为了得到高单脉冲能量的百皮秒激光脉冲，采用自制的被动锁模掺镱光纤激光器获得了100ps的激光脉冲输出，在此基础上采用两级全光纤结构主振荡功率放大器进行功率放大，其中预放大级采用7μm纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质，得到平均功率160mW的稳定脉冲输出；主放大级采用20μm纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质，在抽运功率逐步增加到35.37W时，输出功率达到了16.60W，相应的单脉冲能量为1.63μJ，峰值功率为16.61kW。此外，主放大级输出的激光通过自制的模场转换器与光子晶体光纤（纤芯4.6μm）成功熔接，得到了2.85W的白光超连续光谱，光谱波长覆盖了600nm~1700nm的检测范围。结果表明，此激光可用于超连续谱光源的产生。

为了研究基片衍射对激光汇聚原子沉积的影响，基于标量光学衍射理论，采用数值计算对比分析了基片衍射与否两种情况下，铬原子波包几率密度分布（表征了沉积条纹）特征值随原子波包速率的变化。结果表明，当原子波包横向速率保持不变、而纵向最可几速率在考察范围内变化时，基片衍射会使波包几率分布的最大值平均约有14.9%的增加量，而半峰全宽平均约有14.3%的减小量；当原子波包纵向最可几速率保持不变、而横向速率在考察范围内变化时，基片衍射会使波包几率密度分布的最大值平均约有14.5%的增加量，而半峰全宽平均约有16.9%的减小量。该研究成果为实验提供了有益的理论指导。

为了改善成型件表面质量，从微观上研究了决定选区激光熔化成型金属零件的上表面粗糙度的主要因素，通过研究单熔道成型，从熔道搭接的角度理论分析了成型件的上表面粗糙度，基于自主研发的成型设备Dimetal-280加工实体零件进行了实际测量对比，获得表面粗糙度的轮廓算术平均偏差Ra的理论值为3.21μm，微观不平度十点高度Rz的理论值为12.79μm，其实测值Ra=7.36μm，Rz=40.01μm；进行喷砂和电解抛光处理后，表面粗糙度减小，即Ra=2.34μm，Rz=10.86。结果表明，成型件的上表面粗糙度主要受熔道宽度、扫描间距和铺粉层厚3个因素的共同影响；粗糙度实测值与理论值有偏差，主要是由于熔道不稳定、表面出现球化、粉末粘附等缺陷造成；成型件经过电化学处理后表面质量有较大的改善。选区激光熔化成型金属零件可达到良好的表面粗糙度，此项研究为进一步提高表面质量和应用于生产加工提供了参考依据。

为了校正激光发射设备中激光对准光路的偏差，设计了一种激光对准快速反射镜控制系统。采用步进电机作为驱动，控制快速反射镜在互相垂直的两个方向进行运动，校正激光光路的偏差，达到了精确控制激光光路的目的。对激光对准快速反射镜的工作原理和设计过程进行了详细阐述，并利用对准控制机箱等硬件设备对软硬件设计进行了实验验证，取得了较好的实验数据。结果表明，快速反射镜控制系统在小角度工作范围内方位误差和俯仰误差均方根都小于1″，即控制精度小于1″。该系统能够很好地控制快速反射镜进行2维运动，软件设计和硬件设计都是正确可靠的，能够满足激光对准控制系统精确控制激光光路的要求。

为了实现太阳光向激光的转化，设计并搭建了采用两级汇聚系统的实验系统。用菲涅耳透镜作为第1级汇聚系统，以漫反射锥型腔作为第2级汇聚系统，采用Nd∶YAG作为工作物质。在太阳光的入射功率密度大约为950W/m2时，实验最高可得到13.3W的功率输出。用LASCAD软件对谐振腔进行模拟，得到了晶体棒工作时的温度分布和折射率分布；通过改变参量，对系统进行优化，得到了输出功率随腔长和输出镜反射率的变化规律，找到了最佳腔长为142mm，最佳输出镜反射率为91%。结果表明，通过调整腔长和输出镜反射率的大小，找到最佳值，可有效地提高太阳光直接抽运激光器的输出功率。

