报道了一种新型全光纤离散可调谐分布反射(DBR)光纤激光器。光纤激光器为短腔结构,其有源区采用Er-Yb共掺单模光纤,有源光纤长度为6 cm。激光器采用两组级联光纤布拉格光栅(FBG)为反射腔镜,前腔镜各级联光纤布拉格光栅的布拉格波长间隔为1 nm,后腔镜为0.8 nm,利用游标原理,通过对前腔镜级联光纤布拉格光栅进行机械调谐,使前后腔镜各反射波长分别对准,实现了四个固定波长间隔为0.8 nm的离散调谐。这种光纤激光器具有波长调节准确,调谐速度快,成本低的优点,可用于作为多波长光纤传输系统的发射光源或系统检测光源,进一步增加级联光栅的组数可实现更大调谐范围。

提出了一种实现锁模光纤激光器波长稳定的方法,即向锁模激光器腔内注入连续光,使某一组纵模在注入连续光的基础上起振。这组纵模在对增益介质的竞争中可以稳定地占据优势,从而实现激光器输出光谱的稳定。理论分析发现注入连续光会使锁模激光器纵模线宽变大,而线宽的增大将会增加进入纵模的连续光功率。在实验中对基于掺铒光纤放大器(EDFA)的主动锁模光纤激光器进行波长稳定,激光器的调制频率为10.06 GHz,观察到了良好的稳定效果。为进一步检验波长稳定的效果,对锁模光纤激光器进行波长稳定后,将其输出的光信号经过一个法布里-珀罗(F-P)滤波器,稳定地滤出了功率较高的纵模。法布里-珀罗滤波器的自由光谱区(FSR)为40.24 GHz,透射峰3 dB带宽为40 MHz。实验结果证明纵模被稳定在法布里-珀罗滤波器的透射峰范围内,纵模波长的波动小于40 MHz。

开展了热容激光二极管(LD)抽运固体激光器理论和实验研究工作,进行了抽运源耦合结构的光线追迹和优化设计,针对热容工作模式下激光介质的激光特性进行了初步理论分析,数值模拟了不同抽运条件下激光介质的增益分布及温度梯度、应力梯度,确定了激光器的安全运行条件。初步完成了热容激光器实验平台的建立:采用两个220 Bar的激光二极管面阵对直径为50 mm,厚度为15 mm的Nd:GGG晶体进行抽运,耦合方式为微透镜准直加正交柱透镜组,耦合光斑的大小为30 mm×30 mm,谐振腔采用平平腔,实验结果表明该激光器在平均抽运功率为8100 W的激励条件下获得了1385 W的激光输出,光-光转换效率约为17%。

研究了激光二极管(LD)侧向抽运的Nd:YAG陶瓷电光调Q激光器的激光输出特性。该激光器采用九组激光二极管线阵列(LDA)侧面紧密环绕均匀排布的抽运结构,并用微通道热汇冷却技术冷却。在电光调Q方式下,重复频率为100 Hz,抽运单脉冲能量为416 mJ时,用尺寸为5 mm×75 mm,掺杂原子数分数为1%的Nd:YAG陶瓷棒,获得50 mJ的1064 nm激光输出,脉冲宽度为12 ns,斜率效率达24%。并实验测量和分析了偏振片,KDP晶体,四分之一波片等调Q器件的插入损耗。测量了输出激光时间波形和光斑的光强空间分布。

为了解决物体表面存在不连续或大梯度的三维数字化问题,提出了一种结合点阵编码和条纹编码两种方式的复合编码三维数字成像方法。该方法综合了点阵编码和条纹编码两种编码方式的优点,利用点阵编码三维数字成像绝对测量的特点,以点阵编码获取物体较低分辨率的三维深度像,并以此确定条纹级次,控制条纹解码的相位展开过程。建立了基于这种复合编码方法的三维数字成像理论模型,并通过实验验证了该方法可有效地克服相位模糊和误差传播问题,同时该方法的物体深度测试范围和测试对象范围均大于单一编码方式。

