为了对基于喇曼晶体的主要喇曼频移模和次级喇曼频移模的外腔式双波长喇曼激光器进行理论分析, 采用光场的波动方程和喇曼晶体中振动波的阻尼谐振子波方程推导出了描述基频光、喇曼光1和喇曼光2的耦合波方程组, 通过引入归一化参量对耦合波方程组进行了归一化, 并数值分析了输出镜反射率和归一化参量对外腔式双波长喇曼激光器性能的影响。结果表明, 选择对主要频移模反射率小于0.5且对次级频移模反射率大于0.5的输出镜、两个喇曼振动模的增益系数相差不大的喇曼晶体, 适当提高入射基频光的脉冲宽度可以提高次级喇曼频移模的转化效率, 可实现有效双波长运转。所提出的归一化耦合波理论可以作为分析外腔式双波长喇曼激光器的辅助工具。

为了研究和论证锗硅材料体系在器件的工艺制备和理论性能上的优势, 拓展锗硅量子阱结构的应用范围, 采用数值仿真结合实际器件制备的方法, 进行了理论分析和实验验证, 设计了一种基于Ge/SiGe非对称耦合量子阱材料的光学相位调制器, 并在实验测试中验证了该理论的正确性。结果表明, 当电场超过40 kV/cm时, 该材料在1450 nm波长处可以达到最高0.01的电致折射率变化; 经测试发现, 实际制备的器件在1.5 V的反向偏置电压下,实现了1530 nm波长处2.4×10-3的电致折射率变化, 对应的VπLπ=0.048 V·cm, 在同类型锗硅光调制器中达到了先进水平。该研究为硅基集成光调制器的进一步发展开辟了新的方向。

为了对Yb∶YAG晶体荧光性能进行调控以使其更好地应用于高能脉冲型激光器, 结合密度泛函理论和晶体场理论, 对掺杂调控后的Yb∶YAG晶体的电子结构、光谱学性质进行了理论计算, 分析了不同粒子掺杂和占据格位情况下Yb∶YAG晶体的荧光性能, 并在此基础上计算配方完成晶体生长实验、制备样品进行荧光性能测试验证。结果表明, 通过以上过程掌握了Yb∶YAG晶体荧光寿命等参数的调控方法, 共掺Cr后的Yb∶YAG荧光寿命可以从1.18 ms降低至0.94 ms。该研究为Yb∶YAG晶体实现高能脉冲激光应用奠定了理论和实验基础。

为了获得结构紧凑、光束质量高、光轴稳定性好的机载激光辐射器, 采用LD端面抽运构型与正交直角棱镜腔技术对该型激光器进行研究, 基于琼斯矩阵理论分析了特殊波片实现调Q关门的原理, 通过带曲率设计的直角棱镜腔镜,将腔型控制在大基模尺寸, 并实验对比了正交偏振关门与特殊波片关门两种方式。结果表明, 在正交偏振关门状态下, 20 Hz的工作重频时获得了单脉冲能量72.2 mJ、光束质量Mx2=8和My2=6的激光输出;基于K9玻璃的直角棱镜材料, 利用0.648λ波片进行调Q关门, 在20 Hz的工作重频下, 获得了单脉冲能量80 mJ、光束质量Mx2=5.7和My2=4.8的高光束质量输出, 其中激光器在x与y方向上的发散角分别为1.65 mrad和1.35 mrad。这一结果对高性能小型化激光器的研发是有帮助的。

为了解决长测距地面激光点云高密度变化的问题, 采用了一种密度自适应的平面分割方法。首先基于估算理论点间距构建动态邻域搜索范围, 联合内指标和香农熵确定最佳邻域并计算维度特征; 然后根据最佳邻域、维度特征、法向量和点面距设计区域增长规则, 得到初步分割结果; 最终通过面片合并优化分割结果, 并在最长扫描距离为1 km的单站地面激光扫描数据进行了实验验证。结果表明, 该方法分割准确率达到95%, 召回率达到92%, 能够准确对长测距地基点云中的建筑物平面进行分割; 与传统香农熵方法相比, 本文中使用动态邻域搜索范围可以显著提高算法效率。该方法能高效准确地从大场景点云中提取建筑物平面, 为城市3维建模提供了参考。

