随着表面组装以及电子元器件的微型化和密集化程度增加,对内部互连导线微细化以及高质量高性能程度的要求日渐严格,而传统技术越来越不能满足这种快速发展的需求。采用激光微细熔覆柔性直写技术,在玻璃基板上直接制备高质量高性能的微细导带。通过控制各工艺参数的变化所引起组织形貌的变化判定形成导带的性能的好坏和质量的优劣,优化了工艺参数,并采用该参数进行实际图形的制备。结果表明,所制备的导带导电性好、结合强度高、焊接性好、表面平整度高,适合于产品的智能化批量生产和精微细图形的制作与修复。

采用高能短脉宽激光冲击加载技术(LSP),利用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等手段,研究了在激光诱导的超高应变率和高于材料动态屈服强度冲击加载条件下,2Cr17Mn15Ni2N奥氏体不锈钢表面亚结构的转变特征和机制。结果表明,冲击区表面结晶度降低,形成大小为0.1～0.5 μm的等轴亚晶区以及规则排列的龟裂区;表面硬度显著增加,形变层深0.25 mm;此外,在冲击区表层观察到形变滞后退火孪晶、显微带、位错胞、条形亚晶、滑移型层错等亚结构,未发现形变孪晶和ε(α)马氏体相。分析认为,激光诱导的超高应变率是产生奥氏体不锈钢表面特殊亚结构的主要原因。

研究了添加不同含量稀土氧化物La2O3对TiAl合金预涂NiCr-Cr3C2混合粉末激光熔覆复合材料涂层组织、耐磨性及抗氧化性能的影响,分析了La2O3的作用机理。结果表明,激光熔覆涂层的组织主要由大量较规则初生块状Cr7C3,细小粒状或树枝状TiC以及γ/Cr7C3共晶组成;随着La2O3的加入,初生相明显细化、球化,共晶组织数量增多,适当的(质量分数4%)La2O3的添加能提高涂层的硬度、韧性和耐磨性,并改善其抗氧化性能。这主要是由于稀土元素对显微组织的细化和涂层的净化作用,显微组织的细化提高了涂层的强度、韧性和硬度,而涂层的净化可以降低其夹杂物的含量,进而提高氧化膜的致密性和附着性,这些都有利于提高其耐磨性和抗氧化性。

在用半导体激光器抽运的单包层掺Yb调Q光纤激光器中观察到了清晰稳定的自锁模脉冲序列,脉冲包络形状为调Q脉冲,每个锁模脉冲的幅值由其在调Q脉冲中的相应位置决定。经过分析,认为自相位调制是调Q光纤激光器中产生锁模的主要原因。自相位调制的存在使得光脉冲的频谱被展宽,当这种展宽和腔的模式间隔相差不多时,腔内的模式便能相互作用,直到它们之间产生一个固定的相位关系,也即形成锁模。在此基础上,去掉声光晶体,并用两个光栅作为腔镜,实现了全光纤法布里珀罗(F-P)腔锁模光纤激光器。改变腔结构,分别采用光栅和光纤反射圈作为前后腔镜,同样观察到了锁模脉冲。经过观察发现,锁模脉冲的产生和掺Yb光纤的浓度、长度、抽运功率的大小有着密切的关系,这为锁模脉冲的产生提供了一种新的方法。

为了实现激光二极管抽运的Yb∶YAG晶体克尔透镜锁模运转,采用波长在930 nm的激光二极管单向抽运Yb∶YAG晶体,利用五镜谐振腔,在腔内没有插入硬光阑的情况下,实现了Yb∶YAG晶体的稳定克尔透镜锁模运转,得到输出功率为20 mW的稳定锁模脉冲,其中心波长在1038 nm,重复频率为94 MHz,谱线半宽度大于9 nm,理论上可以支持124 fs的锁模脉冲。

为了实现小型化、高功率、高效率连续2 μm激光输出,采用中心波长792 nm激光二极管(LD)抽运双掺杂Tm,Ho∶YLF晶体,将晶体封装在装有350 mL液氮的杜瓦装置中,使其工作在77 K温度条件下。光纤耦合激光二极管出纤功率14.8 W,数值孔径0.3,芯径400 μm。激光二极管端面抽运Tm,Ho∶YLF激光器,产生2.05 μm线偏振连续激光输出,最大功率5.2 W。由于Tm3+离子能级间的交叉弛豫效应导致的高抽运量子效率,实验获得的光-光转换效率为35%,斜度效率达到40%。采用双端面抽运结构,两个激光二极管注入功率29.6 W时,Tm,Ho∶YLF激光器输出功率达10.2 W,相当于光-光转换效率33%,斜度效率36%。

