为了获得具有对称性结构的金填充高双折射光子晶体光纤, 采用有限元方法对光纤的纤芯基模、金属表面等离子体激元的色散和损耗特性进行了分析。改变包层晶格节距、纤芯周围气孔直径以及填充金丝直径能够灵活地调节纤芯基模与等离子体激元之间共振响应波长点的位置和耦合强度。通过对光纤结构参量的优化, 获得了一种基于通信波段的偏振滤波器。当特定空气孔数值孔径确定后, 在1.55μm处, x方向基模损耗可以达到473dB/cm, 而y方向基模几乎不会受到等离子体激元的干扰。结果表明, 与单偏振单模光子晶体光纤相比, 新设计的光纤结构可以通过调节金丝直径大小, 选择性地滤掉某一偏振方向的光, 从而达到在通信波段滤波的效果。该研究对研制基于通信波段的偏振滤波器具有一定的参考意义。

闭环控制系统在激光再制造工程中的应用, 对提高激光再制造产品形状尺寸精度以及成形控制过程自动化、智能化水平具有重要意义, 并具有广阔的发展空间。从闭环控制系统原理及结构出发, 对以熔池形状、3维尺寸、熔池温度、激光功率以及多信号联合等方式为监测方法的典型闭环控制系统进行分析, 同时就出光位置调整、送粉速率调节、激光功率控制等主要控制方法进行概述, 并从顶层设计、传感器精度、算法复杂度以及系统实时性和可靠性等方面对系统构建的关键性环节进行总结。在分析对比国内外激光再制造闭环控制系统研究进展及相关局限性基础上, 分析归纳系统构建难点, 指出了激光再制造闭环控制系统将向算法智能化、传感器集成化、控制参量综合化以及监测控制网络化的方向发展。

为了提高多波长光脉冲设备的实用性, 采用双波长工作原理, 设计了一种稳定的双波长半导体环形光纤激光器。讨论了环形腔色散、滤波器脉宽以及调制深度等对输出脉冲的影响。结果表明, 双波长光脉冲的重复率为5.0GHz, 典型脉宽为20ps, 双波长光脉冲具有良好的边模抑制比, 当输出波长为1554.75nm和1557.21nm时, 边模抑制比分别为29.1dB和29.7dB, 其典型的输出功率分别为-6.7dBm和-6.1dBm, 输出光谱的峰值功率波动小于0.5dB。这项研究对太赫兹源和多波长光脉冲设备的研究具有借鉴意义。

为了实现全光二极管的功能设计, 采用1维光子晶体非线性微腔, 在1维光子晶体两端设置不同厚度的金属薄膜, 并运用非线性传输矩阵方法研究了该结构的传输属性。结果表明, 两个非对称光学Tamm态和非线性微腔的耦合结构呈现双稳态, 且滞回线的位置与入射方向有关, 具有全光二极管功能; 光二极管的性能依赖于微腔厚度和两个金属薄膜的厚度比。该设计为全光二极管的性能优化提供了参考。

为了降低半导体抽运固体激光器的弛豫振荡噪声, 提高其输出功率的稳定性, 采用光电负反馈的方法来抑制半导体抽运的固体激光器的强度噪声, 并对激光器强度噪声的理论特性进行了分析。根据理论分析结果设计了比例-积分-微分反馈控制电路, 通过运用该反馈电路对激光器进行强度噪声抑制实验, 得到了比较理想的实验数据, 即当抽运功率为700mW、弛豫振荡峰频率为300kHz时, 弛豫振荡峰值处和低频区域强度噪声分别降低了45dB和15dB; 当抽运功率为550mW、弛豫振荡峰值为250kHz时, 弛豫振荡峰值处和低频区域强度噪声分别降低了40dB和10dB。结果表明, 该反馈控制电路能够有效地降低半导体抽运固体激光器的强度噪声, 提高激光器输出功率的稳定性。

为了使导模共振滤光片能在可见光范围内表现出良好的滤光效果, 根据严格耦合波理论和等效介质理论, 提出基于半导体材料单晶氧化锌薄膜的亚波长导模共振光栅滤光片的结构设计。通过仿真分析可知, 该滤光片在可见光范围内的475nm, 530nm与650nm波长处, 反射效率都达到了100%, 旁带反射率低于4%, 并且峰值带宽均小于0.3nm。结果表明, 该滤光片能分别在可见光的红、绿、蓝波段表现出良好的滤光效果, 可以作为三基色的滤光片, 在彩色合成与调制中得到重要的应用。

