长期以来,远场光学荧光显微镜凭借其非接触、无损伤、可探测样品内部等优点,一直是生命科学中最常用的观测工具。但由于衍射极限的存在,使传统的宽场光学显微镜横向和纵向的分辨率分别仅约为230 nm和1000 nm。为了揭示细胞内分子尺度的动态和结构特征,提高光学显微镜分辨率成为生命科学发展的迫切要求,在远场荧光显微镜的基础上,科学家们已经发展出许多实用的提高分辨率甚至超越分辨率极限的成像技术。例如,采用横向结构光照明提高横向分辨率到约100 nm,利用纵向驻波干涉效应将纵向分辨率提高5～10倍。然而,直到在光学荧光显微镜中引入非线性效应后,衍射极限才被真正突破,如受激荧光损耗显微镜利用非线性效应实现了30～50 nm的三维分辨率。另外应用荧光分子之间能量转移共振原理以及单荧光分子定位技术也可以突破衍射极限,甚至可以将分子定位精度提高到几个纳米的量级。

在激光二极管(LD)抽运腔内倍频Nd3+∶GdVO4/LBO深蓝456 nm激光器中,为对比激光晶体掺杂浓度对倍频输出功率的影响,利用同样尺寸为3 mm×3 mm×2 mm,稀土离子掺杂原子数分数分别为0.15和0.25的Nd3+∶GdVO4晶体作为对比。实验中利用同样长为20 mm的线性直腔,在使用10 mm长、按基频光为914 nm方向切割的Ⅰ类相位匹配倍频晶体LBO,在抽运功率为2.85 W时,前者获得了输出功率为105 mW的深蓝456 nm激光,明显高于后者。通过对准三能级激光晶体的最佳长度分析表明,掺杂原子数分数为0.15的Nd3+∶GdVO4晶体与0.25的相比,其实际长度更加接近于最佳长度。通过对倍频晶体LBO的最佳切割角和温度控制等分析表明,利用针对914 nm基频光切割的LBO晶体在912 nm激光器中,其切割角的差别可以通过温控的改变得到补偿。

报道了采用对称平面平行腔结构实现单级静态输出30 kW高峰值功率灯抽运Nd∶YAG固体激光器的研究结果。从速率方程出发,推导出脉冲Nd∶YAG固体激光器的单脉冲能量表达式,模拟出输出镜最佳透过率及最大输出能量。通过实验选取激光器工作的最佳参数,研制出一台高峰值功率灯抽运脉冲Nd∶YAG激光器,理论模拟和最佳实验结果基本一致。激光器在最大输入电压为800 V,脉宽为2 ms时,输出最大单脉冲能量60 J,最大峰值功率30 kW,光束质量M2为5.9,总体电光转换效率3.3%。在最大输入电压为800 V,脉宽为1.5 ms时最大平均功率405 W。采用该激光器切割6 mm低碳钢和4 mm不锈钢,在脉宽为2 ms,频率为6 Hz,峰值功率为30 kW时,切割4 mm不锈钢速度为1 mm/s,切割6 mm低碳钢速度为1.5～2 mm/s。

使用分布式反馈(DFB)激光器对法布里-珀罗(F-P)激光器进行单模注入锁定。通过改变F-P激光器的偏置电流,DFB激光器的输出功率以及两激光器间的波长失谐量,对注入锁定F-P激光器的光谱特性、功率特性以及频率响应特性进行实验分析,找出影响注入锁定F-P激光器稳定性的因素,并测量注入锁定F-P激光器的稳定锁定区; 通过优化注入条件实现F-P激光器的高边模抑制比(SMSR)输出,最高可达55 dB; 通过与自由运转F-P激光器比较,发现注入锁定可以明显抑制半导体激光器在高频调制下光谱的展宽。注入锁定后F-P激光器的3 dB调制带宽接近14 GHz。实验结果表明,通过合理设计光注入条件,注入锁定技术可以明显改善F-P激光器的光谱特性以及高频响应特性,并在高速光纤通信领域中得到广泛应用。

