实验研究了基于国产高增益掺Yb3+双包层大模场面积（LMA）光纤的简化腔结构激光器的稳定锁模运转, 直接使用塌陷打磨之后的光纤端面作为线型腔中的一端腔镜, 利用打磨为0°角之后的光纤端面4%的反射率, 在高增益的条件下获得了激光振荡, 并进一步利用半导体可饱和吸收镜（SESAM）获得稳定的锁模输出, 得到了平均功率分别为144 mW和120 mW, 重复频率均为68 MHz（对应单脉冲能量分别为2.1 nJ和1.8 nJ）, 脉冲宽度分别为9.9 ps和4.8 ps的超短脉冲输出。通过增加抽运功率, 得到了功率分别为150 mW和220 mW的稳定多脉冲输出, 对应脉冲个数为两个和四个。进而通过激光谐振腔中的光栅对, 实现了波长1020 ～1080 nm宽带可调谐的超短脉冲输出。

在激光器腔面处制作非吸收窗口(NAW)可以有效地减少光吸收, 防止激光器过早出现光学灾变损伤(COD), 是提高大功率半导体激光器的功率特性的重要手段之一。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术二次外延生长了大功率657 nm红光半导体激光器结构, 通过闭管扩散Zn的方法在腔面附近制作了非吸收窗口。实验发现扩散温度550 ℃, 扩散时间20 min时, 得到的非吸收窗口最为有效, 激光器连续工作的无扭折输出功率大于100 mW, 超过常规的无窗口结构激光器的最大输出功率的两倍, 激光器的斜率效率提高了23%。测量该类器件的温度特性发现, 环境温度为20～70 ℃时, 其输出功率均可大于50 mW, 计算得到激光器的特征温度约为89 K, 波长增加率约为0.24 nm/℃。

近20年来, 由于X射线光刻技术、空间技术以及激光引爆的惯性约束聚变(ICF)的过程诊断等的需求, X射线成像技术获得迅速发展。但是, 由于常规的成像方法难以适应X射线波段, 目前大多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法。KBA显微镜为掠入射非共轴X射线反射成像系统, 而且四块反射镜是空间分布的, 前两块反射镜和后两块反射镜之间并不是严格互相垂直的, 这给像质分析带来相当大的困难。通常的光学CAD软件难于适应这种光学系统。因此设计了掠入射非共轴反射成像的KBA显微镜成像系统程序,并用该程序分析了该系统的综合误差。 物距公差为-0.4～+1 mm, 掠入射角公差在-8″～0, 双反射镜公差在-20″～0, 弥散斑的变化在允许的范围内。

为了测量Z箍缩等离子体X射线的空间分辨光谱, 利用椭圆聚焦原理, 研制了一种椭圆晶体谱仪。以Si(111)椭圆弯晶作为色散分析元件, 椭圆的离心率为0.9480, 焦距为1348 mm, 布拉格角范围为30°～54°, 谱线探测角范围为54°～103°, 探测的波长范围为0.31～0.51 nm。设计了半径为50 mm的半圆型胶片暗盒, 内装胶片接收光谱信号。分析了椭圆的弥散度对光谱分辨率的影响。在“阳”加速器装置上进行摄谱实验,胶片成功获取了氩喷气等离子体X射线的跃迁光谱, 实测谱线分辨率(λ/Δλ)达300～500,波长与理论值吻合。

用线性化近似方法计算了噪声间关联程度λ受时间周期调制下单模激光系统的光强关联时间T, 结果表明, 无论λ=0, λ>0或λ<0, T随量子噪声强度D和抽运噪声强度Q的变化均呈单调增长且最终趋于饱和(T＝1), 只是当λ<0时T随Q的变化曲线出现一极小值(存在抑制现象); 当λ=0时, T不随时间周期调制频率Ωλ变化, 当λ>0和λ<0, Ωλ取值小时T-Ωλ曲线出现高频振荡, 随着Ωλ值增大振荡频率变低, 振幅变小, 最后趋于与λ=0的T值一致。

为了掌握激光点火中烧蚀和等离子体的特性, 采用平行电极板法研究了脉冲Nd∶YAG激光对硼-硝酸钾点火时的激光烧蚀等离子体导电特性和特征参数值。实验获得了B-KNO3(m(B)∶m(KNO3)=40∶60)和B-KNO3-酚醛树脂(m(B)∶m(KNO3)∶m(phenolic resin)=40∶60∶0.5)的等离子体形成的临界能量密度值分别为34.07±8.06 J/cm2和28.56±2.62 J/cm2, 电荷通量值和平均动能值分别为1.82×10-5 C/(mm2·s), 10.85×103 eV(62.05 J/cm2)和2.29×10-5 C/(mm2·s), 13.61×103 eV (60.80 J/cm2)。激光形成等离子体的点火延迟时间随着激光能量密度的增大而呈指数衰减, 在较低能量密度下掺杂酚醛树脂的B-KNO3的点火延迟时间比无酚醛树脂的B-KNO3长, 但是当能量密度达到35 J/cm2时两者相同。研究表明,酚醛树脂有助于B-KNO3的烧蚀, 并且形成的可反应性烧蚀产物具有较高离子浓度和动能。

