光与超常介质相互作用时,光的磁场也变得很重要。超常介质的色散磁导率导致光与超常介质的非线性相互作用呈现出许多新特性。总结了超常介质中二阶非线性光学现象的国内外研究进展,报道了在三阶非线性超常介质中光的传输特性方面的研究结果,包括传输模型的建立、调制不稳定性、孤子和自聚焦现象等。

实验研究了高平均功率输出的光子晶体光纤飞秒激光系统。系统中振荡器和放大器均使用保偏型掺Yb3+双包层大模场面积光子晶体光纤(LMA-PCF)为增益介质,具有极低非线性系数、很高的增益系数,并能保证很好的环境稳定性。系统研究了种子光功率、脉冲宽度、脉冲啁啾和放大器抽运光功率等参数对系统输出飞秒激光脉冲宽度的影响。在输入种子光平均功率为180 mW,放大器抽运功率为40 W时,获得平均功率16 W输出(对应单脉冲能量320 nJ),脉冲宽度压缩到39 fs。

为了获得高效率、小型化、稳定性好的激光器,种子激光器由激光二极管抽运Tm,Ho:YLF微片获得单模输出。短腔的自由光谱区比较宽,易于选单纵模,微片厚度0.9 mm,两端镀膜,构成微型谐振腔。微片置于杜瓦瓶中,采用液氮制冷的方式,在低温下工作,增加了输出激光的稳定性。利用光纤延时自拍法进行频率短期稳定度测量,得到单模激光器短期稳定度为2.6 kHz/μs,利用示波器估测长期稳定度小于35 MHz。获得2.067 μm的单模输出,线宽小于40 MHz。利用刀口法测量得到光束质量为1.082,最大单模输出功率为32.8 mW,斜率效率达到25.2%,光-光转换效率达23.8%,功率输出不稳定性小于1%。

对国产掺镱(Yb3+)双包层大模场面积光纤超短脉冲放大器进行了系统的实验研究。以自己搭建的脉冲宽度为2.3 ps,重复频率为95 MHz的全固态锁模激光器作为种子源,以976 nm大功率光纤耦合激光二极管为抽运源,以1.6 m国产掺Yb3+双包层大模场面积光纤为增益介质,在11.2 W的入纤抽运功率下,将平均功率为100 mW的脉冲种子光放大到平均功率2.41 W,单脉冲能量达到了25 nJ,放大后脉冲的宽度(时域宽度)和光谱都有所展宽。

为了增强对燃烧驱动连续波DF化学激光器的理解,特别是为了提高对燃烧室中F原子产生环境和光腔内激射环境的认识,进行了一系列DF激光器无稀释剂条件下的出光实验。结果显示,无主稀释剂条件下,DF激光器同样可以达到较高的功率水平和质量流比功率,无副稀释剂条件下,输出功率和比功率将损失一半左右。根据实验数据,定性地分析了主、副稀释剂对激光器运转的影响。 DF化学激光器能够在无稀释剂条件下出光,为简化激光器设计提供了依据。

温度对于光纤激光器的影响是多方面的,着重对光纤吸收截面、发射截面及激光器激射波长的温度特性进行了深入的研究,更加精确、全面地描述温度对光纤激光器系统的影响。当温度变化时,掺镱光纤各子能级上的粒子数分布发生变化,从而导致相应的吸收截面和发射截面发生变化。通过拟合方法可以得到光纤吸收截面与温度的关系。并利用任意温度下,吸收截面与发射截面的特定关系式,得到发射截面在各温度点上的取值。进一步推导出了激射波长与工作温度、光纤长度、腔的损耗、掺杂浓度等系统参数的关系; 并将不同工作温度下激射波长的计算结果与实验结果比较,得到两种方法下的相似结论。

报道了一种掺Yb偏振型大模场面积光子晶体光纤(LMA-PCF)飞秒激光器。作为增益介质的光子晶体光纤的单模场面积比传统光纤高一个数量级,有效地降低了非线性系数,使激光器获得高能量输出。激光器基于线形腔结构,利用半导体可饱和吸收镜实现自启动锁模。光纤激光器利用光栅对进行腔内色散补偿,使其运转在呼吸脉冲锁模状态,即在谐振腔的零色散点附近实现锁模。当腔内净色散呈反常色散时,激光器获得了平均功率为400 mW,重复频率为47 MHz(对应于8.5 nJ的单脉冲能量),脉冲宽度为500 fs的稳定的锁模脉冲输出,经腔外色散补偿,脉冲压缩至98 fs。当腔内净色散呈正常色散时,激光器输出的单脉冲能量为10.6 nJ,脉冲宽度为1.76 ps,经腔外色散补偿,脉冲压缩至160 fs。

