千瓦级连续激光二极管面阵由30个40 W的808 nm连续激光二极管条组成,按要求排列成5×6矩阵,发光孔径12 mm×70 mm。每个激光二极管条安装在微沟道冷却封装组件上,依靠高压冷却水通过微沟道维持连续运行。面阵的30个二极管条的电路串联,冷却水道并联,恒流电流50 A时,发射连续1060 W,808 nm波长的激光,平均功率密度126 W/cm2。5个K型热电偶安装在面阵不同位置测量激光二极管底部附近硅热沉的温度随耗散热功率的增加, 面阵整体热阻的测量值为0.009 ℃/W。千瓦级连续面阵可用于抽运大功率固体激光器,也可用于材料表面热处理。

进行了激光二极管侧抽运Nd∶YLF多程放大实验研究。设计了高增益的激光二极管侧抽运Nd∶YLF放大腔,通过对放大器的优化设计避免了自激的出现。放大器工作波长为1053 nm,工作物质为c轴Nd∶YLF,重复频率1 Hz,采用单个放大腔四程放大的光路结构,放大腔总抽运功率为1.8 kW,激光二极管的中心波长为797 nm,放大腔中激光二极管采用环状密耦合的方式,实现了高效抽运。种子激光能量为0.1 μJ,脉宽为7.5 ns,M2≤1.1,稳定性为±8%。放大器输出能量为2.9 mJ,脉宽为6.7 ns,M2平均为1.65,稳定性为±6.9%,总增益为2.9×104倍。

研制了激光二极管(LD)抽运的高效高重复频率声光调Q Nd∶YAG陶瓷微型激光器件。激光器采用激光二极管纵向同轴抽运Nd∶YAG陶瓷得到1064 nm近红外激光输出,采用熔融石英作声光介质,声光调Q重复频率1 Hz～115 kHz可调。使用2W的激光二极管抽运,获得脉冲宽度16.4 ns,峰值功率2.46 kW,单脉冲能量40.5 μJ的稳定运转。在重复频率110 kHz时获得495 mW的平均功率,总光光转换效率达24.75%。研究了重复频率及抽运功率对声光调Q脉冲激光器性能的影响,并对实验结果进行了相应的分析讨论,在理论上加以合理的解释。

V3+∶YAG是一种新型的饱和吸收体,利用激光二极管(LD)抽运激光工作物质Nd∶YAG,V3+∶YAG被动调Q,成功地实现了1.319 μm全固态激光器的脉冲运转。在1.6 W的抽运功率条件下,使用小信号透过率为89%和96%的V3+∶YAG时,分别获得平均输出功率93 mW和192 mW,最小脉冲宽度(FWHM)7.9 ns和9.2 ns,重复频率8.4 kHz和27.8 kHz,峰值功率大于1.4 kW和750 W,脉冲能量11 μJ和6.9 μJ的1.319 μm脉冲激光输出,利用示波器的统计功能,测量了脉冲能量和重复频率的稳定度,结果表明4 h稳定度均优于5%。

报道了利用声光振幅调制锁模的方法,在激光二极管端面抽运Nd∶YVO4激光器上获得320 MHz高重复频率脉冲列的实验结果。实验采用平平腔结构,腔长452 mm,耦合输出镜透过率为3.6%。所用声光介质为熔融石英晶体,以铌酸锂作换能器,在驱动功率4.5 W时,对1064 nm波长衍射效率为5%,相应的调制深度为0.31。在最佳锁模状态下,激光二极管抽运功率为3.5 W,此时激光平均输出功率为15 mW,示波器记录脉冲宽度680 ps,实测光束质量因子M2小于1.5。并在实验基础上对激光器工作的稳定性进行了分析,结果表明在腔长变化不超过±100 μm时,输出波形仍是稳定的。

利用双焦望远系统和扭转柱透镜系统实现了半导体激光器线阵(LD-bar)的扭转对称化,对称化后的光束在x和y两个方向的光束宽度、发散角和光束参量积接近相等,极大地改善了半导体激光器线阵光束的不对称性和像散特性,进行了以上变换的理论分析和实验研究。作为应用实例,用对称变换后的光束进行了抽运固体激光器的实验,激光器基模输出的效率比用不变换前的光束有明显提高。

