为了获得目标区域的高精度3-D距离图像, 采用自研带读出电路的雪崩光电二极管(APD)面阵探测器组件, 研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域, APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号, 经信息处理获得目标区域3-D距离图像, 对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明, 所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像, 成像距离达1.2km, 距离分辨率为0.45m, 成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。

为了提高太赫兹相干层析成像系统的纵向分辨率, 采用色散补偿方法解决了宽带光源做成像光源带来的色散问题。基于评价函数的迭代补偿算法对降噪滤波后的原始信号进行色散补偿, 得到了较为清晰的3维重构图像。结果表明, 在迭代补偿算法的计算中, 无需预知样品的厚度信息以及色散特性, 即可获得高精度的3维重构图像, 纵向分辨率高达100μm。该研究在高精度的材料无损探测领域具有较大的研究价值和广泛的应用前景。

为了研究不同腔内净色散下单脉冲被动锁模光纤激光器的输出特性, 采用以非线性薛定谔方程为数学模型和分步傅里叶的方法, 对激光脉冲在腔内的演化进行了理论分析。获得了在保持单脉冲稳定输出时激光器一些参量与腔内净色散的变化关系, 并针对净色散为正的情况, 对输出脉冲进行了腔外解啁啾压缩, 压缩比达到10倍以上, 分析了压缩所需的负色散值以及压缩后脉宽的情况。结果表明, 小信号增益系数最大值与净腔色散大体上成正比关系, 且当小信号增益系数达到最大值时, 输出脉冲的脉宽以及相应的时间带宽积呈现逐渐增加的趋势, 3dB带宽则呈现出先增加后减少的趋势。该研究结果为优化被动锁模光纤激光器提供了参考。

为了识别激光焊接过程中间隙和错边缺陷, 采用自身搭建的光纤激光焊接在线监测系统, 实现不锈钢焊接过程中等离子体可见光信号及熔池红外光信号的实时监测, 并利用滤波和短时傅里叶变换的信号处理方法对不同缺陷的光信号进行数据分析。得到了信号时域频域随焊接缺陷的变化规律, 当出现间隙缺陷时, 可见光信号时域幅值从1.5V降至0.2V, 1000Hz~4000Hz频率成分缺失, 红外光信号时域幅值由3.5V降至1.0V, 2000Hz~7000Hz频率成分缺失; 当出现错边缺陷时, 可见光信号时域幅值从2.0V降至0.5V, 红外光信号时域幅值由4.0V降至0.5V, 两者0Hz~1000Hz频率成分均缺失。结果表明, 可见光信号与红外光信号与激光焊接状态存在一定的相关性, 利用光信号的幅值与频率的变化可以有效地识别激光焊接过程中的缺陷。这对实际生产具有一定的应用价值。

为了研究ZnF2作为基质材料、稀土离子Yb3+和Er3+共掺摩尔分数不同时的发光性能, 采用高温固相法, 在820℃时制备稀土掺杂ZnF2样品, 并对各个样品进行上转换发射光谱测试。将激发功率与上转换发射功率进行曲线拟合, 确定Yb3+和Er3+光子吸收过程。结果表明, 在980nm半导体激光器激发下, 样品在可见光区域内存在533nm,555nm和655nm 3个上转换发射峰, 发射的红光强度大于绿光强度, 吸收光子数目依次为1.73,1.75,1.88, 确定3个发射峰均对应于双光子吸收。此研究说明稀土离子掺杂ZnF2材料将在上转换红色荧光粉领域有重要的应用前景。

为了提高大功率双包层光纤激光器的光束质量、光谱特性以及光纤系统的稳定性, 设计了一种用于滤除光纤内包层残留光的新型高功率包层光滤除器。采用蒙特卡洛算法以及光线轨迹追踪法对包层光滤除器进行了数值计算, 评估包层光滤除器的滤除能力, 并借助计算流体力学软件ANSYS, 分析包层光滤除器的温度场分布。结果表明, 优化级联结构后的包层光滤除器的滤除效果达到16.7dB, 降低了包层光滤除器的热点温度, 在600W的输入功率下, 热点温度降低了20.8℃, 实现了包层光功率的均匀滤除;在滤除功率达到千瓦量级时, 该包层光滤除器仍能够稳定工作在70℃以内, 满足大功率光纤激光器系统稳定运行的要求。

