为了获得激光冲击强化诱导的残余应力场, 采用数值模拟的方法, 建立了单次激光冲击强化35CD4合金钢厚板2维轴对称有限元模型, 对激光冲击过程中材料内部的能量变化、表面动态应力进行了分析, 验证了显式动态求解时间选取的合理性,并讨论了模型网格单元尺寸、冲击压力空间分布模型选取对残余应力模拟结果的影响。结果表明, 为了得到收敛的模拟结果, 选用的网格单元尺寸应为0.03mm左右。单次圆斑激光冲击的残余应力计算结果与已知的实验测量结果吻合得较好。

为了实现激光器同孔径下多种波长高功率高频率的可控输出, 采用激光放大、高重频调Q、光参量振荡、倍频及扫描反射镜等方法, 进行了理论分析和实验验证。取得了在电源电流为42A、调Q频率10kHz的共孔径下, 选择性输出40W的0.532μm、100W的1.064μm和12.6W的3.9μm激光的实验数据。结果表明, 该激光器实验装置可实现同孔径下多种波长高功率、高频率可控输出。

为了评价水洗、醋酸铵洗和盐酸洗等化学处理方法去除准东煤中碱金属的能力, 分析激光诱导击穿光谱(LIBS)技术快速测量煤中碱金属含量的可行性和准确性, 采用去离子水、醋酸铵溶液和稀盐酸溶液依次对准东煤进行化学处理, 并利用LIBS技术对各样本中的Na, K元素进行测量, 同时与电感耦合等离子光谱(ICP)检测结果进行对比, 得到了验证LIBS技术测量准东煤中碱金属含量可靠性的实验数据。结果表明, 水洗等化学处理可高效地去除准东煤中的碱金属, 而LIBS技术对不同样本中的Na, K元素测量重复性较好, 并且具有较高的灵敏度和较低的检测极限, LIBS检测结果与ICP的相对误差不超过7%。该结果说明LIBS可作为在线测量煤样中碱金属含量的一种有效手段。

自动形态学端元提取(AMEE)算法中的形态学算子在纯像元集中分布的区域无法得到正确的结果。现有膨胀操作在每个结构元素内只能提取一个候选端元, 会造成重要像元丢失。为了解决这些问题, 采用改进的形态学算子和结构元素对AMEE算法进行了改进。首先引入参考光谱向量的概念构建了改进的形态学算子, 并给出了形态学离心率指数新的计算方法, 然后利用偶数大小、改进的结构元素, 从每个结构元素内选出4个候选端元, 最后对改进的基于自动形态学的端元提取算法进行了分析和实验验证。结果表明, 改进的方法能从纯像元集中分布的区域获得正确的候选端元, 并在一定程度上避免膨胀过程中的信息遗失, 从而能够有效地提升端元提取的精度和像元解混的效果。

为了使远场相干光斑分布及干涉图样的条纹间距和条纹对比度满足激光主动相干探测的要求, 对基于马赫-曾德尔干涉原理的相干光发射装置发出的相干高斯光束在远场的扫描相干光场分布特性进行了分析, 推导了高斯光束远场扫描相干光场的解析光强分布公式, 得到了高斯光束远场扫描干涉图样。利用物理光学相关原理推导了远场的相干光光程差、干涉图样的条纹间距以及条纹对比度的表达式。数值仿真分析了马赫-曾德尔干涉光发射装置的分束镜旋转角度、探测距离和扫描角速度对远场相干光强分布特性的影响, 得到了这几个物理量之间的定量关系。结果表明, 远场扫描相干光强分布主要受到分束镜旋转角度、探测距离和发射装置扫描角速度等参量影响; 干涉光发射装置的分束镜旋转角度同时影响远场接收屏上干涉图样的条纹间距及条纹对比度。该研究结果对实际探测中如何选取分束镜的旋转角、使其在满足条纹间距目标尺寸要求的前提下, 适当调节旋转角度, 获得尽可能大的条纹对比度是有帮助的。

为了消除不同角度入射格兰-泰勒棱镜时透射光谱曲线波动干扰产生的影响, 提高消光比测量系统的测量精度, 以偏光棱镜作为检偏器, 采用二次曲线拟合的方法, 对透射曲线的极值点实现了精确判定。并采用二次光强测量方法, 对棱镜入射端、出射端、胶合层反射及透射情况进行了理论分析,然后用不同角度入射时棱镜透射谱线的变化规律来解释其干扰发生的程度。结果表明, 该方法消除了波动干扰影响, 提高了测量棱镜消光比的精度。这一结果解决了空气隙型偏光棱镜消光比测量精度问题,同时对偏光棱镜的正确使用提供了参考建议。

