研究了平均功率达85 W高功率高稳定性全固态绿光激光器,从理论上分析了全固态内腔倍频晶体热效应相位失配对输出功率的影响;数值模拟了倍频晶体内部的热量分布,计算了倍频晶体相位匹配角随温度变化的失配量。在实验中,采用80个20 W的高功率半导体激光器侧面抽运单Nd∶YAG棒,采用双声光Q开关、高效平凹谐振腔结构,对大尺寸KTP晶体进行角度偏离法补偿相位失配并配合强冷却等技术,实现高功率内腔倍频激光器的稳定运转;在抽运电流为17.3 A时,实现了重复频率为20.4 kHz,脉冲宽度230 ns,输出功率为85 W的高功率、高重复频率绿光(532 nm)输出,不稳定性为±1.03%,光-光转换效率为9.7%。

通过对激光二极管(LD)侧面抽运激光介质的分析研究,建立了二极管侧面抽运激光介质所吸收的抽运光功率分布的数学模型。采用光线追迹法模拟计算出单个二极管在不同抽运参数下直接抽运激光棒时,激光棒所吸收的抽运光功率的分布。比较了介质的吸收系数和二极管到激光棒距离的不同给抽运的均匀性带来的差异。计算了在有冷却系统的条件下,多个二极管阵列抽运时的抽运光功率分布,得到了较好的抽运均匀性。

报道了采用列阵半导体激光端面抽运Nd∶YVO4晶体的KTP腔内倍频绿光激光器。采用多柱透镜法,对列阵半导体激光进行了有效整形,并利用谐振腔折叠产生的像散,实现了抽运光与振荡光较好的模式匹配;由于是直接耦合抽运,因此保证了半导体抽运光以π偏振光入射Nd∶YVO4(单轴)晶体,实现了半导体抽运光与Nd∶YVO4吸收的偏振匹配。在抽运功率为9.5 W时,得到520 mW的稳定绿光输出,光-光转换效率为5.5%。

报道一种有实用价值的、构思新颖的双调Q,双波长输出的Nd∶YAG-Cr4+∶YAG激光器。在由两个平凹腔耦合而成的复合腔中,Cr4+∶YAG晶体既作为可饱和吸收体对Nd∶YAG发射的1.06 μm激光被动调Q,又作为增益介质在1.06 μm激光脉冲作用下发射中心波长1.44 μm的激光脉冲。该激光器实现了1.06 μm激光被动调Q和1.44 μm激光增益调Q的双波长激光振荡,输出的1.06 μm和1.44 μm激光脉冲的能量和脉冲宽度分别为18 mJ,52 ns和0.25 mJ,19 ns;后者的脉冲宽度约为前者的三分之一。理论上,根据Cr4+∶YAG的能级结构和复合腔特点,分析了双调Q的工作机理;从速率方程出发导出双调Q复合腔激光器输出的1.44 μm激光脉冲宽度和腔内1.06 μm激光功率的关系。1.44 μm激光脉冲时间宽度的理论计算值(21.7 ns)与实验结果(19 ns)基本相符。

双包层光纤激光器不再要求抽运光是单模激光,而且基本上在沿光纤整个长度上抽运,从而大幅度地提高了激光转换效率。给出了一种由半导体激光器(LD)抽运的掺Yb3+双包层光纤激光器,利用976 nm的抽运光,对双包层光纤进行端抽运,光纤后端与双色镜构成Fabry-Perot干涉仪兼作反馈腔镜,得到波长为1085 nm,1090 nm,1095 nm和1100 nm的激光输出,每个波长激光的线宽为0.33 nm,输出总激光功率为1.2 W,信噪比超过20 dB,斜率效率为52%。

随着惯性约束核聚变研究的发展,强激光驱动器能源系统的研究备受关注。为了向激光驱动能源系统传输效率的研究提供可靠的实验数据,研究了强激光驱动器能源系统中氙灯瞬态放电特征数据进行实时检测的方法和测控系统结构。采用量化传输模式进行特征量的检测与传输,既实现了高压隔离,又避免了在远距离传输过程中受到干扰,确保测量精度。配合系统的模块化设计,采用多线程工作模式,对计算机系统的控制功能进行工作线程划分,提高了系统的实时性和协调性。实验表明,系统有效地实现了弱电系统对强电系统的远程控制,测量精度满足测量要求,已成功应用于能源系统的实验研究。

