为了具体测量细胞表面电荷量,设计了一种利用光镊、微通道和电泳测量细胞表面电荷的方法,并利用该方法测量得到酵母菌细胞表面电荷大约为10-10C。结果表明,可以利用该方法测量细胞表面电荷变化。对测量系统进一步开发,可做成测量细胞表面电荷的生物分析芯片。

为了精确测量倍频Nd:YAG激光器的调谐波长,采用碘分子在532nm附近的强吸收谱线作为频率稳定的绝对参考谱线,建立了以碘蒸气为标定物的激光调谐波长测定系统,实际测量了碘蒸气吸收谱线。通过谱线的特征结构与理论吸收谱线的比较,得到了倍频Nd:YAG激光器调谐频率与外加偏压及电位计旋转角度的对应关系,并确定了激光频率跳变点的位置,最后给出了倍频Nd:YAG激光器的调谐范围。结果表明,碘吸收谱线法可以用来精确测量倍频Nd:YAG激光器的调谐波长。

为了检测粉末的流量,设计了一种激光再制造粉末输送流量检测系统,采用电容传感器来检测流量的变化并以2Cr13和H13金属粉末作为输送介质进行了测试试验。结果表明,输送介质为H13粉末的情况下获得较好的检测效果,在粉末的浓度变化大于10-1g/min时具有较好的分辨率。该系统可以用于送粉系统粉末流的检测。

为了测试德国HOLOEYE公司LC-R2500型1024像素×768像素反射式空间光调制器的纯相位调制特性,采用了基于双光束干涉原理的测量方法,得到了输入图像灰度与相移量对应关系。将相位恢复算法编码后的纯相位图像作为空间光调制器的输入信息,进行了理论分析和实验验证。结果表明,光学再现像与数值模拟结果相吻合,验证了纯相位调制特性测量的准确性。

为了能够对铁轨的平直度参量进行精确测量,设计了一种基于自准直原理的嵌入式激光测量系统,其检测系统主要由图像采集和传输模块、图像处理和数据处理模块及激光测距模块组成,系统将接收的光斑图像通过一系列图像处理后,将距离参量和图像参量带入自准直算法中,求得铁轨平直度偏移量,并能够保证其测量精度在0.3mm。结果表明,该系统可以在一定程度上代替传统的轨道测量方法,使得测量过程更加简便、精确。

为了获得高质量的KMgF₃晶体,采用提拉法,在CF₄气氛中进行了晶体生长。对生长过程中的挥发物和结晶余料进行了物相分析,并测试了晶体红外透射光谱。由测试结果可知,晶体生长过程中的主要挥发物为KF,析晶率较大时的结晶余料中出现MgF2相,红外光谱中未出现OH-的吸收,但COH的吸收比较明显。结果表明,CF₄气氛有利于KMgF₃晶体生长过程中H2O等氧源的消除,生长过程中有效地抑制KF的挥发并适当地补充KF,是KMgF₃晶体生长中不可忽略的问题。

为了在散斑测试技术中方便地处理散斑图像,采用LabVIEW和MATLAB结合的方法设计了一个简单的电子散斑干涉图像处理系统,利用LabVIEW设计显示界面,并调用MATLAB强大的图像处理功能来对散斑图像进行处理。结果表明,这种方法处理过的散斑图像增强了散斑条纹的对比度。

为了研究不同激光功率及不同的冷却条件下,激光相变硬化处理对低碳钢表面性能和组织的影响,采用激光表面相变硬化方法,在低碳钢表面获得了比原先母材硬度高100HV~150HV的硬化层,采用金相显微镜分析了激光处理区的组织,且用显微硬度计测量了单道扫描时的纵向和横向的硬度分布。研究发现,激光作用区主要是低碳板条马氏体与未转变的索氏体甚至屈氏体、回火索氏体组织。搭接区组织均为细小的马氏体及中间分布着索氏体组织;由于10CrNiMo钢含碳量较低和碳扩散系数不同的原因,其最高硬度层并未在表面形成,而是形成在次表层。在软化区,前一道扫描形成的马氏体受到回火作用,原先固溶在马氏体中的碳析出,形成了回火索氏体,降低了硬度。结果表明,激光相变硬化工艺可以将10CrNiMo钢的表面硬度提高100HV~150HV左右,且表面保持很好的韧性,若想进一步提高其表面硬度,还需采取熔覆等其它工艺。

