提出了一种利用激光阴影图像探测大气湍流中二维横向风矢量的方法,并开展了数值模拟和实验研究。通过移动无限长的相位屏模拟光传输路径上的横向风,采用基于归一化互相关原理的整像素搜索算法计算激光阴影的移动速度,并分析了路径上的横向风及其非均匀分布对激光阴影移动速度的影响。100 m长的激光阴影成像探测对比实验结果表明,在采样频率足够大时,激光阴影的移动速度与平均横向风速之间满足线性关系。超声风速仪的实测值与激光阴影法的拟合值相关系数达到0.949,这表明利用短曝光激光阴影图像获取路径的平均二维横向风矢量是可行的;且该方法能定量展现激光传输路径上大气湍流涡旋的发展和演化,对于大气湍流风场的遥感监测及相关工程应用具有重要的参考价值。

为了研究激光诱导液滴等离子体特性, 基于脉冲激光与液滴的同步作用, 采用直接成像法和阴影法研究了液滴等离子体羽辉膨胀特性及激光作用液滴的运动情况。首先采用增强型电荷耦合器件直接成像法, 研究了水滴等离子体的羽辉随时间的演化, 其次利用阴影法研究激光作用水滴的阴影图像的演化, 观察到激光作用水滴产生的冲击波及液滴团簇的变化, 分析计算了冲击波膨胀距离随时间的变化和膨胀速度。结果表明, 激光诱导水滴等离子体的膨胀形状近似为椭圆, 其中沿激光入射方向的一侧辐射强度较高, 100ns内等离子体的膨胀变化近似为线性膨胀, 100ns后膨胀趋于稳定, 冲击波膨胀半径随时间线性增长, 冲击波的膨胀速率约为90m/s。此研究结果可为激光诱导液滴实验提供一定的参考依据。

采用阴影法对高重复频率准分子激光器放电腔内的放电冲击波现象进行了实验研究,研究结果揭示了放电冲击波的产生以及演化过程。通过对观测结果进行分析,获得了放电冲击波的3种典型形式:横向冲击波、纵向冲击波(主电极冲击波)和预电离冲击波。估算了3种冲击波的波速,进而分析了可会受冲击波影响的重复频率。研究成果可以为高重复频率准分子放电腔的设计提供支持,尤其是可以在放电冲击波抑制结构的设计方面提供支持。

为了实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测,解决激光超声检测内部缺陷时衍射回波信号弱、透射体波检测无法获得缺陷深度信息等问题,提出了一种激光超声反射横波双阴影检测方法。该方法结合超声透射法和反射法的优点,依据缺陷对反射横波的两次衰减作用,利用时间飞行法对样品进行扫描检测,通过波形互相关算法计算波形时延,精确测量了激光激发点与探测点距离和横波双阴影间距,结合样品厚度实现了对直径为0.8 mm内部缺陷的检出和深度定位。与X射线数字射线照相、传统超声换能器检测的结果进行对比后可知,激光超声方法能够实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测和精确定位。

为了研究毫秒激光致硅靶的熔融喷溅机理, 采用阴影法, 通过高速CCD获得了毫秒激光与固体靶材(硅靶和铝靶)相互作用的序列阴影图, 研究了毫秒激光致固体靶材的融熔喷溅过程。实验上对比了毫秒激光致硅靶和铝靶熔融喷溅过程的不同, 并对毫秒激光致固体熔融喷溅形成的机制进行了讨论。根据两种靶材融熔喷溅机理不同, 解释了两种靶材融熔喷溅物的形貌、喷溅角度、喷溅物分布和喷溅物亮度不同的原因。结果表明, 毫秒激光对两种靶材均能产生气化和熔融喷溅过程, 但气化强度和熔融喷溅物的形态、亮度均不相同; 激光作用硅靶时, 作用区域所产生的气化现象不明显, 熔融喷溅物呈液滴状, 其亮度强于背景光, 熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角的最大值为45°, 熔融喷溅物分布在其间; 而激光作用铝靶时, 作用区域的铝靶所产生的气化现象更加明显, 熔融喷溅物呈线状不透明流体, 其亮度低于背景光, 熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角度为20°, 熔融喷溅物分布在熔融喷溅方向所在的直线周围。该研究对激光加工技术是有帮助的。

激光清除空间碎片利用的是高能脉冲激光烧蚀固体靶材的冲量耦合效应,对于空间碎片来说, 激光辐照下的反冲冲量取决于碎片等离子体羽流的喷射过程, 并且会随着激光辐照方向的变化而变化。因此, 有必要研究空间碎片激光辐照下的等离子体羽流特性。针对等离子体羽流的流场超高速、瞬态、强自发光背景、小尺度的技术难点, 采用纳秒级曝光、多幅照片精确拼接技术, 采用高速相机和激光器同步时序控制技术, 实现纳秒级时间分辨率、亚微米级空间分辨率的流场演化信息定量测量, 实验获得典型碎片材料等离子体羽流演化特性, 以及不同激光入射角度下的等离子体羽流演化过程, 实验结果可揭示反喷冲量形成规律。

基于阴影法测量了脉冲CO2激光Sn等离子体羽辉在缓冲气体中的膨胀特性，得到了羽辉边界位置及其等离子体碎屑动能随延时的变化规律，并利用修正的阻力扩散模型拟合了实验数据。研究表明，在入射激光脉冲能量为400 mJ，脉冲半峰全宽为75 ns，缓冲空气气压为1000 Pa时，初期(延时小于100 ns)Sn等离子体羽辉边界的膨胀速度可以达到3 cm/μs，随着延时的增加，由于背景气体分子的热碰撞阻力作用，羽辉粒子的速度急剧下降，后期(延时大于800 ns)羽辉碎屑离子膨胀速度降到了0.3 cm/μs。修正的阻力扩散模型拟合的结果表明等离子体羽辉膨胀的极限尺寸xst=15.2 mm，实验测试结果表明，羽辉碎屑粒子运动的极限距离约为16 mm，理论模型与实验结果吻合较好。

设计并实现了一种平面反射双光程结构的阴影系统,该系统在减小了尺寸的同时还提高了观测的灵敏度;采用直接成像的方法,降低了系统噪声,提高了自动化程度.结果表明:该系统可以清楚地显示小到1.0×10-6 g/cm4的密度梯度变化,可在海洋内波动力学研究中,对实验室中模拟内波的形态结构进行观测,满足试验场地受限的情况下大尺寸内波密度场的观测需要.

提出了阴影检测技术的一种新型数字化方法,用于定量测量光学元件表面的局部面形误差量.在阴影测量装置后搭建数字图像提取和处理系统,运用傅里叶光学原理进行测量方法的数学建模.利用数字图像系统提取阴影检测图像,通过对阴影检测图像特征的分析重构出光学元件面形.仿真结果表明,运用该模型提取一抛物面镜的面形信息,在一维径向方向上可以达到1 λ(λ=632.8 nm)RMS的重构精度,可以满足光学元件加工粗抛光阶段测量的要求.