镀膜光纤光栅(CFG)是近年来光通信、光传感应用领域的研究热点, 以其优异的光学特性和调节灵活的设计而使其具有诱人的应用前景。对镀膜光纤光栅的结构和理论特性作一简要的介绍, 给出镀介质膜和金属膜的光纤光栅计算模型, 重点阐述镀膜光纤光栅在传感和通信领域中的应用, 对镀膜光纤光栅的发展方向作进一步展望。

报道了激光二极管侧面抽运Tm,Ho∶LuLF晶体2 μm脉冲激光器。采用环形腔结构, 理论计算了腔型参数, 主要确定了束腰位置和大小, 便于在腔内插入调Q等器件。三方向对称侧面抽运方式, 具有更好的抽运均匀性, 为获得高能量的激光输出提供保障。在自由运转模式下, 脉冲重复频率1 Hz, 抽运能量3.25 J, 获得输出激光单脉冲能量为114 mJ, 光光转换效率为3.5%, 系统斜率效率为8.0%。插入声光调Q, 对应抽运能量2.75 J时, 获得调Q激光输出35 mJ, 脉冲宽度约700 ns。

选择低掺杂浓度的Nd∶YVO4/YVO4复合晶体, 设计了V字型热不灵敏折叠式谐振腔, 利用I类非临界相位匹配LBO非线性晶体倍频, 当抽运功率为30 W时, 获得连续单横模绿光最高输出功率12.9 W, 光-光转换效率为43%。当输出功率为11.7 W时, 测量其长期功率稳定性优于±0.83%(自由运转3 h),光束质量传输因子M2小于1.5。

提出了定量表征激光棒内吸收抽运光分布均匀性特征参量——吸收抽运光分布均方根偏差相对值, 利用该参量以及自行编制的光线追迹程序, 定量分析了五向侧面抽运Nd∶YAG模块内吸收抽运光分布均匀性及耦合吸收效率随激光二极管(LD)Bar条与Nd∶YAG棒表面间距的变化规律, 确定了侧面抽运模块优化结构参数; 在此基础上研制了抽运频率为100 Hz, 占空比为2%的侧面抽运Nd∶YAG模块, 其808 nm最大平均抽运功率为200 W, 1064 nm短腔最大输出功率为95 W, 光-光转换效率为47.5%。

报道了一台激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4晶体, 利用两块LBO晶体进行内腔二倍频和三倍频, 实现了高效率、高峰值功率355 nm激光准连续输出的紧凑型全固态紫外激光器。激光腔采用简单平平直腔, 腔长仅108 mm。当注入抽运功率6.76 W, 重复频率20 kHz时, 355 nm激光输出平均功率最高达245 mW, 相应的光光转换效率为3.62％, 脉冲宽度为8.0 ns, 脉冲峰值功率为1.52 kW, 输出功率短期不稳定性小于4.2%, 光束质量良好。通过采用内腔倍频技术和设计合理的腔结构, 整台激光器结构紧凑, 体积小巧, 便携性强, 适合于中小功率紫外激光的输出, 有利于进一步拓宽紫外激光器的应用领域。

使用掺铒光纤平均反转粒子数模型推导了双波长激光器平衡振荡需满足的条件, 并据此设计实验系统, 对抽运功率、模式损耗以及波长间隔对输出功率的影响进行了实验研究。结果表明, 可通过调节腔内损耗谱实现掺铒光纤环形腔内多波长激光输出, 双模平衡振荡条件在远离阈值点情况下成立; 可变衰减器的稳定性对双波长平衡的影响极大, 允许的偏离值小于0.4 dB; 而起振波长的偏离对双波长平衡的影响较小, 大于1 nm的波长偏离才会导致平衡破坏; 掺铒光纤的非均匀加宽效应允许平衡时损耗在一定范围内波动, 这有助于提高激光器的输出稳定性, 30 min内1546 nm和1556 nm双波长的功率波动小于0.5 dB。

报道了一种结构简单、调谐方便的宽带可调谐Er3+/Yb3+共掺光纤激光器。采用半导体激光二极管(LD)作为抽运源, 以大模面积Er3+/Yb3+共掺双包层光纤为增益介质, 利用闪耀光栅作为波长选择器件, 实现了1550 nm波段稳定的可调谐激光输出, 调谐范围达36 nm, 几乎覆盖了整个荧光谱宽度。整个调谐范围内, 输出激光线宽小于0.08 nm。输出功率随波长的变化而变化, 在25 nm调谐范围内激光功率不低于400 mW。波长为1543.86 nm时获得最大输出功率510 mW, 斜率效率为26%。这种光纤激光器具有效率高、线宽窄、调谐范围大、输出稳定等优点, 可用于密集波分复用(DWDM)光纤通信系统和高精度光纤传感系统。