利用两段掺铒光纤作为增益介质,获得C-波段与L-波段同时输出的高功率放大自发辐射(ASE)光。采用双级双程结构,两级分别采用前向和后向抽运方式,实现了功率高达19.20 mW(12.83 dBm)的C+L波段(1520～1610 nm)高稳定放大自发辐射光源,中心波长为1552.82 nm。其中以低浓度铒光纤输出起种籽光作用,提高了光源的功率,调整了光谱平坦度。分析了两级抽运源参量的变化对光源各方面性能的影响。

报道了高非线性的双折射微结构光纤(MFs)与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用下,在可见光波段通过相位匹配的四波混频效应获得了波长可调谐的反斯托克斯波的实验结果。由于该光纤的双折射性质,因此在不同偏振方向上具有不同的色散特性,所产生的反斯托克斯超短脉冲的中心波长受到输入脉冲的偏振态的影响。通过旋转输入端的半波片,在相互垂直的两种偏振态的飞秒激光脉冲的作用下,所产生的反斯托克斯波脉冲的中心波长分别为490 nm和510 nm,在微结构光纤的输出端能分别观察到明亮的蓝光和绿光的基模输出。实验研究了在不同功率飞秒脉冲激光的作用下,在不同长度的双折射微结构光纤中反斯托克斯波的产生情况,并对一系列现象进行了对比分析。

通过数值模拟,比较了高能激光及其采样后在湍流大气中传输时远场中央长曝光斑的环围能量半径与扩展等情况。结果表明,在仅有湍流时两者保持不变,而热晕会导致光斑的进一步扩展;采样器的透光比越低,热晕对光斑的扩展影响越小;未采样高能激光的远场中央光斑相对于高能激光经采样后的远场中央光斑的扩展,可归因于热晕效应。因此,利用光束波前采样器对高能激光及其采样后在湍流大气中传输时的远场光斑特性进行比较,就可以诊断高能激光大气传输热晕效应。

为研究平行板静电场法离子引出的规律,利用对由YAG四倍频脉冲激光(266 nm)一步电离产生的铯等离子体进行了多次离子引出实验。结果发现,离子引出时间随外加引出电压的增加而减小,随离子初始密度的增加而增长。通过对实验数据的分析,获得了在此实验条件下光致瞬态铯等离子体离子引出时间与外加引出电压和离子初始密度之间关系的经验公式。但是,离子引出时间并非一直随电压的增加线性减小。在外加电压超过1200 V以后发现离子引出时间有增加的趋势。在外加电压高于1000 V以后观察到溅射离子峰的存在,并讨论了溅射现象的存在对离子引出时间的影响。通过对离子引出与收集和溅射现象的分析获得了本实验条件下平行板静电场法离子引出中外加电压的最佳值。

高超音速低温(HYLTE)喷管是目前在燃烧驱动的连续波DF/HF化学激光器中广泛使用的一种喷管,为了掌握该喷管的混合性能,用激光诱导碘荧光(LIIF)法对实验室的单喉道小型燃烧驱动连续波DF/HF化学激光器的高超音速低温喷管的流场进行了测量。实验结果与理论研究一致,表明激光诱导碘荧光方法可以用于该种喷管混合性能的测量。

在传统半导体激光器动力学方程的基础上,突出了垂直腔面发射激光器(VCSELs)的微腔结构特点以及相位共轭反馈(PCF)的时间反演特性,建立起相位共轭反馈条件下的复合腔仿真模型。仿真结果表明:在外部反射率小于0.05的弱反馈条件下,垂直腔面发射激光器的微腔结构导致了它的动态特性与边发射器件有较大的区别,给出两者在混沌带的出现次数、存在范围以及分岔点的出现条件等方面的比较。相对于常规光反馈(COF)而言,相位共轭反馈的累积相位为零,这使得该机制下垂直腔面发射激光器表现出更为丰富的非线性特性。仿真中观察到常规光反馈经历了三个混沌带,相位共轭反馈经历了两个混沌带且稳定区域较宽;并发现在混沌吸引子产生的过程中常规光反馈光场的实虚部相空间轨迹保持对称,而相位共轭反馈的相空间轨迹则表现为对称的‘建立→破坏→再建立’这样的循环过程。

从近轴波动方程出发推导了窄带和宽带双曲正割脉冲光束的解析传输公式。通过数值计算比较了分别采用复振幅包络(CAE)表示式和复解析信号(CAS)表示式得到的脉冲光束,得出了选择脉冲光束研究方法的条件。结果表明复振幅包络表示式得到的解会存在空间奇异性,使光束出现不符合物理意义的非光束行为。对于宽带光束,复振幅包络解的奇异点的位置距离轴中心较近,使复包络解不能正确表示脉冲光束,而对于奇异点位置远离轴中心的窄带光束,对脉冲光束产生的影响可以忽略。因此,窄带脉冲光束可以采用复振幅包络和复解析信号两种表示式来研究,而对于宽带脉冲光束,必须采用严格的复解析信号表示式。

