全固态黄光激光器大多采用掺Nd3+激光晶体的4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2能级跃迁和腔内和频技术来获得,由于在输出光斑质量和功率稳定性方面一直存在较多困难,所以寻找合适的基频光谱线同时利用腔内倍频是一种切实可行的解决方案。通过对Nd∶YAG激光谱线分析以后发现4F3/2-4I11/2这两个能级间部分激光谱线(1112 nm,1116 nm,1123 nm)经过倍频以后正好可以获得黄光激光输出。通过对Nd∶YAG各主要谱线激光参量比较和分析后发现,要想获得增益较低激光谱线1112 nm,1116 nm,1123 nm振荡,可以通过镀制特殊要求的谐振腔膜抑制增益较大的1064 nm,1319 nm,946 nm激光谱线运转来实现。通过对谐振腔膜系的设计以及倍频晶体的合理选择和放置,采用LBO晶体腔内倍频,利用2 W的激光二极管(LD)抽运Nd∶YAG,获得了556 nm黄光激光输出,在1.6 W的抽运功率下,最大输出功率为102 mW,光-光转换效率为6.4%。

从掺Yb3+光纤放大器(YDFA)的功率传输方程出发,采用有限差分法对掺Yb3+双包层光纤放大器在1053 nm的脉冲放大特性进行数值分析。模拟计算了在977 nm前向抽运下,光纤放大器中的上能级粒子数,抽运光和放大自发辐射(ASE)在光纤中的稳态分布。分析了掺Yb3+双包层光纤放大器的单脉冲波形畸变以及控制输入脉冲形状来产生需要的超高斯输出脉冲形状。讨论了最佳长度以及抽运方式差别等问题。

实现了重复频率高达100 kHz,紧凑的全固态激光二极管抽运的声光调Q 473 nm腔内倍频蓝光激光器。使用5 mm长的Nd∶YAG作为激光介质,倍频采用了10 mm长的I类非临界匹配LBO晶体,激光器外形尺寸为11 cm×6 cm×3 cm。使用2 W的激光二极管抽运,20 kHz重复频率下,得到平均功率为64.8 mW 的473 nm稳定输出,总光光转换效率为3.2％。在1 kHz重复频率下,得到脉冲宽度为23 ns,峰值功率接近700 W,单脉冲能量达到16 μJ的稳定的473 nm激光脉冲。推导了准三能级系统的储能公式。此公式与以前的结果不同,认为有效储能时间不等于上能级寿命。通过实验结果的分析验证了这个结论。

利用Cl2/BCl3/CH4电感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术,实现了对AlGaInAs,InP材料的非选择性刻蚀。AlGaInAs与InP的刻蚀速率分别为820 nm/min与770 nm/min,获得了刻蚀深度为4.9 μm,垂直光滑的AlGaInAs/AlInAs激光器的刻蚀端面。在此基础上制作出宽接触的刻蚀端面AlGaInAs/AlInAs激光器,实现了室温脉冲激射,其阈值电流和微分量子效率与传统的解理端面激光器基本相当。并通过刻蚀端面与解理端面激光器特性的比较(包括电流-电压、电流-输出光功率以及远场特性),分析了刻蚀端面的引入对激光器特性的影响。

从五阶感应电极化强度出发,导出了有损耗单模光纤中同偏振、不同波长的两光波交叉相位调制情况下的五阶非线性折射率;在同时考虑三、五阶非线性的情况下,推导了两光波的慢变振幅满足的耦合非线性薛定谔方程组,并进一步得出了线性化后微扰满足的方程组。分析了三、五阶非线性共存时的交叉相位调制不稳定条件和增益谱。结果表明,与只有三阶非线性的情形相比,在三、五阶非线性共存时,正五阶非线性加强调制不稳定性,使增益谱变宽,峰值变大,负五阶非线性则减弱调制不稳定性;和只有三阶非线性的情况类似,损耗也会使不稳定增益谱的谱宽变窄,谱峰减小;两光波扰动频率的大小关系会影响不稳定增益谱的谱宽、峰值和形状。