为了获得高光束质量中红外激光抽运源，采用正分支共焦非稳腔设计Nd∶YAG脉冲固体激光器。在考虑晶体热效应情况下，对其腔型参量进行了数值模拟和试验验证，获得重复频率10Hz、脉冲宽度9.7ns、单脉冲能量260mJ、光束参量积3.5mm·mrad的激光输出。该激光经放大后抽运MgO∶LiNbO3晶体，实现波长3.85μm、脉冲宽度8ns、单脉冲能量104mJ的激光输出，光光转换效率为12.5%。结果表明，该抽运源光束质量满足高峰值功率中红外光参变振荡激光器使用要求，为光电对抗领域的应用奠定了技术基础。

为了研究航空数码影像的高精度定向，采用机载激光点云为虚拟地面控制点构建了航空影像与虚拟控制点的几何关系模型；一个地面点成像在多张数码影像上，为此基于所有同名光线交于一点的原理构建了自检校的几何模型和误差方程，构建并解算法方程获取到高精度定向数据。结果表明，此方法达到了无地面控制点的影像外方位元素自检校的预期结果。

为了研究非配合摩擦副工件不同表面形貌对表面摩擦性能的影响，根据非配合摩擦副的摩擦特性，采用连续激光加工方法，在试件表面上加工出网状分布的凹坑形貌以形成环形凸起形貌，将凹坑直径、加工区域占有率、平均深度等参量作为分析变量，对试样进行了表面形貌检测与摩擦磨损测试。结果表明，表面摩擦系数随着凹坑深度的增加而增大，达到增摩效果，微结构区域面积占有率对摩擦系数的影响不是很明显。

为了在烧蚀机制下的激光超声检测中合理加载激光能量，获得幅值较大的超声信号而不过于损伤被检材料，需要分析激光辐照材料表层的温升规律及激光烧蚀的问题。建立了激光辐照材料的理论模型，激光以热流密度的形式加载于材料表面。结合导热微分方程，将对流传热和辐射传热一同考虑，并在材料表层升温过程中有效处理了相变潜热，对材料表层受激光辐照的温度场进行了数值模拟。给出了激光烧蚀材料有限元分析的程序流程，选择45#钢坯为例进行激光辐照仿真计算，分析了钢坯表层受激光辐照区域、区域下方及区域边界附近节点的温升规律，并对比钢坯受激光辐照的实际烧蚀情况和通过采集激光超声波信号进行了验证。结果表明，数值模拟能够为后续热应力分析中载荷的加载提供依据，并为激光超声检测中激光能量的加载提供了参考。

常用的基于高斯光束特性的激光光斑图像处理算法，处理远场光斑图像会丢失部分能量较低的光斑数据，致使处理出的光斑能量密度低端精度不能达到0.01μJ/cm2的需求。为了得到更精确的远场激光光斑数据信息，提出了基于噪声特性的激光光斑图像自动阈值处理算法。该算法在分析系统噪声特性的基础上，依据3σ原则确定图像提取阈值进行光斑图像处理。通过试验验证了该算法既能够有效抑制系统噪声，又能够改善光斑图像的处理质量，恢复光斑图像丢失的数据信息，使光斑能量密度低端达到探测需求。结果表明，基于噪声特性的光斑图像处理算法能够有效提高远场激光光斑的处理精度，更适用于远场激光光斑图像的处理。

为了提高数字灰度光刻系统的焦深，研究了基于点扩散函数稳定性的光瞳编码优化方法，在此基础上综合考虑系统的成像对比度和分辨率，利用工程计算软件MAPLE和光学设计软件ZEMAX设计了一种分辨率为1μm的含有5区相位型光瞳滤波器的长焦深数字灰度光刻系统。结果表明，系统调制传递函数表现出离焦不变性，在保证像方分辨率的前提下，系统的焦深被延拓到原有焦深的2.5倍以上，且在整个焦深空间内系统性能与焦点处保持一致,从而提高了光刻系统的工艺容限。所得实验结果与理论分析一致，说明了设计的可行性。

