为了实现金属材料内部缺陷的非接触式无损检测, 采用激光-电磁超声方法进行了理论分析和实验验证研究, 取得了钢坯试样中深度为40mm、尺寸为φ3mm×30mm孔洞人工伤的检测数据, 检测结果与实际孔洞位置之间的测量误差约为5%。结果表明, 激光-电磁超声技术适用于金属材料内部缺陷的非接触式无损检测。

为了实现窄线宽非平面环形Nd∶YAG激光器的大范围压电和温度调谐, 采用对粘接在激光晶体上的薄压电陶瓷片施加高压驱动信号, 并大范围控制激光晶体温度的方法, 获得压电调谐范围达到210MHz, 调谐带宽大于90kHz, 压电调谐系数大于1MHz/V; 当控制激光晶体温度在10℃到47℃范围内变化时, 输出激光在8GHz范围内可连续调谐, 总的调谐范围达到61GHz。结果表明, 高频压电调谐时拍频展宽形状发生改变的主要原因是压电驱动信号失真。结合压电调谐和温度调谐的各自优点, 激光频率调谐实验取得了良好效果。

为了研究频率-振幅调制(FM-AM)间相位差对TDLAS 2次谐波信号及线型的影响, 采用考虑残余振幅调制的波长调制光谱技术计算方法, 推导出了考虑FM-AM相位差的2次谐波信号的理论计算公式, 并模拟计算了FM-AM相位差对谐波信号线型造成的影响。结果表明, 2次谐波信号正峰值、左右负峰值、基线值均随FM-AM相位差发生变化, 而左右负峰的间距不受其影响, 保持不变。该计算结果对TDLAS气体检测有重要的意义。

为了改善红外图像质量、提高人造目标的可识别率, 基于偏振度图像能够较好地凸显人造目标, 偏振角较好地描述不同物体表面取向, I图像能反映场景的强度信息的特征, 采用对红外图像进行偏振图像融合的算法, 即先通过红外热像仪和偏振片拍摄到偏振角度为0°, 60°和120° 3幅红外图像, 再通过计算得到I, Q, U图像, 进而得到偏振度图像和偏振角图像, 最后对I图像、偏振度和偏振角图像进行红外偏振图像融合, 得到高质量的红外偏振图像, 由理论分析得到了各个图像的性能指标数据。结果表明, 基于小波变换的红外偏振图像融合算法得到的图像数据合理, 达到了改善红外图像质量和提高图像中的人造目标的可识别率的目的。

旋转倾斜光学平板是一种光学微扫描方法, 为了解决其对光学平板尺寸要求苛刻的问题, 采用一种大步长扫描法, 理论分析了该方法对频谱混叠和探测器调制传递函数的影响, 并结合实验仿真对超分辨重建图像的质量评价参量进行了实验验证。结果表明, 该方法不但降低了平行平板加工难度, 而且依然能抑制图像频谱混叠并保持探测器调制传递函数。

为了提高工作在太赫兹波段偏振分束器的性能, 采用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺衬底上制作了亚波长周期金属线栅太赫兹偏振分束器, 并以返波振荡器作为太赫兹辐射源搭建了偏振分束特性测试系统。当入射波频率为340GHz、入射角为45°时, 测得在入射波偏振在0°～180°变化过程中, 该偏振分束器具有良好的偏振分束特性, 透射和反射的消光比分别为27.3dB和10.5dB, 插入损耗分别为0.13dB和0.32dB; 用太赫兹时域光谱系统测得偏振分束器在0.2THz～1.5THz频域内透射消光比大于18dB。结果表明, 测试结果与时域有限元方法模拟结果基本吻合。

为了探索环形激光诱导冲击波的传播规律及其对层裂的影响, 采用ABAQUS软件对环形激光光束冲击成形的过程进行了理论分析和模拟仿真。通过定义节点路径的方法, 得到了环形激光光束诱导冲击波在板料中厚度方向的传播规律, 指出了在一定条件下厚度方向应力波拉应力最大值的出现时间和位置, 从应力波的角度探索了环形激光光束冲击成形下薄板层裂的规律。结果表明, 其层裂易发生位置位于激光冲击区域内, 而非像实心激光一样在板料中心。这一结果为激光冲击成形的研究提供了一条新的思路。

为了提高零件表面强度和耐磨性, 以TiO2, Al, B4C和KF-Co50合金粉末为原料, 利用激光熔覆技术, 采用预置粉末法, 在Q235钢基体表面原位合成了TiC-TiB2增强Co基复合涂层。使用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪对熔覆层的组织和物相进行了分析, 并对熔覆层的显微硬度及耐磨性能进行了测试。结果表明, 熔覆层与基材呈现良好的冶金结合, 组织致密, 无裂纹、气孔等缺陷; 熔覆层的主要组成相有γ-Co, TiC, TiB2, Cr23C6等; 熔覆层平均显微硬度达770HV0.2, 耐磨性能优异。这一结果对提高零件使用寿命具有积极意义。