为了解决激光成像系统中的散斑问题, 利用ULN2003芯片驱动喇叭振动光纤对激光成像系统中的散斑特性进行了研究。采用波长为532nm的激光作为系统光源, 通过线阵CCD图像传感采集系统对激光散斑图像进行采集, 对塑料光纤在不同振动频率下的激光散斑对比度进行了分析。结果表明, 在光纤振动幅度不变、振动频率在0Hz～20Hz内逐渐增加时, 图像散斑对比度逐渐减小; 当振动频率大于16Hz时, 图像的散斑对比度趋于稳定, 达到良好的散斑抑制效果, 可用于激光显示及激光成像等领域。

由于受成像原理的限制, 导致超声图像对比度低、边界模糊, 因此基于边界的水平集分割效果很不理想。为了提高超声图像的分割精度和分割效率, 提出了一种梯度信息与区域信息相结合的水平集分割算法。首先对基于边界的距离正则化水平集演化(DRLSE)模型进行改进, 将区域信息引入到边界指示函数中, 并用改进后的边界指示函数代替DRLSE模型中的边界指示函数, 最后, 得到一个梯度与区域信息相结合的水平集演化模型。结果表明, 本文中的模型能准确分割甲状腺肿瘤超声图像, 且在分割效率和分割精确度方面均比DRLSE模型有所提高。

为了对液晶光学相控阵的相位调制量进行高分辨率、高精度的自动化测量, 采用了傅里叶λ/4波片法, 在常规λ/4波片法的基础上, 结合离散傅里叶变换算法完成数据处理过程, 获得更高的测试精度, 并且对测试环境的振动、噪声具备更好的抑制能力。实验中, 利用微机控制步进电机、CCD等辅助设备, 结合傅里叶λ/4波片法形成自动检测设备。结果表明, 将标准λ/4波片作为测试样品, 测试重复精度小于0.3°; 将自行研制的液晶光学相控阵作为待测样品, 获得了其近场的相位分布, 可看到样品的相位周期性与电极间相位凹陷等情况。

为了沉积出表面平整、尺寸精确、沉积区域具有可选择性的Fe膜, 采用YAG固体激光器, 以Fe(CO)5为液相前驱体, 利用一定厚度的石英片减少副产物, 在激光功率密度为1.0×106W/cm2、激光频率为2.5kHz、激光扫描速率为300mm/s、激光重复扫描次数为200次的条件下, 沉积出表面平整性较好、并且具有一定厚度的Fe沉积层。通过测试分析发现, 沉积层表面质量受激光功率密度影响较大; 激光功率密度是影响到沉积层能否沉积以及沉积厚度的重要参量。结果表明, 通过激光诱导, 以Fe(CO)5为前驱体, 可以实现铜表面的Fe膜的沉积。

全固态单频激光器在高分辨率激光光谱学、相干通信、激光雷达、引力波探测等方面的重要应用, 成为全固态激光器研究的一个重要方向。概述了几种获得全固态单频激光器的方法, 主要有短腔法、耦合腔法、双折射滤光片法、光栅选频法、插入标准具法、单向环形腔法、扭转模腔法等。介绍了不同方法实现单频的基本原理及国内外进展, 总结比较了它们各自的优缺点和适用范围, 为不同的单频激光应用需求提供了不同的单频技术手段。

为了解决高功率光纤激光非熔透焊接5A06铝合金过程中, 焊接熔深的控制、合金元素的烧损、焊缝表面质量的改善等方面难以兼顾的问题, 采用固定激光功率和正面焊接保护气的方法, 通过改变单一焊接参量, 研究了焊接速率、离焦量、搭接板间间隙的变化对焊缝表面质量的影响, 并对焊缝内部镁元素的分布规律进行了理论分析和实验验证。结果表明, 焊缝的硬度与镁元素的分布相一致; 由于熔合线附近晶粒细化和母材镁元素扩散的共同作用, 使熔合线附近的硬度高于其它部位; 优化参量后的非熔透激光焊接头强度大于电弧铆焊接头, 间隙为0.2mm的时候, 激光焊接头强度最大, 为母材抗拉强度的68.1%。这一结果对指导工业中的铝合金非熔透激光焊接是有帮助的。