为了研究激光技术在废水降解领域中的应用, 采用激光诱导空化技术对酸性黑溶液进行降解, 通过紫外分光光度计对降解后的溶液进行分析表征, 获得激光能量和溶液初始质量浓度对降解能力的影响;结合空泡动力学理论和空化化学效应, 揭示了激光空化降解酸性黑溶液的机理。结果表明, 随着激光能量的增加, 初始质量浓度为20 mg/L的酸性黑溶液的降解率从0.78%逐步增加到27.28%; 在100 mJ激光能量下, 当溶液中酸性黑溶液的初始质量浓度从5 mg/L提升至20 mg/L时, 降解率从98.55%降低至7.63%;激光能量越高, 降解率越大; 初始质量浓度过大, 则激光空化难以对酸性黑溶液进行降解。该研究推进了激光空化降解染料等有机废水技术的发展。

为了快速无损地检测评估木材的霉变及含水量, 利用高光谱激光雷达系统主动获取木材的高光谱数据, 设计了一种分析霉变特征并建立含水量预测模型的方法。首先选取白松为样本, 进行时长为4个月的间隔性测量, 分析其霉变发生发展过程(正常、潮湿和霉变状态)的光谱特征变化; 然后在分析样本不同含水量光谱特性的基础上, 采用竞争性自适应重加权采样算法、连续投影算法及竞争性自适应重加权采样-连续投影组合算法提取特征波长; 最后分别建立偏最小二乘回归预测模型。结果表明, 正常状态的光谱反射率最高而霉变状态最低;当霉变状态稳定时, 光谱反射率随时间变化缓慢并趋于稳定; 基于竞争性自适应重加权采样-连续投影组合算法建立的模型预测性能最佳, 预测集的相关系数和均方根误差分别为0.9073和0.7564。利用高光谱激光雷达主动获取的高光谱信息可以评估木材的霉变并实现含水量预测, 为木质建筑的快速无损检测提供了新思路。

为了研究基于激光回馈的偏振跳变效应与相位延迟间的内在联系, 采用微片Nd∶YAG激光器（中心波长1064 nm）为光源, 回馈腔内置两个相对旋转的λ/4波片改变相位延迟, 在调谐回馈腔长的过程中研究了激光器的光强输出和偏振态变化。结果表明, 随着回馈腔内相位延迟增大, 偏振跳变点的凹陷逐渐加深, 两个偏振态的光强调制波形宽度趋于相同; 当回馈腔中相位延迟为90°时, 两正交偏振态在一个强度调制周期内持续时间相同, 每一次偏振跳变对应回馈腔长改变λ/4。此不同相位延迟下偏振跳变点的变化规律, 为1064 nm波长下的波片相位延迟测量提供了潜在方法, 同时相位延迟对激光器输出光强曲线的整形、为激光回馈条纹（自混合干涉条纹）的光学细分提供了依据。

为了模拟复杂条件下的激光威胁源, 设计了一种基于多波长多编码合束输出的新型激光产生装置, 用于检测相应的激光告警设备。采用3路波长分别为650 nm、808 nm和905 nm的激光, 以STC8H单片机为核心构成编码模块, 输出调制后的编码激光, 通过二向分色镜将3路激光光束合成一束出射,进行了理论分析和实验验证。结果表明, 合束的脉冲激光能量最高达到2.45 mJ, 光束直径为6 mm, 频率调制精度达到0.5 Hz, 占空比调制精度达到0.1%; 该装置能够实现携带不同编码信息的、不同波长的激光合束出射。该研究为激光告警设备提供了一种新的检测装置, 对检测手段的改进有一定的参考意义。