利用石英晶体的旋光效应产生矢量偏振光束,石英晶体被分成圆心角相同的12个扇区, 每个扇区设计有特定的厚度, 依据晶体的旋光性质可知, 在平面线偏振光入射的条件下, 不同扇区产生了不同的偏振旋转, 形成了空间上偏振方向不同的矢量偏振光束。进一步利用二维辛普森数值积分(ZDSC)方法计算了这种光束的高数值孔径聚焦场分布, 发现此光束的聚焦性质与轴对称偏振光的极其相似, 说明提出的方法可作为产生偏转角可调的轴对称偏振光的一种简单方法, 而满足实际的应用需要。

设计了一种基于多模干涉(MMI)耦合输入/输出结构的跑道型双微环串联谐振滤波器, 并采用紫外光敏聚合物材料SU-8作波导芯层, 聚合物CYTOP为下包层, 在硅基底上完成了器件的制备。器件的波导端面尺寸为2 μm×1 μm, 与设计值相符, 扫描电镜显示所制备的器件波导侧壁陡直度较高。直波导传输损耗的测试结果表明, 在1550 nm波长, 直波导传输损耗约为2.0 dB/cm。测试并获得了多模干涉结构和器件的通光及输出光谱图。测试结果表明, MMI结构在较宽的波长范围内实现了接近50∶50的功分比, 微环谐振滤波器的通光性能良好, 实现了滤波功能, 器件的自由光谱区FSR实际值约为0.94 nm, 与设计参数值很接近。研究结果表明采用聚合物SU-8制备小波导尺寸微环谐振器的器件简便可行。

提出了基于Wigner分布(WD)的判定混沌信号的改进方法。利用混沌信号的窄带特性和三维时频谱图的峰值波动情况判定混沌信号。该方法经洛伦兹系统验证是可行的。计算了混沌信号与高斯噪声的Wigner分布, 结果表明可以从三维时频谱直接将两者区分开。计算基于半导体光放大器(SOA)的环形激光器输出光实验数据的三维时频谱, 结果与洛伦兹系统的非常相似, 从而可判定该实验装置产生信号确为混沌信号。Wigner分布三维时频谱准确地反映了信号的谱特性, 能够将系统的不稳状态与混沌状态以及噪声区分开。无论是由动力学方程产生的混沌还是实验上产生的混沌信号都可直观、有效地进行判定。

激光脉冲是目前水下无线光通信信号的主要形式, 针对水下传输时由多重光散射引起的激光脉冲时域波形展宽问题, 采用简单的小角度近似方法进行分析。将经典电子散射理论应用于光子散射研究, 从L. B. Stotts模型出发, 通过选择合适的水体散射相函数, 推导出激光脉冲波形表达式, 模拟计算在一定水质条件下脉冲传输不同距离后的脉宽。模拟结果与实验测量数据吻合, 并且在较长距离时的精度优于传统模拟方法, 验证了该方法的有效性, 为解决水下较长距离时激光通信码间串扰问题提供依据。

实验研究了采用一个外部调制器和一个光纤布拉格光栅(FBG)滤波器产生四倍频光载毫米波的光纤无线通信(ROF)系统。在中心站(CS), 数据和射频(RF)信号通过混频后驱动外调制器, 调节外调制器的直流偏置, 产生抑制奇数阶边带的信号, 用FBG将中心载波滤除, 两个二阶边带通过光纤发送至基站。在基站(BS), 两个边带在带宽为60 GHz的光电二极管中拍频, 产生四倍射频信号的毫米波信号。实验显示, 当射频频率为10 GHz时, 可以产生频率为40 GHz的光载毫米波信号, 得到的毫米波眼图和信号解调后的眼图效果都很好,功率代价小于1 dB。从眼图和功率代价两方面来看, 2.5 Gbit/s的数据信号可在下行链路的光纤中传输40 km以上。

