为了解决非注入状态激光脉冲对非相干多普勒激光雷达测风结果可靠性的影响, 利用注入与非注入状态激光脉冲建立时间不同的原理, 设计和实现了一种脉冲激光种子注入状态检测器, 其时间测量精度为45ps, 测量时间范围为3.5ns~2500ns, 最高脉冲重复频率为1kHz。利用该检测器对某型号Nd∶YAG脉冲激光器进行了种子注入状态检测实验, 结果显示注入（非注入）状态脉冲建立平均时间为123.27ns（134.44ns）, 1.35h内非注入状态激光脉冲占总激光脉冲比例为8.54%。结果表明, 该脉冲激光种子注入状态检测器能够有效地检测出非注入状态的激光脉冲, 对于提高激光雷达测风可靠性具有潜在的价值。

为了减小频域均衡系统电路实现的功耗和面积, 满足长距离少模光纤通信对均衡器的要求, 对关键环节快速傅里叶变换（FFT）电路的实现进行了研究, 采用2维分解算法将大点数的FFT运算转换为小点数FFT处理器的设计, 降低了硬件复杂度。设计了基于现场可编程门阵列的高速蝶形运算核, 实现了16384点FFT的2维R22SDF结构, 提高存储器的资源利用率, 减少了复数乘法器的使用; 进行了理论分析和实验验证, 取得了不同时钟频率下的电路结构占用资源的数据。结果表明, FFT运算器的正确性得到验证, 该FFT运算器能够适应少模光纤通信系统中优化频域均衡电路结构的要求, 能够实现200MHz数据传输速度的频域均衡实时处理。

为了提高挤出机螺杆表面的耐磨损性能, 采用激光熔覆技术在38CrMoAl钢表面制备NiCr-MoS2-M(M为CeO2-TiC-Cr3C2-V)耐磨自润滑复合涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜(SEM)及附带的能谱仪分析了涂层的物相组成及显微组织, 采用显微硬度计测试了涂层的显微硬度分布, 并在室温条件下测试了上述涂层的干滑动摩擦学性能, 取得了相关的数据。结果表明, XRD测试结果显示强化层主要由FeNi, Ni3Fe和Cr-Ni-Fe-C固溶体组成;用SEM观察发现强化层由固溶体枝晶、富Cr共晶和未熔MoS2颗粒组成。涂层中的显微硬度为313.7HV, 约为基体显微硬度(332.6HV)的94.32%; 摩擦系数为0.513, 约为基体摩擦系数(0.315)的1.63倍; 磨损量为58.561×10-3mm3, 约为基体磨损量(4.91×10-3mm3)的11.9倍。这一结果对进一步优化工艺参量, 以提高强化层的综合力学性能是有帮助的。

为了探测云边界, 采用毫米波雷达（MMCR）和微脉冲激光雷达（MPL）联合观测的方法, 观测了层积云、高层云、高积云和卷积云个例, 并对比分析了两部雷达探测到的云边界的差异。结果表明, 通常MPL探测的云底高度高于MMCR; 其中在高层云个例中, 二者相差最大, 其它个例中, 差别较小; 云粒子对毫米波电磁波和激光光束的散射机制的不同以及两个设备判定云边界方法的不同是差异产生的主要原因。对于云顶的小粒子和云内的小冰晶, MPL的探测能力强于MMCR; 但对于发展深、厚的云层, MPL会因衰减的影响探测不到真实的云顶, 而MMCR可以探测到完整的云层。

为了获得亚衍射级别的光刻图形, 设计了一种光、机、电一体化的相变光刻系统。利用脉冲延迟技术产生了分辨率为1ns、脉宽可调的数字信号, 对激光器进行驱动以获得相应脉宽的激光脉冲, 然后通过LabVIEW软件和单片机, 使系统各部件与计算机之间进行通信, 以实现系统的全自动光刻过程。以Ge2Sb2Te5薄膜为基材料, 利用其光学性质提出了一种针对相变材料的快速自动聚焦方法, 并最终在该相变光刻系统上成功地得到了线宽为0.69μm的Ge2Sb2Te5晶化图形, 该尺寸远小于激光聚焦光斑。结果表明,该方法具有精度高、易操作、实现成本低等优点, 这对简易相变光刻系统的设计具有很好的指导意义。

