提出了一种新型侧面滑闪放电技术,为TE CO2激光器均匀放电提供高效、均匀的紫外预电离。采用这种技术,成功实现5.5 cm电极间距的高气压CO2均匀放电,放电截面达27.5 cm2。放电体积为5.5 cm×5 cm×90 cm的单元模块采用V(CO2)∶V(N2)∶V(He)=1∶1∶4的混合气体在60 kPa的气压下,获得了53 J的激光脉冲输出,激光比输出能量达3.46×10-4 J/(L·Pa)。采用简单的谐振腔,利用两个相同的单元模块串联实现了103 J的激光输出。实验表明双模块器件存在很强的激光脉冲能量增强效应,双模块串联输出的激光能量比单模块激光能量的两倍还大15%。

在分子束外延(MBE)生长的基础上,采用脉冲阳极氧化工艺制作了非对称、宽波导InGaAlAs/AlGaAs/GaAs应变双量子阱(DQW)结构准连续(QCW)线阵半导体激光器,实现了808 nm波段线阵激光器的高效率、高功率运转。脉冲阳极氧化工艺主要用于器件工艺中的蚀刻与绝缘膜制备,电解液采用乙二醇∶去离子水∶磷酸∶2%盐酸的体积比为40∶20∶1∶1的混合溶液。研制的准连续线阵半导体激光器的填充因子约为72.7%,100 Hz,200 μs准连续工作条件下的阈值电流约为24 A,斜率效率达到1.25 W/A,最大电-光转换效率达到51%。

报道了绿光平均功率达138 W的声光调Q内腔倍频全固态Nd∶YAG绿光激光器。为了进一步提高绿光激光器的输出功率以及压窄脉宽,通过倍频晶体相位匹配角随温度变化的分析以及腔型的研究,设计并优化了U型谐振腔。实验中采用两个聚光腔,每个聚光腔由35个20 W的高功率激光二极管(LD)侧面抽运Nd∶YAG棒,利用Ⅱ类相位匹配KTP晶体腔内倍频,实现了高平均功率内腔倍频激光器的稳定运转。在两个聚光腔的激光二极管抽运电流分别为18.5 A,20.5 A时,获得了重复频率为10 kHz,脉冲宽度优于49 ns,输出功率为138 W的高功率、高重复频率、窄脉宽绿光(532 nm)输出,光-光转换效率为14.1%,不稳定度为±2.8%。

报道了基于偏振旋转技术等效快可饱和吸收体的被动调Q锁模光纤激光器,采用976 nm半导体激光器作为抽运源,高掺杂浓度的Yb3+光纤作为增益介质构成环形腔,通过调节抽运光功率和偏振控制器的角度得到了调Q,调Q锁模与锁模三种稳定的输出脉冲。获得的锁模脉冲中心波长为1.05 μm,重复频率为20 MHz,脉冲光谱宽度为13.8 nm,抽运功率为270 mW时,锁模平均输出功率为15.82 mW；调Q频率为17.54 kHz,调Q脉冲宽度为8 μs,光谱宽度为4.7 nm；调Q锁模中调Q重复频率为300 kHz。

提出了一种新的射频(RF)激励增益波导阵列CO2激光器技术。为了提高输出激光光束质量,增强多个波导通道之间模式的耦合,通过在上电极刻上等距离的凹槽,形成一个个并列的子电极,使增益在电极横向具有周期分布特征。同时使用表面刻有周期性凹槽的相移全反射镜,实现了远场光束的极强相干叠加。研究了其近场和远场的光强分布情况。在气压为10.0 kPa,10.7 kPa的情况下,近场为长20 mm的若干个尖峰分布,远场为中心压窄的极锐尖峰。随着时间变化,只有光强峰值变化,相对强度分布保持不变。

哈特曼波前传感器是自适应光学(AO)系统中常用的波前传感器件,噪声、器件装配误差常常影响其探测波前的能力和精度,进而影响整个系统对波前的实时校正。通过实验证明,引入数字图像处理中的矩技术,无需在硬件上对自适应光学系统进行修改,利用Zernike矩噪声不敏感、旋转不变等特性,对波前传感器CCD数据进行预处理,能够降低系统对噪声的敏感性,减小对器件装配精度的要求。