为了研究激光辐照过程中芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料吸收特性的变化情况,采用双积分球-光电管测试系统和对实验回收样品进行微观分析的方法,得到了两种复合材料在1.319μm连续激光辐照过程中吸收率的变化结果。在烧蚀前,材料的吸收率随激光功率增大而缓慢减小,芳纶纤维/环氧材料从0.6减小到0.55,碳纤维/环氧材料从0.85减小到0.8;当材料发生烧蚀时,芳纶纤维/环氧材料的吸收率迅速增大,而碳纤维/环氧材料的吸收率无明显变化。结果表明,烧蚀对芳纶纤维/环氧材料的吸收特性影响较大,对碳纤维/环氧材料无明显影响。

为了提高不锈钢焊接性能,提出了一种旋转双焦点激光-惰性气体钨极保护焊(tungsten inert gas,TIG)复合焊接方法,该方法通过旋转的两束激光与电弧进行旁轴复合。运用自行设计的旋转双焦点激光-TIG复合焊接头对304#不锈钢进行了工艺试验,并分析了焊缝的组织和性能。结果表明,在旋转双焦点激光-TIG复合焊接过程中,焊接电流和激光功率的有效耦合是影响焊缝组织的关键因素,而旋转频率的大小对焊缝的组织形成以及显微硬度都有非常重要的关系,低速旋转时可以引起焊缝的多次重熔,因此使得组织细小,硬度较高。该结果可用于指导激光-TIG复合焊接技术的理论分析及其实验研究。

多脉冲位置调制(multi-pulse position modulation,MPPM)与脉冲位置调制相比具有能量信息效率高和带宽低的优点,是水下激光通信中一种有效的通信方式。为了研究时钟抖动对激光水下多脉冲位置调制通信的误码影响,在分析MPPM时钟抖动时的性能的基础上,通过理论计算提出了MPPM最小误比特率的映射列表的方法,分析并仿真了MPPM使用二进制码和格雷码两种编码方式的误比特率。结果表明,在相同的传输带宽和传输速率下,使用格雷码编码的MPPM误码性能优于二进制编码,且MPPM的性能优于脉冲位置调制,误比特率降低约2.4dB。该研究结果对提高水下激光通信性能具有一定的理论参考价值。

为了准确地研究光纤激光及其相干合成光束的远场传输特性,采用将LP01模分解为许多不同拉盖尔-高斯模叠加的方法,分析了LP01模以及多个光纤激光相干合成光束的传输光场分布和光束质量,并与用高斯函数表示的光纤激光的光场进行了比较。分析中发现,基模高斯光束与LP01模的初始场分布基本相同,但传输后的光场分布会产生较大误差,在光纤激光相干合成光场的分析中两者间的差别也非常明显。结果表明,为更准确地分析光纤激光及其相干合成光束的传输特性,光纤激光的模场表达式应采用拉盖尔-高斯模的叠加式。

为了研究低密度奇偶校验码在水下激光通信系统中的性能,采用软判决迭代译码算法对系统误比特率进行了仿真,并对水下激光通信的信道模型和低密度奇偶校验码的编译码方式进行了探讨。在一定码长和调制阶数条件下,当信号光子数ns增大时,可以使误比特率降到10-5以下。结果表明,通过利用光电检测输出的软信息进行低密度奇偶校验软判决译码可以明显地降低系统误比特率。

为了得到圆形的毛化点以改善传统单头激光毛化技术椭圆毛化点对轧制钢板的均匀性和力学性能的影响,提出了一种采用多棱镜扫描分光技术的多头激光毛化设备。在一定离焦量下,使得扫描过程中扫描光束所带来聚焦点非均匀移动可以与轧辊同步运行,理论上可以获得椭圆度(长短轴比)最小为1.0010957的近似圆形毛化点,并进行了生产实践。结果表明,理论分析计算与实际结果较为符合。通过对离焦量、扫描速度等毛化参量的控制,可以获得椭圆度根据特殊要求任意调整的毛化点,这为多头激光毛化技术的应用提供了指导。

为了研究掺Yb³⁺光纤放大器中自发辐射噪声分布情况,利用离散化的方法求解掺Yb³⁺光纤放大器的速率方程,理论研究了不同的抽运方式、端面反射率、抽运功率以及有无滤波等条件下,端面抽运掺Yb³⁺光纤放大器中自发辐射的功率放大特性。结果表明,不同边界条件下的自发辐射功率差异较大;通过减少光纤端面的菲涅耳反射和利用滤波技术等方法,可有效抑制光纤激光放大器中自发辐射噪声的功率放大。

