复合环形腔被动相干合成技术是提高激光功率并保持良好光束质量的有效手段。本课题组对该技术进行了理论和实验研究，其中主要研究分析了基于光纤激光阵列的复合环形腔被动相干合成技术的路数扩展特性、抗相位扰动特性、偏振选择特性、脉冲合成特性以及光束拼接技术。详细报道了相关研究结果并总结分析了该技术方案的发展趋势。

2.0 μm掺铥脉冲光纤激光器在人眼安全雷达、激光医疗、光电对抗以及特殊材料加工等领域具有重要应用，近年来成为新型光纤激光源研究的热点。对国内外2.0 μm掺铥超短脉冲光纤激光器的研究进展进行了归纳与总结，内容包括: 实现掺铥超短激光脉冲振荡输出的技术手段；新型被动锁模可饱和吸收材料，被动锁模掺铥光纤激光输出的性能及优劣；高功率掺铥超短脉冲光纤放大器的最新研究进展等。技术手段涉及主动锁模、非线性偏振演化锁模、可饱和吸收体锁模和非线性放大环镜锁模。新型可饱和吸收材料主要包括半导体、碳纳米管、石墨烯以及氧化石墨烯等。本课题组最新研究结果表明高功率掺铥超短脉冲光纤放大器的平均输出功率可达80 W，激光脉冲宽度为20 ps，激光中心波长为1963 nm。对此类超短脉冲光纤激光器的进一步发展及应用给予了展望。

短脉冲宽度、高峰值功率的被动调Q固体激光器在医疗、光通信、激光点火和非线性光学转换等领域具有重大的应用价值。通过热键合技术和陶瓷烧结技术将激光增益介质与可饱和吸收体键合到一起形成的被动调Q复合激光材料，不仅能降低分离式激光增益介质和可饱和吸收体界面的散射和反射损耗，以降低激光腔内损耗，而且能消除二者之间的空气间隙，避免激光器在高峰值功率运行时产生的等离子体所造成的空气击穿导致激光晶体的损伤，保证激光器的稳定运行。针对基于复合材料的激光二极管抽运的小型化、集成化及高峰值功率的被动调Q固体激光器的研制和应用潜力，系统介绍了基于Nd:YAG-Cr4+:YAG、Yb:YAG-Cr4+:YAG复合材料的被动调Q固体激光器的研究进展及其发展趋势。

报道了中心波长为1653 nm的窄线宽拉曼光纤放大器。该放大器为全光纤结构，种子源为平均功率8 mW、线宽2 MHz的分布式反馈(DFB)半导体激光器，抽运源为中心波长为1541 nm的掺铒光纤激光器，拉曼增益介质为长500 m的高非线性光纤(HNLF)。在3.32 W抽运功率下，拉曼光纤放大器输出功率为260 mW，放大器增益为15.1 dB，斜率效率约为12%。由于激光器输出波长位于甲烷气体的一个强吸收峰，可广泛应用于大气环境监测和天然气运输管道泄漏探测等多个领域。

利用两片半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现了稳定的被动锁模激光运转，获得了比单SESAM连续波锁模脉宽更窄、长时间运转稳定性更高的皮秒脉冲。理论上利用分步傅里叶变换法数值求解描述饱和吸收体被动锁模动力学过程的Haus主方程，模拟了双SESAM被动锁模的脉冲演化过程，分析了锁模激光脉冲形成过程与双SESAM可饱和吸收损耗系数q1和q2的关系,并计算得到了锁模脉冲宽度和锁模稳定区域等参数。计算结果与实验结果较为吻合。

报道了一种小型宽温Nd∶YAG激光器及掠入射式放大器。采用Nd∶YAG类光纤晶体作为增益介质，采用垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)阵列作为抽运源，利用Cr4+∶YAG作为可饱和吸收体进行被动调Q。连续运转时，在最大有效抽运功率为5.47 W时,获得1.808 W的输出，光-光转换效率为33.05%，斜率效率为36.5%。调Q模式下得到最窄脉宽为7.5 ns、单脉冲能量为87.1 μJ、峰值功率为11.6 kW的输出。采用掠入射式双程放大模块，对脉冲抽运下得到的单脉冲能量为81 μJ、脉宽为13 ns的信号光进行放大，在最大抽运功率下，放大后的单脉冲能量为0.88 mJ，相应的增益为10.86，能量提取效率为19.44%。放大后两个方向的光束质量因子由M2x=1.175和M2y=1.248变为M2x=1.196和M2y=1.307。激光器体积紧凑，可采取风冷等措施进行散热，在23±8 ℃的范围内，输出能量波动小于3%。