报道了利用双向抽运单级掺铒光纤结构研制的高效率C+L波段放大自发辐射(ASE)宽带光源。实验表明,该结构在一定的掺铒光纤长度范围内,均可通过调节前后向抽运功率来获得带宽达80 nm(1525～1605 nm)光谱平坦的C+L波段宽带光源。光源的抽运转换效率与掺铒光纤长度、前后向抽运功率分配有关。选择所需的最短掺铒光纤长度制作光源,既可以节省光纤,降低成本,还可以提高抽运转换效率。利用该光源结构获得了输出功率为13.5 dBm,抽运转换效率达23.2%的高效率C+L波段放大自发辐射宽带光源。

为了解决激光推进自由飞行演示中飞行器垂直飞行的稳定性问题,设计了旋转发射平台装置。在飞行器起飞前,给其施加一定的转速。当转速达到700 r/m时,质量为4.2 g,焦距为10 mm的抛物面型飞行器在单脉冲输出能量为13 J,重复频率50 Hz的TEA CO2激光器的推进下,成功实现了重复频率脉冲激光推进竖直自由飞行演示。飞行高度达到2.6 m,飞行持续时间为1.75 s。结果表明,在激光输出能量一定的情况下,通过提高飞行器的转速,可以提高激光推进自由飞行演示中飞行器的稳定性,从而适当地提高飞行高度。

深刻蚀高密度熔融石英光栅是一种新型高效的衍射光学元件,具有衍射效率高、成本低、抗损伤,能在高强度激光条件下工作等优点。给出了利用感应耦合等离子体(ICP)技术制作熔融石英深刻蚀光栅的详细过程,并在一定的优化条件下制作了一系列不同周期、开口比和深度的高质量深刻蚀石英光栅。实验得到的最大刻蚀深度为4 μm,并且在600 l/mm的高密度条件下得到了刻蚀深度为1.9 μm的高深宽比石英光栅。光栅侧壁陡直,表面平整,没有聚合物沉积。所制作的熔融石英光栅元件在高强激光环境、光谱仪、高效滤波器和波分复用系统等领域中有非常广泛的用途。

针对垂直腔面发射激光器(VCSEL)与相位共轭镜(PCM)这一弱耦合系统, 同时考虑到相位共轭镜奇次反馈产生共轭光,偶次反馈产生常规光这一不同于普通平面镜的奇偶效应,构建非即变相位共轭镜奇偶分开的多次反馈理论模型,对多次相位共轭反馈(PCF)下垂直腔面发射激光器非线性动力学行为进行了数值模拟。结果表明,由于引入了奇偶两种不同反馈类型,高次相位共轭镜反馈可明显改变垂直腔面发射激光器的输出动态,即使在弱反馈条件下也如此,而其对稳态特性的影响却恰恰相反。与只考虑一次反馈相比,考虑多次反馈后,弱反馈引起的系统不稳定明显被抑制,混沌区域变小并代之以稳定的倍周期态;而强反馈时,一次反馈对应的从混沌到三分岔的非线性演变方式,在二、三次反馈时分别变成了从倍周期到混沌和从准周期到混沌的演变过程。

在光折变过程中,光波对掺杂中心的激发系数S是一个重要的物理量。为了求出光激发系数S对波长λ的依赖,研究了在不同的擦除波长条件下,记录在光折变晶体LiNbO3:Fe中的光栅衰减特性。实验结果表明lnP(P为光擦除灵敏度)与擦除波长λ呈线性关系,即波长越短,光栅擦除越快,光擦除灵敏度越高。在单中心电子带传输模型的基础上,理论计算也证实了实验结果。利用带传输模型,给出了理论上光激发系数S对波长的指数依赖关系。同时微观量μτ(为量子效率)也可由光栅擦除实验求出。

建立了铯原子双磁光阱(MOT)系统用来制备腔量子电动力学(Cavity-QED)实验所需的处于超高真空(UHV)环境中的冷原子。采用一束聚焦的连续激光束将气室磁光阱从背景铯蒸气中冷却并将俘获到的冷原子有效地输运到超高真空磁光阱,实现了铯原子双磁光阱。实验中研究了输运光束的失谐量对于超高真空磁光阱中的稳态冷原子数的影响,同时对气室磁光阱和超高真空磁光阱的装载过程作了分析。气室磁光阱和超高真空磁光阱的典型气压分别约为1×10-6 Pa和8×10-8 Pa,典型的稳态冷原子数分别约为5×107和5×106,冷原子等效温度约72±4 μK。

