从理论上推导了第Ⅱ类相位匹配下宽带飞秒脉冲的二次谐波光场,分析输入飞秒脉冲的非共线相位匹配方式、脉冲带宽引起相位失配与群速失配对测量的影响。结果表明,为了消除飞秒脉冲的带宽影响,需要对测量记录的光强乘以一个调制因子;测量相位误差与非共线相位匹配的夹角和晶体长度成正比;相位失配与群速失配产生相位测量误差,且第Ⅱ类相位匹配方式下脉冲附加相位值较大;强度和相位误差需要在脉冲重建结果中补偿。

从理论和实验上对利用宽带KrF激光抽运SF6产生的受激布里渊散射(SBS)的脉宽稳定性进行了研究。获得了受激布里渊散射脉宽稳定性随抽运功率密度稳定性、抽运脉宽稳定性及介质气压变化的规律。发现受激布里渊散射脉宽的稳定性与抽运激光的稳定性直接相关,抽运激光的稳定性越好,获得的受激布里渊散射脉宽相对稳定性也越好。抽运光脉宽和能量的不稳定都会造成所产生的受激布里渊散射脉宽不稳定。在较低抽运功率密度情况下抽运光脉宽和能量的波动对受激布里渊散射脉宽稳定性的影响都不可忽略,但在较高抽运功率密度情况下受激布里渊散射脉宽稳定性主要受抽运光脉宽波动的影响。对结果进行了分析和讨论,获得脉宽稳定性较好的受激布里渊散射输出的条件是,使用脉宽稳定性较好的抽运光和在保证没有其他非线性效应产生的情况下,尽可能提高抽运光的功率密度和介质气压。

对激光二极管(LD)阵列5向侧面对称抽运Nd:YAG薄片激光器进行了实验和模拟研究。薄片激光器的耦合系统由消像差透镜组和空心光波导组成,采用15 mm×1.5 mm的Nd:YAG薄片进行初步实验,实验得到薄片激光器的激光输出平均功率为65.7 W,光-光转换效率为10.5%,同时增益介质内具有较理想的荧光分布。同时考虑激光二极管在快轴和慢轴方向的发散特性及增益介质侧面的散射特性,采用光线追迹法,模拟并分析了增益介质内抽运光分布,模拟结果表明耦合系统具有88.3%的耦合效率,同时增益介质内具有较理想的抽运光分布,且与实验结果相吻合。

高平均功率固体激光器的增益介质由于受热而容易发生畸变,如常用材料YAG,波前畸变和去偏振现象会同时发生,高热负载固体激光介质的热效应已成为制约激光器输出功率进一步提高的严重障碍。给出一种计算热容型板条激光器热感生折射率的方法。把YAG晶体的四阶压光张量从晶胞坐标系转换到实验室坐标系,采用经过坐标转换后的新的张量,可以分析在YAG激光器中任意应力分布引起的热感应双折射。进一步的计算表明,在zigzag板条激光器中,应力双折射率与板条从晶体毛胚上切割成材的角度有关。同时也对热容板条激光器的热效应和应力特性进行了二维的理论性概述。

在充分考虑了空间背景光辐射特性以及漫反射目标对相干光和自然光的不同反射特性的基础上,利用信号检测的统计学方法,导出了空间电荷耦合器件(CCD)凝视成像跟踪系统分别在激光照明主动跟踪模式和太阳光照明被动跟踪模式下的作用距离表达式。结果表明,空间CCD凝视成像跟踪系统在脉冲能量为1 mJ的激光照明主动跟踪模式下可对1 m2空间漫反射目标实现10 km量级范围内的跟踪;而利用太阳光照明的被动跟踪模式下的跟踪距离可达几百千米。