对基于周期极化掺氧化镁的铌酸锂(PPMgO:CLN)晶体的光参量放大器(OPA)进行了理论分析和实验研究。模拟了PPMgO:CLN晶体准相位匹配(QPM)波长-温度调谐曲线和OPA中各光波平均功率随晶体长度的变化曲线，并进一步分析了最佳晶体长度的影响因素。当常温极化周期为31.3 μm的PPMgO:CLN晶体工作在150 ℃时,用平均功率为44 W的调Q NdYAG激光器抽运OPA,注入OPA内的2.765 μm激光的功率由4 W定标放大至13.3 W,转换效率为21.14%。

实验上比较了808 nm和888 nm波长半导体激光器抽运时， Nd:YVO4内腔倍频单频激光器的最高输出功率和光-光转换效率，以及Nd:YVO4晶体热效应的差异。结果表明，888 nm直接抽运是提升高功率激光器性能的有效途径。鉴于888 nm激光抽运时吸收效率和无辐射跃迁过程之间的矛盾，从理论和实验上分析了掺杂浓度对单频激光器性能的影响。理论和实验结果均表明，采用掺杂浓度为0.8%(原子数分数)的Nd:YVO4晶体是实现高功率单频Nd:YVO4激光器的最佳选择。最终，通过采用888 nm波长半导体激光器抽运掺杂浓度为0.8%的Nd:YVO4增益介质，实现了最高功率为21.5 W的532 nm单频激光输出，光-光转换效率为31.6%。

近年来，随着激光二极管的快速发展，以及一些先进热管理方案和模式控制技术的涌现，固态激光器的输出功率迅速攀升至100 kW，光束质量也得到了较好的控制。归纳高能固态激光器的特点，简要介绍了国外固态高能激光器研发计划的进展情况。对当前已经实现了100 kW功率输出或者具备100 kW功率输出潜力的几种技术路线进行了深入细致的分析，包括热容激光器、薄片激光器、板条激光器、液体冷却激光器和光纤激光器，分别介绍了其设计理念、最新进展，并评价了它们的光束质量控制措施。

高功率光纤激光器与周期性极化非线性晶体相结合的频率转换技术,是实现可见及紫外波段激光输出的有效技术手段。本文以线偏振输出的连续波全光纤化激光振荡器为基频光源,以5%(摩尔分数)氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂(PPMgO∶LN)为倍频晶体,进行了单通倍频的实验研究,测量并分析了PPMgO∶LN的温度调谐特性。控制晶体温度为26.9 ℃,在基频光功率为8.05 W时,实现了17.84%的谐波转换效率,对应的倍频绿光功率为1.437 W。

报道了880 nm激光二极管(LD)共振抽运的连续波(CW)NdYVO4-PPLN内腔单谐振光学参量振荡器(ICSRO)。在21.9 W抽运功率下，获得了1.54 W的3.66 μm CW中红外闲频光输出，光-光转换效率为7.0%；与808 nm传统抽运相比，共振抽运ICSRO在振荡阈值、输出功率、转换效率和功率稳定性等方面都显示出明显优势。针对高抽运功率下逆转换过程影响单谐振光学参量振荡器(SRO)转换效率的问题，研究了振荡信号光的耦合输出透射率对SRO阈值和下转换效率的影响。通过提高振荡光输出镜透射率优化SRO阈值，可在高抽运功率下保持下转换效率的同时获得高效的信号光输出；21.4 W抽运功率下同时获得1.54 W闲频光和5.03 W信号光输出，总提取效率为30.2%。

中国科学院“计划”资助课题。

采用Nd:YVO4晶体带内抽运波长914 nm，降低激光二极管(LD)连续抽运时晶体的热负荷和端面热应力，提高高重复频率Nd:YVO4皮秒再生放大器输出性能。研究分析了普克尔盒加压脉宽对工作频率为100 kHz的Nd:YVO4再生放大器输出脉冲稳定性的影响，在吸收914 nm抽运功率为68 W，通过控制普克尔盒加压脉宽，实现了对单脉冲能量为1 nJ、脉宽为5.7 ps、频率为42.7 MHz的全固态Nd:YVO4半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模种子激光脉冲的稳定的100 kHz皮秒激光再生放大，输出平均功率为21.2 W。

描述了一种可调谐全固态Nd:YVO4/LBO倍频连续671 nm环形激光器的结构参数和相关实验研究。激光器采用四镜环形腔结构，利用880 nm激光二极管(LD)端面抽运YVO4-Nd:YVO4复合晶体和Ⅰ类相位匹配的LBO倍频方式，加入TGG旋光器和λ/2波片组成的光学单向器实现单向运转，通过对法布里-珀罗(F-P)标准具角度和腔镜压电晶体电压的调节实现了激光输出波长671 nm附近的调频。在抽运功率为23 W，吸收抽运功率为14.5 W时，输出单频671 nm连续红光最高功率为1.08 W,光-光转换效率为7.4%；加标准具调谐时，获得了最高功率为738 mW的可调谐红光输出。