为了实现高功率905nm InGaAs脉冲激光二极管激光脉冲宽度和峰值功率可调, 采用现场可编辑门阵列产生触发脉冲、集成模块EL7104C作为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动、以MOSFET为核心开关器件控制高压模块和储能电容之间充放电的方法, 设计了脉冲激光二极管驱动电路, 对驱动电流特性进行了理论分析和实验验证, 取得了不同电容和高压条件下的电流脉宽和峰值数据, 分析了具体变化关系, 并以此进行了光谱和功率-电流特性测试。结果表明, 影响驱动电流脉宽和峰值电流的关键因素是电容大小和充电高压, 脉冲激光二极管驱动电流峰值在0A～40A、脉宽20ns～100ns时可控调节, 脉冲激光二极管最大峰值功率输出可达40W, 实现了脉冲式半导体激光器输出功率和脉冲宽度的可控调节。该设计与分析对近红外高功率脉冲激光器的可控驱动设计具有一定的实用参考意义。

为了产生具有特殊性质的聚焦矢量光场, 根据狭槽天线与线偏振片的相似性, 设计了刻蚀有多个不同方向狭槽天线环形阵列的超表面, 作为离散型复振幅光瞳滤波器使用。以径向偏振入射光为例, 经该滤波器并经大数值孔径透镜紧聚焦后, 可获得衍射受限的超长3维光管场。结果表明, 由于狭槽天线具有局域调控入射光场振幅和相位的特性, 各个环带上具有各自特定的透射率, 同时具有特定的二元相移(0/π)分布, 可以用来实现具有特殊性质的矢量光场。这种结构的超表面对矢量光束的产生与调控提供了新途径。

为了得到9.3μm的激光输出, 采用比较5种CO2同位素气体小信号增益系数的方法, 进行了理论分析。选择同位素气体12C18O2作为射频激励板条波导CO2激光器的工作介质, 进行了实验验证, 得到了9.3μm的激光输出; 并对激光器的工作气压进行优化, 在10.00kPa的工作气压下, 得到了最大96W的功率输出。结果表明, 12C18O2的中心波长在9.3μm附近, 且可得到高功率的激光输出。该研究有利于9.3μm CO2激光器的国产化, 以及提高核心部件的国产化率。

为了探究钛合金-不锈钢异种金属焊接的特殊性, 更好地提升两金属间的焊接性能, 采用在钛合金与不锈钢之间加入填充层黄铜进行焊接的新方法, 进行了理论分析和实验验证。应用ANSYS有限元分析软件分析得出填充层-黄铜的合理厚度应在0.5mm～0.7mm左右, 并基于仿真结果对填充层黄铜厚度为0.5mm～0.7mm的钛钢异种金属焊件进行焊接实验, 对焊接试样进行硬度、抗拉性测试及扫描电镜观察。结果表明, 填充层黄铜的厚度为0.6mm时, 钛合金-不锈钢异种金属激光焊接试样的焊缝形貌和力学性能较好。

为了研究100W皮秒激光对碳纤维复合材料(CFRP)切割工艺, 采用单因素实验方法, 进行了理论分析和实验验证, 得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律, 并对1.5mm厚碳纤维复合材料板进行了切割实验。结果表明, 选取平均功率为60W、重复频率为0.4MHz、扫描速率为10m/s、轨迹重复扫描20次、切缝上表面宽为350μm等适当参量时, 得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割CFRP的进一步研究与工业应用提供了参考。

为了获得一个较宽的等离子诱导透明(PIT)窗口, 提出了一种双层可调谐的太赫兹超材料结构。采用仿真方法对该结构的透过率谱、电场图和电流图进行了分析, 并通过数学模型分析了透射窗口形成机理。结果表明, 该结构可以使亮模式谐振器的移动空间更大, 而且可以得到一个较宽的透射窗口; 该结构能通过平移I形金属棒的位置进而控制PIT窗口的宽度。仿真结果与理论结果拟合得很好。

为了研究高能脉冲CO2激光诱导空气等离子体放电通道的特性, 建立了高压电容充放电实验平台, 激光束经离轴抛物聚焦镜汇聚, 引发间距可调的盘状电极和针状电极之间的等离子体放电通道。利用电气参量测量、发射光谱测量等手段, 分析了等离子体放电通道的启动特性、阻抗特性和等离子体密度。结果表明, 激光束与放电方向同轴的结构以及较大的脉冲能量, 使得激光诱导等离子体放电通道的启动时间大幅缩短, 50mm间距的等离子体通道, 启动时间约为2μs; 激光诱导等离子体放电通道的阻抗很小, 约1Ω~2Ω, 并且阻抗值随放电电压的增加有减小的趋势, 而与等离子体通道长度的关系不明显; 由谱线的Stark展宽计算获得的空气击穿之后、放电启动之前的等离子体电子密度约为1019cm-3, 尽管放电启动时等离子体辐射显著增强, 但等离子体密度近乎单调下降。这些结果将有利于高能脉冲CO2激光诱导空气等离子体放电通道的应用研究。

