将广泛应用于雷达系统的合成孔径技术引入超声内窥成像系统, 提出一种基于单换能器探头的超声内窥镜合成孔径成像方法。利用单换能器探头的旋转效应, 在旋转的不同时刻与位置发射并接收超声回波, 等效合成较大的超声发射孔径, 以增强超声图像的信噪比与分辨率。分析了单探头合成孔径技术的原理与合成方法, 并在此基础上根据超声回波的编码与线性调频特性, 完成纵向与横向的脉冲压缩。最后采用中心频率为8 MHz的换能器对猪皮样本进行探测, 可分辨出尺寸为0.8 mm×2 mm的目标, 系统的信噪比提升了9.38 dB。

早期龋齿是由牙齿内部脱矿造成的, 脱矿区导致后向散射系数增加。提出一种通过光学相干层析(OCT)检测早期龋齿的方法, 通过研制的全光纤OCT系统对人离体牙齿进行成像, 获得了正常人离体牙齿的二维断层图像, 并采用酸蚀法对人正常离体牙齿分别进行了12, 24, 48, 72, 96和120 h人工体外龋齿建模, 使用全光纤OCT系统对人工龋齿脱矿程度进行定量测量, 测量结果满足人工致龋深度与人工致龋时间之间的线性关系, 验证了通过采用OCT方法定量测量牙齿脱矿程度来检测早期龋齿的可行性。

超分辨成像已成为活细胞结构和功能成像的关键工具, 荧光分子定位是超分辨成像过程中不可缺少的步骤。从超分辨成像角度研究各种荧光分子定位算法性能具有重要的意义。选择5种典型的荧光分子定位算法: 质心法、广义质心法、高斯拟合、解线性方程组和极大似然法, 以定位精度和定位时间来评价所选择算法的性能。结果表明, 1) 高斯拟合、极大似然法和广义质心法能高精度对荧光分子定位, 不受荧光分子所在子区域提取的影响; 2) 质心法和解线性方程组法能应用于图像在线分析, 但定位精度较低, 受子区域提取影响较大; 3) 当两个荧光分子位于一个衍射斑时, 采用这5种算法的定位精度都会急剧下降。

以激光进行的高温疗法称激光加热疗法, 已成为肿瘤热疗的一种新的有效手段。主要使用近红外激光, 采用直接照射或插入光纤的方法进行治疗。但应用时由于近红外波段激光对组织的穿透有限, 热效应被局限在一个小的体积内, 不同肿瘤组织光穿透情况又有很大差异, 治疗的范围难以把握。另外, 热疗时, 难以区分肿瘤体和正常组织的边界, 照射不当容易造成周围正常组织的伤害, 因此实时地监测导向近红外光成为激光热疗的关键。研究表明运用上转换纳米探针[Yb/Er (NaYF4Yb,Er)]靶向定位到肿瘤, 在980 nm近红外光的激发下可实现激光加热的同时进行上转换荧光的监测, 从而确定照射的范围、分布、剂量以及肿瘤边界, 最终达到导向热疗实现精确治疗肿瘤的目的。

光谱光学相干层析(OCT)系统中, 成像的横向分辨率和焦深之间的矛盾制约了其进一步应用。干涉合成孔径显微技术(ISAM)是一种图像三维重建算法, 通过对光谱数据进行重新采样和计算达到不同深度位置处横向分辨率恒定的目的。通过分析ISAM重构过程和误差原理, 建立多散射点的重构模型, 并对比分析了光谱OCT和ISAM重构后的图像结果。为了缩短ISAM的重构时间, 提出近似波数域方法来实现ISAM, 搭建了光谱OCT成像实验系统。实验结果表明, 该方法极大地节省了重构时间, 将一幅320 pixel×265 pixel图像的重构时间缩短至50 s, 为光谱OCT图像的三维实时重构提供了理论基础。

