在激光二极管(LD)抽运固体激光器中, 激光晶体温度存在空间和时间分布, 其中空间分布在许多论文中已得到讨论, 而时变特性现有文献涉及较少, 它取决于激光器的抽运方式(连续和脉冲), 在脉冲工作状态中存在热效应时变过程。分别采用解析计算法和有限元分析软件, 对脉冲激光二极管抽运激光晶体温度场的时变特性进行计算, 分析晶体升温和降温过程影响因素。结果表明,升温过程受到抽运及散热条件的影响, 但主要受抽运条件(抽运光强度和光束半径)影响; 降温过程受晶体半径、热物性参数及散热条件的影响。在脉冲激光二极管抽运条件下晶体径向温度梯度的周期性波动引起谐振腔呈周期性变化, 通过合理设计谐振腔, 可使其周期性运转在稳腔和非稳腔状态下, 以获得特定的激光输出。

光开关是光纤延迟线中的重要功能部件, 其性能对光纤延迟线的稳定性有重要的影响。该文从微电子机械系统(MEMS)光开关工作温度的稳定性要求出发, 设计一个基于TMS320F2812数字信号处理器(DSP)的温度控制系统。该温控系统由数字式温度传感器DS18B20采集光开关温度后直接送给DSP, 在DSP内部利用被测温度与设定温度之差作为比例积分微分(PID)算法的输入量, 经计算产生相应的控制量控制电源驱动集成块DRV592产生电流以驱动半导体制冷器(TEC), 对被控环境进行加热或致冷。该温控系统硬件电路简单, 集成度高, 控制精度高, 响应速度快。实验结果表明, 该系统的控制精度可达到±0.1 ℃, 温控范围为0 ℃～70 ℃,可以保证光开关稳定地工作在设定的温度条件下。

惯性约束聚变(ICF)驱动器是一个大型的光学工程, 它对内部各类光学元件及其支撑镜架在环境振动载荷激励作用下镜面扰动不能超过0.46 μrad。根据稳定性设计要求, 采用虚拟激励法及随机振动理论对装置内编组站镜架的结构设计参数进行了反演分析, 得出了镜架结构设计参数, 设计的镜架固有频率要求不能低于14.88 Hz; 采用数字式地震仪对镜架安装平台的环境随机振动载荷进行了测试, 把测试结果作为载荷, 采用有限元分析软件对设计的编组站镜架进行了分析计算, 计算结果显示镜架在环境振动载荷作用下的响应不超过0.2 μrad。计算结果表明设计的镜架满足稳定性设计要求, 同时说明根据稳定性设计要求反演镜架结构的设计参数作为设计依据是可行的。

法拉第反常色散光学滤波器(FADOF)作为一种高效、超窄带宽的光学滤波器, 一直受到国内外广泛的关注。在前人建立的理论模型的基础上, 对Cs 852 nm FADOF的光学滤波特性进行了理论计算, 并对磁场和温度这两个主要影响因素对体系的影响给予了定性的分析, 初步得到了Cs 852 nm FADOF的最佳工作条件。据此安排实验, 并做出了可以实际应用的小型化器件。

提出了基于相干相位-波分复用(CPWM)原理的脉冲激光产生的新方法, 进行了数值模拟并分析了各个参数对输出脉冲形态的影响。利用多波长激光相干合成原理, 将等频率间隔的多束连续激光进行相干合成, 通过有效的相位控制, 实现光强、脉宽、脉冲重复频率参数可控的脉冲激光输出。理论分析表明, 多路激光完全锁相时输出脉冲激光与锁模激光有类似的特征, 脉冲重复频率为相邻两束光的频率间隔; 对各路激光进行特定的相位控制, 能够得到特定波形的脉冲激光输出。随着外腔相位控制技术的发展, 该方法有可能成为从连续光产生多参量可调脉冲激光的一种有效手段。

铝锂合金是一种理想的轻质高强结构材料, 在航天航空、兵器工业等高新科技领域具有广阔的应用前景。采用Slab型CO2激光器对1420铝锂合金进行焊接, 研究了填充材料和焊后热处理对焊接接头力学性能的影响。结果表明, 焊态下1420铝锂合金接头强度系数可达到90%, 焊后热处理获得了力学性能良好的焊接接头。

激光平面切割所面对的原始对象是众多无序的曲线段, 而加工轨迹间的定位以及切割过程本身却是一个有序的连续加工过程。如何将无序的曲线段转换成有序的并且符合激光切割工艺要求的加工轨迹, 如何将杂散的轨迹规划成高效的切割路径从而最终生成数控(NC)加工代码, 这些都是实现激光平面切割自动编程的关键。根据激光平面切割轨迹和加工工艺的特点, 对实现自动编程所必须解决的若干关键技术进行了深入分析, 对每一个关键步骤均给出了解决方案和思路, 最终实现了经“轨迹的自动提取”、“轨迹间关系的自动判别”、“开光点的自动创建”、“最短切割路径的自动规划”等关键步骤由无序的曲线段自动生成数控程序的过程。

介绍了一种辅助式CO2激光切割玻璃的方法。采用100 W输出功率的封离型板条CO2激光器直线切割0.8 mm厚的硼硅玻璃, 速度450 mm/s。通过结合适当的加热和冷却工艺, 实现了玻璃的高速、高质量、精确切割及切边。通过激光切割的玻璃, 其边缘强度较传统机械切割法切割的玻璃有明显提高。通过对玻璃厚度和切割速度关系的模型计算, 表明切割速度与功率及玻璃厚度基本成线性关系, 并且与实验结果基本是一致的。分析了影响切割的因素, 表明通过增大激光器输出功率来提高切割速度理论上是可行的。

齿类件是机械中的重要零件, 在机械中承担着传递动力和运动等重要功能。齿类件失效往往是因为齿的磨损和断裂而引起。但是, 齿类件修复一直是机械行业关注的热点和难点问题。本文针对齿类件损伤齿的再制造, 介绍了装备再制造工程的内涵和特点, 阐述了激光再制造的概念和技术途径; 对齿类件齿损伤形式进行了分类, 并针对不同损伤形式, 从技术工艺、再制造齿的性能和形状等多方面, 探讨了损伤齿的激光再制造的关键问题, 并结合研究实例, 分析了断齿、齿面磨损和齿端磨损等损伤齿类件的激光再制造方法。最终指出, 激光再制造是实用性很强的齿类件修复技术, 具有广阔的应用前景。

对激光烧结制备钛酸铋Bi4Ti3O12陶瓷进行了研究。采用CO2激光直接辐照Bi4Ti3O12陶瓷素坯表面, 激光功率密度为20～30 W/cm2, 烧结温度为1000 ℃左右。与传统固相反应烧结技术制备的Bi4Ti3O12陶瓷相比, 激光烧结制备的Bi4Ti3O12陶瓷致密度较高, 相对密度能达到95%, 压电性能提高了约60%, 铁电性能的增强表现在矫顽场的明显减小和易于极化。通过X射线衍射、扫描电镜分析了激光烧结Bi4Ti3O12陶瓷的物相、显微结构和电性能改变的机理。实验现象和结果表明, 激光烧结可以作为功能陶瓷烧结的方法之一。