报道了一种采用复合腔进行腔内和频的500.9 nm激光器。激光器由两个子谐振腔组成。在两个子谐振腔中，分别利用两个激光二极管抽运Nd:YAG 晶体和Nd:YVO4晶体，并分别选择946 nm波长与1064 nm波长振荡进行和频。采用双端复合Nd:YAG晶体以减小高功率下激光晶体的热透镜效应，并结合热效应对高功率抽运下谐振腔进行优化设计，实现了腔内两个波长较好的模式匹配。在两个子腔的交叠部分，利用KTP晶体Ⅱ类临界相位匹配进行腔内和频，得到和频激光输出。当Nd:YAG与Nd:YVO4晶体上抽运功率分别为10.6 W和17.8 W时，获得了730 mW的500.9 nm青绿光激光输出，光-光转换效率为2.6%。实验结果和分析表明，利用复合腔和频是获得500.9 nm激光输出的有效方法。

为了实现1550 nm正交线偏振双频激光输出，设计了一种复合环形腔双波长单纵模掺铒光纤(EDF)激光器，以保偏光纤Bragg光栅作为波长选择元件，并采用未抽运掺铒光纤饱和吸收体作为激光单纵模选择元件，从而实现正交线偏振1550 nm双波长单纵模激光稳定振荡输出。简要介绍了复合环形腔选模及未抽运掺铒光纤饱和吸收体选模的基本原理，理论分析了未抽运掺铒光纤长度对单纵模选择的影响，实验研究了不同选模情况下双波长激光的振荡特性。实验结果表明：腔内含有保偏光纤Bragg光栅和未抽运掺铒光纤饱和吸收体的复合环形腔。掺铒光纤激光器能够稳定输出1550 nm正交线偏振双波长单纵模激光，其波长间隔约为0.344 nm。这种双波长单纵模光纤激光器可广泛应用于激光传感与测量以及密集波分复用(DWDM)光纤通信等领域。

以被动调Q的固体薄片激光器作为种子光源，以中心波长976 nm的半导体激光器为抽运源，通过端面抽运耦合，搭建了窄脉宽双包层掺镱光纤放大器。实验研究了前向、后向端面抽运方式对窄脉宽双包层掺镱光纤放大器的输出平均功率、激光光谱、脉冲宽度等特性的影响，并进行分析讨论。结果表明,采用后向抽运方式，窄脉宽双包层掺镱光纤放大器，获得了平均功率为9.3 W的放大激光输出，重复频率为10 kHz，脉冲宽度为450 ps，峰值功率大于2 MW。

报道了一种基于石墨烯可饱和吸收体的被动调Q光纤激光器。配制了以邻二氯苯（DCB）为溶剂，以石墨烯、聚乙烯醇（PVA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为溶质的溶液。采用光诱导沉积法将石墨烯吸附于光纤端面，并将其作为可饱和吸收体构建到光纤激光器环形腔中。在掺铒光纤放大器（EDFA）功率为4 mW时即可输出稳定的调Q脉冲，在1564 nm处获得脉冲重复频率、脉宽、单脉冲能量、脉冲峰值功率随EDFA功率变化连续可调的稳定输出。当脉冲重复频率为28 kHz时获得了最大82.4 nJ的单脉冲能量、最大25.1 mW的脉冲峰值功率和最小3 μs的脉冲宽度。此激光器还具有长时间稳定运转的能力。

为了进一步提高半导体激光器整形系统的能量传输效率，提出了基于双曲面基底微透镜阵列的半导体激光器堆栈光束整形系统。双曲面基底微透镜阵列可以同时实现光束的准直与分束双重功能，减少了系统中光学表面的使用量。运用远心光路设计了半导体激光器光束慢轴准直透镜以满足微透镜小视场的要求。通过ZEMAX软件进行仿真，验证了双曲面基底微透镜阵列半导体激光器整形系统的可行性，并获得了30 mm×15 mm的、不均匀性小于7%的光斑，系统能量传输效率达到96%。

基于非线性薛定谔方程(NLSE)建立了自相似脉冲在振荡器中的产生模型，在此模型的基础上研究了自相似脉冲在激光器中形成的物理机制。通过合理设置参数，得到自相似锁模脉冲在激光器中的演化。此自相似脉冲具有严格的线性啁啾，可压缩至90 fs，脉冲峰值功率可以达到26 kW。在谐振腔内，随着位置的变化脉冲宽度被展宽或压缩，这种变化主要源于光纤内的自相位调制和色散综合作用。随着腔内净色散的增加，锁模脉冲输出能量逐渐增加，腔内脉冲呼吸比逐渐降低。随着抽运功率的增加，脉冲能量和腔内呼吸比也随之增加。这种可呼吸的自相似脉冲可在腔外压缩至接近变换极限，且具有超高峰值功率。

