为了实现对T型接头的双光束激光焊接, 采用基于多轴联动数控机床的双光束激光焊接平台和基于视觉传感器的焊缝跟踪控制相结合的方法, 进行了理论分析和实验研究。通过建立平台的运动学模型实现了焊缝的轨迹规划, 设计了基于比例、积分、微分控制的位置环和高速焊接过程中的跟踪算法来提高控制系统的控制精度等, 并且通过焊接试验, 验证了所提出的算法。结果表明, 该焊接跟踪控制系统能够快速、准确地对焊接过程中的偏差进行动态补偿,很好地完成了对T型接头的双光束焊接。

为了实现高精度、低成本的液体折射率测量, 采用飞秒激光水辅助微加工技术, 制备出一种基于微孔结构的单模光纤液体折射率传感器。研究了传感器的传输损耗与孔内液体折射率及微孔长度的关系, 利用射线理论分析了传感的机理, 讨论了温度对传感器性能的影响。结果表明, 该传感器在折射率1.333~1.413区间具有良好的线性响应, 灵敏度达到157.48dB/RIU, 且不易受温度串扰。该传感器具有结构紧凑、制备简单、高灵敏度、温度不敏感和低成本等优点, 在生物化学测量领域中有着广泛的应用前景。

为了更好地理解腔衰荡技术的物理本质和测量过程从而更好地分析腔衰荡信号, 利用自洽方程组、结合光学无源腔的品质因子Q值定义对腔衰荡技术的基本原理进行了推导, 并结合该方程组有关系数的物理意义, 引入传递函数的概念分析了不同情况下的腔衰荡信号的基本特征。结果表明, 这种分析方式可靠, 可为腔衰荡技术在超低损耗薄膜性能标定及腔内介质的吸收光谱测量等领域的应用提供理论指导。

为了研究食用油加热后荧光光谱特性的变化, 采用美国Roper Scientific公司的SP-2558多功能光谱测量系统, 对花生油等7种常见食用油在不同加热时间和加热次数情况下的荧光光谱进行了实验检测和机理分析, 取得了加热后食用油的荧光光谱的特征数据。结果表明, 随着加热时间或次数的增加, 食用油的荧光光谱出现荧光峰个数减少、峰值波长红移、荧光强度增加等变化; 食用油经长时间加热后的变化比反复加热更大; 大豆油加热后的荧光光谱参量变化最小。该研究结果可为食用油的品质检测和安全使用提供参考。

为了在激光退火工作面上获得高均匀度光斑, 研究了双复眼透镜阵列光束匀化法中两透镜阵列间相对位置变化对匀化性能的影响。利用光线追迹方法, 模拟了双复眼透镜阵列间6个自由度的相对位置误差与光束匀化效果的依赖关系, 发现第二复眼透镜阵列的滚转角偏差是影响光束匀化质量的最敏感因素。为实现较好的匀化效果, 需要对复眼透镜阵列位置进行精确控制。结果表明, 使用专用镜架对透镜位置进行精确控制后, 光束均匀度达到0.039。该系统成功应用于激光退火装置, 实现了超浅结激光退火。

为了研究正交余弦光栅的衍射场, 采用波前相因子判断法并考虑到光栅孔径的影响, 对正交余弦光栅的衍射进行了理论分析, 得到了正交余弦光栅衍射场所含基元成分, 导出了像面波前函数、像面振幅分布函数和光强分布函数, 并得出主焦斑的半角宽度。结果表明, 该研究可为光栅用于光学信息处理技术提供理论依据。

为了监测出核爆炸, 采用一种改进的Horn-Schunck算法, 进行了理论分析和实验验证。计算出连续帧核爆图片的光流场, 绘制出光流场图。例如, 取第1159帧和第1160帧图像, 得到了水平光流均值为0.018181pixel/s, 均方差为0.375775pixel/s; 垂直光流均值为-0.503308pixel/s, 均方差为0.896142pixel/s。结果表明, 根据图形及速度分布能够判断出核爆炸。

