为了研究碳纤维复合材料(CFRTP)与金属的高效焊接, 采用激光诱导Al-Ti-C粉末中间层自蔓延反应的方法, 对碳纤维复合材料与铝进行了异种连接实验, 分析了中间层自蔓延反应形成焊缝的反应机理、CFRTP/铝连接接头的微观界面和形成机理。结果表明, 激光照射使中间层温度升高至933K左右时自蔓延反应开始进行, 铝元素熔化并包裹住固态Ti发生反应, 生成Ti-Al系化合物, 在高温下化合物继续和Ti元素反应生成TiC并释放热量; 同时, 单质Ti与C也发生反应生成TiC并释放热量, 反应产生的热量继续维持下一层面的反应, 直至整个中间层反应结束形成良好的“焊缝”; 这些热量使得中间层左右两侧母材发生微融再次挤压成型形成质量良好的连接接头。激光诱导Al-Ti-C中间层自蔓延高温合成连接方法可以实现CFRTP/铝的高质量连接, 对实现交通工具结构轻量化是有帮助的。

为了改善激光沉积过程中, 涂层出现气孔、裂纹与基材结合不良等缺陷, 采用旋转磁场辅助激光沉积的方法, 在304奥氏体不锈钢制备了Fe106+镍包碳化钨(质量分数为0.05)复合涂层。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光共聚焦扫描显微镜等表征手段进行了组织结构和物相分析, 通过硬度计、摩擦磨损试验机对其耐磨性进行测定。结果表明, 旋转磁场可以抑制熔池流动, 促进了涂层组织细晶强化和匀质效应; 磁场强度为70mT时涂层显微硬度是无磁场涂层的1.16倍; 相同的磨损条件下, 磁场强度为70mT的涂层比无磁场涂层失重降低了64.2%, 耐磨性得到明显改善。利用磁场辅助激光沉积对改善激光沉积缺陷是有帮助的。

为了探明双向钛合金TC17在单双面激光冲击强化下残余应力分布特征, 采用数值分析方法研究了单双面冲击下残余应力分布规律。结果表明, 单面冲击稳定后会在冲击对面产生拉应力, 在冲击表面产生压应力, 双面同时冲击时一部分残余压应力抵消了拉应力, 同时又由于应力波的叠加和削弱作用, 导致残余应力水平下降; 单面激光冲击强化获得的x方向和y方向的最大残余应力分别为336.709MPa和337.011MPa, 而双面同时激光冲击强化在两个方向均为326.401MPa; 单面冲击会由于拉应力的产生而不利于抑制裂纹; 双面同时冲击时试件两面的残余应力分布基本一致, 双面顺序冲击时先冲击面残余应力要高于后冲击面; 有限大试件需考虑冲击波的横向传播对残余应力的影响。该结果对单双面激光冲击强化的残余应力分布规律研究具有一定的指导意义。

为了研究激光除锈工艺应用于高速列车集电环的可行性, 根据激光除锈效果和清洗效率, 确定了集电环的最优激光清洗参量, 即在激光覆盖试样整个表面的光斑搭接率为29.3%时,激光功率为16W, 激光重复频率为70kHz, 激光扫描速率为1.0m/s。采用最优工艺参量对集电环试样进行激光除锈, 通过扫描电镜和金相显微镜观察原始试样和激光除锈后试样的表面微观组织; 采用新的实验分析手段分析对比原始试样和激光除锈后试样表面硬度和表面力学性能; 室温条件下采用LINSES电阻率测试仪对激光清洗前后试样的电阻率进行测量。结果表明, 激光除锈后试样表面没有发生重熔和相变; 原始试样和激光除锈后试样表面硬度和表面力学性能对比没有发生明显变化; 由于表面粗糙度的增加以及部分晶体点阵发生的晶格畸变, 增加了电子散射的几率, 使电阻率提高8.3%, 但仍符合使用规范。激光除锈技术对集电环基底表面性能没有产生显著影响, 该工艺适用于高速列车集电环表面除锈。

为了优化垂直腔半导体光放大器(VCSOA)在不同应用中的性能, 以及用通用计算方法获得准确的端面反射率, 考虑到器件内部光场分布特点, 采用角频谱理论和传输矩阵的方法, 取得了器件中分布布喇格反射器(DBR)等效反射率与光束半值谱宽的数据, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 等效反射率随着结构周期增加而变大, 但是当周期大于25时基本不再变化; 与只考虑正入射情况相比, 修正后的DBR等效反射率小了2%~4%; 等效反射率随着半值谱宽θFWHM增大而减小。该研究为准确计算膜堆层数对DBR等效反射率的影响提供理论指导, 优化了VCSOA的工作性能。

