用特征向量法模拟较大菲涅耳数激光谐振腔时, 采用梯形积分法计算效率较低。为了解决这一问题, 通过理论分析谐振腔输出模式的空间带宽积, 确定计算传输矩阵时最少的取样点数。采用高斯积分法计算传输矩阵, 该方法在保证啁啾函数计算精度的同时使传输矩阵尺寸满足最少取样要求。通过对菲涅耳数为10的方形镜平凹谐振腔进行数值模拟可知, 传统方法的传输矩阵尺寸为10000×10000, 谐振腔特征模式的计算时间为412.47s, 本文中的计算方法需要的传输矩阵尺寸为3600×3600, 计算时间为51.34s。结果表明, 本文中的计算方法能大幅度提高特征向量法的计算效率, 同时减少计算机内存的消耗。

为了研制一种能在-40℃～+65℃环境下适用于机载吊舱的小型风冷重频二极管抽运Nd∶YAG板条激光器, 克服采用热电恒温二极管抽运源的一系列问题, 采用了无热电恒温二极管抽运源的方法, 并进行了实验验证。结果表明, 该激光器能在-40℃～+65℃环境下, 以20Hz～30Hz脉冲重复频率稳定可靠的工作, 激光输出能量100mJ～150mJ, 激光脉宽6ns～7ns, 激光束散角经4倍天线扩束后约1mrad。该激光器能适用于多种机载或车载激光测距/指示仪。

为了解决传统大气数据系统低空速测量不准确的问题, 采用了以光学多普勒频移为基本原理的低空速测量方法, 并以快速傅里叶变换为数据处理框架构建了一套实验样机, 通过标准风洞实验验证, 得出系统能稳定测量的最小风速为0.22m/s。结果表明, 该系统在不同风速下, 均具有较高的分辨率和稳定性。

随着近年来智能手机设备的快速普及, 2维码已经在商业零售、电子商务领域获得飞速发展。为了拓展2维码在工业制造领域金属零件直接零件标识方面的应用, 采用激光标刻填充方式与识读环境的结合调控方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了铝合金表面激光标刻2维码的手机识读特性数据。结果表明, 由于工艺参量不同, 铝合金表面的激光标刻区域将呈现白色、灰色直至黑色的对比度效果, 通过设置镜像识读环境条件, 并反转2维码标刻, 可以有效解决常规激光标刻白色2维码的无法识读问题。这一结果对开发智能手机2维码识读软件算法、提高激光标刻效率是有帮助的。

为了修正显微镜点扩散函数荧光微球传统测量方法中微球直径对测量结果的影响、提高显微镜点扩散函数的测量精度, 采用理论仿真、最小二乘拟合的方法, 建立荧光微球等效2维浓度分布, 模拟仿真了荧光微球显微成像过程; 利用最小二乘拟合以及残差拟合的方法, 得到荧光微球直径、荧光微球强度分布半峰全宽与系统实际点扩散函数半峰全宽之间的关系模型, 由此模型得到较为准确的系统点扩散函数半峰全宽。结果表明, 使用100nm荧光微球对系统点扩散函数进行测量时, 相对误差在1%左右。此研究结果说明通过该修正模型可以得到较为准确的系统点扩散函数。

为了高精度测量螺纹的各项参量, 建立了基于机器视觉技术的螺纹参量测量系统。采用螺纹工件旋转、相机跟随拍摄的方式采集螺纹在平行背光下的轮廓数据, 实现了螺纹的各项参量测量, 扩大了系统的测量范围, 并且降低了相机标定误差的影响。推导了坐标系统转换方程, 通过标定实现了坐标统一, 并推导了螺纹参量计算公式; 针对CCD相机光轴和螺纹轴线垂直时螺旋线对螺纹牙投影产生遮挡失真情况建立了数学补偿模型。结果表明, 得到的测量不确定度小于2μm, 重复性优于4μm。该系统可以完成螺纹的各项参量测量。

为了满足小型化、微型化的微细管道管内测量需求, 采用外部光源导入、内部图像导出的新思路, 突破管道内壁检测方法中传感器内置的传统模式, 解决了微细管道内部空间狭小的难题。在实验室前期研究工作的基础上, 完善了系统测量方案, 并针对检测系统的关键难题, 即视像管与待测管轴线对中问题进行了深入研究, 分析了该问题对系统测量结果的影响, 建立合适的数学模型, 提出了基于图像畸变矫正技术的补偿方案, 以提高系统的测量精度。结果表明, 搭建测量系统, 对直径12mm的微细管道内壁上直径为0.6mm,0.8mm及1.0mm的微孔模拟缺陷进行了重复性测量, 应用补偿方案后的测量结果均值误差小于0.02mm, 标准差不超过0.03mm。所提出的图像畸变矫正方案能够解决视像管非对中造成的影响, 满足微细管道内壁缺陷高精度测量的要求。

