在高功率激光二极管抽运固体激光器中,热效应已成为获得高输出功率和高光束质量的最大阻碍因素。用有限元方法研究了高功率激光二极管端面抽运Nd∶YVO4激光器中热透镜分布规律,提出了用复合晶体消除热透镜效应的方法。研究表明在端面抽运的传统单一Nd∶YVO4晶体激光器中,由于抽运功率密度很高,热透镜效应非常严重,由端面变形而造成的热透镜效应约占整个热透镜效应的50%；而采用复合晶体能够很好地消除由端面变形而造成的热透镜效应,同时得到很好的冷却效果,获得比采用传统单一晶体高出许多的基模输出功率和更好的光束质量。实验证明,采用复合结构晶体在23 W的抽运功率水平下得到了11 W的基模输出功率,光束质量因子M2<1.5,光-光转换效率达到48%。

建立了实际刻划光栅的物理模型,给出了相应的衍射效率表达式,进而阐述了红外激光器零级耦合输出选频振荡闪耀光栅的设计原理。根据理论分析结果,采用调整刻划负载控制三角槽形闪耀光栅零级面,双向逐步逼近1级和零级衍射效率设计值的方法和工艺,研制了在利特罗(Littrow)安装下1级衍射效率为86.5%,零级衍射效率为10.3%的9.77 μm红外激光器零级耦合输出选频振荡镀金闪耀光栅。检验结果表明,由加工误差引入的1级和零级衍射效率与设计中心值的偏离量分别仅为0.6%和3%。

结合理想坐标系下立方镜镜面微小倾斜后其三个平面法线坐标,利用刚体微量转动的反射法线向量公式,获得非理想立方镜反射矩阵；为了研究在光斜入射时镜面倾斜对出射光方向的影响,利用立方镜绕顶点旋转等效于光斜入射的方法,计算出光束夹角δ与单一镜面偏差角ε和立方镜旋转角θ之间的关系式；对于理想情况下的立方镜,利用几何光学可以证明出射光与入射光不但平行,而且过顶点作任意截面交于两光线所得的两个交点关于顶点对称,从而计算出立方镜绕顶点以外任意轴旋转造成出射光束相对原出射光的偏移量与旋转角关系式,理论计算值与实验数据吻合得很好；介绍了立方镜的制作、调整及检测方法,偏差角的测量与计算。

为满足红外光学系统高环境适应性和高灵敏度的发展要求,采用折/衍混合结构改进红外3.2～4.2 μm波段,F/#为1.5,视场角为±2.5°的Si-Ge四片式佩茨瓦尔(Petzval)物镜,实现了-60～160 ℃超宽温度范围的光学被动式消热差设计。改进系统并保持原系统光学性能参数,在空间频率20 lp/mm处,光学传递函数(MTF)保持在0.78以上,接近衍射极限,成像质量高而稳定。该系统可用于像元尺寸大于25 μm的非制冷凝视式焦平面阵列探测器。

从理论上分析了偏振光束与双折射晶体粒子的相互作用过程,讨论了由于光束自旋角动量向晶体粒子的传递所导致的光致旋转效应的原理,并在纳米光镊装置上利用线偏振He-Ne激光器(633 nm,10 mW)形成了光镊光阱,利用1/4波片来改变光镊光束的偏振状态,在不同的椭圆偏振状态下实现了直径约为几微米的CaCO3晶体微粒的捕获和光致转动。同时利用CCD相机和四像限探测器(QD)测量了粒子光致旋转的转动频率,研究了粒子的旋转频率随激光功率的变化关系。结合实验结果从理论上详细讨论了粒子自身的性质,如厚度、半径和晶体粒子的光轴取向等因素对粒子光致旋转转动速度与激光功率关系的影响。

分析了在垂直LiNbO3晶体光轴方向加电压,光沿近光轴方向传播时,入射光偏振方向对电光调制器的影响。通过计算加电场后双折射光程差的变化和偏光振动方向的转动,画出在正交偏振镜下不同起偏方向的锥光干涉图,得到干涉图随起偏方向变化的规律

