以半解析热分析理论为基础,研究超高斯分布激光二极管(LD)端面抽运背冷式微片Nd:YAG晶体的热效应。通过对超高斯分布激光二极管端面抽运背冷式微片Nd:YAG晶体工作特点分析建立热模型,利用热传导方程新的求解方法得出微片Nd:YAG晶体内部温度场、热形变场、附加光程差(OPD)半解析计算表达式; 利用附加光程差得出微片Nd:YAG晶体的热焦距计算表达式。研究结果表明,当使用总功率为24.2 kW,10%占空比4阶超高斯分布激光二极管抽运时,微片上获得70.36 ℃最高温升,0.465 μm最大热形变,0.836 μm最大附加光程差。

采用全固型掺镱光子带隙光纤(AS-Yb-PBGF)作增益介质并提供反常群速色散(GVD),设计了一种被动锁模全光纤环形孤子激光器。没有使用任何块状色散补偿元件,因此,该激光器腔型结构简单、紧凑、环境稳定性高,更容易实现全光纤结构。脉冲在激光腔内的传输用广义非线性薛定谔方程描述,并采用分步傅里叶方法数值模拟了该激光器的单孤子运转的动力学过程。计算时,将AS-Yb-PBGF的长度选取为0.4 m,改变激光腔内单模光纤(SMF)的长度,得出了最佳运转参数：当AS-Yb-PBGF固定为0.4 m时,选择单模光纤等于0.4 m,就可以实现脉冲宽度为244 fs,脉冲能量为14 pJ和时间带宽乘积为0.32,即接近傅里叶变换极限的单孤子运转。

报道了用976 nm激光二极管(LD)抽运掺Yb3+增益光纤,用光纤耦合的声光调制器(AOM)实现全光纤环形腔主动调Q激光输出的实验研究。激光器的调制频率在200 Hz～60.9 kHz之间调节时获得稳定的调Q脉冲输出。当抽运光功率为183 mW,调制频率为500.2 Hz时,获得输出峰值功率为2.7 W,脉冲宽度为53.2 ns,单脉冲能量为145.5 nJ的激光脉冲,激光器的输出波长为1030 nm。当Q开关关闭时间较短时,从实验中观察到高低脉冲间隔输出的情况,利用调Q原理给出了相应解释。从实验和理论上分析了调制频率和抽运功率对激光器输出脉冲的影响,并进行了相应的计算,计算值和实验结果符合得较好。

设计了包含半导体可饱和吸收镜(SESAM)、单包层高掺Yb增益光纤和光纤布拉格光栅(FBG)的全光纤激光器,实现了皮秒级,中心波长约为1064 nm,3 dB线宽约为0.4 nm,重复频率约为17.3 MHz的稳定的连续(CW)被动锁模脉冲输出。观察并分析了输出激光随抽运功率升高和降低的变化过程,升高过程中连续锁模启动时抽运功率阈值为50 mW,降低过程中能够实现稳定锁模的最小抽运功率为37 mW。随着抽运功率的加大,首先出现调Q现象,然后出现连续锁模,并伴有很小幅度的调Q现象。继续加大功率,脉冲会出现分裂; 抽运功率越大,单脉冲分裂成的多脉冲越多,多脉冲调制越强。在较少脉冲演变为较多脉冲的过程中,会出现调制的不稳定性。当抽运功率足够大时,会出现多脉冲个数及峰值的不稳定现象。半导体可饱和吸收镜被动锁模会使输出激光谱线加宽,随着抽运功率的加大和锁模的加强,输出激光谱线逐渐加宽。随着脉冲分裂个数增多,单个脉冲脉宽变窄。在多脉冲调制阶段,外界微扰会对系统产生一定影响。

将石英光纤浸入染料溶液中形成圆柱形微腔,并采用近轴向消逝场抽运的方式,激发染料溶液的激光增益。柱形微腔回音廊模(WGM)激光抽运阈值能量的高低与抽运激光的消逝场和回音廊模消逝场的空间重叠程度有直接关系,同时也需要考虑低阶与高阶回音廊模损耗的影响。通过改变染料溶液的折射率以及光纤直径,来改变回音廊模的消逝场分布,从而改变两种消逝场空间重叠的体积以及回音廊模的损耗。实验结果表明,柱腔直径不变时,存在一个最佳的溶液折射率值; 同时,溶液折射率不变时,也存在一个最佳的柱腔直径,使得一阶回音廊模激光抽运阈值能量最低。