为了利用激光熔覆直接成形技术得到异形变截面圆环链轮轮齿模拟件, 采用光内送粉技术、利用库卡机器人进行运动控制。根据优化的工艺参量, 采用高度额外增量法、长度额外增量法规划扫描路径, 精准地控制每层提升量。实验前对基板进行预热, 并对成形零件进行检测分析。解决了异形件堆积最容易出现的边缘塌陷问题。在保证变截面结构尺寸各处充分的基础上, 较好地控制了加工余量。避免了熔覆层的开裂和剥落, 在42CrMoV基板上成功堆积出异形轮齿模拟件。结果表明, 光内送粉粉末利用率达60%以上; 成形轮齿表面光滑无粘粉, 各尺寸误差均在合理范围之内; 轮齿与基板冶金结合良好, 组织均匀致密, 各处硬度均匀。

为了进一步揭示激光的热力效应对电化学沉积的强化作用, 构建了激光电化学复合沉积试验系统, 进行了理论分析和实验验证。采用激光循环往复的扫描方式照射沉积区域制备沉积层试样, 对沉积过程中的力效应和热效应进行测试, 最后采用扫描电子显微镜对沉积层的表面形貌和截面形貌进行观察对比。结果表明, 激光的热力效应能加快金属离子的还原反应, 促进晶核形成和晶粒细化, 在激光能量为0.2mJ(20kHz)时, 能获得良好的沉积速率(0.198mg/min); 在激光能量为0.4mJ(20kHz)时, 沉积层的拉伸强度性能较好, 达到256.38MPa。此研究结果对电解加工技术的发展是有一定帮助的。

为了简化半导体激光器电源的电路结构、提升其电能转换效率、实现输出电流的快速动态响应, 采用单管正激变换的并联交错技术, 设计出一种2kW单级变换的开关型直流驱动电源。测试并分析了电源的静态特性、动态特性及电能转换效率。结果表明, 电源的效率高达85%; 输出电流0A~100A的上升、下降时间仅为1ms; 满载100A工作时, 输出电流的纹波系数仅为0.04%。与两级串联结构的半导体激光器电源相比, 电源的效率得以提升, 输出电流的动态响应速度迅速, 满足激光加工的要求。

为了解决现有的工作空间测量定位系统(WMPS)中柔性待测物表面形变及大尺寸测量空间内遮挡等问题, 提出了一种基于测距传感器的非接触测量方法, 并设计了基于该方法的测量靶。首先建立了该方法的测量模型, 将测量靶抽象为若干个控制点和一个矢量; 然后通过发射站的数学模型推导出了测量靶姿态迭代解算方法, 并通过单位四元数估计法给出了该迭代算法的初值生成方法; 最后采用自标定方法对测量靶进行了参量标定, 并依托天津大学研制的WMPS系统进行了精度验证实验。结果表明, 该测量靶的重复性测量精度为1mm, 距离测量精度为2.5mm。该方法使得WMPS系统的测量范围扩大并保持了较高的空间3维坐标测量精度。

为了测量金属平板的雷达散射截面,分别采用了太赫兹时域光谱系统和0.1THz连续波测量系统两种方法进行测量, 并从理论上分析了雷达散射截面测量模型。结果表明, 对于太赫兹时域光谱系统, 随着测量频率和角度的增加, 其误差在增大; 对于0.1THz连续波测量系统, 随着角度的增加, 误差增大, 随着被测目标尺寸增大, 误差先减小后增大, 实验最小误差均可达到-0.244dB。利用太赫时域光谱系统及0.1THz连续波测量系统测量雷达散射截面均是可行的。太赫兹时域光谱系统具有频率取值范围大、角分辨率高的特点; 而0.1THz连续系统系统结构简单、成像速度快、使用方便。

