为了分析角部抽运方式在中小功率激光器设计中的可行性,基于光线追迹法,计算了不同的激光介质几何结构参量和不同的二极管温度条件下角部抽运复合板条激光器的抽运效率和抽运均匀性。从模拟计算结果可知,只要选择合理的激光介质结构参量,角抽运方式能得到高的抽运效率和较好的抽运均匀性。设计了一种角部抽运Nd:YAG复合板条激光器,在45W的抽运功率下获得了12W的激光输出,光光转换效率约为26.7％,在40W抽运时光束质量Mx2=1.47,My2=1.36。理论分析和实验设计表明,角抽运方式在小功率激光器设计中是可行的。

为了解决准分子激光器在工作时产生的电磁干扰对激光器控制系统信号的影响,利用光纤的抗电磁干扰特性,采用光纤进行信号的传输,研制了用于信号传输的模拟和数字光纤传输模块和基于该模块的嵌入式准分子激光器控制系统。经测试,该系统模拟通道的-3dB带宽为直流到3MHz,非线性误差最大为1.2%,激光器在工作过程中,控制系统工作稳定、可靠。结果表明,该系统具有很好的抗电磁干扰能力。

为了检测激光淬火过程中CO₂激光束能量的空间分布变化,研究不同激光模式对激光淬火硬化层均匀性的影响,采用基于焦热电相机的在线激光束分析仪实时监测激光淬火过程中的激光束模式。结果表明,由于激光能量密度空间分布的不均匀,导致光斑左右两侧硬化层深浅不一致。从显微组织发现,硬化组织结构的均匀性和激光束模式有着非常紧密的关系,均匀的激光能量分布产生较为均匀的组织。

为了研究大口径反射镜的面形,在广泛调研大口径反射镜应力控制技术的基础上,从理论模型和实验两个方面同时进行。利用ANSYS建立大口径反射镜模型,得到其重力作用下的形变和受力面积变化的DPV-S关系曲线。建立了反射镜面形变化实验验证平台,对垂直放置的反射镜在不同方向上加力,利用干涉仪实测上侧面加压和背部支撑时的形变。实验验证了理论模拟结果,二者相差仅仅0.002μm~0.122μm。结果表明,这对今后进行类似的实验研究提供了值得借鉴的面形检测方法,为寻求优化的大口径反射面形控制装校方案奠定了基础。

为了分析光束传输与大气参量如大气能见度、折射率结构常数和激光自身参量如激光的波长、光束腰斑半径的关系,以高斯光束为例,推导了其远距离传输规律,采用数值模拟的方法分析了各因素对传输轴上和截面上光强分布的影响。结果表明,一旦激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量确定,就可判断激光大气传输的效果。这一结果为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供了依据。

为了测量高双折射保偏光纤的拍长,采用偏光干涉效应的方法,构建由宽谱光源、带保偏尾纤的起偏器和光谱分析仪组成的全光纤光路测试系统。从理论上用Mueller传输矩阵方法推导了到达光谱仪的光强公式,利用该方法构建实验系统对熊猫型保偏光纤的拍长进行了测试,获得了该保偏光纤拍长的测量数据。结果表明,由待测保偏光纤的偏光干涉效应引起的光强波动以一定的周期间隔表现在光谱变化上,波动的相对幅度与待测保偏光纤主轴与起偏器的保偏尾纤主轴夹角有关,当夹角均为±45°时波动的相对幅度最大。只要在实验中测量出光谱波动的周期,就能够根据理论计算出给定波长处的保偏光纤的拍长。

为了研究水下气泡幕对激光传输特性的影响,采用米氏散射理论对水下气泡的消光截面和消光系数进行了计算,并在此基础上采用朗伯特-比尔定律对水下气泡幕的消光特性进行了理论分析和实验验证,取得了不同密度、不同厚度以及处于不同位置处气泡幕的透射光功率数据。结果表明,透过气泡幕的光功率随气泡密度以及气泡幕厚度呈指数衰减,而与气泡幕所处的位置没有密切关系。这一结论对舰船气泡尾流的光学探测是有帮助的。

为了提高抽运效率、改善抽运均匀性、克服热退偏的影响,建立了一套V型有源镜构型热容激光器,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对激光介质热分布进行了研究。数值模拟充分考虑了内热源的分布不均匀性,分析了激光介质的3维热分布。实验中采用热像仪对激光介质的表面温度进行了无接触测量。数值计算和实验研究结果具有较高的一致性。研究结果表明,该激光器构型对于提高热分布均匀性有较大的帮助。

