飞秒激光烧蚀过程中的微能量传导过程包括两个阶段：1）脉冲激光入射到物质上时电子对激光能量的吸收过程；2）激光脉冲照射后电子所吸收的能量在物质中重新分布导致的材料去除过程，即相变过程。本文讨论了飞秒激光，特别是功率密度在1013 ~ 1014 W/cm2的脉冲与宽禁带物质相互作用中相变过程的理论研究进展，分析了飞秒激光烧蚀过程中的材料去除机理，尤其是热气化和库仑爆炸两种机理。根据对飞秒激光烧蚀中微能量传导过程的讨论，总结了烧蚀阈值功率密度和烧蚀深度计算方面仍有待解决的问题。

报道了氙灯抽运的2.1 μm Cr∶Tm∶Ho∶YAG激光器。室温下Cr∶Tm∶Ho∶YAG为准三能级系统, 振荡阈值高, 掺杂离子间存在复杂的能量转移过程。采用优化掺杂浓度配比的激光晶体, 长脉冲抽运, 实现了室温下2.1 μm波长激光输出。采用了高漫反射陶瓷聚光腔, 对有效抽运光谱带的反射率高达95％。冷却水温15 ℃条件下,重复频率10 Hz,获得最大平均功率23.5 W; 重复频率5 Hz, 获得最大激光脉冲能量2.58 J, 最大斜率效率4.3％。

根据广义惠更斯-菲涅耳原理, 对相干合成和非相干合成光束在湍流大气中的传输进行数值计算, 并引入光束传输因子(BPF)用于评价合成光束的光束质量, 对湍流大气对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行定量分析。研究结果表明,在自由空间及强度较弱的湍流大气中传输时, 相干合成光束在远场呈现多旁瓣的非高斯分布特征, 与非相干合成光束相比具有峰值强度高的优势。但是随着湍流强度的增大, 相干合成光束之间的相干性被破坏, 相干合成光束的远场光强分布逐渐演化成与非相干合成的情形一致。定量计算结果表明,对于不同波长、不同数目的激光阵列, 在较强的湍流大气中传输时, 相干合成的光束质量与非相干合成光束质量相比均不占优势。计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考。

实验报道了一种结构简单有效的波长可调谐掺铒光纤激光器。该激光器为线型腔结构, 由环行器(DC)、掺铒光纤(EDF)、光纤布拉格光栅(FBG)和波分复用(WDM)组成。利用环行器作为全反射腔镜, 光纤布拉格光栅作为波长选择性腔镜, 通过对光纤光栅施加轴向应力改变其布拉格波长来实现光纤激光器的波长可调谐输出。利用此结构, 室温下实验获得了中心波长在1543.5～1549.5 nm连续可调, 边模抑制比(SMSR)大于50 dB的连续激光输出, 激光输出线宽保持在0.01 nm以下。

半导体激光器阵列(LDA)封装过程中引入的应力是影响器件阈值电流、光束特性和寿命的重要因素, 需要一种简单有效的测试半导体激光器阵列应力的方法评估检测器件封装的质量。分析了应力改变电荧光偏振度(DOP)的一系列理论机制, 并通过对条形激光器阵列在荧光条件下偏振特性的测量, 研究了几种不同封装形式的条形激光器阵列的荧光偏振度随外加应力的变化性质。实验表明, 半导体激光器阵列的偏振特性随驱动电流的增加变化明显, 尤其是在阈值电流附近, 偏振特性急剧变化。当有局部外力作用器件时, 器件的荧光偏振度分布明显变化。通过对多个不同材料封装器件的荧光偏振度测试比较, 发现不同的材料和封装形式对管芯引入的封装应力有明显的差别。

建立了一种适用于多量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)的多层速率方程模型。在理论与实验基础上, 对器件进行小信号分析, 得到了光子密度、载流子俘获、逃逸和隧穿时间等关键参数对VCSEL频率响应特性的影响。结果表明VCSEL调制带宽会随着输出功率增大而变宽。并进一步研究了内腔接触氧化限制型VCSEL的寄生电参数及其寄生电路, 对其小信号频率响应进行了模拟分析。

详细研究了一台增益体积为1.17 L, 采用pulser/sustainer技术激励的高重复频率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性。激光器最高脉冲重复频率100 Hz, 输出激光脉冲半峰全宽(FWHM)约23.0 μs。实验记录了稳定辉光放电与有起弧的辉光放电时激光器的放电电压/电流波形; 测量得到当sustainer充电电压从12 kV到30 kV时, 激光器输出脉冲能量从约0.40 J变化上升至约4.0 J, 观察到在同一sustainer充电电压下, 激光器输出平均功率随脉冲重复频率线性变化; 监测到激光器以sustainer充电电压22 kV, 重复频率100 Hz连续工作10 min时, 输出平均功率仅从最大257 W下降至247 W。实验数据表明, 与采用低感快脉冲放电激励相比, 这种新型的长脉冲TE CO2激光器具有增益开关效应小、输出动态范围大、“起弧适应性”好、输出平均功率下降慢等特点。