为了研究高带宽利用率和大容量的光分组交换系统, 对载波抑制调制原理进行理论分析,提出了一种载波抑制调制光标签的方案, 并对基于载波抑制调制的光标签系统进行了仿真分析和实验研究。结果表明, 载波抑制光标签的中心载波抑制比达到21.3dB;在622Mbit/s和1.25Gbit/s的标签调制速率下, 系统传输距离超过40km时, 依然能保持低于10-10的误比特率;以误比特率10-10为标准, 在传输距离为40km时, 两种标签调制速率的功率代价分别为1.7dB和1.9dB。此结果说明载波抑制光标签在光分组交换系统中具有串扰小、功率代价低等特点, 信号质量好, 适合远距离传输。

为了探究小功率激光模具自动修复技术, 利用同轴视觉采集系统采集模具的裂纹图像, 结合数字图像形态学细化处理识别裂纹位置信息, 建立了数字图像处理流程, 得到裂纹的轨迹信息, 将裂纹轨迹信息矢量化后,经曲线拟合生成数控代码,导入到数控系统完成激光模具修复。裂纹图像经图像去噪增强、形态学细化等处理后, 能够有效地得到裂纹中心线, 将裂纹位图矢量化后转为DXF文件格式,通过CAM软件生成数控加工代码。结果表明, 该方法加工精度达到0.0368mm,满足模具修复的精度要求; 通过图像形态学细化处理技术可以实现激光模具自动修复。这对激光加工设备实现自动化和智能化提供了理论支持和技术基础。

腔内反射增强技术可有效提高紫外激光四倍频效率,但反射增强腔存在多次反射光斑不重合、光束发散角不一致的问题。为了获得更好的光束质量, 设计了一种实现多次反射绿光光束可重现的反射腔结构, 采用传输矩阵法计算了反射光束及四倍频转换等参量。结果表明, 可重现的反射腔不仅能有效避免反射增强腔内光束半径不一致导致的光束质量差的问题, 还可进一步提升四倍频效率。

为了降低用于脉冲气体激光器的全固态磁压缩放电电路的放电延时抖动, 采用PSPICE软件对全固态磁压缩激励电路进行仿真分析, 完成了对充电、磁开关复位以及整个放电过程的初步模拟。模拟结果显示, 初始储能电容电压1V的波动会引起放电时间5ns~10ns的抖动, 抖动时间随着充电电压的升高而降低; 通过采用特制的两级耦合复位回路来降低放电延时抖动, 该复位电路可将放电抖动从微秒量级降低到纳秒量级。结果表明, 降低抖动的关键因素在于充电过程中高频交流纹波经复位电路耦合将磁芯复位到一稳定状态, 使磁开关、可饱和脉冲变压器的工作状态更加稳定。建立的仿真模型, 对低放电抖动的脉冲放电激励电路设计可提供参考。

为了在硅中掺入过饱和的过渡金属杂质, 采用自行设计的线形大功率Nd∶YAG激光辐照表面溅射钛的硅片, 对辐照后样品进行了俄歇电子能谱测试, 利用2维热力学模型, 对连续激光扫描的过程进行了热力学模拟。结果表明, 硅中的钛掺杂浓度远高于钛在硅中的固溶度, 钛的最高浓度在表面下方一定距离处; 硅片中的最高温度并不在硅的表面, 温度分布导致了钛的分布不在表面; 模拟结果与实验结果吻合得较好。线形连续激光能够通过对材料表面扫描辐照的方式进行加工, 实现过饱和掺杂。

为了有效提升光纤表面等离子体共振(SPR)传感器场增强效果的响应速度和场增强特性, 采用悬挂芯光纤结合表面等离子体共振增强检测机理来提高表面场增强程度, 提出了一种新型的光纤SPR-表面场增强芯片结构。采用有限元理论分析了上述结构的光场特性, 由分析可知, 当薄膜层在40nm~50nm附近时存在比较强的场增强; 场增强程度与激发SPR共振波长密切相关; 而缩小包层厚度、降低纤芯折射率对比度也有利于大幅度增加场增强强度, 但半径和包层厚度变化对穿透深度几乎没有影响。结果表明, 优化后的光纤芯片具有较高的场增强效果。该研究为高灵敏、快速流体检测应用提供了一种解决思路。

为了解决检测煤矿复杂环境中的瓦斯信号时易受周围噪声干扰以至微弱信号被掩埋或产生异常数据的问题, 提出一种基于随机共振的微弱瓦斯信号检测方法。采用欠采样原理对大频率信号尺度变换及粒子群算法优化系统结构参量, 对大参量微弱信号在随机共振系统中的共振效果进行了理论分析和研究。结果表明, 该方法可以以较低的采样频率, 自适应地达到较好的共振效果;可有效地滤除噪声并增强系统辨识微弱信号的灵敏度以及信号检测的动态范围。该研究为瓦斯突出信息的早期辨识提供了一定的理论依据。

