单纵模掺铒光纤激光器在光通信和光传感等方面有着广泛的应用前景。设计了一种新型的光纤激光器,在光纤环形镜中嵌入未抽运的掺铒光纤作为可饱和吸收体以抑制多纵模,用光纤环谐振腔作为滤波器抑制拍频噪声,用光纤光栅作为波长选择器件,最终得到了单纵模输出并消除了拍频噪声。使用零拍法测量其线宽小于频谱仪的低频极限5 kHz。实验结果证明了可饱和吸收体和光纤环的功能。

报道了一种新型外腔精确波长激光器。该器件由透镜光纤、单端增透的激光二极管(LD)芯片、准直透镜、窄带滤光片和高反镜依次级联而成,使用窄带滤光片作为选频和波长锁定元件。推导了该激光器的外腔等效反射率,简要分析了静态相关特性,给出了初步实验结果

报道了一种工作在L波段波长可调的环形腔Er/Yb共掺双包层光纤激光器。利用两段高双折射光纤和两个偏振控制器组成的环形镜作波长选择器件,通过调整环形镜中偏振控制器的状态来改变环形镜对不同波长的反射率以实现某波长的激光输出,使波长调节范围达到60 nm,不同波长处激光输出功率的起伏小于0.7 dB;采用较长的Er/Yb共掺双包层光纤(EYDF)作增益介质,利用6个976 nm 激光二极管同时抽运前段Er/Yb共掺双包层光纤所产生的放大自发辐射谱作为二次抽运源,对腔内未被抽运的一段Er/Yb共掺双包层光纤进行抽运,使增益谱移到L波段,实现了L波段可调谐激光器的稳定输出。在最大抽运功率为3594.5 mW时,测得抽运入纤功率为2737.37 mW,得到最大输出功率300 mW,斜率效率为11% 的激光输出,所形成激光光谱的3 dB带宽为1.8 nm,边模抑制比大于38 dB。

介绍了以激光二极管抽运Nd∶YAG晶体的倍频激光器为抽运源,高平均功率准连续运转的全固态宽调谐掺钛蓝宝石(Ti∶sapphire)激光器。自由运转时,在抽运光功率为16 W,透过率为30％时,获得了最高6.44 W的掺钛蓝宝石激光输出,相应光光转换效率大于40％。为了获得宽波段可调谐激光输出,采用石英布氏棱镜对作腔内色散元件,通过调节输出镜获得了调谐范围740～880 nm,线宽约1 nm的宽波段输出。在抽运光功率为11.5 W时,最高输出功率为2.87 W,相应的光光转换效率为25％。作为对比,又研究了重火石棱镜作为腔内色散元件时,掺钛蓝宝石激光器的调谐输出特性,实验表明输出激光的线宽明显变窄,但输出功率却显著下降。

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2因子约为12×13。

实现了重复频率高达105 kHz的紧凑的全固态声光（A-O)调Q 532 nm腔内倍频激光器。激光器使用Nd∶YVO4作为激光晶体,Ⅱ类匹配的KTP为倍频晶体,声光器件材料为熔融石英,由自制的声光驱动器驱动,其最大射频输出功率为7.5 W,重复频率1 Hz～105 kHz可调。使用1 W的激光二极管(LD)抽运,50 kHz重复频率下,得到平均功率达224 mW的532 nm脉冲激光稳定平均输出,总光光转换效率高达22.4％。低重复频率下,可以实现脉宽为17.2 ns,峰值功率为470 W,单脉冲能量为8.1 μJ的稳定运转。给出了平均功率与重复频率关系的一般公式,并提出即使是在四能级系统中,有效储能时间也并不等于上能级寿命,理论计算结果与实验结果吻合得很好。

