谐振腔光纤陀螺(R-FOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。在谐振腔光纤陀螺系统中,信号检测系统占有非常重要的地位,其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率。光纤环形谐振腔是谐振腔光纤陀螺的核心敏感部件。采用两种频率的锯齿波组合调制,考虑激光器有限光谱线宽条件下,采用洛仑兹线型描写光纤环形谐振腔的输出光强表达式。针对输出光强与谐振频率偏差在靠近谐振点附近的近似线性关系,利用多次反馈频率操作来依次跟踪谐振腔光纤陀螺顺时针和逆时针光束的谐振点,从而避免了谐振频率偏差复杂的求根算法。仿真结果表明,多次反馈频率操作,可以较快地锁定到谐振点。

采用正交函数算法,提出了一种新型椭圆孔光子晶体光纤的本地正交函数模型。采用两种周期性结构的叠加构造超格子,用以表征光子晶体光纤(PCF)的横向折射率分布,同时将横向电场展开为Hermite-Gaussian函数。从电磁场的波动方程出发得到关于传播常数的本征方程。进而得到光子晶体光纤的传播常数、模场分布、偏振特性等传输特性。应用此模型讨论了椭圆孔光子晶体光纤基模两个偏振模式的双折射和群速度走离特性。研究表明,椭圆孔光子晶体光纤具有较大的模式双折射和群速度走离,双折射、群速度走离与频率的依赖关系和普通保偏光纤不同。另外椭圆孔光子晶体光纤还可实现在单模区同时保持高双折射和零群速度走离,可用于研究光纤的非线性。

提出一种应用线阵CCD自动测量圆度误差的新方法。论述了系统利用劳埃德镜干涉装置,通过线阵CCD图像处理系统自动测量圆度误差的工作原理及过程设计。测量结果表明,新的测量方法实现了圆度误差的实时精确在线测量。该测量系统具有一定的实用价值及较广阔的应用前景。

计算了普遍采用的二阶单发自相关仪光路中的分束片的色散引起的超短脉冲展宽量,指出在脉冲极短时该展宽将导致不准确的测量结果(例如,对于脉冲宽度为3 fs左右,通过100 μm厚度的K9玻璃分束片,脉冲展宽将达到10%)。基于计算结果,提出了一种新型的采用全反射结构的单发二阶自相关仪设计,通过分波面的方法改变了自相关仪的分束方式,避免了采用透射分束光学元件引起的色散。采用这种全反射式结构的二阶单发自相关仪,可以使自相关测量方法测得的脉冲宽度更为准确,计算得出理论上其最小时间分辨率可达3.6 fs。

利用激光熔覆的方法在纯钛表面制备了羟基磷灰石(HA)生物陶瓷梯度涂层,通过电子探针和X射线衍射仪(XRD)对不同工艺参数下制备的涂层进行了微观组织观察和物相分析。实验结果表明,当激光功率为600 W,扫描速度为3.5 mm/s时,在纯钛表面可获得组织致密结合形态好的HA生物陶瓷梯度涂层,涂层的组织为胞枝晶和枝状晶,与人体骨组织的结构相似,主要由生物活性较好的HA相以及α-Ca2P2O7,Ca3(PO4)2等钙磷相组成,涂层下部的Ca,P的原子比例与HA中的Ca,P的原子比例相当,涂层表面因P的丢失而使其比例略高。随着功率的提高,涂层组织出现了少量的微孔,微孔的出现有利于骨组织在其上面植入生长,但涂层中Ca,P的原子比例升高,涂层的生物活性降低。随着扫描速度的加快,涂层熔化不充分,组织疏松,强度降低,影响了其使用。

对基于多周期极化铌酸锂晶体(PPLN)的信号光单谐振准相位匹配光学参量振荡器(QPM-OPO),进行了温度调谐的理论和实验研究。以激光二极管(LD)端面抽运的声光调Q Nd∶YVO4全固态激光器为抽运源,获得了1369.7～1678.8 nm无重叠波段连续可调谐输出。给出了1064 nm Nd∶YVO4激光器抽运下,由PPLN的极化周期和温度直接计算输出信号光波长的公式,以及由信号光波长和极化周期计算相应的晶体温度的公式。这样就可直接计算实现无重叠波段连续可调谐输出时不同极化周期所对应的温度调谐范围,而不必联立能量守恒和动量守恒公式,逐点进行尝试。另外,周期极化晶体的极化周期不可避免地较理想值有一定的偏移,且具有不均匀性,给出了利用实验获得的温度调谐曲线,对极化周期进行修正计算的方法。