当工作气体温度变化时,脉冲TEA CO2激光器的输出波长也可能发生变化,此现象称为输出波长的温度漂移。通过建立六温度理论模型,用数值计算的方法揭示了平凹稳定腔脉冲TEA CO2激光器输出波长的温度漂移规律。计算结果表明,这种激光器输出光谱为多谱线结构,工作气体温度升高,激光输出波长向长波长方向移动; 工作气体温度降低,激光输出波长向短波长的方向移动。计算结果还表明,激光输出波长随温度的漂移局限在10P支内,没有9 μm带与10 μm带之间的跨带移动,因此,采用光栅谐振腔,可抑制脉冲TEA CO2激光器输出波长的温度漂移,稳定激光输出波长。

理论上分析了掺MgO的周期极化LiNbO3(PPMgLN)晶体准相位匹配光参量振荡(QPM-OPO)波长的调谐特性,计算了抽运阈值和转换效率。采用高斯光束抽运,当抽运功率密度为阈值抽运功率密度约6.5倍时,可以获得约71%的转换效率。而相位匹配情况下,平面波抽运功率密度为阈值(π/2)2倍时,转换效率可达到100%。1064 nm激光抽运PPMgLN晶体(MgO摩尔分数5%),单谐振光参量振荡技术采用e→e+e相位匹配,利用PPMgLN晶体的最大非线性系数d33(27.4 pm/V),采用周期调谐方式,实验上获得了中红外波长调谐范围2.7～4.8 μm,当抽运功率为23 W,频率为7 kHz时,在波长3.7 μm处激光输出功率超过3.2 W,斜率效率超过18%,对应闲频光波长1.49 μm输出功率约8 W,相当于转换斜率效率约为63%。实验结果与理论分析基本一致。

根据波导耦合方程,导出了串联微环谐振器的传输矩阵,并分析了环数、环间耦合系数以及损耗对串联微环谐振器输出特性的影响。数值模拟表明,串联微环谐振器具有光子带隙的特征。当环数增加时,通带内满足谐振条件的波长数增加; 当环间耦合系数增加时,可使通带带宽加宽; 通过适当选择环数和环间耦合系数,可以实现滤波和波分复用(WDM)的功能。选用脉冲宽度为50 ps的高斯型激光脉冲注入微环谐振器,发现当环间耦合系数较小时,出射脉冲相对于入射脉冲具有光学延迟的效果,并且随着环数的增加,延迟时间逐渐增大,而当环间耦合系数较大时,光学延迟效果不明显。

无波前传感自适应光学(AO)系统不依赖波前传感器可直接对系统性能进行优化。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法,32单元变形镜,CCD成像器件等建立了无波前传感自适应光学系统实验平台。实验结果表明,参量选取合适时,系统对畸变波前具有较好的校正能力,但受限于较低的CCD采样频率,仅能校正静态或缓慢变化的像差。根据实验结果讨论了基于随机并行梯度下降控制算法的无波前传感自适应光学技术在大气光通信中的应用可能和应用方法,指出采用高速光电探测器件、高速数据处理及响应速度高的波前校正器与随机并行梯度下降算法相配合可用于补偿大气光通信中的大气湍流扰动。

提出了一种绿茶成分分析和种类鉴别的新方法。利用FS920荧光光谱仪测量得到国内生产的26个绿茶样品的三维荧光光谱矩阵(EEMs),建立了不同种类绿茶在特定范围内(激发波长为300～550 nm,发射波长为310～750 nm)的三维荧光光谱图和等高线光谱图。采用平行因子分析法(PARAFAC)计算得到绿茶的3因子激发-发射光谱轮廓图和样品因子投影得分图。通过因子光谱特征分析确定绿茶的三种主要成分(茶多酚、黄酮醇及叶绿素); 通过三维荧光光谱图和等高线光谱图的图谱特征和样品因子投影得分图的分析,证实三维荧光光谱技术和平行因子分析法对绿茶进行成分分析和种类鉴别,是一种高效、精确的方法。