基于对空中轴对称目标识别的需要,根据目标投影变换和姿态测量,利用匹配滤波和坐标变换,提出一种简化的识别方法。选择合适的目标投影图像作为识别模板,并用计算全息的方法编制成匹配滤波器;在目标的三维姿态被探测后,根据其方位角和俯仰角,对滤波器进行坐标变换,再利用光学相关方式识别目标的投影图像。通过数值模拟,分析了不同姿态下二维任意目标的识别情况,以及三维轴对称目标的模板选择及其识别效果。分析表明,利用这种简化识别方法,只需将目标在45°和90°俯仰角下的投影图像制成识别模板,并进行组合,即可得到目标的最小相关系数为0.4472,远大于飞机干扰物与模板的最大相关系数0.06。

锥度光纤作为相位共轭镜具有高反射率、高保真度等优点,将3根自制的、规格不同的锥度光纤相位共轭镜应用在重复频率100 Hz,脉宽28 ns的激光二极管(LD)抽运的高功率脉冲激光主振荡功率放大器(MOPA)系统中,对其受激布里渊散射(SBS)性能以及锥度区尺寸的影响进行了研究。结果表明,芯径大于400 μm的大尺寸锥度光纤可以应用于高功率激光系统中,如选择较长的后端光纤长度以及适当的锥度区规格可获得较高的受激布里渊散射能量反射率和输出能量。在应用总长5.2 m,锥度区从??400 μm过渡到??200 μm的锥度光纤时,实验获得了高达85％的受激布里渊散射能量反射率和大于21 mJ的双通输出能量,激光脉宽被压缩到17 ns,最大峰值功率达到兆瓦量级。

光学相位共轭(OPC)技术能够同时且高效地补偿光纤传输过程中色散及非线性效应所导致的信号失真,且该技术同脉冲调制方式无关。从理论上分析了在自陡峭效应(SS)作用下高斯脉冲信号在中距相位共轭系统中的传输演化特性,数值模拟了在其作用下超短飞秒高斯脉冲的动态传输过程,讨论了自陡峭效应对中距相位共轭系统复原性能的影响。结果表明自陡峭效应将导致高斯脉冲信号发生峰值漂移和脉冲后沿变陡,相位共轭系统不能补偿由此导致的脉冲失真和畸变。引入合适的色散可以减小这种信号失真,并使得相位共轭系统能够同时补偿由于色散、自相位调制和自陡峭效应而引起的信号失真。

提出了一种由常规光纤和色散渐减光纤构成的新的非线性光纤环形镜(NOLM)。研究了该结构的动力学特性,并与色散渐减光纤(DDF)构成的环形镜进行了比较。数值结果表明,该类型光纤环形镜能产生无基座高品质超短光脉冲,压缩脉冲的啁啾小,在脉冲中心处呈线性,而且获得的脉冲能在无损耗的常规光纤中长距离稳定传输。压缩脉冲的压缩因子和基座能量与输入脉冲的初始脉宽和峰值功率有关,当输入脉冲的宽度增加时,所需的光纤长度变长,压缩因子和基座能量有所下降;当输入功率增加时,所需光纤长度变短,压缩因子和基座能量增加。研究结果还显示,在较大的输入脉冲峰值功率范围内,当脉冲获得最佳压缩时,与色散渐减光纤环形镜相比,新的光纤环形镜所用光纤长度短,压缩因子高。

设计了一种具有方形光斑的新型激光直写系统,用双远心投影透镜组获得方形光斑并以逐点光刻模式运行, 改善了衍射图形光刻质量, 提高了系统运行效率。该系统具有双、单光束互换功能,双光束干涉用于衍射光变图像的直写,单光束进行二元衍射元件的光刻,实现了不同特性的衍射器件输出,从而解决了在同一幅光刻胶干板上同时进行具有微米量级干涉条纹的衍射光变图像和二元相位图形的直写问题。双光束干涉调制的衍射图像分辨率达到2540 dpi,方光束点尺寸为5～20 μm。给出了光变衍射图像和两台阶二元相位编码图形的制作结果。

