为了研究小尺度空间碎片的降轨特性, 建立了空间碎片自旋与非自旋模型, 理论分析了地基激光作用下碎片速度的变化规律, 在此基础上研究了激光辐照作用下空间碎片的变轨模型。采用理论仿真的方法, 分析了在高能脉冲激光作用下空间碎片的近地点与远地点高度、半长轴及偏心率随初始真近角的变化规律。结果表明, 地基激光清除空间碎片存在最佳作用区域, 自旋碎片在初始真近角86°~151°范围内降轨效果最佳, 非自旋碎片在初始真近角130°~162°范围内降轨效果最佳。自旋空间碎片降轨效果明显优于非自旋空间碎片。

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求, 采用光子计数的高灵敏激光探测方法, 讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理, 并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型, 进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明, 在可探测速度范围内, 光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标, 测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比, 此技术测距精度能提高3个数量级, 可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。

为了研究真空环境下波长为1070nm连续激光辐照对三结砷化镓太阳电池输出的影响, 采用实验研究的方法测量了不同功率密度激光作用下太阳电池背面温度和负载电压的实时变化。当激光功率密度为8.4W/cm2时, 温度升高显著, 负载电压下降趋近于零, 激光作用结束, 电压恢复至初始电压的53%; 继续增大激光功率密度至11.7W/cm2, 经2.3s后, 负载电压降为零且不能恢复, 电池已毁伤。结果表明, 连续激光作用会引起电池温升, 温度升高使负载电压下降; 作用激光功率密度较小时, 电池温升幅度较小, 负载电压下降幅度也较小, 激光停止后, 负载电压能逐渐恢复至初始状态; 作用激光功率密度较大时, 温升幅度也较大, 引起负载电压下降显著, 即使激光停止作用, 负载电压也不能恢复至初值, 此时说明电池已有损伤。该实验结果可以在一定程度上为激光损伤电池机理的研究提供参考依据。

为了探究铝合金高功率光纤激光焊接焊缝成形特征与规律, 采用高斯光束与平顶光束对3mm厚5052铝合金进行激光对焊, 对比分析了不同光束模式下的焊缝成形特征与激光功率、扫描速率对焊缝成形的影响。结果表明, 平顶光束焊接主要为热导模式, 熔池呈U型, 易产生气孔、裂纹等缺陷; 高斯光束焊接有4种模式, 随着激光功率和扫描速率的变化, 4种模式相互转化, 深熔焊模式下, 熔池形貌呈“丁字”型; 扫描速率为20mm/s时, 高斯光束有效深熔焊的下、上临界功率密度分别为8.8×105W/cm2和9.2×105W/cm2; 激光功率为2.7kW时, 高斯光束有效深熔焊的下、上线能量分别为77J/mm和90J/mm; 在满足深熔焊所需功率密度条件下, 线能量可作为激光深熔焊接的一个判据, 线能量和功率密度对焊接模式与熔池形貌共同起决定性作用。

为了优化表面等离子体共振传感器的灵敏度, 基于薄膜光学理论, 分析了银-金双金属层表面等离子体共振传感器的反射率和灵敏度随金属薄膜厚度变化的规律。发现在满足共振角反射率小于1%的条件下, 银膜和金膜厚度存在一定的取值范围; 在此厚度范围内, 传感器的灵敏度随着金属薄膜(银膜与金膜)厚度的增大而提高, 灵敏度增量最大可达5°/RIU。结果表明, 在保证一定共振角反射率的前提下, 可通过增加双金属层中金属薄膜的厚度提高双金属层表面等离子体共振传感器的灵敏度。

为了改善光学扫描全息系统聚焦层重建图像的效果, 采用随机相位光瞳替代传统针孔光瞳的方法, 进行了理论的分析和实验验证, 分别得到了传统光学扫描全息和基于随机相位编码的光学扫描全息系统下重建图像和原图像之间的信噪比、相关系数以及频谱分布比较结果。结果表明, 在实验条件相同的情况下, 基于随机相位编码的光学扫描全息系统重建的图像具有更高的信噪比和相关系数, 且其图像频谱和原图像频谱曲线的变化趋势更相似, 因而更接近于原图像。

