基于相干合成的新型高能激光体系结构是高能激光技术发展的重要方向。报道利用主动相位控制和自组织相干实现多路光纤放大器以及光纤板条混合放大链路相干合成的最新实验结果。

激光加工机器人是国际上面向21世纪的先进制造技术。综述了激光机器人的原理、构成、种类和若干重大工业应用。重点研究讨论了激光加工机器人的某些关键单元技术--光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化和网络化技术及反求工程重建修复区三维(3D)形貌技术。提出了激光加工机器人未来发展的一些重要方向--高功率激光远程加工和柔性制造技术、具有机器视觉和听觉功能的智能控制技术和远程监控功能的网络化管理技术。

鼻腔内低强度激光照射疗法(ILILT)是鼻腔内低强度激光照射在内科疾病方面的临床应用。ILILT由血液、经络和植物神经3条通路介导,至少其中一条通路的功能远离其功能内稳态。血液通路得到ILILT改善血管疾病患者的血脂和血液流变学指标的临床研究的直接证实。ILILT的经络介导假定得到针灸和ILILT临床疗效的比较研究的支持。ILILT的康复作用是通过促进长寿因子(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶依赖的去乙酰化酶)水平的提高介导的。

采用体布拉格光栅(VBG)作为纵模选择元件,组合使用透射式和反射式体布拉格光栅构成窄带滤波器进行纵模的选择,在Nd:YLF激光器中得到了单纵模几率100%,单脉冲能量2 mJ,波长1053 nm的单纵模输出。实验结果表明,体布拉格光栅用作选模元件的同时,又用作输出耦合镜,简化了单纵模激光器的结构,提高了抗干扰能力,且具有大功率输出的潜力。

报道了基于准相位匹配(QPM)应用的周期性极化钽酸锂(PPSLT)晶体进行腔内倍频非线性光学变换实验研究。分析比对了不同长度(3.5 mm,5 mm,10 mm)晶体倍频过程。利用3.5 mm PPSLT晶体在2500 mW 808 nm激光抽运下产生1445 mW 1064 nm基频光输出,经过倍频可以得到760 mW的绿光输出。同时对于制约倍频效果和效率提高的系统温度控制等问题进行了分析。

实验研究了一种基于大模场面积光子晶体光纤飞秒激光技术的紫外飞秒激光源。分析了群速失配下的倍频光和基频光的走离长度,并实验比较了不同长度的BBO晶体的倍频功率和效率。分别采用5 mm和0.18 mm的两块BBO晶体,在Ⅰ类相位匹配条件下,对光子晶体光纤放大器输出的脉宽为110 fs,重复频率50 MHz的1040 nm飞秒激光进行腔外二倍频(SHG)和四倍频(FHG),获得了高功率紫外飞秒激光。在20 W的平均功率抽运下,获得了8.88 W的二倍频绿光输出,转换效率为44.4%。同时获得了656 mW的四倍频260 nm紫外激光,单脉冲能量13 nJ,最高功率时二次谐波(SH)到四次谐波(FH)的转换效率为7.39%。

报道了一个三级主振荡功率放大(MOPA)结构的瓦级皮秒光纤激光器。第一级利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)和光纤光栅组成线性腔,构建了一个低功率的被动锁模掺Yb3+光纤激光器,其最大平均输出功率为9.2 mW,作为整个激光器的种子源;第二级采用单模掺镱光纤放大器对种子光进行预放大,得到108 mW平均输出功率;第三级采用带树状耦合器的双包层掺镱光纤放大器进行功率放大,获得了1.9 W平均输出功率。得到的脉冲脉宽36 ps,中心波长1064 nm,重复频率29.6 MHz,峰值功率1.8 kW,相应的单脉冲能量为61 nJ。实验中观察到种子源输出光谱中有一个凹陷,这是由于光纤光栅反射率过高并且带宽较窄引起的。

数值模拟分析了大功率光子晶体光纤(PCF)激光器的温度场和热应力场。通过引入等效热传导率对光子晶体光纤结构进行简化,建立了光子晶体光纤激光器的三维温度场模型。利用有限元方法数值模拟得到了自然对流换热时光子晶体光纤中的温度场及光纤端面的热应力场,并对强制对流换热时光子晶体光纤的冷却效果进行了数值模拟分析。结果表明,对于选取的PCF,通过采取强制对流换热措施可以承受1000 W的抽运功率而不会产生热效应损伤,如果需要通过提高抽运功率以获得更大功率的激光运转,则需要改变光纤的结构。