提出了用双光阱法测量光阱外缘区力场的方法,建立了双光阱实验装置,其特点是利用一个光阱作为标尺完整测量待测光阱外缘区横向力场分布,测量空间分辨率为10 nm。结合流体力学方法,从实验上给出了完整的光阱横向力场分布。光阱横向力场分布的实验结果与理论计算相符合,对实验结果与理论值存在的差异也进行了分析和讨论,指出了除已有的理论计算采用的几何光学近似模型与实验条件有差别外,粒子在实验过程中伴随的轴向位移也是造成这种差异的主要原因。

二次谐波频率分辨光学门(SHG-FROG)是能够准确测量短脉冲多项特性参量的新技术。利用二次谐波频率分辨光学门脉冲分析仪对在色散平坦光纤中传输前后的短脉冲进行了测量,得到了待测光脉冲的频率分辨光学门(FROG)图、自相关曲线、自相关频谱曲线、波形和相位曲线以及脉宽、谱宽、啁啾等反映短脉冲特性的信息,对实验结果进行了分析,并与高斯脉冲在单模光纤中的线性传输理论进行了比较。结果表明,激光器输出的短脉冲是具有负线性啁啾的近变换极限高斯脉冲,经过12.7 km色散平坦光纤传输后仍然为具有负线性啁啾的高斯脉冲,其谱宽在传输过程中基本保持不变,脉宽展宽了3.1倍,啁啾增大了4倍。实验测量结果和理论预期一致。

在外场用已知半球反射率的靶板作为标准靶板,反演测定目标靶板激光雷达散射截面和半球反射率。由于受到随机变化的大气衰减和激光器输出能量等因素的影响,靶板角分布曲线与朗伯余弦曲线会有一定偏差,因此,采用双光路测量法来确定各个测量时刻的大气衰减系数和激光器输出能量,然后,再与半球反射率已知的标准靶板比较,计算得到目标靶板的激光雷达散射截面。实验测得的目标靶板反射率为24.9%,与实际标定值25.3%的相对误差为1.6%,满足10%的外场精度要求。通过实验测量的结果分析表明利用双光路方法对目标靶板与标准靶板进行测量,较好地消除了各个时刻的大气衰减和激光器照射能量对测量结果的影响。

采用通信理论建立了成像光通信的时空连续三维高斯信道模型,分析了信道容量。结果表明利用光的空间特性可以增加信道容量,其效果取决于系统的空间带宽积。提出了一个成像光通信的收发系统方案,给出了基本的系统设计条件,并分析了系统性能。进行了30 m距离的点阵图传输实验,结果验证了系统的设计要求和性能。给出了一种适合成像光通信的信号相关探测接收方法,它要求用于通信的点阵图像需按照二维空间正交码来构造。为了提高相关接收时的信号处理速度,还可考虑采用光学信息并行处理器,例如非相干多通道相关器,并对该相关器的工作过程做了描述。

基于直接序列扩频(DSSS)的时域编码是目前光码分多址(OCDMA)系统中常用的编码方式。报道了利用带有等效相移(EPS)的超结构光纤布拉格光栅(SSFBG)对重复频率为2.5 GHz,宽度为7 ps的超短光脉冲串进行编/解码的实验,实验中所用码为31位的m序列。正确解码和不正确解码信号的对比度为5:1,与理论计算结果相符。实验结果表明,等效相移光栅能够代替相移光栅作为光码分多址系统的编/解码器。且当入射脉冲宽度小于码片持续时间时,能获得良好的编/解码效果。

发射机及接收机的对准误差都会引起前置光放大卫星激光通信系统信号的衰落,在同时考虑发射机、接收机对准误差的条件下优化系统性能非常重要。将接收机对准误差引起的空间光耦合损耗用一个高斯函数近似,并同时考虑发射机对准误差引起的对准损耗,推导出了接收光功率概率密度的近似解析表达式,应用该概率密度函数,建立了基于平均误码率原则的前置光放大卫星激光通信系统的优化模型。仿真结果表明,在给定平均误码率要求及对准误差一定时,存在一个最佳发射光束宽度、接收天线直径及空间光耦合参数,使所需的发射功率最小,采用更大的接收天线并不能降低对发射功率的要求。

