为了解决大型装备中隐藏区域的空间坐标测量问题, 提出一种基于光学标靶与测距仪的激光测头, 该测头与全站仪或激光跟踪仪构成非接触测量系统。测量时, 激光测距仪发出的激光对准被测点测得其距离, 用全站仪或激光跟踪仪瞄准光学标靶, 实时获取激光测头的空间坐标, 同时激光测头测得其自身的空间姿态角, 然后通过坐标变换得到被测点的空间坐标；并进行了实验验证。结果表明, 该测量系统可以使得组合测量的量程扩大并保持较高的空间坐标测量精度。

为了提高轴快流CO2激光器换热器设计的灵活性、缩短研发周期、降低成本, 采用计算流体动力学方法对换热器内部流场和热交换过程进行了分析。根据分析结果设计出流阻为154.5Pa、换热量为8888.5W的换热器。由4kW轴快流CO2激光器的运行试验证明, 采用计算流体动力学法设计的换热器满足激光器的运行需求。结果表明, 计算流体动力学法是一种精确、高效的轴快流CO2激光器换热器的设计方法。

为了研究高强度铝合金的焊接性能,了解激光与金属惰性气体(MIG)之间的相互作用机理, 进一步优化焊接工艺参量, 采用光纤激光器与MIG复合焊焊机对3mm厚6005A铝合金进行了复合焊接试验研究。结合焊缝形貌、接头的力学性能等, 分析了工艺参量对焊缝质量的影响规律。结果表明, 采用激光-MIG复合焊接6005A, 在合适的工艺参量下, 可以实现表面成形良好的接头;焊缝中的物相主要由α-Al固溶体和弥散分布在基体中的第二相Mg2Si组成;焊缝区的显微硬度明显低于热影响区和母材的显微硬度, 接头的断裂处发生在焊缝区, 这是由于焊接热循环导致焊缝区组织粗化与气孔缺陷所致, 接头的断裂形式为韧性断裂, 断裂处呈现大量的韧窝, 接头的抗拉强度为251.52MPa, 可以达到母材的89.19%。焊接质量符合工程需要。

为了研究材料色散对光子晶体全反射隧穿光场分布的影响, 利用特征矩阵, 推导出1维光子晶体中的光场分布公式。又利用光场分布公式和材料色散公式, 研究了材料色散对1维掺杂光子晶体全反射隧穿光场分布的影响。结果表明, 材料色散对1维光子晶体全反射隧穿的光场分布会产生明显的影响, 材料色散会使全反射隧穿光场的峰值发生明显变化, 并会使光场分布的周期性发生明显改变。此研究结果加深了对1维光子晶体全反射隧穿现象的认识。

为了满足扫描系统高分辨率、大工作面、小型化的需要, 设计了一款具有衍射受限聚焦能力的超广角f-θ物镜。在此基础上, 针对五面转镜引起f-θ物镜入瞳偏移从而导致系统分辨率降低、线性畸变增大的问题进行了分析, 计算得到光瞳偏移量与扫描转角存在非对称分布的非线性关系。采用在系统中引入含有奇次高阶项自由曲面校正光瞳漂移的方法, 在ZEMAX软件中利用多重结构对f-θ转镜扫描系统建模优化设计, 并给出了设计实例。该物镜采用远摄型结构, 有效减小了扫描系统总体长度及透镜尺寸。结果表明, 经优化校正后, f-θ物镜性能得到显著改善, 在其扫描角度115°范围内, 线性畸变小于0.5%, 60%以上能量集中在半径30μm圆内。该f-θ扫描系统具有结构紧凑、分辨率高、线性畸变小等优点, 有良好的适用性。