为了研究由两种不同的介质柱组合成的2维光子晶体的传输特性,对包层介质柱/基质光子晶体与空气柱/基质光子晶体组合的三角晶格光子晶体进行研究,采用时域有限差分法,对其进行模拟计算,得到多种情况下光子晶体的透射系数与入射光频率的关系曲线。结果表明,在这种组合结构的光子晶体中,可以得到从低频到高频的组合宽带隙,从而达到在更宽范围内控制电磁波传播的目的;包层介质柱外半径的变化对带隙的宽度影响较大;包层介质柱的内半径的大小、内柱和中间夹层的介电常数对带隙宽度没有影响,但是对带隙内的缺陷模有明显的影响。由此可以根据实际需要,通过调节此种光子晶体的结构参量制作极窄带通的滤波器和光开关等。

为了获得高亮度和高品质的电子束,在自由电子激光实验装置中采用光阴极注入器作为电子源,其驱动激光器系统采用主振功率放大结构,振荡器为二极管抽运连续锁模激光器,放大器为一级双程及两级单程二极管脉冲抽运放大,后接4倍频系统。经过工程研制及调试,获得的输出指标为:波长266nm,微脉冲能量4μJ,宏脉冲宽度2μs至6μs可调,微脉冲能量抖动优于3%。结果表明,采用Cs2Te阴极的光阴极注入器实验,该系统能够获得不低于40A的电子束流,达到了自由电子激光实验对电子源的束流要求。

为了比较单一常数吸收率模型、固态和液态吸收率分别为常数的组合吸收率模型以及温度相关吸收率模型对于数值结果的影响,分别采用这3种吸收率模型建立了空间轴对称有限元计算模型,模拟了激光加热铝板的过程,对比了不同吸收率模型下的计算结果,讨论了这几种吸收率模型的优劣和适用范围。结果表明,对于固态和液态均明显存在的加热过程,固态和液态阶段分别为不同常数的组合吸收率模型能得到与使用吸收率温度相关模型很相似的结果,而使用单一的常数吸收率模型与之相比则差别较大;对于加热区域为单一物态的加热过程,使用单一常数吸收率模型与使用吸收率温度相关模型的计算结果有一定的差别,但差别不大。

为了解决条纹计数法和相位分析法处理自混合干涉信号的不足,提出了一种基于时频分析的自混合干涉信号处理方法。 采用时频分析技术获得自混合信号频率随时间的变化,利用激光与外部物体相互作用后的多普勒频移与信号频率相等的关系,非常方便地获得了外部运动物体的速度历史信息。结果表明,该方法处理自混合信号简单有效,且有较高的处理精度。

为了提高系统的识别精度和抗噪性能,在相关处理的基础上,针对相关峰采用了图像流来判断其运动特性,进而通过管道滤波的方法区分噪声和相关峰,进行了理论分析和实验验证,取得了系统对运动目标的识别数据。结果表明,该方法利用序列图像中目标运动的连续性和轨迹的一致性的特性,大大提高了识别精度和抗噪性能。这一结果对运动目标跟踪识别是有帮助的。

为了研究半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应问题,采用解析分析的方法研究端面抽运激光晶体的温升以及热形变量的大小。通过激光晶体工作特点分析,考虑到Nd:GdVO₄晶体热传导各向异性的特点,采用各向异性传热的Poisson方程,得出了超高斯光束端面抽运Nd:GdVO₄晶体温度场以及热形变场的一般解析表达式。并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Nd:GdVO₄晶体温度场以及热形变场的影响。结果表明,若半导体激光器的输出功率为30W,光学聚焦耦合器传输效率为85%,5阶超高斯光束沿中心端面抽运掺钕离子原子数分数为0.012的Nd:GdVO₄晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711μm的热形变。该结果对估算Nd:GdVO₄晶体热焦距变化范围以及进行热不敏谐振腔设计具有理论指导作用。

为了研究高阶色散对光孤子及孤子对传输的影响,采用分步傅里叶变换方法,对含高阶色散效应与不考虑高阶色散情况下的光孤子非线性薛定谔方程进行了数值求解,得到了孤子脉冲形状与色散阶数有着相关性这一结果。结果表明,奇数阶色散效应会使孤子及孤子对脉冲发生单边振荡,产生能量损耗,并在振荡侧产生次脉冲,而偶数阶色散效应会使孤子及孤子对脉冲发生明显的脉宽展宽,高阶色散效应对孤子脉冲的影响随阶数的增加而减弱。

为了研究3维激光雷达测量所得点云数据的三角构网,根据激光雷达逐行扫描特点,采用了改进的三角剖分方法,对点云数据进行不规则三角网格划分。基于激光雷达点云数据位置拓扑信息,分析了相邻扫描线之间数据点的相对位置关系,利用几何关系进行初步配对构网;并结合经典法则对初始网格进行局部优化,得到最终三角网;同时,对优化前后的三角网,提出一种新的评价法则进行剖分效果对比。结果表明,充分利用点云特点进行三角剖分可改进算法。所提出的剖分效果评价法可帮助检验构网质量。