激光推力器性能优化是激光推力器研究的重要组成部分。受硬件条件的限制,激光推进领域激光脉冲时间波形对推力器性能影响的研究并未广泛展开。以两台CO2激光器的实际脉冲波形为基准,建立了两组激光能量输入模型,其波形时间分布相似,单脉冲能量相同,但脉冲持续时间及峰值功率不同。数值计算比较了不同脉冲波形下抛物型激光推力器的性能,结果表明：峰值功率和脉冲持续时间是影响推力器性能的重要参数,高功率短持续时间的脉冲波形更有利于提高冲量耦合系数和推力；两种实际脉冲波形的冲量耦合系数数值计算结果分别为40.9×10-5 N·s/J,30.0×10-5 N·s/J,与文献报道实验测量结果基本吻合。为激光推进CO2激光器的脉冲波形设计提供支持及研究思路,具有一定参考价值。

提出了半导体激光器混沌相位共轭反馈(PCF)控制方法,建立了相位共轭反馈控制条件下激光器电流激发混沌的物理模型,发现其混沌控制物理机制是相位共轭反馈影响改变了激光器非线性增益和线宽增强因子特性,控制了系统的动力学行为及频率特性,其影响程度与反馈系数、延迟时间和光线宽增强因子等有关。数值模拟结果表明,在不同强度的光反馈下,通过调节相位共轭反馈光的延迟时间可以控制混沌激光到周期态、双周期态、多周期态等；发现相位共轭反馈控制特点是反馈光场和输出激光处于相干增强状态去实现混沌控制,且能控制实现激光器功率增强的周期脉冲输出。

研究非共线性声光可调谐滤波器 (AOTF) 在一般相位匹配条件下的声光相互作用关系。对于通常设计制造的声光可调谐滤波器,它的o光和e光具有不同的波长,应用中无法同时使用此两束衍射光,为了使可用光强增大,应当使两束衍射光的波长相等。研究了使一般声光可调谐滤波器晶体两束衍射光波长相等的方法。对于未按照等值点理论制造的声光可调谐滤波器晶体,可以使入射光与晶体表面的法线成一个小的角度,根据一般相位匹配原理可以使两束光的出射波长相等。在实验中证明此方法的正确性,此角度称为等值偏置角。对于不同数值的衍射波长,有不同的等值偏置角,最后给出了等值偏置角随衍射波长的变化规律。

利用线性电光效应的耦合波理论,对单轴晶体铌酸锂电光调制器的温度特性进行了研究。通过计算机进行数值计算,详细分析出射光光强随入射光方向、温度的变化关系。发现在某些入射光方向上,出射光光强不随温度的变化而变化,并且在该方向附近,角度在一定范围内是可调的,温度的稳定性可以保持。进一步还发现,当极角θ固定在0°,方位角在0～π/2,温度在243～343 K范围内变化时,调制器的温度稳定性相当好；另外,当固定在π/8,θ在0～0.0032π范围内变化时,调制器的温度稳定性也很好,出射光强对入射光强之比几乎不随温度而变化。这一结果表明,可以通过调节入射光的方向来保证调制器的温度稳定性,而这些方向是可利用线性电光效应的耦合波理论计算得出的。

研究了由正和负两种折射率介质交替排列构成的一维光子晶体布拉格微腔的透射谱和缺陷模性质,并将传输矩阵各矩阵元在中心频率附近采用泰勒展开并取一级近似,得到了中心频率附近缺陷模的透射率公式和品质因子公式。研究结果表明：一级近似法能很好地解释由于缺陷层厚度变化而引起的中心频率附近缺陷模频率变化的规律,缺陷模品质因子公式与数值计算结果十分吻合；处于中心频率处的缺陷模具有较高的品质因子,增大缺陷层厚度和布拉格镜周期数可提高缺陷模的品质因子。

为了研究柱面上激光激发的瑞利(Rayleigh)波的色散特性,建立了激光在各向同性圆柱表面激发瑞利波的有限元模型。该模型以热弹激发机制为基础,同时考虑了材料热物理参数的温度依赖性。在验证了模型正确性的基础上,计算了激光在不同直径铝圆柱表面激发的瑞利波波形,结合相谱分析法得到了柱面瑞利波的色散曲线。同时分析了圆柱直径对柱面瑞利波色散特性的影响。结果表明：随着频率的增加,柱面瑞利波的相速度先迅速增加到最大值CRmax后逐渐减小并趋于平面瑞利波的波速CPR。此外,随圆柱直径的增加,柱面瑞利波的色散减弱；直到圆柱直径趋于无限大(即平面)时,色散现象消失。