脆性材料由于其特殊的性能在工业产品中的应用日益增多, 相对于金属材料的加工技术, 目前对非金属脆性材料的加工工艺研究较少, 至今缺少高效的加工手段。随着激光技术的发展, 激光被公认为是加工脆性材料的一种很有潜力的加工工具。介绍了激光在脆性材料分离、成形、喷丸改性中应用研究的最新成果, 分析了其加工原理和技术特点。讨论了激光弯曲脆性材料过程中影响弯曲角度的几个因素, 提出了在激光喷丸脆性材料中应用位错理论解释激光使脆性材料改性的机理, 最后指出了目前激光加工脆性材料研究中存在的问题, 预测了激光加工脆性材料的发展前景。

研究了镍基高温合金(K418)涡轮盘与合金钢(42CrMo)轴异种金属的激光焊接。通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)分析了焊缝区域组织。结果表明, 侧吹保护气流量大, 焊缝收尾处易形成鼓包缺陷; 由于K418与42CrMo热物性的差异, 焊缝易偏向K418且焊缝与K418交界易剥离; 焊缝与母材交界组织为具有一定方向的枝晶组织。在扫描电镜下焊缝区域观察到了颗粒状的Laves相。由于K418和42CrMo混合比例和冷却速度的差异导致焊缝不同区域颗粒状的Laves相的致密度不同。

利用激光热应力效应建立了一种检测软质涂层结合强度的装置, 分析了激光热应力作用下残余应力表征涂层界面结合强度的原理与方法, 可对软质涂层进行检测。结果表明, 激光热应力作用下涂层残余应力发生变化, 可用节点残余应力作为界面结合状况的检测信号来表征界面结合强度; 激光热应力检测软质涂层界面结合强度方法可替代传统拉伸法, 实现实时在线检测涂层界面结合强度。

为了揭示具有良好生物相容性的医用聚合物材料的连接、封装工艺, 采用激光透射焊接工艺, 对0.12 mm厚热塑性聚氨酯弹性体薄膜(TPU)进行激光焊接, 研究了激光器平均功率、焊接速度等主要工艺参数对焊缝质量的影响。结果表明, 使用Clearweld吸收剂, 焊缝颜色和母材颜色基本一致, 可实现透明对透明材料的无色焊接; 在焊接速度Ｖ＝100 mm/min, 激光器平均功率Ｐ从0.31 Ｗ增加到8.11 W时, 焊缝宽度从0.86 ｍｍ增加到4.10 ｍｍ, 在Ｐ大于2.3 Ｗ时, 焊缝处材料出现分解, 在Ｐ大于7.15 Ｗ时出现烧蚀。但在激光器平均功率Ｐ为0.60～5.89 Ｗ时, 焊缝剥离强度均大于1.3 N/mm。固定激光器平均功率,通过调整焊接速度, 可获得TPU激光透射焊接工艺参数窗口, 表明通过激光器平均功率和焊接速度的匹配, 在保证焊接质量的前提下, 能够为TPU薄膜激光透射焊接选取合理的工艺参数。

激光二极管(LD)端面抽运的中等口径片状放大器可实现重复频率工作, 兼顾大能量输出和优良光束质量, 成为惯性聚变能(IFE)及战术**等领域的研究热点。钕玻璃介质具有制造工艺成熟、储能较高、受激发射截面适中等优点, 是美、日等国IFE领域的重要研究对象。但钕玻璃热导率较低, 重复频率应用时热致波前畸变、热致断裂等热效应明显。使用光线追迹和有限元方法, 结合高功率端面抽运重复频率钕玻璃放大器的工作特点, 对钕玻璃增益介质的温度场和应力场进行了模拟分析, 详细讨论了不同抽运功率、冷却参数、工作频率所带来的影响。同时分析了可能引发介质炸裂的机理, 探讨了抽运极限问题, 结果将对端面抽运重复频率钕玻璃激光放大器的设计具有参考意义。

衍射型激光透射塑料焊接技术是一种新型的同步焊接技术。介绍了衍射型激光透射塑料焊接基本原理, 提出了一种基于衍射光学元件的激光同步焊接技术; 建立了衍射模型, 并采用加权G-S算法, 使用Matlab软件模拟计算出权因子大小对所设计的衍射光学元件(DOE)的影响。模拟结果表明, 随着权因子变大, 衍射效率提高, 分布在辐射区域的光强就越多; 均方差(SSE)提高, 整形后光斑的均匀性就降低, 辐射区域的光强就不均。最后, 进行了DOE调制整形的实验, 得到了整形前后激光束光斑形状, 达到预期的图形。

活塞激光热负荷, 就是利用二元光学转光片(DOE)改变激光在空间的能量分配, 使用电脑控制激光在时间域上的分布, 从而使活塞实现特定的温度分布和波动。二元光学转光片的设计、加工需要知道各区域激光能量分配比例。为此提出了基于有限元优化的激光热负荷试验光强分布设计思想, 建立了光强优化分布模型。模拟结果表明, 二元光学转光片激光辐照区域的3个环(从中心往外)的功率比例为:0.03∶0.01∶9.96,能使活塞的温度分布与设计要求的目标温度一致, 并能模拟活塞的高周、低周疲劳。

介绍了绿激光显微精密修调机, 分析了其系统组成结构。系统主要由激光器系统、激光聚焦及定位光学系统、精密数控系统及自动化测试系统组成。描述了绿激光修调在薄膜压力传感器中的应用,同时分析了绿激光修调薄膜压力传感器的主要工艺, 工艺的关键点是对激光束光斑的大小以及激光能量的实时控制。通过高性能的激光器、聚焦系统、监视系统、精确的运动控制系统成功的将调阻技术应用到了薄膜压力传感器生产中, 使传感器的零点控制误差控制±80 μV以内, 相应地保证了零点温漂小于0.02% ℃, 且基本呈线性,实现了传感器的非补偿性。

激光清洗是一种新型高效的环保清洗技术, 其利用激光的方向性和高亮度来清除掉材料表面的污染物, 而对基质材料没有破坏。本文介绍了激光消融、干式激光清洗和湿式激光清洗的机理, 重点分析了干式激光清洗和湿式激光清洗的原理及影响因素, 介绍了激光清洗在精密器件清洗、文物及较大尺寸零件的清洗方面的应用。在此基础上引入一种激光清洗的评价体系, 阐述了激光清洗质量的评价方法。

采用LD抽运腔内倍频532 nm Nd∶YAG激光器作抽运源, 通过合理的谐振腔膜系设计, 只使用一个输出镜就实现了可调谐钛宝石固体激光器(DPL)697～942 nm的可调谐激光输出。在18 W的抽运功率下, 其输出功率为3.5 W, 重复频率为3.9 kHz; 通过采用I类相位匹配的LBO晶体(LiB3O5, Θ=90°,Φ=33.2°, 3 mm×6 mm×20 mm)进行腔外倍频后实现了波长350～465 nm平均功率达540 mW(400 nm)连续可调的蓝紫激光输出; 通过激光聚焦导光系统、扫描控制系统软硬件的设计开发, 使该系统实现了计算机控制的程序曝光。该系统主要用于计算机直接制版技术(CTP)版材的研制开发。