结合静态流体力学理论、弦振动理论及瞬态受激布里渊散射(SBS)理论,建立了描述介质纵向振动所产生的附加密度变化的受激布里渊散射耦合模型。以四氯化碳为介质,研究了不同强度的基频及倍频振动对受激布里渊散射反射率以及波形失真度的影响特征。结果表明,振动对于受激布里渊散射的影响具有一定的阈值性。在低于某一阈值情况下,受激布里渊散射稳定性不受其影响,且受激布里渊散射的振动稳定性在很大程度上受控于受激布里渊散射装置的结构参数。在介质振动强度恒定的情况下,选取短焦透镜及短池长的装置结构更有利于受激布里渊散射相位共轭镜稳定性的提高。

具有双光子光折变效应的光折变介质温度的变化对光伏孤子性质具有影响。通过光伏空间孤子的演化方程得到的亮和暗光伏空间孤子解与温度相关,在室温范围内,双光子光折变介质中空间孤子的光强和强度半峰全宽(FWHM)均受温度影响。随着介质温度的升高,双光子光折变介质支持光强较小的光伏空间孤子; 在较大光强情况下,双光子光折变介质支持强度半峰全宽较小的光伏空间孤子; 在小光强情况下,双光子光折变介质支持强度半峰全宽较大的光伏空间孤子。即可以通过控制光折变介质的温度来控制介质中光伏孤子的空间形态,从而在光折变介质中形成稳定的光伏空间孤子。

通过理论分析与数值模拟方法,研究了高功率激光系统中非线性热像位置及光强随介质厚度的变化规律。基于角谱传输和Bespalov-Talanov小尺度自聚焦理论,在不作薄介质近似情况下得到了热像光强表达式,并用数值模拟结果进行了验证。结果表明,在一定的入射功率下,热像光强随介质厚度的增加而增大; 而在一定的B积分下,热像光强随介质厚度的增加先单调增加,达到一极大值后,单调减小。此外,当模糊斑相对于克尔介质的距离的菲涅耳数远大于1时,可采用薄介质近似。数值模拟结果与解析结果吻合得很好。

为了研究厄米-正弦-高斯(HSiG)光束在非傍轴情形下受参量影响的特性,基于光强二阶矩理论,经过一系列复杂的数学计算,得出了非傍轴厄米-正弦-高斯光束的远场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析式,并通过数值模拟,得到了它们与离心参量的关系。结果表明,在束腰宽度与波长比取值逐渐减小时,随着离心参量趋于0,当阶数为奇数和偶数时,发散角分别趋于63.435°和73.898°。束腰宽度和光束传输因子随参量的增加呈现较大的起伏,非傍轴情形下的光束传输因子取值与傍轴情况有很大的不同,其受参量影响不仅可以小于1,甚至趋于0。

光束在弱吸收介质板上反射时,会产生纵向位移。采用稳态相位法从理论上研究了线偏振光在单层金属界面上反射时的纵向位移。结果表明,在吸收频率区,TE偏振反射光束的纵向位移很小,随入射角增大单调增加,掠射时趋于饱和,而TM偏振反射光束的纵向位移为负位移,在入射角为80°附近达到峰值约λ; 在反射频率区,TE反射光束的纵向位移随入射角的变化规律与在吸收频率区相同,饱和值更小,TM反射光束的纵向位移为负位移,掠射时约几个波长。

相位载波(PGC)调制解调技术作为光纤水听器主要的检测技术之一,已经应用于许多光纤水听器阵列系统之中,该方案对光源提出了窄线宽、可调谐、低噪声等较高的要求。实验中发现,光源弛豫噪声对系统噪声性能产生了较大的影响。在理论分析光源弛豫噪声对相位载波解调影响的基础上,提出了通过调节抽运功率,控制弛豫振荡中心频率为相位载波调制频率的半倍频的奇数倍,来降低系统解调噪声的方法,实验验证了理论结果,解调噪声由最高的-86.7 dB减小到-106 dB。实验进一步采用了光电负反馈方法来抑制弛豫噪声,在弛豫振荡峰处抑制噪声约25 dB,得到了约-100 dB的较为平坦的激光器噪声谱级,使得相位载波解调噪声达到-110 dB,基本满足了光纤水听器系统的要求。