在高功率光纤激光器优化中提出了一种输入端反射系数与输出端反射系数快速优化算法。基于斜率效率优化准则,通过掺镱光纤激光器实例分析,数值计算结果表明,采用端面反射系数快速优化选择算法,将计算时间至少缩短为传统算法的8%,较好地避免了阶梯误差的产生,提高了计算精度;在相同的参数条件下,正向抽运时,光纤激光器的端面反射系数优化选择取值区域最大,双向抽运时,光纤激光器的端面反射系数优化选择取值区域次之,而反向抽运时,光纤激光器的端面反射系数优化选择取值区域最小。

掺杂半径的选择是部分掺杂光纤能够有效选模的关键。从模式的归一化模场分布出发,通过对模式场分布的比较,确定采用较小或较大的掺杂半径均不利于基模的选取。从饱和增益和功率分配两个角度详细分析了掺杂半径的变化对各模式的增益获取能力和功率提取能力的影响。纤芯掺杂半径的变化改变了模式场与增益粒子的相互作用机会,因而改变了各模式的增益获取能力及模式功率的输出大小。当掺杂分布与基模场分布达到最佳重叠并使得基模在强度上占据优势时,则基模获得的增益超过其他模式,输出功率达到最大。定量计算结果说明,阶跃光纤采用0.6左右的相对掺杂半径可以有利于提取基模。

从三镜法布里-珀罗(F-P)腔出发,建立了非准直外腔三重回馈自混合干涉的理论模型,并进行了数值模拟和实验验证。分析了3种情况下影响自混合干涉光强调谐特性的因素:1)准直外腔二,三重回馈;2)非准直外腔二,三重回馈;3)外腔加入λ/4波片时的回馈。实验结果与理论分析相吻合。研究表明,该自混合干涉系统的分辨率达到λ/6;自混合干涉输出信号与腔反射镜的反射率、外腔的准直性以及腔内置入镜片有关;外腔中加入λ/4波片时的自混合干涉信号与非准直外腔自混合干涉信号类似;二,三重回馈自混合干涉信号携带了反射体位移方向信息,因而更易实现位移方向判断。

针对组合式片状放大器(MSA)只能进行被动热恢复的现状,研究了放大器中各关键单元器件的热恢复时序。结果表明,抽运结束后,钕玻璃和隔板玻璃之间的热传递存在交互变化的特点,在隔板玻璃升温之前采用主动冷却可消除钕玻璃主要热源。提出了采用延时全腔水冷的设计,从而在不影响放大器效率的基础上实现了主动热恢复,并就典型放大器给出了延时参数。

对脉冲太赫兹(THz)波成像和连续波太赫兹成像进行了对比研究。在两个系统下分别进行实验,对两个成像系统的成像机理、系统分辨率、系统噪声、成像速度、信息量、价格、复杂性、便携性及其应用进行多方面的比较。研究结果表明,脉冲系统可以获取更多信息,连续波系统简单便捷,两者在应用上具有各自的特点,同时又有很好的互补性。另外,就脉冲太赫兹波成像的多波长特点,探讨了太赫兹波多光谱成像识别方法。

就密度减稀等离子体中激光驱动尾场加速电子方案,尝试不同的等离子体密度减稀模式进行模拟计算,考察不同的密度减稀模式对电子加速的影响。模拟结果表明密度减稀尾场加速机制的存在和优越性,也表明适当设计密度减稀尾场加速电子方案可以得到能量高、电荷量大、能散度低的高品质电子束;模拟结果也说明密度减稀尾场加速电子机制的充分发挥并不要求很高的激光强度,方便从实验上进行验证。

基于光电子角分布成像光谱技术的基本原理,讨论了单光子共振三光子电离方法获得的光电子成像图,同时也分析了光电子角分布的物理含义。着重研究了多通道电离过程中光电子的干涉作用对成像光谱的影响;分析了光电子空间角分布以及光电成像光谱与原子能态信息的关系。

提出了一种利用软模压印制备微透镜阵列的技术。采用传统的光刻胶热熔方法制备微透镜阵列母板,利用复制模具的方法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上得到一个和母板表面图形相反的模具,最后通过压印的方法把PDMS模具上的图形转移到涂有紫外固化胶的玻璃基片上,待紫外胶完全固化后可得到和母板一致的微透镜阵列。经过测试微透镜阵列的焦点图像和表面形貌可发现最后制备的微透镜阵列表面形貌均匀、聚焦性能良好、光强均匀。