利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对机载海洋激光雷达探测过程中,透过波动水表面向下传输的激光束质量受波动水表面影响的程度进行了模拟计算,并给出了定量结果和定性结论。为了获得水下传输的激光束质量相关数据,在传统的蒙特卡罗模型中引入了波动水表面影响模型和接收平面能量分布计算的功能。通过模拟计算,得到了不同海面风速条件下机载海洋激光雷达发出的高斯光束透过波动水表面后在接收平面上的能量分布,得出了随着海面风速的增加,高斯光束的光束质量不断下降,机载海洋激光雷达探测效果不断变差的结论。

介绍了制作低密度闪耀光栅的过程,在制作时,对传统的制作过程进行了改进,有效提高了制作质量。以40 μm闪耀光栅为例介绍了制作的过程,得到了良好的光栅表面形貌,并且闪耀级次的衍射效率达到了70%以上。相比传统的制作方法,效率提高了5%～10%。对比了理论上的衍射效率,分析了实验误差,发现把存在对准误差的光栅进行处理将会有效地提高其衍射效率,为进一步提高闪耀光栅的衍射效率提供了依据。

报道了一台基于Nd:YAG/Cr:YAG键合晶体的全固态355 nm紫外(UV)激光器的设计及实验结果。采用平-平腔结构获得高峰值功率、小束腰的1064 nm基频光。在谐振腔外,未聚焦的1064 nm基频光经KTP晶体倍频产生532 nm波长激光,二者再经LBO晶体和频获得355 nm紫外激光输出。实验中发现尽管Nd:YAG与Cr:YAG都是各向同性晶体,但在特定情况下输出的1064 nm基频光具有近似线偏振的特性,此特性可以有效地增加二次谐波产生(SHG)时基频光的利用率,从而提高整台激光器的转换效率。而基频光的谱线宽度及发散角也影响二次谐波及三次谐波产生(THG)的转换效率,需使其尽量在晶体的允许带宽及允许角范围以内。综合这几点因素,对激光谐振腔进行了仔细设计。当激光二极管(LD)抽运功率为8 W,激光器运行稳定时,基频光峰值功率达28 kW,最终获得平均功率为124 mW的355 nm紫外激光。

光束质量参数对大功率固体激光器光纤耦合系统的设计起着关键作用。大功率固体激光器输出的为多模激光束,引入等效基模光束来计算多模激光束的光束质量是一种有效的方法,并定义包含光斑能量98%的光斑半径为束宽,以此计算多模激光束的光束质量,是准确有效的。结合大功率固体激光器的光纤耦合原理和光束变换理论设计了高效耦合系统,并对系统内透镜的通光孔径及焦距等参量做了数值优化。实验证明,此光纤耦合系统能够进行大功率固体激光高效率耦合,成功地实现了输入功率为2000 W时,耦合效率大于94%的激光输出,并给出了光纤耦合的效率曲线及分析。

产生太赫兹波辐射的方法可分为电子学和光子学两大类。在光子学领域,非线性光学差频方法是获取高功率、低成本、便携式、室温运转太赫兹波的主要方法之一。实验研究了激光二极管(LD)端面抽运Nd:YAG 1319 nm/1338 nm双波长准连续线偏振运转激光器,理论计算了输出双波长在非线性晶体DAST(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate)中差频产生太赫兹辐射的平均功率。在重复频率50 kHz时,双波长激光平均输出功率达到2.22 W,斜率效率12.72%,线偏振度0.983,脉冲宽度71.91 ns。M2因子仅为1.165,不稳定性小于0.487%。根据非线性差频理论,计算出可在1 mm厚DAST晶体中获得4.71 mW的3.23 THz高相干性太赫兹波辐射。这两条非常接近的谱线为进一步通过非线性光学差频方法获得高相干性太赫兹波提供了理论基础。

部分端面抽运的混合腔板条激光器是一种新型的全固态激光器,采用这种结构,实现了高重复率调Q运转。在脉冲抽运情况下,1 kHz运转时,得到脉宽4.6 ns,单脉冲能量4.5 mJ的激光输出。在连续抽运调Q输出情况下,5 kHz高重复率运转时,获得了脉宽6 ns,单脉冲能量3.1 mJ的脉冲序列输出,平均功率超过15 W;当重复率高达25 kHz时,得到脉宽9.5 ns,单脉冲能量1.2 mJ的激光输出,平均功率达30 W。实验结果表明,输出水平还有很大的提升空间。