设计并制备了980 nm高量子效率和极低光损耗的激光二极管(LD)外延材料和器件。微通道封装1 cm激光二极管阵列在连续(CW)工作条件下最大电光效率达到60.0%,相应的斜率效率和输出光功率分别为1.1 W/A和38.2 W。测试得到外延材料的内损耗系数和内量子效率分别为0.58 cm-1和91.6%。测试分析表明,器件电光效率的提高主要在于新型的InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱和大光腔结构设计。

通过对光纤中传输的孤子波演化及其色散波相互作用的动力学方程分析,详细推导了环形腔非线性偏振旋转(NPR)锁模光纤激光器中色散波与孤子波相互干涉而产生的脉冲光谱边带偏移量的理论计算公式。并将各级边带波长与脉冲中心波长的偏移量理论值与相应的实验测量值进行了对比,理论值与实验值符合得非常好,其最大误差在4.1%以下。从而解释了在偏振控制被动锁模条件下,环形腔光纤激光器光谱边带产生的原因。

研制了一种可用于测量软X光辐射的X射线二极管(XRD)。该XRD具有结构简单、对偏压及真空度要求较低、响应面积大等特点。分析了XRD的响应时间和饱和电流等特性,给出了能量计算公式,同时采用同步辐射光源对XRD进行了能量标定,标定结果与理论计算结果一致。利用该XRD对毛细管放电类氖氩46.9 nm激光脉宽和能量进行了测量。

液体介质的循环流动为消除激光系统的热效应提供了有效途径,对改善激光系统的光束质量具有重要意义。根据液体介质的流场特性,结合Fluent6.53软件模拟计算,分析了抽运区介质流速、湍流强度与附面层厚度、温度扰动的关系及对激光热畸变的影响。增大抽运区介质流速能有效减小热畸变和附面层厚度; 在给定抽运条件下,采用光阑限孔的方法进一步减小热畸变,流速为20 m/s时的光程差(OPD)最大差值由10个波长下降到5个波长。

为实现对高功率半导体激光器快速、有效、无损的质量检测和可靠性筛选,对器件进行了电导数和光导数测试及分析。结果表明高功率半导体激光器的结电压饱和特性与其质量和可靠性紧密相关。结电压饱和特性不好的器件一般都存在某种缺陷,结电压饱和特性的差异超出一定范围的同种类器件一定是质量和可靠性差的器件。因此,阈值处电导数曲线的下沉高度h值可作为器件筛选的一个判据。用模拟测量的方法,对阵列器件和组成它的单元器件的电压饱和特性的相关性进行了研究,阵列器件的电压饱和特性与组成它的单元器件的一致性(均匀性)紧密相关。均匀性不好的器件的电压饱和特性也不好。

介绍一种小芯径折射率引导型光子晶体光纤(PCF)的拉制方法。制备出的光纤纤芯周围第一层空气孔发生形变,呈柚子形,其芯径为1.7 μm,孔间距Λ和空气孔直径d分别为3.4 μm和2.8 μm。由于光纤结构的特殊性,采用有限元法在200～1600 nm波段对其基模有效折射率、色散系数、有效模场面积以及非线性系数进行了数值模拟计算。经过理论计算,这种光纤在所研究的波段具有极高的非线性系数且表现为反常色散,这些特性十分有利于超连续谱的产生。在测量了光纤的损耗、色散等基本特性后,选取损耗较小且位于光纤反常色散区域,中心波长为800 nm的飞秒激光作为光源,将不同功率的超短激光脉冲耦合入光纤,对这种小芯径折射率引导型光子晶体光纤产生超连续谱的过程进行了测量和分析。

从无源光纤的模场理论和有源光纤的速率方程理论出发,给出了任意折射率分布和掺杂分布光纤的有效模面积和基模提取效率的计算方法,并且通过数值计算对几种典型折射率分布和掺杂分布的光纤性能进行了分析和比较,说明复合折射率光纤与其他传统光纤相比,在百微米量级的大模面积光纤中更具有实用性。

为了评价美国BNS公司反射式256 pixel×256 pixel纯相位液晶空间光调制器(LC SLM)的性能,提出利用泰曼-格林干涉仪对相位调制特性进行干涉测量。实验结果表明,液晶空间光调制器的相位随灰度呈非线性分布,利用反插值法建立线性查找表,校正了器件的非线性,非线性度由原来的17.23%减小到2.85%; 中心与边缘的相位调制,在同一灰度级最大相位差达到0.22π,中心相位调制均方根误差是边缘的4倍,说明该器件存在相位调制的不均匀性,中心相位误差较大,在波前控制中应给予校正。