在四频激光陀螺高精度数字一体化电路的基础上,通过控制激光陀螺两臂放电电流差值、两臂电流和值、两对模式的光强差值分别按照预定程序进行精确的改变,从而得到以上参量与陀螺零漂之间的关系系数。对陀螺进行长时间的测试,根据实际工作中各参量的精度计算得出电路系统对激光陀螺精度的影响。实验中为保证结论的一般性,选取两个精度相差较大的激光陀螺进行实验,结果表明,在现有方式下工作的高精度数字一体化电路系统对激光陀螺精度的影响在1%以内。

脉冲激光710 nm线双光子激发K2基态到高位1Λg态,研究了K2(1Λg)+K碰撞转移过程。K密度由光学吸收法测量。记录不同K密度下1Λg态发射的时间分辨荧光强度,得到1Λg的有效寿命,从描绘出的有效寿命的倒数与K密度关系直线的斜率得出1Λg态总的碰撞猝灭截面为2.5±0.3×10-14 cm 2,从截距得到其辐射寿命为20±2 ns。测量了K2的3Λg→13Σ+u在不同K密度下的时间分辨和时间积分荧光强度,得到了K2(1Λg)+K→K2(3Λg) +K碰撞转移截面为1.1±0.3×10-14 cm2。

激光诱导击穿样品产生的等离子体寿命通常在微秒量级,对其时间演化过程进行了解有利于优化信号采集。定标曲线是定量分析的基础,并且与测量灵敏度和准确度密切相关。采用聚焦的脉冲激光束击穿样品形成等离子体,其发射光谱由中阶梯光栅光谱仪分光,并由增强型电荷耦合器件(ICCD)进行光电探测采集。为了实现对金属元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)测量,在石墨中分别加入Ca,Al,Na,K等元素制作成片状实验样品,利用实验装置进行了系统的激光击穿光谱探测研究。应用ICCD100 ns光学门宽的时间分辨率,通过实验得到了等离子体的时间演化特性曲线,分析了激光击穿固体样品后各待测元素的演化过程。根据含有不同浓度的同种元素样品的LIBS实验结果,归纳出各元素浓度与谱线强度的定标曲线,且大多数定标曲线的线性拟合相关度较高。同一元素不同波长的谱线,其定标曲线的斜率不同,对其差异进行了分析。

周期弯曲晶体中做沟道运动的带电粒子,在沟道辐射的同时,还将产生摆动场辐射。引入正弦平方势,并考虑运动阻尼和非线性影响,在经典力学框架内和偶极近似下,把粒子的运动方程化为具有阻尼项和受迫项的摆方程。利用梅利尼科夫(Melnikov)方法分析了异宿轨道的分叉与系统进入斯梅耳(Smale)马蹄意义下的混沌行为。结果表明,系统进入混沌的临界条件与它的具体参数有关,只需适当调节这些参数就可以原则上避免或控制混沌,从而进一步保证系统有效输出X-激光或γ-激光。

高亮度的辐照热光源一定程度上限制了基于经典热光场的强度关联量子成像技术的实验研究和广泛应用。因为一般热光源相干时间极短,且每个相干元胞内光子数少(亮度低),而采用激光照射旋转毛玻璃形成的动态散斑作为赝热光场可以解决上述问题。当采用的是纳秒脉冲激光时,得到的赝热光场除了能极大程度地模拟真实热光场的热涨落,光场涨落服从真实热光场所具有的高斯统计分布以外,另一个最重要的特性是光场涨落的测量不受光电探测系统有限通频带的限制,即使是慢响应探测电路,也能准确地记录光场抖动,即该光场符合交叉谱纯条件。

利用轴棱锥产生的两束贝塞耳光相干实现局域空心光束。基于“相干贝塞耳光产生具有塔尔博特效应的局域空心光束”的理论,数值模拟了两束贝塞耳光干涉后光场沿传输距离变化的光强分布及一个周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程。实验中通过两个不同底角的轴棱锥产生两束具有不同径向波矢的贝塞耳光进行相干形成局域空心光束,实验结果与理论分析及数值模拟相吻合。

根据菲涅耳衍射积分,研究了拉盖尔高斯光束经过单缝衍射后的光强分布。研究表明,拉盖尔高斯光束经过单缝后衍射条纹会发生断层和弯曲,弯曲的方向和程度跟拓扑电荷数紧密相关。实验结果也证实了这一现象。还研究了拉盖尔高斯光束经过单缝后的螺旋谱。研究表明,单缝的存在会使螺旋谱展宽,展宽程度受到拓扑电荷数、光斑大小以及单缝缝宽的影响。

