新型光束偏转技术能够实现激光光束方向的实时可编程控制。利用基于液晶的光束偏转技术可建立无机械、低功耗、小型和轻量光束敏捷精确控制系统。综述了光束偏转技术国内外发展现状,阐述了基于液晶的光束偏转系统的原理和关键技术,以自行研制的液晶光学相控阵(LCOPA)为例说明了器件的设计与优化方法,分析了影响器件衍射效率的因素及改进措施,对提高液晶光学相控阵时间响应等性能的途径加以总结,并对基于液晶的光束偏转技术的发展方向作了展望。

研究了SrWO4晶体在外置谐振腔条件下对于皮秒激发脉冲的受激拉曼散射特性。采用提拉法生长了高光学质量的SrWO4晶体,尺寸为22 mm×40 mm,质量为72.3 g。利用分光光度计测量了SrWO4 晶体的室温透过光谱,其透过短波限为260 nm,长波限大于3200 nm,因此可在较宽波长范围内实现拉曼激光频移。当激发源为脉宽40 ps的Nd:YAG锁模激光时,多波长拉曼输出的总转换效率达到73%,最大输出能量2.58 mJ;1180 nm一级斯托克斯拉曼输出的最高转换效率为38%,最大输出能量1.04 mJ;1324 nm二级斯托克斯拉曼输出的最高转换效率为19.3%,最大输出能量0.39 mJ。实验表明,SrWO4晶体具有易生长、透光波段宽、增益系数大、转换效率高等优点,是一种有实际应用前景的固体拉曼介质。

以解析热分析理论为基础,建立了平板Nd:GdVO4晶体在激光二极管阵列双侧抽运时的导热微分方程。通过方程求解,得到平板Nd:GdVO4晶体内部温度场分布的解析式和热形变分布。温度场和热形变场的数值模拟表明,当抽运光平均功率为10 W,抽运区域为1 mm×1 mm时,4组激光二极管阵列光源在3处不同位置的一维温度场、二维温度场分布和热形变量有很大差异;3处抽运光源位置所产生的温度分布和热形变量对比,得到了抽运光源在位置 1,2 处所产生的温升和热形变量相对较小,位置3处最大。

采用基于一体化结构的环形倍频腔,比较了Hansch-Couillaud,Pound-Drever-Hall和内调制3种锁定方法,研究了不同倍频晶体长度和晶体内光束直径分布对倍频过程稳定性的影响。实验结果表明,一体化腔结构有效提高了抗干扰能力和稳定性;使用3种倍频腔锁定方法达到的倍频输出功率的稳定度为3%(其中基频光功率漂移为2%)。实验发现,由于晶体对倍频光的吸收,过长的晶体长度、过小的晶体内光束直径和不合适的光腰位置,可明显影响倍频光的最大倍频功率和稳定性。实验得到的最大461 nm蓝光倍频输出功率310 mW,倍频效率54.8%,净倍频效率71.3%。实验还比较了不同反射率输入耦合镜的耦合率。

以激光二极管端面抽运Nd:YAG激光器为例,采用有限元法数值计算了不同散热条件下晶体的温度分布;比较了两种散热方法(铜热沉加半导体制冷(TEC)器散热法和晶体侧面水流散热法)对晶体温度分布的影响,并提出晶体热透镜球差效应。根据温度分布的结果,采用光线追迹理论,定量比较两种散热方式对晶体不同径向位置热透镜焦距的影响。结果表明,采用铜热沉加半导体制冷器散热法时,晶体不同径向位置热透镜焦距较短,焦距差较小,球差效应较弱;采用晶体侧面水流散热法时,不同径向位置热透镜焦距较长,不同径向位置焦距差也较大,球差效应明显。最后模拟了两种散热方式下,晶体散热不对称时热透镜畸变的结果。

利用声光调Q Nd:YVO4激光器输出的1064 nm激光抽运周期极化掺氧化镁LiNbO3(PPMgLN)晶体,实现了角度调谐的双信号光运转准相位匹配(QPM)光参量输出。PPMgLN晶体长50 mm,具有周期相位反转结构,极化周期29.6 μm,相位反转周期6.808 mm,利用外加电场极化法制作,极化沿晶体的z向进行。在晶体外部旋转角度为0°-8°范围内,实现了双信号光波在1474.8-1479 nm和1489.5-1495.2 nm波段的快速调谐输出。对角度调谐准相位匹配进行了相应的理论分析,理论结果与实验值较为一致。

