为了寻求高质量和高密度的密集波分复用器件,采用了在双掺铟铁的铌酸锂晶体中透射式记录/正交式读出方案制作体全息光栅的方法,对体全息光栅衍射特性进行理论分析和实验验证。利用波长为532nm的激光记录尺寸比为1:1的体全息光栅,然后用中心波长为1550nm的红外通讯波长成功读出,取得了波长选择性为0.5nm的波长衍射特性数据。同时,利用2维耦合波理论的闭形式解析解得到了该体全息光栅衍射效率随波长的变化关系。结果表明,实验结果与理论预期相符合,这一方法对制作体全息光栅密集波分复用器件的实用化是有帮助的。

为了研究激光熔覆制备Al-Y合金涂层的可行性,采用CO2激光器熔化预置的Al+Y混合粉末的方法,利用SEM,XRD,EDS和硬度检验等方法分析了熔覆层的显微组织、物相组成、成分分布和硬度等。在2034铝合金表面得到了激光熔覆涂层,其物相主要由Al,Y5Al3,YAl3,YAl等组成,Y元素主要分布于晶界和枝晶间,熔覆层的显微硬度70HV0.2~95HV0.2与基体的100HV0.2~120HV0.2相比较低,原因在于降低了基体中Cu元素的固熔强化效果。结果表明,熔覆层与基体形成了良好的冶金结合,熔覆层显微组织显著细化。

在激光热表面热处理行业中,高反射的金属材料对激光热处理非常不利。为增加金属材料在激光热处理过程中的激光吸收率,研究了外加电场对金属材料激光吸收率的影响,提出了一种饱和温度法测激光吸收率的方法,并应用此方法测得2Cr13不锈钢在外加电压下的激光吸收率。结果表明,外加电场可增加金属材料的激光吸收率。

为了提高熔覆效率与消除熔覆层的裂纹,采用激光-感应复合熔覆的方法在A3表面获得了无气孔与裂纹的Ni基WC复合层。研究了不同的加工参量对复合层质量的影响,结果表明,随着激光比能的增加,粉末面密度增加;在相同的激光比能条件下,随着粉末面密度增加,熔覆层的高度增加,稀释率减小;在相同的粉末面密度条件下,随着激光比能的增加,熔覆层的宽度略有增加。此外,相对于单纯的激光熔覆技术,激光-感应复合熔覆的效率约可以提高5倍。在激光-感应复合熔覆过程中,熔覆层与基材间的温度梯度大大降低,这是Ni基WC复合层无裂纹的关键原因。

为了研究光子晶体的光局域特性,采用传输矩阵法计算了1维缺陷光子晶体微腔中缺陷模的局域场强分布,建立了相对局域化长度的概念,它表征光子局域程度的强弱,局域化长度越小,光子局域程度越强,反之亦然。结果表明,缺陷层两侧排列为高折射率介质层的结构局域光的能力比两侧为低折射率介质层的强;考察前一种结构,且满足共振布喇格散射条件或共振米散射条件范围时,相对局域化长度可获得较小值。

为了用激光雷达遥测机动车排放颗粒物的浓度分布,从理论上分析了颗粒物后向散射系数和质量浓度之间的关系;利用激光雷达测量的后向散射系数以及黑碳仪测量的黑碳气溶胶质量浓度数据,采用最小二乘法对颗粒物后向散射系数与浓度以及后向散射系数与车流量之间进行了相关性分析。结果表明,激光雷达测量的后向散射系数能够很好地反演机动车颗粒物质量浓度,它们之间存在正比关系。激光雷达探测的气溶胶颗粒物浓度和车流量具有很好的一致性,可以用来研究机动车排放颗粒物的水平分布和扩散特性;这对于机动车的管理以及大气污染控制具有重要意义。

为了定量测量光阱力,采用共面但不同轴的两束激光束产生干涉光场进而构成干涉式光镊系统的方法,分析了两束同向传输激光束以一定角度相干涉从而产生干涉条纹,即2维多光镊的原理,并给出了3维光镊的实验系统。采用分析作用在聚苯乙烯小球上的力的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了光阱力分布的数据。结果表明,干涉式光镊可以提供皮牛级横向光阱力,能够实现光捕获,当只考虑光束的束腰半径和光功率两个因素时,实验数据与理论分析吻合得很好。这一结果对光镊技术在生物学、生物医学以及纳米技术等领域的应用是有帮助的。