为了将等离子体电光开关应用在重复频率下,基于有限元法,数值模拟了重复频率激光负载下电光晶体吸收系数、电光晶体厚度、光斑边界和晶体边界相对距离、功率密度分布对电光晶体中温度场应变场分布影响规律。数值模拟表明,晶体内热沉积大小取决于吸收系数和晶体厚度,而温度场分布不仅和入射激光功率密度分布有关,还与光斑边界和晶体边界相对距离密切相关。结果表明,温度场分布和晶体热力学参量一起决定了晶体内应变场大小及分布。

为了研究遗传模拟退火算法在光散射模型参量反演中的迭代搜索性能问题,分别采用遗传模拟退火算法和单一遗传算法迭代搜索了几种介质的双向反射分布函数模型的相关参量。将两种算法的反演结果与在特定激光波长下的双向反射分布函数实验数据进行了对比,通过理论分析和实验验证,取得了两种算法所得到的拟合值,两种拟合值都与实验数据吻合得较好;同时比较了遗传模拟退火算法和单一遗传算法在迭代次数、计算时间和均方误差等之间的差异。结果表明,两种算法在不同介质表面双向反射分布函数模型参量反演时都可以得到满意的结果,且前者优化效果更优。这一结果对研究不同算法的迭代搜索性能是有帮助的。

为了研究太赫兹波在2维正方晶格光子晶体中的传播特性,利用平面波展开法数值模拟了光子晶体能带结构和态密度分布。计算表明,E偏振当填充率f=0.6362 和H偏振当填充率f=0.7845 时出现最大光子带隙,在f=0.7791出现最大完全光子带隙;增加介电常数的差值,也增加了太赫兹波在正方晶格光子晶体中传输的带隙;光子晶体态密度的分布验证了存在光子带隙的范围。研究结果为太赫兹波器件的开发提供了理论依据。

介绍了一种能大幅降低Nd:YAG激光器热负载的新技术——低热抽运技术,该技术将斯托克斯频移减到最小,完全消除了量子效率损耗,从根源上最大限度地减少了系统的热负载,有利于进一步提高输出功率和改善光束质量。简述了低热抽运的发展概况,对其技术关键进行了理论分析,并探讨了其发展前景。

447nm蓝色激光光源的应用掀起了对激光二极管抽运全固态447nm蓝色激光器的研究热潮。介绍了全固态蓝色激光器的发展现状,总结了全固态447nm蓝色激光光源的研究现状,介绍了其技术路线并对之进行了比较,实现了连续447nm激光21mW的连续输出。分析了今后可能实现的途径和当前发展的可行性。

为了推导多模光纤弯曲损耗与弯曲半径、环境温度的关系,采用了WKB法求解非均匀直光纤的传播模数,并将弯曲光纤的有效折射率、弯曲光纤截止传播常数和光纤的热光效应同时引入到非均匀直光纤有效传播模数中。利用多模光纤进行实验验证,研制出测温灵敏度为0.1/℃、测温范围为10℃~70℃的光纤温度传感器。结果表明,弯曲损耗随弯曲半径的增大而减小,随环境温度的升高而减小,可以利用弯曲损耗测量环境温度。

为了抑制光纤中4波混频(FWM)效应引起的信道间非线性串扰,采用了实验的方法,对高非线性光纤中FWM效应的影响进行了研究,测量了产生FWM的效率与信道间隔以及信号强度的关系,比较了等信道间隔和非等信道间隔情况下FWM效应的影响。结果表明,FWM的效率随着信道间隔的增加而减小,随信号光功率的增加而线性增加。等信道间隔情况下,FWM效应对中间信道的影响最大,与非等信道间隔相比,FWM效应引入了1.5dB的功率代价。这些结果对有效抑制光纤中的FWM串扰是有帮助的。

为了了解电磁波在2维三角晶格SiO₂/Si光子晶体的传输特性,利用时域有限差分方法进行了数值模拟和计算,并研究了SiO₂介质柱的形状和入射波模式的变化对晶体透射特性的影响。计算后得到多种情况下该光子晶体的透射率与入射光频率的关系曲线。结果表明,禁带的宽度和位置与构成光子晶体中SiO₂的形状有关,SiO₂柱半径变大则禁带变宽且禁带中心频率变大,半径为0.4a时,禁带宽度达到最大值。与TM模相比,TE模入射时,光子晶体更易形成禁带。这为光子晶体的实验制作和应用提供了理论依据。

