星间激光通信终端的主要技术指标和运行性能必须事先在地面实验室条件下进行模拟检验, 因此在研制卫星激光通信终端的同时必须发展相应的系统性检测和验证平台, 主要包括激光通信性能检验、光跟瞄性能检验和光束质量检验。本文综述了卫星激光通信终端检验技术的国外进展, 介绍了我们全物理模拟的地面检测验证思路和方法。

对二级级联拉曼光纤激光器(RFL)的输出光谱特性进行了研究, 利用理论模型讨论了高反腔输出光谱的分裂、对称以及随光栅中心波长改变而形成不对称的现象。实验得到了各级光功率的相互关系：随着抽运功率的增大, 产生第一级斯托克斯(Stokes)波, 剩余抽运功率有一个衰减的阶段; 抽运功率继续增大, 第二级斯托克斯波产生后, 第一级斯托克斯波功率达到饱和, 剩余抽运功率又开始线性增长。利用功率沿光纤长度分布的模型, 分析了二级级联拉曼光纤激光器的功率特性, 理论模型与实验结果相吻合。

在普通单模光纤环中插入半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为非线性器件, 实现了自启动的被动锁模光纤激光器, 并产生了亚皮秒量级的稳定锁模激光脉冲。输出锁模脉冲的基频为几兆赫兹。利用基于倍频晶体的二次谐波自相关仪测得锁模脉冲的脉宽为422 fs, 最窄时可达377 fs, 利用光谱仪测得脉冲谱宽为6.35 nm, 脉宽谱宽乘积为0.329, 接近于双曲正割脉冲的变换极限。实验中激光器输出脉冲稳定, 没有观察到子脉冲和直流分量。在一般的实验室条件下, 未采取任何附加措施, 激光器可连续稳定工作10 h以上, 没有出现失锁现象。该装置结构简单, 紧凑, 易于调整, 工作稳定, 可以很方便地实现自启动锁模。

报道了温差水热法生长的祖母绿晶体在660 nm激光二极管(LD)抽运下的激光实验结果。根据祖母绿晶体的光学特点和生长情况, 加工了长度分别为10.5 mm和3.4 mm的两种激光棒, 并分别进行了激光实验。当激光二极管输入功率为2.68 W时, 在平凹腔中祖母绿晶体分别实现了2.7 mW和24 mW的731 nm红外激光的自由输出, 其中长度3.4 mm激光晶体的光-光转换效率为1.4%, 斜率效率为11.9%, 激光阈值在0.7 W附近, 并分析讨论了效率低的原因。

基于边缘探测技术的激光雷达系统中, 确定分子吸收池滤波器的吸收光谱谱线, 以及确定发射激光信号的中心频率, 是实现激光雷达系统设计的核心问题。依据不同信道中布里渊散射的特性, 仿真出碘分子吸收池在470～550 nm区间的吸收光谱, 在此基础上确定激光雷达系统激光中心频率的选取和鉴频器的设计方法。以大气和海水典型信道为例, 论证了该方法在基于边缘探测技术的激光雷达中的实际应用。

以解析分析理论为基础, 研究长方形Nd:YVO4激光晶体受到具有高斯分布半导体激光侧端面抽运时, 晶体温度场和热形变的分布情况。通过对激光二极管(LD)侧面抽运晶体工作特点分析, 建立了符合实际工作情况的热模型, 利用正交各向异性材料热传导方程, 得出长方形Nd:YVO4晶体温度场和热形变场通解表达式, 并提出了两种有效减小晶体热形变的方法。研究结果表明, 当使用输出功率为30 W的激光二极管侧面中心抽运Nd:YVO4激光晶体时, 在抽运端面中心获得240.0 ℃最高温升和4.73 μm最大热形变量。偏心0.6 mm时, 端面最大热形变量减少31.1%。晶体厚度减小30%时, 端面最大热形变量减少23.5%。

研究了输出波长为2.018 μm的激光二极管(LD)抽运Tm:YAG激光器。通过准三能级系统的速率方程, 分析了激光系统的抽运阈值和斜率效率。同时, 利用ABCD矩阵分析了平凹腔和双凹腔的腔型稳定条件和模式匹配情况。实验时采用785 nm的光纤耦合半导体激光器为抽运源, 当采用平凹直腔, Tm:YAG晶体为5 ℃时, 获得了4.04 W的连续激光输出, 激光器斜率效率为35.4%, 光-光转换效率为26.4%。实验比较了不同晶体温度下Tm:YAG激光器的阈值、功率和效率。实验结果与理论分析基本吻合。此外, 还研究了激光器腔型对激光输出功率和效率的影响。