用增强型光声池显著降低了光声信号的面损耗,使得AsH3分子的振动平动能量转移成为造成共振峰展宽的主要因素。光声池内充9.06 kPa的AsH3气体,声共振品质因子Q高达374。推导了光声信号振幅与入射光调制频率和样品分子振动－平动弛豫时间的函数关系。理论公式与实验数据的对比表明,对振动热容贡献大的振动能级在气体分子的振动平动能量转移过程中起主要作用;波动过程中AsH3分子通过最低的两个振动能级进行振动平动能量交换。

分析和讨论了受激布里渊散射(SBS)阈值计算的Smith模型和Küng模型,研究了更为准确估算光纤中布里渊散射阈值的方法,通过布里渊增益系数与光纤长度的关系,发现对于较短长度光纤,其布里渊增益系数随着光纤长度变化范围较大,仅在长距离光纤时,布里渊增益系数才可以近似为常数。实验测量了25 km单模光纤的受激布里渊散射阈值,推导出用布里渊时域反射仪(BOTDR)测量受激布里渊散射阈值计算公式,最后用布里渊时域反射仪测量了不同长度光纤受激布里渊散射阈值,实验结果与理论分析吻合。

利用连续流平面型光腔动力学模型对NCl(a1Δ)/I激光体系进行了模拟计算,探讨了温度在300 K时NCl(a1Δ)自猝灭对NCl(a1Δ)/I激光能量提取的影响。计算结果表明,NCl(a1Δ)自猝灭反应对光腔位置的选取、功率密度沿流动方向的分布和总输出功率都有较大的影响。其中,光腔位置的可选范围大大缩短,在较小的初始HI粒子数密度和适当的输出镜反射率下总输出功率大幅度降低,而随着HI粒子数密度的增加,NCl(a1Δ)自猝灭对总输出功率的影响逐渐减小。

Wolf效应,即部分相干光除满足定标律之外,即使在自由空间中传输时其光谱一般也会发生变化,是一类著名的相关诱导光谱变化现象。以高斯谢尔模型(GSM)光束作为部分相干光的典型例子,研究湍流对高斯谢尔模型光束光谱移动的影响。基于部分相干光的传输定理,并考虑湍流的存在,推导出了高斯谢尔模型光束通过湍流介质的光谱公式,并作了数值计算。研究表明,无论定标律是否满足,湍流都会影响高斯谢尔模型光束的光谱。湍流越强,与无湍流情况比较光谱移动越大。特别是,若不满足定标律时轴外光谱还会出现分裂。高斯谢尔模型光束在湍流介质中的光谱移动由光束的空间相干性、折射率结构常数C2n和位置等参量决定。

对传统的有限差分光束传播法(FD-BPM)进行修正,通过对亥姆赫兹方程进行更准确的推导展开,提出一种修正后的新算法,并将新算法和传统算法应用于平板波导的计算实例,最后通过计算用来衡量算法精度的参量以及计算所花费的总体时间,将新算法与传统算法进行比较,验证了新算法在精度上有所提高,而计算时间并没有受到影响,有一定的实用价值。

在研究动态主动调焦法测量原理的基础上,提出一种新型的动态主动调焦式激光测头的检测方法。该检测方法的核心原理是将位移量的测量转换成了时间差的测量,从而简化了激光测头的结构,提高了激光测头的测量精度和稳定性。介绍了所设计的高精度激光测头测量系统,并对激光测头进行了动态特性的实验。结果表明激光测头的测量分辨力为0.075 μm,测量线性度为0.45 μm,测量范围为±0.1 mm。

在星间半导体激光通信系统中,如何检测发射光束波面的质量是个较难处理的问题,为了较好地解决这一问题,在简单介绍白光横向双剪切干涉仪的基础上,报道了用此干涉仪对近衍射极限半导体激光光束波面的检测,在此基础上推导出计算远场发散度的公式。实验测得近场光束的波高差为0.2λ,通过夫朗和费衍射求得光束的发散度仅为64.8 μrad,这表明光束接近光学衍射极限。同时,表明双剪切干涉仪灵敏度高、实用性好。