光学相干层析成像(OCT)是一种具有高分辨率、非接触、非侵入的成像技术, 它通过测量生物组织的后向散射光的干涉信号, 对生物组织的内部结构进行层析成像。OCT技术作为一种诊断技术被广泛应用于医学领域, 特别是眼科图像诊断。由于频域OCT(FD-OCT)无需进行纵向扫描就可得到全部深度位置的特征信息, 因此成像速度比传统时域OCT(TD-OCT)快, 更适合于眼科应用。构建了一套基于光纤的频域光学相干层析成像系统, 纵向分辨率达到了10 μm, 扫描速度达到了每秒24000次以上。通过调节系统可对眼底视网膜成像, 实现临床诊断。

光生物调节作用(PBM)是健康维护的绿色方法之一, 通常用于疾病的预防和治疗。讨论了PBM在健康促进方面的应用, 并重点探讨了鼻腔内低强度激光疗法对运动性疲劳的康复作用。功能内稳态(FSH)利用负反馈机制稳定生物系统功能。人体的系统可以分为FSH必需的系统(FSH-essential system, FES)和非必需的系统(FSH-non-essential system, FNS), 各自都存在功能特异的内稳态(FESH和FNSH)。FSH的品质可以通过学习或训练(SOT)予以提高。超常SOT打破原有FSH建立FESH。常规SOT维持FESH并建立FNSH和新的FSH, 并进一步维持新的FSH。低水平激光的细胞康复作用可以促进FESH, FNSH和FSH的建立, 缩短SOT时间, 具有健康促进作用。

阿尔茨海默症(Alzheimer′s disease, AD)的药物疗效欠佳, 单色光照射治疗是候选方案之一。本文综述了开展的单色光治疗AD的细胞模型研究。β淀粉样蛋白(amyloid-β protein, Aβ)或过氧化氢可诱导体外培养的神经细胞凋亡。发光二极管红光(640±15 nm)(RLED640)照射能够降低Aβ25-35诱导的PC12细胞凋亡, 抑制过氧化氢诱导的分化PC12细胞凋亡, 它们分别由cAMP和酪氨酸羟化酶所介导。Tau蛋白功能缺失可用秋水仙素模拟。用秋水仙素和过氧化氢共同孵育可致分化PC12细胞流产凋亡, 用RLED640照射能够抑制这种凋亡。节律紊乱可以用肿瘤坏死因子α来模拟。研究发现, 低强度810 nm激光照射可以拮抗肿瘤坏死因子α诱导的NIH3T3成纤维细胞时钟基因表达抑制。

光动力学治疗鲜红斑痣(PWS)目前被认为是较为有效的一种新型诊疗技术。治疗过程中光能量在皮肤中的分布情况对理解、预计和改进鲜红斑痣的临床治疗效果有重要的作用。基于人体皮肤的组织结构、鲜红斑痣的病理特征、光在皮肤组织中的传输特性以及皮肤各层的组织光学参数, 建立了一种具有多层组织结构的鲜红斑痣皮肤光学模型, 介绍了该模型中组织光学参数的确定方法。利用蒙特卡罗方法结合临床数据计算了光能量在鲜红斑痣皮肤中随深度的分布, 结果可为临床上如何选择最佳光剂量提供部分参考依据。利用本模型做进一步的详细完整的计算可以为光动力学治疗鲜红斑痣提供理论支持。

基于广义的惠更斯-菲涅耳原理得到的部分相干电磁涡旋光束经光阑透镜聚焦后的传输方程, 研究了聚焦场几何焦平面附近的光强分布和相干度分布。结果表明, 部分相干电磁涡旋光束的拓扑荷数、截断参数、归一化相干长度均会影响聚焦场的涡旋暗区域的大小和相干度分布, 可以通过选择合适的参数值获得所需的涡旋暗区：涡旋暗区域的大小随着拓扑荷数和归一化相干长度的增大而增大, 其涡旋亮环的最大强度的位置随着归一化相干长度和截断参数的减小而向光阑处移动。此外, 聚焦场的有效相干长度随着归一化相干长度和拓扑荷数的增加而减小; 并且随着传输距离的增大, 有效相干长度越大。

为了使全息光盘技术进一步走向实用化, 有必要使读写系统更为简化和小型化, 设计了一个物光和参考光的同轴光学系统, 物光和参考光利用一束激光, 处于光束的中间部分作为物光, 而光束的周围的环型光束经过2个环型反射镜后, 形成会聚光用来作为参考光。该参考光束与物光在前组傅里叶变换透镜的后焦面干涉进行全息图的记录。通过合理设计环型反光镜的几何参数, 可以保证物光和参考光形成较大的夹角, 有助于提高全息光盘存储的复用度, 提供了较好的选择性。整个光学系统结构更加紧凑, 缩小了整体尺寸, 有助于进一步发展更加实用的小型化全息光盘驱动器。

设计了一种基于新型压电驱动器的快速扫描反射镜, 反射镜面尺寸为20mm×15mm, 具有大扫描角度范围(光学扫描角度范围可达±0.7°)和高扫描带宽(其一阶谐振频率为1872Hz)。反射镜基于一对新型的位移放大压电驱动器, 对机械结构进行了有限元模拟分析和数学建模, 测试了扫描反射镜的频响特性。用软件补偿压电驱动器迟滞效应和串联硬件陷波器抑制谐振相结合的控制方法, 提高了扫描器的开环扫描线性度, 实现了高频三角波扫描。设计了基于重复控制原理的数字比例积分微分(PID)控制器, 实现了精确的正弦扫描。测试结果表明该扫描器可以实现一维快速精确光学扫描控制。另外该扫描反射镜还具有体积小巧, 结构简单等优点。

利用变分法研究了1+2维超高斯型光束在强非局域非线性介质中的传输特性,得到了1+2维超高斯型光束各参量的近似演化方程、一个临界功率及光束各参量的近似演化规律。一般情形下, 1+2维超高斯型光束在强非局域非线性介质中传输时, 其束宽按正弦和余弦规律作周期性振荡变化, 当初始功率等于临界功率时, 其束宽则保持不变, 可以得到稳定的1+2维超高斯型非局域空间光孤子。另外, 经过分析得到临界功率随光束阶次的增大而增大, 与相位因子的阶次无关; 光孤子的相移快慢与光束阶次、相位因子的阶次、初始功率都有关, 但随着光束阶次的升高其主要依赖于光束阶次和初始功率, 相位因子的阶次的影响可以忽略。

