高分辨率光电探测相机探测能力的提高受杂散光的限制, 杂散光在很大程度上决定了探测能力的底限。由于光学系统的杂散光受到诸多因素影响, 必须在最终指标上进行测试, 如: 点源透射率(PST), 用于全系统性能指标控制。利用星模拟器超大动态范围的光辐射输出, 设计了一台光学系统杂散光PST测试设备, 解决了单个探测器动态范围无法覆盖108的问题; 在一定信噪比下, 分析了电子倍增CCD杂散光PST测试能力。经分析杂散光PST测试范围可达到10-2～10-8, 满足高分辨率光电探测相机杂散光测试的要求。

激光三维成像雷达是空间着陆导航中的一个最重要的传感器。开展激光雷达关键技术研究, 具有重要的科学价值和应用价值, 在国内具有一定的开创性。快速二维扫描系统设计是其中的一项关键技术。采用模拟、数字结合的方法, 设计了扫描系统的驱动、控制电路; 基于虚拟仪器, 采用NI的高速数据采集卡, 设计了电机的测试和标定系统, 测试得到了系统的非线性度和动态特性。结果表明, 此扫描系统可以很好地满足激光三维成像雷达的需求。

研究了在气动效应或爆破冲击环境条件下, 尖晶石和蓝宝石制作的中波红外成像制导导引头整流罩的设计方法。对在大气中高速飞行的成像导引头整流罩, 进行了气动效应仿真分析和电弧风洞模拟实验。采用在尖晶石外表面, 镀制金刚石保护膜的方法实现了尖晶石整流罩的消热设计。对在高压爆破冲击环境条件下成像导引头整流罩的耐冲击要求, 采用在导引头金属壳体与整流罩的连接处增加过渡缓冲层的方法, 较大降低了子母弹在切壳和抛撒分离过程中作用于尖晶石整流罩的传导压应力。研究表明, 在中波红外光学成像整流罩的设计中, 采用尖晶石代替蓝宝石可以满足不同环境条件的技术要求。

在激光二极管单端抽运结构的Nd:YVO4约激光器中, 同时利用声光(AO)Q开关和Cr4+YAG可饱和吸收体被动Q开关, 实现1.06 μm激光高重复频率下(约100 kHz)的双调Q运转。当抽运功率为6.1 W, 重复频率为125 kHz时, 得到了最短脉冲宽度7 ns的输出脉冲。同样工作条件下, 腔内不插入Cr4+YAG可饱和吸收体时, 脉冲宽度为13 ns。结果表明, 与AO调Q方式相比, AO-Cr4+YAG双调Q方式运转可以有效地压窄脉冲宽度。

微小卫星与传统大卫星相比具有研制周期短、机动性高和成本低等特点而成为遥感领域的热点。研制的CCD相机是微小卫星的重要载荷之一, 在取得低成本的同时能够实现0.98/0.5年的可靠度。CCD相机的光学系统采用折反结构而且具有较大的温度适用范围; 光学元件全部采用球面使加工装调易于实现; 对光学系统进行杂光抑制和环境适应性设计进一步保证成像性能。电路系统采用帧转移CCD, 现场可编程门阵列(FPGA), 双相关采样(CDS), 低压差传输(LVDS)和buck/boost电压变换等技术, 使相机具有低成本、低功耗和性能稳定等优点。CCD相机研制中采取了合理的可靠性保障措施, 选用的现有商用器件经过了破坏性物理分析(DPA)、筛选、板级试验等手段的考验。通过环境试验、积分定标试验和成像性能测试表明研制的微小卫星CCD相机成像性能良好。

为了在低照度下获得高的灵敏度和空间分辨率, 行间转移CCD相机能够按一定的方法以时延积分(TDI)方式工作。辐射定标实验中发现, 这种工作方式会造成某些像元的输出明显低于其他像元, 从而导致系统像元响应不均匀性和信噪比变差。提出了一种改进的TDI模式行间转移CCD相机辐射定标方法。该方法将TDI级数作为变量加入到像元响应不均匀性和信噪比的算法中, 在基本不影响正常使用的前提下大幅提高系统的性能。验证实验结果表明, 和原方法相比, 改进后的辐射定标方法能够有效降低系统的响应不均匀性并提高信噪比, 更加真实地反映系统特性。当采用32级TDI方式时, 像元响应非均匀性从4.88%降低至0.86%, 而信噪比提高了2.9%。

当辐照光强较低时, CCD相机输出图像中的灰度值分布代表了辐照光的功率密度分布。利用此时CCD相机输出激光光斑的灰度分布及辐照激光功率计算了光斑中心像素上的平均激光功率密度。利用激光功率密度与激光功率成正比例的关系, 由实验测得的激光功率值获得了一系列中心像素上的激光功率密度值, 并利用示波器测量了相应的像素输出电压值, 得到了可见光CCD对1064 nm激光的响应曲线。由像素灰度值与激光功率密度值可知, 相机系统饱和即令像素灰度值达到最大的激光功率密度阈值约为0.11 mW/cm2; 而由CCD的光响应曲线可知, 令CCD芯片输出开始趋向于饱和的激光功率密度值约为0.20 mW/cm2。

为了实现对空间暗弱目标的探测, 设计了大孔径可见光探测相机的光学系统。该系统焦距为350 mm, 相对孔径为1/1.6, 全视场角为3.2°, 波段范围为450～950 nm。介绍了可见光探测相机的构成, 确定光学系统的结构形式为马克苏托夫两反射系统, 主次镜均采用球面镜。采用CODE-V光学设计软件对系统进行了优化设计。给出了像质评价及热分析结果。设计结果表明, 该可见光探测相机光学系统各视场点列图基本是圆形, 全视场内80%能量的弥散斑直径均小于26 μm, 最大畸变小于0.05％, 倍率色差小于5 μm, 满足探测要求。

