基于种子注入技术、干涉法腔模锁定方案以及自滤波非稳腔技术,设计并研制出一套单纵单横电光调Q脉冲激光器系统。该系统输出的基波(波长1064 nm)能量达到600 mJ,倍频后绿光能量达到300 mJ,发散角接近衍射极限,线宽接近傅里叶变换极限,在强气流强振动环境中单纵模的锁定概率为100%。实验观测了种子注入对巨脉冲建立时间、光斑模式以及能量的影响。该系统可应用于受激布里渊散射(SBS)、大视场风洞全息以及光学合成孔径等研究领域。

报道了一种声光调Q激光二极管抽运Nd:YVO4晶体腔外五倍频213 nm深紫外全固态激光器。实验上分别利用KTP和两块BBO晶体产生532 nm倍频绿光,266 nm紫外四倍频以及基波与四倍频的混频,实现了从Nd:YVO4近红外激光到213 nm深紫外激光的频率变换。在10.3 W抽运功率下,获得平均输出功率3.1 mW,脉宽7.5 ns的213 nm深紫外激光输出。

采用激光二极管(LD)抽运、主动调Q的方式,利用c向切割的Nd:GdVO4晶体的自受激拉曼散射(self-SRS)效应,实现了结构紧凑、高效的脉冲拉曼激光器。在输入功率为1.8 W,主动调Q 10 kHz时,自受激拉曼激光器产生了稳定的1176 nm的斯托克斯(Stokes)脉冲光,斯托克斯光的单脉冲能量为10 μJ,脉冲宽度为19 ns。此时,自受激拉曼散射的阈值仅为510 mW,斯托克斯光的转换效率为5.6%。实验结果表明,有效的自受激拉曼变频可以通过一个c向切割的Nd:GdVO4晶体,采用主动调Q的方式来实现。

报道了一种结构简单的波长可调谐掺铒光纤激光器。该光纤激光器由增益平坦型掺铒光纤放大器(EDFA)、偏振相关光隔离器、光纤偏振控制器及输出耦合器组成。利用光纤偏振控制器和偏振相关光隔离器作为波长调谐器件,实现了光纤激光器的波长可调谐输出及双波长输出。利用琼斯矩阵理论分析了光纤激光器腔内不同波长的损耗与偏振控制器状态的关系,指出通过调节光纤偏振控制器,光纤激光器可以实现波长可调谐输出,同时阐述了光纤激光器双波长输出的机制。实验上获得了中心波长在1542～1564 nm连续可调,平均功率大于2.6 mW,边模抑制比大于35 dB的连续激光输出。同时获得了波长为1549 nm和1564 nm的双波长连续激光输出。

通过对宽发光截面半导体激光器(BAL)输出激光空间特性和远场分布的理论分析,并根据激光振荡的自再现原理,导出了反馈注入外腔宽发光截面半导体激光器输出激光的光场分布。计算表明外腔的反馈作用可以看作是频谱面上引入了一个带通滤波器,通过选择特定模式的频谱分量进行反馈注入,从而实现选模和改善输出激光光束质量的目的。完成了相应的外腔反馈注入宽发光截面半导体激光器的实验,获得了单瓣近衍射极限的激光输出,在工作电流为1.18倍阈值电流时,获得远场发散角为0.074°的输出激光,计算得相应的光束衍射倍率因子M2为1.16,和理论计算的结果基本吻合。

随着基于硅微加工技术的微机电(MEMS)技术的发展,搭建低成本的自适应光学系统以校正激光束畸变成为可能。首先根据模态耦合理论分析了热畸变对光束质量的影响,并用数值方法得到理想基模和畸变基模耦合振幅与泽尼克(Zernike)畸变之间的关系。然后采用一种新型的微机电变形反射镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统,用来对热畸变激光光束进行补偿,并对自适应闭环控制方法进行了研究。闭环实验结果显示：闭环自适应光学实验系统能很好地改善激光束质量,斯特列尔比(Strehl Ratio)平均可以达到80%。

为满足高精度计量和方位瞄准跟踪系统的发展对激光CCD自准直仪测量精度的要求,提出一种基于正交傅里叶-梅林矩的激光CCD自准直仪圆目标中心抗噪声精确定位方法。首先利用正交傅里叶-梅林矩(OFMM)的幅值旋转不变性和更低径向矩阶数在充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,通过对图像边缘旋转后垂直方向上不同阶次的正交傅里叶-梅林矩之间关系的分析将圆目标轮廓定位至亚像素级,然后采用最小二乘拟合方法实现圆目标中心的精确定位。结果表明,该方法稳定性好,定位精度高且抗干扰能力强,改进后的激光CCD自准直仪的测量分辨力提高了10倍,测量精度由2″提高到±0.18″,可有效满足在小角度测量和瞄准等领域的高精度测量需要。