腔镜曲率半径和腔长的选配对于激光器的输出特性有重要的影响。以HF为例,在某电激励红外多波段化学激光器平台上,选取了耦合输出率为15%的四组不同曲率半径腔镜的组合,在其他工作参量相同的前提下,获得了一组与模体积最大化原则预测结果恰好相反的功率输出数据。结合烧蚀的光斑模式,利用Rigrod发展的一种基于ABCD传输矩阵的等效简化处理方法对实验结果进行了分析,推测原因可能在于增益区气流通道长矩形截面在高度方向上所形成的衍射损耗。结论表明对于此类器件,在光腔参量的选择中应该考虑到这种衍射损耗。

介绍了一种新型长波长InP基一镜斜置三镜腔型(OMITMiC)光电探测器,并对其进行了数值模拟。介绍了该光电探测器的两项关键制备工艺。首先,利用动态掩膜湿法腐蚀技术,通过调节HCl∶HF∶CrO3腐蚀溶液的选择比,在与InP晶格匹配的In0.72Ga0.28As0.6P0.4外延层上制备出了不同倾角的楔形结构。其次,利用选择性湿法腐蚀技术,通过FeCl3∶H2O溶液对In0.53Ga0.47As牺牲层的腐蚀,制备出了具有InP/空气隙的高反射率分布式布拉格反射镜(DBR)。

实验研究了半非平面单块固体环形Nd∶YAG激光器的强度噪声特性和抑制技术。结果表明,弛豫振荡仍是该种激光器强度噪声最主要的来源。噪声峰值频率随抽运和输出功率的增加向高频方向移动,同时噪声峰宽度增加幅度降低,且在峰值频率附近发生180°相位跃变。采用光电反馈方法设计和制作了包含低噪声宽带接收、比例积分微分(PID)调整等单元组成的噪声抑制电路,测量了整个系统及各部分的传递函数,实现了强度噪声的抑制。当弛豫振荡峰值频率为600 kHz时,噪声峰值处和低频区域幅度降低分别接近40 dB和15 dB。

基于薄膜干涉滤光片角度调谐的基本原理,提出并实现了一种线性调谐滤光器。利用步进电机控制薄膜干涉滤光片的入射角,通过优化机构装置参量,使步进电机旋转角成为线性控制变量。通过应用多层介质薄膜的膜系特征矩阵以及机构装置的几何关系,从理论上得到了滤光片的峰值波长随步进电机的旋转角之间的变化关系曲线,证明线性调谐滤光器具有可行性。设计了一个包括步进电机控制电路在内的实验装置,在1548～1561 nm的波长调谐范围内,取得了线性误差在±0.6 nm以下的实验结果。

光束在非局域非线性介质中传输时遵循非局域非线性薛定谔方程(NNLSE)。对应用变分法得到的傍轴高斯光束在强非局域非线性介质中的束宽演化方程进行了简化,消除了由于强非局域非线性介质响应函数作泰勒级数展开产生的势函数假根的影响;求出了傍轴高斯光束各参量的演化表达式。结果表明,傍轴高斯光束在强非局域非线性介质中传输时束宽的近似演化规律为正弦函数和余弦函数,并存在一个临界功率。当初始功率等于临界功率时,可以得到空间光孤子。对于一般情形,束宽作周期性压缩或展宽变化。当束宽比α≤0.3时,所得结果与非局域非线性薛定谔方程的数值解基本一致。

提出了一种将光弹调制器应用于偏振方向调制的方法,介绍了它的两种基本使用模式,利用琼斯矩阵对其偏振方向调制原理及其两种基本使用模式进行了分析。光弹调制器和1/4波片形成偏振方向调制器件时,光弹调制器处于两块透光轴相互垂直的1/4波片之间,且光弹调制器的振动轴分别和两块1/4波片的透光轴成±45°角,线偏振光通过此器件其偏振方向被调制。实验验证了光弹调制器组合1/4波片调制偏振方向的原理。将光弹调制器应用在偏振方向的调制中,使现有偏振方向调制技术的光谱范围扩展到了紫外波段。

色分离光栅(CSG)是一种重要的谐波分离衍射光学元件,它的近场衍射调制可能导致其自身及其后续光学元件的激光诱导损伤。根据色分离光栅的实际制作过程建立了包含对位误差、占空比误差、刻蚀深度误差、塌边误差等多种制作误差的色分离光栅加工误差模型。并基于标量衍射理论,采用傅里叶分析方法,利用该模型推导得到了色分离光栅近场内光强分布公式,并针对惯性约束聚变(ICF)驱动器终端光学系统的色分离光栅进行了计算模拟,得出了近场调制随各种加工制作误差的变化关系。计算结果表明深度误差和塌边误差对光束近场调制有很大影响,对位误差相对影响较小,而相互影响更加严重。该色分离光栅近场分析和计算模拟方法也可用于其他衍射光学元件。

