利用半导体激光器端面抽运Nd3+:YAlO3(Nd:YAP)晶体,采用五镜环形谐振腔及KTiOPO4(KTP)晶体进行内腔倍频,同时获得了0.54 μm和1.08 μm双波长连续激光输出。计算并比较了谐振腔的两个凹面镜在取不同曲率时形成的基频光腰斑半径,及凹面镜在不同的入射角度下引起的像散,最终确定两凹面镜的曲率半径均为100 mm,其入射角度小于3°,以提高倍频效率。改进冷却和控温系统,并选取掺杂浓度较低(0.6 at.-%)的Nd:YAP激光晶体,以降低激光介质的热透镜效应。在光抽运功率为10 W,稳频伺服系统运转下,绿光和红外光的输出功率分别为1.02 W和700 mW,频率稳定性优于±484 kHz和±240 kHz,功率波动小于±0.65%和±0.5%。

讨论了隧道再生大功率半导体激光器内部的热源分布,利用有限元方法模拟计算了其在脉冲工作下的二维瞬态热分布,同时测量了不同时刻波长的漂移量并换算为温升值,与计算结果进行了比较,二者基本吻合。模拟结果还表明靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度;用金刚石-铜热沉替换铜热沉,还可以很好地降低器件内部温升,使隧道再生大功率半导体激光器能够高效工作。

报道了光纤耦合激光二极管端面抽运Nd:YAG晶体,Ⅰ类临界相位匹配LBO腔内倍频的473 nm全固态蓝光激光器。通过对准三能级系统进行分析,采用国产普通Nd:YAG晶体棒作为工作物质。将热效应因素考虑在内,设计出对热效应不敏感的短三镜折叠腔,通过改善致冷条件,在14 W的抽运功率下获得了1.1 W TEM00模连续473 nm蓝光输出,光-光转换效率达7.9%。阈值仅为2 W。讨论了获得更高输出功率的可能性。

在高重复频率、高光束质量的主振荡功率放大器(MOPA)激光系统中,要求主振荡器输出的激光束具有稳定平滑的时间和空间分布,以及长的相干长度,即要求百分之百的单纵模几率和TEM00模输出。随半导体激光器(LD)技术的进展,LD抽运的固体激光器(DPSL)逐步成为MOPA激光系统中主振荡器的首选。故研究LD抽运单纵模固体激光器,对提高MOPA激光系统的性能,推动MOPA激光系统的发展和应用都具有重要的意义。通过合理排列光学元件在谐振腔中的位置,控制LD聚焦点在Nd:YAG中的深度,大大减小驻波效应对模式的影响,研制成功LD端面抽运,并采用消除LN晶体电光调Q 中“光弹效应”技术的固体激光器。不用附加选模元件,获得50～100 μJ较大能量的单纵模激光。在重复频率40 Hz时,输出能量90 μJ,脉宽约12 ns,长时间运转保持单纵模几率100%,能量稳定性±1.5%,满足了MOPA激光系统对主振荡器的要求。

以激光二极管(LD)环形阵列侧面抽运Nd:YLF棒高增益放大器模块为基础,在经典的平凹驻波腔中加入一片Cr4+:YAG晶体作为被动Q开关,利用被动Q开关本身所具有的振荡选模功能以及两端不镀膜的Nd:YLF棒所具有的标准具效应,简便地实现了稳定的单脉冲、单纵模调Q输出。振荡器输出脉冲平均宽度为9.3 ns,脉冲宽度稳定性达到8%(RMS);输出脉冲平均能量为1.218 mJ;单脉冲能量稳定度优于3%(RMS),对应峰值功率达到0.13 MW。同时该振荡器长时间工作过程中单纵模输出几率始终优于99%,这种单纵模振荡器结构简单,性能稳定可靠,适合于实际应用以及产品化。