为了建立基于探头背光面温升测量重构入射激光能量的方法,推导出了单元探头内温度场分布的半解析表达式,分析确定了重构入射激光能量的特征要素。通过引入标定系数,获得了用探头背光面最大温升重构入射激光能量以及计算标定系数的公式。数值计算讨论了探头尺寸(圆柱体探头的直径与长度)、入射激光特性(表面反射系数与照射时间)、环境条件(环境温度与对流换热系数)对标定系数的影响。通过对重构能量的对流-辐射和靶面反射系数修正,使修正后的重构算法适用于不同环境条件下、对不同波长激光远场参数测量的需求,且量热阵列各单元测量结果有很好的一致性,可有效地提高远场激光能量的测量精度。

给出了一种基于多个分数阶次的复杂光场相位恢复迭代算法。首先利用输入面和两个较高分数阶输出面上的强度信息,恢复出输入面相位分布的轮廓,然后再利用输入面和两个较低分数阶输出面,进一步恢复出相位分布的细节。分别针对具有缓变相位、随机相位分布的光场,进行了二维相位分布的恢复,都得到了良好的恢复结果。最后在一维情形下分析了探测噪声和光路位置调整误差对算法稳定性的影响。

对单频大功率光纤放大器中的受激布里渊散射(SBS)抑制问题进行了分析和模拟。建立了双包层光纤放大器的含有受激布里渊散射效应的传输方程组,并考虑了温度差对受激布里渊增益系数的影响。通过数值求解方程组研究了前向、后向和双向抽运方式下,抽运功率、对流系数、光纤长度和斯托克斯频率偏移对受激布里渊散射增益的影响。在抽运功率、对流系数和光纤长度均相同的条件下,后向抽运方式的受激布里渊增益最小; 对流系数或光纤长度的减少会降低受激布里渊增益。计算了总抽运功率为1 kW,三段抽运方式下的受激布里渊增益,其结果远远大于增益阈值。因此,设计单频大功率光纤放大器宜采用后向抽运方式,尽量减小光纤外表面空气的对流速度以增加温度差,同时应该尽量缩短光纤长度。

鉴于榕树网在自由空间光子交换网络中具有重要的应用价值,分析了榕树网的特点和4×4二维榕树网的空间拓扑结构,通过偏振光分光棱镜、微闪耀光栅阵列、平面反射镜、半反半透镜和液晶空间光调制器的集成,构建二维的榕树交换网实验模块,利用微闪耀光栅的衍射特性,控制每块微闪耀光栅的周期,以实现入射光信号不同方向的闪耀输出,最终完成二维榕树网自由空间水平和竖直方向上的交叉互连,直通则由平面镜反射实现。对二维榕树网实验模块的功能分析表明,该实验模块理论上可以完成4×4二维面阵内光信号(或数据)的排序、交换、组播、广播、矩阵变换等操作,具有交换透明、速度快、空间带宽高等特点,在全光交换和光通信中具有一定的应用。

研制了一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的可调差分相移键控(DPSK)解调器,其具有插入损耗低、隔离度高、稳定性强和相位连续可调的优点。从理论上对差分相移键控信号解调的工作原理进行了详细分析。温度控制系统对光纤臂进行温度控制,温控范围为20 ℃,精度可达0.1 ℃。实验中实现了40 Gb/s差分相移键控信号的解调,解调信号消光比为14.5 dB,温度控制实现了输出结果的长时间稳定,并可在相长干涉和相消干涉之间转换。

研究了用波长为632.8 nm的柱面波与平面波记录形成的体全息柱透镜用波长为800 nm的平面波重现下的波前转换情况。结合二维耦合波理论,推导了形成于LiNbO3双掺杂晶体中该全息柱透镜的耦合波方程,并求出了其积分形式的解析解,分析了改变读出波长下该透镜的布拉格失配因子的分布情况,讨论了它的几何尺寸和记录柱面光波对其衍射效率的影响,以及柱面衍射光振幅在出射口径上的分布情况。结果表明,记录所形成的全息柱透镜的焦距越长它的衍射效率越高; 该透镜厚度的增加会使它的衍射效率增加,但是透镜的衍射口径增加它的衍射效率会降低; 衍射光振幅在其出射口径上的分布出现了一定程度的失真,衍射光强度主要集中分布在布拉格失配值较小处对应的位置。最后,进一步讨论了全息透镜记录过程中满足布拉格匹配条件的参考点的选择对光栅衍射性质的影响,结果表明衍射效率不随参考点的改变而改变。