利用激光二极管(LD)抽运的单块非平面单向行波环形腔单频固体激光器作为种子源, 对电光调Q的功率激光器进行种子注入。通过温度反馈控制对种子光源进行频率调节, 控制种子光源和从动激光器自由振荡频率的匹配, 得到种子注入发生比率为80%, 脉冲功率半宽度为20 ns, 能量为5 mJ, 重复频率为500 Hz的单频激光输出。利用目标反射回波与声光移频的本振光进行外差探测, 获得了包含速度信息的相干信号输出。

Nd:Gd3Sc2Ga3O12(Nd:GSGG)晶体具有荧光寿命长、物化性能稳定、易实现Nd3+离子高浓度均匀掺杂以及易于制成大尺寸无应力和杂质核心类缺陷的激光晶体元件等优点, 是一种潜在的优良激光材料。为了研究其激光特性, 在不同腔长、抽运半径和抽运波长情况下, 对激光二极管(LD)纵向抽运的非对称平行平面腔Nd:GSGG全固化激光器的输出特性进行了实验研究。在抽运功率为2355 mW时, 实现了稳定的345 mW激光输出, 光-光转换效率为14.65%, 斜率效率为16.61%, 输出光斑呈现出较好的空间分布。

研究了在波长为0.68 μm的连续激光辐照下, 钇钡铜氧(YBCO)高温超导(HTS)微带线的非平衡光响应特性, 并从超导体机制探索和光响应超导器件研制两个角度对实验现象进行讨论。实验观察到高温超导微带线的非平衡光响应阈值, 当功率小于15 mW时, 以辐射热效应为主; 当功率大于15 mW时, 出现非平衡光响应。该阈值的发现, 是对Zeldov的“热效应”与“光子效应”同时存在理论的进一步完善, 并设想了一种新型的高温超导衰减器; 研究了高温超导微带线非平衡光响应的恢复时长, 当激光功率为45 mW时, 恢复时长约为3.5 s, 分析了该时长存在的机制及其对光响应超导器件二次激光激励的影响。

研究了在线激光飞行标刻运动跟踪的原理, 提出运动的工件坐标系和静止的振镜扫描坐标系定义, 通过分析两坐标系的映射关系得到激光飞行标刻图形数据的运动补偿公式。针对生产线匀速和变速运动的不同特点, 基于计算机平台设计并实现了开环恒速计算跟踪和闭环位移检测跟踪两种运动跟踪算法模型。实验结果表明, 开环恒速计算跟踪模型采用纯软件计算实现运动跟踪, 不需增加额外硬件, 适合恒速工作环境。闭环位移检测跟踪模型通过旋转编码器采集生产线位移反馈信号来实现运动跟踪补偿, 避免了开环模型下因速度波动容易导致的计算跟踪误差, 具有速度自适应的优点, 在变速情况下也能得到良好的标刻效果。

建立了两套可搬运型碘分子稳频的532 nm固体激光频标装置, 其中一套采用了自行研制的半非平面单块固体环形激光器作为光源, 在该激光器中采用密封隔离罩消除了气压抖动造成的影响。在两套装置中, 利用折叠光路实现了4倍碘室长度的1.8 m的实际光学吸收程, 大大提高了误差信号的信噪比。设计并建立了主动温度反馈控制系统, 有效抑制了电光相位调制器中剩余幅度调制的变化。两套系统频率同时锁定在碘分子的超精细谱线R(56)32-0的a10分量上。连续不间断15×104 s的拍频测量结果表明：1 s采样时间的激光频率稳定度的Allan方差优于2.4×10-14, 大于200 s采样时间的激光频率稳定度的最小Allan方差典型值可达到4×10-15。

采用短脉冲极化电场法, 在1 mm厚的掺摩尔分数0.05镁的铌酸锂晶体上成功制备了周期为30 μm的极化光栅。以输出波长为1.064 μm的声光调Q Nd:YAG固体激光器作为基频抽运源对其进行了光学参量振荡实验, 光参量振荡阈值功率为45 mW(重复频率为1 kHz), 在输入功率为490 mW, 控温炉温度为160 ℃时, 获得了94 mW的波长为1544 nm的信号光输出, 转换效率达到19.2%。并且通过调谐晶体温度(20～180 ℃), 获得了调谐范围为1503～1550 nm的信号光稳定输出。实现了可调谐红外光的稳定输出, 验证了晶体周期结构的均匀性。

