为了研究不同形状的防辐射屏自发辐射对探测器的影响并找出影响最小的防辐射屏形状, 采用理论计算对抛物面、双曲面、半椭球面(含半球面)、台柱面(含圆柱面和圆椎面)的防辐射屏内屏自发辐射至探测器的功率进行了系统分析。结果表明, 各种形状防辐射屏自发辐射至探测器的功率随防辐射屏高度与底面半径比值的增大而先减小再增大, 其中最大值为与探测器尺寸相关的常数, 最小值出现在防辐射屏高度与底面半径接近或相等时; 当防辐射屏为半椭球面且高度和底面半径相等(即半球面)时, 自发辐射至探测器的功率小于其它任何形状的防辐射屏, 且与防辐射屏尺寸及顶部开小孔与否无关。本研究能为防辐射屏结构设计提供有价值的参考。

半导体激光抽运碱金属激光器(DPAL)具有很高的斯托克斯效率、高光束质量、近红外光谱等优异的特性,得到了广泛的关注和较快的发展。作为典型的三能级激光器, 碱金属激光器连续输出的近红外波长分别为895nm(铯), 795nm(铷), 770nm(钾)。介绍了半导体激光抽运碱金属激光器的物理机理和重要研究进展, 以及作者团队在碱金属激光器方向做的理论和实验研究情况, 讨论了该领域存在的问题和难点, 并对碱金属激光器的未来发展进行了分析和展望。

为了得到一种新型椭圆扭曲多高斯-谢尔模(TMGSM)光束, 采用Mercer模式展开的方法进行了理论分析和验证, 证明了多高斯-谢尔模关联结构可携带扭曲相位, 详细研究了其在梯度折射率光纤中传输时的光强和相干度演化。结果表明, 椭圆TMGSM光束在梯度折射率光纤中传输时, 光强和相干度分布随着传输距离的增加发生周期性旋转, 并在0.5L(L为周期)的整数倍处偏转π/2, 其旋转角速度呈非线性变化且与扭曲因子的大小有关; 增大多高斯模数, 焦平面处光强分布的平顶区域增大, 相干度分布轮廓变小。此研究结果在光纤通信、聚焦成像、光学捕获等方面具有潜在的应用前景。

单光子探测器能够探测极微弱光信号, 具有较高的灵敏度, 在民用和**领域都有广泛的应用。近年来, 随着科学技术的飞速发展, 在传统光电探测器件不断优化和改进的同时, 其它新型光电探测器件也得到了极大发展且取得了重要技术成果。为深入了解单光子探测器的技术发展现状和趋势, 总结了目前具有代表性的单光子探测器在研究现状、技术难点和最新技术突破等方面的关键信息, 分析了光电倍增管和雪崩光电二极管等传统单光子探测器的优势与不足以及之后的技术发展方向, 同时还介绍了超导纳米线单光子探测器和基于新型2维材料的雪崩光电二极管等几类具有良好光电性能和巨大发展潜力的新型单光子探测器, 并对其发展前景进行了展望。

为了更好地检测低空风切变, 保障飞机的飞行安全, 提出了一种基于小波变换模极大值的激光雷达风切变预警算法。先用小波变换求取重组逆风廓线上的模极大值, 找到“拐点”后再利用风切变判断标准来判断。在进行数值仿真和来自湖北郧西气象站、四川攀枝花机场的现场检测验证后, 确认新算法在准确性及效率方面都有良好的性能, 且脉冲型数据使用biorthogonal系中双数小波检测结果较准确, 而阶跃型和斜坡型数据需使用Daubechies系中Db5小波。结果表明, 鄂西北郧西县和攀枝花保安营机场均有风切变发生, 风切变强度为重度。该算法能检测不同类型的风切变, 不用考虑风切变的尺度, 较好地弥补了现有算法的不足, 为飞机的起降提供技术保障, 对实时检测和预警也有重大的意义。

为了实现工业生产过程中温度和溶液质量分数的同时测量和传感检测, 提出了一种由法布里-珀罗干涉仪(FPI)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)级联干涉结构构成的双参数传感器。该传感器由融合在一起的单模光纤(SMF)和空芯光纤(HCF)组成。采用同时测量FPI反射光谱和MZI透射光谱的特征波长位移的方法, 获得了FPI和MZI对温度和折射率的灵敏度差, 建立了传感器温度-质量分数灵敏度矩阵, 实现了传感器双参数的测量。结果表明, 在40℃~150℃的温度范围内, FPI的温度敏感度为10pm/℃, 而MZI的对温度不敏感; 在质量分数0.05~0.40的范围内, FPI对折射率不敏感, 而MZI质量分数灵敏度是232.3nm/RIU; 该传感器可以实现温度与溶液质量分数的同时测量。该研究为石油、化工、电力、钢铁、机械等加工行业中双参数的动态测量提供了参考。

