为了实现对脉冲位置调制传输系统光纤信道中偏振模色散的动态监测, 提出了一种新型偏振膜色散监测方案, 并基于监测原理构建了数学模型。该方案基于单边带内不同偏振信号相位差实现, 具有结构简单、易于实现、成本低等优点。结果表明, 本方案可以实现对光信号的差分群延时与偏振态的动态监测, 即当差分群延时在0ps~100ps范围内时, 可准确监测; 同时证实了其与信号速率关系较小, 能够适应不同速率的系统, 且可对脉冲位置调制传输系统的偏振模色散进行实时动态监测。该方案是一个高效可行的偏振模色散监测方案。

为了获得高功率、高重复频率的紫外脉冲激光器, 采用1064nm基频光通过三硼酸锂(LBO)晶体与3次谐波355nm进行和频得到4次谐波266nm紫外激光的方法, 进行了实验验证, 取得了重复频率为20kHz、紫外激光器的平均输出功率为2.5W、红外到紫外的转换效率为12.5％的实验数据。结果表明, 此脉冲激光器利用LBO晶体在高重复频率下取得了较大的紫外平均输出功率。

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量, 提高发射光学系统口径的利用率, 采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法, 通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上, 设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置, 针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验, 取得了与理论分析一致的数据。结果表明, 采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量, 光束束腰直径由45mm减小为32mm, 光束质量因子M2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。

为了研究双体布喇格光栅外腔二极管激光器的衍射特性, 采用一块体布喇格光栅与一块横向啁啾体布喇格光栅组成双体布喇格光栅, 理论分析了组合前后体布喇格光栅的衍射特性, 实验研究了双体布喇格光栅外腔二极管激光器的输出光谱特性。结果表明, 在双体布喇格光栅外腔反馈的作用下, 可以实现双波长同时输出, 通过横向移动横向啁啾体布喇格光栅, 可以在保持其中一个中心波长不变的情况下, 使另外的一个波长在800nm~815nm的范围内线性调谐。此研究为基于双体布喇格光栅实现双波长输出的大功率二极管激光器提供了实验指导。

聚合物光纤光栅不仅具有体积小、质量轻、柔软、成本低等诸多优点, 还因聚合物自身的特性而具有灵敏度高、响应范围宽、生物兼容性等优良特性。首先梳理了聚合物光纤的光敏性机理, 概述了聚合物光纤光栅制备的刻蚀光源和方法; 其次根据聚合物光纤的组成材料, 概述了多种聚合物光纤光栅的制备进展和性能指标, 包括聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物TOPAS、透明无定物氟聚合物CYTOP和聚碳酸酯。总之, 目前聚甲基丙烯酸甲酯聚合物光纤光栅的研究占主导, 而基于新型材料的聚合物光纤光栅因自身独特的优势也逐渐受到重视。

为了研究超强激光与薄膜靶相互作用在入射光反射方向引起的高次谐波辐射, 基于在入射激光的透射方向,相干同步辐射机制会导致高次谐波的产生, 采用粒子模拟方法研究了超强激光驱动固体密度薄膜靶(即高密度薄膜靶)高次谐波辐射在入射激光透射和反射方向的空间分布。结果表明, 当靶厚小于激光趋肤深度、靶等离子体密度远大于临界密度(800Nc)时, 在透射方向,相干同步辐射机制会导致高次谐波辐射, 同时在反射方向,存在相对论镜面振荡机制驱动的谐波场辐射, 证明了在超强激光-薄膜靶相互作用过程中两种谐波会产生共存机制; 讨论了在两种产生机制下, 靶厚度对谐波辐射阶次的影响, 发现靶厚度超过200nm, 透射方向谐波阶次达到65阶以上。该研究对深入理解超强激光-薄膜靶驱动高次谐波的产生及阿秒X射线光源的未来发展具有一定的理论意义。

为了实现高隔离度的收发隔离, 采用一种偏振收发隔离光学系统, 利用琼斯矩阵进行了理论分析,验证了偏振隔离在收发同轴光学系统中的可行性。采取空间隔离来抑制回波进入接收系统, 研究了模拟系统中偏振分束镜前表面楔角大小对收发隔离度的影响。结果表明, 在达到一定楔角时, 可取得100dB收发隔离度。这一结果对收发同轴光学系统的设计具有一定指导意义。