硅光子是新一代大规模光/电集成技术, 可实现各种常见光器件, 其中基于自由载流子等离子体色散效应的硅基马赫曾德尔电光调制器(MZM), 可实现10 GHz以上的调制速度。在硅基MZM中, 一个关键技术是采用合适的电极结构使自由载流子浓度产生有效的变化, 以达到调制所需的有效折射率变化。考虑到调制速度和功耗的要求, 对一种基于MOS电容电极的MZM进行了光电结合模拟研究。研究结果表明, 在-1.5 V驱动电压作用下, 当掺杂体积分数为1015 cm-3时, 有效折射率变化值为3.82×10-6左右, 实现半波电压Vπ所需的单臂调制臂长为13.5 cm, 损耗小于0.04 dB/cm; 而当掺杂体积分数为1018 cm-3时, 其有效折射率变化可达6.96×10-5左右, 实现Vπ所需的单臂调制臂长只需0.7 cm, 但损耗约为24.8 dB/cm。而且在不同的电极结构下, 调制性能有明显的差异, 其有效折射率变化达1.53×10-5左右, 实现Vπ所需的单臂调制臂长需3.3 cm, 但损耗只有0.09 dB/cm。

分析了目前钕玻璃片、大口径反射镜和晶体等光学元件的波前特征, 同时对多路激光系统的静态波前和动态波前热畸变特征进行了统计分析。结果发现, 同类元件的波前特征具有很大的相似性, 因此不同路激光系统的静态波前特征也比较相似, 主放大系统静态波前以像散为主, 波前畸变峰谷值(PV)在2λ～3λ(λ为1053 nm)之间, 在采用90°旋转反转器的多程放大激光系统中, 主放大系统动态波前畸变以离焦为主, PV值在4λ～5λ之间, 扣除离焦后, 动态波前畸变PV值在1λ～2λ, 全系统最大波前畸变PV值可能超过6λ。

在空间大口径离轴光学系统中, 畸变的存在严重影响其定位精度的提高。为提高该系统的定位精度, 对其畸变特性进行了研究。在研究中发现, 大口径离轴反射系统的畸变特性不同于传统的径向畸变模型。因此, 传统的畸变校正方法对于大口径离轴反射系统不再适用。对该离轴系统的畸变校正进行了研究, 提出了一种利用二维拉格朗日插值法对离轴系统畸变进行校正的方法。在系统设计阶段, 利用计算机仿真的方法, 对该校正方法进行了研究, 分析和讨论了校正结果。仿真结果表明, 该方法的校正精度能满足实际要求。这种方法在对大口径离轴系统的畸变校正中具有普遍的实用性。

1319 nm激光处在大气透过窗口、光纤低损耗和接近零色散区域, 在很多领域有着广泛的应用。通过分析Nd:YAG激光介质的辐射跃迁能级, 采用镀制高选择性介质膜的方法抑制1064 nm等其他波长的起振, 最终实现1319 nm激光单脉冲输出。实验得到1319 nm激光静态输出能量340.9 mJ, 动态输出76.8 mJ, 重复频率1 Hz, 脉宽17 ns, 束散角2.7 mrad。结果表明, 通过镀制高选择性介质膜的方法可以实现1319 nm激光调Q脉冲输出。

激光合成技术旨在将几个分立的激光光束合成为一个同轴光束, 实现数倍于单个激光器功率的激光输出。设计了一种新型的空心光束变换器, 可将N路(N≥3)激光合成为一个同轴光束, 并进行了数值计算和实验研究。将此技术应用于三光束合成, 获得了激光合成效率89%, 时间同步精度误差不大于2 ns, 激光合成脉宽约10 ns, 激光光束发散角不大于2 mrad的实验结果。

对于准分子激光角多路主振荡功率放大器(MOPA)系统, 脉冲串能量提取对确定光束路数、降低系统复杂性具有实际意义, 然而脉冲串放大实验对光路准直有着严格的要求。根据近场调节平移、远场调节角移的原理进行了光路自动准直设计, 编写了闭环控制软件, 利用He-Ne光进行了原理性实验, 获得了平移21 μm, 角移1.3″的调节精度, 并将此系统应用于双脉冲串放大实验的光路准直, 效果良好。

采用夫琅禾费衍射理论与数值模拟方法计算了光束间距、阵列占空比以及相位变化与相干合成远场光强分布之间的关系; 运用外差法和液晶相位调制器,验证了激光偏振态与相位变化对相干合成光强分布的影响, 并得到了光束在光纤中传输的相位变化特性。结果表明, 相位的随机变化使得合成光强降低, 并有本底漂移; 偏振态的改变会使合成光束的条纹对比度发生较大变化; 在振动、温度变化的环境中, 光束相位变化的频率明显高于自然环境下的频率。

通过有效折射率模型分析了光子晶体光纤的无限截止单模特性, 数值模拟表明只要光纤微结构包层中空气孔直径与孔间距之比足够小, 光子晶体光纤就可以在任意波长支持单模传输。具体计算了光子晶体光纤在大于200 nm的波长范围内支持单模传输的结构参数, 为实现光子晶体光纤单模传输紫外激光提供了理论依据。实验采用光纤激光器四次谐波260 nm飞秒激光和一段小空气孔直径的光子晶体光纤, 研究了紫外激光在光子晶体光纤中的传输特性。其中光子晶体光纤纤芯直径为4.54 μm, 耦合效率大于31%。

光性能监测是实现可重配置波分复用光网络的一个关键技术。随着光通信速度从10 Gb/s提升到40 Gb/s甚至以上, 对光通道残余色散的容忍度下降到原来的1/16甚至以下, 需要对光通道的色散进行实时监测。利用非线性波导器件可进行全光域色散监测, 硅光波导具有较强的非线性特性, 其非线性折射率系数可达5×10-18 m2/W。当受光网络色散作用的信号光和探测光一起通过硅波导时, 将产生四波混频非线性效应, 光通道中不同色散值会产生不同程度的四波混频效应, 通过测量由四波混频效应产生的光谱变化结果, 可对波分复用光网络的色散进行监测。采用损耗系数为0.2 dB/cm, 长度为3 cm的硅波导, 模拟研究结果表明色散监测范围可达±40 ps/nm, 从而可以实现光网络色散的芯片级监测。