少模光纤模式复用存在模式耦合和差分模式时延, 必须通过自适应均衡算法补偿。为了降低长距离少模光纤通信系统中自适应均衡算法的复杂度, 采用基于变步长-频域块最小均方算法的多输入多输出均衡器对2×2模分复用系统解复用。利用频域块最小均方自适应算法修正均衡器权系数, 并通过变步长函数调整步长因子, 兼顾算法收敛速度和收敛性能。算法可通过快速傅里叶变换降低计算复杂度。在112Gbit/s的1000km少模光纤高速通信仿真系统中, 保证相同收敛速度情况下, 提高信号Q2因子3.7dB, 并在可编程现场门阵列上验证了100km少模光纤通信系统时的算法性能。结果表明, 该算法能够实现模分复用系统的信号解复用, 达到快速收敛、低稳态失调的目的。

为了满足结构健康监测的需求, 采用试验方法研究了准分布式光纤布喇格光栅(FBG)传感器在裂缝监测和损伤定位中的应用。以钢筋混凝土简支梁和工字型钢梁为试验对象, 对梁关键部位划分单元进行多点监测, 取得了其应变变化的数据, 并进行了分析以实现裂缝监测和损伤定位。结果表明, 准分布式FBG传感器能够较为准确地对裂缝的发生及所测区域的损伤情况实现定位。

为了解决波长调制激光光谱技术探测大气痕量气体浓度中信号处理算法的不足, 提出了一种基于随机抽样一致性算法的气体浓度反演算法。以大气甲醛分子的仿真信号和实际测量信号为例, 进行了理论分析和实验研究, 并与传统的最小二乘法相比较。结果表明, 该算法具有较强的抗噪声和异常点干扰能力, 尤其是在低信噪比的条件下, 精确度可提高1个量级, 体现出较高的可靠性和优越性。

为了研究频带宽度对激光光束传输和激光应用产生的影响, 采用衍射积分推导了矩形谱宽带激光通过双焦色散透镜后的传输公式, 利用数值计算研究了矩形谱宽带激光带宽诱导的焦开关现象, 分析得到带宽对光强分布和焦开关的影响。结果表明, 带宽是影响光强分布和焦开关形成的重要因素; 带宽变化会导致光强分布中光强主极大从一个位置跃变到另一个位置, 从而形成焦开关现象。该研究结果有助于进一步推动宽频带激光的应用。

为了实现低阈值光微流荧光共振能量转移(FRET)激光, 基于制备的高品质因子、高稳定法布里-珀罗(F-P)微腔, 采用间接抽运方法研究了两种F-P谐振腔中光微流FRET激光的产生。直接抽运施主染料, 使得施主染料通过FRET的方式把能量传递给受主染料, 从而实现受主染料的间接能量抽运。结果表明, 在此种抽运方式下, F-P光微流激光腔中实现了0.48μJ/mm2的低激光抽运能量密度阈值; 并可通过FRET激光产生的形式实现对低浓度物质的检测。

为了满足空间反射镜温度适应性好、结构紧凑的要求, 采用有限元分析方法, 以超低膨胀系数玻璃空间反射镜(355mm)为支撑对象, 设计了一种背部双脚架柔性支撑结构。首先研究了双脚架支撑的基本设计原则, 从自由度角度分析了双脚架支撑结构相对背部3点支撑结构的优势。然后针对支撑结构尺寸参量、柔性铰链结构尺寸参量对面型精度的影响进行了仿真分析和优化设计, 提出支撑脚延长线交点位置应作为背部双脚架支撑的关键设计参量, 与粘接位置分别设计。结果表明, 优化设计后的背部双脚架柔性支撑结构温度适应性好, 能够有效卸载温度变化引入的附加载荷, 同时具有较好的支撑效果和动态刚度; 反射镜支撑后面形精度均方根值为3.68nm, 组件的1阶频率达到123.41Hz, 满足设计要求。该研究对未来背部双脚架支撑结构设计具有借鉴意义。

为了研究不同入射角下的激光干扰效果, 采用逐步调节光轴指向的方法, 对不同入射角下的干扰效果进行了实验研究和理论分析, 取得了不同入射角下激光束在探测器上光斑位置、接收能量和光斑形状的数据。结果表明,光斑位置随入射角的增大而线性移动, 对于本文中的光电成像系统而言, 移动速率为入射角每增加0.1°,光斑偏离探测器中心16个像素; 接收能量随入射角的增大而减小, 对于本文中视场角为8°的光学系统而言, 减小的幅度不超过1%; 不同入射角下的激光光斑形状满足空间平移不变性。这一结果对开展激光干扰光电成像系统试验是有帮助的。