利用1 cm 长铒镱共掺高掺杂磷酸盐玻璃光纤制成直线型短腔光纤激光器,获得单频窄线宽、较大功率的激光输出。测量了输出功率随激光器热沉温度变化的特性;激光器热沉温度控制在11 ℃时,斜率效率可达24%;抽运功率为415 mW时,输出功率可达79 mW。光谱测试显示在1534 nm单纵模工作,边模抑制比(SMSR)大于50 dB。用零差法测得线宽为4.5 kHz。用低精细度法布里-珀罗(F-P)干涉方法,测量了磷酸盐玻璃光纤的折射率和热光系数分别为1.5195和-5.4×10-6 ℃-1,并测得激光器在高抽运功率下斜率效率降低,输出功率呈亚线性上升的特性。对这一现象及其温度关系进行了定性分析和讨论。

利用随机并行梯度下降(SPGD)算法实现16路光纤激光相位锁定。通过数字信号处理器(DSP)上执行随机并行梯度下降算法实现对各路激光相位的控制,系统闭环时的激光功率提高为开环时的近12倍。

准分子器件重复频率高于千赫兹时,闸流管作为传统的放电开关由于寿命瓶颈而不能满足长期稳定工作的要求。采用固体开关结合磁脉冲压缩技术的固态脉冲功率模块(SSPPM)来替代闸流管进行高压快速放电,激光器可在高重复频率下长寿命运行。设计了无闸流管的固体开关小能量准分子激光器,其核心技术是基于SSPPM的应用,并采用金属-陶瓷结构腔体和电晕预电离以延长气体工作寿命。电极放电电压10-14 kV,电压上升时间约150 ns,抽运功率密度3.9-7.6 MW/cm3。ArF运转时,获得最大单脉冲能量11 mJ激光输出,最高重复频率300 Hz。其输出指标可满足当前准分子眼科设备、光谱学研究等需要。

介绍了一种准分子激光脉冲能量稳定系统。它由能量检测、开关电源和控制器组成。其组成部分均良好屏蔽,组件之间由光纤传递信息,通过均值算法进行脉冲-脉冲的放电电压调节,在闸流管放电的强电磁干扰条件下实现了可靠的闭环控制。该系统实验于一重复频率5 Hz,采用火花预电离的KrF激光器。在气体状态好的情况下,将脉冲能量波动相对标准差由4.71％降低至3.01％;在气体状态较差、放电电压较低的情况下,将脉冲能量波动相对标准差由7.18％降低至3.62％,有效地提高了脉冲能量的稳定性。

针对微通道热沉封装的大功率无铝量子阱半导体激光阵列(LDA)建立三维有限元模型,模拟分析了热沉温度、工作电流以及占空比等工作条件对有源区温度的影响,并通过实验手段研究了不同工作条件下,大功率半导体激光阵列的输出特性的变化情况。结果表明,热沉温度越高、占空比越大时,器件达到稳态所需时间越长,有源区温度越高,中心波长红移越大;阈值电流越大,转换效率、斜率效率越低,输出功率越小。外推了半导体激光阵列在20 ℃热沉温度,20%高占空比,300 A高注入电流条件下工作的输出特性,得到输出功率超过300 W,转换效率达45%,且没有出现热饱和现象。

以金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延的p型GaN为阴极发射层材料,通过对激活过程中阴极光电流的在线监测,考察了Cs激活,Cs/O交替激活以及高低温两步激活对GaN阴极光电发射性能的影响。实验结果表明,单用Cs激活就可制备出量子效率约为20％的GaN光电阴极,Cs激活后再进行2-3个Cs/O循环激活可小幅度提高量子效率,高低温两步激活不能进一步提高量子效率。利用偶极层表面模型对实验现象进行了解释。

采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹(THz)时域频谱(TDS)系统,研究了同族的KTiOPO4(KTP)晶体与RbTiOPO4(RTP)晶体在0.5-2.0 THz波段的光学声子振荡特性。虽然这两种晶体具有相似的晶格结构特征,但它们的THz时域频谱却显示出很大的差别:一是RTP晶体对THz波的吸收比KTP晶体强得多;二是当晶体的z轴平行于THz波电场振动方向时,RTP晶体的光学声子共振吸收峰较KTP晶体的数量更多。利用多洛仑兹振子伪谐振介电模型对两种晶体的复介电常数进行拟合,得到了对应于晶格弱振动的各个光学声子的特征参数。结果表明,这些吸收峰都是晶体中沿z轴排列的K+(或Rb+)相对于PO4六面体和TiO6八面体晶格振动造成的光学外振动模。但是由于Rb的原子量大,对周边原子或基团的键力作用更强更复杂,因此形成的晶格振动模式也更加多样化。