为了改善钛合金表面生物活性, 采用500W脉冲Nd∶YAG激光作为热源, 平均粒度约为20μm的Ti粉和CaCO3粉为预涂材料, 利用激光熔覆原位自生的方法, 在Ti-6Al-4V表面制备CaTiO3陶瓷涂层。通过热力学分析, 并结合X射线衍射分析方法, 研究了原位自生CaTiO3的反应机理以及主要工艺参量(扫描速率、电流强度)对原位自生CaTiO3陶瓷涂层的影响。热力学计算表明, 在激光熔池内, 可原位生成以CaTiO3为主的陶瓷涂层。结合X射线衍射及激光共聚焦观察结果可知, 在脉冲频率为30Hz、脉宽为1.0ms、离焦量为15mm的条件下, 合适的扫描速率约为3mm/s, 电流强度为240A。最佳条件下制备的涂层主要成分为CaTiO3以及部分钛的氧化物。结果表明, 熔覆层内为枝晶和胞晶组织, 分布比较均匀, 原位生成的陶瓷涂层与基底形成了良好的冶金结合。

为了研究双曲正弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性, 利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法推导了光束强度分布解析表达式, 据此结合空间二阶矩定义得到了束腰宽度和位置的解析表达式, 并对光束强度分布、光斑尺寸、束腰宽度及其位置进行了数值计算和分析。结果表明, 轴向光强分布呈周期性变化, 横向光场分布受梯度折射系数和光束参量影响, 通过对这些参量的适当调整, 可以改变光斑尺寸和束腰位置。

为了研究正弦三角激光脉冲和低密度的等离子体相互作用时加速正电子的运动, 采用数值模拟方法进行了数值计算, 得到了被加速正电子的动能。结果表明, 由于正弦三角激光脉冲激发产生的Raman散射原因, 使得被尾场捕获的正电子数增多及相应的初速度增大; 非对称正弦三角脉冲的前沿比对称正弦三角脉冲更陡, 具有更强的有质动力势, 能够产生更强的尾场, 因此非对称正弦三角激光脉冲比对称激光脉冲驱动尾场中正电子的能量高。该研究结果说明,非对称正弦三角激光脉冲能够有效地提高正电子的加速效果。

为了理解超强激光与等离子体相互作用中产生的自生磁场形成机制和电子热传导特性,采用相对论电磁粒子模拟程序, 估算了不同激光功率密度下, 在等离子体表面所形成的电磁不稳定性产生的自生磁场大小和空间分布, 得到了超热电子和经典Spitzer-Harm理论描述的电子热流随激光功率密度的演化情形。结果表明,非Maxwell速度分布的等离子体,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性, 而不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量, 同时对在激光有质动力推开电子时形成的超热电子能量输运产生抑制作用。这一研究结果对更好理解惯性约束核聚变“快点火”过程中自生磁场的产生、电子热传导等方面有帮助的。

为了满足光电探测系统的高速应用, 采用了一种新型超宽带光电检测模块的设计方法, 即在传统的光电转换基础上联合现代微波集成电路技术, 通过同时采集PIN光电二极管阴极和阳极光电流, 用两组不同带宽范围的放大器放大, 最后用连续通带的双工器将信号合并, 得到一种超宽带(直流~4GHz)、高响应度(4900V/W)的光电探测模块。结果表明, 该方法不但获得了超宽带宽的光电探测模块, 还解决了常见高速光电检测模块无法检测直流甚至一些低频光信号的问题。

为了实现光纤布喇格光栅反射谱的低成本测量, 采用白光干涉技术搭建了一套结构简单的反射谱测量装置, 利用该装置进行了实验, 对所采集的干涉信号进行了数据处理, 获得了光纤布喇格光栅的反射谱, 光谱分辨率达到3pm, 并对所测反射谱的光谱分辨率进行了理论分析。结果表明, 利用该装置测得的反射谱具有良好的光谱分辨率, 通过增加测量量程可以进一步提高光谱分辨率。