以二维三角晶格介质柱光子晶体双缺陷耦合腔波导为研究对象, 设计慢光性质较好的波导结构, 并利用平面波展开法对光在波导中传输时的慢光特性进行了仿真分析。研究表明, 对特定几何参数下的光子晶体双缺陷耦合腔波导, 通过调整缺陷柱的尺寸, 可以有效地将禁带外的模式移动到禁带内成为导模, 并且得到了导模群速度为0.0055c的波导结构(c为真空中的光速), 对应带宽为135 GHz。当群速度为0.01c左右时, 带宽可以达到260 GHz左右, 可以满足实际的应用需要。此外, 该波导结构具有结构简单, 群速度调节范围大等优点, 可以应用于光学延时线, 光缓存等慢光器件中。

针对应用于毫米波光纤无线通信(ROF)系统的光学倍频毫米波生成方法, 探讨了光纤色散造成的毫米波幅度衰落问题。提出使用双电极马赫曾德尔光调制器(MZM)生成毫米波的方案: 光波进入双电极MZM的两臂后分别由同频反相的微波信号调相, 然后叠加完成相位强度转换。已调光波经光纤传输后再经光电转换产生调相微波的高次谐波, 实现所需毫米波的生成, 其幅度的最大化只需调整调相指数即可完成。就两种不同偏置状态的毫米波生成系统的色散衰落特性进行比较, 发现两臂直流偏置端都接地的双电极光调制器ROF系统的色散性能更好, 光纤色散不会导致奇次谐波的出现, 也不会出现偶次幅度衰落到0的情况。上述数学分析的结论通过仿真、实验得到了验证。

空间光通信需要苛刻的功率预算, 由于实际大气信道特性非常复杂, 采用一般链路方程对大气信道功率进行预算往往会引进较大误差。通过对大气衰减效应、湍流效应、折射效应等影响大气信道特性的因素进行综合分析, 结合大量的理论推导和计算, 提出了一种对链路方程的修正方法, 得到了一个能够积极反应信道特性的链路方程。采用修正后的链路方程, 在通信距离为6 km, 误码率优于10-8的光通信实验中进行了功率预算。实验与分析表明, 该链路方程修正方法具有合理性, 功率预算和实验结果基本相符, 近地光通信对星地光通信具有等效验证性。

采用激光二极管(LD)端面抽运, Nd:YAG/Cr4+:YAG热键合被动调Q, 在风冷的情况下, 对激光脉冲重复频率、脉冲宽度、峰值功率、脉冲能量及其相互关系进行了理论分析和实验研究。获得了200 kHz, 8 ns, 单脉冲能量50 μJ输出, 峰值功率高达6.25 kW。结果表明, 理论分析和实验结果一致, 此种激光器是重复频率高, 脉宽窄, 峰值功率高的全固态激光器。

保偏光纤(PMF)谐振腔是谐振式光纤陀螺的核心元件, 在谐振腔中由于偏振耦合引起的偏振波动是陀螺的测量误差的主要来源之一, 而PMF偏振主轴旋转90°对接是克服谐振腔偏振波动的有效方法。对90°对接的双耦合器PMF谐振腔的谐振特性和偏振特性进行了理论分析, 采用锯齿波扫描的方法对90°对接的双耦合器PMF谐振腔的谐振特性和偏振特性进行实验研究, 得到理论响应和实验响应曲线。实验测得谐振腔的精细度为24, 谐振深度为0.9615, 两本征偏振态之间的相位间隔为179.65°, 证明了90°对接双耦合器PMF谐振腔的良好偏振特性。

设计并研制了一种结构紧凑的高功率超连续光源。利用1.5 m掺Yb3+双包层结构大模场面积光子晶体光纤作为激光增益介质, 0°光纤端面作为一端腔镜和耦合输出, 半导体可饱和吸收镜作为另一端腔镜并启动和稳定锁模, 利用光栅对进行腔内色散补偿, 搭建了高功率抽运源, 输出平均功率1.5 W, 脉冲宽度494 fs, 重复频率55 MHz。系统分析了腔内动力学过程, 阐明了这种激光器的锁模运作机理。抽运1 m长光子晶体光纤, 产生了超过一个倍频程的超平坦超连续光谱(680～1450 nm), 输出功率500 mW。

提出了一种基于正交柱透镜光栅的计算全息三维成像方法。该方法采用CCD获取三维场景经过正交柱透镜光栅后所形成的基元图像阵列, 并采用正交投影方法对获取的基元图像阵列进行像素重组, 从而获取子图像阵列。根据透镜的傅里叶变换特性, 对每幅子图像乘以相应的倾斜因子进行积分运算得到全息面上对应点的复振幅。然后通过编码获得三维场景的傅里叶全息图。依据菲涅耳衍射理论, 在计算机中对获得的全息图进行模拟再现, 在不同再现距离上获得处于不同深度位置上的两个骰子的清晰再现, 表明该方法可实现对三维场景的计算全息成像。

提出一种基于保留最佳主成分的主元分析法(PCA)和整数小波变换相结合的超光谱图像压缩新方法, PCA能够有效地消除超光谱图像的谱间相关性, 而整数小波变换在去除空间相关性方面具有长处。对超光谱图像的空间进行等份分割, 进行PCA和小波变换编码, 能够有效地减少运行时间, 通过建立压缩比与保留主成分(PC)个数之间的非线性关系模型, 快速求出任意压缩比下保留PC的最佳个数。通过对AVIRIS光谱成像仪和研制的超光谱成像仪的光谱图像压缩分析表明, 这种改进的主元分析和整数小波变换相结合的算法在压缩效果和运行速度方面有明显提高, 更易于硬件实现。

