从啁啾脉冲放大技术到精密光谱学光频梳,从超分辨荧光显微术到飞秒化学,这些(分别获得2018、2005、2014、1998年度诺贝尔物理奖和化学奖)举世瞩目的科学成就,无不彰显了超短脉冲激光对人类科技创新和认知力的深远影响。对超短脉冲激光的特点、表征方法、产生与放大途径等一些重要基础知识进行回顾,对用于先进制造业中的超短脉冲激光系统的基本光学结构、各种主要技术指标及实际工业加工应用中一些关键激光参数的合理选择予以介绍。最后还呈现一幅在多年教学实践基础上绘制的“超快激光光学”学习路线图,并以此作为对超短脉冲激光相关科学技术知识框架的一种整体描绘。

采用阴影法对高重复频率准分子激光器放电腔内的放电冲击波现象进行了实验研究,研究结果揭示了放电冲击波的产生以及演化过程。通过对观测结果进行分析,获得了放电冲击波的3种典型形式:横向冲击波、纵向冲击波(主电极冲击波)和预电离冲击波。估算了3种冲击波的波速,进而分析了可会受冲击波影响的重复频率。研究成果可以为高重复频率准分子放电腔的设计提供支持,尤其是可以在放电冲击波抑制结构的设计方面提供支持。

为探究腔内各气体的压强比对激光陀螺特性的影响,从等离子色散函数出发,探究气压气比对环形腔内光强调谐曲线的影响,同时使用自制的环形激光陀螺进行工程试验。搭建了一套可操作性强、气压气比可调节且可实时监测的充气实验装置,得到该激光陀螺输出增益随气压气比的变化关系,从而得出最佳的工作气压气比。结果表明:激光输出增益首先随着气压的增大而增大,当气压增大到某一气压值时,输出增益达到最大值;之后输出增益随着气压的增大而减小,当气压增大到某一临界值时无激光输出。

利用地基激光雷达和CALIPSO卫星数据,选取廊坊地区清洁天、霾天和多云3种天气个例,对廊坊市气溶胶垂直分布特性进行对比分析,并判断污染物的可能来源。结果表明不同天气类型下两个激光雷达反演的消光系数廓线整体一致,相关系数高。清洁天气2 km以下有少量沙尘气溶胶,消光系数均小于0.2 km -1,退偏比集中在0.10~0.30,色比值集中在0.5~1.0,粒子非球形度高且粒径大;霾天在低空500 m以下聚集着球形度高的细粒子污染物,消光系数最高超过2 km -1,退偏比和色比值都较小,污染大陆型气溶胶和污染沙尘同时存在;多云天气下,垂直高度上只在出现云层的位置消光系数很大,廓线有尖峰,退偏比大部分小于0.02,色比集中在0.10左右,受到上升气流的影响,高空7 km以下都分布着少量沙尘气溶胶。

针对线性扫频激光器在扫频速度、步长、范围、精度和信噪比等方面差异较大的问题,提出一种基于声光调制直接生成频率扫描激光器的方案。该激光器采用环形腔体结构,具有扫频速度快、扫频精度高、信噪比好等特点。通过分析激光器的信噪比和掺铒光纤放大器中掺铒光纤的长度等参数对生成的频率扫描激光器性能的影响,对现有的频率扫描激光器进行了优化。

采用离线和在线两种方式对光纤激光器的增益光纤进行γ射线辐照,实验研究了γ射线辐照对激光器功率特性的影响。通过离线辐照实验发现,经过一定剂量的射线辐照,当泵浦功率大于某一值之后,光纤激光器的斜率效率基本保持不变。通过总辐射剂量为2580 Gy的在线辐照实验发现,激光器的输出功率在辐照初期呈指数衰减,降到最低值之后,会出现小幅的回升,然后趋于稳定。通过计算光纤激光器在两种辐照方式下的功率退化率随辐射剂量的变化规律后发现,在辐照的初期,在线辐照激光器的功率退化率较大,但是随着辐射剂量的增加,两种辐照方式下激光器的功率退化率逐渐趋于一致。采用光纤辐致损耗的色心理论对实验结果进行了初步解释。