报道了输出532 nm平均功率为63 W的灯抽运声光(A-O)调Q腔内KTP倍频Nd∶YAG固体激光器。分析双灯抽运金属镀金腔结构、抽运均匀性以及KTP倍频晶体的冷却均匀性及可靠性, 并设计一种可靠性高的倍频晶体冷却装置。激光谐振腔采用L型腔结构, 通过对声光调制器频率和倍频晶体温度对输出倍频激光功率影响的实验研究, 得到激光器工作的最佳几何腔长为549 mm。在抽运功率为4.9 kW, 声光调制频率为4 kHz时, 532 nm倍频激光最大输出44 W, 脉宽为80 ns;声光调制频率为10 kHz时, 532 nm倍频激光最大输出为63 W, 脉宽为140 ns, 倍频效率为64％, 总电-光效率为1.2％, 光束质量为M2＝11.1。

对准连续光在光子晶体光纤中的传输特性进行了理论和实验研究。利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程, 数值模拟了准连续光在光子晶体光纤中传输时光谱和脉冲的演化, 并分析了其非线性机理和光谱展宽机制。通过比较不同条件下脉冲时域和频域的演化过程, 发现低功率、宽脉冲条件下引起光谱展宽的主要因素是光纤反常色散区的调制不稳(MI)作用。此外, 还分析了脉冲功率、光纤非线性系数、脉冲宽度等因素对光谱展宽的影响。在理论研究基础上, 将脉冲宽度为80 ps的准连续光耦合入70 m长的非线性光子晶体光纤, 获得了覆盖整个通信波段的超连续(SC)谱, 波长范围1300～1700 nm。

光纤技术为惯性约束聚变激光驱动器前端系统提供了许多便利, 如便于分路、鲁棒性和稳定性。提出了一套全光纤前端的方案来适应未来高能拍瓦激光装置对种子源的需求。实验研究了这套用于产生高能短脉冲激光的光纤前端系统的啁啾脉冲展宽与放大特性。采用锁模振荡器的相位锁定信号作为系统的参考时钟, 将各级光开关器件进行同步。系统采用波导幅度调制器来选取需要的信号重复频率, 并用声光调制器(AOM)对放大器级间放大自发辐射(ASE)光进行抑制。通过大模场光纤放大器后系统输出啁啾脉冲峰值功率4.1 kW, 脉宽760 ps, 输出脉冲稳定。鲁棒性、高可靠性和使用便捷的优点使这套前端系统为高能拍瓦激光装置提供了一种可选择的种子脉冲产生方式。

以双中心模型为基础, 理论研究了LiNbO3∶Fe∶Mn晶体在稳态情况下的非挥发双光双步全息存储性能。采用数值方法, 通过比较深（Mn2+/Mn3+）、浅（Fe2+/Fe3+）能级之间所有可能的电子交换过程, 发现由隧穿效应引起的深浅能级之间直接电子交换过程对总的空间电荷场的大小起着决定性的作用。同时, 这一电子交换过程对晶体非挥发全息存储性能也起着至关重要的作用。此外, 还从理论上证实晶体中总的空间电荷场的大小主要由深能级的空间电荷场所决定。

在大型光学跟踪探测系统中, 频繁的自动对焦会导致光轴晃动, 引起拍摄的图像产生抖动, 对光学设备测量精度产生影响。针对实时光电探测设备的自动对焦技术, 提出一种对当前图像的清晰程度判断的快速算法。根据图像的清晰程度, 决定光学设备的自动对焦触发时间。首先对目标区域进行变换, 得到典型目标区域的梯度, 检测目标的边缘线及其方向, 对梯度数值拟合, 计算边缘的锐度分布。根据光学测量设备的分割精度要求事先确定阈值, 通过锐度分布函数值, 决定光学测量系统是否需要自动对焦。通过对上万帧不同序列图像的测试, 该算法判断的有效性达到93%。判断一帧图像的时间在2 ms以内。

提出了一种基于宿主图像离散余弦变换(DCT)的复值加密图像隐藏技术, 待隐藏图像经双随机相位编码后的复值加密图像按一定规律隐藏在放大的宿主图像的离散余弦变换系数中。在提取隐藏图像过程中, 利用相邻像素相减(NPVS)算法对藏有信息的宿主图像离散余弦变换系数进行运算, 提取出隐藏的复值加密图像。经过正确的双随机相位解码, 可获得原隐藏图像。研究了不同嵌入权重因子ω下藏有信息的宿主图像和解码后隐藏图像的各自相关度, 分析了在ω=0.2情况下藏有信息的宿主图像的剪切对提取的隐藏图像质量的影响和基于数字全息的三维物体信息隐藏, 结果表明该图像隐藏技术隐藏信息量大, 抗剪切能力强, 保密性好。