遥感图像通常含有丰富的边缘与纹理特征, 一般的整数小波变换只能较好地降低高频子带中水平与垂直边缘及纹理能量而非水平或垂直方向的边缘与纹理能量仍较高。针对该问题提出一种新的基于自适应方向提升整数小波变换(ADL-IWT)与部份偶数优先阈值(PEOT)的遥感图像压缩算法。该算法利用自适应方向提升整数小波削弱遥感图像高频子带中非水平或垂直方向的边缘与纹理能量。同时对部分编码量化阈值区间进一步优化, 提高编码算法在这些阈值区间上的重要系数搜索效率。基于ADL-IWT和PEOT的集合分裂嵌入块(SPECK)编码算法的实验结果表明, 新算法不仅支持单一码流下从有损到无损的遥感图像编码, 而且有损压缩峰值信噪比好于采用普通IWT的SPECK算法。

在太赫兹(THz)扫描成像中, 激光光斑的大小限制了成像的分辨率, 同时激光器功率波动噪声的存在严重影响了成像质量。基于马尔可夫随机场(MRF)的模拟退火算法(SA)应用了Bayesian推理准则, 考虑了模型的先验知识, 使得图像处理的可信度提高。将基于MRF模型的方法应用于仿真的THz扫描图像的噪声处理中, 仿真研究了高斯噪声、降温次数和内循环次数等参数对去噪效果的影响。实验中去噪效果通过图像的信噪比(SNR)和均方根误差(RMSE)评价, 测得了降温次数和内循环次数与信噪比和均方根误差的关系曲线。仿真实验结果表明, 利用MRF模型的方法能够较好地抑制高斯噪声, 并且图像的细节也能得到较好的保持。

图像拼接是大口径光学元件表面疵病检测的关键环节之一。通过分析各种图像拼接的方法, 结合大口径光学元件表面疵病检测的需要, 采用基于模板匹配的方法实现大口径光学元件表面疵病检测的图像拼接。实验证明, 块匹配的拼接方法能取得非常好的拼接效果, 为实现大口径光学元件表面疵病的高精度、高效率、自动化检测提供了一定的指导。

提出了一种利用太赫兹时域光谱系统进行快速检测的方法。该方法在光路中引入一个楔形块, 使宽光束的太赫兹平行光在一个维度上的延迟时间是连续变化的, 不同延迟时间的太赫兹波经过物体不同位置, 进而携带了该位置的信息。最终测量的太赫兹信号是物体不同位置信息的叠加。利用去卷积的方法, 把物体不同位置的信息从叠加后的信号中提取出来, 经处理后可实现无损检测的目的。实验中, 贴在不同高度铝箔条的位置信息被成功分辨, 一个11 mm的钉子被成功定位, 从而在实验上验证了所提出的免去逐点扫描而实现快速检测的方法。

报道了高重复频率大能量连续激光二极管(LD)侧面抽运Cr4+YAG被动调Q Nd:YAG激光器。把工作物质等效为厚透镜, 根据ABCD定律计算了平平腔、平凹腔、平凸腔中激光束的模参数, 通过对比基模体积, 选择了平凸腔结构。实验中获得了高重复频率大能量被动调Q激光, 并实现了TEM00模运转。当抽运功率为136.20 W时, 被动调Q激光单脉冲能量达到2.46 mJ, 峰值功率24.36 kW, 脉冲重复频率4.22 kHz, 脉冲宽度101 ns, 脉冲幅度抖动约为5%, 频率抖动约为5%, 光束远场发散角小于1.5 mrad, 光束质量M2因子约为1.3。

激光诱导等离子体光谱技术具有快速、实时、可在线分析多种物质元素等诸多优点,使其在土壤元素检测中显示出巨大的潜力和优越性。实验测定了土壤的激光诱导等离子光谱, 对光谱特性进行了分析。对土壤重金属元素激光诱导等离子光谱检测方法进行了研究, 得到了Cu,Zn,Cr,Ni,Pb和Cd等6种金属元素的定标曲线, 并分析了各元素的检测限。研究表明, 激光诱导等离子体光谱方法能够满足土壤重金属污染检测的灵敏度需要。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性, 获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱, 从而对待测气体进行定性或定量分析。油中溶解气体分析是评估变压器绝缘状态和分析变压器绝缘故障的重要依据, 针对监测故障气体CO2和C2H2的需要, 将TDLAS技术与多次反射怀特池技术、谐波检测技术以及光开关的时分复用技术相结合, 设计了一套同时在线监测CO2和C2H2气体浓度的系统。该系统具有精度高、选择性强、响应速度快和本质防爆等优点, 适用于电力变压器故障气体的在线检测。

应用光学理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统, 建立了衍射叠栅信号与对应位移的数学模型。在此基础上设计了基于激光叠栅信号的超精密平面定位系统, 该系统可实现高精度位置检测及全自动精密平面定位。针对精密定位系统存在非线性, 精确控制模型难以建立的缺陷, 将不基于模型的模糊神经网络控制理论应用于精密定位控制系统中, 构造了模糊推理反向传播(BP)神经网络控制模型。通过对光强及光强变化率的映射, 得到定位台的驱动信号。改造后的模糊控制系统具有知识自动获取功能, 能更好地适应工况环境。实验结果表明, 使用模糊神经网络控制, 控制响应快、稳定性好、稳健性强, 可有效提高定位精度及定位速度, 系统可获得±0.4 μm的定位精度。

激光自混合干涉测量系统具有结构简单、紧凑、易准直、造价低廉等优点, 能够取代传统干涉仪用于位移、距离、速度、振动等物理量的测量, 将其引入到微机电系统(MEMS)动态测试中, 能够发展成结构小巧、造价低廉的MEMS动态测试系统, 非常适于微机械快速振动及精确测量的要求。基于三镜腔模型, 讨论了激光自混合干涉动态测试原理; 构建了激光自混合干涉动态测试系统, 并对关键部件进行了详细分析; 对物体在不同运动形式下进行了实验研究。结果表明激光自混合干涉能够敏感物体的不同运动形式, 并支持MEMS动态测试系统。