基于Drude模型研究了超常介质中的色散磁导率对时空不稳定性(STI)的影响,得到了具有赝五阶非线性效应和自陡效应情形下时空不稳定性增益谱的一般表达式。结果表明,在负折射区,对于自聚焦介质,赝五阶非线性使调制增长的频谱范围和增益值增大,而对于自散焦介质,作用则相反,这与常规介质中的现象不同;在正折射区,赝五阶非线性会抑制自聚焦介质中的时空不稳定性,与常规介质中的现象相同。此外,超常介质中自陡效应可能为负值,但无论自陡效应是正或负,都能抑制时空不稳定性的产生。

利用部分相干光理论,以具有双正交性质的复宗量厄米高斯(EHG)模为基底,推导出激光的EHG模相关系数(MCCs)和M2因子公式,建立了激光的EHG相干模表示与对应的常规厄米-高斯(SHG)相干模表示之间的关系,并讨论了两种典型的应用例。研究结果表明,激光的EHG模相关系数可以通过SHG模相关系数得到;当同阶模式的权重因子相同时,由彼此互不相关的EHG模式叠加而成的光束比由彼此互不相关的SHG模式叠加而成光束的光束质量更好。

在多程放大系统中,激光一般要经过腔反射镜两次,将变形镜置于腔反射镜位置能够有效提高其校正量。在某些多程放大系统设计过程中,为了降低输出端激光的像差,采用了90°旋转的“U”型反转器和变口径技术,激光两次经过腔反射镜的位置和坐标关系都发生了变化。采用数学的方法对这种情况下腔反射镜位置的面形解存在性进行了证明,并在带有90°旋转“U”型反转器的星光拍瓦(XG-PW)装置上对腔反射镜位置大口径变形镜的应用进行了实验验证。理论和实验研究结果为后续大型激光装置的自适应光学波前补偿方案设计提供了依据。

利用几何光学的光线追迹法形象地描述了轴棱锥透镜系统产生局域空心光束过程。分析了局域空心光束传输过程中的光强分布;同时利用光线追迹法分析了透镜焦距对局域空心光束尺寸大小的影响。结果表明,局域空心光束的尺寸随着透镜焦距的增大而增大。实验中利用轴棱锥透镜系统产生局域空心光束,并对不同位置的光斑进行了拍摄,分析了局域空心光束的演变过程及其横向光强分布。实验与理论模拟的结果相吻合。因而容易选择不同尺寸的局域空心光束对不同微粒进行囚禁。

针对现有光环行器内部元件之间存在的角度误差、各种同类异构光环行器不能消除半波片光轴取向误差所导致的隔离度降低、隔离度不一致以及安装调试繁琐等弊端,提出了一种减小或消除误差的双半波片光轴非对称结构方式,设计了一种误差自愈型高隔离度准四端口光环行器,通过理论分析、琼斯矩阵运算和数学软件MATLAB模拟,其插入损耗可达到已有光环行器最小性能指标,而隔离度可以提高5-8 dB。

无线激光通信具有通信容量大、数据传输速率高、抗电磁干扰能力强、保密性高、功率消耗小、结构轻巧等主要优点,是未来船舶间通信的发展趋势。研究了船载无线激光通信系统中的模拟运动平台。该运动平台主要由水平移动台、垂直升降台、旋转台和摆动台四部分组成,分别模拟船舶在海浪中的四种摇荡运动:纵荡、垂荡、首摇和横摇。本文根据船舶运动方程,采用线性系统理论分析船舶在海浪中的摇荡运动规律,由海浪谱得到船舶摇荡运动谱,进而得到船舶摇荡运动方程。通过这四种运动合成出船舶在海浪中复杂的运动状态,从而在实验室条件下模拟出船舶在各种不同海况中的运动情况,为研究船载激光通信系统提供仿真实验环境。对该运动平台的操纵控制由计算机实现。

光源与编解码器的匹配关系是光码分多址(OCDMA)系统设计的重要内容。提出了时域相位编解码器的半边带应用问题,即:等效相移超结构光纤光栅(EPS-SSFBG)编解码器反射谱的半边带已包含了编解码器结构的所有信息,光源只需要覆盖半边带就能完成编解码功能。仿真分析了光源脉宽与编解码器反射谱的对应关系对编解码性能的影响,仿真结果验证了半边带应用的可行性。在应用等效相移光栅编解码器的实验中验证了半边带应用的编解码性能,实验结果与半边带应用的理论规律相符。