为了提高室外场景中车载激光雷达道路不平度信息检测的精度, 采用随机降采样和局部特征聚合的网络结构对道路环境信息进行提取分割。在分割过程中加入随机降采样的方法, 从而提高点云信息的计算效率, 为解决道路环境信息分割过程中关键特征丢失的问题, 加入局部特征聚合器来增加每个3维点云的接受域来保留几何细节。结果表明, 所提出的算法可以准确识别道路环境信息, 对于凸包、凹坑、道路可行驶区域的识别精度分别达到71.87%, 82.71%, 93.01%, 与传统卷积神经网络相比有显著提升。该研究可高效提取道路不平度及道路可行驶区域信息, 从而提高了车辆的主动安全性与平顺性。

为了研究基于连续谱束缚态(BIC)高品质因子Q谐振, 提出了由双空心硅圆柱体组成太赫兹全介质超表面。采用数值模拟方法对结构的透射光谱及电磁场图进行了分析, 并利用本征模分析的方法研究了超表面结构参数对BIC频率的影响, 给出了该BIC超表面在太赫兹大频率范围工作的参数设计方法。结果表明, 在3.0THz左右实现了一个可调高Q环偶极Fano谐振; 本征模式的分析计算结果与入射电磁波模式的分析计算结果对称性不匹配,该超表面支持的是一个对称保护BIC。此研究为基于BIC的高Q超材料在超低阈值激光器件、非线性光学谐波产生及高灵敏度传感等领域的应用提供了理论参考。

为了得到高质量的钢/铝接头, 采用激光摆动焊接的方法、使用不同的功率对DP780双相钢和5083铝合金两种金属进行了搭接实验, 研究了不同焊接功率对钢/铝接头宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。结果表明, 1400W~1600W的功率区间内可有效实现板材焊接; 激光功率为1400W和1500W时, 焊接接头的金相组织以马氏体为主, 当激光功率为1600W时, 接头内的铁素体增多, 马氏体减少, 焊接接头的金相组织以铁素体为主; 3种接头显微硬度的最低值和最高值分别位于焊缝中心和热影响区, 在1500W的激光功率下, 焊接接头的力学性能最好, 钢侧接头的显微硬度约高于母材显微硬度的1.7倍; 接头的最大剪切强度达到113N/mm。此研究结果应用在船舶制造领域具有较重要的意义。

为了实时监测石化反应器内部高温、高压环境下压力和温度变化, 严格控制原料的反应过程, 采用法布里-珀罗(F-P)多腔干涉理论, 设计并制备了一种光纤F-P温度、压力复合传感器。该传感器由石英玻璃和蓝宝石玻璃构成, 石英与蓝宝石之间的空气腔为压力腔, 温度腔则为蓝宝石本身。通过理论计算和仿真验证, 分析了压力腔和温度腔不同参数对传感器性能的影响, 从而取得了最佳的传感器结构参数数据。结果表明,该传感器制作工艺简单且性能可靠, 能够实现0MPa~5MPa和-20℃~300℃范围内压力和温度的同时测量; 该传感器在压力0.1MPa~5MPa和温度20℃~180℃环境下有良好压力温度线性响应关系, 压力灵敏度为796nm/MPa, 温度灵敏度为3.864nm/℃。该传感器适用于石化反应器内部高温高压环境下压力和温度的同时监测。

为了满足多种材质的绝缘子系统应用, 采用自主研发的能量达2mJ的主振荡功率放大器脉冲光纤激光器进行了激光清洗实验。分别进行了玻璃、陶瓷及硅橡胶绝缘子的激光清洗实验验证, 取得了各自的最佳清洗激光参数, 同时分析绝缘子清洗速率、激光脉冲参数与清洗效果的关系。结果表明, 在最高10m/s的激光扫描速率下, 可取得3.4cm2/s的清洗效率, 该激光系统可高效地用于多种材料表面清洁。这一结果对电力绝缘子激光清洗应用提供了重要的参考意义。