为了深入了解分布式反馈激光器(DFB)的发光机理与调制特性, 通过理论分析和实验对DFB的调谐特性进行了研究。得到FITEL和JDS Uniphase 两款激光器调制电流与输出中心波长的对应关系和两种确定系数不同的拟合方程, 证明了这两款DFB激光器在实际应用中存在非线性关系。结果表明, FITELFRL15DCWD-A82激光器的3dB带宽与驱动电流幅值关系为3.715pm/mA; 该调制结果优化了该激光器的可用相干长度, 并验证了驱动信号频率变化不影响3dB光谱宽度。对DFB激光器低频调制特性的定量分析结果可为相干检测系统驱动电路设计提供实验依据。

为了解决传统热风炉拱顶测温系统存在的维护难度大、发射率难以确定等问题, 采用了双波段对数比放大测温方法, 并对其进行了理论推导和实验验证。结果表明,在设定温度不变的前提下, 该方法的测量结果与随着时间改变的温度几乎保持一致; 并验证了设定温度与测量温度之间的关系, 本系统测温误差绝对值在6℃以内, 测量精度高; 也验证了LOG112输出电压与真实温度的倒数呈线性关系, 这与理论推导一致。该研究将辐射测温与对数比放大技术相结合, 对于解决现存问题及提高拱顶测温精度具有重要意义。

为了提升激光器径向偏振光的输出功率, 改进了原有W形轴锥镜内锥角为90°的结构。为研究光束在轴锥尾镜单元的传输特性, 采用几何光学分析了轴向入射下、W形轴锥镜底角为90°时, 内锥角的改变对出射光的影响, 发现出射光的位置及方向不发生变化; 为研究轴锥镜的热畸变特性, 模拟了W形轴锥镜的温度形变, 可知内锥角变大时整体温度变小且分布更加均匀。结果表明, 随着内锥角的变大, 光束中心的光程减少量相对于光束边沿的光程减少量增大;采用Fox-Li数值迭代法模拟了引入上述形变后谐振腔的激光模式, 得出在内锥角为100°时温度形变对光束模式的影响最小。通过对W形轴锥镜温度形变的研究, 可为优化W形轴锥镜的设计提供参考。

为了研究工艺参量对激光选区熔化纯铜粉末成形件尺寸精度的影响, 采用正交实验对纯铜粉末进行了激光选区熔化成形研究。分析了铺粉厚度为0.05mm时, 工艺参量对成形件尺寸绝对误差的影响规律及各因素对尺寸精度的影响机理, 确定了各工艺参量对尺寸绝对误差影响的主次顺序为扫描间距＞扫描速率＞激光功率＞扫描路径, 得到最优的工艺参量组合为激光功率360W, 扫描速率1050mm/s, 扫描间距0.08mm, 扫描方式是spiral。结果表明, 成形件尺寸绝对误差随激光功率的增大而增大, 随扫描速率、扫描间距的增大而减小; 不同扫描路径对尺寸绝对误差的影响差别较小; 在因素水平范围内, 尺寸绝对误差随体能量密度的增加而增大。该研究为激光烧结纯铜粉末时的参量选择提供了一定依据。

为了研究激光焊接镁/铝异种金属的工艺方法, 采用4kW光纤激光器对AZ31B镁合金和5083铝合金进行了添加Zn中间层的焊接试验, 得出了Zn中间层对镁/铝异种金属激光焊接接头的影响机理。结果表明,焊接接头组织较为均匀, 热影响区不明显; 镁侧熔合区及焊缝中心部位以α-Mg和α-Mg+Mg17Al12共晶组织为主, 底部为Al固溶体及Mg/Al,Mg/Zn间化合物组成的混合组织; 随着Zn中间层厚度的增加, 焊缝底部生成的Mg/Zn化合物数量增多, Mg/Al间化合物数量明显减少, 且连续分布的状态得到改善, 剪切断裂由解理向混合断裂方式过渡; 当中间层厚度为0.1mm时, 拉剪强度达到最大值25.47MPa。该研究对提升镁/铝异种金属焊接接头的强度是有帮助的。