提出了一种全新的基于双均匀光纤光栅(UFBG)结构的毫米波产生方法,主要利用光纤光栅的滤波特性在中心站取得两束频率间隔为所需毫米波的光波,经差频后得到毫米波,并将其作为副载波。分析了经过0 km,10 km,30 km,40 km光纤传输后在基站接收端经过光电检测和相干解调滤波后得到的眼图。研究结果表明,该方法应用于光载无线通信(ROF)下行通信链路可获得比较理想的传输效果,且相同情况下,减小毫米波发生器中带通滤波器的带宽可以进一步改善系统的传输效果。

实验研究了基于半导体光放大器(SOA)的四波混频(FWM)效应的单抽运光正交频分复用(OFDM)信号的波长变换系统。信号光源和抽运光源分别由两个不同输出波长的可调分布反馈式激光器(DFB-LD)产生。信号光源经2.5 Gb/s OFDM的电信号直接调制后再和抽运光源耦合,经光放大器后在SOA实现波长变换。实验结果显示,耦合信号经SOA四波混频效应后,产生新波长的信号光将携带OFDM信号,且转换效率与信号光和抽运光的功率、波长以及两者的偏振夹角有关。同时也测量了转换的OFDM信号的功率误码曲线和接收星座图。

大孔径接收是克服大气光通信中大气湍流影响的有效途径之一。在有限孔径接收光强起伏理论基础上,建立了平均信噪比与无湍流影响时的探测器输出信噪比、孔径平均因子以及光强起伏方差之间关系的数学模型,并给出了系统误码率计算公式。通过数值计算得出了在给定误码率(BER)设计指标时,不同大气湍流参数条件下,接收孔径直径与无湍流影响时的探测器输出信噪比之间的关系曲线。

提出了一种基于光纤光参量放大器(FOPA)的多通道全光非归零码(NRZ)/归零码(RZ)调制格式转换的方案。该方案中,非归零码信号与同步的时钟抽运光共同注入到高非线性光纤(HNLF)中,由高非线性光纤构成的参量放大器把非归零码信号转换为归零码信号,同时不改变信号光的波长。多通道的码型转换器以两路10 Gb/s的非归零码进行了实验论证。转换后的归零码信号的信噪比(SNR)高于7.6 dB,其脉冲宽度约为30 ps,并且具有3 dB的消光比(ER)提高。根据多通道码型转换器的实现原理,该码型转换器可以应用于40 Gb/s或更高比特率的多通道码型变换操作。

在光子晶体光纤(PCFs)的熔接过程中,熔接能量和加热时间的控制是避免空气孔塌陷的关键所在。应用经典力学理论,提出了一种光子晶体光纤熔接过程中力学特性的数学模型,对熔接过程中光子晶体光纤空气孔的畸变情况及畸变对光纤模场分布变化引起的熔接损耗进行了分析。分析结果表明,通过控制熔接能量和熔接时间可以控制光子晶体光纤空气孔的畸变情况。根据理论分析结果,进行熔接实验,分析空气孔畸变引起的损耗情况。实验结果与理论值有很好的一致性。

对随机并行梯度下降(SPGD)算法校正时变相位噪声的动态过程进行数值模拟,计算不同强度和频率的相位噪声对控制带宽的影响程度,分析控制带宽与光束数目以及算法执行速度之间的关系。计算结果表明,随着相位噪声强度和频率的增加,算法的控制带宽随之减小,带宽大小与参与合成的光束数目N的-4/3次方成正比,与算法执行速度成线性关系。计算结果可为SPGD算法应用至多路高功率光纤放大器相干合成提供参考。

根据近红外飞秒激光有大的空间相干尺寸和相位掩模衍射光的级次走离效应,运用双光束干涉原理分析了光纤纤芯处干涉光强的分布,同时运用波长800 nm飞秒激光在没有经过光敏性处理的掺铥光纤上制作了光纤布拉格光栅,最后把理论分析的结果与实验现象进行了比较。

为了解决高光谱图像维数高、数据量巨大、实时处理技术实现难的问题,提出了高光谱图像实时处理降维技术。采用奇异值分解(SVD)算法对高光谱图像进行降维,又在可编程门阵列(FPGA)芯片中针对这一算法划为自相关模块、特征求解模块、特征提取模块和降维实现模块4个模块进行编程实现、仿真和验证。仿真结果表明,高光谱图像降维后数据量为降维前的1/3,而降维后的分类像素点误差为0.2109%,证明了奇异值分解算法进行高光谱图像降维算法的有效性。

