光学波束形成网络相对于传统电学波束形成网络具有带宽大、传输损耗小、抗电磁干扰等特性。国内在多通道射频信号输入情况下,基于色散光纤体制的光学波束形成网络的插损变化规律研究较少。假设光子探测器达到饱和阈值的前提下,分别计算了单通道微波光子链路与双通道光学波束形成网络的插损。推导得到,随着输入射频通道数的成倍增加,采用色散光纤体制的光学波束形成网络的插损也成倍增加。搭建了实验系统,发现当输入射频通道数为2、4、8、16时,对应插损分别为-26.0 dB、-30.8 dB、-34.3 dB、-46.0 dB。

研究了基于光纤飞秒光学频率梳的传递振荡器技术,介绍了其基本原理,设计并搭建传递振荡器系统,实现了主激光器与从激光器光学频率的相干传递,锁定后系统环内拍频信号的s级频率稳定度达5×10 -19量级。搭建了两套传递振荡器系统,将主激光器的光学频率同时传递至两个独立的从激光器,分析了锁定后两个从激光器拍频信号引入系统中的相位噪声。通过提高拍频信号信噪比、优化信号处理过程、减小外部环境干扰等方法,最终两个从激光器得到的环外拍频信号线宽小于30 mHz,光学频率传递的s级频率稳定度达1.4×10 -17量级。

设计了一种离轴双反射自由曲面激光整形系统,不仅可以使输出光束辐照度分布变均匀,而且可以控制输出波前和扩束率。通过设置两个约束条件和初始条件,获得自由曲面上相邻采样点之间的迭代关系,从而计算整个自由曲面上所有采样点。利用软件对系统进行验证,将16 mm×16 mm的方形高斯束分别整形为80 mm×80 mm的方形均匀光斑和120 mm×20 mm的矩形均匀光斑,出射光束均为准直光束。结果表明:方形光斑均匀度为90.74%,光束扩束率为5;矩形光斑均匀度为94.75%,水平方向扩束率为7.5,竖直方向扩束率为1.25。

当前电子鼻对有毒气体的识别存在数据量少,训练生成的神经网络映射能力差等问题。本文以甲醛和甲醇为目标气体,采用自制的气敏传感器对甲醛和甲醇进行数据采集,并对采集到的数据进行滤波和平滑处理,以提取不同传感器对目标气体的响应值。依据准则函数生成伪随机数,并建立伪随机特征值矩阵以扩大有效数据量。利用主成分分析 (PCA)法对特征值进行降维处理,选择贡献率大的主元成分作为反向传播(BP)神经网络的输入向量,构造PCA-BP神经网络。分别用实测特征值矩阵和伪随机特征值矩阵训练PCA-BP神经网络,通过对比分析两个网络得出,实测特征值矩阵的识别率为92%,而伪随机特征值矩阵的识别率为97%。结果表明,伪随机特征值矩阵能有效提高PCA-BP神经网络的映射能力,提高识别正确率。

光亮表面因其反射特性,一般三维形貌测量方法对此难以测量,针对该问题,本文给出了基于双目视觉结合相位偏折法对光亮表面进行三维形貌测量的方案。双目系统布局选用相机横向摆放方式,完整的屏幕-相机-可调节载物台测量系统被集成在定制框架内。对相移法中存在的非线性相位误差进行校正,在主值相位图内进行反向相位误差补偿,提高解包裹精度,为减小标定误差,将系统标定得到的位置参数使用Levenberg-Marquardt算法优化。结合光亮表面法向量唯一性和相机的极线约束提高匹配点搜索效率,对传统三角法求空间点进行改进,提高待测物表面点求取准确性,实验结果验证了所提方案具有较高的测量精度和稳定性。

圆环编码标志点广泛应用于三维测量领域中,标志点的中心提取精度直接影响了系统的测量精度。针对当前圆环编码标志点中心提取方法易受拍摄角度影响的问题,提出了一种基于编码环带径向直线拟合提取标志点中心的方法。首先对图像进行预处理,提取其边缘,分割出编码标志点环带中的径向直线,然后利用高斯拟合法对边缘点进行亚像素定位。将提取出的亚像素边缘点集映射到参数空间变成曲线,求出所有曲线的交点。最后利用随机采样一致性算法进行拟合,映射到原始坐标空间得到中心坐标。仿真结果表明,随标志点尺寸和拍摄角度的增大,该方法提取的中心坐标误差从1 pixel降低为0.05 pixel。实验测量发现,在标靶尺寸、拍摄角度不同的情况下,该方法提取的中心坐标误差保持1 pixel以内,与椭圆拟合法相比,标定相机的重投影误差减少了20%,标定结果更加精确。