为了研究激光诱导放电击穿的机理及在应用中减小击穿电压以降低加工风险,通过测得击穿电压随不同激光脉冲能量、极间距和工具电极（阴极）材料的关系,得出只有当单脉冲激光能量W≥0.15mJ,即激光在工件表面形成汽化的前提下才能有效放电击穿,并且当其它条件不变时,击穿电压U50随激光单脉冲能量的增大而减小。在电极材料为碳钢并保持不变的情况下,随着极间距的增大,U50升高,并随着单脉冲激光能量增大,U50升高的趋势渐缓。在其它条件不变下,改变工具电极材料(紫铜和石墨),得出相对于石墨,使用紫铜时能有效地减小击穿电压。结果表明,增大激光单脉冲能量、减小极间距和使用逸出功小、低熔点的材料作为阴极时,能有效地减小击穿电压。

为了研究激光推进中激光作用反射面后的温度效应,采用自行设计的温度测量系统对不同激光功率辐照下的旋转抛物面铝合金靶的表面温度进行了测试,得到了不同条件下温度-时间关系曲线。结果表明,激光吸收率随激光入射角的增大而增大;罩面上的表面温度与位置相关,自辐照点至径向各点上的温度符合高斯分布,激光辐照点与其它各点呈现明显不同的升温和降温特点;激光辐照停止约数秒后,旋转抛物面表面上各点的温度趋于一致,之后按同一种热扩散方式和降温曲线变温。

激光功率对切割质量具有重要的影响,功率过大容易产生过烧现象。为了保证切割质量,研究了激光功率与切割速度的关系,基于可编程多轴运动控制器提出了激光功率实时控制的方法,使用开放性编写应用程序进行串口通信调整功率的方式实现激光功率的实时控制。采用这种方法进行激光切割试验,当激光功率能够随切割速度实时变化时,可以避免烧角现象。结果表明,此方法可以有效地提高切割质量,并且保证了激光切割的效率。

为了解决难成形材料微构件成形困难,采用脉冲固体激光器对铝合金微型件进行了辅助加热实验研究,同时利用有限元软件ABAQUS建立了基于激光加热的微镦粗圆柱形工件的热力耦合有限元模型,对激光加热后的温度场分布和微塑性成形过程进行了模拟研究。结果表明,工件在激光功率800mW,加热时间0.08s,光斑半径0.1mm下的温度场分布呈卵圆形,在短时间内温度场基本趋于均匀化,激光加热下的微塑性成形应力比常温下降低了30％左右。这一结果对提高微塑性材料的成形性能和完善微热及微温成形工艺是有帮助的。

为了研究基于CO2激光抽运的远红外激光源的太赫兹2维成像方法的各自特点和今后的发展方向,在介绍CO2激光抽运的远红外激光源的基本工作原理及美、英两国典型产品SIFIR-50FPL和FIRL100激光器的基础上,重点介绍了国内外近几年的主要成像研究成果,并对其成像特性进行了简要评述。最后总结出CO2激光抽运太赫兹成像研究的发展趋势是大力发展能远距离成3维像的太赫兹雷达、能实时成像的焦平面探测及实时图像处理和目标自动识别系统。

为了更好地在晶体具有二向色性的波段使用波片,采用矩阵光学的方法,分析了晶体的二向色性对λ/4波片产生圆偏光、λ/2波片使偏振面产生旋转以及出射光振幅的影响,当线偏光光矢量与波片快轴成45°入射时,由于晶体的二向吸收,通过波片后的光不是圆偏光而是椭偏光,只有在满足条件时才能得到圆偏光,而且振幅变小;对于波片,考虑二向吸收后,线偏光光矢量的旋转不再是入射光矢量与波片快轴夹角的2倍关系,光矢量的旋转角度和振幅的变化是二向吸收系数及入射光矢量与晶体光轴夹角的函数。结果表明,晶体的二向色性对波片性能的影响是不容忽视的,在器件使用中应该引起人们的注意。

为了研究不同结构光电探测器的光响应特性,采用脉冲激光沉积技术在玻璃衬底上制备了ZnO基紫外探测器。X射线衍射谱、扫描电子显微镜和光致发光光谱显示,ZnO膜为多晶结构,表面平整,并具有良好的化学配比。比较平面结构探测器和夹层式探测器的光响应特性可知,探测器结构对光电探测特性具有重要影响。结果表明,平面结构探测器中的电极宽度引起响应时间和响应度之间的竞争,而具有透明电极氧化铟锡的夹层式探测器则不存在这一问题。

锁模光纤激光器能够产生超短脉冲,在众多领域中有着广泛的应用前景。概述了光纤激光器锁模实现技术的基本原理、典型结构和最新研究进展,分析了主动锁模、被动锁模和混合锁模技术的优缺点,并对多波长锁模、拉伸脉冲锁模和基于光子晶体的锁模光纤激光器的最新研究情况进行了介绍和分析。展望了锁模光纤激光器研究的发展方向和急需解决的问题。

