为了解决大功率光纤激光器严重的端面热效应问题,采用水柱导引抽运光的抽运新方法。在该抽运形式中,抽运光被耦合进由喷嘴喷出的高速水柱中,水柱以波导形式导引抽运光进入光纤。对普通端面抽运和水柱导引抽运两种抽运形式的双包层光纤激光器的抽运端的热效应进行了理论计算和分析比较,抽运功率为800W时,光纤端面温度从普通端面抽运时的250℃下降到30℃,基本接近环境温度,光纤侧面的温度也大大地降低。结果表明,水柱导引抽运冷却效果显著,特别是光纤的抽运端得到了很好的冷却,可有效地解决大功率光纤激光器的端面热损伤问题。

为了对Yb:YAG固体盘片激光器进行简单高效的抽运,采用了边缘抽运的方式,使用LD阵列通过光束耦合装置对非对称Yb:YAG/YAG复合晶体进行抽运,获得了80%以上的抽运光吸收效率和较均匀的吸收分布;同时,为了避免高功率工作下晶体过热导致性能下降,对这种抽运结构的散热装置结构进行了理论分析和实验研究,自主设计了理论散热效率超过12W/(cm2·K)的微喷式散热系统,并进行了实验。在抽运吸收功率750W时获得了123W的连续光输出,斜率效率达到34.8%。结果表明,边缘抽运方法在LD抽运盘片激光器的研究中有着很好的应用前景。

为了研究宽带脉冲因受外界瞬态扰动而引起的相移随频谱变化的规律,利用啁啾脉冲与扰动在频域上的卷积特性,采取将频谱干涉技术和线性啁啾脉冲相结合,当两束线性啁啾脉冲在频率域相遇时,相同的频谱成分产生干涉,从其干涉图中得到随脉冲频谱变化的相对相移。根据傅里叶变换的频谱干涉技术,对从两束线性啁啾脉冲的频谱干涉图中提取相移进行了数值模拟。结果表明,对假设具有不同类型的相移进行重构,还原出随频谱变化的相位扰动。这一结果对超快光学中的瞬态测量是有帮助的。

为了实现对导弹导引头红外跟踪系统中抛物面反射主镜的装配角度进行监控和调试,提出了一种通过电荷耦合器件接收抛物面反射镜的聚焦光斑,同时旋转抛物面镜,采集光斑重心位置信息,并利用最小二乘法对光斑重心轨迹进行拟合,从而计算出光轴与结构中心轴之间的偏心角的实现方案。对实现方案进行了理论分析和实验验证,不同于通常的透射聚焦镜关系,得到该环状抛物面反射主镜的装配偏心角α与焦斑重心轨迹圆半径R间的线性关系式中的系数为1.13。结果表明,该系统能够应用于对抛物面反射主镜装配角度的测试和监控。

马赫-曾德尔外差干涉椭偏仪是一种重要的光偏振态实时测量技术。为了提高测量系统的精度、降低误差,采用外差干涉光路分析和数值模拟的方法,理论推导了透射式马赫-曾德尔外差干涉椭偏仪光路的误差公式。结果表明,光源偏振的椭圆化程度,偏振分光棱镜消偏比及倾斜都能引起测量误差;同误差参量下待测光束不同的椭偏比和s,p分量相位差得到的测量误差不同;马赫-曾德尔外差干涉仪的误差结果与迈克尔逊外差干涉仪相近。

为了研究雾粒子散射对激光制导的影响,提高制导**的制导精度。基于Mie理论,考虑粒子尺度分布函数,得到了群体粒子散射模型,在该基础上,建立了目标方位偏差角与散射光强的关系式,从粒子散射的角度分析了粒子散射光强对回波信号的影响。计算表明,大气粒子在一定的尺度分布状况下的后向散射光强对回波信号的影响比较明显。该研究结果为大气微粒后向散射对制导的影响研究提供了参考。

为了研究吸收剂对激光透射焊接热塑性塑料的影响,设计了热塑性材料的激光透射焊接实验方案,对透明聚苯乙烯、聚氯乙烯两种塑料成功地进行了激光透射焊接,运用正交实验方法对焊接工艺进行了分析,并对焊接样品进行了剪切强度测试;讨论了黑漆和clearweld两种不同吸收剂对焊接强度和外观质量的影响,对实验中出现的黑色焦黄色焊缝、焊缝凸起和焊接断裂等现象进行了分析。结果表明,clearweld吸收剂优于黑漆吸收剂。