为了满足各种场合中对振动信号监测的需求，基于长周期光栅的边缘滤波原理，设计了一种结构简单、低成本的光纤布喇格光栅振动传感器解调系统。系统在硬件部分采用双光路结构及低噪声光电转换电路，解调及显示软件基于LabVIEW平台开发。通过在可调谐振动台上试验，证明了系统能实现对振动传感器可用范围（0Hz~300Hz）内振动信号频率的解调，误差在3%以内。结果表明，振动加速度与模拟信号伏值成线性关系，拟合得到本系统的比例因子为0.94，拟合程度为0.9752，可对加速度在0~4.7g范围内的振动信号进行振动加速度解调。

为了实现对双电极马赫-曾德尔电光调制器任意直流偏置点的自动偏置控制，采用在闭环控制基础上，引入一个可调移相器使不同直流偏置点处误差信号相同的方法，理论分析了可调移相器相移量与直流偏置相位的关系，仿真得到对于不同偏置点，当调制器直流偏置相位漂移达-0.15rad ~0.08rad，移相器引入附加相位漂移-0.55rad~0.55rad时，经偏置控制后相位漂移被限制在-3.0×10-4rad~1.7×10-4rad范围内。结果表明，该方法有效实现了对电光调制器任意直流偏置点的自动偏置控制。

超短（飞秒）激光脉冲序列技术能有效地提高激光加工金属的加工精度，它在微/纳制造中具有重要的理论意义和生产价值。为了研究脉冲间隔对激光烧蚀金属加工精度的影响，以过渡金属镍为研究对象，采用双温模型和分子动力学模拟相结合的方法，对飞秒激光脉冲序列（脉冲间隔不同）烧蚀金属镍的过程、现象进行了研究，取得了脉冲序列烧蚀镍薄膜的动态表层电子温度和晶格温度随时间演化的数据和烧蚀区域在不同时刻的快照。结果表明，一定范围内，随着脉冲间隔的增加，脉冲序列烧蚀镍薄膜所产生的纳米粒子更加均匀，烧蚀平面更加平整，初始熔化速度、烧蚀率呈降低趋势，有利于提高加工的精度。

为了进一步研究计算全息3维显示的方法，以数字微镜器件为空间光调制器，采用层析法，结合菲涅耳衍射积分算法中的角谱法，探讨了全息图的计算与数字微镜器件参量之间的关系，并利用修正立轴参考光编码的方式，得到了菲涅耳计算全息图。通过对计算全息图进行数值模拟及实验验证，均得到了较好的再现像。结果表明，该方法实现了3维物体的再现，为计算全息3维显示提供了一种有效的方法。

为了获取流体中血红细胞精确的光散射信息，以反常衍射近似理论为基础，采用扁椭球构建了流体中血红细胞的数学散射模型。应用数值仿真模拟技术，分别讨论了血红细胞形体变化、体积变化、取向角和相对折射率变化对光散射幅值分布的影响，建立了相应的图谱分布，并通过实验对此模型进行了验证。结果表明，在前向小角度内，不同血红细胞大小、不同相对折射率对光散射信息有着较大影响。这一结果对于病理血红细胞的快速准确检测和流式细胞仪等细胞测量仪的精确测量是有帮助的。

为了降低可调光滤波器的带宽，采用双光栅结构和基于微机电系统的反射镜相结合的方法，构建了具有波长连续可调谐的超窄带宽滤波器，并进行了理论分析和实验验证，取得了滤波带宽小于0.4nm的数据。结果表明，双光栅结构的光滤波器具有性能稳定、重复性优良的性能特点，并且很好地满足了带宽需求。这种结构显著降低了可调谐光滤波器的滤波带宽，提高了系统的稳定性。

用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体时，不同的调制相位差结果不同。为了提高谐波检测灵敏度，采用同时考虑频率调制与振幅调制的方法分析和提取二次谐波信号，推导了相位差与二次谐波信号光电流和残余幅度调制噪声光电流的函数关系表达式，通过模拟实验分别取得了二次谐波信号和残余幅度调制噪声随相位差的变化趋势，并重点分析了相位差对信噪比的影响。结果表明，振幅调整和频率调制之间的相位差对信噪比的影响很大，与典型值π/2时相比，最大降幅为59.18%；调制相位差是继残余幅度调制之外，影响信噪比的一个重要因素。