为了研究CdSe/CdS/ZnS荧光量子点的生殖毒性, 通过建立雌性昆明小鼠卵母细胞体外培养成熟体系, 将量子点加入到卵母细胞培养液, 使其浓度为28.90 nmol/L, 于37 ℃,体积分数为5%的CO2和饱和湿度下分别培养4, 8和20 h, 观察卵母细胞形态并在相差荧光显微镜下拍照统计。实验结果表明, 在该剂量量子点作用下, 随培养时间延长, 进入颗粒细胞的量子点增加, 并累积于细胞膜附近, 但未发现量子点进入卵母细胞内部, 激光共聚焦荧光显微镜的高分辨率层析图证明了该结论。在该剂量量子点作用20 h后, 量子点虽未进入卵母细胞, 但卵母细胞的成熟率显著下降。

合成了两种近红外有机荧光探针, 即叶酸-PEG-ICG-Der-01和LDL-ICG-Der-02, 它们分别以肿瘤表面高度表达的叶酸受体以及低密度脂蛋白(LDL)受体为靶点。探针复合物中的叶酸和低密度脂蛋白部分为探针分子提供靶向“导向”, 通过化学共价键分别与有机近红外染料ICG-Der-01和ICG-Der-02偶联, 近红外染料则为探针分子的荧光信号输出端。利用紫外分光光度计、近红外荧光光谱仪及近红外荧光成像系统分析这两种荧光探针的光学性质, 以及它们在叶酸受体及LDL受体过度表达的肿瘤鼠体内的成像过程。结果显示, 所合成的叶酸-PEG-ICG-Der-01和LDL-ICG-Der-02探针的荧光强度及光稳定性都高于对应的染料单体。而体内成像结果则表明两种探针都保持了叶酸和LDL的生物活性, 能有效地靶向到相关肿瘤部位, 成像清晰, 并且能最终代谢排出体外。比较这两种探针, 叶酸-PEG-ICG-Der-01对肿瘤细胞的靶向性要优于LDL-ICG-Der-02, 并能用于肿瘤早期诊断。

提出了基于二维圆域解析模型的时域扩散荧光层析图像重建算法。采用了外推边界条件下二维圆域结构的扩散方程解析解, 利用基于耦合扩散方程拉氏变换的广义脉冲谱技术和基于玻恩比的归一化逆问题模型, 实现圆柱层析模式下的图像重建。为了解决线性求逆过程中的病态问题, 采用了代数重建技术进行相应的线性求逆。并通过引入一对实数拉氏变换因子, 实现荧光产率和寿命的同时重建。利用多通道的时间相关单光子计数系统对实验仿体进行了圆柱层析式时间分辨的数据测量, 实验结果表明, 提出的重建算法对于目标体的位置和形状都进行了较准确的重建, 从而验证了该重建算法的可靠性及可行性。

研究和讨论了分布式光纤传感器系统的测温方法和原理, 介绍了国内外的研究概况、存在的问题和当前的研究趋势, 探索了新一代光纤非线性效应的光纤传感机理。提出了光纤非线性散射效应的融合原理, 研究和设计了一系列基于光纤拉曼与布里渊散射的分布式光纤传感器, 采用光纤色散与损耗光谱的自校正方法提高了系统的可靠性、空间分辨率和测温精度; 采用脉冲编码调制光源, 提高了系统的信噪比和测温精度。

报道了一台高单脉冲能量的光参量振荡(OPO)2 μm固体激光器。采用电光调Q, Nd:YAG激光器输出的1064 nm激光, 抽运腔内两块光轴方向相向放置的KTP晶体, 通过双谐振光参量振荡(DROPO)技术获得2 μm激光输出。OPO谐振腔由2 μm反射镜、两块走离补偿的KTP晶体和2 μm输出镜组成。KTP晶体尺寸为8 mm×8 mm×15 mm, 切割角θ=53°, φ=0°。OPO采用Ⅱ类相位匹配(o→o+e)。当激光二极管单脉冲能量为1.02 J, 电光Q开关频率为30 Hz时, 获得了单脉冲能量107 mJ的简并波长2.1 μm激光输出, 808 nm激光二极管到2.1 μm光光转换效率为10.5 %, 光束质量因子分别为M2x=2.38, M2y=1.56。