为了研究测量湿蒸汽特性对汽轮机组正常运行的影响, 采用了一种利用激光后向散射原理及联合CCD成像原理来测量湿蒸汽的新方法, 得到湿蒸汽直径相关参量的测量结果。结果表明, 通过仿真得到了尺寸参量、接收角度等参量对后向散射光强的影响, 以及一些参量的最佳取值范围; 当接收角度为180°和接收距离为0.5m时, 能够得到较高的散射比例。这为实际测量提供了一定的参考依据。

为了满足光通信中对光纤端面镀多层膜的特殊需求, 分析了光纤端面镀制截止滤光膜所存在的难点问题, 利用TFCalc薄膜设计软件, 采用解析法设计了一个初始膜系, 再结合梯度优化法对初始膜系进行优化处理, 成功设计出具有较好光谱性能的光纤端面截止滤光膜的膜系, 并对德国莱宝APS1104型镀膜机进行了内部结构和镀制工艺的改进, 最终采用离子源辅助沉积进行低温镀制, 获得了性能优良的光纤端面截止滤光膜。结果表明, 在光纤端面镀制多层的截止滤光膜, 虽然存在很多困难, 但选择合适的膜系和镀制工艺, 依然能获得符合实际要求的滤光膜。

为了研究纳秒激光于硅晶片改性的可能性, 对飞秒及皮秒激光在SF6气体中与硅表面作用形成锥形微观结构及其作用过程进行了分析。通过在SF6气体氛围中采用6ns激光脉冲辐照硅片表面的方法, 以获得硅片表面峰状结构, 并对此种作用下微观结构形成过程及结果进行了分析。将激光处理后的硅片与未经激光处理的硅片同时放入到硅电池片生产线的适当工序中制成硅电池片, 通过对比测试两种硅电池的光电转换效率, 从硅表面状况等因素对实验结果进行了初步分析。结果表明, 激光处理后的硅片制成硅电池片的光电转换效率与未经激光处理的相比有一定程度的提高, 可达15%~25%。

为了准确研究LD端面抽运圆棒热容激光晶体Nd∶YAG时产生的热效应, 采用以半解析热分析理论为基础、结合弹性力学理论的研究方法, 得出了圆棒热容激光晶体抽运阶段和冷却阶段的温度场、热应力场和端面形变量半解析计算方法。结果表明, 当抽运总功率为200W, 4阶超高斯LD对Nd∶YAG抽运2s时, Nd∶YAG圆棒热容激光晶体的端面最大应力为52.9MPa, 低于晶体断裂阈值下线的50%; 此时激光晶体端面形变为3.05μm。所得结果为优化热容激光器提供了理论支持。

激光透明陶瓷具有良好的材料和光学特性, 并且具有较大的制备优势, 是有着较好前景的激光材料。与之相对应, 陶瓷激光器近年来引起了人们的广泛关注。主要综述了国内外YAG陶瓷激光器的进展。陶瓷激光器的发展虽然只有短短十几年的时间, 但是发展迅速; 随着制备工艺的进一步发展, 陶瓷激光器将可能有更好的发展前景。

为了在光纤通信中实现多模同步传输以提高通信容量, 构建了一个光注入多模半导体激光器开环混沌通信系统, 并利用MATLAB数值仿真了系统的同步性能。结果表明, 选取合适的系统参量, 多模半导体激光器混沌通信系统能够实现完全同步; 发射激光器和接收激光器对应模式可以实现完全同步, 而且系统对内部参量失配具有较好的容忍性。

为了对各种防区进行实时监测, 准确分辨出入侵行为, 提出了一种基于非平衡马赫-曾德尔结构干涉原理的全光纤防区型周界报警系统。对这种干涉结构进行了理论分析和实验验证, 并在LabVIEW平台上开发了基于此传感结构的防区报警软件, 在运行10d内, 此系统准确报警率达95.1%。结果表明, 此系统对突发事件有较好的模式识别能力, 该结构在防区报警系统方面具有较好的效果。

为了实现彩色真实物体的全彩色3维显示, 研究了基于计算合成全息技术的全彩色3维显示技术。通过计算机获取彩色3维物体的坐标、亮度、颜色等信息, 用计算机模拟物光波和参考光波, 在计算程序中进行参量设置, 计算对应于红、绿、蓝三色光波的3幅菲涅耳计算全息图。根据全息物像关系控制3幅菲涅耳计算全息图的位置, 用单波长激光同时再现3幅计算全息图, 将3幅菲涅耳计算全息图合成为彩色彩虹全息图。在白光下获得3维立体图像, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 利用计算合成全息技术可以实现彩色真实物体的全彩色3维显示。