为了考察光阑截断时高斯光束质量与波像差之间的关系, 采用高斯光束β值作为截断高斯光束质量的评价参量, 通过数值仿真的方法分析光学系统波像差对截断高斯光束质量的影响, 给出了高斯光束β值与波像差间的拟合关系。讨论了高斯光束质量与Kolmogoroff大气湍流强度间的关系, 并给出了二者间的拟合公式。结果表明, 该拟合公式的计算结果在相当广的湍流强度范围内与数值仿真结果较好吻合, 这也进一步验证了高斯光束β值与波像差拟合关系的正确性。

为了测量脉冲激光击穿电解液下产生的声压信号, 探讨冲击空化效应对激光电化学复合加工的作用和影响, 建立了激光电化学复合加工检测系统。采用水听器采集脉冲激光聚焦电解液下产生的声压信号, 使用示波器对声压信号进行存储、XVIEWER软件对声压波形分析和计算, 最后对激光电化学复合加工的区域进行拍照, 并分析冲击空化效应对激光电化学复合加工后的形貌特性和表面质量的作用和影响。结果表明, 脉冲激光聚焦电解液下, 产生冲击空化效应, 向外辐射3个不同声压信号;随着激光能量的增加, 激光冲击空化的3个声压变大, 空泡的半径和泡能均增加;在激光电化学复合加工中, 激光能量增加, 产生的等离子冲击波和射流力越大, 工件去除的量越多;空泡脉动促进电解液的流动, 对加工区域的微观形貌和表面质量起重要作用。这一结果对复合加工的过程和形貌是有帮助的。

为了解决传感光纤的弯曲、扭转以及外界工作环境的变化导致全光纤电流传感器测量精度降低的问题, 提出了一种基于输出椭圆偏振光长轴斜率的全光纤电流传感器温度补偿方法。论证了椭圆偏振光长轴斜率能够反应输出椭圆偏振光的光椭率的大小, 利用TMS320F28335和对应算法求出斜率, 实验中使用输出椭圆偏振光长轴斜率对传感器进行修正并进行了实际测量。结果表明, 基于该修正方法的测量系统, 实现了在单次变温条件20℃~60℃内变化时测量结果偏差满足0.2s。这一结果对全光纤实用化研究是有帮助的。

表面工程技术、纳米技术和激光技术结合产生了激光纳米表面工程技术。总结了相关的各种主要实现方法。通过对大量现有文献的总结和分析研究可知, 可以通过这些激光处理方式对材料表面进行自纳米化或者熔敷制备含纳米颗粒的涂层。

为了研究入射光强对多个亮屏蔽孤子之间相干相互作用的影响, 采用数值模拟的方法求解孤波演化方程。在特定的相互作用距离和相对相位条件下, 改变入射孤子的光强, 分别对2个孤子和3个孤子的相干相互作用做了分析。结果表明, 在同相位条件下, 2个孤子的相互作用表现出融合-分开-融合的周期性;对3个孤子, 这种周期性消失;同时表现出能量的定向转移特性。改变入射光强的大小, 能够控制能量转移的方向。在相反相位的情况下, 2个孤子和3个孤子类似, 都表现出相互排斥的相互作用, 入射光强的大小会影响相互作用的程度。当孤子之间相位差为π/2时, 2个孤子和3个孤子都表现出能量的定向转移, 能量转移方向由相对相位差的符号决定;对3个孤子, 随着入射光强的增加, 伴随着能量的转移, 还会表现出一定的排斥作用。此研究结果说明入射光强对孤子的相互作用具有一定的调节作用。

为了改善混合高斯模型在光照突变时容易产生大量误检的缺陷, 采用了一种高斯模型与均值法相结合并为前景像素建立计数器的方法。在建立背景模型时, 运用多帧图像求平均值的方法初始化混合高斯模型的背景;为每帧图像的前景像素数建立计数器, 并以此消除被误判为前景的区域;对检测出的前景区运用数学形态学处理, 得到图像真正的前景区域。结果表明, 该算法不仅克服了初始背景中的干扰, 而且消除了光照突变时的误检, 提高了运动目标的检测率。