为了实现温度场的实时重建,采用高端数字信号处理器作为同时迭代重建算法的运算核心,实现发射光谱层析技术温度场的实时重建。通过实验取得了重建算法在高端数字信号处理器系统和PC系统下,所需要不同时间的数据。结果表明,通用PC无法实现发射光谱层折技术温度场实时重建,基于数字信号处理器的重建算法并结合通用PC机强大的控制和显示功能是温度场实时重建实现的较好方案。

为了研究气泡后向散射信号强度与气泡位置及接收发射视场之间的关系,采用蒙特卡罗方法对存在水槽边界条件下的水中气泡幕后向光散射回波信号进行了系统仿真,并结合实际的水槽实验,对不同气泡幕位置及接收发射轴夹角情况下的后向散射信号进行了理论分析和实验验证,取得了相应的气泡幕后向散射信号强度的实验与仿真数据。结果表明,对不同的接收发射轴夹角,存在一个回波峰值,且该峰值对应的接收发射轴线的夹角与气泡幕位置存在一一对应的关系,这一结果对实际海况下的舰船尾流气泡后向散射光探测试验是有帮助的。

为了解决激光雷达信号的大动态范围引起远距离弱信号的失真问题,采用通过压缩信号的动态范围的方法,设计了一个利用电压调制系统透过率进而压缩激光雷达信号动态范围的方案。计算表明,系统最小透过率为4.05×10-5,可以压缩信号的动态范围达到4个数量级。利用激光雷达后向散射信号的两个方向偏振光,避免了时控光衰减器只透过一个方向偏振光的弊端。研究结果为压缩激光雷达信号动态范围提供了有价值的新方法。

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层间结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层间组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。

为了研究倍频过程对激光光束质量及光束空间分布的影响,针对典型的高阶高斯光厄米-高斯光束,采用理论计算与实验相结合的方法,得出倍频过程中不同阶数的基频光束对倍频光光束空间分布及光束质量的影响。研究结果表明,随着基频光束模式变差,倍频光束质量严重恶化。而对于相同光束质量的基频基模光束,倍频光光束质量随着入射在倍频晶体上不同的基频光光斑半径基本不变。实验中得到半导体抽运掺钕钇铝石榴石内腔倍频激光器的绿光输出功率为49.5W,波长1064nm的基频光光束质量M2＝4.93,波长532nm的倍频光光束质量M2＝10.2。结果与理论基本相符。

为了评价CO₂激光切割模切板表面质量,采用宏观、微观表面观察和碳元素含量测定这3种方法来研究CO₂激光切割模切板表面附着炭层和激光功率、切割速度之间的关系。试验结果表明,模切板切割表面附着炭层的区域随着切割速度的降低而扩大;同一功率下,切割速度越大,切割表面条纹越明显,且随着切割速度的降低而逐步减轻直至消失;切割速度较低时,随着激光功率的增加,附着在表面的炭将减少;较高速度时,随着激光功率的增加,切割表面附着的炭层浓度相差不大,但是条纹不是很显著;顺着纹理方向的炭层沿着纹理方向平铺分布,垂直纹理方向的炭层呈蜂窝状分布,两者均存在有气孔,随着速度降低,网格间的气孔直径减小。该结果对分析激光切割模切板表面质量是有帮助的。

为了解决大功率半导体超辐射发光二极管(SLED)的恒流、恒温驱动问题,使这类光源可以在恒定温度条件下,实现驱动电流连续调节的工作模式,设计了一种控制器,使用单片机MSP430作为其主芯片,采用脉宽调制和比例-积分-微分算法及半导体制冷器实现对光源温度的精密控制。实验中,控制器可以使光源在环境温度为10℃~40℃范围内稳定工作,温度稳定性可达到0.1℃,而其驱动电流则在0mA~200mA范围内连续可调,且恒定驱动电流可在全程范围内稳定在0.1mA。结果表明,所设计的控制器完全可以满足SLED的工作要求,满足了白光干涉系统对于光源的稳定性的需要。

为了研究椭圆偏振激光在等离子体中的调制不稳定性,采用洛伦兹技巧推导出椭圆偏振激光在等离子体中的非线性色散关系,基于横波所满足的非线性控制方程,分析了有限振幅的扰动态引起的调制不稳定性,得到了调制不稳定的时间增长率与扰动态波数之间的函数关系,并对等离子体中不同区域的调制增长率进行了比较。结果表明,激光等离子体的临界面附近的调制不稳定性的时间增长率较激光等离子体中其余位置处更为显著。