为了研究拉盖尔-高斯光束与熔石英相互作用, 采用仿真计算的方法对TEM00,TEM01和TEM10 3种模式拉盖尔-高斯光束辐照下的熔石英的温度和热应力进行研究, 取得了仿真数据。结果表明, 激光光强的空间分布影响材料的温度分布和应力分布; 温度的积累效应明显, 经过连续激光脉冲作用后材料温度持续升高, 焦点区域超过1900℃; 温度梯度导致热应力产生, 局部热应力接近50MPa。该仿真结果为熔石英的加工提供了有益的参考。

为了获得激光清洗轮胎模具的工艺参量, 采用自主研制的平均功率达250W的脉冲式YAG激光清洗设备开展了轮胎模具激光清洗实验研究。取得了不同激光参量对轮胎模具清洗效果的实验数据, 并研究了激光峰值功率、能量密度等参量与轮胎模具清洗速度、清洗效果的关系。结果表明, 清洗轮胎模具脉冲YAG激光比CO2激光更高效; 轮胎模具清洗的激光能量密度阈值约为250mJ/mm2, 提高激光峰值功率和平均功率能提高清洗速度和清洁效果。此结果为激光清洗设备的研究提供了参考。

为了利用高能激光束将镍、铁、铝金属单质的混合粉末快速熔融, 得到高性能的镍铁铝合金, 并直接用于熔覆, 采用激光3-D打印的金属粉末成型的方法, 用一台中低功率的光纤激光器, 以工程中常用的轧制不锈钢板为基底, 研究了一定比例的镍、铁、铝混合粉末的熔覆冶金情况。通过优化激光工艺参量(激光频率、扫描速率、激光功率和离焦量)组合, 得到了质量良好的单道熔覆结果。通过激光共聚焦显微镜、晶相显微镜以及扫描电子显微镜等检测手段, 对熔覆条的宏观形貌和微观组织进行观察。结果表明, 可获得良好的无气孔无裂纹的合金组织, 且合金与基板形成了良好的冶金结合; 熔覆层硬度低于基板硬度30HV左右, 但截面硬度分布均匀。该研究有助于得到各向性质统一的冶金层。

为了研究汽车发动机连杆激光3-D打印制造工艺, 采用理论分析和实验验证的方法, 建立了连杆3-D数据模型, 进行了分层切片处理, 通过S型扫描和轮廓偏移扫描, 规划两种连杆加工路径。选用铁基合金粉末以及相应的工艺参量, 在激光3-D打印系统中进行连杆打印试验。扫描单层轨迹用时4min30s~4min56s, 总用时4h20min。结果表明, 连杆成形区底部的金相组织主要是柱状晶和树枝晶, 中上部是细小的等轴晶, 层间致密搭接, 形成良好的冶金结合;成形连杆显微硬度为450HV~490HV, 屈服强度为754MPa, 抗拉强度为1189MPa, 延伸率为9%。连杆激光3-D打印成形制坯性能相比于锻造、粉锻制造工艺, 减少了工装成本支出并缩短了生产准备工时, 其屈服强度、抗拉强度等力学性能超过钢锻连杆, 与国外粉锻连杆相比, 差别不大, 能满足连杆制坯要求。

为了研究厄米-高斯光束在光折变饱和非线性介质中的传输特性, 采用有限差分方法数值求解了光波演化方程,理论分析了厄米-高斯光束的传输特性。结果表明, 1维1阶、2阶和3阶厄米-高斯光束在光折变非线性介质中传输时, 在合适的非线性条件下, 均可以形成呼吸模式的孤子; 随着非线性的加大, 厄米-高斯光束的光场分量之间的相互分离趋势将逐渐变弱, 同时, 每个光场分量的振幅起伏效应会更加明显; 改变厄米-高斯光束的入射位置、入射角度对其传输特性没有影响; 2维厄米-高斯光束的传输特性和1维情况是类似的。厄米-高斯光束的这些特性在光开关领域有一定的应用前景。

