介绍了近几年迅速发展的一种新型激光介质——透明Nd∶YAG多晶陶瓷的发展状况,对比分析了多晶陶瓷与单晶的光谱特性、激光特性和连续实验研究情况。并对钛宝石激光器调谐至808 nm,端面抽运Nd∶YAG陶瓷被动调Q全固态激光器的脉冲运转进行了较为详细的理论分析和实验研究。采用初始透射率为90%的Cr4+∶YAG可饱和吸收晶体,被动调Q的阈值功率为119 mW,当端面抽运功率为465 mW时,获得波长为1064 nm,脉宽为16 ns,重复频率为18.18 kHz,单脉冲能量为3.4 μJ,平均输出功率为61 mW的稳定调Q激光输出。采用不同初始透射率的Cr4+∶YAG晶体进行了实验和对比分析。

介绍了激光二极管抽运的高重复频率、大能量绿光固体激光器研制成果。激光器采用电-光调Q,主振荡功率放大器(MOPA)结构。根据放大器的设计要求,研制了抽运功率达12 kW,占空比为15%的激光二极管侧抽运Nd∶YAG棒状激光模块。在重复频率500 Hz,脉冲宽度15 ns条件下,实现了单脉冲能量1.27 J的1064 nm输出,光束质量β小于2.5。采用Ⅱ类相位匹配KTP晶体外腔倍频,在基频能量1 J,重复频率400 Hz,抽运功率密度67 MW/cm2时,获得大于405 mJ的绿光输出(平均功率达160 W),倍频效率约为40%,绿光光束质量β<5。

根据激光介质的热透镜焦距及其随抽运功率的变化,设计了大模体积高准直稳定性谐振腔以获得较大的模体积,同时使谐振腔对热焦距的变化和机械对准的扰动不灵敏。这种设计可以提高激光器的效率和稳定性,并且使输出激光具有较好的光束质量。采用双声光Q开关提高关断功率,在输出功率1250 W的连续激光二极管阵列抽运下,获得了210 W的调Q激光输出。采用工作温度80 ℃的Ⅱ类匹配KTP晶体,以避免KTP晶体的灰色轨迹效应,对KTP晶体采用半导体温控系统控温,在重复频率10 kHz时获得了162 W的调Q绿光输出,光-光转换效率达到13%,脉宽约为80 ns,光束质量M2因子约为20。

采用980 nm抽运的掺铒光纤放大器(EDFA)中存在上转换发光效应。能级分析和光谱扫描结果表明上转换辐射光为绿色荧光,波长为538 nm和514 nm,其产生机理为铒离子的激发态吸收效应(ESA)。从理论和实验两方面分析了抽运功率和信号功率这两个放大参量对上转换绿色荧光的影响,结果表明,存在一个特殊抽运功率值,当抽运功率小于该值时,上转换绿色荧光的抽运效率随抽运功率的增加而快速增大;抽运功率大于该值时,上转换绿色荧光的抽运效率变化缓慢,基本保持稳定。掺铒光纤放大器工作在线性放大状态下,输入信号的有无和功率大小对绿色荧光影响很小;掺铒光纤放大器工作在饱和状态下,绿色荧光功率随输入信号功率增加而增加。

相干激光成像雷达距离像处理的一个重要内容就是进行背景抑制。利用原始强度像的均值信息进行距离像的背景抑制因为强度像受到噪声影响而效果不佳,改进算法加入了强度像的噪声滤除,大大提高了背景抑制能力。但是这种利用强度像均值的背景抑制算法要求目标区占有较大的面积,对于小目标图像其抑制效果变差。分析了强度像的直方图特征,提出了一种熵阈值分割抑制距离像背景算法,此算法将强度像的直方图划分为描述目标区像素和背景像素的两个概率分布,而将使这些概率分布熵最大的灰度值作为分割阈值。将此算法应用于实际图像处理,结果表明对于大目标图像和小目标图像都有较好的抑制效果。

