为了测量中红外激光相位及获得阿秒脉冲, 采用高次谐波截止能量随激光相位改变而变化的方法, 进行了中红外激光相位测量及阿秒脉冲输出的研究。引入一束少周期激光场后, 组合场相位对谐波发射截止能量的影响要比单独中红外激光场相位对谐波截止能量的影响明显很多。因此, 提出了一种利用谐波截止能量与相位角的对应关系测量多周期中红外激光相位的方法。同时理论研究了3束中红外激光场下发射高次谐波及阿秒脉冲的特点。结果表明, 适当调节3束激光场的延迟时间和相位角, 不仅谐波发射的截止能量得到了延伸, 而且单一的量子路径也被选择出来对谐波发射起作用, 形成了一个272eV的平台区; 通过叠加谐波谱上的谐波, 可获得一系列脉宽为34as的X射线光源。该研究对中红外激光相位测量及阿秒脉冲的输出是有帮助的。

为了研发紧凑型的射频波导CO2激光器并探究影响其输出性能的因素, 采用平行平面腔内电极结构, 设计并研制了一台射频激励矩形波导CO2激光器。实验中采用透过率为20%的输出镜, 在工作气压14kPa下, 得到12W的最大激光输出功率, 电光转换效率达到9.4%。结果表明, 工作气压和射频输入功率是影响激光输出性能的最主要因素。该研究取得了预期的实验结果, 对国内今后此类器件的研究具有很好的借鉴意义。

为了满足环境监测需求, 需要研制一种能够对挥发性有机化合物(VOCs)成分进行在线高灵敏度、高保真监测, 并适用于傅里叶变换红外光谱探测配备的气体吸收池, 采用光学追迹结合有限元分析的方法, 分别对气体池物镜夹持调节机构与光学整体结构固定方式进行优化设计, 较为有效地解决了在VOCs监测中气体池工作温度要求下光学器件形变校正的问题, 可优化80℃~180℃工作范围内的光能传输效率。给出了一种适用于VOCs气体特定温度条件下吸收池出射能量优化设计的方法, 并以此方法为基础, 设计加工了一型气体吸收池, 进行了热环境测试。结果表明, 该吸收池具备在80℃~180℃工作范围内稳定的传输效率, 能够应用到VOCs在线监测系统中进行测量。

为了适应高速率大色散光纤信道对链路色散的精确补偿要求, 研究并提出了一种基于射频信号2阶零功率点的信道色散测量方案。采用信号两边带的位相差来测量光纤链路中的色散值, 通过在发射端加载射频信号, 可以得到接收端射频信号功率大小随链路色散值的周期性变化关系, 从仿真光纤链路色散随射频信号频率的变化曲线获得接收端射频信号2阶零功率点位置。结果表明, 基于射频信号2阶零功率的信号测量方案色散测量误差可控制在±10ps/nm范围内。相较于1阶零功率点, 基于射频信号2阶零功率点信道色散测量方案可满足高速率、长距离大色散光纤信道对色散值的精确测量需求。

为了获得飞秒激光背部湿刻石英玻璃微通道的最佳参量, 通过分别改变飞秒激光的功率、刻蚀速率和显微物镜的放大倍数进行了实验。采用超景深显微镜对加工样品进行观察和测量, 并分析了微通道的形貌。结果表明, 在飞秒激光功率为50mW、刻蚀速率为0.010mm/s、20×显微物镜聚焦的实验条件下, 可以制备出深度为1466μm、深宽比为32的石英玻璃微通道。此研究对3维结构维纳制造技术有一定的应用价值。

为了研究激光冲击所引起的瑞利表面波在材料表面裂纹检测方面的作用, 采用ABAQUS建立了激光超声无损检测表面裂纹的模型,并模拟激光在材料表面激发瑞利波及瑞利波沿材料表面传播的过程。从激光的峰值压力、空间分布、时间分布3个方面将激光冲击作用等效成力的作用, 体现了激光参量在作用过程中所起到的作用; 同时, 使用无限单元消除了边界的反射回波。通过对接收点处瑞利表面波信号的分析, 进行了不同深度表面裂纹对瑞利波回波峰值影响的定量比较。结果表明, 瑞利反射波的正向峰值与下一次最大正向位移所对应的时间的比值和表面裂纹深度之间存在着线性关系, 进而为实验测量表面裂纹深度提供了一种测量方法。