在集成光学声光可调谐滤波器的基础上,研制成一种偏振无关的集成光学波导型声光光开关,由于采用声光作用实现开关功能,使得开关速度可以达到微秒量级。介绍了这种集成光学波导型声光光开关的工作原理及其基本结构,并对它的插入损耗、隔离度、开关速度这三项光开关的重要性能指标进行了具体的理论分析与计算,然后对制作成的集成光学波导型声光光开关的器件样品进行了性能测试,在室内温度为20 ℃,入射波长为1.523 μm时,测得插入损耗为4.8 dB,隔离度为22.0 dB。对实验与理论的误差进行了具体分析,并提出了进一步提高其性能指标的相关途径。

提出一种新颖的温度不敏感电光振幅调制器和保偏可变光衰减器的设计方案。整个装置由一对电光晶体、一个起偏器和一对准直系统组成。采用线性电光效应的耦合波理论对调制器进行详细研究,发现一束线偏振光经过调制器后,其光场振幅直接受到调制,而相位变化如同经历一个各向同性介质,相位和偏振态都没有改变。这种调制器的优点是不存在自然双折射引起的相位延迟,没有“零场泄漏”,温度稳定性好,插入损耗小等。同时可以用作保偏可调光衰减器和电光探测器。

在素数跳频码(PHCs)的基础上,研究了修正素数跳频码(MPHCs)的构造方法和性能,提出了基于光纤布拉格光栅(FBG)编解码实现修正素数跳频码这种二维地址码的光码分多址(OCDMA)系统方案。并通过对素数跳频码和修正素数跳频码这两种码字误码性能的分析,得到以下结论:对于相同的素数p,当系统误码率(BER)B≤10-9,p≥37时,修正素数跳频码所容纳的最大用户数大于素数跳频码;在光纤布拉格光栅阵列上修正素数跳频码所需要的编码光栅数相对素数跳频码减少(p-1)/2个,从而降低了光纤布拉格光栅阵列的制作难度。

数字化相位生成载波(PGC)方法是实现光纤干涉仪大动态范围、高精度信号检测的主要手段。为了实现一个实用系统,必须对该方法的各种参数进行深入研究。以非平衡干涉仪为基础,推导了数据采集单元和相位生成载波方法相关参数及待测信号参数之间的关系,提出了抗混叠滤波器的设计方法,给出了实验结果,实现了高精度相位生成载波数字解调系统的设计。

发现高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅(LPFG)具有独特的扭曲特性:1) 扭曲特性具有明显的扭曲方向相关性——顺时针扭曲时谐振波长发生“红”移,逆时针扭曲时谐振波长发生“蓝”移,无论顺时针还是逆时针扭曲损耗峰幅值都近似线性减小;2) 若被扭曲的光纤比被扭曲的长周期光纤光栅长得多,则扭曲时长周期光纤光栅谐振波长和幅值的变化出现周期性的起伏。利用扭曲光栅引起椭圆双折射进而导致偏振态变化的相关理论合理解释了这些独特的扭曲特性。

基于时分复用(TDM)原理,提出了一种新型的用于多点速度测试的全光纤干涉系统,通过同一个冲击靶面的测速实验验证方案的可行性。该系统通过在原有全光纤速度干涉仪(AFVI)的探测端口引入光纤耦合器和延迟线,由于延时的存在,被测点干涉信号之间在时间上存在相同的延时,利用时分复用原理,能够实现以往需要多套速度干涉仪才能实现的对测试靶面的多点测试功能。通过对同一个测试自由面上的两点进行测试,得到了具有一定时延的相似干涉条纹,而且延迟的时间与光纤延迟线对应。实验验证了系统设计的正确性。

针对小范围内水下激光爆炸所产生的等离子体冲击波检测问题,对单模石英光纤探针探测方法进行了初步实验研究。采用1064 nm调Q激光脉冲聚焦蒸馏水产生冲击波,利用自制光纤探测器进行了检测。结果发现除探测到冲击波信号外,爆炸所产生的等离子体闪光信号也进入光纤,两者混合叠加。同时由于水下激光爆炸所产生的射流对周围固壁面的破坏作用,光纤探针在实际检测过程中不能过分靠近爆炸源,对300 mJ激光能量,该光纤探针安全范围应大于0.6 mm。