为了研究工艺参数对激光选区熔化技术成形的CuCrZr合金微流道表面粗糙度的影响, 采用正交试验法制备了具有微流道的CuCrZr合金试样; 利用3维形貌仪和扫描电子显微镜测试样件内表面的粗糙度和微观形貌, 分析了激光功率、扫描速率、填充距离对微流道悬垂面及侧表面的粗糙度的影响规律和内在机制。结果表明, 扫描速率对于悬垂面和侧表面的粗糙度影响最大, 悬垂面受熔池自身质量影响而出现“挂渣”现象, 而侧表面粗糙度则受马兰戈尼效应的影响较大; 经过优化, 在激光功率380 W、扫描速率520 mm/s、扫描间距0.12 mm的工艺参数下, 可加工获得具有最小侧表面粗糙度（16.91 μm）的微流道样件; 在激光功率320 W、扫描速率560 mm/s、填充距离0.14 mm的工艺参数下, 可加工获得具有悬垂面最小粗糙度（24.86 μm）的微流道样件。该研究从激光工艺窗口的角度为激光选区熔化技术成形表面精度提供了依据。

为了解决焊接缺陷磁光图像轮廓信息难以提取的问题, 提出一种图像去噪及轮廓检测方法。通过激光点焊获取裂纹缺陷样本, 利用有限元模拟仿真并获取缺陷漏磁场, 对比分析磁光图像灰度连续性、集中性及噪声特性; 利用快速非局部均值滤波算法去除噪声, 并与传统滤波器进行对比分析; 根据磁光图像缺陷信息与背景信息梯度值相异的特性, 在1阶梯度图的基础上进行Otsu法阈值分割与边缘检测。结果表明, 经该方法处理后的磁光图像标准差及图像熵分别达到30.0465及6.0395, 图像聚集程度更好, 更贴近仿真磁场曲线, 并能较好地提取缺陷轮廓信息。这一结果对后续缺陷识别及目标检测是有帮助的。

为了提高316L基材的耐腐蚀性能, 延长其在海洋环境下的使用寿命, 采用激光熔覆技术在316L不锈钢上制备出具有不同含铜量的Ni-Cu-WC的熔覆层, 利用扫描电子显微镜、能谱仪、显微硬度计、电化学工作站对熔覆层的显微组织、显微硬度及耐腐蚀性能进行测试并分析其腐蚀行为。结果表明, 熔覆层与基材结合状况良好, Cu元素的加入部分抑制了碳化物增强相的形成而导致熔覆层的硬度有所下降; 同时熔覆层中的Cu元素可以有效提高其在海水中的耐腐蚀性, Cu质量分数为0.1时,抗腐蚀性能最佳, 在NaCl溶液(质量分数为0.035)中的腐蚀电位提升至-0.864 V, 腐蚀电流密度降低至0.1049 μA/cm2。此研究为后续激光熔覆制备耐海水腐蚀涂层提供了理论参考依据。

为了提升无线光通信系统接收灵敏度, 采用一种基于改进基分类器系数的AdaBoost弱光信号检测算法, 解决多像素光子计数器(MPPC)在弱光条件下的信号检测问题。该算法采用k最近邻(KNN)为基分类器组建强分类器, 针对传统AdaBoost算法基分类器系数仅与错误率有关而产生冗余的基分类器消耗系统资源的问题, 提出一种基于错误和正确分类样本权重的基分类器系数优化AdaBoost算法(W-AdaBoost), 将信号解调问题转换为分类问题; 并采用波长450 nm半导体激光器、MPPC光电转换器件搭建了无线光通信系统。结果表明, 系统在通信速率为2 Mbit/s、误比特率为3.8×10-3时, 改进的W-AdaBoost-KNN算法较传统AdaBoost-KNN和单一KNN算法,灵敏度分别提升了1.6 dB和4.8 dB左右。此研究结果说明W-AdaBoost-KNN算法可提高弱光条件下的信号检测效率, 提升无线光通信系统接收灵敏度。