为了研究Nd:YAP晶体在LD端面抽运中的1341.4nm激光输出特性,采用理论计算和实验测量了实验系统的热焦距,对比了平平腔和平凹腔激光输出结果。采用输出耦合率为T=2.4%的平凹腔和输出耦合率为T=2.6%的平平腔,分别得到了3.15W 和2.86W 的1341.4nm线偏振激光输出,对应斜效率分别为18.4%和17.5%。结果表明,Nd:YAP作为1.3μm波段激光晶体具有潜在的优点。

为了研究马赫-曾德尔型调制器的调制特性及锁模脉冲振幅均衡条件,采用调节直流偏置电压和调制深度的方法,来控制调制器透射曲线。通过时域分析,在5GHz调制频率下对锁模脉冲序列和调制曲线进行数值研究。用MATLAB软件模拟分析了2阶~7阶锁模光脉冲序列和调制曲线的时域分布图。数值分析结果表明,锁模脉冲振幅均衡的条件是光脉冲序列经过调制器后经历相同的透射系数。线性调制区与非线性调制区均可获得振幅均衡的锁模脉冲;当有理数谐波锁模阶数p>4时,调制深度β变化对脉冲振幅均衡程度影响剧烈。该结果对获得功率均衡的谐波锁模脉冲的实验研究有一定的参考意义。

为了研究如何从脉冲种子光经放大器后获得能量为毫焦级、纳秒级脉宽的激光脉冲,以及重频、受激喇曼效应对输出激光脉冲的影响,采用基于主振荡动率放大方式建立了3级脉冲双包层掺Yb光纤放大器的瞬态理论模型。在不同重频下对能量为10nJ、脉宽为100ns的脉冲种子光经放大后的脉冲能量、峰值功率、平均功率、脉宽及受激喇曼效应进行了数值模拟。计算数据表明,当重频小于200Hz时输出激光脉冲的能量、波形受重频的影响很小,可以忽略不计,在适当参量下受激喇曼效应对各级放大输出几乎没有影响。结果表明,适当选择3级光纤放大器的各项参量可以实现毫焦级的激光脉冲输出。

为了快速计算水汽强吸收带光学透过率,采用相关k分布的方法,对它们在计算水汽强吸收带大气透过率中的应用进行了理论分析和实验验证,设计并开发了相应的计算程序,分别用6种大气模式进行检验,取得了较好的实验数据。并对相关k分布法中求积网格点的选取、非均匀大气吸收系数的插值作了讨论。结果表明,相关k分布法用于宽带强吸收大气透过率计算具有精度高、速度快的优点。这一结果对于将相关k分布法快速高效地用于实际应用是有帮助的。

为了更合理地使用平行分束偏光镜,针对由冰洲石晶体制作的平行分束偏光镜,从理论上对剪切差的光谱特性进行了分析,并进行了实验验证。晶体中e光线相对e光波的最大离散角以及棱镜的剪切差均受入射光波长的影响;对于一般设计且长度一定的棱镜,其剪切差随入射光波长的增大而减小,且紫外波段对剪切差的影响大于可见和红外波段。结果表明,本研究对平行分束棱镜在宽光谱范围的设计和应用问题的处理具有参考价值。

为了研究两相干组束光纤激光的干涉图样的分布特征,采用数值计算和实验相结合的方法,对干涉图样进行了理论分析和实验验证,取得了在不同光束间距及不同傅里叶透镜焦距下的干涉图样分布图。干涉图样的条纹分布和条纹可见度主要受到激光光束间距、傅里叶变换透镜焦距以及光束束腰半径等参量的影响。随着光束间距的增大,干涉条纹间距减小,条纹数目增多,条纹可见度减小;傅里叶变换透镜焦距增大时,干涉条纹数目没有明显变化,条纹间距略有增加,条纹可见度增大。这一结果对相关实验工作将有一定帮助。

为限制Nd:YAG激光器闪光灯抽运源在触发预燃时的功耗和电磁干扰,以符合国家关于医用电气设备对电磁兼容性的要求,研发了准谐振腔体触发预燃技术。由于脉冲变压器的寄生参量无法消除,会在电路中产生复杂的振荡过程。利用这一谐振特性,通过调节触发频率,使之与谐振频率相同,达到准谐振状态点燃闪光灯。实验证明该电路稳定可靠,其峰值电压可降到10kV以下,远低于同类闪光灯触发电压16kV的标称值。结果表明,该电路完全达到了国家关于医用电气设备对电磁兼容性的标准。

为了更好地利用光子晶体的导光和滤波性质,采用时域有限差分方法研究了在光子晶体波导中引入复合层状介质柱缺陷后,复合层状介质层的材料在折射率、厚度等参量改变时,2维光子晶体透射率随入射光频率变化的关系。结果表明,随着介质柱半径及折射率的增大,透射谱中导带内出现更多模式的缺陷态,当介质柱半径接近光子晶体空气柱半径时,可以产生频率范围更大的导带,介质柱折射率比较大时,会在导带内形成窄的禁带。实际应用时可根据具体需要调节。该研究为利用光子晶体制作滤波器和光开关等器件提供了理论基础。

