激光毛化的温度场和熔化过程流动状态的变化,以及因辅助气体等导致的对流换热边界条件变化都会对材料表面成形质量和组织转变产生重要影响。于是建立了模拟激光毛化的三维瞬态模型,该模型考虑了热传导、对流传热及熔池表面的形貌变化等因素,采用焓法与流体体积(VOF)方法处理固液相变移动边界与自由表面的问题,利用Fluent软件和用户自定义函数(UDF)方法求解,处理了辅助气体的驱动作用及自由表面和相界面的演化,得出了脉冲激光毛化过程中各种加工参数下熔池的形状、大小以及熔池内的温度、速度分布。实际毛化加工结果与数值模拟结果基本一致。

通过控制作用于材料表面的激光能量和脉冲数量,实验研究了800 nm,50 fs,1 kHz激光作用下融石英玻璃和硅片的破坏机制和损伤规律,计算了材料的损伤阈值与脉冲能量以及脉冲数量的依赖关系,并采用简化的理论模型计算了熔石英玻璃材料的损伤阈值与激光脉宽以及光子能量之间的依赖关系。对这两种无机硅材料在飞秒脉冲作用后的微区结构改变进行了扫描电子显微镜(SEM)测试,研究了其形貌特征。结果表明,硅片是由缺陷中的导带电子作为种子电子引发雪崩电离导致材料损伤,而熔石英玻璃是由多光子电离激发出导带电子引发雪崩电离导致材料损伤。

引入回归正交设计(ORD)方法,利用逐步回归模型得到了激光快速成形(LRF)工艺参数以及它们之间的交互作用对沉积层尺寸影响显著的因素。其中,对沉积层高度影响显著的因素是送粉率和扫描速度,对单道沉积宽度影响显著的因素是光斑直径、扫描速度、激光功率与光斑直径的交互作用。同时也得到了主要影响因素与沉积层尺寸的定量关系,并验证了其准确性。

在真空条件下对AZ91HP镁合金进行了高功率激光熔凝处理。研究结果表明,在高功率激光快速扫描下,熔凝层主要由分布于α-Mg枝晶间的板条状β-Mg17Al12构成,硬质相β-Mg17Al12含量较原始镁合金有所增加。随激光功率增加,熔凝层树枝晶尺寸逐渐增大,且长度方向上的增加幅度约为宽度方向上增加幅度的10倍。由于枝晶细化和β-Mg17Al12的强化作用,与原始镁合金相比,熔凝层的硬度约提高90%左右,耐磨性提高78%,耐蚀性显著提高。

室温稳定的多波长光纤激光器(MWFL)中最关键的技术是如何有效抑制掺杂光纤的均匀展宽效应。综述了国际上近年来提出的实现室温稳定多波长光纤激射的主要技术。介绍了近几年我们在该领域的一些创新性研究工作：提出了多种基于多谐振峰的光纤布拉格光栅(FBG),如多模光纤布拉格光栅、保偏光纤布拉格光栅、取样光纤布拉格光栅等的可开关多波长光纤激光器的新方法和新结构,实现了多种波长间隔小于2 nm,室温工作稳定性好、波长及波长间隔可调的可开关多波长光纤激光器; 提出了基于非线性光纤环镜(NOLM)和非线性偏振旋转(NPR)效应的两种多波长掺铒光纤激光器(EDFL)实现技术,实现了室温稳定、功率谱分布平坦的宽带多波长激光输出,3 dB带宽内的波长个数可达50个,每个波长的功率波动在2 h内小于0.1 dB。

研究了利特罗(Littrow)结构外腔半导体激光器的结构参量对激光连续可调范围的影响。给出了反射镜转轴等处的机械加工误差对激光波长连续可调范围所造成的影响的数值计算结果。介绍了半导体激光器外腔结构设计的具体细节要点。利用该设计制作的外腔只需要配合商用半导体激光管便可以得到优质的780 nm激光输出,经测量其线宽小于1 MHz,连续可调谐范围大于3 GHz。利用腔外Rb饱和吸收谱的三、五次谐波稳频方法对半导体激光器进行了稳频。其中提出了优化激光频率短期稳定度的方法,并对调制深度的选择给出了详细的理论解释。根据该优化方法设计出稳频系统对半导体激光器进行稳频,得到了稳定度达到10-12量级的半导体激光输出。

