近红外(NIR)光谱分级技术正越来越广泛地应用于水果的产后加工和质量评判中。介绍了水果内部品质光学特性检测原理; 分析了规则反射、透射和漫反射3种光特性测量方法在水果内部品质不同需求检测中的适用性; 化学计量学方法是近红外光谱分析技术的一个重要部分,对一些新的预处理方法和回归算法作了介绍; 探讨了水果状态对光谱影响及修正方法,如温度补偿、大小修正等; 并阐述了水果的糖度、酸度、硬度等定量检测和褐变、黑心、水心、损伤等定性判别的国内外最新研究进展; 分析了近红外技术在水果品质检测和控制方面的应用前景。

在脉冲激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中,存在热效应瞬态过程,即晶体的温度分布具有时变性,晶体温度的时变过程受到热弛豫时间的影响。从热传导方程出发,采用解析法和数值法分别对晶体降温过程中温度的时变性进行计算; 采用有限元方法,对晶体热弛豫时间及其影响因素进行数值计算,分析了晶体直径、密度、热传导系数和比热等热物性参数对热弛豫时间的影响; 采用流体流动换热理论,充分考虑了冷却水流温度和速度对晶体温度分布的影响。结果表明,通过调整晶体尺寸、冷却系统可以实现对热弛豫时间的控制。根据有限元软件ANSYS的计算结果,分析了晶体抽运端面上径向温度的时变分布,晶体边缘与中心的温差和光程差; 初步计算了晶体热透镜不同径向位置处的焦距差。结果表明,晶体冷却过程中,不同径向位置与中心的温差和相对光程差具有时变性,晶体热透镜的聚焦特性也是随时间变化的。

在高功率激光二极管阵列(LDA)端面抽运大口径放大器研究中,高效均匀的抽运耦合系统是非常重要的。为了对各种抽运耦合系统进行比较,需要对抽运场分布实现量化评价。依据抽运场分布提出一套评价方法,利用沉积效率、平均抽运密度、调制度、起伏均方根(RMS)值、均匀区尺寸等五项指标对抽运场分布进行综合评价。评价方法中既有统计量(如沉积效率、起伏RMS值、平均抽运密度),又有极值量(如调制度),还有建立在起伏RMS值统计结果基础上且满足一定条件的均匀区尺寸指标,是一套比较综合的评价方法。还提出从抽运场中间小区域开始,逐步向外扩大面积计算各指标,最后得到这些指标的变化曲线,根据这些变化曲线可对不同的耦合系统进行分析比较。对三个抽运场分布进行实例分析,结果表明,提出的评价指标和计算方法能反映出抽运场分布的抽运能沉积效率和分布起伏等关键信息。

对大功率InGaAsP/GaAs量子阱(QW)半导体激光器(LD)的直流(DC)特性和小注入下的低频噪声(LFN)特性进行了实验研究。DC检测发现,V-I和IdV/dI-I可以对LD的电流泄漏作出判断。LFN检测发现,小注入下的1/f低频电压噪声幅值BV(I)∝IβV。理论分析和老化实验均表明,电流指数βV与载流子输运和电流泄漏机制之间有很好的相关性,存在电流泄漏和无辐射复合的器件其βV较小,可靠性较差。

卡塞格伦(Cassegrain)及类卡塞格伦式光学镜头在光电装备中应用广泛。为了研究具备卡塞格伦式光学镜头的光电装备所特有的猫眼效应特性,采用ZEMAX光学设计分析软件建立了卡塞格伦镜头反射模型,利用物理光学传输方法仿真分析了其猫眼效应反射特性,并得出了猫眼效应可探测入射角范围。对一特定卡塞格伦镜头进行了激光辐照实验,得到了猫眼效应反射光斑图像,测试了猫眼效应绝对反射率以及反射光发散角。结果表明,当发射系统位于该卡塞格伦镜头的视场内时,可以探测到猫眼效应反射光,中心遮挡造成原路返回处光强分布中心能量降低,猫眼效应绝对反射率为11.48%,反射光发散角为3.3 mrad,按照假设条件可以满足30 km内激光主动探测的需要。

通过单掩模紫外(UV)光刻、感应耦合等离子体(ICP)刻蚀及KOH∶H2O化学腐蚀,在硅片上制作5×5元面阵硅折射微光学结构。通过电化学方法将制成的硅精细图形结构转换成镍版,进而通过压制法将精细的镍版图形进一步转印到有机玻璃材料上,从而制成面阵光学波前出射结构。光刻版由结构尺寸在微米量级的大量微孔组成,其特征尺度和排布方式由算法生成。微形貌测试显示了制作的折射微光学波前出射结构具有预期的表面形貌特征。通过常规光学测试,比较和分析了出射复杂波前的情况。

