利用二维光谱色散平滑技术和透镜列阵(LA)来改善激光驱动器中靶面的辐照均匀性。通过消衍射透镜列阵可得到包络陡峭且中小空间尺度均匀性较好的焦斑。当在光路中加入二维光谱色散平滑单元后,光束在两个互相垂直的方向发生光谱色散,多光束干涉所引起的细密条纹也将在很大程度上被抹平,如果把横向热传导平滑效应也考虑在内,高空间频率的强度波动可进一步被消除。二维理论模拟结果表明采用该方案可获得顶部平坦边缘陡峭的焦斑,而且该方案无需仔细调整靶面的位置,实际应用较方便。

作为生物探针,纳米微粒以其独特的光学性质,易控的表面化学能力,在基于生物成像和诊断的分子生物学和医学领域中引起越来越广泛的关注。贵金属,尤其是金纳米微粒,由于其表面等离子体共振(SPR)等强吸收和发光特性,在生物组织成像,癌症的诊断和治疗中存在着巨大的应用前景。结合配体的金纳米微粒能够特异性地标记癌症细胞上的受体,并提供特定分子的特有信息,进行生物成像和癌症检测。另外,金纳米微粒能够有效地吸收光能量进行局部加热,导致蛋白质变性,并致细胞死亡。主要回顾各种不同尺寸和形状的金纳米微粒的光学特性,以及选择性标记的金纳米微粒在生物成像,癌症诊断和光热疗法中的研究进展。

推导了准稳态下横向抽运的脉冲染料激光放大器的简化速率方程,提出了双侧横向抽运方式的脉冲染料激光放大器的设计原则和设计方法。应用高功率脉冲染料激光放大器的物理设计结果,研制了输出功率为50 W的脉冲染料激光放大器的实验装置。采用铜蒸气激光(CVL)作为抽运光,在此染料激光放大器上进行了实验研究,获得染料激光输出功率为52 W,抽运激光功率提取效率为41%。给出了染料激光波长、注入染料激光功率以及抽运激光的时间和空间匹配特性与染料激光放大器输出激光功率和抽运激光功率提取效率的相互关系,讨论了染料溶液浓度对双侧横向抽运方式的脉冲染料激光放大器的输出光束质量的影响。

设计并研制了一种多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块。激光器芯片采用分子束外延(MBE)方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用4只准直的单条形大功率半导体激光器,器件腔长为2 mm,发光区宽度为100μm,单条形器件的连续输出功率为5.0 W,每两只单条形器件的准直输出光束经过空间合束后再通过偏振合束,实现了多单元器件输出的高光束质量功率合成,采用简单的平凸透镜实现了合束光束与100 μm芯径、数值孔径(NA)0.22石英光纤的高效耦合,耦合效率高达79%,输出功率达10.17 W,光纤端面功率密度达1.0×105 W/cm2。

从圆柱状晶体热传导方程出发,采用有限元方法,对脉冲激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的瞬态温度场分布进行了计算。对单脉冲过程中,晶体升温和降温时端面温度的分布情况进行了计算;分析了束腰位置和束腰半径对单脉冲过程的影响,以及晶体热弛豫时间的影响因素;根据光线追迹理论,分析了激光晶体内温度分布达到动态平衡后,由温度梯度引起的中心与边缘相对光程差时变特性。结果表明,当束腰位于晶体抽运端面时,增大束腰半径晶体端面温度降低;当不改变束腰半径并且后移束腰位置时,晶体端面温度降低;增大冷却液对流换热系数或者空气流速、降低空气温度以及减小晶体半径都可不同程度地缩短热弛豫时间;当晶体温度分布达到动态平衡后,晶体内各点温度呈周期性变化;由晶体径向温度梯度引起的相对光程差(OPD)也随时间作周期性变化。

固体激光器中的热致双折射效应严重地限制了基模输出功率的提高,为了获得大功率高质量的激光输出,需要对热致双折射效应进行补偿。在理论上对双棒在腔内串接补偿热致双折射效应的条件进行了改进,通过设计合理的腔结构和腔内元器件,应用4f成像系统空间滤波器并考虑石英旋光器的厚度,使得腔内光束的退偏率降至2.5%以下。使用矩阵光学的方法简化了对含有这样一个复杂光学系统的谐振腔稳定性和腔内光束半径等特性的分析。通过在腔内加入一个正透镜来扩大基模体积,实验中在双氪灯连续抽运Nd∶YAG激光器中得到了61 W线性偏振的激光基模输出,表明在大基模体积谐振腔的设计中,双折射效应的补偿十分必要。