分析了高增益本征砷化镓光导开关(PCSS)中的几个重要参量,研究了光导开关的物理机制,发展了以畴电子崩(DEA)为基础的流注理论。提出了畴电子崩的3个必要条件:初始载流子密度nLD≥3×1015 cm-3,耗尽层的空穴密度和积累层的电子密度至少其中之一能够超过畴电子崩的阈值ncs,非平衡载流子密度区域沿电场方向的特征长度ΔZ必须大于畴电子崩转变为局域流注时的生长畴宽度b。揭示了流注的光致电离效应产生的局域平均载流子密度的上限大约为1017 cm-3·ps-1,能够为后代生长畴提供的初始载流子密度为3×1015≤n(t＝0)＜1017 cm-3;流注的传播速度范围大约为2.97×108≤vpro≤6.21×109 cm/s。理论分析结果与实验观察一致。

利用光镊捕获单个微小粒子,在各个研究领域得到重要应用。光镊也能同时捕获两个或更多个粒子,明确地知道光阱中粒子的个数,是顺利进行研究的前提。根据光散射原理,提出通过测量阱域内微小粒子的背散光强度来区分光阱中的粒子个数,实验上成功地实现了对直径分别为1 μm,0.5 μm,0.2 μm,100 nm和73 nm的被捕获于光阱中的粒子个数的分辨。对背散光光强随着粒子直径变化所反映的信息进行了分析,讨论了光阱中多粒子的排列状态。通过背散光实时动态分辨光阱中的纳米粒子个数的实验方法,对将光镊扩展到纳米尺度的应用提供了技术支持。

采用半经典密度矩阵理论计算了单纵模(SLM)和多纵模(MLM)脉冲光抽运重水(D2O)分子亚毫米波(SMMW)激光三能级系统的抽运信号的吸收系数和亚毫米波激光信号的增益系数,利用迭代法数值计算了亚毫米波激光信号的频谱特性和输出光强,对频谱精细结构和激光过程的规律进行了深入的研究和比较。研究结果表明,在超辐射情况下,多纵模光抽运D2O与单纵模光抽运相比,前者的亚毫米波激光谱线较宽;在腔式的情况下,单纵模和多纵模光抽运D2O的亚毫米波激光谱线都进一步展宽,在频谱曲线上均呈现与多纵模结构对应的多个尖峰。

激光扫描器是激光雷达、激光检测和激光加工等系统的重要部件,现有激光扫描器难以实现低惯量高频率匀线速扫描。设计了一种基于新型压电驱动器的激光扫描器,该扫描器的机械扫描角度可达±0.35°,一阶谐振频率达1872 Hz。利用有限元分析软件对扫描器结构进行了设计。频率响应曲线显示扫描器具有较复杂的模态,测试了多个频率(100,400,700 Hz)下的三角波驱动扫描波形、频谱和扫描线照片,结果显示压电迟滞效应和扫描器机械谐振对扫描线性度的影响很大。设计了软件补偿迟滞效应和串联硬件陷波器抑制谐振相结合的开环控制方法,加控制器后的100 Hz和400 Hz三角波扫描非线性度分别从6%,27%减小到了2%,7%,实现了高速线性扫描。

利用置于神光Ⅲ原型(TIL)装置靶室波前测量系统,获得8束激光全光路静态像差,将测量结果分别过渡到各路主放参数诊断包内的波前传感器。基于主放注入位置的小口径变形镜和主放参数诊断包内的波前传感器,对全光路像差进行闭环校正,利用CCD相机对靶面焦斑进行测量。实验结果表明,全光路像差闭环校正后8束激光在靶面位置的焦斑能量集中度有明显改善,验证了小口径变形镜全光路像差的控制能力,满足了物理实验对靶面焦斑能量集中度的控制要求。

激光点火性能与边界条件具有密切关系,影响到激光点火的感度和点火延迟时间,对激光点火元件的设计具有关键作用。针对空气介质,K9玻璃透窗介质和在K9玻璃上真空磁控溅射镀制的Cu膜介质等3种边界条件,对B/KNO3和B/KNO3/酚醛树脂的1.06 μm脉冲激光点火性能进行了实验测试。结果表明,K9透窗对约束药剂表面烧蚀、气化产生的蒸气有显著作用,可以明显增加药剂点火感度并减少药剂点火延滞期;镀膜透窗增强了点火过程中药剂表面的等离子体,减少了点火延滞期,但却由于铜膜对激光的反射以及产生等离子体所消耗的能量,降低了点火感度。

研究自适应光学元件能动分块反射镜在激光相干合成中对光束平移相位差的校正性能。实验采用信号发生器产生正弦电压经过放大后在分块反射镜上产生平移扰动,通过高速CCD探测远场具有平移扰动的光斑,利用高速数字电路对CCD数据进行实时处理输出闭环反馈电压用于校正平移扰动。实验针对不同频率的扰动信号进行了闭环控制。结果表明,系统可以对频率为50 Hz以下并且振幅大于一个波长的平移相位差扰动进行有效的补偿,在50 Hz扰动下,系统合成效率可达75%。