详细论述了经验模式分解(EMD)的激光雷达大气回波信号降噪信号处理方法, 并进行系统仿真及实验验证。这种基于ＥＭＤ的去噪算法适合处理含有脉冲的信号(如Block,Bump和脉冲回波信号等)。通过利用该算法对米(Mie)散射激光雷达大气回波信号进行分析处理, 其结果表明该去噪方法能去除大气回波中含有的噪声, 能为下一级消光系数反演提供高信噪比(SNR)的初始数据。

对激光器进行频率调制, 检测原子分子饱和吸收信号中的一次谐波成分得到频率误差信号, 反馈控制可以实现激光频率的稳定。介绍了取样积分提取一次谐波信号的原理和利用单片机实现的取样积分和数字比例积分微分(PID)控制的技术。相对于传统的锁相放大和模拟PID技术, 取样积分和数字PID结构简单, 可靠性高, 调试方便, 实现难度大大降低。建立的Cs原子饱和吸收外腔半导体激光(ECDL)稳频系统, 估算相对频率波动优于1.2×10-9(p-p), 平均锁定时间可达7天, 并实现了自动扫描饱和吸收峰、自动锁定和意外失锁的自动重新锁定功能。

扫描精度是激光雷达液晶相控阵扫描组件的一个重要指标。提出了一种对液晶相控阵扫描组件扫描精度误差进行定量计算的方法, 利用瑞利-索末菲(Rayleigh-Sommerfeld)公式精确计算出扫描激光束的远场波束, 得到角度误差值, 采用角度误差值和3 dB主瓣宽度的比值对精度误差进行衡量。利用该方法对电压量化误差、制造误差、高斯预处理三种典型的因素进行了仿真分析, 并得到三种误差造成的扫描精度误差量级分别为10-3, 10-2, 10-5。因此, 激光雷达液晶相控阵扫描组件的设计加工必须考虑加工精度对扫描角度的影响。

光束自动准直系统是高功率激光惯性约束聚变装置的重要子系统, 激光远场监测技术是光束自动准直系统的关键技术, 基于光栅取样的新型远场监测系统可以利用光栅衍射灵活取样激光远场。对影响光栅取样系统远场监测精度的主要因素进行了分析, 结果表明,系统误差为小孔直径的7.49%, 包括投影误差和斜成像误差; 随机误差小于小孔直径的1%, 包括物像关系误差和衍射光耦合误差。

为提高基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的高分辨率自适应光学(AO)系统的有效校正带宽, 提出了分级SPGD波前校正的方法。在每一级SPGD波前校正中, 将高分辨率波前校正器的控制单元按位置分成多组, 每一组都施加相同的控制电压作为一个控制变量。采用的校正级越高, 独立的控制变量的数目也越多。多级SPGD自适应光学系统按从低到高的等级顺序对畸变波前进行校正。以一个具有16×16控制单元的分立活塞式波前校正器为基础建立了基于3级SPGD波前校正的自适应光学系统的数值模型, 并针对大气湍流引起的某一帧随机相位屏做了模拟校正实验。结果表明采用分级波前校正后收敛速度提高了23%, 此方法确实提高了基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统的有效校正带宽。

为了实现激光二极管阵列(LDA)的高亮度光纤耦合输出, 设计了一套简单有效的光束整形系统。首先采用快慢轴准直透镜压缩LDA的发散角, 然后采用双平行平面反射镜光束整形装置, 将压缩后的LDA慢轴方向的光束分为4束(也可以根据需要分为任意多束), 并将4束子光束在快轴方向重新排列, 最后通过聚焦系统, 将整形后的光束耦合进入芯径600 μm, 数值孔径0.37的光纤。实验测得双平行平面反射镜整形装置的效率为98.87％, 系统的整体效率为 77.2％。该整形系统设计简单, 效率高, 具有很高的应用价值。

利用高功率激光装置空间滤波器小孔成像和取样光栅的衍射, 结合插入的负透镜发散激光来同轴照明小孔, 设计出一套新型光路远场监测方案。该方案利用光栅衍射可以灵活取样激光远场, 并且在实验平台上进行了实验验证。实验结果表明, 其远场监测系统的准直精度达到小孔直径的1.42%, 能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求。

设计了传统介质(折射率为n1>0)与激活介质(折射率n2=n0－ki)交替排列组成的一维光子晶体(PC)。利用传输矩阵法研究了这种光子晶体的透射光谱, 模拟结果显示, n1=1.45, n2=3.8－0.10i时会出现两条半峰全宽约0.6 nm获得增益的透射窄带, 并且两条窄带的中心波长只与介质的厚度有关。用M×N个厚度不同的此类光子晶体为单元设计了一种具有放大功能的M×N阵列滤波器。研究了介质厚度和折射率的变化对滤波器通道透射窄带的影响。结果表明, 此滤波器在可见光区域和红外光区域分别有M×N个通道, 并且通道间隔和窄带透射率的大小都可以通过改变介质参数任意调节, 这为设计各种需要的滤波器提供了帮助。