报道了一种高效率、结构紧凑型的激光二极管(LD)侧面抽运Nd:YVO4板条激光放大器。主振荡器为被动调Q微片激光器，在重复频率为20 kHz时，种子激光为平均功率为0.5 W，脉冲宽度为2.371 ns的基模激光。为了匹配抽运光模体积，实现高的能量提取效率和高增益放大，并减小热透镜效应，设计了一种分别对抽运光和种子激光进行整形的激光放大器。采用柱透镜对LD单bar发射的抽运光进行整形，同时采用焦距为75 mm的球透镜组对一通放大种子激光进行压缩；采用焦距为60 mm的柱透镜组对二通和三通放大种子激光进行压缩，以匹配抽运光的模体积。在重复频率为20 kHz时，实现了平均功率为5.5 W，脉冲宽度为2.5 ns，光束质量因子M2为1.5的激光输出，能量提取效率大于14%。

设计并研制了全固态连续单频1.34 μm Nd:YVO4环形激光器。利用880 nm激光二极管双端端面偏振抽运Nd:YVO4晶体，通过腔镜镀膜抑制1.06 μm激光振荡和环形激光谐振腔的设计优化使激光器稳定单向行波运转，实验获得了输出功率达9 W的连续单频1.34 μm激光输出，光-光转换效率达18%。激光器在4 h内的功率稳定性优于±1%，在1 min内的频率漂移为8.5 MHz，输出激光的光束质量M2因子为1.03。

报道了基于Nd:YAG晶体的4F3/2-4I13/2能级跃迁的1356 nm单波长LD端面抽运Nd:YAG激光器。采用LD端面抽运的平平腔结构，实现了2.4 W的连续波1356 nm和1414 nm双波长激光输出，光光转换效率为26.7%。通过在腔内插入1.3 μm波段的声光Q开关，增加了1414 nm波长的腔内损耗，从而获得了1356 nm的单波长连续和调Q脉冲激光输出。单波长输出功率为2 W；重复频率为5 kHz时，脉冲光平均功率为1.3 W，脉冲宽度为71 ns，峰值功率为3.66 kW。

报道了腔内倍频Yb:YAG/BIBO 515 nm薄片激光器，Yb:YAG晶体掺杂浓度(原子数分数)为10%，几何尺寸为11 mm×420 μm，高反面经Cr/Au金属化处理后，采用铟焊工艺焊接到微通道水冷热沉上。理论上计算了抽运光吸收效率和注入光斑半径。耦合系统为四程抽运结构，球面镜规格为直径=26 mm，曲率半径ρ=50 mm，倍频晶体选用按Ⅰ类临界相位匹配角度切割的BIBO，相位匹配角度(θ，Φ)=(166.7°,90°)。在24.9 W注入抽运功率下，515 nm激光最高输出功率可达680 mW，光-光转换效率为2.73%。

气雾化制粉具有球形度高、松装比大和流动性好等特点，适于制备激光熔覆专用合金粉末。采用自行设计的超音速气雾化喷嘴，在热喷涂粉末Ni60的基础上调整粉末材料配比，在不同的雾化气体压力下进行气雾化实验，以获得性能优良的激光熔覆合金粉末。结果表明，当其他条件一定时，雾化气体压力越大，粉末的平均粒度越小，体积4次矩平均径和索特平均直径越小，即颗粒越细；与此同时，粉末的松装比更大，流动性更好，更能满足激光熔覆的要求。但雾化压力不能无限制地增大。经综合考虑，雾化气压取7 MPa为较优的气雾化参数。对比在雾化气压为7 MPa时制备的镍基粉末与热喷涂Ni60粉末进行相同参数的同轴送粉激光熔覆，发现自制粉末的激光熔覆层平整光滑，没有裂纹和气孔等缺陷，且熔覆层的硬度相差不大。

通过控制Ni基自熔性合金粉末中Al、Mo含量，在H13钢表面原位制备了含γ′-Ni3Al强化相的激光熔覆涂层。借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了不同熔覆层的显微组织及物相结构。结果表明，4种成分的熔覆层均呈现出平整致密、无明显缺陷的宏观特征。Ni基自熔性合金粉末中加入Al易于生成γ′-Ni3Al相，当Al含量达到一定程度后，涂层中开始出现β-NiAl相，同时Fe主要以(Fe，Cr)固溶体形式存在，(Ni，Cr)固溶体极少。加入Mo后，涂层中几乎未见β-NiAl相；Al含量较少时，Mo主要与Fe结合形成Mo-Fe金属间化合物；当Al含量增加至开始出现β-NiAl相时，Mo便与Al结合形成AlMo3。同时Mo-Fe金属间化合物的存在也导致(Fe，Cr)固溶体较同等Al含量下未加入Mo时少，(Ni，Cr)固溶体含量较未加入Al时多。涂层摩擦系数均低于基体，最高显微硬度为基体的4.3倍，抗磨性提高了3.8倍。