报道了一种采用大光学腔结构的InGaAs/GaAs/AlGaAs应变量子阱高功率半导体激光器。在量子阱能级本征值方程的数值求解基础上,优化了InGaAs阱层材料的In组份含量;采用大光学腔结构以有效降低垂直于结平面方向的光束发散角及腔面的光功率密度,实现器件的高功率、低发散角光。设计的激光器外延结构采用分子束外延（MBE）方法生长,成功获得具有较低激射阈值的940 nm波长激光器外延片。对100 μm条形,1000 μm腔长的制备器件测试表明,器件的最大连续输出功率达到2 W,峰值波长为939.4 nm,远场水平发散角为10°,垂直发散角为30°。器件的阈值电流为300 mA。

介绍了一台毛细管快放电软X射线激光实验装置,包括Marx发生器,Blumlein传输线和毛细管放电室等。在充入相同气压的气体(70～90 Pa)和相同主脉冲(电流峰值30 kA,上升沿30 ns）放电条件下,通过观测其放电后的真空紫外波段辐射,对分别采用该装置固有的幅值为7 kA和外加的幅值为30 A的两种预脉冲时,聚乙烯毛细管和陶瓷毛细管的管壁烧蚀情况进行了研究。实验结果表明,采用7 kA预脉冲和聚乙烯毛细管时,管壁烧蚀量大,导致真空紫外波段的积分谱呈连续状;而采用10～30 A的预脉冲和高纯度陶瓷毛细管时,则有效地减少了管壁烧蚀量,谱线分辨性好。为进一步提高X射线激光能量转换效率、获得均匀等离子体柱、进而获得激光放大提供了依据。

系统可靠性设计使用电路容差分析技术来保证电路特性获得稳定而可靠的输出,对于稳定性和可靠性要求高的系统进行容差分析尤其必要。能源系统作为惯性约束聚变(ICF)激光装置的重要组成部分,其可靠性直接关系到激光装置的稳定运行。能源系统电路的容差设计与分析,是激光装置可靠性设计分析必不可少的工作项目之一,对提高能源系统的可靠性进而保证整个激光装置的稳定运行具有重要意义。给出了能源系统电路设计图及其规定功能,然后在对容差设计模型进行一般性描述的基础上,利用随机优化设计方法,建立了能源系统电路容差设计随机优化模型,并对模型的设计变量、随机参数、设计准则、约束条件等进行了详细说明,最后给出了计算机仿真方法求解模型的流程及模型的可行解集。

在微棱镜侧面抽运耦合的基础上提出利用缠绕光纤的方法,将光纤进行并排缠绕到一跑道型的物体上,利用微棱镜将抽运光进行侧面多处抽运耦合进入光纤,利用粒子数速率方程和信号光及抽运光的传输方程进行了相关的数值模拟,分别讨论了在端面抽运和侧面抽运两种方式下,各处抽运功率相同和总抽运功率相同时增益随光纤长度变化的情况,发现多点耦合的确能够有效地提高信号光的增益。讨论了弯曲损耗和过剩抽运光对信号光增益的影响,结果表明光纤的弯曲半径不要太小以致于产生太多的损耗从而导致增益降低,而剩余的抽运光可忽略不计。这种方法不仅为微棱镜的制造和实验操作带来了方便,而且有效地提高了光纤放大器信号光的输出增益。

提出并实验研究了几种可以提高激光反馈扫描显微镜轴向分辨率的方法,一种方法是对常规激光反馈实验中的探测技术进行了改进,用渥拉斯顿棱镜把垂直偏振光分开探测,轴向分辨率可以提高约2.9倍;另一种方法是用双频激光器中产生的偏振态相互垂直的o光和e光作为反馈光代替了传统的单一光的反馈,轴向分辨率被提高了约2倍;第三种方法是用双频激光器中产生的o光或e光作为反馈光,轴向分辨率可以提高约2.5倍。实验结果表明,利用偏振态相互垂直的光之间的模竞争效应可以有效地提高扫描显微镜的轴向分辨率。

分析研究了相干光与具有空间反演对称非线性介质作用的压缩性质。对于一种非线性介质,其势能具有空间反演对称性,在此情况下介质的偶次极化率为零,对介质极化起主导作用的是它的三次极化率。因此,单模光场与此介质相互作用的哈密顿量正比于光场的湮灭算符与产生算符和的四次方。也就是说在计算相干光通过这种具有空间反演对称介质时考虑到所有的能量非守恒项的作用。对于一单模光场,定义两个无量纲的正交振幅算符,它们分别与坐标和动量算符成正比。利用海森堡运动方程,得到这两个正交算符的方程,并算出其近似解,然后计算这两个量的量子涨落。结果表明,可通过调节耦合常数、入射平均光子数、入射光频率、相互作用时间等参数来控制光场振幅算符分量的压缩性质。