为了节省冰洲石晶体材料、并实现偏光棱镜光路的直角分束, 采用冰洲石晶体与氟化钡晶体二元复合的方案, 设计了一种冰洲石-氟化钡紫外直角分束偏光镜。以波长为265.6nm的紫外光为例给出了设计实例。从理论上分析了入射光经过该偏光棱镜后, e光、o光的分束角和光强分束比随入射角及入射光波长的关系, 并通过计算软件作出关系曲线图。结果表明, 该偏光棱镜分束角与直角偏差小, e光、o光的光强分束比约为1∶1; 在240nm~400nm的波段范围内, 垂直入射对应的直角分束偏差小于1.0°, 光强分束比与1的偏差在0.02以内, 具有较宽的光谱适用范围。该研究对直角分束棱镜的设计、制作以及实际使用提供了有价值的参考。

为了研究金属激光直接沉积工艺过程中工艺参量对工艺能效的影响, 采用自主研发的HCX60五轴激光复合制造机床开展工艺能效田口试验, 并对其结果进行了信噪比分析、极差分析以及方差分析, 得到激光功率、送粉量、扫描速率、提升量以及搭接率对工艺能效的影响主次关系, 提出了工艺因素优化组合。结果表明, 送粉量对工艺能效的影响最为显著, 最佳参量组合为激光功率P=500W, 送粉量f=28g/min, 扫描速率v=600mm/min,提升量h=0.6mm和搭接率λ=30%。这为研究增材制造工艺参量对工艺能效的作用及影响规律提供了理论借鉴和实验基础。

为了检测长导轨的直线度, 采用激光作为参考基准线, 将2维光斑位置传感器作为光电转换器件。当固定在导轨滑块上的2维光斑位置传感器沿着导轨移动时, 光斑的位置数据会通过蓝牙模块传输到终端上, 输入位置信息之后, 软件会自动绘制出导轨的2维直线度曲线。结果表明, 计算出激光偏角带来的误差远小于1μm;通过高精度位移平台, 实验验证了系统的精度可达到3.4μm;实际使用中, 检测了7.2m的长导轨, 取得了长导轨的直线度数据, 重复精度可达5μm。这一结果对长导轨直线度测量的研究是有帮助的。

为了获得高重频窄脉冲高光束质量激光输出, 采用LD抽运Nd∶YVO4晶体声光调Q方案, 进行了相关理论分析和实验验证, 振荡级获得了重频25kHz、单脉冲能量22.4μJ、脉冲宽度2.19ns、光束质量因子M2<1.2的种子激光, 光光转换效率为24.3%; 放大级获得了重频25kHz、单脉冲能量585μJ、脉冲宽度2.26ns、光束质量因子M2<1.7的激光输出, 提取效率为15.6%。结果表明, 采用LD抽运Nd∶YVO4晶体声光调Q方案能够获得高重频、窄脉冲、高光束质量激光输出, 其实验现象与理论计算结果较为符合。

为了研究薄膜激光损伤机理及影响因素, 基于平顶光束辐照测量的原理, 采用1064nm的Nd∶YAG激光器, 对电子束热蒸发方式镀制的HfO2薄膜在重复频率激光作用下损伤的累积效应进行了理论分析和实验验证。运用损伤阈值的测量原理, 分析了1-on-1和S-on-1两种测量方式的特点, 并分别开展了测量实验。采用二分法查找辐照激光能量, 每个能量密度辐照20个测试点, 应用零几率损伤阈值和最小二乘法拟合确定测量结果。结果表明, 对同种薄膜, 1-on-1测量方式测得的损伤阈值为15.75J/cm2, S-on-1测量方式测得的损伤阈值为11.90J/cm2;从损伤阈值与损伤形貌两方面的对比表明, S-on-1测量方式体现了典型的累积效应。此结果对深入研究薄膜激光损伤的机理和影响因素具有重要意义。

为了获得简单紧凑的固体激光器, 采用半导体端面抽运三程折叠谐振腔板条激光器, 建立了热透镜等效腔模型, 进行了等效腔稳定性及腔内基模光斑半径的仿真分析, 将新型结构与平-平腔结构进行了比对性实验研究。结果表明,在三程折叠腔长为170mm时, 获得了21W的1064nm激光功率输出, 光光转换效率为16.4%, 斜效率为25%, 水平和竖直方向上的M2因子分别为10.8和2.76。同等条件下, 水平方向上M2因子从平-平腔的152.7优化到三程折叠腔的10.8; 输出光斑水平方向尺寸由平-平腔的10.8mm压缩到三程折叠腔的4.1mm,验证了结构简单紧凑的端面抽运三程折叠谐振腔激光器光束的输出能力。该研究对获得腔内调Q和腔内倍频532nm激光器有实际意义。