为了研究光子带隙光纤在1550nm波长下受径向压力的影响, 采用有限元法做仿真计算进行了定量研究, 并通过搭建实验系统对比分析了实测与仿真计算结果的差异。结果表明, 限制损耗随径向压力变化的灵敏度为0.00067(dB/km)/(N/m), 归一化分界面场强F参量随径向压力的变化率为0.68×10-6/(N/m), 折射率随径向压力的变化率为1.0×10-8/(N/m)。该研究为光子带隙光纤在光纤传感领域的应用提供了一种实验分析途径。

为了提高玻璃微通道的加工效率及质量, 采用248nm准分子激光加工玻璃微通道的新型加工方法进行了理论分析和实验验证, 取得了不同激光参量下玻璃微通道的加工工艺数据。结果表明, 激光加工玻璃微通道的刻蚀阈值为4.54×103mJ/mm2; 随着激光能量的增加, 刻蚀深度近似成对数增长, 经线性拟合得到刻蚀深度随激光能量变化的公式; 随着脉冲频率的增加, 刻蚀深度近似成线性增长, 经线性拟合得到刻蚀深度随频率变化的公式; 且通道底面粗糙度随激光能量及脉冲频率的增加, 呈增长趋势; 激光的能量在400mJ~600mJ、脉冲频率在4Hz~7Hz范围的组合激光参量可实现刻蚀率高、粗糙度小的微通道加工。这些结果对于合理选择激光参量、提高玻璃微通道的加工效率及质量是有帮助的。

为了得到铷原子磁力仪的最佳抽运光强, 进而优化原子磁力仪的灵敏度, 理论分析了抽运光强与磁力仪的极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系, 设计了实验装置。采用自由感应衰减法对直径20mm的铷原子球形气室在不同抽运光强下对应的横向弛豫时间进行测量, 并对相应的纵向弛豫时间进行测量, 计算出了不同光强下的极化率, 通过拟合得到了光强与极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系曲线。结果表明, 可在10mW/cm2附近得到系统最佳抽运光强。此研究结果为提高光强利用率并进一步优化铷原子磁力仪的灵敏度提供了指导。

为了研究影响碟片激光器晶体模块射流冲击冷却单元换热效果的核心因素, 采用数值计算的方法, 在喷孔总面积一定的条件下对孔径、孔间距及喷射距离进行了冲击冷却的分析, 通过实验对换热系数进行了对比分析, 并在实际的碟片激光器上对降温效果进行了验证。结果表明, 孔径为0.6mm且孔间距为1.6mm的喷嘴B具有最好的换热效果, 在3L/min的流量及3mm的喷射距离下, 换热系数达到55000W·m-2·K-1; 不同泵压下, 存在最佳喷射距离, 喷嘴B在0.2MPa时, 最佳喷射距离为0.5mm; 当流量为6.5L/min、喷射距离为5mm及注入电流为200A时, 喷嘴B对碟片晶体的冷却温度比喷嘴C低5℃。此结论为碟片激光器晶体模块射流冲击冷却单元的优化设计提供了参考。

为了使光收发模块发射光波长稳定, 突破现有半导体激光器温控系统大都采用模拟器件实现的常规设计, 提出了一种基于数字滤波方式的控制方案, 采用数字信号处理方式, 以固件形式实现了半导体激光器温度控制。通过理论分析和实验验证, 取得了采用该方案的光收发模块在应用温度范围内的发射波长变化数据。结果表明, 该系统性能稳定, 温度控制精度达±0.053℃。

为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性, 采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益, 并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下, 在光栅转动调谐时, 通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率, 推导出最佳的初始外腔长度, 并研究了动态模稳定(无跳模调谐)的范围; 采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直(耦合)透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明, 系统后向耦合效率最大可达99%, 极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽, 外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%, 动态模稳定范围可达6.8nm。

为了得到一种功率可控的光纤激光脉冲光源, 采用窄脉宽低重频脉冲光作为种子源, 以掺镱光纤为增益介质, 利用嵌入式控制技术和脉冲抽运技术, 实现了全光纤脉冲激光的多级放大和信噪比提升。结果表明, 此种光源输出稳定、信噪比良好, 不仅降低了热效应危害, 还增强了抽运能量的提取效率, 可以作为一般大功率光学系统的光源使用, 具有良好的应用价值, 市场前景广阔。