凹面光栅解复用器相邻信号通道的串扰由相邻输出光波导之间的横向互耦合效率和输出光波导对相邻信号通道中心波长的响应效率两部分组成。在弱耦合近似条件下, 基于场型分析方法确定的两平行条形光波导之间的横向互耦合系数, 分析了凹面光栅解复用器中两个结构相同的输出光波导之间的互耦合特性, 阐明输出光波导之间的串扰特性与基本结构参数的关系; 根据基于光栅刻面的衍射特性、输入光波导的发射特性和输出光波导的接收特性给出的凹面光栅解复用器信号通道的光谱响应效率函数表达式, 阐明罗兰圆结构凹面光栅解复用器信号通道的光谱响应特性与基本结构参数的关系。这些结论可为确定凹面光栅解复用器的基本结构参数提供理论支持。

对高功率腔内倍频激光器光束质量影响因素进行了初步分析, 提出了谐振腔优化设计、热效应补偿等改善光束质量的措施并进行了相应的实验研究。采用光束质量控制措施后, 在10 kHz重复频率下, 利用优质8 mm×8 mm×12 mm KTP晶体获得了63.7 W,M2≈9.65的高光束质量倍频绿光输出, 光-光转换效率达到9.7％; 在15 kHz重复频率下, 利用优质8 mm×8 mm×30 mm LBO晶体获得了79 W,M2≈6.46的高光束质量倍频绿光输出, 光-光转换效率达到9.8％。

在生物组织中都存在大量的纤维状结构, 散射光的偏振态反映了组织对偏振光的作用, 可以反映组织结构和类型信息。对偏振光传播行为的了解, 有助于提高偏振门的作用, 开发基于偏振光测量组织结构和病理信息的方法。为了研究纤维状散射体对偏振光的影响, 测量不同偏振方向的线偏振光经过牙齿的象牙质散射后散射光的分布和偏振变化, 透射光强度分布为各向异性, 在沿着象牙质中的细管方向透射光较强, 散射光沿细管方向传播较远。透射光的偏振状态与入射光偏振方向有关, 象牙质具有各向异性的光学性质。采用圆柱体散射模型模拟了纤维状散射体对光的散射作用, 结果表明有序排列的纤维结构不仅影响散射光的分布, 而且对光的偏振态也有重要影响。

基于神光-Ⅲ原型装置上自适应光学系统应用获得的理论和实验结果, 研究了其中的主要科学技术问题, 提出了相应的解决方法, 通过实验验证了其有效性。为满足未来大型高功率固体激光驱动器的波前补偿要求, 理论上研究了自适应光学系统与连续相位板(PP)相结合的补偿方案。采用数值模拟的方法研究了“大口径变形镜(DM)＋1块连续相位板”和“小口径变形镜+2块连续相位板”两种方案的波前补偿能力。模拟结果表明, 采用“小口径变形镜+2块连续相位板”的方案能有效地实现全光路系统波前畸变控制, 同时还可以兼顾物理实验对焦斑尺寸和均匀性的要求, 为未来高功率固体激光驱动器波前补偿方案设计提供理论依据。

基于高功率固体激光系统中杂散光的分析结果,利用Wildfire-PRO/E3.0软件将系统中鬼像在装置结构模型中进行了三维可视化仿真, 建立了描述鬼像分布的仿真模型。利用该模型可对装置中可能产生的一阶至多阶鬼像位置进行全面显示, 可从各个角度观察鬼像分布情况, 便于排除无危害的鬼像。同时, 对典型位置的鬼像危害进行了分析, 提出了规避鬼像危害的方法和措施。研究结果为高功率固体激光装置的杂散光管理提供了有力支撑。

基于衍射积分理论和复高斯函数展开法研究了超短脉冲贝塞耳-高斯光束通过圆孔光阑后在自由空间中的传输特性, 推导出解析的传输方程, 并对传输方程进行分析讨论和数值计算分析, 利用计算机软件进行绘图, 给出了归一化功率谱随横向距离的变化关系, 横向光强分布和脉冲波形随截断参数的变化关系。

利用几何光学原理, 设计了一套应用于大功率CO2激光陶瓷烧结的均束装置。采用光波导进行均束, 分光镜进行分光, 使得此装置可以应用于陶瓷的双面烧结。其中, 光波导为长200 mm, 横截面为10 mm×10 mm的中空柱形。采用两块呈一定夹角的平面镜组成分光镜。经模拟, 该装置均束效果良好, 基本不受原始激光束光斑质量的影响。用傅里叶光学对光学系统进行分析, 讨论了增加光斑均匀性的方法。由于所有元件都采用反射型, 能量损失低, 光路校正方便, 符合大功率CO2激光器使用要求。

基于Richards-Wolf的矢量衍射积分公式,研究了椭圆偏振涡旋光束经高数值孔径透镜聚焦的聚焦特性, 着重分析了椭圆偏振涡旋光束深聚焦的光强、相位和角动量分布特性, 比较了相关参数变化对深聚焦特性的影响。研究表明, 椭圆偏振涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦以后, 在焦平面附近会得到具有广泛应用的椭圆光斑, 通过调整相应参数, 该椭圆光斑可以旋转一定角度, 其大小和形状也会发生变化。而且椭圆偏振涡旋光束深聚焦以后, 光束本身带有的自旋角动量会转化成轨道角动量。这些研究成果对于椭圆偏振涡旋光束在实际中的应用有着十分重要的意义。

基于径向偏振光的广泛应用, 从理论与实验上研究了径向偏振光的产生与传输。实验上, 得用阶跃型相位跃变器在腔外将两束偏振正交的TEM00模光束分别转化为偏振正交的TEM01与TEM10模光束, 利用马赫-曾德尔干涉仪将产生的TEM01与TEM10模光束进行相干叠加得到径向偏振光。理论上, 用标量衍射积分对TEM01与TEM10模光束的产生, 以及通过相干叠加得到的径向偏振光进行数值模拟。同时指出实验上的误差对产生径向偏振光的影响, 以及研究了传输过程中实验上所获得的径向偏振光光斑的变化。聚焦径向偏振光可产生极小的焦斑以及纵向场分量, 因此有望在粒子加速、高分辨显微镜以及材料加工等方面得到广泛应用。

由Zernike多项式生成P-V值在5λ(1053 nm)范围之内变化的离焦、像散、彗差和球差等波前畸变, 叠加入用改进Gerchberg-Saxton(G-S)算法设计的背光照明连续相位板(CPP)透射波前, 采用快速傅里叶变换方法计算远场。从能量利用率、焦斑10～100 μm尺度的均匀性和焦斑尺寸三方面分析了波前畸变类型和畸变量大小对三倍频(351 nm)整形焦斑的影响。结果表明, 焦斑的能量利用率和焦斑尺寸对波前畸变有比较大的宽容度, 当波前畸变和CPP本身透射波前P-V相当时, 两者的变化量均在5%之内; 整形焦斑的均匀性对波前畸变比较敏感, 1λ的畸变量使焦斑的均方根(RMS)值从0.325增加到了0.45, 增量达到38.5%, 必须对全系统的波前畸变进行严格控制。