在线结构光360°三维轮廓测量方法中, 采用多图像传感器系统可实现物体整体轮廓及局部形貌细节同时高精度测量。为了实现测量系统多传感器同时标定, 提出一种线结构光多传感器三维轮廓测量系统的标定方法。以直接线性变换法为系统标定模型, 设计含有多特征点的靶标控制场来解算系统模型参数, 应用二元全区间插值误差校正方法对物方坐标计算误差进行校正, 实现对整个测量系统的标定。并提出了一种基于二维离散傅里叶变换的多分辨率标定靶标特征点提取的新方法。论述了线结构光四传感器测量系统的标定过程。实验结果表明这种标定方法可实现多传感器测量系统高精度同时标定。

基于外差激光多普勒原理, 设计并实现了一套光纤结构的外差式激光多普勒振动计(LDV)。在消声水池, 对该系统的探测灵敏度、上行声光通信速率以及水面波浪的影响进行了测试实验。实验结果表明, 系统最小探测声压达105.6 dB/μPa; 在平静水面, 无误码情况下, 声光通信速率可达5 kbit/s; 在有小波浪的水面, 导致部分探测信号丢失, 采用扩频调制通信方式, 无误码情况下, 声光通信速率可达30 bit/s。

研究了激光二极管(LD)端面抽运的主动调Q内腔式Nd∶YAG/GdVO4拉曼激光器的激光特性, 测量了不同抽运功率和脉冲重复频率条件下的平均输出功率和脉冲宽度。当注入的抽运功率为7.44 W, 脉冲重复频率为20 kHz时获得的1174.5 nm拉曼光的最大平均输出功率为1.3 W, 对应的光-光转换效率为17.4%; 当注入抽运功率为6.8 W, 脉冲重复频率为15 kHz时获得的1174.5 nm拉曼光的最大单脉冲能量为74.4 μJ。与Nd∶GdVO4自拉曼激光器进行实验比较和分析, 实验结果表明主动调Q内腔式Nd∶YAG/GdVO4拉曼激光器可以获得比Nd∶GdVO4自拉曼激光器更高的平均输出功率和转换效率。

研究了无色散左手材料(LHM)作为芯层的对称三层平板波导中TE波的传输特性。研究表明, 导波和表面波都可以在这种波导中传播。导波不存在TE0模式, 只有TE0, TE1模式才会出现表面波。此外还发现在特定结构参数的波导中, 可以存在同一阶模式的双传播模。详细分析了结构参数对这些特性的影响。

用反应磁控溅射法制备了Ta2O5和SiO2的单层膜和多层高反射薄膜, 研究了在过渡区制备高质量光学薄膜的影响因素和机制, 探讨了制备高质量光学薄膜的工艺, 并引入了一种结合拟合方法的被动控制技术来实现在磁控溅射过渡区制备高质量的光学多层膜。结果表明, 在反应磁控溅射过渡区制备的光学薄膜不仅具有比氧化区更高的沉积速率, 而且具有更高的折射率和更低的光损耗。在过渡区镀制光学多层膜时速率的变化与溅射电压的漂移有关, 并且可以通过监测溅射电压随时间的变化结合拟合算法加以修正。在表面均方根粗糙度为0.56 nm的石英基片上, 采用过渡区镀膜和膜厚修正制备了40层的Ta2O5/SiO2高反膜, 通过光腔衰荡光谱方法测得的反射率达到99.96%。

利用倍频Nd∶YAG激光器使玻璃基底上沉积的非晶硅薄膜成功实现了晶化。YAG激光器的倍频绿光经蝇眼透镜阵列整形后得到一光强均匀分布的平顶光束, 并用此光束对非晶硅薄膜进行扫描晶化处理。分别测量了激光晶化前后薄膜的拉曼谱和表面形貌。测量结果表明, 非晶硅实现了到多晶硅的相变, 且晶化处理后表面起伏度明显增大。根据拉曼谱的数据计算了不同激光能量密度下薄膜的粒度大小和结晶度。结果表明, 在一定能量密度(400～850 mJ/cm2)范围内, 结晶膜的晶粒粒度和结晶度随激光能量密度升高而增大。然而能量密度大于1000 mJ/cm2后, 检测不到明显的多晶硅特征峰。激光能量密度在850 mJ/cm2左右可得到最佳晶化效果。

为了提高激光毛化(LT)效率以满足企业生产的实际需要, 生产出具有可控表面形貌的冷扎钢板, 提出了一种采用多棱镜扫描分光的多头激光毛化技术的实现方案, 从原理和光路设计上对其进行了分析, 并进行了生产实践。结果表明, 其单头脉冲频率可以达到30 kHz, 毛化点密度可达7×7 dots/mm2, 脉宽范围0.03～1 ms; 对于600 mm×1800 mm的辊面, 在6×6 dots/mm2毛化点密度下, 毛化效率可达35 min/根, 满足企业的实际生产需要; 同时得到圆形毛化点, 改善了冷轧激光毛化板的均匀性, 从而提高了激光毛化板的力学性能。基于该技术的双头激光毛化设备已投入实际生产并取得良好效果。