连续光纤激光器在加工及**等领域都有重要应用。为了研究掺镱光纤放大器中影响提取效率的关键因素,在稳态激光速率方程基础上,考虑光纤放大器中自发辐射放大,建立了高功率光纤放大器的数值模型,并分析提取效率与光纤端面反射率,信号光功率以及抽运光功率之间的关系。采用反向抽运光纤放大器的实验方案,对有关提取效率的理论分析进行了初步验证。理论计算结果与实验验证结果的偏差小于10%。研究结果定性地描述了光纤端面反射率、信号光的功率和抽运光的功率对光纤放大器提取效率的影响。

在传统独立双池结构的受激布里渊散射(SBS)相位共轭镜(PCM)系统中,对布里渊放大池进行改进。引入修整放大池,采用主放大池与修整放大池相结合的双布里渊放大池结构控制脉冲波形,主放大池对脉冲波形进行粗调,修整放大池对脉冲波形,特别是脉冲前沿进行微调。理论和实验研究了相遇时间对双布里渊放大池放大控制脉冲波形的影响,得到了不同相遇时间下,脉冲波形随双池间距的变化规律。研究表明,相遇时间是决定放大光脉冲波形整体形状的重要参数,相遇时间越长,脉冲可控范围越大,但是系统的效率越低。

对大信号偏振去耦布里渊增强四波混频(BEFWM)相位共轭光的输出特性(波形、束散角、能量转换效率等)进行了系统的研究。结果表明,使布里渊增强四波混频工作在大信号强相互作用状态下,可以很好地克服同等抽运及结构条件下小信号布里渊增强四波混频中经常出现的波形调制现象,具有良好的波形稳定性以及输入输出脉冲的波形相关性; 输出光相位共轭保真度接近100%,且在不同注入信号强度下几乎保持恒定; 大信号布里渊增强四波混频能量转换效率相对小信号情况也有很大的提高。

基于随机电磁光束的相干偏振统一理论和部分相干光的传输定律,研究了部分相干光源所发出的光经过多个圆孔衍射后的偏振度变化情况。以高斯-谢尔(Gauss-Schell)模型光束为例,研究了多个圆孔衍射后的轴上偏振度变化。发现随着圆孔数量的增加,偏振度将出现相应的变化,并且经过足够长的传输距离之后,偏振度将趋于一个定值。以三个圆孔为例,重点研究了圆孔大小、圆孔间距、源平面处的相干长度以及源平面的偏振度取值等参量对轴上观察点的偏振度影响。

分析了激光束在光纤中的非线性传输损耗,理论上证明了受激布里渊散射(SBS)是光纤传输能力的主要限制因素; 实验上在532 nm波段对长度为5 m,纤芯半径为1.75 μm,数值孔径(NA)为0.11的单模光纤的传输能力进行了测定,结果与理论一致。采用模场耦合理论,推导出多模光纤与单模光纤的直接耦合效率表达式,计算得到耦合效率与所选用的多模光纤和单模光纤的纤芯芯径之间的模拟关系。激光器输出波长为532 nm;多模光纤的数值孔径为0.11,纤芯半径为12.5 μm; 单模光纤的数值孔径为0.11,纤芯半径为1.75 μm,实验结果与理论基本吻合。根据理论和实验结果,设计出多模光纤与单模光纤混合传输方案,在柔性传输较高激光功率的同时可以得到高光束质量。

利用频率分辨光学门(SHG-FROG)技术研究了拉曼放大对光孤子传输特性的影响。研究表明,拉曼放大能够补偿光纤损耗,但不改变孤子脉冲的时域波形,对孤子脉冲的啁啾影响不大。当传输光纤长度小于拉曼放大有效光纤长度时,拉曼放大能够完全补偿光纤损耗; 当传输光纤长度大于拉曼放大有效光纤长度时,拉曼放大能够部分补偿光纤损耗。拉曼放大对光纤损耗的补偿能力随着抽运功率的增加而增大。光孤子脉冲对拉曼放大抽运光偏振特性不敏感。