为了探索出一种可控、稳定、高效的制备碳纳米角的方法, 采用高功率、短脉冲Nd∶YAG激光器对悬浮于液相介质中的天然鳞片石墨颗粒进行激光辐照, 并通过高分辨率透射电镜、激光喇曼光谱等检测手段对实验产物进行表征, 对实验结果进行了理论分析与实验验证。结果表明, 激光能量为150mJ, 300mJ, 450mJ和600mJ时, 对应的产物分别为seed型、bud型、dahlia型和petal-dahlia型碳纳米角; 4种形态的碳纳米角的粒径均分布于10nm~80nm范围内, 平均粒径分别为29nm, 33nm, 36nm和38nm。该研究对制备出不同形态的碳纳米角是有帮助的。

为了提高倒装发光二极管(LED)光提取效率的同时实现单偏振光输出, 建立了正装、倒装和集成金属亚波长光栅倒装LED 3种模型, 采用RSOFT软件进行仿真对比及器件优化,并进行了理论分析和模拟验证。结果表明, 倒装LED虽然可以提高光提取效率但对P-GaN层厚非常敏感, 无法单偏振光输出; 集成了金属亚波长光栅的倒装LED可以不受P-GaN层厚影响, 实现单偏振光输出, 但要输出稳定偏振光, 受光栅参量和介质过渡层厚度影响非常显著;优化后的结构可以实现57.63%的光提取效率, 偏振消光比达到25.8dB。该研究对制造高性能蓝光LED具有一定的指导作用。

为了保证船舰在海水环境中拥有足够的焊接强度和耐久性, 选用船用铝合金(5083-O)进行焊接试验, 模拟焊接接头在海水中的耐腐蚀性能。采用高适应性的激光-熔化极惰性气体保护焊复合焊接系统, 分别分析研究了激光功率、焊接电流、光丝距对铝合金焊接接头耐腐蚀性能的影响; 利用型号为CHI760D三电极化学工作站对不同焊接工艺参量下的铝合金焊接接头进行了腐蚀测试。结果表明, 自腐蚀电流密度随激光功率的增加呈先增大后减小再增大的趋势, 随焊接电流和光丝距的增加均呈“V”形规律变化, 即先减小后增大的趋势;当激光功率为3.0kW、焊接电流为200A、光丝距为3mm时, 接头组织以等轴晶为主, 且气孔等缺陷较少, 此时接头微观闭塞原电池效应微弱, 自腐蚀电流密度最小, 接头耐腐蚀性能相对较好。该研究对深入理解铝合金焊接过程中缺陷形成机理及提高接头耐腐蚀性能是有帮助的。

为了研究不同线宽的激光光源对马赫-曾德尔光纤干涉仪定位精度的影响, 采用互相关定位算法原理搭建了一套扰动定位系统。采用3kHz和1MHz的半导体激光器作为系统输出光源, 并对其进行多次的定点扰动, 将得到的实验数据根据互相关原理做计算, 并与理论推导结果进行了对比分析。结果表明, 在时间域采样速率都为100MHz的情况下, 系统采用3kHz的激光器时, 平均定位误差为34.4m, 远小于采用1MHz光源下225.4m的定位误差; 在干涉仪信号臂中接入3m单模光纤, 使信号臂长度和参考臂长度基本相同, 可以很大程度上抑制了系统的共模噪声; 窄线宽激光器可以提高系统的定位精度。该研究对于干涉仪激光器的选取、系统性能参量的评估是有积极意义的。

为了研究在激光熔覆修复工艺中, 激光扫描速率对最终形成的熔覆层性能的影响,采用同步送粉法, 利用激光熔覆工艺在QT500球墨铸铁上制备了不同扫描速率下的镍基合金熔覆层样本; 利用金相显微镜观察熔覆层的显微金相, 并使用显微硬度计对熔覆层显微硬度进行了测定与分析, 取得了熔覆层样品的硬度、显微金相组织以及样品稀释率等数据。结果表明, 在其它条件不变下, 随着激光扫描速率的增加, 熔覆层组织更加致密、均匀,熔覆层的平均显微硬度得到了显著提高; 以激光功率为1.9kW、扫描速率为5mm/s、光斑直径为4mm等参量得到的熔覆层组织与性能最优。此研究对激光熔覆表面强化工艺中合理选择工艺参量提供了理论依据。