介绍了一种新颖的、利用两个偏振片和一个直角棱镜测定λ/4波片实际相位延迟角(不包含整数倍2π)大小且可同时判定波片快慢轴的简便方法。根据波动光学理论并采用琼斯矩阵对该方法的测量原理进行了理论推导,导出了该方法的不确定度,用计算机仿真的方法比较了各个相关因素对测量不确定度影响的程度,对该方法的使用条件进行了必要的讨论,最后给出了应用实例以及对测量结果进行的验证性实验与计算机仿真,结果表明该方法是可行的。此外,该方法还具有所用器件易获得、操作简单、测量精度高等优点。

基于中国自然科学基金网(NSFCNet)的400 km×10 Gb/s光传输链路实现了40 Gb/s光传输,没有出现误码率(BER)平台,说明在常规的中短距离10 Gb/s系统可以直接升级至40 Gb/s系统,而不需要升级传输链路。但是,由于相对10 Gb/s系统而言40 Gb/s系统的色散容限非常小,在升级时必须精确补偿原有链路的色散,在接收机前一般需要加可调色散补偿单元。同时,还分析了光纤注入功率对系统性能的影响,结果表明在设计这种由10 Gb/s向40 Gb/s升级的系统时,不仅要考虑信号带宽增加带来信噪比要求的提高,而且必须充分考虑光纤非线性的影响。

解复用器件是波分复用(WDM)系统中的关键性器件。在设计二元光学器件波分复用器件中,需要对二元光学器件的角色散进行分析。利用相位二元化方程对衍射光学元件(DOE)角色散及角色散温变特性进行了分析,最终得到衍射光学元件色散特性的表达式,并同时给出了角色散的温度变化特性。采用此理论结果确定杨顾算法目标值,设计了用于波分复用的二元光学器件。利用菲涅耳衍射对器件角色散特性及角色散热特性进行了仿真,仿真结果验证了理论的正确性。

在分析了基于异步传输模式(ATM)技术的无源光接入网(PON)的分层模型以及下行数据流的数据格式的基础上,给出了APON系统网络终端(ONT)物理层的设计原理,以及在设计中所使用到的信元定界、分布式扰码以及可编程门阵列(FPGA)芯片的编程和优化等关键技术;介绍了系统网络终端物理层的设计实现,给出了传输汇聚(TC)层部分同步信号的时序图,阐述了该设计完成了G.983.1协议所规定的物理层功能,达到了预定的设计目的。

利用概率统计理论的方法,从节点层次上定量分析了节点规模、复用波长数目以及波长转换对波分复用(WDM)波长路由网络中波长路由节点的影响。提出了基于概率统计的节点阻塞模型。数值结果突出表明波长转换能力越强的全光节点,其性能越优。为了提高网络资源的使用效率并增强全光网络的灵活性,必须实现全光网络中的虚波长路由波长转换器。通过数值计算找到了阻塞性能和代价的折中,研究中发现配置较低波长转换能力波长转换器的波长路由节点将会具备更强的性价比优势,当前在构建光通信系统时使用弱波长转换能力的光节点更可行。

差分吸收法是进行瓦斯远距离监测的重要方法,根据瓦斯在近红外波段的吸收特性,报道了一种新型的远距离光纤瓦斯传感系统。采用1.3 μm超辐射发光二极管为光源,利用光纤布拉格光栅(FBG)优良的窄带滤波特性实现了对瓦斯的差分吸收测量。和传统的干涉滤光片相比,光纤光栅滤波器插入损耗低、制备简单。系统具有全光纤化、结构简单、工作距离远、稳定性好的特点。工作距离10 km,测量灵敏度为0.1％,是瓦斯爆炸极限的2%。

对串联的长周期光纤光栅(CLPFG)的透射谱特性进行了理论分析和实验研究。分析表明,长周期光纤光栅中纤芯模和包层模之间的马赫曾德尔干涉效应导致在长周期光纤光栅谐振峰内的梳状滤波结构特性;其峰值位置和峰间距同串联区光纤的长度以及光纤的波导色散因子有关。测量了长周期光纤光栅的透射谱,并研究了其温度特性。根据测量数据,得到对应于1554 nm波长处,所用单模光纤HE14模的波导色散因子γ为0.874;纤芯/包层有效折射率差的热光系数为4.8×10-5 ℃-1。并对这一测试方法和结果,以及长周期光纤光栅的应用进行了讨论。