提出了有偏压光伏光折变晶体中存在着明暗矢量孤子,它起源于对外电场的非均匀空间屏蔽和光伏效应。当光伏效应为零时,这些明暗矢量孤子就转化为明暗矢量屏蔽孤子,其物理系统就转化为明暗矢量屏蔽孤子的物理系统；当外电场为零时,这些明暗矢量孤子预言了明暗矢量光伏孤子,其物理系统预言了明暗矢量光伏孤子的物理系统。应用光束传播的方法讨论了这些明暗矢量孤子的稳定性。结果表明,当σ>0和(β+α-δ)>0时,在(β+α-δ)小于某一值的区域内,这些明暗矢量孤子是稳定的;其中σ为控制两光束强度的参数,β为与外偏压有关的参数,α和β为与晶体的光伏系数有关的参数；当σ<0和(β+α-δ)<0时,在(β+α-δ)大于某一值的区域内,这些明暗矢量孤子也是稳定的。

用连续波激光诱导扩散制作单片集成光接收机中的探测器时,激光照射形成的高温区面积很小。当入射激光焦斑光强为高斯分布甚至“平顶帽形”分布时,微小扩散区温度分布的均匀性都不能达到实验的要求。提出了用掩模对入射高斯光束进行空间调制的方法来实现扩散区温度的均匀化。该方法的关键是计算出实现均匀的温度分布所需要的焦斑光强分布参数。给出了计算方法和计算实例。结果表明,均匀化后,在扩散区平均温度上升值为500 K时,扩散区内的最大温度差为3.9 K,并且高温区的温度分布接近“平顶帽形”。

采用自行研制的基于光偏转原理的高灵敏度光纤传感器研究了激光在水中铝靶表面产生的等离子体空泡及其脉动特性。通过实验获得了激光等离子体空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程；判定了空泡在两次脉动中对应的最大和最小泡半径。进而结合空泡溃灭理论,推算了激光空泡在各次脉动周期中含气量的变化。实验结果表明,激光空泡的含气量越小,空泡收缩越剧烈,气泡所能收缩的最小泡半径越小,其相应溃灭周期也越短。

依据谐波分析法给出的评定信号质量指标的准则,提出了基于小波分析的光栅信号质量评估方法,并讨论了此方法的特征与优点。与谐波分析法相比较,小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化性质,每次小波变换所取的都是原信号的最大可能近似值,信号的失真度小,通过变更尺度,可以对信号更细微的瞬态特征进行研究,并最大可能地除去噪声,较快地得到理想的质量评定效果(通常只需3至5次变换即可)。在此基础上,给出了相应的小波分析评定光栅信号质量的实验方法。

利用光传输理论对ICF驱动器中使用的光谱色散平滑(SSD)技术作了理论分析,并结合典型的随机相位板(RPP)技术,用计算机模拟了使用光谱色散平滑技术前后激光靶面辐照不均匀性的变化及其技术中不同带宽和调制频率下激光靶面辐照不均匀性的变化。

提出了一种基于目标区域的融合方法。将原图像分为目标区域和背景区域,在利用à trous小波算法分解图像的基础上,分别对目标区域、背景区域以及两区域间的边界部分进行不同的融合处理得到融合后小波系数,最后经过小波逆变换得到融合图像。实验结果表明该方法可获得较理想的融合图像,其融合结果优于基于像素和基于窗口的融合方法。

分析了距离像的噪声作用机理

研究了反射式液晶器件(RLCOS)的振幅调制特性。采用2×2的琼斯矩阵计算仿真,从理论上分析了它的振幅调制特性。实验采用He-Ne激光为光源,将反射式液晶器件显示器作为液晶空间光调制器,用计算机和相关的电路系统驱动控制,并用CCD采样数据,测试了1024×768反射式液晶器件显示器的振幅调制特性。与未改形光束剖面相比,在特定的入射、出射偏振光配制下,可以用反射式液晶器件显示器来做振幅调制器。