为了满足微米量级氧化铟锡线路检测的需求, 提出了一种高分辨率的用于检测氧化铟锡线路缺陷的检测系统, 其检测精度可达2μm。采用高分辨率线阵CCD相机以及中长焦镜头以获得较高的图像放大率与图像精度; 通过分离相机与镜头及镜头倒置以获得较大的动态范围和较好的调制转换函数优化值; 采用直线电机提高系统的运动精度与稳定度; 同时采用大理石底座以减小周围环境的振动等对系统精度的影响。通过具体分析系统精度与速度要求, 再考虑现场环境, 对不同结构系统的优劣势进行了研究与论证。结果表明, 该系统具有精度高、稳定性高、操作灵活等显著特点。

为了找出多束表面等离子体激元干涉的分布情况, 采用严格的解析推导方式, 建立了多束表面等离子体激元干涉场的理论模型, 在此基础上数值模拟了多束表面等离子体激元干涉产生的2维及3维点阵结构的特性。结果表明, 干涉场分辨率可达到1/6波长, 并与普通激光多光束干涉场在光场的形状上一致。该研究有助于多束表面离子体激元光刻的进一步研究和阵列型纳米级光学器件的制造。

为了实现铁路机车限界的高效率、高精度测量, 建立了一套基于激光扫描的限界检测仪。该检测仪通过固定在支撑框架四周的测距传感器来完成机车截面各部分扫描测量, 重点研究了现场高精度标定方法, 通过自行设计的标定卡规, 借助激光跟踪仪完成系统参量标定。由测距传感器测得结果, 结合系统参量标定数据, 解算出所有被测点在铁轨坐标系下的3维坐标, 进而求得截面轮廓到标准限界的距离, 完成限界测量。结果表明, 该系统测量效率高、测量精度达到±0.5mm, 满足限界测量需要。

为了提高光纤光栅波长解调系统的反射谱寻优精度, 利用遗传算法的未成熟收敛性进行了研究。阐明了遗传算法提高解调精度的原理, 以可调谐F-P腔的光纤光栅解调系统为基础, 验证了算法的可行性和可靠性。使用MATLAB对F-P腔滤波光纤光栅解调系统的反射光谱进行寻峰, 得到传感光纤光栅的中心波长。分析了算法中初始种群数量、遗传代数、变异率对的寻优结果影响, 并得到一组最佳遗传算法参量。算法精度达到3pm数量级, 50次重复计算数据标准差小于0.5pm。结果表明, 该算法稳定高效、实用性强, 可以显著减小噪声对光纤光栅传感系统的影响, 提高解调精度。

为了提高计算全息的运算效率, 提出了一种新的计算全息快速获得不同形式再现像的算法, 此算法只需对实验物体的傅里叶频谱进行一系列坐标变换, 便能够实现对再现像的上下翻转、旋转、切变等操作, 从而大大简少了计算量, 并进行了实验验证。结果表明, 这种新的算法是切实可行的。

为了得到所需的相位信息, 必须克服噪声、条纹断裂及欠采样等各类不利因素的影响, 针对该问题, 在处理严重欠采样问题时采用了径向剪切的原理, 由包裹相位构建出初始的光场, 并对该光场进行多次数字缩放, 计算它们之间的相位差, 将一个困难的问题分解为多个较为简单的问题进行处理, 从而得到需要的解包裹相位。在理论分析的基础上给出了具体的相位解包裹算法, 模拟计算和实验都表明了该方法的可行性。结果表明, 该方法能较好地处理严重欠采样问题, 相比传统的解包裹算法适用性更广。

为了优化全球移动通信系统中低信噪比环境下的同步算法, 采用高斯滤波最小移频键控调制信号的改进同步算法, 得到了信号同步成功率对比图。结果表明, 在接收端对高斯滤波最小移频键控调制信号先进行相位反旋转, 再对其进行符号化, 最后应用滑动相关同步过程的同步算法, 比传统基于训练序列的滑动相关同步算法成功率高, 不但可以大幅提高低信噪比情况下同步成功率, 而且简化了门限计算过程。这一结果对信噪比环境下的信号调制具有重要的意义。