通过对抽运模块增益分布、晶体棒应力以及冷却器等特性分析, 确定了激光器增益分布的均匀性与二极管激光器(DL)的发散角、抽运源与晶体的距离以及抽运源发射波长等参数的关系, 建立了抽运模块聚光腔的设计模型, 利用该理论模型设计并封装出了1～16 kW抽运模块。通过抽运模块性能测试可以得出, 该抽运模块可在占空比20%, 工作电流120 A, 水温25 ℃条件下稳定运行, 增益分布均匀性达到85％, 抽运模块的小信号增益系数为0.148 cm-1。

介绍了高功率激光系统的谐波转换系统匹配角调节的离线-在线技术。研究了如何将CCD近场仪应用于离线调节三倍频最佳匹配角, 该方案与光能量判断和肉眼观察光强相比更可靠。实验结果表明三倍频最佳匹配角的调节精度达到20″, 能够满足工程应用的要求。

主要研究利用激光散射干度传感器对火力发电站汽轮机末级蒸汽干度测量的数据处理方法。首先, 利用Mie散射理论的结果计算出的水蒸气的相函数, 通过查表并进行反演拟合得出汽轮机末级液态水滴的众数半径; 接着根据蒸汽凝水粒子尺度的广义Gamma分布, 利用前面所求的液态水滴众数半径和相关的谱参数来计算液态水的含量; 然后利用汽轮机中的压力传感器和温度传感器所测得的汽轮机内部的蒸汽压力和温度, 通过理想气体状态方程计算出干蒸汽的含量; 最后利用所得液态水的含量和干蒸汽含量根据蒸汽干度的定义计算出了出汽轮机末级的蒸汽干度值。

采用同轴数字全息技术测量研究粒子场, 由于直透光、孪生像等因素的影响, 以及焦深(DOF)通常是粒子直径的数十倍以上, 造成了粒子轴向定位精度普遍较低。通过分析影响焦深大小的因素, 采用增大系统的数值孔径, 即减小记录距离可以明显降低焦深, 并提出一种用于粒子轴向定位的基于最大梯度的自动聚焦算法。自动聚焦算法中通过选择适当大小的对焦窗口将再现粒子包含在内, 对粒子边缘识别区域的任意可能的梯度方向都求出它的梯度, 利用比较后得到最大的梯度, 作为自动聚焦判别数据。同时, 考虑到算法的精确度和稳定性, 引入了阈值参数。经仿真和实验表明, 该算法具有较好的单峰性和稳定性, 可减小焦深对粒子轴向定位精度的影响。

提出了一种对焦平面成像得到的图像去噪的数据处理方法。通常的太赫兹单波长相位成像只利用对应于单一频率的相位值重构物体, 一般来说图像噪声较大, 并且在物体引起光程差大于2π的位置会出现断点。太赫兹多波长相位成像是用对应于两个或多个波长的相位进行图像处理, 将不同频率的相位图作相减或拟合处理可以大大降低背景噪声。对金属垫圈和相机镜头盖的焦平面图像处理结果说明, 多波长相位成像是非常有前景的数据处理方法。

神光Ⅲ原型装置终端靶场采用大口径取样光栅对透射的351 nm激光取样进行脉冲波形测试, 由于取样光聚焦点光线不是等光程的, 该取样方式将导致时间波形的畸变。建立了光栅全口径取样后聚焦的三倍频激光脉冲波形叠加模型, 模型考虑了激光光束近场强度分布和近场各点到聚焦点的光程变化两个主要影响因素, 研究了取样脉冲波形的叠加特性, 给出了该测量技术的适用范围和测量精度。结果表明, 对于取样光束口径为290 mm×290 mm,取样焦距为1380 mm,取样角为11.5°的基于光栅取样的脉冲波形测量系统, 只要被测激光脉宽大于1 ns, 取样后脉冲波形原始波形一致, 没有展宽。实验标定结果表明, 神光Ⅲ原型装置采用光栅取样对靶场三倍频激光脉冲进行测量是可行的, 该技术目前已经应用于原型装置。

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对2种常见消炎用粉针类药品和4种胶囊、片剂、冲剂类药品进行实验研究并得到它们在0.2～2 THz频率范围的特征吸收光谱, 对这些光谱进行了分析比较, 用支持向量机(SVM)对太赫兹吸收光谱进行了识别分类。首先, 用归一化预处理后的6种药品的太赫兹吸收光谱训练libsvm模型; 然后, 选用与训练光谱不同时间测得的6种药品太赫兹吸收光谱作为检测光谱, 经过归一化预处理后分别输入到训练好的libsvm模型中进行识别。研究表明, 各种药物由于其化学成分的不同, 显示出不同的太赫兹吸收光谱。用支持向量机可以实现对不同种类药品的识别。这些结果为太赫兹光谱技术用于药品的检测和识别提供了另一种有效的方法。

介绍了利用扩展的球面绝对检验技术, 对于双重编码计算全息图(Twin-CGH)进行的分析。通过5次检验法, 分别分离出了Twin-CGH两种不同光焦度下球面波的图形刻写误差和基底误差, 证明两组全息图各自造成的波面误差间具有固定的联系。这种联系体现在两组相位函数对应的空间频率的联系中。利用Twin-CGH的误差传递公式, 将两种状态下的误差进行相互推导, 并将推导出的结果与实验结果进行比较, 其差值小于λ/40(PV, λ=632.8 nm)。验证了Twin-CGH中误差传递的可行性, 说明可以运用球面与非球面融合的Twin-CGH来获得已知误差的非球面反射波面, 对零位光栅进行标定。

边界检测方法可根据处理方法包括空域和频域。但空域处理运算量较大, 尤对压缩的图像信息来说, 要经过频域-空域-频域的处理过程, 其计算量太大以至于无法满足视频信息实时处理的需要。对此, 频域处理就显得尤为重要, 离散余弦变换具有计算量小、正交性、固定实基函数等特点而在图像处理和压缩中得到广泛应用。基于图像块频域系数和空域图像特征之间的对应关系, 提出一种快速频域估计边界特性的方法。该方法仅根据压缩后的F(1,0)和F(0,1)两个低频交流系数, 判别图像块内的边界方向。

在大型高功率激光系统中, 实时监测对激光能量传输控制起着重要的作用。通过对激光能量的实时检测, 可以准确判断高功率激光装置系统中每一个环节的工作状态, 对保证激光装置的正常运行, 缩短装置的发射周期, 提高激光装置的工作效率有着重要意义。而激光能量测量的线性度对激光能量测量准确度有着直接的影响。在大型激光装置中, 激光光束多、分布广, 且存在严重的电磁干扰和环境温度漂移, 成为影响激光能量测量的线性度、降低激光能量测量精确性的主要因素。利用热电偶材料来完成对激光能量的测量, 并通过改进探头结构和扣除本底、补偿电位的方法来克服激光能量测量中的温度漂移。实验研究表明, 采用本方法测量激光能量的线性度优于2%。