利用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)生长了无铝980 nm InGaAs/InGaAsP/InGaP单量子阱(SQW)激光器, 测试了含铝的InGaAs/GaAs/AlGaAs和无铝的InGaAs/InGaAsP/InGaP两种不同材料的980 nm InGaAs SQW激光器在30～70 ℃范围内的P-I-V特性曲线, 对比分析了两种材料系980 nm激光器输出光功率、阈值电流、斜率效率和激射波长随温度的变化, 并对InGaAs/InGaAsP/InGaP激光器进行了可靠性实验。

利用渐进稳定性分析的方法研究了小注入电流条件下反馈光注入半导体激光器的复合腔模(ECM)的稳定性, 并提出对应于所有的复合腔模在相空间内存在一个模式稳定区域, 复合腔模出现在该模式稳定区域内的概率远大于出现在该模式稳定区域外。通过求解复合腔模的鞍结分岔及霍普夫分岔边界条件并计算载流子浓度的庞加莱截图, 验证了模式稳定区域的存在。数值计算的半导体激光器载流子浓度的分岔图验证了在小注入电流条件下渐进分析的可靠性。

为了深入研究量子点半导体光放大器(QD-SOA)的特性, 建立了量子点半导体光放大器子带导带的三能级系统模型。把系统载流子的速率方程与其他文献采用的速率方程进行了对比优化。通过数值计算得到了瞬态解, 并得到载流子在放大器各能级态的浓度分布, 验证了量子点中能级分立特性。利用电子和空穴各自的占有几率在基态成一定的线性关系, 在稳态下对速率方程求解, 得出了量子点半导体光放大器相关的增益特性, 以及增益特性与基态电子的占有几率之间的关系。结果表明量子点半导体光放大器具有很高的饱和增益和微分增益, 较低的阈值电流等特性。说明量子点半导体光放大器具有比其他体材料和量子阱光放大器更加优异的特性。为光放大器的设计提供了有力的理论指导。

对高功率激光系统中使用的衍射光学元件(DOE)在束匀滑时产生的表面反射光场进行了模拟计算。计算表明, 随着传输距离的增大, 反射光由于干涉叠加会产生一定数量的光强极值点, 有可能会对前端元件造成损伤。因此, 在高功率激光系统应用中, 有必要对元件进行一定角度的倾斜放置, 从而使反射光偏离前端元件。通过模拟计算分析了衍射元件放置时, 倾斜角度对各项束匀滑指标的影响, 发现匀滑性急剧变差, 并在实验上观察到了相应的定性结果。设计了相位补偿方法, 以保证倾斜放置下衍射光学元件的束匀滑能力, 并给出了相位补偿的数值模拟结果。

指出了用传统方法把自由电子激光(FEL)推向更短波长将在技术上遇到严重挑战, 并试图寻找新的光源。在周期弯曲晶体中作沟道运动的粒子, 在沟道辐射的同时, 还将不断产生摆动场辐射。在摆动场轨道曲率最大或最小处, 摆动场辐射与粒子束平行, 情况与自由电子激光类似。在摆动场轨道曲率相继最大(或最小)处产生的光子是受激的, 且频率比常规自由电子激光高得多。在简谐近似下, 描述了沟道辐射和摆动场辐射频率与频谱分布, 讨论了沟道辐射和摆动场辐射之间的关系, 分析了利用晶体摆动场辐射作为X-激光或γ-激光的可能性。

研究了一种无扫描三维成像激光雷达。采用脉冲固体激光器作为发射光源, 而带有像增强器的CCD(ICCD)作为成像探测器。激光器发射光脉冲的同时用随时间单调变化的高压调制ICCD中的像增强器, 使其产生随时间单调变化的增益调制, 这样不同距离的目标回波被放大的程度不同。通过对被放大信号能量的比较分析, 就可以解算各个脉冲的飞行时间, 从而得到各个脉冲对应的距离。结果验证了这种成像系统可有效地消除回波强度不均匀性的影响。通过室内成像实验验证系统成像, 在35～41 m的距离上成功地获取了目标的距离像, 测距精度可达1 m以下。

报道了由硅光电池组成的适于在显微镜等微焦系统上进行光功率测量的光电型功率计, 具有光谱响应范围广、线性好、灵敏度高、稳定性好、速度快、使用方便等特点。其微型光探头适于放置在不同显微载物台的样品玻片及样品池上, 包括置于溶液中模拟样品所处的环境与位置, 对投射到显微镜玻片样品上的实际光功率进行测定,并具有换档功能,可准确测定不同波长不同水平(0.1～50 mW)的光功率。

