分析了空泡溃灭辐射光子的基础理论,建立了自由场液体中激光空泡的产生、脉动及溃灭冲击波、溃灭发光的高速摄影测量实验平台。采用高速摄影技术对不同液体、不同空泡尺寸条件下空泡脉动的外形特征、溃灭冲击波、溃灭发光强度等参数进行测量。结果表明,激光空化技术是产生稳态单一空泡的较好手段;对于不同的液体介质中的激光空泡,激光等离子体空泡膨胀、空泡溃灭辐射冲击波强度主要与液体的粘性系数相关;激光空泡发光与最终溃灭是同相位的;空泡溃灭发光强度与液体的表面张力、饱和蒸气压力有极强的相关性。

研究了相干组束中激光器阵列出射光束的占空比,对相干组束后远场中心光斑能量比值的影响,进行了理论分析,并在一维二路自成像相干组束实验中,进行了占空比调节的实验。理论分析认为,在一定单元出射光束宽度下,增大占空比值,可以提高相干组束后中心光斑能量比值,同时可以减少次级光斑的数量。通过实验验证,当光束的腰斑不大于1 mm时,相邻光束间距从2.06 mm增大至6.02 mm,中心光斑能量比从42%降至11.13%。

为了实现大功率半导体激光器堆叠进行均匀化照明设计,提出了基于倾斜多高斯光束(MTGB)叠加的均匀化照明方法。推导了倾斜多高斯光束模型的平均光强解析表达式,发现该光束模型的光强分布具有角分布平顶特性且不随传播而改变。通过在角度域和傅里叶频域对该光束模型的均匀性分析,得出影响其均匀性的因素,给出了数值计算验证。最后在ASAP光学软件中,实现了把半导体激光器堆叠整形成倾斜多高斯光束模型的具体方法,获得了12°×10°的均匀化照明效果。结果显示,该方法在半导体激光器Bar条间距快轴方向装配误差有±50 μm时,仍然可以获得75%的均匀性和80%以上的效率。方案具有现实可行性,适合作为主动激光成像的照明系统设计。

实验研究了一种采用马赫-曾德尔电光调制器产生60 GHz光毫米波的方法和相应的光纤无线传输(ROF)系统。在中心站采用单臂的马赫-曾德尔强度调制器(IM)通过光载波抑制(OCS)方式产生光毫米波,光毫米波的频率为2倍射频(RF)信号的频率。然后再利用另一个电光马赫-曾德尔调制器将下行基带数据信号调制到光毫米波上。下行信号经光纤链路传送至基站单元,光毫米波信号经高速光电转换器产生60 GHz的电毫米波,经过放大后,由天线发送出去。在用户单元通过天线接收到的电毫米波信号利用相干解调恢复下行的基带数据信号。实验显示采用频率为29 GHz射频信号产生光毫米波的频率为58 GHz,将下行链路中2.9 Gbit/s的数据在单模光纤中传输距离达20 km,且实现无线传输2.6 m。

提出了一种基于SiO2平板波导技术,由两端口的定向耦合器、移相器和光延时线构成的全光离散傅里叶变换器(ODFT)。研究了该器件的原理,设计和优化了一个4×40 Gb/s的全光傅里叶变换芯片,并且给出了器件的设计细节和实现方法。在此基础上又设计了一个4×40 Gb/s的全光正交频分复用(OFDM)系统,消除了系统中的电子瓶颈。用VPItransmissionMaker(VPI)对该系统进行了仿真,并与采用幅度调制和差分相位调制方式的系统进行了对比。结果表明,基于全光傅里叶变换器的全光正交频分复用系统性能优越,经过320 km的传输后,误码率(BER)小于3×10-11。全光正交频分复用是一种有潜力的高速长途传输技术。

自主研制了大长度光纤轴向研磨厚度精确控制装置和电弧放电光纤研磨截面高精度抛光装置。研磨精度达0.01 μm,研磨长度可大于100 mm,且能实现多光纤同时轴向研磨。利用该装置可精确控制保偏光纤光栅(PMF-FBG)侧面研磨厚度,从而实现大长度高精度双折射可控保偏光纤光栅的制作,保偏光纤光栅两个反射峰的间距可以通过研磨量精确控制。实验表明,研磨保偏光纤的一侧外包层半径由125 μm到65 μm,保偏光纤光栅两个反射峰的间距由0.34 nm改变为0.208 nm。

