布里渊光相干域分析(BOCDA)技术可以实现长传感距离、高空间分辨率和高速的分布式温度或应变传感,在大型结构健康监测、现代工业等领域具有广阔的应用前景。分别综述了正弦频率调制型BOCDA、相位调制型BOCDA和宽带光源型BOCDA近年来的研究进展,其中宽带光源型BOCDA包括基于放大自发辐射的BOCDA和本课题组提出的混沌激光BOCDA。对比了这些技术的优缺点,分析了BOCDA系统的性能,并对BOCDA技术的发展前景进行了展望。

为了研究CO2激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO2激光与熔石英玻璃相互作用的有限元数值模型,计算了脉冲激光停止时熔石英玻璃内部的温度分布,并研究了材料冷却后的内部三维应力分布和表面初始损伤形貌,计算结果与实验结果吻合。以该模型为基础,详细分析了径向和环向应力的三维分布,结果表明,在损伤凹坑附近,径向应力表现为压应力,且在凹坑底部附近取得最大值后,径向应力沿深度方向逐渐转化为拉应力;损伤凹坑附近的环向应力与径向应力相似,均表现为压应力,但压应力沿径向逐渐转化为拉应力,不同深度处的环向应力沿轴向增至最大后逐渐减小。另外,脉冲激光能量的增大导致径向应力与环向应力及其影响范围均有明显增加。研究结果有助于分析激光损伤熔石英玻璃内部的三维应力场,为CO2激光修复工艺的改进提供了理论依据。

以2.05μm Ho∶YLF激光器作为光源,泵浦了长波ZnGeP2 光参量振荡器,实现了高效率、高重复频率的长波激光输出。激光器输出的峰值波长为8.1μm,最大输出功率为3.2W@10kHz,泵浦激光到长波激光的光光转换效率为12%,斜效率为19.3%,激光单脉冲宽度为27.11ns,单脉冲能量为0.32mJ,单脉冲峰值功率为11.8kW,X方向的光束质量因子为4.5,Y方向的光束质量因子为4.2。

研究了一种基于模糊控制的嵌入式激光功率稳定系统,用声光调制器作为功率稳定的外部环路反馈器件,采用模数转换器和数模转换器以及数字信号处理芯片组成数控功率稳定电路。用模糊控制方案解决了传统比例-积分-微分(PID)的超调问题,反馈环路的稳定时间为1.8ms。有效抑制了激光功率在低频部分的相对强度噪声,在1Hz处从-88dBc/Hz改善至-110dBc/Hz。激光功率的相对起伏由0.29%降低至0.035%。相比于传统PID,模糊PID可以根据系统所处状态实时调整参数,从而达到自适应的效果。

由于受到角度、距离等因素影响,同种地物反射的激光强度数据存在较大的偏差,需要建立校正模型使强度数据能准确反映地物信息,并快速提取。从激光雷达测距方程出发,设计校正实验,运用多项式模型拟合强度数据校正方程,通过定义其标准值,改正距离和高度影响下的反射强度。采用阈值法和随机森林法进行立木枝叶分离。利用二次多项式对七类材质分别进行校正,校正后各材质强度数据级差均小于0.1,不受距离、高度影响,可以区分主干和叶片;活立木强度数据经过校正可以得到枝叶分离的阈值;随机森林法的最终分类效果较好,两树种叶模型校正分类精度分别为91.5%和84.3%。本研究建立的校正模型方法,对自然漫反射目标物的激光强度数据能够进行较为精确的校正,选用的自然立木验证实验校正成功,为进一步进行立木的枝叶分离提供了可能性。