一种新型皮秒脉冲激光器由序列脉冲激光的产生、单脉冲激光的选取、放大和倍频等部分组成,激光器工作物质选用Nd∶YAG晶体,用两个格兰棱镜分别作为起偏器和检偏器,激光器的振荡级利用被动锁模染料产生的锁模序列脉冲激光,经过单脉冲选择器选取出其中的一个单脉冲激光,再经激光器放大部分的放大和倍频晶体的倍频后,激光器最终输出能量为120 mJ,脉冲宽度为100 ps,波长为532 nm的单脉冲激光,其功率约为1.2×109 W,功率密度约为4.2×109 W/cm2,系统的外触发同步精度优于2 μs。

为了研究大气压强对激光推进耦合系数的影响,设计了一座真空仓,利用真空泵系统控制仓内气压从4.6×103 Pa到101.3×103 Pa之间变化。采用单脉冲能量为20 J的TEA CO2激光器,对挂有光船模型的冲击摆进行大气模式激光推进耦合系数的测定。实验发现随着真空仓内气压的上升,冲量耦合系数逐渐增大,当气压值达到34.6×103 Pa左右时,冲量耦合系数达到最大,随后伴同气压值的增加冲量耦合系数逐步下降。当入射激光单脉冲能量为10 J时,冲量耦合系数的峰值处的气压值略有降低。从激光等离子体冲击波的角度对这一现象进行了初步的分析和解释,预测了能量对冲量耦合系数的峰值影响。

桌面毛细管快放电X射线激光实验装置,是研究高压大电流放电直接激励X射线激光放大技术的快脉冲发生器。其特点是电压高、电流大、脉冲陡、干扰强、空间小。常规绝缘结构的高压无感电阻测量系统难以满足其高电压脉冲测量的要求。研究了一种新型绝缘结构高压无感电阻电压测量传感器及两级分压测量系统,介绍了传感器的绝缘结构原理、测量系统的组成以及高电压测量结果,并从理论上验证和分析了测量系统的测量结果及相对误差。实验结果表明,新型绝缘结构高压无感电阻能同时具有较高电位梯度和较小电感的优点,设计的电压测量系统峰值误差小,抗干扰能力强,可以较好地满足毛细管快放电X射线激光实验装置中的高电压测量。

在不针对特定系统参量并考虑激光二极管阵列(LDA)前端面的剩余反射的情况下,对外腔锁相激光二极管阵列进行了一般性分析。在只考虑相邻发光单元间互相耦合及单元自耦合的近似下,把耦合参量表示为模和幅角的形式以便于分析各阶超模的阈值条件。对于和前端面的剩余反射系数有关的外腔锁相激光二极管阵列各阶超模的阈值,解析证明了阈值最低的模式或为最低阶超模,或为最高阶超模。说明了存在一些分立的外腔长度范围可以使激光二极管阵列运行于最低阶超模或者最高阶超模,这些结果和模式耦合理论的结果一致。

在自散焦介质中,平面波的传播对小的调制扰动是绝对稳定的,暗空间孤子正是作为平面波背景上的一种局域暗迹而存在的。基于这种调制稳定性,给出了由光生伏打自散焦非线性支持的一维灰空间孤子的演化方程,并在光生伏打光折变LiNbO3∶Fe晶体中给出了它的静态解。数值研究了这种灰空间孤子的诸多性质:例如在不同的孤子灰度下的孤子轮廓和它的相位分布;光生伏打灰孤子的归一化横向传播速度和归一化半峰全宽随归一化的背景光强和孤子灰度的变化等,所有这些性质都可以通过调节孤子波两侧的相位差加以控制,并详细地比较了光生伏打灰孤子和屏蔽灰孤子之间的异同。

基于分数傅里叶变换(FRFT)与维格纳分布函数(WDF)旋转等效的性质,推导出了双曲余弦-高斯(ChG)光束在分数傅里叶变换面上光强分布和束宽的解析公式,研究了双曲余弦-高斯光束光强和束宽随分数傅里叶变换阶数的变化规律,分析了偏心参量对双曲余弦-高斯光束分数傅里叶变换特性的影响,并对数值计算结果进行了分析和讨论。结果表明,对给定偏心参量的双曲余弦-高斯光束,可以使其经过一定阶数的分数傅里叶变换来获得平顶光束。