建立了中继镜系统模型, 并进行了一定的近似, 在某地区特定大气条件下,利用激光大气传输四维程序及相关程序模块,分别计算了固体激光中继镜系统和常规地基高能激光系统对1 km高度,1 km/s飞行速度目标的作用效果。根据中继镜系统对目标可作用时间长的特点, 选取常规激光系统和中继镜系统的破坏阈值分别为3 cm桶中功率28.27 kW和5.655 kW, 分析得出常规高能激光系统可作用目标的最大水平距离为4.6 km, 中继镜系统可作用目标的最大水平距离为11.3 km。与常规高能激光系统相比, 中继镜系统降低了大气对激光的影响, 拓宽了激光系统的作用范围。

提出一种基于振幅调制纯相位滤波器(AMPOF)和片状正交非线性广义(SONG)相关的畸变不变光学相关目标识别算法。利用振幅调制纯相位滤波器区分能力强的优点, 结合综合鉴别函数(SDF)方法, 提出基于振幅调制纯相位滤波器的畸变不变识别算法, 达到明显优于传统综合鉴别函数方法相关输出效果的目的。在此基础上引入SONG相关技术, 利用其突出的区分能力和抗噪性能, 结合这两种非线性滤波技术, 得到能够很好地兼顾多项性能指标的畸变不变识别算法。仿真实验结果表明, 算法既提高了相关峰输出质量和多目标区分能力, 又具有很强的抵御噪声能力, 在输入图像被噪声严重破坏的情况下, 识别度仍然能够达到97%以上。和其他结合SONG相关的畸变不变识别算法相比, 该算法目标识别性能更为优良, 且更实用、广义。

以HF基频激光功率大小作为判断依据, 对燃烧驱动全气相碘激光的燃烧室参数进行了考察。实验结果表明, 在D2流量为10～20 mmol/s时, 相对燃料D2而言, NF3过量30%～70%时可以获得较大的F原子流量, 而稀释He的加入不利于F原子的生成; 加入足够量的DCl, 可以实现F原子全部向Cl原子的转变, 为燃烧驱动全气相碘激光器提供了稳定的Cl原子源。

介绍了一种名为滴定HF吸收法的新方法, 即利用电激励单谱线HF激光器的(0-1)振转谱线, 检测滴定产物HF分子的吸收强度变化, 得到滴定气体(氢气)流量与F原子流量对应关系的方法。用此方法分别测量了在不同NF3流量、不同探测谱线时, 一台电激励HF/DF化学激光器正常工作时的F原子流量, 发现低转动态谱线的吸收更为强烈, 1个NF3分子解离出1.0～1.1个F原子。分析了透射率与HF分子浓度及温度的关系, 对影响测量精度的原因进行了分析并提出相应对策。实验结果显示滴定HF吸收法是一种简单实用的F原子流量检测方法。

介绍了为实现小型化相干布居囚禁(CPT)原子频标的激光频率锁定, 用以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的数字控制电路将激光频率锁定在多普勒吸收峰的工作。以同样的控制方法将微波频率锁定在电磁感应透明(EIT)峰上之后, 实现了CPT原子频标样机整机锁定。基于FPGA用Verilog语言实现的CPT原子频标数字伺服系统具有电路结构清晰紧凑、参数设置更改方便、程序查错容易、功耗低、温度系数小等优点。受益于语言编写及数字电路的特点, 系统具有移植性和一致性好的优点。所研制出的CPT频标样机功耗4 W, 稳定度达到6×10－11τ－1/2, 表明该数字伺服电路方案是可行的。

用二维particle-in-cell (PIC)粒子模拟程序研究了等离子体初始温度对强激光与物质相互作用过程中高能质子产生的影响。观察到不同的等离子体初始温度会影响靶前激波的形成时间, 进而影响质子产额。数值模拟显示当等离子体初始温度适度增大时可以得到更高的质子产额。

利用波前像差的泽尼克(Zernike)模式分解, 分析了光学系统的静态像差和动态像差与系统的光束质量β因子间的关系。建立了静态和动态Zernike像差系数与β间的计算表达式, 并用数值计算方法得到了前65阶静态和动态Zernike像差与β间的近似公式拟合系数。在此基础上建立了符合科尔莫哥诺夫(Kolmogorov)大气湍流引起的动态Zernike像差与β间的对应关系。数值计算结果验证了该分析结论和得到的近似计算公式的正确性。

为了提高平行分束偏光棱镜的扩束比, 提出了一种新的复合式平行扩束偏光镜设计方案。运用棱镜光扩束原理和菲涅耳公式, 分析了影响扩束比和透射比的结构角、折射率等因素,使其在高透射比的基础上, 很好地实现增大剪切差的效果及结构的优化设计, 并伴有光路转向的作用。这在一定程度上减小光路搭建的直线长度, 节约实验平台的使用空间。测试结果表明, 这种新的偏光镜透射比和剪切差比较理想, 理论值和实验值基本吻合。该复合偏光镜是一种较理想的平行分束偏光器件, 具有较高的实用价值。