针对激光熔覆层易形成非平衡组织以及其内部的残余应力易导致熔覆层变形、开裂等问题,采用回火热处理来改善420马氏体不锈钢熔覆层的综合性能,研究了回火温度对熔覆层显微组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明:原始熔覆层主要由马氏体、奥氏体和M23C6碳化物组成,经200 ℃和400 ℃回火后,试样中新生成了逆转变奥氏体;回火温度对试样的力学性能有一定影响,低温(100 ℃、200 ℃)和中温(400 ℃)回火态试样的抗拉强度(约为1800 MPa)和显微硬度(约为530 HV)与原始态试样相当;随着回火温度升高,试样的延伸率逐渐增大,但高温(600 ℃)回火态试样的强度和硬度显著下降,其延伸率略有降低;400 ℃回火态试样的综合力学性能最佳,但其耐腐蚀性能较原始态试样和市售420马氏体不锈钢420MSS略有下降。

采用选区激光熔化技术成形Inconel625高温合金(IN625)试样,探讨激光能量密度对试样孔隙和裂纹等缺陷的影响,并分析最佳相对密度试样的组织和力学性能。结果表明:当能量密度为50~78 J·mm -3时,试样的相对密度达到99.5%以上;当激光能量密度为75 J·mm -3时,成形件接近完全致密状态;当能量密度较低时,试样内出现未熔粉末和裂纹;当能量密度较高时,试样中出现不规则孔洞和细小孔隙。最佳相对密度的成形件显微组织中存在胞状晶和柱状晶,晶粒的平均粒径为10~30 μm,亚晶的数目较少,晶粒生长方向出现少量<001>择优取向;拉伸断裂模式为混合断裂,拉伸断口上出现了大量、细小的韧窝;成形件的显微硬度、抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为(327±3) HV、(930±5) MPa、(700±5) MPa和29.5%。

利用激光熔覆的方式将Lc-Sr-31(Fe基)合金粉末堆积在高速列车制动盘铸钢材料表面,以获得具有抗高温氧化性能的Fe基合金熔覆层。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射仪等研究了熔覆层在650 ℃高温下经历不同氧化时间后的氧化膜组织及物相组成,进而得出该涂层体系抗高温氧化腐蚀的机理。结果显示:所制备的Fe基熔覆层与基体材料呈冶金结合状态,且无裂纹、气孔等缺陷;在650 ℃下连续静置100 h后,熔覆层表面形成了致密的Cr2O3和SiO2氧化膜,氧化增重现象不明显;当高温氧化时间延长至200 h后,熔覆层表面出现了较多不连续的FeCr2O4尖晶石氧化物,为基体材料提供持续的抗氧化能力。

采用光纤激光-冷金属过渡(CMT)焊、光纤激光-变极性钨极惰性气体保护(VPTIG)焊、光纤激光-熔化极惰性气体保护(MIG)焊三种复合焊接方法对带锁底结构的6106-T6铝合金型材进行焊接。采用优化后的焊接工艺参数,焊后得到了成形良好、无明显缺陷的复合焊接接头,研究了接头的显微组织、拉伸性能和疲劳性能,并分析了疲劳断裂机理及断口形貌。结果表明:激光-CMT和激光-VPTIG复合焊接接头中心由上至下等轴晶尺寸逐渐减小,激光-MIG复合焊接接头焊缝中心的晶粒较粗大,且上下部分等轴晶的尺寸变化不大;激光-CMT、激光-VPTIG、激光-MIG三种复合焊接接头的抗拉强度分别为213.0,198.0, 200.0 MPa,较母材均存在一定程度的强度损失,疲劳极限分别为105.00,100.83,113.50 MPa;疲劳断裂位置均在焊缝熔合线处的柱状晶区,断口均呈韧窝状,为典型的韧性断裂。

研究了温度对铝合金薄板中零群速度(ZGV)Lamb波频率的影响。建立了基于多普勒测振仪的全光学探测与脉冲激光激发不同温度的铝合金薄板中S1-ZGV模式的实验系统,得到铝合金薄板中S1-ZGV模式频率随温度的变化。随着温度从20 ℃升高到370 ℃,实验结果表明S1-ZGV模式频率减小了10.4%,理论计算结果表明S1-ZGV模式频率减小了10.9%,实验结果与理论结果比较吻合。进一步从理论上分析了铝合金薄板的厚度、泊松比和横波波速对S1-ZGV模式频率的影响,结果表明:当温度从20 ℃升高到370 ℃时,厚度对S1-ZGV模式频率的影响最小,横波波速对S1-ZGV模式频率的影响最大。