为了提高高功率光纤激光器中大模场双包层光纤的熔接质量, 采用NUFERN 20/400μm双包层光纤搭建了光功率对准系统, 对大模场双包层光纤中存在包层光以及纤芯中只有基模和存在高阶模时光纤径向偏移与耦合效率的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明, 大模场双包层光纤中包层光和纤芯中高阶模的存在使耦合效率对径向偏移变化的敏感度降低, 滤除包层光和高阶模后耦合效率随光纤径向偏移量呈高斯型变化; 使用光功率对准系统搭建千瓦级双端抽运激光系统, 最大输出功率约1170W, 光光转换效率约73%, 光束质量约1.22, 实现了千瓦级准单模输出。光功率对准技术能够实现待熔光纤的精确对准, 对高功率光纤激光器输出性能的提升有重要意义。

为了能够对强场飞秒激光进行单发实时准确的测量, 采用LabVIEW对单次自相关仪测量的数据进行实时分析处理, 设计了实时在线测量飞秒激光脉冲的测量系统。在数据分析时, 通过对图像处理区域的限制以及对图像数据积分极大地降低了信号的噪声, 提高了测量的准确性。利用自标定方法在线标定自相关仪, 实时获得激光脉冲宽度信息; 结合小尺寸像素CCD, 获得单像素3.6fs的精度; 并利用自主搭建的设备, 成功在线实时测量了中心波长800nm、脉宽约50fs的钛宝石激光脉冲。结果表明, 基于LabVIEW的单次相关仪能够实时测量飞秒脉冲, 且测量结果精度高、可靠性好。

为了获得聚晶立方氮化硼(PCBN)最优的激光切割质量和切割效率, 依据烧蚀直径和入射激光脉冲能量的函数关系, 得出PCBN烧蚀阈值为1.796J/cm2。采用Nd∶YAG激光器对型号为BN250的PCBN进行切割试验, 分析了切割速率、激光功率以及脉冲频率对切割质量的影响规律。通过切缝的显微观测对比, 总结出不同激光工艺参量下PCBN缝宽的变化趋势。结果表明, 对于脉宽为100μs的激光, 当激光功率为28W、脉冲频率为60Hz、切割速率为20mm/min时, 能够获得PCBN激光切割的最优切缝和较高的切割效率。该工艺方法和数据的建立, 对今后PCBN或其它超硬材料的激光加工有着重要参考价值。

为了改进太赫兹无损检测过程的有效性和可靠性, 搭建了一套可以快速进行太赫兹无损检测的可视化系统。系统采用设计的太赫兹调频连续波成像装置来采集检测数据, 利用MATLAB的图形用户界面开发一套集成图像处理和3维重构等功能的可视化软件平台来分析数据, 并用该系统来检测一个内部含金属的高分子隔热瓦样件。结果表明, 搭建的太赫兹无损检测可视化系统能对高分子隔热瓦的内部结构进行有效观察检测, 并运用其软件平台的内部图像处理算法进行合理分析, 将内部预埋金属缺陷的大小以及轮廓直接显示在计算机上, 提高了无损检测结果的准确性, 大大降低太赫兹无损检测的难度与数据分析周期。该系统的设计在实际工业应用中具有高效、简洁、实时的特点。

为了研究激光光源对液晶电光特性的影响, 采用Jones 矩阵对液晶的光学特性进行了分析, 同时利用不同波长的半导体激光器作为入射光源, 对液晶的电光特性进行了实验研究。结果表明, 当电压达到4.8V时, 各光源下液晶的透光强度均出现陡降, 说明液晶的阈值电压与入射光波长无依赖关系; 通过示波器跟踪图像发现各光源下液晶的响应时间有明显的差异; 随着供电电压的增大, 液晶光栅的衍射光斑由圆环状逐渐转为平行分布, 且各级衍射光斑并非完全对称, 入射波长及供电电压决定了衍射光斑的空间及能量分布。该研究结果对液晶器件的研发具有一定的借鉴意义。

刻蚀衍射光栅(EDG)作为实现波分复用功能的关键器件, 对于片上光互连的实现至关重要。为了实现1310nm波段通道间隔为20nm的硅基EDG, 采用了基尔霍夫标量衍射理论仿真方法进行理论设计和仿真验证, 通过在闪耀光栅反射面引入布喇格反射光栅来提高反射效率、降低器件插入损耗, 并在入射波导处引入多模干涉耦合器以实现通道频谱平坦化设计。结果表明, 闪耀光栅反射面的反射效率由35%提高到了85%, 1dB带宽达到12nm。这对于提高系统稳定性、增大传输距离和容量、降低系统成本具有显著作用, 能够满足光互连系统的实际应用需求。