报道了一台高重复频率高效率2 μm激光器。理论计算了1.064 μm激光抽运Ⅱ类相位匹配KTP晶体的角度调谐曲线,得出KTP晶体按φ=0°,θ=54°切割可获得近简并波长的2 μm激光输出。使用1.064 μm Nd∶YAG模块作为抽运源,抽运内腔式双晶体走离补偿双谐振光参量振荡器(DROPO),在7 kHz声光调Q频率下,获得23.6 W 的2.12 μm激光输出,808 nm激光二极管(LD)出光获得2 μm激光的斜率效率超过19%。

采用射频磁控溅射技术和热退火处理技术制备了石英衬底的纳米Si镶嵌SiNx薄膜(nc-Si-SiNx),薄膜厚度为200 nm。由X射线衍射(XRD)谱计算得出,经800 ℃连续3 h退火的薄膜中的Si晶粒平均尺寸为1.7 nm。把纳米Si镶嵌SiNx薄膜作为可饱和吸收体插入闪光灯抽运的平凹腔Nd∶YAG激光器内,实现1.06 μm激光的被动锁模运转。当激光器腔长为120 cm时,获得平均脉冲宽度32 ps,输出能量25 mJ的单脉冲序列,脉冲序列的包络时间约480 ns,锁模调制深度接近100%。量子限域效应使得纳米Si的能隙宽度大于1.06 μm光子能量,所以双光子饱和吸收和光生载流子的快速能量弛豫是导致纳米Si镶嵌SiNx薄膜实现1.06 μm激光被动锁模的主要原因。

报道了一种插入马赫-曾德尔(M-Z)光纤干涉仪的半导体光放大器(SOA)多波长光纤环形激光器,实现了信道间隔为100 GHz的稳定的多波长连续光激射,其输出光谱3 dB带宽为19.5 nm,消光比大于30 dB。其中在17.9 nm范围内获得了22个波长的连续光,功率不平坦度为1.2 dB,总输出功率为5.1 dBm。对该结构的多波长激光器输出光谱宽,不同波长间功率波动小的特性进行了分析,提出在较低环腔损耗下,半导体光放大器的增益饱和及四波混频(FWM)效应的共同作用使环腔内多波长光功率获得自动均衡;并对实验观测到的激光器输出光谱带宽及中心波长随半导体光放大器驱动电流降低或环腔损耗增大而减小的现象进行了讨论。

为了研究热容激光器冷却过程中激光介质的热力学特性,建立了激光介质热力学理论模型。该模型将介质表面的换热作为瞬态导热微分方程的热源,得到冷却过程中热传导模型。获得了激光介质在冷却过程中的瞬态温度场,进一步得到介质的热应力。利用数值模拟,得到了YAG介质和GGG介质在不同冷却条件下的冷却时间、温差和热应力。表面换热系数从0.1 W·cm-2·K-1增加到0.5 W·cm-2·K-1,冷却时间明显缩短;表面换热系数从0.5 W·cm-2·K-1增加到1 W·cm-2·K-1,冷却时间缩短不明显。对于相同体积、相同初始温度场的YAG介质和GGG介质,YAG介质的冷却时间少于GGG介质的冷却时间。在相同冷却条件下,YAG介质的温差小于GGG介质的温差,YAG介质的最大等效应力小于GGG介质的最大等效应力。

在正常色散条件下,超短光脉冲在光纤放大器中可以演化成具有线性啁啾的自相似抛物脉冲,其演化结果可影响脉冲的压缩质量。采用分步傅里叶方法数值研究了正常色散光纤放大器中,初始输入脉冲宽度、能量、光纤增益和色散系数对超短脉冲自相似演化结果的影响。发现色散长度是脉冲能否实现自相似演化的关键因素。当色散长度与光纤长度相近(几倍)时,脉冲可以实现自相似演化;两者相差越大,脉冲的自相似演化程度越差。增加初始脉冲能量可以加速脉冲的自相似演化,缩短自相似演化的距离。放大器总增益一定时,增益系数越大,脉冲受非线性扭曲的影响越大,使脉冲的自相似演化结果越差;增益系数为0.95 m-1时放大器可获得的总增益比3.8 m-1时大3.3 dB。