单光子捕获技术是自由空间量子密钥分配的关键技术。单光子捕获概率是一个重要问题。基于厄米-高斯光束处于TEM20,TEM02,TEM30,TEM03及TEM11模式下的单光子捕获概率理论模型被建立,通过数值仿真给出厄米-高斯光束处于不同模式下单光子捕获概率的大小。以TEM10为例给出时间滤波的物理模型,将该模型与数值仿真结果相结合,分析在进行单光子捕获时需要被淘汰模式和最佳模式,并给出了TEM20模式下时间滤波的具体实现过程及其应用价值,从而达到对自由空间量子密钥分配系统的优化。

利用高能激光大气传输四维仿真程序,对高能激光在大气中传输时湍流热晕相互作用引起的光斑扩展进行了数值分析。得到了在不同湍流效应情况下,由热晕效应引起的焦平面上63.2%环围能量半径的光斑扩展规律以及不同光斑半径内的平均功率密度定标关系式。根据此定标关系,能够对高能激光在大气中传输的效果做出快速的预测和有效的评估。

演绎了新式步长设置的极坐标系傍轴有限差分光束传播法(FD-BPM)理论,提出一种变换极坐标系FD-BPM思想,使精度更高,计算和分析更简便。基于这些工作,对严格圆弧形二维波导的传输特性进行了综合分析,指出光波在具有相同物理特性、不同曲率半径的波导中传输时,其导模能量与输入能量的比值存在一个极限值,不同波长的光在相同物理结构的波导中传输时,短波比长波更易于形成稳定的导模且损耗小。对S形和C形弯曲的波导计算分析发现:切变损耗的存在使S形波导比相同参数的C形波导导光性能更差,但随着曲率半径的增大,这一差距逐渐缩小,同时指出了不同曲率半径的波导相互连接呈S形或C形时的一些传输规律。对透明边界条件(TBC)对于极坐标FD-BPM的适用性做了分析讨论,认为TBC在应用傍轴极坐标系FD-BPM分析严格圆弧形二维波导时是普遍适用的,不存在反射干扰。

以椭圆梯度折射率介质作为实现二维轴对称分数傅里叶变换(FRFT)的光学系统,利用分数傅里叶变换与维格纳(Wigner)分布函数旋转等效的性质,推导出了椭圆高斯光束在二维轴对称分数傅里叶变换面上束宽和光强分布的解析表达式,研究了光束光强和束宽随二维轴对称分数傅里叶变换阶数的变化规律,并对数值计算结果进行了分析和讨论。研究表明,光束在二维轴对称分数傅里叶变换出射面上光束光强和束宽分别随各自方向的变换阶数变化;在特定出射面上椭圆高斯光束变为圆高斯光束;若入射面光束束宽wx小于wy,在特定出射面上将出现wx大于wy。该方法可用于其他光束二维轴对称分数傅里叶变化性质的分析,同时也可直接推广到透镜系统,有望在光束传输、耦合等领域获得实际应用。

基于普通单模光纤(SMF)和空芯光子晶体光纤(PCF),设计了一种新型的超短光脉冲压缩系统。采用近似解光脉冲传输非线性薛定谔方程和数值模拟方法,研究了二阶色散和三阶色散在超短光脉冲压缩系统和传输系统中的频率啁啾补偿,模拟了自相位调制(SPM)效应对色散补偿的影响并分析了其作用机理。研究发现,在超短光脉冲压缩系统中,当SPM效应增大时,补偿超短光脉冲频率啁啾所需的二阶色散将经历一个非线性过程,补偿其频率啁啾所需的三阶色散将经历一个与之对应的相反过程。

对一种新型结构的阵列波导光栅(AWG)进行分析,该阵列波导光栅具有非弯曲的阵列波导,使用两个渐变的折射率平板波导(GISLAB)分别作为阵列波导光栅的输入与输出。该器件在制备粗波分复用器件(CWDM)时可有效减小器件尺寸。利用傅里叶光学和波动光学理论建立数学模型,设计了非对称结构的AWG,其背景噪声比对称结构的AWG降低了20 dB,并可提高频谱宽度。利用反射镜和阵列波导光栅的路由特性设计了反射式阵列波导光栅,进一步减小了器件的尺寸。

通过分析L级脉冲位置宽度调制(PPWM)技术的功率谱特性,发现PPWM信号的功率在一些特定频率上具有较大分量,不利于信号的传播。对PPWM技术做出改进,提出L级脉冲宽度位置调制(PWPM)技术,在削弱功率峰值和遣散功率谱的同时,具有和PPWM技术完全相同的功率利用率、误码率和频带利用率。

