为了解决激光二极管抽运波长随温度漂移导致激光器输出能量下降的问题, 采用激光二极管抽运源波长匹配及凹凸稳定谐振腔技术实现免温控, 并进行了理论分析和实验验证。该激光器腔长210mm, 电光转换效率5.7%; 输出单脉冲能量大于60mJ, 在10℃～30℃范围内, 能量稳定度优于5%; 激光器输出光斑直径4mm、脉冲宽度8ns、激光器10Hz工作时, 激光远场束散角为1.1mrad。结果表明, 实验与理论分析计算结果符合, 该激光二极管侧面抽运免温控激光器可在一定温度范围内保持稳定的能量输出。该理论分析与方案对研究免温控激光器具有重要意义。

为了降低激光多普勒测速信号中的噪声, 采用在仿真激光多普勒测速信号中加入高斯白噪的方法, 通过小波分层后高频系数置零法和小波阈值去噪法2种方法进行仿真去噪, 进行了仿真分析及实验验证。结果表明, 小波分层后高频系数置零法能够提高信噪比获得图形光滑的信号, 达到较理想的去噪效果。这一结果对提高在激光多普勒测速系统信号检测应用中的准确性是有帮助的。

为了降低激光多普勒测振仪在测声过程中给语音信号中引入的噪声, 采用深度循环神经网络语音信号去噪的方法, 对从激光多普勒测声系统采集回来的语音信号做降噪处理, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 利用层数为1层~3层、每层神经元个数为1024的深度循环神经网络, 对-6dB~6dB信噪比的语音信号进行处理, 随着层数的增加, 语音信号的质量在多项评价指标上达到8dB~12dB的提升; 深度循环神经网络可以有效对激光多普勒测声系统采集的语音信号进行降噪处理。该研究对提升语音信号的质量有着实际意义。

为了实现波长可调谐被动锁模掺铥光纤激光器, 提出了基于激光腔随机双折射效应通过调节激光偏振态来改变被动锁模掺铥光纤激光器的工作波长的方法, 并进行了原理分析和实验验证。结果表明, 调节偏振控制器可实现在2010nm, 2019nm, 2024nm, 2050nm等多个中心波长处的锁模脉冲输出, 同时在单个中心波长附近, 还可以精密调谐。这种可调谐锁模激光器结构简单、可调谐性好, 对光通信、超快光学、医学、遥感技术和雷达等应用中光源的选择有一定的参考价值。

为了解决热传导散热激光器抽运和散热不均匀导致光束质量下降的问题, 采用一种对称抽运和对称散热的激光抽运构型, 结合激光棒端面直接镀膜技术, 设计了一种小型化热传导激光器, 并进行了试验验证。结果表明, 激光器在5Hz重复频率下输出大于100mJ的能量, 脉冲宽度为9.18ns, 能量稳定度优于8%; 且通过了高低温、振动试验, 性能稳定。这种对称抽运热传导激光器具有结构简单、输出能量高和光束质量好的优点, 特别适合用于小型化机载激光测距领域。

为了解决传统最大2维熵分割算法计算量大、耗时较多等缺陷, 提出一种基于改进遗传算法的最大2维熵图像分割法。通过对遗传算法变异操作方式进行改进, 提高遗传算法寻找最大2维熵分割阈值的速度, 加速分割算法对图像的分割, 并进行了仿真实验验证。结果表明, 改进模型的运行时间被压缩到了0.95s, 远远低于传统的最大2维熵分割法。改进的分割方法实现了分割效率的提高, 同时也保证了图像的分割精度。

为了解决激光切割视觉识别系统对大幅面多目标图像识别实时性差、对带有偏角的目标识别率低甚至出现无法识别等问题, 采用小生境遗传算法, 对大幅面多目标匹配识别算法进行了理论分析和实验验证。结果表明,无论目标有无旋转, 该算法都能达到100%识别, 算法运算时间比传统算法快5倍~10倍。该算法在识别带有旋转角度的多目标时, 具有很好的实用性。

为了给激光发射天线的设计优化提供一种可视化自动设计手段, 采用MATLAB仿真技术构建了一种基于倒置望远镜系统结构的激光发射天线仿真平台,进行了激光发射天线的理论分析和仿真实验验证。通过灵活设置激光谐振腔关键结构参量以及倒置望远镜系统透镜组合方式, 实现了发射天线发射前后的激光2维光强分布、激光3维光强分布、激光光束3维结构以及变换后激光束腰与透镜组合离焦量的关系曲线的仿真。结果表明, 波长550nm的激光变换后束腰半径从0.073mm变为12.202mm, 发散角从0.275°变为0.00164°, 成功压缩了激光发散角; 此平台进行的仿真过程形象直观, 可根据需要自动优化设计出最优的激光发射天线结构。该仿真平台的构建为激光发射天线的可视化自动设计提供了全新的方法。