介绍了一种基于分布反馈光纤激光器的超窄线宽布里渊光纤激光器。采用布里渊环形腔结构,以分布式反馈光纤激光器作为布里渊泵浦光源,以输出波长为980nm的半导体激光器作为腔内掺铒激光放大的泵浦光源,实现了超窄线宽的布里渊激光输出。布里渊环形腔腔长为10 m,加偏振控制后可获得单频布里渊激光输出。为保证激光器的单纵模输出,分布反馈光纤激光器和半导体激光器泵浦光源功率应分别不低于20 mW和50 mW。泵浦光源输出功率最大为250 mW时,最终布里渊激光输出功率超过15 mW,线宽可小于100 Hz。

为研究小孔的形成过程,在光纤激光平板扫描焊接低碳钢中,采用调制激光出光时间的方式进行实验。结果表明:小孔的形成过程极为迅速,完整的形成时间在ms量级。低速焊接时,小孔的形成过程包括急速增加、缓慢增加和基本稳定不变三个阶段。高速焊接时,小孔的形成过程仅有急速增加过程。进一步实验结果表明:小孔的形成时间不超过激光焊接特征时间,且激光焊接特征时间随焊接速度的增加而减小,这是高速焊接时小孔仅有快速形成过程的原因。

报道了一种输出波长为1.7 μm波段的可调谐多波长拉曼光纤激光器。该激光器采用过滤的1550 nm波段自发辐射源来作为泵浦源,从而避免受激布里渊散射。高非线性光纤和色散位移光纤作为非线性增益介质,从而获得峰值波长为1.7 μm波段的增益谱。并采用一段未泵浦的掺铒光纤用于吸收增益谱中残余的泵浦光,所产生的增益谱由Sagnac环滤波器进行滤波。通过调节偏振控制器和放大自发辐射后端的可调谐滤波器,可以产生在1652.77 nm和1686.20 nm之间具有调谐范围大于33.4 nm的单波长激光输出。单波长激光器的光谱3 dB有效线宽为0.08 nm。并且通过增加泵浦功率和调节Sagnac环滤波器实现多波长激光输出,双波长激光可以在1654.88 nm到1664.60 nm之间连续调谐。单波长和双波长激光的边模抑制比均大于45 dB。

为了实现拖拉机主轴的激光熔覆再制造修复,采用激光熔覆技术在主轴材料40Cr轴面上制备Ni60A合金涂层。通过光学显微镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机对比分析离焦量对熔覆层宏观形貌、微观组织、显微硬度及耐磨性的影响。试验结果表明:离焦量为8 mm时,熔覆层表面光滑、平整,结合面无气孔、裂纹及夹渣等缺陷,熔覆层与基体间形成了良好的冶金结合;熔覆层中部为细小的等轴晶,两侧为树枝晶和柱状晶,底部为沿基体表面生长的平面晶组织;最高硬度出现在熔覆层中部,其显微硬度达660 HV,是基体硬度的2倍;在相同磨损条件下,熔覆层的磨损失重仅为基体材料的33%。随着离焦量增大,熔覆层表面粗糙度增加,硬度不均匀性增大,耐磨性能随之降低。

1960年，梅曼先生发明了首台激光器，掀开了激光技术研发和应用的新篇章。60年来,激光技术发展迅速，在激光**、激光医疗、激光显示等关系****和国民经济的众多领域中发挥了不可或缺的作用。激光技术的重要物质基础是固体激光材料。新激光材料的出现或新性能的研发可以带动激光技术的进步进而开拓新的应用领域，是激光技术中一个传统而又前沿的重要方向，特别是在当前光电技术飞速发展的时代，固体激光材料的探索和性能开发的重要性凸显。

上转换激光具有反斯托克斯位移、单色性、较高的稳定性等特点使其在医学、投影仪、数据存储、激光头灯、激光提示器可见光通讯、显微镜以及新一代显示技术等众多领域有广泛的应用,因此受到了广泛关注。近年来,这一研究方向的基础研究和应用探索取得了长足的进步,但仍存在一些问题和瓶颈。本文主要综述了稀土掺杂氟化物多波段上转换激光的研究现状,围绕不同发射波段和不同泵浦光源两个方面,重点综述了这一研究领域近年来的进展,并对当前研究中存在的问题进行了总结和对未来发展前景进行了展望。