为了满足基于机器视觉的复杂零件表面质量在线实时检测的需求, 根据双远心成像原理和像差理论基础, 采用ZEMAX光学设计软件, 设计了一款大视场宽景深的双远心光学系统。所设计的系统仅由6块透镜组成, 工作波长在可见光范围内, 系统放大率为-0.061, 工作距离大于390mm,最大视场达到180mm。结果表明, 光学系统的最大畸变小于0.1%, 景深范围达到80mm,调制传递函数在全视场100lp/mm处大于0.4, 远心度最大值控制在0.012°内;各种像差均得到很好的矫正, 像质优良。该设计结构符合双远心系统的总体设计要求。

为了研究涡旋相位编码的径向矢量高斯光束经过高数值孔径物镜之后的聚焦特性, 采用RICHARDS和WOLF提出的矢量积分理论和数值模拟方法, 对聚焦场的特征进行了理论分析和模拟实验验证, 取得聚焦场分布随涡旋相位物理参量之间的数据关系。结果表明, 当单个涡旋相位编码于径向矢量高斯光束时, 在聚焦场能够获得2维的径向和纵向分量;当双涡旋相位对称地编码于径向高斯矢量光束时, 聚焦场会出现两个光学暗点,此光学暗点处的折射率低于周围环境的折射率。这一结果对提高光学微操控的灵活性, 以及对双微粒的捕获与操控是有帮助的。

为了解决目前肠衣企业生产线上胶原蛋白肠衣运行速度不均匀、套缩前后长度变化大, 以及因切刀剪切位置缺少识别标志而产生误差等问题,采用了一种新的胶原蛋白肠衣定长检测法——喷码检测, 设计了一套高精度的胶原蛋白肠衣定长剪切的光电检测系统。系统以现有的内存(TM4C123GH6PM)为微控制单元, 以光电旋转编码器、喷码机、数字型彩色光纤传感器为主要元件, 结合企业现有的肠衣套缩装置, 对肠衣定长剪切生产过程进行了理论分析和实验验证。结果表明, 肠衣的测量精度高达0.1mm,切割误差由±0.3m减少到±0.05m, 平均每根肠衣可减少4%的生产成本。此光电检测系统非常适用于工业应用, 可极大地提高企业竞争力。

为了研究玻璃衬底上的亚波长紧凑金属柱阵列薄膜的光透射增强特性, 采用3维时域有限差分法进行了模拟, 得知该膜的增强光透射谱呈现单主峰带结构, 透射谱的峰值位置和带宽也因金属柱阵列周期和金属柱高度的不同而不同, 并对金和银两种金属的模型进行了优化计算和分析。结果表明, 银柱阵列的峰值归一化透过率最大可达到4.55, 通过改变阵列周期可使峰值波长在800nm~1600nm之间变化, 其透射带的半峰全宽也由220nm增加到380nm。此研究结果为光带通滤波微器件的设计提供了一种新的方案。

为了解决布里渊光纤传感系统中半导体激光器光源输出功率和波长易受驱动电流和温度影响的问题, 设计了一种高精度恒流驱动和温控电路。该电路利用深度负反馈积分电路对激光器驱动电流进行精密的恒流控制, 同时采用集成温度控制芯片MAX1978控制半导体制冷片的工作电流, 实现对激光器工作温度的精确控制。结果表明, 本设计实现了驱动电流0mA～100mA可调, 电流控制最大相对误差为0.06%, 电流稳定度为0.02%, 温度控制最大误差为0.03℃, 在温控的条件下, 光功率稳定性达到0.5%, 最大漂移量为0.005dBm。该设计实现了对电流和温度的有效控制, 保证了输出光的稳定性。

为了研究银-光子晶体-银结构中两种偏振光Tamm态的吸收性质, 采用银介电常数的Drude-Lorentz色散模型和特征矩阵法, 研究了吸收率随入射角、随周期数以及随银层厚度的变化规律。结果表明, 在银-光子晶体-银结构中两种偏振光都会出现两个光学Tamm态(OTS), 即OTS1和OTS2。两种偏振光的OTS1和OTS2的吸收峰值随着入射角的增大而逐渐增大, 随着周期数的增大而缓慢增大, 随着银层厚度的增大而明显增大。这些结论丰富了对银-光子晶体-银结构中两种偏振光Tamm态的吸收特性的认识。

