为了研究错边量变化对车用镀锌钢光纤激光对接焊焊接性能的影响, 采用正交试验, 获得无错边状态下的最优焊接参量, 在该最优参量下进行了不同错边量的焊接接头的表面、截面形貌分析, 以及显微硬度、接头力学性能和金相组织测试, 还研究了对接间隙对临界错边量的影响。结果表明, 当错边量小于或等于0.30mm(约板厚的17%)时, 焊缝表面成形良好; 焊缝区和热影响区显微硬度高于母材; 焊缝拉伸强度优于母材, 且拉伸试验均断裂在母材区; 错边量的变化对金相组织无明显影响; 对接间隙的变化对最大允许错边量值有很大影响。

为了精密控制激光光束的平行移动, 利用双面金属包覆波导结构在导波共振激发时对古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移的增强效应, 采用光学非线性晶体材料作为波导的导波层, 通过在波导中两层金属膜间加入控制电压, 改变波导参量, 实现反射光侧向位移的电调谐, 得到了720μm范围内的光束平移电控, 控制精度可达25nm。结果表明, 实验结果和理论模拟吻合较好。预计本工作对光学微加工领域应用具有积极而广泛的意义。

为了满足电磁导轨的使用要求, 采用激光熔覆技术在纯铜表面通过预置粉的方式制备了不同成分TiB2/Cu涂层, 用光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射分析了涂层的微观结构及相组成。涂层由Cu和TiB2两相组成, 当TiB2的质量分数分别为0.02, 0.05和0.1时, 涂层的显微硬度分别约为95HV0.1, 105HV0.1和152HV0.1, 电导率为22.9MS/m, 20.4MS/m和16.4MS/m。涂层与基体呈良好冶金结合, 无裂纹存在, TiB2颗粒存在团聚现象, 熔覆层组织为外延生长的柱状晶。结果表明, 随着TiB2的含量增大, 涂层显微硬度升高, 涂层的电导率下降。

为了准确测量双层透明膜, 有效地结合了模拟退火法和单纯形法的优点, 提出一种模拟退火-单纯形混合算法来处理双层透明膜的椭偏数据。在单波长测量时, 仅测量1组椭偏参量, 可以求解双层透明膜任意两个参量; 测量两组以上椭偏参量, 可以同时反演双层透明膜4个参量, 求解薄膜折射率和厚度精度分别达到0.0002和0.07nm。结果表明,模拟退火-单纯形混合算法反演双层透明膜参量是可行和可靠的, 且有较强的样品适应性。该算法适合于单波长椭偏仪对双层及多层膜的反演及实际测量。

为了研究多路激光体布喇格光栅光谱合成的合成特性, 采用建立多路反射式体布喇格光栅光谱合成系统物理模型的方法, 得到了具有不同谱宽的光束的衍射效率曲线, 以及体布喇格光栅材料的吸收系数和通道间的串扰对总的合成效率的影响曲线。结果表明, 在入射光束中心频率不变的情况下, 随着光束光谱宽度的增大, 衍射效率逐渐减小; 随着光束中心频率与光栅中心频率之间偏移量的增加, 衍射效率逐渐减小; 当光束谱宽与光栅光谱选择宽度大约相等, 并且通道之间的间距较小时, 通道之间由于发生串扰而损失的衍射效率需考虑, 随着合成路数的增加, 总的合成效率受体布喇格光栅材料吸收系数的影响越来越大, 而受串扰的影响则几乎保持不变。

为了研究喇曼激光雷达探测云与气溶胶相互作用相关光学参量的可行性, 研制了一台607nm喇曼激光雷达。采用适当提高喇曼激光雷达配置的方法, 提高了喇曼回波信号信噪比。通过实验取得了晴空少云天气下云和气溶胶的消光系数垂直廓线, 给出了喇曼激光雷达观测云与气溶胶相互作用的个例分析, 说明利用地基喇曼激光雷达, 可以为研究云与气溶胶之间相互作用的物理过程提供基础数据, 并指出正在研制的多波长喇曼-偏振激光雷达技术探测云与气溶胶相互作用的技术优势。结果表明, 喇曼激光雷达具备定量探测中低自由对流层内薄云层和气溶胶消光系数的能力。