为了解决读出过程中全息数据的擦除问题,研究了新型双掺杂LiNbO3:Fe:Ru晶体的全息读出特性。分析了双中心和单中心记录方案光栅的读出特性,并联立双中心物质方程和耦合波方程进行了模拟计算。结果表明,双中心记录所得到的饱和全息的读出时间常数远低于LiNbO3:Fe:Mn晶体的读出时间常数; 单色光记录可以实现有效的全息,且其读出时间常数远大于记录时间常数,表现为准态非挥发读出。分析表明,这可能由于Ru的能级比Mn更靠近Fe,更易被红光激发,从而使得双中心记录所得饱和光栅的存贮持久性降低; 单色光记录中红光能够同时充当记录光和抽运光,记录过程中红光能够在Fe上记录光栅并将其转移到Ru上,而在读出过程中则由于Ru能级较深,擦除缓慢。

提出一种用于硅微机械谐振传感器研究的单光源激振测振新方法,即微谐振器的激励及其谐振信号的测量使用同一光源。该方法采用全光纤斐索干涉仪结构,将干涉信号与光源强度变化信号进行运算后,通过选频技术解调出谐振器的振动信息,同时采用贝塞耳函数比值法扩大了振动幅度的测量范围,省去了一些难以获得准确数值的工作参数的计算。采用该方法实现了微悬臂梁结构形式的谐振器件的单光源激振与测振,获得了器件的谐振频率约为8.81 kHz以及谐振状态下的振动幅度约为135 nm。实验结果与采用其他双光源激振测振方法基本一致,新方法的可行性得到了验证。

光学层析技术中,包含在投影信息中的噪声会严重影响重建精度。针对偏折层析的关键环节,提出分两阶段对噪声进行抑制的方法。其一是在数据提取阶段使用小波分析技术对偏移量进行降噪,其二是重建时使用偏折角平均修正算法抑制噪声对迭代计算的影响。模拟实验中使用莫尔层析重建技术对三峰温度场进行了重建,结果显示降噪处理能够明显改善噪声对重建造成的不良影响,对误差曲线的分析表明,该处理使得100次迭代后误差的降幅高达45%。结合8邻域求导算法和降噪处理技术,对小型防风喷焰进行实际测量,证实了莫尔偏折层析技术在流场测量领域的实用价值。

根据脉冲工作状态下半导体激光器激射光谱随结温升高而发生红移的原理,提出了一种测试半导体激光器热弛豫时间的新方法——利用调节取样积分器(Boxcar)取样门,测量光信号脉冲内不同时刻的时间分辨光谱。采用此方法对TO封装和厘米-靶条(cm-Bar)阵列的AlGaAs/GaAs半导体激光器的动态热特性进行了测试,得到其热弛豫时间分别为66 μs和96 μs。

谐振腔精细度法是通过测量光学谐振腔透射谱线宽度来实现对光学反射镜反射率的测定。由于此谱线宽度数值通常在射频范围,采用光谱仪难以精确测量,而在谐振腔精细度方法的基础上引入激光相位调制技术,提出激光相位调制法布里-珀罗(F-P)腔精细度法测定反射率。利用电光调制器对激光进行射频相位调制,以产生的调制边带与激光载波的频率间隔作为“射频标尺”,精确测量了法布里-珀罗腔透射光谱的谱线宽度。利用腔精细度与腔透射光谱的谱线宽度及反射率的关系公式,获得了反射镜的反射率,测量精度可达到10-4。

研究了在玻璃基底上采用不同厚度的铬膜作过渡层,对银膜的光学性质及其附着力的影响。光谱测量结果表明,随着铬膜层厚度的增加,银膜的反射率先增大后减小。与直接镀在玻璃基底上的银膜的反射率相比,铬膜层厚度为8～14 nm时,银膜的反射率较低; 铬膜层厚度为17～21 nm时,银膜的反射率得到提高,其中铬膜厚度为17 nm时,银膜的反射率最高; 继续增加铬膜层的厚度,银膜的反射率又降低,说明采用一定厚度的铬膜作过渡层可以提高银膜的反射率。X射线衍射(XRD)结构分析表明,一定厚度的铬膜改善了银膜的结晶程度,使薄膜的晶粒度增大,晶界散射及缺陷减少,从而使应变减小。剥落实验证明薄膜与玻璃基底之间的附着力也得到了提高。