阐述了全光路像差校正自适应光学系统的工作原理, 明确了全系统的校正能力受制于角锥棱镜阵列的面形像差。针对工作在0.6328 μm波长的全光路像差校正自适应光学系统, 从仿真的角度研究了3种角锥棱镜阵列, 研究了角锥棱镜阵列的组成单元——角锥棱镜的综合角误差在2″以内时, 角锥棱镜阵列的面形像差可以忽略。用WYKO 干涉仪测量了实际角锥棱镜阵列内每个角锥棱镜的波像差, 根据波像差计算的综合角误差, 拟合了角锥棱镜阵列的面形, 验证了仿真结果。

多路光束的相干合成是获得高功率、高亮度激光输出的有效途径。实验采用一种新型的偏振锁相技术, 实现了对偏振方向相互垂直的两路光束的相位锁定和相干合成。研究表明该偏振锁相装置可将两束光的相位差锁定于0～2π之间的任意值且在较大振幅比情况下仍可获得大于90％的合束效率, 是一种可定标放大的相干合成技术。

研究一种具备校正活塞和倾斜像差能力的自适应锁相光纤激光阵列, 利用多相位屏法对其在不同强度湍流大气中的传输性能进行数值计算, 引入光束质量因子BPF对湍流大气的影响进行定量分析。当湍流强度较弱(折射率结构常数为C2n=1×10－15 m－2/3, 传输距离为10 km, 相干长度为4.3 cm)时, 湍流大气对激光阵列传输的影响较小, 光强分布与在真空中传输效果基本一致。当湍流强度较强(折射率结构常数分别为C2n=5×10－15 m－2/3和1×10－14 m－2/3, 相干长度分别为1.6 cm和1 cm)时, 自适应锁相光纤激光阵列的BPF分别为理想情形下的86%和70%; 对应的未校正活塞像差和倾斜像差的光纤激光阵列传输至远场处的BPF值分别为理想情形下的55%和38%。计算结果表明, 由于校正了活塞和倾斜像差, 在较强湍流大气中传输时, 自适应锁相光纤激光阵列能够显著提高远场光强的能量集中度。

研究了一种基于高非线性光纤(HNLF)中交叉相位调制效应的全光频率上转换射频耦合到光纤无线通信(ROF)系统。数值计算结果表明, 由于交叉相位调制引起的调制不稳定性, 波长1.54 μm, 重复频率为40 GHz的抽运光可使波长为1.56 μm, 载有速率为2.5 Gbit/s的非归零码作为下行链路数据的弱信号光光波分裂, 产生与载波距离为40 GHz且与载波相干的两个一阶调制边带, 抽运光脉宽、抽运光功率和光纤长度对载波与边带功率差有较大影响。仿真实验结果证实了以上原理, 速率为2.5 Gbit/s的数据信号在高非线性光纤中被上转换到40 GHz毫米波上。信号光功率为0 dBm时, 得到的优化光纤长度为600 m, 抽运光功率为17 dBm。

改进了现有的基于强度调制型移相的微波光量化方案, 新方案简化了系统结构, 不再需要互补输出的强度调制器, 显著提高了工作带宽, 并进行了实验验证。新方案采用双路强度调制进行采样, 通过调节2个可调光衰减器, 对2路采样信号进行非相干叠加来实现系统中传输特性曲线的相移。实验演示了8通道(16个量化等级)的移相光量化系统, 用20 GHz重复频率的光脉冲对2.5 GHz的正弦信号进行量化, 从量化值可以得到较好的正弦拟合曲线, 证明了方案的可行性。

利用800 nm的飞秒激光在普通单模光纤上一次成型地制作一个微矩形槽作为法布里-珀罗(Fabry-Pérot, F-P)干涉腔, 然而, 制作的F-P干涉腔端面粗糙、倾斜, 使得该传感器只有～5 dB的对比度, 为后续的信号处理带来了一定的困难, 且在一定程度上降低了测量的准确性与可靠性。通过选择最佳的加工参数、改善加工环境和改进加工方法, 制作出了平整度好、端面平行的F-P干涉腔, 其对比度达到了～18 dB。此外, 该F-P干涉传感器的全光纤结构使其能耐800 ℃的高温, 为其在恶劣环境下工作提供了应用潜力。

