为了实现热容激光器远场可聚焦性的实时控制,采用角锥棱镜阵列作为准相位共轭反射镜对光束波前进行被动式实时补偿。详细研究了阵列角锥棱镜谐振腔的光学特性,通过优化谐振腔的构型,进行腔内滤波,抑制角锥之间的共轭模式,获得了在保持90％输出能力条件下的单模输出,中心主斑能量集中度提高了约4.5倍,远场可聚焦性与传统的平-凹腔比提高约10倍。结果表明,角锥棱镜阵列谐振腔具有热不灵敏的特性,可显著提高热容激光器的远场聚焦能力。

为了将激光点焊工艺应用于NdFeB永磁体与冷轧碳钢薄板的连接,试验研究了脉冲功率、脉冲宽度和离焦量对焊点形貌和接头强度的影响。激光点焊中存在热导焊和深熔焊两种焊接模式,改变峰值功率和离焦量都能使焊接模式发生转变,而改变脉宽时焊接模式不转变。点焊试样剪切试验中存在脱壳式、剪断式和压断式3种断裂模式,所对应的熔核尺寸和剪切载荷依次增加。结果表明,为获得较高的连接强度,宜使峰值功率与离焦量适当配合,实现深熔焊模式进行焊接,而脉冲宽度不宜太大。

为了研究合金元素对ZL114A铝合金凝固裂纹的影响,采用3种不同成分的铝合金焊丝,向焊缝中添加合金元素。分析各种合金元素对焊接ZL114A薄板所产生的凝固裂纹的敏感性的影响,并进行了理论分析和实验验证。试验结果表明,焊后产生的凝固裂纹附近主要含Al,Mg以及Si这3种合金元素。Mg和Si元素的富集导致在凝固结晶时,在柱状晶边界形成了低熔点共晶Al-Si或Mg-Si,Al-Mg2Si,这些低熔共晶与ZL114A铝合金凝固裂纹产生紧密相关。这一结果对研究激光焊接ZL114A凝固裂纹冶金因素的研究是有帮助的。

为了解决大型高功率激光装置激光脉冲宽度窄、光束口径大、路束多,以及输出光束远场漂移量大等特点导致的激光脉冲时间波形难以准确测量的难题,研制了多路激光近红外时间波形测量系统。该系统使用光束匀滑进行光纤耦合取样的方法,采用时分复用的光纤传输技术,实现了神光-Ⅲ原型装置8路纳秒激光脉冲时间波形的测试。结果表明,通过对2008年度原型装置时间波形的测量数据分析,该测量系统的测量相对扩展不确定度小于2.5％,提高了系统的抗干扰能力和可靠性,同时也降低了激光装置参量诊断系统的建造成本。

为了对激光技术在拉延模表面的性能影响进行研究,从激光毛化微凸体形貌特征及拉延成形中摩擦行为特点的角度,研究了在拉延成形过程中,激光毛化表面的摩擦力及由微凸体接触摩擦系数和润滑摩擦系数组成的合成摩擦系数,建立了摩擦系数与表面微观形貌几何参量之间的映射关系模型,讨论了激光毛化形貌参量对表面摩擦系数的影响,并通过采用大量激光毛化摩擦学模拟实验验证该模型的准确性。结果表明,激光毛化改善了拉延模表面摩擦学特性,且该模型为进一步研究激光毛化在拉延成形中应用提供了理论依据。

为了解决激光通信中符号同步传输效率低问题,采用了超帧同步取代符号同步方法。在分析多脉冲位置调制码型和帧长的特点基础上,详细分析了不同的组合巴克码做多脉冲位置调制超帧同步码的方法,计算了不同长度帧的同步码长度。仿真结果表明,这种方法能实现二进制数据的正确解调。该研究结果对提高激光通信同步性能具有一定的理论参考价值。