基于准相位匹配(QPM)技术, 对周期性极化RbTiOAsO4(PPRTA)晶体的允许参量进行了理论分析和数值模拟, 得到了在波长为1064 nm, Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配条件下的允许波长分别为0.25 nm/cm, 0.45 nm/cm, 和允许温度分别为2.30 ℃/cm, 17.14 ℃/cm。并获得了室温时的允许角度为3.12°/cm1/2。数值模拟结果表明, Ⅱ类相位匹配比Ⅰ类相位匹配更加适宜于倍频过程。

以K9玻璃与熔石英玻璃代替传统的液体或气体作为纵向受激布里渊散射(LSBS)样品, 波长1.064 μm,脉宽12 ns的单纵模电光调Q Nd:YAG激光器作抽运光, 实验上以脉宽压缩和后向斯托克斯(Stokes)散射光频移为标志, 测到后向斯托克斯散射光线宽和散射光脉宽压缩比。研究了纵向受激布里渊散射样品的长度、抽运光能量大小、材料种类对纵向受激布里渊散射脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响。实验结果表明, 熔石英与K9玻璃的受激布里渊散射发生阈值、饱和阈值、散射光能量提取效率、散射光脉冲波形均相近, K9玻璃可以成为一种更廉价的受激布里渊散射介质。针对170 mm的熔石英玻璃样品, 找到了纵向受激布里渊散射的发生阈值、饱和阈值, 并得到了较高的散射光能量提取效率, 从100 mm的熔石英玻璃中获得了87%的散射光能量提取效率, 而从170 mm的熔石英中获得了90%左右的散射光能量提取效率。实验数据拟合的规律曲线印证了数值模拟结果。

从傍轴波动方程出发, 给出了啁啾双曲正割脉冲光束在自由空间中的传输方程, 研究了啁啾对双曲正割脉冲光束空间强度分布的影响。结果表明, 在初始位置初始时刻啁啾对双曲正割脉冲光束空间强度的分布没有任何影响, 但会影响脉冲前后沿的空间强度分布。当双曲正割脉冲光束传输以后, 啁啾对双曲正割脉冲光束空间强度的分布影响很大, 只要啁啾系数足够大, 对于脉冲宽度大于一个甚至是几十个光波振荡周期的双曲正割脉冲光束同样存在空间奇异性。啁啾系数的大小和符号对双曲正割脉冲光束空间强度的分布有不同的影响。

采用溶胶-凝胶法制作波导环形谐振腔, 讨论了环形谐振腔器件的传输特性。测量了在不同物质、不同体积分数的挥发性有机化合物(VOC)蒸气气氛下器件的传输光谱的敏感性。结果表明, 谐振波长随甲醇、乙醇、丙醇等醇类化合物, 以及丙酮、甲醛等蒸气体积分数的上升而向长波方向移动, 具有高的灵敏度, 且两者基本呈线性关系。其中, 对丙醇最敏感, 灵敏度达到1.403 pm/10-6。对甲烷和二甲苯也有微弱反应, 但是其灵敏度很低。也测量了水蒸气对传输谱特性的影响。观察到传输谱衬比度对不同挥发性有机化合物物质蒸气的不同敏感特性。对传感机制进行了讨论。

报道了基于双面反射镜的N×N光开关器件。介绍了使用双面反射镜的2×2, 4×4光开关的集成光路设计和工作原理; 采用Benes网络, 以2×2和4×4光开关为基本单元的N×N光开关器件的整体结构, 并根据“一笔画”原理, 分析了4×4, 8×8和16×16光开关矩阵的可重排无阻塞特性和光开关矩阵的光路选择算法。最后, 基于2×2, 4×4光开关技术制备了16×16光开关矩阵。测试表明, 该器件具有良好的插入损耗、回波损耗、串扰和开关时间等性能, 从而验证了设计思想和工艺的可行性。在基于双面反射镜的光开关矩阵中, 双面反射镜的使用大大减少了光开关矩阵中运动镜片的数量, 简化了控制程序, 并有利于提升光开关器件的可靠性能, 有望在中小型光交换机、网络管理和光路测量中获得应用。