为了改善和提高不锈钢TIG电弧增材制造零件的成形质量和力学性能,加入小功率激光对TIG电弧进行诱导增强,对比激光加入前后的电弧形态,研究不同激光功率下制得的增材制造墙体的抗拉强度及微观组织。结果表明:激光的诱导作用能够压缩电弧,稳定堆积过程,提高堆积速度,实现墙体的低热输入堆积,提高墙体的力学性能;墙体的微观组织主要是柱状树枝晶;热量的积累使得墙体从下到上的枝晶间距逐渐增大,墙体从下到上的硬度值逐渐降低;墙体最顶部为等轴树枝晶;激光诱导电弧复合增材制造的316不锈钢墙体由奥氏体和铁素体组成。

基于可视化观察,研究了光纤激光-TIG电弧复合焊接等离子体的多重形貌特征。结果表明:基于等离子体光强的非均匀分布特性,利用多重成像法可同时观测出复合焊接等离子体的三重像和四重像,并可区分出金属等离子体和电弧等离子体,而且采用氦气保护比采用氩气保护更易于区分;在相同的电弧电流和成像条件下,复合焊接等离子体的面积明显大于单电弧焊接等离子体的面积;TIG电弧-激光复合焊接等离子体的面积明显大于激光-TIG电弧复合焊接等离子体的面积;复合焊接等离子体中金属等离子体与保护气并未充分混合,金属等离子体对复合焊接等离子体的形貌、稳定性等方面具有重要影响。

针对激光熔覆沉积TC4钛合金力学性能较低,不能达到锻件标准且力学性能各向异性较大的问题,通过机械搅拌预制不同硼含量的TC4粉体,使用预制粉体进行激光熔覆沉积实验,以达到调控微观组织、提高综合力学性能的目的。结果表明:当硼质量分数为0.050%时,沉积态TC4钛合金的力学性能均超过锻件标准,屈服强度和抗拉强度分别为1049 MPa和1136 MPa,延伸率和断面收缩率分别达到11.50%和33.5%,但塑性各向异性高达30%以上;经过950 ℃×1 h/空冷+500 ℃×4 h/空冷固溶时效热处理后,综合力学性能进一步提高,在保证强度的同时,延伸率和断面收缩率分别达到16.70%和37.3%,且各向异性小于5%。

通过在石英玻璃的抛光过程中引入α-Al2O3颗粒,对抛光过程中石英工件表面产生的划痕类型和收尾阶段不同粒径杂质颗粒产生的划痕长度进行分析,同时研究了抛光液质量分数和抛光盘结构对石英玻璃抛光质量的影响。结果表明:杂质颗粒需要盘面提供足够大的支撑力才能在工件表面产生划痕,而杂质颗粒所受盘面的支撑力大小取决于其位置高度和共同参与受力的基质颗粒数量;杂质颗粒的位置高度很难掌控,但在相同工艺条件下,使用质量分数为6%的抛光粉和具有多微孔结构的沥青抛光盘可以有效降低划痕的产生概率,并且不会导致抛光表面粗糙度变差或过度影响抛光效率,对实际加工生产有指导意义。

采用红外脉冲激光对芳纶纤维增强树脂基复合材料表面环氧类保护漆层进行去除处理,详细分析了激光去除的不同机制,并通过理论计算和实验分析确定了清洗方法。基于计算和实验测试数据得到了激光去除大部分涂层的工艺参数,然后结合酒精擦拭实现了树脂基复合材料部件表面环氧类保护漆层的有效去除。测试结果表明,处理后的芳纶纤维增强树脂基复合材料没有损伤,可以满足工业应用的需求。

优化设计了基于金属掩模的全息光刻微纳光栅制备工艺方案,基于GaAs衬底利用全息光刻和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术制备出周期为860 nm的光栅图形。将磁控溅射生长的金属硬掩模作为光栅刻蚀的阻挡层引入到刻蚀工艺中,并利用lift-off技术制备Ni掩模。对比了以光刻胶、SiO2、Ni三种材料作为ICP干法刻蚀掩模对光栅刻蚀深度及形貌的影响,结果表明,Ni掩模具有较强的抗刻蚀特性。扫描电镜测试结果显示:将50 nm厚的Ni作为硬掩模,可以实现深宽比约为4.9的光栅结构,该结构的槽宽为300 nm,刻蚀深度为1454 nm,具有陡直的侧壁形貌及良好的周期性和均匀性。