对掺镱双包层光纤的吸收特性进行了研究。采用光纤截断法和包层模剥除技术,实现了掺镱双包层光纤纤芯吸收系数的精确测量,测量结果与实际吸收系数的测量误差小于5%。利用白光光源测量掺镱双包层光纤的损耗谱,对其有效吸收系数进行了详细的实验研究,发现有效吸收系数随着光纤长度的增加而减小,随着光纤纤芯直径的增加而增大,在不同弯曲状态下有效吸收系数的测量表明,在弯曲时不同内包层形状的掺镱双包层光纤的吸收特性并不相同,其中D型掺镱双包层光纤对976 nm波长的有效吸收系数没有增大。

利用数值方法求解了广义非线性薛定谔方程,模拟了飞秒激光脉冲在具有不同色散特性的光子晶体光纤(PCF)中非线性传输和超连续光谱的产生过程,分析了在反常色散区和正常色散区飞秒激光脉冲的非线性展宽机制,详细讨论了脉冲内拉曼散射(ISRS)、自陡峭(SS)效应以及高阶色散对超连续光谱产生的影响。分析结果表明,无论在光子晶体光纤的反常色散区、正常色散区还是在光纤的零色散点,脉冲内拉曼散射效应对长波波段的光谱展宽都具有重要的作用。讨论了高阶色散尤其是三阶色散对超连续光谱中反斯托克斯波的显著影响,合理地选择色散曲线,能够得到更宽更平坦的超连续光谱,表明了光子晶体光纤的可控色散特性的重要应用价值。

热容激光器在激射过程中,激光介质的温度快速升高,导致了热容激光器具有特殊的激光输出特性。通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法,对热容激光器的激光输出特性进行研究,掌握热容激光器工作的基本规律,为热容激光器的设计、实验提供了重要的参考。建立了描述热容激光输出特性的理论模型,给出了输出功率随激光介质温升及工作时间的变化关系。数值模拟研究结果表明,激光介质的温度从300 K升高到400 K过程中,阈值功率密度从2.6 W/cm3增加到33.6 W/cm3,输出功率下降7%。利用建立的热容激光器实验装置,测量了不同占空比情况下的输出功率,占空比越高输出功率随时间下降得越快,与数值模拟结果相符。在低占空比时,数值模拟和测量结果吻合较好;在高占空比时出现误差,而且占空比越高误差越大。

给出描述光波通过傍轴光学系统衍射的柯林斯公式及其逆运算表达式,然后将数字全息检测研究中的物平面及CCD探测平面视为ABCD系统的输入平面及输出平面,提出通过柯林斯公式的逆运算进行波面重构的一种计算方法。为便于该方法的实际应用,研究了参考光是球面波时全息图的频谱结构,并从理论上证明,全息图的频率空间中存在可以通过滤波器分离的物光及共轭物光的频谱。最后,通过理论模拟及实验研究证明了使用柯林斯公式的逆运算重构波面的可能性。

在高速光电子器件的微波封装过程中,需要综合考虑封装寄生参数和芯片寄生参数对器件高频性能的影响。利用封装寄生参数对芯片寄生参数的补偿作用,成功实现了10 Gb/s电吸收调制激光器(EML)的高频封装。通过封装前后芯片和器件的小信号频率响应测试结果对比,器件的反射参数和传输参数有所改善,3 dB带宽达到10 GHz;并进行了10 Gb/s速率的光纤传输实验,经过40 km光纤传输后通道代价不到1 dBm(误码率为10-12),满足10 Gb/s长距离光纤传输系统的要求。

实验研究了1425 nm和1453 nm双波长反向抽运50 km单模光纤的分布式光纤拉曼放大器(RFA)。利用改进的时域消光法测量了放大器的输出特性和光学信噪比(OSNR)随开关增益的变化关系。在C波段(1530～1564 nm)内,测得放大器的开关增益约为13 dB,增益不平坦度小于±0.6 dB,相对于双瑞利散射(DRS)噪声的光学信噪比为45 dB,总的光学信噪比为39 dB。同时还测量了信号光经过二级级联分布式光纤放大器传输后的特性,结果表明,与一级光纤拉曼放大器结构相比,二级放大器的开关增益和不平坦度都增大了一倍,而输出的光学信噪比减小了约2 dB。