基于耦合非线性薛定谔方程(CNLSEs), 利用分裂步长傅里叶方法(SSFM), 研究了超短光脉冲在有源三芯非线性光纤耦合器中的传输和开关特性。重点分析了在一阶色散耦合系数和二阶色散耦合系数的影响下, 线性增益系数和有限增益带宽对脉冲传输和开关特性的影响。研究表明, 线性增益系数能增大开关陡峭性、降低开关临界能量、提高开关效率; 虽然有限增益带宽使耦合器开关特性变差, 但是它不仅能显著抑制由线性增益系数引起的脉冲压缩和放大, 而且还能有效抑制由一阶色散耦合系数引起的脉冲展宽和分离以及由二阶色散耦合系数引起脉冲高频振荡, 使光脉冲在三纤芯间呈现出类似无源光纤耦合器那样的周期性耦合传输特性。

对基于铒镱共掺分布布拉格反射式光纤激光器(DBR-FL)的有源光纤水听器进行了研究。制作了腔长为8 cm的铒镱共掺DBR-FL, 在抽运功率为50 mW时, 激光器的输出功率达到0.263 mW; 采用带法拉第旋镜的迈克尔逊干涉仪和相位载波(PGC)解调方案, 解调出施加在铒镱共掺DBR-FL有源光纤水听器的声信号, 并通过与标准压电水听器对比得到声压灵敏度; 对单频信号进行多次测量, 声压灵敏度的波动小于±0.6 dB; 测量了80 Hz到2.5 kHz频率范围的响应曲线, 除125 Hz, 200 Hz和250 Hz三个频点外, 声压灵敏度已达到或超过部分文献报道中干涉型光纤水听器的灵敏度; 与基于DFB-FL的有源光纤水听器做了对比测试, 结果表明频率响应不平坦是未对水听器进行封装和测试系统引起的。

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器。针对调相(PM)谱技术的R-FOG系统方案, 研究了基于坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法的数字同步检测电路。通过单片可编程逻辑器件(FPGA)可同时实现调制信号产生、同步解调以及信号处理, 从而使R-FOG检测系统更加稳定、灵活。对基于CORDIC算法的频率合成技术和同步检测电路做了分析和测试。将设计的数字检测电路应用于R-FOG系统, 完成了陀螺转动信号的观测。

基于空芯光子晶体光纤(HCPCF)耐高温、温度稳定性好的特性, 对利用空芯光子晶体光纤与两根普通单模光纤通过熔接构成的微小型光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪进行了高温应变特性实验研究。结果表明, 在100～700 ℃温度范围内, HCPCF F-P具有较好的温度稳定性, 并测得600 ℃的温度下其应变测量的灵敏度约为5.94 nm/με, 线性度约为0.9997, 温度对应变灵敏度的最大影响约1.5%, 测量精度约0.08% FS。理论和实验结果表明高温下HCPCF F-P具有温度灵敏度较低, 应变灵敏度较高, 温度对应变灵敏度的交叉影响小, 线性度和重复性好, 且没有迟滞现象以及应变测量范围大等优点。

碳纤维材料上涂层的应用使得常规无损检测技术难以实现涂层的厚度测量和缺陷检测。提出红外热波无损检测技术对涂层厚度及内部缺陷进行检测。红外热波无损检测技术主动对被检测样件进行热激励, 热波在均匀试样中传播, 遇到界面后热传导发生变化, 通过红外热像仪连续监测的降温曲线的变化找到热传导时间来测量涂层厚度。涂层下的缺陷热属性差异对表面温场产生热图异常, 从而进行内部缺陷检测。实验结果表明, 对涂层厚度在0.35～2 mm的碳纤维基底涂层样件可用红外热波无损技术进行涂层厚度和缺陷检测, 涂层厚度检测精度为0.1 mm。红外热波检测技术可以实现涂层厚度测量和涂层下缺陷的检测。

针对现在多路大功率激光器的功率平衡缺乏对评定参数计算方法的细致讨论, 提出了瞬时功率和激光装置束间功率不平衡度的详细数值计算方法。根据理论模拟结果, 选取平顶脉冲时间脉冲波形半峰全宽对应的中心位置作为时间波形的时间基准进行功率平衡计算。实验中, 用光电转换元件、示波器和能量卡计分别进行各路激光束到达靶点的时间同步、脉冲时间波形和能量测试, 计算得到多路激光瞬时功率和激光装置束间功率不平衡度, 并分析瞬时功率测试结果的不确定度, 从而给出多路激光功率平衡测量技术和方法。

激光二极管(LD)自混合干涉用于振动测量的关键技术之一是从自混合干涉信号重建振动信号。用整形后的自混合干涉信号驱动模拟开关, 开关电容做电荷转移来实现频率电压变换, 用振动的激励信号驱动模拟开关让电容充电电源随振动的相位变化做倒相变换, 从激光二极管自混合干涉信号中还原振动信号。还原出的信号的振幅与振动的振幅成正比, 还原出的振动信号的波形与振动激励信号的波形一致。只要能从自混合干涉信号实时自动地提取外腔振动的周期及相位信号, 该频率电压变换方法可以用于重建任意振动的信号。