利用激光二极管(LD)阵列端面抽运Nd:YVO4板条晶体, 结合稳定非稳混合腔, 实现了高功率、高效率、高光束质量的1064 nm和1342 nm激光输出。板条Nd:YVO4晶体掺杂原子数分数为0.3%, 尺寸12 mm×10 mm×1 mm, a轴切割, c轴平行于12 mm方向。采用稳定正支共焦非稳腔, 在抽运功率为265 W时, 得到了123 W的1064 nm连续激光输出, 光光转换效率和斜效率分别为46.4%和52.4%; 在输出功率约为100 W时测得稳腔和非稳腔两个方向的M2因子均为1.3, 输出功率不稳定性小于1%。采用稳定负支共焦非稳腔, 在抽运功率为139.5 W时, 得到35.4 W的1342 nm激光输出, 光光转换效率为25.4%, 在稳腔方向光束质量为M2=1.23; 在非稳腔方向光束质量为M2=1.14。

针对高功率全固态激光器抽运源的需求, 开展了808 nm连续1500 W阵列激光器封装技术研究。理论上从封装应力、封装热阻和光束整形等三方面分析了大功率激光器封装的要求。解释了封装应力来源、表现和缓解途径; 模拟了微通道热沉结构的封装散热效果云图; 指出了光束整形的必要性以及与封装残余应力的关系。技术上通过研制铟/金复合焊料体系, 配合控制烧焊曲线和烧焊过程, 得到了良好的烧焊效果; 结合设计使用高精度光束整形装配夹具, 实现阵列平均“smile”值2 μm, 发散角6 mrad的实验效果。

提出了一种六边形板条激光介质设计方法, 由于激光在介质内部沿“之”字形光路传输, 与COFFIN板条相比, 同等抽运功率水平下六边形板条中热致波前畸变的幅值更低, 并且更加容易补偿。此外, 当激光沿板条长度方向入射时, 激光在入射端面上的入射角即为布儒斯特角, 且激光可以完全覆盖整个入射端面, 在板条内部填充因子为1。

在所有激光二极管(LD)侧面抽运的固体激光器的输出功率曲线中都存在一个平缓区域。通过对径向和切向热透镜焦距的理论计算, 发现平缓区域出现在径向稳区边缘, 在平缓区之后输出功率将继续升高, 并在切向稳区边缘达到最大值, 此时M2理论值最小。得出平缓区是由径向、切向稳区的共同作用导致的, 并且在切向稳区边缘可以实现高亮度激光器的结论。基于以上理论分析, 设计了一个具有简单平-平腔结构、LD侧面抽运的Nd:YAG高亮度激光器。实验中采用短腔型, 并使其工作在稳功率点, 当腔长为200 mm, 入射的抽运光功率为220 W时, 获得了输出功率为50 W, M2理论值为2的高亮度1064 nm连续激光输出。

为了获得大频差双频激光输出, 设计了一种由偏振分光棱镜和半波片组成的新型双折射滤光片作为激光纵模选择元件。将这种新型双折射滤光片置于激光二极管(LD)抽运Nd:YAG激光器的谐振腔内, 实现了单纵模激光振荡。绕激光腔轴旋转半波片以改变波片快轴与偏振分光棱镜偏振面之间的夹角, 发现单纵模激光输出功率发生周期性变化, 变化周期约为π/2。设计并实验研究了一种LD抽运双腔大频差双频Nd:YAG激光器, 其两个驻波谐振腔(即直线腔和直角腔)共用相同的激光介质和纵模选择元件, 1064 nm激光p分量和s分量分别在直线腔和直角腔内同时以单纵模振荡, 改变每一谐振腔的长度可以调谐腔内单纵模激光的谐振频率, 从而实现双频激光频差调谐。实验观察到1064 nm正交线偏振双频激光的频差在27～113.4 GHz范围内可调谐。