提出双环单模掺铒光纤激光器激光混沌相移控制方法以及物理模型,数值计算出该激光器的最大李亚谱诺夫(lyapunov)指数,分析了光耦合器耦合系数对激光由分岔进入混沌的动力学行为的影响。说明了相移控制器是通过控制电光相位调制器外调制电压来控制相移,从而实现控制激光光场相位以控制偏振耦合效应,最终实现了控制激光混沌动力学行为;单相移混沌控制方法能实时、动态、有效地控制激光混沌到稳定态和周期态;双相移混沌控制方法则可以灵活改变两个相移控制器的相位,也能实时、动态、有效地控制激光混沌到稳定态和周期态,并能进一步产生多种丰富的激光动力学行为现象。

研究了以Ⅰ/Ⅱ类角度失谐设置方式下,高强度激光在KDP晶体中的谐波转换问题。采用了包括三阶非线性、离散及衍射等效应的谐波转换计算模型,详细讨论了在三阶非线性、离散和衍射等效应的情况下,相位扰动与三次谐波转换(THG)效率的关系,绘出了相应的关系曲线。结果表明,相位扰动会使三次谐波转换效率降低,谐波转换效率越高三倍频的调制越小,提高三次谐波转换效率可以抑制相位扰动对其产生的不利影响。

通过显微镜聚焦近红外超快强激光作用在垂直于激光束移动的LiF晶体样品上,在LiF晶体中连续地诱导产生色心。以一定的间隔,反复移动该激光束的焦斑可在LiF晶体内空间选择性地诱导产生稳定的色心区。测定了不同条件下形成的色心区的吸收光谱,结果表明用近红外超快强激光可在LiF晶体中诱导产生具有激光效应的色心。

提出了一种新的高灵敏激光光谱技术激光双频相位调制环形腔增强调制转移光谱技术。该技术采用单一晶体实现激光双频相位调制,在满足环形腔高精度锁定的同时,又结合了调制转移光谱技术的高灵敏度、高分辨率、无多普勒背景的优点和环形谐振腔增强技术在提高谱线信噪比方面的优势;由此,实验观察到127I2分子在532 nm波段高信噪比的超精细结构光谱。与传统调制转移光谱技术相比,该技术在提高微弱吸收光谱信号的探测灵敏度方面具有明显的优势,在高灵敏、高分辨光谱检测和激光稳频方面将有很好的应用前景。

由于激光扫描一次只能测量给定视角可见的物体表面,若测量物体全方位的形状,必须通过旋转,从多个视角测量物体,并将多视数据拼合于同一坐标系。精确标定转台的中心轴线是旋转测量和多视拼合的关键。提出了一种标定转台中心轴线的新方法,该方法将一个标定球固定于转台上,通过旋转,测量不同位置的标定球,计算不同位置的球心及其所在平面的法矢,再利用几何变换计算球心所在圆的圆心,从而精确标定出转轴的方位,实现了多视测量数据在线自动拼合,提高了数据拼合的精度。对于精度为50 μm的测量机,在半径80 mm的旋转范围内,拼合误差约为70 μm。与以前的方法相比,设计的转轴标定方法简单、高效,在其他安装转台的测量系统中同样适用。

在傅里叶变换型磁光谱仪中,起偏器和检偏器的初始方位通常需要在测量前预先定位。提出了一种不需要专门对起偏器和检偏器定位即可完成磁光谱的测量计算的新方法,该方法可以计算出起偏器和检偏器的初始角度值,从而进行自动校准。推导了检偏器旋转角度偏差导致磁光偏转角测量误差的理论公式,并进行了数值分析,给出了测量误差与旋转步数的关系,数值结果表明检偏器角度偏差引起的误差与步数的平方根成反比关系。还给出了一个钴膜样品的磁光克尔角随外加磁场变化的实测曲线。