为了在AgGaSe2 晶体中产生3次谐波，利用自行研制的1台可调谐脉冲CO2激光器，在2次谐波中采用Ⅰ类匹配，并在3次谐波中采用Ⅱ类匹配的方法。实验中CO2激光输出波长为9.6μm，在AgGaSe2 晶体中得到了波长为4.8μm的2次谐波以及波长为3.2μm的3次谐波，其峰值功率分别为88kW和4kW，并测量了相位匹配允许角。结果表明，在该AgGaSe2晶体实验中能有效地输出3次谐波，随着CO2激光功率的增大，输出2次谐波峰值功率和3次谐波峰值功率的级数都增加。

为了消除光纤通信系统中色散，采用各向异性完全匹配层和全矢量有限元方法，进行了理论分析和实验验证，设计了一种基于八角格子晶体的同轴双芯色散补偿光子晶体光纤；得到了该色散补偿光纤的传输特性如基模有效折射率、色散、损耗和非线性系数方面的数据，并分析了光纤波导色散与色散补偿光纤结构参量之间的关系。结果表明，所设计的光纤在200nm的负色散范围内，拥有负色散值(在波长为1.55μm处有最低负色散值-1500 ps /(nm·km))，同时在E+S+C波段有较低的限制损耗(小于3.3dB/km)；非线性效应也得到显著抑制。

为了快速合理地确定激光雷达几何因子反演关键参量——激光雷达比，利用雷达充满区几何因子值恒为1的属性提出一个简捷的新途径，对这种方法从理论上进行了推导，并以实际雷达数据进行了验证，反演得到的几何因子在充满区没有出现单调增加或者单调减小等不合理情况。结果表明，这种方法避免了目前激光雷达比需多次取值对结果定性分析繁琐耗时的不足，是合理有效的。这将对于反演出雷达几何因子并进而获得近地面气溶胶信息具有重要参考价值。

为了研究Compton散射对1维3元未磁化等离子体光子晶体中TE波禁带影响，采用Compton散射模型和传输矩阵法，进行了理论分析和实验验证，取得了一些重要数据。结果表明，随着等离子体频率增大，左旋和右旋极化波禁带展宽比散射前减小0.09GHz，禁带主频率向高频区域移动增大0.48GHz。随着等离子体碰撞频率增大，两种极化波禁带宽度发生一定变化。随着等离子体回旋频率、填充率、光入射角和介质相对介电常数增大，左旋和右旋极化波禁带明显调谐效应。这一结果对等离子体光子晶体应用是有帮助的。

为了提高图像分割的质量，采用2维最大熵最佳阈值方法，首先通过灰度区域确定该域像素的2维随机向量，在准则函数下求得到2维最大熵最佳阈值；接着通过递推优化对2维最大熵最佳阈值计算数据优化处理，减少重复性数据计算量；最后通过分割图像区域与原目标空间位置的互信息量最大准则，把误分割误差函数作为检测分割标准，给出了算法流程；并仿真出了不同算法的图像分割结果。结果表明，该算法得到图像分割的精度较高，没有背景与噪声的残留，保留了图像信息，执行速度快、分割效果视觉好、误分割误差最小。这对提升图像分割效率是有帮助的。

为了解决复杂环境中大视场、高精度、非接触3维测量问题，采用三目摄像机结构，通过靶标成像来测量被测点3维坐标的测量系统。测量时摄像机采集测量靶标的图像，计算机通过图像处理的方法获取测量靶标上标志点的3维坐标，并提出基于被测点与标志点间距离方程与直线约束的被测点求解优化方法。测量系统通过高精度光栅位移平台带动测量靶标移动来完成测试。结果表明，测量系统在视场范围、测量精度、使用灵活性等方面有较大的改进，能够测量视场深度从2m~5m范围内的视场，测量精度优于0.2mm。

为了根据外界条件的变化自动进行增益调整，引入了中间级接入掺铒光纤放大器，它具有两级放大功能，增益在一定范围内可调，且能自动根据系统的变化调整自身的增益，使其满足不同条件的应用需求。采用自动增益校准的方法，对其原理进行了理论分析和实验验证，取得了中间级接入掺铒光纤放大器的增益校准及验证数据。结果表明，自动增益校准数据具有较高的准确性。这一结果对掺铒光纤放大器实现快速、准确的自动增益控制是有帮助的。