介绍了激光二极管(LD)侧面抽运Nd:YAG晶体腔外四倍频获得平均功率为1.85 W的266 nm全固态紫外激光器。采用双棒串接结构, 对热致双折射作用引起的退偏效应进行补偿, 获得高光束质量、高稳定性的线偏振1064 nm基频光输出。分别采用Ⅰ类非临界相位匹配的三硼酸锂(LBO), Ⅰ类相位匹配的β相偏硼酸钡(BBO)作为腔外倍频和四倍频晶体, 获得了平均功率1.85 W, 脉冲重复频率10 kHz和转换效率达13.3%的紫外激光输出。同时研究了BBO晶体自热效应对四倍频相位匹配角的影响, 提出了可以通过调整BBO晶体的角度来减小自热效应的影响。

利用国产直径10 mm, 厚度200 μm, 掺杂原子数分数为10% 的Yb:YAG薄片建立了16通抽运耦合系统。通过设计的微通道冷却器冷却薄片, 获得了较好的冷却效果。在此基础上设计了Z型腔结构, 采用LBO内腔倍频, 使用声光调Q, 重复频率为5 kHz, 在抽运功率为81.5 W时获得了平均功率10.2 W的515 nm基模绿光输出, 光束质量M2x=1.3, M2y=1.6, 脉冲宽度为150 ns, 光光转换(938～515 nm)效率为12.5%。

理论分析了工作温度对大功率激光二极管的工作波长、电光效率和器件寿命等的影响, 采用波长补偿、高特征温度无铝材料设计外延和一体化烧焊等技术, 设计制作了808 nm准连续波(QCW)高温激光器阵列。在热沉温度70 ℃的工作条件下, 80 A单条输出功率大于65 W, 20 ℃～70 ℃范围内特征温度T0达到145 K。10叠层阵列电光效率达到53%, 工作寿命大于109次脉冲。

报道了半导体激光器抽运的连续锁模镱钠共掺氟化钙(Yb,NaCaF2)激光器中, 利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)启动被动锁模, SF10棱镜对进行腔内色散补偿, 在吸收抽运功率为9 W的条件下, 采用1%的耦合输出镜, 获得了脉冲宽度为406 fs, 输出功率为80 mW, 中心波长在1043 nm附近, 重复频率为94.8 MHz的连续脉冲序列。

为研制高功率的板条功率放大模块, 对Nd:YAG板条激光器的增益介质的热结构进行了研究。采用有限元方法仿真了高功率激光二极管阵列端面抽运Nd:YAG板条介质的温度、应力分布, 数值模型考虑了抽运光在介质内的不均匀分布。结果表明,板条介质掺杂和未掺杂结合部位温度和应力最高, 是整个板条介质的薄弱环节, 应优化设计避免板条破裂。以此为参考设计高功率放大模块, 而后搭建激光放大链路, 种子光功率2.5 W, 通过一级预放模块四程放大后, 再经过四级功放模块双程放大, 实现了11 kW激光输出。实验中测量了高功率抽运条件下增益介质的温度分布,与数值仿真结果基本符合。

采用光纤耦合输出激光二极管单端端面抽运Nd:YAG晶体, 考虑到晶体的热透镜效应, 优化设计了四镜折叠环形腔, 使抽运光斑的大小和振荡光斑的大小符合模式匹配的要求; 在腔内插入偏振片、法拉第旋光器和半波片从而实现激光的单向运转以抑制空间烧孔效应; 同时利用偏振片补偿了一定的像散; 并在腔内加入标准具, 压缩单频激光的线宽, 最终实现连续单频1064 nm激光输出。在7 W抽运功率时, 输出了2 W的单频激光, 斜率效率为37%, 单频激光的线宽为50 MHz, M2因子约为1.2。

基于离焦光栅的波前传感器具有全光学测量、光路简单、使用方便和受机械振动影响小等优点, 在波前传感领域有着巨大的应用潜力。然而传统基于离焦光栅的波前复原算法仅适用于点目标的场合, 对扩展目标的波前无能为力。为了扩展该技术的应用领域, 提出一种基于离焦光栅的最小二乘波前复原算法, 该算法不仅适用于点目标的波前复原, 而且适用于扩展目标的波前复原与目标像的重建。给出了波前复原过程的数值仿真, 在理想情况下, 复原结果的均方根误差为0.18%。另外分析了影响复原精度的主要因素, 并与传统算法进行对比分析。结果表明, 新算法能够准确地对点目标和扩展目标进行波前复原。