研究了动态密集波分复用(DWDM)光网络中直接调制-强度检测(IM-DD)系统中的交叉相位调制(XPM)和放大自发辐射(ASE)导致的动态噪声积累效应对高速光脉冲传输时的强度噪声影响, 修正目前IM-DD系统中传输代价Q参数的计算公式。通过仿真分析了动态网络环境下两种噪声积累对动态光路径接收端误码率(BER)的影响, 得出了XPM相位噪声与动态网络中光纤段长度、段数、波长信道间隔、链路ASE噪声等在内的链路参数之间的关系。对于动态光网络中链路的选择具有很好的参考价值。

全光开关门是全光3R再生、全光解复用、全光逻辑门和全光波长变换的重要组成模块, 而基于电吸收调制器(EAM)的全光开关门具有偏振无关和码型效应小等优点。依据光生载流子的输运方程, 建立了体材料EAM中的交叉吸收调制(XAM)模型。通过该模型利用时域有限差分法, 研究了EAM在高功率超短光脉冲抽运作用下形成的开关门特性, 对不同EAM偏置电压、抽运光功率和脉冲宽度下的开关门进行了分析。同时, 进行了开关门特性与偏置电压大小和抽运脉冲功率之间关系的实验研究。实验结果与理论预期相符合。EAM光开关用于光3R再生, 使40 Gb/s残余色散或偏振模色散恶化信号得到再生。

分析了基于等效相移(EPS)技术的超结构光纤光栅(SSFBG)相位编/解码器的原理及特点, 提出并实现了一种双边带编/解码器。该编/解码器在不改变光纤光栅长度的前提下, 实现了+1级和+3级编解码谱的级联, 并很好地继承了等效相移技术所具有的设计灵活、制作精度低和与波分复用(WDM)系统兼容能力强等诸多的优点。理论及实测数据仿真结果均表明, 在光脉冲源匹配最佳的前提下, 双边带编/解码器较传统等效相移编/解码器而言, 使得基于该光纤光栅相位编/解码器的窄带相干光码分多址(OCDMA)系统的编解码性能提高了3 dB, 通过对比分析得到其本质原因在于双边带编/解码器结构提高了其单位长度内携带的相位信息量。

提出一种基于旋转折变型长周期光纤光栅(R-LPFG)实现应变和温度同时测量的新方法。旋转折变型长周期光纤光栅是利用高频CO2激光在扭曲的普通单模通信光纤上制作的。这种特殊折变结构实现了纤芯基模与非对称包层模L1k奇模和偶模的同时耦合, 从而导致R-LPFG的谐振峰发生分裂。通过对这种光栅的应变和温度特性进行实验研究发现, 当对它施加轴向应力时, 其传输谱的两个谐振峰会向不同方向漂移; 而当外界温度改变时, 两个峰则会向同一方向漂移且波长漂移灵敏度几乎相同, 大约为0.07 nm/℃。

介绍了一种利用具有双布拉格反射峰效应的侧边抛磨光纤光栅(SPFBG)进行折射率测量的新型光纤折射率传感器。该传感器基于由轮式侧边抛磨法加工而成的侧边抛磨光纤光栅, 通过将折射率液覆盖一部分抛磨区的方法在一根光纤光栅上获得两个布拉格反射峰。这两个布拉格反射峰差值与覆盖材料折射率有关, 而与光纤光栅所受应力与环境温度无关, 因此用这两个布拉格反射峰差值作为测量量对折射率测量, 可减小应力与环境温度的影响, 实现高精度的折射率传感测量。实验表明, 当维持环境温度恒定时, 光纤光栅轴向应变在线性变化范围内, 该传感器测量折射率时不受应力与温度变化的影响。折射率液在1.4298～1.4479范围内, 该传感器的折射率测量分辨率为0.0001。

提出了一种基于在折射率引导型光子晶体光纤(PCF)中填充高折射率温度系数液体的新型折射率型光纤温度传感器。通过建立理论模型, 设定入射波长和材料参数及完美匹配层边界条件, 采用全矢量有限元法对六角形结构排列的折射率引导型光子晶体光纤的温度特性进行了分析。研究表明, 在空气孔中填充液体乙醇, PCF模场分布随着温度变化明显, 其有效折射率和限制损耗都随着温度升高而减小。相同的孔间距, 占空比越大, 输入波长越长, 有效折射率和限制损耗受温度影响越大。当波长为1500 nm, 占空比为0.7, 温度从-20 ℃升至70 ℃时, 限制损耗从3.5×102 dB/m减小到22 dB/m。