大型激光装置中的参数诊断系统需要使用缩束系统, 将被测脉冲转换为小口径光束, 以匹配相应的参数测量仪器。由于超短脉冲具有较宽的光谱, 因此在实际使用中会产生色散, 从而影响参数测量结果的准确性。分析了缩束系统的光学特性, 以及取样镜产生的群速度色散(GVD), 为诊断系统的设计提供依据。分析结果表明, 带楔角的取样反射镜与后续光路中使用楔形真空窗口构成了一对棱镜, 产生负的群速度色散。其数值与楔角的大小、传输距离成正相关。对于脉冲宽度大于50 fs的超短脉冲, 可以认为其脉冲宽度没有发生变化。这样就可以知道该参数诊断系统的工作范围。

实验研制了端抽运Nd∶YVO4放大器和侧抽运Nd∶YAG放大器相结合的高功率高光束质量皮秒激光器。这一系统充分利用了Nd∶YVO4 晶体受激发射截面大和Nd∶YAG晶体热导率大的优点。端面抽运Nd∶YVO4放大器使振荡器输出的激光获得高增益而迅速放大, 随后的侧面抽运的Nd∶YAG激光模块放大器有利于大功率抽运从而得到高功率激光输出。侧抽运Nd∶YAG放大器采用了双程放大的方式设计, 利于提高放大器的效率。为保证光束质量和光束模式匹配, 在放大器之间设计了合适的空间滤波器。激光器输出平均功率43.4 W, 光束质量因子M2<1.7的皮秒激光。

经过正弦相位调制产生的宽带光脉冲在传输放大过程中, 由于光谱成分改变, 会产生调频到调幅(FM-to-AM)的转变, 造成脉冲时域上的强度调制。由于光谱带宽较小(约0.3 nm), 其细微结构难以精确测量。为了控制这种效应, 提出了一种通过波形测量来引导光谱整形的补偿方法。通过测量传输前后的时间波形, 采用G-S迭代解算出整形光谱分布, 利用液晶空间光调制器进行光谱整形, 补偿FM-to-AM效应。通过数值模拟, 对方法的细节进行了改进, 提出了测量仪器的指标要求。结果表明, 在一定传输条件下, 该方法能够有效控制FM-to-AM效应, 解决时域强度调制问题。

对基于正交散焦光栅的M2因子测量系统进行了理论研究, 该测量系统可以同时测量光束束腰附近9个不同位置处的光强分布, 并由二阶矩方法计算束宽, 经双曲线拟合得到被测光束的M2因子。为了优化系统设计和提高系统测量精度, 根据高斯光束的薄透镜变换关系, 针对基模高斯光束和多模高斯光束, 分析被测光束束腰宽度、束腰位置和模式分布对测量系统测量精度的影响。结果表明, 基模高斯光束或者多模高斯光束所对应基模高斯光束的束腰宽度在设计范围内时, 系统可在较大的测量距离内具有较高的测量精度。该研究为实际系统的设计和测量提供了理论指导。

根据色散方程、能量和动量守恒, 研究非线性晶体ZnGeP2(ZGP)的光参变特性, 得到2 μm抽运时的I和II类ZGP-OPO角度调谐曲线。在I类匹配时角度调谐范围为50.7°～57°, 对应的波长连续调谐范围在2.4～11 μm;在II类相位匹配时, 波长调谐范围2.4～11.5 μm(在3～6μm不连续), 对应的角度调谐范围为58°～87°。同时对调谐过程中的允许角、走离角进行了分析, 对ZGP与AgGaS2(AGS)和AgGaSe2(AGSe)晶体做了分析比较, 结果表明ZGP为较好的中红外激光晶体。

报道了通过建立速率方程描述掺Er3+五磷酸盐的动态布居过程, 计算得到ErP5O14晶体在650 nm激光激发下的所有能级的动力学过程和抽运功率的影响。自发辐射过程、抽运光子的吸收、相应的受激辐射过程、多声子无辐射弛豫过程、所有可能的能量传递过程都包括在速率方程里。研究发现, 在650 nm激光功率达到103～105 W程度时上转换发光就很强且上转换行为很好, 4I15/2的稳态布居几率可以小到0.0617, 4F9/2的稳态布居几率可以快速增加到0.362的高水平然后缓慢地减小到0.0374的稳态值, 它意味着4F9/2的布居已经转换到更高的能级了, 在4S3/2能级可以有高达0.212的布居几率, 它会导致543 nm的强的上转换发光。在4G9/2能级可以有高达0.160的布居几率, 它会导致379 nm的强的上转换发光。

高功率固体激光装置需要提供细致的功率平衡以满足物理实验要求。为研究众多因素对装置输出功率平衡的影响, 建立了高功率固体激光功率平衡综合分析模型。首先, 详细描述了模型的建立过程和主要算法。模型基于窄带脉冲激光传输、放大和频率转换模型开发, 可单独分析系统偏差或随机偏差对装置输出功率平衡的影响, 也可耦合这两种偏差进行集成分析。最后, 根据我国正在建造的最大固体激光装置10% rms功率平衡要求, 针对Haan整形脉冲, 分析了三种条件下装置输出功率不平衡, 并对子系统的随机因素指标进行了初步分配。该模型首次用于基本理解整形脉冲实现功率平衡的众多因素, 是分析大型固体激光装置功率平衡问题的有力工具。

概括了光学级类金刚石(DLC)膜的优点与性能, 对最常用的几种制备类金刚石膜的方法——脉冲激光沉积法、磁过滤电弧沉积法、射频辉光放电等离子体化学气相沉积法、磁控溅射法、射频溅射法和离子束沉积法的原理、特点、研究进展、所制备的类金刚石膜的性能以及类金刚石膜在各种光学材料和领域的应用状况进行了详细的总结。通过对国内外研究进展的分析, 揭示出光学级类金刚石膜各种制备方法的优劣及其广阔的应用前景和巨大的实用价值。

利用太赫兹(THz)时域光谱技术对两种重要的半导体材料n型硅(n-Si)样品和p型硅(p-Si)样品进行了研究。通过测量自由空间的参考信号和透过样品的THz信号, 经过快速傅里叶变换等一系列数据处理, 获得了它们在0.5～2.0 THz频率范围内的光学参数。结果表明, 在该频率范围内两种样品的折射率和相对介电常数实部基本不随频率变化, 而p-Si样品的消光系数和相对介电常数虚部随频率增大而下降的幅度明显大于n-Si样品。此外, 通过计算获得了两种材料的复电导率和介电损耗, 发现n-Si样品和p-Si样品两者在THz波段都具有良好的介电特性, 适合作为半导体基片材料在THz波段工作。

通过对叠层非晶硅薄膜太阳能电池制备工艺流程的讨论, 提出了在玻璃基材上刻划透明导电氧化物(TCO)层, 非晶硅(a-Si∶H)层和背电极层时需注意的关键工艺, 合适的激光器性能参数以及加工参数, 并根据这些理论参数进行了工艺实验的验证。使用输出波长为1064 nm的调Q激光器和输出波长为532 nm的调Q倍频激光器作为光源, 采用自行设计的4路分光聚焦系统, 在1064 nm激光总功率为16 W, 单路功率为4 W; 532 nm激光总功率为3 W, 单路功率为0.75 W, 重复频率为40 kHz, 扫描速度为1.2 m/s的工作参数下得到了较理想的刻线, 同时提高了加工效率, 分析了刻划时对刻线附近区域造成明显热影响, 导致电池效率下降的因素。提出了需精确控制的系统工作参数。