报道了利用半导体激光器(LD)端面抽运的钒酸钇(Nd:YVO4)激光器作为抽运源, 多周期周期极化铌酸锂(PPLN)为非线性晶体的连续波内腔光学参量振荡器(OPO)及基于此的连续波可调谐橙红光光源。为实现OPO的连续波运转, 采用了内腔抽运方式, 并对谐振腔进行了合理设计。实验得到调谐范围1406～1513 nm的信号光及3.66～4.1 μm的中红外闲频光连续波输出, 在10.9 W的LD功率下, 最大输出功率分别为输出波长1500 nm处的820 mW和3.86 μm处的195 mW, 相对LD功率的转换效率分别为7.5%和1.8%。利用BaB2O4(BBO)晶体对OPO的1064 nm抽运光和1.4～1.5 μm信号光进行内腔和频, 获得了调谐范围606～624 nm的橙红波段连续波输出, 最大输出功率为624 nm处的120 mW, 转换效率为1.1%。

报道了采用RTP晶体作为电光晶体、激光二极管(LD)端面抽运Nd:GdVO4晶体的锁模皮秒脉冲再生放大器。利用ABCD矩阵优化激光腔几何参数, 实现最佳皮秒种子模式与再生模式匹配。在抽运功率7.5 W时, 获得了脉宽为12 ps, 峰值功率为2.08×106 W, 重复频率为100 kHz的锁模皮秒激光。光光转换效率达33.3%, 能量增益4.8×103 倍。TEM00模输出, 光束质量因子 M2≤1.2, 长期稳定性均方根值小于3%。

利用时域有限差分(FDTD)程序计算了二维砷化镓石墨点阵柱状光子晶体的能带。结果表明, 这种二维石墨点阵柱状光子晶体在0.53～0.58的归一化频率区间有一个完全光子带隙。基于此, 构造了一种二维砷化镓石墨点阵柱状光子晶体应力传感器的模型, 利用FDTD方法, 计算了传感器共振腔TEy模的共振峰波长沿x轴方向和y轴方向应力变化的情况, 以及共振峰波长随应力环境变化的情况。计算结果表明, 传感器共振峰波长随应力环境变化具有很好的线性特性, 其应力响应灵敏度为0.0111 nm/MPa; 这种石墨点阵柱状光子晶体传感器沿x轴方向和y轴方向的应力响应灵敏度相同。

以平行向列相液晶作为缺陷层设计了一种可调谐光子晶体滤波器。采用4×4矩阵方法, 对其光学特性和本征偏振态进行了理论分析。结果表明, 电压较低时, 存在两种本征透射模式, 具有偏振敏感性, 通过轴向旋转光子晶体滤波器, 可以选择偏振光透射模式; 随电压升高, 两透射模式对应的波长趋于一致, 发生模式混合, 偏振敏感性消失。光子晶体带隙位置和宽度随电压变化不明显, 滤波器可调谐范围可达87 nm。透射峰的位置和个数对缺陷层的厚度较为敏感。

提出了以NCl3分解燃烧产生Cl原子随后与含碘化合物发生作用获得碘原子的技术方法。建立了NCl3/I2燃烧体系的化学反应动力学模型, 利用开发的Matlab程序进行了一维数值模拟计算。计算结果表明, I2与NCl3的流量配比对碘原子粒子数密度和产率的影响较大, 且存在一个最佳范围, 该最佳范围随着总压力的增大而逐渐变小。最优化的碘原子产率随着压力的增大一直在减小, 说明较高的压力会损害碘原子的产生效率, 因而该方法比较适合直接加入到主气流中进行反应以产生碘原子。当初始压力P0=666.61 Pa时I2与NCl3的初始配比的最佳值为0.62, 此时碘原子相对于NCl3的产率为117%, 相对于I2的产率为189%。计算结果说明基于NCl3/I2体系发生碘原子是一种比较有效的产生碘原子的途径。