提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的光纤法布里-珀罗传感器解调方法, 从理论上分析了该方法的解调原理。从干涉谱中提取特征值, 利用干涉谱的特征值和腔长作为训练集, 对RBF网络进行训练, 训练好的网络就可以实现预测腔长的功能。在测量范围为0～2 MPa的法布里-珀罗(F-P)腔MEMS压力传感器进行的解调实验中, 该算法可以辨别0.1 MPa的压力, 腔长与压力数据的拟合度为0.98858。仿真计算得出, 该方法解调出的腔长的相对误差达到0.02% , 腔长的最大绝对误差小于0.1 μm。实验结果表明, 神经网络方法可以达到较高的精度, 满足实际需求。

为寻找一种新型的红敏光致聚合物, 用干法处理制备了一种天青Ⅰ 敏化的光致聚合物材料, 并研究了它的全息存储特性。用He-Ne激光器632.8 nm波长的光对材料进行曝光, 通过实验装置测量和相应的公式计算, 得到材料的透过率、衍射效率、感光灵敏度以及折射率调制度, 发现该材料最大衍射效率达到了66%, 材料的最佳厚度为140 μm, 最大透过率接近80%, 最大感光灵敏度为1.5×10-3cm2/mJ, 最大折射率调制度为9.7×10-4, 将模拟图像存入样品, 得到的透射图像与衍射再现图像保真度较高, 所有这些结果表明该光致聚合物适合用于高密度全息存储。

雅满横向剪切干涉仪是一种很重要的波面检测仪器, 特别是可以对白光的波面进行检测。为了弥补传统雅满横向剪切干涉仪的不足, 提出了一种相移雅满横向剪切干涉仪。它是在雅满横向剪切干涉光路中插入起偏器, 1/4波片和检偏器所形成, 实现了剪切干涉与相移的结合, 能有效地提高测量精度, 可适用于白光的波面检测, 结构简单且操作方便。实验中通过旋转检偏器获得了相移干涉图, 其结果很好地验证了该相移雅满横向剪切干涉仪的有效性。

从理论上和实验上对飞秒激光脉冲通过散射表面后的时域特性进行了研究分析。用频率分辨光学开关法对通过散射表面前后的飞秒脉冲进行了测量和对比。理论分析和实验结果表明, 由于散射表面对飞秒脉冲的散射导致飞秒脉冲的展宽和形状的畸变。输入脉冲在时间相关函数的半峰全宽为64 fs; 透射脉冲在时间相关函数半峰全宽的平均值为117 fs。对透射脉冲场的统计特性进行了讨论, 透射脉冲场实部和虚部的概率函数分布遵从高斯函数分布; 强度的概率分布遵从指数分布规律; 给出了入射飞秒脉冲强度的自相关函数分布和飞秒时域散斑场强度的互相关函数分布的实验结果, 并且对二者的时间相关函数进行了讨论。

将四象限探测器应用于激光干涉的测量领域, 提出一种检测激光干涉条纹正交信号的新方法。利用四象限探测器的探测区域象限化特征, 以及干涉条纹在探测单元内的矢量叠加原理, 实现了干涉条纹的正交信号检测。实验表明, 通过改变四象限探测器的旋转角度, 可以简便地检测到条纹的正交信号。当检测不同周期的干涉条纹时只需旋转四象限探测器至适当角度, 就可检测到相应周期干涉条纹的正交信号, 并且采用了差分技术处理信号, 从而有效地抑制了外界环境产生的噪声。与传统检测方法相比具有易于操作、抗干扰能力强等优点。

在超强超短激光脉冲与物质相互作用过程中, 良好的激光脉冲对比度是一个非常重要的参数指标。为了扩大对超短激光脉冲对比度的测量范围, 准确地测量超短激光脉冲的对比度, 利用非线性晶体对激光脉冲强度变化十分敏感的特性, 研究了超短激光脉冲三阶相关信号的产生过程, 并在此基础上, 研制了一台三阶相关仪, 对一台飞秒激光振荡器进行了脉冲对比度的测量研究。测量结果表明, 通过在测量光路中加入聚焦透镜进行聚焦准直, 可以有效提高激光脉冲的倍频效率, 从而大幅提高该三阶相关仪的可测动态范围。该测量系统目前可实现的可测动态范围达到约108。

分析了现有光谱相位相干直接电场重构法(SPIDER)系统的一个缺点, 即需预先估计待测脉冲的特性, 来设定合适的系统参数。因而其适用范围受到一定限制, 特别是在测量啁啾脉冲时容易出现偏差。实验用SPIDER系统分别测量了钛宝石飞秒激光器输出的脉冲及其经BK7玻璃块展宽得到的啁啾脉冲, 测得啁啾脉冲的宽度为295 fs, 作剪切量修正后测得脉宽为322 fs, 后者更接近理论预期的313 fs。这表明SPIDER系统测量啁啾脉冲时, 如果色散器提供的色散量不够大, 会出现一定程度的偏差。通过补充记录两个和频脉冲的光谱, 修正实际的剪切量, 可有效减小误差, 但问题仍未完全解决。

