nd∶YVO4微片激光器中的生成条件及其变化因素, 构建了一种基于轴棱锥-透镜组生成环形抽运光的新方法。采用ZEMAX对抽运光进行了仿真分析, 并基于热效应分析进行了模式匹配计算, 通过实验成功得到了环形抽运光和环形空心激光输出, 并通过实验验证了输出光为1阶涡旋光。结果表明, 该方法能够生成光束大小可控的808nm抽运光, 其光斑半径可随轴棱锥锥顶与透镜焦平面的相对位置快速变化; 并且该抽运光能够使谐振腔长度为300μm的微片激光器输出稳定的1064nm 1阶拉盖尔-高斯涡旋空心光束。此研究结果对于微片激光器输出涡旋空心光束的实际方法的建立具有重要的指导意义。

为了对小尺寸抛物面反射镜进行质量检测, 采用平行光聚焦的方法测量焦距, 旋转被测反射镜的方法测量偏心角, 再结合图像处理的方法测量弥散斑大小, 并提出了一种减小测量误差的方法; 对这些测量方法进行了理论分析和实验验证, 得到了待测反射镜的焦距、偏心角和弥散斑大小。结果表明, 焦距的相对误差在0.1%以内, 偏心角误差在7%以内, 弥散斑大小小于0.2mm, 测量结果可靠。该方案设计为其它小口径的非球面的检测提供了很好的思路, 并且为减小测量误差、提高测量精度提供了很好的研究方法。

为了优化高功率板条激光器的光束质量, 采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法,针对半导体侧面抽运板条激光器, 测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距, 建立了热透镜等效模型, 并以平-平腔为参考, 设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器, 扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量, 并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明, 当平-凹腔的腔长为370mm时, 输出功率为59.9W, 水平方向M2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9, 竖直方向M2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。

为了获得激光清洗轮胎模具的工艺参量, 采用自主研制的平均功率达250W的脉冲式YAG激光清洗设备开展了轮胎模具激光清洗实验研究。取得了不同激光参量对轮胎模具清洗效果的实验数据, 并研究了激光峰值功率、能量密度等参量与轮胎模具清洗速度、清洗效果的关系。结果表明, 清洗轮胎模具脉冲YAG激光比CO2激光更高效; 轮胎模具清洗的激光能量密度阈值约为250mJ/mm2, 提高激光峰值功率和平均功率能提高清洗速度和清洁效果。此结果为激光清洗设备的研究提供了参考。

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量, 提高发射光学系统口径的利用率, 采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法, 通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上, 设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置, 针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验, 取得了与理论分析一致的数据。结果表明, 采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量, 光束束腰直径由45mm减小为32mm, 光束质量因子M2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。

为了获得简单紧凑的固体激光器, 采用半导体端面抽运三程折叠谐振腔板条激光器, 建立了热透镜等效腔模型, 进行了等效腔稳定性及腔内基模光斑半径的仿真分析, 将新型结构与平-平腔结构进行了比对性实验研究。结果表明,在三程折叠腔长为170mm时, 获得了21W的1064nm激光功率输出, 光光转换效率为16.4%, 斜效率为25%, 水平和竖直方向上的M2因子分别为10.8和2.76。同等条件下, 水平方向上M2因子从平-平腔的152.7优化到三程折叠腔的10.8; 输出光斑水平方向尺寸由平-平腔的10.8mm压缩到三程折叠腔的4.1mm,验证了结构简单紧凑的端面抽运三程折叠谐振腔激光器光束的输出能力。该研究对获得腔内调Q和腔内倍频532nm激光器有实际意义。

为了检测长导轨的直线度, 采用激光作为参考基准线, 将2维光斑位置传感器作为光电转换器件。当固定在导轨滑块上的2维光斑位置传感器沿着导轨移动时, 光斑的位置数据会通过蓝牙模块传输到终端上, 输入位置信息之后, 软件会自动绘制出导轨的2维直线度曲线。结果表明, 计算出激光偏角带来的误差远小于1μm;通过高精度位移平台, 实验验证了系统的精度可达到3.4μm;实际使用中, 检测了7.2m的长导轨, 取得了长导轨的直线度数据, 重复精度可达5μm。这一结果对长导轨直线度测量的研究是有帮助的。

基于谐振腔内的非均匀介质对激光横模的耦合作用, 提出了一种用于计算谐振腔内稳定振荡模式的矩阵算法。激光横模在谐振腔内往返传播时, 其能量在非均匀介质的作用下发生耦合, 原本不相干的模式逐渐变得相干。经多次往返传播后, 各横模将按一定的能量比例线性叠加, 形成稳定振荡的模式。给出了非均匀介质耦合效应的耦合矩阵, 并将往返传播的激光场表示成向量形式, 用矩阵计算的方法对介质前后的光场变化进行计算。建立了一个稳定平凹腔模型, 对谐振腔内激光场的传播进行了矩阵计算, 在不同条件下计算得到了多个稳定振荡模式, 计算结果与理想模式符合得很好。该研究在一定程度上证明了非均匀介质耦合效应的存在, 并提供了一种新的快速计算谐振腔内稳定振荡模式的方法。

为了解决产生拉盖尔-高斯模式光束较难的问题, 采用二进制振幅全息图方法, 基于空间光调制器, 产生了拉盖尔-高斯光束, 进行了理论分析和实验验证。推导了高斯光束到拉盖尔-高斯光束傅里叶变换的传递函数, 通过对拉盖尔-高斯模拟图的修正, 得出了可以用于空间光调制器的二进制全息图; 搭建了基于4f系统的实验平台, 取得了不同阶数的拉盖尔-高斯模式输出,并在实验中对产生的拉盖尔-高斯光束进行了检测。结果表明,此套装置搭建及操作简便, 且可实现动态可控的光束输出, 对于产生高阶涡旋光束以及因斯-高斯模式都有重要意义。

为了解决目前肠衣企业生产线上胶原蛋白肠衣运行速度不均匀、套缩前后长度变化大, 以及因切刀剪切位置缺少识别标志而产生误差等问题,采用了一种新的胶原蛋白肠衣定长检测法——喷码检测, 设计了一套高精度的胶原蛋白肠衣定长剪切的光电检测系统。系统以现有的内存(TM4C123GH6PM)为微控制单元, 以光电旋转编码器、喷码机、数字型彩色光纤传感器为主要元件, 结合企业现有的肠衣套缩装置, 对肠衣定长剪切生产过程进行了理论分析和实验验证。结果表明, 肠衣的测量精度高达0.1mm,切割误差由±0.3m减少到±0.05m, 平均每根肠衣可减少4%的生产成本。此光电检测系统非常适用于工业应用, 可极大地提高企业竞争力。