实验上实现了TEA CO2激光在AgGaSe2非线性光学晶体中的倍频光产生。着重研究了TEA CO2激光的能量、脉冲重复频率以及基波的焦点位置对于倍频光输出的影响。实验中得到了倍频光的角度调谐曲线,将入射光聚焦在晶体的中心区域,获得最大倍频光输出能量为1.32 mJ。脉冲能量转换效率为2.4%,主脉冲的最大转换效率为4%。还分析了脉冲重复频率的变化(<10 Hz)对倍频转换效率的影响。实验结果发现抑制倍频转换效率的主要因素为晶体的光学质量、激光脉冲低功率密度的拖尾以及激光脉冲的不稳定。特别由于脉冲附带长的拖尾加剧了热透镜效应,使得脉冲重复频率的增加引起转换效率的降低。

从理论上研究了有偏压的光伏光折变晶体中低振幅屏蔽光伏孤子对的特性,给出了明-明、暗-暗屏蔽光伏孤子对的单孤子解。它们起源于对外电场的非均匀空间屏蔽和光伏效应,不同于起源于对外电场非均匀空间屏蔽孤子和起源于光伏效应的光伏孤子,具有有趣的特性。当光伏效应可忽略时,它们的非线性波动方程就转化为低振幅屏蔽孤子对的非线性波动方程,它们就转化为低振幅屏蔽孤子对;当外偏压为零时,它们的非线性波动方程就转化为低振幅闭路和开路光伏孤子对的非线性波动方程,它们就转化为低振幅闭路和开路光伏孤子对。如果载体光束具有相同的偏振和波长以及互不相干时,这些孤子对就能得到,相关的例子在光伏光折变晶体铌酸锂(LiNbO3)中给出。

报道了利用自行拉制的具有大空气比、小纤芯的非均匀微结构光纤同纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用的试验研究。大空气比所带来的大折射率差能将传输的光场强烈地局域在纤芯中,大大增强了非线性效应,所以在1～2 cm的传输距离内,便有白光产生,传输60 cm后,输入的24 nm,35 fs飞秒脉冲就展宽成超过一个倍频程(Octave)(390～1050 nm)的超连续光谱,并且由于其包层具有非均匀分布的大小不等的空气孔,从而在传输过程中观察到由这种结构形成的非完全光子带隙影响下,侧向光泄露呈现颜色变化的新现象。

用菲涅耳衍射和振幅全息的理论,分析了数字全息的物像关系和再现像的分辨率,并进行相应的数值模拟和实验研究。研究结果表明

在无线光通信系统中,光强闪烁和大气衰减等因素将使通信系统产生长突发误码,结合Turbo码,建议并分析了两种差错控制方案中时间参数的特性。对于Turbo码+信道交织的差错控制方案,仿真分析了不同信道交织深度下的无线光通信系统性能,给出了特性曲线。对于Turbo码+反馈重发(ARQ)的方案,仿真结果表明反馈环路延迟时间的变化不影响系统的平均吞吐量,但是将影响平均数据传输延迟和重发次数的概率分布。

提出了一种直接用龙格-库塔迭代算法全面求解光纤拉曼放大器传输方程的方法。求解中不作任何假设近似,综合考虑了抽运、信号、噪声在传输过程中的相互作用。该方法推导过程简单,计算速度较快,能达到较高的精度要求,且有助于深入理解光纤拉曼放大器中各种效应在传输过程中的相互影响。采用此方法成功地在100 nm带宽上求得信号增益,取得了较好的增益平坦度。同时给出了抽运功率在光纤传输线上的分布,进而给出了各个波长上的噪声系数。该方法非常适合应用于超宽带多波长抽运光纤拉曼放大器的工程设计。