利用离散光谱法实现了可应用于井下原油在线成分分析的光纤在线测量系统。给出井下流体的光谱测量的基本原理以及建立还原模型的基本算法。传统的全谱测量方式很难满足井下应用要求,为此提出了波长选择算法以简化传统光谱测量系统设计。该波长选择算法以全光谱数据为基础进行波长筛选,最终选取了11个特征光谱来代替传统的全谱扫描。以测得的吸收谱线为基础进行模型精度实验,实验表明利用离散光谱点建立还原模型和利用全光谱建立的模型具有很好的一致性。采用离散光谱法简化了系统结构,并可应用于井下在线分析。该系统可同时对井下油、气、水进行检测,也能对原油和油基钻井泥浆混合物进行在线测量,测量误差仅为2%。

结合列阵透镜的透过率分析了其后的光场分布。列阵透镜由多个列阵元拼接而成,用以改善主透镜焦点附近能量分布的均匀性。列阵透镜在提高辐照均匀性的同时,给能量测量带来了不利的影响。这是由于经过列阵元的相邻子光束会产生干涉,干涉条纹处的激光能量密度和功率密度相应都大为增加,其数值在干涉区域中心处能上升到原来的4倍。更高的能量密度和功率密度对能量计提出了更苛刻的要求。在没有采取适当措施的时候使用,就会损坏能量计。

介绍了自聚焦透镜列阵(SLA)成像的特点和制作自聚焦透镜列阵的主要考虑因素,分析了通过测量自聚焦透镜列阵调制传递函数(MTF)来评价其成像质量的可靠性。对调制传递函数的测量原理和方法进行了介绍,分析了用该函数评价自聚焦透镜列阵成像质量合理性的主要依据,从理论上给出了自聚焦透镜列阵的调制传递函数值随波长和空间频率变化的曲线图,并分析了测量值与理论值之间存在差距的影响因素。实验测得A和B两种类型的自聚焦透镜列阵当共轭距(TC)设计在红光波段时,其调制传递函数值分别为58.57%和60.78%,同时测得绿光波段为52.03%和56.34%,蓝光波段为49.94%和53.01%。实验结果显示,B型透镜列阵的成像质量要优于A型。

提出一种空间相关实时相移标定方法,用于解决存在振动和空气扰动等干扰因素情况下,相移条纹图难以准确采集和相移器的非线性对相移精度的影响问题。分析了该方法的原理和使用条件,比较了与傅里叶标定方法间的异同。实验中通过对相移器不间断驱动,使存在干扰的干涉条纹相位呈单调变化,利用两幅条纹图采集存储的时间间隔插入一维空间相关计算,实时计算出所采集条纹图与参考图之间的相关系数及其与指定的相移量余弦值之差,差值最小时得到与指定相移量最接近的相移条纹图。实验结果表明,该方法适合在稀疏等间距干涉条纹下使用,实现方法简单,运算量小,实时性强,相移器的非线性对标定结果不会产生影响,即使存在一定干扰,也能准确实时标定出相移量。

通过稳态和时间分辨荧光及二次谐波产生(SHG)的方法研究了2-硝基-5-(N-甲基-N-十八烷基)氨基苯甲酸(NMOB)分子朗缪尔-布罗基特(Langmuir-Blodgett,LB)多层膜的光谱及非线性光学特性。LB膜的稳态荧光谱较溶液红移大。而纯的NMOB Y型LB多层膜与NMOB/花生酸交替的LB多层膜之间差别较小;由于分子间的相互作用,使得NMOB 分子在溶液中比在LB膜中的荧光衰减时间大。在LB膜中,纯的NMOB和NMOB与花生酸交替的LB多层膜的荧光衰减时间相差不大,说明NMOB分子层内的相互作用较大,而层间的相互作用较小;由于苯环两侧的不对称取代,分子内部形成固有的偶极矩,使得NMOB/花生酸交替的LB多层膜具有较大的宏观偶极矩,因而具有大的二阶非线性极化率,其超分子极化率约为β=4×10-29 esu。

