近年来, 具有自然界中天然媒质所不具备的特殊性质的电磁超材料在很多领域引起了广泛关注。零折射率超材料(ZRIM)是一种相对介电常数和磁导率为零的特征材料, 在光学领域具有很多独特的特征, 主要表现在波长拉伸、相位一致以及隧道效应等方面。介绍了几种典型的ZRIM结构以及ZRIM结构中实现的性质, 包括无限大波长、均匀场分布等。讨论了ZRIM结构的实现在物理光学中的重要应用, 比如定向发射、发射增强、边界态分析以及光的捕获。基于零折射率的性质以及特征的研究, 为新器件开发、新光学元件的基础研究提供了相应的参考和指导。

全波形机载激光雷达可以直接快速获取地面特征点的3维空间位置, 相比于其它测绘方法, 全波形机载激光雷达在一定程度上性能更优。首先介绍了全波形机载激光雷达激光测距的工作原理, 随后讨论了全波形机载激光雷达数据处理的一般性方法, 并总结了其数据处理技术国内外研究现状的主要进展, 最后归纳了全波形激光雷达数据处理研究中的关键问题, 在此基础上对其数据处理的研究前景进行了展望。

为了提升光载射频传输链路的链路增益以及传输距离, 采用了L波段的超长分布式2阶喇曼放大器结构对光信号进行放大。从理论上对分布式2阶喇曼放大器以及光载射频传输链路的原理进行了解释, 利用信号光、1阶抽运光、2阶抽运光以及噪声之间的耦合方程组分析了它们之间的关系, 并且得到了基于超长分布式2阶喇曼放大器的光载射频传输系统的1阶射频信号增益。通过数值仿真以及系统实验得到了抽运功率大小对超长分布式2阶喇曼放大器的开关增益的影响、光载射频传输系统在0GHz~7GHz范围内的频率响应及其射频增益以及该光载射频传输链路在应用超长分布式2阶喇曼放大器后的相位噪声情况。结果表明, 光载射频传输在超长分布式2阶喇曼放大器的作用下获得了28.1dB的链路增益, 在距离为80.94km的光链路上实现了近似无损传输, 射频信号开关增益与射频信号频率无关。该研究在光载射频链路的长距离传输中有重要的应用价值。

为了解决无人机工作时间短、续航能力差的问题, 采用激光无线供能的方式给无人机进行续航, 提出并设计了一套基于跟踪、捕获、瞄准的激光无线能量供给系统, 并进行了理论分析, 同时在外场200m范围内进行了无人机激光无线供能实验。结果表明, 该系统整体光电转换效率约为12%, 跟踪精度优于500μrad。该研究为激光跟踪与无线供能技术用于小型航天飞行器提供了参考。

为了探究脉冲式激光选区熔化成形过程中的搭接率与搭接特性, 采用了弓形与抛物线形搭接理论模型, 并设计了单熔点、单熔道和多层块体的成形实验, 获得了不同条件下较优的搭接率。结果表明,单熔点熔宽随曝光时间增大而增大; 单熔道实验中, 曝光时间为40μs～60μs时, 单熔点间较合理的搭接率约为30%; 曝光时间为80μs时, 搭接率约为50%; 曝光时间为100μs～120μs时, 搭接率约为60%; 多层块体实验中, 单熔道间的搭接率为50%时, 块体表面形貌较好; 通过对块体进行致密度、缺陷、微观组织和拉伸性能分析可知, 当功率200W、层厚50μm、曝光时间100μs、点距65μm、线间距77μm时, 可得到致密度最高为99.99%的样件。该研究对认识脉冲式激光选区熔化成形过程中的搭接特性和搭接率选取是有帮助的。