利用空间-角度复用方式与球面参考波相结合的全息复用存储技术,在盘状LiNbO3∶Fe晶体单一扇形区域内成功存储10000幅高分辨率图像,存储面密度达33.7 bits/μm2。在此基础上,将分批热固定的方法应用于盘式体全息存储,分4批次存储了5000幅高分辨率图像,从而将存储面密度进一步提高到50 bits/μm2。会聚的球面参考波及优化的光路配置减小了参考光的反射光斑尺寸,同时也减少了有害的杂散光从晶体表面反射进入成像光路,保证存储图像能得到良好的再现。

设计了组成为0.70TeO2-(0.20-x)ZnO-xGeO2-0.05La2O3-0.025K2O-0.025Na2O-0.01Yb2O3(摩尔分数x=0, 0.05, 0.10, 0.15和0.20)的碲酸盐激光玻璃,测试了热学性质、吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命。计算了Yb3+离子的吸收截面、受激发射截面、荧光有效线宽等参数。结果表明,组成为0.70TeO2-0.20GeO2-0.05La2O3-0.025K2O-0..025Na2O的玻璃具有优于著名的碲锌钠(TZN)玻璃的热稳定性, 高的受激发射截面(1.23 pm2),长的荧光寿命(0.92 ms)和宽的荧光有效线宽(77 nm)。通过激光性能评价,最小抽运强度为0.98 kW/cm2,表明掺Yb3+组份的碲酸盐玻璃是实现高能短脉冲可调谐激光器的理想增益介质。

报道了偶氮苯掺杂聚合物光致双折射空间分布的实验研究。发现在光照区域外较大的范围内有双折射,证实了生色团分子的取向运动及其引起的周边分子相互运动的存在。对3种偶氮苯染料分散红1(DR1),分散红13(DR13)和分散黄7(DY7)掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物进行了定性研究。发现生色团分子的取向运动及其引起的周边分子相互运动与抽运光强度和生色团分子的大小等因素有关。

通过优化熔融条件和玻璃组份,成功开发出一种新的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃,其在沸水和熔盐中均表现出很好的化学稳定性。通过分析室温下Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃的吸收光谱,计算得到了Er3+离子在波长1533 nm处的峰值发射截面和杜得-奥菲而特强度参数；其中Er3+离子在波长1533 nm处的峰值发射截面为0.72×10-20 cm2,大于Schott的IOG1玻璃中Er3+离子的峰值发射截面0.67×10-20 cm2。通过改变离子交换的条件,获得了1.55 μm单模光波导的制作条件；制作的波导传输损耗均小于1 dB/cm。初步的离子交换实验表明,Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃WM4完全适合波导放大器的制作。

以功率约为30 kW,中心波长为3.8 μm,出光时间为1 s的连续DF化学激光器作为抽运源,在抽运光共轴近正入射于圆形反射镜条件下,利用夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感器,对不同工艺条件下镀制的3.8/0.633 μm双波段多层膜强激光反射镜的热畸变量进行了检测。基于热传导方程和热弹方程,在考虑到空气折射率热效应基础上,利用有限元分析方法,完成了对不同反射镜热吸收的评价。结果表明,在目前最好的工艺参数控制条件下,所镀制的反射镜的热吸收率接近于80×10-6。从而在膜层材料及膜系设计结构均完全相同的前提下,达到了评价及优化膜系镀制工艺的目的。

研究了Ta2O5/SiO2硬膜双腔干涉滤光片带内、带边及带外的吸收和激光损伤特性。实验发现,对于作用激光,带通滤光片的驻波场分布、吸收率和损伤阈值在带内、带边和带外的响应特性对作用激光波长均呈现出明显的选择性。根据实验结果,结合滤光片的驻波场分析,给出了带通滤光片的损伤机理。