对存在偏振模色散(PMD)和群时延(GD)抖动的非理想线性啁啾光纤光栅的色散补偿特性进行了研究。实验测量了啁啾光纤光栅的群时延谱和偏振模色散光谱,理论分析和实验测量表明,啁啾光纤光栅差分群时延(DGD)抖动与其时延抖动密切相关。通过数值模拟方法,计算了线性啁啾光纤光栅偏振模色散眼图代价与入射到啁啾光纤光栅色散补偿器的光信号的偏振方向的关系,计算结果表明在使用啁啾光纤光栅色散补偿器时应对光信号的偏振方向进行调整,以获得最佳补偿效果。另外结合实验数据,模拟计算并讨论了非理想线性啁啾光纤光栅群时延抖动和偏振模色散引起的信号的展宽和脉冲形状的劣化。

提出了采用双边缘技术测量光纤传感中的布里渊频移。利用边上信号对频率变化敏感的特点,提出了边缘检测技术,并通过设置最佳的工作点,使系统工作在最敏感的点上。理论分析表明,为实现0.5 MHz的布里渊频移测量精度,通过测量最大信号的常规检测所需的信噪比为65.1127 dB,单边缘检测所需的信噪比为37 dB,双边缘检测所需的信噪比为31 dB。所以,在相同信噪比下,与常规检测技术相比,边缘检测技术可以大大提高布里渊频移测量精度。

在高速通信中应准确分析激光器高频调制响应需要计及寄生网络的影响。推导了激光器测试系统散射参数与本征响应传输函数之间的关系,提出用激光器散射参数扣除求取激光器本征响应和模拟激光器整体小信号调制响应的新方法。结合激光器的等效电路和速率方程分析,避免了单独测量寄生网络和估计有源区电路参数。对法布里珀罗型激光器样品测试发现,仿真与实验的结果吻合。这一模拟方法简便快捷,准确性好。

利用啁啾光纤光栅的应变调谐特性,将色散补偿的啁啾光纤光栅斜贴于悬臂梁的侧面,通过应力实现啁啾量调整而改变其色散补偿量的大小,同时利用固定在同一悬臂梁的均匀布拉格光栅传感器,实现了闭环自动控制色散补偿量,研制出了一种新型的光纤光栅动态色散补偿仪。该色散补偿仪工作在1550 nm波段,典型性能数据为:色散动态补偿范围-1000～-1680 ps/nm,插入损耗小于1.5 dB,动态调谐步进响应时间小于50 ms,基本上能满足10 Gb/s光纤通信系统中色散动态补偿的要求。

用电子束热蒸发方法在熔融石英基底上沉积了Al2O3和MgF2两种材料的单层膜,研究了两种材料的光学特性,采用光度法计算并给出了薄膜材料在180～230 nm的折射率n和消光系数k的色散曲线。以两种材料作为高低折射率材料组合,采用1/4波长规整膜系设计并镀制了193 nm的高反射膜,反射膜在退火后的反射率在193 nm达到96%以上。结果表明在一定工艺条件下Al2O3和MgF2两种材料能够在193 nm获得较好的光学性能,适用于高反射膜的制备。

用反常衍射(ADA)理论与实验数据优化拟合方法分析了聚合物分散液晶(PDLC)微滴在633 nm激光照射下的散射特性与微滴尺寸、聚合物折射率的关系。在聚合物分散液晶中除了液晶微滴本身的散射以外,还有例如界面散射、杂质散射、材料折射率不均匀等附加散射因子,考虑这些因素以后对反常衍射散射理论进行了修正,提出用参量拟合来测量聚合物分散液晶中聚合物折射率、微滴半径以及液晶体积百分数等参量的方法。测量了微滴的直径在2 μm左右聚合物分散液晶的参量。结果表明,对聚合物分散液晶聚合物折射率的误差在5％以内,而对液晶体积分数的测试误差较大,达到10％左右。

用新型非线性材料硅酸镓镧(LGS)晶体制作了电光调制器,研究了单晶硅酸镓镧晶体的电光效应。利用极值法和倍频法测定了硅酸镓镧晶体的半波电压值,计算出电光系数γ11分别为1.85 pm/V和1.90 pm/V,对比发现倍频法比极值法实用、快速、方便。测定了在0.3～0.6328 μm波长内硅酸镓镧单晶的旋光率为21.1°～2.6°/mm。利用自制的高压调制电源进行了调制实验,实验结果表明:有旋光性非线性材料硅酸镓镧晶体是一种新型电光晶体,可用作电光调制器,调制信号稳定。