提出外部光注入半导体激光器激光混沌全光耦合-反馈同步系统,进行激光器系统稳定性动力学分析并计算出最大Lyapunov指数,导出系统的同步误差扰动方程以及系统有混沌隐藏编码时的同步误差公式和解调公式,数值证明并模拟实现了系统的混沌同步,分析同步瞬态响应和噪声影响,该系统具有较强的抗干扰能力。模拟具有正弦调制信号的调制频率0.2 GHz混沌模拟通信和数字信号调制速率0.2 Gb/s的混沌数字通信以及调制速率0.05 Gb/s混沌键控通信的应用,特别分析了系统解码特性和调制带宽,系统无论是在时域还是在频域,都具有非常好的保密性,该系统可以作为混沌双向保密通信使用。研究表明系统准许在一定范围内可以有参数失配,系统的实际应用是有可能的。

利用从非归零(NRZ)信号中全光提取的时钟,采用太赫兹光非对称解复用器(TOAD)实现了10 Gbit/s非归零码到归零(RZ)码的码型转换。非归零信号采用半导体光放大器(SOA)进行时钟分量增强并用平面波导阵列(AWG)滤出相应的伪归零(PRZ)信号,然后采用半导体光放大器注入锁模光纤环形激光器进行时钟提取,提取的时钟信号和待转换的非归零信号分别作为抽运光和探测光输入太赫兹光非对称解复用器,在其中进行码型转换。转换后输出的归零信号的质量仅由恢复的时钟信号和非归零信号的质量决定,受太赫兹光非对称解复用器中半导体光放大器增益恢复时间的影响极小。实验测得转换后的归零信号消光比为8.7 dB,码型效应非常低,其光谱明显展宽,并且出现谱间隔为0.08 nm的多峰结构,与10 Gbit/s的比特速率相对应。该方法对时钟信号的码型效应有一定的容忍度。

采用保偏光纤耦合器等保偏器件,搭建了马赫-曾德尔型保偏光纤干涉仪,在干涉臂中接入磁致伸缩材料粘附光纤结构的保偏光纤磁传感探头,通过磁致伸缩效应探测地磁场引起的光纤中的相位变化,建立了保偏光纤地磁场传感器实验系统,实现了稳定的磁场检测。实验分析了系统相位信号随磁场变化的特性以及频率响应特性,为系统选择适当的交流磁场进行直流磁场检测提供了依据,结果表明该系统最小可检测到1 nT量级的磁场。实验测量了地磁场矢量在水平面各方向上的分量大小,得到的实验结果与理论值吻合得较好,证明该系统能够用于基于地磁场测量的定向导航。

采用严格的耦合模理论建立了表面涂覆弱吸收薄膜长周期光纤光栅(LPFG)的理论模型,用微扰法对复数超越特征方程进行了求解。研究发现,对应某一膜厚,存在一折射率范围,有效折射率的变化和谐振波长偏移特别明显;但消光系数对有效折射率和谐振波长的影响则很小。从功率密度分布曲线可看出低阶奇次包层模式与纤芯模式的耦合要强于低阶偶次包层模式与纤芯模式的耦合,消光系数引起的功率损耗较小。薄膜折射率对透射谱的变化(幅度和谐振峰偏移)影响很大;消光系数对谐振峰偏移影响很小,对谐振峰幅度的影响与具体的薄膜折射率有关。结果表明,敏感薄膜折射率和消光系数与传感器的灵敏度高低有直接关系,传感器的结构优化非常必要。

研究了一种用光纤光栅测量动态应变的阵列传感技术。在用基于3×3耦合器的非平衡光纤马赫-曾德尔干涉仪解调光纤光栅波长变化基础上,提出了通过波分复用器(WDM)来实现多个光纤光栅振动传感器的复用,测试了波分复用器对通道交叉干扰的影响,并同时测得了串联的3只光纤光栅的振动信号。讨论了使用这一技术时,工作环境和光源光强的变化对测量没有显著影响以及该技术可以用于高频信号的测量原因。该技术优点在于测量频率高、灵敏度高,不受光源光强度的影响,还可以获得不同测量点之间的相位关系。