将微流控结构和光波导多模干涉(MMI)结构功能结合在一起, 利用导波的多模干涉效应, 对微通道中的液体变化进行实时监测。液体中成分或浓度的变化导致液体的折射率变化, 通过监测MMI的输出波导的功率, 得到液体折射率的变化, 从而得到液体成分浓度的变化。计算模拟显示, 对液体的折射率变化灵敏度可达到0.0001。对不同流量的要求, 提出了两种微流控结构和光波导MMI复合结构, 有望在微流控生化分析芯片中得到应用。

制备了Ho3+/Yb3+共掺的氧氟硅酸盐玻璃, 根据玻璃样品的差热分析(DTA)进行微晶化处理, 测试了Ho3+/Yb3+共掺微晶玻璃的X射线衍射(XRD)图谱、透射电镜(TEM)谱、吸收光谱和上转换发光光谱。根据Scherrer公式计算了CaF2微晶的平均晶粒尺寸,并与TEM谱进行比对; 利用晶体生长动力学理论研究了纳米CaF2晶粒的生长特性, 获得纳米CaF2晶体生长动力学方程; 研究了微晶玻璃中Ho3+离子的上转换发光特性; 分析了微晶玻璃上转换发光机制。研究结果表明氧氟硅酸盐微晶玻璃是一种良好的上转换基质材料。

由于温度会对云母晶体的最大双折射率产生影响, 影响云母波片的使用精确度。利用偏光干涉法测定了云母晶体的最大双折射率温度系数。利用岛津UV-3101PC分光光度计, 在其样品室中加入温控装置, 测出80 μm,300 μm和813.5 μm三个不同厚度的云母波片在不同温度下的偏光干涉谱, 发现干涉谱发生漂移。通过对偏光干涉谱极值点所对应波长的精确判断, 准确计算出相应温度下波片的最大双折射率。求出云母晶体在紫外波段和可见光波谱段的最大双折射率温度系数表达式。实验是在波长精度为0.05 nm时进行的, 测量的双折射率精度可达到10-5。

采用摩尔分数为7%的Y2O3掺杂的ZrO2混合烧结料为原料, 在不同的氧分压和沉积速率下用电子束蒸发方法沉积氧化钇稳定氧化锆(YSZ)薄膜样品。利用ZYGO Mark Ⅲ-GPI数字波面干涉仪对YSZ薄膜的残余应力进行了研究, 讨论了氧分压和沉积速率等工艺参量对残余应力的影响。实验结果表明,不同氧分压和沉积速率下, YSZ薄膜的残余应力均为张应力; 应力值随氧分压的升高先增大后减小, 随沉积速率的增加单调增加。热应力对薄膜所呈现的张应力性质起着决定性作用, 同时应力值的大小受本征应力和附加应力的影响。通过对样品的X射线衍射(XRD)测试, 结合薄膜微结构的变化, 对应力的形成原因进行了解释。

采用直升式和阶梯式加热法对电子束热蒸发镀制出的HfO2/SiO2,Y2O3/SiO2多层膜进行了400 ℃的退火处理, 发现采用阶梯式加热法退火后多层膜在190 ～300 nm范围内的峰值反射率均得到提高, 说明此种后处理方法可能会改善膜层在紫外波段的光学性能。再对HfO2,Y2O3的单层膜进行相应的退火处理, 发现退火后HfO2膜层的物理厚度减小从而发生蓝移现象; 直升式退火使Y2O3膜层的折射率变小引起蓝移, 阶梯式退火使得Y2O3膜层的物理厚度减小引起蓝移。对退火前后样品的微结构进行X射线衍射(XRD)法测量发现, 退火可以使材料进行晶化, 并且采用直升式加热法后材料的结晶度更大, 从而膜内散射变大, 会引起膜层反射率的轻微降低。

用化学气相淀积方法, 在Si (100) 衬底上生长Si1-xGex∶C合金作为缓冲层、继而外延生长了Ge晶体薄膜, 用X射线衍射(XRD)、俄歇电子能谱(AES)、拉曼(Raman)衍射光谱等对所得到的样品进行了表征测量, 着重研究了Si1-xGex∶C缓冲层生长温度对样品结构特征的影响。结果表明：Si1-xGex∶C缓冲层中的Ge原子浓度沿表面至衬底方向逐渐降低, 其平均组分随着生长温度的升高而降低, 这与较高生长温度(760～820℃)所导致的原子扩散效应相关; 在Si1-xGex∶C缓冲层上外延生长的Ge薄膜具有单一的晶体取向,薄膜的晶体质量随着温度的升高而降低。

利用化学气相淀积(CVD)的方法在AlN/Si(111)复合衬底上成功实现了4H-SiC薄膜的异质外延生长, 用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、阴极荧光(CL)等方法对所得样品的结构特征、表面形貌和光学性质进行了表征测量。XRD测量结果显示得到的SiC薄膜的晶体取向单一; 室温CL结果表明所得SiC薄膜为4H-SiC, 且随着生长温度的升高, SiC薄膜的CL发光效率提高。生长温度、反应气源中C/Si比等工艺参数对SiC薄膜的外延生长及其性质影响的研究表明在AlN/Si(111)复合衬底上外延4H-SiC的最佳衬底温度为1230～1270 ℃, 比通常4H-SiC同质外延所需的温度低200～300 ℃; 较为合适的C/Si比值为1.3。