为了实现激光雷达系统对硬目标的探测, 设计了相干探测系统, 引入平衡探测器优化本振的大小, 并对漫反射硬目标速度进行了探测。结果表明, 采用平衡探测器, 优化本振的大小, 可以有效地提高系统的信噪比, 对漫反射硬目标的速率探测平均误差为0.49m/s, 测量速率的方差为0.91m/s, 实现了系统对漫反射硬目标速度的相干探测。这一结果对于相干测风激光雷达的研制是有帮助的。

为了研究线性啁啾光纤布喇格光栅的特性, 并进一步把它用于光纤激光器上, 介绍了线性啁啾光纤布喇格光栅的耦合模理论, 采用4阶Runge-Kutta法和传输矩阵法结合控制变量法, 对线性啁啾光纤布喇格光栅反射率与啁啾系数、半峰全宽与光栅长度、反射率与直流纤芯折射率改变量之间的关系进行了数值模拟。结果表明, 线性啁啾光纤布喇格光纤可以展宽带宽。基于这个结论, 提出了利用线性啁啾光纤布喇格光栅作为光纤激光器腔镜, 使输出谱线展宽, 从而可作为宽带光源使用的方案。

为了计算二极管抽运Nd∶YAG晶体温度场及热形变场, 建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型。基于Nd∶YAG晶体导热系数及热形变系数与其温度的函数关系, 应用Newton切线法对热传导方程进行求解, 得到了变导热系数和变热形变系数矩形截面Nd∶YAG晶体端面抽运下的温度场和热形变场的一般表达式, 同时计算了Nd∶YAG晶体在不同抽运功率和抽运光斑半径下内部温度场和热形变场的分布变化。结果表明, 使用钕离子质量分数为0.01、尺寸为3mm×3mm×8mm的Nd∶YAG晶体, 在功率为60W、光斑半径为450μm的抽运光照射下, 变导热系数的Nd∶YAG晶体端面最大温升为55.7℃, 最大热形变量为2.85μm, 而按传统将Nd∶YAG晶体导热系数、热形变系数均视为定值时, 晶体端面最大温升为43.4℃, 端面最大热形变为2.84μm。

为了对四边形激光陀螺进行更为深入的研究, 了解其光束特性, 运用传输矩阵, 得到了四边形激光陀螺的稳定条件, 并对四边形激光陀螺内部的高斯光束特性进行了数值计算,得到腔内实际上存在两条高斯光束, 它们在两个球面镜处结合在一起。结果表明, 球面镜的曲率半径越大, 高斯光束的光斑半径越大, 光束就越平直, 越便于信号的读出。

为了实现物体表面粗糙度的测量, 基于激光散斑原理, 利用灰度共生矩阵方法计算了激光散斑图像的基本参量, 分析了激光散斑含有的物体表面粗糙度特征。在此基础上搭建了物体表面粗糙度激光散斑测量实验系统, 采集了不同表面粗糙度标准样板在不同入射角条件下的激光散斑图, 继而得到了研磨和平磨条件下散斑条纹对比度与光束入射角之间的关系。结果表明, 入射角约为60°时, 散斑特性及其对比度效果最好。

为了研究静置时间、液面下降速度对聚苯乙烯(C8H8)滤光膜厚度和均匀性的影响, 采用浸渍法制备了C8H8滤光膜, 通过改变静置时间、液面下降速度,制备了不同的样品。用Vecco Dektak6.0探针轮廓仪测量样品厚度, 利用插值法方法, 研究了C8H8滤光膜与静置时间、液面下降速度的关系。结果表明, 静置时间和液面下降速度对C8H8薄膜厚度和均匀性有很大影响;静置时间越短, 液面下降速度越小, 浸渍法制备的C8H8滤光膜的均匀性越好。

为了提高45#钢表面强度和耐磨性, 采用激光熔覆技术制备原位生长VC-WxC颗粒增强镍基涂层。使用金相显微镜、扫描电镜、电子能谱和X射线衍射仪对熔覆层显微组织和物相进行了分析, 并对熔覆层显微硬度及摩擦性能进行了测试。在适当工艺条件下, 熔覆层成形良好, 涂层与基体呈现良好的冶金结合; 熔覆层底部组织为定向生长的γ(NiFe)树枝晶, 熔覆层中上部组织为VC,W2C,WC和Cr3C2相, 均匀分布于γ(NiFe)树枝晶基体中; 熔覆层具有极高的硬度(平均HV0.31400), 耐磨性是纯Ni60涂层的6倍。结果表明, 其硬度和耐磨性的提高归因于涂层中大量的VC,W2C,WC和Cr3C2相的生成, 并均匀分布于涂层的基体中。