为了消除群速失配对飞秒光参量放大(OPA)的不利影响,描述了在Ⅱ类共线相位匹配的飞秒BBO光参量放大中,同时倾斜抽运光和信号光的脉冲波面完全补偿三波群速失配的方法。理论计算了三波群速匹配时,相位匹配角、抽运光和信号光的脉冲波面倾斜角随信号光波长的变化。并分析了三波群速匹配对抽运光光斑尺寸的要求和对参量带宽的影响。结果表明,利用该方法不仅能够完全补偿飞秒BBO光参量放大在连续调谐时三波的群速失配,而且能够实现最大的参量带宽。此外,选取合适的抽运光光斑尺寸对提高参量增益至关重要。

分布反馈半导体光放大器(DFB-SOAs)具有较低的双稳上跳阈值,因而在光学信息处理方面有一定的应用前景。引入空间相移、啁啾等非均匀性后,其双稳特性可得到进一步改善。由于系统的传输速率受到脉冲下降沿形变及开启延时的限制,因此对其动态双稳特性的研究很有必要。从耦合模方程及载流子速率方程出发,数值分析了相移、啁啾分布反馈半导体光放大器的动态双稳特性。结果表明,相移使出射脉冲下降沿的形变及开启延迟随初始失谐量的减小呈现先恶化后缓和的趋势,引入啁啾可明显抑制脉冲下降沿的形变,但是增加了开启延迟所需的功率过载量。

以解析分析理论为基础,研究矩形横截面Nd∶GdVO4晶体受到具有高斯分布的端面中心入射时,激光晶体温度场分布情况和晶体抽运面热形变分布情况。通过对半导体激光端面入射Nd∶GdVO4激光晶体工作特点分析,建立了符合激光晶体工作状态的热模型,利用热传导方程(泊松方程)的一种新求解方法,得出了矩形截面Nd∶GdVO4晶体的温度场分布和端面热形变场通解表达式,同时对影响激光晶体温度场分布的各种因素进行了定量研究。研究结果表明,当使用输出功率为15 W的半导体激光器端面中心入射Nd∶GdVO4晶体(晶体掺钕离子原子数分数为1.2%)时,在抽运端面中心获得189.0 ℃最高温升和1.37 μm最大热形变量。这种方法还可以应用到其他激光晶体热问题研究中。

与输入/输出波导耦合的环型谐振腔能形成结构简洁、性能良好、集成度高的信道滤波器。为实现通带内频率响应平坦度高、滚降时间快的滤波效果,采用多环结构形成的高阶滤波器。利用传输矩阵法推导了环与环间通过串联耦合和并联耦合两种方式形成的多环高阶谐振滤波器的传输函数公式。对于并联耦合结构,通过优化直接影响下话路滤波特性的环与环间直波导的长度,实现了下话路光谱的对称性。对于串联结构,影响其特性的主要因素为环与环间的耦合系数,要实现最大平坦的通带特性,通过数值计算得出各个环间耦合系数必须从中间到两侧对称增加的特性。

报道了在光路中使用小尺寸波纹光阑代替圆孔光阑的研究结果。应用菲涅耳衍射光强分布理论以及光轴上光强分布理论对波纹光阑在一定条件下的作用范围进行了分析。用CCD成像系统对实验结果进行记录。结果表明实际与理论能较好地吻合。从光路的实际使用效果看,对比圆孔光阑,应用波纹光阑在其作用范围内实现了对光束衍射调制的抑制和填充因子的提高。

微电机械系统(MEMS)光开关是微电机系统技术与传统光学技术相结合的新型机械式光开关。采用纵横交换网络和通断型微镜实现4×4微电机械系统光开关阵列,利用球透镜单模光纤准直器作为微电机械系统光开关阵列的输入、输出端口。运用高斯光束耦合理论对光开关阵列插入损耗(IL)进行了理论计算,并对引起插入损耗的主要因素进行了分析。对于失调容限:输入与输出光纤准直器位置失调2 μm,定位角度失调0.15°,微镜非垂直反射角度失调0.15°,制作了4×4微电机械系统光开关阵列,对其各个通道的插入损耗进行了实验测试,其中最大值为2.77 dB。