利用激光对半无限大物体加热的一维热传导模型, 分析La0.67Ca0.33MnO3(LCMO)薄膜在KrF准分子激光照射下的温度变化。在纳秒级激光单次脉冲照射下, 薄膜表面温度与照射时间的平方根成正比。并通过拟合La0.67Ca0.33MnO3薄膜在此激光照射下的感生电压响应信号, 得到薄膜的时间常数为1.39 μs。利用薄薄厚度与时间常数的关系, 计算出薄膜的热扩散系数及热穿透深度, 分别为4.5×10-8 m2/s和71 nm。根据测量到的脉冲响应信号的时间常数, 将激光感生电压公式中薄膜厚度与热扩散系数参量简化, 得到一种求各向异性泽贝克(Seeback)系数的方法,计算出La0.67Ca0.33MnO3的各向异性泽贝克系数为2.80 μV/K。

用Co基新合金粉为梯度涂层原材料, 在结晶器用Cu-Cr合金表面利用激光诱导原位制备陶瓷相增强Co基合金梯度涂层。对实验制备样品涂层的组织结构与性能进行了研究。结果表明, 激光制备Co基梯度涂层的工艺参数为：激光平均功率50 W, 频率15 Hz, 脉宽3 ms, 扫描速度4.0 mm/s, 搭接率20%～25%。实验制备出了3层具有不同成分和结构的梯度涂层, 梯度涂层的主要组织是α-CoCr2(Ni, O)4合金相, 而Fe-Ni, Cu-Ni以固溶相的形式存在其中, 梯度涂层的各个分层中原位生成的碳化物陶瓷颗粒的数量、密度都呈现由内层到外层逐渐增大的趋势。梯度涂层的平均显微硬度由铜合金基体的94 HV呈梯度递增加到了最外层的432 HV, 摩擦实验表明梯度涂层的最少磨耗量为0.008 g, 表明激光原位制备的梯度涂层具有良好的耐磨性能。

为了研究激光冲击(LSP)过程中冲击波的实际作用面积, 对涂敷新型吸收层的Al2O3陶瓷材料进行了冲击, 通过烧蚀形貌的变化, 分析了等离子体的横向膨胀效应对实际冲击过程的影响; 通过对0Cr18Ni9奥氏体不锈钢, 3A21防锈铝合金的冲击过程, 分析了变形面积及深度的变化, 验证了对不同材料而言, 等离子体的膨胀效应具有普遍意义。结果表明,等离子体的膨胀与约束层材料有着直接的联系, 在目前普遍使用的8 mm直径的光束冲击下, 若使用柔性约束, 由于等离子体的膨胀, 冲击波的实际作用面积直径约在12 mm。

利用红外(IR)光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段研究了CO2激光扫描弯曲对硼硅酸盐玻璃微观结构的影响。结果表明激光扫描产生的熔化冷却过程使玻璃存在轻微的分相倾向, 导致玻璃中原先存在的［BO3］三角体结构单元与Na2O结合向［BO4］四面体结构转化, 同时Si聚集程度提高, Si—O键强增加。未经激光加工样品存在SiO2晶相引起的微弱衍射峰, 且晶粒呈大小不一的近似球状, 激光扫描过的样品不存在明显晶相, 呈较为均匀的玻璃态。

为了得到具有优良的射流流场激光喷嘴, 设计了一种组合型超音速喷嘴, 建立了该喷嘴计算流体动力学(CFD)分析所需的控制方程。其中湍流模型采用标准k-ε方程, 计算网格采用三角形非结构网格。基于有限体积法对控制方程进行离散并采用耦合式求解器求解。利用SIMPLEC算法解决速度与压力耦合问题, 进而实现对喷嘴流场分析。分析结果表明超音速喷嘴最佳入口压力就是其设计压力(7×105 Pa), 此时其射流流场特性最好, 适合于高速、大厚度激光切割。将CFD分析结果与已有纹影图实验方法的结果进行对比, 发现二者具有较好的一致性, 证明了CFD方法的可行性。

采用CO2激光直写烧蚀加工技术在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片表面加工微通道, 分析了CO2激光输出功率和激光束移动速度对加工质量的影响。选用4.5 W输出功率和76.2 mm/s移动速度, 在30 s内加工了水力直径为100 μm的微通道。在进行微通道的大批量、快速加工时, CO2激光直写烧蚀加工技术具有较高的工艺稳定性, 工艺流程简单, 可随时根据实验需要对微通道结构进行调整和再加工。微通道的激光拉曼光谱与PMMA基片相同, 保证了微通道和盖片对聚合酶链式反应(PCR)物化学影响的一致性。虽然微通道边缘存在少量重铸物, 但不会影响热压键合效果, 芯片能够满足PCR扩增中的压力与密封要求。使用这种芯片实现了180 bp拟南芥脱氧核糖核酸(DNA)片段的PCR扩增, 扩增效果与使用常规PCR仪相当, 验证了采用CO2激光直写烧蚀方法加工PMMA基连续流式PCR微流控芯片的可行性。