寄生反射是影响高功率激光近场质量的重要因素之一。以Bespalov-Talanov理论为基础, 重点分析了高功率系统中楔形光学元件的寄生反射引起的小尺度自聚焦效应, 综合考虑了各个参数对纹波增长的影响。将反射光束与主光束的干涉叠加场进行了仔细分析, 得出了干涉场在非线性增益介质中小尺度调制增益谱的表达式。针对小信号增益情形, 数值计算了在钕玻璃片状放大器中, 介质增益及传输距离改变的情况下小尺度调制的最大增益与放大器窗口楔角的变化规律。具体分析了放大器窗口的楔角与厚度对增益增长率的影响以及不同脉冲宽度的脉冲通过相同的窗口时, 增益系数随脉冲宽度的变化关系。

基于广义惠更斯菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩方法, 推导出部分相干双曲余弦高斯(ChG)光束在湍流大气中的束宽、远场发散角和M2因子的解析表达式。研究结果表明, 部分相干ChG光束在湍流大气中传输时, 均方根角宽度、M2因子和相对M2因子随着传输距离的增大而增大, 且与束腰宽度、波长、离心参数、相干参数及湍流强度等有关; 均方根角宽度随着光束离心参数的增大存在极小值。当传输距离较远时, 随着离心参数的增大, M2因子存在极小值; 离心参数较大的光束受湍流的影响较小。

基于多光束干涉原理, 从高斯光束在自由空间的传输方程出发, 推导了高斯光束斜入射角度调谐窄带滤光片的反射光强以及透射光强的表达式。在此基础上研究了滤光片入射角对高斯光束反射特性的影响和关系。理论数值计算和实验结果都表明, 随着入射角度的增大, 滤光片透射光强的光斑会出现明显的展宽现象, 而其反射光强的光斑虽会在较大角度斜入射时出现一定的展宽, 但是展宽幅度远小于透射光斑的变化。故角度调谐窄带滤光片的反射端口在其调制范围内不需要跟透射端口一样进行光斑整形处理。

自由信道的大气透射率对自由空间光通信系统的设计和应用具有重要的价值, 经典的大气透射率测量方法的精度水平已不能满足实际需求。结合实际应用中激光器光束能量的高斯分布特性和存在于大气信道中的湍流影响特性, 对经典的大气透射率测量方法进行了改进, 提出了大气透射率精确测量的实验方案。对上海和青海的多条自由空间信道的大气透射率采用经典方法与新提出方法分别进行了测量, 得到的结果之间存在差异。发现青海的大气透射率很高, 但是大气湍流相对严重, 而上海的大气情况正好相反。分析和实验数据还表明经过长距离湍流信道后光斑扩展严重。

建立了当两输入光偏振方向不平行时半导体光放大器(SOA)中近简并四波混频(FWM)效应的宽带理论模型; 以基于SOA的近简并FWM型波长转换器为例, 通过数值模拟, 对两输入光偏振方向不平行时, 输入信号光、输入抽运光、两输入光之间的波长失谐量和偏振夹角对近简并FWM效应及波长转换特性的影响进行了理论研究。结果表明,对于输入信号光和抽运光来说存在着最佳功率值; 增大输入信号光波长失谐量, 转换效率随之下降; 随着两输入光偏振夹角的增大, 转换特性变差, 同时输出光的偏振角随两输入光偏振夹角的增大而增大。

提出一种新的光反转归零码-差分正交相移键控(IRZ-DQPSK)调制方案, 该方案所产生的IRZ信号相位连续, 易于与相位调制信号相结合, 占空比和消光比均可调。并仿真分析了单信道40 Gb/s长距离传输时, 自相位调制(SPM)对幅移键控-差分正交相移键控(ASK-DQPSK)与IRZ-DQPSK两种信号的影响。结果表明, 40 Gb/s长距离传输时, IRZ-DQPSK具有更好的抗SPM性能。