钙钛矿材料作为新兴半导体材料,具有吸收系数大、载流子扩散长度长、缺陷态密度低和带隙可调谐等优点,在太阳能电池、光源等光电领域有着广泛的应用前景。本文主要探讨钙钛矿材料作为激光增益介质,应用于微纳激光领域所取得的成果与研究进展,并对不同激光腔的模式分类进行总结概述,最后对钙钛矿微纳激光的发展前景进行展望。

硫系玻璃具有超宽的红外光谱透过范围、极高的线性和非线性折射率,已成为目前唯一能产生中远红外超连续(SC)谱输出的光纤基质材料, 近三年来国际上在此领域取得了系列重要进展。从硫系阶跃型光纤、微结构光纤和拉锥光纤中的红外超连续谱输出以及光谱相干性、全光纤化SC光源等几个方面综述了硫系玻璃光纤的最新研究进展。

介绍和总结了近年来掺Yb稀土钙氧硼酸盐(Yb∶ReCOB)晶体激光器研究取得的主要进展。这些进展包括连续波激光器,声光调Q,以Cr 4+∶YAG、GaAs、二维材料等为可饱和吸收体的被动调Q,SESAM被动锁模,克尔透镜锁模,以及自倍频绿光和黄光激光器等。这类Yb∶ReCOB晶体对许多不同运转模式的全固态激光器应用都表现出很大潜力。

掺镱块状材料是产生高功率超短脉冲激光输出的一种有效技术途径,具有造价低、易加工、易调节、可承受脉冲能量大等优势。该材料介于光纤、单晶光纤、板条、薄片之间,基于块状材料的超短脉冲激光放大器逐渐成为超快激光领域的研究热点。在具体体现形式上,主要有行波(单通、双通、四通)放大结构和再生放大结构;在所使用的增益介质方面,主要以Yb∶YAG为主,另外还有Yb∶KYW、Yb∶KGW、Yb∶CALGO、Yb∶CaF2、Yb∶Lu2O3、Yb∶Y2O3等。梳理和总结了目前已经公开报道的相关结果,并对掺镱块材料超短脉冲激光放大器,尤其在百瓦甚至千瓦量级的超短脉冲放大器上的潜在应用及未来发展趋势进行了探讨和展望。

蓝绿光波段激光在激光显示、医疗诊断、光学数据存储以及水下通信等方面有着广阔的应用前景。尤其是蓝绿光单频激光具有较高的相干性,可广泛应用于高分辨率光谱、原子冷却和俘获、量子光学等领域,吸引了国内外学者的极大关注,发展十分迅速。本文介绍了实现蓝绿光单频激光的几种关键技术——二次谐波产生(SHG)手段获得蓝绿光单频激光、半导体材料直接激射产生蓝绿光单频激光等,总结了蓝绿光单频激光器的研究现状和发展方向。此外,结合本课题组在光纤基蓝绿光单频激光器方面的研究工作,着重介绍了基于近红外短波单频光纤激光器通过SHG手段获得蓝绿光单频激光的研究进展,并对蓝绿光单频激光技术的发展进行了展望。

光学器件的小型化、集成化是现代光学系统发展的重要趋势。在微小光学器件中,阵列化折射成像微光学器件主要包括微透镜阵列器件等,广泛应用于成像、计量、波束整形等领域。针对红外波段成像、计量测量、激光加工等领域的特殊应用需求,红外波段工作的微透镜阵列器件受到了广泛重视,并得到迅速发展。总结了红外微透镜阵列器件的发展及制备方法,包括使用不同材料、不同制造方法制备红外微光学器件,以及红外微透镜阵列器件在红外波段成像、计量、并行加工、光束匀化方面的应用,分析了红外微透镜阵列器件及其制造方法存在的挑战与机遇。

