为了研究不同纳秒激光工艺参量(波长、能量密度、扫描速率)以及铜层厚度对激光刻蚀覆铜板质量(包括刻蚀深度及加工面粗糙度)的影响, 采用50W的1064nm红外光纤激光器和10W的355nm紫外固体激光器对覆铜板进行了对比刻蚀实验。通过分析红外、紫外激光刻蚀覆铜板材料的作用机理并对比实验结果得知, 采用1064nm红外光纤激光作为激光光源时, 设置合适的刻蚀参量, 能在完全去除铜箔层的条件下, 最大限度地保证环氧树脂基底的完整性; 而采用355nm的紫外激光作为激光光源时, 因环氧树脂材料对紫外波段激光的高吸收率, 以及紫外激光对有机材料的光化学作用, 基底材料的损伤难以避免, 此外, 红外光纤激光具有较高的刻蚀效率。结果表明, 综合光纤激光器高稳定性和高集成度的特点, 若激光直接刻蚀技术被用于大规模覆铜板的工业加工中, 红外光纤激光将更具优势性。

为了提高结石碎石率和粉碎程度、减小碎石过程中副作用, 采用电光调Q技术, 设计了高峰值功率输出的纳秒钬激光碎石系统。从冷却温度、透过率、腔长等方面进行了理论分析, 在冷却温度22℃、重复频率3Hz、抽运能量200J的条件下进行了实验验证, 获得了腔内最大单脉冲能量443mJ、脉宽90ns激光输出的数据。结果表明, 该系统可输出高峰值功率的纳秒钬激光, 碎石时间短, 可粉碎任何成分的结石,一次碎石率高,粉碎程度高。这为下一步产业化打下了基础。

为了精确测定弱电导材料中载流子迁移率, 采用渡越时间方法测量了8-羟基喹啉配合物(Alq3)的载流子迁移率, 对渡越时间方法需要的实验条件进行了理论分析和实验验证, 讨论了激发光源的波长、单脉冲能量以及测量电路的积分时间常数的选取对材料载流子迁移率测量结果的影响。结果表明, 采用渡越时间方法测量弱电导半导体材料中载流子迁移率时, 只有严格选取合适的测量条件, 才可能获得准确、可靠的测试结果。此结论有助于对有机电致发光器件载流子迁移率进行精确测定。

为了实现无衍射光斑作为直线基准在复杂噪声背景下仍能快速精确定中的目的, 采用相位扫描的方法来获得极坐标系下的无衍射光斑相位角随极角的振荡起伏, 对无衍射光斑在环向上的相位与标准正弦条纹的相位对比获得其偏离量, 通过多次迭代便实现了无衍射光斑的定中, 并进行了理论分析与测试实验。结果表明, 该算法具有良好的抗噪能力、较低的计算时耗和亚像素级的定中精度。

为了研究基于正方形晶格排列的五芯光子晶体光纤(PCF)的结构参量对耦合特性的影响, 根据其5个超模特征, 给出计算五芯PCF耦合长度的方法, 利用有限元法分析了传输波长以及光纤结构对五芯PCF耦合特性的影响。结果表明, 耦合长度随着传播波长的增加而减小, 随着孔间距、占空比、纤芯折射率以及纤芯直径的增加而增加。该研究为设计基于五芯PCF的定向耦合器提供了理论依据。

为了解决阻燃镁合金的关键参量燃点测试的难题, 采用比色测温法进行了理论分析和实验验证, 并设计了结构新颖的比色测温装置。提出了由测温装置接收光辐射能量的突变点判断镁合金何时起燃, 从而求出燃点温度; 由中温黑体炉对系统进行静态标定来获得静标系数; 而用电加热薄片电阻法来点燃镁合金, 具有操作简单、节省时间和实验原料的优点。通过对含Nd质量分数为0.0075的AZ80镁合金燃点进行了测试, 比色测温装置和红外测温仪的测量结果分别是1164.7K和1148.2K, 其相对误差为1.4%。结果表明, 比色测温法成功解决了镁合金燃点测试难的问题, 且对阻燃镁合金的相关研究及镁合金冶炼的在线监测具有较重要的参考价值。

为了提升医学图像融合质量, 采用了一种基于2维经验模态分解(BEMD)特征分类和复合型脉冲耦合神经网络的医学图像融合算法。首先将多模医学图像经过BEMD分解成2维内蕴模函数(BIMF)和残差项, 然后分别将BIMF层和残差项值输入脉冲耦合神经网络(PCNN)中, 得到各自的点火映射图, 再将相同点火次数的像素提取归类, 点火次数大的对应图像纹理, 归为纹理类, 其余归为背景类; 统计各个纹理类集合中的像素极值确定灰度分布范围, 最后将两幅图像中纹理类像素集合处于灰度分布范围的像素通过PCNN进行融合, 其它像素通过双通道PCNN进行融合。结果表明,该算法解决了PCNN对偏暗图像的处理效果不理想的问题, 与传统融合算法相比, 性能具有优势,且能够较大幅度提高融合图像的质量。