为了实现基于光纤传感器的金属腐蚀在线监测, 以金属Q235腐蚀声发射在线监测为目标, 采用分布式布喇格反射(DBR)光纤激光器作为腐蚀声发射传感器的方法, 通过对偏振正交DBR光纤激光器的工作机理及模型进行研究, 分析了偏振正交双频DBR激光器用于腐蚀声发射传感器的谐振腔参量对其性能影响的规律, 并进行了基于偏振正交双频DBR激光器的声发射检测实验, 实现了偏振正交DBR光纤激光器的优化设计, 提出了表征Q235碳钢腐蚀阶段的特征量。结果表明, 偏振正交DBR光纤激光器不仅能实现对金属腐蚀声信号的检测, 其检测频带范围为0MHz~1MHz, 还能实现通过平均拍频值的变化来表征金属腐蚀主要的3个腐蚀阶段。该研究为偏振正交DBR腐蚀声发射传感器及组网的优化设计与制作提供了理论和技术基础, 对金属腐蚀特别是核级关键材料的在线腐蚀监测具有重要意义。

为了满足自适应光学系统校正高阶像差和在低温环境下正常使用的要求, 研制了一块913单元的分立式连续表面变形镜。利用300mm口径Veeco干涉仪对变形镜的部分静态性能进行了面形影响函数测量、面形展平测试和Zernike像差拟合测试, 并利用4-D动态干涉仪测量了变形镜从20℃~-10℃的面形。结果表明, 913单元分立式连续表面变形镜各驱动点的最大变形量为±3.5μm, 相邻驱动器之间的交连值为9.3%; 展平后的镜面面形波峰波谷值为66.0nm, 均方根值为5.0nm; 913单元变形镜对Zernike多项式的拟合能力达到了设计要求; 变形镜的低温镜面变形不影响系统的正常使用。该913单元变形镜能够满足自适应光学系统的实际使用要求。

为了探索新型高灵敏度光电拾音器技术方案, 基于光学隧穿效应研究, 将声压变化转换为全反射棱镜中全反射面与摆片光学面之间的光学隧穿距离变化, 从而改变光束在棱镜全反面处的反射(透射)损耗, 通过直接测量反射(透射)光的功率变化, 实现拾音器基本功能。利用半导体激光器和直角全反射棱镜搭建了一套简易的原理验证实验系统, 并利用该系统对三角波信号驱动进行了实验。结果表明, 反射光功率会随着三角波信号的改变而改变, 光功率改变达到5.6%;由声音引起的玻璃振膜距离变化也可改变输出光功率, 并被检测出来。初步验证了该方案的可行性。

为了解决在弹幕**射击时的恶劣环境下, 频域分布复杂的炮口振动信号测试难题, 采用线激光散斑场光电检测方法, 研究了振动信号与输出电流数学关系, 分析了基于雪崩光电二极管的光电检测电路噪声与幅频特性, 提出了一种基于身管表面线激光散斑效应的炮口振动测量的方法, 并进行了25m远处的振幅在微米级、频率为50Hz~16kHz振动信号的检测实验。结果表明, 线激光散斑检测炮口振动振幅在微米量级。该测量方法具有频率响应范围宽、测量距离远、灵敏度高等优点, 实现了远距离、宽频域振动信号的检测。

为了提高星载激光雷达探测灵敏度, 采用高增益放大电路设计了探测电路, 理论分析了探测概率、虚警率、信噪比等指标的制约关系, 对带宽、增益、阈值门限等参量进行优化设计, 并进行了实验验证。结果表明, 探测电路实现了灵敏度9nW, 探测概率95%, 虚警概率10-5, 相比国内同类产品有显著提高。这一结果对星载激光雷达的发展是有帮助的。

为了在限定的包络结构内完成小型激光器冷却部件的设计, 并保证激光器和冷却部件的安装精度、发射天线的精度和水箱的散热能力, 根据该激光器的技术指标, 确定了采用的金属材料和焊接方式, 进行了一体化和小型化设计。采用有限元分析软件和SolidWorks软件对冷却部件中的重要零件进行静态分析, 以确保其精度和可靠性。最后将加工完成的实物进行温度特性试验、冲击振动特性试验和高低温环境下叠加冲击振动试验。结果表明, 冷却部件未出现撕裂、漏液等质量问题; 激光器的束散角为2.5mrad, 输出能量为86mJ, 脉宽为12ns, 满足设计要求。该设计稳定可靠, 可运用于多种机载激光测距机或指示器。