为了在放电激励准分子激光的电磁干扰环境下, 实现有效的抗干扰控制系统设计, 采用全光纤接口设计和基于电压频率转换实现的高精度模拟信号传输的方法, 取得了放电准分子激光空间电磁干扰强度和压频转换波形等数据, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 在最强电场干扰14V/m、最强磁场干扰38A/m的条件下, 系统能够实现误差小于2.5%的模拟信号稳定传输, 工作稳定可靠。这一结果对分析和设计能够稳定工作并抗干扰的准分子激光器控制系统是有帮助的。

通用原子(航空系统)公司高能激光器得到了高能液体激光区域防御系统(HELLADS)计划的经费支持, 目前已发展到第3代系统, 并通过了美国政府验收。首先对HELLADS计划相关信息进行了梳理, 分析了其产生背景、研制阶段、支持经费和相关技术进展。其次详细研究了通用原子公司高能激光器的系统结构、技术路线、抽运方式、技术特点和性能指标。通过综合分析可知, 通用原子公司第3代高能激光器模块采用紧凑的锂离子电池提供电力, 输出功率为75kW, 光束质量β<2, 电光效率接近30%, 模块尺寸为1.3m×0.4m×0.5m, 重量/功率比为4kg/kW, 持续运行时间超过30s, 适合于安装在各种小型战术平台上。最后评述了该激光器输出功率定标放大的技术途径, 探讨了其后续发展方向。

为了掌握长程表面等离子体波的共振角度、共振峰半峰全宽以及衰减峰深度等重要特性, 采用棱镜耦合激发介质-金属薄膜-介质对称结构中的长程表面等离子体波, 研究了金属膜材料、厚度、介质折射率及介质厚度等参量变化时对长程表面等离子体波特性的影响。结果表明, 实验中激发的长程表面等离子体波的衰减峰半峰全宽比传统的窄1~2个数量级;当介质膜厚度为500nm和1300nm时, 激发的表面等离子体波的衰减深度只有薄膜厚度为700nm和1000nm时的1/2左右;随着介质膜厚度的增加, 半峰全宽减小, 金属膜越薄, 衰减深度越深, 衰减峰的半峰全宽值越小;介质膜折射率的改变对于半峰全宽的影响不明显;金属膜参量的变化将改变共振峰的位置。该研究为长程表面等离子体波的激发及应用于传感领域提供了有效依据, 有利于其在波导和生物传感等方面的应用。

为了讨论三腔镜近似或耦合腔近似两种等效腔模型对计算光纤光栅外腔半导体激光器等效反射率等参量的近似程度, 挑选出最优的理论模型, 采用数值计算的方法进行模拟仿真, 得到了两种模型在采用切趾光纤Bragg光栅和非切趾光纤Bragg光栅情况下的阈值增益等特性曲线。结果表明, 在采用切趾光纤Bragg光栅, 特别是切趾深度较大的情况下, 采用三腔镜近似模型更加符合实际情况。此研究结果对分析和设计单纵模光纤光栅外腔半导体激光器具有一定的参考价值。

为了研究激光冲击强化对TC17钛合金高周疲劳性能的影响, 对TC17钛合金进行激光冲击强化处理, 并对处理前后的试样进行了高频疲劳试验, 对疲劳断口和形貌用扫描电镜和透射电镜进行了观察。7J能量激光冲击2次后, 材料在300MPa下的疲劳寿命相比未处理的材料提高了近2倍;相比于母材试样, 强化试样的裂纹源位于次表层深处, 扩展区的疲劳条带排列更加紧密。结果表明, 激光冲击强化后, 试样表面强化区域产生高密度位错和位错缠结。这些缺陷能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展, 进而改善TC17钛合金的高周疲劳性能。

为了实现对微小位移的测量, 研制了一套基于单模光纤输出半导体激光器和2维位置敏感探测器的位移检测系统, 可以有效地抑制环境光噪声。对半导体激光器的注入电流进行1kHz的调制, 实现输出光功率的调制。在信号处理电路中, 采用相敏检波技术, 解调探测器的输出交流信号, 得出光斑能量中心位置, 消除外界干扰。结果表明,测量精度优于1μm。这一结果对于多自由度误差检测是有帮助的。

为了研究4H—SiC晶体在强激光辐照下电子特性及其变化, 采用基于密度泛函微扰理论的第一性原理赝势的方法, 对纤锌矿4H—SiC晶体在强激光照射下的电子特性的变化进行了理论分析和实验验证。结果表明, 电子温度Te在0eV～2.75eV范围内时, 4H—SiC仍然是间接带隙的半导体晶体;当电子温度Te升高达到并超过3.0eV以上时, 4H—SiC变为直接带隙的半导体晶体;电子温度Te在0eV～2.0eV变化时, 带隙值随电子温度升高而增大; 电子温度Te在2.0eV～3.5eV变化时, 带隙值随电子温度Te的升高而迅速地减小;当电子温度Te高于3.5eV以后, 带隙已经消失而呈现出金属特性。该研究对制作4H—SiC晶体特殊功能电子元件是有帮助的。