为了研究矩形激光脉冲辐照下半导体材料3维光生载流子浓度和温度场分布, 采用本征函数法求得了等离子体波和热波随时间和空间变化的解析解。数值模拟了矩形激光脉冲辐照下半导体内光生载流子浓度和温度的时间变化规律以及温度沿径向的扩散规律。结果表明, 光生载流子表面复合速率、寿命和扩散系数等参量对等离子体波和热波分布的时域特性有重要的影响, 特别是在等离子体波和热波阶跃响应的上升和下降沿阶段; 此外, 多参量拟合灵敏度以及相关性分析表明,对阶跃响应曲线进行拟合可实现对半导体参量的单参量及双参量表征。该理论结果对于利用阶跃光激励的光热技术测量半导体材料参量具有一定的指导作用。

为了分析结构参量对正负折射率材料1维光子晶体缺陷模的影响, 利用传输矩阵法计算了基于正负折射率材料含正折射率缺陷1维光子晶体B(AB)m(ACB)n(AB)mB的透射谱, 分析了各参量对该结构1维光子晶体缺陷模的影响,并用波动理论定性分析了多通道滤波器形成的原因。结果表明, 在各介质层的光学厚度绝对值都为λ0/4的情况下, 每个禁带中都有n个超窄的透射峰, 相邻两个透射峰间距比相同结构下正折射率情况的宽; 当n=1时, 随着C层介质光学厚度以λ0/4的k倍增加, 透射谱中同一禁带内出现了k条透射峰; 当n≥2时, 透射谱中同一禁带内出现了n×k条透射峰。该研究结果对可调多通道滤波器的设计和研究有一定的参考价值。

为了对长距离周界入侵进行定位, 提出一种使用3×3耦合器作为基本元件的Fox-Smith干涉仪光纤入侵探测系统。对此结构及其定位方法进行了理论分析和实验验证。当有冲击作用在传感光纤上时, 光纤中的光波受到相位调制, 利用两束光波受到调制的时间不同从而产生相位差;通过对解调出的相位信号进行傅里叶变换, 获取了一系列的陷波点。结果表明,在长度为34.793km传感光纤上, 获得平均定位误差为±83m, 可见该种结构在长距离周界系统定位是可行的。这一结果在长距离周界入侵定位上具有一定的帮助。

为了利用激光散射法快速准确地测量出汽轮机中湿蒸气的参量值, 实时监测汽轮机末级蒸汽湿度, 指导汽轮机安全运行, 采用多种群遗传算法, 用三次样条插值的方法代替散射理论公式, 以理论值与测量值的最小二乘值为目标函数, 设置合适的控制参量, 对加入高斯白噪声的仿真数据和模拟汽缸的实验数据进行搜索寻优。结果表明, 多种群遗传算法能够克制过早收敛, 准确地搜索到全局最优解, 在遗传代数内反演出湿蒸气的各个参量。该研究对激光散射法测量湿蒸气参量或其它微粒粒度分布的反演是有帮助的。

为了减少加密系统所用模板数, 简化隐藏图像对解密过程的影响, 采用球面波照明研究了基于傅里叶变换全息的多图像加密隐藏方法, 并进行了加密、加密图像隐藏和解密的理论分析和数值模拟, 加密图像和原始图像间的相关系数趋于0, 宿主图像和加密图像的叠加系数ρ<0.3时, 宿主图像和隐藏图像的相关系数趋于1, 解密图像和原始图像间的相关系数趋于1。结果表明, 该加密隐藏方法的加密、解密和隐藏效果良好。

高功率激光能源研究(HiPER)项目由英国科研委员中心实验室理事会组织发起, 是欧盟致力于以高能量激光驱动惯性约束聚变为基础, 发展清洁聚变能源技术为目标的大型研究项目。其设计意图是发展激光驱动的惯性聚变技术, 使欧洲在惯性聚变能的研究领域占据领先地位, 同时借助HiPER激光装置所提供的极端实验条件, 使其在极端物态科学研究领域具备其它国家没有的能力。目前它已由初期的泛欧项目发展成为一个全球聚变能科研合作的典范, 其中有许多值得借鉴之处。作者从HiPER的研制背景、项目规划与管理、技术进展、对外合作等诸多方面进行了系统梳理, 力图全面地反映出HiPER项目的整体进展情况。最后对HiPER项目进行了总结, 这对从事激光装置及聚变能开发的科研人员可起到参考和借鉴作用。

