脉冲激光沉积技术作为一种简单、通用和高效的薄膜生长技术,在科研和工业领域具有广泛的应用前景。在许多高科技应用中对薄膜质量的要求日趋严格,如何减少或消除薄膜内部和表面的微粒成为了亟待解决的问题。介绍了脉冲激光沉积技术中微粒出现的根源并讨论了各种微粒控制技术的优缺点,最后简要展望了脉冲激光沉积微粒控制技术的发展趋势。

介绍19种典型强度调制方式的符号结构,推导它们在高斯信道、弱湍流信道、中强湍流信道中的误时隙率(SER)模型,并进行了数值仿真。仿真结果表明:随着信噪比不断增大,各调制方式的SER持续减小并逐渐趋于一致,当SER趋于一致时,对信噪比的要求随湍流强度的增大而增高。脉冲位置调制(PPM)在三种信道中的SER均为最小;调制阶数较小时,差分幅度PPM的SER最大,调制阶数较大时,开关键控(OOK)的SER最大。其余调制方式的SER介于OOK、PPM与差分幅度PPM之间,并随着调制阶数的增大出现分层现象。研究结果对实际激光通信系统的设计具有一定参考价值。

当待测气体浓度较高时,腔内吸收损耗较大,限制了腔衰荡光谱检测技术的检测量程。针对这一问题,分析了采样阈值与气体浓度检测之间的相关性,模拟了阈值调节对检测精度的影响,建立了描述阈值与气体浓度的动态响应范围的模型,提出了通过调节阈值实现检测量程扩展的方法。在实验中,利用腔衰荡光谱检测装置对不同浓度的甲烷标准气体进行测量,测量结果与理论模拟结果一致。通过调节检测阈值,将量程扩展到1×10 -4(体积分数),动态响应范围为2.72×10 4,最大引用误差为0.78%。该方法解决了腔衰荡光谱技术中低检出限和大量程不能同时满足的问题,为阈值参数的设置提供了分析方法。

腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。 而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。 利用DFB激光器波长可调谐特性, 通过强弱吸收峰结合, 使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。 由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高, 为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量, 在平衡吸收损耗的基础上, 选取1 653~1 654 nm内甲烷的强吸收峰与水汽、 二氧化碳的弱吸收峰进行测量。 通过光谱叠加反演矩阵, 分别得到甲烷、 水汽、 二氧化碳的浓度。 在计算测量灵敏度过程中发现, 通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间), 会对噪声等效吸收系数产生影响。 多数情况下, 在测量灵敏度计算方面, 列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT); 但当衰荡曲线的单指数性下降时, 上述结论不一定成立。 搭建了一个低精细度(F≈6×103)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。 相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×105), 低精细度衰荡腔的衰荡速率较快, 衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。 实验表明, 在过滤区间长度较短时, 采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。 当过滤区间长度增加时, L-M算法得到的结果优于DFT算法。 在受过滤区间长度影响方面, DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。 根据Allan方差分析, 在512次采样平均(约8 s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算, 该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10-10 cm-1。 在25 ℃标准大气压下, 对应甲烷、 水汽、 二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64 ppbv, 3.5 ppmv和4.0 ppmv。 基于该CRDS装置, 通过单光束多波长测量方法, 利用光谱叠加反演矩阵, 测得大气中甲烷、 水汽、 二氧化碳浓度分别为2.018, 3 654和526 ppmv; 而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、 水汽、 二氧化碳浓度分别为2.037, 3 898和630 ppmv。 通过与温控调节波长, 逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比, 采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。

微透镜阵列法是实现光束匀化的主要途径之一,通过改变成像透镜的光焦度,可在焦平面处得到大面积的均匀光斑。基于理论和实验分析了散射成像法的可行性,为了准确测量焦平面处光斑的照度,在考虑漫射板反射率及相机离轴角等影响因素的基础下,从张正友相机标定法出发,建立了图像灰度值与目标面光斑照度的数学关系;在实验中标定了漫反射板的双向漫反射分布函数,针对两种焦距的主积分透镜,测量了焦平面及附近位置处匀化光斑的照度分布。实验结果表明:当积分透镜焦距分别为300 mm和500 mm时,目标面处的激光通量基本一致,光斑大小与理论值基本接近;分别比较了两种情况下观察面离焦时光斑分布的变异系数,得到光束经微透镜后匀化效果最佳的位置。

许多应用中都需要激光光束强度均匀分布,或者按照设计要求对激光光束的强度相位分布进行特定调制,因此,有必要对各种光束整形技术进行研究。目前,已发展了多种激光光束整形技术,其中光束积分法原理简单,适用性广,因此基于此方法的光束整形技术具有很大的工程价值。主要介绍了基于棱镜、反射镜及微透镜阵列等光学元件的光束积分系统的组成情况,列出了典型整形光路,以及近年来在光束整形方面的研究进展。同时,介绍了在整形过程中上述方法的各自特点。

基于约化电子数密度增长速率方程，建立了熔石英导带电子数密度随脉冲持续时间变化的模型。利用电子数临界密度这一概念，得到了150 fs~10 ps脉宽下，熔石英激光损伤阈值范围。分析表明，5~10 ps，雪崩电离仍然起主要作用，而光致电离提供的初始电子使雪崩电离不再依赖材料原有的初始电子; 当脉宽减小到约为4 ps时，光致电离与雪崩电离作用相等; 之后，光致电离起主要作用。通过仿真出的损伤阈值拟合，得到了该脉宽区间下新的脉宽定律: 熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.38次方; 考虑温度对熔石英损伤阈值的影响，熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.34次方。