为了有效提高半导体发光二极管（LED）光学系统的空间利用率，设计了一款基于负焦距透射结构的自由曲面准直透镜。该准直透镜分为透射准直和反射准直两部分，设计基于几何光学、斯涅耳定律以及能量守恒定律，通过使用Matlab软件编写算法迭代计算得到透镜的2D曲线数据，然后将2D曲线数据导入Solidworks软件旋转360°后得到准直透镜的3D模型，再导入光学建模软件Lighttools进行光线追迹，根据接收面上的光斑情况对准直透镜进行优化，优化后的准直模块经过模拟仿真，光能利用率为88.45%，光束角为±2.23°，具有优越的准直性能，相比传统的单透射自由曲面准直透镜，采取负焦距透射结构设计的准直透镜体积同比减少63.13%，能更有效地实现对LED光线的调控并减小透镜的体积。

对大功率高重频的皮秒光纤激光器的倍频及三倍频进行了研究,选用功率为50 W、重复频率为50 MHz、脉冲宽度为10 ps的1 030 nm的掺镱（Yb）光纤激光器作为泵浦源,选取三硼酸钡晶体（LBO）作为倍频晶体,通过仿真得到Ⅰ类角度相位匹配时晶体长度为20 mm,光斑半径为0.03 mm,倍频转换效率为28.08%；Ⅰ类温度相位匹配时,晶体长度为20 mm,光斑半径为0.039 mm,倍频转换效率为76.4%。比较认为,由于温度相位匹配离散角为0°,且非线性系数较高,对于大功率高重频的激光器,更适合使用LBO晶体的Ⅰ类温度相位匹配进行倍频,在最佳光斑处,转换效率可达76.4%。选取LBO晶体作为三倍频晶体,通过Ⅱ类角度相位匹配方式,探究三倍频效率与晶体长度及光斑半径等的关系。最终,在基频光与倍频光能量比为2∶3、晶体长度20 mm、光斑半径0.05 mm等条件下,得到理论转换效率为18.67%。

高功率连续绿光激光器在激光显示、生物医疗、有色金属加工等领域有着重要的应用，该研究课题已经成为激光领域的研究热点。为了实现高功率、高效率连续绿光激光的输出，利用窄带光纤光栅搭建了高功率光纤激光器，并以此为基频光源进行倍频技术的研究，得到了带宽小于50 pm的基频光纤激光器，输出功率可达100 W。利用该基频激光以腔外单程方式倍频KTP晶体，实现了11.6 W的532 nm绿光输出，倍频效率为11.6%；利用偏振棱镜将该基频光起偏后得到线偏振光，对透过偏振棱镜的p偏振光进行倍频实验，得到532 nm倍频光的输出功率可达7.3 W，倍频效率为14.2%。以上实验证明利用窄线宽光栅来控制基频光源的光谱带宽，可提高光纤激光器的倍频效率，若将经偏振棱镜分光后被反射出去的s偏振光进行倍频，可得到532 nm绿光，利用合束技术将两束绿光进行合束，有望将绿光功率提高至14 W以上。