为了研究双面周期开槽型太赫兹滤波器的传输性能，采用有限元法进行了理论仿真分析。由分析结果可知，其滤波性能随滤波器结构参量变化出现规律性变化。透射峰位置随着周期、缝宽和槽深的增加线性红移，随着槽宽的增加先蓝移后红移；透射率随结构参量周期、缝宽、槽宽和槽深的增加都先增后降，出现超过0.95的极大值； 3dB通频带宽度随着缝宽和槽深的增加而增加，随着槽宽和周期的增加变窄。结果表明，相对于常用的光学滤波器，该器件具有高选择性、高中心透射率等特点。

为了寻求激光加工的最佳工艺参量，采用纳秒激光在人工心脏瓣膜材料热解碳的表面加工微细结构，分析脉冲能量、激光扫描次数、脉宽、扫描速率、扫描间距对热解碳消熔规律的影响。根据热解碳的消熔规律构建了3种微结构模型；根据经典超疏水Cassie理论，分析了热解碳表面发生超疏水的条件，计算出在单位面积上，经硅烷化的热解碳表面微结构占总面积的百分数小于20%，表面就可产生超疏水性。以表面接触角值为实验指标，采用正交实验法优化出了激光诱导热解碳表面周期性结构的最佳实验方案，设计了6组实验参量，成功地在热解碳表面构建了凹坑阵列、平行光栅、乳突阵列微结构。结果表明，6种微结构表面硅烷化后都具备超疏水性。这对制备具有抗凝血性的人工心脏瓣膜表面具有很大帮助。

为了实现光纤的精确快速测量, 设计了一种高稳定功率连续可调的1310nm/1550nm半导体激光驱动电源。该电源采用电流串联负反馈技术组成精密恒流源驱动半导体激光二极管，恒温控制电路驱动半导体制冷器，从而保证了激光器输出功率的稳定。控制器局域网络总线电路实现激光源的功率连续可调及激光的选择，通过变速积分PID控制算法消除了积分饱和，加速系统温度的稳定。采用激光保护和软启动电路，实现半导体激光器可靠稳定运行。结果表明，半导体激光器工作在室温25℃时，温度稳定性达±0.01℃，激光长期输出功率稳定度达±0.018dB。相对于传统的1310nm/1550nm半导体激光光源，该光源稳定性高、稳定速度快、体积小，方便光纤在线测量。

为了分析预置粉末Ni基合金熔覆过程的温度场和熔池的结晶变化规律，采用有限元方法建立了激光熔覆Ni基合金粉末过程的3维模型，考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素，使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场和凝固结晶过程进行了分析及验证。结果表明，最高温度位于光斑中心处，等温线近似椭圆形，并且向外逐渐减小；熔覆层上某点热循环峰值温度随着热源的远离而明显降低，且热循环起始由第1道次的室温增大到最后道次的730℃；形状因子有结合界面处的1.9×109℃·s·mm-2降到熔覆层表面处的0.7×109℃·s·mm-2，同时，二次枝晶的间距在结合面处最大，表面处达到最小值，与相同工艺参量下的金相组织和凝固结晶理论完全吻合。该研究结果为激光熔覆过程的优化提供了指导意义。

为了准直并整形具有像散的激光二极管光束，采用高斯光束q参量变换规律，推导了利用柱面自聚焦透镜整形激光二极管光束应满足的条件，并在此基础上，通过软件模拟优化，得到了一套效果良好的光束整形准直系统。经过准直整形后光束快慢轴方向发散角基本相等，均小于0.7mrad，束腰位置差异小于2.8mm。结果表明，系统中柱面自聚焦透镜的应用起到了较好的效果，准直整形后的光束具有发散角较小且旋转对称等特点。

为了实现光电对抗装备对抗效果的评估，为某型激光导引头仿真模型的子模型建立了四象限探测器模型并进行了数学仿真。提出了快速计算激光光斑落在四象限探测器每个象限的光斑能量的方法，即激光光斑象限能量分割模型，弥补了传统和差电路定向法的不足。结果表明，建立的四象限探测器模型能够模拟四象限探测器的工作过程，并且具有易实现、运算速度快等优点。这对于提高某型激光导引头数学仿真系统的可信度和真实性，以及提高该系统的实时仿真速度是有帮助的。