针对飞秒激光合成波长法高精度绝对距离测量中光功率-相位转换效应引起的误差,提出一种基于多项式拟合的误差修正方法,以提高飞秒激光测量系统的测距精度。搭建类迈克耳孙干涉测量系统,经过光电探测后得到飞秒激光模间拍频信号,利用快速傅里叶变换解算拍频信号的相位差,并研究相位差随光功率的变化。结合相位测距技术,将测距结果与长度基准作参考,采用基于最小二乘法的最优多项式拟合形成不同光功率下的测距校正表。实验中以四次谐波进行测量,结果表明:当光功率在1~3mW变化时,测距误差变化率约为2.7mm/mW,通过校正技术,在110mm范围内测距残余误差从±0.25mm下降到±0.08mm。该研究可将飞秒激光高精度测距技术应用到室外环境、复杂的工业环境甚至非合作目标等光功率变化较大的测量场合,显著地拓展飞秒激光精密测量的应用范围。

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532nm固体激光1,2,3,4, 4.7km大气传输光斑成像探测实验。利用4000frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。

以分数薛定谔方程为理论模型,采用分步傅里叶法进行数值模拟,研究了线性势作用对艾里-高斯光束的传输特性和两光束相互作用的影响。结果表明,艾里-高斯光束在无线性势作用时会分裂成两束,有线性势作用时分裂现象逐渐消失,光束传输呈现周期演化,且主瓣能量和旁瓣能量几乎不随传输距离的增加而改变。该周期演化在参数改变时会有不同的表现,据此可调节光束的周期演化过程。线性系数主要影响演化周期,而且它的符号可以控制光束的偏转方向和分布空间;莱维系数则会改变光束的横向振荡幅度,同时光束偏转角度会发生变化,光束的演化路径由近似折线变为曲线。在满足一定的相位条件下,相互作用的两光束的能量会发生周期性互换,随着莱维系数的增大,这种周期性互换现象会消失。这些结果为光束在光开关和光学逻辑器件中的应用以及光束的调节提供了理论参考。

为提高大型室内场所的定位精度,提出一种基于改进自适应花授粉算法的接收信号强度指示(RSSI)可见光定位方案。利用固定在屋顶呈网格型排布的LED发送位置信息,接收端采用基于反向学习策略和自适应花授粉算法的RSSI定位方法实现精确定位。传统花授粉算法具有易陷入局部最优、缺乏变异机制等缺点,利用反向学习策略可使初始种群分布更加均匀,通过提高种群多样性可使算法跳出局部最优;采用有利于全局广泛搜索的自适应移动因子提高收敛速度。在100m×100m×100m大型室内场所的一层100m×100m×10m的空间中,考虑热噪声和散射噪声干扰的情况,经过多次仿真可得,相比于传统定位算法,随机灯排布下采用改进花授粉的RSSI算法的定位误差小于±1cm;采用网格型灯排布结合改进定位算法的室内可见光定位系统时,定位精度得到明显提升,定位时间大幅缩短。该方案具有定位精度更高、计算速度更快、工作稳定等优点。

设计了一种可嵌入基于表面等离子体共振(SPR)光纤传感器的微流控芯片,可用于溶液浓度的测量。采用具有良好化学惰性的有机聚合材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为芯片主体的制作材料,在芯片中微流控通道内采用镀有60nm金膜的多模光纤-光子晶体光纤-多模光纤(MMF-PCF-MMF)传感结构来激发SPR效应。当注入微流体通道的溶液浓度发生变化时,由于光纤传感部分外部折射率的变化引起SPR谐振谷移动,故该芯片可用于测量溶液浓度。本芯片微流控通道直径为0.2mm,最高检测灵敏度可达8240.6nm/RIU,具有便于实时测量、高灵敏度、高可靠性、溶液用量少等特点。