建立了空间调制无线光通信的光强信道模型,并给出了空间信号必须满足的两个基本约束条件。通过定义于二维空间的正交基函数建立了矢量信号空间,并定义了三个衡量空间信号设计方案性能的指标,即误符号率,频带利用效率和功率效率等。参照传统时域信号设计方案,提出了三种空间调制信号具体设计方案,并从带宽效率和功率效率两性能上进行了比较,结果表明正交幅度调制(QAM)具有带宽效率高、功率效率低的特点,而且采用的信号点越多其带宽效率就越高,另外其空间信号图案还具有圆对称性,因此非常适合在空间带宽有限的远距离无线光通信中使用。

垂直分层空时编码(V-BLAST)是一种将空间复用和空间分集相结合的技术,它具有极高的频谱利用效率和传输速率,因此将垂直分层空时编码技术应用于自由空间光通信。在研究了大气信道的特性之后,提出了一种基于垂直分层空时编码的自由空间光通信系统的信道模型。介绍了垂直分层空时编码的编码原理,并分析了该系统的信道容量。利用仿真实验比较了采用垂直分层空时编码前后系统信道容量及误码性能的变化。结果表明,当接收天线数大于或等于发送天线数时,系统的信道容量与发送天线数成正比例增长,误码性能被有效改善。说明该系统具有垂直分层空时编码所提供的信道容量和良好的误码性能,且能有效克服大气湍流所产生的闪烁效应。

从跳频光码分多址(FH-OCDMA)系统的扩频特征出发,推导出具有良好相关性能的扩频码所能达到的最大码容量,再利用二次全等理论为跳频光码分多址系统构造出一种具有最大码容量的扩频码——二次全等跳频码(QCHC),并给出了构造实例。在此基础上,运用光纤布拉格光栅序列作为编解码器设计了一种跳频光码分多址系统的实现方案,并对该系统的性能进行了详细的分析。结果表明,采用二次全等跳频码的跳频光码分多址系统具有设计简单、用户容量大和误码率低等方面的优点。

在很多高温环境应用中,诸如发动机、飞机和宇航器、复合材料的健康监测,需要精确测量应变。针对这种场合提出了一种基于激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗(LPFG/F-P)温度-应变组合光纤传感器。该传感器由长周期光纤光栅与光纤法布里-珀罗干涉传感器级联构成,其中长周期光纤光栅由高频CO2激光脉冲制作,用于监测温度; 光纤法布里-珀罗干涉传感器由157 nm准分子激光脉冲制作,用于监测应变。这种新型组合光纤传感器最大的特点是能承受500 ℃的高温并能在高温环境下实现应变的精确测量, 可望在高温恶劣环境条件下的结构(如飞机发动机)健康监测、复合材料生产过程监测等应用中发挥重要作用。

提出并演示验证了将负热光系数的聚合物材料覆盖在侧边抛磨光纤光栅的抛磨区实现光纤光栅温度补偿的新方法。实验结果表明,这种新方法的温度补偿效果良好,封装后的光纤光栅处在63～79 ℃的环境温度时,可使其温度敏感度降低为未补偿时的1/16; 当处在58～101 ℃的环境温度时,其温度敏感度降低为未补偿时的1/4。温度补偿封装后的光纤光栅器件直径只有2 mm,长度为20 mm。

分析比较了光纤布拉格光栅(FBG)传感解调系统的6种寻峰算法:蒙特卡罗(Monte Carlo)算法、直接比较法、二次插值数值微分法、一般多项式拟合法、多项式-高斯公式拟合法和高斯公式非线性曲线拟合法。通过分析算法理论误差,结合算法仿真和实验研究,给出了算法误差及相关影响因素。研究发现输入信号的信噪比与寻峰算法的算法误差呈线性关系,相同条件下,高斯公式非线性曲线拟合法获得的精度最高。在光纤布拉格光栅传感实验系统中,对于信噪比为40 dB的输入信号,算法的寻峰精度可达到0.44 pm。结果表明,算法输入信噪比是影响寻峰算法中算法误差的决定因素,寻峰算法中的最佳算法为高斯公式非线性曲线拟合法。

基于光闪烁的孔径平均效应,研制了测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪(LALS)。该仪器在一定程度上实现了闪烁饱和现象的抑制。仪器采用对称式结构布局,同时采用调制解调方法提高信噪比,并以嵌入式控制单元完成对数据的采集、处理、显示和存储。与传统仪器设备的测量结果相比,在1000 m的水平传输路径上两者的线性拟合系数为1.01,相关系数为0.92; 进一步分析表明,大气湍流内尺度会对闪烁方差的测量产生影响,从而导致大气折射率结构常数的测量结果略显离散。