SOI纳米光波导表面粗糙度会显著增加波导散射损耗, 降低表面粗糙度是其在许多方面应用中亟待解决的关键问题之一。首先介绍了表面粗糙度概念, 总结了表面散射损耗理论方面的研究进展。随后回顾了多种SOI纳米光波导表面粗糙度测量方法, 以及在表面形貌表征中存在的问题。此外, 还对几种波导表面光滑工艺进行介绍, 并结合具体的工作对光波导表面粗糙度各方面研究进展进行了总结。

为了实现暗环境下移动机器人导航中障碍物的检测与运动机器人的定位, 采用了一种组合式光栅投射立体视觉传感器研究方法, 首先通过光栅投射和立体视觉相融合的方法, 建立光栅投射立体视觉传感器几何和数学模型, 然后利用空间设备位置约束原理和投影平面相交的方法, 进行了机器人视场内空间物体的3维坐标计算, 建立了可靠真实的障碍物检测和分析方法, 并进行了理论分析和实验验证, 取得了距离计算精度0.8mm的数据。结果表明, 该方法对于图像计算的精度在亚像素级。该方法有利于目前黑暗环境中机器人无法自主导航难题的突破, 为黑暗环境中无全球定位系统支持的机器人导航提供了基础探索。

为了得到数字全息图波前的准确重建场, 采用常见的波前重建算法进行实验研究和理论分析,得到了物光波通过非单一介质传播时的等效距离, 并利用该等效距离修改常用波面重建公式中的相关参量, 与柯林斯公式对数字全息图进行重建的结果进行比较分析, 发现当物光波通过非单一介质时, 采用等效距离修正的重建公式或者柯林斯公式均能得到准确的数字全息再现像。结果表明, 采用等效距离对数字全息图进行波前重建的结果与采用柯林斯公式重建的结果一致, 此方法能够简化光波通过非单一介质时对数字全息图的波前准确重建。该研究结果可为显微数字全息及数字全息检测应用提供有益的参考。

为了研究大气湍流中不同调制方式对无线紫外光通信系统的性能影响, 基于紫外光非直视通信模型, 理论推导了弱湍流条件下开关键控、脉冲位置调制的误比特率。采用紫外光引导直升机助降模型, 在不同调制方式下仿真分析了发射功率、通信距离、发散角、接收视场角、收发仰角对误比特率的影响。结果表明, 不同调制方式的误比特率随着发射功率、发散角、接收视场角的增大而不断减小, 随着通信距离、收发仰角的增大而增大; 在相同条件下, 脉冲位置调制比开关键控的误比特率更低, 而且随着调制阶数的增加, 误比特率会越来越小。这一结果对提高紫外光通信系统在大气湍流中的抗干扰能力具有一定的应用价值。

为了使线阵半导体激光器光束能更好应用于激光远程无线电力传输, 设计了基于光楔-曲面镜-棱镜组的线阵半导体激光束整形系统, 采用数值计算方法, 取得了系统中各元件的参量及理论整形效果。在此基础上加工出实物元件, 搭建整形系统。实验中测得整形后的激光光斑尺寸为9.9cm×9.6cm, 能量均匀度为68.9%, 系统能量传输效率为71.3%, 光束质量可满足接收端的光电池对激光空间均匀性的要求。最后分析了仿真系统与实验系统间产生差异的原因。结果表明, 该系统可同时实现激光束阵列快轴和慢轴方向的扩束与准直, 并能够调节输出光斑的形状及光强均匀度, 且采用光学元件数量较少。光电池组件是激光无线电力传输过程的关键元件, 该设计对激光转换效率的研究有较重要的实用价值。

为了研究参考光波面形状对于测量透镜焦距值的影响, 采用数字全息的方法进行了理论分析和实验验证。通过在两种色光下进行实验, 分别测量出参考光为平面波和球面波时的焦距值, 并与标称值和理论计算值进行了比较。结果表明, 当参考光为平面波时, 测量到的透镜焦距值与标称值和理论计算值相对误差在5%以上; 而当参考光为球面波时, 与两者的相对误差均在2%以下, 因此当参考光为球面波时所测量的焦距值精度更高; 通过计算得出这两种参考光所测量的焦距值都在理论焦深范围内, 故利用测量焦距值对全息图进行重构时所获得的再现像与用标称值和理论计算值所得到的再现像质量相当。这一结果对测量透镜焦距值和数字全息图重建方面有一定的帮助。