根据278 nm激光系统的技术要求,研制了一种倍频分离膜,用于二倍频激光和四倍频激光的分离。实验以牌号为JGS1的石英玻璃作为基底,结合激光损伤热效应机理及材料的本征吸收,选择金属铪和UV-SiO2作为薄膜材料。利用Macleod膜系设计软件分析电场强度分布随膜系周期的变化规律,依据薄膜设计理论和激光损伤场效应机理,完成了倍频分离膜的设计。采用X射线光电子能谱仪、分光光度计和ZYGO干涉仪表征了薄膜的化学成分、光学性能和表面粗糙度。对实验结果进行对比分析,优化薄膜的生长工艺,减小了外因吸收。测试结果表明,当入射角为45°时,278 nm波长处的透过率为98.82%,556 nm波长处的反射率为99.80%,在40°~50°宽入射角范围内,光谱性能均可达到技术指标,激光损伤阈值为12.53 J/cm 2,满足使用要求。

调频连续波干涉技术对运动目标实时测距时,引起的多普勒效应会导致测量结果存在偏差。针对此问题,提出对激光光源的光学频率进行三角波调制的方法。在一个调制周期内产生两个调频方向相反的频率扫描信号,利用多普勒效应在两个调频方向上的频移量互为相反,可消除多普勒影响。实验结果表明:基于频率为2 Hz、幅度为15.57 μm的单方向运动,三角波调制能够克服多普勒频移产生的5 mm测量偏差,目标距离测量结果标准差达0.035 mm;实现800 mm测量范围内,速度为1 mm/s的运动目标距离测量,具有良好的线性度;在800 mm处实现的测量速度最大可达9 mm/s,最小相对误差可达0.067%。该方法可实现运动目标距离的实时跟踪测量,有利于调频连续波干涉测距技术的广泛应用。

受限于面阵像元尺寸和细分技术,利用面阵器件进行长度测量难以达到亚微米级。提出了一种基于法布里-珀罗(F-P)标准具多光束干涉成像原理的二维亚微米级位移测量方法,通过计算同心干涉圆环圆心坐标变化量得到焦平面内的二维微位移。采用虚拟面阵像元细分和峰位坐标局域细分技术等处理面阵海量信息,减小未定系统误差影响,实现同心干涉圆环圆心坐标的准确求取。实验采用间隔约为2 mm的F-P标准具、焦距约为50 mm的光学透镜,对焦平面内不同位置处的成像同心干涉圆环圆心进行计算,测量范围基本可达到3 mm。实验采用激光相调差动干涉仪进行位移比对测量,在34 μm量程范围内,测量结果的直线拟合标准差为0.0154w″(w″为相对像元间隔),包含因子为2.45时扩展不确定度为0.036w″,验证了该测量方法的准确性。

基于衍射重叠相位恢复术(PIE),提出一种新的平面偏振双折射测量方法。利用PIE测量方法,对样品在两种不同偏振状态下形成的暗场探测光复振幅进行重建,并分别从探测光相位及复振幅之比中简单准确地提取相位延迟量及方位角,实现了双折射样品的二维定量测量。采用双折射分辨率靶对所提方法进行实验验证,所得结果与分辨率靶实际分布完全相符,相位延迟量最大误差不超过23.9 nm,方位角误差为0.49°。该方法结构简单,能解决传统平面偏光仪无法实现定量双折射测量的难题,同时减少了PIE扫描的次数,缩短数据采集时间及处理流程,为大口径光学器件的双折射检测提供了一种实用方法。

针对工业现场的薄壁类零件圆孔轮廓的测量问题,构建一套基于双目视觉的测量系统。以双目摄像机作为视觉传感器,通过检测圆孔内部和零件表面灰度值,实现光源亮度的自动调节,使左右相机同时采集到最清晰的圆孔图像。通过圆孔轮廓识别和基于外极线约束的匹配,继而实现圆孔轮廓三维重建,从而获取圆孔的孔径信息和三维坐标。实验结果表明,系统具有较高的测量精度,其稳定性与精确性满足工业现场的应用。

参考面二阶项(离焦和像散)误差是导致拼接累积误差的主要因素,而参考面高阶误差会导致高频面形误差。分析由参考面误差二阶项和高阶项导致的拼接误差的规律。研究参考面误差导致任意两个子孔径拼接误差之间的关系。提出一种可以有效减小参考面高阶项误差对子孔径拼接结果影响的算法。该算法将拼接后的子孔径面形数据对应相减,分离出参考面高阶项误差的拼接误差。数据仿真和实验验证表明了该算法的正确性和有效性。