为了研究激光辐照3CCD,除观察到主光斑、衍射光芒外,主光斑附近呈现规则分布的亮点。采用傅里叶光学的成像原理,通过数值计算的方法,得到了激光对3CCD的干扰效果模拟图,数值模拟的研究结果与实验现象基本一致。结果表明,主光斑附近规则分布的亮点并不是由杂散光引起的,而是激光辐照六边形光阑,在透镜组焦平面所成的频谱分布。

为了研究激光多普勒效应,建立了一个简单的利用激光外差干涉技术测量多普勒效应的实验验证系统。由实验可知,对于0.2mm/s的均匀速度,理论上的拍频值为316.0556Hz,实验测量值为312.0434Hz;对于0.1mm/s的均匀速度,理论上拍频值为158.0278Hz,实验测量值为151.6055Hz。结果表明,该验证系统的有效性,可为光学实验教学中实现激光多普勒效应提供有益的帮助。

为了探索脉冲激光强化镀层的规律,采用误差反向传播神经网络对脉冲激光参量与镀层形貌(强化层深度、宽度及熔化状态)之间的关系进行建模,并选取带动量的自适应学习率算法对网络进行改进,以增加网络稳定性,提高训练速度与精度。结果表明,该网络模型对激光处理后镀层形貌的预测值与实际值接近,其相对误差在±8.33%以内,可以有效地对激光强化镀层形貌进行预测。该方法为探索脉冲激光强化镀层的规律提供了一条新的途径。

为了研究激光辐射驱动平面材料的准等熵压缩过程,基于激光间接驱动的1维平面应力装载过程和熵增的数学模型,用拉格朗日法计算了平面材料在1维压缩情况下不同位置的压缩比、应力和熵增随时间的变化过程,并用已有的实验数据进行计算,数值计算结果与文献报道的结果符合得很好。结果表明,粒子速度、材料比热容、Hugoniot参量和Grüneisen系数是表征1维准等熵压缩的基本参量;综合运用这些参量可以判断等熵压缩过程。

为了计算分布Er:YAG激光皮肤治疗中微尺寸调Q Er:YAG对皮肤组织光致热分解作用中的压力曲线,采用分布Er:YAG激光皮肤软组织光致热分解作用的数学模型进行数值计算,得到将激光功率密度控制在合适范围内,能使皮肤组织快速汽化而不碳化,且在该功率密度范围内受照皮肤组织内部形成很短持续时间强大压力的结果。结果表明,合适的功率密度的分布调Q Er:YAG激光皮肤治疗,能达到皮肤周围组织损伤小、手术疼痛感少的效果。该计算结果与国外的实验报道基本吻合。

为了研究了大气散射效应对光信号的影响,以雨粒子为例,从其物理特性出发,应用Mie散射理论和Joss雨滴谱分布,计算了雨粒子对光波传输的衰减,在此基础上分析了光散射效应对自由空间光通信-正交频分复用系统性能的影响。结果表明,在散射信道中,自由空间光通信-正交频分复用系统的性能主要取决于散射造成的光强度起伏方差,其次为散射造成的光强度衰减系数。

为了研究超短啁啾脉冲复宗量拉盖尔-高斯光束合理的物理模型和光束参量对物理模型的影响,采用复振幅包络表示式和复解析信号表示式推导了这类脉冲光束的复振幅包络解和复解析信号解。对复振幅包络解奇异性的产生进行了详细分析,讨论了脉冲啁啾、脉冲宽度和模式对复振幅包络解奇异性的影响。计算结果表明,当脉冲光束存在啁啾时,啁啾量越大,复振幅包络解的奇异点位置离光束中心越近,而复解析信号解在任意大小啁啾的情况下都不存在奇异性;对于啁啾量相同的脉冲,脉冲宽度越小或模指数越大其奇异性位置离光束中心越近。因而要建立激光光束合理的物理模型必须根据光束参量采用合适的研究方法。