从理论和实验两方面比较了光纤无线通信(ROF)系统中分别传输开关键控(OOK)与正交频分复用(OFDM)信号的性能。从理论上对产生的毫米波进行了色散效应分析,证明了在ROF系统中OFDM信号长距离传输后没有受到严重的码间干扰(ISI),只是毫米波信号的相位发生了变化;OOK信号受到了严重的码间干扰。实验证明在无色散补偿的情况下,2.5 Gb/s的OOK信号在单模光纤(SMF)中传输60 km后眼图完全闭合,误码率(BER)只能达到10-3,而采用OFDM信号传输130 km星座图仍然很好,误码率达到10-4,这说明在ROF系统中OFDM信号的传输性能要优于OOK。

利用光纤无源器件制作了光学90°混频器,实现了混频器90°相移的精确控制与监测,稳定时间达到12 h以上,利用此混频器研究并实现了数字相干光检测。对差分相移键控(DPSK)信号光和本振光进行混频,高速模数转换器(ADC)对混频后的基带信号采样,利用离线数字信号处理算法进行光载波相位估计和色散补偿,利用有限冲击响应(FIR)数字滤波器补偿了经过90 km光纤传输的8 Gb/s速率DPSK信号的色散失真,测量无误码。

受一些不易测得的参数对光纤光栅反射谱型的影响,应用光纤布拉格光栅(FBG)测量横向作用力很困难,为此提出将蚁群算法应用于FBG横向均匀受压反射谱型的分析。基于FBG横向均匀受压传感理论和蚁群算法的原理,建立了光栅横向均匀受力反射谱分析的目标函数,并构建光纤光栅横向应力实验系统进行光纤光栅横向受力实验;针对影响算法的参数进行仿真实验,根据实验结果选择合适的参数组合,然后应用蚁群算法对FBG横向载荷下的反射谱进行了重构。实验结果表明,蚁群算法在FBG横向均匀受压反射谱的分析中不仅具有精度高、稳定性好、收敛速度快等优点,而且能分析得出对FBG横向均匀受压反射谱中一些不易测量的主要影响参数。

激光散斑图像压缩对降低数据存储量具有重要的意义。设计了一种激光散斑图像无失真编码器,它由激光散斑位移估计、像素预测和Golomb编码组成。首先估计散斑位移;然后,根据激光动态散斑相关函数设计预测模型,并以预测模型为基础进行像素预测;最后,对预测误差进行Golomb编码。该编码器的主要特点包括使用数字散斑相关方法估计散斑位移,以及基于动态散斑相关函数极值的时间预测。实验结果显示,在压缩激光散斑图像时,激光散斑图像无失真编码器在压缩性能方面取得了较大的提高。

直接线性变换(DLT)是基于理想的透视变换模型,通过求解线性方程组得到二维(2D)图像坐标与三维(3D)世界坐标的映射关系矩阵,该方法具有求解简单、速度快等优点,但没有考虑透镜畸变的影响。为了达到既求解简单又能校正畸变的目的,在采用共面点线性求解的基础上充分考虑透镜畸变的影响,在根据摄像机的信息确定参数初值后,通过最小二乘优化算法修正变换矩阵及畸变系数,得到了最佳参数值,并采用不同位置分布的数据点对,验证了该方法标定的畸变系数具有相对独立性。最后,利用求得的畸变系数对摄像机获得的方格图像进行校正,校正后图像的变形有了明显的改善,证明了本方法的有效性。

在模糊集合论(FS)和广义模糊集合论(GFS)的基础上,构造出用于模糊增强图像区域对比度的新型线性广义模糊算子(LGFO),理论分析并验证了其性质。提出了一种自适应双线性广义模糊增强算法用于提取图像边缘轮廓,该算法利用线性广义隶属度变换函数与LGFO,实现了灰度图像空间与广义模糊空间的相互转换,空间转换过程中对线性广义模糊隶属空间实施了线性广义模糊增强处理,最终在灰度图像空间中使用“MIN”算子提取图像轮廓。该算法还使用可检测边缘度与噪声标准差之商作为图像增强的评估标准,自动选择模糊参数D,实现了线性广义模糊增强图像的自适应优化。实验表明,该算法快速无失真,适用于彩色图像,提取的图像轮廓准确、层次分明。

为提高芯片图像扫描采集效率,研制了一种基因芯片荧光靶点阵列图像CCD扫描采集系统,通过将落射式荧光显微镜、紫外荧光激发光源、精密电控平移台和半导体制冷CCD相机等仪器进行有效集成构建成像扫描机构,以工业控制计算机(IPC)为测控核心,实现了显微镜自动调焦控制、荧光靶点图像自动扫描和采集、靶点阵列图像拼接等功能,提高了核酸扩增杂交反应基因芯片试验效率。