为了研究3维函数光子晶体的光子禁带特性, 采用平面波展开法计算得到色散曲线, 推导了平面波展开法的相关计算公式以及介质球介电常数的函数关系式, 探讨了可调参量函数系数I和介质球半径R1对光子禁带特性的影响。结果表明, 3维函数光子晶体呈立方体晶格分布, 由介质球填充空气背景; 与常规3维介质光子晶体相比, 3维函数光子晶体不仅能得到可调谐的光子禁带, 而且可以拓展禁带带宽, 并增加光子禁带的数量;改变函数系数I的大小可以实现对光子禁带数量、位置和带宽的调谐;改变介质球半径R1可以对光子禁带带宽实现展宽, 并改变光子禁带的位置。该研究对设计新型可调谐器件是有帮助的。

为了研究多波长掺铒光纤激光放大器的放大特性, 在单频放大器的基础上, 忽略放大自发辐射, 推导了描述多波长掺铒双包层光纤放大器的稳态速率方程组, 建立了多波长掺铒光纤放大器的理论模型。利用该模型对单波长放大、双波长放大、四波长放大的特性, 进行了数值模拟和理论分析;以四波长的激光信号放大为例,对多波长掺铒光纤放大器的放大特性,均衡增益特性进行了研究。结果表明, 在单波长注入情况下, 光纤放大器的掺杂光纤存在最佳光纤长度为8m; 与小信号放大不同, 大功率掺铒光纤放大器在1530nm~1560nm之间增益谱趋于平坦;双波长放大输出功率差随着波长间隔的增加线性增大波长间隔为20nm时, 通过调节输入信号功率比可以实现最大功率差6.855W的功率均衡补偿; 四波长放大时, 通过信号功率配比之后的四波长激光输出功率最大偏差为0.28W, 在一定范围内实现了均衡增益。这一结果对于掺铒光纤激光的多波长激光输出以及在激光多普勒测风雷达中的应用具有一定帮助。

为了研究空气中飞秒激光脉冲能量对不锈钢表面形成周期性结构的影响规律, 采用脉宽为50fs、中心波长为800nm的飞秒激光辐射304不锈钢表面, 利用扫描电子显微镜观察微观形貌, 分析了不同种类波纹的产生机理。结果表明,脉冲能量在0.1mJ～0.3mJ时, 表面形成垂直于激光偏振方向的纳米级周期性波纹; 脉冲能量在0.4mJ～0.7mJ时, 表面有产生平行于激光偏振方向的周期性波纹的趋势; 脉冲能量在0.8mJ～1.0mJ时, 表面出现明显的平行于激光偏振方向的微米级大尺度周期性波纹, 且波纹表面覆盖着与其方向垂直的短周期性波纹。该研究为后续在不锈钢表面制备可控微观形貌奠定了基础。

为了提高光纤布喇格光栅(FBG)解调系统的稳定性和准确性, 避免由于压电陶瓷的迟滞性、蠕变性以及温度变化引起的法布里-珀罗(F-P)滤波器驱动电压与透射波长不成线性的问题, 采用了可调谐环形腔激光器作为扫描光源, 与F-P标准具、温补参考光栅、传感光栅3个单独的通道结构相结合的FBG解调方法。通过理论分析和实验验证, 选择中值滤波加滑动平均滤波的方法滤除噪声, 采用基于强度阈值的频谱相关寻峰算法更加准确地找到反射谱峰值的位置。结果表明, 每个通道单独分开的解调方案的波长长期稳定性可达0.4pm, 温度与波长的线性度高于99.90%。该系统能够实现对温度、应变等参量的稳定性的测量。

为了研究在不同热输入下高氮钢焊接接头各区微观组织和硬度分布, 采用了Nd∶YAG-MAG电弧复合焊接方法焊接高氮奥氏体不锈钢, 进行了理论分析和试验验证, 取得了不同热输入下焊接接头各区形貌、微观组织和显微硬度数据。结果表明, 高氮钢复合焊接接头截面形貌呈“高脚杯”状, 上部为电弧作用区, 下部为激光作用区; 焊缝组织由奥氏体和少量铁素体组成, 随着热输入的增加, 铁素体含量增多, 铁素体树枝晶主干增长、增粗, 有二次支晶分布在树枝晶主干两侧;焊接接头硬度分布不均匀, 母材硬度最高, 其值在330HV~370HV之间, 焊缝区硬度在260HV~300HV之间; 随着热输入的增加, 焊接接头硬度降低; 焊接接头没有出现软化区。这一结果对高氮钢复合焊接在不同热输入参量下获得良好焊缝提供了理论基础。