为了改进KTP晶体倍频增透膜的镀膜质量,采用SiO2代替原来使用的MgF2材料作外层膜并重新设计了膜系。实验结果表明,运用上述技术将镀有1064nm和532nm增透膜的KTP倍频晶体应用在高功率Nd:YAG激光器中,当重复频率1kHz、脉宽25ns、基波功率密度高达450MW/cm2时,没有观察到KTP晶体表面激光损伤,膜层表面抗激光损伤和光学性能都得到提高。

为了在光纤纤芯上制备更符合要求的Fe-C合金膜,取代了氢氟酸(HF)腐蚀包层的方法,选用刀笔去除光纤的涂覆层和包层;分别使用物理气相沉积离子溅射金及Fe-C合金、物理气相沉积真空蒸镀Fe-C合金、化学镀铜4种方法使纤芯表面金属化。经过对比分析,选择在金膜和铜膜上继续利用电镀方法沉积上不同厚度的Fe-C合金膜,进而进行腐蚀传感实验。最后利用新的实验数据记录方法,并通过实验中不同厚度的Fe-C合金膜表现出的传感特点,提出了一个腐蚀定量监测方案。结果表明,通过离子溅射金使纤芯金属化是一个相对较好的方法,这为Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器的进一步发展开启了新思路。

为了研究双芯光子晶体光纤的带隙和色散特性,采用平面波展开法计算了双芯光子晶体光纤的带隙特性,当相对孔径d/Λ≥0.2时,归一化传播常数βΛ的增大,导致光子禁带宽度增加,利用空气导光的工作波长范围越大。并采用全矢量模型分析了双芯PCF的色散特性,得到了通过适当调整光纤的结构参量,可以获得灵活的色散特性的结果。当孔距Λ=2μm、相对孔径d/Λ=0.4时,在波长1.55μm附近,获得近480nm的超平坦色散区;随着相对孔径和孔距的增大,零色散点向短波长方向移动。这为制作高效传输光信号和高性能的保偏光纤提供了一个有效途径。

为了优化双芯光子晶体光纤耦合器的耦合性能,采用改变两纤芯间空气孔的结构和孔内折射率的方法,得到了双芯光子晶体光纤耦合器的优化模型。基于光束传播法数值分析出两纤芯间空气孔尺寸以及孔内注入材料折射率的变化对双芯光子晶体光纤耦合器的耦合性能的影响。结果表明,由于光纤的整体结构不变,使得光纤损耗系数保持不变;减小双芯间的空气孔孔径或增大孔内折射率都会使耦合器的耦合长度减小,两不同偏振方向的耦合长度差异减小,损耗减小;双芯间空气孔内折射率可调性强,使得光纤耦合器的耦合性能有易调节的优点,为设计双芯光子晶体光纤耦合器的优化模型提供了理论支持。

为了提高空间光通信中的精跟踪伺服系统的跟踪精度,采用神经网络比例-积分-微分算法,解决精跟踪伺服系统设计中光斑抖动时变不确定性和压电陶瓷驱动中存在的迟滞、蠕变和位移非线性等不足。通过3层结构反向传播神经网络自学习方法,在线调整比例-积分-微分控制器的系数,控制压电陶瓷驱动精瞄偏转镜偏转,最终达到精跟踪伺服系统优化控制。进行了理论分析和实验验证,取得了室内精跟踪数据。结果表明,神经网络比例-积分-微分控制算法增强了伺服系统鲁棒性,并提高了伺服系统实时性;采用400Hz的CCD,精跟踪伺服系统对40Hz以下的抖动能有效抑制,基本能满足在空间光通信中跟踪带宽需要。

为了研究在1维光子晶体中掺杂具有吸收的零平均折射率材料而产生的孪生缺陷模特性,采用特征矩阵的方法进行了理论分析。结果表明,随着消光系数的变大,会使孪生缺陷模透射率先变大后变小,当其取某一特定值时,高低频缺陷模会出现最大值,但不能同时出现;具有吸收特性的介质在缺陷层中的位置不同,会改变孪生缺陷模透射率的响应曲线。这一结果对开发光子晶体新的应用有重要意义。