为了精确稳定地测量物体微表面形貌, 设计了一种基于改进迈克尔逊结构的空间两步相移干涉系统。该系统在泰曼-格林偏振干涉仪的基础之上, 使用改进的迈克尔逊结构实现分光, 采用偏振方向分别为0°和45°的两偏振片作为相移器件, 在单个CCD相机中同时记录两幅具有90°相移的干涉图像, 然后由离散希尔伯特变换法提取相位, 获取物体表面形貌信息。搭建了两步相移干涉光路, 并通过对玻璃平板表面的检测, 验证了该系统的可行性。结果表明, 在实验室环境下系统重复测量结果的均方根误差小于0.02λ, 在实际微表面测量中具有良好的稳定性。

为了研究激光法制备纳米金刚石的相变机理, 采用纳秒脉冲激光冲击微米级石墨悬浮液, 并做强酸高温氧化提纯处理, 结合X射线衍射、喇曼光谱、高分辨率透射电镜等表征手段以及热力学和动力学分析方法, 对实验结果进行了理论分析和实验验证。合成得到分散均匀、尺寸在4nm~12nm的超细纳米金刚石。结果表明, 纳秒激光辐照下, 石墨是通过固态-气态-液态-固态的形式转变为金刚石结构的; 与毫秒脉冲激光相比, 高功率密度、短脉宽的纳秒激光为金刚石核的生长提供了大的过冷度, 提高了金刚石的形核率和生长速率; 但是纳米金刚石的生长温度范围极小, 冷却过程中石墨结构与金刚石结构同时形核、长大, 引起金刚石颗粒表面的石墨化, 限制了纳米金刚石的生长。

为了研究激光直接成形Ti-6Al-4V中热积累效应对其微观组织和力学性能的影响, 采用对比试验的方法, 制备了直径分别为5mm和10mm的两个圆柱试样及两组对比拉伸试样。直径为5mm的试样成形时热积累效应明显, 底部和顶部的β晶粒内部以马氏体α′组织为主, 中部的β晶粒内部以针状α组织为主; 直径为10mm的试样热积累效较弱, 自底部至顶部均以马氏体α′组织为主。热积累效应强烈的一组拉伸试样拉伸强度略低于热积累效应不明显的一组试样, 但塑性约为其3倍。结果表明, 激光直接成形Ti-6Al-4V时强烈的热积累效应会降低冷却速率, 使微观组织从马氏体α′组织转变为针状α组织, 从而使其拉伸强度稍有降低, 但塑性提高很多。

为了研究同轴型激光器激光焊接产生的焊后偏移(PWS), 采用基于有限元热-结构耦合理论的分析方法, 建立了同轴型激光器3束激光焊接模型, 分析了激光焊接工艺参量对焊后偏移的影响规律, 并进行了激光锤校正实验研究, 获得了同轴型激光器激光焊接前后及校正后的耦合光功率值。结果表明, 同轴型激光器的焊后偏移受到3个焊点功率分布和位置分布等因素的影响; 耦合光功率在激光锤校正后整体呈上升趋势, 最大耦合光功率可恢复至94%, 有限元仿真分析对PWS的方向预测合理。这一结果对激光焊接同轴型激光器的生产具有一定的指导意义。

为了获得用于高功率激光放大器的单层宽带增透膜, 采用有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮掺杂调控二氧化硅胶体生长制备了粒度分布更宽广的稳定胶体体系, 通过提拉镀膜工艺, 制备了单层增透膜。采用粒度仪和粘度仪监测胶体的性质, 用分光光度计测量了膜层透过率, 并用X射线能谱分析了膜层结构。结果表明, 聚乙烯吡咯烷酮引入胶体中使得胶体粒度分布更宽, 所得膜层具有折射率渐变特性, 因而膜层具有宽带增透的效果; 膜层在550nm～950nm连续波段内透射率不低于99%。单层宽谱增透膜层不需后处理就可投入使用, 膜层性能稳定, 满足了激光装置片状放大器的运行要求。

为了降低噪声对人体脉搏信号的干扰、提高采集精度, 提出了一种改进的滤波算法。从脉搏信号及其噪声特点出发, 采用与经验模态分解法结合的方法, 选择适当的小波基并改进小波阈值函数, 构造模态系数对脉搏信号进行滤波。经过理论分析与实验验证, 取得了理想的实验数据。结果表明, 改进的阈值算法不仅克服了软、硬阈值的局限性, 并能有效克服傅里叶变换后产生的边缘效应问题; 同时, 与经验模态分解法相结合, 削弱了低频噪声滤除的误差, 增强了小波变换的自适应性, 较传统的滤波方法能更好地抑制噪声, 有助于提高信噪比。