研究了多谐波固体激光器在气体中的受激拉曼散射,获得了多波长激光输出。利用Nd∶YAG激光的二倍频、三倍频及四倍频的激光输出在氢气和甲烷气体中的受激拉曼特性获得多个波长的拉曼输出,波长范围覆盖紫外到可见光甚至近红外。列出了常用的几种拉曼工作气体,其中氢气和甲烷各有优缺点,而两者的混合气体一方面弥补了氢气频移过大的缺点,另一方面抑制了甲烷的易分解性。利用缓冲气体和混合气体优化拉曼激光的输出。给出了24个拉曼波长的功率输出数据,其中功率较大的有13个波长。多谐波固体激光与受激拉曼散射结合的多波长拉曼激光器在激光雷达等领域有广泛的应用。

介绍了抽运腔在半导体侧面抽运固体激光头中的应用。运用光线追迹的方法,从理论上分析了抽运腔对抽运光在晶体中的吸收效率和相对强度分布的影响,然后对无抽运腔、有抽运腔、抽运腔内表面经过镀金处理、抽运腔内表面经过抛光和镀金处理四种情况进行了实验研究。从理论模拟和实验结果中可以看出,抽运腔及其内表面的处理质量对激光头输入输出性能有很大的影响。

研制了用于光干涉测量的单稳频、窄线宽光栅外腔半导体激光器(LD)。它由出光面镀有增透膜的单管半导体激光器、光束校正准直系统、闪耀光栅、注入电流驱动系统及温度控制系统组成。闪耀光栅作为外腔光反馈元件对单管半导体激光器输出的纵模进行选择,使之工作在单纵模状态。外腔的引入还使输出光的谱线宽度得以大大压窄。注入电流驱动系统为半导体激光器提供工作电流。温度控制系统由双层温控组成。第一层用于控制单管半导体激光器管芯温度;另一层用于及时带走第一层温控产生的热量,并消除环境温度影响,使外腔温度稳定。该温控系统可使所构成激光器的温度稳定在1‰℃量级。对研制的外腔半导体激光器的特性进行测试,其输出功率恒定、模式单一稳定、谱线宽度优于1.4 MHz。

使用设计新颖的双台阶脉冲发生器产生双台阶电脉冲,为低压KTP晶体泡克耳斯盒提供调Q驱动,将端面抛光的Nd∶YLF棒置于激光腔中,采用二极管激光器抽运,通过调节第二台阶电脉冲的幅度和持续时间,利用预激光和标准具效应的选模特性实现了Nd∶YLF激光器稳定、低同步晃动的单脉冲、单纵模脉冲输出。脉冲宽度6.7 ns,脉冲能量1.156 mJ,峰值功率0.17 MW,单纵模几率100%,单脉冲能量稳定度3%,调Q触发电脉冲和输出激光脉冲相对时间抖动<4 ns。激光器外围电路简单,系统可靠性高,结构简单紧凑,容易调整。

报道了一种利用Ⅰ类临界相位匹配倍频晶体LBO的偏振器作用与石英晶体全波片的组合构成双折射滤光片的结构,获得了激光二极管(LD)抽运Nd∶YAG/LBO蓝光激光器的稳定运转,在注入抽运功率为1.2W的条件下获得了25 mW稳定的单频473 nm蓝光输出。

运用经典粒子动力学模拟方法,研究了飞秒强激光脉冲(1015～1016 W/cm2)与正二十面体构型氢原子团簇H13,H55,H147和H309的相互作用。通过模拟分析团簇的膨胀过程,发现团簇的膨胀是各向同性的,团簇的膨胀尺度R(t)/R(0)随团簇尺寸的增大而减小,即团簇尺寸愈大,与激光相互作用后膨胀碎解过程愈慢。研究结果表明,随着团簇中原子数目的增多,团簇库仑爆炸后所产生的离子的动能相应增大。由于正二十面体的对称壳层结构,离子动能分布具有尖峰结构。团簇库仑爆炸后离子的最大动能Emax与团簇库仑爆炸前的尺寸的平方成正比。且Emax随激光光强I增加而增大。但是当I增大到一定值Is时,Emax将出现饱和,这是因为I的增强已经不再改变团簇内原子的电离状态。随着团簇尺寸的增大,激光光强饱和值和离子能量将会继续提高。