为了研究功率提取对连续波DF化学激光器光腔压力的影响,基于一台小型燃烧驱动连续波DF激光器装置,进行了一系列实验,实验结果显示,随着提取功率的增大,光腔压力逐渐减小。利用一维定常流理论和光腔动力学理论,建立了从燃烧室到光腔出口的一维数学模型,得到光腔压力随比功率的变化关系曲线,取得了与实验较为一致的计算结果,从而给出了功率提取对光腔压力影响的理论解释,同时也验证了数学模型的合理性。数学模型和实验结果同时表明,从光腔中提取功率,光腔压力将有一定程度的下降,将实验条件参量代入模型计算,得出比功率为50 J/g时,光腔压力比无功率输出时下降约7.4%。

在100 TW超短脉冲钛宝石激光装置上完成了飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的产生及输运特性的实验研究。获得了超热电子的能谱、产额、注量和总能量。结果表明,随着功率密度的增加,靶前法线方向的超热电子更容易产生;超热电子的注量和总能量随靶厚度的增加而减少。超热电子约80%的能量主要沉积在靶内的前10 μm,分析表明,这主要是静电场的影响所致。

利用磁光阱(MOT)技术获得了铯冷原子。通过观测磁光阱在装载过程中冷原子云荧光强度的变化,测量了不同俘获光功率下铯冷原子的碰撞损失率系数。在单个阱中完成了对碰撞损失率系数的测量。同时研究发现铯冷原子的碰撞损失率系数依赖于俘获光功率并随其增加而增大,该实验结果与Gallagher-Pritchard理论模型给出的结果一致,验证了辐射逃逸和精细结构交换碰撞是造成磁光阱中原子损失的主要原因,对于进一步提高磁光阱的俘获效率有重要意义。

采用有限差分光束传输法(FDBPM)分析光波在大角度交叉区域的传输过程,利用padé近似解决大角度传输问题;利用透明边界条件弥补边界光波反射现象,通过追赶法编程计算有限差分方程组,得到在一定光波导结构条件下传输损耗与交叉角度之间的关系。在此基础上,利用低压化学气相沉积技术在硅衬底上制作了二氧化硅交叉波导结构,实验结果表明有限差分光束传输法在分析大角度交叉时具有比较高的计算精度。

基于介质平面光波导端面无受限衍射场光束的光束传输因子的特点,阐明光波导TE0模模场分布采用高斯分布近似表达的合理性。基于场分布间的匹配效率计算公式,提出采用等效匹配效率方法确定用于高斯近似表达的等效模场半宽度,给出基于光波导芯层半宽度和归一化芯层驻波参量和归一化包层倏逝波参量表达的光波导等效模场半宽度的函数表达式,给出高斯近似分布与光波导本征场分布的匹配效率,阐明采用等效匹配效率方法确定等效模场半宽度的合理性。采用求解方程组的方法,给出基于光波导芯层半宽度和归一化频率表达的光波导等效模场半宽度的拟合函数表达式,并基于拟合引起的误差分析阐明了拟合函数表达式的精确性。

描述了激光合成波长纳米测量干涉仪的测量原理,分析了非线性误差对该干涉仪的影响,得出了由偏振光非正交、椭偏化和光学元件偏振非正交及椭偏化等对该干涉仪造成的非线性误差为偏振态误差的二阶或高阶小量。进行了激光合成波长纳米测量干涉仪和激光外差干涉仪的对比实验,结果表明激光合成波长纳米测量干涉仪的最大误差为2.1 nm,优于激光外差干涉仪的最大误差7.5 nm,验证了激光合成波长纳米测量干涉仪的优越性。