由傅里叶瞬态导热方程和弹性体应力-应变平衡方程入手,利用分离变量法和热弹性势法建立了晶体窗口在高能激光束照射下的瞬态温度分布、热变形和热应变分布关系式。并同时考虑温度折射率系数、厚度热变形和弹光系统的作用,得到了波长为1.315 μm的平面波光束透射氟化钙、氯化钾和熔石英这三种晶体窗口时产生的近场光束相位畸变分布。通过比较发现,窗口光束畸变是热变形、热透镜效应和弹光效应共同作用的结果,热透镜效应占主要因素,弹光效应可以忽略;熔石英具有正的折射率温度系数而产生正光束畸变,氯化钾和氟化钙为负的光束畸变,氟化钙具有最小的相位畸变峰谷值,优于其他二者,适于作为1.315 μm波长的窗口材料使用,氯化钾的光束畸变最严重。

将标量时域有限差分法(FDTD)应用于弱导光器件的计算机仿真中,实现了标量时域有限差分法的理想匹配层(PML)边界条件,并对平行介质带定向耦合器进行了数值模拟和验证,所得结果与理论值非常一致。对平面光波导计算机辅助设计(CAD)将具有实际意义,可用于分析任意结构的弱导光器件。

探测器数学模型是探测器实施精确探测的基础。通过分析探测器光路建立了一个较为完整的四像限光电探测器的光路数学模型,考虑了探测器在安装过程中发生的偏移位置及其偏移量、光敏面的离焦量、探测器结构参数等对光信号到电信号的转换的影响。在建立俯仰偏移、横滚偏移和方位偏移三种特定情况下探测器模型的基础上,给出了探测器的三自由度安装位置、光敏面的离焦量、光信号等与输出信号的一般关系式。比较在给定相同光路参数条件下探测器光路数学模型的理论输出信号波形与实测输出信号波形,结果表明,两者信号波形相似。比较模型输出与实际输出信号的两个特征参数,即信号过零点的切线的斜率与截距,可以发现,特征参数的差别小于0.01,因此,四像限光电探测器数学模型的输入输出关系与探测器实际输入输出关系是一致的,可以用该模型实施探测器探测,这为光电探测器进一步的研究与应用,实现无实验样本探测提供了参考。

光电位置敏感器件(PSD)是一种可直接对其光敏面上光斑位置进行检测的光电器件,基于光电位置敏感器件可以构成多种非接触的高精度动态位移监测仪器。根据光电位置敏感器件的原理及特征方程,分析了存在背景光时它的输出信号是非线性的。提出一种基于神经网络的光电位置敏感器件背景光非线性补偿方法。利用神经网络具有逼近任意非线性函数的特点,通过训练使神经网络建立在不同背景光下光电位置敏感器件输出与其标准值之间的非线性映射关系,对其实现全程跟踪补偿。计算机仿真表明,该方法能有效地消除背景光的影响,在神经网络的输出端得到期望的线性输出。

当光束具有较大的发散角或光束束腰可与波长相比拟时,傍轴近似不再成立。需要发展更为严格的非傍轴处理方法。迄今已提出许多方法,例如微扰法、级数展开法、算子法、角谱分析法和波动方程积分解等方法,用以研究光束的非傍轴传输行为。不同方法具有各自的优缺点和适用范围。分析了非傍轴光束级数解的有效性。对波动方程积分解和级数解作了详细的数值计算和比较,指出当w0>0.2251λ时(w0为束腰宽度,λ为波长),级数解对傍轴解有修正作用。但是,当w0≤0.2251λ时,级数解会给出无意义的结果,并且会发散。级数解必须在其有效范围内使用。级数解的适用范围与光束的束腰宽度、传输距离以及所使用的级数解的阶次有关。

基于横截面上精确表述的光强和精确的衍射场公式,对高斯光束经波长级圆孔衍射的轴上光强特性进行了研究。结果表明,高斯衍射光束的轴上光强特性取决于初始高斯半宽度w0和波长级圆孔的孔径R。对于w0/R≥1的高斯衍射光束,轴上光强存在的极值个数和出现的位置仅由比值m=2R/λ决定,最大的轴上光强均出现在N=R2/(λz)=1的地方;至于轴上光强极值的峰和谷明显与否,取决于w0/R的比值,比值越大,轴上光强极值的峰和谷就越明显。当w0/R的比值足够大时,就趋向于平面波入射时的情形。而对于w0/R<1的这一类高斯衍射光束,轴上光强存在特定的演化规律