介绍了米氏(Mie)散射理论, 设计了基于米氏散射理论的云粒子探测器。该探测器使用685nm的二极管激光器照亮敏感区域的云滴粒子。光学接收部分分为前向散射和后向散射两部分, 前向散射接收云粒子立体角在4°～12°的散射而后向散射接收126°～134°之间的能量。根据前向散射信号的强度可以确定云滴粒子尺寸, 云粒子尺寸确定后, 可以利用前向散射和后向散射的比值推断被测云粒子的相态。利用米氏散射理论计算了云粒子散射能量强度随粒子尺寸的变化和前、后向散射能量比随云粒子折射率的变化。

为分析脉冲个数对烧蚀凹腔形貌的影响, 利用纳秒脉冲激光在灰铸铁表面加工微凹腔造型, 分析了凹腔相貌与脉冲个数的关系。在低于10个脉冲的作用下, 凹腔深度随脉冲数的增加近似呈线性增长, 之后, 凹腔深度随脉冲数增加的增长趋势逐渐变缓, 凹腔直径随着脉冲个数的增加会有所增大, 但增大幅度很小。当脉冲个数大于15以后, 由于凹腔较深, 熔融的金属难以喷溅出凹腔, 导致加工质量较差。凹腔直径随着脉冲个数的增加会有所增大, 但增大幅度很小。对加工过程的温度场进行数值模拟, 得到了烧蚀过程中温度的变化曲线和凹腔相貌的变化规律。将模拟得到的凹腔深度与实验结果相比较, 两者基本吻合, 验证了模型的合理性。

为了研究激光重熔工艺参数对等离子体喷涂复合陶瓷涂层组织结构的影响, 根据激光重熔的特点, 采用ANSYS有限元软件的参数化设计语言, 建立了TiAl合金表面激光重熔等离子体喷涂Al2O3-13%TiO2（质量分数）复合陶瓷涂层连续移动三维温度场有限元模型, 对激光重熔温度场进行了分析。分析结果表明,当陶瓷涂层厚度较大时, 受到陶瓷材料导热系数较低的影响, 激光重熔时无法使整个陶瓷层实现完全重熔, 根据重熔时作用区温度场分布, 可将整个涂层分为重熔区、烧结区和残余等离子体喷涂区; 在优化的工艺参数下, 采用相对较低的激光重熔功率和较低的扫描速度能够获得厚度较大的重熔区和烧结区。实验结果表明,重熔后的陶瓷涂层形成了晶粒细小且致密的等轴晶重熔区、烧结区和片层状残余等离子体喷涂区, 并且重熔区和烧结区厚度的计算值和实验值吻合较好。

在激光谐振腔中, 边缘冷却的激光晶体中存在着温度梯度分布, 从而使激光晶体等效为一个热透镜。热透镜效应对固体激光器的性能影响很大。由于热透镜效应, 振荡光光斑半径会随抽运光功率及激光谐振腔腔型结构的变化而变化, 这将影响输出光功率的大小。在考虑振荡光光斑半径随抽运光功率及谐振腔变化的情况下给出了速率方程的表达式, 并采用数值方法求解。由理论分析可知, 输出光功率与抽运光功率及谐振腔腔型结构有关。在相同的抽运功率下, 腔型不同输出光功率不同。采用930 nm纵向抽运, 发射光波长1030 nm的准三能级Yb∶YAG晶体在三种不同腔型结构下进行实验, 实验结果表明腔型结构对激光输出功率影响很大。实验结果与模拟符合较好。

采用预涂激光熔覆技术, 在A3钢表面制备原位生长Cr3C2-CrB复合增强镍基激光熔覆层。使用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱仪(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,在适当工艺条件下, 熔覆层成形良好、表面光滑, 涂层与基体呈现良好的冶金结合。熔覆层底部组织为包含Cr,Fe的碳、硼化物的γ(NiFe)树枝晶结构。熔覆层中上部组织为先共晶析出、规则排列的Cr3C2杆状相和CrB颗粒相分布在Fe2C/γ(NiFe)共晶基体中。由于Cr3C2-CrB复合强化相的原位生成且均匀弥散分布在基体中, 使得熔覆层具有高的硬度(平均硬度HV0.31100)和良好的耐磨性, 其磨损失重仅为纯Ni60熔覆层的1/3。