条纹管激光成像雷达(STIL)是近10年发展起来的一种新型闪光式激光成像雷达,以瞬态光学器件条纹管作为探测接收器,可做到大视场、高分辨,分单狭缝和多狭缝两种体制。由于条纹管不能直接输出四维像(三维(3D)距离像加一维(1D)强度像),针对两种体制的条纹图像,使用峰值探测法对远距离目标条纹像进行重构,获得完整的条纹管激光成像雷达四维像。实验结果表明,条纹管激光成像雷达是一种高分辨、高帧频的成像器件,具有较好的应用前景。

在采用相干光源照明的常规4f光学系统中,输出图像极易受到镜头及CCD上的灰尘污点的影响从而造成图像降质。针对该问题,将图像降质原因划分为加性随机噪声、污点、光源不均匀性影响以及系统的低通特性,提出一种简化系统模型。利用系统输入全白图像的输出结果作为先验信息,在假定一次实验中污点和光源保持不变的基础上,确定其分布。提出一种改进的自适应双边滤波算法,以达到实现去除噪声和污点的目的。基于光学实拍图像和人工合成图像的实验表明,该算法能够在保持图像细节的同时较好地去除噪声,进而恢复图像,实现主观视觉质量和峰值信噪比(PSNR)的提高;同时在污点污染严重的情况下该算法具有较好的稳健性。

光束质量是评价高能激光系统综合指标的重要参数,准确测量激光远场功率密度的时空分布是获取其光束质量和研究高能激光大气传输效应的有效手段之一。采用室温中红外光电探测器阵列,研制了可用于中红外激光远场光斑测量的光电阵列靶斑仪系统,系统主要由光学衰减单元、光电探测器阵列、信号调理单元、数据采集系统、无线数传单元、数据处理单元等组成。为解决中红外光电探测器响应率随温度变化敏感的难题,提出了基于探测器元阻抗的响应率自适应实时校正模型,拓展了测量系统的工作温度。该系统可测激光波长为1-5 μm,空间分辨率为2.5 cm,数据刷新频率为25 Hz,测量动态范围为1000倍,工作温度为-60-40 ℃,测量不确定度小于20%。

为了实时得到低维材料的应变,提出了一种基于数字图像跟踪的低维材料实时应变测量方法。首先,将试件上制作的标志点或试件表面适当的特征点作为跟踪目标,采用改进的适于跟踪测量的图像相关公式,以及根据低维材料变形特点选取相应的匹配模板和搜索区域,实现了实时测量应变所需的两点跟踪;利用双线性插值算法将目标定位在0.01 pixel上的位置,提高了该方法的测量精度。然后分级施加荷载,不仅实时跟踪到目标,而且得到低维材料在相应载荷下的实时应变值,为研究低维材料动态力学特性提供了一种实验方法。通过实验,验证了数字图像跟踪技术完全可以应用于低维材料的实时应变测量,并且适用于不同距离标志点之间的测量,相对误差在5%以内。

在干涉检测中,常用各种调制手段将被测信息加载到干涉图中,通过对检测得到的条纹图样进行分析,便可以得到被测信息。如果实验条件不允许施加任何调制手段,探测器检测得到的将很有可能是具有闭合条纹的单幅干涉图。正则化相位跟随(RPT)技术可以对单幅闭合干涉图进行相位重构,但其最主要的问题是精度过低。从最小二乘法角度出发,在经典RPT技术基础上,利用黄金分割(GS)算法对干涉图相位进行二次逼近,实现了对单幅闭合干涉图的高精度相位重构。计算机仿真结果表明该算法在保持了经典RPT算法各项优点的同时能够有效提高相位重构精度。对实际干涉图进行处理的结果与ZYGO GPI干涉仪进行了对比,结果较吻合,平均峰-谷(PV)值精度优于λ/20。

以平面应变理论为基础,从弹性动力学平衡方程出发,推导得到频域动力学平衡方程。忽略材料的粘性特征,分别在时域和频域中建立激光激发兰姆(Lamb)波的有限元数值模型。比较分析两种模型的求解过程,在此基础上,在频域中研究激光作用在粘弹性薄板上激发Lamb波的特征。结果表明,激光激发的Lamb波主要包含低频的弱色散的对称模和色散的反对称模;有限元频域模型能有效地处理粘弹性材料中Lamb波的传播问题;材料的粘性特征会引起Lamb波的振幅衰减,且不同模式波的衰减(因子)不同。