引入Stoilov算法以让传统相位测量轮廓术(PMP)应用于在线三维检测, 但该算法的计算式中含有开方和除法运算, 对投射数字光场,CCD摄像头的数字化非线性误差以及环境光干扰较为敏感, 会出现较大的解相误差。为此, 提出了一种适合在线三维检测的改进型Stoilov算法, 通过像素匹配方法标定移动步距S和基于标准PMP的截断相位解相标定条纹周期长度L, 再标定出相移量Δ, 即可修正sin Δ值, 有效减小了原Stoilov算法公式的解相误差, 提高了在线检测精度。为验证该方法的可行性和有效性, 进行了实物测试实验。实验表明,在在线三维测量中, 采用原始Stoilov算法重构的三维物体出现明显的失真, 而采用改进的Stoilov算法重构的三维物体具有很好的保真度。

提出一种测量平板玻璃中气泡直径的方法。用平行He-Ne激光束照射平板玻璃内的气泡, 在远场产生圆环状干涉条纹。利用气泡远场干涉理论模型, 使用分光仪对平板玻璃外干涉条纹角位置进行测量, 由折射定律换算为平板玻璃内干涉条纹角位置, 进而使用计算软件mathematica计算出气泡直径, 测量结果显示平板玻璃内气泡的形状为椭球。给出了快速测量气泡直径的建议。因为是远场干涉, 对气泡在载物台上方的位置要求不严格。对夫琅和费圆屏衍射条纹的干扰进行了分析, 为平板玻璃内气泡直径测量提供了一种新的方法。

介绍了一种利用脉冲激光在水中的受激布里渊散射(SBS)探测水中无反射物体的方法。充分利用了SBS的相位共轭特性以及光学隔离系统的有限孔径, 使得信噪比得到较大的提高。当使由水面反射和水体散射的激光通过法布里——珀罗标准具时, 通过观察接收屏上形成的干涉图样, 便可确定在水中是否发生了SBS, 进而判断是否有物体在水中出现。通过使用快速响应光电二极管接收光信号, 并用数字示波器显示波形, 可以得到水面反射脉冲和水体后向散射脉冲之间的时间间隔, 进而得到水下无反射物体所处的深度。光电二极管安置在特定位置上保证了接收信号足够高的信噪比。在实验中, 对位于水面下1～10 m处的物体成功进行了探测, 且实验结果与实际情况符合得很好。

采用静电纺丝技术制备了PVP/[Y(NO3)3+Al(NO3)3+Nd(NO3)3]复合纳米纤维, 将其进行热处理, 获得了Nd3+∶YAG发光纳米纤维。X射线衍射(XRD)分析表明, 该复合纳米纤维为非晶态, 经900 ℃焙烧10 h后, 获得了单相石榴石型的Nd3+∶YAG纳米纤维。扫描电子显微镜(SEM)分析表明, 经过900 ℃焙烧后, 获得了直径约75 nm的Nd3+∶YAG纳米纤维, 长度大于100 μm。热分析(TG-DTA)表明, 当焙烧温度高于550 ℃时, 该复合纳米纤维中二甲基甲酰胺(DMF)、有机物和硝酸盐分解挥发完毕, 样品不再失重, 总失重率为84.7%。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明, 当焙烧温度为900 ℃时, 生成了Nd3+∶YAG发光纳米纤维。对Nd3+ ∶YAG纳米纤维的发光性质进行了研究, 对Nd3+∶YAG发光纳米纤维的形成机理进行了讨论。该技术可以用来制备其他稀土石榴石型化合物纳米纤维。

采用提拉法沿c向成功生长出质量优良的Nd∶CaNb2O6新型单晶。测量了晶体的室温吸收光谱, 在808 nm处吸收截面为5.04×10-20 cm2, 吸收带宽为8 nm。根据Judd-Ofelt理论, 拟合出晶体场强度参数Ωt (t=2, 4, 6)：Ω2=5.321×10-20 cm2, Ω4=1.734×10-20 cm2, Ω6=2.889×10-20 cm2。荧光辐射寿命τrad为167.02 μs, 计算的荧光分支比β为： β1 =36.03%, β2 = 52.29%, β3 = 11.15%, β4 =0.533%。这些良好的光谱性质表明Nd∶CaNb2O6晶体将成为固态激光器中有潜力的激光增益介质。

针对800 nm的激发光源设计合成了3种具有D-π-D分子构型的新型二苯乙烯衍生物(分别命名为BPSBP,BESBP和BCSBP)作为双光子引发剂。利用飞秒激光研究了该系列双光子引发剂的双光子光聚合行为, 着重讨论双光子引发剂浓度对聚合阈值和双光子引发剂浓度、聚合能量及曝光时间对聚合分辨率的影响。综合影响聚合分辨率、系统加工效率和微器件表面质量的因素, 以浓度为32 μmol/g的BPSBP作为双光子引发剂的聚合体系, 在 9×105 mJ/cm2的聚合能量下制作出了亚微米级的三维周期微结构等微器件,并用电镜(SEM)进行了表征。