利用国产半导体可饱和吸收镜(SESAM),设计了不同的腔型结构,实现了平均功率5 W单路输出,5 W双路输出,输出透过率可调节的半导体可饱和吸收镜线型腔连续锁模(CWML)激光器,双向输出六镜环行腔连续锁模激光器等。将半导体可饱和吸收镜放在腔内的特殊位置,利用一种新的技术方法实现了锁模激光器的频率翻倍。利用由非线性晶体KTP和双色镜构成的非线性镜(NLM),实现了端面抽运Nd∶YVO4激光器的4 W锁模输出。

采用数值分析方法研究了超高斯光脉冲的自相关特性及其受锐度参量、线性啁啾参量、噪声脉冲和随机噪声影响的变化规律,并与原脉冲相应参量作了比较,给出了一个有效的滤除随机噪声方法,并用实验作了验证。当锐度参量增加时,强度自相关曲线宽度变窄,自相关频谱曲线随之展宽。当啁啾参量增大时,光脉冲强度自相关曲线和脉冲时域波均保持不变; 光脉冲的频谱曲线展宽,边缘出现振荡结构并随之增强,自相关频谱曲线随之展宽,边缘依旧平滑。存在噪声的情况下,超高斯脉冲自相关特性变化比较复杂。

计算了MgO∶LiNbO3中超短中红外光参量放大(OPA)过程中晶体的相位匹配角与非共线角的优化选择。结果表明,对于800 nm波长的抽运光,信号光波长为1053 nm时,非共线角α优化在1.74°～2°之间; 当信号光波长在1046～1067 nm内变化时,α在1.05°～2.18°之间,并且当信号光波长为1057 nm,α=1.76°时,可实现三波间群速度的完全匹配。同时还得到了抽运光中心波长在780～810 nm之间变化时,实现完全群速度匹配时的注入信号光波长与对应的中红外光以及相应的非共线角与相位匹配角。

毛细管的折射率比溶液的折射率高,石英毛细管在被插入的溶液中形成圆柱形微腔。采用近轴向消逝波抽运的方法,使激光的染料增益局限于抽运光在染料区的消逝场范围内,极大地提高了消逝波耦合柱形微腔的抽运效率。与侧向抽运方式比较,柱形微腔回音廊模(WGM)激光的抽运阈值从200 μJ降低到9.5 μJ。实验所得到的激光谱线波长以及相邻谱线的波数间隔与回音廊模式的理论计算吻合,说明石英毛细管能得到与石英光纤类似的柱形微腔回音廊模激光辐射。

报道了可光纤集成相干态量子身份认证实验系统。该系统采用偏振相干态的斯托克斯矢量作为量子信号载体,采用动态偏振控制器作为信号调制器,利用固有的相干态量子噪声保证系统的安全性。自行设计了脉冲激光驱动电路、微弱窄脉冲激光探测电路、信号同步模块,采用Socket网络通信程序在TCP/IP局域网中实现了量子保密通信所需要的经典通信。该相干态量子身份认证系统采用的运行密钥为12位,每个光脉冲包含40000个光子,传输速率达到8 kbit/s,合法用户间误码率(BER)小于10-4。每传输一个比特信息,攻击者所能窃取的信息量I(Alice,Eve)<10-14 bit。

利用相干耦合非线性薛定谔方程,研究了激光脉冲在升余弦变迹布拉格光纤光栅中传输时,在反常色散区和正常色散区所产生的调制不稳定性。结果表明在反常色散区和正常色散区都能产生调制不稳定性; 在反常色散区,当输入功率达到一定数值时,产生明显的规律性增益谱; 在正常色散区,在产生调制不稳定性功率区域,调制不稳定性存在并从给定值一直持续到无穷; 在反常色散区和正常色散区,增益谱都受到升余弦变迹函数的制约。

提出并实验研究了一种基于相位调制器产生光毫米波信号的全双工光纤无线通信(RoF)系统。在中心站采用相位调制器结合滤波的方法产生重复频率为40 GHz的载波抑制双边带毫米波信号,利用交叉复用器分离开毫米波信号的上下边带,其中的一个边带强度调制数据速率为2.5 Gbit/s的下行基带信号,另一个边带被发送到基站调制上行传输的基带数据。该系统抗色散效果好,在经过40 km标准单模光纤上/下行传输数据速率2.5 Gbit/s的基带信号后,双向的传输功率代价都小于0.5 dBm。在光纤无线通信系统中采用相位调制器结合滤波的方法产生光毫米波,同时基于波长重用技术再生上行光载波信号,可以简化中心站和基站配置,节约系统成本。