通过微扰理论求得非线性薛定谔方程(NLSE)的时域半解析解,在非线性效应增大的情况下提出了优化微扰方法(MPM),并在多跨距非线性光纤链路中与原微扰方法(PM)进行了对比仿真研究。研究结果表明,优化微扰方法在非线性效应增强的情况下精确度明显高于原微扰方法,同时又不失其半解析模型,为研究大功率长距离传输的光纤通信系统提供了新的方法。

基于布里渊时域分析(BOTDA)对温度和应变的检测原理,构建了分布式光纤传感入侵定位系统。该系统只检测应变事件位置,不检测温度和应变绝对值,因此简化了BOTDA技术中复杂的频率检测方法。系统以脉冲光作为抽运光,反方向传输的连续光作为探测光。分析表明该入侵定位系统在抽运光产生的布里渊峰值频率小于连续光的频率时具有较高的灵敏度,存在一最佳频率偏移使探测灵敏度最高。当传感光纤所处温度改变时,可以通过调节抽运光频率使系统始终保持最佳的灵敏度。

偏振诱导信号衰落现象的抑制是干涉型光纤传感系统的关键技术之一。针对法拉第旋光镜(FRM)法抑制偏振诱导信号衰落技术进行了具体深入的研究。使用琼斯矩阵法对FRM单模光纤迈克耳孙干涉仪进行了理论分析和数值仿真,得出当FRM旋转角度偏差不大于6°时,可视度保持在0.9以上;分析了工作波长变化对FRM单模光纤迈克耳孙干涉仪干涉性能的影响,当入射光波长处于FRM中心波长±71 nm范围内时,光纤干涉仪可视度达到0.9以上。实验结果表明,当入射光波长处于1495.4-1606.7 nm范围内时,可得到可视度接近于1的稳定信号输出,干涉性能优良。

根据侧边抛磨光纤(SPF)倏逝波场泄漏机理,将可变光衰减器(VOA)与光功率监测器(OPM)集成在一段光纤上,研制成功了全光纤集成化光功率监控器(OPMC)。采用普通通信光纤作为波导基底,设计了基于双孔侧边抛磨光纤的光功率监控器的基本结构和制作工艺。在双孔侧边抛磨光纤的第一个侧边抛磨孔制作全光纤可变光衰减器,第二侧边抛磨孔制作全光纤光功率监测器,将二者集成制作在一段光纤上,成为可同时实现光纤中光功率的监测和控制双功能的一个全光纤集成化光电器件。实验表明,器件的典型值为插入损耗0.7 dB,衰减范围0-52 dB,波长相关损耗0.2 dB,偏振相关损耗0.17 dB,光电转换效率大于100 mA/W。该全光纤集成化器件具有制作工艺简单、体积小、成本低、可实现电子控制等优点。

为研究中、高精度光纤陀螺用保偏光纤环的温度性能,从制造工艺及受环境温度影响的角度分析了影响光纤环性能的主要因素。利用耦合波概念定性讨论了光纤环中光波信号的偏振耦合特性,指出了影响光纤陀螺性能的主要偏振误差。根据光纤环中感应双折射的变化和温度瞬态效应机理,建立了温度实验系统。实验结果表明,在变温影响下,光纤环中光信号偏振态的变化十分显著,且与整个光纤环的具体温度分布有关。而且,该实验系统还可以作为光纤环的温度性能评价系统用来筛选出性能优秀的光纤环。

为消除块状光学玻璃型电流传感器中反射相移对测量精度的影响,提出了一种折射率呈梯度分布的环形磁光玻璃传感头结构。该环形磁光玻璃的内外两侧均为折射率渐变层,中间为折射率均匀层。同时,为便于信号光的输入输出耦合,该环形磁光玻璃上有一定大小的开口。理论分析表明,在一定条件下,光线在环形磁光玻璃中传播时,可不再与玻璃和空气界面接触,从而可以有效地避免反射相移的影响,提高传感器的测量精度。通过数值模拟分析了环形磁光玻璃的结构参数对光线传播轨迹以及有效初始角的影响。结果表明,通过合理设计环形磁光玻璃的结构参数,可以得到具有较大有效初始角且无反射相移的高灵敏度磁光玻璃型电流传感器。