为了解决基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统(BOTDA)中传感信号受噪声干扰严重的问题, 采用2维提升小波变换算法, 将测量信号从1维空间转换到2维空间, 进行阈值降噪处理。通过理论分析和实验验证, 取得了传统小波与2维提升小波降噪数据。结果表明, 2维提升小波变换比传统小波变换信噪比提高约10dB, 运算量减少了1/3; 2维提升小波充分利用测量信号时间上的相关性, 变换结构简单、运算速度快、降噪效果优于传统小波, 适用于瑞利BOTDA系统降噪。该结果对光纤传感系统中信号降噪的研究有一定参考价值。

为了提高石英玻璃对普通脉冲红外激光的吸收效率, 用钡化合物粉体覆盖层辅助1064nm红外激光刻蚀石英玻璃, 采用能谱仪和X射线衍射分别对BaCrO4,BaCl2和Ba(OH)2粉体覆盖层辅助激光刻蚀石英玻璃得到的刻槽底面刻蚀产物进行了测试和分析, 对3种刻蚀方法的刻蚀机理进行了理论分析和实验验证。结果表明, BaCrO4和Ba(OH)2粉体的刻蚀机理都存在化学反应去蚀石英玻璃的作用, 二者去蚀率都较高; BaCl2粉体的刻蚀过程中无化学反应起到去蚀作用, 去蚀率低下。这一结果对激光加工石英玻璃的工业应用提供技术基础。

为了更好地测量液体折射率, 提出了一种基于表面等离子共振波长测量液体折射率的方法,采用Kretschman 结构建立了模型, 进行了软件仿真, 并搭建实验平台进行了实验研究, 分析了实验和理论之间的误差来源。结果表明,当折射率在1.33RIU~1.36RIU的范围内变化时, 表面等离子共振吸收峰随液体样品折射率的变化产生了频移, 其灵敏度可达4808.94nm/RIU。该方法可以准确测量液体的折射率, 且系统结构简单, 具有较高的灵敏度。

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴, 采用FLUENT软件中的离散相模型, 对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时, 外层保护气流速对粉末汇聚的影响, 得到了较优的结构尺寸, 并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置, 进行了送粉和熔覆实验。结果表明, 宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布; 随着倾角的增大, 出口间隙对焦距的影响也越来越大, 且出口间隙越小, 焦距越大; 当倾角为70°, 出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好, 粉末利用率较高; 在其它条件不变时, 外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚, 当外层保护气体流速略小于载气速率时, 送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求, 验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。

为了研究不同应力水平(疲劳试验过程中应力最大值)下, 激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的影响, 对半径为3mm的TC4-DT钛合金圆角试样进行了激光冲击试验, 接着对试样进行拉-拉疲劳试验, 在疲劳试验过程中采用的两种应力水平分别为385MPa和423MPa, 应力比r=0.1, 并通过扫描电子显微镜对疲劳断口进行分析。结果表明, 激光冲击强化后, 疲劳源从圆角表面向内部移动, 且疲劳辉纹宽度减小, 圆角结构疲劳寿命得到提高; 当应力水平从385MPa增大至423MPa时, 圆角疲劳寿命增益由246.2%减小至111.8%;激光冲击强化后, 圆角结构表面形成一定深度的参与压应力, 疲劳性能得到提高; 但随着应力水平增大, 激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的增益减小。该结果为针对薄弱区域强化而抑制疲劳裂纹萌生的研究具有指导意义。