报道一种采用三个发射器、具有自动跟踪功能的无线激光通信系统。描述了系统结构的总体设计、关键的光学、机械和伺服控制单元,包括多个800 nm波段激光发射器,980 nm信标激光发射器,光电接收器,位敏探测器,步进马达和自动跟踪微处理器等。1.3 km的工作距离下的传输实验结果表明,在155 Mb/s的传输速率下,24 h连续运行情况的无误码秒百分比达到98%以上。622 Mb/s传输速率下8 h时统计无误码秒百分比可达95%,平均误码率低于10-9。实验表明多发射器和自动跟踪技术改进了激光无线通信系统的可靠性。

利用琼斯矩阵理论,建立了非保偏光纤光栅环形激光器偏振特性的简化分析模型。通过实验验证,利用此模型的分析结果与实验结果是一致的。分析表明,采用非保偏光纤制成的激光器,能够得到较稳的功率输出,但偏振态紊乱;而简单地加入起偏器会使激光器的输出功率稳定性发生恶化,而且偏振特性也得不到改善。而要利用非保偏光纤实现单偏振输出,必须对激光器采取特殊的偏振控制措施。

报道了一种新型高功率超宽带光纤光源。利用980 nm激光二极管(LD)和1480 nm LD双向抽运掺铒光纤,经光纤环镜反射后,得到C+L波段自发辐射谱。通过调整980 nm LD和1480 nm LD的功率,在1524.0～1600.6 nm(76.6 nm)范围内,自发辐射谱功率高于-18.8 dBm,并且在1539.2～1600.6 nm(61.4 nm)范围内,自发辐射谱的平坦度为2.8 dB。总荧光功率为22.1 mW,转换效率为18.8%。如果不加环镜,并且保持相同的抽运条件,得到的放大自发辐射(ASE)谱宽在1525～1565 nm的C波段范围,其总的荧光功率为7.1 mW,转换效率仅为6%。通过分析加环镜情况与不加环镜情况下所得到的自发辐射谱,以及加环镜情况下采用不同的抽运方式得到的自发辐射谱,最终得出结论,通过加环镜,并且用980 nm LD和1480 nm LD双向抽运,得到了具有最佳效果的超宽带光纤光源。实验过程中通过调整980 nm LD和1480 nm LD的功率,曾得到28.5 mW的荧光功率,转换效率为22.3%。

从带五次非线性项的扩展非线性薛定谔方程出发,重点考虑了五次非线性对常用的自聚焦光纤中反常色散区调制不稳定性的影响。研究结果表明,当入射功率较小时,五次非线性对调制不稳定性的影响并不明显,这说明了当入射功率很小时,忽略非线性薛定谔方程中五次非线性项的做法是合理的;随着入射功率的增加,五次非线性对调制不稳定性的影响越来越大,这种影响主要表现为五次非线性增大了调制不稳定性频谱的范围及增益值,并最终减小了使调制不稳定性发生的入射功率范围;当入射功率继续增加,超过一定的阈值条件时,调制不稳定性不能发生。

在宽带密集波分复用(DWDM)系统中,后向抽运分布式光纤拉曼放大器(B-DFRA)会引入在小信号条件下无需考虑的两种效应

光子晶体光纤(PCF)是由石英和空气孔构成的二维周期性介电常数分布的微结构光纤,人们已经提出了一些理论方法用于其模式特征的研究。以全反射光子晶体光纤为例,将其折射率结构分解为一个纯粹的中心缺陷结构和一个完美二维光子晶体的叠加,并分别选取厄米-高斯函数和余弦函数对其周期性折射率展开;同时将横向电场分布的x,y分量用正交归一化厄米-高斯(Hermite-Gauss)函数展开。从电磁场的波动方程出发,忽略横向电场之间的耦合,根据折射率和电场的展开式,得到关于各展开系数的矩阵和模式的特征方程。特征方程中涉及的各矩阵元素都可以利用厄米-高斯函数的正交归一化性质及其他一些恒等式解析求得。求解该特征方程,可得到光子晶体光纤的传播常数和模场分布。利用此算法,可以进一步研究光子晶体光纤的模式特性、色散特性、偏振特性等。