实验通过采用最大输出脉冲能量为100 J的TEA CO2激光器,研究了从13～80 J的激光脉冲能量对大气呼吸模式激光推进冲量耦合系数的影响。结果表明当脉冲能量在80～24 J变化时,冲量耦合系数没有明显变化,当脉冲能量下降至22 J以下时,冲量耦合系数下降52%。对这一特性进行了初步的理论分析,并通过改变实验环境气体压强,对这一理论进行了验证。

在特定的气体氛围下,用一定能量密度的超短脉冲激光连续照射单晶硅片表面,制备出表面具有准规则排列的微米量级锥形尖峰结构的“黑硅”新材料。不同背景气体下的实验表明,激光脉宽和背景气体对表面微构造的形成起着决定性的作用。具体分析了SF6气体氛围中,皮秒和飞秒激光脉冲作用下硅表面微结构的演化过程。虽然两者均可造成硅表面的准规则排列微米量级尖峰结构,但不同脉冲宽度的激光与硅表面相互作用的物理机制并不相同。在皮秒激光脉冲作用下,尖峰结构形成之前硅片表面先熔化; 而飞秒激光脉冲作用下尖峰的演化过程中始终没有出现液相。对材料的光辐射吸收的初步研究表明,该材料对1.5～16 μm的红外光辐射吸收率不低于80%。

研究了低强度激光对兔软骨细胞增殖和变异的潜在性影响。选取3周龄新西兰白兔分离软骨细胞,在新生牛血清(NCS)体积分数分别为10%,5%,2.5%和无血清4种培养媒介中培养,采用功率6.5 mW的He-Ne激光辐照(HNI)(5.74 mW/cm2)软骨细胞。用四氮唑复合物法(XTT)检测细胞的活性。通过检测羟脯氨酸的(Hrp)含量了解细胞合成胶原的能力。在激光共聚焦显微镜下观察吖碇橙标记软骨细胞形态及DNA的表达。在营养缺乏培养状态中(5%,2.5%新生牛血清),辐照时间为16,30,45 min的照射组细胞数量显著增加,具有明显的光生物调节作用(PBM); 其中最佳辐照时间为30 min,实际最佳辐照能量密度为9.42 J/cm2; 当光生物调节作用显著时,软骨细胞的DNA及胶原的合成也明显增强。He-Ne激光照射兔软骨细胞后在营养缺乏的媒介中增殖明显,所产生的光生物调节作用仅限在一定的剂量范围内产生,这一特性可为临床使用提供参考。

为探索飞秒激光在兔眼巩膜上产生光离解作用的可行性,并寻找适当的激光切割方式及相关参数,将不同脉冲能量的飞秒激光(800 nm/50 fs)聚焦后作用于离体兔眼巩膜。通过计算机控制的三维平台的定向移动,飞秒激光能够在兔眼巩膜上完成打孔、蛇形扫描和线性切割三种方式的光离解作用。应用光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察激光作用后巩膜的形态学变化,并用Nd:YAG激光作为对比。实验结果表明,飞秒激光经过显微物镜(NA：0.2)聚焦后,当其功率密度达到或超过9.55×1014 W/cm2,脉冲能量在37.5～125 μJ变化时,激光以0.1 mm/s的速度线性扫描巩膜能形成深度为30～70 μm的沟道; 当激光的功率密度减小至7.96×1014 W/cm2,脉冲能量小于31.25 μJ/pulse时,在相同条件下却不能产生光离解作用。与Nd:YAG激光相比,飞秒激光在兔眼巩膜上切割瘘道的内壁更加光滑整齐,对周围的组织损伤更小。飞秒激光对离体兔眼巩膜高精度和微创伤的光离解作用,预示了它在未来青光眼治疗中有潜在的应用价值。

为研究周期相位调制光束的放大特性,在分析激光放大介质跃迁谱线线型对损耗、受激辐射截面及饱和能量密度等参量影响的基础上,改进了原先的脉冲放大模型。以Nd:YLF放大器为例,实验中获得的时间波形调制周期约为300 ps,与计算结果330 ps吻合较好; 同时依据该模型计算分析了影响放大输出时间波形的主要因素,入射光场中心频率与跃迁谱线中心频率的匹配能有效降低相位调制-振幅调制(PM-AM)效应,为抑制该效应提供了依据。