为了提高离轴数字全息图的再现像质量, 提出了一种消除离轴数字全息零级像和共轭像的方法。该方法通过对参考光进行一次π相移、记录两幅全息图, 对两幅全息图作差后进行傅里叶变换, 结合频谱滤波的方法用矩形窗函数从中滤出包含有物光波频率成分的频谱, 然后对其进行数字再现。结果表明, 在零级像和±1级像有重叠的情况下, 该方法能有效地消除零级像和共轭像的干扰, 有效提高再现像质量。

为了了解Wollaston棱镜正反向使用时分束角及分束角的对称性, 采用数学运算和实验测试相结合的方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了较为理想的数据。由分析可知, Wollaston棱镜正、反向分束角及分束角对称性不同是因为反向入射时第1块棱镜中的o光在第2块棱镜中成为e光波时, 其光矢量振动方向和晶体光轴不平行, 对应的不再是主折射率所致。结果表明, Wollaston棱镜正向使用时的分束角略大于反向入射时的分束角, 且Wollaston棱镜结构角越大, 入射波长越短, 则正、反向分束角的差值越大。

大功率千赫兹激光器作为雷达系统的核心部分之一, 在大气科学的研究中显得极为重要。实现大功率千赫兹激光器的可行方式之一是采用主振荡功率放大器。为了获得窄脉宽、高光束质量的千赫兹主振荡器, 采用二极管端面抽运的千赫兹电光调Q Nd∶YAG激光器的方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了重复频率1kHz、脉冲宽度5ns、单脉冲能量2.7mJ的1064nm激光输出, 光光转换效率40%、光束质量M2=1.2。结果表明, 该研究为1kHz, 500W, 10ns绿光主振荡功率放大器提供了合格的种子源。

为了有效抑制周围环境背景光对光谱型非成像类脉冲激光告警器的干扰, 在采取滤光、滤波、比较器阈值限制等方式进行背景光噪声消除后, 针对近距离、大能量的背景闪光干扰情况, 根据背景闪光与脉冲激光在时间长度上的相异性, 采用高速可编程逻辑器件对告警器的入射光时间进行了计时并判断, 对背景闪光干扰进行了消除。经过实际测试, 应用该方法后, 告警装置12h内由太阳光引起的虚警次数为0, 采用多种方式模拟近距离、大能量背景闪光干扰, 告警装置均无虚警情况出现。结果表明, 该方案可为由背景光引起的激光告警装置虚警问题的解决提供较好的实例和实验方案, 其时长判断方法仅通过一片复杂可编程逻辑器件即可实现, 硬件电路集成度高、程序编写简单, 具有较好的应用价值。

为了测试相控阵激光雷达的关键器件液晶光栅相控阵的偏转光束波前, 以监控和评价雷达扫描光束的质量, 采用带有光束变向功能的径向剪切干涉测量方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了口径为10mm×10mm的偏转波前测试系统与商用WYKO干涉仪的比对测试数据。两种仪器对同一块平面样板测出的波前之差的峰谷值小于λ/20, 均方根值小于λ/200, 还取得了实测液晶光栅相控阵不同偏转光束的波前数据。结果表明, 该方法可以对液晶光栅相控阵的偏转波前进行高精度测试。

为了提高小波变换在激光干涉测速中的计算速度, 分析了小波变换的计算过程, 提出了两种快速算法, 通过分析对比, 选择了一种适合于全光纤位移干涉信号的算法, 在相同条件下, 对同一信号分别采用常规小波变换和使用快速傅里叶变换的快速方法进行处理。结果表明, 采用快速算法的小波变换对信号的处理能力并没有下降, 且提高了小波变换的运算效率。这种快速算法用于瞬态位移干涉仪信号处理是行之有效的, 可以提高数据处理的速度, 有利于小波变换在工程中的应用。