针对煤矿井下掘进机实时位姿自动检测的难题, 通过分析比较现有几种位姿测量方法的优缺点, 提出了一种基于视觉/惯导的掘进机位姿组合测量方法。该方法通过激光捷联式惯导系统得到掘进机的姿态信息、单目视觉测量掘进机的位置信息, 从而实现掘进机实时位姿的5自由度测量。依托大柳塔煤矿的快掘设备对该方法进行了实验验证。结果表明, 姿态测量精度为0.1°, 静态漂移的标准差不大于0.25°, 位置定位精度优于1cm。该方法能够用于掘进机实时位姿测量, 具有广阔的工程应用前景。

为了研究激光触发真空开关的靶材激光诱导击穿光谱和电弧光谱, 分析影响时延抖动的微观因素, 利用单脉冲纳秒激光轰击位于开关阴极的靶材激发等离子体, 采用滤光片和光电倍增管组合使用的方法, 取得了离散波长光强的数据, 建立拟合曲线, 进行了理论分析。结果表明, 脉冲激光能量增大可以提高靶材激光诱导击穿光谱的强度, 但几乎不影响电弧光谱的强度; 增大开关两端电压可以提高电弧光谱强度; 在开关强电场作用下, 电弧等离子体碰撞激发, 等离子体的成分比例随电压大小发生变化; 时延抖动与电压大小无关, 与自由电子运动状态和电弧离子种类无关, 主要在触发阶段受影响, 而相比激光能量, 开关电压大小对导通时的电压下降沿陡度起主要作用。这一结果对激光触发真空开关中激光与靶材相互作用、脉冲电弧和时延抖动的进一步研究是有帮助的。

为了对3维激光扫描技术的测量精度做出评估, 以激光雷达测量系统为研究对象, 基于误差椭球理论建立了测量系统的点位误差模型; 依据点云平面误差椭球的分布特性, 提出了点云拟合平面的不确定度模型, 用于评估与拟合平面关联的尺寸测量精度; 通过对箱体类物体高度的测量实验, 获得了实际测量不确定度, 并与模型仿真结果进行了对比。结果表明, 该模型可较准确地估算出高度的测量不确定度, 从而验证了其有效性及实际意义。

为了优化设计自由空间的高增益广角集光天线, 采用有限元数值计算方法分析不同结构参量对“牛眼”结构、喇叭型结构及碗型结构的透射增强特性的影响, 得到了凹槽个数与3种结构的表面等离子体异常透射增强系数之间的关系, 获得了碗型亚波长结构光学天线的透射增强优化结构参量。结果表明, 在单个凹槽结构能够有效激发表面等离子基元时, 喇叭型结构光学天线的透射增强系数得到有效提高; 通过结构参量优化, 当入射角在±5°内时, 喇叭型结构的透射增益倍数为20倍~140倍, 在±5°~±26°之间获得较为平坦的增益, 平均透射增强系数为10, 和现有的结构参量相比, 性能提高1倍;碗型结构在入射光为±60°的范围内有着较好的透射增强特性, 平滑区的平均透射增强系数为10。碗型结构比喇叭结构具有更加出色的广角传输特性。

为了克服纯铜表面激光熔覆时热量难以积聚的困难, 得到冶金结合良好的Ni60熔覆层, 采用预热辅助脉冲激光熔覆的方法, 在纯铜表面进行了Ni60合金粉末的熔覆实验, 并建立了纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆过程的3维瞬态热弹塑性模型, 对温度场及残余应力进行了仿真。预热温度达到573K时, Ni60熔覆层中裂痕完全消除;预热温度为673K时, 激光熔覆的加工效率提升了2.2倍;预热辅助脉冲激光熔覆得到的Ni60熔覆层平均硬度达到800HV0.2; 常温下, Ni60熔覆层与ASTM52100钢相对耐磨性为4.45, 摩擦系数约是铜和ASTM 52100钢的57%。结果表明, 随着预热温度的升高, Ni60熔覆层中裂纹减少, 激光熔覆效率提高; Ni60熔覆层有效地提高了表面硬度, 减小了摩擦系数。通过预热辅助脉冲激光熔覆技术, 在纯铜表面制备得到无裂纹、无气孔的Ni60熔覆层, 可有效地提高铜基材的硬度与耐磨性。