利用传输矩阵法计算模拟了一维光子晶体(ABCBA)m的透射谱, 当介电常数为实数时, 光子晶体透射谱出现有规律性的共振透射锋, 具有多通道光滤波的特性; 当C层介质中掺入增益特性的杂质时, 透射峰出现多条合一现象, 且当周期数m为奇数时, 出现透射率恒为0.05ω/ω0的透射衰减现象, 当周期数m为偶数时出现高达104数量级的透射增益现象, 增益的强度与重复周期数m和C层折射率的虚部大小密切相关。这些现象为光子晶体实现单通道光滤波器、多通道光滤波器和光放大器提供理论指导。

本文基于脉冲激光沉积(PLD)方法, 利用光谱物理GCR-170型脉冲激光器Nd∶YAG的三次谐波, 实验上完成了在Al2O3(0001)基片上生长了ZnO薄膜。利用原子力显微镜(AFM)、光致发光(PL)谱和光学透射谱对不同基片温度下沉积的ZnO薄膜的表面形貌和光学特性进行研究。结果表明,沉积时的基片温度对ZnO薄膜的结构和特性有显著影响。在基片温度为500 ℃时沉积的ZnO薄膜结构致密均匀, 并表现出很强的紫外发射。通过紫外-可见透射光谱的测量, 讨论了沉积时的基片温度对ZnO薄膜光学透射率的影响。

激光预处理是提高薄膜元件抗激光损伤阈值的重要手段。对电子束蒸发HfO2, SiO2块状材料镀制的基频高反膜进行了1-on-1和R-on-1阈值测试,比较分析了两种测试情况下出现的典型损伤形貌。实验发现, R-on-1测试表现出明显的预处理效应, 其所测抗激光损伤阈值是1-on-1测试的3倍; 1-on-1测试下的典型损伤形貌是围绕平底小坑的等离子烧蚀损伤, R-on-1测试下的典型损伤形貌仅是表面等离子体烧蚀损伤; 表面轮廓测试的结果表明两种损伤形貌的烧蚀区域中心都是凸起的。两种典型损伤破坏形貌及其差异的研究说明吸收性缺陷是引起此样品损伤的主要诱因, 预处理对吸收性缺陷的力学稳定作用是此样品抗激光损伤阈值提高的宏观原因。

针对光学仪器对多光谱光轴测试的特殊要求, 采用电子束真空镀膜的方法并加以离子辅助沉积系统, 通过对材料的光学特性、膜系设计和监控厚度误差的分析, 优化工艺参数, 在多光谱ZnS基底上, 成功镀制多波段激光滤光膜, 实现了多波段光谱的分束。所镀膜层在30°角入射条件下, 可见400～700 nm波长范围内平均透射率高于90%,1064 nm和1540 nm波长处的透射率都低于5%, 在红外波长10.6 μm透射率高于92%, 并且解决了膜层牢固性问题, 能够承受激光光源的照射和恶劣的环境测试, 完全满足光学仪器的使用要求。

根据模块化的设计思想, 设计并实现了一个可扩展的光学薄膜Mapping测量平台。通过添加设备模块, 可以使此平台支持多种Mapping测量类型。利用此平台成功测量了波分复用(WDM)滤波片的透射光谱特性Mapping图。

为了探讨不同清洗工艺对基片表面微观粗糙度的影响, 利用总积分散射(TIS)仪分别对不同条件下超声清洗的K9玻璃基片,End-hall离子源清洗的K9玻璃基片和Kaufmann离子源清洗的熔石英基片的表面均方根(RMS)粗糙度进行了系统表征。结果表明, K9玻璃基片经不同条件下的超声波清洗后, 由于清洗过程中表面受到损伤, 其RMS粗糙度均有所增加; 而对于End-hall离子源和Kaufmann离子源清洗的基片, 其表面RMS粗糙度的变化受清洗过程中离子束流、清洗时间和离子束能量等实验参量的影响较为明显, 选择合适的实验参量可以降低基片表面粗糙度。

负色散镜的色散补偿性能对设计和制备的精度要求都非常高, 折射率和薄膜物理厚度是其性能准确实现的必要参数。实验设计并镀制了Gires-Tournois(G-T)镜, 结合电场强度分布及薄膜的群延迟色散(GDD)、扫描电镜的测量结果, 从材料折射率、膜层厚度、敏感膜层的变化及界面粗糙度等主要因素对Gires-Tournois镜群延迟色散性能的影响进行了分析。研究表明：设计时采用的材料折射率要根据实际实验计算得到; 群延迟色散量随着总的膜层厚度和腔的厚度增加而增加; 电场强度的分布决定色散补偿能力及敏感膜层的位置, 最薄的膜层不一定是最敏感的膜层, 敏感膜层对沉积厚度控制精度要求非常高; 薄膜的界面粗糙度和不均匀性也是误差产生的重要原因。