报道了一种多芯微结构光纤(MF)产生超连续谱的现象,利用钛宝石飞秒激光器产生的20 fs光脉冲序列,通过一段长约40 cm的多芯微结构光纤,获得了展宽超过600 nm的光谱(400～1000 nm),而且当耦合位置不同时,可以得到不同颜色的光谱成分。实验结果表明,由非规则填充气孔组成的多芯微结构光纤可以出现超强的非线性和超连续谱展宽。

提出了一种基于线型腔拉曼光纤激光器的长距离分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感解调系统,并进行了理论分析和实验验证。传感光纤布拉格光栅构成拉曼光纤激光器腔镜的一端,受一维调节器调节控制的匹配光纤布拉格光栅构成腔镜的另一端。一维调节器与步进电机相连,步进电机由计算机(PC)通过可编程逻辑控制器(PLC)进行控制,一维调节器通过调节匹配光纤布拉格光栅的周期来控制激光器的输出。实验结果表明,传感解调系统能很好地实现长距离分布式传感及传感信号的检测。30 km非归零色散位移光纤(NZDSF)用于拉曼增益可以产生信噪比大于40 dB的稳定拉曼激光输出,在4.2 nm范围内系统解调精度为0.05 nm。

保偏光纤(PMF)在相干光通信、光纤激光器、光纤传感、光纤陀螺中应用广泛,温度稳定性是其在实际应用中的一个十分关键的问题。理论和实验分析了保偏光纤上写入光栅的特性,特别是全面分析了其温度特性。结果表明,随温度升高,偏振反射峰的间隔缩小。利用保偏光纤光栅的这一特性研究了可以高精度、方便地获得保偏光纤温度特性的新方法。测试了保偏光纤-40～130 ℃的温度特性,实验结果与理论分析的结果一致。

报道了一种新型边孔光纤及边孔光纤光栅的研究结果。采用有限元法分析了边孔光纤内部的应力分布和双折射数值,并通过波长扫描技术对其双折射进行了测量,理论计算和实验测量结果表明双折射数值达到4×10-5。根据边孔光纤光栅两反射峰偏振态相互正交的特性,提出了一种基于偏振检测的波长检测方案对边孔光纤光栅的传感特性进行了测量。结果表明两峰中心波长间隔随温度变化的灵敏度仅有0.05 pm/℃,是普通单模光纤光栅温度灵敏度的1/184。提出了一种基于横向荷载压力增敏的新型边孔光纤光栅封装装置,使边孔光纤光栅双峰间距的压力灵敏度从5.6 pm/MPa增加到119.14 pm/MPa,增敏21倍,实现了温度不敏感的高灵敏度压力传感。

介绍了聚合物分散液晶(PDLC)材料及体全息光栅的特性,提出了基于全息聚合物液晶(H-PDLC)电控光栅多极串联式动态增益均衡器的设计。根据光栅的衍射特性计算公式,对全息聚合物液晶光栅在中心波长为1550 nm的波长选择特性进行模拟,并且进一步利用遗传算法模拟实现全息聚合物液晶动态光强增益均衡器的功能。计算模拟表明,选择合适的全息聚合物液晶光栅参量,能够使光栅在1550 nm为中心波长的衍射谱线半宽度达到10 nm。同时,采用基于全息聚合物液晶的动态光强增益均衡器,能够使掺饵光纤放大器在1530～1560 nm内,其自发辐射谱的不平坦度从3.3 dB降到0.1 dBp-p(峰-峰值)。

利用数字激光散斑图像测量物体的形变和微小位移是一种新兴的非接触测量方法,为提高测量速度,通过对数字散斑相关测量方法(DSCM)和激光散斑图像的特点进行研究,提出一种针对数字散斑图像的边缘相关测量法(DSMC)。该方法把移动前后的激光散斑图像像素在单方向上求和,使整幅图像的能量集中在边缘上,然后使用边缘上所形成的一维数列,通过插值和相关的方法求解激光散斑图像的位移。而激光散斑图像的位移可以反映出物体的位移或形变。理论和实验证明了该算法可行,可以大大节省数字散斑相关测量中数据处理的时间而不影响计算精度,因为此算法的运算精度主要取决于插值点的个数和散斑图像自身的综合误差。

基于共聚焦检测原理,建立了双波长生物芯片检测系统。采用体全息滤光片,利用其反射衍射和带阻滤光特性,无需切换或改变光路,在同一光路中即可实现Cy3与Cy5荧光双波长扫描检测。提出了基于顺序形态变换的生物芯片荧光点阵图像的网格化处理方法,并对Cy3与Cy5荧光试剂点样玻片进行了扫描实验,对实验所得荧光点阵图像进行了网格化处理。实验结果显示,系统的检测灵敏度达到0.1 fluo/μm2,网格化算法简单、有效。