激光与水介质相互作用时,在不同激光聚焦位置情况下,光击穿辐射声信号具有较大的差异性。为研究激光聚焦位置对辐射声波的影响,构建了激光声测量系统,实验研究了激光聚焦位置对光击穿辐射声信号的影响。结果表明,激光声信号脉冲宽度主要与激光脉冲宽度相关,与激光聚焦位置无关;激光聚焦位置影响声信号的时域波形及信号强度;应避免激光在空气中聚焦击穿。该研究结果有助于激光声研究的深入开展。

为了研究高稳定性、高光束质量589nm黄光激光器,采用双声光调Q T型复合腔结构、激光二极管侧面抽运Nd:YAG,KTP晶体Ⅱ类临界相位匹配、腔内和频的方法,进行了理论分析和实验验证,在总抽运电流为36A、重复频率为10kHz时,获得了最大平均功率可达3.8W的589nm黄光输出,脉冲宽度为135ns。结果表明,使用T型复合腔可以获得高稳定性、高光束质量的黄光激光输出。这一结果对实现黄光激光在医学领域中的应用是很有帮助的。

为了研究数字全息中孔径合成问题,采用理论分析与实验验证的方法,通过介绍合成孔径数字全息记录和再现的基本原理,指出在合成孔径数字全息系统中,准确拼接合成子全息图是系统获得高分辨率的重要因素。提出了一种基于图像灰度分布相关的算法用以解决子全息图的准确拼接以实现孔径合成,介绍了该算法的原理,分析了该算法精度并进行了相应的实验验证,得到了预期成果。结果表明,该算法能较好地解决子全息图的拼接合成问题,在合成孔径数字全息系统中具有较好的适用性。

为了对双向抽运的飞秒激光直写铒镱共掺磷酸盐玻璃波导激光器进行数值模拟,采用铒镱共掺系统的速率方程及传输方程,对波导尺寸、激光器后腔镜反射率、掺杂铒镱离子浓度比等参量进行了优化。得到当波导长度为10mm、后腔镜反射率为0.6、掺杂铒镱离子浓度比为3.6,975nm波长400mW抽运时,有1535nm波长57mW的激光输出。结果表明,计算结果和国外相关报道的实验结果相近,能够为飞秒激光加工有源玻璃波导及其激光器设计提供一定的理论依据。

为了提高纳秒短脉冲激光微孔制备的加工效率,采用了一种新颖的双脉冲方法。通过时域脉冲塑形将调Q激光器产生的普通纳秒脉冲变换为具有几十纳秒脉冲时间间隔的双脉冲序列。使用这种双脉冲序列对不锈钢试件进行打孔实验,与传统单脉冲打孔结果对比发现,在一定条件下双脉冲序列能将打孔烧蚀率提高一个数量级以上。实验中研究了脉冲能量、重复频率以及环境气体压力对双脉冲序列烧蚀率的影响,并将脉冲烧蚀率提高的原因归结为材料预加热、材料溶液的加速以及瞬时准真空环境,对各种机制分别进行了讨论。结果表明,采用双脉冲方法替代普通单脉冲进行金属打孔,可以在相同能量密度,相同脉冲重复频率的情况下大幅度提高脉冲烧蚀率,为高效激光微孔制备提供了新方法。

为了研究近化学计量比Ce:Fe:LiNbO3晶体的非挥发全息存储固定,测试了晶体的光谱特性,发现近化学计量比Ce:Fe:LiNbO3晶体较同成分Ce:Fe:LiNbO3晶体的红外透射谱变窄,峰值位于3466cm-1处;而紫外光谱发生紫移。并采用单、双光子存储方法进行了理论分析和实验验证。结果表明,单光子照射实验中,用汞灯预照晶体比不用汞灯预照的衍射效率要高;而双光子存储的性能参量明显优于单光子存储的性能参量。

为了研究百瓦级高光束质量绿光激光器,采用激光二极管侧面抽运双棒串接、双声光调Q的方法,依据光束传输矩阵,分析比较了V 型折叠腔内分别置入单、双激光晶体时,其热透镜效应对谐振腔稳定性、折叠臂内光场分布以及倍频晶体处子午光斑和弧矢光斑大小的影响,倍频晶体选用具有抗灰迹特性的Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体。当总抽运功率为1200W、重复频率为27.2kHz时,得到了脉冲宽度为130ns的164W准连续绿光输出,光光转换效率为13.7%,光束质量因子M2x＝10.46,M2y＝10.59。结果表明,使用双棒串接、双声光调Q V型腔结构,可以获得百瓦级高功率、高光束质量532nm绿光输出。