短时傅里叶变换可将1维时域或频率信号扩展到时间-频率的2维平面。为了研究了光纤中的色散效应与脉冲的初始啁啾对信号传输的影响,采用短时傅里叶变换理论进行了分析。与传统傅里叶变换相比, 短时傅里叶变换可以更直观地描述光纤的色散效应与脉冲的初始啁啾如何影响信号的时域与频率的传输特性;此外, 从短时傅里叶变换的时频分析图还可以很清晰地观察到在脉冲传输过程中, 由色散效应与脉冲的初始啁啾所诱导的新的频率啁啾的演化规律。结果表明,短时傅里叶变换克服了传统的傅里叶变换法只能单独在频率或时域中比较信号的瞬态特性缺点,为分析光纤中脉冲信号的传输提供了一种新途径。

为了实时监测和控制激光除锈过程, 采取利用光电二极管检测等离子体的光强信号, 并用示波器将其转换为电压信号的方法, 得到了等离子体峰值电压信号随激光能量、激光冲击次数变化的曲线图。结果表明, 根据等离子体电压信号峰值大小变化趋势可以确定除锈阈值, 也可以判断激光除锈是否干净。

为了分析激光陀螺中纵向磁场导致的非互易效应, 采用轻微非共面环形谐振腔的Jones矩阵, 通过数值计算分析了顺逆时针本征模的椭圆度和方位角随磁场的变化关系, 以及存在微小非共面角的情况下, 频率分裂随磁场强度和腔失谐的变化。结果表明, 在纵向磁场作用下, 增益会影响顺逆时针本征模的椭圆度和方位角; 增益越大磁敏感性越大, 且腔失谐对磁敏感性也有一定的影响。这些发现对减小激光陀螺的磁敏感性有一定参考意义。

为了精确测量薄板类材料的厚度, 分析了双光路激光三角法测厚原理, 建立了一种单镜头激光三角法厚度测量系统。该系统以半导体激光器为光源, 配以单镜头成像系统、图像采集与数据处理系统。描述了系统的检测原理、检测方法和实验装置, 讨论了激光器光束轴心线与成像透镜光轴夹角与系统分辨率的关系, 并基于最小二乘法拟合得出了光斑距离与被测物厚度的函数关系式, 最后通过标定实验对系统精度进行了实验论证。结果表明, 该系统消除了双光路激光三角法上下测量系统难以同步的问题, 分辨率高, 精度控制在10μm, 良好地满足了工业测量的需求。

为了实现2μm激光输出, 采用周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体用于光参变振荡(OPO)产生2μm激光的方法, 从PPLN晶体的Sellmeier方程出发, 考虑三波相互作用需满足的动量守恒和能量守恒条件, 进行了理论分析和数值计算, 得到在120℃时, PPLN晶体的极化周期为31.35μm的理论值; 绘制出了输出波长与极化周期、输出波长与入射角的关系曲线; 并从相位同步因子sinc2(ΔKl/2)出发, 分别计算了允许角、允许周期、允许温度。结果表明, 此方法不仅克服了利用双折射特性和色散特性方法带来的走离效应, 而且还充分利用了晶体的最大有效非线性系数, 从而理论上提高了转换效率。该理论分析为PPLN-准相位匹配-OPO输出2μm激光的下一步实验奠定了基础。

激光在KDP晶体中制作3维微结构是抑制高功率激光驱动器中横向受激喇曼散射效应的一种有效方法。为了了解激光制作微结构的可行性以及激光参量对制作精度、效率和成品率的影响, 对聚焦激光在KDP晶体中的传输特性进行了数学模拟研究。激光焦点峰值功率密度、光斑畸变和位置偏移是影响制作精度和造成晶体碎裂的主要因素; e光焦点形貌会随着晶体光轴与入射激光的夹角增大而发生畸变, 其峰值功率密度随着夹角的增大而迅速减小。结果表明, 当夹角小于15°,e光焦点可使加工效率提升1倍以上; 当夹角大于30°, 低能量加工其影响可忽略, 高能量加工则极易造成晶体碎裂, 应对e光进行屏蔽。