采用四倍频的Nd:YAG脉冲激光(波长266 nm,脉宽10 ns,脉冲能量密度300 mJ/cm2)对PbO摩尔分数在0.3～0.66的硅酸铅玻璃体样品进行照射,并对照射前后样品的X射线光电子能谱(XPS)进行了测量。研究发现266 nm激光照射前后Pb 4f和Si 2p的结合能没有变化,说明Pb和Si元素的价态没有发生改变;但X射线光电子能谱图上这两个峰的高度却有明显的变化:Pb 4f峰增高而Si 2p峰减小,说明硅酸铅玻璃受266 nm紫外激光照射后表面结构发生变化,PbO含量增大而SiO2含量减少。

根据钛宝石激光器的要求设计了性能优良的两种负色散镜(NDM1和NDM2)。NDM1同时引入啁啾效应和G-T效应产生大的群延迟色散量以减少光在负色散镜上的反射次数。NDM2仅引入G-T效应产生较小的群延迟色散以补偿腔内自相位调制带来的部分啁啾。选用离子束溅射法制备了这两种负色散镜。用分光光度计测试了它们的透射率。结果表明,所制备的负色散镜的性能与设计性能非常接近。使用这两种负色散镜进行掺钛蓝宝石激光谐振腔内色散补偿实现了飞秒脉冲锁模,获得了15 fs的超短脉冲。

采用矢量合成法设计了LiB3O5(LBO)晶体上1064 nm,532 nm二倍频增透膜,在1064 nm处的反射率为0.0014%,532 nm处的反射率为0.0004%。根据误差分析,薄膜制备时沉积速率精度控制在+6.5%时,1064 nm处的反射率增加至0.22%,532 nm处增加至0.87%。材料折射率的变化控制在+3%时,1064 nm处的反射率达0.24%,532 nm处达0.22%。沉积速率和折射率控制的负变化不增大特定波长处的剩余反射率。与膜层折射率相比,薄膜物理厚度对剩余反射率的影响小。低折射率膜层的厚度变化对特定波长处的剩余反射率影响最明显,即为该膜系的敏感层。为改善膜基之间的附着力,选择Y2O3或SiO2作为过渡层,从过渡层的厚度匹配和膜层的折射率匹配两方面进行了相应的膜系匹配设计。

提出用可分离双参考光两次曝光全息测量物体变形方向的方法。设计的光路系统用两个平面反射镜将一束扩展激光束分成两束参考光和一束物光,籍此记录物体变形下的可分离双参考光两次曝光全息图。该全息图再现的两个像的图层可以被分离,再现的全息干涉图上的条纹可通过改变曝光次序和微位移再现参考光虚点光源的位置而移动。物体变形方向、干涉条纹移动方向和反射镜位移方向以及曝光次序之间有确定的关系。该干涉图含有物体变形方向和位移数值两种信息。从理论上重点分析了物体变形方向信息所遵循的基本规律,并由此得出了测量物体变形方向的方法。最后给出了实验结果。实验表明提出的方法和理论是正确的,物体变形方向的检测正确率可达100%。

消光起伏光谱法(TFS)是最近发展起来的颗粒测量技术,它可以同时测量颗粒粒径分布和浓度,并可用来进行在线、实时测量。在频率域内对透过率起伏信号进行频谱分析,信号分析系统采用品质因数为0.707的二阶低通滤波器。通过模拟计算得到有关单层与多层颗粒系统的归一化差值函数经验表达式,由此分析颗粒系统的高浓度效应(包括颗粒交叠效应和层结构)对消光起伏光谱的影响。结果表明,高浓度效应与颗粒系统的浓度、层数及光束-颗粒直径比Λ都有关系,它对消光起伏光谱特征函数的影响主要体现在频谱移动和阶高变化两个方面:一般来讲,消光起伏光谱的频率响应主要受颗粒交叠响应的影响,表现为向低频区移动;而消光起伏光谱特征函数的阶高则同时受层结构和颗粒交叠效应影响。