光学测温技术是当前工业燃烧领域进行火焰监测和燃烧诊断的研究热点。提出了一种基于灰度反演的光学双色成像测温方法, 给出了测温系统的原理设计框图, 推导了基于灰度反演的测温算法。分析得出, 相比三基色测温法, 该测温方案消除了火焰的灰性假设和光谱响应带宽非理想性的影响, 克服了红绿蓝(RGB)三通道非线性输出和可见光处辐射所占能量份额少的弊端。研究表明, 该方法测温精度高, 较好地反映了炉内火焰的二维温度分布情况, 可为火焰监测和燃烧诊断提供指导, 具有广阔的应用前景。

在实践中发现, 用泽尼克多项式拟合干涉波面时, 不论采用哪一种算法都无法绝对避免求解拟合系数过程中可能出现的失败或测量结果的突变。通过严格证明求解拟合系数的两种典型算法(最小二乘法和Gram-Schimdt算法)的等价性, 论证了两种求解泽尼克多项式拟合系数的算法具有相同的解稳定性。通过一系列实验研究, 发现采用泽尼克多项式拟合干涉波面的光学检测系统测量确保可靠性的基本条件: 泽尼克多项式的阶应小于被测光瞳内干涉条纹的数量, 并从理论上加以证明。

空间激光通信中发射波面质量接近衍射极限, 测量波面是调整和检验发射系统的依据。传统的平板剪切干涉仪是测量波面的有效手段之一, 但应用在测量波面高度小于0.3个波长, 口径100～300 mm, 短相干长度的半导体激光器时存在一些限制。大口径横向双剪切激光干涉仪改进于马赫曾德尔结构, 可以实现这一功能。干涉仪主要由两块透射反射镜和四块反射镜组成, 其中一块反射镜结构上下分开, 形成一定的夹角, 通过干涉图上下条纹的差分求出波像差, 提高灵敏度。目前建成的仪器有效通光口径为290 mm, 等光程相干涉, 可适用于相干长度短的光源。仪器对可调谐激光器发射波面进行了测量, 通过计算机处理得到波面, 波面高度的峰谷值为1.0个波长。

复合材料的主要缺陷有分层和脱粘等。脉冲红外热成像技术作为一种新型的无损检测技术, 目前在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。研究了脉冲红外热成像技术对碳纤维复合材料的检测能力, 通过理论建立评价脉冲红外热成像检测分辨能力的依据, 并且在实验上利用碳纤维复合材料设计了不同深度、不同大小和不同相邻间距的脱粘模拟缺陷, 进行了脉冲红外热成像技术对碳纤维复合材料检测能力的实验研究。实验结果证明脉冲红外热成像技术对于蒙皮厚为1 mm和0.5 mm的预制缺陷均可检测, 通过检测结果分析了缺陷的大小、缺陷的深度和相邻缺陷的间距对检测能力的影响。为脉冲红外热成像检测碳纤维复合材料提供了一定的理论和实验参考。

基于光纤光栅偏振效应的磁场测量系统中, 偏振相关损耗受到光纤光栅结构的影响。以磁场测量的原理为基础, 分析光纤光栅透射谱与系统测量范围和灵敏度之间的关系, 光纤光栅透射谱的斜边带宽和斜率大小分别反映了磁场的测量范围和灵敏度。通过对均匀光栅、相移光栅和对数三角形等光栅结构磁场测量性能的仿真比较, 发现对数三角形光纤光栅具有较宽的偏振相关损耗峰值带宽, 能够有效提高测量系统的实时性。利用重构等效啁啾技术设计制作对数三角形光纤光栅进行实验分析, 实验结果与理论仿真基本吻合, 为测量系统中光纤光栅的选择提供了参考。

红外热波无损检测中热激励方式是影响缺陷检测可靠性的主要因素之一。以玻璃纤维增强复合材料缺陷检测为研究对象, 建立纤维增强复合材料热激励方式的选取原则。选取带预埋缺陷的玻璃纤维增强层压板, 采用脉冲闪光灯、沸水水浴、烤箱恒温加热和脉冲超声四种热激励方式, 进行热波检测, 获取并处理试件表面的热激励响应信号红外辐射值。从热图的信噪比、红外辐射值变化曲线和缺陷可检测度三个方面对比分析, 综合考查了四种热激励方式对检测结果的影响, 提出了纤维增强复合材料的热激励源的选取原则。为提高检测可靠性, 热激励源的选取应遵循这一原则。

提出了利用水力空化效应抑制微通道流动沸腾不稳定性的方法并进行了实验验证。实验研究结果表明, 在微通道入口设置了空化结构后, 在加热量较大的变动范围内可以保持稳定的流动沸腾。基于这一研究结果, 开发了一种采用水力空化效应的单bar条微通道相变热沉, 并对单bar条微通道相变热沉进行了热工参数、电光参数以及最大散热能力测试。测试结果表明当输出光功率达到70 W左右时, 光电效率达到最大值, 且其最大散热能力超过了100 W(发热热流密度870 W/cm2)。

介绍了辐射源尺寸效应(SSE)的定义、测量方法和原理及精密辐射温度计的测温原理。通过直接法和间接法测量标准辐射温度计RT9032和德国KE公司的LP4型辐射温度计的辐射源尺寸效应, 分析了两种测量辐射源尺寸效应方法的差异, 讨论了产生差异的主要原因。这些原因包括由光阑内壁和边缘反射进入黑孔的反射光, 黑孔吸收造成的亮信号的幅度降低和其他杂散光影响因素等。而对于直接法测量SSE不确定度较大的问题, 需要采用均匀性、稳定性非常好的光源, 并且通过检测信号来修正漂移。

介绍了一种有限距离上大气相干长度测量系统的原理和方法, 给出了在长沙实验测量的初步测量结果。分析了大气相干长度对目标序列图像中“幸运图像”概率的影响。实验得到的数据和近地湍流强弱情况相符, 大气相干长度的变化显著影响了获得“幸运图像”的概率, 证明该种测量方法对幸运成像参数的选取具有一定的参考价值。