介绍了激光驱动飞片加载金属箔板成形的方法。采用激光驱动飞片的Gurney 模型, 计算得出功率密度0.64 GW/cm2时, 10 μm厚的铝飞片速度可达到250 m/s, 碰撞压力为1.9 GPa, 是约束模型下激光诱导压力的3倍左右。表明激光驱动飞片加载的成形能力显著高于激光直接冲击; 采用LS-DYNA软件数值模拟了激光驱动飞片加载铝箔微成形过程, 发现冲击载荷下飞片应力、速度变化的模拟结果与理论计算吻合度较好, 验证了激光驱动飞片加载机制的正确性。

针对直升飞机发动机涡轮叶片采用连续激光熔覆出现裂纹及叶片变形的问题, 在5 kW连续横流CO2激光器上, 采用新的电源控制方案, 通过软件及相关控制, 实现了脉冲激光功率输出。克服了采用高功率开关电源带来的成本和稳定性问题, 且脉冲调制频率可达到5 Hz, 调制占空比可达到5%～100%。当采用4 kW峰值功率, 4 Hz脉冲重复频率, 占空比为20%时, 在发动机叶片K403合金表面进行合金粉末Stellite X-40的熔覆实验。结果表明, 熔覆后热影响区比连续激光减少50%, 硬度提高5%, 界面结合性能与母材相当, 无熔覆裂纹及叶片变形。

以纯Fe粉和纯Al粉为熔覆材料, 在ZL101基体表面采用激光熔覆工艺制备了3种不同成分的Fe-Al化合物涂层。利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪和显微硬度计, 对熔覆合金层以及熔覆层与铝合金基体的结合界面区的组织结构和显微硬度进行了分析。实验结果表明, 激光熔覆涂层主要由FeAl与Fe3Al相构成, 涂层与基体呈锯齿状结合。3种涂层(Fe-Al, 2Fe-Al和3Fe-Al)均有较高的显微硬度, 分别为744 HV, 603 HV和795 HV。

采用300 W YAG激光器对7050铝合金预拉伸板进行激光成形修复实验研究。实验中选用的粉末是AlSi12, 通过多道多层激光修复实验, 得到了优化的工艺参数。分析了冶金缺陷产生的原因及消除措施, 并分析激光修复区的组织形成和分布规律。实验结果表明, 修复过程中产生的冶金缺陷主要有界面熔合不良、气孔和液化裂纹。通过对基材表面进行化学处理、优化修复工艺参数、改变粉末状态等方法获得了修复区内无气孔、裂纹, 同时界面熔合良好的修复试样。组织分析结果表明, 修复区底部为α-Al固溶体树枝晶和少量的枝晶间Al-Si共晶组织, 随着熔覆层数的增加, 共晶体积分数不断增加, 同时α-Al固溶体树枝晶组织不断细化, 并发生柱状晶/等轴晶转变, 在修复区顶部获得了完全细化的等轴晶组织。

以Ni-Cr-C-CaF2复合合金粉末为原料, 采用激光熔覆技术, 在γ-TiAl合金基体表面制备出高温自润滑耐磨复合材料涂层, 采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等手段对所制备复合材料涂层的显微组织进行了分析。结果表明, 该复合材料涂层由初生的短棒状或树枝状TiC和次生的块状Al4C3碳化物增强相以及细小、弥散、球状分布的CaF2固体润滑颗粒均匀分布在塑韧性良好的NiCrAlTi (γ) 固溶体基体中, 其平均显微硬度约为HV 650, 是基体TiAl 合金的2倍。

为能够充分利用细胞光散射的全息信息, 以更好地对生物细胞类别进行解构, 根据血液细胞的光穿透特性, 建立了血液细胞中红细胞(RBC)、白细胞(WBC)中粒细胞和非粒细胞的典型细胞光散射模型。借助于数字相位显微(DPM)技术的基本方法和实验条件参数, 应用VirtualLabTM光学虚拟仿真实验系统, 获得了血液细胞在光散射下的虚拟仿真相位分布和光强分布。针对所获得的相位和光强分布图谱进行了分布特征分析, 发现了相位分布直接与细胞形态结构密切相关。该点可作为细胞类别分检的一个新的重要依据, 该方法相对于3D重建方法来说计算量少、无需很多的边界条件。这种由细胞相位分布解构细胞形态的检测方法可为提升细胞检测技术和发展检测方法的研究提供一种新突破方向。