为了消除紫外光通信过程中强烈散射所引起的码间干扰, 采用一种带信道估计的最小均方误差-最大似然估计（LMS-MLE）延迟判决均衡算法进行了理论分析和仿真验证。通过选取合适的判决延迟深度来调整LMS自适应滤波器抽头系数进行信道跟踪, 获取新的信道估计向量, 最后利用MLE均衡算法得到最优序列输出。结果表明,该算法可以明显提升紫外光通信系统的性能, 在没有提高复杂度的情况下, 性能接近最优MLE均衡算法, 并且可以实现信道跟踪,紫外光通信中算法的最佳延迟量取值为20。这一结果对紫外光通信性能提升以及MLE均衡器的工程实现是有帮助的。

为了解决便携式激光通信视场角测量范围小、要求精度高、测量难度大的问题,采用计算指定通信距离下的链路能量作为视场角测量依据, 提出了一种基于便携式激光通信视场角测量的方法和装置, 并在此方案设计的高精度测量装置基础上进行了实际试验测量。结果表明, 探测器灵敏度为-30dBm时, 在1km,2km,3km,4km处测得的激光通信接收视场角分别为1.12mrad,0.94mrad,0.87mrad和0.63mrad。该测试方法和装置能够精确测量便携式激光通信的视场角范围, 测试装置可以扩展应用于不同领域的小视场高精度测量。

为了研究磁场对激光焊接的影响, 采用在焊件上方放置自制的悬挂式永磁体电磁搅拌装置提供横向旋转磁场的方法, 对纯镍Ni201薄板进行了CO2激光堆焊试验。焊后采用金相显微镜和扫描电子显微镜进行观测与分析, 并利用电化学工作站对焊接接头进行了电化学腐蚀试验。结果表明,在不同磁场强度下, 焊件均能完全焊透, 焊缝成形良好, 焊缝内部均为粗大的奥氏体柱状晶晶粒组成; 磁场强度对激光焊接接头的宏观形貌影响不大; 且随着磁场强度的增加, 纯镍Ni201激光焊接接头的凝固组织逐渐细化, 焊缝耐腐蚀性能逐渐提高; 外加横向旋转磁场通过电磁搅拌作用促进熔池的传热和传质, 增加过冷度, 提高形核率, 使晶粒细化, 提高焊缝的耐腐蚀性能。该研究为旋转磁场辅助激光焊接技术的工业应用提供了参考数据与技术支持。

为了证实以近红外漫透射光谱技术结合化学计量学方法能有效实现西红柿成熟度的检测, 采用美国海洋光学公司的QE65000光谱仪取得了西红柿的漫透射光谱数据, 采用日本柯尼卡美能达CR-10反射式色差计取得了亮度、红绿色相、黄蓝色相和总色差颜色数据;通过标准数学建模方法建立了颜色模型, 并通过偏最小二乘回归校正算法建立了近红外光谱模型。结果表明, 两组模型都是以红绿色相指标建模时效果最佳, 在99个未知样品数据中, 预测模型的颜色模型误判情况分别为未成熟0%、半成熟33.33%、成熟0%; 而近红外预测模型的误判情况分别为未成熟32.14%、半成熟50%、成熟0%。该研究验证了近红外光谱技术对西红柿成熟度进行无损检测的可行性, 这对实现西红柿的快速、批量分选具有一定的实际意义。

集成电路光刻作为传统光刻技术的典型代表, 支撑着集成电路芯片的快速发展。新一代光刻技术具有工艺多样化、光刻精度高、光刻效率高的优点, 在研发新型光电子器件、实现3维微纳结构、构建有序纳米孔通道等方面有很大的潜力。回顾了近些年来涌现的多种新型光刻技术, 分析了各自的特征及在新型纳米电子、光子器件、能源、传感等领域中的应用。对未来光刻技术的发展方向进行了展望。

为了探究激光焊接真空平板玻璃封接层气孔的产生机理, 利用扫描电镜、自带能谱仪、X射线衍射仪和金相显微镜等手段, 进行了真空平板玻璃激光侧边封接试验, 研究了激光功率和焊接速率对封接层气孔的影响, 分析气孔产生的原因。结果表明,真空平板玻璃封接层出现了数量较多、大小不一、相互不连通的孤立气孔, 位于颗粒的交界处, 主要是由焊料颗粒间的残余空气引起的;在焊接速率为2mm/s和离焦量为-2mm的条件下, 过低或过高的激光功率都不利于减少封接层的气孔缺陷, 激光功率为80W（能量密度为80J/mm2）时, 封接层组织形貌好, 封接层封接质量佳;在激光功率为80W和离焦量为-2mm的条件下, 较低的焊接速率将有利于减少封接层的气孔缺陷, 焊接速率为1mm/s（能量密度为160J/mm2）时, 封接层组织形貌好, 封接层封接质量佳。此研究可为真空平板玻璃的激光封接制造提供理论依据。