为了研究2维亚波长光栅的抗反射特性,分析了2维光子晶体的2维光栅结构,通过全息3束光干涉的方法,在光刻胶上制作了六角结构的2维全息光子晶体结构。把具有2维全息光子晶体结构的光刻胶作为母版采用全息模压的方法,将结构复制到薄膜材料上。结果表明,这种抗反膜在红外波段具有增透作用,与理论分析相吻合。

为了得到发光性能更好的稀土荧光配合物,合成了以BA、1,10-phen为第1和第2配体系列铕、铽双核稀土有机配合物Eu1-xTbx(BA)3phen,并测试了不同浓度下各个配合物的紫外吸收光谱和荧光光谱,同时对双核稀土配合物的能量转移过程进行了讨论。结果表明,在合成的系列配合物中,配体苯甲酰丙酮和1,10-phen是Eu3+的优良配体,第2种稀土离子Tb3+的掺入对稀土离子Eu3+的发光有明显的敏化效应。目标配合物是一种发光性能良好的稀土配合物。

为了对掺Yb³⁺双包层光纤激光器的自脉冲行为进行系统的理论研究,采用数值模拟方法,对光子数密度和反转粒子数密度随时间及抽运功率的变化、阻尼系数与后腔镜的反射率和掺杂粒子浓度的关系,以及光纤本身固有振荡频率随后腔镜反射率的变化进行了理论分析。结果表明,随抽运功率的增加,振荡频率增加,振幅度减小;降低输出端的反馈和粒子的浓度可以抑制自脉冲现象。另外提出了抑制光纤激光器自脉冲的措施,为设计掺Yb³⁺双包层光纤激光器提供了理论依据。

为了研究二元复合波片的退偏性能,采用了理论和实验相结合方法,对不同的波片复合后的米勒矩阵形式进行了理论分析和实验验证。结果表明,让两波片以不同的角速度绕光线为轴旋转,当复合波片为一个λ/4波片和一个λ/2波片组合时,只要它们的角速度满足一定的比例时,可以组合成一个比较理想的退偏器;当复合波片为两个λ/4波片组合或为两个λ/2波片组合时,无论怎样旋转都不能组合成理想退偏器。理论和实验相符合。这对指导二元复合波片退偏器的制作和在激光工程中应用具有参考意义。

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量。结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A3,A7和A10等增大。计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义。

为了既节省稀有昂贵的冰洲石晶体材料,又实现偏振光的大剪切差输出,采用冰洲石晶体与光学玻璃组合的方法,给出了一种新型平行分束偏光镜的设计方案。该棱镜为冰洲石晶体中间夹光学玻璃的结构,可采取胶合剂和空气隙两种胶合方式。结果表明,在保持较高消光比和透射比,又不增加晶体使用量的前提下,相对于常规平行分束偏光镜,该棱镜一般可以将剪切差增加3倍以上。

为了提高多普勒激光测风雷达反演风场的速度和精度,采用Newton-Gaussian最小二乘优化方法对风场反演模型进行数值求解,并对Newton-Gaussian法的步长和初值进行讨论和调整,使得此算法的鲁棒性更强,同时也降低了传统速度方位显示反演方法中固有缺陷的影响。将其应用到研制的全光纤多普勒激光测风雷达系统中,实现了对低中空局部风场的反演。结果表明,该算法不但提高了风场反演的速度和精度,而且反演结果更稳定,适合实时计算。

为了减少试验样本数、降低试验消耗和缩短试验周期,采用序贯验后加权检验法,利用试验数据的验前信息进行序贯决策,以减小试验所需样本数。以激光告警试验为例,将序贯验后加权检验法与经典的数据处理方法进行对比。结果表明,采用序贯验后加权检验法可以减少所需的试验样本数,而且试验指标取值以及犯两类错误概率取值对试验样本数有较大影响。

为了使CO₂激光器在工业加工及**上有更广泛的应用,采用铝合金拉制型材作为激光器壳体、盘装电感代替传统线绕电感的结构以及全金属封接工艺等,研制出一种紧凑型长寿命射频激励波导CO₂激光器。可连续输出或在不高于20kHz调制频率下脉冲输出,最大输出功率30W,实测工作寿命超过1500h,存储寿命超过1.5a。结果表明,这种激光器具有结构紧凑、输出功率稳定、工作寿命长、可连续及脉冲调制工作等特点,除了能满足各种材料的加工,也可在**上应用。