为了满足特殊管道弯曲度的高精度测量要求,提出了一种基于双激光准直电荷耦合器(CCD)的测量方法,介绍了单激光准直与双激光准直CCD的弯曲度测量原理,建立了靶标的动态旋转模型,通过双激光光斑的精确定位与同心圆的现场标定准确地提取靶标的旋转角度,对测量结果进行校正,从而实现特殊管道弯曲度的精确测量。实验结果表明,幅值偏差为±0.01 mm,方位角偏差为±10″,该方法具有较高的测量精度且稳定性好,可满足特殊管道弯曲度的高精度测量要求。

利用光纤3×3耦合器和光纤光栅构成能有效补偿环境干扰的光纤干涉振动测量系统。该测量系统包含干涉臂几乎重合的两个光纤迈克耳孙干涉仪,其中一个光纤迈克耳孙干涉仪利用一个电子反馈环节补偿环境干扰对测量系统的影响,以提高系统的测量精度;另一个光纤迈克耳孙干涉仪利用另一个电子反馈环节跟踪由于振动引起的相位变化,从而实现对振动幅值的测量及振动方向的确定。结果表明,该系统可对频率为0.1-200 Hz的振动进行测量,测量灵敏度为6 μm/V。

用熔融急冷法制备了系列不同Tm³⁺离子掺杂浓度的Ge-Ga-S-CsI硫卤玻璃,测试了样品折射率、吸收光谱以及800 nm激光抽运下的近红外及中红外波段荧光光谱特性。用Judd-Ofelt理论计算分析了Tm³⁺离子在Ge-Ga-S-CsI硫卤玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6),自发辐射跃迁几率A,荧光分支比β和辐射寿命τrad等光谱参数。讨论了800 nm激光抽运下的样品近红外及中红外荧光特性与Tm³⁺离子掺杂浓度之间的关系,并用McCumber(MC)理论和Futchbauer-Ladenburg(FL)公式分别计算了1.8 μm和3.8 μm处的受激发射截面。

采用原子簇嵌入模式的电荷自洽离散变分法(SCC-DV-Xα-ECM)对单斜型VO2的电子结构和光电性质进行了计算。计算结果表明,单斜型VO2带隙宽度为0.4411 eV,费米能级在带隙中间以上0.00365 eV靠近导带处,和实验数据符合得很好。单斜型VO2的总能(-568.18 eV)比金红石型VO2(-470.33 eV)小,说明外加能量如升高温度会使单斜型VO2相变至金红石型VO2。吸收系数在低频率段和实验情形符合得很好,光电导率在2.5-13.5 eV的变化趋势和其他的理论分析是一致的。

采用时域有限差分法(FDTD)对介质柱构成的8重准晶光子晶体(PQCs)的带隙特性进行了研究,分别讨论了介质柱形状和对称度变化对带隙宽度、带隙对方向不敏感特性的影响。数值模拟和分析结果表明,当填充因子保持不变时,介质柱形状不会影响带隙对方向不敏感的特性;六边形、正方形和三角形介质柱构成的准晶光子晶体的带隙宽度分别是圆形介质柱带隙宽度的98.9%,97.8%和91.5%,带隙宽度随着介质柱对称程度的降低逐渐变窄,但变化可以忽略;带隙宽度随介质柱的椭圆率,即对称度的降低而变窄,但变化趋势平缓,即使椭圆率小至0.3,相对带隙仍然有5.9%。这些分析结果表明,8重准晶光子晶体的带隙对加工误差所引起的形状变形和轴长偏离都具有较高的稳定性。

利用ZYGO Mark Ⅲ-GPI干涉仪对120 mm×88 mm元件镀膜前后进行了面形测量,获得了峰谷值(PV)和均方根梯度(GRMS),并对镀膜前后的PV,GRMS值进行了比较,发现镀膜后PV,GRMS值分别有所增加,同时对两者进行了线性拟合,结果表明两者在一定程度上存在着线性关系,并从理论上进行了模拟论证。同时对个别样品进行了功率谱密度(PSD)分析,发现镀膜后PSD曲线较镀膜前有所升高,这与基片的抛光程度以及镀膜过程有着密切联系。

对核聚变反应堆用低活化马氏体钢进行了激光焊接试验,并对焊接接头的显微组织和力学性能进行了测试分析。结果表明,对低活化马氏体钢进行激光焊接可以获得高质量的焊接接头;焊缝组织主要为板条状马氏体,硬度可达530 HV;热影响区(HAZ)包括粗晶区和细晶区,粗晶区为粗大的珠光体,细晶区为细小的珠光体和铁素体的混合组织,最低硬度为220 HV;焊接接头有很好的力学性能,抗拉强度高达775 MPa。