为了解决激光切割钢化玻璃过程中由于热应力导致产生裂纹并发生破裂的技术难题, 建立了光液耦合模型, 采用FLUENT软件进行了耦合腔内多场分析, 获得了微水导激光切割钢化玻璃的工艺参量。结果表明, 在喷口口径为0.4mm、水束压力为20MPa、激光功率为48W、切割速率为20mm/s的工艺条件下, 厚度为0.5mm及1.0mm的玻璃试样的切割表面均比较光滑、基体内无微裂纹存在, 切缝宽度约为100μm。该双注水口耦合装置的设计是合理的, 能够满足钢化玻璃切割工艺的要求。

为了提高激光测风雷达性能, 采用数学建模的方法, 基于环行器工作原理, 分析了环行器出射光束质量, 讨论了光束发散角对目标距离处激光峰值光强的影响, 提出了环行器光束接收效率定义, 研究了发射和接收光轴偏轴度对探测距离的影响。并搭建实验平台, 取得远场光斑参量, 验证了仿真结果。结果表明, 随着出射光束发散角增大, 相同作用距离处的相对峰值光强减小; 雷达探测距离主要受偏轴角度的影响, mrad量级的偏角会使探测距离减小89.7%。因此, 应合理增大光学天线准直倍率, 并且设计的角度调节结构精度应优于0.1mrad量级。

为了研究激光焊接工艺参量以及焊接材料对熔池、小孔形貌的影响, 搭建了激光焊接同轴监测系统, 对比研究了有无辅助光源和不同工艺条件下、采用中心波长分别为532nm和808nm窄带滤光片同轴监测的熔池、小孔图像特征。结果表明, 采用808nm激光辅助光源照明和808nm窄带滤光片, 可清晰地拍摄到熔池、小孔以及穿透孔特征图像; 相同的工艺条件下, 熔池变化小, 小孔动态波动且波动幅度小, 穿透孔的时变动态特征较小孔则明显不同; 熔池宽度随激光功率的增加而增大, 随焊接速率增大而减小; 不同材料激光焊接的熔池、小孔和穿透孔的同轴监测验证了本监测系统的稳定性。该研究对激光焊接质量实时监控有理论指导意义。

为了提高光纤安防系统的准确预警能力, 采用希尔伯特-黄变换法对光纤振动传感器信号产生原理和典型的光纤振动信号进行了分析, 获得了传感器不同状态下信号的时频谱, 并与通过连续小波变换得到的时频谱进行了对比分析。结果表明, 希尔伯特-黄变换在光纤安防系统的时频分析中具有重要价值。

为了实现信号光在光纤链路上的准无损传输, 采用在光纤两端对称注入1阶和2阶喇曼抽运的高阶喇曼放大方法, 对该结构下的光纤准无损传输系统建立了理论仿真模型, 并对该系统进行了仿真优化, 研究了在不同的1阶和2阶抽运功率组合方案下, 系统总功率消耗和信号沿光纤功率平坦度的变化, 以及信号光功率和光纤长度对系统性能指标的影响。结果表明, 采用过高功率(大于1mW)的入射信号光, 会恶化系统整体性能; 当光纤的长度过长时(大于60km),系统的平坦度指标恶化明显。采用该方案能实现60km的准无损传输, 并且可以通过系统所需能耗和信号平坦度的实际需求, 设计出不同的抽运功率组合方案。

为了研究磁场对激光焊接的影响, 采用在工件旁放置永磁铁、提供横向或者纵向常磁场对不锈钢进行激光电流热丝焊接的方法, 结合焊缝横截面形状以及焊缝组织等, 对不同磁场下激光热丝焊接头进行了分析。结果表明, 磁场的加入对焊接过程和接头形状有显著影响, 适当的磁感应强度能稳定激光热丝焊接过程, 磁感应强度过大则易造成大量飞溅; 焊缝接头的形状随磁场的方向、极性以及磁感应强度的变化而改变; 横向磁场的加入能提高激光热丝焊接效率; 磁场还能减少焊缝柱状树枝晶区域, 促进胞状晶的形成, 提高焊缝的显微硬度值。外加磁场在焊接熔池中产生了安培力, 安培力是搅拌熔池的主要作用力, 从而改变液态金属流动, 造成激光热丝焊接头形状和组织的改变。