台阶高度是微电子产品的一个重要性能参数。基于双频激光干涉共焦显微系统(DICM)提出了一种微电子掩膜板台阶高度测量的扫描方法,在共焦显微扫描样品表面,当光强达到最大值时,将采样外差干涉的相位作为精确对准的判据。该扫描方法集中融合了外差干涉测量和共焦显微测量的优点,同时实现了高分辨率与较大量程的测量,该系统测量台阶高度的范围取决于Z向位移扫描仪PI-Foc的扫描范围,可达数十甚至近百微米。实验结果表明该系统在普通恒温的实验条件下1 h内的漂移不超过5 nm,该系统已经用于20 μm高台阶的测量,对准分辨率为0.1 nm,实验结果与台阶高度实际值有很好的一致性。

提出了一种基于光栅成像投影的微位移检测方法,利用光学傅里叶变换原理给出了具体的理论分析。准直激光束照明的光栅通过一个4f系统成像投影在被测物体表面上,光栅投影经过被测物体表面反射后由另一个4f系统成像在探测光栅上。探测光栅由一个透镜组成像在光电探测器上,其中采用由起偏器、光弹调制器和检偏器组成的偏振调制单元对探测光强进行调制。通过在4f系统的频谱面上设置滤波光阑,在光电探测器上获得了与被测物体的微位移成正弦关系的光强变化,检测出光电探测器上的光强变化即可以获得被测物体的位移量。实验验证了该检测方法的可行性,其重复测量精度小于25 nm(1σ)。

为了提高地震检波器的检测灵敏度,增强其性能可靠性,使其体积微型化,利用集成光学原理设计研制了迈克尔逊干涉芯片,并与光纤－质量块简谐振子、光源、光电探测器制成迈克尔逊干涉型加速度地震检波器,检波器具有灵敏度高、频带宽、重量轻、抗电磁干扰等优点,设计参数相位检测灵敏度Δ??/a为1.1×10-2 rad/(m?s-2),测试结果表明,在工作频带0～1065 Hz内,振动与检波器输出信号吻合良好,达到设计要求。

介绍了运用工作波长为10.6 μm的红外干涉仪测试红外光学材料(锗晶体)的折射率均匀性的方法。运用传统的干涉法检验光学材料的折射率均匀性时,由于锗晶体太软,表面不易加工,其表面面形难以满足测试要求。为了消除面形偏差对折射率均匀性偏差测试的影响,使用可见光移相式数字平面干涉仪精确测试被测样品的面形偏差,该干涉仪具有很高的测试精度,其测量不确定度可以达到λ/50(λ=0.633 μm)。然后在红外干涉图数据处理中将样品的面形偏差扣除,得到样品折射率的偏差分布。对锗单晶材料进行了实际测试。

提出了一种精确测量半导体激光器结温的方法。由于激光器的热容很小,因此采用脉冲注入的方法可以显著减小激光器的温升。研究了脉冲电流注入下激光器的激射波长随环境温度的变化规律,通过实验研究得到电流脉冲宽度和周期与激射波长的关系,理论分析得到的定量关系式与实验结果十分吻合。在此基础上得到了精确测量激光器结温的最佳脉冲参数,即脉宽为10 ns,脉冲周期为10 μs。并且确定了激光器结温与激射波长的定量关系式,波长随温度的漂移系数为0.0728 nm/K。这种方法避免了电学测量法中的结电压波形过冲,测量精度明显优于后者,同时也可以方便地测量封装好的激光器组件的温度特性。