为了说明高重复频率脉冲激光材料烧蚀时准真空环境效应的存在, 对比不同重复频率的激光脉冲对钢材料的烧蚀率与不同气压环境中的烧蚀率, 提出准真空环境效应是平均烧蚀率随脉冲重复频率的提高显著增加的主要原因。将激光脉冲作用形成的准真空环境分为激光等离子体冲击波存在时的准真空环境和激光等离子体冲击波消散后的准真空环境两个时间段, 模拟计算和分析了激光作用区周围环境气体密度分布及准真空环境持续时间。实验结果表明, 在激光脉冲作用后的几百微秒内, 激光烧蚀区周围会存在准真空环境, 若后续脉冲在此时间范围内作用于材料, 会产生类似于在真空环境中烧蚀的高烧蚀率。

为对失效凸轮进行修复和增强凸轮表面的耐磨、耐蚀、抗压等力学性能, 采用激光熔覆的方法在凸轮表面预涂层。研究了在复杂盘形凸轮表面进行单道激光熔覆的工艺, 提出了在凸轮表面获得均匀熔覆层应满足的基本条件, 并以这些条件为约束推导出复杂盘形凸轮表面激光熔覆运动控制方程。实验试样的宏微观形貌分析表明, 熔覆层宽度和厚度均匀, 熔覆层与基体结合良好。试样的显微硬度明显提高, 凸轮表面的硬度高出基体的2～3倍。

介绍了飞秒激光双光子吸收和光聚合的机制, 将飞秒激光技术应用于生物相容性材料(ORMOCER)的三维微纳米加工中。在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合, 最高加工精度达到0.5 μm, 突破了衍射极限。推导出双光子光聚合阈值的数学表达式, 研究了扫描速度V和激光功率P对横向尺寸的影响规律。在此基础上采用飞秒激光双光子微细加工技术制备了典型的微生物器件——微井阵列、微柱阵列和光子晶体生物微型支架。

报道了一台采用激光二极管(LD)侧面抽运Nd∶YAP晶体的全固态腔内三倍频447 nm连续(CW)蓝光激光器。对几种常用的晶体进行分析对比后, 选取Nd∶YAP晶体作为增益介质产生1341.4 nm基频光, 腔内采用Ⅰ类临界相位匹配(CPM)LBO晶体进行倍频(SHG)产生670.7 nm波长激光, 基频光与倍频红光再经Ⅱ类临界相位匹配的KTP晶体和频(SFM)获得447.1 nm蓝光输出。采用四镜折叠腔结构, 通过谐振腔稳定性分析, 优化选取了合适的谐振腔参数。实验对比了不同腔长的输出特性, 最终在534 W抽运功率下, 获得了最高功率为114 mW的连续447.1 nm蓝光输出, 光-光转换效率为0.02%, 并分析了效率低的原因。

报道了采用1064 nm激光抽运KTP晶体内腔光参量振荡（OPO）技术实现高重复频率、高效率2 μm激光输出的实验结果。理论计算了KTP OPO双谐振抽运阈值, 提出了内腔KTP OPO设计思路。激光器采用两块相同的KTP晶体光轴相向放置以补偿走离效应, KTP晶体按φ=0°,θ=53°切割以获得近简并波长2.128 μm激光输出。在808 nm激光二极管抽运功率为470 W, 声光Q开关工作频率为7.5 kHz的条件下, 获得平均功率46.5 W, 波长2.128 μm激光输出, 光-光转换效率为9.89％, 斜率效率为14.5％, 光束质量M2<2.8。

对LD侧边抽运的板条激光介质热效应进行理论分析与数值模拟, 根据2.5 mm×14 mm×40 mm Nd∶YAG板条实物建立了相应的三维(3D)热模型, 采用有限元方法分析并模拟了板条激光介质内部温度场和热应力的分布, 给出在120 W抽运功率下板条激光介质的热畸变特性,估算了在不同抽运功率下热焦距的大小。在此基础上设计并封装了LD侧边抽运的板条激光模块, 对该模块的热焦距进行实验研究, 得到热焦距随抽运功率变化的测量曲线, 实验结果与理论分析一致。

固体热容激光器发射期间将废热储存在激光介质中, 从而使激光介质的温度随着激光的不断发射而不断升高。温度的升高导致激光介质的受激发射截面发生改变。有效受激发射截面的改变导致激光增益的变化。根据各种掺钕磷酸盐玻璃和掺杂原子数分数为1%的Nd∶YAG的发射截面随温度变化的规律, 计算出使用相应工作介质的固体热容激光器随温度上升后抽运阈值和输出功率的改变。计算结果表明, 掺钕磷酸盐玻璃和Nd∶YAG介质工作在热容模式下, 随着温升导致的有效受激发射截面不断减小, 激光器输出功率明显下降。