在密集波分复用(DWDM)系统中进行多信道色散补偿时, 需要把多个光纤光栅串联在一起使用, 这样连接在后面的光纤光栅的插损会因为背景损耗的存在而随着光纤光栅数量的增加而增大, 尤其是波长较多的时候, 接在最后的信道的插损会显著增大, 这将制约光纤光栅的最大连接数。通过实验探讨了光纤的紫外曝光造成的背景损耗对串联的窄带啁啾光纤光栅的影响以及对光纤光栅最大连接数的限制。

研究了一种基于波分复用原理的准分布式光纤表面等离子体波传感器。应用光波导理论和多层膜反射理论分析了表面等离子体波效应在同一光纤探头中连续被激励的原理及其传感模型。通过数值模拟和相应实验分别考察了蒸镀调制层对表面等离子体波共振(SPR)效果的影响, 并在此基础上给出了设计的一般步骤和原则。实验结果表明, 蒸镀不同厚度的Ta2O5薄膜将导致表面等离子体波共振光谱发生偏移, 且随着膜厚增加而逐渐发生红移; 当液体折射率n0处于1.333～1.388之间时, 蒸镀有Ta2O5薄膜的光纤表面等离子体波传感器波长灵敏度达到2235 nm/RIU(Refractive Index Unit); 通过在一支光纤探头上依次加工两个表面等离子体波传感区域, 实现了对光波信号的连续调制。

增大光场与气体的作用范围是提高光子晶体光纤(PCF)气体传感灵敏度的主要途径之一。首先, 利用多极方法模拟了空芯光子晶体光纤中的功率分数随波长的变化关系, 研究发现带隙型光子晶体光纤纤芯中光功率分数随波长变化是不连续的, 其最大值可达90%, 最小值不到5%。纤芯中光功率分数随波长的分布还与光子晶体光纤包层的空气填充率有关。其次, 通过平面波展开方法计算了相应光子晶体光纤周期性包层所导致的光子带隙, 研究发现纤芯中的功率分数与光子晶体光纤周期性包层光子带隙的特征有着密切的联系。只要被检测气体的特征波段落入空芯光子晶体光纤的光子带隙中, 纤芯中的光功率分数就会远大于实芯光子晶体光纤倏逝波吸收传感时气孔中的功率分数。

提出一种新型光束质量实时测量技术, 该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统, 一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上, 用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。

针对现有线结构光双传感器测量系统标定过程中对设备要求高、标定过程复杂等难题, 提出了一种简便的基于平面标定参照物的现场标定方法。该方法不需要设计复杂的校准模型和高精度的辅助调整设备, 只需要将一个绘制有棋盘格图案的平面参照物在两个传感器公共的测量范围内任意摆放几个位置, 即可完成双传感器标定, 并建立两个传感器之间的相互关系, 进一步将多个局部世界坐标系下的标定特征点统一到一个全局世界坐标系中, 从而建立起两个传感器与线结构光平面间的标定方程。实验验证了该方法的可行性, 实测平面高度的均方根(RMS)误差为0.03 mm。

正弦相位调制(SPM)干涉测量技术用于表面形貌测量时, 需要帧速高于300 frame/s的图像传感器, 同时要求调制信号频率与图像传感器帧速成确定的整数倍关系。提出一种基于低速CCD(30 frame/s)的帧速可调的高速图像传感技术, 通过控制每帧像素总数提高CCD帧速, 研制出一种高帧速图像传感器, 帧速可达300～1600 frame/s, 且每帧大小连续可调。将该CCD传感器用于正弦相位调制干涉泰曼-格林干涉仪, 测量镀膜玻璃板表面形貌, 当CCD图像传感器的帧速与调制信号频率呈16, 8, 4倍的关系时, 得到玻璃板表面形貌的轮廓平均算术偏差Ra小于1.8 nm, 重复精度优于3 nm。

研究了氙灯抽运脉宽、输出耦合镜的反射率、铒玻璃工作温度以及工作重复频率对铬镱铒共掺磷酸盐玻璃激光输出能量的影响。结果表明, 对于输出能量, 抽运脉宽为2.3 ms(10%最大幅度间)时较好; 综合考虑激光阈值和斜率效率, 输出耦合镜的反射率为85%时较好。此外, 如同大多数激光介质那样, 铬镱铒共掺磷酸盐玻璃的激光输出能量随铒玻璃工作温度的升高和工作重复频率的增加而降低。