为了得到性能良好的Al-Si合金零件, 对选区激光熔化成形Al-Si合金的成形特性以及成形试样中裂纹进行了研究, 得到了成形样致密度和工艺参量的关系以及裂纹的形成机制。在合适的工艺区间内, 随着激光能量密度的增大, 致密度先上升后下降; 大部分试样底部存在沿熔覆层扩展的冷裂纹; 其形成机制是Al-Si合金粉末成形过程中, 生成大量共晶Si相, 使材料的抗裂性能不足以抵抗成形过程中的高温度梯度导致的残余应力所致。结果表明, 通过调整成形工艺参量, 可以得到无裂纹的性能良好的成型零件。

为了研究激光光源对极紫外（EUV）等离子体碎屑的影响, 采用脉冲Nd∶YAG激光与CO2激光激发Sn产生等离子体, 基于直接成像法, 研究了等离子体羽辉在低气压中的膨胀特性。通过确定等离子体边界, 计算出各个角度的等离子体羽辉膨胀边界随时间的变化规律, 以及运动动能随运动路径的变化规律。结果表明, 气压为10Pa时, 在相同激光能量密度（2.5×106mJ/cm2）的条件下, CO2脉冲激光作用锡靶产生EUV的等离子体动能小于Nd∶YAG脉冲激光作用锡靶产生的等离子体动能;在减缓离子碎屑的研究中, CO2脉冲激光作为EUV的产生光源要优于Nd∶YAG脉冲激光。这一结果对研究激光等离子体的应用是有帮助的。

为了改善可见光图像质量, 提高对隐藏在自然背景中人造目标的探测率, 采用了基于偏振成像的可见光图像增强方法, 很好地凸显出人造目标, 提供更多的细节与纹理信息。利用偏振成像方式获取偏振度、偏振角和椭率角图像, 对多维偏振图像中的像素点在邦加球内进行聚类得到偏振特征图像, 运用双树复小波对光强图像和偏振特征图像进行分解, 低频子带采用主成分分析法, 高频子带选用区域方差特征匹配的融合策略, 得到增强图像。进行了户外实验, 并理论分析得到了各个图像的性能指标数据。结果表明,增强后的图像较原图像具有更加丰富的图像细节与偏振目标信息, 该方法有效可行,对目标识别与探测具有一定意义。

为了优化设计基于光学差分参量放大的布里渊光时域分析抽运的脉冲编码形式以及斯托克斯光与反斯托克斯光脉宽差, 采用微扰法和小信号近似法, 获得了探测光与斯托克斯光脉冲、反斯托克斯光脉冲在较小作用区域内的脉冲响应, 对其性能进行了理论分析与数值验证。结果表明,π相位斯托克斯光脉冲可有效压缩布里渊增益谱宽, 提高布里渊信号信噪比; 当斯托克斯光与反斯托克斯光传感脉冲脉宽差为8ns时, 探测光布里渊增益最大。这一结果对进一步分析基于光学差分参量放大的布里渊光时域分析系统性能以及开展相关实验研究是有帮助的。

为了设计基于光子晶体波导的高性能滤波器件, 在2维正方格子光子晶体波导结构中引入一系列齿状缺陷, 采用有限元法对齿状光子晶体波导的传输特性进行了数值仿真和理论分析。结果表明, 对于单个齿状缺陷, 缺陷产生的共振频率使得在光子晶体波导通频域带出现带隙结构, 可以实现良好的窄带滤波, 并且通过改变齿状缺陷深度可以有效地控制缺陷的共振频率; 引入多个齿状缺陷, 缺陷之间会经过耦合作用形成一系列缺陷态, 使得在光子晶体波导导通频域中出现宽带的带隙结构, 可以实现宽带滤波。该光子晶体波导滤波器对窄/宽带滤波可根据波导结构中引入的齿状缺陷进行简单灵活调节。此研究在设计基于光子晶体波导的光子滤波器件方面具有潜在的应用价值。

为了高灵敏度地测量气溶胶消光系数, 采用高反射率腔镜以及脉冲腔衰荡的方法, 搭建了气溶胶消光系数检测装置。对不同条件下的实际大气进行了测量, 对实验结果进行了分析和研究, 并与国内外研究成果进行比较。结果表明, 由实验装置测量的腔衰荡时间大于40μs, 稳定性优于0.3%, 探测灵敏度大于1.8×10-7m-1。高反射率腔镜及脉冲腔衰荡方法在研制高灵敏度气溶胶消光系数检测装置中具有较强的可行性。