为了研究奶粉、三聚氰胺、奶粉-三聚氰胺混合水溶液的稳态荧光光谱和同步荧光光谱特征,采用280nm的激励光照射奶粉-水溶液时,能发射峰值位于330nm的荧光。利用恒波长同步荧光分析技术研究了该混合溶液的光谱特性,分别改变不同的波长差Δλ,当Δλ=60nm时,同步荧光强度达到最大;混合溶液中奶粉的浓度改变时,其同步荧光强度和浓度间满足线性关系。同时得到了奶粉和三聚氰胺混合溶液的同步荧光光谱,当Δλ=38nm时,奶粉同步荧光峰位位于283nm,三聚氰胺位于319nm,奶粉-三聚氰胺混合溶液中两个峰位均存在。结果表明,利用同步荧光分析技术可以较好地检验出奶粉中是否含有三聚氰胺。该研究能为三聚氰胺及其衍生物的物质特性研究提供参考,并为三聚氰胺的含量检测提供帮助。

为了提高激光时间波形测量系统的抗干扰能力,建立了激光脉冲在光纤中的传输物理模型,分析了纳秒脉冲在光纤中的线性传输特性,对影响脉冲传输特性的因素进行了系统评价。采用空气与光纤传输进行比对的方法,实验测试了激光脉冲经过不同长度的单模和多模光纤传输后的脉冲波形,得到脉冲展宽在允许的测量误差范围内所需的阈值条件。结果表明,该研究对神光-Ⅲ主机激光脉冲时间波形测量的设计具有重要的意义。

为了获得在有外加电场的双光子光伏光折变介质中存在着稳态非相干耦合屏蔽光伏空间孤子对的结果,对外加电场的双光子光伏光折变介质中,两束偏振方向和波长都相同的互不相干光束的耦合进行了理论研究。结果表明,这种孤子对是由偏振态和波长都相同的两束互不相干光耦合而成的,它可以看成是双光子非相干屏蔽孤子对和双光子非相干光伏孤子对的统一形式,当外加电场很强可忽略光伏效应时,它类似于已报道的双光子屏蔽孤子对,而当外加电场为0时,它相当于闭路条件下的双光子光伏孤子对。这就预言了非相干耦合暗-暗和亮-亮双光子屏蔽光伏空间孤子对的存在。

为了增加自混合干涉测量的测量距离、改善干涉信号质量,采用在传统的自混合结构的基础上,在外腔中加入补偿镜的方法,在实验和理论上进行了观察和分析。由实验可知,有补偿腔后,测量距离从原来3镜腔的20cm增加到60cm;含有补偿腔结构的干涉信号强而稳定,明显好于3镜腔结构,而且干涉信号随补偿镜位置和反射率的不同,效果不同。根据腔镜结构,从波的传播理论出发,给出含补偿腔的理论模型,用MATLAB编程对模型进行的数值模拟结果与实验结果吻合得很好。结果表明,通过在自混合干涉系统中加入补偿镜,克服了原来自混合干涉系统的诸多缺点,为自混合干涉测量的实用化提供了有益的参考。

为了对低频液体表面波的频率和振幅进行测量,利用多普勒相干测速的工作原理,提出了一种液体表面散射激光与参考光相干涉的检测方法。对此进行了理论分析,得到了多普勒频移与液体表面波振幅之间的解析关系式,并利用贝塞尔函数分析了频谱分析图中解调出低频液体表面波频率的可行性,设计并实现了一套液体表面波多普勒相干检测的实验装置。结果表明,能够实时准确探测10Hz～40Hz的液体表面波参量,该方法为低频液体表面波的探测提供了新思路。

为了获得对称且平行分束的偏振光,对双Wollaston棱镜进行了修正,在获得大分束角的对称偏振光后,配合普通玻璃三棱镜,使对称分束光变成平行分束光,通过改变三棱镜与双Wollaston棱镜间的距离来改变平行光的剪切距离。通过测量其透射比得到新设计的分束器的透射在85%左右,测量误差在0.91%左右。结果表明,该设计方案既节省了材料又节省了测量时间,能够满足较精密的测量需要。