氟氧化物微晶玻璃兼具了氟化物玻璃稀土掺杂浓度高、声子能量低和氧化物玻璃化学性质稳定、机械强度高、易于制备的特点,是一种性能非常优异的稀土离子掺杂基质,在高效率、新波段激光器领域具有良好的应用前景。目前对稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃的研究主要集中在发光机理和发光性能上,而利用其实现激光输出的研究工作尚处于起步阶段。本文归纳了使用稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃材料实现了激光输出的研究工作,主要从氟氧化物微晶玻璃光纤激光器、随机激光器和回音壁激光器三个方面进行综述,对稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃用作固体激光增益介质的优、劣势进行深入的分析和讨论,总结了这种材料用于制备固体激光器的技术要点,并展望了未来的发展方向。

钽铌酸钾(KTN)电光偏转器件具有角度大、电压低、无惯性和体积小等优点,近年来获得广泛关注。回顾了国内外KTN晶体器件及其应用的研究现状,阐述了基于该晶体空间电荷、组分梯度和温度梯度的电光偏转的基本原理,讨论了器件的特征参数和偏转性能的主要影响因素,介绍了几种基于KTN电光偏转的元器件及应用实例,总结了目前需要解决的问题及未来的发展趋势。

本文总结了YAG陶瓷激光器和倍半氧化物陶瓷激光器在高功率激光、超快激光以及中红外激光领域中的研究成果。通过回顾陶瓷激光器的研究进展,不仅揭示了激光陶瓷材料在固体激光器中的应用价值,还探讨了陶瓷激光器目前所面临的问题。最后对陶瓷激光器的未来发展方向做出展望。

受激拉曼散射是获得新型波长激光的重要变频手段。腔内拉曼激光同时存在着基频光和多阶斯托克斯光,为通过二阶非线性光学变频获得多种可见光波长激光提供了基础,可满足一些领域对多种波长激光的应用需求,在激光医疗、激光显示、光谱成像和生物光子学等领域具有重要应用。钒酸盐晶体具有优异的受激拉曼散射特性,是钕离子激光驱动的重要固体拉曼增益介质。简要介绍了钒酸盐晶体拉曼光谱特性以及相关拉曼激光研究现状,随后对近年来拉曼倍频与和频激光的研究进展进行了总结,并对基于拉曼选择性混频实现可见光波段可选激光技术的发展及应用前景作了简要分析。

叶绿素a可直观反映水体的营养化程度,三波段生物光学模型能削弱二类水体中悬浮物与黄色物质等因素的影响,准确估算叶绿素a的浓度。选用三波段因子法,分析实测水体光谱特征,确定三波段因子的大致位置,并通过穷举法和相关性分析,确定三个特征波段建立反演模型。结果表明,当λ1=661.63 nm、λ2=693.54 nm、λ3=757.35 nm时,三波段因子[ Rrs-1(λ1)- Rrs-1(λ2)]Rrs(λ3)与叶绿素a浓度具有较高的相关系数(r=0.830)。该模型的决定系数、均方根误差和平均绝对误差百分比分别为0.859、2.446 mg·m -3和32.169%,其反演精度优于波段比值模型和反射峰模型。为闽江下游叶绿素a反演提供一定的理论依据和技术支持,也为以后使用三波段因子法反演二类水体的叶绿素a浓度提供波段选择。

导光板(LGP)网点的散射能力直接影响了背光模组的光能利用率和网点密度,快速选出最佳网点结构对企业生产非常重要。提出了用LGP网点散射效率评价网点有效导光能力的方法,基于企业已量产的LGP网点密度档,分别从理论和实验分析了网点倾角对散射效率的影响,并将获得的最佳网点结构应用于实际加工。结果表明,该方法能给出网点散射效率与光能利用率、有效发光面积和网点密度的关系,并得到光能利用率最大时对应的倾角范围为25°~60°,在该范围内网点散射效率与倾角呈正相关。以散射效率较高的网点对LGP重新进行均匀优化设计,发现网点数量可减少60%,光能利用率仅降低2%,且LGP实际加工效果与仿真结果相吻合。

为解决高空间分辨率和微小卫星空间紧张之间的矛盾,基于像差理论和同轴四反光学系统,设计了一种同轴超紧凑型主三镜一体化光学系统。在焦距为1750 mm、F数为7、全视场角为1.4°的条件下对光学系统进行验证,并分析了其公差和信噪比。结果表明:光学系统的整体长度小于200 mm,仅为焦距的1/8.75,实现了光学系统的超紧凑化和小遮拦比设计。增加遮拦后,在奈奎斯特频率为78 lp/mm处,全视场传递函数优于0.26,全视场波像差优于λ/50;在太阳高度角为30°、地表反射率为0.05时,信噪比优于24.9。系统结构简单、紧凑,且成像质量良好,对微小卫星高分辨光学系统的设计有一定的借鉴作用。