解决突发包的冲突问题是光突发交换网络的关键技术之一。为了降低突发包冲突时丢包率, 提出了一种新型的基于信道分级和回退机制的冲突解决算法, 该算法考虑突发业务优先级, 将信道分成两个级别, 有区别地对待高低优先级两种业务类型, 并且增加了一部分回退信道作为保护和重发冲突数据包, 能够有效地保证高优先级业务的传输可靠性。结果表明, 当冲突发生时, 网络能根据此时高低优先级业务量的比重配比, 自适应地调节两个级别信道的数量, 兼顾到低优先级业务的低丢包率, 保证了较低的延时率。此算法相比以往的冲突解决算法具有较低的丢包率和相对小的延时率。

为了研究光纤激光器相干合成, 采用光纤激光的相干合成数学模型仿真了双光束光纤激光相干合成的方法, 模拟仿真了各类因素条件下高斯光束相干合成的功率分布, 分析了不同参量条件下对合成效果的影响, 并针对部分仿真结果进行了实验研究。结果表明, 双光纤激光空间距离为0mm, 光束夹角为0°, 偏振方向完全一致时, 则相干合成效果最好。

为了阐明随机偏振模板在光学加密系统中的作用, 采用理论分析与数值模拟相结合的方法, 进行了在双随机偏振光学加密系统中偏振模板的特性参量对系统加密效果及解密误差的影响的理论和仿真分析; 对比了随机相位模板和随机偏振模板对光学加密系统加密效果及解密误差的不同影响。结果表明, 加密方面, 采用随机偏振模板或随机相位模板均能生成平稳白噪声分布的密文, 但是偏振模板有两个构造参量, 密钥空间更大; 解密方面, 系统对相位模板以及偏振模板中不同参量的解密敏感性有一定差异, 随机偏振加密具有更高的应用灵活性。该结果对理解相位及偏振编码光学加密系统的本质属性及设计安全性更高的光学加密系统有一定的帮助。

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求, 基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直, 得到近似高斯圆光斑; 在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上, 利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组, 在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时, 实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计, 满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明, 该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。

为了研究水下无线LED光通信中圆形阵列光源性能, 以6个LED组成的圆形阵列光源为对象, 基于单个LED空气中照度分布模型推导出其相对照度分布数学模型; 以水下照度计为工具, 用点阵测量法研究其在水下的实际空间照度分布, 并分析了实验数据。结果表明, 该光源出射端口处光照度值随着加载信号的频率增加而增加, 光源的水下辐射照度整体分布不对称;当光信号传播到一定距离后, 在光接收平面上, 照度值各向趋于均匀分布。

为了研究了自相似脉冲对在色散渐减光纤中的动力学特性, 采用非线性薛定谔方程对脉冲对的演化和压缩特性进行了模拟, 分析了脉冲对在演化过程中相邻区域产生的相互作用。结果表明, 不考虑3阶色散时, 脉冲对在自相似演化过程中, 相邻的区域将产生对称性的相互振荡, 而脉冲其它区域演化不受影响, 通过色散补偿可以得到脉宽为128.4fs、压缩因子为7.8的压缩脉冲对;而在考虑3阶色散时, 脉冲对的演化将产生畸变, 相邻区域的振荡呈现不对称性, 通过色散补偿技术, 得到脉宽为211.6fs、压缩因子为4.7的压缩脉冲, 虽然不对称性振荡使得压缩脉冲出现较明显的基座, 但几乎不影响压缩质量。该研究结果对自相似脉冲对的演化的理解具有参考价值。

为了揭示激光淬火预处理钢基体细化镀铬层界面晶粒的电镀机理,采用理论和试验相结合的方法进行了理论分析和试验验证。用化学腐蚀法制备了铬层/激光离散预处理基体界面的两侧(铬层界面与基体界面),利用扫描电镜研究了铬层界面晶粒形貌, 利用激光粗糙度仪测量了基体界面粗糙度; 借助电镀理论构建了以过电位为中间变量的铬层界面晶粒尺寸和基体界面粗糙度关系分析模型;取得了粗糙度与晶粒尺寸呈正比的试验结果和粗糙度与晶粒尺寸呈正比的理论关系, 得到了淬火预处理钢基体细化镀铬层界面晶粒的电镀机理。结果表明,激光淬火预处理钢基体得到的较小粗糙度可以提高过电位, 过电位的提高减小了铬层界面晶粒尺寸。这一结果对进一步解释激光淬火预处理可以提高基体/铬层界面结合强度是有帮助的。