利用显微数字散斑相关方法(DSCM)对新型高分子薄膜材料力学性能进行了研究。通过实时获取高精度的变形位移场,得到应变场与力学性能之间的关系,实现了新型高分子薄膜的力学性能分析。利用该方法对聚酰亚胺-二氧化硅合成薄膜进行面内位移测量,由薄膜的应力-应变曲线完成了薄膜材料的弹性模量测量；将离面位移的测量转化为面内位移的测量,对聚氨酯-钛酸钡复合高分子材料的电致伸缩应变进行了测量,从而获得电致伸缩系数,实现了材料的电致伸缩性能分析。采用亚像素搜索和曲面拟合相结合的方法进行数据处理,并对结果进行了分析。研究结果表明,数字散斑相关方法为研究新型薄膜材料动静态力学性能与物理性能提供了一种有效的、可行的方法。

基于强激光系统光学元件损伤的在线暗场成像检测,提出了一种无损、自动、快速检测的新算法。该算法根据模式识别中的聚类理论,对光学元件损伤的暗场图像实现了损伤斑块位置的自动检测分析。同时,根据损伤的暗场图像特点,用双向扫描方式得到了无遗漏点的损伤连续斑块,实现了损伤斑块尺度的自动检测。理论分析和实验均显示,损伤暗场自动检测图像的快速聚类算法能实现光学元件损伤位置和损伤尺度的准确、自动分析。

研究了碲酸盐玻璃的拉曼光谱和红外光谱,分析了OH-对掺Er3+碲酸盐玻璃上转换发光的影响机制。实验结果表明,氧氟碲酸盐玻璃(TPF)的声子能量高于氧氯碲酸盐玻璃(TPC)的声子能量,但是Er3+掺杂TPF玻璃上转换发光强度也高于Er3+掺杂TPC玻璃。除水实验发现这种现象可归因于OH-的影响。随OH-浓度降低,Er3+的荧光寿命和上转换荧光都增加。在实验中,OH-对Er3+上转换发光的影响大于声子能量对Er3+上转换发光的影响,导致Er3+掺杂TPF玻璃上转换发光强度高于Er3+掺杂TPC玻璃的上转换发光。研究结果有助于进一步提高Er3+的发光效率。

研究了不同Er3+/Yb3+掺杂比46Bi2O3-44GeO2-10Na2O(B46G44N10)(摩尔分数)玻璃的吸收光谱、红外吸收谱和上转换光谱性质,分析了玻璃中Yb3+敏化Er3+的上转换发光机制。测试了Er3+离子在不同Yb3+浓度下玻璃中的上转换荧光强度,得到最佳的掺杂质量比Er3+∶Yb3+=1∶6。计算了在980 nm激发下Er2O3质量分数为0.5%和Yb2O3质量分数为3.0%的Er3+/Yb3+共掺B46G44N10玻璃的绿光上转换效率为2.27×10-4。比较了不同基质材料玻璃的上转换效率,结果表明B46G44N10玻璃是一种良好的上转换基质材料。

实验研究了连续波Nd∶YAG激光焊接速度、侧吹保护气流量和离焦量等参量对激光穿透焊接K418和42CrMo焊缝成形的影响。结果表明,K418与42CrMo激光穿透焊接有X形和T形两种典型的焊缝形貌,且焊缝形貌是不对称的。随着焊接速度的提高,焊接线能量降低,焊缝尺寸变小, 且焊缝上部尺寸变化比下部尺寸变化慢,焊缝形貌由X形过渡到T形。当离焦量在瑞利长度范围内时,焊缝正面宽度变化很小；当离焦量超出瑞利长度范围时,在足够高的激光功率密度下,焊缝正面宽度快速增加。在激光功率为3 kW,侧吹保护气角度为35°条件下,通过优化焊接速度、侧吹保护气流量和离焦量等参量可以得到最佳焊缝质量。

根据激光脉冲的时间分布、空间分布及材料物理参数与激光超声波形特征的关系,采用有限元方法(FEM)建立了激光超声的热弹有限元数值模型,得到了金属和非金属材料中的温度场分布,将温度场作为超声力源进而得到热弹激发的超声对心波形。根据对心波形,分析了前驱小波的成因和规律。结果表明,金属材料中由于热扩散效应在金属表面附近激发出一个位于表面的力源；非金属材料由于同时存在光学穿透效应,在材料表面层下形成一个有一定深度的体力源。激光辐照导致金属材料中加热区域急速膨胀进而产生垂直于表面方向的应力,而非金属材料该垂直表面方向的应力作用于材料表面下方一定深度处。因此金属材料中前驱小波为单极波形,而在非金属材料中表现为双极波形。前驱小波波形的特征反映了材料的物理性质和参数。该研究为利用前驱小波进行材料的定量检测和无损评价提供了依据。