采用电子束沉积法在镁掺杂铌酸锂基底上镀制了多波段增透膜, 透射波段分别为1.064 μm, 1.4～1.6 μm和3.5～4.3 μm, 测量了薄膜在1064 nm多脉冲辐照下的损伤阈值, 以及无薄膜铌酸锂晶体本身的损伤阈值。结果表明, 镀膜之后, 晶体的损伤阈值较未镀膜样品明显提高。

报道双掺Er3+/Yb3+的Sr3Y2(BO3)4晶体的生长和光谱性能。采用提拉法生长出尺寸为25 mm×35 mm双掺Yb3+和Er3+离子的Sr3Y2(BO3)4晶体, 研究了Er3+/Yb3+∶Sr3Y2(BO3)4晶体的吸收光谱和荧光谱。应用Judd-Ofelt (J-O)理论分析并计算了光谱参数, 得到唯象参数Ω2=14.10×10-20 cm2, Ω4=1.69×10-20 cm2, Ω6=1.72×10-20 cm2。在Er3+/Yb3+Sr3Y2(BO3)4晶体中, Er3+离子在1534 nm的发射截面为8.24×10-21 cm2, Er3+ (4I13/2→4I15/2) 的荧光寿命和辐射寿命分别为0.650 ms和3.873 ms, 研究结果表明,Er3+/Yb3+∶Sr3Y2(BO3)4晶体可能成为1.55 μm波段的一种激光材料。

以1550 nm为中心波长, 利用掺铒光纤激光器产生的120 fs脉冲序列, 在一段40 m长的色散平坦高非线性光子晶体光纤中进行了超连续谱产生的实验研究。实验中光纤的非线性系数约为11 W-1·km-1, 并且在1500～1650 nm波长范围内具有平坦的色散曲线, 色散值变化小于1.2 ps /(nm·km)。在入纤功率为20.8 dBm时, 产生了超过480 nm(20 dB带宽)的超连续谱(1220～1700 nm), 并且在两个通信窗口均较为平坦, 这在超连续光源、波长变换等方面有重要的应用价值。

报道了一种Si基长波长、窄线宽光探测器。该探测器采用异质外延生长技术, 首先在Si衬底上生长高质量的GaAs基滤波器, 接着生长InP基PIN光探测结构。其中的GaAs/Si异质外延生长, 采用中间刻槽工序实现了高质量、无裂纹的GaAs基外延层。制备的集成器件, 在波长1573.2 nm处, 获得了1.1 nm的光谱线宽以及9%的量子效率, 其中吸收层厚度为300 nm。

光学薄膜的缺陷是光学系统性能提高的瓶颈, 一直是实验和理论研究的重点。选取电子束蒸发工艺制备光学多层膜的典型缺陷, 用扫描电子显微镜(SEM)测试了表面缺陷的形貌、成分。膜料选取：TiO2,SiO2。结果表明, 结瘤缺陷在薄膜表面呈球冠状, 成分为Ti,Si的氧化物; 膜料喷溅颗粒未被完全包覆, 或者不稳定吸附物崩落后形成的缺陷为凹坑状, 成分为Ti, Si的氧化物, 但是存在明显的Ti偏析; 有一种表面粘附缺陷呈现不规则胶体状, 碳含量明显偏高, 为有机物; 另一种粘附缺陷为带棱角块状, 成分为Ti, Si的氧化物, 与由结瘤形成的球状缺陷成分一致, 是膜层崩落粘附形成。

以Ta2O5为初始膜料, 采用电子束蒸发制备了Ta2O5薄膜, 以空气和氩气分别作退火保护气氛, 以X射线粉末衍射仪(XRD)为测试手段研究了退火后薄膜的结构, 用分光光度计测试了薄膜在可见光及近红外波段的透射率, 利用透射率极小值计算了几个典型波段的折射率。研究了保温时间、保温温度、保护气氛对Ta2O5薄膜透射率和折射率的影响。试验结果表明, 对Ta2O5薄膜进行300～600 ℃下保温2 h的退火处理, 对透射率影响不大; 500 ℃下保温4 h退火处理获得的薄膜折射率最大; 对Ta2O5薄膜进行氩气保护中400 ℃下保温2 h,4 h的退火处理, 近紫外波段内的透射率峰值降低, 可见光波段的透射率峰值升高, 折射率提高。与空气中处理的试样相比较, 氩气保护中试样的透射光谱发生红移, 折射率明显提高; Ta2O5薄膜在≤600 ℃下退火后仍为非晶态。

为了快速有效预测金属光子晶体光纤(MPCF)中表面等离子体激元模式和纤芯导模的耦合位置(即带隙), 在光子晶体光纤的反共振反射光学波导模型(ARROW模型)和表面等离子体激元模式的螺旋模型(Spiraling model)的基础上, 拓展出金属光子晶体光纤的Metallic ARROW模型(MARROW模型)。然后, 利用该模型计算出金、银各两种金属光子晶体光纤中的模式耦合位置, 所得结果与已发表的实验结果吻合较好。

在固体板条介质激光器的研究中, 为了同时获得高平均输出功率和高光束质量, 开展了两类光学谐振腔在板条介质激光器上的对比研究, 分别进行了稳定腔与非稳腔的模拟分析和实验研究, 其中非稳腔采用一维渐变反射率输出耦合镜。稳定腔运转时, 激光二极管(LD)抽运功率428 W条件下, 获得了107 W的1064 nm激光功率输出, 得到光束质量M2x=8.35(厚度方向), M2y=32.29(宽度方向), 板条晶体在宽度方向上的光束质量较差。为了进一步提高光束质量, 使用了一维渐变反射率输出耦合镜构成的非稳腔, 宽度光束质量有明显改善。

利用Ansys对内含非均匀热源的有限尺寸的非理想板条放大器进行了热应力分析, 在此基础上利用热力光学模型, 对长度方向为［111］板条放大器中的热退偏效应进行了模拟分析, 并与前人的工作作了比较。结果表明, 不合理的平面应变近似会导致计算结果偏小; 退偏损耗大小与切割角及之字形光路的周期数有关; 对于不同的切割角而言, 退偏损耗与之字形光路反射次数之间的关系不同, 反射次数并非总是越多越好; 对于宽度方向为［101］的板条而言, 应尽可能增大之字形光路的反射次数, 且信号光不能完全充满板条的端面。

从速率方程出发, 得出准三能级掺镱光纤激光器的输出功率、斜率效率、抽运阈值功率和最佳光纤长度的表达式, 并理论分析了掺镱光纤激光器中的准三能级和四能级增益关系, 为抑制四能级起振和确定光纤长度范围提供理论依据。实验中采用光纤端面直接作为腔镜的平平腔结构, 当光纤长度为36.5 cm时, 入纤抽运光功率为2 W时, 最终获得两端总输出功率为1.32 W的980 nm单模激光输出, 总斜率效率达到75.3%, 实验结果与理论数值模拟结果相符, 对应的光光转换效率为66%(从入纤946 nm抽运光到980 nm激光输出)。另外, 980 nm激光经过BIBO晶体倍频后得到总功率为15 mW的490.8 nm蓝绿光输出, 倍频转换效率为1.1%。