将半导体光放大器(SOA)和滤波器组合使用是实现高速全光信号处理的有效途径。利用半导体光放大器和带宽为0.32 nm的可调窄带滤波器同时实现了40 Gbit/s的非归零(NRZ)信号的反相波长转换(WC)和非归零到伪归零(PRZ)信号的码型转换,波长转换和码型转换的结果差异取决于滤波器中心波长相对于探测光波长的失谐量。当滤波器的失谐量为-0.24 nm时,输出反相的波长转换,此时滤波器起到加速半导体光放大器增益恢复的功能。当滤波器失谐量为+0.41 nm和-0.48 nm时,得到非归零到伪归零的码型转换,并且产生的伪归零脉冲分别出现在非归零信号的上升沿和下降沿,此时滤波器的作用是将探测光的相位信息转换为强度信息,并且该码型转换结果兼有波长转换的功能。

提出了基于二阶透明边界条件(2nd TBC)的二维矢量伽辽金有限元法(FEM),并用其对任意横截面形状和折射率分布的光纤进行了模式分析。二阶透明边界条件与一阶透明边界条件(1st TBC)相比,提高了光纤模式限制损耗(CL)的精度,与多极法(MM)计算结果的相对误差在10%以内。对单模光子晶体光纤(PCF)温度特性进行了数值模拟,得出光子晶体光纤有效折射率neff,有效半径Reff和限制损耗随温度变化的近似公式,研究表明当折射率温度系数ξ在所研究的波长和温度范围内变化不剧烈时neff随温度升高线性增加,增加量与波长λ,光子晶体光纤空气孔直径d和孔距Λ无关; 温度变化对光子晶体光纤色散特性无影响; Reff随温度升高线性减小,减小量与ξ,温度增量ΔT,Λ2,λ2成正比,与d成反比; 限制损耗随温度升高线性减小,减少量与ξ,ΔT,限制损耗成正比,在大d/Λ,长波长处限制损耗随温度变化较快。

基于识别目标真假和空间位置的需要,将180幅训练图像分成了4个训练集,分别计算每个训练集的特征向量,分析结果表明每个训练集可以用3个特征向量来表示,这样用12个特征向量就可以建立目标的4个特征空间,使目标分解与重构过程大大简化。利用待识别目标向量与重构向量之间的关系,不仅可以判别目标的真假,还可以确定目标所在的空间位置。模拟结果表明,提出的目标多特征空间的建立方法和目标识别准则是有效的,能够实现离面旋转条件下三维目标真假和空间位置的识别。

提出了Sagnac光纤水听器锯齿波主动相位偏置方案,分析了锯齿波2π复位误差对系统性能的影响。采用频率为94.05 kHz,复位电压为10.84 V的锯齿波对信号进行调制,将系统偏置在π/2附近。为抑制2π复位误差的影响,采用与锯齿波同步的脉冲信号控制模/数(A/D)转换器定时采样,采样结果就是所需的声音信号。实验表明,该系统在10 kHz频率响应处信号幅度平均值为0.067 rad,方差为3.08×10-5 rad,信号幅度相对变化仅为0.046%,系统相位偏置十分稳定。

对连续波腔衰荡技术中的模式失配对测量结果的影响进行了理论分析和实验研究。在腔菲涅耳数较大时,基于高斯光束的参数q变换规律及模式耦合有关理论,分析和模拟了引起模式失配的两个主要因素——光束半径失配和相前曲率失配对一般稳定腔连续波腔衰荡法测量的影响,并进行了实验验证。结果表明,当腔的菲涅耳数较大时,模式失配主要影响无源腔出射光功率的大小,而对其衰荡特征影响不大。在同等模式耦合条件下,选择功率大的光源及聚光面积大的探测器有利于提高测量精度。

在正弦相位调制(SPM)干涉仪中,若调制频率或者采样频率发生变化将使干涉信号出现频谱泄漏,减小了谐波分量的幅值,在测量结果中引入了误差。对频谱泄漏的产生及其对测量精度的影响进行了理论分析,获得了频谱泄漏引入测量误差的计算方法。实验测得频率漂移量在-0.3～0.3 Hz内,得到的频谱泄漏引入的误差为0.3～7.9 nm,当超出这个范围时,频谱泄漏误差将迅速增长。实验结果与模拟分析结果一致。

依据玻璃、银和聚苯乙烯的折射率随波长变化而改变的性质,分析了不同波长入射光条件下表面等离子体共振(SPR)传感器的探测灵敏度。根据得到的实验数据,对玻璃、银和聚苯乙烯的折射率相对波长的变化进行了数据拟合,将拟合的结果用于理论计算,得到不同入射波长下表面等离子体共振传感器的探测灵敏度,提出了不同灵敏度要求下入射波长的优化选取。为了验证理论计算的结果,选取了波长为568 nm和632.8 nm的光源对样品进行了相关实验,发现波长632.8 nm的入射光得到的样品表面形貌图相对波长为568 nm的入射光得到的分辨率高,对细节的表现更加清晰。