采用光学空间滤波方法,对基于变形镜生成的贝塞尔光束的质量进行改善。设计了一种环形滤波器,在贝塞尔光束的空间谱平面上滤除由变形镜圆顶误差引起的频谱分量,使贝塞尔光束的轴向光强分布更加均匀;设计了扇形和环形组合的滤波器,将圆对称的贝塞尔光束整形成椭圆贝塞尔光束,其主瓣的长短轴之比约为1.72,轴向光强半峰全宽达到247 mm,具有良好的无衍射特性。提出的空间滤波方法可有效提高基于变形镜生成的贝塞尔光束的性能,有利于其应用。

针对传统光束质量测量方法中等距传播面上光场信息采集耗时长、效率低等问题,提出一种非等距双向传播的光束质量测量方法。基于非等距传播步长的更新条件建立非等距双向传播模型,实现激光传播廓形拟合中传播步长的迭代,完成光束质量的测量。实验结果表明:非等距双向传播模型的光束质量测量误差为±1.9%。该方法可有效提高光束质量测量的效率。

从理论和实验上研究了角向二阶少模长周期光纤光栅的扭转响应特性。理论分析发现角向高阶长周期光纤光栅的耦合谐振波长的扭转响应度依赖于光栅角向模式的阶数,角向二阶模式的扭转波长响应度约是角向一阶的2倍;同时,光栅扭转引起的相位失配使得光栅谐振峰强度在小扭转率区间内随光栅扭转率增加呈准线性减小,减小的快慢与相位失配量成反比。实验表明:角向二阶少模长周期光纤光栅的谐振波长的扭转响应度约是一阶的1.5倍,在顺逆时针扭转的情况下分别达到0.72 nm·(rad·m -1) -1 和0.82 nm·(rad·m -1) -1;而谐振峰强度在小扭转率区间随扭转率的增加呈线性变化,对应顺逆时针的线性灵敏度分别为 0.81 dB·(rad·m -1) -1和0.72 dB·(rad·m -1) -1,在大扭转率状态下,对应谐振强度变化幅度小且具有波动的特点,实验结果与理论分析基本一致。角向二阶少模长周期光纤光栅的谐振峰波长和强度随扭转的响应特性在高精度的扭转力学量传感(例如扭转量、扭转速度和加速度),以及多参量同时测量等方面有潜在的应用前景。

针对异构VLC/ WiFi网络的多接入点布局的信道干扰问题,提出了改进遗传算法的干扰抑制子信道分配(IGA-ISSA)方案。该方案依据VLC信道质量状况,为用户决策接入网络。对接入VLC网络的用户,根据用户位置特征划分优先等级,采用冲突图为不同等级用户设计干扰抑制的子信道分配方案,并使用改进遗传算法优化VLC子信道的分配方案。对需要接入WiFi网络的用户,根据用户的差异化速率需求为用户分配子信道。仿真结果表明,所提方案能提高VLC/WiFi网络的吞吐量与用户满意度。

为抑制谐振陀螺的偏振波动噪声,提出了一体化谐振式光纤陀螺设计方案。基于特殊设计的光子晶体光纤和单偏振光纤研制了一种混合型光子晶体光纤谐振腔,该谐振腔同时具有较高的偏振消光比和良好的温度稳定性;为减小谐振腔损耗,优化了光子晶体光纤的模场直径,使其与单偏振光纤相一致,因此二者熔接损耗可被控制在0.1 dB以内,进而得到谐振腔精细度为13.2;基于该谐振腔搭建了双闭环谐振陀螺系统。测试结果表明:双闭环谐振陀螺系统具有较小的偏振波动误差特性,在300 s积分时间内陀螺输出白噪声占主导地位,零偏稳定性达到0.25 (°)·h -1;在测量范围为-240~240 (°)·s -1时,双闭环谐振陀螺系统的陀螺标度因数非线性度为2.3×10 -4,性能较单闭环陀螺系统有明显提升。

为测量硅橡胶与接触物间的摩擦因数(COF),以光纤光栅为传感元件,结合硅橡胶及有机玻璃支架,构建滑块型COF检测传感器。理论分析了光栅应变测量值与COF的关系,滑块滑动时,以光栅的应变均值及应变标准差识别COF。实验结果表明:当COF为0.34~0.435时,应变均值随COF递减且最大灵敏度为-443.7481 με/unit;应变标准差随COF呈指数型递增,最大测量灵敏度为284.5672 με/unit。此方案可应用于机械手触觉感知领域,应用前景广阔。