阐述了自相关旁瓣为0,互相关值小于等于1的二维光正交码(2D-OOC)的新构造方法及非同步频域跳频时域扩频二维光码分多址(2D-OCDMA)系统中的干扰估计接收机模型。二维光正交码的新构造方法以两个单极性码分别作为频域跳频模式和时域扩频模式。用作频域跳频模式的地址码是自相关旁瓣及互相关值小于等于1的一维光正交码(1D-OOC),用作时域扩频模式的地址码其码长为素数或码长与码中任意两个非零码元的位置差值互质。将一个没有分配给任何用户并且和接收用户地址码正交的地址码用作干扰估计码来得到多用户干扰(MUI)估计值,从而得到最佳的判决门限。系统误码率(BER)的分析显示干扰估计接收机系统的性能要优于传统的接收机系统。

提出了一种光突发交换(OBS)环网控制协议——延迟光突发固定周期(DBFP)协议,它采用动态波长分插复用器(WADM),即采用波长可调发送可调接收(TTTR)机制,通过提前的光突发控制分组(BCP),为光突发数据分组(BDP)预留资源,并利用固定长度的光纤延迟线(FDL)将突发数据包延迟固定的时间,以便等待所有已经预留的突发数据包发送完毕,从而完全避免突发数据包冲突问题。仿真结果表明,延迟光突发固定周期协议能完全避免突发数据包冲突,同时有效地实现了波长统计复用、按需分配和空间重用,波长重用效率高达160%,从而提高链路利用率,特别适合于突发性的业务;并且延迟光突发固定周期协议所引入的时延为1ms左右,对业务的影响不大。

研究了一种侧面抽运双包层光纤的方法,从被剥除了外包层、端面为350 μm×400 μm的D型双包层光纤内包层上切下长度为3 mm的一段柱体,并胶合在相同的双包层光纤内包层的侧面上,构成了柱体-光纤侧面耦合器。半导体激光器的抽运光从该柱体的一端入射并通过它耦合进入双包层光纤的内包层,实验测得耦合器最大耦合效率为85%。该方法适用于输出功率为数瓦的光纤激光器和放大器的侧面抽运。

采用轮辐式传感机构设计,将两个不同波长的布拉格光栅与轮辐中性轴线同时成相同角度,粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置构成传感头。利用光纤光栅波长绝对编码的特性,设计并研制了轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感器。理论分析和实验结果证明,该传感器具有温度自动补偿特性,可用于压力和拉力的高精度感测,其最大力的测量值达到3 kN,温度自动补偿范围为-20 ℃～75 ℃。

提出了一种对光纤布拉格光栅(FBG)在横向压力负载条件下的谐振波长分裂进行高灵敏检测的方案,并进行了实验研究。采用偏振分束器和偏振无关的光纤迈克耳逊干涉仪组成检测系统,利用相位调制技术,将光纤布拉格光栅的谐振波长分裂的检测转化为相位差的测量,从而大大提高光纤光栅横向压力负载传感的初始分辨率。利用该系统进行横向压力负载传感实验,得到0.025 N/mm横向负载初始分辨能力。

应用坩埚下降法,以同成分化学摩尔分数比(Li2O:48.6%,Nb2O5:51.4%)为原料,以CoO作为掺杂物,在合适的温度梯度(20～40 ℃/cm)与生长速度(1～3 mm/h),生长出了Co2+掺杂摩尔分数分别为0.1%与0.3%的LiNbO3(LN)晶体。用X射线衍射(XRD)与差热分析(DTA)表征了获得的晶体。测定了不同部位晶体从350～2500 nm的吸收光谱。观测到520 nm,549 nm与612 nm三个分裂的尖吸收峰以及以1358 nm为发光中心的吸收带。从吸收特性表明,Co离子掺杂于畸变的氧八面体中,呈现+2价态,并且沿着晶体生长方向浓度逐渐减少,Co2+在LiNbO3晶体中的有效分凝系数大于1。研究了不同部位晶体在900 nm以下的荧光光谱特性,在750 nm发现有较强的荧光发射,并随着激发波长的增长,荧光发生红移。

合成了三种烷氧基取代的金属酞菁铅,利用元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱(HNMR)等方法,验证了化合物的分子结构。将它们分别掺入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中,制备出具有非线性光学性质的复合材料。测试了它们在甲基丙烯酸甲酯中的可见光谱(200～800 nm)。用波长为532 nm的YAG倍频调Q脉冲激光以8 ns的脉冲速率测试复合材料的反饱和吸收的光限幅特性,使用现象学的方法对它们的光限幅现象进行了拟合。拟合结果与实验结果基本一致。三种化合物中叔丁烷氧基酞菁铅反饱和吸收效果最好,这是由于短支链基团有利于酞菁环自身结构的共轭性提高,并能够阻止酞菁分子间发生低聚。