为了获得宽波段的可调谐相干光源,利用1064nm声光调Q Nd:YAG激光器为抽运源、掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体为工作物质,对温度调谐光参量振荡器进行了实验研究。由实验数据可知,当晶体的温度从40℃升高到200℃时,获得信号光的调谐范围为1.565μm～1.670μm;当抽运源脉宽为70ns、重复频率为10kHz、平均功率为1.61W时,获得波长为1631nm信号光的输出功率为211mW。结果表明,温度调谐光参量振荡器可以作为宽波段的可调谐相干光源。

为了研究紫外脉冲激光预处理对熔石英表面形貌的影响,验证其对熔石英元件抗紫外激光损伤能力的提升效果,利用输出355nm 3倍频紫外脉冲激光的YAG激光器,采用光栅式扫描的方式对熔石英表面进行了全口径能量周期递增的激光预辐照处理,并在处理结束后研究了表面形貌的变化,考核了其在355nm脉冲激光作用下的损伤阈值。结果发现,石英基片在经过紫外脉冲激光预处理后表面杂质得到有效清除并暴露了低阈值缺陷,处理后的石英基片零几率损伤阈值平均提高24%左右,50%损伤阈值提高约19%。结果表明,紫外激光预处理是增强熔石英元件紫外激光负载能力的有效方法,可有效缓解高功率固体激光装置3倍频输出的负载瓶颈,具备较高的工程运用价值。

为了快速得到高质量的光声重建图像,采用旋转多元线性阵列探测器,可改善投影不均匀的影响,重建复杂吸收体的光声像。由旋转不同角度数的光声像的仿真和实验表明,利用多元线性阵列探测器旋转扫描的光声像,能够更好地反映生物组织的光学吸收分布。该系统有望为组织的在体功能成像提供一种更方便快捷的装置和方法。

激光雷达监测气溶胶垂直分布一直是大气环境监测领域的重要内容之一。为了研究大气气溶胶质量浓度的垂直分布,对气溶胶质量浓度反演模型进行了理论分析和实验验证。在理论分析后向散射系数与质量浓度之间指数关系及气象因子对气溶胶质量浓度分布影响的基础上提出了一种指数修正模型。采用非线性最小二乘法与经验相结合的方法进行了实验验证,获得了模型参量并反演了气溶胶质量浓度的垂直分布。结果表明,修正模型与实际情况更接近,能更好地反映气象因子对气溶胶质量浓度分布的影响,该修正模型对于气溶胶的垂直分布研究具有一定的参考价值。

为了研究激光感生热电电压(laser-induced thermoelectric voltage,LITV)信号的衰减时间与薄膜物性参量的定量关系,采用脉冲激光沉积法制备了YBa2Cu3O7-x,La0.67Ca0.33MnO3,La0.67Pb0.33MnO3薄膜,测量了248nm的脉冲激光辐照在薄膜中诱导产生的LITV信号,并且基于激光与薄膜相互作用的光热过程推导出的LITV信号衰减时间常数的表达式。结果表明,LITV信号呈指数衰减,变化规律与LITV效应的理论模型相吻合;LITV信号的衰减时间仅决定于薄膜的热传导性能,是薄膜热扩散系数的函数;根据LITV信号的衰减时间可以计算薄膜的热扩散系数,从而提出通过测量LITV信号的衰减时间来研究薄膜热扩散系数的新方法。

为了研究洛匈棱镜对单模高斯光束的影响,采用分析棱镜胶合剂介质层中的光的干涉效应的方法,对洛匈棱镜对单模高斯光束的影响进行了详细的理论分析。结果表明,对于给定的入射单模高斯光束,若光在胶合层界面上的入射角、胶合层的厚度和胶合剂的折射率,三者确定其二,棱镜对透射光束光强分布的影响将随另一参量的变化作周期性振荡,且透射高斯光束的形状也随之改变。比较而言,棱镜对透射o光的影响要小于e光,但从总体上看,棱镜无论对o光还是对e光的影响均小于1％。