为了更好地控制激光熔覆再制造装备零件的结构形状精度,需要对熔覆层几何特征进行表征,尤其是熔覆层横截面的几何尺寸和熔覆层整体的三维特征。采用Nd∶YAG固体激光器在18Cr2Ni4WA钢基体上进行单道熔覆实验。用光学显微镜(OM)获得熔覆层横截面图像,用AutoCAD软件对熔覆层横截面图像进行图形模拟。提出了新的单道熔覆层几何模型,该模型为两端半球面体与中间柱面体组合的三维结构。用电子秤对基体熔覆前后的重量进行了测量,并与模型结构的理论重量值进行比较,以检验模型精度。结果表明,熔覆线截面上部轮廓线可以用一段圆弧模拟,单道熔覆中部结构为部分柱面体;建立的三维模型模拟重量计算值与实测值误差很小,该模型能很好地表征单道熔覆层的几何特征。

在实际工业生产中,许多构件的表面是由双曲面构成的,因此,研究复杂型面激光热成形加工工艺规划策略具有重要的现实意义。然而,作为一种无模成形工艺,激光加热路径和目标型面没有直接联系,这增加了工艺规划的难度。为了实现双曲率面构件的高精度激光热成形,基于交叉加热与板材预弯曲对塑性应变场影响的研究,提出一种新的工艺规划策略。该方法基于板材成形所需要的应变场,分别建立平板和预弯曲板工艺参数与残余塑性应变基本关系数据库以及上下表面应变比基本关系数据库,采用上下表面分别加热进行双曲率面工艺规划。实验结果表明,利用该加工策略,激光热成形面与目标曲面形状基本吻合。

采用以5 kW CO2激光器为光源的激光立体成形(LSF)系统制备了两种成分的Ti2AlNb基合金,借助金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)方法及显微硬度测试,对合金的组织形貌、相组成以及硬度进行了分析。结果表明,原子数分数为Ti-20%Al-27%Nb(以下简称A1)时,沉积态合金的显微组织和相组成沿沉积方向呈现出B2(固溶体)→B2+O(魏氏组织)→B2(固溶体)的变化特征;原子数分数为Ti-22%Al-27%Nb(以下简称A2)时,沉积态合金由枝晶β(TiNb)和枝晶间的B2+O两相组成。在沿沉积高度增加方向上枝晶一次臂长度变化比较明显,从试样底部的25 μm左右变化到试样顶部的80 μm左右。A1合金的显微硬度从试样底部至顶部呈现低→高→低的变化趋势;A2合金整体的显微硬度变化不大。

保持功率密度为10 mW/cm2不变,用3种剂量(1.2,2.4和3.6 J/cm2)的630 nm连续输出型弱激光对Wistar大鼠背部皮肤开放型切除创口进行照射,通过测量创口面积和组织病理学分析观察1-4 J/cm2能量密度范围内,不同剂量的弱激光对创口愈合的影响。创口面积的方差分析(ANOVA)结果表明,空白对照组与各照射剂量组之间不存在统计学差异。而组织病理学分析结果表明,弱激光照射组较空白对照组有以下特点:炎性期持续时间短,肉芽组织出现早,在同一时期,肉芽组织成熟、胶原数量多且其中成熟胶原所占比重大、表皮新生速度快,并且,这种优势随着所用剂量的增加而更加明显。可以认为功率密度为10 mW/cm2,1-4 J/cm2能量密度范围内的630 nm弱激光对创伤愈合具有一定的局部促进作用,效果随剂量增加而更好。

为了探索脂类分子结构的变化与细胞癌变的关系,应用共聚焦显微拉曼光谱系统,检测结直肠癌组织及邻近正常组织的拉曼光谱,得到归属于脂类CH2对称伸缩振动在2857 cm-1和反对称伸缩振动在2891 cm-1的拉曼峰以及归属于脂类和蛋白C-H伸缩振动在2938 cm-1的拉曼峰。实验结果显示,结直肠癌组织和邻近正常组织的拉曼光谱存在以下显著的差异:1) 与正常组织相比,结直肠癌组织中位于2857 cm-1和2891 cm-1的拉曼峰强度相对较弱,而2938 cm-1拉曼峰的强度相对较强。2) 结直肠癌组织中在2891 cm-1和2857cm-1的拉曼峰强度比值I2891/I2857小于正常组织的比值。用SPSS16.0统计学软件中平均值之间的比较功能计算出正常组织的I2891/I2857平均值为2.21,癌变组织的I2891/I2857平均值为1.69。研究结果表明,当正常细胞转变为癌细胞时,脂类分子的侧向堆积程度下降,细胞膜流动性增加,脂类与蛋白的相互作用增强,揭示了脂类分子伸缩振动的拉曼光谱与细胞癌变的关系。