为了减弱振动对车载激光雷达测量精度和稳定性的影响, 借鉴浮筏减振系统在船舶领域的成功使用, 对其进行了浮筏减振布局设计。采用多刚体动力学建模方法对系统在简谐激励下的减振性能进行了分析, 得出系统各处减振器参量对系统减振效果的影响。根据选定的减振参量, 结合所选车型, 经过计算得到激光雷达主体的传递率峰值, 有效避开了汽车运输过程中的激振频率, 且几乎在有效的激振频率范围内传递率曲线都小于1; 经计算得到冲击作用下的振动量程没有越过减震器的有效减震范围, 符合理论要求; 通过振动状态下激光雷达和探空气球所测风速数据的对比, 验证了减振设计对保证测量精度的效果; 通过静止和模拟振动状态下激光雷达的锁频效果对比, 证明了浮法减振设计在车载系统中应用的可靠性。结果表明, 浮筏减振设计应用于车载测风激光雷达是合理的、成功的。

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力, 利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式, 并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明, 获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa～1.7GPa, 随着载荷的增加, 残余应力增加, 当载荷在1.4GPa～1.6GPa时, 最大残余压应力为125MPa左右; 冲击载荷在1.8GPa时, 出现轻微的“残余应力洞”现象; 而在大于1.9GPa时, 均出现明显的“残余应力洞”现象; 载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。

为了对折射率型1维光子晶体缺陷波导中的光传输进行有效数值模拟, 采用此类型波导的厄米-高斯函数展开方法进行了研究。首先给出了计算方法的详细理论推导, 然后利用该方法计算了偏振态不同、结构参量不同的情况下波导本征模式的色散关系、模场空间分布、能量控制因子及等效折射率。结果表明, 1维光子晶体缺陷波导与阶跃平面光波导主要差别在于高阶模式, 且可通过调节1维光子晶体的结构参量来有效调控高阶模式的传输。

为了利用悬空的周期可调光栅控制激光器的波长输出, 采用了微机电系统技术中微驱动器与分布反馈激光器光栅相结合的结构, 根据严格耦合波理论和介质平板波导理论, 针对光通信的C波段, 利用有限元软件COMSOL, 建立了基于氮化镓的波长可调分布反馈激光器2维稳态模型。分析了1550nm处2维电场模式图以及激射波长线宽图, 得到了激射波长与光栅周期的对应关系。结果表明, 在光栅厚度、高度以及增益层厚度等结构参量一定的情况下, 激射波长与光栅周期呈现与理论分析基本一致的似线性关系。该研究为该器件设计以及制备的后期工作开展提供了理论指导意义。

为了在某些应急情况下无源传输声音信号, 采用基于光纤迈克尔逊干涉仪原理光纤声音传感的方法结合了收音弹性盘片和光纤粘接的工艺设计, 使用3×3耦合器相位解调方法对传感信号进行相位解调, 实现了一种新型光纤声音传感器系统。给出了干涉仪3路输出信号相位差的表达式, 利用最小二乘法拟合求出干涉仪3路输出信号的平均相位差, 取得了仿真与实际测试数据。经过测试, 该系统可以准确有效地还原出设计带宽内的声音信号。结果表明, 该光纤声音传感器系统适用于电磁恶劣等应急环境中, 验证了该设计方案的可行性。

为了解决常见结构光管道内3维形貌检测系统存在光线遮挡引起测量误差和“盲区”的问题, 采用了一种新改进的圆结构光垂直照明、用两个互补金属氧化物半导体摄像机同步拍摄的管道内3维形貌检测系统, 建立了适合该系统的图像处理和系统标定方法, 完成了检测实验。结果表明, 该系统可以很好地解决“盲区”问题, 减小了测量误差, 系统的标准差为0.50mm, 并能得到完整的管道内壁3维形貌信息。

为满足模具行业对激光强化设备的需求, 研制了一台多轴激光强化机床。在普通三轴数控机床基体的基础上, 对原机床主轴部位进行改进, 加入两个旋转轴、激光器及CCD观察系统。采用激光干涉仪对机床运动轴的定位精度和重复定位精度进行测量和补偿, 分析机床各运动轴的运动和激光加工的特点, 结合UG NX后处理编辑工具对多轴激光强化机床的后处理进行了理论分析和实验验证。结果表明, 补偿后机床的定位精度不大于0.05mm, 重复定位精度为±0.02mm。根据现有模具, 运用研制的UG NX后处理进行编程, 导入到机床中, 实现了激光表面强化处理。这一结果证明了试验激光加工机床及后处理的可行性, 对普通机床升级到激光加工设备是有帮助的。