报道了一种分析长周期光纤光栅(LPFG)透射谱谐振波长和衰减率随弯曲曲率变化的方法。利用耦合模理论和微扰近似推导了长周期光纤光栅透射谱随弯曲曲率变化的一般表达式,得到当弯曲曲率为2.56 m-1时,长周期光纤光栅透射谱分裂,分裂峰的谐振波长和衰减率与弯曲曲率呈非线性变化,但分裂峰的间距与弯曲曲率呈线性变化。利用B-Ge共掺单模光纤写入的长周期光纤光栅证实了理论的正确性,且具有很好的重复性。

基于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构,构造了全保偏光纤传感系统,以单频窄线宽保偏光纤激光器作为光源,采用了光源光电负反馈和双光路平衡检测双重降噪方法,降低了光源的附加强度噪声,使系统信噪比(SNR)提高了约15 dB,达到60 dB。

基于带有各向异性完全匹配层吸收边界条件的紧凑二维频域有限差分法(2D-FDFD)对八角格子光子晶体光纤(O-PCF)的模式分布、模式截止特性以及色散特性进行了数值模拟。通过计算八角格子光子晶体光纤前20个模式分布发现,其模场形状比六角格子光子晶体光纤(H-PCF)的好,更接近于圆形; 利用有效面积方法分析了八角格子和六角格子光子晶体光纤基模和二阶模的截止特性,得到了非限制模、基模和多模的相图。比较发现相同填充率和空气孔间距时,八角格子光子晶体光纤的单模运转区域要比六角格子光子晶体光纤的宽,且更易用于色散补偿。

提出了Er/Yb共掺的光纤放大器中,Yb离子仍然存在基态能级斯塔克(Stark)分裂的假设,考虑1060 nm波段辐射,利用速率方程和传输方程,结合Er/Yb共掺双包层光纤的吸收和发射系数谱,采用4阶龙格-库塔(Runge-Kutta)算法,建立了模拟Er/Yb共掺双包层光纤放大器放大自发辐射(ASE)光谱的理论模型。通过改变抽运功率和信号功率,对其前向放大自发辐射光谱特性进行了全面的分析。大信号入射时,改变抽运功率,只改变输出功率大小,输出光谱形状不变,而当信号功率足够小时,前向放大自发辐射光谱在1535 nm和1543 nm处会出现2个局部峰值,理论模拟与实验数据相符。

介绍了拉曼差分法测量对流层底部污染物O3的基本原理。计算和研究了N2,O2的拉曼光谱强度分布特征,利用O3对N2,O2紫外波段拉曼散射光的不同吸收特性,推导出O3浓度反演公式; 设计了拉曼差分激光雷达(Raman-DIAL)系统,该系统采用双通道分别接收N2和O2对紫外266 nm激光的拉曼散射光,通过拉曼差分法反演大气中O3浓度。分析了激光雷达系统噪声的来源,对双通道滤光片提出了相应的要求; 分析了大气中污染物SO2,NO2在紫外波段的吸收特性对拉曼差分法测量O3的影响及造成的相对误差; 利用差分激光雷达AML-2测得的O3数据模拟了拉曼差分激光雷达系统N2与O2的拉曼信号,从而证实了该方法探测对流层底部大气臭氧含量垂直分布的可行性。

采用收发分置的光学结构实现了尾流气泡对532 nm激光在散射角5°～175°内的散射测量,同时测量了水的激光散射。散射角度的改变是通过发射系统不动而转动接收系统来实现的。解决了散射信号大动态范围的压缩问题,讨论了接收视场内散射体积随散射角的变化。分析了气泡散射的信号特征,并提出了气泡散射信号的功率谱密度处理法。将实验结果与米氏理论结果进行了对比,发现尾流气泡的激光散射强度及其随散射角的变化趋势与米氏理论结果吻合得很好,与水的散射相差近一个数量级。研究结果表明利用激光可以将气泡和水的散射区别开,即利用激光探测尾流气泡的存在具有可行性。