为了获得色散平坦特性良好的光子晶体光纤, 采用有限元法进行了理论分析和实验验证, 取得了有效折射率、色散系数随波长的变化数据。当空气孔直径d=1.6μm、孔间距Λ＝2μm时, 在1.2μm～2.1μm波段内, 色散平坦特性较好, 且在1550nm波长处的色散系数值为108.20ps/(nm·km), 并在此结构基础上, 研究了填充材料、不同填充方式对色散特性的影响。结果表明, 采用“十”字形的填充方式获得的色散特性更好, 当采取普通酒精为填充材料时, 波长在1550nm处的色散系数值可以减小到20.39ps/(nm·km), 接近G.652标准单模光纤在1550nm处的色散系数值。这一结果对光通信领域的研究是有帮助的。

为了有效提高激光打孔的速率和激光能量的利用率, 采用长脉冲激光和短脉冲激光空间叠加打孔的方法, 对复合激光打孔的最佳匹配参量进行了理论和实验研究。建立复合激光打孔最佳匹配模型, 以熔融物的产生和去除达到平衡为准则, 理论计算得出长脉冲激光和短脉冲激光的最佳匹配参量和最佳匹配情况下的复合激光打孔速率。同时进行了毫秒脉冲和纳秒脉冲的 Nd∶YAG激光器复合作用于5mm的不锈钢板的打孔实验。结果表明, 在实验中得到的最佳匹配参量下, 复合激光打孔速率相比于毫秒脉冲激光单独打孔最大提高了3.3倍。实验和理论模型均证明了复合激光打孔在最佳匹配状态下, 打孔速率达到最大, 激光能量得到充分利用。

为了避免激光熔覆时熔覆层边界处产生过烧和塌陷等缺陷, 基于热传导理论分析了基体不同位置的散热差异, 采用数值计算方法分析扫描路径对温度场的影响, 在激光功率1000W、扫描速率5mm/s、送粉量9.15g/min、扫描间距1.5mm、基体尺寸40mm×30mm×7mm时, 同向熔覆和异侧熔覆比反向熔覆和同侧熔覆边界熔池温度分别降低约300℃和500℃, 预测了反向熔覆和同侧熔覆的过烧和塌陷区域并进行了实验验证。结果表明, 扫描路径对边界过烧和塌陷的影响很大, 同向熔覆和异侧熔覆可以在保证高加工效率、材料利用率以及合理工艺参量的同时提高边界熔覆质量; 异侧熔覆可以更好地平衡热量累积与散热间的关系, 使熔覆层边界晶粒细密、内部组织分布均匀、性能更加优良。此项研究对提高激光熔覆层质量是有帮助的。

为了研究扩散火焰空间分布特性, 采用具有空间分辨能力的激光诱导击穿光谱技术对甲烷/空气本生灯扩散火焰进行了实验研究, 得到了不同流量(0.100L/min,0.120L/min)、不同高度(7mm,9mm,11mm)的火焰以及中心轴线上的击穿阈值、等离子体能量、光谱强度比等相关参量的分布情况。结果表明, 等离子体能量可以用来定性描述扩散火焰温度空间变化规律, 结合分析等离子体能量和H/O谱线强度比的分布情况可确定扩散火焰不同高度上火焰前沿的位置以及第二燃烧区域的宽度;根据相关实验点近似得到H/O谱线强度比与火焰局部当量比线性关系式, 可得到不同流量条件下扩散火焰轴向当量比分布情况以及火焰长度。此研究结果对于激光诱导击穿光谱技术应用于燃烧诊断方面具有重要意义。

聚焦评价函数的设计与选取是显微镜自动聚焦的核心问题之一,光照变化引起函数曲线失去理想特性, 传统的聚焦评价函数无法克服这一问题。为了解决此问题, 提出一种结合频域离散余弦变换(DCT)零系数和空域局部标准差的自动聚焦算法。通过计算图像子块的DCT高频零系数个数和局部标准差, 利用两者相反的作用效果进行除法运算, 并采用平方运算加大该算法的清晰度比率, 在不同光照条件下, 与几种传统的聚焦评价函数进行聚焦对比实验, 验证了该算法的适用性, 并对聚焦评价函数使用定量指标进行性能评估。结果表明, 该算法在低照度的条件下还能保持良好的曲线特性, 并且具有较强的抗噪性、灵敏度和稳定性。