利用800 nm波长的飞秒抽运探测技术测量了单晶硅表面50 ps内的瞬态反射率变化,研究了表面载流子的超快动力学过程。基于自由载流子密度变化过程建立的反射率模型可以很好地描述瞬态反射率变化,说明受激自由载流子超快响应的贡献主导了反射率的变化过程,经拟合获得了样品的表面复合速度(SRV)为1.2×106 cm/s。建立了耦合的载流子输运模型,探讨了单晶硅表面热载流子的密度、温度随时间的演化过程。研究表明,表面复合过程是影响本征单晶硅表面载流子动力学的重要因素。

对不同真空度下得到的VO2(B)型薄膜的结晶状况、组分、电学性质和光学性质进行测试和分析,以探讨退火真空度对VO2(B)型薄膜的影响。以高纯五氧化二钒(V2O5)粉末(纯度高于99.99%,质量分数)为原料,采用真空蒸发——还原工艺,分别在高、低真空度下还原出VO2(B)型(空间群为C2/m)薄膜。利用X射线衍射(XRD)仪,X射线光电子能谱仪(XPS),电阻温度关系(TCR)测试仪和紫外可见分光光度计对薄膜进行测试,讨论了退火真空度对VO2(B)型薄膜的结晶状况、组分、电学性质和光学性质的影响。结果显示,在高、低真空度下退火,VO2(B)型薄膜出现的温度范围是不同的,在低真空度下退火出现的范围在400～480 ℃,而在高真空度下退火出现的范围只有400～440 ℃; 高真空度退火得到薄膜的晶粒较大,透过率较低真空度得到的薄膜高7%～8%; 但在低真空度下退火,薄膜中的V更易被还原,电阻温度系数绝对值更大,最大可达-2.4%/K。

在测试制备的100 GHz密集波分复用(DWDM)低偏振相关损耗的角度调谐滤光片时,其透射光谱的插入损耗和带宽的展宽现象会随着入射角度的加大而迅速增加,与理论设计不符。通过多光束干涉原理建立模型模拟,发现在倾斜入射时滤光片的透射光束的光斑会出现展宽和形变,使得位于接收端处的光准直器接收不到足够的透射光束,导致了光谱变形。根据分析结果设计了一种利用直角棱镜的光斑整形方案,能将展宽的椭圆光斑压缩回近似的圆形光斑。制备了一组直角棱镜整形装置,实验证明该设计能够在保持接收端光准直器位置固定的情况下有效地减小透射波形的损耗和半宽展宽现象,使角度调谐滤光片能达到理论设计中20 nm的可调谐范围。

超短超强激光与稀有气体相互作用产生高次谐波获取亚飞秒脉冲是近年来超短超快光学的研究热点之一。具有谐波选择和啁啾补偿作用的极紫外啁啾多层膜反射镜是产生亚飞秒脉冲的有效元件。阐述了运用极紫外啁啾多层膜反射镜由高次谐波得到亚飞秒脉冲的机制,计算了特定实验条件下高次谐波产生过程中的啁啾,利用遗传算法完成了极紫外啁啾多层膜反射镜的设计,模拟分析了其产生亚飞秒脉冲的作用。结果表明,所设计极紫外啁啾多层膜反射镜能够获得半峰全宽为132 as的脉冲。

采用固相法分别制备了标准摩尔配比和铅过量10%的两种靶材,并利用脉冲激光沉积技术(PLD)在镧锶铝钽(LaSrAlTaO3,LSAT)单晶衬底上成功制备了锆钛酸铅(Pb(Zr0.3Ti0.7)O3,PZT)铁电薄膜,在550～750 ℃沉积温度范围内研究了PZT薄膜的生长取向和铅含量对薄膜生长取向的影响。利用X射线衍射(XRD)仪和原子力显微镜(AFM)表征了薄膜生长取向和表面形貌。XRD测量表明在标准摩尔配比情况下薄膜生长从550 ℃近似c轴取向逐渐过渡到750 ℃近似a轴取向,而在铅过量情况下薄膜生长取向无明显过渡性变化; AFM测量表明PZT薄膜在近似c轴和a轴生长情况下,表面均方根(RMS)粗糙度分别为16.9 nm和13.7 nm,而在混合生长无择优取向的情况下,薄膜表面均方根粗糙度达到68 nm,这可能是两种取向竞争生长的结果。