为了实现基于半导体光放大器的全光逻辑与门,采用了在半导体光放大器构成的马赫-曾德尔干涉仪的基础上,注入外部连续光的方法。以半导体光放大器速率方程为基础,对设计方案进行了理论分析和仿真验证,取得了不同重复周期、不同脉冲宽度的光脉冲序列经过全光逻辑与门操作后的输出数据。结果表明,该方案能对传输速率为10Gbit/s或以下的信号进行正确与运算,同时,外光注入可以有效提高半导体光放大器信号处理速度。这一结果对基于半导体光放大器的全光逻辑的设计是有帮助的。

为了研究啁啾脉冲在光参量啁啾脉冲放大系统中传输时脉冲变化的情况,采用光线追迹法和4阶龙格-库塔法,得到了压缩器光栅对刻线失配对输出脉冲宽度和时间波形的影响的模拟结果。结果表明,当光栅对刻线失配且夹角约在±4°范围内时,若只考虑2阶色散的影响,初始啁啾导致脉冲宽度略小于无初始啁啾脉冲的宽度。当考虑到3阶、4阶及更高阶色散时,脉冲宽度大于种子脉冲的初始宽度。当入射脉冲具有正啁啾时,出射脉宽随夹角α的增大不断增加,但当具有负啁啾时,脉宽随α的增大先减小后再增大。光栅G2顺时针旋转时的脉宽变化与G2逆时针旋转时脉宽变化相同。另外,初始啁啾对出射脉冲出现的预脉冲、尾脉冲有一定的削弱作用,负啁啾对脉冲展宽和失真的影响明显小于相应的正啁啾。

由于各种光噪声的影响,基于可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器的光栅解调仪解调精度不够高,光路噪声通常会带来10pm量级的波长测量误差。为了提高布喇格波长检测精度,采用了在解调过程中对光纤光栅反射谱进行高斯拟合,从而消减噪声影响的方法。实验发现,拟合后中心波长的测量误差小于2.5pm,温度测量值与实际温度之间的标准方差为0.3°C。结果表明,在有害噪声信号不是非常大的情况下,该方法能有效提高波长检测精度。

为了得到激光与等离子体相互作用过程中产生的高能离子的能量谱,采用动力学的方法,对描述各向同性分布的带电粒子的扩散方程——Fokker-Planck方程进行求解,分析了激光等离子体中朗缪尔等离激元对离子的加速以及不同的朗缪尔波湍动谱对实现离子加速的影响。理论得到的高能离子的能量谱呈指数形式衰减;从图像中可以看出,在高能量区域这种指数形式的离子能谱能够跟实验观测的离子能谱很好地吻合。结果表明,朗缪尔等离激元对离子加速的过程中离子加速的实现对朗缪尔波谱的形式有很强的依赖性,只有Kolmogorov谱对离子加速是有效的。

为了尽可能地呈现灰度遥感图像的信息,对灰图遥感图像分别用小波变换法、改进型多尺度Retinex算法、同态滤波法进行了图像增强处理,分别采用亮度、对比度、亮度与对比度乘积、图像信息熵和变换后的图像与原始图像相比较的保真度等指标对增强后的图像进行分析。结果表明,以采用多尺度Retinex算法增强后,在亮度平均值附近1倍标准差截断、拉伸后得到的图像亮度、对比度、亮度与对比度乘积最高,图像质量最好;小波变换后得到的图像对比度和信息熵最高,去云效果较好;取参量n=1的同态滤波法增强后得到的图像其保真度最高,与原图像最接近,去云效果一般;改进型多尺度Retinex算法和小波变换分别对乌云和白云去除效果最佳。

为了寻找最佳传输特性的对称双脊波导结构,提出了圆形和椭圆形两种变形对称双脊波导,采用有限元的方法,研究了圆形和椭圆形两种变形对称双脊波导对传输特性的影响。计算了脊尺寸变化时的截止波长和单模带宽,给出了主模场结构图以及变形对截止波长和单模带宽影响的相应的关系曲线,并分析了传输特性随对称脊波导结构尺寸的变化情况。该研究结果对变形双脊波导的应用和研究提供了参考,并为脊波导器件的小型化提供了指导。