为了实现室内大范围环境激光测距, 采用三角测距原理设计了一套高速激光测距系统。该系统采用高分辨率线性CCD传感器采集环境信息并输出二值化信号, 由32位单片机对二值化信号进行处理, 利用分段拟合法得到的距离解算算法对二值化信号进行解算, 从而得到激光光斑与测距模块镜头中心的距离; 最后进行了实验验证。结果表明, 测距仪具有714Hz的测量频率, 最大测量距离为6311mm, 最小测量距离为48mm, 平均误差为2.8mm, 最大测量误差为11mm。该测距系统可满足室内大范围环境测量的要求。

为了解决现有图像加密算法存在随图像尺寸变大导致加密时间迅速增加的问题, 采用基于logistic和Arnold映射的改进加密算法实现了快速图像加密算法的优化。该算法基于两种混沌映射对原文图像进行像素置乱和灰度值替代, 像素置乱是按图像大小选择以H个相邻像素为单位进行, 通过适当调整H的取值实现加密时间优化; 灰度值替代是利用Arnold映射产生混沌序列对置乱图像进行操作而得到密文图像。结果表明, 对于256×256的Lena标准图像, 加密时间降低到0.0817s。该算法具有密钥空间大和加密速度快等优点, 能有效抵抗穷举、统计和差分等方式的攻击。

为了研究稀土元素CeO2对激光熔覆涂层性能的影响, 以45#钢为基体、Ni60和Ni60+CeO2粉末为熔覆材料, 采用激光熔覆多道搭接工艺制备了含不同含量稀土氧化物的熔覆层。通过对熔覆层着色探伤、显微组织观察、显微硬度测定的试验, 分析不同含量的稀土氧化物对熔覆层表面裂纹数量、显微组织、硬度的影响规律。结果表明,CeO2的最佳掺杂质量分数为0.004; 适量稀土元素CeO2的掺杂, 可使熔覆涂层裂纹数量减少, 熔覆层的显微组织更加均匀而细小;熔覆涂层表面显微硬度远高于基体, 维氏硬度是基体的3.6倍, 搭接区域硬度值是基体的3倍左右。这表明稀土元素的添加可以抑制裂纹、细化晶粒, 并在一定程度上提高熔覆层硬度。

为了在模具上加工出特定的毛化形貌和尺寸, 采用计算流体力学软件Fluent探究形貌成型机理, 建立了激光毛化过程3维瞬态模型。考虑热传导、热对流、材料热物性参量等影响因素, 采用焓法处理固液相变移动边界, 通过用户自定义函数加载激光热源, 计算得出熔池温度场与流场。基于数值模拟, 采用单因素轮换法进行了毛化工艺试验, 研究了激光功率密度、脉宽两因素对毛化形貌、几何参量的影响。结果表明,激光功率密度在2.04×104W/mm2~3.57×104W/mm2, 脉宽在100μs~1000μs之间;以氮气作为辅助气体, 可获得球冠状、凹顶球冠状、M状3种形貌。该结果对模具毛化种类具有指导意义。

为了实现低成本、高精度的折射率测量,采用飞秒激光微加工技术, 制备出基于U形微结构的多模光纤液体折射率传感器。研究了传感器的通光功率变化值与U形槽深度以及U形槽内液体折射率的关系, 同时探究了在相同光损耗情况下不同烧蚀长度对灵敏度的影响, 并使用射线理论和模式理论对传感机理进行了分析。结果表明, 该传感器在折射率1.3331~1.3731范围内具有良好的线性响应, 且可以做到5700μW/RIU的灵敏度; 同时在10dB损耗情况下20μm烧蚀长度具有较好的灵敏度。该传感器具有结构简单、容易制备、灵敏度高和低成本等优点, 在化学、生物、医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。

为了挖掘高光谱数据的光谱局部特征, 从高光谱遥感数据内在的非线性结构出发, 提出了一种基于光谱梯度角的高光谱影像流形学习降维方法。采用局部化流形学习算法局部保持投影(LPP)对高光谱遥感数据进行非线性降维, 对距离度量进行改进, 将能够更好刻画高光谱影像光谱局部特征的光谱梯度角相似性度量应用于LPP方法, 并用真实高光谱图像进行降维实验, 取得了优于LPP方法和采用光谱角的LPP方法的结果。结果表明, 在光谱规范化特征值方面, 所提方法优于LPP方法和采用光谱角的LPP方法; 在信息量的保持方面, 具有更好的局部细节信息保持量。采用光谱梯度角的流形学习方法用于高光谱影像降维能取得较好的降维效果。