在数字全息成像自动对焦算法实现中引入适用的导数计算方法,形成了4种基于导数的对焦判据函数。通过分析在相移数字全息中记录全息图时引入的噪声在提取物光波复振幅过程中的传递,研究了噪声对基于导数的自动对焦算法的影响,给出了不同算法的综合评价。数值仿真和光学实验处理结果表明,Prewitt梯度判据函数(PRG),Tenebaum梯度判据函数(TEG)与角谱再现算法结合可以形成快速可靠的自动对焦算法。

利用体全息相关器(VHC)可以完成多通道内积运算的特性,通过将待变换函数和二维沃尔什(Walsh)函数分别编码成输入图像和存储图像,提出了一种基于多通道体全息相关器的二维离散Walsh变换(DWT)方法。此方法可以快速、并行对输入函数做二维离散Walsh变换,并具有很大的速度提升潜力。利用散斑调制和随机交错方法可以提高运算精度。经验证,实验结果与理论值吻合。

在拉曼(Raman)激光雷达探测CO2实验中所采集的拉曼回波信号具有比较大的统计误差,有效减小统计误差,获得较高的探测精度是非常重要的工作。利用自适应滤波器对拉曼回波信号分段进行数据处理,可得到在分段的各个空间间隔内的随距离几乎不变的CO2混合比统计误差,经过自适应滤波器对信号进行处理后,Raman激光雷达对合肥地区夜晚CO2气体浓度探测达到比较高的测量精度,在1.5-5 km高度范围内,CO2浓度统计误差最大为2.5%,5-8 km统计误差最大为5%,8-10 km统计误差最大为10%。利用此技术也可以量化估计在较高的空间分辨率下满足探测精度要求的激光脉冲数。

根据热膨胀原理,利用基于衰减全反射原理建立的CCD薄膜实时监控系统,提出了测量聚合物材料的玻璃化转变温度(Tg)的方法。用监测系统实时监测聚合物薄膜在升温过程中薄膜折射率及厚度的变化。实验结果发现薄膜的热膨胀系数β和温度相关的折射率dn/dT在升温过程中发生了突变,这个突变点所对应的温度就是聚合物薄膜的Tg。以掺杂型聚合物DR1/PMMA薄膜为例,给出了测量过程和实验结果,并检验了用该方法测量聚合物薄膜Tg的重复性和可靠性。

提出了一种基于半球空间光纤阵列的双向反射分布函数(BRDF)测量方法与系统。将多根光纤组成的阵列均匀分布于一半球面上,使球心处物体表面反射的光在三维空间中的角分布转换为同一平面上的二维图像,经CCD采集及相应的数据处理,可实现对物体表面双向反射分布函数的快速测量。同时,利用光纤将照射激光束传输到物体表面待测点,并通过光纤的弯曲角度可改变光束的入射角。利用该测量系统对不同材质、不同加工工艺的物体表面的激光反射分布进行了初步的测量和分析。结果表明,相比传统的扫描式测量系统,该测量系统在提高测量速度的同时,避免了由于光源功率的起伏和探测器响应度的涨落所引起的测量误差,且结构简单,使用方便。

提出了一种高精度标定索累-巴比涅(Soleil-Babinet)补偿器的新方法。在光谱扫描法测量系统中,将多级半波片置于被测补偿器后,以半波片的延迟量为基准,高精度地标定出补偿器的延迟量所对应的测微丝杆位移。该方法利用光强透过率和波长的关系得到延迟量,避免了光强值直接测量法误差源多、精度不高的缺点;同时解决了光谱扫描法不易测量零级相位器件的问题。实验中以工作波长为633 nm的多级半波片为基准,对Soleil-Babinet补偿器进行标定。分析表明,该方法在确定延迟量为0和λ的位置时,精度可达0.45 nm;0~λ范围之间的延迟量最大测量误差仅为3.2 nm。

研制了一台探测大气温度、气溶胶、卷云的瑞利-拉曼-米氏激光雷达(RRML),介绍了激光雷达的设计方法,基于单片机实现了光电倍增管门控电路。通过数值模拟计算大气后向散射回波信号,分析仿真信号的特征,作为激光雷达设计的参考。通过设计合理的接收光路,采用极高灵敏度的R4632光电倍增管以及微弱信号光子计数技术,提高瑞利和拉曼微弱信号的信噪比(SNR)。为了实现瑞利-拉曼-米氏激光雷达对大气气溶胶和卷云的联合探测,532 nm回波信号采取高低分层技术,通过对气溶胶和卷云的回波光加衰减和探测器门控两种手段相结合,保证了R4632光电培增管极高的灵敏度探测器对大气气溶胶和高层卷云回波信号的线性检测,从而实现一台激光雷达对大气温度、气溶胶和卷云的探测。试验表明,信号检测单元的设计满足测量精度的要求。