为了研究等离子体中Compton散射对靶背法向方向加速质子的影响, 采用多光子非线性Compton散射模型和等离子体模拟方法, 对Compton散射下等离子体中的质子加速进行了理论分析和数值模拟, 提出了将入射光和Compton散射光作为在等离子体靶表面处形成的静电场加速质子的新机制, 得到了质子加速的一些重要数据。结果表明,Compton散射使等离子体内产生的高能电子数增加, 高能电子靶表面上所产生的静电场增强, 从而使质子获得更高的加速能量; 散射使静电场增强效应, 有效地补偿了因激光调制不稳定性增强而造成电子在向等离子体输运过程中的能量损失, 从而使质子从平缓密度标长等离子体中获得的加速能量高于从陡峭密度标长等离子体中获得的加速能量。因此, 采用Compton散射下的平缓密度标长等离子体加速质子较为理想。

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响, 采用经典的几何模型进行了理论模拟分析, 并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知, 当入射失准角为3mrad时, 将从空间上使焦斑峰值功率密度减半, 失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度; 利用3TW钛宝石飞秒激光系统, 通过f/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦, 得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm, 对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明, 该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。

为了对薄膜厚度进行测量, 采用白光谱域光学相干层析成像的测量方法, 进行了理论分析和实验验证, 对以玻璃为基片的单层和多层薄膜样品进行了层析成像实验, 获得了样品的2维层析图像。结果表明, 该系统不仅能显示薄膜样品内部的微观结构, 而且能从2维层析图像中得到单层和多层薄膜的厚度(分别为68μm和30μm), 测量值与理论值相吻合, 从而验证了测量理论正确性。该系统具有较高分辨率, 可实现快速成像, 满足实际工业测量需要。

为了研究镀锌钢/冷轧钢异种板材间激光焊接性能, 采用光纤激光器及其配备的机器人对其进行了焊接试验, 并对接头进行了显微组织和力学性能分析。在试验的基础上, 分析了激光功率、焊接速度、离焦量等主要工艺参量对焊缝性能的影响。结果表明, 在一定范围内, 随着激光功率的增大和焊接速度的降低, 焊缝宽度和熔深增加; 焊缝及热影响区硬度均高于母材, 焊接接头的强度与母材冷轧钢板相当; 为保证焊接接头强度和性能的有效过渡, 克服因其物理性质差异所导致的焊缝与拼接中心间的偏离, 激光光斑中心宜向冷轧钢板一侧偏移。

为了解决可调谐激光二极管吸收光谱气体传感器在开放光路气体测量中, 激光吸收光谱信号受到大气湍流的影响, 使光谱信号幅度随大气湍流的波动而改变造成获取的气体吸收光谱信号形状发生畸变问题, 改善湍流对激光吸收光谱信号的影响, 提高信号检测灵敏度, 采用改变激光波长扫描频率的办法进行了理论分析和实验验证, 当激光波长扫描频率为2kHz时, 吸收光谱相邻周期间的信号均方误差小于0.1。结果表明, 该方法可以有效地改善激光吸收光谱信号受大气湍流的影响。

为了研究长周期光纤光栅纤芯、包层半径及折射率改变时光栅有效折射率和耦合系数的变化规律, 采用理论分析与数值模拟相结合的方法, 总结出长周期光纤光栅结构参量与透射谱谐振波漂移的关系。结果表明, 当光纤结构参量a1, a2,n1和n2增大时, 谐振波向短波方向漂移, 仅当周期Λ增大时, 谐振波才向长波方向漂移。这一结果对设计长周期光纤光栅是有帮助的。

为了研究铌酸锂光波导中传输光波模场重叠因子对波长转换效率的影响, 采用有限差分的方法进行了波导中传输光波模场及差频波长转换效率的研究, 得到了波导中1560nm基频光和780nm倍频光光场分布以及引入模场匹配因子进行修正后的差频波长转换效率。结果表明, 修正后的转换效率理论值与实验结果更加吻合, 并且能够得到直接键合铌酸锂波导的最佳尺寸。这为周期极化铌酸锂脊形光波导的设计提供了理论依据。

为了提高光纤光谱仪的测量精度, 采用标准汞氩灯谱线和最小二乘法的3阶线性拟合, 取得了完整的波长定标方案。结果表明, 算术平均误差小于0.167nm, 标准差小于0.217nm, 波长与像素的拟合相关程度较高;定标后波长不确定度优于0.11nm, 误差小于0.15nm, 波长重复性可达0.01nm。这一结果对提高光谱仪实际应用中的测量精度是非常有益的。