基于级联半导体光放大器(SOA)实现全光逻辑与门的方案中,第一级输出信号质量直接影响逻辑与运算结果。采用载流子恢复较慢的体材料半导体光放大器用于第一级转换,在10 Gbit/s以上得不到理想的转换结果,限制了该方案实现逻辑与门的速率。利用光纤延时干涉仪(DI)和第一级半导体光放大器级联可以改善第一级输出信号质量,从而有效提高第二级全光逻辑与门的实现速率。阐述了改进方案中延时干涉仪的作用,并进行了数值模拟。根据实验结果,采用载流子恢复较慢的半导体光放大器级联延时干涉仪能够实现高速归零(RZ)信号和非归零(NRZ)信号的反码,从而得到较高速率的全光逻辑与门。实验实现了20 Gbit/s的伪随机归零和非归零信号的全光逻辑与门,对40 Gbit/s的结果进行了分析和讨论。

光码分多址(OCDMA)技术是实现未来宽带全光接入网的最佳技术之一。提出了一种基于超结构光纤光栅(SSFBG)的光码分多址时域相位编/解码器。编/解码器根据等效相移原理,采用Sinc函数作为采样函数,仅仅利用一块均匀的相位掩模板即实现了多个性能一致的编/解码信道,可以并行对不同波长通道的用户同时进行编/解码,既节省了成本又提高了系统容量。对该编/解码器的结构和性能进行了分析,并进行了计算机仿真。结果表明,对于使用127位Gold序列的编/解码器,各通道自相关峰瓣比(P/W)大于16.3 dB,峰瓣比波动小于0.4 dB,归一化自相关峰值波动小于0.04,各个编码通道取得了与纯相移编/解码器相近的性能,可用于光码分多址/波分复用(WDM)混合系统。

通过沃尔泰拉(Volterra)级数理论求得了非线性薛定谔方程(NLSE)的半解析解,在考虑光纤损耗、色散及非线性效应的情况下,推出了长距离在线级联掺铒光纤放大器(EDFA)光纤通信系统中信号和自发辐射噪声(ASE)之间耦合串扰的半解析表达式,得到了多跨距传输接收端输出信号和发射端输入信号之间的关系式。根据维纳(Wiener)滤波理论的时域滤波原理,在多跨距传输系统接收端设计了对非线性乘性噪声有滤波作用的维纳滤波器,并对预集总色散补偿、后集总色散补偿、分布链路色散补偿系统及“一对三”跨距成比例平移对称的色散非线性同步补偿系统进行了仿真模拟研究。结果表明了提出的设计思路及方法的可行性,为进一步提高传输距离增大入纤功率提供了新的思路。

轴棱锥的斜入射和加工误差对产生零阶贝塞耳光的光束质量有很大影响,而轴棱锥的加工误差常常是轴棱锥圆形横截面被加工成椭圆。由衍射理论和几何光学方法出发,分析了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥的正入射对产生贝塞耳光束质量影响的等价性。根据理论计算, 模拟了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥加工误差的衍射光斑图。提出利用轴棱锥旋转法修正椭圆轴棱锥对无衍射贝塞耳光束质量的影响,获得了近似理想的贝塞耳光束,理论分析与模拟和实验结果基本相符。

基于光致聚合物材料曝光后横向收缩与厚度收缩引起光栅矢量大小和方向的变化,导出了光致聚合物的收缩率与光栅读出角的布拉格偏移之间的显性关系。并设计了两步实验法,采用蓝光记录、红光动态扫描读出,分别对光致聚合物中的非倾斜光栅和倾斜光栅的布拉格偏移进行了实验测量。对自行研制的两种新型蓝光敏感光致聚合物样品,测量了其横向与厚度的收缩率,求出了材料的体积收缩率,其中经过优化配比的样品体积收缩率小于0.5%。实验也表明材料的横向收缩一般是不能忽略的。通过这种简明可靠的收缩率测量方法,可较快确定大量光致聚合物样片的收缩率,有助于找出收缩率与材料组分的关系。