对光学传感器星上定标漫射板进行了研究,考查其在航天环境下的稳定性和适应性。漫射板经振动冲击、高低温循环、热真空和紫外辐照等系列环境模拟试验仍然保持良好的光学特性;紫外辐照前后其在350 nm处的反射率衰变不超过3%,分析认为这种紫外辐照下的反射率衰变是由于污染所致,通过改进工艺和环境控制是可以消除的;同时,漫射板通过了空间力学环境试验。研制的星上定标漫射板的空间稳定性能够满足航天应用要求。

在半导体激光端面抽运工作条件下,激光晶体会产生剧烈的热透镜效应。利用532 nm激光作为探测光,观测探测光束通过晶体后的远场图像可以很好地评估热透镜效应程度大小。利用现有的热透镜理论结果建立了光束干涉模型,对远场光环现象进行了解释,并且分析得到了基于远场光环的热焦距计算公式。使用谐振腔稳定性法测量了热透镜焦距,并将测量结果与基于远场光环的热焦距计算结果作对比,验证了光线干涉模型的合理性及计算热焦距公式的准确性。

为了实现惯性约束聚变(ICF)用靶的高精度定位,需要对靶的位姿进行监测。传统的视觉监测方法对照明、靶姿态等非常敏感,常需要人工参与判别。将尺度恒定特征变换(SIFT)算法引入到ICF靶监测领域,实现一种基于SIFT特征匹配的ICF用靶在线监测方法,实验表明采用该方法对靶位姿的监测精度可达到平移精度优于6 μm,转角精度优于0.5′。

针对激光烧蚀碳悬浮液以及液体介质中的石墨靶形成不同尺寸大小的纳米金刚石,对金刚石颗粒的形成进行了分析。基于激光器参数以及合成条件比较分析了两种烧蚀产生的物理化学差异,并根据热力学条件计算了金刚石颗粒的平衡尺寸和激光烧蚀后形成的碳团簇的冷却速度以及Wilson-Frenkel生长定律进一步计算了纳米金刚石的生长速度、生长时间、生长尺寸。计算结果表明,不同参数的激光烧蚀条件下产生的高温高压碳团簇的大小和密度决定了冷却速度以及生长时间,并最终决定了纳米金刚石尺寸。另外根据金刚石晶体最低能量计算结果也验证了超细纳米金刚石形成的理论基础。动力学与热力学理论计算结果和实验结果相一致,合理解释了不同尺寸纳米金刚石的形成。

假定烧蚀粒子与环境气体原子均为刚性硬球,采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,对单脉冲激光烧蚀产生的硅(Si)粒子在1000 Pa环境氦(He)气中的传输过程进行了数值模拟,研究了衬底对环境密度恢复时间的影响。结果发现,衬底对粒子完全反弹和完全吸附的情况下对应的环境密度恢复时间分别为1713.2 μs和1663.2 μs,并且随着衬底对粒子临界吸附速度的增大,环境密度恢复时间先增大后减小。

建立了两个不同波长激光同时辐照薄膜的损伤阈值测试装置,实验研究和对比1064 nm激光,532 nm激光,1064 nm和532 nm激光共同作用3种不同方式辐照1064 nm和532 nm增透膜(ARF)的损伤阈值及其损伤形貌。结果表明,1064 nm和532 nm激光共同作用损伤形貌和532 nm激光单独作用下的形貌相似,532 nm激光在诱发薄膜损伤因素中起主导作用。1064 nm激光单独辐照薄膜的损伤阈值高于532 nm激光,而1064 nm和532 nm激光共同作用下薄膜的阈值介于这两者之间。

利用1-on-1损伤测试方法,测试了真空和空气、氧气、氮气、氦气环境下在波长为1064 nm处增透膜(ARF)的激光损伤阈值和损伤形貌。结果表明,真空环境下的损伤阈值明显低于大气环境下的损伤阈值,真空环境下的破斑形貌也与大气环境下的破斑形貌有显著差异。在真空环境下存入一定量的氧气、氮气和氦气后薄膜的损伤阈值都得到提高,但存入的气体的种类及气压不同,损伤阈值与破斑形貌也不尽相同。