高浓度的掺铒光纤在光传输以及光纤相关器件中都发挥着重要的作用。结合改进化学气相沉淀法(MCVD)的特点, 采用“在线”溶液掺杂法制备预制棒, 并对采用改进的石墨炉加热的MCVD法制备铋镓铝共掺的掺铒石英基光纤预制棒的工艺进行了讨论。特别探讨了疏松层沉积温度的重要性以及铋元素的作用机理, 并给出了最佳沉积温度为1560 ℃～1600 ℃。利用仪器对制得的光纤进行了测试, 给出了光纤的吸收谱、光纤预制棒芯子的扫描电子显微镜(SEM)图像以及用电子探针显微分析仪(EPMA)测得的光纤中各物质的含量, 其中在1530 nm处得到的最高吸收系数为近60 dB/m, 并利用光纤吸收谱估算得出铒离子浓度约为3.84×1025 m-3。

多个光波导微环谐振器的组合可扩展自由光谱范围和改善滤波特性。推导了串联双微环谐振器中两个微环与直波导的耦合系数不限定为相同时的理想耦合条件, 针对无损耗情况时光从与小环耦合的直波导入射的情形, 计算了理想耦合条件下主谐振峰带宽、形状因子以及伪模的峰值透射率随耦合系数变化的情况, 显示了耦合系数对滤波特性影响的规律。计算分析表明, 当两个微环与直波导的耦合系数不相等时, 可以取得较为均衡的良好滤波特性, 同时有更多的设计灵活性。

建立了一种基于闪耀光纤光栅(BFBG)透射特性的分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器的解调系统。由两个中心波长相近、光栅长度不同的FBG并联组成一个传感探头(FBG1用于参考, FBG2用于传感), 以消除温度对应变测量的影响。将BFBG 两端与加有10 Hz锯齿扫描电压的压电陶瓷(PZT)相固定, 使BFBG的主模和边模发生周期性的同向偏移, 对传感探头的光谱信号进行解调。从BFBG出来的透射光经光电管将光强变化转化为电信号, 用计算机对待测应变量进行实时分析显示。实验表明, 用BFBG进行光谱解调是可行的(微应变测量的分辨率为5 με), 并且成功地解决了温度和应变交叉敏感的问题, 所建立的实验系统稳定可靠, 成本低。

设计了具有双峰滤波特性的相移光栅及取样光栅, 利用传输矩阵方法对其滤波特性进行了研究。结果表明, 多π相移光栅及π相移取样光栅均可获得双峰滤波特性, 并且π相移取样光栅比多π相移光栅具有更好的双峰滤波特性, 其反射频谱的旁峰幅度比多π相移光栅低得多。调整π相移取样光栅的占空比(取样长度与取样周期的比值)位于0.66～0.8范围内时, 得到了更好的双峰滤波特性, 特别是占空比为0.75时其旁峰反射率整体上处于最低值。

研究了一种利用图形处理单元(GPU)加速数字全息图再现的算法。该算法充分利用GPU强大的并行计算能力, 有效地缩短了数字全息图再现时间。比较了GPU加速运算和中央处理器(CPU)独立运算两种模式下, 两种不同尺寸的数字全息图再现时间。结果表明, 对于大小为2048 pixel×2048 pixel的数字全息图, GPU算法的再现时间可缩短至约1/15。利用该算法编写了易操作的通用软件。在高配置主机和高性能GPU硬件环境下, 该软件不仅能够满足诸如数字全息显示、数字全息显微等系统实时功能的要求, 还能够指导数字全息实验系统的快速搭建。

构建了无透镜傅里叶变换数字全息实验系统, 实现了对一组生物样品特别是活体细胞的高保真度定量相衬成像。系统的简单性在于其数值再现过程只需直接对全息图进行一次快速傅里叶变换, 而对由此引入到相位像中的畸变, 则采用两步相减法予以校正。成像物体首先选用家蚊口器和洋葱表皮细胞的生物教学样片, 进而使用无标记的活体宫颈癌细胞。实验中, 不仅观察到了静态生物样品清晰的形态, 而且观察到活体细胞形态的动态变化, 充分表明了数字全息显微术应用于生物样品相衬成像的有效性。