为了提高TC4合金部件表面的耐磨耐腐蚀性, 采用数字化分析测试、金相显微形貌分析等方法, 研究分析了TC4钛合金表面激光熔覆制备Fe35A涂层的显微组织和综合性能。结果表明, 在激光功率为2.3kW、扫描速率为9mm/s、送粉速率为10g/min的最佳经验工艺参数下, TC4表层制备Fe基合金沉积层的宏观形貌最佳, 金相组织较好, 晶粒细化且均匀分布, 基体与沉积层熔合度高; 沉积层表面洛氏硬度高达40.2HRC, 显微硬度平均高达645.5HV, 沉积层整体力学性能明显高于基体组织。该研究为TC4钛合金表面的高质量修复和再利用提供了实践参考。

CH4和C2H2是变压器发生故障时两种重要的特征气体。为了实现对变压器中溶解的微量CH4和C2H2气体含量检测的需求, 采用激光光声光谱气体检测技术, 通过分析CH4和C2H2气体的近红外吸收谱线, 选取合适的激光光源并确定激光调制参数; 设计并搭建了一套以双激光光源和非共振光声池为核心的光声光谱微量CH4和C2H2气体检测系统, 获得了系统对CH4和C2H2气体检测灵敏度和低含量检测误差。结果表明, CH4和C2H2气体分别在体积分数为0～1000×10-6和0～500×10-6的范围内具有良好的线性响应, 每10-6体积分数的检测响应度分别为5.8969μV和16.1831μV; 在低含量CH4/C2H2混合气体对系统的重复性和精度测试中, CH4气体体积分数为3.00×10-6时的检测最大绝对误差为0.30×10-6, C2H2气体体积分数为0.50×10-6时的检测最大绝对误差为0.20×10-6。此研究结果满足测量误差的技术指标要求, 实现了对微量CH4和C2H2气体的高灵敏度检测。

为了研究电烙铁工作时焊接含铅锡线产生的烟雾对局域空气的污染, 设计了一套基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的实验系统, 对电烙铁焊接含铅锡线的烟雾进行在线分析, 在烟雾的光谱中发现了重金属元素铅的特征谱线。使用元素内标法对铅元素进行定量分析, 通过分析铅元素的等离子体温度与电子数密度的相关特性, 验证了实验所得光谱的有效性。结果表明, 通过拟合曲线获得铅元素的检出限为19.35×10-5; 对比传统化学的化验方法, 基于激光诱导击穿光谱的电烙铁焊接锡线的场景检测实验系统和方法具有在线、原位、快速的优越性。该研究对解决电烙铁工作时室内空气的污染, 减轻对使用者健康造成的危害是有帮助的。

为了解决因碳纤维/环氧树脂复合材料构件中树脂基体与碳纤维间的热膨胀系数存在差异, 热压成型后, 内部未释放的残余应力会使材料构件发生残余应变, 造成构件变形、影响制品质量的问题, 采用光纤布喇格光栅(FBG)传感器在线监测实验研究和有限元仿真分析相结合的研究方法, 进行了理论分析和实验验证, 采集了碳纤维/环氧树脂复合材料环形构件热压罐成型后表面残余应变变化实时数据。结果表明, 该构件下法兰根部应变释放情况复杂, 靠近支承位置处的残余应变释放受阻, 而其余监测点位的残余应变普遍在30με~90με的范围内, 与仿真结果相符; FBG传感器能对构件成型后残余应变释放历程进行多点位实时在线监测, 并实现对构件整体应变分布的分析和预警。该研究具有一定科学研究和工程应用意义。

为了实现平行度误差的精确测量, 提出了基于位置敏感探测器(PSD)激光准直法的平行度误差测量方法, 并设计了实验测量系统。该系统利用倒置望远镜结构二次透镜变换的方法, 对准直激光束的发散角和光斑大小进行平衡, 通过光学五棱镜转折光路, 由PSD将测量位移经信号调理电路和数据采集及处理系统, 实时得到测点相对于基准的位置, 再以最小包容区域法快速评定出被测要素和基准要素两者之间的平行度误差。结果表明, 系统相对不确定度为0.077%, 具有较高的测量精度。该研究为平行度误差的精密测量技术提供了有效测量方法, 具有一定的现实指导意义。

为了兼顾用户端光网络单元的特点和传输速率, 在接收端采用可集成化的相干检测方案替代传统的直接检测方案, 分析了电吸收调制器的偏压特性, 搭建了速率为40Gbit/s的5km双向接入网通信系统, 对以分布式反馈激光器和电吸收调制器为上行发射机的可集成光网络单元进行了传输测试。结果表明, 在直接检测方案前向纠错(FEC)下, 双向传输下行信号接收灵敏度和上行信号接收灵敏度分别达到了-18.31dBm和-17.94dBm; 在相干检测方案FEC下, 双向传输下行信号接收灵敏度和上行信号接收灵敏度分别达到了-32.51dBm和-29.76dBm。相干检测方案的上行和下行接收灵敏度相较于直接检测分别有14.20dB和11.82dB的提升。该研究为未来用户端光网络单元提供了一种高速率可大规模部署的集成化方案。