采用抽运噪声和实虚部之间关联的量子噪声驱动的单模激光损失模型,运用线性化近似方法计算了反映激光动力学性质的光强关联函数C(t)和光强相对涨落C(0),讨论了光强关联函数随时间t的演化,分析了量子噪声实虚部间关联系数λq,抽运噪声强度P和量子噪声强度Q对光强关联函数C(t)随时间t演化过程的影响。发现C(t)随时间t的演化是单调衰减过程,但噪声强度的减小和量子噪声实虚部间关联的减弱会使演化曲线整体下移,说明噪声强度和量子噪声实虚部间的关联对C(t)随时间t的演化过程有较大的影响。当时间t增加时,C(t)与量子噪声实虚部间关联系数λq的关系曲线出现了一个极值和三个极值两种不同的情况。最后分析了线性化近似方法适用的条件。

在半导体激光器抽运的Nd∶YAG晶体半非平面单块固体环形激光器上,采用粘贴压电陶瓷(PZT)的方法实现了快速激光频率调谐。对尺寸为13 mm×14 mm×3 mm的单块激光器粘贴了厚度为0.5 mm压电陶瓷,并观测两台单块激光器之间的拍频信号。当调制频率小于100 kHz时,对压电陶瓷施加峰值为5 V的正弦调制信号,可观测到大于10 MHz的马鞍形展宽拍频信号,对应的PZT调谐系数大于1 MHz/V。当调制信号频率过高时,例如频率大于100 kHz,拍频信号变得非常不稳定,说明激光频率产生了明显的漂移,且拍频信号展宽的形状也发生了变化,拍频信号的中心部分由凹陷变为凸起。实验观测到的调制响应带宽约为100 kHz。

利用半导体激光器可直接对注入电流进行高速调制的特点,将20 MHz射频(RF)信号直接加在半导体激光器的高频调制端口,射频信号的一部分经过相移器后,与雪崩光电探测器(APD)所探测的饱和吸收光谱信号进行混频,经低通滤波器后产生了类色散曲线;将半导体激光器的输出频率稳定在铯原子D2线的6S1/2(F=4)→6P3/2(F′=5)的超精细跃迁线上,实验所测的10 s内典型的频率起伏小于1 MHz;这种稳频技术不需锁相放大器,具有可避免低频段较高的强度噪声和较大的频率捕获范围的优点。

采用大口径、高功率激光二极管(LD)阵列的大型全固化二极管抽运激光系统(DPSSLs)能够产生高功率、大能量、高重复频率的优良激光。为了实现对介质的高效抽运,将空心透镜导管应用于大口径高功率激光二极管阵列耦合系统。基于三维光线追迹的数值计算方法,编制了LD纵向抽运耦合系统模拟软件,对空心透镜导管进行模拟与设计,使系统耦合效率超过90%的同时,增益介质表面抽运场具有良好的均匀性,实现了对介质的高效均匀抽运;同时通过改变空心透镜导管的参数进行模拟比较,得出了空心透镜导管设计的经验公式,为大型DPSSLs耦合系统的设计提供了有益的参考。

应用二维哈特曼(Hartmann)波前测量系统,对光束在二维低速热射流传输中的气动光学效应进行了测量。应用模式法,通过孔径斜率进行了波前重构,结果表明热射流使波前产生较强的随机畸变。同时通过对子孔径波前斜率的时间变化测量结果进行了相关函数计算,计算显示出互相关函数随空间相对位置表现出一定规律的变化,由此分析了热射流场中涡结构的运流速度、涡结构尺度等湍流中重要的特性。这些初步测量和分析结果表明通过哈特曼波前测量法既可研究光束在湍流场中引起的波前变化规律,同时还可以应用于湍流场流场参数的间接分析。

在X光成像中,编码孔径成像是一种两步成像过程,第一步是编码过程,利用编码孔径收集目标的图像;第二步是解码过程,对编码图像进行滤波和重建,以便获得高分辨率的可视目标像。而编码孔径主要有两种,一种是根据各孔径的形状分类;另一种是根据各子孔径在孔径平面的空间分布分类。解码过程中用的方法是维纳(Wiener)滤波。维纳滤波算法能够以很低的计算代价获得较好的复原效果。在简述孔径编码成像技术的原理和发展的基础上,提出在光电成像中利用编码孔径成像及图像恢复处理方法。对不同形状孔径进行编码解码处理,通过比较选择出最佳的孔径形状。并通过实验表明,利用该编码孔径成像可以在保证高分辨率的情况下,具有较高的集光效率和信噪比,成像效果很好。