157 nm是对硬脆材料进行激光表面微加工的理想波段。构建数学模型以探讨激光抛光材料时工艺参数对表面粗糙度Ra的影响，使用最小二乘法推导出粗糙度的计算式。利用157 nm激光对GaN外延片进行了抛光微加工的基础实验。通过比较多组模拟与实验粗糙度值，发现理论粗糙度值与实际的测量值之间有一定误差，但相对误差都在15%以下，最小的相对误差为4%。以低于15 Hz的脉冲频率和高于0.7 mm/min的扫描速度进行激光扫描刻蚀时，可以获得较低的表面粗糙度。数学模型合理地解释了抛光后底面沟壑的形成，为今后改善加工质量提供了理论依据。

为了有效地控制激光铣削层质量，建立了激光铣削层质量（铣削层深度、铣削层宽度）与铣削层参数（激光功率、扫描速度和离焦量）之间的反向传播(BP)神经网络预测模型。利用遗传算法(GA)优化了BP神经网络的权值和阈值，构建了基于遗传算法神经网络的质量预测模型。用GA-BP算法对激光铣削层质量进行了仿真预测，并将仿真结果与BP神经网络模型仿真结果进行了对比。仿真结果表明，两种网络模型的平均误差较小，网络训练后检验精度较高，说明两种网络模型用于激光铣削层质量预测是可行的，并且遗传算法优化BP神经网络能够有效地提高网络的收敛性和预测精度。

以脉宽为毫秒量级的单脉冲激光逆重力方向对金属的打孔实验为模拟对象，利用ANSYS软件并基于生死单元方法进行了数值仿真。根据靶材受热表面的气化压力反作用于熔融层的力学效应，建立了熔融液体克服表面张力运动的喷溅模型；分别用有限元法和有限差分法对二维轴对称的热传导方程和流体的一维欧拉运动方程进行耦合求解，得到了不同时刻模型的温度场和流场；应用生死单元法使发生喷溅的熔融液体单元在计算中失效，并得到了孔洞内壁和洞口表面的形状，其形貌与文献报道的实验结果相符合。数值结果显示出洞底附近的孔洞内壁具有不规则凹凸，而洞口则呈喇叭状，这是打孔过程中熔融液体在洞底附近的熔融层较薄处发生流动中断和位于洞口两侧的液体间张力作用所致。

利用4 kW光纤激光，对1.5 mm厚TC4钛合金板试件进行了激光对接焊试验。在对接试件中间夹入0.08 mm厚铝箔，通过调整工艺参数获得最佳焊缝成形。对比研究了加铝箔前后焊接接头的成形、金相组织、拉伸性能及显微硬度。结果表明，在TC4钛合金试件中添加铝箔中间夹层，能获得成形更好、拉伸强度更高的焊接接头；TC4钛合金/铝箔焊缝区显微硬度要明显高于未添加铝箔的焊缝区，两者相差近90 kg/mm2； TC4钛合金/铝箔焊缝区晶粒更加细小，针状α′相组织细小，且呈现网篮状组织分布特征；两种焊接接头热影响区的显微硬度和显微组织差别不大。

使用Nd:YAG 脉冲激光器对硅与玻璃进行激光透射连接实验，研究了工艺参数（功率、速度及离焦量）对熔池几何要素（熔深、熔宽及深宽比）的单因素及交互式影响，分析了激光能量密度对激光透射连接硅与玻璃熔池成形的影响，并量化了激光能量密度与熔池几何要素之间的关系。得到了深宽比与剪切强度的匹配曲线。结果表明，当激光能量密度大于8 J/mm2时，深宽比趋于平稳，深宽比达到0.25时，其剪切强度达到最大值，激光能量密度对熔池成形及连接质量有着较为显著的作用。

采用“生死单元”技术模拟了激光金属直接成形DZ125L单层单道和单层两道试样时扫描单元内部温度场的分布情况，分析了熔池温度梯度的分布与试样内部金相组织演变的关系并进行了实验验证。结果表明，成形单层单道试样时，柱状晶能够从基材连续向上生长，熔池中间部位柱状晶连续生长得最高，并且熔池顶部容易形成等轴晶；成形单层两道试样时，扫描方式与搭接率对温度场分布及金相组织的转变影响较大，往复扫描方式下搭接区容易产生转向枝晶，搭接率过小会严重影响两道搭接处柱状晶的连续生长。模拟结果和实验结果吻合得较好。

基于单模多模单模（SMS）光纤输出光功率随温度的变化规律，提出了一种温度测量的理论模型，并实现了一种新型的测温系统。通过测量光功率变化的相位即可得到与之呈线性关系的温度变化。通过两个温度变化过程对该系统进行定标，得到相位与温度之间的定标系数为2.5347。对自然快速升温和线性缓慢升温两个过程进行了实验测试，系统误差小于5%。