提出并研究了一种基于磷酸盐玻璃微球腔的全光调谐光纤滤波器。利用自制的磷酸盐玻璃预制棒,以拉丝的方式制作出直径为200~500μm、纤芯-包层折射率差为0.004的磷酸盐玻璃光纤。利用大功率CO2激光器熔融加热光纤制备出Q值达7.28×10 5的微球腔。利用1550nm波段的可调谐激光器,通过锥形光纤耦合方式激发微球腔内回音壁模式(WGM)共振,获得带宽约 2pm、插入损耗小于0.3dB的耦合共振谱。在不同功率泵浦光的注入下,磷酸盐玻璃微球腔具有比普通石英微球腔更高的光敏感特性。实验结果表明:当微腔泵浦光功率增加时,磷酸盐玻璃微球腔内的WGM共振谱向短波长漂移(蓝移),光热调谐灵敏度约为72.727pm/mW,线性度大于0.99;在相同光功率变化下,普通石英微球腔内的WGM共振谱向长波长漂移(红移),光热调谐灵敏度约为0.086pm/mW,线性度较低。本文提出的磷酸盐玻璃微球腔全光调谐滤波器具有全光控制、结构紧凑、稳定性好、超窄带宽和调谐效率高等优势,在光纤传感和光纤通信等领域具有重要应用。

提出一种基于光纤Sagnac干涉仪(FSI)和偏振模干涉仪(PMI)级联结构的高灵敏光纤温度和应变传感器。FSI作为参考干涉仪,是将对温度、应变、弯曲及扭转不敏感的椭圆芯保偏光纤(ECPMF)引入到Sagnac环内制得的。PMI作为传感干涉仪,是对光纤起偏器与末端端面镀金的熊猫型保偏光纤(PMF)的快轴/慢轴以45°角进行熔接制得的。参考干涉仪的自由光谱区(FSR)易被调整为接近传感干涉仪的FSR,从而产生光学游标效应,实现灵敏度放大。实验结果表明:所设计的级联传感器的温度灵敏度达15.56nm/℃,是单个PMI的11.12倍;应变灵敏度达154.04pm/με,是单个PMI的11.81倍。所设计的传感器具有灵敏度高、制作简单、稳定性好等优点,在航空航天、工业生产等领域中具有广阔的应用前景。

为提高室内定位精度,提出一种基于混合到达时间/接收信号强度(TOA/RSS)信息的定位方法。针对室内可见光定位中存在的多径效应造成的定位非线性误差,引入前置无迹卡尔曼滤波的粒子滤波算法,将TOA信息与RSS信息相融合,达到修正非线性误差的目的。然后综合考虑接收端惯性传感参数,对接收端进行运动分析,提升估算坐标的精度。在长宽均为5m、高度为3m的室内进行定位仿真,在12W发光二极管(LED)发射功率下,所提方法获得了平均定位误差为2.02cm的定位精度。仿真结果证明,所提定位方法的定位性能总体优于指纹定位方法和三边定位的RSS定位方法,具有较强的鲁棒性和较低的定位延迟。

一对多激光通信天线受结构和尺寸的限制,反射镜与安装平面只能单独研磨。虽然可根据面形测试结果对安装平面进行反复研磨,以保证摆镜安装后的面形精度,但该方法难度大、周期长、成功率低。为了减小加工难度,在保证正常研磨精度(5μm)的同时降低安装面平面度造成的安装应力和温度变形等外力影响,保证摆镜安装后的面形精度。研究了摆镜在力学作用下的面形精度变化和面形稳定性,优化设计了隔离结构,有效提高了摆镜的面形稳定性。测试结果表明,在测试波长为λ时,安装应力和温度升(降)载荷作用下摆镜面形精度的峰谷值由0.546λ提升到0.161λ,均方根值由0.099λ提升到0.019λ,完全符合设计要求。

研制了一台子脉冲序列模式Er∶YAG激光器,获得了每秒80个和100个子脉冲高能量激光输出,开展了不同脉冲宽度的子脉冲对离体牙本质的激光消融实验。实验中使用的是子脉冲序列模式激光器,其重复频率为20 Hz,脉冲包络能量为45 mJ,子脉冲宽度分别为20,30,40,50 μs,在无冷却水雾条件下分别对比了子脉冲宽度对牙本质消融量、牙髓腔温升和坑洞组织形貌的影响。结果表明:在相同的激光脉冲能量下,较窄的子脉冲宽度不仅能够增加消融量,降低牙髓腔温升,从而延长操作时间,而且可以获得更好的消融坑洞组织形貌,牙小管的开放程度较高,有利于黏接修复治疗。