边缘检测是激光雷达图像处理的重要组成部分,其性能直接影响雷达系统的精度和性能。针对激光雷达图像的特点,提出了一种基于小波变换和数学形态学方法结合算法对激光成像雷达图像进行边缘检测。首先从小波理论出发,从小波多尺度分解入手,对图像分解的弱边缘信息适当加强,然后对加强边缘信息的的图像从灰度形态学的角度出发,对图像进行腐蚀或膨胀,进行边缘提取,而后得到其边缘。用Matlab进行仿真实验,结果表明:结合算法边缘算子对激光雷达图像检测效果优于仅用小波或仅用形态学进行边缘提取的效果; 在边缘精度、强弱边缘提取和噪声抑制方面,证明所提方法是有效的。

计算和测量了Rb+(Ar,N2)混合蒸气中Rb(5P3/2)共振能级的有效辐射率。使用单模半导体激光器(抽运激光)将Rb原子激发至5P3/2态,另一调谐到5P3/2→7S1/2的单模激光束(检测激光)与抽运光束反平行通过样品池,并在池的径向平行移动,通过检测激光束的吸收测定了激发态原子密度及其空间分布。由于辐射陷获存在,有效辐射率为自然辐射率与透射因子(发射的光子在探测区域内没有被吸收的平均概率)的乘积。5P3/2原子密度及其空间分布结合5P3/2←5S1/2跃迁线的碰撞增宽计算了透射因子,从而得到了不同Ar或N2气压下,Rb D2线的有效辐射率。对5P3/2-Ar系统,在不同气压下测得的D2线强度比值与有效辐射率计算值的比值相符。对于5P3/2-N2系统,研究了电子态向振动态的碰撞转移,得到了转移截面。

用提拉法生长出Er3+:Y0.5Gd0.5VO4单晶,用电感耦合等离子体(ICP)光谱法测定晶体中Er3+原子数分数为0.83%,有效分凝系数为1.03。在30～1300 ℃测量了晶体a轴和c轴的热膨胀系数分别为2.08×10-6/℃,8.87×10-6/℃; 测得晶体在25 ℃时的比热值为0.48 J/(g·K)。采用激光脉冲法测量了晶体的热扩散系数,并通过计算得出晶体的热导率,在25～200 ℃温度范围,晶体在〈100〉方向上的热导率为6.1～4.9 W/(m·K),在〈001〉方向上的热导率为7.7～6.2 W/(m·K)。

为了研究光学薄膜界面的互相关特性及光散射特性,介绍了光学薄膜的散射理论和模型。依据光学薄膜矢量散射的表达式,借助于总背向散射理论分析了光学薄膜界面互相关特性对光散射的影响,并用实验验证和分析了TiO2单层薄膜膜层厚度,K9玻璃基底粗糙度以及离子束辅助沉积(IBAD)工艺等因素对光学薄膜界面互相关特性的影响。结果表明,根据矢量光散射理论计算的光学薄膜界面互相关特性和光散射的关系与实验测量结果一致。随着基底粗糙度、薄膜光学厚度的增加,薄膜界面的互相关特性会变差,采用离子束辅助沉积的TiO2单层薄膜的膜层界面互相关性明显好于不用离子束辅助沉积的薄膜。

利用脉冲激光沉积(PLD)法,在蓝宝石(0001)平衬底上成功制备了c轴一致取向的Ca3Co4O9薄膜。 利用X射线衍射(XRD)分析测定了薄膜的相结构和生长取向。研究了不同衬底温度与不同原位氧压对Ca3Co4O9薄膜结晶质量与生长取向的影响,确定了最佳生长条件。利用这一条件在倾斜Al2O3(0001)衬底上制备了Ca3Co4O9薄膜。研究发现,当Ca3Co4O9薄膜被波长248 nm,脉冲宽度20 ns的脉冲激光照射时,在薄膜两端存在较大的激光感生热电电压(LITV)信号,峰值电压达到4.4 V,其上升沿为36 ns,半峰全宽(FWHM)为131 ns。可以认为这种激光感生热电电压信号是由于Ca3Co4O9薄膜面内与面间泽贝克(Seebeck)系数张量的各向异性引起的。