介绍了谐振式微光学陀螺(ROG)的基本原理与结构,对采用三角波频率调制的陀螺灵敏度进行了理论分析。以调频光谱测量原理为基础,把环形谐振腔视为具有洛伦兹型吸收谱的介质,推导出了谐振式微光学陀螺在最大灵敏度时输出的光强与谐振腔谐振特性曲线的对应关系,提出了一种谐振式微光学陀螺最佳灵敏度的调节方法,结合陀螺系统信号的调制与解调,简化了陀螺系统最佳灵敏度的调节过程,给出了实际陀螺系统的灵敏度的测试实验。实验结果表明,此调节方法能够将谐振式微光学陀螺系统调节到最佳灵敏度,适合在实际的谐振式陀螺系统调试中运用。

提出了一种八边形双包层结构的光子晶体光纤(PCF),并利用多极法对其色散特性进行数值模拟和分析。分析结果表明,内包层空气孔直径d1和空气孔间距Λ的改变对八边形双包层光子晶体光纤的色散特性影响较大,且色散曲线随d1/Λ的减小趋向平坦;而外包层空气孔直径d2的改变对其影响相对较小,同时,与d2的数值变化密切相关,当d2与d1相接近时,色散特性受其影响较大,当d2大于d1的2倍时,它的改变几乎不再影响光纤的色散特性。由此在1500 nm附近设计一种近零色散平坦光子晶体光纤。该理论结果对制备基于大功率激光用的掺杂光子晶体光纤和提高激光输出质量具有一定的借鉴作用。

研究了长脉冲抽运光子晶体光纤(PCF)正常色散区超连续谱的产生。依据透镜耦合的基本条件设计了激光器与入射光纤之间的耦合系统,该系统的耦合效率可以达到60%;实现了模场不匹配的普通光纤与光子晶体光纤的低损耗熔接,实验测得的熔接损耗为3.8 dB,低于理论计算的熔接损耗5 dB。随着抽运功率的增加,产生了平均功率为1.2 W,10 dB的带宽为710-1700 nm的超连续谱。实验结果表明,长脉冲抽运光子晶体光纤的正常色散区,受激拉曼散射在光谱加宽的最初阶段发挥了重要作用,而高阶孤子分解和交叉相位调制促使超连续谱趋于更宽、更平坦。

根据光腔衰荡光谱(CRDS)技术原理,建立了直型光腔下3.3 μm波长反射率测试实验装置。测试了一对反射率为99%的腔镜,测试精度为10-4。利用该装置得到不同腔长下激光在腔内振荡的时间衰减曲线。根椐衰减曲线计算得到腔镜反射率,分析其均方根误差为2.25×10-4。就透镜位置变化以及在光路中加光阑的方式改变腔内模式,研究其对衰荡实验的影响。实验发现,透镜的相对位置在20 mm调节范围内得到的反射率测试均方根误差为2.55×10-5。另外发现使用加在光路中的光阑可以改善光腔模式匹配,减小衰减时间的拟合误差。

为了保证大口径近红外干涉仪的测试精度,必须严格控制其出射波前的准直性。采用五棱镜扫描系统将干涉仪的出射波前分割成若干个子波前,记录每个子波前在CCD上所成光斑质心的相对位置,计算得到各个子波前的法线方向以重构被测波前,从而实现对出射波前准直性的检测。实验测量了210 mm口径的近红外干涉仪准直物镜水平方向上的出射波前,计算重构了被测波前。分析了实验系统误差对于测试结果的影响。该方法成本低、精度高,特别适用于大口径近红外波前的准直性检测。

长脉冲激光能量在线测量装置中热桥的存在加剧了热传导的影响,为了定量地确定其大小并对其进行修正开展了此项研究。将温升曲线分成3部分,利用傅里叶定律、热传导方程及能量守恒定律对每一部分逐一进行了分析,得到能量损失的比例与装置参数之间的关系,开展了实验研究,通过对实验数据的拟合,结果表明,热损失比率由脉冲宽度、材料的导热系数、热桥的长度、吸收体的质量等决定。上述参数需根据实验间隔及测量精度要求确定,推导出来的理论值与实验结果一致性较好,其偏差为2.9%。