为了设计新型的加速度传感器, 将共振光隧穿结构应用于传感元件, 利用COMSOL软件对传感器的频率响应、灵敏度性能等关键要素进行了模拟仿真分析, 搭建了实验平台, 验证了共振光隧穿原理。结果表明, 基于共振光隧穿效应结构的加速传感器在100Hz~3000Hz范围内、加速度为500m/s2的情况下, 灵敏度可达到6.7dB/g。该传感器小巧轻便、结构简单, 且具有较高的灵敏度, 这为光学传感器的研究提供了新的方法和思路, 具有广阔的应用前景。

为了获得双空气孔单元四边形晶格排列光子晶体光纤的光学特性, 采用有限元分析法对该型光纤进行了数值模拟计算, 得到了该型光纤的双折射、限制损耗、偏振拍长及色散特性结果。结果表明, 与椭圆空气孔方形晶格排列光子晶体光纤相比, 在相同的空气占空比条件下, 双空气孔单元方形晶格排列光子晶体光纤可以获得更高的双折射特性, 达到10-2量级; 该型光纤两偏振模的限制损耗差可达103量级。该型光纤易于制造, 在光纤通信及光纤传感等领域有一定的应用前景。

为了增强高次谐波光谱及阿秒脉冲的强度, 采用数值求解薛定谔方程的方法, 理论研究了H+2在抽运探测激光驱动下高次谐波辐射特点。结果表明, 在抽运激光驱动下, H+2首先被激发到多光子共振电离区间, 进而增大电离几率; 随后在探测激光驱动下, 谐波辐射强度得到增强; 当采用不对称非均匀激光场时, 谐波截止频率可以进一步延伸, 并且谐波平台区只由单一谐波辐射能量峰贡献; 最后通过叠加傅里叶变换后的谐波可获得脉宽在32as的脉冲。该研究对单个阿秒脉冲的产生是有帮助的。

为了提高发光二极管（LED）的光提取效率, 并比较不同光栅形状对LED光提取效率的影响, 采用严格耦合波法优化了与矩形、等腰三角形、等腰梯形光栅分别集成的倒装LED, 使它们出光面透射率达到最优, 随后使用有限时域差分法模拟计算它们的光提取效率。经过模拟计算和理论分析可得3种不同结构LED最优光栅参量（光栅占空比f、光栅周期p、光栅厚度h）和过渡层厚度d分别是: f=0.35,p=150nm,h=80nm,d=190nm;f=0.45,p=175nm,h=80nm,d=190nm; f=0.7,p=150nm,h=80nm,d=190nm。结果表明, 3种最优的LED结构在波长0.4μm～0.5μm范围内, 矩形光栅倒装LED和等腰三角形光栅倒装LED出光面透射率相同, 等腰梯形光栅倒装LED出光面透射率最低;由于光透射率最低, 导致等腰梯形光栅倒装LED光提取效率较低, 最高仅为58.07%, 但是由于等腰三角形光栅倒装LED特殊的光栅形状加上高的光透射率, 其光提取效率可以达到77.75%。此研究可以为制备高光提取效率LED提供理论方法指导。

为了实现食盐中重金属镉（Cd）的快速定量检测, 以193nm的自制准分子激光器作为激发光源, 通过外部添加重金属元素Cd制作了8组食盐样品, 采用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术, 选取Cd Ⅰ228.8nm特征谱线作为分析线, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 延迟时间为1.5μs时, 能够获得较好的光谱强度和信背比; 谱线强度与Cd的质量分数具有很好的线性关系, 拟合度为0.984, 预测相对误差小于7%, 检测限为0.65mg/kg。LIBS检测技术不仅具有快捷方便、无需繁琐样品准备等优点, 而且具有较高的检测精度, 是一种在食品安全快速检测领域中非常新颖的、有潜力的检测技术。

为了对激光雷达探测回波信号去噪进行研究, 基于小波阈值法分析了激光雷达发射和探测回波信号, 创建了基于MATLAB仿真平台的模型,研究了阈值法中选择各参量的策略, 结合激光雷达信号和噪声特性, 选取了去噪处理中的最佳参量, 并进行了4种阈值策略的仿真实验, 实现了对探测回波信号中目标信号的有效提取和去噪。结果表明, 对于低信噪比信号, 同一基函数分解层越高去噪效果越好, 在分解层数j为4~5时去噪效果最好; 对于高信噪比信号, 同一基函数分解层越低去噪效果越好, 在j=3时去噪效果最好, 并且信号db9基函数去噪效果好于db2基函数去噪效果。此研究获得了较为理想的去噪结果。