在相同激光扫描速度(20 mm/s)和不同激光功率(150 W,200 W,250 W,300 W)工艺条件下,利用CO2激光对铁磁Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶带进行了辐照处理,诱导非晶带样品发生纳米晶化。应用穆斯堡尔(Mossbauer)谱(MS)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对实验样品的晶化工艺、纳米晶相的组织结构、晶化量和纳米晶化机理等进行了研究。结果表明,晶化析出相是α-Fe(Si)单相固溶体,具有4种超精细结构;其晶粒尺寸约为10～20 nm;纳米晶均匀分布在非晶基体上,形成非晶相与纳米晶化相的双相组织结构。随着激光功率的增加,纳米晶化量随着增加,可通过控制激光处理工艺参量,来实现纳米晶化量的控制。

将红外辐射测温系统用于半导体基片表面温度测量时,系统的调焦状况将影响测温结果的准确性。对这种影响进行了理论计算。结果表明,当被测高温区面积较大时,可以允许较大的调焦范围。但在激光诱导扩散等激光微细加工工艺中,曝光区直径仅数十微米量级,对系统的调焦提出了较高的要求。计算了在可见光波段和近红外波段两种情况下系统成像物镜的焦距。当成像物镜在波长为0.546 μm时的焦距为30 mm,并固定像距为196 mm时,得到在波长为1.335 μm时的物距比波长为0.546 μm时大1.33 mm。利用这个结果,结合在不同物距时系统对被测高温区进行扫描得到的温度分布,提出了调焦的方法。利用该方法,系统物距可调节到最佳物距为中心±0.05 mm的范围内,满足了微小面元温度测量的要求。

建立了包含脉冲激光束时空分布、依赖于温度的材料参量、组织演化历史以及多次相变特征在内的脉冲激光表面强化三维有限元模型。针对常热物性和变热物性并考虑相变潜热两种情况,温度场及其演化分别得到了解析解和通用有限元软件的验证,强化区层深和宽度得到了实验验证。研究了材料热物性对强化区的影响,得到了一定范围内强化区层深随材料热物性参量的变化规律,即:热传导系数不变时,强化区层深随热扩散率的增加而增加;比热容不变时,强化区层深随热扩散率的增加而减小;热扩散率一定时,强化区层深随热传导系数和比热容的增加而降低。以球铁、共析钢和中碳钢为例,分析了两种确定材料热物性常数方法,即一定温度范围内的平均值法和选取奥氏体化温度附近参量方法的可行性,研究表明平均值法可以得到较好的结果。

与传统的布线技术相比,激光微细熔覆柔性布线技术可以提高线路板制备的效率并降低生产成本。对基于玻璃基板的激光微细熔覆柔性布线技术的工艺进行了重点研究,分析了激光功率密度和扫描速度对导体厚度和宽度的影响规律,同时研究了烧结时间对导体电阻率和结合强度的影响趋势。试验表明,激光功率密度和扫描速度对导线的厚度影响不大,而对导线的宽度有着重要的影响。导线宽度随功率密度增加、扫描速度减小而增加,并都存在临界值;随着烧结时间延长,导线电阻率减小,结合强度提高。在此基础上,探讨了导体附着机理和导电机理。

为了解高渗溶液渗透特性对生物组织的光学透明进程的影响,探索光透明剂的安全有效浓度,用近红外反射光谱和相干光断层成像(OCT)研究了两种光透明剂丙三醇(甘油)和二甲亚砜(DMSO)以及二者的混合溶液[体积分数为80%的甘油水溶液,50%的DMSO水溶液,50%的甘油+20%的DMSO水溶液(GD1)和50%的甘油+30%的DMSO水溶液(GD2)]对胃黏膜组织的光学透明作用。结果表明,这四种溶液都能显著增强近红外光在胃黏膜组织中的穿透能力,光学透明的能力由低到高依次为体积分数为50%的DMSO,80%的甘油,GD1和GD2。发现生物组织光透明进程的快慢和效果与光透明剂的渗透所导致的组织的失水速率和程度成正比。

用单层人类正常皮肤成纤维细胞(HSFs)作为细胞模型,研究高强度激光束边缘低强度激光的光生物调节作用。分别用1064 nm和532 nm脉冲激光对24组培养的HSFs单层细胞进行照射。研究发现,高脉冲能量的照射导致较低存活率和较大的损伤半径。对接受1064 nm照射的HSFs,100 mJ照射组和150 mJ照射组在照射24 h和48 h后检测发现显著促进增殖;而对532 nm照射的HSFs,100 mJ照射组在照射24 h和48 h后检测发现受到显著抑制增殖。这些结果表明,高强度激光束边缘低强度激光存在光生物调节作用,这可能是影响外科激光的长期效应的重要因素。