为了进一步增强机载激光测距机在全温范围内的环境适应性, 分析了温度与探测器模块输出功率信噪比的关系, 推导了最佳倍增因子与温度的方程式, 阐述了温度变化引起倍增因子对最佳雪崩倍增因子偏离的原因。根据雪崩管探测器雪崩击穿电压的线性温度特性, 设计了机载温度范围为-55℃～70℃的基于自然对数法的最佳倍增因子雪崩偏压线性化温控电路,用于补偿因温度变化所引起的倍增因子对最佳雪崩倍增因子的偏离。结果表明, 实测雪崩偏压温控系数为2.29V/℃, 与理论分析值误差仅为4%。该技术用于新型机载激光测距系统中, 获得了良好的试验数据, 满足机载环境的特殊需求。

为了降低传统高分辨率海面遥感图像舰船目标检测方法的计算复杂度, 提高检测速度, 在舰船目标检测中引入了基于直方图对比度的视觉显著模型和空间降维算法, 提出一种新的高分辨率海面遥感图像舰船目标快速检测算法。首先对高分辨率遥感图像进行空间降维, 然后计算降维图的视觉显著图, 突出感兴趣目标区域, 最后利用最大类间方差法分割视觉显著图以获取舰船目标候选区域。结果表明, 目标检测所消耗的时间减小为原来的10%~12%, 弱化了复杂海面纹理背景对目标检测的影响。该研究提高了高分辨率遥感图像舰船目标的检测效率。

为了改善传统的数字光处理投影系统(DLP)体积较大、结构复杂、成本较高、对光源的利用效率较低的问题, 采用一种基于单颗三色发光二极管作为照明光源, 单颗透镜形成平行光的新型DLP投影光路结构的方法, 对传统光路进行了改进与优化。无需传统光路中的色轮, 透镜直接实现了传统投影光路中聚光和匀光的复杂结构, 并利用TRACEPRO软件进行建模, 通过光线追迹对该投影光路进行了光学分析。结果表明, 整个光学系统的体积控制在76.8mm×32.2mm×25mm, 光能利用率达到了60.1%, 光斑均匀性达到了96.6%, 屏幕表面的光通量为21.7lm。该研究减小了投影光路体积, 简化了光学结构, 提高了光能利用率。

为了研究保护气体流量对复合焊接接头形貌及熔滴过渡的影响, 采用5mm厚的高强钢板材进行了激光电弧复合焊接试验的理论分析和实验验证, 获得了不同气流量下的焊缝形貌以及焊接过程中电弧和熔滴图像。结果表明, 随着保护气体流量的增大, 焊接熔深先增大后减小;当保护气体流量在25L/min, 焊接熔深达到最大; 且焊缝的铺展性较好, 飞溅较少; 保护气体流量通过影响熔滴过渡的形式, 对熔滴过渡频率产生影响; 随着气流量的增大, 熔滴过渡频率减小, 且在25L/min时, 熔滴过渡频率较稳定; 采用FLUENT软件对气流量进行数值模拟, 气流量越大, 保护气体流速越大, 在工件表面的作用面积减小。该研究结果为实际工程应用中选择保护气体流量制备高质量的焊缝奠定了基础。

近似三角形内点测试(APIT)定位算法在用最佳三角形内点测试法测试时容易产生in-to-out和out-to-in错误, 影响定位精度。为了解决这一问题, 提出了一种基于向量积同向技术的改进APIT定位算法。采用接收信号强度指示定位算法实现节点的初步定位, 然后用向量积同向技术代替内点测试法, 提高了定位效率;在MATLAB仿真平台上进行仿真, 取得了APIT定位算法和改进APIT定位算法各自产生的定位误差数据。结果表明, 在信标节点比例不同的情况下, 改进的APIT算法定位精度明显优于APIT算法。