为了进行3维物体全息图的快速运算, 在迭代傅里叶变换算法基础上, 通过分析透镜的傅里叶变换性质, 采用编码球面相位因子的方法, 将全息图平行光再现等效为点光源再现。将球面相位因子加入到迭代运算中, 获得了具有深度特征的3维物体全息图; 同时利用球面相位因子查表运算法简化了相位因子的计算, 提高了算法的迭代速度,并基于空间光调制器进行了3维物体的再现实验。结果表明, 该算法具有良好的收敛特性, 计算的全息图能够在不同距离的像面实现对应层面的物场再现, 具有3维的视觉效果。

为了改善相位差法激光测距测量精度低的现状, 采用高频检相法代替模拟测相法, 即数字高频检相式的激光测距光学系统来提高测距精度。实现了10MHz的激光调制频率, 设计了准直透镜, 给出了设计指标, 利用ZEMAX软件对光束准直前后进行了对比分析, 并通过实验验证了光学系统设计的可行性。结果表明, 标准差最大为0.12°, 重复距离精度可约达1mm, 误差最大为0.09°, 最小为0.011°, 说明测量的重复性比较好、稳定度高, 满足了精度要求, 达到了提高精度的目的。

为了分析热处理对金属间化合物激光熔覆层组织、有序化以及性能等的影响, 采用X射线衍射试验和硬度试验方法, 对激光熔覆层进行了理论分析和实验验证, 取得了涂层金属的X射线衍射曲线图、X射线衍射物相分析结果及激光熔覆层硬度试验数据。X射线衍射实验结果显示, 在激光熔覆工艺条件下形成的NiAl相实现了有序化, 而Ni3Al相未实现有序化; 经1000℃, 4h热处理后, Ni3Al相实现了有序化, 而NiAl相的有序化在热处理中得到保留; 硬度试验结果显示, 熔覆合金层的平均硬度为440HV, 热处理后的涂层平均硬度为412HV, 硬度有所下降。结果表明, 热处理有利于Ni-Al金属化合物相的有序化, 也可以使激光熔覆层组织缺陷消失并且应力得到释放。

为了克服2步数字全息需要记录多幅图像且在进行相移时理论相移值和实际相移值总存在误差的缺点, 提出了一种用单幅同轴数字全息图再现物体真实像的方法。该方法利用希尔伯特变换可以实现数字相移并且可同时滤除直流分量的特点, 通过对记录的全息图进行两次希尔伯特变换, 即可依次得到没有0级分量的相移量为π/2的全息图和无相移的全息图, 然后运用2步相移数字全息处理方法即可再现出原物体的像。结果表明,该方法能很好地再现原物体的像。

为了构建基于空间光调制器的实时光学加密系统, 采用仿真实验的方式, 分析了在双随机相位光学加密系统中使用空间光调制器实现随机相位编码时相位编码参量对加密效果的影响。重点研究了随机相位模板中独立相位调制点的个数及相位调制范围对加密图像质量的影响, 并引入相关系数来衡量加密图像和原始图像的差异。结果表明, 在设定相关系数阈值为0.1的条件下, 独立相位调制点个数达到128×128, 相位调制范围达到2π时, 加密效果较好。该结果对设计实时光电加密系统有一定指导意义。

单个激光声脉冲具有脉宽窄、频带宽的特点, 不适于远距离水声通信。为了改善激光声通信声源的频谱特性, 提高通信性能, 采用对激光声进行调制的方法, 建立了调制激光声码元的数学模型, 基于该模型, 提出一种调制激光声源的设计方法, 该方法使调制激光声码元频谱的能量集中体现在调制特征的频率上, 降低了信号的频谱宽度, 更利于激光声信号在水声信道中远距离传播; 推导了在热膨胀机制和光击穿机制下调制激光声码元的调制参量, 利用实验获得的热膨胀和光击穿激光声脉冲, 仿真了该方法下的调制激光声码元, 并分析其频谱特征。结果表明, 该声源调制方法是正确和有效的。

为了解决凸轮激光热处理过程中热效应相等的问题, 在保证激光光斑在工件曲线表面的相对扫描速率恒定、热处理过程中激光聚焦镜中心到工件轮廓表面的距离不变以及激光束始终沿工件轮廓面的法线方向入射的技术基础之上, 提出了控制激光光斑匀速运动的瞬时同心异径算法。同一时刻, 工件轮廓表面与等距线上对应点具有相同的圆心,通过设定的工件轮廓表面恒定扫描速度, 可以反求出位于等距线上相应点激光头的速度, 进而对激光头进行控制。利用MATLAB进行了仿真计算, 得出了等距线上激光头的速度值。结果表明, 该算法可以解决激光热处理过程中激光头的速度问题。