利用脉冲宽度为50 fs,中心波长为800 nm,重复频率为1000 Hz的飞秒激光脉冲在LiNbO3晶体上烧蚀表面衍射光栅,采用632.8 nm的He-Ne激光测量不同光栅的衍射效率。在激光脉冲能量和光栅常数相同的情况下,烧蚀速率由20 μm/s增大到200 μm/s时,所加工光栅的1级衍射效率从1.7%增大到2.3%; 如果光栅常数和烧蚀速率不变,将激光脉冲能量由70 nJ增大到110 nJ,所加工光栅的1级衍射效率从1.9%减小到1.3%; 随着光栅常数的增大,在LiNbO3晶体上烧蚀光栅的各级衍射效率也随之增加。对实验结果进行理论分析表明,可以通过提高烧蚀速率、降低激光脉冲能量和增大光栅常数来提高飞秒激光加工光栅的衍射效率。

通过对多台阶衍射光学元件(MDOE)刻蚀工艺中的误差分析,提出了一个反映整体刻蚀误差的参数——误差偏度。重点研究了误差偏度的变化对多台阶衍射光学元件光束整形效果的影响,发现在误差偏度曲线中存在一个能使刻蚀误差影响减弱的平坦区间。提出了在刻蚀工艺上以控制刻蚀深度来改善多台阶衍射光学元件器件实际照明效果的一种方法。实验结果表明,经过工艺优化后的MDOE的光场参数峰值(PV)下降了近30%。

采用激光拉曼光谱对不同生产阶段自来水样品的硬度指标进行了研究,测量了水样品拉曼谱的弯曲振动峰与伸缩振动峰强度的比值,并计算了样品在伸缩振动拉曼峰处的退偏振度。结果表明,随着水样品总硬度的减少,弯曲振动峰与伸缩振动峰强度的比值和样品在伸缩振动拉曼峰处的退偏振度均随之减少。

高重复频率、窄脉宽的全固态激光器种子源级联光纤放大器是获得高功率脉冲激光输出的有效手段。短上能态寿命的Nd∶YVO4晶体在连续抽运、高重复频率Q开关工作时容易得到接近连续性能的平均输出功率。理论分析了声光(AO)调Q器件中影响输出能量和脉宽大小的主要因素,优化配置了腔型参数。利用激光二极管(LD)光纤耦合模块端面抽运Nd∶YVO4晶体,实现了声-光调Q重复频率100 kHz以上,脉宽20 ns以下,波长1064 nm的激光输出。在抽运功率5.7 W时,得到了脉宽15.3 ns,重复频率150 kHz的种子光输出,在级联单级光纤放大器后,得到了20 W的输出。

PLZT电光陶瓷具有良好的透明性、高电光系数等特性,用来实现全光纤调Q开关具有很大的优势。分析了PLZT全光纤调Q开关的原理,测量了调Q开关的时间波形,研究了基于PLZT开关的全光纤单模环形调Q掺Yb3+光纤激光器。抽运光功率为180 mW,重复频率为1 kHz时,得到峰值功率25.6 W,脉冲宽度80 ns,光谱宽度1 nm,脉冲能量2.0 μJ的调Q脉冲。此外,分别研究了抽运功率和重复频率对脉冲峰值功率和脉冲宽度的影响,结果表明,同一重复频率情形下,随着抽运功率的升高,峰值功率增大,脉冲宽度降低; 同一抽运功率水平下,随着重复频率的增大,脉冲的峰值功率减小,脉冲宽度增大。

波分复用无源光网络(WDM-PON)被认为是接入网的最终解决方案, 基于放大自发辐射(ASE)注入波长锁定法布里-珀罗(F-P)激光器的WDM-PON由于其价格低廉和容易实现颜色无关操作而受到极大关注。实验研究了ASE注入波长锁定F-P激光器的ASE增益、边模抑制比(SMSR)和相对强度噪声(RIN)随F-P激光器注入电流和ASE注入功率的变化关系,理论模拟了ASE注入功率和增益一定时,F-P激光器注入电流随其前端面反射率的变化关系,并从实验上进行了验证。研究结果表明,当F-P激光器的注入电流为阈值电流的1.3～1.7倍时,能获得满足应用需要的相对强度噪声和边模抑制比。对于一定的ASE注入功率和输出功率,存在使注入电流最小的最佳前端面反射率。