以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,推导高斯谢尔模型光束在生物组织中的光谱解析表达式,并利用归一化光谱和相对光谱移动,研究高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时的光谱变化。结果表明:高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时会出现光谱蓝移、红移及跃变,且与离轴距离、传输距离、生物组织类型(不同的折射率结构常数)及空间相关长度有关;随着传输距离增大,折射率结构常数增大,即生物组织湍流越强,空间相关长度越大,光谱跃变位置越远,跃变量越小,即光谱跃变现象越弱,光谱红移转变为蓝移的传输位置越远;折射率结构常数和空间相关长度越大,光谱跃变对应的离轴距离越大,即跃变的观察点到传输轴的距离越大。

激光生物组织焊接与传统的缝合相比具有手术时间短、伤口愈合快、组织损伤少、无需拆线等优点。为了改善激光生物组织的焊接强度与质量,增加组织全厚度方向的激光吸收率,并探究染料对生物组织激光钎焊强度及热损伤的影响,以牛血清蛋白溶液为基体,壳聚糖为稳定剂,吲哚菁绿、亚甲基蓝为染色剂,利用波长为1064 nm的Nd∶YAG激光器对施加助焊剂的离体猪皮肤进行钎焊实验,并对焊接效果进行对比。结果表明:吲哚菁绿与亚甲基蓝是激光焊接过程中效果显著的有机生色团,能在促进光热转换效率、增大焊接强度的同时降低热损伤。

基于全息单元的有效视角图像切片嵌合法是一种对两步法进行模拟的全息体视图打印方法,这种方法可以利用少量的采样图像生成具有高质量再现像的全息体视图。但由于此方法要建立精确的全息单元对应关系来获取有效视角图像切片,因此只有在满足一定位置约束条件的情形下才能使用。为解决这一问题,提出了一种针对一般情形的全息单元有效视角图像切片嵌合法,用于全息体视图打印。所提方法利用全息单元的近似对应替代全息单元的精确对应,以获取有效视角图像切片,使其适用于一般情形。经光学实验验证,所提方法同样可以利用少量的采样图像生成具有高质量再现像的全息体视图,与有效视角切片嵌合法进行比较,虽然有效视角图像切片获取的方式不同,但两种方法获得的全息体视图再现像的质量相当,而所提方法的打印效率更高,且可以对“像素对应”全息体视图进行改进。

制备了交叉螺旋微结构的光纤光栅氢气传感器。利用飞秒激光在布拉格光纤光栅(FBG)包层加工出交叉螺旋微槽,采用水热法制备片状Pt-WO3粉末,在微结构光纤光栅表面镀Pt-WO3膜,对比无微结构探头,螺旋微结构探头增大了传感器灵敏度,微结构探头灵敏度是无微结构探头的1.55倍。通过理论数值计算传感器灵敏度,探讨仿真值与实验结果差异性。制备的传感器具有灵敏度高、响应速度快、重复性好的特点,具有监测氢气泄漏的应用前景。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),引入模糊自适应比例积分微分循环控制算法实现腔体内部温度和压力的精确控制,选取1658 nm附近的双近红外吸收谱线对实现 12CH4和 13CH4气体稳定碳同位素的同时测量。通过对来自煤矿井下不同煤层和位置的瓦斯气样进行分析可知,其浓度范围为0.94%~83.91%,所得同位素丰度在-66.75‰到-48.32‰之间。该方法可以很好地区分煤层瓦斯气体来源,并且可以依据同位素丰度值对瓦斯的成因类型进行判断。该技术可为后续开展矿井瓦斯运移通道研究、瓦斯灾源预警、煤层气研究及大气环境研究等提供支持。

提出一种基于激光诱导荧光(LIF)和主成分分析法相结合的植物油掺假检测与量化分析方法。采用LIF谱分别对橄榄油及花生油掺假煎炸油进行检测,分析不同掺杂浓度下的荧光谱强度和光谱峰值位置,并运用主成分分析法和偏最小二乘法模型对实验数据进行处理分析。结果表明位于500 nm波段的荧光强度随着掺假浓度的增加而增加,而位于670 nm波段的荧光峰强度会随着掺假浓度的增加而减小;利用荧光光谱并结合主成分分析法及偏最小二乘法模型对植物油进行了有效分类,并预测掺假浓度,预测误差小于2%。

