二阶非线性光学参量过程的上转换和下转换过程是扩展激光波长范围的一种手段, 其中上转换过程中的倍频与和频可以有效产生短波长激光。本文提出利用1 438.9 nm的基频光场注入内置一块单周期结构的极化铌酸锂晶体(PPLN)的双端光学腔, 在极化晶体的同一周期内, 产生719.45 nm的二倍频光场和479.63 nm的三倍频光场, 得到的两束光场分别从双端倍频腔两端输出。研究设计了晶体的周期结构, 使得二倍频和三倍频的两个非线性光学过程在PPLN晶体的同一极化周期内同时性满足准相位匹配条件, 实现二倍频和三倍频光场同时产生。并计算分析晶体极化周期, 基频光波长和温度三个参数之间的关系, 得到的结论可为单激光在单周期结构极化晶体中产生双波长激光提供理论参考价值。

摘要：为了解决传统的时间间隔测量方法受到时钟分辨率和硬件成本高的限制，提出了一种双频时间间隔测量方法。该方法通过在接收机处对接收到的时钟信号进行相位扰动或等效相位扰动，使得接收到的时钟信号在一个待测信号周期内具有确定的相位概率分布。然后，通过多次采样和统计计算，消除了由低时钟分辨率引起的读数误差。仿真和实验结果表明，双频时间间隔测量方法的测量误差为0.06 ns，达到了亚纳秒级的测量精度，突破了时钟分辨率的限制。

为了实现高灵敏度的光纤温度传感，提出并验证了一种具有双倍布里渊频移间隔的多波长掺铒光纤温度传感器。实验采用1558.214 nm波长的激光输出作为布里渊泵浦，经掺铒光纤放大器放大后再通过由2个三端口环形器和1段20 km的单模光纤构成的双倍频布里渊增益腔，其中单模光纤既是布里渊增益介质又是温度传感元。实验结果表明：在产生的7个高信噪比且稳定的双倍频下，得到的温度传感系数从2.186~15.328 MHz/℃可调，且最高阶斯托克斯波的温度测量误差为±0.322 ℃。

涡旋电磁波具有携带轨道角动量的特性，利用这一特性，采用涡旋电磁波作为信号的载体，可以实现同一时间、同一频段的多路信号传输，极大地提高系统容量和频带利用率。以同轴馈电的半圆型开槽微带天线为单元，设计出了一种能工作在Ku波段和K波段的涡旋电磁阵列天线。使用三维电磁场仿真软件建模并且优化参数，最终得到在中心频率分别为17.1 GHz和19.7 GHz时，阵列天线产生的电磁波携带有轨道角动量。结论表明：该阵列天线能够产生双频涡旋电磁波。

设计一种偏振不敏感、制作简单的一维双频吸收器, 该吸收器一个周期阵列中采用垂直方向上级联四对金属介质层。仿真结果显示, 可以实现偏振不敏感的双频吸收, 其吸收原理是根据磁激元共振对TM偏振波吸收和波导模式共振对TE偏振波吸收, 通过LC等效电路和本征方程来预测结构参数, 以及对电磁场分布进行分析来进一步了解吸收器的吸波原理。更重要的是, 一维偏振不敏感结构的吸收器对TM、TE偏振波的吸收是独立的, 且临近的金属-介质之间的距离对波的吸收影响很小, 这样使设计更加自由、灵活, 制作更加简单, 灵活性高, 覆盖的电磁波范围增大, 可以延伸到微波频段和太赫兹频段。这样的一维偏振不敏感双频吸收器的研究对以后实现一维偏振不敏感宽带吸收器有很大的意义,它将会应用到很多设备当中去。

为了使侧面抽运全固态355nm紫外激光器输出高质量光束的紫外激光, 采用腔内光束传输矩阵模拟的方法, 进行了谐振腔优化和腔内倍频和频结构设计。通过理论分析和实验验证,取得了输入电功率为280W、声光调制频率为40kHz时, 355nm紫外激光的输出功率为10.58W、激光脉冲宽度20ns、光束质量因子M2=1.3的数据。结果表明,侧面抽运腔内倍频与和频可实现近基模高功率紫外激光的输出。这一结果对紫外激光器的工程化有一定指导意义。

为了研制激光干涉成像所需的主振荡功率放大(MOPA)结构脉冲单频激光器, 本文完成MOPA激光器的种子源即声光调Q脉冲单频1 064 nm激光器的特性研究, 同时完成种子源腔外倍频绿光特性研究。脉冲单频激光器采用声光调Q模块实现脉宽约20 ns的1 064 nm脉冲激光输出, 采用环形腔设计并采用一组不同厚度的标准具实现单纵模运转。实验研究基频1 064nm和倍频532 nm激光脉冲的线宽, 得出在全脉宽范围内都具有较高时间相干性的结论。实验分别获得脉宽约28 ns峰值功率约65 kW的1 064 nm脉冲单频激光和脉宽约20 ns、峰值功率约05 kW的532 nm脉冲单频激光, 腔外倍频效率为56%。实验同时也验证了腔外倍频的激光脉宽压缩效应。

针对间断的单、双频信号如何进行有效相位补偿的问题展开研究。 通过严格的理论推导给出了信号相位 精确补偿的所需条件,即间断的单频信号可无条件进行精确补偿,间断的双频信号可在两个频率差与采样时间 间隔之积为整数的条件下进行精确补偿。针对无法精确补偿的情形,提出了基于波形评价准则的近似补偿方法, 并通过仿真实验比较了四种不同波形评价准则的近似补偿效果。实验结果不仅证明了此理论和方法的有效性, 同时还表明,基于波形指数熵、能量对比度准则的近似补偿效果更优,补偿后信号的频谱图峰值更高。

提出了一种基于结构光投影在线测量大尺度物体的方法, 并给出了理论论证, 通过模拟测量发现, 分割子图像部分包含的变形条纹不是条纹周期的整数倍, 相位展开时不可避免出现错误, 造成拼接处误差比较大, 因此提出利用拼接处相邻相位展开正确的数据对拼接处的数据进行插值处理, 有效减小了误差, 验证了方法的可行性; 解决了动态大尺度物体三维面型测量受单个投影设备投影范围限制的问题, 在实际工程应用中, 精度要求不高的情况下, 可以用来对动态的大尺度物体进行三维建模。

为了实现大量程、高精度测量系统的快速驱动与定位,结合双频激光干涉仪、可回收废气的空气静压导轨、精密滚珠丝杆以及伺服控制系统,研制了一套定位精度高、重复性好的快速精密定位系统.该系统以双频激光干涉仪为测长基准,实时反馈系统工作台位置信息;采用余气回收式空气静压导轨克服了传统气浮导轨余气对激光干涉测量光路系统的影响;在定位过程中引入PID运动控制技术,通过调节伺服控制器的PI参数使系统拥有快速平稳的响应特性.经实验测试,在500mm行程范围内,该系统的轴线双向定位精度可以达到0.266μm,重复定位精度可以达到0.173μm,具有较好地快速响应特性.应用所研制的精密定位系统对一维直线光栅样品进行了扫描,并与用Olympus共焦显微镜测得的数据进行了比对,表明系统具备良好的轴向定位能力.