研究了中子辐照下钛宝石单晶体缺陷的形成及光学性能的变化。对温度梯度法(TGT)生长的钛宝石晶体进行中子辐照,中子能量为1.5 MeV,剂量为4.32×1016 neutrons/cm2。辐照后194 nm吸收峰强度增加,268 nm吸收峰强度则降低。荧光谱检测中发现辐照使得420 nm荧光峰强度明显降低,荧光峰位置也蓝移至414 nm处。分析表明辐照使得钛宝石晶体内形成F+缺陷,同时Ti4+离子则转化成Ti3+离子。辐照后的钛宝石在247 ℃处有热释光TL出现,通过初始上升法计算出其陷阱深度为0.63 eV。该热释光的产生与辐照形成的色心有关,但由于钛离子的猝灭效应使得钛宝石的热释光强度较低。

利用Lambda-900分光光度计,在波长为310～1250 nm范围内测量了离子束溅射沉积不同厚度纳米Mo膜的反射率和透射率。选定波长为310 nm,350 nm,400 nm,500 nm,550 nm,632 nm,800 nm,1200 nm时对薄膜的反射率、透射率和吸收率随膜厚变化的关系进行了讨论。实验结果显示,纳米Mo膜的光学特性有明显的尺寸效应。提出将薄膜对光波长为550 nm时的反射率和透射率随Mo膜厚度变化关系的交点对应的厚度作为特征厚度, 该厚度可认为是纳米Mo膜生长从不连续膜进入连续膜的最小连续膜厚。利用原子力显微镜(AFM)观测膜厚在15.76 nm时的表面形貌,此时表面形貌已呈现连续膜的特征。

有源内腔法气体吸收测量技术具有极高的灵敏度,通过对基于掺铒光纤激光器的有源气体测量系统的分析和静态测量结果表明,在激光器阈值附近系统的灵敏度最大。为了有效地抑制噪声,提高测量精度,在环行腔光纤激光器的基础上又提出了采用波长调制/二次谐波检测的测量方法,并采用1×N的波分复用(WDM)器件构建了有源传感网络。实验中采用了一个1×4的波分复用器,其通道对应于乙炔气体的吸收波长,系统的解调通过扫描可调谐光滤波器的波长来实现。通过对8.31 mol/m3的乙炔气体的实验表明系统最小可探测气体浓度为0.044 mol/m3。

全光非线性开关是全光3R再生的关键技术。在对一种全光开关[超快非线性干涉仪(UNI)]的传输函数进行分析后,得到了超快非线性干涉仪窗口的数学描述。在此基础上通过实验得到了40 Gb/s的全光开关。并结合实验条件,具体分析了影响超快非线性干涉仪开关窗口的几个因素: 增加半导体光放大器(SOA)的注入电流,增大控制脉冲的平均功率和调节连续光功率到最佳值,都能有效地改善输出窗口的形状和消光比,并对这种现象在理论上进行了初步分析。可以利用上述结论指导超快非线性干涉仪实验,从而使超快非线性干涉仪系统得到最大程度的优化。

采用面阵CCD探测器测量连续和脉冲激光器空间光束的技术,研制了一套高精度激光参量测量系统,测量了激光二极管连续抽运输出波长为1064 nm的固体模式发生器产生的不同阶次厄米高斯光束和脉宽10 ns调Q灯抽运固体激光器的光束参量,分析对比了模式发生器输出光束的理论值和实验测量结果,证明了该系统测量精度优于5%,讨论了测量系统中各种因素对光束参量测量结果的影响。

探测器响应特性对衰荡信号的测量有很大影响。根据光束传输变换规律和信号叠加方式,只利用数据拟合,建立了探测器响应特性对衰荡信号和反射率测量结果的影响模型。通过数值运算,模拟了不同情况下衰荡信号波形的变化,进而分析了探测器响应特性对衰荡法测量结果的影响。研究表明,对于现有的数据处理方法,选择合适的探测器,能够提高测量结果的可重复测量精度;但其测量值0.990045与腔镜的真实值0.999存在差异。由此研究了测量结果随腔镜反射率的变化和数据预处理方式,提出了测量结果的两种标校途径:1)利用模拟测量结果与腔镜真实值之间的差异,从理论上对实验测试结果进行标校;2)先对衰荡波形进行梳状滤波等预处理,再用拟合法计算反射率。