提出了一种基于大芯径塑料包层光纤的嵌入式微结构光纤器件，该结构的锥区末端具有均匀的折射率分布与光场分布。理论分析结果表明，耦合系数随着锥区直径的减小呈现指数形式增大，增大锥区的长度可以使器件的损耗减小。实验上采用固定式加热方法和移动式加热方法分别制作了这种器件，使用移动大热区拉锥系统可以使锥区的长度增大近5倍。利用波长632.8 nm的He-Ne激光，测试了该器件不同长度锥区的损耗，锥区长度为0.7 cm时损耗约为2.63 dB，而锥区长度为3.4 cm时损耗约为1.06 dB，锥区长度对器件损耗的影响与理论分析一致，可以通过改进器件的结构实现低损耗传输。

对单包层掺镱光纤的吸收特性进行了实验研究。分析了抽运光功率、掺杂光纤长度以及种子光功率对单包层掺镱光纤吸收能力的影响。研究发现吸收饱和时，抽运光每增加100 mW，掺杂光纤可再吸收40～60 mW的抽运光，且随着抽运光功率的继续增加，吸收系数趋于某一定值；长度越长，吸收饱和情形下掺杂光纤的再吸收能力越强，光纤的吸收系数越大；注入种子光能明显提高掺杂光纤对抽运光的吸收能力。

针对大气湍流易造成激光通信产生长突发错误的问题，研究了低密度奇偶校验(LDPC)编码结合信道交织的差错控制方案。以交织距离作为适应度函数，提出了一种基于遗传算法的交织器设计方案。分析几种交织方式的距离特性表明所设计交织器较分组交织、随机交织和混沌交织具有明显的性能优势。误码率仿真结果也表明，在弱湍流条件下，当误码率为10-5时，基于遗传算法的交织器较Logistic映射混沌交织器具有0.5 dB的性能优势，而与随机交织器相比，更有0.87 dB的性能优势。故该交织器设计方案在大气激光通信中将具有一定的应用价值。

分布式光纤拉曼温度传感系统(DTS)可采用光纤拉曼散射效应测量温度,但由于光纤中产生的自发拉曼散射信号特别微弱，完全被淹没在噪声中，影响了系统的测温精度。针对存在的噪声问题，提出了将工程领域中广泛应用的小波变换用于系统的信号处理，并利用Matlab与VC进行联合编程的方法,将小波去噪实际地应用于系统中。实验结果表明该方法能够有效去除信号中的噪声，使系统的平均温度测量误差由3.1 ℃降低到1.1 ℃，进而可以提高系统的温度分辨率以及温度测量精度。

单模光纤与毛细管光纤(COF)的侧抛耦合不会破坏COF的中央空气孔，使COF可以很方便地用作原子导引或采样管。实验研究了单模光纤与一种新型COF的侧抛耦合，并证明了该种耦合方法切实可行。通过解析方程计算了侧抛光纤剩余包层的厚度与耦合光功率的定量关系，为COF侧抛耦合的进一步研究奠定了基础。另外,侧抛耦合方式可使COF或其他类似微结构光纤应用更广。

设计了一种基于碲酸盐玻璃的双芯光子晶体光纤(PCF)偏振分束器，采用全矢量有限元法和模式耦合基本理论以及全矢量光束传播法对其特性进行了研究，并与相同结构参数的石英玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器的特性进行了对比。结果表明，此种偏振分束器有更高的消光比和极低的耦合损耗，在工作波长为1.55 μm，光纤长度为441 μm时，两偏振光实现分离，两个纤芯在x、y方向偏振光的消光比分别达到-50.1 dB和-53.6 dB，消光比小于-20 dB的带宽分别为34 nm和36 nm，耦合损耗仅为0.0009 dB。

利用两段色散互补的单模光纤跨段，并结合一个相位偏移器，设计出了一种基于光纤自相位调制效应的全光信号优化结构。理论分析了光纤中的自相位调制效应，介绍了优化结构的工作原理和基于半导体光放大器(SOA)与马赫曾德尔干涉仪(MZI)的全光异或原理，并通过光通信系统设计软件OptiSystem搭建了全光异或门和全光信号优化结构的仿真模型，分别对速率为10 Gb/s和40 Gb/s的全光异或输出结果进行了优化，使得异或输出消光比分别从10 dB和9 dB提高到约26 dB，并得到质量优良的输出眼图。结果表明，常规的全光异或输出消光比普遍较低，通过全光信号优化结构可以使消光比得到大幅提高，改善输出信号的质量。