对对径测量传感器的校准方法进行分析和研究,指出了当前手工校准方法存在的弊端和精度低的原因。提出了采用激光干涉仪进行对径测量传感器校准的新构想,实现了被测量到光程差的转化,设计了相应的差动校准测量光路,有效地消除了阿贝误差的影响,校准精度从原来的2.0 μm提高到0.14 μm,同时可得到被测传感器完整的校准曲线,实现了对径测量传感器的高精度、连续化、全自动校准。

用线结构光扫描测量三维物体的过程中,由于物体表面的凹凸不平、反射率的不连续变化以及遮挡造成获取的条纹像存在各种缺陷,导致最后得到的三维面形数据存在偏差。基于此,提出了一种采用双传感器,并将两个传感器图像映射到光刀平面上,然后再对其进行面内融合处理最后提取中心线的方法。对此方法进行了计算机模拟,并对牙齿进行了测量。实验结果表明该方法实现简单,在存在条纹缺陷的地方,精度可以明显提高,有效地降低了条纹缺陷导致的数据偏差。

通过对LY12CZ铝合金激光焊接焊缝的金相组织分析、显微硬度测试,研究了如何有效控制CO2连续激光器焊接LY12CZ铝合金的有关工艺参数,从而使焊缝达到较好的性能。研究结果表明,只要对材料采取适当的焊前预处理工艺,合理选择激光功率、激光扫描速度、保护气体流量等焊接工艺参数,就能够得到晶粒明显细化、中心等轴晶尺寸约为基体晶粒尺寸的1/10～1/15、无气孔和裂纹缺陷的焊缝。由于高温晶界氧化,焊缝晶界和基体晶界相比有所变粗,同时由于焊缝的退火效应、高温下镁的蒸发以及强化相析出等原因,焊缝的显微硬度和基体相比有所下降。

依据激光冲击强化处理时被处理材料表层产生残余应力这一事实,应用弹塑性力学理论,对激光冲击强化处理过程中材料表层强化产生的残余应力进行了理论分析。并结合实验数据,用数学拟合方法给出了激光冲击处理金属材料表层残余应力估算的经验公式 。结果表明该公式估算值与实验测试值有着很好的一致性。同时分析了剪切应力、数学建模、弹性模量、泊松比、残余应力的实验数据处理等对理论估算公式的影响。

通过CCD摄像机对保护箱中的同轴送Nb,Ti,Al混合金属粉的喷嘴出口的粉末汇聚情况和沉积过程的熔池形貌进行了实时观察与分析。根据微粒光散射理论对CCD拍摄的粉末流图像进行分析,得出了不同位置处粉末流的分布模型,并结合实验获取了用于激光沉积的同轴送粉喷嘴到沉积表面的适用距离区间。通过图像处理程序对熔池形貌进行提取,分析了工艺参量对熔池形貌的影响;对多层沉积过程中沉积层的熔池形貌特征、熔池波动现象等进行了较详细的分析探讨。通过系统的观测与分析,深入理解粉末流的汇聚与熔池的实时变动行为,有利于更好地控制激光沉积过程。

用5,5′-(六氟异丙基)-二-(2-氨基苯酚)(6FHP),4,4′-(六氟异丙基)-苯二酸酐(6FDA)和分散红19(DR19)合成了可制作光波导器件的含氟聚酰亚胺(PI-19)有机聚合物;采用示差扫描量热(DSC)、热失重分析(TGA)和近红外吸收光谱等方法对PI-19的热稳定性和光学性质进行了表征。示差扫描量热和热失重分析结果显示,PI-19的玻璃化转变温度(Tg)为256 ℃,在5%的热失重温度为380 ℃,表明具有非常好的热稳定性。近红外吸收光谱表明,材料在光通信波段(1.3 μm和1.55 μm)有2个较低吸收的“窗口”,可以用来制作低损耗的光通信器件、光开关等。制得的聚合物材料具有较大的热光系数,其值为-4.13×10-4～-3.72×10-4 ℃-1(650～1310 nm),对于研制具有低驱动功率的新型数字热光开关具有一定意义。