以PMMA(有机玻璃)为试件,采用CCD拍摄到CO2激光气化切割前沿的照片。研究焦点位置、切割速度和激光功率对切割前沿形状和前沿深度的影响,并建立激光能量耦合模型。结果表明,由于前沿存在多次反射,使得切割深度增加。正离焦切割时,前沿吸收的总激光功率密度减小,切割深度减小; 负离焦切割时,最大激光功率密度值的位置下移,使得前沿功率密度分布朝着深部推进,切割深度增加,若负离焦量过大,表面光斑直径和光程增加,更深位置的功率密度减小,切割深度减小; 随着激光功率增加、切割速度减小,则前沿弯曲程度减小,被激光直接照射的前沿部位增长,前沿吸收激光功率密度增加,切割深度增加。

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟; 建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟; 模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性; 在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度; 在激光功率密度一定并且脉宽大于45 ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小; 在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。

通过改变工艺参数,用2.5 kW RS2000SM快轴流CO2激光器的激光束对球墨铸铁板条进行扫描; 并以X-350A型X射线应力测定仪,HVS-1000显微硬度测试仪及扫描电镜(SEM)等为工具,研究了脆性材料激光热应力成形的规律。结果表明,激光束能量较高、扫描速度较低、扫描次数较多和板材厚度较小时都有利于显著增加弯曲变形。成形后的试样在变形区表层有铁素体、渗碳体产生,试样内部表层的石墨团数量减少,试样上表层的最大残余拉应力在250 MPa左右,试样下表层的残余应力值接近零。试样断面硬度在700～200HV之间变化,上表层硬度最高。激光束能量较大时,变形区内部产生了微裂纹。

条纹管激光成像雷达(STIL)的大视场、高帧频、高空间分辨率和时间分辨率等特点要求其数据处理系统具有相应的高性能。通过简要分析条纹管激光成像雷达数据处理的内容及性能要求,对条纹管激光成像雷达数据处理系统进行了分析和设计。简要介绍了条纹管激光成像雷达的典型系统结构,通过详细分析条纹管激光成像雷达数据处理内容,将所需处理的数据分为延时触发信号和条纹图像两类分别进行研究。根据系统指标要求,对比不同时序控制方案的优缺点,设计了基于Altera可编程控制(CPLD)的高精度可调谐数字延时控制子系统,以保证系统各部件严格按既定时序运作,实时捕获目标条纹图像并进行处理; 通过对比不同的图像处理系统实现方案,分析系统硬件成本、建立周期和开发难度等因素,设计了以智能相机为核心的条纹图像处理系统。在此基础上,初步建立起条纹管激光成像雷达数据处理硬件平台。

建立了膜-基界面结合强度的红外激光准静态划痕的检测新方法。采用红外激光对膜层样品进行连续划痕,通过摄像机,获得膜-基界面的划痕图像,经过Matlab预处理后准备调用; 同时采用红外热像仪实时在线检测样品表面的受热状态。信号检测系统检测薄膜表面温度和划痕图像等参数,返回信号处理系统进行分析和处理。从而实现对膜-基界面结合强度的检测。

制冷剂喷雾冷却(CSC)是激光治疗鲜红斑痣(PWS)手术的重要辅助手段。为了深入了解制冷剂喷雾特性以提高冷却效率、优化喷嘴设计,利用质量传递数法推导传质方程,通过选取合适的阻力系数经验关联式建立了动量方程,考虑液滴蒸发以及与环境气体的对流换热建立了液滴能量方程,初步建立了单个制冷剂液滴平衡蒸发阶段蒸发冷却理论模型。利用建立的模型模拟悬挂水滴冷冻过程的过冷阶段,并在变物性条件下预测了制冷剂液滴温度随飞行距离的变化,结果与实验对比证明了模型的有效性。有关液滴初始参数对液滴蒸发冷却特性影响的研究结果表明,本模型可以为制冷剂喷雾冷却实际应用于激光治疗鲜红斑痣手术提供有效的分析方法。

通过对低强度激光照射离体人红细胞后的生物物理学指标分析,找出影响红细胞(RBC)生物特性的主要因素。以放置在4 ℃下48 h的变形性下降的正常人血液为样品研究低强度激光对红细胞流变学特性的影响。取2 mL标本分成相等两份,其中一份在2 mW,4 mW,8 mW的功率下照射30 min,另一份离心后取出红细胞放入等渗的PBS液中用同样的方法进行照射。照射后进行对比发现单照红细胞的样品的变形性、取向、膜流动性、微黏度、各向异性和渗透脆性比全血照射下的变化小。表明红细胞膜的生物放大效应对血液的流变学特性的影响是主要的。