为了使激光器输出高质量的光束, 采用一种简化计算各阶横模的衍射损耗的新方法, 进行了理论分析和数值计算。结果表明,当各阶横模的菲涅耳数N>0.7时, 与精确数值计算结果的相对误差在0.2%以内; 采用新算法计算出来的各阶横模的衍射损耗能够满足足够的精度, 是合理可行的。该研究可以为设计高光束质量的激光器提供理论指导。

微波频率测量是电子侦察中的重要内容, 随着雷达电子战的发展, 微波工作频率不断攀升, 电域的测频方案由于测量带宽的限制, 无法满足电子侦察的发展需求。利用微波光子技术实现频率测量的系统具有瞬时带宽大、低损耗、抗电磁干扰等特点, 能克服电子领域在微波频率测量中所面临的瓶颈问题。根据目前基于光子学的微波信号频率测量方案, 从瞬时频率测量、光子辅助微波信道化、多频测量、基于光子模数转换技术、光子压缩感知技术5种不同类型的测频原理展开了介绍和分析, 并对基于集成光学的微波信号频率测量技术进行了探讨。在微波信号频率测量技术的发展中, 基于光子学的测量方法具有广阔的应用前景。

为了解决现有点云滤波算法设置参量多、滤波效果不理想、难以操作等问题, 采用最新的布料模拟滤波算法, 根据简单的物理过程构建虚拟格网模拟地形表面, 并针对复杂地形的点云数据进行定性和定量滤波验证。结果表明, 其Ⅰ类误差在5.7%、Ⅱ类误差在3.4%以内, 但针对部分混合有平坦和陡坡的局部区域滤波效果并非理想; 在满足滤波精度的同时, 可在30s内完成数百万个点的滤波, 甚至在数秒内完成数十万个点的滤波。该算法所需参量很少、效率非常高, 能满足绝大多数复杂地形数据的滤波要求。

波段选择是重要的高光谱图像降维手段。为了达到降维的目的, 提出结合K-L散度和互信息的无监督波段选择算法, 并进行了理论分析和实验验证。首先选出信息熵最大的波段作为初始波段, 然后将散度与互信息量的比值定义为联合散度互信息(KLMI)准则, 选择KLMI值大且信息量也大的波段加入波段子集中, 选出信息量大且相似度低的波段集合, 最终利用k最近邻分类算法实现了基于最大方差主成分分析算法、聚类算法、互信息算法和本文中方法的真实高光谱数据分类实验。结果表明, 本文中的算法总体分类精度和κ系数均达到0.8以上, 高于其它算法;大多数地物的分类精度均得到提升, 具有较好的分类性能。该算法是一种实用的高光谱图像降维算法。

为了获得36MnVS4连杆裂解槽最优的切割质量, 采用正交实验法对裂解槽进行了激光切割理论分析和实验验证,通过激光共聚焦显微镜测量裂解槽的深度、宽度、张角及曲率半径等几何尺寸, 同时采用扫描电镜观测裂解槽底部微观形貌及热影响区的厚度, 采用极差分析法得到了峰值功率、脉冲宽度、切割速率和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,并获得了最优实验参量组合。结果表明,裂解槽热影响区厚度皆小于100μm且裂解槽底部存在微裂纹及气孔, 各参量组合对裂解槽宽度、张角及曲率半径的影响较小, 对裂解槽深度的影响较大; 脉冲宽度和峰值功率对槽深的影响较大, 脉冲频率和切割速率对槽深的影响较小;优化后切割速率为1.0m/min, 峰值功率为700W, 脉冲频率为1000Hz, 脉冲宽度为50μs。这一结果对实际生产具有重要意义。

为了研究受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中传输时质量因子的特性, 基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义, 经理论推导得出受遮挡贝塞尔-高斯光束的解析表达式, 并进行了相应的数值计算。结果表明,当遮挡物尺寸不大于0.4倍的腰宽时, 受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大而增大, 随着湍流内标量、光束拓扑荷数的增大而减小。在相同条件下, 光束的传输质量因子随着遮挡物尺寸的增大而增大。所得结论对实际激光传输和自由空间光通信有一定的参考价值。