为了解决万瓦级激光光闸耦合效率实时监测的难题, 采用通过实时探测光闸输出端工作光纤内部的后向散射光来监测耦合效率从而防止其耦合失效的安全控制方法, 仿真并建立了耦合偏差与后向散射光光强信号之间的映射规律与模型, 并基于此设计了相应的光闸耦合失效的安全控制系统。结果表明, 高功率激光光闸在安全控制系统的保证下能长期承载12kW以上功率, 并且耦合效率稳定在98%以上, 证明了该方法的有效性。该研究可以保证万瓦级激光光闸长期工作的高效性、稳定性及安全性, 促进我国激光制造领域关键部件的自主化。

为了探讨非相干叠加光束携带C点偶极子的演化特性, 推导了携带C点偶极子的高斯光束非相干叠加传输表达式, 并进行了数值模拟研究。结果表明,构成C点偶极子的两个C点的位置和偏振度会随着相关参数的变化而改变;在旁轴情形下, 没有C点产生和湮灭, 并且这两个C点连线的斜率随着传输距离的增加而单调增加;在非旁轴情形下, 当光束传输到z= 0.01zR时, 有多个C点偶极子产生, 在z=10.39zR时又出现C点偶极子的湮灭;在瑞利距离zR处, 光腰半径增加到 0.222μm和0.56μm时分别出现C点偶极子的产生和湮灭; 随着离轴距离和光束波长的变化, 也出现C点的产生和湮灭。研究结果对深入理解偏振奇点矢量光束和寻找奇点光学潜在应用具有一定参考价值。

为了测量飞秒激光对多光谱滤波片的损伤阈值, 采用钛∶蓝宝石飞秒脉冲激光(800nm、50fs)对多光谱滤光片的前膜进行了激光损伤阈值的实验研究, 并使用显微镜观测了滤光片前膜的损伤形貌。结果表明, 薄膜在不同脉冲辐照次数(1, 2, 5和10)下, 前膜损伤阈值分别为1.68J/cm2,1.56J/cm2,1.44J/cm2和1.42J/cm2, 随着脉冲辐照次数的增加, 损伤阈值降低, 激光脉冲的重复辐射会对薄膜形成累积效应; 由于飞秒激光的宽度极短, 薄膜导带电子由多光子电离产生, 并迅速吸收激光能量, 当其能量大于材料的带隙能时, 会与价带电子发生碰撞产生另一个电子, 进而形成大量的自由电子, 对薄膜造成损伤; 在1-on-1和2-on-1测试方法下, 随着飞秒激光能量密度的增加, 前膜损伤区域的轮廓越来越清晰、规整, 并逐渐出现清晰的分层现象, 这归因于前膜干涉场的分布不同。该研究对多光谱滤波光膜在飞秒激光作用下的损伤效果提供了参考。

为了讨论缓冲气体对碱原子精细结构能级间的能量交换加速作用, 利用激光感应荧光光谱对Cs(Rb)-N2系统中的精细结构碰撞能量转移过程进行了实验研究, 获得了不同条件下碱原子D1线和D2线的荧光变化数据。结果表明, 在Cs-N2系统中, N2分子更多参与精细结构能量交换的加速过程;在340K时, 系统具有高的荧光转换效率;在Rb-N2系统中, N2分子主要参与猝灭过程, 对精细结构碰撞的增益作用不明显。这一结果可为半导体抽运碱金属激光器的高效运行提供参考数据。

为了研究大气湍流对不同波长激光传输特性的影响, 利用MATLAB对其进行了仿真, 设计湍流模拟箱进行实验, 将仿真和实验结果对比进行了理论分析和实验验证。对激光波前光强分布进行了观察与记录, 并对不同波长激光束在相同大气条件下的光束漂移和光强起伏做了测量与分析; 就大气湍流对线偏振光的偏振态影响进行了实验观测。结果表明, 随着大气湍流的增强, 激光波前光强分布容易受到明显的影响; 激光束的光强起伏随着波长的增大而减小, 其方差最高到达2.79×10-2, 而光束漂移则与波长无关, 方差最高到达9.11×10-12; 线偏振光受到湍流效应的影响, 其光强产生随机变化, 且随着湍流强度的提高, 变化程度更剧烈。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合, 这对激光大气传输的研究具有一定的参考价值。