为了探究入射光偏振态对四频差动激光陀螺法拉第片最佳入射角的影响, 建立四频差动激光陀螺法拉第片三光束干涉的琼斯矩阵, 利用计算机进行数值计算, 模拟圆偏振光和椭圆偏振光在陀螺仪内的传播方程, 并通过搜索不同入射角情况下-40℃～80℃温度范围内磁圆二向色性差分损耗的振幅最小值来选取最佳入射角。结果表明, 圆偏振模式下和椭圆偏振模式下法拉第片的最佳入射角有一定差别, 这种差别足以影响到激光陀螺仪的测量精度, 因此在安装法拉第片时应考虑入射光偏振态对其最佳入射角的影响; 此外, 法拉第片的最佳入射角与入射光s分量（垂直于入射面）、p分量（平行于入射面）在反射镜上的反射相位差以及反射镜的反射系数均有关。

为了研究散射测量的正向测量依据, 采用严格耦合波分析理论, 对1维矩形面型周期性结构衍射建模, 在MATLAB环境下实现严格耦合波分析算法, 并讨论了1维周期结构高度、线宽和占空比的测量特性,理论上线宽的测量可以达到纳米级分辨率。结果表明, 严格耦合波分析理论精确和高效, 对1维微纳米周期结构表现出了良好的测量特性。这为散射测量提供了科学性和可行性依据。

为了制备高性能、大尺寸钨合金零件, 利用激光立体成形技术进行了前期探究实验, 在大气环境下制备多种配比的W-Ni-Fe高比重合金力学拉伸试验件, 通过测试抗拉强度、硬度, 结合组织结构和成分配比的探究分析, 发现其成形性及力学性能与传统的粉末冶金烧结工艺之间还存在着一定的差距。抗拉强度在W原子数分数为0.6时达到最大值717.5MPa, 之后随着W原子数分数的增大反而明显减小, 当W原子数分数在0.8以上时, 强度已低于400MPa。样品存在孔洞和氧化现象, 大量W未溶化, Ni和Fe元素越多, 微观组织均匀性越好、成分偏析越小。结果表明, 利用激光立体成形技术可对钨基合金堆积成形, 但是实验工艺参量和实验环境仍需进一步改进。此研究可获得免受大气气氛影响和工艺参量限制的试样, 为获得性能更好的高比重钨合金激光立体成形件提供了帮助。

石墨烯是一种具有独特光学特性的2维碳纳米材料, 利用其饱和吸收特性制成的被动调Q开关具有稳定性好、响应波长宽（可见光到中红外）、恢复时间短（约100fs）、非饱和吸收损耗少、制作方法简单、价格便宜等优点, 广泛地应用于被动调Q脉冲激光领域。重点对石墨烯被动调Q掺Nd3+激光器研究进展进行了总结, 分析了发展趋势, 并指出性能优良的石墨烯饱和吸收体是其发展的关键。

为了解决星间激光通信不同步导致的信息质量差与解调难度大等问题, 针对滑动互相关算法帧同步易受载波频偏影响的不足, 采用计算仿真的方法分析了星间多普勒效应引起的载波频偏程度, 提出差分相关算法以实现帧同步与载波频偏估计, 并给出硬件实现方案, 分析了差分相关算法的帧同步与载波频偏估计性能。结果表明, 差分相关算法能够实现大载波频偏影响下的帧同步, 且具有较强的频偏估计性能, 采用差分相关算法后系统的误码性能提升近3dB。此结果说明, 差分相关算法是解决星间激光链路同步问题的有效方法。

为了复原红外图像的热源, 采用高斯点扩展函数的方法来增强热源的清晰度和对比度。首先, 确定热源图像的高斯点扩展函数, 建立其退化模型; 然后, 采用维纳滤波的方法复原红外图像中的热源, 对复原图像通过YIQ变换来复原其温度场彩色信息; 最后, 通过边缘锐度和标准差评价分析热源复原的质量, 并与盲复原算法对比。结果表明, 边缘锐度边缘锐度和标准差分别提高了0.502%和0.124%。基于高斯型点扩展函数的方法对红外图像的热源复原具有明显的效果。

为了研究脉冲激光去除金属表面漆膜的过程, 采用有限元法建立模型, 模拟了喷有漆膜的不锈钢样品表面在移动脉冲激光作用下的温度场, 研究了不同时刻漆膜表面的温度场分布以及激光参量对漆膜表面温度场的影响, 并做了相关对比实验。结果表明, 漆膜表面温度随激光源的移动而变化, 温度场呈现带尾的彗星状; 漆膜表面的温度随激光能流密度和激光重复率的增加而线性增加, 随着扫描速率的增加而指数递减; 激光能流密度和激光重复率越大而激光扫描速率越小时, 激光除漆效率越高; 温度的累积效应可以提高除漆的效率。该结果可以为实际激光除漆过程中激光参量的选取提供参考。