为提高铜基粉末冶金摩擦材料的综合性能指标, 用宽带激光束对其进行了激光表面改性处理。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)仪对微观组织进行了表征, 并用硬度计、摩擦磨损试验机等仪器对性能进行了测试, 结果表明, 宽带激光表面改性处理后, 铜基粉末冶金层的微观结构和性能发生了明显变化。聚合生长状态的α-Cu产生边缘溶解, 大块聚合态α-Cu细小化。在α-Cu内部形成了大量的纳米晶。激光表面改性处理后Cu基粉末冶金摩擦材料层密度提高了6%, 硬度提高12.7%, 耐磨性能提高45％, 摩擦系数提高1％。

以16 mm厚低合金高强钢11CrNi3MnMoV为实验材料, 研究了不同能量输入模式下厚板激光填丝多层焊的焊接工艺特性。设计了窄间隙坡口形式, 实现了双光束激光填丝的单道多层焊。通过对比单、双光束填丝焊的焊缝成形特征, 确定气孔、未熔合为高强钢厚板激光多层焊的主要缺陷, 双光束可有效提高焊接稳定性、降低焊缝气孔, 同时明显提高焊丝对中性能; 辅助层间保温与热丝技术可有效解决未熔合与层间束腰过小问题。双光束热丝焊的接头抗拉强度可达母材97％以上, 为填丝多层焊的优选工艺。焊缝断口呈现为韧窝型剪切断裂。

针对铜和钢的物理和化学性能的较大差异, 通过理论分析认为铜的熔化量对铜钢异种材料焊接接头的质量有很大影响, 同时考虑到铜对激光的高反射率, 对此进行了基于斜面对接和激光光束偏向钢侧的铜钢激光对接焊研究, 并以三种不同的工艺参数进行了激光焊实验。焊接接头的力学性能测试和焊缝显微组织分析结果表明, 铜钢焊接的质量主要取决于铜的熔化量。当铜熔化较少时, 接合界面清晰, 接头无明显缺陷并表现出良好的力学性能; 当铜的熔化量较多时, 无明显结合界面, 接头出现气孔、裂纹等缺陷, 力学性能急剧下降。实验结果表明, 设置激光束偏离量为0.8 mm, 可实现低铜钢熔合比, 从而获得无缺陷的铜钢焊接接头。

根据激光辅助预应力成形的物理模型, 以激光辅助预应力成形过程中的温度场、成形效率、弹性能转化比等物理量为目标, 通过方程分析法以及量纲分析, 提出了一组无量纲参数, 确定了相似准则。使用有限元方法分析了满足几何相似和物理相似的模型比为1∶3两个模型。结果表明, 满足相似准则的两个模型, 在相应的输入参量下, 其物理量相似。

混合元素法激光立体成形(LSF)过程中元素粉末的输送性对沉积试样的化学成分有重要影响, 为实现混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末的输送一致性, 进而保证沉积试样的化学成分与目标成分一致, 对混合元素法激光立体成形过程中的粉末输送性展开研究。结合喷嘴管道内外气-粉两相流分析, 建立粉末颗粒在喷嘴管道内外的运动微分方程, 揭示元素粉末特性对粉末输送性的影响规律。结果表明, 送粉工艺一定的条件下, 元素粉末的出口速度和加速度均随粉末密度和粒度的减小而增大。各元素粉末的输送一致性条件为在送粉工艺一定的情况下, 各元素粉末流具有相同的出口速度。基于以上的粉末输送一致性条件, 获得混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末特性的匹配关系, 进而保证了激光直接沉积试样的成分与预混合元素粉末成分的一致。

评价了应用激光快速成形(LRF)技术制作纯钛与Noritake Ti-22钛瓷的结合性能。利用商用纯钛粉末、激光快速成形系统和优化的成形工艺参数, 制作纯钛试样, 测量了其热膨胀系数(CTE), 根据ISO9693标准采用三点弯曲方法对钛瓷结合强度进行测试, 并对瓷剥脱后的钛表面进行扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析。结果表明激光快速成形纯钛的热膨胀系数与铸造纯钛无统计学差异, 且与Noritake Ti-22钛瓷匹配。激光快速成形纯钛与Ti-22钛瓷的分离类型为混合断裂, 包括内聚型和粘附型。钛瓷结合强度大于ISO9693标准所要求的基本值(25 MPa)。激光快速成形技术有望成为加工烤瓷熔附金属修复体的新技术。