多阶存储是一种无需减小记录波长或增大数值孔径而显著提高光存储容量的新颖方法。对光致变色材料采用不同的光能量写入,读出时则具有不同的吸收率,该特性可用来实现多阶数据存储。在研究光致变色材料曝光特性的基础上,提出了基于光致变色原理的多阶存储数学模型,该模型反映了光致变色材料吸收率与曝光量之间的非线性关系,为光致变色材料的多阶存储写策略的优化提供了理论依据。在4阶和8阶静态存储实验结果中,各信号峰值之间有明显的阶次变化,且信号之间没有交叠现象,从而验证了利用该材料进行多阶存储的可行性。将该多阶技术应用在实际光盘存储中,可实现两至三倍于普通光盘容量的高密度存储。

应用中频感应提拉法生长了掺杂浓度高达50 at.-%的Yb∶YAG晶体,研究了室温下Yb∶YAG晶体的吸收和发射光谱特性以及荧光寿命,在939 nm和969 nm处存在Yb3+离子的2个吸收带,能与InGaAs激光二极管(LD)有效耦合,适合激光管二极抽运。其荧光主峰位于1032 nm附近,Yb∶YAG晶体的荧光寿命为390 μs。比较了高掺杂与低掺杂Yb∶YAG晶体的光谱参数,指出高掺杂Yb∶YAG晶体是一种很有前景的高功率激光增益介质。

采用溶胶-凝胶(sol-gel)工艺制备了Sb∶SnO2/SiO2复合膜。通过原子力显微镜(AFM)观察了薄膜样品的表面形貌,利用紫外-可见光谱,p-偏振光反射比角谱研究了复合薄膜的光学特性。结果表明,薄膜中的晶粒具有纳米尺寸(～35 nm)的大小,比表面积大,孔隙率高;薄膜的透光率高,可见光波段近95%;其光学禁带宽度约3.67 eV。因此Sb∶SnO2/SiO2纳米复合膜可作为气敏薄膜的理想选择。通过对三种不同的气体C3H8,C2H5OH及NH3气敏特性的测试表明,Sb掺杂大大提高了SnO2薄膜对C2H5OH的灵敏度,纳米Sb∶SnO2/SiO2复合膜的气敏灵敏度高于纯SnO2薄膜及Sb掺杂的SnO2薄膜。

在全光网络中,如何合理利用波长转换来降低光网络的阻塞率是一个非常关键的问题。研究了最新的波长转换体系结构和波长转换手段,提出一种全新的混合波长转换方法,在减少网络中波长转换器个数的同时,维持拥塞概率类似于全波长转换。提出了5种不同的波长转换器使用策略,并利用数值模拟的方法,比较了这5种不同的波长转换器使用策略,分析结果,得出了最小化光网络的阻塞概率的波长转换使用策略。结合混合波长转换和波长转换器使用策略,进一步提出了光网络中优化波长转换器配置的遗传算法,通过对14个节点的美国自然科学基金网(NSF Net)的数值模拟,结果表明它是十分有效的,在减少光网络中波长转换器数量,且不增加光网络波长数量的情况下,基本保持原有网络性能。

报道了单光子探测条件下的法拉第反常色散滤波器(FADOF)滤波特性的实验结果。测量结果表明,工作在D2共振线的Rb原子780 nm法拉第反常色散滤波器的翼谱透射率为28%,滤光带宽为0.7 GHz,以及最小可探测激光功率为0.16 pW/cm2。由于使用了单光子探测器测量法拉第反常色散滤波器物理参数的方法,极大地提高了实验测量的探测灵敏度。通过实验数据分析,给出了相关的讨论。在日光情况下,如果使用这种780 nm Rb法拉第反常色散滤波器代替干涉滤波片,将极大地降低背景光噪声和减少误码率,使得在单光子水平的激光通信更接近于实用。