大量废弃的塑料制品给生态环境造成严重破坏, 当务之急是要对塑料进行分类回收。 传统的分类方法普遍存在成本高, 效率低, 操作复杂等问题, 不能满足工业生产的需要。 激光诱导击穿光谱技术由于具备简单灵活, 快速灵敏等优点, 在物质鉴别领域有广泛应用。 采用激光诱导击穿光谱技术结合主成分分析（PCA）和支持向量机（SVM）算法对20种塑料进行分类识别研究。 由于目前有关塑料分类识别速率的研究报道较少, 该实验在保证识别准确率的前提下, 进一步研究和分析实验过程耗费的时间, 满足工业生产中快速分类的要求。 每种塑料采集100组光谱数据, 随机选取50组数据作为训练集建立模型, 余下50组作为测试集测试模型的分类识别效果, 所以训练集和测试集各有1 000组光谱数据。 将训练集的数据不加处理地输入SVM中进行训练, 并采用5折交叉验证建立最佳模型, 此时测试集的识别准确率为99.90%, 建模时间为1小时58分41.13秒, 预测时间为11.96 s。 由此可见, 单纯使用SVM算法可以得到很高的准确率, 但是需要耗费大量时间。 为了提高实验效率, 引入主成分分析算法, 将原来的高维数据变换成低维数据, 并用降维后的数据训练模型。 针对不同的主成分个数, 均采用随机训练十次再取平均值的方法获得相关数值。 实验表明, 当选取主成分个数为13时, 得到相应的识别准确率为99.80%, 而PCA处理时间为1.44 s, 建模时间为12.16 s, 预测时间仅为0.02 s。 虽然PCA算法结合SVM算法在对20种塑料进行分类识别时准确率有轻微下降, 但是大大减少了模型训练的时间, 实验效率得到很大程度的提高。 结果表明, 结合两种算法辅助激光诱导击穿光谱可以对塑料进行快速准确的分类识别。

为了有效地收集半导体发光二极管大范围的出射光以实现光能的高效利用,设计一款基于全内反射结构的多个自由曲面准直透镜,该透镜的初始结构是根据Snell定律和能量守恒定律等光学原理的算法设计而成。将该透镜的初始结构导入Creo软件中并进行360°旋转以得到3D实体模型,将其转入TracePro光学软件中进行蒙特卡洛光线追迹的模拟,在距离接收板20 m处接收到一个圆形光斑。对该透镜模型进行法矢修正,优化后的透镜经过模拟仿真,透射能力高达182 cd/lm,光束角为±1.621°。将优化后的透镜与传统的全内反射结构透镜进行对比,经验证发现优化后的透镜对窄光束的调控能力更好。

传统的陶瓷成型工艺存在着材料利用率低、能量消耗高等问题。为此, 本文利用数字光处理(DLP)3D打印技术, 制备了精细、复杂结构氧化锆陶瓷。实验配置了固相质量分数72.5%的陶瓷-光敏树脂浆料, 以紫外光为光源, 使浆料逐层固化, 叠加成型。实验还研究了曝光时间、曝光强度等因素对固化深度的影响, 优化后的陶瓷浆料表现出良好的固化效率与成型精度。最后本文还研究了烧结温度对陶瓷器件致密度以及维氏硬度的影响。最终制造出了致密度达95%以上、维氏硬度11.3 GPa、XRD表征为四方相的氧化锆陶瓷器件, 实现了复杂陶瓷器件的快速打印制备。

本文采用溶胶-凝胶法和旋涂烧结工艺把钙钛矿结构的锰酸镧光催化剂制备成薄膜。制备锰酸镧薄膜后, 采用X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)等测试手段检测薄膜的晶体结构、显微形貌和光催化性能。

汽车制造时将钢/铝合金结合起来使用, 能够实现车身强度不降低的前提下, 极大地减轻车身的质量, 以实现节能减排的目的。选取100 mm×50 mm×1.5 mm的DC01冷轧钢板和相同尺寸的6010铝合金进行光纤激光搭接焊接试验。试验发现, 当激光功率P=1 900 W, 焊接速度v=45 mm/s, 离焦量f=-3 mm时获得的焊接接头剪切强度达到最大值100.21 MPa。随后在搭接面添加0.2 mm的Cu中间层后, 实验结果表明, 添加Cu中间层后接头强度提升到144.91 MPa, 焊缝中心硬度显著提高。金相显微镜观察表明, 添加Cu中间层可以增大焊缝深宽比, 同时细化晶粒。XRD结果表明, 添加中间层后有新物相生成, 主要为Al-Cu系化合物。EDS线扫描结果发现, 添加中间层后金属间化合物层由40 μm降低至20 μm。