该文提出了一种新型的方孔定子行波超声电机, 并进行了参数设计、仿真分析和实验研究。定子由1个方孔金属体和4块压电陶瓷片组成, 通过与直径大于定子内边长的转子配合发生弹性变形, 从而对转子产生预压力,便于驱动。利用有限元软件对定子进行模态分析, 选择第三阶模态作为工作模态, 得到定子最大振幅与激励频率、电压、壁厚、边长及圆角半径的关系, 并研究了频率、电压及预压力对转子输出特性的影响。制作了实体样机并测试了其输出特性, 测试表明, 当电压为100 V、激励频率为31.5 kHz时, 其空载转速为215 r/min, 堵转力矩达到1.58 mN·m。

该文通过两步水热法制备了钛酸钡纳米线(BTO NWs), 采用旋涂法与聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备BTO NWs/PVDF复合薄膜。系统地研究了水热反应中不同NaOH浓度、不同反应时间及不同BTO NWs掺杂量对BTO NWs/PVDF复合薄膜压电输出性能的影响, 并与商用钛酸钡纳米球(BTO NPs)制备的BTO NPs/PVDF复合薄膜进行了压电性能对比。结果表明, 当NaOH浓度为10 mol/L, 反应时间为10 h时, BTO NWs/PVDF复合薄膜开路电压和短路电流分别可达5.42 V和1.81 μA。当BTO NWs掺杂量(质量分数)为20%时, 复合压电薄膜的开路电压可达9.34 V, 短路电流可达2.15 μA, 分别是BTO NPs/PVDF复合薄膜输出电压和电流的1.92倍和1.49倍。当负载电阻值为5 MΩ时, BTO NWs/PVDF复合薄膜输出功率可达1.44 μW。经过4 000次循环敲击测试, BTO NWs/PVDF复合薄膜表现出良好的机械稳定性, 其有望在自供电器件、柔性可穿戴电子设备等领域得到广泛应用。

不同切割方向的Ho∶YAP晶体的激光输出特性存在差别。针对掺杂浓度为0.5%(原子数分数)的Ho∶YAP晶体开展a、b、c三种切割方向的激光输出特性实验研究。采用最大输出功率为44.3 W的1915 nm掺铥光纤激光器端面泵浦Ho∶YAP晶体,在三种切割方向上均获得了大于20 W的连续激光输出,其中b向切割晶体输出激光的中心波长近2118 nm,最大功率为23.6 W,斜率效率为61.98%,a向切割晶体与b向切割晶体的输出结果相近,c向切割晶体在达到最大输出功率时的中心波长为2129 nm;当采用腔内声光调Q获得脉冲输出时,a、c向切割晶体出现了中心波长偏移和多波长起振现象,而b向切割晶体则获得了中心波长近2118 nm的稳定脉冲输出,且其在重复频率为20 kHz时的最大平均输出功率为22.3 W,脉宽为20 ns,斜率效率为55.22%,光束质量因子分别为 Mx2=1.81和 My2=1.50。选用b向切割的Ho∶YAP晶体更有利于实现稳定且高效的2118 nm连续激光及纳秒级脉冲激光输出。

激光无线能量传输技术具有广阔的应用前景,而光伏电池的激光辐照特性是设计激光无线能量传输系统的重要依据。针对该问题,研究了激光功率与温度对光伏电池的影响,搭建了光伏电池激光辐照特性的实验测试平台,测量并分析了光伏电池输出特性随激光强度和电池温度的变化规律。结果表明,激光辐照条件下,激光强度一定时,短路电流随温度升高而降低;温度一定时,转换效率与填充因子随激光强度的增大呈现先增大后减小的趋势。该研究可为激光无线能量传输条件下的系统设计仿真以及激光辐照下光电电池的输出特性研究提供参考。

