搭建气体动力学悬浮无容器激光加热装置耦合皮秒级时间门控拉曼光谱仪, 突破常规加热法的温度与坩埚材料的限制的同时, 依靠皮秒级脉冲激光极短的测量周期大幅度屏蔽高温极端条件下黑体辐射对拉曼信号的干扰。 并利用该平台首次原位测定了高熔点MgTi2O5超高温下（1 903、 1 953和2 003 K）的高信噪比熔体拉曼光谱。 并通过耦合三代增强型电荷耦合探测器（ICCD）与纳秒级脉冲激光实现测定MgTi2O5晶体样品室温（RT）到1 673 K的完整温度范围的原位拉曼光谱。 在RT升至1 953 K的升温过程中晶体的拉曼光谱出现展宽和红移现象, 相对强度降低, 当温度升高到熔体（2 003 K）成为单一宽泛的包络线, 表明此时晶体的长程有序的结构已经被破坏, 体系内微结构发生本质改变。 运用密度泛函理论（DFT）计算其常温拉曼光谱, 比照实验光谱, 对主要振动模式进行了归属分析, 拉曼光谱位移低于350 cm-1的低波数区的振动主要归属于晶体的晶格振动, 中波数区域485 cm-1的振动峰为Ti—O—Ti弯曲振动, 主要特征峰648 cm-1处为TiO6八面体内O—Ti伸缩振动; 787 cm-1处为TiO6八面体内O—Ti—O的弯曲振动。 对熔体结构运用量子化学从头计算法, 模拟了系列团簇模型的拉曼光谱, 获得了特征振动模式的波数和散射截面, 实验拉曼光谱采用散射截面校正后, 解谱并定量分析了熔体中团簇结构的分布。 定量分析显示, MgTi2O5晶体熔化后, 存在TiO4四面体构型（不同构型的Qi相对摩尔分数分别为54.6%Q0、 20.1%Q1、 5.0%Q2、 4.8%Q3, Qi为不同桥氧数i的钛氧四面体）和TiO6八面体构型（H0的相对摩尔分数为14.8%, H0为孤立的六配位钛氧八面体）。 Ti4+主要以孤立四面体结构Q0、 二聚体结构Q1四配位形式存在, 少部分以孤立的钛氧八面体H0六配位的形式存在。 结果表明: MgTi2O5熔体成分中占较大比例的孤立结构, 破坏了体系网络连接性, 抑制了玻璃形成能力, 因此该高温熔体不具备形成玻璃的条件。 在升温过程中MgTi2O5晶体的拉曼光谱显示无相变发生; 熔融过程中, 晶体微结构中的Ti—O多面体结构由单一TiO6型转变为TiO4与TiO6型共存。

为了优化非晶合金与晶体金属的激光焊接工艺, 运用最大平均功率300 W脉冲红外激光焊接锆基非晶合金Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10与440、304、17-4PH不锈钢。采用材料分析手段和力学测试方法对实验焊接接头的材料微观组织、成分组成以及力学性能进行了表征, 取得了合适的激光偏移量焊接工艺参数、焊接接头微观组织特性数据及其力学性能数据。结果表明, 激光焦点往不锈钢侧偏移0.2 mm~0.3 mm可以使焊接熔化均匀并有效提高抗弯强度, 通过合适的焊接工艺使非晶合金与17-4PH接头抗弯强度达339 MPa; 非晶合金与3种不锈钢的激光焊接接头主要分为熔化混合区与热影响区, 熔化混合区中发现了呈树枝状与颗粒状的结晶组织, 焊后通过低温退火可使抗弯强度提升14%~48%。此研究结果对扩大锆基非晶合金在各个领域的应用具有指导意义。

作为传承人类文明和见证历史发展的重要载体, 传统手工纸老化机制的研究及老化状态的评价至关重要。 手工纸张老化后各项宏观性能的降低归根究底来源于微观尺度上物理和化学性能的衰减, 因此传统手工纸微观尺度结构的表征分析是深入理解纸张老化机制和准确评估老化状态的关键, 也是发挥手工纸使用价值的基础。 光谱分析因其出色的时空分辨率, 快速响应, 高信噪比和良好的灵敏度备受关注, 而其无损或微损的特点使珍贵纸质样品的测试不再受到限制, 实现从微纳米尺度获得纸张的老化状态信息。 基于手工纸的化学元素、 化学结构、 组分以及微观形态等方面, 系统阐述近年来发展的红外光谱（IR）、 紫外可见光谱（UV/Vis）、 拉曼光谱（Raman）、 核磁共振（NMR）、 太赫兹时域光谱（THz）、 X射线光谱（X-ray）、 荧光光谱（LIFS）、 光谱与显微镜联用等无损/微损表征技术, 旨在从微纳米尺度获得纸张内部及表面多层次结构特性, 并希望将其作为宏观性质的切入点, 深挖手工纸在老化进程中宏观与微观之间的联系, 从而促进手工纸在复杂环境中多尺度评价体系的建立以及老化机理的揭示, 为手工纸保存状态的评估及修复工作的实施提供重要依据。

晶体材料微加工技术是制备微电子器件、微机电系统器件的关键技术。飞秒激光辐照结合湿法腐蚀加工技术不仅可以去除飞秒激光诱导微结构表面缺陷,提高微结构表面光滑度,还在制备高纵横比结构、内部通道等方面具有独特的优势,为晶体加工开辟了新的道路。本文概述了飞秒激光辐照结合湿法腐蚀加工技术特点、原理和优势,总结了其在硅、碳化硅、蓝宝石晶体材料微结构制备中的研究进展,讨论了该技术的不足及其未来发展。

三维微结构在光陷阱、隐身与光场调控、超高压密封、人工生物材料等领域具有重要的应用价值。三维微结构的加工制造方法, 包括激光直写、光刻、电子与化学蚀刻等先进制造方法发展迅速, 其检测仪器有扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、激光共焦显微镜、低相干干涉显微镜, 但这些检测仪器一直受到西方发达国家垄断。阐述国内在低相干干涉显微测量方法方面的研究进展, 包括干涉显微镜的光学设计方法、装校流程、宽谱低相干干涉图处理与微结构形貌复原方法, 并给出了不确定度评定结果。结果表明: 仪器三维形貌合成不确定度为0.9 nm, 最大微结构轴向分辨率为0.13 nm。

利用 Zemax光学设计软件设计了一款适用于家用小型汽车前照远光灯的汽车反光杯。针对国标 GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》性能要求, 对普通的汽车反光杯采取结构改良等优化措施, 使其二次配光效果更好, 中央光斑进一步集中, 视觉效果更加柔和。仿真结果表明: 系统有效作用距离为 150 m, 10 m处中央光斑平均光照强度为 4 552 lx, 出光角为.10°～+10°。各项主要性能指标均达到国家最新标准, 在不增加工业生产成本的前提下, 具有适应未来批量 3D打印生产模式的潜力。