为了研究超短脉冲在非线性渐增光纤中自相似演化的特性,采用理论分析与数值模拟的方法,对脉冲在非线性渐增光纤中的传输演变进行了数值仿真。结果表明,脉冲在非线性渐增光纤中的传输与在具有放大增益的光纤或色散渐增光纤中一致,均能实现脉冲的自相似演化,最终演化为具有良好线性啁啾特性抛物形脉冲,仿真结果验证了脉冲在非线性渐增光纤中的传输方程具有渐进解。由于输出抛物脉冲具有良好的线性啁啾,此研究结果对实现高质量的脉冲压缩是有帮助的。

为了标定激光雷达常数,在大气水平分布均匀的天气下,利用激光雷达喇曼散射回波不受大气气溶胶后向散射影响的特点,对其水平方向距离订正回波进行线性拟合,结合N2分子喇曼后向散射截面和分子数密度就可以得到激光雷达常数;同时对这种方法进行了数值模拟,相对误差为4.688%,理论推导和数值模拟均证明该方法是可行的。结果表明,激光雷达常数的获取为激光系统的评估以及激光雷达方程的参量反演将带来便利。

为了实现多波长激光输出,提出了一种改进的多波长主动锁模光纤环形激光器,采用集成级联采样光纤光栅进入激光腔形成稳定的多种波长激光的方法,进行了理论分析和实验验证。结果表明,双环形腔结构对于所有波长激光,其腔长度是一致的,从而可以用相同的锁模信号实现所有波长的同步锁模。实验中光纤环形激光器成功实现了以1.6nm为间隔的波长多达14个;它的输出功率大于0dBm,边模抑制比约30dB,最高模式锁模频率为1.05GHz,输出脉冲序列的脉宽是216ps。这一结果对光纤传输系统设计是有帮助的。

为了研究改善摩托车发动机活塞环和缸套的摩擦性能、提高燃油经济性,采用激光表面微造型的方法,在缸套内表面加工出规则微观几何形貌。建立了均匀分布、球冠形状微造型的润滑理论模型,包括雷诺方程、油膜厚度方程、动力学方程等。使用多重网格数值方法进行编程求解,得出了活塞环与缸套间的流体动压和油膜厚度分布。仿真结果表明,在假设为平面的两个配合表面之间,表面微造型也能有效地产生流体动压效应,提高润滑性能。

为了研究含有负折射率材料的光子晶体掺杂缺陷模的光学传输特性,利用传输矩阵理论进行数值分析。采用插入和替代两种方式对排列整齐的光子晶体进行掺杂,产生了缺陷模式。结果表明,引入正折射率缺陷只能在布喇格带隙中产生缺陷模,引入负折射缺陷能够同时在全方位光子带隙和布喇格带隙中产生缺陷模。同时研究了掺杂方式、入射方向、缺陷厚度、缺陷位置、缺陷类型对缺陷模式的影响,并对含有两层缺陷的光子晶体进行研究,得到两缺陷层的距离与带隙产生的关系,即距离越近越容易产生缺陷模式,且缺陷模的深度越深。这对于制造新型的全方位滤波器是有指导作用的。

为了解决高功率轴快流CO2激光器设计中的主要问题——清除激活区热量,采用对流冷却的方法,分析了高功率轴快流CO2激光器的内部循环热交换过程,建立了热量的平衡方程;同时针对高功率激光器热负荷量大、总体结构受限、风机特定的工作特点,分析比较各类换热器的换热特性并最终选择结构紧凑、换热系数高、流阻小的矩形翅片圆管束换热器作为激光器的散热部件,最后针对研制中的7kW轴快流CO2激光器进行了换热器的设计和换热计算,得到可以实现37.4kW的换热量的结果。结果表明,选用的换热器能满足所设计的轴快流CO2激光器的换热要求。