为了实现高灵敏度液体折射率传感器的高效制备, 采用飞秒激光直写技术, 在光纤末端刻蚀出矩形凹槽, 辅以光纤熔接方法, 制备出一种基于光纤内双开口法布里-珀罗(F-P)干涉腔的折射率传感器。该传感器的液体折射率传感灵敏度达到1107.76nm/RIU。讨论了温度对该传感器性能的影响, 温度串扰小于0.0025nm/℃;基于海水含盐浓度与折射率的线性关系, 探讨了该传感器在海水含盐浓度传感测量方面的应用, 灵敏度为0.171nm/(mg·mL-1)。结果表明, 基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器具有干涉谱对比度高、线性响应良好、灵敏度高、不易受温度串扰、结构紧凑、制备简单高效等优点, 在生物、医疗、化学、环境等领域中有着广泛的应用前景。

为了研究基片的直边衍射效应对激光汇聚铬原子沉积特性的影响, 利用半经典模型, 采用改进后的设定恰当步长的4阶龙格-库塔算法, 模拟了铬原子在直边衍射激光驻波场中的3维运动轨迹和3维沉积光栅结构, 研究了衍射边与反射镜的距离、激光中轴线与基片表面的距离对激光汇聚原子沉积过程的影响。结果表明, 基片摆放位置不同, 沉积效果受到衍射效应的影响程度也随之改变;当衍射边到反射镜的距离为0.81cm、激光中轴线与基片表面的距离为0.01mm时, 纳米光栅的半峰全宽最小, 同时对比度最大。该研究成果为原子光刻实验提供了丰富的理论指导。

为了提高汉字激光打标效率, 结合笔画跟踪算法和贪心算法, 给出了一种振镜式汉字激光打标优化算法。该算法首先提取出汉字的连续笔画, 然后运用贪心算法获得汉字笔画最优输出路径, 最后按最优路径实现激光打标。结果表明, 该算法减少了激光大跳跃次数, 提高了汉字激光打标效率。

为了完成大口径高通量验证实验平台建造初期的三倍频能量测量, 采用凹面镜缩束方式取样的方法, 利用新型玻璃吸收元件完成光束的滤波, 实验测试了新型玻璃吸收元件对测试结果的影响。结果表明, 采用新型玻璃吸收元件可以获得干净的三倍频光, 剩余基频、二倍频光的影响在0.4%左右, 整个三倍频能量测量的测量不确定度可以控制在5%以内, 保证了激光装置能量测量的可靠性。

为了研究工艺参量对光纤激光切割切口质量的影响, 进行了切割T4003不锈钢试验, 分析了工艺参量与切口质量之间的关系。采用基于误差反向传播算法的人工神经网络, 建立了激光功率、切割速率、辅助气体压力等工艺参量与切口粗糙度之间的预测模型。对切割试验采集的训练样本进行了网络训练, 并利用测试样本对训练模型进行验证。结果表明, 随着激光功率增加, 切口粗糙度增大;随着切割速率和辅助气体压力增加, 切口粗糙度减小。神经网络预测模型精度较高, 网络训练效果良好, 预测值与试验样本值间的最大相对误差为2.4%。训练后检验精度较高, 检验样本最大相对误差仅为6.23%。该模型可有效预测激光切割切口表面粗糙度, 同时为合理选择及优化工艺参量, 提高激光切割质量提供试验依据。

为了获得能够实用化的大功率355nm准连续全固态激光器, 采用同一台双通道射频驱动源对准连续1064nm激光器和532nm激光器中的声光Q开关同时进行调制的方法来实现二者的同步, 通过消色差透镜将1064nm光和532nm光同时耦合到Ⅱ类相位匹配LBO晶体进行和频产生355nm紫外激光。在总注入电功率为436W、重复频率为6kHz时, 355nm激光最大输出功率6.8W, 脉宽为67ns, 总转换效率为1.56%。结果表明, 采用双波长腔外同步和频的方法可以获得大功率355nm准连续激光输出。