提出了一种基于差分马赫-曾德尔调制器(MZM)产生80 Gbit/s高速率差分相移键控归零码(RZ-DPSK)、差分相移键控载波抑制归零码(CSRZ-DPSK)、差分正交相移键控归零码(RZ-DQPSK)、差分正交相移键控载波抑制归零码(CSRZ-DQPSK)的新方法。在采用两个差分MZM级联产生数据速率为80 Gbit/s的RZ/CSRZ-DPSK光信号的基础上,仅需增加一个双驱动MZM,就可以产生RZ/CSRZ-DQPSK信号,说明提出的方法有一定的扩展性,并简化了高速RZ/CSRZ-DQPSK光信号的产生过程。对产生的80 Gbit/s RZ/CSRZ-DPSK和RZ/CSRZ-DQPSK信号进行的仿真结果表明,CSRZ-DPSK信号比RZ-DPSK信号的频谱结构更加紧凑,差分正交相移键控(DQPSK)光谱形状与差分相移键控(DPSK)相同,只是由于RZ/CSRZ-DQPSK在码元速率下传输数据,得到的光谱在频域被压缩。

为改善常规马赫-曾德尔(MZ)干涉仪型滤波器的输出特性,提出了一种由双耦合器和单模光纤构成的谐振环加入非平衡马赫-曾德尔干涉仪一臂中构成的新型梳状滤波器。推导了该器件的输出表达式,并进行了数值模拟。模拟结果表明,改进后的滤波器同时具有更宽的0.5 dB透过带宽和25 dB截止带宽,具有近似方波的输出谱,降低了系统对光源波长稳定性的要求,相对于常规的非平衡马赫-曾德尔干涉型滤波器来说,具有更好的滤波效果。最后分析了双耦合器谐振环上耦合器的耦合比以及环长度对该器件滤波性能的影响,给出了满足通信实用要求的各个参数的范围。

解释了超结构光纤光栅(SSFBG)作为脉冲成型滤波器的特性,说明SSFBG能够产生规则的时域矩形光脉冲,在频域上功率谱密度表现为sinc函数的形式。当光波道的频率间隔为码元速率的整数倍时,相邻波长的功率谱零点位于信号波长的中心频率处,频谱正交交叠。研究了一种基于SSFBG的正交波分复用(OWDM)系统,发送端用SSFBG进行脉冲整形,接收端采用窄带滤波器。给出基于理想窄带滤波器和高斯窄带滤波器两种接收机的串扰噪声模型,并得出了仿真结果。结果显示,两种窄带滤波器均可抑制严重的信道串扰,当接收机窄带滤波器通带足够窄时,接收机串扰比信道串扰降低约10 dB; 理想窄带滤波器优于高斯窄带滤波器2～5 dB。

提出以改进型双二进制归零码(MD-RZ)信号作为标记,分别采用差分相移键控非归零码(NRZ-DPSK)信号和差分正交相移键控非归零码(NRZ-DQPSK)信号作为载荷进行正交调制的新方案。然后提出了一种从标记信号中提取和恢复时钟的简单方案。比较了背对背系统中2.5 Gbit/s的MD-RZ标记叠加到10 Gbit/s的NRZ-DPSK载荷和20 Gbit/s的NRZ-DQPSK载荷上的频谱特性,证明了MD-RZ标记占空比越大,光分组信号的频带利用率越高。采用传统的二进制强度调制-直接检测(IM-DD)系统的接收机检测得到了背对背系统中不同占空比的2.5 Gbit/s MD-RZ标记的眼图。结果表明,若采用色散补偿技术,两种光分组信号中的MD-RZ标记能够在长距离传输时克服接收端眼图的失真; 当入纤功率值高于18 dBm时,占空比取值越大,MD-RZ标记的眼开度代价具有越高的传输鲁棒性。

基于A. Kung等所提出的后向瑞利(Rayleigh)散射式光纤转动传感原理,提出了一种双环形腔复合的Rayleigh后向散射式光纤转动传感器(RBFORS)新结构。利用两个2×2单模光纤耦合器,建立了复合双环形腔Rayleigh后向散射式光纤转动传感器的理论模型。通过计算机仿真,给出了用光时域反射计(OTDR)探测到的光纤转动传感器输出信号的特性,利用优化的环长和分光比两结构参量,分析了模拟结果。选择双环的长度分别为1500 m和1078 m,2×2光纤耦合器的耦合系数分别为95.23%和94.88%构建了测试系统,对不同转速所探测到的Rayleigh后向散射信号进行测量,得到了实验结论与理论相一致的结果。双环的采用,提高了测量信号的强度,增加了测试的有效数据,使其更有利于识别,提高了转速测量的精度。