采用新型超声喷雾共沉淀技术，以Fe (NO3)3、Al(NO3)3、Ba(NO3)2、Gd2O3、Cu(NO3)2和Na2S为原料制备Cu5FeS4，BaCu2S2，CuGd2S4，CuAlS2 4种金属硫化物纳米粉体，用X射线粉末衍射仪表征了多元金属硫化物纳米粒子的晶相结构；采用扫描电镜观察了多元金属硫化物的晶相形貌，并测定了纳米粒子从可见到近红外的胶体状吸收和透过光谱。研究表明不同化学组成的纳米硫化铜对近红外光都具有显著的吸收增强效应，同时对可见光波段具有很高的透过率，这种具有特殊光学吸收特性的纳米金属硫化物有望成为新型太阳能热屏蔽器件的新材料。

钛宝石单晶是重要的可调谐激光晶体材料，当前的研究重点在于获取大尺寸、高质量钛宝石晶体来满足高能激光发展的需求。采用先进泡生法(KY)生长技术，通过对生长工艺的优化控制，成功生长出了高质量的30 kg级钛宝石晶体，钛的掺杂离子数分数为0.2%。实验测试结果表明，晶体中钛离子浓度分布均匀，光学性能良好，晶体品质因素（FOM）值大于200。实验结果对于实现高质量、大尺寸钛宝石晶体的生长及其激光应用具有十分重要的意义。

利用水热法制备了新型氟化镧掺钕（LaF3Nd）纳米材料，其结构为六方晶型，纳米尺寸在25 nm左右；利用超声波分散技术，制备成了一系列具有不同稀土分散浓度的纳米分散液。其钕离子浓度可达到1×1020 cm-3。可见近红外透射光谱表明，对于5 mm光程的纳米分散液，其在1053 nm处的透射率大于85%，与掺钕透明陶瓷的透射率相当。荧光寿命测试结果显示，该稀土纳米材料（La0.95Nd0.05F3）在分散液中的寿命值为200 μs，与粉末相比，降低了3.8%，表明这种低荧光猝灭率、高离子浓度、高透射率的纳米分散液将是一种可用于高重复率、高功率、超短脉冲的流体激光工作物质。

基于随机激光的时域理论，利用时域有限差分法(FDTD)数值求解麦克斯韦方程组和速率方程组，分别计算了二维无序介质中抽运速率和散射颗粒折射率对随机激光辐射的影响，同时还分析了介质中不同区域的输出谱和空间模式分布。计算结果显示，对于二维随机介质，在其他条件保持不变的情况下，散射颗粒折射率与背景介质折射率差越大，随机激射的阈值越低。介质中不同区域的辐射谱是不同的，且随着激励源抽运强度而变化。随机激光辐射始终集中在介质中某几个固定区域，但各个区域的随机激射效率是不同的，同时在区域之间存在模式的空间范围重叠。

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同AlN隔离层厚度的AlGaN/AlN/GaN结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料。研究了AlN隔离层对HEMT材料电学特性的影响。AlN隔离层厚度约为1.5 nm的HEMT材料，二维电子气浓度和迁移率分别达到1.2×1013 cm-2和1680 cm2/Vs、方块电阻低至310 Ω，体现了HEMT材料良好的电学性能。原子力显微镜和高分辨X射线衍射测试结果显示HEMT材料具有较好的表面形貌和异质结界面，较好的异质结界面也有利于增强HEMT材料的二维电子气浓度和迁移率。

为了提高动态光散射（DLS）粒径反演精度，考虑到粒径分布（PSD）的非负性及截断奇异值反演（TSVD）法的抗干扰性，比较了信赖域法(Trust)及内点牛顿法(IPN)非负约束的TSVD反演的特性，并结合两者特性，提出了一种Trust与IPN相结合的截断奇异值(Trust-IPN-TSVD)粒径反演方法。该方法继承了Trust-TSVD及IPN-TSVD方法的优点。通过模拟200~500 nm单峰、100~700 nm双峰分布颗粒Trust、IPN及Trust-IPN三种TSVD方法的反演结果可以看出：相对于 Trust-TSVD, Trust-IPN-TSVD最多分别可改善单峰、双峰分布颗粒反演PSD峰值误差、相对误差为1.68%、0.2461，1.41%、0.0587，且它的PSD更平滑；相对于IPN-TSVD, Trust-IPN-TSVD最多可改善单、双峰分布颗粒反演PSD峰值误差、相对误差为4.52%、3.710，9.47%、0.4229，且它的PSD明显变窄。因此，Trust-IPN-TSVD法的反演PSD具有较高的精度及较好的平滑性，更符合理论分布。最后实测颗粒的反演结果证实了该结论。

提出采用光子级别的弱本振光(LO)与弱回波信号进行相干混频。接收单元采用多像素光子计数器(MPPC)，光子混频中心频率为1 MHz，本振光与回波光子光程差分别为30、45、60 m。实验分析表明，在距接收系统的任何位置，其数据的功率谱密度(PSD)中均含有大量噪声成分。为减弱噪声的影响，采用功率谱密度叠加方法从噪声中提取信号，并采用匹配滤波算法将信噪比进一步增强。对距接收系统45 m和60 m处的混频信号进行6次功率谱密度叠加后利用匹配滤波算法进行滤波，信噪比分别提升5.90倍和2.73倍，且初始信噪比越高，滤波后信噪比改善越明显。