基于三角测量在线检测闭环控制烧蚀系统, 以声光调Q YAG脉冲激光径向辐照方式进行青铜金刚石砂轮修整。根据砂轮表面的漫反射和成像情况, 选取柱面透镜作为接收透镜, 改进设计一套比较完善的接收光路系统, 对此激光烧蚀系统进行了标定。依照标定结果调整电路, 选取合理的激光和工艺参数进行砂轮修整试验。试验结果表明, 经激光修整后砂轮精度有了明显的提高。在此基础上研究了激光-机械复合精密修整技术, 即青铜金刚石砂轮通过激光修整后, 再辅以机械法整形。该方法使修整精度进一步得到提高, 同时使砂轮表面地形地貌得到了改善。

熔石英材料因加工产生的表面缺陷是造成其在实际应用过程中抗激光损伤能力下降的主要原因。利用CO2激光对石英表面特征缺陷进行定点局部高温熔融修复的技术研究, 结果发现这种熔融修复可明显减小熔石英表面缺陷尺度并改善缺陷内结构质量。通过对修复后的表面缺陷进行损伤阈值考核发现, 熔石英表面200 nm深度左右的划痕在修复后损伤阈值提升1倍左右, 横向尺度10～100 μm内的表面初始坑状损伤点的损伤扩展阈值和相同辐照通量下的抗辐照次数也获得明显提高, 从而证实了利用CO2激光局部定点修复以提高熔石英负载能力、延长使用寿命的可行性。

利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)对TC4 合金表面NiCrBSiC合金激光熔覆层中反应合成的TiC和TiB2形貌进行了观察, 分析了TiC和TiB2相的生长机制。结果表明, 激光熔覆反应合成的TiC相呈等轴树枝晶状, 并具有非小平面和小平面两种生长界面(当树枝晶尺寸较小时, 具有非小平面生长界面, 当树枝晶尺寸较大时, 具有小平面生长界面), TiB2相呈六棱柱状, 通常在TiC树枝晶表面异质形核, 并以小平面形式生长, 最终形成心部为TiC相外部为TiB2相的特殊复相结构。

提出了一种新的微成形方法——激光驱动飞片加载金属箔板微成形技术, 结合飞片速度模型和加载压力模型阐述了成形机理, 利用10 μm厚的铝箔进行了初步成形实验。在体式显微镜下观察成形后的铝箔表面光滑, 并且与模具的贴合程度较高, 表现出很好的成形精度。考察了激光能量对铝箔成形深度的影响。通过表面轮廓形貌测量仪检测发现, 成形深度受激光能量的影响比较大。在光斑直径为1 mm, 单脉冲激光能量为25～40 mJ时, 铝箔成形深度随激光能量基本呈线性关系增加, 单脉冲激光能量在45～50 mJ时, 铝箔由于破裂成形深度大幅增加。

会聚型喷嘴是目前激光切割应用最为广泛的亚音速喷嘴, 所产生的流场结构对激光切割质量和效率影响显著。建立了会聚型喷嘴的湍流模型, 根据可压缩流体轴对称N－S方程, 采用结构网格和二阶精度的有限体积法, 对不同内部形状参数的会聚型喷嘴自由射流进行了数值模拟。揭示锥型喷嘴收缩段收缩角、收敛型喷嘴收敛段抛物线曲率半径对射流的流场结构参数的影响规律, 为激光切割喷嘴的优化选择和设计提供有效依据。

以钴为主体的涂层原材料粉末中添加Ni, Cr, Fe, C, Si, W, MgO, Y2O3和纳米Al粉等形成新型合金粉末体系, 在结晶器用Cu-Cr合金表面利用脉冲激光原位制备颗粒增强Co基合金涂层。应用金相显微镜、扫描和透射电镜等分析技术, 对实验制备样品涂层的组织结构进行研究。结果表明, 在优化了粉末成分及激光扫描工艺参数(50 W, 15 Hz, 3 ms, 4.0 mm/s)条件下, 制备出了与Cu合金基体界面冶金结合的钴基合金涂层; 在涂层内部以Co-Cr-W-C为主体元素形成了细晶、高硬度的合金组织, 涂层中原位生成了细小的陶瓷颗粒相, 起到了复合强化作用, 而W, Cr等强碳化物在基体中析出, 起到了弥散强化的作用。涂层中过渡层富Co区的出现导致了富Cu区的产生。

为了评价CO2激光巩膜切除联合虹膜切除(CLSI)术治疗原发性青光眼的安全性和有效性, 应用自主研发的具有自反馈功能的CO2激光青光眼手术系统对兔高眼压(IOP)模型右眼行巩膜切除联合虹膜切除术。模型左眼行传统小梁切除术, 术后观察前房反应、滤过泡、平均眼压变化情况并作分期病理检测。结果显示, 术后激光组前房反应明显小于传统手术组。术后14天和21天, 传统手术组的功能性滤过泡明显减少, 眼压明显升高, 激光组和传统手术组之间存在统计学差异(P<0.05)。病理结果显示, 与传统手术组相比, 激光组术后无明显的出血和炎性增生, 滤过道存在时间长。CO2激光巩膜切除联合虹膜切除术是一种安全简单的手术方式, 该方法可有效降低眼压且术后并发症少。