以K2W2O7为助熔剂,Ho³⁺掺杂摩尔分数为9%,采用顶部籽晶提拉法生长出了单斜晶系的钬掺杂钨酸镱钾[Ho³⁺:KYb(WO4)2(Ho:KYbW)]晶体。测试了晶体的红外光谱和拉曼(Raman)光谱,并对出现的峰值进行了振动归属。测量了晶体的吸收光谱和荧光光谱,计算了相应的光谱参数。吸收光谱显示,Yb³⁺在930,987 nm处吸收峰最强,半峰全宽(FWHM)为93 nm。荧光光谱表明,Ho:KYbW晶体在1971和1988 nm附近有较强的发射峰,主峰1988 nm处的发射线宽达71 nm,因此,Ho:KYbW晶体可作为可调谐激光增益介质。晶体的上转换荧光谱表明,在542和647 nm处分别得到了上转换绿光和红光,并分析了相应的上转换机理。

采用提拉法生长Yb³⁺掺杂原子数分数为10%高质量的Yb:Lu3Al5O12(Yb:LuAG)晶体。对晶体在不同气氛下退火的光谱性能进行了表征。研究发现,吸收光谱中363和562 nm附近的吸收带与Yb2+有关。晶体在空气气氛下退火后,测得的荧光光谱强度最强,荧光寿命最长。增益截面曲线的研究表明Yb:LuAG晶体具有宽的发射带。在抽运功率为9.59 W的激光二极管(LD)抽运下,Yb:LuAG晶体获得3.05 W的连续激光输出,斜率效率为41.7%,激光抽运阈值为40 mW。

利用电子束蒸发和自动晶控技术制备了氧化铪薄膜,并对薄膜进行了退火处理。通过光致发光(PL)光谱、光致发光激发谱(PLE)和X射线衍射(XRD)等测试对HfO2薄膜进行表征,研究了退火对HfO2薄膜结构及发光特性的影响。室温下对薄膜进行了光致发光光谱测试发现存在4个发射峰,退火后的样品发光强度明显增强。对薄膜的激发谱测试发现激发谱与发射谱之间存在着斯托克斯位移。在退火处理后,X射线衍射表明薄膜的取向性和结晶度都明显提高,但是薄膜的激光损伤阈值(LIDT)没有变化。

利用电子束热蒸发技术在两种不同粗糙度的K9玻璃和一批单晶硅基底上沉积了单层二氧化钛(TiO2)薄膜,并对这些样片进行了氧离子后处理。采用泰勒-霍普森相关相干表面轮廓粗糙度仪(Talysurf CCI)分别对基底以及样片处理前后的表面粗糙度进行了研究,并用椭偏仪对离子处理前后的TiO2薄膜的折射率进行了测量。实验结果表明,TiO2薄膜对于基底具有一定的平滑作用;当基底粗糙度较大时,随着轰击离子能量的增加样片的表面粗糙度先减小后增加;当氧离子的轰击时间增加时,薄膜表面粗糙度会明显降低,随着轰击离子束流密度的增加,薄膜表面的粗糙度减小的幅度会增加。

利用激光诱导击穿光谱技术,分析由快速灰化法制得的粉煤灰样品中的未燃碳。实验中发现,常用的C元素分析谱线C 247.86 nm附近存在明显的Fe 247. 95 nm谱线干扰,严重影响未燃碳的激光诱导击穿光谱分析。选用处于深紫外区不存在其他光谱干扰的C 193.03 nm谱线作为分析线,建立未燃碳的定量分析曲线。研究结果表明,在大气常压环境下,通过对光谱探测系统进行深紫外增强镀膜处理,选用短焦距准直透镜和抗紫外光纤,可以探测到明显的C 193.03 nm谱线,由此分析未燃碳可以得到良好的定标曲线,拟合度为0.99,检测限为0.74%(质量分数)。

实验研究了YAG激光诱导放电(LGD)表面离散强化形貌,包括强化点的表面形貌和横截面形貌。利用放电过程中的电弧压力,对强化点表面进行造型。大电流、倾斜放电容易将熔凝物吹起形成凹坑和突起,表面起伏更加明显,而小电流、垂直放电则能得到平坦的表面,有利于增大强化深度。随脉冲宽度的增加,强化点的径深比逐渐变小,在相同强化深度下,小电流、长脉冲宽度可以获得小径深比、厚深状的强化点,而大电流、短脉冲宽度可以获得大径深比、扁平状的强化点。在现有实验条件下,在电流150 A,脉冲宽度9.83 ms下得到最大强化深度为0.479 mm,径深比为3.9。