相对于近红外波段的飞秒激光脉冲, 紫外波段的飞秒脉冲由于具有单光子能量高、聚焦特性好、电离率高和成丝阈值低等优点, 在高功率密度光场的产生、等离子体光物理等领域有着越来越广阔的应用前景, 成为激光技术的研究热点。随着紫外飞秒激光技术的发展, 传统的脉宽测量方法不能满足需求。指出了紫外飞秒激光脉宽测量研究的主要进展, 讨论了目前可用于紫外飞秒激光脉宽的测量方法, 主要有双光子荧光测量法、互相关法、简并四波混频法、多光子电离法, 介绍了相关测量原理与特点。在此基础上, 对紫外飞秒激光脉宽测量技术研究前景进行了展望。

为了研究离焦量对5mm厚紫铜激光焊接焊缝成形的影响和组织特征及性能, 采用金相显微镜对焊缝组织及形貌进行分析, 并对接头进行了拉伸及电导率测试。结果表明, 在高离焦量绝对值时, 易出现飞溅并造成焊缝表面孔洞, 在离焦量0mm~-2mm范围内可获得成形良好的焊缝; 焊缝纵截面柱状晶与焊接方向的角度由两侧的90°逐步降低为中间的0°, 靠近焊缝上表面的柱状晶长度约为靠近下表面的柱状晶长度2.96倍, 热影响区晶粒发生粗化, 且离焦量+1mm对应的热影响区宽度最大; 焊透情况下的不同离焦量对应的接头拉伸强度相当, 可达母材的77.3%, 离焦量0mm~-1mm对应的接头延伸率略高于离焦量-1mm~-4mm对应的接头延伸率, 可达母材的54.9%; 焊缝的电导率与母材几乎一样。该研究有利于获得成形良好的紫铜激光焊接接头。

为了解决传统双折射测量系统在调节光学元件的过程中,结构复杂、耗时长且不状态稳定的问题, 采用计算偏振跳变曲线中o光和e光低电平占空比的方法, 增加了自动旋转波片的功能, 优化出一套具有较高工作效率的双折射测量系统。该系统可自动调整波片快轴方向, 使其可对准激光器的本征偏振方向, 减少了人为判断波片快轴时可能引入的测量误差。结果表明,波片相位延迟的最大偏差为0.65°, 标准差降低28%。双折射测量系统的测量精度及稳定性满足工业化生产的要求。

为了提高宽带波长转换技术的响应速度, 采用高非线性光子晶体光纤, 设计了一种受激喇曼散射的可调谐全光宽带波长转换器。基于光纤中喇曼效应, 对光子晶体光纤喇曼增益谱采取高斯曲线进行拟合, 建立了喇曼波长转换器的理论模型, 并进行了仿真分析, 讨论了光纤长度对转换效率的影响。结果表明, 在符合通信系统的条件下, 实现了100nm转换带宽, 波段为1487nm~1587nm, Q因子随探测光波长变化与喇曼增益谱走势相同, 其波长转换质量最优处在喇曼增益系数最大处。该研究对未来光网络的波长转换器波长分配以及光纤长度的配置研究具有参考意义。

为了能够设计出具有反射功能的导模共振光栅, 采用光栅的等效介质理论、平面波导理论以及严格耦合波法, 进行了理论分析和实验验证, 设计了在TE偏振下波长850nm处具有反射共振的导模共振光栅。利用严格耦合波法, 计算并分析了光栅参量、入射角以及波导层厚度对共振波长和线宽的影响。结果表明,随着占空比的增大, 共振波长会红移, 而共振线宽会随着占空比的增大先增后减, 占空比为0.5时线宽能达到最宽;共振波长会随着光栅周期和波导层厚度的增大而增大, 但线宽几乎不变, 当周期从490nm增加到520nm时, 共振波长红移了将近50nm,而当波导层厚度从217nm增加到251nm时, 共振波长红移了将近25nm;光栅厚度变化对共振波长和共振线宽影响很微弱,当入射角是垂直入射时仅有一个共振峰, 但是当入射角不为0°时会出现两个共振峰, 并且两个共振波长随着入射角度的变大一个会蓝移而另一个则红移。该研究为实际制备反射导模共振光栅提供了理论指导。