利用单目CCD图像进行物体表面非接触测量的核心是基于单幅图像的三维重构技术,常采用由阴影恢复形状(SFS)的方法实现三维重构。当图像分辨率较低时,通过由阴影恢复形状的方法重构的三维表面模型其分辨力较差,无法满足实际要求。为此提出了一种基于参数域映射及B样条插值的三维重构方法。采用B样条插值技术对图像进行放大处理,通过像素的参数域映射减小图像的失真及高频信息的丢失,根据放大后图像的灰度信息重构物体的三维表面模型。实验表明,基于参数域映射及B样条技术的图像插值方法很好地保护了图像的细节,利用该方法进行三维重构能够有效改善重构模型的分辨力和光顺性,为提高三维表面非接触测量精度创造了条件。

薄膜的厚度、折射率和传输损耗等参数在电光系数的确定和光波导器件的设计和制作过程中都是重要的参考数据。采用旋涂法制备了三种不同质量比的偶氮化合物染料分散红13(DR13)与聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合薄膜; 利用分光光度计测量样品的吸收光谱; 利用棱镜耦合仪测量了薄膜的厚度和折射率,并对不同波长下的折射率进行拟合得到折射率色散曲线; 采用视频摄像技术研究样品的光传输特性,利用自己编写的计算机程序来处理其实验结果。DR13/PMMA复合薄膜在300 nm和500 nm处有两个大的吸收峰,而在其他波段,尤其是在通信波段没有明显吸收。薄膜的膜厚大约为1～2 μm,其折射率随着质量比的增加而增大,随着激光波长的增大而降低,膜厚和折射率的误差分别为3.2×10-1 μm和1.5×10-3。三种质量比(10%,15%和20%)的薄膜传输损耗分别为1.5269 dB/cm,2.7601 dB/cm和3.6291 dB/cm,可以看出随着DR13质量比的增大,光传输损耗也逐渐增大,即DR13的含量对于传输损耗的影响较大。

真空室内金属粒子污染是降低激光薄膜性能的一个重要因素。采用高真空残余气体分析仪,对薄膜沉积过程中的气氛进行分析。发现由黄铜制作的加热灯架在工作时会分解出Zn,在这种条件下沉积薄膜,会使薄膜中掺入金属杂质,导致薄膜激光破坏阈值降低。采用表面分析技术对薄膜的组分进行分析,证实薄膜中锌杂质的存在。激光破坏实验证明,含有锌杂质的薄膜的破坏阈值明显降低。

利用氟化氪(KrF)脉冲准分子激光烧蚀沉积(PLD)技术,通过对激光等离子体的粒子成分以及空间分布的诊断,实现了等离子体成分的选择性沉积。在不降低光谱范围和透过率指标的前提下,解决了类金刚石(DLC)薄膜和硫化锌(ZnS)基底的牢固结合问题; 通过改进基底平台的扫描方式,在激光烧蚀沉积工艺中沉积了80 mm的大面积均匀类金刚石薄膜。制备的类金刚石/ZnS镀膜样品,光谱范围为0.53～12 μm,其中1.3～11 μm波段透过率在70%以上,膜层均匀性优于95%,可耐受环境湿度95%～100%,工作温度-45～85 ℃,附着力达到国军标要求。研究表明,利用类金刚石薄膜可以明显提高ZnS材料的耐冲击、耐高温、耐辐射和抗沙粒、盐、雾和尘埃的磨损侵蚀等能力。

在H13钢表面通过纳米复合镀(NCP)的办法预置纳米Al2O3镀层,然后通过高功率连续CO2激光处理预置表面,采用扫描电子显微镜(SEM)观察了镀层处理前后表面及截面形貌,利用X射线能谱(EDS)仪、X射线衍射(XRD)仪对处理前后的镀层进行了元素分析和物相分析,测试了处理前后镀层显微硬度及磨擦系数的变化。结果表明,激光处理后,强化层表面平整光滑,与基体形成冶金结合,成分均匀,组织细密。纳米Al2O3颗粒均匀分布在强化层表面,强化层显微硬度为原镀层的1.5～1.8倍,强化层摩擦系数约为镀层的1/2,基体的1/3。强化层和基体的表面主要以磨粒磨损为主,而纳米复合镀层则是磨粒磨损和黏着磨损综合作用的结果。