因各向同性介质组成的正方晶格方形介质柱不能产生绝对带隙,而三角晶格正方介质柱可以产生很小的带隙,为了得到更大带隙,引入各向异性介质来代替各向同性介质,由于各向异性介质在不同方向上的介电常数不同,可以产生较大的绝对带隙,利用平面波展开法分别计算了正方晶格各向异性介质柱产生的绝对带隙宽度为0.03095ωe(ωe为中心频率),三角晶格各向异性正方介质柱产生的完全禁带宽度为0.03831ωe,是各向同性介质所产生带宽的3.6倍。这一结果对光子晶体带隙的研究是很有帮助的。

为了解决迭代法在反演透明衬底透明膜找偏参量时的出错问题,采用理论与实验相结合的方法,对透明衬底透明膜椭偏数据处理进行了理论分析和实验验证,找到了当薄膜折射率接近衬底折射率时,椭偏数据反演就会出错的原因。据此提出了分段遍寻迭代搜索法,以LABVIEW为开发工具,成功设计和编写了相应的数据处理程序,最后对一些样品进行了实际测量反演并与文献结果作了比较。结果表明,该程序能正确反演透明衬底单层透明膜的参量,并具有反演速度快、精确度可达0.03nm、稳定性好等特点。

为了优化设计光纤喇曼激光器的各项参量,采用喇曼激光器的基本理论模型模拟,提出了非线性最小二乘法和龙格-库塔法相结合的新算法,解决了模型中存在的两点边值问题,得到了级联喇曼光纤激光器的输出特性以及最佳光纤长度、激光阈值和斜率效率。结果表明,新算法非常有效,数值模拟的结果和相关实验相吻合。

为了研究甲基对硫磷溶液的荧光光谱及其特性,采用多功能光谱测量系统,对甲基对硫磷标准溶液在紫外光激励下的荧光光谱特性进行了实验研究。利用GAUSSIAN软件与量子力学理论进行了理论分析,获得了其荧光光谱的产生机理以及甲基对硫磷分子的相应跃迁能级差,估算了其中直线型结构的荧光团的电子跃迁能级差,估算值与理论值误差不大。结果表明,在波长为200nm~320nm的紫外光激励下,甲基对硫磷标准溶液产生4个荧光峰,分别位于435nm,467nm,567nm,650nm,最佳激励波长为200nm和295nm。4处荧光峰分别是溶剂丙酮分子中CO上的n电子跃迁、硝基上的n电子跃迁、甲基对硫磷分子中氧原子与苯环形成的大共轭π电子结构跃迁以及PS上的n电子跃迁共同作用产生。以上结果对食品安全监管等领域检测有机磷农药含量是有帮助的。

为了对平顶高斯光束通过光阑-透镜分离光学系统轴上光强分布和焦移进行详细研究,采用Collins公式,通过数值计算,对各个参量对光强分布和焦移的影响进行了分析,得到了精确直观的解析式。结果表明,其光强分布和焦移不仅由平顶高斯光束的阶数N、光束的菲涅耳数Fw决定,还与光阑菲涅耳数Fa、光阑与透镜距离s有关。

为了研究舰船激光通信系统中采用多光束发射与接收技术时,大气湍流对系统误比特率造成的影响,采用了对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解的方法,忽略系统中其它噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误比特率,得到了在不同发射天线数目和相关系数条件下,传输距离、大气信道间距、对数振幅方差和系统误比特率的关系。结果表明,在弱起伏条件下,随着发射天线数目的增多或相关系数的减小,系统误比特率减少很快;湍流强度增大,系统误比特率增加;传输激光波长增大,系统误比特率降低;当发射天线数目一定时,随着大气信道间距变大,系统误比特率降低。