为了提高民航安全和飞行效率, 实现对尾涡的准确识别, 对飞机尾涡的空气动力学理论, 特别是经典的Hallock-Burnham尾涡速度数学模型进行了分析研究。结合多普勒激光雷达探测涡流风场径向速度的原理, 建立了雷达飞机尾涡探测的径向速度标准模型,引入滑动窗口思想, 提出一种基于波形相似度匹配的方法, 对尾涡进行自动识别, 并给出了详细的算法流程;利用实测的激光雷达风场及雷达底层数据和假设检验方法对该识别方法进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该算法对飞机尾涡的有效识别率为90%。研究结果对进一步的尾涡监测具有一定参考价值。

为了有效抑制直升机降落过程中尾流造成的强湍流效应, 采用分集接收技术来进行抑制。根据无线紫外光斜程通信和近直视通信的特性, 给出接收信号强度的边缘分布概率密度函数, 建立了基于gamma-gamma分布的紫外光近直视通信系统修正模型, 将分集接收技术引入该模型。理论分析了湍流效应对接收光信号强度边缘概率密度分布的影响以及最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)和选择性合并(SC)的误码性能。结果表明,大气湍流强度越强, 紫外光近直视通信系统的误比特率性能越差; 二分集时, MRC,EGC,SC 3种合并方式信噪比性能分别提升了22dB,18dB,16dB。分集接收技术能有效抑制直升机助降过程中的强湍流效应, 提升通信系统的稳定性和抗衰落性能。

为了实现玻璃表面的金属化, 运用激光诱导等离子体沉积技术, 选用廉价易维护且波长为1064nm的红外纳秒光纤激光和T2铜靶材, 在透明材料普通硅酸盐玻璃表面直接沉积出了金属铜, 并对其进行了光学显微镜和扫描电镜表征。结果表明, 在一定的激光能量密度范围内(沉积阈值能量密度12.50J/cm2~激光器所能达到的最大能量密度27.13J/cm2), 随着激光能量密度的增加, 沉积在玻璃表面的铜颗粒数量增加; 而在激光能量密度一定(27.13J/cm2)的条件下, 若保持激光光斑的横向和纵向搭接率一致, 当光斑搭接率不小于50%时, 由于玻璃对激光的强烈吸收, 导致铜沉积失败; 当光斑搭接率在-20%~50%变化时, 沉积在玻璃表面的铜颗粒数量呈现先增加后减小的变化趋势。激光诱导等离子体沉积技术是一种可实现透明衬底材料表面金属化的便捷技术。

为了在热电偶时间常数测试中提供可靠的阶跃温度信号, 优化反馈控制效果, 进一步缩短阶跃温升信号的上升延时间, 确保热电偶时间常数测量的准确性, 采用中温黑体炉对高速辐射测温模块进行了静态温度-电压标定, 使用激光器对被校热电偶进行加热, 获取单次脉宽调制波(PWM)脉宽时间与温度之间的关系式; 理论分析了红外辐射测温模块电压与黑体温度、PWM波脉宽时间与温度之间非线性关系的原因, 对进一步优化控制效果、建立系统数学模型提供了实验验证。结果表明, 红外辐射测温模块输出电压与黑体温度呈4次方关系; 单次PWM波脉宽时间与温度呈3次方关系。该实验结果可为控制器反馈控制调节PWM波脉宽时间(占空比)提供理论依据。

为了在TE波下获得带宽可展宽(11GHz~14GHz频带内)且可调谐的吸收曲线, 提出了一种新型超材料吸波体, 其周期性结构单元采用蜂窝状特有的六边形结构。对该吸波体的参量分析图进行了计算, 研究了变量g和d的数值不同时, 对吸波体吸收频带及吸收带宽的影响, 并解释了蚀刻“十”字形结构吸波体带宽展宽的成因。结果表明, 该吸波体在9.17GHz~9.5GHz低频频域的吸收率达到90%以上, 当不同的等离子体谐振区域被激励时, 可以实现吸波体的分时分频域吸收以及改善吸波体的吸收性能, 改变变量g和d可以实现对吸收频带的动态调控; 可以通过在方形结构中蚀刻“十”字形结构的方式拓宽高频频域的吸收带宽, 其在12.08GHz~13.91GHz频域的吸收率高于90%, 改变变量s可以明显展宽吸收频带, 且该吸波体对入射电磁波的角度不敏感。该吸波体的设计思路为拓宽吸波体的吸收带宽提供了一种有效的方法。