大口径高次非球面的加工检测是光学制造的难题之一。结合一个有效通光口径为900 mm、顶点曲率半径为2580 mm的高次非球面凹反射镜,推导出高次非球面的球差系数。基于三级像差理论,对高次非球面的法线像差进行补偿,求解了补偿系统的初始结构。设计了基于球面波和平面波的补偿系统,并对高次非球面凹反射镜进行研磨处理,经四维(4D)干涉仪检测得到其面型精度为0.022λ,满足实际测量要求。

为实现大视场、低成本、高解析力的高性能手机镜头光学系统,基于ZEMAX软件设计了2个采用不同滤光方式的单中心超广角手机镜头光学系统,匹配于曲面传感器。2个光学系统分别由4片同心塑料透镜和曲面滤光片或红外截止膜构成,系统F数均为1.8,视场角均为130°,系统焦距均为2.64 mm,系统总长均为4.1 mm。中心视场的调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率为200 lp/mm处大于0.5,在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2;0.7以内视场的MTF值在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2。全视场相对照度大于0.42。最大均方根半径小于3.75 μm,符合手机镜头成像要求,实现了超广角、短焦、紧凑型光学系统设计,可加工性强,成像质量高。

针对GaN基正装结构的LED芯片存在电流分布不均匀的问题,对传统的电极结构进行优化设计。通过建立有限元分析软件COMSOL的三维仿真模型,对传统结构和优化电极结构的芯片有源层电流分布进行了仿真,结果表明优化后的芯片电流分布更均匀。然后制备了不同结构的LED芯片进行光电性能测试,发现将N电极形状改变为扇形结构能提高LED的出光效率,在输入电流为20 mA时,LED芯片的输出光功率为31.84 mW,出光效率为52.03%,相比传统LED芯片出光效率提高了6.14%。

采用固相反应法制备了高品质0.3BaSrTiO3-0.7NdAlO3微波介质陶瓷,并采用太赫兹时域光谱对该陶瓷在太赫兹波段内的吸收特性进行研究。结果显示,在18 ℃(291 K)下该陶瓷的吸收系数可由外部光泵进行调制,在0.55 THz时调制度可达到34.46%。通过拟合0.45 THz和0.55 THz处0.3BaSrTiO3-0.7NdAlO3陶瓷的介电常数与光功率之间的关系,可以得到这两个频率处的非简谐系数α分别为1.273×10 -8和1.823×10 -8。此外,吸收系数随外部光泵强度调制的微观机理是由激发的自由载流子引起0.3BaSrTiO3-0.7NdAlO3陶瓷的内部空间电荷场所致。

为解决已有太赫兹(THz)表征系统对样品性质表征不够全面的问题,搭建了基于硒化镓(GaSe)晶体的宽谱THz系统,利用飞秒脉冲激光泵浦GaSe晶体,产生频谱范围为10~20 THz的宽谱THz波。搭建了迈克耳孙干涉仪对THz瞬态电场进行非相干表征,用该系统测量了尿嘧啶等三种生物样品的高频吸收谱,并通过密度泛函理论对生物分子的振动、转动情况进行了理论分析。测量结果与理论结果相吻合,证明了该系统可快速获取样品的高频信息,弥补了传统THz光谱系统在高频波段的信息缺失,为搭建高频THz时域光谱系统打下坚实的基础。

为建立面粉中添加剂苯甲酸的定量检测模型,首先,探索不同光谱预处理方法对太赫兹光谱的影响,采用平滑、多元散射校正、基线校正和归一化等方法对原始光谱进行校正处理,并建立相应的偏最小二乘(PLS)模型以选择最优预处理方法,发现归一化后建立的PLS模型较优,预测集的相关系数(rp)为0.9790,预测集的均方根误差(RMSEP)为1.28%。其次,分别建立面粉中苯甲酸含量检测的PLS、最小二乘支持向量机(LS-SVM)和反向传播神经网络(BPNN)模型,各模型的对比结果表明:基于太赫兹吸收系数建立的BPNN模型的预测相关系数(rp)为0.9945,预测均方根误差(RMSEP)为0.66%。本研究为面粉中苯甲酸添加剂的无损检测提供了新的解决方案,对促进面粉行业的健康发展具有较为重要的意义。