为了获得稳健的近红外光谱模型, 采用变量选择结合模型更新的方法, 以240个红富士苹果为对象, 取得近红外漫透射光谱和糖度数据, 建立偏最小二乘回归模型, 对苹果糖度含量进行预测, 并采用后向区间偏最小二乘法和竞争性自适应重加权算法, 对建模变量进行了选择, 通过将新批次中的一些样品加入到旧批次中重新校准来实现模型更新。结果表明,变量选择可以提高模型性能, 预测决定系数提高到0.7915, 预测均方根误差降低到0.5810, 预测偏差降至0.2627;结合模型更新策略, 可以进一步降低预测均方根误差和预测偏差;仅使用20个样品进行模型更新已经明显改善了模型性能, 预测决定系数提高到0.8506, 预测均方根误差降到0.4358, 预测偏差降到0.1045。这一结果对于多种水果建立稳健的近红外光谱模型是有帮助的。

为了探究水束导引高功率激光的热损失问题, 调控水导高功率激光中水-光束耦合的热稳定性, 保证激光能量有效地传输至工件表面, 采用有限元方法建立水-光束耦合的数值模型, 利用射线追踪模拟不同入射激光功率、射流流速和直径时的水射流温度分布, 并通过实验数据验证模型的有效性, 对比了相同功率下连续激光与脉冲激光的温度分布。结果表明, 水射流的温度随着水-光束耦合长度增加而升高, 当入射激光功率增大、耦合腔压力降低以及射流直径减小时, 都会导致射流的温度升高, 严重影响射流的稳定性;由于水射流的冷却作用, 平均功率300 W的脉冲激光相较于连续激光, 温度相差约5 ℃。此研究结果为控制水导高功率激光中水-光束耦合的热效应、提高激光能量的传输效率提供了一定的参考。

为了解决农业无人机在障碍物干扰环境中进行路径规划任务时存在的寻优精度低、避障能力弱等问题, 利用无线紫外光通信引导设备全天候非直视通信、隐秘通信及适用于各种特殊场合等特点, 建立了无线紫外光飞行路径引导系统, 提出基于指数递减策略的改进蝙蝠算法（EDS-IBA）, 引入基于指数递减策略的动态惯性权重和相邻路径点的人工势场, 在保证无人机路径平滑的同时, 避免陷入局部最优, 通过障碍物干扰代价和紫外光通信代价保证飞行环境的多样性及真实性。结果表明, EDS-IBA相较于基于差分进化算法的改进蝙蝠算法和传统蝙蝠算法, 2维环境下, 规划的平均路径长度分别缩短了10.7%和16.3%;3维环境下, 规划的平均路径分别缩短了13.7%和36.2%;算法达到收敛状态时, EDS-IBA的适应度值也较小, 在路径规划能力和算法性能方面有较好的可行性和有效性。该研究对无人机路径规划的实际应用和开发具有一定的现实意义。

为了设计制造新型的位相延迟器, 利用1维光子晶体的特性, 在折射率为1.52的玻璃上, 镀制了由硫化锌(ZnS)与冰晶石(Na3AlF6)构成的多周期二次元一维光子晶体,进行了数值模拟计算及理论分析。结果表明, 在带隙范围内, 1维光子晶体的等效折射率是虚等效折射率;在斜入射时, 带隙内的p光和s光的反射光各自位相增加, 出现位相延迟, 其偏振态发生改变, 由线偏振光变为椭圆(圆)偏振光;在发生全反射时, 光疏媒质的等效折射率是虚等效折射率;反射光出现位相增加, 产生位相延迟, 其偏振态发生改变, 由线偏振光变为椭圆(圆)偏振光。该延迟器可以改变光的传播方向, 改变偏振态的位相, 克服了薄膜λ/4波片的缺陷。