对掺铒光纤进行了伽马辐照实验, 根据辐照前后掺铒光纤的吸收系数和发射系数测试数据, 计算了掺铒光纤的吸收截面和发射截面。基于幂律模型建立了掺铒光纤吸收截面和发射截面的辐射模型。将吸收截面和发射截面的辐射模型代入掺铒光纤光源模型中, 仿真分析了掺铒光纤的辐射效应对掺铒光纤光源输出光谱及其特征参数的影响。结果表明: 与辐照前相比, 掺铒光纤被辐照后, 光纤光源的输出功率从9.32 mW衰减到4.30 mW; 平均波长从1531.60 nm漂移到1531.19 nm; 谱宽从8.79 nm变化到6.78 nm。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。

为了研究808 nm连续激光供能对单结GaAs光电池输出性能的影响, 利用COMSOL和MATLAB软件构建了相应物理模型, 通过数值仿真研究了激光功率密度、等效串并联电阻和减反膜对热稳态时光电池伏安特性、开路电压、短路电流、光电转换效率、填充因子和稳态工作温度的影响。结果表明: 随着激光功率密度增大, 开路电压和短路电流不断增大, 且转换效率和填充因子都具有最大值; 减小等效串联电阻和增大等效并联电阻是提高光电池输出性能的有效方法; 减反膜结构对提高光电池转换效率非常重要, 但也使光电池热稳态工作温度较高。当入射功率密度为62.4 mW/cm2时, 光电池热稳态输出效率达到最高为50.13%。该数值模拟结果与相关实验结果基本相符, 对连续激光供能光电池输出特性研究提供一定的理论依据。

连续波单共振光学参量振荡器(SRO)的阈值和稳定运转与共振信号光在谐振腔内传播一周所产生的损耗密切相关。考虑非线性晶体的线性吸收和内腔倍频(IFD)引入的非线性损耗, 在平面波近似下建立了描述连续波IFD-SRO输出特性的理论模型, 并给出了解析解; 理论计算结果与实验结果较好地吻合。根据该结果, 预测了532 nm绿光抽运的IFD-SRO在共振信号光波长为780 nm时的输出特性和1064 nm红外光抽运的IFD-SRO在共振信号光波长为1560 nm时的输出特性。该理论模型简单、易于计算, 为优化设计连续波IFD-SRO提供了指导。

为改善惯性压电驱动器输出性能, 提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上, 定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响, 建立了机构的力学模型方程, 推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机, 搭建了试验系统; 进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明: 偏置距离为15 mm时, 驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比, 驱动电压为100 V、23 Hz时, 驱动器输出最大角速度从3.48 rad/s增加至5.39 rad/s, 增幅达54.88%, 驱动器最大驱动力矩从2.41 N·mm增加至3.62 N·mm, 增幅达50.2%; 驱动电压为100 V, 4 Hz时, 驱动器稳定运行时的承载量达1 300 g。理论与试验结果表明, 提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。

Yb3+:KGd(WO4)2激光器是近年来得到广泛关注的新型固体激光光源，具有吸收和发射截面大、荧光谱线宽、激光阈值低等突出特点。对此三能级激光系统进行微观动力学理论分析，在探讨了不同的晶体切割方向、抽运光偏振方向和激光偏振方向的吸收和发射特性的基础上研究了Yb3+:KGd(WO4)2激光器输出特性随晶体长度和输出耦合镜反射率的变化规律，得到了Yb3+:KGd(WO4)2激光器的最佳构成条件，即：晶体切割方向平行于g轴，抽运光偏振方向平行于m轴，激光偏振方向平行于p轴。

光伏电池性能对激光无线能量传输系统设计有重要影响。采用940 nm 激光辐照单晶硅光伏电池，研究了光伏电池输出特性随激光强度和电池温度的变化规律。研究结果表明，短路电流随激光功率增加呈现线性增加后饱和的趋势。开路电压和效率与激光功率的关系则呈单峰特性。实验测得光伏电池在293 K 时最大效率为29.49%。在283 K~308 K 范围内，激光功率较低时，短路电流受温度影响较小，基本保持不变。激光功率较大时，短路电流随温度升高而线性下降。开路电压和效率则随温度升高而线性下降，但下降速率随激光强度的变化而变化。同时仿真了光伏电池效率与串联电阻的关系。结果表明，在强激光辐照下，减小串联电阻，降低复合电流的大小是提高单晶硅光伏电池效率的两个重要方面。