耦合光学系统是端面抽运固体激光器中不可缺少的部分, 其成像质量的优劣直接影响到激光器转换效率的高低。以激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4/LBO 457 nm蓝光激光器为例, 分别采用两种不同结构的准直聚焦透镜组合作为耦合光学系统, 分析其对抽运光的成像情况以及对端面抽运固体激光器光束质量和输出功率的影响, 在激光器的抽运功率和谐振腔的参数完全相同的情况下, 改进的四片式耦合光学系统使激光器输出的光束质量得到了明显改善, 同时极大地提高了倍频输出功率, 在30 W的抽运功率下, 得到了4.3 W的连续457 nm蓝光激光输出, 光-光转换效率达到13.7%。

太阳能被认为是人类在21世纪将取代传统化石能源的最佳选择之一, 它是一种可以再生的绿色能源。基于近年来所阅读的文献资料, 较为系统地介绍了太阳能发电技术(PV)发展的状况, 包括太阳能电池及相关的光学技术; 并简单介绍世界和我国太阳能产业发展状况和趋势。从国际上的技术进展看, 今后10余年将是太阳能发电技术和产业大发展的时期。预计2020年前后, 太阳能发电将在经济上胜过传统技术而成为电网的主力; 在技术上, 基于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的多重结高效率太阳能电池, 配合大聚焦比光学系统的聚焦型太阳能发电(CPV), 是最有发展前途的方向之一。

利用光线追迹法为12 kW激光二极管(LD)阵列抽运的Yb∶YAG激光器设计了一套空心导管型耦合系统并开展了耦合实验, 以研究大功率LD阵列端面抽运结构的高效耦合技术及模拟设计方法。基于LD结构和发光特性, 以高斯型微激射元为基本单位建立单条LD和LD阵列光源模型, 设计了由透镜和镀银板构成的抽运光汇聚传输系统。实验结果表明, 该耦合系统实现了对抽运光的高效耦合, 且强度分布与模拟结果一致。该耦合系统传输损耗低, 反射板的反射率为94%时耦合效率达92.3%; 输出光束具有良好的传输性能, 有效抽运区域接近理论值, 且增益介质表面分布均匀, 满足实验要求。

多热焦距激光谐振腔与单热焦距谐振腔相比, 具有结构灵活、热管理简便等优点, 然而其热稳定性受到激光头分布等因素影响, 需要优化设计以实现多热焦距激光谐振腔高功率稳定输出。理论分析了激光头分布对多热焦距激光谐振腔热稳定性的影响, 对比了单热焦距双棒谐振腔、双热焦距3棒对称谐振腔和双热焦距3棒非对称谐振腔的热稳定性。根据理论分析, 采用不同热焦距的激光头构成双热焦距3棒串接对称热近非稳腔, 通过优化设计, 当抽运功率为3480 W时, 该连续波1064 nm Nd∶YAG激光系统获得稳定输出, 最高输出功率达1125 W, 光-光转换效率达32%, 光束质量约15 mm·mrad。

提出了一种用于激光二极管端面抽运固体激光器(DPSSL)中晶体端面直接散热的新方案——在传统的侧壁散热基础上采用金刚石薄片对晶体的抽运面进行散热。使用有限元方法(FEM)分析了该方案的散热效果, 并与传统侧壁散热方案的散热效果作了比较, 结果表明, 使用晶体端面直接散热方案可以将集中于晶体端面的热量更为有效地抽出, 大幅度降低晶体抽运端面内的温差, 晶体温度最高点出现在晶体内部, 降低了晶体抽运端面热损伤概率, 显著减弱了晶体热效应; 在相同注入功率条件下实验测量了两种散热方式下的输出功率, 结果表明, 晶体端面直接散热方案可以有效抑制晶体热效应对于输出功率的不良影响, 该方案特别适合用于解决大功率端面抽运固体激光器的散热问题。

设计了一种新型的钕玻璃激光器谐振腔以满足激光器高稳定性及高强度激光输出的要求。该激光器利用角锥棱镜阵列作为谐振腔后腔镜, 平面镜作输出镜, 大尺寸钕玻璃棒作激光工作物质。对激光器进行了实验研究, 实验中获得了能量大于450 J的1.06 μm激光输出, 发散角为0.6 mrad左右, 电-光效率为2.1%。实验中采集到的光斑不是一系列振幅(强度)相等的小光斑, 而是中间有一个巨峰, 在其周围分布着一系列振幅(强度)小得多的次峰。对实验结果进行了解释与讨论, 提出了利用角锥棱镜阵列进行激光束相干合成的设想。