为了解决全站仪、激光跟踪仪等设备进行空间坐标测量时设备昂贵、存在测量盲点等问题, 提出一种基于电子经纬仪和激光测距仪的空间坐标测量方式。用激光测距仪测得激光束所在直线上的几个点到激光测距仪的距离, 同时用经纬仪观察这些点, 得到各个点对应的水平角和天顶角; 数据处理时, 首先通过最小二乘法得到经纬仪原点和各个目标点所构成的多根射线所决定的公共平面, 然后将这些射线投影到这个公共平面内, 得到对应的投影射线; 通过这些共面的投影射线和已知的各个目标点之间的距离用最小二乘法得到这些目标点的坐标解, 然后拟合得到一条直线, 即激光测距仪的光束所在的空间直线解。工作时, 通过测距仪测得待测点到测距仪之间的距离, 由这根空间直线的表达式方程, 即可得到待测点在经纬仪坐标系中的坐标。结果表明,该测量方式可以在一定条件下实现全站仪、激光跟踪仪难以实现的多点动态非接触空间坐标测量。

为了实现激光偏振态的控制和提高两偏振态消光比, 用由各向异性材料加工而成的耦合棱镜并采用两次衰减全反射方法, 使具有相同入射角的TE和TM偏振态的共振激发条件不同, 即当TE偏振态满足共振激发条件能量耦合进波导时, TM偏振态却不满足共振激发条件而被反射来实现其在空间上的分离。同时将电光系数较大、光学性能和热稳定性好的聚合物材料作为波导层, 利用其电光效应来改变共振条件来实现输出光束偏振态的调谐。结果表明, 反射型结构插入损耗小于0.2dB, 器件的消光比高达27dB, 驱动电压为19V。该方案预计在光信息存储、光路由、光开光以及图像处理等光学系统里有着极其广泛的应用。

红外波段的全固态单频激光器在民用和军用领域都具有重要应用价值, 是全固态激光器的重要发展方向之一。概述了实现全固态单频激光器的主要技术手段和典型的工作原理, 总结了1.064μm,1.5μm~1.6μm和2μm波段红外全固态单频激光器的主要研究方向和国内外研究进展, 分析对比了各波段全固态单频激光器的主要实验方法的优缺点, 最后对未来全固态单频激光器的发展前景进行了分析和展望。

为了定量研究泡沫对激光传输的影响, 基于电波吸收、反射和散射特性对泡沫衰减遮蔽机理进行了分析。根据泡沫状态的不同, 将泡沫分为离散泡沫和粘连泡沫, 运用朗勃-比尔定律定量计算了离散泡沫的激光透过率及能量衰减值, 运用几何光学和电磁波传播理论定量计算了粘连泡沫的激光透过率及能量衰减值, 并利用MATLAB中仿真工具进行了数值仿真。结果表明, 泡沫对激光衰减作用明显, 且随着泡沫厚度的增加, 激光透过率逐渐减小, 与测得的实验值基本一致, 进一步验证了模型的合理性。

为了减小测量误差, 采用改进的Boltzmann方法和Lorentz函数拟合方法, 迭代计算得到黄铜等离子体的电子温度是6051K, 拟合Cu Ⅰ324.75nm得到等离子体的电子密度是3.3×1017cm-3。结果表明, 经过9次迭代, 电子温度的线性相关系数由0.73提高到0.98; 经过15次叠加, 电子密度的拟合相关度由0.90提高到0.96。这一结果对于精确求解等离子体的特征参量是有帮助的。

为了满足工业用振荡-放大双腔结构的准分子激光器放电激励技术的要求, 设计了高重频高精度的脉冲充电电源。该电源采用LC谐振倍压的方式, 同时为双腔准分子激光器的充电电容器进行充电, 倍压比为1.87。通过对电源工作时序的调节, 实现千赫兹高重频放电激励, 在电源输出电压约为1300V时, 充电电压精度为±0.18%。结果表明, 通过充电电压精度控制单元, 对充电电压反馈调节, 可以实现充电电压的高精度。