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是新一代惯性旋转传感器的代表。在陀螺系统中,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,而解调曲线的优化能够进一步提高检测系统的灵敏度。利用贝塞尔函数展开和光波场叠加的方法分析了谐振式光纤陀螺调相检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系,系统采用的是带有铌酸锂相位调制器的相位谱检测技术。根据解调输出信号的解析表达式,通过数值计算,分析了解调曲线的变化规律,得到了施加在铌酸锂相位调制器上调制波形的最佳调制系数和相应的最佳调制频率范围,并进一步用实验系统验证了上述分析结果。

制备了具有不同偶氮生色团掺杂浓度的主客式聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)样品。利用介电测量的方法,观测了样品在532 nm光照射下的介电常数和介电损耗的变化。发现随着生色团浓度的增加,样品的介电常数增大;而生色团的掺入对于聚甲基丙烯酸甲酯样品的介电损耗则主要表现在对β弛豫的影响。浓度一定的生色团样品的介电常数随着激发光功率的增加而增大;样品的高频介电损耗随着激发光功率的增大而减小,但低频直流电导损耗则随着激发光功率的增加而增大。利用生色团在光致异构反应和取向运动过程中与聚甲基丙烯酸甲酯基体的相互作用,定性地解释了上述实验现象。

为了更好地解决用旋光晶体制作电光Q开关中的问题,需要从理论上对光的传播方程进行研究。通过对硅酸镓镧旋光晶体中电光效应和旋光效应对光的偏振态影响的研究,推导出了处于外加电场中的旋光晶体中光的传播方程的表达式,以及透过光强的表达式,并利用几种简单的光学器件在实验上得到了很好的验证。利用光的传播方程和实验的结果,推算出硅酸镓镧晶体电光系数γ11=2.1×10-12 m/V,与以前测量的结果吻合得很好;找到了利用旋光晶体制作电光开关应该满足的条件,给出了一种制作方法,在实验上得到了很好的实现,从而证实了旋光晶体作为电光开关材料的可行性。

提出了一种适用于具有光滑且不规则形状边缘的物体表面积计算的测量方法。使用一种新颖的形心自标定技术,利用图像目标形心和双频激光器测量出像素的尺寸当量,从而准确测量出真实物体的表面积。实验表明该方法的平均计算误差达到了±0.5%。和传统的面积测量方法相比,这种方法具有很强的鲁棒性,特别适用于目标图像背景中存在各种噪声和目标内部具有复杂边缘的面积计算。

报道了一种重量轻、功耗低、适合于小飞机防撞系统应用的小型激光测距仪。系统基于脉冲激光测距原理,采用905 nm半导体脉冲激光器、电感升压式偏置高压电源和可编程逻辑器件(PLD),研制出重量不大于100 g,功耗不大于625 mW,测量范围100 m,盲区3.0 m,分辨率±1 m的机载小型激光测距仪。实验测试结果表明,其各项技术性能指标符合无人驾驶小飞机防撞系统的应用要求。

采用激光微细熔覆柔性直写技术在陶瓷基板上制备厚膜电阻。该技术的优点是精度高、速度快、不需要制作掩模板等。大量研究结果表明,搭接量的改变对电阻的组织性能影响很大,而组织性能对最终整个器件的质量起决定作用。因此,获得最佳搭接量制备出性能优良的电阻元件成为重要的研究课题。针对陶瓷基板,系统地研究了搭接量对厚膜电阻的组织性能的影响规律,获得了形成电阻膜的最佳搭接量为单道扫描光斑直径的3/5,并对影响组织性能的主要机理进行了分析。