为了对抽运源的稳频技术做出对比和选择, 采用内调制技术和相位调制光外差技术, 以周期性极化KTP晶体作为非线性晶体, 实现了894.6nm连续光两镜驻波倍频腔的稳频运转。结果表明, 在不同注入光功率下, 用这两种方法锁定倍频腔后获得的蓝光功率基本相同; 在最大注入光功率为350mW时, 获得178mW的447.3nm蓝光, 相应的转化效率为50.8%;在最大注入光功率下, 利用内调制技术和相位调制光外差稳频技术获得的蓝光在2h内功率起伏分别为3.4%和2.3%。该研究对获得稳定输出的447.3nm蓝光用来制备铯原子D1线的非经典光的实验是有帮助的。

为了提高倍频效率、分析倍频晶体内束腰位置对倍频效率的影响, 根据基模高斯光束传输特性, 结合稳定三镜折叠腔中端镜处等相位面曲率半径与腔镜曲率半径相等这一特点, 在激光光束传输的合适位置上, 放入与等相位面曲率半径相同的腔镜, 构成倍频晶体内具有两个瑞利长度的三镜折叠腔, 提高了倍频效率。对比了相同端镜构成的具有一个瑞利长度和两个瑞利长度谐振腔, 相对于分臂长度变化的稳区范围。结果表明, 使用5W光纤耦合880nm激光二极管, 端面抽运3mm×3mm×5mm的Nd∶YVO4, 采用10mm×2.1mm×0.5mm的PPMgOLN为倍频晶体, 使用具有两个瑞利长度的谐振腔比具有一个瑞利长度的谐振腔, 整体提高倍频效率约18%, 两种腔型的光束质量相同, 倍频光与基频光偏振方向一致, 输出稳定的低噪声绿光, 验证了谐振腔设计的有效性。该研究对腔内倍频效率的提高是有帮助的。

为了设计高品质、高性能的光学滤波器和光开关, 利用传输矩阵法通过数值计算模拟的方式绘制1维光子晶体的透射能带谱, 研究和分析了两缺陷之间距离和缺陷的厚度对光子晶体透射能带谱的简并效应。结果表明, 当两缺陷之间距离越大, 透射能带谱简并效应越明显, 当间距增大到一定数值时,出现分立透射峰完全简并现象; 当缺陷厚度整数倍增大时, 光子晶体透射能带谱出现简并的趋势, 但缺陷厚度奇数倍增大与偶数倍增大时, 透射能带谱简并速度不一样, 前者的简并速度小于后者的简并速度; 缺陷厚度无论是奇数倍增大还是偶数倍增大, 光子晶体透射能带谱简并的速度均逐渐减小。缺陷对光子晶体透射能带谱简并效应的调制规律, 为光子晶体设计新型光学滤波器件、光学开关及其调制机制等提供了指导。

为了实现球面晶体背光成像、验证球面晶体背光成像系统性能, 采用模拟软件SHADOW对该背光成像系统进行了模拟研究, 并对实际成像过程中影响系统成像的探测器位置、背光源的大小等参量进行了模拟分析。结果表明, 探测器位置的微小变化对成像系统的相对放大率影响较小; 背光源越小, 成像系统的空间分辨率越高。该成像系统具有很好的空间分辨率, 系统性能稳定可靠。

为了研究脉冲CO2激光诱导空气放电的特性, 建立了高压电容充放电实验平台, 采用间距为8mm、半径为10mm的一对球形石墨电极, 取得了放电电压和电流的实时数据, 采用2阶振荡电路模型对放电电压和放电电流进行拟合得到了电极间激光诱导放电等离子体的阻抗, 并对放电时间、放电延时及抖动做了统计。结果表明,激光诱导放电等离子体的阻抗很小, 约1Ω~2Ω, 拟合得到的放电等离子体阻抗随放电电压、放电电容、以及激光能量的增加而减小; 放电延时随着实验条件的变化在2μs~10μs之间变化, 放电延时以及延时抖动随着放电电压和激光能量的增加而降低, 而受放电电容大小的影响不明显。由此高稳定性的激光脉冲和高压有助于激光诱导放电过程的稳定。

为了检测、分析混合气体, 根据混合气体中不同气体成分在喇曼频谱中各自的吸收谱峰, 采用激光谐振腔增强光谱法原理和喇曼散射光谱技术, 利用有源激光谐振腔和雪崩光电二极管, 设计了针对于混合气体成分进行在线分析的实验系统。结果表明, 对混合气体进行实时在线检测, 可以有效检测出包含体积分数分别为0.502, 0.498的N2和O2的混合气体。该系统操作便捷、安全可靠, 可以实现混合气体的成分分析。