针对基于特征匹配的传统图像拼接方法对旋转和噪声敏感的问题,提出了一种基于兴趣点伪泽尼克(Zernike)矩的图像自动拼接技术。利用哈里斯(Harris)角检测器获取图像中的兴趣点,计算以兴趣点为中心邻域窗口的伪泽尼克矩,通过比较各个兴趣点邻域伪泽尼克矩的欧氏距离提取出初始特征点对,根据几何变换模型剔除伪特征点对,最后利用得到的几何变换模型,对输入图像进行几何变换后将两幅图像间的重叠区域进行图像融合,完成图像的拼接。实验表明,该方法对平移、任意角度的旋转以及噪声均具有鲁棒性,对于具有小尺度变换(小于1.5)的图像仍然具有很好的拼接效果。

提出了一种基于基频分量消光的波片快轴标定方法,并利用琼斯矩阵对其标定原理进行了分析。激光器、起偏器、相位调制器、待标定1/4波片、检偏器和光电探测器构成标定光路,起偏器、检偏器的透光轴与相位调制器的振动轴分别成+45°和0°夹角。准直激光束依次经过起偏器、相位调制器、待标定1/4波片和检偏器,由光电探测器接收。理论分析表明该标定方法标定精度主要取决于检偏器的定位误差。实验验证了该标定方法的有效性,1/4波片快轴标定结果的最大偏差为0.043°,标准差为0.012°,标定精度为0.05°。

用热舟蒸发方法在不同的沉积速率下制备了LaF3单层膜,并对部分单层膜进行了真空退火。分别采用X射线衍射(XRD),Lambda 900 光谱仪和355 nm Nd∶YAG脉冲激光测试了薄膜的晶体结构、透射光谱和激光损伤阈值(LIDT),并通过透射光谱计算得到样品的折射率和消光系数。实验结果表明,增大沉积速率有利于LaF3薄膜的结晶和择优生长,可以提高薄膜的致密性和折射率,但薄膜的抗激光损伤能力有所下降;沉积速率太大,又会恶化薄膜的结晶性能,同时薄膜中产生大量孔洞,薄膜的机械强度降低,导致薄膜的折射率减小和抗激光损伤能力降低。真空退火对薄膜的抗激光损伤能力有不同程度的提高。

采用1 kW Nd∶YAG激光器焊接2 mm厚H62黄铜和20#钢管材。聚焦激光作用在接头黄铜一侧形成深熔焊接熔池,熔化的黄铜浸润碳钢界面形成接头。因此,在焊缝的黄铜一侧为深熔焊,碳钢一侧为钎焊,这一方法称为激光深熔钎焊(LPB)。采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和X射线能谱分析(EDS)对焊缝成形和接头界面进行观察,发现黄铜母材与焊缝界面是正常的激光深熔焊特征,同时碳钢母材与焊缝的界面形成了良好的冶金结合,相互作用区的宽度约为3 μm。显微硬度结果表明焊缝硬度值高于黄铜母材。经爆破实验测试,断裂发生在黄铜一侧,表明H62黄铜-20#钢激光深熔钎焊接头力学性能满足工业使用要求。

采用激光微细熔覆法制备了2×2和1×4微加热器阵列,研究了激光扫描功率和速率对微加热器图形线宽的影响。结果表明,线宽随激光功率增大而增大;随扫描速率增大而减小。并对2×2微加热器阵列进行了性能测试。研究了加热时间、电压和空间位置对温度的影响规律。结果表明,微加热器温度随加热时间的延长而升高并最终达到稳定值;随电压的增加而升高;加热区域离微加热器越远,温度越低。对恒定电压下的升温速率进行了计算和测定,第一分钟内加热速度可达0.45 ℃/s。最后,给出了所制作的微加热器及其阵列的示例。

针对轴形零件实际焊接加工中遇到的困难,利用现场总线、串口通信和GALIL运动控制卡实现了上位计算机对激光器、机器人以及旋转台等系统的同步控制,提出了集成化激光制造系统的多种控制工艺焊接方法。对轴形零件进行了各种激光焊接控制工艺的实验研究,证明了此控制系统可实现多种焊接控制工艺,可以满足轴形零件激光焊接中变速度、变功率、偏角度等各种工艺条件焊接的需求,为轴形零件实际激光焊接中遇到的焊接过程不稳定、首尾衔接处凹坑缺陷等难题的解决提供了新的方法。编程采用VC++面向对象工具加以实现。