报道了利用多模光纤作为相位共轭镜应用于重复频率100 Hz,脉宽20 ns的电光调Q四通放大LD抽运激光器的实验研究。由于光纤受激布里渊散射(SBS)存在的阈值效应,可以抑止使用平面全反镜的四通放大系统中难以克服的放大级自振荡(SO)和放大自发辐射(ASE)效应,以获得高能量高光束质量的激光输出。实验中在20 ns,100 Hz和注入光纤能量4.6 mJ的情况下获得了4.1 mJ的1064 nm的基模激光输出。激光光束模式接近TEM00模,且脉宽被压缩至4.7 ns。在使用了光纤相位共轭镜的四通放大技术后,很好地补偿了由板条放大器热效应造成的光斑畸变。输出光斑很好地复原了振荡级输出光斑的光强空间分布。

光镊已成为捕获和操纵微米尺度粒子和生物细胞的有效手段,而目前常用的光镊光源为连续激光或长脉宽的脉冲光。提出飞秒激光光镊的概念,将飞秒激光序列脉冲视为对连续光的周期抽样,借助于连续光光镊的分析方法,建立了飞秒激光光镊对电介质微粒产生的轴向光学力的理论模型。给出影响捕获微粒的主要因素,指出存在最佳束腰半径和被捕获粒子半径。数值计算结果表明选取合适的飞秒激光脉冲能量、束腰半径、脉冲波长以及微粒与周围媒质的相对折射率,微米尺寸的微粒完全能被飞秒激光稳定捕获。综合考虑被捕获微粒所受的脉冲式光学梯度力、重力和布朗惯性力的作用,讨论了飞秒激光光镊轴向光学梯度力的脉冲式特点及实现稳定捕获的条件。

介绍了掺杂稀土元素的光纤非线性增强的机理,给出了几种常用的掺杂稀土元素光纤和波导的非线性数据。掺杂稀土元素的光纤的非线性较之普通石英光纤的非线性有较大地增强,然而掺杂稀土元素的光纤的非线性响应速度较慢,并且和抽运光以及掺杂浓度相关。实验研究了铒镱共掺的光纤光栅的谐振增强型光学非线性,采用980 nm抽运光入射到光栅,用光谱仪观察光栅的透射谱。当抽运光入纤功率为100 mW时,可实现0.2 nm的光栅布拉格波长移动。实验证明掺杂稀土元素离子的光纤光栅具有很高的非线性,大约为普通光纤光栅的106倍,这种光栅在全光开关等领域具有一定的应用价值。

多灰度图像的激光标刻是目前激光标刻中研究最为活跃的内容之一,但目前多灰度标刻的软件主要存在标刻后图像不逼真、缺乏层次感且对失真图像矫正效果不理想等缺点,在利用5×5固定模板实现图像多灰度标刻的基础上,考虑到图像中相邻像素点的灰度关系,对除边缘像素点外的每个像素点在3×3窗口范围内进行差分运算,提取该像素点在局域内的纹理特征,并据此来选择模板实现多灰度图像标刻。另外,利用拉格朗日二次抛物线插值法对输出图像的位置坐标进行矫正,矫正公式中x方向和y方向的最大畸变量分别为80和90,基本上能消除双振镜扫描引起输出图像几何畸变的影响。标刻的图像能很好地表现原图像的信息,且实现算法简单,图像质量得到了明显改善。

对一种新型可擦重写有机光致变色材料――俘精酸酐/聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)薄膜的光致变色双稳态吸收光谱进行了测量,呈色态的吸收峰在513 nm,无色态的吸收峰在370 nm。利用该双稳态特性,在10 μm俘精酸酐/PMMA薄膜上进行全息图像光存储。实验用氩离子激光器514.5 nm波长作为记录光源,测量了衍射效率与曝光量的关系,最大衍射效率约为1%,最佳曝光量约1 J/cm2。获得了存储于样品上的全息干涉条纹和参考光再现的衍射像,分析了影响衍射图像像质的因素。记录在样品上的全息图在室温下黑暗处可以保存一年以上,用紫外光可以擦除记录的全息图,进行多次记录、读出和擦除操作。结果表明,俘精酸酐可以作为一种性能优良的可擦写全息光存储材料。

由于受到各种大气湍流、热晕等因素的影响,强激光在大气传输中会产生波前畸变,利用光学相位共轭技术可以补偿激光大气传输造成的波前畸变,提出了利用预倾镜方法实现对运动目标跟踪瞄准同时补偿波前畸变,对此项技术进行了室内模拟实验。实验结果表明采用预倾镜方法的有效性。