采用低压金属有机化学气相外延法(LP-MOVPE)生长并制作了1.3 μm脊型波导结构偏振无关半导体光放大器(SOA),有源区为基于四个压应变量子阱和三个张应变量子阱交替生长的混合应变量子阱(4C3T)结构,压应变阱宽为6 nm,应变量1.0%,张应变阱宽为11 nm,应变量-0.95%;器件制作成7°斜腔结构以有效抑制腔面反射。半导体光放大器腔面蒸镀Ti3O5/Al2O3减反(AR)膜以进一步降低腔面剩余反射率至3×10-4以下;在200 mA驱动电流下,光放大器放大的自发辐射(ASE)谱的3 dB带宽大于50 nm,光谱波动小于0.4 dB,半导体光放大器管芯的小信号增益近30 dB,在1280～1340 nm波长范围内偏振灵敏度小于0.6 dB,饱和输出功率大于10 dBm,噪声指数(NF)为7.5 dB。

在实际的卫星间光通信中,为保证对目标进行确定性捕获,需要采用多场扫描方式。多场扫描范围是多场扫描捕获的关键性参数,需要进行详细的分析。在已经建立的卫星光通信单场捕获模型的基础上,首先对卫星间光通信的多场捕获扫描问题进行了理论分析和模型建立,并以此为依据对多场扫描中的扫描范围的确定进行了研究。分析结果表明,为获得最短的总平均捕获时间需要对扫描范围进行最优化选择。为了便于工程应用,对此问题进行了数值仿真,基于仿真结果给出了多场扫描捕获中最优化扫描范围的确定经验公式。

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号,讨论了光纤中光波的相位变化与光声信号的关系。设计了光学长程结构,有效增加了对光功率的吸收。用染料激光器作光源对SO2气体浓度进行测量。实验表明,最低检测灵敏度可达1.2×10-10。 由于采用光谱技术与光纤技术相结合,使研制的传感器具有较高的灵敏度,信号的传输通道具有强的抗电磁干扰及防燃防爆能力。气体探头体积小,响应速度较快。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求。

将传感光栅用作环形器光纤激光器的端镜,腔中接一受压电陶瓷(PZT)驱动的具滤波功能的匹配光栅,受正弦波电压信号驱动,通过观察同一驱动周期中激光输出两谷值在时域中的间隔,进而判断作用在传感光栅上的轴向待测应变。在-140～720 με范围内,其传感分辨率为1.8 με,灵敏度为88.152 με/ms。理论和实验均证实该装置的感测结果不受环境温度变化的影响。

介绍了采用匹配光纤布拉格光栅解调法(detector FBG)进行强度解调的基本原理,选择反射谱与传感光纤布拉格光栅(sensor FBG)反射谱部分重叠的解调光栅,通过探测解调光栅反射光强的变化进行解调。对这种光栅匹配解调法引起的反射光功率与应力为高斯函数而不是线性对应的问题――双值问题进行了研究,提出了一种新颖的多档光栅并联解调的解决方案,选择并联解调光栅的中心波长和带宽,从而实现所传感的应力与探测到的光功率之间的线性对应,并建立理论模型进行了模拟,从理论上进行了公式推导。最后以两档光栅并联解调为例,用实验证明了该方案切实可行,同时达到的传感范围为522 με,测量精度为2.6 με。

提出一种先进的基于偏振光干涉的光纤光栅解调实现方法,偏振光干涉仪也是一种能将布拉格波长移动转化为干涉相位变化的非平衡干涉仪。与传统的非平衡干涉仪不同,偏振光干涉仪是利用折射率ne和no的差而不是利用光路长短的差来实现非平衡干涉的。另外,由于偏振光干涉是发生在有着优良双折射特性的钒酸钇(YVO4)晶体中而不是在石英光纤中,这样就可避免石英光纤引入的干涉噪声。通过分析钒酸钇晶体的性质指出,利用这种方法来实现光纤光栅温度检测,其最小温度测量精度可达±0.4℃。

利用长周期光纤光栅(LPFG)对于弯曲敏感的特性,与应变膜片压力传感技术的机械结构相结合,报道了一种基于长周期光纤光栅的新型压力传感器。实验结果表明,在0～0.13 MPa的气压下,长周期光纤光栅透射谱的峰值波长向长波长方向移动了1.8 nm;透射峰的幅度减小了13 dB。通过检测其在固定波长处的光功率变化值就可以获得待测的压强值。该传感器的分辨率可以达到10-4 MPa,能够很好地满足实际应用的要求。