优化工艺参数(激光功率275～425 W,扫描速率0.04～0.06 m/s,扫描间距0.15～0.30 mm),对多组份铜基金属粉末(组份包括纯Cu,预合金CuSn和预合金CuP)进行了选区激光烧结(SLS)实验,其成形机制为粉末部分熔化状态下的液相烧结机制。在保证适宜的成形机制的前提下,研究了激光功率、扫描速率、扫描间距、铺粉厚度等工艺参数对烧结组织及性能的影响。结果表明,适当增加激光功率或减小扫描速率能改善烧结致密度及组织连续性。减小扫描间距致使烧结线从断续分布连续转变为较为平整的结合状态,组织致密性及均匀性显著提高。减小铺粉厚度有利于改善层间结合性;但最小铺粉厚度需适当选择,否则会因凝固收缩效应及铺粉不均匀性而降低烧结致密度。

根据激光强化的工艺特性,从优化的角度出发,提出了一种基于平行截面法的改进算法。首先通过分析光斑的平均离焦量与光斑覆盖域曲率的关系,得到用自由曲面最大主曲率表示的工艺所允许的最大光斑尺寸公式;进而通过轨迹样本点分析的方式,得到统计平均的相邻平行截面间距。该方法综合考虑光斑大小、光斑间距、轨迹排距等多种因素,相较于一般的轨迹规划算法,能在保证加工效果的基础上有效提高加工效率。最后给出了一个算例,这一方法被用于汽车门板局部的激光强化加工轨迹规划,取得了良好的效果。

利用3 kW高功率CO2激光器,通过改变保护气体流量和流动方向,对2 mm厚的A5083铝合金薄板进行了焊接实验研究。研究发现,小孔的稳定存在取决于保护气体对等离子体云的抑制效果,而侧吹保护气体对等离子体云的抑制效果主要取决于所形成的气流方向,从而影响焊接熔化特性。利用有限元法对激光焊接时保护气体在小孔内部和表面气流状况进行了数值模拟,通过对不同焊接条件下模拟形成的小孔气动扰流的气流场和压力分布云图的分析,解释了采用逆向侧吹保护气体吹除等离子体的方法,可以更有效地抑制等离子体云的产生,防止小孔塌陷,有利于维持小孔的稳定性。

采用激光和氮等离子体混合方法在大气气氛下对铁样品表面进行处理,获得了铁氮化合物表层。利用X射线衍射仪(XRD)对氮化处理样品测试,得到样品的相结构。分别使用混合方法与普通激光氮化方法,在相同条件下对样品表面进行氮化处理,结果表明通过混合方法提高了氮化物含量,并有效地抑制了氧化发生。利用扫描电镜(SEM)测量氮化后样品得出氮的最大质量分数可达34.44%,有效氮化层深度可达11.21 μm。讨论激光功率密度、氮等离子体流量、扫描速度等参数对混合法氮化效果的影响。在实验条件下,激光功率密度和扫描速度分别与氮化物衍射峰相对强度成线性递增关系和二次方递减关系。而随着氮等离子体流量的增加,氮化物含量增加;但是当氮等离子体流量大于0.9 m3/h后,氮化所需活化氮达到饱和,氮化物含量不再增加。另外,氮化后样品的硬度得到了增强。

采用自动送粉工艺,在A3钢表面制备出原位生成B4C颗粒增强的镍基激光熔覆层。使用扫描电镜(SEM),电子能谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对熔覆层的组织和物相构成进行了分析,并对熔覆层进行了硬度、摩擦性能测试。结果表明,原位生长B4C颗粒增强的Ni基复合涂层与基材呈现良好的冶金结合。熔覆层的底部组织为先共晶析出的Cr,Fe的碳化物树枝相分布在γ(Ni Fe)基体中,而中上部组织为先共晶析出的树枝晶和包含原位生成B4C的白色颗粒相分布在共晶基体中。熔覆层具有极高的硬度(平均HV0.31400),耐磨性是纯Ni60涂层的2倍。硬度和耐磨性的提高归因于涂层中大量的包含原位生长B4C颗粒相的生成,并均匀分布于涂层的共晶基体中。