为了研究激光冲击次数和冲击能量对TC17钛合金微观组织和表面硬度的影响, 采用不同的工艺参量对TC17钛合金进行了激光冲击强化处理。TC17钛合金在激光冲击后, 表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错, 冲击过程中位错发生增殖、塞积、缠结等现象, 单脉冲冲击形成的微凹坑的深度最大可达21.4μm; 脉冲能量为5J、搭接冲击次数从1次增加到4次时, 材料的表面硬度相比母材的增幅分别为8.3%,17.2%,24.3%和24.5%;5J和7J冲击1次时,表面硬度相比母材增幅分别达8.3%和14.2%。结果表明, 随着冲击次数和脉冲能量的增加, TC17材料表面硬度随之增加, 激光冲击强化使材料表面产生高密度位错, 这是其表面硬度增加的关键原因。

为了满足光偏振态分振幅测量模块(DOAP)对分光棱镜复杂且严格的加工要求, 采用在经典DOAP透射光路及反射光路各引入一块波片的方法, 组成改进后的光偏振态测量模块。推导了新的仪器矩阵表达式, 通过分析波片参量对仪器矩阵条件数的影响, 得到了最佳波片的参量及其关系。结果表明, 优化后的斯托克斯椭偏仪测量薄膜样品的厚度和折射率的标准差分别为0.1nm和0.001。通过选择波片的最佳方位角或相位延迟量可以实现斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的优化, 从而提高系统的测量稳定性及可靠性。

为了提高选择顺应性装配机器手臂(SCARA)机器人平面定位的精度, 采用网格模型结合最小距离误差逼近的方法, 首先构建SCARA机器人平面定位的简化模型, 概述网格模型构建原理, 然后通过视觉采集机器人末端第1次到达的实际点与期望点相对位置关系, 构建可变参量的起始网格模型, 再采用最小距离误差逼近, 求解下一步构建可变参量网格模型起始点, 最后由期望点在网格模型中位置分布情况决定模型粒度点的收敛更新方向。结果表明, 视觉引导的定位补偿策略弥补了因模型不精准而造成的平面定位精度不高的现象; 空间插值补偿法定位精度为1mm~3mm, 平面定位补偿精度较之有较大提高。该方法调节的参量单一、机器末端移动次数明确、工业应用性强。

为了研究矿石的多角度偏振反射特性, 采用改变光源入射角和探测角的方法, 测量矿石在可见光波段的反射偏振光谱, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 矿石的偏振度在可见光波段受波长影响较小, 偏振度大小稳定, 而入射角和探测角对矿石的偏振度光谱影响显著; 随着入射角和探测角的增大, 矿石均表现出先增大后减小的趋势, 最大值出现在布儒斯特角附近; 当入射角和探测角在55°~65°范围变化时, 矿石偏振度差异显著, 其中因组成颗粒较小结晶程度较高的玉髓偏振特性最强, 而非晶质结构的蛋白石偏振特性最弱。该研究利用偏振度对矿石进行鉴别和分类, 具有一定的可实行性, 这为矿石检测提供了新的途径。

为了解决3kW射频板条CO2激光器在高功率工作条件下功率波动的问题, 采用外光路转折镜调节方法对腔镜热畸变造成的光路偏移进行补偿。研究了基于芯片TMS320LF2407的脉宽调制器控制激光器注入功率的关键技术, 设计了整形光路尾镜取样功率检测系统, 并分析了外光路自适应调节系统的补偿原理。结果表明, 整形光路尾镜取样功率检测系统与基准功率计的最大误差为±2.59%, 其具有高线性度; 采用PA 100/T 14型压电陶瓷微位移驱动器, 对微动距离不超过54μm的自适应调节转折镜进行调节补偿, 光束偏移不会超出空间滤波器的0.8mm狭缝宽度; 调节补偿前后输出功率波动由18%降到2%, 达到了由于腔镜热变形导致光束偏移的补偿要求, 整形光束的旁瓣消失, 获得最佳模式输出。此项研究对提高激光器输出功率稳定性具有一定的实用价值。

为了解决双波长激光器的稳定性问题、达到压窄双波长激光器线宽的目的, 采用在激光器结构中加入环形滤波器的方法, 抑制了不需要的振荡模式。对滤波器进行了计算和仿真, 得到了梳状谱;通过实验得到了线宽为5.7kHz的单纵模双波长激光。经过输出功率稳定性测试, 1h内功率波动为0.6dB。结果表明, 环形滤波器的作用是十分明显的。