为了得到白光干涉颜色与样品厚度等物理量的对应关系, 研究了给定光程差条件下干涉色的标准计算机表示方法。基于CIE 1931 XYZ色度系统, 由已知的标准照明体相对光谱功率分布, 计算了迈克耳孙干涉仪白光干涉场中每一点的XYZ值, 处理了将其转换为红绿蓝(RGB)系统时出现的负值问题, 实现了颜色的连续性显示。给出了理想波面的白光等厚、等倾干涉图, 并采用真实干涉波面以及实际光源得到了仿真白光干涉图。该方法可以在已知光源光谱功率分布的情况下, 方便迅速地得到干涉场的干涉色分布, 从而为解决玻璃应力测量、薄膜厚度测量等问题提供了依据。

光学支撑镜架结构稳定性是影响光束定位精度的重要因素。基于光学法进行了镜架结构稳定性测量技术研究, 编写了光学稳定性测试软件,开展了对不同透镜和反射镜镜架结构稳定性测量。实验得到了镜架调节及调节后长时间的漂移量及漂移规律, 比较了不同种类和不同调节量情况下镜架的稳定性。实验建立的稳定性测试系统测量精度达到3.13 μm, 且使用方便, 为光学镜架稳定性提供了快速的检测手段, 并为高功率准分子激光系统镜架选型提供重要参考。

提出了一种基于光电视觉技术, 运用VC++及Matlab等工具的机器人末端的姿态测量方法。通过机器人单目或双目立体视觉技术, 获得机器人作业路径图像, 根据摄像机成像原理, 建立相机及图像的标定方法。详细描述了由光电视觉技术得到空间点的位置坐标, 确定其空间曲面法向向量及机器人末端姿态。针对机器人离线编程技术中, 离线规划时实现实际作业对象与机器人末端的特殊姿态要求, 达到理想的加工要求及效果。

三维激光扫描技术是近十年迅速发展起来的新型遥感技术, 它随着激光测距技术的出现应运而生。与传统的三维数据获取技术相比, 三维激光扫描技术具有的最大优势是它的非接触式测量和面数据的快速获取。将三维激光扫描技术应用在粮食清仓查库中, 目的是为了快速获得粮食表面的信息, 据此计算粮食体积。研究了粮仓内粮食体积的计算原理, 并分别以北京青云店粮库和中储粮涿州粮食储备库为例, 重点阐述三维激光扫描技术在清仓查库中的应用方法, 包括实地测量、后续数据处理和体积计算等。实验结果表明, 用三维激光扫描技术测量粮食体积, 速度快, 精度高, 有较强的实用性。

以硫酸、草酸溶液为电解液,采用二次阳极氧化法制备了高度有序的多孔氧化铝膜。采用X射线衍射测定了铝箔退火前后的晶体结构, 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM)对多孔氧化铝膜形貌进行了表征。成功制备出孔径分布为20～100 nm, 孔间距在50～150 nm, 孔深在0.2～70 μm, 孔密度在109～1012 /cm2范围内可调控的有序多孔氧化铝膜。讨论了多孔氧化铝膜的形成过程及机理, 分析了铝箔预处理、氧化电压、电解液种类、浓度对多孔氧化铝膜结构的影响。

As掺杂HgCdTe薄膜材料在研制高工作温度(HOT)红外探测器方面有着特殊的用途, 能够有效抑制高温下产生的复合电流。富Te液相外延中As的分凝系数非常低, 故掺杂原子数分数也很低, 约为1015 cm-3。虽然, 富Te液相外延下生长的As无法占据Te位成为AsTe受主, 但是, 通过富Hg高温热处理, 这些As原子能够激活成为AsTe受主。通过富Te液相外延(LPE)技术, 制备了As掺杂HgCdTe薄膜材料, 通过后期富Hg高温热退火(400 ℃), 成功获得低掺杂原子数分数P型As掺杂HgCdTe薄膜材料。通过二次离子质谱(SIMS)确定掺杂原子数分数。利用变温霍尔测试(10～300 K)测量了材料的霍尔效应及相应电阻率, 获得了As掺杂HgCdTe薄膜材料的基本电学性质。

针对光子晶体研究领域的重点、难点问题, 分析了单色电磁波在周期性电介质中传播的偏微分方程和激光全息记录法实现光子晶体模板的理论基础。借助全息光栅理论, 设计了三维光子晶体的晶格结构, 用双光束三次曝光法制作了红光632.8 nm的三维面心立方光子晶体模板, 探讨了影响光子晶体模板成品质量的对比度、旋转精度控制、折射率改变等问题的解决思路。在制作过程中使用双光束三次曝光法, 排除了对记录光束偏振方向的调整, 达到了在制作大面积光子晶体模板中简化系统光路, 稳定系统性能的目的。

利用50 MHz和1 MHz的重复频率光子晶体光纤飞秒激光分别在45#钢表面产生了微浮雕结构。实验发现微浮雕结构的高度和宽度与入射激光功率、激光扫描速度以及脉冲重复频率有关。通过调整这些参数, 可以实现对微浮雕形态结构的精确控制。对微浮雕结构的产生机制进行了初步分析, 发现微浮雕结构的产生与高重复频率飞秒激光的热积累效应有关。热积累导致了45#钢的表面熔化, 在液体表面张力和温度梯度力共同作用下, 产生了微浮雕结构。

以氧化铝陶瓷为研究对象介绍了CO2激光热应力切割脆性材料的机理。采用Ansys的APDL编程语言, 建立三维对称的氧化铝陶瓷基片热应力切割有限元仿真模型, 研究了切割过程中的温度场和热应力场的分布, 实现裂纹尖端的扩展速度的动态仿真。研究发现激光切割路径上节点的正应力σy经历“无应力拉应力压应力拉应力无应力”的变化过程, 直至裂纹扩展; 激光功率与温度场最高温度成正比, 功率增大情况下断裂时产生的拉应力σy加大, 裂纹萌生早, 且断裂表面的微裂纹加大。最后, 采用对比实验验证了分析结果。