宽带高增益钕玻璃放大器在惯性约束聚变(ICF)激光驱动器研究中具有重要意义。对影响激光二极管阵列(LDA)抽运钕玻璃棒状放大器增益的各因素进行分析, 确立了放大器的优化参量。建立了模拟环形LDA侧面抽运钕玻璃棒状放大器功率沉积过程的光线追迹模型, 并开发相关程序。在模拟计算基础上, 分别优化了LDA直接耦合抽运和LDA准直耦合抽运这两种构型的放大器参数。最后引入了指向误差分析, 比较了这两种耦合方式的优劣, 最终将放大器定为直接耦合抽运方式。按照优化后的结构加工了8.1 kW激光二极管抽运的2 mm钕玻璃放大器, 放大器的荧光分布均匀, 当抽运功率为7.7 kW时, 得到了40倍的小信号增益, 且放大器后增加偏振片时所测增益稳定性较好。

提出一种基于角锥互注入锁相的多路光纤激光器相干合成新技术, 分析了其锁相原理, 设计了基于球面角锥和平面角锥的两种多光束光纤激光器相干合成方案。开展了基于平面角锥互注入锁相的两路光纤激光器的相干合成实验, 成功实现了两路独立光纤激光器的注入锁定, 观察到波长锁定（中心波长稳定在1085.22 nm）、远场干涉条纹（可见度约0.5）、线宽压缩（44%）和功率合成效率大于1（120%）等现象, 获得了超过2.4 W的相干合成激光输出。在两路光纤激光器不同功率比例注入条件下, 研究了波长漂移的规律, 得到了波长漂移量与注入功率成反比的定性规律。

对观察到的正色散腔被动锁模掺铒光纤激光器的实验现象进行了理论分析。采用Master方程对被动锁模脉冲的静态特性进行数值模拟, 结果显示正色散腔可以满足稳定性条件, 能够获得稳定的被动锁模脉冲, 并且正色散腔内的脉冲具有很强的啁啾特性。根据耦合非线性薛定谔方程, 对正色散腔内稳定脉冲的动态形成过程进行模拟, 初始的宽时域小信号经过在腔内多次运转后逐渐被放大并压窄, 最终形成稳定的锁模脉冲。对在该腔内观察到的多脉冲共存现象进行分析, 结果表明多脉冲共存是由于脉冲峰值功率的增加受到腔内功率透过率的限制所致, 并对多脉冲在腔内的演变过程进行数值模拟, 其结果与实验相吻合。

基于光束相干合成的原理, 提出了脉冲激光产生的新方法, 设计并构造了相应的全光纤实验系统。该方法通过对光纤耦合器中相干合成的两束相干光的相位差进行有效地控制, 实现重复频率、脉宽、占空比均可调的脉冲激光输出。实验中利用闭环工作点控制法进行噪声相位补偿, 以得到稳定的脉冲光输出。实验分别利用矩形波、三角波、正弦波进行相位调制, 得到了相应波形的激光输出; 利用不同参量矩形波进行相位调制, 可以得到重复频率从1～500 kHz,占空比从20%～80%可调的脉冲光输出, 在重复频率为500 kHz时, 脉宽可达300 ns。这种脉冲激光产生技术为大功率、可调脉冲激光的产生提供了一种新的途径。

超宽带(UWB)无线通信的关键技术之一是UWB窄脉冲产生技术。为简化光子超宽带脉冲源的设计, 提出采用基于光纤可饱和吸收体效应的环形腔被动锁模光纤激光器来设计光子UWB脉冲源。为了获得满足UWB室内无线通信频谱范围的脉冲, 利用色散和啁啾效应展宽脉宽的原理, 在激光器环形腔内使用较长的增益光纤引入大量色散效应, 将光脉冲展宽以符合美国通信委员会(FCC)规定的室内UWB通信频谱范围(3.1～10.6 GHz)。并根据光纤激光器谐波锁模的原理, 通过控制偏振态调制输出脉冲的周期以提高脉冲重复频率。实验中, 展宽的光脉冲经光电转换器转换成UWB电脉冲序列后, 由宽带数字示波器进行波形观测和测量。通过调节偏振控制器, 获得了可输出8种不同脉冲重复频率的光子超宽带脉冲源。

采用高功率975 nm多模半导体激光器(LD)作为抽运源, 以大模场掺Yb3+双包层光纤(YDCF)作为激光增益介质, 运用能够承受较高功率运行的利特罗(Littrow)光栅外腔调谐结构, 实现了宽带可调谐激光输出。实验中, 双包层光纤采用最优光纤长度14 m, 光栅经仔细调整后有效入纤反馈效率约20%, 当入纤抽运功率约1.3 W时, 激光器达到阈值并开始振荡。通过连续旋转光栅, 激光输出波长能在1046～1121 nm之间实现可调谐, 可调范围达75 nm。当入纤抽运功率为48 W时, 在1089 nm波长处获得最大输出功率23.7 W, 相应斜率效率为53%。最后, 基于数值模拟简单地分析了激光输出特性, 实验结果与数值模拟结果基本保持一致。