采用微机械表面加工技术,成功设计并研制出具有GaAs基微光机电系统(MOEMS)悬臂梁结构的可调谐微腔发光二极管。对其工作特性进行了分析,测量得到悬臂梁载荷-位移关系曲线,并对微光机电系统悬臂梁可调谐微腔发光二极管进行调谐光谱测量。实验结果表明,在直流电流40 mA,调谐电压范围4～22 V时,波长从974.5 nm蓝移至956.9 nm,室温下波长调谐最大达到17.6 nm。在实验基础上,采用有限元方法对具有分布布拉格反射镜(DBR)结构的悬臂梁动力学特性进行了研究,模拟结果与实验结果吻合较好。当悬臂梁长度为400 μm时,最大位移达到411 nm,最大调谐电压达到24 V。

分析了基于偏振光分量强度测量来确定波片参数的方法,指出这类方法在任意波片的测量上存在的不确定性。分析表明,波片相位延迟量与光强测量值之间存在多值函数关系,因而无法仅由线偏振分量光强测量值来确定波片相位延迟量的真正值,包括无法得到波片的级次及快轴方向。提出了把迈克耳孙干涉仪白光干涉的特征性彩虹条纹作为零光程差的定位参考标志,从而可以对光程差进行绝对测量,可以确切测量波片真正的相位延迟量和快轴方向。利用此方法对商用1/4波片进行了测量,实验结果表明所提出的迈克耳孙干涉仪零光程差法是行之有效的。最后还初步分析了色散对测量的影响,讨论了本方法适用的波片范围。

微光成像系统在现代**上起着越来越重要的作用,成像系统的探测视距一直是人们关注的焦点。分析了视距探测方程,提出了一种适用于慢运动目标的增大探测视距的方法-增加帧积分处理时间。基于修正的微光成像公式,从理论上分析了增加帧积分处理时间对于微光电视探测距离的影响,通过计算机模拟了不同照度下不同帧积分时间对探测视距大小的影响,例如四帧累加时：在10-4 lx时,探测距离提高了1.57倍;在10-3 lx时探测距离提高了1.31倍。通过在低照度下的现场实验数据验证了这种方法的可行性,证明增加帧积分时间对提高视距有很大的作用。

为了使激光扫描检测设备达到较高的检测精度并且具有较强的通用性,一般要求它的光学系统具有大视场、宽工作光谱、高成像质量的特点。以传统7片可见光波段镜头为基础,用折-衍混合单透镜代替系统中的双胶合透镜,设计了折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统,主要参数为：视场60°,工作波段0.8～1.06 μm,焦距30 mm,后工作距离30 mm。设计结果表明,在42 lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值接近0.7,全视场畸变小于1.9%,重量减轻了35.3%,表明该系统像质良好且兼具小型化的特点,满足扫描检测设备的技术要求。

散粒磨料研磨与固着磨料研磨是光学研磨加工过程中的两种主要手段,但两者材料去除的机制不同。目前针对高功率固体激光装置中的主要工作物质——磷酸盐激光钕玻璃的亚表面缺陷(SSD)研究相对较少,因此在实验的基础上,通过系统地研究固着磨料对磷酸盐激光钕玻璃的研磨工艺过程,分析了多种因素,如磨料粒径、载荷大小、机床转速,以及结合剂材料与冷却液等对钕玻璃亚表面缺陷形成的影响,并与散粒磨料研磨工艺所产生的亚表面缺陷进行了比较,对关键工艺参数进行定量,为高质量钕玻璃制造工艺的选型以及进一步优化亚表面缺陷提供了重要的参考数据。

利用指数拟合法拟合损伤概率,获取1-on-1激光损伤阈值;分析了测试光斑面积以及单脉冲能量台阶取样点数对损伤概率的影响。采用理论推导得到了缺陷按完全简并模型分布时的损伤概率表示式,做进一步的修改使之适用于非完全简并情况从而得到了指数拟合公式,并通过实验比较了直线拟合与指数拟合的结果,证明了指数拟合法的优越性;计算模拟研究了测试光斑面积以及单脉冲能量台阶取样点数对测试误差的影响,发现测试光斑面积越大、取样点数越多则测试结果越准确。