分析了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器的基本原理。用光纤迈克耳孙干涉法测量水声压差信号,用琼斯矩阵理论分析了干涉系统的偏振衰落原因并用法拉第镜实现偏振补偿。分析了压差判向的声学原理,仿真了余弦指向性曲线。用轴对称问题的准静态弹性力学原理分析了水听器背衬结构模型,得出声压差相移灵敏度的解析式。实验设计并实现了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器样机,其测量的声压相移灵敏度与理论计算结果基本吻合,其指向性测量与计算机仿真分析基本一致。在低频段灵敏度上取得了突破,为低频水声环境应用压差式矢量水听器提供了依据,为小尺寸高灵敏度光纤矢量水听器的研制提供了参考。

报道了一种基于荧光猝灭原理的光纤氧气传感器。采用塑料光纤作为传感和传光元件进行氧气传感,传感头制成U形。以邻菲咯啉钌作为荧光标记物,用溶胶-凝胶法制备敏感材料。采用相移法来实现对荧光寿命的测定。测量了不同弯曲半径传感头对氧气传感的灵敏度,发现当U形光纤的弯曲半径较小时系统的灵敏度较高。对荧光寿命和氧气浓度的关系进行了测量,发现二者呈亚线性关系,提出双荧光体模型解释这一实验现象。

为简化旋转轴心线的定位,提出了一种基于平面参照物的现场标定方法。将一个绘制有棋盘格图案的靶标倾斜地放在旋转平台上,控制旋转平台任意旋转几个角度,并拍摄下每个位置处靶标的图片。通过处理这些图片获取靶标上特征点的空间坐标,对这些特征点作圆拟合得到一系列的圆心点,再对这些圆心点作直线拟合,建立起旋转轴的直线方程,完成旋转轴的标定。实验验证了该方法的可行性,实测物体的均方根误差为0.04 mm。

研究传统的光场压缩效应一般从海森伯(Heisenberg)测不准关系出发,应用均方根(RMS)偏差量度光场的量子涨落。由于均方根偏差只涉及光场密度矩阵的二阶统计矩,在许多情况下,这种物理量不能精确量度光场的量子涨落。海森伯测不准关系是熵测不准关系的一个特例,可用熵量度光场正交分量的量子涨落。依据熵测不准关系,建立了光场熵压缩的概念。研究了双光子杰内斯-卡明(Jaynes-Cummings(J-C))模型中光场的熵压缩规律。对比发现,熵指数δxf(t)比均方根偏差Δxf(t)更敏感于光场的压缩效应,是量度光场的压缩效应的高灵敏度物理量。

提出一种连续小波变换(CWT)用于频率急剧变化的瞬态位移干涉仪信号处理的方法。连续小波变换利用对不同频率具有不同分辨本领的特性,对信号进行时频分析,计算出信号频率,进而恢复出信号的速度。当在可变时间窗口宽度内小波的中心频率和信号局部频率相等或接近时,小波变换系数幅值最大,据此能判断出信号的频率。用连续小波变换方法对计算机模拟的位移干涉信号进行处理,恢复的速度相对误差在3%,从爆轰实验的光纤位移干涉仪信号中也能够准确地恢复出物体的速度历史。

按照高斯型渐变反射率镜(GRM)的参数要求,采用了中间层厚度渐变的方案对膜系和掩模板形状进行设计。根据薄膜的实际需求和具体的沉积设备,设计了掩模和掩模切换装置。在一次高真空环境下镀制了渐变反射率镜的所有膜系。采用直接测量的方法,测量了高斯型渐变反射率镜反射率的径向分布。测试结果表明,用这种技术制备的样品,与设计要求基本一致。分析得出,掩模板形状与精度对镀制结果有影响。随着设计尺寸减小,掩模板对膜料分子的散射作用增强,使样品中心反射率小于设计要求,边缘出现旁瓣。提出了减小基片与掩模板之间的距离和提高膜厚监控的精度的改善方案。

激光破岩技术在石油工业上具有广阔的应用前景,但目前国内对激光与岩石相互作用机制的研究还比较少见。根据非定常传热学原理分析了均匀激光光束和高斯激光光束照射砂岩时的温度场分布; 根据热应力方程和边界条件模拟了砂岩内部的热应力分布,得到有效切削砂岩所需的激光功率阈值; 根据能量守恒定律建立岩石的熔化和气化模型,得到一定激光功率下岩石熔化和气化的速率。模拟结果表明,在深井中采用激光钻井技术,其钻进速度远高于常规的机械旋转钻井技术,具有显著的工业应用潜力。