通常激光器通过谐振腔菲涅耳数选取横模, 但zig-zag板条激光器的特殊结构决定无法仅通过调整谐振腔的腔长同时选取厚度方向和宽度方向的横模。采用一维渐变反射率输出耦合镜, 实现zig-zag板条激光器厚度方向的稳定腔和宽度方向的非稳定腔, 可以达到两个方向上同时选取低阶横模的要求。计算厚度方向和宽度方向的稳定/非稳定腔各阶横模的衍射损耗, 得出其选模效果与宽度方向采用一维渐变反射率输出耦合镜的计算结果进行比较, 得出采用一维渐变反射率输出耦合镜的稳定/非稳定腔能够同时实现厚度方向和宽度方向的选模; 理论分析结果已经得到实验的初步验证。

对于激光焊接的工艺研究虽然不少, 但因影响激光器焊接质量的因素较多, 对工艺参数的优化一直缺乏有效的获取手段。田口方法作为一种优秀的统计设计方法而应用于优化激光焊接参数。针对常用304不锈钢进行激光焊接, 基于田口方法设计实验, 对试验结果进行了信噪比分析及方差分析, 研究了Nd:YAG脉冲激光焊接工艺参数对焊缝宽度及抗拉强度的影响。建立了能预测焊接质量(焊缝宽度和抗拉强度)优化工艺参数的数学模型。结果表明, 脉宽和电压对焊缝宽度起主要影响, 频率和速度影响较小, 速度和脉宽对抗拉强度起主要影响, 建立的模型能够较好地预测实验结果。

逆向工程模型重建过程中在曲面和实体转换时常会出现曲面缝隙过大难以缝合成实体的情况, 而且不同的造型软件系统精度不同, 经常存在转换失败的现象, 因此, 在某些应用上用网格化模型代替实体模型能简化造型过程, 获得较高的效率。获取高质量的三角网格模型是逆向重建的关键。但是目前空间点云数据得到的网格化模型的形状无法控制,细节特征表现也不足,不能很好地指导机器人加工, 故在基于体算法的基础上提出了法矢量过滤法。实验证明,改进后的算法极大地提高了空间点云网格化的精度, 能保证最终生成的三角网格与原型的拓扑结构一致,并能很好地用于激光再制造中指导机器人的加工。

应用激光冲击强化处理技术, 对不同状态下Fe40NiCrSiAl合金材料进行了强化处理, 并对其硬度、弹性模量、摩擦系数和磨损特征进行了测试和分析。实验结果表明, 激光冲击处理轧制态Fe40NiCrSiAl合金, 其硬度提高了25.22%, 弹性模量提高了7.17%, 摩擦系数降低了13%, 以剥落磨损为主; 激光冲击处理轧制态Fe40NiCrSiAl合金后再进行退火处理, 其硬度下降了7.59%, 弹性模量下降了6.25%, 摩擦系数降低了13%, 以磨粒磨损为主; 轧制态材料经纯退火处理后, 硬度降低了21.65%, 弹性模量下降了28.58%, 摩擦系数基本不变, 以磨粒磨损为主。

主动锁模激光器对激光腔长的稳定性要求很高, 百微米的腔长变化可造成锁模失谐, 严重影响锁模输出稳定性。采用传统的机械或压电陶瓷直接移动腔镜调整腔长的方法, 易造成腔镜失谐, 工作量非常大。研制了一种新型精密腔长补偿器, 结构简单、方便实用, 腔长调节精度会大幅提高, 且不易造成腔镜失谐, 对皮秒激光脉宽的展宽影响可以忽略。此外, 对新型精密腔长补偿器的工作原理、补偿精度和腔镜失谐的影响等进行了理论分析和数值计算; 将其应用于高峰值功率主动主动瞬态脉冲锁模激光系统, 经长时间的应用, 发现其稳定可靠, 具有一定的应用价值。

通过合理设计谐振腔参数, 并采用内置扩束透镜组, 获得了一种小体积高效率、液冷和电光调Q激光器。激光器电光转换效率为1.4%, 输出单脉冲能量大于100 mJ。激光器腔长250 mm, 输出脉冲宽度为10～15 ns, 激光器5 Hz工作时激光远场束散角为1.6 mrad, 20 Hz为1.8 mrad,光斑直径为5 mm, 能量稳定度小于5%。

报道了一种小型化、高效率无水冷无风冷1574 nm人眼安全光学参量振荡(OPO)激光器, 整机尺寸为30 mm×125 mm。研制了椭圆灯抽运椭圆聚光腔, 并设计了旋转对称式无水冷无风冷散热结构, 实现对激光晶体和OPO晶体的均匀传导冷却。采用灯抽运Cr4+YAG被动调Q Nd:YAG激光器抽运KTP-OPO系统, 每次工作可持续输出10次, 间隔30 s, 在重复频率10 Hz时, 可输出21 mJ的1574 nm人眼安全激光, 脉宽约为7 ns, 光束发散角小于6 mrad, 其中1064～1574 nm的光光转换效率约为30%, 能量稳定性优于5%。

应力是导致固体激光器输出功率、光束质量下降的原因之一, 修正了前人研究中的材料参数, 并在平面应变近似下分析了安装应力对板条激光器的影响。结果表明, 过大的安装应力会导致板条放大器出现较大的退偏损耗, 尤其是切应力导致的退偏损耗无法通过控制晶体的切割角来实现。因此, 在板条放大器的安装过程中一定要尽量做到无应力安装, 尤其要防止切应力的产生。

对激光二极管(LD)抽运无机液体体系在流动状态下进行了激光实验研究, 初步实现了流动状态下较长时间和较高重复频率的激光脉冲输出, 最大单脉冲能量为5 mJ, 最高抽运频率为400 Hz。根据实验参数数值计算了激光脉冲能量, 初步分析了抽运频率、流场特性和环境湿度对激光输出性能的影响, 为进一步开展无机液体流动激光实验积累了经验。实验结果表明, LD抽运的无机液体体系在流动时能有效地避免热沉积, 可以获得较长时间和较高频率的激光脉冲输出, 而流场特性和环境湿度对激光输出具有十分重要的影响, 需要优化设计流道和控制环境湿度。