基于地形后向散射和谐波探测原理, 设计并建立了一套天然气管道泄漏激光遥感探测系统, 并基于此平台实现了探测距离在120 m, 对体积分数为0.308％的模拟天然气泄漏源进行远距离遥感探测, 并对空气中痕量甲烷气体进行了测量, 系统的最小探测灵敏度约为29.57 ×10-6m; 同时研究了不同散射体的反射效率ρtot对实验的影响,提出并实验验证了新的积分浓度标定方法的可行性, 其实验结果能够满足实际探测需要。

提出了一种结合颜色、格雷码和正弦光栅的编码新方法, 用于测量空间分离物体的三维面形。该彩色格雷码正弦条纹图案表现为用颜色信息编码的正弦条纹图案, 利用此条纹图案来记录物体的三维面形数据。首先投射一幅彩色格雷码正弦条纹来调制被测物体的三维信息, 摄像机拍得物体表面的变形条纹图, 然后应用傅里叶变换方法获取截断相位, 根据编码特征进行解码来指导截断相位的展开, 获得展开相位, 进而恢复出物体的三维面形。该方法编码稳定, 解码方法可靠, 只需要拍摄一幅图, 就可以较好地重建空间分离物体的三维面形。空间分离物体的实验结果以及与基于调制度排序的截断相位二维空间展开结果的对比, 均证明了该方法的正确性和可行性。

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响, 根据优化后的工艺参数, 采用钕玻璃脉冲激光, 对轧制态AZ31B镁合金薄板试样表面进行冲击强化实验。实验结果表明, 晶粒得到明显细化, 晶粒大小由20 μm左右细化到10 μm左右, 试样表面激光诱导的残余压应力高达-126 MPa。室温下通过三点加载的方法, 对激光冲击、局部区域激光冲击以及未激光冲击的试样在去离子水中进行了应力腐蚀试验, 对其断口进行了宏观和微观分析, 表明激光冲击能够抑制应力腐蚀裂纹的产生和扩展。

通过脉冲激光重熔Zr55All 0Ni5Cu30非晶合金和Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金, 分析了具有不同玻璃形成能力的非晶合金热影响区晶化行为的差异。结果表明, 玻璃形成能力稍差的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金比玻璃形成能力强的Zr55All 0Ni5Cu30非晶合金热影响区晶化严重。激光重熔Zr55Al10Ni5Cu30非晶合金4次后, 热影响区仅有稀疏的球状晶粒析出; 而激光重熔Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金1次时, 热影响区布满球状晶粒, 激光重熔4次后, 晶化晶粒长大明显, 且在球状晶粒的内部呈现树枝状放射生长形态。激光重熔热影响区非晶合金的晶化行为与该合金的玻璃形成能力密切相关。玻璃形成能力越高, 越有利于保持热影响区的非晶状态。

采用双目摄像机结合结构光组成主动视觉测量系统, 并与机器人耦合, 构建了一种具有视觉功能的智能激光加工机器人, 能够感知各种复杂曲面轮廓, 重建三维形貌。系统由六自由度机器人、双目摄像机和结构光发射器组成。机器人带动双目摄像机和结构光发射器运动, 既实现多视角测量, 消除测量中的“死角”, 重建工件的完整三维形貌, 又将测量到的点云数据转换到机器人坐标系。阐述了测量原理和数学模型, 进行了单摄像机内外参数的标定, 双目摄像机相对关系的标定, 双目摄像机与机器人之间的手眼关系标定, 得到摄像机内参数矩阵, 手眼关系矩阵, 机器人与世界坐标系关系矩阵。对双目图像进行大步距图像分割, 提取目标区域, 平滑降低图像噪声, 重心法提取亚像素级结构光条纹中心, 根据极线约束进行左右条纹配准, 三维算法得到空间点坐标, 可方便地转换到世界坐标系, 实现全局坐标的统一。