为了揭示激光与聚合物之间的相互作用机理, 以尼龙66(PA66)为研究对象, 采用刀刃法分析了半导体激光器的激光功率通量分布, 采用紫外-可见-近红外分光光度计测量了PA66和质量分数为0.3的玻纤增强尼龙66(PA66GF30)的光学参量, 分析了材料厚度及玻纤增强剂对PA66的透射率、反射率和吸收率的影响。通过非接触线扫描实验和数学模型研究了材料厚度及玻纤增强剂对PA66光散射的影响, 确定了激光透过PA66和PA66GF30后的激光功率通量分布。结果表明, PA66的透射率随着厚度的增加而减小, 反射率、吸收率随着厚度的增加而增大, 光散射随着厚度的增加而增大; 加入玻纤时, 透射率明显减小, 反射率稍有增大, 吸收率和光散射均明显增大。此研究对确定不同厚度热塑性塑料的光散射参量以及数值模拟在激光透射焊接中的更广泛应用是有帮助的。

为了实时监测工业烟气中SO2的排放, 设计了一种基于差分吸收光谱技术的SO2浓度分析系统。该系统采用差分吸收光谱技术原理, 在深入研究差分吸收光谱数据处理方法的基础上, 在实验室状态下获取了与仪器分辨率相匹配的SO2标准吸收截面, 采用光路反射设计和透紫石英镜片, 改进了气体池结构。结果表明, 该系统的实时测量浓度值与标准浓度值有较好的一致性, 能够满足对SO2气体排放的高精度实时监测要求。

为了实现一种单模多波长布里渊光纤激光器, 采用了将掺铒光纤放大器放置于1个10m左右的无源光纤振荡腔外, 各阶布里渊激光通过耦合器可反馈回送到掺铒光纤放大器中再次放大, 作为下一阶布里渊激光的抽运光来产生多阶布里渊激光的方法, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 在现有掺铒光纤放大器输出功率的水平, 在这种多波长单模布里渊光纤激光器中观察到了7个布里渊激光波长。预计其在光生微波、密集波分复用系统、光学惯性旋转传感和超高精度光谱分析等领域将会有着极其广泛的应用。

为了研究激光对CCD探测器的损伤效应, 采用有限元分析的方法进行了激光损伤CCD的理论分析和实验验证。阐述了激光辐照CCD探测器的损伤机理, 设计了激光辐照CCD探测器热效应的仿真模型, 针对波长为532nm的高功率激光辐照硅基CCD探测器而产生的热效应, 利用有限元法进行了仿真计算, 得到了CCD探测器受到532nm激光辐照时硅电极的温度曲线以及硅电极损伤时间阈值, 并相应计算出损伤CCD探测器所需要的激光能量阈值为220mJ/cm2左右。结果表明, 损伤阈值随着激光功率密度的增大而减小, 但变化幅度不大;当多脉冲毫秒激光辐照CCD探测器, 在一个脉冲结束、下一个脉冲到来之前, 探测器温度恢复到环境温度。该模型可以较为准确地对单脉冲激光辐照CCD探测器时产生的热损伤效应进行模拟。

为了实现对非正交轴系激光经纬仪测量系统的快速、准确定向, 采用构建新型光电基准尺的方法, 提出并研究了一种基于高精度光电位置敏感器件的可变长度光电基准尺构建技术。阐述了非正交轴系激光经纬仪的特点, 根据其特点及非正交轴系激光经纬仪测量系统定向的需要, 确定了可变长度光电基准尺构建的总体思路, 完成了硬件电路设计, 构建了可变长度光电基准尺, 并标定了两光电位置敏感探测器的空间位姿关系, 以实现可变长度基准测量。结果表明, 利用该可变长度光电基准尺定向后的测量系统, 其相对测量精度优于0.03%, 可方便、高精度地实现非正交轴系激光经纬仪测量系统的定向。

为了实现对样品溶液粘滞系数的精确、实时和无损测量, 利用激光光镊中的光致旋转原理, 提出了一种改进的理论和实验方法。首先对样品溶液的粘滞系数随探针粒子半径的变化关系进行了数值模拟, 然后通过光镊实验装置测量并计算出具体的探针转动频率和液体粘滞系数值。结果表明, 探针半径为2.0μm时得到的溶液粘滞系数误差最小, 并且测量了不同温度下密封的纯净水和乙醇溶液的粘滞系数, 实际偏差均小于7%, 验证了本方法的有效性。该方法具有相当高的测量精度和无接触的特点, 尤其是在测量粘滞系数较小、易挥发且有害性的溶液方面具有明显优势。