为了适应当前光通信系统对波长可调谐激光器的需求, 提出用游标效应来实现波长可调谐的激光器, 设计了一种功率稳定且频率可调的三段式开槽法布里-珀罗结构可调谐半导体激光器, 给出了系统结构的设计原理, 并进行了理论分析和实验验证。取得了三段式开槽法布里-珀罗结构可调谐半导体激光器激射谱叠加图数据, 利用光纤延迟自外差法测量激光器线宽, 对比了3种不同激光器的线宽测量曲线。结果表明, 基于游标效应设计的新型开槽法布里-珀罗可调谐半导体激光器波长调谐机制简单方便, 且具有很好的单模性和信道切换能力。该研究在未来的光通信领域中具有一定的应用价值和实际意义。

为了提高3维激光雷达回波分解的精度和准确度, 采用粒子群算法与最小二乘法相结合的方法, 分析了激光雷达回波分解原理以及粒子群算法原理, 研究了粒子群算法在激光雷达回波信号分解中的应用;进行了理论分析与实际数据验证, 取得了实际激光雷达回波数据的分解结果。结果表明, 采用粒子群算法与最小二乘法相结合的分解方法, 激光雷达回波可以更高精度地分解为一系列单个波形的叠加, 并获得了延时、强度及脉宽等参量, 拟合度提高至0.989, 一定程度上抑制了噪声的干扰。该算法可以有效提高激光雷达回波分解的精度。

为了研究中高温条件下激光冲击处理对Ti-6Al-4V钛合金的表面完整性的影响, 采用高功率、短脉冲Nd∶YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面进行激光冲击, 并将冲击后的钛合金试样分别置于400℃,500℃,550℃和600℃的温度下进行保温处理。从表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力等方面分析了中高温条件下激光冲击处理对Ti-6Al-4V钛合金的表面完整性的影响。结果表明, 激光冲击处理增大了Ti-6Al-4V钛合金的表面粗糙度, 且热处理温度越高, Ti-6Al-4V钛合金的表面粗糙度越大; 激光冲击处理显著提高了Ti-6Al-4V钛合金材料的表面残余压应力, 随着温度的升高, 残余压应力值降低。研究结果对了解和掌握Ti-6Al-4V钛合金的使用性能是有帮助的。

信号光的啁啾特性在很大程度上会影响量子点半导体光放大器(QD-SOA)的性能,引起传输信号的走离效应,使误比特率增高。为了改善这一特性, 对QD-SOA全光波长转换器的啁啾特性进行了系统分析, 基于QD-SOA的交叉增益调制效应的全光波长转换原理,采用牛顿法和4阶龙格-库塔法求解速率方程和光场传输方程,计算了注入电流、抽运光脉宽和抽运光消光比变化时QD-SOA全光波长转换器输出变换光的啁啾值。结果表明, 增大抽运光脉宽、减小注入电流和抽运光消光比均可减小变换光的啁啾值, 通过优化这些参量可以减小啁啾的影响, 但在设计QD-SOA全光波长转换器时, 要考虑抽运光消光比和变换光啁啾之间的均衡。

为了实现甲状腺超声图像中结节组织的快速准确分割, 克服图像灰度分布不均匀和边缘模糊对分割结果造成的影响,采用了基于相位一致性改进的活动轮廓分割模型。首先, 利用相位一致性边缘检测原理构造一种新的速度函数, 不仅弥补了梯度算子边缘检测中由于滤波处理造成边缘损坏的缺陷, 而且可以灵活地控制曲线演化速率; 然后, 将该速度函数乘入到无边缘主动轮廓模型的能量项中, 避免了线性组合中的权重分配问题, 同时具有全局分割能力。通过理论分析和实验验证, 改进模型的相对差异度均小于1%, 运行时间均低于对比模型。结果表明, 新模型实现了灰度分布不均匀图像的精确分割, 同时分割效率也有所提高。

为了使侧面抽运全固态355nm紫外激光器输出高质量光束的紫外激光, 采用腔内光束传输矩阵模拟的方法, 进行了谐振腔优化和腔内倍频和频结构设计。通过理论分析和实验验证,取得了输入电功率为280W、声光调制频率为40kHz时, 355nm紫外激光的输出功率为10.58W、激光脉冲宽度20ns、光束质量因子M2=1.3的数据。结果表明,侧面抽运腔内倍频与和频可实现近基模高功率紫外激光的输出。这一结果对紫外激光器的工程化有一定指导意义。