通过对小孔同轴视觉图像的处理提取出小孔径向尺寸,研究了小孔径向尺寸随焊接规范参量变化的动特性。研究结果表明,小孔径向尺寸在工件未焊透时随激光功率的增大而增大,在焊透时小孔径向尺寸随激光功率的变化较小;随着焊接速度的增加,小孔的径向宽度逐渐减小,而其长度有一个先减小后增大再减小的波动过程;离焦量在一定的范围内,在足够高的激光能量密度下,激光辐照范围的增大使得小孔径向尺寸与激光光斑同步变化。

详细介绍了同轴送粉激光成形过程中,金属粉末与激光束相互作用时间的计算方法。在ANSYS软件平台上,建立了金属粉末穿越激光束过程中粉末温度场的计算模型。系统计算了不同颗粒大小316L不锈钢粉末与不同功率激光束相互作用后的温度。在此基础上,计算了金属粉末与激光束的能量交换及金属粉末落入激光熔池后与激光熔池的能量交换。计算结果表明,在激光束直径为3 mm条件下,316L不锈钢粉末穿过功率大于1000 W的激光束后,所有尺寸金属粉末均被熔化,即金属粉末以液态进入激光熔池。通过金属粉末与激光束及激光熔池的能量交换计算,可知在激光成形中,约有5%的激光能量用于加热和熔化粉末,而大约95%的激光能量用于激光熔池的形成及由于热传导造成的热量损失。

在自制的激光快速成形（LRF）系统上,利用优化的激光快速成形工艺参量,制备了从100% 316L到100% Rene 88DT成分连续渐变的梯度材料(FGM)。所成形梯度材料的组织致密,成分、组织和硬度在40 mm梯度过渡层内连续渐变。在梯度过渡层内,随着Rene 88DT合金所含比例的逐渐提高,硬度和一次枝晶间距持续增大,硬度值从底部100% 316L的186 Hv连续渐变到顶端100％ Rene 88DT的458 Hv。平均一次枝晶间距由底部的12.41 μm逐渐增大到顶部的16.99 μm。

P3近似理论可以描述光源附近约1个输运平均自由程(MFP)内组织的漫反射光分布,这个区域的光分布与组织的散射相函数有关。利用P3近似理论研究了组合相函数的结构因子α对光源附近组织的漫反射光分布的影响。研究表明

在紫外光诱导硫氧还蛋白还原酶(TrxR)产生荧光光谱的实验基础上,对TrxR溶液的谱线特性及其产生机理进行了研究。实验结果表明,在波长为253.7 nm的紫外光激励下,TrxR溶液能够产生较强的荧光,其光谱覆盖了280～720 nm的范围,谱峰形状主要由两个宽阔的峰及分布在宽峰上的诸多细锐的次峰组成;随着TrxR溶液浓度的改变,宽峰和锐峰分别表现出不同的变化趋势。根据分子内部能量转换理论以及共振拉曼散射理论,对TrxR产生的荧光光谱的机理进行了理论分析。理论和实验研究结果均表明中心波长位于336 nm的宽峰是来自于TrxR分子中的色氨酸的荧光峰,而诸多锐峰则是TrxR分子的共振拉曼散射。对波长为253.7 nm的紫外光激励的TrxR溶液荧光光谱的研究有助于研究溶液状态下TrxR分子的构像、结构以及分子的电子振动态等。

采用蒙特卡罗模拟方法数值求解了不同波长(1064 nm和850 nm)时的激光诱导间质肿瘤热疗(LITT)中激光能量分别在人体的肝组织和前列腺组织内的传输,分析了影响激光能量空间分布的主要因素。穿透深度是影响激光能量在半径方向上分布区域的重要参数;在轴线方向上,穿透深度和激光加入头有效发射长度都对激光能量分布区域的大小有重要影响。