为实现地基拼接式大口径望远镜主镜整体面形连续性,提出了一种新方法,对拼接子镜的相互位置误差进行高精度检测,并进行相关校正,从而使望远镜取得或接近于其衍射极限的光学成像质量。拼接子镜间需要进行校正的位置误差包括子镜间的倾斜误差和垂向平移误差,其中子镜之间的垂向平移误差需要被校正到100 nm以下,相当于入射光波长的几分之一。为实现此目标,在基于迈克耳孙干涉原理的基础上设计出一套相位误差检测系统,应用He-Ne激光与白光作为其光源系统,对拼接主镜子镜间相位误差进行高精度检测,同时解决了垂向平移误差的λ/2相位模糊性问题。系统的不确定度为8～10 nm,检测范围为45～60 μm。对系统的设计进行了分析,并仿真出基于该检测系统的理论干涉图形,得出理想的检测结果。

设计了在激光测高系统中基于单芯片现场可编程门阵列(FPGA)的高精度时间间隔测量模块。该模块采用高频计数器实现粗时间测量,差分延时线内插技术完成细时间测量,时间分辨率为300 ps。该芯片同时还集成了时序切割电路、回波脉宽测量和数据传输模块等。在环境温度20 ℃时对该测量模块进行精度测试,获得标准偏差为94.68 ps,转换成距离为1.42 cm。最后通过地面检测,整个系统在500 km范围内的一般条件下可获得测高精度±50 cm。

太赫兹(THz)辐射能够穿透很多对可见光不透明的非金属、非极性材料,而用X辐射对这些材料成像的对比度又相对低,因此,太赫兹成像在安全检测和生产质量控制等领域日益受到重视。对成像材料的太赫兹特性的实际测量是太赫兹成像技术的重要组成部分。利用CO2激光抽运太赫兹激光对聚四氟乙烯材料的太赫兹吸收特性和透过光斑轮廓进行了实验研究,获得聚四氟乙烯在70.51 μm,96.5 μm,118.83 μm,122.4 μm,158.51 μm,184.31 μm和214.58 μm波长的吸收系数。

精确的光学常数对于设计和制备高品质的光学薄膜非常重要,尤其是那些光学性能对折射率变化敏感的薄膜。SiO2是一种常用的低折射率材料,因与常用基底折射率相近使其准确拟合有一定难度。实验通过离子束溅射制备了SiO2单层膜。考虑测量时的误差和基底折射率的影响,采用透射率包络和反射率包络得到了SiO2的折射率,并用所得折射率进行反演来对这两种途径在实际测量拟合过程中的准确性进行比对。分析表明,剩余反射率在实际的测量过程中误差更小,直接用测量镀膜前后基片的剩余反射率值可以更简便更准确地得到SiO2的折射率,能达到10-2的精度。

研究了1064 nm激光辐照致光学薄膜分层剥落的损伤特性及其抑制手段。从光学薄膜的界面结构出发分析了温升在分层剥落产生过程中的作用,从理论上得出了剥落面积与辐照脉冲能量之间的关系式并通过实验进行验证,间接证明了分层剥落的成因; 对分层剥落的抑制、改善方法进行了理论探讨与实验,证明亚阈值能量脉冲预辐照之后剥落面积明显减小,并且在一定范围内预辐照脉冲的能量密度越高相应的效果越明显,对作用机制给出了定性解释。

利用具有纳焦能量、高重复频率的偏振光飞秒双脉冲对金属铬膜样品进行微加工,样品表面都会产生微突起状结构,它们的宽度在0～400 ps的双脉冲时延范围内没有明显的变化,但高度却都在1～10 ps的双脉冲时延范围内呈现明显的下降,在此时延范围之外并没有明显的变化。通过加工样品的扫描电子显微镜(SEM)图片发现,对于偏振光,利用双脉冲方法,可以获得更好的加工质量。并且线偏振光得到的微突起状结构比较细长,在入射光束的偏振方向上有所伸长; 圆偏振光得到的微突起状结构比较接近圆形。即在低脉冲能量、高重复频率情况下,具体的微加工特征形貌与入射光束的偏振状态有关。

基于开展的薄硅片长脉冲激光弯曲成形实验,针对弯曲样品表面产生的滑移线和堆垛层错缺陷,结合实验所用规格硅片弯曲角度不超过35°的现象,运用位错理论分析在弯曲过程中硅晶体产生位错、层错现象的原因以及位错对激光弯曲成形的影响。说明了滑移线主要是位错堆积产生滑移的表现形式,而堆垛层错是位错相互叠加产生的不全位错导致的结果; 提出薄硅片弯曲成形受到位错浓度和位错移动速度变化的影响。