利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析不同激光工艺参数重熔后的Ni基合金火焰喷焊层及其经不同温度回火处理的显微组织和相组成,并进行了显微硬度和耐磨性测定。试验结果表明,重熔喷焊层的组织主要由γ-(Ni,Fe)固溶体和Cr23C6,Cr7C3,Cr2B,CrB,Cr5B3,Fe3B,Fe2B等相组成,与火焰喷焊层相比,显微组织得到进一步细化,硬度和耐磨性都有较大幅度的提高。在相同工艺条件下,激光扫描速度愈快,显微组织愈致密、细小,硬度和耐磨性愈好,但重熔喷焊层的熔深较浅; 不同激光工艺参数的重熔喷焊层,经不同温度回火后,硬度都得到了进一步的提高; 扫描速度为360 mm/min,经600 ℃×3 h回火后的重熔喷焊层硬度相比为最高。采用合适的激光重熔处理工艺及随后的热处理,可使Ni基合金火焰喷焊层进一步强化,使用性能得到进一步改善。

采用Al-Si粉末对AZ91D镁合金进行了同步送粉激光合金化研究,以期改善镁合金的耐腐蚀性能。讨论了激光加工参数与合金化层几何尺寸的对应关系;采用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等材料表征手段分析了合金化层显微组织的结构特征。通过阳极极化实验评价了AZ91D镁合金激光合金化组织的腐蚀性能。结果表明,AZ91D镁合金激光合金化表层的耐腐蚀性能明显提高; 剖析了Mg2Si,Al12Mg17,Al3Mg2等金属间化合物(IMC)的耐腐蚀作用。

通过建立脉冲激光陶瓷打孔二维温度场模型,计算了相应的热应力分布,预测了打孔过程中的两种裂纹形态——径向裂纹和环形裂纹,并由此预测出激光脉冲切割过程中的两种裂纹扩展方式——发散型和回归型,提出通过降低加工处温度、减少热影响区以及增大孔径(或切缝宽度),可以达到降低热应力,抑制加工裂纹产生的目的。通过讨论模型参数和激光加工工艺参数之间的对应关系,提出低占空比、高辅助气体压力和离焦加工是激光加工工艺参数优化的基本方向,通过对氧化铝陶瓷和单晶硅的激光加工实验,对裂纹的产生及扩展预测进行了验证,并对加工参数优化实现了陶瓷的激光无裂纹加工。

磨损是材料常见的表面失效现象,粗糙度是数字化描述材料磨损表面形貌特征的最常用参数。采用激光共聚焦显微镜(LSCM),通过调节物镜倍率、测量视场和过滤参数等,能够得到材料磨损表面的真实形貌,同时能够对磨损表面三维(3D)形貌特征进行精确数字化描述。对常见的粗糙度值0.5～2.0 μm磨损表面采用20×物镜扫描测量比较合适; 粗糙度小于0.5 μm的磨损表面宜采用50×物镜; 粗糙度大于2.5 μm宜采用10×物镜。对比较规则的磨损表面,采用1～3个物镜视场叠加扫描即可得到比较精确的粗糙度值; 对于不太规则的磨损表面,则需要3～5个物镜视场叠加扫描。借助这一手段,采用上述优化参数对Cr5冷轧辊材料磨损各阶段试样表面形貌及粗糙度轮廓曲线进行表征、分析,效果较好。

以烟雾遮蔽能力检测系统为平台,测试了常规烟幕黄磷在0.38～0.76 μm可见光波段的全遮蔽能力(TOP),并通过粒度分析仪测量了黄磷烟雾随时间变化的粒度改变。在假设磷烟雾粒子为单分散系球形粒子的前提下,基于激光透射模型建立了全遮蔽能力的理论计算模型,并进一步推导了不同粒度情况下具有吸收指数的黄磷烟雾的TOP值,所得到的计算结果与实验值相近。结果表明,中等湿度、室温条件下,黄磷成烟后10～30 s内,粒径分布在0.5～3 μm范围,并且随时间增加而减小,TOP值随粒径变小有下降趋势。