为了研究光柵调谐外腔半导体激光器的调谐特性和双稳特性之间的关系,采用建立H参量简化模型、以载流子密度表征阈值特性的方法,得到了以H参量表达的调谐范围解析式,对反共振所需剩余反射率的上限进行了理论分析,数值模拟了激光出射端反射系数、剩余反射率对调谐范围和双稳环环宽的影响,得到了环宽最大值的位置。结果表明,H参量简化模型能够阐明光栅调谐外腔半导体激光器的调谐特性与双稳特性的关系。

为了研究5阶非线性效应对光脉冲在光纤中传输的影响,采用分步傅里叶算法数值求解了含5阶非线性项的扩展非线性薛定谔方程,并进行了理论分析和数值模拟。计算结果显示,负的5阶非线性效应使光脉冲峰值减小,脉冲展宽,正的5阶非线性效应使峰值增大,脉冲被压缩。较小的5阶非线性效应产生较小的调制不稳定性,因而光脉冲能保持基本的形状,忽略光纤的损耗时,光脉冲保持绝热传输。对正的5阶非线性效应,适当小的损耗可以减缓调制是不稳定性。结果表明,在5阶非线性系数固定的情况下,初始入射脉冲的峰值会显著地增加5阶非线性项的贡献。

激光打孔过程是激光与物质相互作用的复杂物理过程,涉及物质在激光作用下的多种物态变化。为模拟激光打孔过程,将物质状态随加热时间的变化等效于无限大介质内部热源功率密度分布随时间的变化,采用热物性参量为恒量的无限大均匀介质中热扩散方程的解为理论工具,给出了该过程的近似数学表达式,并编制软件模拟了激光打孔的孔洞形成过程。模拟计算表明,所设计的软件能够模拟一个合乎逻辑的材料孔洞形成的过程,如果改变计算参量,则可以实现不同形状的孔洞。该研究将为工业生产中激光加工工艺的制定或激光辐照下材料的热损伤快速估计提供一种快捷的工具。

为了研究光纤光栅中布喇格孤子的传输特性,基于耦合波理论采用有限差分法在孤子传播速度与传输距离无关的条件下,数值模拟了布喇格孤子在高斯变迹光纤光栅中的传输以及孤子之间的相互作用,得到一些有意义的结果。结果表明,输入功率和初始脉宽等初始条件的不同将导致孤子峰值强度的周期变化;具有初始频率啁啾时布喇格孤子在传输过程中被展宽(正啁啾)或被窄化(负啁啾),并始终受到高斯变迹光栅的制约。当输入两个孤子时,它们之间的相互作用对其相对相位和相对振幅参量敏感。

为了研究3维激光雷达测量系统采集到的点云数据如何进行去噪处理,根据灰度图像中对灰度值进行滤波去噪的概念,采用改进的2维中值滤波方法对点云数据中的噪声点加以处理。基于激光雷达点云数据数据量庞大且存在噪声点特点,重点分析了改进2维中值滤波算法和点云数据信噪分离方法,并通过实验验证,得到了速度对比数据和滤波效果图。结果表明,利用改进后的2维中值滤波方法,速度明显得到改进,对激光雷达点云数据的滤波效果良好。

为了研究1064nm激光大气气溶胶粒子的散射特性,利用Mie散射累积相乘算法,对函数迭代式进行简化,减少存储数组,对无穷迭代进行有效截断,减少迭代次数。通过模拟得到单分系和多分系的散射分布特征,得出散射强度主要集中在前向小角度散射的结论,并讨论了散射光的偏振特性,得出散射光存在完全偏振光的结论。结果表明,改进算法具有收敛速度快、精度高的优点。

为了研究用激光主动扫描法侦察远方飞航导弹来袭方位的原理及实验技术,以红外点源导引头光学系统为例,运用矩阵光学追迹法对影响“猫眼”效应回波强度的因素作定性、定量分析。研究结果表明,回波强度受导引头光路中光学镜头相对孔径、摄像管靶面倾斜和离焦的影响较大,扫描激光光束的入射角等因素对回波强度也有一定影响。在主动扫描装置距被探测导引头约10000m、扫描光束的入射角为0.08rad条件下,反射面离焦及倾斜使得侦察装置接收到的回波能量与发射脉冲能量之比由理想条件下的43.80%分别下降到1.53%和 0% 。这一结果对“猫眼”效应用于主动式侦察的原理在导弹来袭告警系统中的应用是有帮助的。