利用差分吸收臭氧激光雷达对广州市对流层臭氧垂直结构进行长期连续观测,给出了广州市臭氧垂直结构的日变化特征,针对局地污染和区域传输两种不同的臭氧污染模式特征进行分析,提出臭氧污染模式的判定方法。结果表明:广州市臭氧全年日变化规律明显,午后单峰特征突出;臭氧浓度季节变化规律为夏季臭氧浓度最高,冬季浓度最低,春季和秋季差异较小;在局地污染过程中,高浓度的臭氧主要集中在近地面,并且随着高度的增大而逐渐减小,0.7 km以下臭氧浓度的递减速率随高度增大而增大,1.5~2 km的臭氧浓度趋于均匀;针对三个高度区间,给出了臭氧外部输送的特征值,分析了在同一高度上颗粒物消光系数和臭氧浓度的相关性,并结合气象场分析了各个季节臭氧输送的主导方向。

提出一种新的测量矩阵获取方式——成像变换法,利用可见光相机拍摄调幅板花纹信息,采用相干成像算法获得模拟光场,最终将其转变为关联成像测量矩阵。通过搭建的太赫兹关联成像装置验证了成像变换法的可行性。实验结果表明,采用成像变换法得到的测量矩阵可使太赫兹关联成像达到系统的衍射极限分辨率,成像质量明显优于传统扫描方式获取的测量矩阵。同时实验研究了采样次数、光瞳函数、矩阵分辨率等因素对最终成像质量的影响。

设计了一种太赫兹频段偏振不敏感宽带吸波器,吸收谱半峰全宽(FWHM)为2.29 THz,吸收率在97%以上的带宽约为1.65 THz,在某些谐振频率点的吸收率可达99.9%,实现了近100%的完美吸收。该吸波器将3层结构相同但尺寸不同的周期单元堆叠,有效扩展了带宽。分析了吸收机理,讨论了不同结构参数对吸收性能的影响。仿真结果表明,该吸波器具有与偏振无关的吸收特性,可在一定的入射角度范围内保持较宽的带宽。具有偏振不敏感特性的宽带高吸收率太赫兹吸波器在太赫兹成像、太赫兹波探测、电磁隐身等应用中具有非常重要的研究价值。

基于不同形状和大小的谐振环对电磁场具有不同的响应原理,设计了对4个频带具有电磁响应的、由圆形谐振环结构组成的太赫兹吸收器。采用时域有限差分法(FDTD)研究了该吸收器的特性,通过改变顶层金属环形图案几何尺寸、中间层电介质厚度以及顶层金属圆环处的硅电导变化率,对太赫兹多频带吸收器进行设计与仿真。在耦合后的多频吸收器的吸收峰中,低频部分被完美吸收,高频部分吸收率由70%增至94%。同时,随着电导率变化,低频分别从0.775 THz和1.064 THz移动到0.697 THz和1.017 THz,分别移动了78 GHz和47 GHz,实现了连续频率调谐。

通过同时抑制受激布里渊散射和自脉冲效应,实现了具有窄线宽和近衍射极限光束质量的高功率、线偏振全光纤放大器,其最高输出激光功率为2.62 kW,光光效率达到了86.7%,光束质量M2、偏振消光比及光谱线宽在放大过程中基本保持不变,M2小于1.3,偏振消光比约为96.3%,3 dB线宽为32 GHz,20 dB二阶矩线宽为30 GHz。2.62 kW是目前报道的窄线宽线偏振全光纤结构激光器能达到的最高输出功率。

基于自主研发的100/400双包层掺镱有源石英光纤,搭建了高功率主振荡功率放大(MOPA)结构纳秒调Q光纤激光器,重复频率30~60 kHz可调谐。系统中心波长为1064.08 nm。采用976 nm激光泵浦,在60 kHz时实现平均功率761 W的输出,单脉冲能量为12.6 mJ,斜率效率为83.4%,光束质量 Mx2=9.82, My2=9.02;30 kHz下平均功率为526 W,单脉冲能量为17.5 mJ,斜率效率为85%,光束质量 Mx2=8.67, My2=8.57。该光纤是目前报道的高重复频率下获得的平均功率和单脉冲能量最高的国产光纤。