针对固体运动目标高速度、高加速度的特点,研究了高斯白噪声背景下激光多普勒测速回波信号的参数估计问题。通过计算参数矢量的费希尔(Fisher)信息矩阵,分析了实回波信号的多普勒频率和频率变化率估计方差的克拉末-雷奥(Cramer-Rao)下限(CRLB),推导了采样点数较大时回波信号参数方差估计的CRLB计算公式,讨论了各参数的最大似然估计(MLE)。指出回波信号参数估计方差的CRLB与采样点数、信噪比及初相有关,采样点数较大时,实信号参数估计方差的CRLB为对应复信号的2倍。在不同的采样点数和信噪比下仿真表明,提高回波信号的信噪比和增加采样点数可以减小各参数估计方差的CRLB,结果与理论分析吻合。

为研究涂层的热应力和应变与涂层结合强度之间的关系,对红外激光划痕后的涂层的热应力应变进行了理论分析,建立了涂层的热应力理论模型和应变公式。红外激光划痕涂层的试验结果表明,激光划痕后涂层在沿其厚度方向上的应变量有明显的突变过程,突变点的位置即是涂层从基体脱离下来的临界位置; 激光划痕时涂层的剥离应力随涂层的温度增大而增大,并会呈现出两个阶段过程变化,进而说明了两个阶段之间的转折点反映了涂层结合强度的大小。

建立了一套单模光纤型光学相干层析(OCT)成像系统,开展了动物眼睛的成像实验,实现了高信噪比、高分辨率、大成像深度的层析图像的获取。系统纵向分辨率达到9 μm,横向分辨率为10 μm,最大层析成像深度可达3.4 mm。实验图像和商业蔡氏三代光学相干层析技术成像的对比结果表明,研制的OCT系统已经能展示视网膜的基本分层结构,而且能分辨脉络膜的分层结构和脉络膜血管,后者是蔡氏三代OCT系统所无法实现的。

采用显微拉曼光谱技术研究了亚硝酸钠(NaNO2)与氧合血红蛋白(HbO2)在水溶液中的相互作用,为检测高铁血红蛋白(MetHb)提供了一种新的方法。激发波长514.5 nm,血红蛋白取自健康成人的血液。结果显示NaNO2与氧合血红蛋白反应后,氧合血红蛋白特征峰570 cm-1与水合高铁血红蛋白(MetHbH2O)特征峰495 cm-1强度的比值I570/I494,以及铁离子低自旋态与高自旋态特征峰强度的比值I1586/I1555均减小。对血红蛋白氧化态敏感的特征峰向低波数方向移动,对卟啉环中心孔径大小敏感的峰向高波数方向移动。研究表明拉曼光谱能够监测到NaNO2对血红蛋白的影响,鉴别血红蛋白与水合高铁血红蛋白,可作为一种检测高铁血红蛋白的新方法。

干涉测量中的散斑噪声极大地限制了光学相干层析(OCT)成像中特征信息的提取,因此,如何减小散斑噪声成为OCT成像领域的一个重要问题。利用最小化Csiszar I-散度的测量方法推出一种散斑最小化算法,不仅可以生成与测量数据一致的图像数据,而且可以推出图像的附加信息,展示了采用散斑最小化算法对人手指正常皮肤的OCT图像散斑噪声最小化处理结果,结果表明,此算法不仅可以极大地减小散斑噪声、提高信噪比,而且能保持清晰的边缘效果。

设计高功率激光装置靶场终端光学组件(FOA)时考虑的重要因素是鬼像对光学元件的破坏。由于神光Ⅱ升级装置(SG-Ⅱ-U)的输出能量高、靶场空间小、鬼像分布情况复杂,导致了终端光学组件的设计难度很高。用自主研发的鬼像控制设计软件对神光Ⅱ升级装置靶场终端光学组件排布进行设计,给出了进行鬼像控制设计时需考虑的设计因素,并对比研究了两种靶场终端光学组件设计方案的优缺点,最后结合神光Ⅱ升级装置的特点,优化设计出神光Ⅱ升级装置靶场终端光学组件的最终排布方案。