为评估激光熔覆技术修复塑料模具的磨损性能,采用铁基合金粉末在40Cr钢基体表面进行激光熔覆。激光熔覆层为上试样,GCr15钢球为下试样,利用HT-500磨损试验机进行摩擦磨损试验,研究在干摩擦、润滑条件下,激光熔覆层及其配副的摩擦学特性。利用表面形貌仪测量磨痕的深度和宽度,理论计算磨损率。研究结果表明,在干摩擦条件下,随载荷的增加,激光熔覆层及其配副的摩擦系数先降低后增加,当载荷为300 g时摩擦系数最小; 随载荷的继续增加,摩擦系数逐渐增大。在相同载荷与润滑条件下,激光熔覆层及其配副的摩擦系数、磨损率、磨痕宽度均小于干摩擦条件下的值; 随着磨损时间的增加,摩擦系数在磨损后期略有上升,磨损深度、磨损体积、磨损率逐渐增大。

对旋转多面体激光扫描成像系统作了理论描述及定量分析。为了保证扫描像点处于同一平面,将多面体置于成像物镜之前,当激光束以相对于光学系统光轴为2α角入射时,确定了入射光在多面体反射面上的位置、多面体中心转轴以及光学系统光轴三者之间的相对位置关系。推导了系统光学扫描角、扫描效率和入瞳漂移等参数的数学公式,分析了它们与入射光直径、入射角、多面体几何尺寸等因素之间的变化关系。结果表明,为减小系统的入瞳漂移和增大扫描效率,应以较小的入射角入射; 进行系统设计时,若给定扫描角,扫描效率一般选择在0.4～0.7范围内较合理。

梳棉机棉结检测系统是基于机器视觉理论提出的一种新型在线检测系统。光源在系统中起到照明的作用,是影响棉结检出率的重要因素。为满足棉结在线检测系统宽幅面、高速和高分辨率的检测要求,需要对光源系统进行优化设计。通过实验可以获知棉网上的棉结对何种波长范围的光具有最大的反射率,以及棉结和周边结构如何获得最好的对比度。在比较了传统的荧光灯、高压汞灯和发光二极管(LED)线光源的光谱曲线后,提出了采用He-Ne激光器与光学系统配合后进行照明的光源设计方案。实测结果表明,由于激光束的高亮度和高准直性的优点,这种光源较其他光源更适合棉结检测照明的实际环境,可以满足检测需要。

研究了热作用对心肌组织在可见及近红外光谱范围内的光学特性改变。利用带积分球附件的分光光度计测量了心肌组织样品的漫反射率和总透射率,再用反向倍增(IAD)法从这两测量值中获取组织的吸收系数、约化散射系数和光学穿透深度。结果表明,自然的及热处理后的心肌组织的吸收系数、约化散射系数和光学穿透深度都是随着辐照波长的变化而显著变化的。自然的及热凝固后(80 ℃热处理)的心肌组织的吸收系数均在550 nm附近有一正峰,峰值分别为0.74 mm-1和1.16 mm-1。自然的心肌组织的约化散射系数在550 nm附近出现一正峰,峰值为0.25 mm-1; 高温处理后此峰消失,而在590～625 nm出现上升坡。低温热处理对心肌组织的吸收系数没有明显的影响,高温热处理后心肌组织的吸收系数增大; 心肌组织的约化散射系数随热处理的温度上升而显著地升高; 心肌组织的光学穿透深度随热处理的温度上升而显著地减小。

采用微弱发光检测系统,研究了血清的微弱发光。测试了健康人、高血糖和高血脂病人血清样品的微弱发光,探讨了血清的发光强度随血清中血糖和三酰甘油浓度变化的规律,并用编制的软件,实现了血清微弱发光图像的定量分析。实验结果表明,血糖浓度增加会导致血清的发光强度单调递增,微弱发光图像的灰度值增加; 三酰甘油血清发光图像的灰度值也随着血脂浓度的增加而变大。与血糖相比,血清发光强度随三酰甘油浓度变化的效果不是十分明显。因此,可以采用血清的发光强弱来判断血清中血糖含量是否超标,此方法可有效地分析血清中血糖是否异常。