建立了厚度为0.1 mm的不锈钢钢箔激光弯曲成形的三维热力耦合有限元模型,并采用有限元软件MSC.Marc模拟计算得到了箔材弯曲变形过程中的温度场、变形场与应力应变场。分析了应力、温度、变形三者之间的内在关系,阐述了激光弯曲成形的温度梯度机制(TGM)。建立了微尺度激光弯曲成形的实验装置,验证了有限元模型(FEM)的可靠性,模拟计算结果与实验结果吻合较好。通过实验分析了激光功率、扫描速度以及激光扫描次数等工艺参数对激光弯曲角度的影响规律,并对影响原因进行了初步分析,为进一步对微尺度激光弯曲成形机制及工艺的研究打下了基础。

利用CO2激光对火焰喷涂制备的Ni-WC复合涂层进行了重熔实验,通过扫描电镜(SEM)观察了其重熔后表面形貌,测试了含有不同WC体积分数样品重熔前后的涂层显微硬度,并分析了WC含量对涂层组织及耐磨性的影响。实验结果表明,火焰喷涂制备的涂层气孔随着WC颗粒含量增大而增多,经激光重熔后气孔明显减少;激光重熔后的涂层显微硬度比火焰喷涂的涂层显微硬度提高约20%,WC体积分数为6%时涂层显微硬度达到最大值;激光重熔处理后的涂层耐磨性随着WC含量的增加而增大,WC体积分数为6%时,其耐磨性达到最佳值。

激光强度空间分布是影响脉冲激光相变硬化效果的重要因素。现有的二维点阵光束按强度均匀分布设计,不能完全满足应用要求。为此提出基于有限元(FE)分析的光强空间分布逆向设计思路,并给出了实现方法。建立脉冲激光相变硬化有限元模型,考虑了材料热物性参数随温度的变化和相变过程,并用实验进行校核。研究了二维点阵分布参数对温度场的影响,从目标温度场和硬化层形貌出发对二维点阵的分布参数进行调整,获得优化的强度空间分布。针对汽车冲压模具表面强化的工艺要求,应用此方法设计出具有实用价值的激光强度空间分布。

设计并实现了一种放大纳秒激光脉冲的高稳定的激光二极管(LD)抽运Nd:YLF再生放大器。为了获得高稳定的输出,再生放大器工作在饱和状态。此时,再生放大器输出稳定性最好,而且注入激光脉冲能量波动引起的输出激光脉冲波动被抑制。由于增益饱和效应,再生放大器输出脉冲出现时域波形失真,附加后缀脉冲能够减弱时域波形失真。放大器工作波长1053 nm,工作频率1 Hz。输入240 pJ的3 ns方波激光脉冲,输出激光脉冲能量4.2 mJ,总增益大于107,不稳定度小于1%(均方根),方波扭曲1.33。为3 ns方波激光脉冲引入其本身幅度0.75倍的后缀脉冲,输出激光脉冲方波扭曲由1.33降至1.17。

采用Nd:YAG连续激光器对2 mm厚NiTi形状记忆合金(SMA)进行激光焊接。研究了激光焊接过程中激光功率、焊接速度、离焦量、侧吹保护气流量等主要工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明,激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数的合理匹配是实现NiTi合金良好焊缝成形的关键因素。线能量为59～75.6 J/mm时能获得最佳焊缝成形;离焦量在-2～3 mm时均能使厚度2 mm NiTi合金试件焊透,其中离焦量在0～1 mm可以得到最佳焊缝成形;当侧吹气流量为15～20 L/min时,气体保护效果和焊缝成形最好。通过大量工艺实验得到2 mm厚NiTi合金焊接速度与激光功率的不同匹配对焊缝成形影响的曲线,为NiTi合金焊接加工及工程应用提供参考。