为了探究工艺参量对激光增材制造熔覆层残余应力影响规律, 采用数值模拟及实验验证相结合的方法, 取得了激光增材制造熔覆层截面深度方向上沿扫描路径y方向和垂直扫描路径x方向上残余应力的分布规律,并在此基础上进行了不同工艺参量对y方向和x方向应力场影响分析。结果表明, 在一定参量范围内, 随着熔覆层深度的增加, y方向残余应力均表现为拉应力, 呈现先增大后降低趋势, 在熔覆层顶部约0.2mm处存在最大拉应力为262MPa; x方向由压应力逐步转变为拉应力, 其略小于y方向应力值; 随着激光功率的增大, x方向残余应力逐渐增大, y方向残余应力逐渐降低; 随着扫描速率的增大, x方向的残余应力将随之减小, 而y方向的残余应力将随之增大; 随着送粉量的增大, x方向和y方向的残余应力均将随之增大。此研究为降低激光增材制造熔覆层残余应力及工艺参量优化选择提供了指导。

为了改进传统多尺度变换滤波在电子散斑干涉(ESPI)条纹图中去噪效果和边缘细节保护不理想问题, 提出改进非下采样轮廓波(NSCT)滤波算法。采用离散平稳小波变换和NSCT变换模型, 联合非线性扩散和改进的快速非局部均值滤波算法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了将本文中算法应用于模拟和实验ESPI条纹图滤波效果定量分析的数据。结果表明, 本文中的算法在模拟ESPI条纹图和实验图相比其它算法散斑指数最小分别为0.41121, 0.38043, 0.35362, 对应峰值信噪比最大; 该算法在提升去噪能力的同时, 能够更好地恢复条纹细节信息。研究结果为以后应用多尺度变换滤波在ESPI条纹图打下了基础。

为了获得更高频率的信号, 采用了一种基于并联马赫-曾德尔调制器(MZM)和半导体光纤四波混频效应的二十四倍频光生毫米波方案。本振信号被并联MZM调制后可以获得高纯度的±4阶边带, 在四波混频效应下, 又可以生成±12阶边带, 用级联的布喇格光栅滤波器滤除±4阶边带, 经光电探测器拍频便可生成二十四倍频信号。结果表明, 当输入本振信号为5GHz时, 生成的120GHz高频微波毫米波信号射频杂散抑制比为22dB, 频谱纯度很高, 且具有很好的可调谐性。该研究为高频微波毫米波信号的生成提供了更高的倍频方法。

为了在给定的照明和观察条件下, 用相机响应信号重建物体表面光谱反射率, 实现颜色的高精度复原, 采用了多光谱成像技术采集物体表面的多光谱图像, 使用主成分分析、R矩阵和正则化R矩阵方法进行了光谱反射率重建的理论研究, 并对壁画色块颜色复原进行了实验验证, 取得了壁画色块的重建光谱和颜色复原数据, 同时对基于正则化R矩阵方法的壁画色块颜色复原结果进行了评价。结果表明, 正则化R矩阵方法进行光谱重建的光谱精度和色度精度更高, 与主成分分析和R矩阵方法相比, 色差降低了0.0732, 适应度系数提高了1.10%, 均方根误差降低了0.0035, 光谱匹配偏指数降低了0.0225。该方法能够满足高精度颜色再现的需要, 适用于文物艺术品数字化存档、文物艺术品修复等领域。

在红外线与可见光图像的融合过程中, 经常会出现融合图像细节方面缺失的情况。为了解决这一问题, 采用了改进的非下采样轮廓波变换(NSCT)图像融合算法, 融入动态的加权非负矩阵分解规则(WNMF), 对图像进行融合处理。结果表明,利用非下采样轮廓波变换算法对两幅源图像进行多尺度多方向的分解, 可得到低频与高频部分; 动态的WNMF融合规则作为低频部分的融合规则; 高频部分中最高层的分解尺度采用绝对值取大的方法;高频部分其它各层则设定匹配度阈值;低于阈值时, 使用基于区域能量匹配度的区域方差选大的方法; 如果高于阈值时, 采用加权平均的方法进行; 通过对低频部分与高频部分的处理, 用NSCT逆变换方式获得了融合图像。该方法有效提高了融合图像清晰度, 凸显了其细节信息, 缩短了所需的计算时间。