随着相位敏感光时域反射计（-OTDR）技术的发展与应用, 传统的幅度解调方法已经很难满足人们对高质量传感的需求, 而相位解调方法凭借其对相位信息解调的高灵敏性和高精确度的优势, 近年来引起了国内外的广泛关注。综述了-OTDR系统中相位解调方法的研究进展, 介绍了相位生成载波解调法、基于3×3耦合器的解调法和数字相干IQ解调法3种-OTDR系统中的相位解调方法, 并简单分析了这几种方法的优缺点。对未来基于-OTDR的传感系统中解调方法的优化及新方法的提出具有重要的意义。

为了斩断调Q脉冲拖尾, 提高激光器电光效率, 提出了一种在机械调Q射频激励波导CO2激光器中采用同步调制的激励方式。实验研究了同步调制信号对调Q脉冲拖尾长度、脉冲宽度、峰值功率和电光效率的影响。结果表明, 当同步调制信号截断时刻为-80μs时, 调制调Q脉冲拖尾长度最短, 为23μs; 当同步调制信号无激励时长为800μs时, 电光效率最高且为3%。采用同步调制的激励方式可以在有效斩断脉冲拖尾的同时保持脉冲宽度基本不变, 提高了激光器的峰值功率和电光效率。

为了克服传统任意波形生成方法中电子瓶颈问题, 分析了基于微波光子学的射频任意波形的技术类型、特点和应用背景, 采用一种基于并联马赫-曾德尔调制器的倍频三角波生成方法, 引入均方根误差对输出信号和理想波形来评价, 并进行了理论分析和仿真验证。结果表明, 通过10GHz驱动信号生成了20GHz的三角波信号, 均方根误差为0.038, 即输出信号与理想信号吻合度较高;与其它方法相比, 该方法可生成倍频三角波, 信号波形与理论波形吻合度良好。该研究对未来基于微波光子学的射频任意波生成有指导意义。

为了减少由于橡胶促进剂2-巯基苯并噻唑（MBT）掺假而导致橡胶制品质量不过关的问题, 提出利用太赫兹时域光谱技术对MBT的有效含量进行定量研究。利用太赫兹透射测量得到MBT和聚乙烯混合物在0.3THz~1.4THz的吸收特征谱, 提出了一种基于最小二乘支持向量回归（LS-SVR）的MBT定量检测模型, 将LS-SVR模型分别与偏最小二乘模型和支持向量机回归模型进行比较, 得到模型预测集均方根误差分别为1.1330%, 2.5583%和2.3869%。结果表明, LS-SVR的定量模型可取得更好的效果, 其精度更高, 稳定性更好。本研究为MBT定量检测提供了新的快速且有效的方法。

为了获取T800/QY9511复合材料的工程常数, 利用有限元软件ABAQUS, 通过将激光线源等效为力源, 模拟了脉冲激光作用于材料表面、激发在材料内部传播的超声波的过程, 并在激励点对心处提取波形, 得到了5个体波波速, 进而根据克里斯托菲尔弹性理论计算了工程常数。结果表明, 与真实值相比, 弹性模量数值解的平均误差为1.56%, 泊松比数值解的平均误差为2.98%, 剪切模量数值解的误差为1.4%。激光超声方法在复合材料工程常数测量上具有可行性与准确性, 为实验室测量相关参量及其工程应用提供了依据。

为了更精确定量遥测酒驾人员呼出气体中的酒精气体浓度, 采用同时测量酒精气体浓度和水汽浓度且同步获取车内酒精气体稀释系数的双谱段定波长激光遥感探测方法, 进行了酒精浓度、水汽浓度的反演算法以及稀释系数计算的理论分析和对吸收光谱的实验验证, 取得了酒精气体和水汽光谱吸收特性, 确定了所用激光波长为1392nm和1412nm。结果表明, 该方法可以排除水汽干扰且获得酒气稀释系数, 可更精确定量测量呼出气体中的酒气浓度。

为了提高稀疏光学相控阵的精度和效率, 采用输出波导间隔成余弦分布的结构, 基于绝缘体上硅平台设计出1×16光学相控阵; 结合有效折射率法和2-D有限差分传播法进行了远场强度分布仿真模拟。结果表明, 边瓣抑制比从89.72%减小到41.46%, 主瓣半峰全宽从1.20°被压缩到0.81°;这种设计方法能够显著抑制栅瓣, 进一步压缩主瓣。该研究在机器人避障、无人驾驶、目标探测等光束偏转领域将有广泛的应用前景。