为了对单端量子点半导体光放大器(QD-SOA)全光波长转换器的增益恢复特性进行系统分析, 采用分段法和4阶龙格-库塔法, 利用单端QD-SOA的交叉增益调制效应的全光波长转换原理分别求解速率方程和光场方程, 分析了注入电流、后端面反射率以及最大模式增益等变化时对单端QD-SOA全光波长转换器增益恢复时间的影响。结果表明, 当增大注入电流和后端面反射率、减小最大模式增益时, 均可以减小增益恢复时间, 进而可以通过优化上述参量改善单端QD-SOA的增益恢复特性。

为了克服分布式光纤及其温度传感技术应用于高炉热风管中所存在的距离漂移率高、光纤互换性差等缺陷, 采用了双端单路解调法, 对光纤始末两端所测得的Stokes和anti-Stokes光强度比做算术平均处理, 来抵消光纤衰减项Zc。双端单路解调法的距离漂移率K=0.011, 更换光纤产生的最大Raman比偏差为0.015。结果表明, 该解调法的距离漂移率低, 当要求更换其它光纤时, 光纤衰减系数不需要重新标定, 完全能够实现对沿光纤路径温度场信息的有效测量。

为了研究部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流中传输后的聚焦特性, 采用了ABCD矩阵光学的方法进行分析研究, 取得了光强分布、束腰半径以及桶中功率的解析式, 并用于描述部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流的聚焦特性。结果表明, 在不同湍流强度下, 部分相干双曲余弦高斯光束和双曲余弦高斯光束在经过大气湍流后有不同的聚焦特性; 使用桶中功率和束腰半径作为评价参量, 大气湍流对完全相干双曲余弦高斯的影响更严重; 大气湍流对聚焦部分相干双曲余弦高斯光束的影响要大于准直光束。该结果对部分相干光束聚焦特性的研究有一定的理论指导意义, 对合成光束傍轴聚焦系统的设计有工程指导意义。

为了提高多光谱图像与全色图像的融合质量, 研究了多种滤波器和融合算法, 提出了基于多级引导滤波器的区域融合方法。采用该方法对多光谱图像进行插值,利用改进的分水岭算法对全色图像进行区域划分, 并将划分结果映射至每个多光谱图像, 然后将多光谱图像与全色图像利用多级引导滤波器分别进行滤波, 得到各自的细节信息, 最后根据每个区域中全色图像和多光谱图像的关系指标局部相关系数与4阶相关系数的大小, 对细节信息进行区域融合, 得到融合后的多光谱图像。结果表明, 该算法充分保留了多光谱图像的光谱信息, 并尽可能多地注入了全色图像的细节信息, 成功地提高了多光谱图像的融合效果。

为了改善激光直接刻蚀过程中形貌普遍较差的问题, 采用水射流激光复合刻蚀的方法,以SiC复相陶瓷和Al2O3陶瓷为研究材料, 分析了有无水射流条件下的形貌差异以及不同成分陶瓷的形貌差异, 并在此基础上研究了水射流流速对刻蚀深度和蚀除量的影响。结果表明,直接刻蚀时, 大量熔渣附于刻蚀表面, 刻蚀形貌较差, SiC复相陶瓷60%以上直接气化分解, 熔渣较少, 形貌稍好于Al2O3陶瓷; 复合刻蚀时, 刻蚀形貌有所变好, 且水射流流速在24m/s时的形貌要好于16m/s时的; 水射流流速越大, 材料的刻蚀深度和蚀除量越小, 流速每增大2m/s时, 材料的蚀除量平均减少0.066mm3左右, 相同流速下, SiC复相陶瓷的蚀除量比Al2O3陶瓷大0.4mm3左右。此研究对提高刻蚀形貌和分析不同陶瓷的刻蚀机理是有帮助的。

为了探寻选区激光烧结工艺参量对聚苯乙烯粉烧结质量影响的规律, 并通过工艺参量的优化来提高其烧结精度与强度, 采用对聚苯乙烯粉进行热重/差示扫描量热法实验分析、利用SLS300快速成型机对聚苯乙烯粉烧结等方法, 进行了理论分析和实验验证, 发现烧结温度在150℃~260℃之间时,试样烧结尺寸精度较高。结果表明, 聚苯乙烯粉烧结件的x向和y向尺寸精度受工艺参量影响较小, 而z向尺寸精度受工艺参量影响较大; 弯曲强度表现为随激光功率、扫描间隔、分层厚度的增大而减小的变化趋势。这对于工艺参量优化选择来提高聚苯乙烯粉的烧结质量提供了实验依据。

星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据, 在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。