通过计算机系统仿真研究了应用相敏光放大器(PSA)作为在线放大器抑制光孤子传输系统中孤子间的互作用,并与相应的掺铒光纤放大器(EDFA)光孤子系统进行比较。仿真中考虑了平均孤子和动态孤子两种传输方案。结果表明,应用相敏光放大器代替掺铒光纤放大器作为在线放大器能有效地抑制孤子系统中脉冲的展宽和孤子间的互作用。对于平均孤子,在没有附加其他孤子控制措施的情况下,相敏光放大器系统中孤子间互作用得到有效的抑制,孤子对稳定传输距离得到极大的延长。对动态孤子,相敏光放大器亦表现出良好的抑制孤子间互作用的效果,但孤子脉冲的幅度经长距离传输后显著下降。

采用掺铒光纤放大器(EDFA)和高非线性色散位移光纤(HNL-DSF)组成非线性放大环镜(NALM),利用掺铒光纤放大器的高增益系数和高非线性色散位移光纤的光学克尔效应构造全光开关,实现脉冲整形和消除干扰噪声。采用分布傅里叶法分析了高非线性色散位移光纤的群速度色散(GVD)对非线性放大环镜开关特性的影响,讨论了掺铒光纤放大器的增益系数、增益饱和特性以及耦合器的耦合比等因素的影响,研究了入射光为高斯脉冲的情况下,非线性放大环镜与入射光信号强度相关的放大滤波特性。通过优化非线性放大环镜的各项参数,可以在实现高开关效率的同时,降低对开关功率的要求,对峰值功率低于1 mW的超短脉冲进行Tbit/s量级的开关操作,从而适用于超高速大容量光通信系统中。

光分插复用器(OADM)是波分复用(WDM)系统中的关键器件之一。提出了一种结构新颖的基于马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪和光纤光栅(FBG)的光分插复用器,它由两个三端口光环形器、一个光纤光栅和一个马赫-曾德尔干涉仪组成,马赫-曾德尔干涉仪起着光开关的作用。对光分插复用器的输出特性进行了实验研究,实验中调节干涉仪的臂长差,可以实现信号的上下载或直通功能,上下载时通道的隔离度大于20 dB。这种结构的光分插复用器具有结构简单、体积小、价格低等优点,在波分复用技术中具有实际应用价值。

长周期光纤光栅作为一种损耗型的带阻滤波器,在光纤通信和光纤传感器领域有着广泛的应用。结合长周期光纤光栅的传输特性,利用传输矩阵法对多种长周期莫尔光栅的透射谱进行了理论模拟。分析结果表明,莫尔光栅技术在制作高性能的相移长周期光栅和变迹长周期光栅上有着很好的应用前景。

激光辅助机械修整金刚石砂轮是一种金刚石砂轮修整新方法,它利用激光束加热砂轮表面使得金刚石修整笔的修整材料模式从脆性断裂变为塑性流动,从而提高砂轮表面修整质量,降低金刚石笔的磨损。运用ANSYS软件建立了激光辅助机械修整过程中金刚石砂轮温度场的有限元模型,并用热成像仪NEC TH7100WX/WV测量了实际工况下的温度场。结果表明,在相同工况下运用仿真模型所得分析结果与实测值拟合得很好。利用所建立的金刚石砂轮温度场的计算机仿真系统可对砂轮修整过程进行前期预测、工艺参数调整及优化等,避免加热温度过高使砂轮表面金刚石颗粒石墨化,或加热温度不足使砂轮表面硬度下降不够等情况的发生,从而减少了直接进行修整实验带来的盲目性。

采用激光粒子注入/熔覆方法制备了SiCp/Al颗粒增强表面材料,所用的材料为绿色的SiCp粉末,基体为LY12铝材。激光功率为1000～1200 W,速度为3.0 mm/s,送粉量为5～10 g/min。采用扫描电镜(SEM),能谱仪器(EDX)和X射线衍射仪(XRD)研究了SiCp/Al复合表面层结构。结果发现其主要相为SiCp和Al,并含有少量的Al4SiC4和Si。SiC颗粒均匀分布于Al基体中。激光层中的SiCp粒子具有3C,6H和5H三种晶形,其中3C和6H为SiCp的两种原始晶形,并发现了激光作用下新产生的5H晶形。