空间激光通信中的常用调制方式是脉冲位置调制(PPM),雪崩光电二极管(APD)具有高增益、高灵敏度和响应速度快的特点,因而成为空间激光通信中的首选信号探测器件。针对空间激光通信的脉冲位置调制信道,分析了空间光通信系统中雪崩光电二极管探测噪声的特点和类别,根据小波变换具有提取信号局部特征的能力,提出了一种基于小波变换的雪崩光电二极管信号检测方法。采用四种不同的阈值选择算法选取小波系数以恢复信号,并进行了初步的仿真实验和分析。结果表明,自适应阈值选择算法取得的信号恢复结果最佳,可有效减弱强背景噪声的影响,提高雪崩光电二极管信号检测系统的性能。

与传统电磁式电流互感器相比,基于法拉第效应的光纤电流传感器有许多明显的优点,因而获得了广泛的研究。光纤的固有双折射是影响传感器精度的主要原因,如何消除双折射也是研究的关键问题。这种双折射不仅与光纤本身的性能有关,还与工作时的环境温度、振动等因素有关。当传感头受到强烈振动时,所产生的机械应力将使传感光纤的固有双折射发生变化,影响输出光的偏振态,使传感器精度下降。提出了一种对称型的传感器结构,采用两套相同的光源及探测器,使传感光纤中形成传播方向相反的两束光,利用应力双折射的互易性补偿振动影响。实验表明,该结构可使传感器性能得到明显的改善,在10 g的振动强度下,测量结果的线性度达到了±0.3%以下。

提高光纤布拉格(Bragg)光栅传感器响应灵敏度是提高光纤布拉格光栅传感系统检测精度的有效途径之一。基于弹性聚合物材料封装和金属波纹管封装对光纤布拉格光栅应力响应的增敏作用,提出了一种新颖的应力响应增敏的高灵敏度光纤布拉格光栅压强传感器模型。推导了该传感器的压强与布拉格波长相对偏移量之间的关系,给出了该传感器压强响应灵敏度系数的解析表达式。表明该传感器布拉格波长相对偏移量和压强之间具有良好的线性关系,同时也指出通过适当选择弹性体的弹性模量、波纹管弹性系数等特性参数,以及它们的尺寸,就可以方便地调整该传感器的压强响应灵敏度系数。该传感器压强响应灵敏度系数实验值高达-4.35×10-9 Pa-1(-6.74 nm/MPa),是裸光纤光栅压强响应灵敏度系数的2197倍,理论值为-4.6×10-9 Pa-1,实验值与理论值吻合得很好。

193 nm光学薄膜是100 nm步进扫描光刻机系统中主要用到的光学薄膜。分析了膜料光学常数的不确定性、高折射率膜材料消光系数、水吸收以及膜层表面粗糙度对薄膜光学性能的影响。结果表明,要镀制出反射率大于98.5%的高反膜,必须将高折射率材料的消光系数k控制在0.0034以内,同时膜层表面的粗糙度σ控制在1 nm以内。膜层性能同时还受其使用环境中水气含量及其水气中杂质含量的影响,要减少膜层水吸收的影响,就必须提高薄膜的致密度,采用离子成膜技术,或者改变膜层的使用环境。在考虑相关因素的前提下,设计了在光刻机曝光系统中主要用到的增透膜、高反膜,并分析了其实际性能与设计结果存在差别的原因。

激光直接制造技术(LDM)是基于快速成形和激光熔覆技术而发展起来的直接快速柔性制造先进技术,尤其适用于传统方法难以制造的特种材料或特殊形状金属零件。基于太空望远镜准直器特定的形状和材料要求,运用层叠激光熔覆直接制造方法,研究了W和W/Ni合金的多道熔覆特性、微观组织和激光直接制造过程的稳定性。研究表明,W和W90Ni10多层激光熔覆时后续熔覆层的宽度会越来越窄,最终形成三角形截面;而W60Ni40和W45Ni55合金具有良好的成形效果。采用激光功率2000 W,光束直径3 mm,扫描速度0.3 m/min,送粉速度8 g/min的优化工艺参数,直接制造出高度为307 mm,直径为191 mm,壁厚为3 mm,平行度不低于2/1000的圆柱状W60Ni40准直器,未出现裂纹和明显的气孔。结果表明激光直接制造技术可以制造出高质量的传统方法难以制造的特殊材料和形状的金属零件。