讨论了热应力在短脉冲激光清洗油漆过程中的作用,从一维热传导方程出发,计算了由热膨胀产生的热应力以及根据粘附力公式计算出了油漆的粘附力。通过比较热应力与粘附力大小,得到激光清洗油漆的条件,进而建立一维短脉冲激光除漆模型。根据此模型可计算出：波长为1064 nm,脉宽为10 ns的激光清除铁基底上厚度为40 μm橙色漆的清洗阈值为0.5 J/cm2;不同能量密度下使得油漆脱落所需的激光作用时间;激光脉冲作用过程中铁基底的温度变化情况。实验所测得的清洗阈值为0.57 J/cm2,与理论结果接近。实验与理论都表明当能量密度过高时,铁基底的温度升高很大,超过其熔点,铁基底被损坏。并考虑了激光清洗铝基底上油漆的情况。

为了研究激光参数对Ag纳米粒子胶体的影响,采用不同重复率和能量密度的脉冲激光对蒸馏水中的Ag靶烧蚀10 min来制备Ag纳米粒子胶体。通过透射电镜(TEM)和紫外-可见(UV-Vis) 分光光度计分析了Ag纳米粒子胶体的大小、形貌和吸收光谱,同时由Image-ProPlus软件分析计算了粒子的平均粒径及其分布。结果表明,由重复率为10 Hz,能量密度为4.2 J/cm2的脉冲激光烧蚀10 min后制备的Ag胶体纳米粒子平均粒径最小(D=17.54 nm),粒径分布最窄(δ=36.86 nm),且形貌较均匀。从而证实了通过调节激光参数来控制纳米粒子尺寸和形貌的可行性。另外,在实验基础上,应用“熔化生长”与“爆炸”模型讨论了激光烧蚀工艺参数对Ag纳米粒子胶体的影响规律。

对长脉宽脉冲激光弯曲后的硅片试件进行了表面形貌以及晶相等特性分析。结果表明,激光作用于硅片表面后形成了三种特殊区域,分别为边缘区域、过渡区域、主作用区域。其中过渡区域和主作用区域变化比较明显,分别出现了堆积层错现象和波纹状形貌。对主作用区域进行拉曼光谱检测,分析谱图没有发现典型的非晶硅转变,只是存在微弱的Si-Ⅰ→Si-Ⅲ转化。利用X射线定向仪检测原始和激光作用后表面的晶向,发现激光作用区域晶向变化较明显,存在晶体畸变和晶粒细化现象。

采用5 mW·mm-2的 He-Ne激光, 10.08 kJ·m-2·d-1的太阳紫外线B辐射(UV-B)及二者的组合对晋麦8号小麦幼苗进行处理,5 d后测定小麦幼苗叶片中超氧阴离子的产生速率、丙二醛(MDA)含量、小麦幼苗叶片浸出液的紫外吸收值和电导率、可溶性蛋白含量及叶绿素含量的变化,分析He-Ne激光对增强UV-B辐射引起小麦损伤的修复效应。结果显示,与UV-B辐射处理比较,He-Ne激光辐照可使小麦幼苗叶片中超氧阴离子的产生速率减小,丙二醛含量减少,叶片浸出液的紫外吸收值和电导率降低,可溶性蛋白质量分数增加到76.66%和叶绿素质量比升高至1.79 mg/g。表明超氧阴离子的产生速率、丙二醛、小麦幼苗叶片浸出液的紫外吸收值和电导率、可溶性蛋白、叶绿素变化同小麦幼苗损伤修复能力相关,从而证明一定剂量的He-Ne激光可以部分修复增强UV-B造成小麦幼苗的辐射损伤。

从掺镱(Yb)光纤放大器的功率传输方程出发,利用有限差分法对小模场面积(SMA)和大模场面积(LMA)掺镱双包层光纤放大器的放大特性进行了分析比较。采用模场直径(MFD)6.5 μm和20 μm的双包层掺镱光纤作为放大器增益介质进行窄线宽连续信号的放大,在915 nm激光抽运下模拟计算了大、小模场面积输出功率随输入信号功率、抽运光功率和光纤长度的变化特性,特别是对于大模场面积光纤放大器,最优光纤长度的选择至关重要;讨论了模场直径不同时的最优抽运功率和光纤长度的选择,得出4 m光纤放大时的临界抽运功率为4 W,理论与实验结果基本一致。为实际应用中根据信号光、抽运光、增益和模式等要求而选择光纤长度和类型等优化设计提供了理论依据。