简述了2 μm波段激光器潜在的应用前景。报道了采用793 nm激光二极管(LD)端面抽运TmYAP激光器, 实现室温下小型化的1.99 μm激光的高效输出。在抽运功率为4.5 W时, 获得功率为933 mW, 中心波长为1.99 μm的激光输出, 光光转换效率为27%, 斜率效率为37%。实验分析了影响激光输出的因素如输出镜曲率半径、耦合输出率和腔长等。

激光二极管(LD)抽运Nd:YAG激光器在精密加工领域得到了广泛的应用。介绍了一种结构简单的用于Al2O3陶瓷片微细钻孔的LD侧面抽运Nd:YAG声光调Q激光器。通过优化谐振腔型提高了光束质量, 在用于Al2O3陶瓷片表面加工微细孔时有效减小了孔的锥度。分析了谐振腔的设计思路, 给出了谐振腔的具体结构。实验表明激光器在10 kHz重复频率时, 基模输出平均功率超过20 W, 脉冲宽度约为200 ns, 双方向光束质量M2因子值均小于1.5。

报道了一台采用高功率连续激光二极管阵列(LDA)侧面抽运Nd:YAP晶体, 通过腔内LBO晶体的I类临界相位匹配倍频获得670.7 nm波长输出的全固态红光激光器。实验中抽运源采用离轴交错式抽运, 这种抽运结构可以使晶体内的增益场与谐振腔基模实现良好的匹配, 易于得到较好的光束质量和大功率的激光输出。谐振腔采用短三镜折叠腔结构, 通过对激光晶体热透镜焦距的测量, 利用高斯光束ABCD传输矩阵理论优化设计了谐振腔各参量。当激光二极管(LD)注入功率为800 W时, 获得8.3 W的连续波670.7 nm红光输出, 水平和垂直方向的光束质量M2因子约为5.6, 30 min内的输出功率稳定性优于3%。实验结果表明, 采用这种抽运及腔型结构是获取高功率红色激光输出的有效方法。

汤姆逊散射(Thomson Scattering)对所研究的等离子体几乎没有干扰, 是诊断托卡马克等离子体电子温度和密度的重要工具。由于散射截面非常小, 最好采用90°散射方法, 使用输出线偏振光的高峰值功率调Q激光器作为光源以获得较强的散射信号和较高的信噪比。介绍了激光汤姆逊散射测量等离子体电子温度和电子密度的实验原理和方法, 磁约束聚变实验装置HL-2A上Nd:YAG激光汤姆逊散射诊断系统的主要组成部分, 以及该系统在有电子回旋共振加热(ECRH)条件下的等离子体电子绝对温度和相对密度的测量结果。

以水为工质, 在维持热流密度及进口水温不变的条件下, 分别对3个实心锥形喷嘴进行“无沸腾”喷雾冷却温度均匀性实验, 研究了喷嘴几何特性、喷射高度、喷嘴进口压力对换热表面温度均匀性的影响。结果表明, 换热表面温度标准差S(T)受喷嘴喷射口径、喷射高度、进口压力影响, 而喷嘴锥角对其没有明显影响。

提出了一种包含两个半导体光放大器 (SOA) 和一个光纤马赫曾德尔干涉仪(MZI)的L波段可调谐多波长锁模光纤环形激光器。其中一个SOA的增益被外部信号光调制充当激光器的主动损耗调制器, 另外一个SOA未被外部信号光调制提供腔增益, 光纤MZI作为可调谐梳状滤波器使用。利用该激光器可同时产生12个信道且每个信道重复频率为10 Gb/s的锁模脉冲, 脉冲宽度大约为30 ps。通过调节光纤MZI的温度可以连续地调谐激光器的输出波长, 并且通过调节SOA的电流, 还可以实现在较大波长范围内的激射波长自由调谐。输出功率相当稳定, 归功于对MZI的温度精密控制和紧凑的环腔结构。

介绍了半导体激光器外部散热设计的数值模拟方法计算流体力学(CFD)方法。对于流体固体耦合传热问题, 建立对流导热耦合传热模型和质量守恒、能量守恒、动量守恒以及k-ε方程联合控制方程组, 按照给定的边界条件, 利用数值方法进行迭代计算, 求解出高精度的数值结果。对一只最大热功耗15 W的半导体激光器的外部散热设计铝合金片状翅片热沉加轴流风扇强制风冷方案, 用CFD方法进行模拟仿真, 数值计算结果表明设计方案可以较好地满足总体热设计要求。

构建了内腔主动光学(ICAO)系统的工作流程模型, 并通过数值模拟验证了在高功率固体激光器中使用ICAO进行波前校正的可行性。利用一个具有严重热致像差的千瓦级热容激光器, 说明ICAO系统对该激光器的输出性能有本质性提升, 由此验证了ICAO布局和控制算法的可行性。物理上ICAO系统与腔内其他物理现象存在复杂的耦合, 数值模拟表明这种耦合使得系统对大的误差比较敏感, 因此要求在所需求补偿的像差阶数、波前传感器子孔径数目和变形镜单元数之间有恰当的匹配关系。

强光照射到探测器的表面会使探测器产生饱和, 饱和面积与入射光功率、饱和阈值之间存在着确定的关系。光波受到光学系统光瞳的限制, 远场光斑的能量分布由艾里函数描述。通过对艾里函数包络的研究, 得到了饱和面积公式, 发现在强光照射下, 探测器表面的饱和面积正比于入射光功率的2/3次方, 反比于饱和阈值的2/3次方。在CCD探测器强光照射实验中, 对上述2/3次方律进行了验证。研究结果对于光强探测器饱和预测、激光致盲效果评估都有一定的实际意义。

利用X射线检测制导光纤在缠绕过程中产生的各种缺陷。通过对传统X射线仪拍摄图像的分析以及对点X射线扫描检测的模拟, 从理论上分析了X射线扫描检测光纤缠绕缺陷的可行性, 并进一步提出通过二维扫描对缺陷进行定位, 同时考虑了适当的匝间间隙对检测结果的影响, 并最终给出了相关的部分实验结果, 对实验中出现的相关问题进行了分析研究。