分析了船用铝合金T型材的特点,提出激光焊接船用铝合金T型材的方法。采用CO2激光填丝焊接方法实现了6.0 mm厚船用5083铝合金T形构件角焊缝的焊接。在平板扫描焊接实验的基础上,重点研究了激光束入射角度、作用位置及焊接速度与送丝速度的匹配关系对角焊缝成形的影响。针对6.0 mm的5083铝合金,采用Ar和He混合保护气在激光功率为3300～3500 W,离焦量为0的情况下进行焊接。激光入射角度为22°～25°,激光作用于竖板距横板0.8～1.0 mm处,焊接速度2.2～2.5 m/min,送丝速度2.5～2.8 m/min的条件下,能够得到满意的角焊缝成形。同时,讨论了船用铝合金T型材CO2激光焊接过程中产生气孔和过程不稳定的原因。

通过对航空航天用超高强7050铝合金进行激光熔覆修复的实验研究,探讨了激光熔覆修复铝合金的可行性。实验采用5 kW CO2连续激光器作为加热源,在惰性气体保护隔离箱中,对7050铝合金的板状试样进行了激光单道熔覆、多道搭接熔覆、多层堆积熔覆的实验研究。得到优化的激光熔覆工艺参数,制备了激光熔覆修复试样,并观察了不同激光熔覆区的微观组织以及拉伸断口形貌。实验结果表明,优化激光熔覆工艺参数是：激光功率密度为1.84×104～2.12×104 W/cm2,扫描速度为5 mm/s,送粉量为1.8～2.4 g/min,搭接宽度为1.5 mm。采用优化工艺参数熔覆,基底和熔覆区形成良好的冶金结合,熔覆后工件表面平整且基底没有变形。同时,采用干燥的氩气加强对激光熔池的保护可以有效消除铝合金激光熔覆中的缺陷。

采用CO2连续激光对AM50镁合金表面进行熔凝处理。利用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)等手段对熔凝层的组织与成分进行了分析,通过在质量分数为3.5%的NaCl 溶液中的电化学极化曲线测试和浸泡实验对激光熔凝层的耐蚀性能进行了检测。激光熔凝处理使镁合金的组织得到高度细化,组织与成分分布更加均匀,β相减少,Al及杂质元素的固溶度增加。极化曲线测试结果表明,激光熔凝表面的腐蚀电位较未处理试样提高了37 mV,阳极腐蚀电流密度约降低了一个数量级;浸泡实验结果显示,激光熔凝表面腐蚀坑的出现时间和扩展速率明显慢于未处理试样,激光熔凝处理使镁合金的耐蚀性能有了明显提高。

采用CO2和Nd:YAG激光器焊接A3钢,结合高速摄像和光谱分析,研究激光深熔焊接阈值的表征及特性。结果表明,以激光功率与光斑直径之比作为深熔焊接阈值的表征参量,深熔焊接阈值与光斑大小无关;而临界功率密度随光斑尺寸不同而变化。YAG激光焊接模式转变阈值明显大于材料蒸发的阈值,在模式转变前的热导焊接阶段,金属材料已出现显著蒸发,而焊接模式转变后,蒸气羽辉的光谱保持不变。CO2激光焊接模式转变前,金属仅发生微弱的蒸发。深熔焊接时,蒸发显著加强,且蒸气部分电离。分析表明,CO2激光焊接时,蒸气电离形成等离子体,增加金属对激光的吸收,促进深熔焊接过程的建立。

对1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢进行了激光冲击处理(LSP)的基础性研究。激光器最大输出能量为50 J,激光功率密度3.7～7.5 GW/cm2。吸收层和约束层分别选取Al箔和均匀流水层,激光束采用倾斜入射方式,实验对单光斑试样、搭接光斑试样、疲劳试样分别进行冲击。通过表面形貌、显微硬度和残余应力等检测,验证了激光功率密度对冲击区性能的影响。三组疲劳试件进行对比表明,先冲击后打孔试件的疲劳性能最好,其表面高幅值的残余压应力层能很好地抑制疲劳裂纹的萌生和延长裂纹扩展的速率。实验证明激光冲击处理可以有效提高马氏体不锈钢的疲劳性能。