采用248 nm KrF准分子激光辐照方法,制备具有高导电活性的聚偏氟乙烯(PVDF)材料,激光辐照后的PVDF表面的电导率发生永久性变化。通过X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析表明,光化学反应仅发生在样品表面,激光光子使表面微结构发生突变,产生HF气体,获得了高稳定性及高均匀性的导电层。通过对不同激光能量密度下得到的不同表面电导率的实验结果进行分析计算,得到准分子激光使其表面改性的能量密度范围为44-112 mJ/cm2,改性后的表面电导率比其中性态(10-13 Ω-1·cm-1)上升9-12个数量级,最高达到10-1 Ω-1·cm-1。实验中发现了导电层形成过程,并对其表面导电活性机理进行了初步探讨。

采用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟方法,研究了初始烧蚀粒子总数对其传输中的密度和速度及环境气体密度分布的影响。结果表明,随着烧蚀粒子总数增加,烧蚀粒子高密度峰离开靶的最大距离增大,到距靶最大距离处所用时间,出现先增大后减小的变化,烧蚀Si粒子的速度分布随粒子总数增多而变宽,当粒子总数为1.01×10¹⁵和1.01×10¹⁶时,出现速度劈裂现象。

随着汽车轻量化越来越得到重视,钢铝合金异种金属焊接结构成为研究的重点。采用YAG连续(CW)和脉冲(PW)两种激光设备,对连续脉冲双激光束复合热源焊接工艺进行了研究,并借助扫描电镜(SEM)、电子探针微区分析(EPMA)、显微硬度计、拉伸实验机等设备对焊缝进行了分析与测试。实验结果表明,连续激光匹配适当的脉冲激光进行双激光焊接,可以有效地减少或避免气孔的产生,同时可以使用低功率的连续激光实现较深的焊接,扩大低功率激光设备使用范围。 双激光束焊接过程中,由于脉冲激光的作用,焊缝中的Fe穿入Al中,在焊缝底部Fe-Al交界处形成了钩状的不规则结构,这种结构的产生可以增强Fe,Al两种材料的连接强度。在焊缝底部Fe-Al交界处形成了高硬度、高脆性的Fe-Al金属间化合物。钢铝合金双激光搭接焊焊缝剪切强度为128 MPa,剪切断裂断口呈现为准解理型断裂形貌。

采用Nd:YAG激光器,在真空环境下,进行高硬镜面塑胶模具钢(HPM75)的微流道沟槽激光铣削试验研究。研究真空环境下铣削机理及真空度对铣削尺寸和表面质量的影响。研制真空调节系统,调节激光铣削区域状态,进行大气环境和真空环境下的对比试验。结果表明,当真空压力在-0.07--0.5 MPa范围时,排屑量增加1.6%-3.3%。在铣削优化参数下,与大气环境下激光铣削相比,铣削宽度增加,排屑量增加;可以铣出的沟槽宽度和深度分别为0.225和0.058 mm;真空环境减小了背景气压阻力,提高了熔屑排除力,可以铣削出满足微流道沟槽尺寸和精度要求的沟槽,是一种有效的激光铣削加工辅助工艺。

采用激光感应复合快速熔覆(LIHRC)的方法,在A3钢表面制备了Fe基WC涂层,研究了涂层的显微组织与显微硬度特征。结果表明,WC颗粒在激光感应复合快速熔覆过程中完全溶解,并与粘结金属Fe基合金交互作用后,在树枝晶间析出M6C型碳化物。WC颗粒的完全溶解与涂层内存在大量残余奥氏体,是Fe基WC涂层显微硬度偏低的主要原因。

研究了Delta-P1近似模型的双点源近似空间分辨漫反射解。推导了在散射相函数中引入Dirac delta函数项后的辐射输运方程以及有效光源项的表达式;推导了有效光源项双点源近似下基于Delta-P1近似模型的漫反射率RDelta-P1,2(ρ)表达式;与漫射近似下漫反射率RSDA(ρ)的比较结果表明,双点源Delta-P1近似模型的空间分辨漫反射解RDelta-P1,2(ρ)能够应用于中、高反照率的散射介质,并能较好地描述光源附近(ρ约为1.5 mm)的辐射强度分布,误差均小于15%。此外,Delta-P1近似下的空间分辨漫反射的解析表达式中含有散射相函数的二阶参量γ,这对于在近光源区域由空间分辨漫反射测量数据来反演生物组织的光学参量具有重要的意义。