远场激光光斑测量是研究高功率激光大气传输效应的有效方法，同时也是测试分析激光系统远距离瞄准能力的主要手段。设计了一种基于光电探测器阵列的高重复频率脉冲激光光斑分布探测阵列，实现了到靶激光总功率和光斑时空分布的定量测量。该探测阵列由297路Si-PIN光电探测器单元组成，其中心区域空间分辨力为1 cm，有效探测尺寸为32 cm、波长范围为300～1100 nm。结果表明，该系统可用于最小脉冲宽度为10 ns、重复频率为1～20 kHz、动态范围为0.02～100 μJ/cm2的脉冲光斑测量。

大气中间层激光钠信标荧光回波光子的激发受到地磁场、钠原子碰撞以及反冲的影响。地磁场引起钠原子的拉莫尔进动，严重地削弱长脉冲和连续波激光与钠原子作用的光抽运；原子碰撞一定程度上增加了钠荧光平均回波光子通量；反冲却降低了钠荧光平均回波光子通量。此外，下抽运现象容易导致钠原子光抽运在较低的光强下进入跃迁饱和。因此，为了增加钠荧光回波光子数，可以采用再抽运的方法获得较高的钠荧光平均回波光子通量。数值模拟的结果表明，在Greenwood大气湍流模式下，在激光束中加入16%的再抽运能量获得的钠荧光回波光子数大约是单一频率（D2a）激发钠荧光回波光子数的2.33倍。

利用劳厄晶体研究了X射线的单色衍射性质，研究了对数螺旋型劳厄弯晶在等离子体X射线单色成像中的应用。根据光线追迹原理及对数螺旋线的表面方程，研究了对数螺旋型劳厄弯晶的单色成像原理，分析了单色衍射像不受透射白光X射线影响的准则，以及子午、弧矢放大倍数和单色成像视场等性能参数。研制了石英晶体(1010)对数螺旋劳厄弯晶分析器，以铜靶X射线源作为背光源，对网丝直径为50 μm的金属网格进行了单色背光成像实验。实验结果表明，当背光源尺寸为110 μm时，对数螺旋型劳厄弯晶的空间分辨力约为11.9 μm，分析器在子午和弧矢方向的视场分别达到22.3557 mm和8.2602 mm。

通过三维荧光光谱技术和平行因子分析法相结合，提出了一种石油类污染物的识别和检测方法。以97#汽油、0#柴油和普通煤油的不同浓度CCl4溶液为测量样品，不考虑每种油的具体成分，仅将其视为一个整体作为一种组分来研究，通过汽油、柴油不同比例的混合以及存在煤油作为干扰物的情况下，利用FLS920全功能型荧光光谱仪测量得到样品的三维荧光光谱数据。经过激发与发射校正以及空白扣除，去除了仪器误差和散射的影响并得到了样品的真实光谱。实验采用基于平行因子的二阶校正算法分析测得的光谱数据，体现了算法的二阶优势，验证了在未知干扰存在的情况下依然能够对混合样品各成分进行准确的识别和浓度测量，并得到满意的回收率。

利用显微拉曼光谱技术对河南省济源市一座明代古墓葬出土壁画的颜料以及壁画表面结晶物质进行了分析。通过与标准样品的拉曼光谱相比较，识别出了壁画所使用的红色、绿色、黑色和黄色颜料的显色物相，其中红色颜料为赤铁矿和朱砂，绿色颜料为石绿，黑色颜料为碳黑，黄色颜料为黄赭石，而出现在壁画表面的结晶物为石灰质地仗层中的碳酸钙在地下水作用下，透过颜料层在壁画表面重新结晶而形成的。研究结果表明，显微拉曼光谱是一种高效率的分析方法，非常适合对古墓葬壁画颜料以及相关成分进行鉴别分析。

投影光刻机普遍采用衍射光学元件(DOE)来产生各种照明模式。针对投影光刻机中准分子激光器空间相干性差的特点，提出了一种混合分区设计方法，并利用该方法对产生传统照明模式、二极照明模式和四极照明模式的DOE进行了具体的设计。仿真分析了采用常规重复分区方法和混合分区方法的两类设计结果，并对它们的远场光强分布进行了详细的比较分析。在相同的局部优化算法条件下，相对于常规重复分区方法的设计结果而言，混合分区方法设计的DOE可使传统照明模式的非均匀性从26.45%下降到1.12%，二极照明模式的非均匀性从19.93%下降到5.45%，四极照明模式的非均匀性从17.73%下降到3.54%。混合分区设计方法无需改变局部优化算法，在保持高衍射效率的同时能大幅度提高光瞳均匀性。