为了分析聚焦光束对多层粒子的捕获效率, 结合矢量衍射积分、T矩阵方法以及Maxwell应力张量积分, 通过理论推导给出了双层球形粒子的T矩阵的详细表达式, 并对双层球形粒子在聚焦光场中的受力进行了数值计算, 详细分析了内层折射率和内层尺寸对光场捕获效率的影响。结果表明, 只有内层折射率在一定范围内, 聚焦光束对双层球形粒子才具有捕获作用, 随着内层折射率增加, 最大后向捕获效率先增加后减小至零, 对于空心粒子, 内层尺寸越大, 聚焦光束对粒子的捕获作用越弱, 且平面波的捕获作用比高斯光束更强。此双层球形粒子的受力计算可以拓展到多层的复杂粒子的情形。

8-羟基喹啉铝属于有机半导体材料, 在太阳能电池应用领域有较为广阔的应用前景。为了研究8-羟基喹啉铝载流子输运动力学信息, 在恒温条件下制备了8-羟基喹啉铝薄膜, 采用X射线衍射分析方法对薄膜的性质进行了分析, 采用渡越时间方法对影响其载流子迁移率的实验条件进行了理论分析和实验验证。结果表明, 在308K～338K温度范围内, 8-羟基喹啉铝的载流子输运规律符合浅陷阱模型;取样电阻小于15kΩ及光脉冲能量低于3.5μJ时, 载流子渡越时间保持恒定, 测试结果可靠。这一结果对有机太阳能电池的制备是有帮助的。

为了研究基于光子晶体波导的高性能滤波器, 采用调节谐振腔结构和优化耦合结构等方法, 基于耦合模理论, 在正方格光子晶体中设计了3种光子晶体弯折波导, 并进行了理论分析和仿真验证, 利用时域有限差分法取得了3种波导在S波段及C波段上的工作特性数据。结果表明, 3种波导在不同波段表现出良好的带阻或带通特性, 且其结构截止传输波长和通带传输波长随整体介质柱相对介电常数增加向长波方向移动, 介电常数εr每增加0.3, 截止传输波长和通带传输波长均增加6nm左右。这一结果对微型光传感器、微型光通信器件、集成光路等方面的设计都是有帮助的。

为了减少激光半主动**中测量光学器件光斑点坐标时噪声和干扰对探测精度影响、增加脉冲信号的测量带宽、提取信号的有效值, 同时克服串行快速傅里叶变换(FFT)运算耗时及时间复杂度较大的问题, 基于多核和并行架构的SoC-FPGA平台以及OpenCL软件, 提出了实现并行FFT的计算方法。结果表明, 利用该方法可使FFT(1-D)的时间复杂度下降到原来的1/Q, 得到了较好的加速效果;通过3种平台(先进精简指令集微处理器、数字信号处理器和片上系统现场可编程门阵列)的运算耗时实验对比, 该算法运算耗时为6.0449ms(1-D 4096点), 要比同点数其它两种平台运算耗时少。并行FFT算法不仅满足激光半主动导引头信号实时性的要求, 而且可以达到去噪的效果, 能有效地降低噪声和背景光的影响。

为了研究激光成形方式对成形轮廓和微观组织的影响, 采用厚度为40μm和80μm的T2铜箔进行激光冲击微胀形和微拉深实验。同时使用ABAQUS有限元仿真对实验进行模拟, 研究不同变形方式下箔材位移和残余应力场。结果表明, 激光冲击微胀形后铜箔变形区域出现颈缩, 激光作用区域内变形机制主要为位错滑移、变形扭曲晶粒和机械孪晶;箔材上表面(激光冲击表面)为残余拉应力, 最大值约为372.3MPa, 箔材下表面(背向激光冲击面)为残余压应力, 最大值约为-218.7MPa; 而对于微拉深, 箔材成形轮廓过渡圆滑, 厚度分布均匀, 光斑作用区域内出现大量位错露头和一些机械孪晶,箔材上表面为残余压应力, 最大值约为-365.6MPa,箔材下表面为残余拉应力, 最大值约为203MPa。这一结果对激光冲击箔材成形控制是有帮助的。