回顾了基于受激布里渊散射(SBS)的光纤激光器和放大器的研究进展及其应用。由于受激布里渊散射固有的独特性质,光纤布里渊激光器(FBL)和放大器(FBA)在许多领域中有着重要的应用。特别是它们在光信号慢光缓存、超窄线宽激光光源、多波长光纤激光器、光生微波信号的应用开拓近年来引起了广泛的关注,重点回顾了这些研究领域中应用及研究的最新进展。由于光纤布里渊激光器和放大器具有一系列优异的特性,在全光通信、相干光通信及光纤传感等领域中具有日益广泛而重要的应用前景。

对抽运及冷却中发生的流动、对流扩散及瞬态热传导等现象的耦合作用过程,用多物理场耦合分析方法,建立了计算激光晶体温度分布的流-热-固耦合模型。应用有限单元法,对受高功率重复脉冲抽运的片状激光晶体进行瞬态温度场数值模拟。排除了不精确的换热系数对计算结果的影响,并为评价流速、流道形状等因素对冷却效果的影响,从而为改进冷却方式降低激光晶体的热效应提供了可靠的分析方法。

为解决激光二极管(LD)端面抽运激光介质产生的热效应问题,建立了端面绝热、周边恒温、界面热流连续的YAG-Nd:YAG复合晶体棒热分析模型。利用特征函数法和常数变异法得到了超高斯光束端面抽运YAG-Nd:YAG复合晶体棒温度场的一般解析表达式。同时定量分析了超高斯抽运光光斑尺寸,光束阶次,YAG晶体长度对YAG-Nd:YAG复合晶体棒温度场的影响。研究结果表明,若LD输出功率为50 W,光学耦合器传输效率为82%,4阶超高斯光束端面抽运YAG-Nd:YAG复合晶体棒时,复合晶体棒内最大温升为132.7 ℃,其中YAG晶体长为1.5 mm,Nd:YAG晶体长5 mm,钕离子掺杂质量分数为1.0 %。研究结果为减小激光晶体热效应、合理设计激光器热稳腔提供了依据。

分析了双平行平板的分光特性,并提出了优化其分光特性的方法。平行放置的平行平板可将入射光束同时分为多个峰值功率密度不同的光束出射,应用电荷耦合器件(CCD)相机接收出射光斑,出射光斑的峰值功率密度差异(DMPF)要保证小。分析了平行平板板间距和光束入射角对出射光斑的峰值功率密度差异的影响,结果表明,合理选取板间距和入射角可使光斑的峰值功率密度差异减小。当平板膜特性和入射激光中心波长确定时,最优板间距与光束的瑞利长度呈递增关系,最优入射角保持稳定,相应条件下的光斑峰值功率密度差异随瑞利长度的变化有轻微浮动。

报道了利用放置在外腔中的闪耀光栅实现两个不同长度Er³⁺/Yb³⁺共掺双包层光纤(EYDF)激光器谱组束的实验。外腔由两个二色镜和一个共用的部分反射镜构成,增益介质为EYDF,外腔中的变换透镜可将光纤输出端按角度定位到闪耀光栅上,闪耀光栅实现光纤激光器的模式选择。实验进行了单个EYDF激光器的调谐,在1532-1568 nm范围内获得了稳定的单模输出,激光3 dB线宽均小于0.08 nm,调谐范围约为36 nm,接近Er³⁺的增益带宽。实现了两根长度分别为6 m和8 m的EYDF激光器的谱组束,在入纤抽运功率分别为2.6 W和4 W的条件下,获得了480 mW的谱组束输出。

以973 nm半导体激光器(LD)为抽运源,高掺杂浓度Yb³⁺光纤为增益介质,构建了一套环形腔光纤激光器,通过调整腔内由普通光纤和偏振器件构成的偏振态滤波器,得到连续调谐宽度24 nm(1030-1054 nm)、激光阈值为49 mW的激光输出。通过对部分腔体光纤施加均匀应力的方法较大地扩展了激光器的调谐范围,实现了宽达57 nm(1021-1078 nm)的可调谐激光输出。与文献报道的基于偏振滤波原理的其他可调谐Yb³⁺光纤激光器相比,构建的激光器实现了更大范围的可调谐性。