LED灯作为主要的新型照明工具, 因其较高的灵敏度, 可用于光通信系统中。为了研究与验证LED室内可见光语音通信系统的接收性能与传输距离, 参照红外通信的信道模型, 融入反射光的影响因素, 在使用室内标准照明的光发射功率下, 采用多径叠加网格算法, 计算桌面各接收点接收信号功率等参量的分布, 并设计与实现了LED可见光语音单向通信系统的收发电路。结果表明, 当LED灯的发射功率大于2W、信号物理层通信速率不高于1Mbit/s的情况下, 系统能够满足信号接收功率与接收信噪比的实际通信要求, 并能够实现10m距离内的信号无失真解码与清晰收听。这一结果对LED可见光通信系统进一步的研究与应用有一定的价值。

为了研究激光测距扫描仪在测量过程中, 由于激光扫描中心与被测球形中心存在一定偏心距时对激光扫描精准度的影响, 采用数形结合与公式推导的方法, 对偏心距e导致的激光扫描偏差值进行了理论分析, 建立了数学模型和公式推算验证, 分析了影响激光扫描轮廓偏差几个因素之间的相互关系, 得到了当随着半径R增大, 偏心引起的误差不会超过2e的结论。结果表明, 通过对提出的偏心误差修正方法进行公式验证, 将扫描中心与被测球形中心两坐标轴等效变换至同一坐标系下, 可减小偏心距e对激光扫描轮廓造成的偏差影响。

为了分析峰值折射率对1维正弦型函数光子晶体缺陷模的影响, 首先对折射率按正弦规律变化的介质进行离散化, 然后应用传输矩阵法计算了1维光子晶体(AB)mC(BA)m的透射谱, 分析了各介质层的折射率峰值对该结构1维正弦型函数光子晶体缺陷模的影响。结果表明, 随着峰值折射率的增大, 缺陷模红移, 且频率越高缺陷模红移现象越明显;低折射率介质的峰值折射率对缺陷模频移的影响比较显著。这一结果对光子晶体的设计有一定的参考价值。

为了在成像光谱偏振仪中应用近红外焦平面阵列探测器, 得到高质量图像信息, 结合新型弹光调制型成像光谱偏振探测技术(PEM-ISP), 提出了一种基于近红外焦平面阵列探测器的成像光谱偏振探测技术。系统采用FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器作为光学探测接收元件, 采用高速现场可编程门阵列(FPGA)作为信号处理单元, 做到对光学信号的快速采集与并行处理, 满足高速、实时的信号传输与处理技术等要求。将经高速A/D采集得到的数据存储到FPGA外扩的静态随机存储器中, 以保证数据的完整性。数据最终通过通用串行总线传至上位机, 上位机通过LabVIEW实现图像还原。结果表明,该系统可以应用于PEM-ISP中, 实现对测量信号的精确探测与采集, 并得到完整的图像信息。

为了对比研究激光对可见光CCD的干扰效果, 采用532nm,808nm和1064nm波长的激光对同一可见光CCD进行了干扰实验。结果表明, 3种波长的激光对CCD都有一定的干扰效果, 由于干扰波长、干扰功率、工作方式等不一样, 干扰效果也存在差异。对于脉冲式激光器, 532nm激光比1064nm激光具有更低的光饱和阈值;当各波长激光输出达到一定功率时, CCD会出现饱和串音的现象。此干扰实验为更好干扰CCD成像系统提供了一定的实验依据。

为了研究噪声光对位置敏感探测器测量准确度的影响, 首先对3种噪声光进行了描述, 然后运用方差分析法建立了位置敏感探测器测量准确度的数学模型, 并对系统的误差进行了分析。结果表明, 实验数据和计算数据是一致的, 此实验结果证明了该数学模型的正确性。