钛合金表面涂覆羟基磷灰石(HA)用作硬组织植入体,既有优良的力学性能,又有优良的生物相容性,是材料学和生物医学中的研究热点。基于CaCO3+CaHPO3?2H2O在高温下能反应生成羟基磷灰石,以及激光熔覆技术能够制备与基体材料结合良好的陶瓷涂层的事实,尝试了利用激光处理在钛合金表面同步合成与熔覆羟基磷灰石生物陶瓷涂层的新技术。实验表明,以80CaCO3-20CaHPO3?2H2O,另加1%Y2O3为原料,在功率密度13～15 W/mm2,扫描速度630 mm/min的处理条件下,在TC4钛合金表面成功地制备出以羟基磷灰石为主的、具有梯度特征的生物陶瓷涂层。该涂层由表及里钙含量逐渐减少,钛、钇递增,磷则是先增加后减少;致密度由表及里呈现出逐步提高的特征;显微硬度则逐渐降低。

建立了移动光源下三维瞬态、对流/扩散固、液、糊状区及相变,多相区统一的激光熔凝数学模型。该模型主要解决了已往模型必须将固态和液态分开计算然后进行耦合且不能计算糊状区的缺陷,这种方法能够反映糊状区的存在及固液相变过程中潜热的吸收和释放的影响且在计算过程中自动跟踪糊状区位置,无须人为划分相区。根据数学模型的特点,建立了一套固定网格的数值求解方法。通过熔池深度的计算与实验值的比较验证了模型的正确性。进一步研究了表面张力、浮力等驱动力与激光熔池形状几何尺寸的关系。计算结果指出,表面张力和浮力驱动熔池内熔体的对流存在一次环流和二次环流。一次环流使熔池变宽、变浅,二次环流使熔池底部出现凹坑。实验印证了计算结果。

利用Nd∶YAG激光器,对40Cr钢进行了激光冲击强化处理。激光冲击强化参数

板料激光弯曲成形是一种柔性、无模成形新工艺,它通过激光扫描金属板料所导致的非均匀热应力使板料产生塑性变形。材料的性能参数(包括力学性能与热物理性能)对激光弯曲成形的影响很大,通过三维热机耦合有限元仿真研究了材料性能参数与板料激光弯曲角度之间的相关性,研究表明,小弹性模量、低屈服强度的材料容易产生大的弯曲变形。热膨胀系数与弯曲角度之间成正比关系,当热膨胀系数趋于零时,弯曲角度也趋于零。小的热传导系数有利于形成大的温度梯度,从而使板料产生大的弯曲变形;比热越小,加热区内材料的温升越大,使板料容易弯曲变形。

在20Cr2NiSiW基体上熔覆添加碳化钨的镍基合金,对熔覆层的应力状态进行了分析。未预热的熔覆层存在热应力的残余应力峰值700 MPa,和相变应力的残余应力峰值850 MPa。熔覆件整体的熔前预热和熔后保温,可以改善熔覆层的应力分布。消除部分热应力和相变应力,残余应力也有所降低。虽然仍呈现熔覆层受拉应力,热影响区受压应力的状态,但热应力的峰值降到510 MPa,热应力峰也从表面移到了熔覆层的中部。界面的相变拉应力峰被消除,得到了应力分布状态较好的激光熔覆层。在未预热的熔覆层内,先共晶的奥氏体枝晶的生长,从界面开始逆温度梯度方向定向生长,直到熔覆层的表面。而在预热的熔覆层内,先共晶的奥氏体的生长方向变为从熔池的四周垂直于熔池的边界生长,到熔覆层的中部结束。

针对动物模型伤口的光生物调节作用,用He-Ne激光对人正常皮肤成纤维细胞增殖的促进作用作为细胞模型,研究了麻醉药氯胺酮的影响。用MTT法测定细胞增殖作用,分别研究了1.56 mW/cm2 He-Ne激光(0,10,30,100和300 s照射)对人正常皮肤成纤维细胞的增殖作用和氯胺酮(0,0.6,1.2和2.0 μg/mL)预处理对He-Ne激光(300 s照射)细胞增殖作用的影响。氯胺酮(0.6,1.2,2.0 μg/mL)预处理能抑制468.7 mJ/cm2 He-Ne激光促人正常皮肤成纤维细胞增殖的作用。这说明动物实验中用于麻醉的药物可能对激光促进伤口愈合的实验结果有影响。