利用CO2激光对汽车车身用1.5 mm厚高强度双面镀锌钢进行了大量的焊接实验,对焊缝组织进行了显微组织分析和相关的机械性能实验。从理论上推导了在一定焊接工艺条件下,稳定深熔焊接的下临界功率与焊接速度及焦点位置的关系。在同轴和侧吹保护气体的条件下,通过工艺参数优化,激光深熔焊接可以有效地避免高强度镀锌钢热影响区(HAZ) 的软化现象以及焊缝气孔的有效控制。锌不稳定的急剧气化,使热影响区扩大和焊接稳定性降低,聚焦镜的保护难度加大,采取了有效措施加以控制。实验结果表明,用氮气作为保护气体,在激光功率1300 W,焊接速度0.8～1.1 m/min,焦点位置在工件表面下0.4 mm处时,得到了满意的焊接质量。焊缝的硬度接近母材硬度的2倍。

通过计算机辅助设计(CAD)的数字化基托模型,在自主研制的激光快速成形系统上,选取优化的激光快速成形工艺参数,制造了全口义齿钛基托。与传统方法相比,工艺简化,且成形后的全口义齿钛基托外形良好。该技术在钛基托制作中的成功应用为口腔纯钛修复体的高性能、自动化加工开辟了一种新方法,并且为今后该技术的口腔临床应用提供了依据。

指纹识别技术是方便、可靠、非侵害和价格低廉的生物识别技术。为提高图像的质量,根据表面等离子体共振(SPR)的原理,提出采用表面等离子体共振成像(SPRI)采集指纹图像的方法。介绍了表面等离子体共振成像采集指纹图像的原理、自行组建的表面等离子体共振成像指纹采集系统的结构。采用Kretschmann型棱镜耦合结构激励表面等离子体共振,偏振的平面光经棱镜投射到传感片,发生表面等离子体共振现象。由CCD摄像机采集反射光指纹图像。分别用表面等离子体共振成像方法和传统光学方法采集了同一指纹的图像。两图中主要区域指纹脊和谷的对比度分别为0.2014和0.0516。表面等离子体共振成像方法采集的指纹图像的对比度和清晰度显著提高。

为研究半导体激光对水果的主要虫害——果蝇(drosophila melanogaster)的控制效果,采用响应曲面法设计,实验研究了激光功率和照射时间对果蝇的生物学效应。结果表明,用波长为650 nm的半导体激光照射果蝇幼虫,在功率60 mW,照射1282 s条件下,果蝇幼虫的致死率可达到99%以上,且体重降低、羽化延续时间缩短,激光对果蝇幼虫具有较强生物学致死效应。但当功率低于40 mW时,激光对果蝇产生激励作用,促使果蝇的生长发育。继续用原剂量照射第三代果蝇的幼虫,对比发现在连续多代照射后,果蝇后代并没有产生对激光的抗逆性。为半导体激光在水果病虫害控制中的应用提供了实验依据。

基于对称双侧激光二极管(LD)抽运Nd∶GGG(掺钕钆镓石榴石)激光晶体板条,从热传导基本方程出发,以废热等效于内热源模型为前提, 利用有限元分析软件ANSYS对Nd∶GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟,分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明：在激光发射阶段,边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度,由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0.2 μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却条件下的温度变化过程,研究了适用于热容板条固体激光器工作的冷却手段。

使用惠更斯-菲涅耳衍射积分和傅里叶变换,推导了横向模式为厄米-高斯的激光束通过硬边光阑的传输表达式。利用所得公式通过数值计算详细分析了光束的频带宽度对光束横向强度分布的影响。分析发现激光束通过硬边光阑后会出现大量的强度尖峰,引起近场的强度分布不均匀。然而,当带宽增加时,强度尖峰的数量减少,幅度减小,光束的均匀性得到改善。在远场,光束的横向强度分布没有强度尖峰出现,但宽度随带宽的增加而减小。因此带宽增加会带来近场强度匀滑化和远场光束宽度变窄的效应。另外,数值结果表明带宽对模指数为1和2的厄米-高斯光束的强度分布的影响是类似的,均有近场强度匀滑化和远场光束宽度变窄的效应。