为了分析大气污染的主要污染气体之一的二氧化氮(NO2)的光谱与气体体积分数之间的关系, 采用了中心波长位于NO2高吸收峰位置的激光作为检测光源, 建立了光谱气体检测系统。根据朗伯-比尔定律, 采用分时差分方法, 结合权威数据库对比, 并考虑光谱线宽度等因素影响, 进行光谱分析, 用最小二乘法进行数据拟合, 取得了NO2吸收光谱与其体积分数的关系曲线数据, 并进行了体积分数反演和误差分析。结果表明, 实验结果与理论分析相吻合, 验证了光谱检测对NO2检测的研究与应用价值。

为了提高在线喇曼光谱仪在芳烃装置的组分检测中的实时性和精度, 采用偏最小二乘法(PLS)结合粒子群算法(PSO)建立了预测模型。对一定的芳烃样品进行试验。先通过光谱仪获得芳烃成分的喇曼光谱, 再运用PLS算法对喇曼数据进行主因子提取, 从而降低数据间的冗余性, 然后应用PSO算法对芳烃组分含量进行快速搜索, 找到最优解, 最后将样品的真实值与预测值进行相关性分析。结果表明, 与传统方法相比, 喇曼光谱结合PSO算法和PLS算法的模型具有精确度高、分析速度快的特点。该研究为芳烃装置中组分的检测提供了新方法。

为了实现对氧化锌薄膜的厚度测量, 采用光学相干层析成像的方法进行了理论分析和实验验证, 获得了含厚度信息的1维深度图像和含内部结构信息的2维层析图像。结果表明, 该方法测得的薄膜厚度值与理论值一致。该研究说明谱域光学相干层析成像技术的测量结果真实有效, 可以用于薄膜的厚度测量和质量检测。

为了分析光学相干层析成像技术(OCT)的图像对数变换前后的斑点噪声分布模型, 为图像去噪及其它图像处理过程提供参考, 采用了先推导斑点噪声理论分布模型, 再通过实验数据验证的方法。首先分析了对数变换前斑点噪声的统计特性, 利用数学理论推导得到斑点噪声对数变换后的理论分布模型, 然后用OCT心血管图像的平滑区域作为噪声的试验数据, 得到变换前后斑点噪声的直方图分布数据, 最后用理论分布模型对试验数据进行曲线拟合, 取得了确定系数、均方根差和卡方检测的评价数据。结果表明, 对数变换后斑点噪声分布符合Fisher-Tippett分布。这一结果对OCT图像去噪等处理过程是有帮助的。

为了实现非视线激光大气散射通信, 根据米氏散射理论, 建立了非视线通信链路模型, 研究了1.06μm激光的大气散射通信技术,分析了激光接收功率、激光发射功率、激光发散角、接收视场、探测器灵敏度、发射机倾角、接收机倾角、大气衰减和通信距离的关系, 并搭建了试验原理系统, 进行了1km距离的散射通信试验, 获得了激光散射信号。结果表明, 在一定的天气条件下, 采用波长为1.06μm的红外激光进行信号传输, 有望实现远距离的大气散射通信。

为了提高数字全息显微中的重建精度及速率, 采用理论分析与实验验证相结合的方法, 对数字全息显微中基于同态信号处理的广义线性重建算法进行了理论分析, 比较了同一物场在不同物光与参考光强比条件下的实验结果。结果表明, 随着参考光与物光光强比的不断增大, 广义线性重建算法再现像质得到明显改善,但当这一比值增大到一定值时, 再现像质量则逐渐下降。寻找合适的物光、参考光光强比, 是利用数字全息广义线性重建算法实现高质量再现像的重要条件。

为了提高图像分割的质量, 采用图论最小割集算法进行了研究。首先将图像中的像素点映射为图论节点, 节点权值通过平衡因子与共享最近邻节点数的比率计算;然后基于最小化能量方程建立图像最小割集, 提取分割块内的灰度值作为块特征向量, 用最小生成树对图分割;接着用判定函数判断临近区域是合并或者分割;最后给出了算法流程。结果表明, 该算法可以分割出目标信息, 并且算法鲁棒性好、峰值内存小。