实验和数值模拟了外部光反馈作用下分布反馈半导体激光器(DFB-SL)的各种非线性动力学行为。实验结果表明,在不同的反馈强度下,DFB-SL输出呈现出稳态、单周期、倍周期、多周期等多种非线性动力学动态行为。当处于一系列周期态时,激光器的输出光谱、频谱呈现强烈特征频率峰,且背景噪声极低。当外部光反馈达到一定强度后,激光器各模式发生激烈的相互作用而导致相干崩塌,激光器输出光谱、频谱演化为连续谱,并最终实验获得谱宽达10 GHz的宽谱混沌。对相关实验进行了数值模拟,计算结果与实验结论基本符合,均表明反馈强度是控制DFB-SL处于不同非线性动力学态的一个关键参量。

为了研究大功率横流CO2激光器模式的形成原因及改善途径,理论分析了横流CO2激光器的管板式电极结构。通过数值求解放电区电势的拉普拉斯方程,得到了电势和电场的空间分布。由场强的分布可以定性地认识放电区电子密度、粒子数密度、光子密度的分布情况,从而定性解释了模式形成的原因和光斑能量分布不均匀的特点。计算结果表明,减小电极距离和增大阴极管径都有助于提高光轴附近场强和均匀性,进而可以提高电子密度,从而达到控制、改善光斑模式的作用。在理论分析的基础上,对激光器的电极和光轴等进行了调整,实测得到了明显改善的光斑模式。

调谐反射窄带滤光片在光通信、显示、光开关和防伪等领域有重要应用。导模共振滤光片(GMRF)对结构参数非常敏感,因此可通过结构参数的变化来实现反射峰值的调谐。为了研究利用方位角的变化来实现导模共振滤光片调谐的新方法,分析了方位角对导模共振滤光片衍射区域电场分布的影响,通过严格的耦合波理论计算,设计了方位角调谐的导模共振滤光片。对于60°入射的TM偏振光,随着方位角的增加,导模共振滤光片的共振峰值向长波方向移动。

为了研究线性相位反演(LPR)技术在自适应光学系统中的应用,在实验室搭建了一套基于该技术的自适应光学闭环实验系统,利用19单元变形镜对动态像差进行了实时闭环实验。实验对由变形镜产生的系统像差定标,得到远场定标图像,利用远场实测图像和定标图像之间的光强分布变化量直接复原出变形镜驱动器电压,控制变形镜校正像差。实验数据表明,基于线性相位反演技术的自适应光学系统可以对一定大小的动态像差进行实时闭环校正,并有较好的校正效果,论证了这种系统的可行性。这种系统硬件结构简单,算法运算量很少,速度很快。

基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学(AO)无需波前传感器就可以实现对波前相位畸变的闭环补偿。但是算法的收敛速度较慢,制约着其在实时性要求高的系统中的应用。根据SPGD算法中随机扰动对收敛速度的影响,提出一种利用泽尼克(Zernike)模式优化算法随机扰动的方法。针对大气湍流,建立了一个基于SPGD算法的61单元自适应光学仿真模型,并对一组符合Kolmogorov特性的相位畸变进行了数值仿真,分析了该优化方法对系统收敛特性的影响。仿真结果表明,与优化前相比,优化随机扰动后,校正精度略微下降,但是收敛速度得到明显的改善。

为减小激光束透过超声速自由旋涡气动窗口时的退化畸变,提高光束质量,基于气动窗口(ADW)射流外侧剪切层与环境折射率和压力同时匹配理论,提出N2/He双组元混合气射流工质方案,讨论了混合气组分比例确定方法。对N2和N2/He混合气两种射流工质分别进行了实验,以波长为0.6328 μm的He-Ne激光器为光源,用哈特曼波前传感器采集数据,给出了激光束透过射流时的波像差峰谷(PV)值。结果表明,N2为射流工质时,波前畸变峰谷值约为0.18 μm;N2/He混合气为射流工质时,波前畸变峰谷值约为0.13 μm,说明N2/He混合气取代N2作为射流工质,可以有效提高气动窗口的光学质量。