通过基于结果的自适应算法对激光穿孔过程中的撞击射流场结构进行了计算。辅助气体与工件之间相互作用的本质过程可以描述为轴对称撞击射流过程,高压气体的轴对称撞击射流可以展示在高压状态下气体与工件之间的相互作用。气体射流与工件相互作用时,入射斜波与正激波发生直接接触和非接触的两种不同状态,分析了高压气体辅助激光切割第二个合理的加工区域的存在原因,加工参数对切口中气体动力学性能的影响,以及分析高压气体辅助加工能力随工件与喷嘴距离之间的关系。通常在入射斜波与正激波直接相互作用没有完成时,质量流率随工件与喷嘴距离变大而剧烈衰减,因此高压气体辅助激光切割时要尽可能保证工件与喷嘴的距离限定在合理的范围内。

根据傅里叶传热方程和修正的菲克定律,建立了瞬态激光氮化温度场和浓度场的耦合模型,考虑移动热源形成的温度梯度对氮扩散的影响。有限元模拟分析了激光氮化工艺过程温度场和浓度场的分布规律。结果表明,严格控制氮化温度,反复调整热流密度和扫描速度,得到各自的临界值,可作为工艺可调参考范围。修正的扩散方程考虑了温度梯度对氮扩散的影响,较真实地反映了激光热作用下氮的扩散过程,得到了整个氮化层的厚度。区别于常规氮化工艺,激光氮化扩散的主动力是高的表面温度梯度,浓度梯度的影响减弱。增大热流量和降低扫描速度,都将使氮化深度增加,但参数的选择太高或太低,均得不到高质量的氮化结果。

利用5 kW CO2连续激光,在低碳钢表面熔覆钴基合金和添加钒氮合金的钴基合金涂层。采用光学显微镜(OP)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)研究了熔覆层的显微组织和相结构; 利用显微硬度计及滑动磨损试验机测试了熔覆层的硬度和抗磨损性能。结果表明,Co基合金涂层主要组成相为γ-Co与碳化物Cr23C6; 加入钒氮合金后,出现了σ-FeV和VN等相,涂层凝固组织明显细化,熔覆层硬度提高,且界面处硬度均比表层高; 熔覆层的耐磨性随钒氮合金的加入及激光扫描速度的增加而提高,同时对熔覆层的磨损机制进行了分析。

应用一种新的激光弯曲成形工艺,通过施加位移约束,使厚度为0.1 mm的304不锈钢箔加热区产生预期的预应力分布。针对激光弯曲成形的特点,建立三维热力耦合模型,基于塑性皱曲机制(BM),对三种不同预约束应力状态下微尺度激光弯曲成形过程进行数值模拟。通过对比三种不同模型的模拟结果,分析了预约束应力作用下,微尺度激光弯曲成形的成形机制。研究发现,预应力作用下激光弯曲成形是热应力与预应力综合作用的结果,在预应力作用下激光弯曲成形效果显著增加。在塑性皱曲机制下,通过控制预约束作用的方向和大小以及选择合适的激光工艺参数可以得到任意方向的弯曲成形角。弯曲角度随预应力的增大而增大,两者之间呈近似线性关系。

瓦楞辊现有强化方式如中频淬火、氮化、镀铬、激光相变硬化和喷涂碳化钨在寿命、成本、工艺稳定性及可再修复性方面存在一定的局限性,而采用激光熔覆的方法对瓦楞辊进行强化及修复可以在一定程度上弥补传统方法的劣势。针对瓦楞辊工况下强烈的低应力干摩擦磨粒磨损,采用专门研制的抗磨粒磨损粉末材料THW-64,通过工艺优化,在瓦楞辊齿表面激光熔覆制备厚度大于0.4 mm的耐磨涂层,研究瓦楞辊激光熔覆强化涂层的组织及性能。熔覆层无裂纹、与基体呈牢固的冶金结合, 涂层组织为亚共晶基体上弥散分布着大量原位生成的复合碳化物颗粒,平均显微硬度915HV0.2。摩擦学对比实验证明复合涂层耐磨粒磨损的性能明显改善,工业应用表明激光熔覆强化的瓦楞辊使用寿命较激光相变硬化有显著提高。

激光焦点的位置控制是激光打孔中需要解决的技术问题之一,在现有的几种激光焦点控制方法中,其技术核心均为如何通过传感器进行有效的信号测量。对于不同材料的激光打孔技术,研制一种适合材料的焦点位置监测系统就显得尤为重要。通过对不同方法的比较和试验,阐述了一种基于声波传感器的激光打孔焦点控制系统,系统通过加工过程中产生的声波作为控制信号,实时对激光焦点位置进行在线的监测和控制,通过对金刚石进行激光打孔试验,并对比传统控制方法,得到了满意的结果。