为了实现3维物体旋转不变实时识别,应用微透镜阵列的多视角成像特点,利用透射像阵列的高关联性,实现3维物体信息与2维透射像阵列信息之间的转换,从而可以利用光学2维图像识别技术实现3维物体的识别。对转换和识别过程进行了理论分析,用匹配滤波的方法进行了实验验证,实现了3维物体旋转不变实时识别。得到了良好的识别效果,并实现了旋转方向的准确定位和旋转角度大小的比较判别。结果表明,应用微透镜阵列可以实现旋转3维物体旋转不变实时识别。

为了研究方形复合激光晶体YVO₄-Nd:YVO₄在超高斯抽运光分布下的热效应,采用半解析的分析方法进行了理论分析和实验验证。当使用输出功率为15W的半导体激光器端面中心入射、超高斯阶次为2时,在抽运端面中心获得175.4℃的最高温升和1.97μm的最大热形变量。结果表明,超高斯模型有更广泛的适用性,复合晶体可以有效地降低晶体中最高温升,但是不能明显减少晶体端面热形变。这一结果对解决激光系统热问题是有帮助的。

为了研究瑞利波与圆柱表面缺陷的相互作用,并以此作为检测圆柱表面缺陷的理论依据,设计了一套实验装置,该装置采用脉冲激光线源产生超声波,激光干涉仪探测瑞利波信号,通过改变激发源与人工缺陷的相互位置研究了瑞利波与缺陷的相互作用过程。实验中在不同的相互位置得出了不同的瑞利波波形,反射瑞利波的峰-峰值随激光源与缺陷的距离减小而增大,且当激发点位于缺陷边缘处时波形的极性改变。结果表明,当应用本装置时,通过改变人工缺陷与激光光源相对位置,再利用检测峰-峰值的极大值情况和根据接收到的瑞利波的极性可以判断缺陷的位置。

为了研究激光技术焊接块体非晶合金的可行性,采用激光焊接块体非晶合金Zr45Cu48Al7。当焊接速度为8m/min、激光输出功率为1.2kW时,焊缝和热影响区均保持了非晶特性,且没有发现裂纹等的缺陷;试样的热循环温度曲线分析表明,焊缝和热影响区急速从熔点冷却到430℃以下是该试样保持非晶的原因。结果表明,采用激光焊接技术可以成功连接块体非晶合金。

为了满足大型激光装置中驱动源聚焦光斑的均匀光强分布、高能量利用率和小旁瓣等特殊要求,提出了采用追迹法和改进G-S算法相结合的连续相位板设计方法。进一步采用衍射积分方法模拟了该连续相位板的光学性能,计算得到其产生的焦斑具有类似24阶超高斯分布,其顶部光强均方差σRMS＝0.35%、顶部调制度γ＝1.33%、能量利用率η＝99.79%。结果表明,该方法不仅具有追迹法计算简单、运算量小的优点,而且克服了G-S算法容易陷入局部最优的缺点。采用该方法设计的连续分布,解决了加工难题,从而也提高了相位板的匀滑性能。

为了对大气声速误差进行分析,利用布里渊散射信号激光雷达对大气声速进行了测量,分析了大气声速与大气布里渊频移、大气折射率和入射激光波长的具体关系,利用该方法测量了大气声速的精度,并进行了数值分析。结果表明,在标准大气条件下,0km~86km海拔高度范围内大气声速测量的不确定度小于0.269m/s。该误差的分析对激光雷达的设计具有参考价值。

为了得到温度对有偏压光伏光折变晶体中高斯光束演化特性的影响结果,基于暗辐射强度对温度的依赖关系,研究了不同温度下高斯光束在光伏光折变晶体中的动态演化。将高斯光束作为入射波,采用数值方法求解波传播方程,当温度是300K时,与晶体匹配的高斯光束可演化成稳定的屏蔽光伏明孤子;当温度变化较大时,高斯光束变得不稳或者发散。在失配的条件下,通过改变晶体的温度能使一不稳定的高斯光束变成一稳定的明孤子波。结果表明,这种温度增加或减少控制下的光伏光折变晶体中高斯光束演化特性的改变有望应用于温控光器件。