提出了一种高分辨率多视点动态全息3D显示方法,观看视点位置变化时,观看者能够看到连续变化的3D效果。在进行全息图计算时,首先根据针孔阵列投影模型,渲染3D动画中每一帧3D模型的光场图像序列;然后从已渲染的多组光场图像序列中抽取对应视角信息的光场图像进行融合,得到融合后的动态光场图像序列;在进行全息图编码时,以动态光场图像序列中的一帧图像作为物光振幅,以来自于针孔的发散球面波的相位作为物光相位,引入平面参考光进行编码,得到一个单元全息图。由于每个单元全息图的计算是相互独立的,因此在计算过程中使用并行加速计算,实现了尺寸为32mm×32mm、分辨率为100000pixel×100000pixel的高分辨率全息图,其光场图像融合和全息编码的时间仅需27min。光学再现结果证明了该方法的可行性。所提出的高分辨率多视点动态全息3D显示方法在全息包装和3D广告等领域具有广泛的应用前景。

通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种快速、实时的元素成分分析技术。为了提高LIBS的灵敏度,人们已经提出多种方法来提高LIBS的光谱强度。本文采用飞秒脉冲激光烧蚀黄铜产生LIBS,对比了圆偏振和线偏振下LIBS光谱的强度,结果发现圆偏振下的光谱强度比线偏振下的强,光谱强度大约提高了15%。采用飞秒激光照射金属时,金属内部的自由电子吸收光子的能量。在线偏振飞秒激光场中,电子在脉冲的每个光学周期中经历交替的加速和减速;而圆偏振飞秒激光可以连续加速电子,因此电子可以获得更高的能量,这使得圆偏振飞秒激光产生的光谱强度不同于线偏振飞秒激光产生的光谱强度,圆偏振激光有助于改善飞秒LIBS信号的强度。

在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。

柔性表面增强拉曼光谱(SERS)基底具有灵活形变的特点,适合不规则曲面的原位检测,甚至可以直接进行擦拭取样的检测。对不同反射率的衬底进行仿真分析和实验测试,可以看到衬底的反射率对拉曼信号的收集有极大的影响。在波长为532nm的光激发铝箔具有高反射率,因此选择铝箔作为衬底,采用银溶胶滴铸法制备柔性SERS芯片。实验通过控制溶剂成分,利用表面张力梯度引起向内马兰哥尼(Marangoni)流动以抑制咖啡环的产生,可以改善纳米粒子的分布均匀性。拉曼测试结果表明,SERS芯片的增强因子高达1.32×10 8,对R6G溶液的检测限低至1×10 -11 mol,同时芯片表现出良好的信号均匀性。

搭建了基于声光调Q种子源的主振荡高功率放大(MOPA)系统。采用自主设计和制备的大模场双包层(100μm /400μm)有源光纤,通过两级放大,在重复频率为60kHz、脉冲宽度为150ns的条件下实现了平均功率为1000W的脉冲输出,斜率效率为72.5%,光谱显示无剩余泵浦光和寄生振荡,同时没有受激拉曼散射效应。此时的脉冲宽度展宽到260ns,单脉冲能量为16.7mJ。这是采用国产光纤实现脉冲激光器平均功率突破1000W的首次报道。

基于自主研制的双锥形掺镱双包层光纤,开展了全光纤高功率光纤激光放大实验。激光系统实现了中心波长为1080nm、最高功率为4 kW的单模激光输出,其光光效率和斜率效率分别为82%和83%,质量因子(M2)为1.33,拉曼抑制比为44dB。实验结果表明,双锥形光纤具有同时提高非线性效应和模式不稳定性效应阈值的优势,有利于进一步提升高光束质量光纤激光器的输出功率。