采用宽带相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术测量了甲烷-空气预混火焰温度场分布,并分析了温度测量的不确定度。建立的宽带CARS实验系统采用非稳腔空间增强探测(USED)相位匹配构造,其横向空间分辨率约0.1 mm,纵向空间分辨率约3 mm,该系统能实现10 Hz重复频率测量火焰瞬时温度。采用宽带非稳腔空间增强探测CARS在甲烷-空气预混火焰中获得了单次激光脉冲的高信噪比氮气Q支CARS实验谱,用CARS理论计算软件拟合理论谱和实验谱确定了预混火焰的温度随高度的分布,采用单次激光脉冲的氮气Q支CARS实验谱测量火焰温度的不确定度小于5%。

研制成功一套30 km远程分布光纤拉曼温度传感器(DOFRTS)系统,采用了新的光纤放大的反斯托克斯背向拉曼自发散射测温原理和1550 nm掺铒光纤激光器作为抽运源及高速瞬态波形采样技术,累加平均等信号处理技术,提高了信噪比,解决了弱信号检测问题。使用智能化恒温技术,使主要元器件在恒温条件下工作,解决了工程应用中环境的适应性问题。经鉴定,远程分布光纤拉曼温度传感器系统的主要技术指标如下

讨论了探测器的观测空间转换问题。介绍了一种用神经网络建立的从电信号特征参数到光路参数的光路反模型的方法。根据四像限光电探测器的两路输出信号在过零点附近时间段的逼近直线的斜率和截距与光电探测器的三自由度安装位置,以及探测器光敏面的离焦量的特殊关系,建立了称之为模型1的四像限光电探测器光路逆模型。同时以探测器特定时刻输出电压作为观测量,建立了称之为模型2的探测器光路逆模型。并以探测器光敏面的离焦量为例,给出了两个模型的实测值和模型1的重复性测试值。重复性测试值表明,模型1的最大重复测试误差只有0.015 mm。实测结果证明,模型1的检测精度可以达到微米级,而用探测器特定时刻输出电压建立的逆模型的检测精度只能达到毫米级,这证明用探测器输出信号过零点附近时间段的逼近直线参数作为观测信号优于用输出信号特定时刻电压作为观测信号。

材料表面吸收激光辐照的能量后,产生瞬态温度场,引起表面层的局部热膨胀,产生超声波沿不同方向传播。激光超声具有非接触、宽频带、多模态的特点,提供了材料的弹性性质和材料无损检测的有效手段。考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的特性,用有限元方法数值模拟激光在板状材料中激发瞬态温度场,建立热弹机制下超声导波的产生和传播的有限元模型。数值模拟的结果表明

激光热处理应用研究中,当激光作用区临近工件边界时,防止边界熔化并让边界获得满意的热处理是必须认真处理的重要问题。实验研究表明,根据被处理工件的边界形状设计光阑并将光阑放在合适位置,可以有效地避免边界损伤并获得高质量的处理结果。为简化热作用研究,通常可以将被处理材料视为热物性参数为恒量的连续介质,而当处理工件的边界由相交平面边界构成时,可以通过引入适当的像热源来处理边界问题,因此,用这种热处理温度场的半解析计算方法可以满意地获得边界附近的瞬态温度场。提出了一种边界保护的简单方法,并利用激光热处理温度场的半解析计算方法作出证明。研究结果表明,合适选择边界保护宽度,不但能够有效保护边界,并能在边界附近得到深度均匀的硬化带。

生物组织的光热作用表现为光凝固、气化、碳化等不同的热效应,激光能量在生物组织中不断累积、扩散,由此引起生物组织产生不同程度的热效应和热损伤。在激光辐照下生物组织的热传输和热平衡机理分析的基础上,深入讨论了被作用靶组织产生的温升、热损伤和激光曝光时间三者之间的相互关系,随着吸收的光能量的增加,热源扩散使得靶组织的温度升高,温升分布将由一个δ函数扩展为一个正态分布,同时,温度升高又伴随着不同程度的热损伤。理论证明,组织温升是激光外科的一个重要因素。临床中由于缺乏被作用组织真实温升的监测措施,为了达到某种治疗效果,要么调高或者调低激光输出功率,要么延长或者缩短曝光时间,这些都可能造成靶组织的过度热损伤或者是照射剂量不足。