为了研究亚波长光栅表面上薄膜的生长特性,以及镀膜对亚波长光栅物理特性的影响,对亚波长正弦槽形光栅表面上镀的Au膜进行了实验研究和理论分析。实验发现,当光栅槽深为80 nm,Au膜为100 nm时,薄膜的生长是仿形生长,光栅的正弦槽形特征和周期都基本没有发生变化,但镀膜后,出现光栅的正弦占空比增加、槽的深度减小以及槽深的均匀性变差等现象。对引起这种现象的原因进行了分析,提出了由于光栅微结构而给薄膜生长带来的阴影效应现象,并分析了正弦占空比增加对导模共振滤光片光谱特性的影响。

为了解决气体辅助激光切割硅片中由于热效应的影响而造成无法达到切割目的的问题,使用水作为辅助介质进行了对硅的切割实验。分析了水下激光切割过程中激光参数和水的因素对切割质量的影响,提出了消除水波影响的方案。研究结果表明,采用水作为切割的辅助介质,能够利用水的降温、隔离和除屑作用来解决激光热效应带来的负面影响,得到良好的切割效果。

针对12 mm厚超低碳贝氏体(ULCB)钢,采用中小功率CO2激光与气体金属电弧(GMA)复合进行了多层焊接试验。试验结果表明,采用3层焊接,且每层热输入均匀变化时即可获得良好的焊缝成形。焊接过程中,打底焊时激光焦点要严格控制在焊缝坡口钝边金属之内,填充层对激光焦点位置的要求并不严格;为了充分发挥激光的作用,应采用较高的送丝速度。此外,焊缝的拉伸力学性能测试结果表明,超低碳贝氏体钢激光-GMA电弧复合焊接接头的抗拉强度可达到母材的95％以上,甚至部分焊缝超过母材,其平均抗拉强度达到829.5 MPa。当试样断于焊缝时,焊接缺陷是造成焊缝强度下降的主要原因。

利用Fe314合金粉末在45#钢基体上激光快速成形(LRF)出立体构件,揭示了快速成形的内部层间分布结构,观察了不同成形区域的金相组织,并分析了成形件的力学性能。结果显示,在组织方面,成形体内部各层呈梯子形交错叠加分布,晶体组织以细小致密的等轴晶为主,在底部分布着少量平面晶和粗大柱状晶;在力学性能方面,由于成形体组成相为奥氏体,故整体硬度较低,但塑性、韧性较好。在内部最大残余应力690 MPa情况下未出现微裂纹,表明利用Fe314合金粉末激光快速成形的构件具有良好的抗开裂性能。

采用Ni基合金钎料,在Ar气保护条件下,对金刚石磨粒进行了激光钎焊试验研究。采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)分析金刚石磨粒与Ni基钎料结合界面的组织结构与物相组成,并探讨了钎料与金刚石界面处碳化物的形成机理。测试结果表明,激光钎焊过程中在金刚石表面附近形成的富Cr层与金刚石表面的C元素反应生成碳化物Cr3C2,通过反应热力学与动力学分析显示界面反应产物可以依靠置换反应形成,使金刚石磨粒与钎料实现了牢固结合。

建立大鼠皮质脊髓背侧束全横断模型,利用弱激光照射脊髓受损部位的皮肤,观察激光照射对急性脊髓损伤后脊髓再生的促进作用。30只SD大鼠,随机分成对照组和照射组。照射组:急性皮质脊髓背侧束全横断后15 min进行连续14 d采用弱激光照射脊髓受损部位的皮肤。对照组:急性皮质脊髓背侧束全横断后未行弱激光经皮照射治疗。术后两组分别于第3,7,14 d分别取材,用苏木精-伊红染色法(HE)染色和免疫荧光标记染色观察。实验发现,脊髓损伤后14 d,照射组的空洞及瘢痕形成面积小于对照组,有统计学差异(p<0.05);对照神经胶质酸性组蛋白(GFAP)和硫酸软骨素(CS)表达强烈分布紧密,照射组GFAP和CS56表达达微弱且分布稀疏;对照组少量神经微丝蛋白(NF)在损伤区周围,神经生长相关蛋白(GAP43)形态肿大变形分布紊乱,照射组大量成纤维丝状的NF分布在损伤区周围,并与GAP43相伴行。结果表明,脊髓损伤急性期采用弱激光照射脊髓受损部位的皮肤,可减少脊髓损伤后空洞形成,并促进轴突再生。