为了研究镜像磁光光子晶体在外磁场中透射谱的变化, 采用4×4传输矩阵法进行了理论分析和模拟计算。模拟结果显示, 当外磁场存在的情况下, 镜像光子晶体中存在的缺陷模会受到外磁场和光子晶体层数的影响, 分裂成两个模式, 这两个模式分别对应于原线性偏振光中的左旋光和右旋光, 且左旋光和右旋光之间的频率差会随着外加磁场的增强而增大; 只有当光子晶体结构多于7层时, 缺陷模才会具有较高的Q值, 这时模式的分裂现象才能被清晰地观察到。结果表明, 磁光光子晶体的这种可调谐性可以应用到新型的滤波器设计当中。

小孔构件是典型的应力集中细节, 其易在疲劳载荷下产生裂纹, 影响关键结构的使用性能和服役寿命。为了研究双面冲击次序对小孔件强化效果的影响, 对双面激光同时冲击强化(双面对冲)和依次冲击强化的TC4-DT小孔构件进行了疲劳拉伸试验, 并利用ABAQUS有限元软件, 对两种冲击次序强化后的残余应力分布进行了仿真。结果表明, 双面对冲的试样疲劳增益是双面激光依次冲击强化后的2倍以上; 双面对冲后小孔件的应力分布更均匀, 其疲劳源明显偏离厚度中点处, 而双面激光依次冲击时, 两激光冲击表面的残余应力差较大。仿真结果与试验有较好的一致性。

为了能够更好地识别入侵振动信号, 通过研究分布式光纤振动传感器及振动信号的识别技术, 根据振动信号的特点, 借鉴语音信号的处理方法, 对比原有基于快速傅里叶变换频谱分析算法, 引入了基于Mel频率倒谱系数的识别算法。新算法从频域的角度对振动信号进行分析, 提取不同环境状态下的Mel频率倒谱系数, 并将其作为新的特征参量。通过实验对比分析两种算法, 两者的误报率分别为27.5%和7.5%。结果表明, 基于Mel频率倒谱系数的算法相比基于快速傅里叶变换的频谱分析算法, 在误报率上可以降低20%甚至更多, 在不漏报的前提下, 显然误报率更低的基于Mel频率倒谱系数的算法更加适用于安防体系。

为了研究单双面激光冲击对7050-T7451铝合金小孔件的影响, 采用ABAQUS有限元软件分析了单双面强化的残余应力分布, 并对比分析了残余应力曲线和单双面强化断口间的对应关系。结果表明, 双面强化的残余压应力比单面强化大120MPa, 且正反面应力分布更合理; 单面强化后疲劳源群位置距强化面达2.54mm, 偏离了尺寸中心, 而双面强化的疲劳源群大致位于尺寸中心; 经单双面激光冲击强化后, 试样的疲劳增益分别提高了53.3%和156.2%。该研究对单双面激光冲击强化的参量选择具有一定的指导意义。

在使用前向抽运喇曼放大器的相干光正交频分复用传输系统中, 由于喇曼抽运的强度噪声和交叉相位调制之间相互作用产生相对相位噪声, 导致系统性能大幅下降。为了研究此问题, 采用数值分析方法进行了理论分析与实验验证, 分析了不同的调制格式下, 相对相位噪声对相干光正交频分复用系统的影响, 并且比较了正交频分复用多载波系统与单载波系统在相同条件下的系统性能, 取得了由相对相位噪声所导致的系统损伤程度数据。结果表明, 抽运和信号之间相对较大的离散系数有助于抑制相对相位噪声引起的损伤, 高阶调制信号比低阶信号对相对相位噪声耐受性低; 频谱相同效率时, 正交幅度调制格式比相移键控耐受性更好。

为了对粒径探测器的测量不确定度进行校准, 基于衍射原理方法, 研制了一套小孔圆盘校准装置。该方法对米氏散射与夫琅禾费衍射的功率进行计算和模拟, 得到了衍射针孔孔径与气溶胶粒径转换的关系。通过该转换关系, 计算得到校准装置的参量, 并进行了理论分析和实验验证。通过实验将标准粒子的测量不确定度传递给云粒子粒径探测器, 再通过旋转针孔圆盘进行实验, 将测量不确定度传递给校准装置。取得了该校准装置的校准实验数据, 验证了理论分析的正确性。结果表明, 该校准装置效率高、校准方案的可行性好、校准范围大、测量离散性好、重复性高。这一结果对粒径探测器的校准技术研究是有帮助的。