为了研究高能脉冲激光大气传输特性, 采用桶中功率和光斑半径作为远场光束质量评价标准, 与800J钕玻璃激光器的实验结果进行了比较, 仿真计算和实验中分别考虑了不同能见度、出射光能量和湍流强度下远场光斑半径的变化趋势; 对数值模拟与实验结果分别进行了分析和比对, 并对两者之间的误差做了详细分析。结果表明, 数值模拟可用于预测实验结果, 且对高能脉冲激光在大气中的应用和高能激光器的研制有指导意义。

为了在传感器测量锂电池非连续性膜厚前不需测量C型机构的固有频率和扫描振动频率, 采用3层小波-阈值判断-稀疏分解信号处理去噪方法, 进行了理论分析和实验验证。该方法不需固有频率和扫描振动频率的先验知识, 在不同C型机构扫描速率模式下, 通过迭代选取最佳匹配的原子序列保留锂电池薄膜厚度分布, 滤除局部噪声波动, 实现稀疏迭代去噪。结果表明, 相对于小波算法, 在缺乏先验知识的条件下, 稀疏分解算法具有较好的去噪性能, 其均方差值达5μm~7μm, 是一种操作简单、可行有效的方法。

为了实现单通道双彩色图像的同时加密, 首先将两幅待加密的彩色图像转换成索引图像的形式, 保留索引图像的颜色映射矩阵, 然后仅对数据矩阵采用复数合成、分数傅里叶变换、随机调制实现了双图像的加密。结果表明, 只有在使用完全正确密钥的情况下才能恢复出两幅无失真的图像。该算法具有很高的安全性。

紫外激光抛光Al2O3陶瓷可以有效地降低加工中的热影响区、防止微裂纹的产生。为了得到不同激光工艺参量(激光能量密度、扫描速率、扫描间隔)对Al2O3陶瓷抛光表面粗糙度的影响规律, 采用单因素实验方法进行了355nm紫外激光抛光Al2O3陶瓷的工艺实验, 获得了最优的工艺参量范围。结果表明, 当激光能量密度为6J/cm2、扫描间隔为2μm、扫描速率为60mm/s时, 抛光后分别获得了较小的表面粗糙度值。这一结果对获得的低粗糙度、高质量的Al2O3陶瓷抛光表面具有指导意义。

为了破解基于相位截断傅里叶变换的非对称光学图像加密系统, 提出一种已知公钥的攻击方法,并通过理论分析和实验仿真进行了研究。结果表明, 在已知公钥的攻击下, 攻击者可通过获取通用解密密钥恢复基于相位截断傅里叶变换的非对称光学图像加密系统的明文, 并取得了较好的破解效果。在整个攻击的实施过程中, 除了公开的加密密钥, 无需额外的资源, 同时攻击难度大大降低, 因此更具实际意义。

为了有效评估高重频干扰对激光编解码的影响效果, 采用归一化互相关函数法, 量化分析了高重频干扰对精确频率码的干扰效果。以仅有干扰信号进入导引头波门、干扰信号超前制导信号一定时间进入导引头波门两种情况, 重点分析了在激光解码识别过程中的干扰效果, 仿真分析了不同因素对干扰效果的定量化影响。结果表明, 不同重复频率的高重频激光干扰效果存在差异, 重复频率为100kHz时干扰效果最好。该研究为增强高重频干扰效果提供了依据。

为了分析四象限探测器偏差信号对激光导引头探测定位精度的影响, 在激光导引头四象限探测器探测定位原理的基础上, 采用计算机建模仿真的方法, 研究了入射光斑大小、分划线宽度和背景光强度对四象限探测器偏差信号的影响。结果表明, 入射光斑变大, 四象限探测器的灵敏度会变低, 动态跟踪范围变大; 分划线宽度在探测器串扰允许的范围内越窄越好; 背景光降低了四象限探测器的灵敏度。该研究结果有助于提高激光导引头四象限探测器探测定位精度。

为了避免传统Gerchberg-Saxton算法易陷入局部极值、而不能达到理想精度的问题, 采用一种简单的循环方法, 通过增加信息量, 即增加一个平面, 使算法能够比较有效地跳出局部极值, 并进行了模拟计算。在光瞳平面振幅未知的情况下, 利用焦平面或附近位置处的光强信息, 对光瞳平面相位和振幅分布进行了恢复。结果表明, 新算法达到较高的相位复原精度, 进而实现了任意位置处光场的准确复原。