设计了一种基于光纤饱和吸收效应的环形单纵模光纤激光器结构, 以可调谐光纤布拉格光栅作为波长选择器件, 与2 m未抽运掺铒光纤一起位于环形腔反射臂上。采用980 nm激光二极管注入环形腔抽运高掺铒光纤形成激光增益, 在饱和吸收体中形成驻波干涉, 实现1550 nm波段单纵模激光输出, 可调谐范围达42 nm。饱和吸收体对激光的吸收系数随抽运光强的增加而减小, 形成了输出激光的光学双稳态特性。为了提高单纵模激光的稳定性、抑制跳模产生的噪声, 采用一只抽运源通过光纤分路器分光, 同时抽运光纤激光器和光纤放大器, 实现了24 mW稳定的单纵模激光输出, 功率稳定性优于±0.005 dB, 工作效率可达18.5%。以12.5 Gb/s高速码率调制, 传输42 km无误码, 在未来大容量通信领域具有潜在应用价值。

对Er3+/Yb3+共掺光纤环行腔激光器进行了实验研究。用性能稳定的976 nm激光二极管(LD)作为抽运源, 利用非线性偏振旋转效应作为可饱和吸收体, 通过调整偏振控制器的角度和改变抽运功率的大小, 在实验中获得了连续基波锁模、调Q锁模、调Q、高阶谐波锁模的激光输出。其中连续基波锁模重复频率15.90 MHz, 中心波长为1.5583 nm, 谱线宽度为7.4 nm。调Q锁模的调Q重复频率为147.06 kHz,锁模重复频率为15.90 MHz, 谱线宽度为4.84 nm。被动调Q的重复频率为147.06 kHz, 谱线宽度为1.8 nm。二阶谐波锁模重复频率为31.80 MHz, 三阶谐波锁模重复频率为47.70 MHz。与单独的掺Er3+光纤作为增益介质相比, 本实验用Er3+/Yb3+共掺光纤作为增益介质得到了更好的锁模输出效果。

研究了光纤的受激拉曼散射、偏振效应, 对双抽运光纤参量放大器的增益的影响。由一组耦合方程模型推导出了增益表达式, 得到的仿真结果表明：受激拉曼散射使光参量放大器的增益谱表现出不对称性, 同时其峰值增益比不考虑受激拉曼散射效应时大; 当两抽运光波长的差值增大时, 信号峰值增益随之减小, 平坦性变差; 如果拉曼响应延迟时间越小, 增益峰值就越大; 当双折射因子越大, 峰值增益越小。当考虑到偏振效应时, 信号的增益和功率与信号偏振角度有关。当信号偏振方向与抽运光偏振方向一致时, 信号增益最大, 当信号偏振方向与抽运光偏振方向正交时, 信号增益最小。

对微结构光纤中基于四波混频(FWM)效应的全光波长变换进行了实验研究。利用长度为80 m的色散平坦高非线性微结构光纤实现了对重复频率为10 GHz,宽度为1.6 ps的脉冲序列的波长变换, 波长上转换和波长下转换均能在实验观中察到。另外, 对于脉冲光和连续光的光功率对转换效率的影响也进行了实验研究, 当功率相对比较高时, 无论是波长上转换还是波长下转换, 转换效率都比较高, 并且随着输入微结构光纤的光功率的降低, 转换效率相应减小; 波长下转换受到脉冲光功率的影响比较明显。

报道了一种采用常规微秒级高功率脉冲二极管(LD)阵列抽运固体激光工作物质获得毫秒级长脉冲激光输出的方法, 可获得重复频率高工作寿命长的毫秒级长脉冲激光输出。将总输出峰值功率为1.2 kW,占空比为5%的六个二极管线阵分为两组, 通过分时抽运NdYAG棒的方式, 获得了脉冲宽度约为1 ms的激光输出。抽运电流为85 A时, 输出激光平均功率为11.2 W。

研究了连续波高功率掺镱双包层光纤放大器中, 信号光和放大自发辐射光的变化规律, 模拟了信号光和抽运光功率、抽运方式以及增益光纤长度对输出功率的影响。搭建了光纤放大器系统, 在信号光为2 W, 抽运光为72.9 W时, 得到了48.2 W的放大激光。数值模拟和实验结果吻合得较好, 模拟计算为连续波高功率双包层光纤放大器的优化设计提供了理论依据。

利用脉宽为200 ns, 重复频率为3.3 kHz, 功率可调的声光调Q激光器抽运高非线性的光子晶体光纤, 产生了覆盖600 nm到1500 nm展宽的超连续谱(SC), 分析了其产生的原因。研究表明, 在零色散波长抽运时, 光谱展宽以自相位调制为主, 同时三阶色散的影响显著, 传输脉冲发生振荡。研究还发现, 抽运光的峰值功率越高, 得到的超连续谱现象越明显, 展宽越宽。

为了给差频太赫兹(THz)光辐射提供较为理想的光源, 研究了两台10 μm波段光栅选支射频波导CO2激光器的脉冲激光同步输出方法。结果表明, 将调节触发激光脉冲的延时方法和调节压电陶瓷(PZT)电压的方法配合, 可以使两个激光器的输出脉冲激光同步, 以有效产生THz光辐射。在实验中发现由于环境温度、振动等外界条件的影响, 输出脉冲激光同步的维持时间较短, 可以通过手动控制脉冲触发延迟或调节压电陶瓷电压的方法进行控制, 使脉冲激光重新达到同步。

高平均功率高重复频率TEA CO2激光器在激光加工、激光测距和**应用领域都有非常重要的应用前景, 特别是其光束质量一直是人们关注的重点。在原有稳腔TEA CO2高功率激光器的基础上, 采用非稳腔的设计方案, 设计并加工了3组望远镜虚共焦腔镜, 并进行了单脉冲能量和远场发散角的对比实验。实验结果表明, 非稳腔能够在保证高单脉冲能量的基础上极大地改善激光远场发散角和压缩脉宽, 其中最佳腔镜组合能够达到单脉冲能量13.4 J, 发散角为1.2 mrad, 激光脉宽49.5 ns。对输出镜采用相变制冷技术在高重复频率工作时, 激光器平均功率可达数千瓦以上。

基于级联半导体光放大器(SOA)的双信道偏振态位移键控(PolSK)光传输系统, 以两种不同码型、码率和时延参数的数据调制光对系统的交叉偏振调制(XPolM)特性进行数值建模和仿真研究。研究结果表明双信道PolSK光传输系统的两偏振复用信道完全独立, 能够同时传输两组具有不同类型、码率和时钟的数据信号, 具有良好的双信道数据的偏振复用与解复用性能与已有实验相符。通过仿真研究观察到在高码率数据调制情况下, 偏振调制信号光会出现码型效应以及信号光相位的时间变化所产生的复杂的频率啁啾现象。