利用激光熔覆技术, 在A3钢表面制备出了原位生成TaC颗粒强化的镍基复合涂层。使用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)仪对熔覆层进行了显微组织和物相分析, 并测试了熔覆层显微硬度及摩擦性能。结果表明, 在适当的工艺条件下, 激光熔覆制备原位生成TaC颗粒增强镍基复合涂层成形良好、表面光滑, 涂层与基体呈现良好的冶金结合。熔覆层组织由原位生成的TaC颗粒相+Cr3C2与γ(Cr-Ni-Fe-C)的枝状共晶相+γ(Cr-Ni-Fe-C)基体组成。由于TaC颗粒强化相的形成及其均匀弥散分布, 既提高了涂层中的强化相比例, 又细化了组织, 使得TaC/Ni60激光熔覆层具有高的硬度(平均硬度HV0.31100), 与纯Ni60熔覆层相比, 耐磨性提高4倍。

采用机械球磨法获得混合均匀的Ni-Cr-Ti-Al熔覆材料; 并利用CO2激光器在K418镍基高温合金表面制备了不同化学成分的Ni-Cr-Ti-Al涂层; 采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等手段探讨了不同成分涂层与基体合金的结合情况。分析比较了Ni,Ti和Al含量对熔覆涂层的组织特征的影响。结果表明, 在熔覆过程中, Ti,Al合金元素与Ni相互作用将形成Ni2TiAl, Ni3(Al,Ti),Ni3Ti和NiAl金属间化合物相; Ni-Cr-Ti-Al熔覆涂层以Ni3(Al,Ti)相形成的枝晶组织为主, Ni2TiAl,Ni3Ti及NiAl相分布在Ni3(Al,Ti)枝晶间; 其中, Ni66.11Cr7.35Ti14.39Al12.15熔覆涂层形成了TiAl合金与K418合金之间成分和性能的良好过渡, 为实现TiAl合金/K418合金异种合金间的扩散连接提供了良好的组织基础。

在对激光喷丸成形(LPF)机制分析的基础上, 采用ABAQUS软件对激光喷丸成形过程进行了有限元数值模拟, 分析了激光喷丸后板料的变形和残余应力场的分布情况。结果表明激光喷丸在板料表层的塑性变形层中诱导出压应力, 在塑性变形层以下部位出现拉应力, 这种应力分布形式打破了板料内部原有力系的平衡, 促使板料发生弯曲变形, 从而使板料内部应力重新分布以达到新的平衡, 最终在板料厚度方向形成上下两面为压应力, 而中部为拉应力的新的残余应力场。研究结果对理解激光喷丸成形过程及其本质, 进行激光喷丸工艺参数的合理优化、板料变形过程的有效控制和进一步的实验研究具有指导意义。

为了延长激光法合成纳米金刚石的有效作用时间从而提高合成效率, 提出采用功率密度低、脉宽长的毫秒脉冲激光照射循环水介质中石墨颗粒合成纳米金刚石的新工艺。高分辨透射电镜(HRTEM)及X射线衍射(XRD)分析结果表明, 产物中含大量具有球形单晶体结构或五重孪晶结构的金刚石颗粒(平均颗粒尺寸约为5 nm)。通过对纳米金刚石微观组织结构的分析以及理论计算测算出低功率密度(106 W·cm-2)毫秒脉冲激光照射时石墨颗粒表面可达到最高温度5300 K, 认为该功率密度毫秒脉冲激光照射石墨颗粒时, 不能产生碳等离子体, 只能使石墨颗粒熔融, 得到液态碳。因此生成纳米金刚石的相变机制为：激光脉冲开始时, 石墨颗粒吸收激光能量快速升温并达到熔融状态, 激光脉冲过后, 碳液滴迅速冷却, 金刚石形核并长大得到纳米晶。

为深入研究激光和生物组织的相关参数对激光蚀除生物组织过程的影响规律, 在McKenzie三层结构模型的基础上, 提出了包含碳化层、干化层、脱水层、凝结层和正常组织在内的激光蚀除生物组织多层结构模型, 并进行了数值模拟与分析。结果表明, 蚀除速度与激光功率密度呈近似线性关系; 碳化层、干化层和凝结层的厚度皆随激光功率密度的增加而减小, 并逐渐趋于定值; 而脱水层的厚度则随激光功率密度的增加而增大, 并逐渐趋于定值。波长为2.94 μm的Er:YAG激光蚀除生物组织时, 组织热损伤的总厚度小于波长为10.6 μm的CO2激光造成的损伤, 更适合用于激光外科手术。