建立了活塞激光热负荷数值模拟模型,研究了不同冷却介质对活塞热负荷的影响。结果表明,激光卸载过程活塞顶和通油孔通气冷却,温度波动发生在活塞顶薄层区域,与活塞在实际稳定工况下的温度响应一致;激光卸载过程活塞内腔和通油孔通气或通油孔通水冷却,温度波动区域都不能反应在实际稳定工况下的状态。低周热疲劳采用激光卸载过程配合活塞顶通气、活塞内腔和通油孔通水能缩短试验周期、加速活塞的热疲劳损伤。数值模拟与试验结果基本吻合,验证了模型的有效性。

研究了掺杂激光染料DCM和手性剂CB15的向列相液晶器件的激光辐射行为。制作了反平行摩擦处理的器件,得到了扭曲向列相液晶平面织构态。采用固体Nd:YAG倍频532 nm波长激光作为抽运光源,测量并分析了器件的受激辐射光谱。当抽运光较弱,小于18.0 mJ时,观察到染料DCM较宽的荧光辐射谱。随着抽运光的逐渐增强,以波长606 nm为中心出现了较尖锐的受激辐射峰,具有明显的阈值特性和方向性。最小半峰全宽(FWHM)大约为10 nm。

高质量的消色差波片是太阳望远镜实现多波段观测的重要元件,它的消色差性能直接限制观测仪器的工作波长范围。通过对不同类型的消色差波片性能的理论分析与比较,优选出消色差性能最佳的由5片同种折射材料组成的消色差波片。对研制的37 mm口径聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)塑料波片性能参数的测试显示,在486.1-656.3 nm波长范围内,λ/2波片延迟的绝对误差小于λ/350,光轴误差小于±0.2°;λ/4波片延迟的绝对误差小于λ/160,光轴误差小于±0.6°。在温度变化20-65 ℃ 范围内,延迟随温度变化在10-4量级,视场效应明显优于双折射晶体。以上测试结果表明,这种聚乙烯醇塑料波片可以用于整个可见光区域,且具有极好的温度效应和视场效应,适用于多波长需求的仪器。

星敏感器主要针对空间弱小运动目标成像,背景杂散光严重影响星像点获取的准确性。因此,遮光罩设计是星敏感器的关键技术之一。给出了星敏感器遮光罩设计的基本原则,并推导了两节型遮光罩最优长度设计的公式,简要分析了遮光罩长度、张口直径和张角的关系,并结合某星敏感器进行了仿真验证。结果表明,与桶形结构相比,新的设计结构紧凑,对视场外强光的抑制能力大大增强,能实现观测六等星的目标。

利用电磁波在一维(1D)圆柱掺杂光子晶体中径向受限的条件,推导出电磁波在一维圆柱掺杂光子晶体中各个模式满足的关系式。利用特征矩阵法计算出TE波和TM波各模式的缺陷模的变化规律。得出了一些一维圆柱掺杂光子晶体缺陷模的新特征。TE波和TM波的缺陷模频率都随模式量子数的增加而增大,而随圆柱半径的增加而减小。TE波的缺陷模频率半峰全宽(FWHM)随模式量子数的增加而减小,但随圆柱半径的增加而增大。TM波的缺陷模频率半峰全宽的变化情况与TE波相反。

利用光学-光学双共振光谱技术,测量了Na2(3Λu)态的预解离率以及与Na基态原子的碰撞转移率。样品池温度控制在553-703 K之间,用532 nm连续激光激发Na2(13Σ+u)至Na2(13Σ+g)态,调频脉冲激光器将13Σ+g激发至3Λu高位态。在不同的Na密度下记录3Λu→13Σ+g跃迁的时间分辨光强,得到3Λu的有效寿命。由Stern-Volmer方程得到3Λu态的辐射率与预解离率之和为(4.8±1.2)×107 s-1,而总的碰撞去布居截面为(2.7±0.5)×10-14 cm2。测量Na2分子的3Λu→13Σ+g以及Na原子的5S→3P,3D→3P辐射跃迁的时间积分光强。由光强比得到Na2(3Λu)向Na(3D)的预解离率为(8.0±2.4)×106 s-1,Na2(3Λu)→Na(5S,3D)的碰撞转移截面分别为σ5S=(6.2±1.9)×10-15 cm2,σ3D=(1.1±0.3)×10-15 cm2。