为了解决周期性跳变引起的相位解调问题, 提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的自动相位解缠算法。采用数据流水线结构, 通过状态机自动寻求跳变周期数, 由跳变周期数实现自动相位补偿, 并对提出的算法进行了理论分析和实验验证。结果表明,在FPGA内设置跳变周期数计数位宽为8位, 能适用256次以下跳变情况; 当增加跳变周期数计数位宽, 可适应更多跳变次数的情况; 自动相位解缠算法几乎不占用存储资源; 能解决因振动调制范围增大引起的反正切相位跳变问题; 相位解调误差在1‰以内, 满足高精度振动检测实时性需求。此自动相位解缠算法为激光多普勒振动测量时反正切相位计算结果存在周期性跳变问题提供了更为简洁的解决方案。

为了解决3维点云补全中难以提取点云局部特征信息的问题, 提出了融合图注意力的多分辨率点云补全网络结构。采用了生成对抗网络框架处理数据的方法, 生成器通过图注意力层构建点云图结构, 融合不同分辨率的特征信息后加上网格数据, 结合折叠操作重构缺失结构并输出逐级补全的点云数据; 判别器判别点云真伪, 通过反馈以提高准确度并优化生成器, 使得生成数据具有精细的几何结构, 近似于真实点云; 在形状数据集上,将本文中的方法与其它4种方法进行比较, 通过实验验证和理论分析, 取得了最优的结果。结果表明, 该方法能够有效地补全点云形状的缺失部分, 得到完整且均匀的点云形状, 相较于点分形网络性能提高约1.79%, 对于实测数据的补全处理也达到了预期效果; 所提出的点云补全网络结构, 在提取点云全局形状特征的同时更好地提取了其局部几何特征信息, 使得补全出的点云形状更加精细。该研究为智慧城市3维建模提供了参考。

为了准确重建正反面叶片叶绿素3维分布, 利用高光谱激光雷达, 采集了不同生长状态的绿萝叶片与植株的空间-光谱域点云数据, 设计了一种基于分类预测的重建方法。通过偏最小二乘回归构建叶片正面与反面光谱的叶绿素含量预测模型, 采用光谱自适应阈值选择方法实现植株点云中叶片正反面的分类, 并根据类别标签选择模型计算叶绿素含量, 重建植株的叶绿素3维分布。结果表明, 该方法得到的植株叶绿素3维分布更接近真实值, 决定系数达到0.69, 均方根误差为4.97。这一结果可为植物表型研究提供新的数据基础和理论方法。

为了评估相干测风激光雷达在不同扫描模式下探测效能与气象要素之间的联系, 使用2020-08~2021-07期间广汉机场相干测风激光雷达探测数据进行了分析验证。结果表明, 方位角测量模式扫描方式下, 探测距离在3 km之后, 探测效能线性下降,90°扫描时, 500 m后探测效能开始线性下降; 总体探测效能在11月最高, 7月最低; 11月至次年7月呈下降趋势, 7~11月呈上升趋势; 在日落后至日出前的探测效能较低, 在午间探测效能最高; 夏秋季节, 激光雷达探测效能与PM2.5质量浓度呈现正相关, 与降雨量的对数呈负相关。该研究为机场激光雷达识别低空风切变准确度提供了重要的基础保障。

为了减少激光焊缝语义分割中焊缝形状和颜色多样性对分割精度的影响, 采用注意力机制的图像语义分割方法提取焊缝区域。通过把焊缝区域图像从RGB转变到HSV颜色空间, 在HSV模型空间实现对焊缝表面颜色识别, 分析了３种类型焊缝对区域分割和颜色识别的影响。结果表明, 焊缝分割区域平均像素精度约为91.2%, 添加注意力机制U型网络模型的分割效果更好。此焊缝表面颜色自动识别结果符合生产要求, 在工业生产中有广泛应用前景。