为了提高我军光电对抗能力, 达到攻防兼备的目的, 必须在开展猫眼主动侦测研究的同时, 开展猫眼光学窗口的反侦测策略研究。以探测激光回波功率为主要判断依据, 利用数值仿真的方法对反侦测能力影响因素进行了定性和定量分析。结果表明, 猫眼回波功率会随着探测器入射光功率、接收光学系统光学窗口面积、发射光学系统透过率、发射激光束发散角、猫眼物镜口径、焦距及反射元件失调量的改变而变化, 且受漫反射背景和系统工作波长的影响。对影响因素的分析为反侦测策略的研究提供了理论依据。

为了实现调节两束飞秒激光脉冲在时间和空间区域上的精确重合, 采用利用CCD成像系统调节光束在空间上的重合及利用能量计测量激光脉冲核心能量变化来调节飞秒脉冲间的时间间隔的新方法, 取得了核心能量随延迟时间变化的数据, 并记录了相应的等离子体荧光图像。结果表明, 与传统方法相比, 这种方法可以达到飞秒级的时间重合精度。这为确定激光的时空重合提供了一种简便有效的途径, 且在激光光束以大角度相交时仍然可以确定最佳重合点。

为了解决弹光调制干涉具中因高频振动产生的热量引起的谐振频率漂移问题, 根据相似与模化理论, 建立了弹光调制干涉具热动态模型, 得到了弹光调制干涉具中干涉具谐振频率、干涉具温度和外界驱动信号之间的非线性函数关系, 并最终推导出了反馈电流和反馈电流相对于驱动电压的相位的关系、干涉具中温度随时间的变化率和谐振频率随时间的变化率方程, 以及得出了干涉具热动态模型的频率稳定状态方程。结果表明, 根据热反馈机制, 必须采用锁相跟踪原理, 时刻保持驱动频率与干涉具谐振频率一致, 才能保证干涉具工作的稳定性。

光栅衍射型激光告警系统是一种基于光栅衍射效应、可实时探测来袭激光参量信息的光电对抗设备。为了获取入射激光的波长和入射角度, 以光栅衍射效应为基本原理, 采用面阵CCD进行图像采集、数字信号处理器进行图像处理, 并依据信号特点开发了目标识别算法。通过理论分析和实验验证, 设计出了一套基于面阵CCD的光栅衍射型激光告警系统的图像采集与处理系统, 实现了对激光目标的探测。结果表明,该系统可有效地识别来袭激光并准确标记, 具有良好的稳定性、实时性。

为了解决激光投影显示中因光源相干性所引起的激光散斑而导致投影图像的亮度不均、清晰度下降的问题, 采用将激光引入振动的多模光纤的方法, 实现了输出的激光模场在各种模式间发生高频跳动的功能, 从而在多模光纤输出端获得传输光信号均匀化、消相干的输出效果。结果表明, 投影图像的散斑对比度明显降低, 达到人眼难于分辨的4%以下。

为了解决高精度瞄准镜性能检测难点——检测各种环境试验条件下的零位走动量, 设计了基于CCD图像检测技术的测试系统, 该系统通过对高精度瞄准镜连接座上定位点试验前后位置测量, 获得定位点位置差量, 依据位置差量调整枪镜固定基座, 使瞄准镜的连接座上的定位点复原至试验前位置, 进而测量、计算出零位走动。通过对平行光管、CCD光学系统焦距的计算和系统精度分析, 并经实际工程应用可知, 测量精度不大于2.16″, 测量范围不小于4320″,达到检测指标要求。结果表明, 该测试系统检测方法正确可靠、检测精度高, 为高精度瞄具零位走动的检测提供了方法。

为了获得弹光调制干涉具干涉信号的频谱, 需进行光谱反演, 但因其相位是非线性的, 直接采用快速傅里叶变换反演光谱会导致光谱严重失真, 因此提出采用非均匀快速傅里叶变换算法对干涉数据进行光谱反演的方法。首先采用基于高速数据采集卡PCI-5122设计的虚拟示波器获取652.6nm激光经弹光调制干涉具的干涉数据, 然后在MATLAB环境中对干涉数据进行光谱反演, 得到了相应的频谱信息。结果表明, 对采集的652.6nm激光波长测量误差小于1nm, 谱线位置误差小于0.1%, 验证了该算法在弹光调制非均匀干涉数据光谱反演的可行性, 这对弹光调制高性能傅里叶变换光谱仪的设计有借鉴应用价值。