为了节省稀有昂贵的冰洲石晶体材料, 实现两束偏振光的平行输出, 采用冰洲石晶体与光学玻璃组合的方法, 给出了一种新型双反射平行分束偏光镜的设计。该棱镜前后半块分别为ZBaF3玻璃、冰洲石, 并用溴代萘胶合。由理论分析可知, 选择合适的结构角, 可以实现电矢量振动方向相互垂直的两束光分别在胶合面、后端面发生全反射, 并垂直上端面平行出射。结果表明,棱镜的透射比高于80%, o光消光比优于10-5, e光消光比优于10-3。该设计在节约晶体前提下, 保证了较高的消光比和透射比, 具有较好的应用前景。

为了实现风力发电场多点、远程风速检测, 便于测量和风场风速物联网的构建, 采用风杯来调制光纤布喇格光栅的方式, 设计了一种全光纤风速传感器, 通过光纤光栅波长的变化频率可以求出对应风速值, 并对传感器设计结构进行了说明, 介绍了传感器的制作封装工艺以及相关的设备和实验数据。结果表明, 传感器运行稳定可靠, 测量误差不超过0.16m/s, 适合于风电场的多点大容量风速监测, 对风力发电实际应用具有重大意义。

为了设计贴近部队轻**射击训练的模拟系统, 基于激光调制技术, 结合TSOP34838芯片作为光电接收器件设计了仿真靶。使用滤光薄膜解决普通激光器光斑过大的问题, 通过阵列式多路信号检测的方法简化了系统硬件设计, 实现了多路数据信号快速简单的采集, 通过设置振动传感器识别脱靶情况并增加了模拟训练的逼真度。结果表明, 该系统使用无线通信方式, 具有操作简单、稳定性高、细节处理得当、实用性较强等优点。

为了研究激光照射下单晶硅电池的转换效率, 在理想电池太阳光照射下极限转换效率研究方法的基础上, 提出激光照射下理想电池转换效率的计算方法, 并推导出解析表达式, 通过计算和实验测量研究了激光波长、激光强度、环境温度等因素对转换效率的影响。结果表明, 相对太阳光, 单晶硅电池对单色激光的光电转换效率明显提高, 最高转换效率可达27.7%。该结果对激光电力传输应用的研究具有一定的参考价值。

为了研究光束的光谱传输特性, 根据广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导了高斯光束光谱经自由空间和湍流大气传输的表达式, 并以中心频率为1.78×1015rad/s、谱宽为8.39×1013rad/s的高斯光束为例进行了数值分析。结果表明, 高斯光束传输过程中, z轴附近光谱存在少量蓝移, 离轴距离增大到约为0.5w(z)时, 光谱由蓝移变为红移, 湍流效应对离轴较远点的谱移现象有比较明显的抑制作用, 而增大源光谱的带宽, 则会使谱移现象更显著; 计算1.78×1015rad/s和1.75×1015rad/s两束单色光传输5000m时传输截面上的光强分布发现, 对于某个横向位置, 源光谱中心频率激光的强度会比某个其它频率激光的强度小, 产生传输截面上的谱移现象, 谱移现象随各参量的变化规律可由高斯光束的束腰变化规律和湍流效应对光束的展宽效应进行解释。

为了实现对激光器和工作台的一体化控制, 提供操作上的便利, 提出了一种基于运动控制卡的开放式激光喷丸强化数控系统的控制方案, PC机完成喷丸强化控制系统的核心处理部分, 运动控制卡和单片机完成控制的细节, 阐述了硬件结构原理以及软件模块的划分和实现。结果表明,该系统操作方便、开放, 便于扩展。

为了研究相干光场作用下含原子运动的强度依赖Jaynes-Cummings模型中的量子态保真度, 采用全量子理论和数值计算的方法, 推导出系统、光场及原子的量子态保真度的解析表达式, 以及在不同的初始条件下相应的数值模拟结果。结果表明, 在相干光场作用下, 原子初始时刻所处状态、运动速度以及场模结构对体系、光场及原子的量子态保真度存在一定影响, 当原子初始处于基态和激发态同权重叠加态时, 原子运动速度越快, 量子态保真度越高; 场模结构参量越大, 量子态保真度越高。这一研究结果对量子态的制备和量子关联特性方面的认识具有一定的实际意义。