蓝光光存储是信息存储领域发展的一个重要方向。测试系统是研究蓝光光存储材料的必备条件。为建立蓝光光存储研究平台,设计和搭建了一套模块化蓝光光存储性能静态测试系统。激光工作波长为406.7 nm。系统采用调制解调技术降低系统噪声,提高测量精度;采用光点移动模式降低对样品尺寸的要求;采用纳米平台提高记录点的反复定位性能。实验结果证明测试系统性能良好,可以满足蓝光光存储性能静态测试要求。

采用紫外光作记录光在Ce∶Mn∶LiNbO3晶体中实现非挥发全息记录,灵敏度可达0.0803 cm/J,衍射效率(固定)为5.07%,比采用红光为记录光,紫外光为敏化光的非挥发双中心记录方案均提高了50多倍。分析表明,采用紫外光作为记录光,深能级电子被激发比例极大提高,参与光折变过程的电子平均运动周期变短,提高了衍射效率和灵敏度;深浅能级电子光栅的同相位,使得固定空间电荷场变强。文中还研究了退火对记录性能的影响。

采用价格便宜的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)代替价格昂贵的硅或者玻璃作为聚合酶链式反应(PCR)微流控芯片的基片材料,采用柔性大、自动化程度高的准分子激光微加工方法代替加工工艺复杂的光刻化学腐蚀方法。通过对聚甲基丙烯酸甲酯准分子激光加工规律的研究,在19 kV和18 mm/min的优化加工参量下,在40 mm×63 mm的聚甲基丙烯酸甲酯基片上制备出了20个循环的聚合酶链式反应微流控芯片。芯片微通道横截面呈倒梯形,底面粗糙度小于0.5 μm。微通道宽104 μm,深56 μm,长1040 mm,加工耗时57 min。该芯片和相同尺寸的盖片在160 N和105 ℃条件下经过20 min热压键合在一起,键合强度为0.85 MPa。通过进样实验发现键合后的芯片具有良好的密封性。键合后的芯片和温控系统集成在一起,采用比例积分微分(PID)方法得到的控温精度为±0.2 ℃,采用红外热像仪得到的相邻温区间的温度梯度分别为16.5 ℃和22.2 ℃,即该芯片可以实现聚合酶链式反应扩增。

利用预涂NiCr-Si复合粉末对TiAl合金进行激光熔覆处理,分析了原始TiAl合金和激光熔覆复合材料涂层的耐磨性能和高温抗氧化性能,讨论了磨损和高温抗氧化机理及其与预涂合金粉末成分的关系。结果表明,涂层的滑动磨损和耐磨性能有提高,但当耐磨相体积分数过高时,由于涂层脆性增大,其耐磨性呈下降趋势;涂层在1000 ℃恒温氧化条件下均具有较好的抗氧化性能,氧化层结构较连续致密,主要由α-Al2O3,TiO2和SiO2组成。预涂NiCr-40%Si混合合金粉末的激光熔覆复合材料涂层具有更好的耐磨性和高温抗氧化性能。

从时间分辨漫射方程出发推导了混浊介质中光子的程长概率分布函数,研究了平均程长、最可几程长与组织光学特性参数以及光源检测器之间的距离的关系。结果显示,约化散射系数对程长分布的影响要大于吸收系数的影响;平均程长在整个范围内与光源检测器之间的距离呈现良好的线性关系;而最可几程长在光源检测器之间的距离较大时与其呈线性关系。蒙特卡罗模拟结果显示与理论计算结果吻合。

为寻求在红光区具有良好光动力治疗(PDT)抗癌活性的新型四取代铝酞菁光敏剂,以4-硝基邻苯二甲酸为原料,用苯酐尿素法合成了四氨基铝酞菁(TAAlPc)、四乙酰胺基铝酞菁(TAcAAlPc)、四丙酰胺基铝酞菁(TPrAAlPc)和四丁酰胺基铝酞菁(TBuAAlPc)。表征了所得产物的结构,测试了其荧光光谱和急性毒性;并在输出波长532 nm下测定了其光动力抗癌活性。结果表明,所得的酰胺基取代系列铝酞菁对小鼠无明显毒性。当注射剂量为20 mg/kg时,上述四种铝酞菁光敏剂对小鼠S180实体瘤的抑瘤率分别为44.96%,45.87%,45.62%和48.65%,差别不明显。加大剂量至40 mg/kg时,抑瘤率依次为39.16%,42.81%,40.56%和51.82%。在此剂量下,四丁酰胺基铝酞菁表现出较高的光动力治疗抗癌活性。