为了实现生物组织及相位光栅等透明相位物体的快速定量相位测量与成像, 基于共轴干涉及相衬干涉原理, 构建了一套相位物体定量相位快速测量与成像系统。分析了定量成像原理, 设计了相应的相位提取及恢复算法。通过拍摄单幅或两幅相衬图, 实现了相位光栅、水滴等小相位变化的相位样品的定量相位测量与成像。设计了相应的分区差分相位解包裹算法, 实现了相位值超过π的微透镜的定量相位测量与成像。结果表明, 通过该系统测量所得到的全息相位光栅的相位分布以及不同超声驱动电压下弱超声驻波光栅的相位振幅变化关系与其它方法所得的测量结果基本一致; 微透镜的实验测量厚度值与理论计算值相比, 绝对误差约为0.03μm。本系统具有一定的可行性和适应性, 在生物细胞和组织等透明相位物体的快速测量与成像方面有潜在的应用意义。

为了研制高功率光纤激光器的掺镱纤芯材料, 采用高温熔融法制备了0.70SiO2-0.18Li2CO3-0.04MgCO3-0.04BaCO3-0.02Al2O3-0.02Yb2O3(摩尔分数)锂硅酸盐玻璃样品, 测试了其吸收光谱和858nm激发下的荧光光谱, 进一步对光谱和激光性能参量进行了理论计算。结果表明, 样品的主荧光峰位于1036nm附近, 荧光有效线宽为94.1nm, 吸收截面为1.143pm2, 发射截面为1.024pm2, 荧光寿命为0.98ms, 激发态最小的粒子数仅为0.042, 最小抽运强度为0.76kW·cm-2。与近年来相关文献中报道的镱掺杂玻璃相比, 该掺镱锂硅酸盐玻璃在光谱及激光性能上比较有优势, 有望在研制镱掺杂光纤中得到应用。

为了对石油气挥发性有机化合物的主要成分进行实时监测, 实现石油化工行业的安全生产, 采用激光光谱分析技术、利用宽谱光源分析了丙烷在1686.00nm~1687.00nm波段的光谱吸收特征, 获得了吸收系数随波长变化的洛伦兹线型, 其半峰半宽为0.21nm。选择中心波长为1686.30nm的分布反馈式半导体激光器作为光源, 在丙烷宽谱吸收峰范围内进行波长扫描, 得到了一次谐波信号和二次谐波信号随丙烷体积分数的变化规律, 并在丙烷的体积分数0.0050~0.0300范围内标定了二次谐波与一次谐波信号的比值与体积分数的线性关系。结果表明, 实验系统有很好的稳定性与重复性, 能够进行实时的丙烷在线检测。该研究为探测其它挥发性有机化合物气体提供了理论及实验参考。

为了达到全变差噪声消除的图像去噪目的, 将去噪问题转换为优化问题。采用了结合广义最小残差法的半光滑牛顿法来解决相关优化问题, 求解非对称线性方程组, 进行了理论分析和实验验证, 取得了将该方法与其它方法应用于1维信号、2维图像去噪实验的大量可行数据。结果表明, 结合广义最小残差法的半光滑牛顿法的收敛速度比结合预处理共轭梯度法的半光滑牛顿法和交替方向乘子法更快, 而且能够有效地消除噪声。

为了实现光电成像系统对半空域目标的成像、探测和告警, 以大视场成像理论和像差理论为基础, 采用缩放法对光学系统鱼眼透镜进行了理论分析和仿真设计。利用桶形畸变及光阑彗差来增大像面照度的均匀性, 通过光线追迹减小系统轴外像差, 对系统成像质量进行多次评价与分析, 并推导了透镜成像的畸变校正模型。结果表明, 在可见光波段, 得到了成像质量良好的鱼眼透镜, CCD有效像面尺寸为8.446mm×7.042mm, 有效像素为2448×2050, 视场为180°, 焦距为2.24mm, 相对孔径为1∶2.8, 像面照度均匀性达到90%以上, 点列图弥散斑均方根半径值小于1/2像元, 光学传递函数在145lp/mm空间频率处大于0.4。全向凝视光电成像系统可实现半空域目标实时探测。

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题, 对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析, 并采用2维粒子模拟方法, 对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明, 当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时, 在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构, 在激光辐射压的不断推进下, 双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场; 在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量, 质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。