激光技术;全固态;紫外激光器;高峰值功率

为了获得方形自聚焦透镜的折射率分布,提出了一种求解其折射率分布的半经验方法。该方法利用圆形边界条件下获得的扩散方程的解去近似方形边界条件下扩散方程的解,该近似解中的4个待定系数用雅明干涉法测得的方形自聚焦透镜4个位置点上的折射率来确定。该方法避免了在方形边界条件下求解扩散方程的复杂过程,得到的半经验公式形式简单、计算方便,利用半经验公式计算得到的折射率与实验结果吻合得较好,二者之间的最大相对误差为0.94%,平均相对误差不超过0.3%。该公式为以后研究方形自聚焦透镜阵列成像问题提供了可供参考的理论依据。

为了更完善地研究强的短脉冲激光在次临界密度冷等离子体中传播时的自聚焦现象,采用了包括洛伦兹项和牵连项的更为完整的有质动力形式。通过理论推导可知,牵连项的加入对自聚焦有一定的影响,使得产生自聚焦的非线性效应更强。同时也考虑到在激光达到一定强度的时候,需要计入相对论效应。结果表明,相对论效应的计入虽然增强了体系的非线性度,但与长脉冲激光中的相对论自聚焦效应不一样的是,它减弱了非线性效应对自聚焦的影响。

为了研究洛伦兹脉冲各参量在光纤中传输的演化特性,从麦克斯韦方程出发,建立光纤非线性传输方程,采用变分法进行了理论分析和数值模拟,得到了洛伦兹脉冲参量随传输距离的演化方程组以及振幅与脉宽、脉宽与啁啾之间的两个重要约束关系;并进一步得出了脉宽随传输距离演化的解析解;描绘了脉宽随传输距离演化的图形。结果表明,脉宽和振幅间满足绝热关系,初始啁啾会对洛伦兹脉冲的保形传输产生影响。

为了研究两种偏振光通过1维光子晶体的偏振特性,采用传输矩阵法做了相关计算,得到介质折射率、折射率调制的变化,在光正入射和倾斜入射时对不同偏振光的禁带都有影响的结果。结果表明,当光线正入射的时候,折射率和折射率调制的变化都不会影响禁带位置,折射率增大,禁带宽度减小;折射率调制增大,禁带宽度变大,正入射时p偏振、s偏振的禁带完全重合;当光线以一定的角度照射到介质表面上时,两种偏振态下禁带位置随折射率调制的增大移向低频,带的中心位置一样,禁带宽度变大。两种偏振态下禁带带宽随折射率的增大变窄,禁带中心移向低频,s偏振的带宽减小得更明显;介质厚度对不同偏振态下禁带没有任何影响。这为设计1维全息光子晶体偏振片提供了理论依据。

为了研究相位延迟器的Jones矩阵,采用理论推导和分析的方法,得到了统一的Jones矩阵表达式,并对一些文献中的Jones矩阵做了修正及说明。对λ/n波片,采用理论分析和实验验证的方法,分析验证了相位延迟量对延迟器Jones矩阵的影响。结果表明,对λ/n波片,波片厚度与材料光性对偏振光产生的物理影响等效;但对Jones矩阵的影响则不同,取快轴与x轴成θ角时,波片厚度对Jones矩阵有影响,材料光性对Jones矩阵无影响。

为了提高高功率轴快流CO2激光器的稳定性和智能化程度,以满足激光加工的需要,采用可编程逻辑控制器和尾镜取样功率稳定技术,研制出了以西门子可编程逻辑控制器为核心的高功率轴快流CO2激光器控制系统,并在4kW轴快流CO2激光器上进行了实验验证,取得了气压稳定度、功率稳定度、放电波形以及激光模式等实验数据,气压波动小于±50Pa,功率稳定度达到±0.1%,并可实现连续、脉冲、超脉冲放电。结果表明,该套控制系统可以满足高功率轴快流CO2激光器的控制需求,提高了高功率轴快流CO2激光器的稳定性和智能化程度。