为了获得纳秒激光脉宽对铝材的损伤特性, 给纳秒激光金属加工的脉宽选择提供依据, 采用面积推算法, 利用光学显微镜、扫描电镜、表面轮廓仪等仪器, 测试了37种脉宽纳秒激光(脉宽10ns～520ns, 波长1064nm)对铝材的损伤阈值。研究了脉宽不变时激光脉冲数目对铝板的损伤规律, 揭示了不同脉宽纳秒激光对铝板打孔的作用机理。结果表明, 单脉冲损伤阈值与纳秒激光脉宽的平方根成线性关系。当脉冲个数增加时, 材料的损蚀阈值呈现下降趋势; 铝板打孔时, 纳秒激光的脉宽越窄, 对铝的损伤阈值越低; 打孔过程中蒸发过程占主导, 孔内壁烧蚀熔融物越少, 孔圆度越好, 孔口喷溅物越少, 打孔质量越高。该结果可为纳秒激光金属加工的脉宽选择提供参考。

为了研究了激光与CCD传感器的作用过程及损伤机理, 采用有限元分析的方法, 对波长1.06μm的连续激光辐照行间转移型面阵CCD进行了理论分析和仿真研究。以基底Si表面激光辐照区域为热源建立热力耦合模型, 模拟得出了CCD的温度分布和热应力分布。通过对比分析其组成材料的温度损伤和应力损伤所发生的时间, 发现应力损伤先于温度损伤。结果表明, 作为固定边界和自由边界的交汇处, 基底Si下表面边缘处热应力于激光作用0.1s时最先超过破坏阈值120MPa, 发生应力破坏;Si材料产生由下表面边缘向中心的滑移, 基底逐步脱离固定;激光作用0.3s时, 遮光Al膜与SiO2膜层也因热应力超过两种材料的附着力100MPa, 而产生沿径向由内向外的Al膜层剥落的应力破坏行为, 这种行为将加快基底Si材料的滑移, 最终致使整个CCD因脱离工作位置而失效。该研究成果为CCD传感器的激光损伤及防护提供了理论依据。

为了明确在应用激光诱导击穿光谱技术进行煤粉流物质成分在线检测过程中, 煤粉粒径大小对激光诱导煤粉流等离子体特性的影响, 利用螺杆给料机搭建煤粉颗粒流检测平台, 分析了粒径不同的6种煤粉流等离子体的光谱数据。结果表明, 在相同的实验条件下, 随着煤粉颗粒粒径减小, 等离子体的电子密度和温度升高, 粒径小于50μm与粒径为250μm~300μm的样品的等离子体电子密度和温度分别升高了19.89%和13.13%;煤粉粒径大小对激光诱导煤粉流等离子体特性有很大影响, 选取合适的煤粉粒径不仅可以提高光谱强度而且元素检出限也得到改善, 更有利于检测样品中含量低的元素。

为了研究水辅助激光加工靶材上方水层流动的特性, 采用流体动力学分析软件FLUENT, 对3种不同结构的水辅助激光加工的水流装置进行建模仿真, 分析了靶材上方流体的速度场, 并对结果进行对比分析。结果表明, 由垂直于靶材上方的速度位置图的分析可知, 装置结构的差异使得流场也具有差异性; 靶材上方1cm以内位置, 流体速度平稳, 有利于传输激光, 排出熔渣和放置加工材料。这对选择水辅助激光加工构建控制水层流动的装置提供了理论依据。

为了解决产生拉盖尔-高斯模式光束较难的问题, 采用二进制振幅全息图方法, 基于空间光调制器, 产生了拉盖尔-高斯光束, 进行了理论分析和实验验证。推导了高斯光束到拉盖尔-高斯光束傅里叶变换的传递函数, 通过对拉盖尔-高斯模拟图的修正, 得出了可以用于空间光调制器的二进制全息图; 搭建了基于4f系统的实验平台, 取得了不同阶数的拉盖尔-高斯模式输出,并在实验中对产生的拉盖尔-高斯光束进行了检测。结果表明,此套装置搭建及操作简便, 且可实现动态可控的光束输出, 对于产生高阶涡旋光束以及因斯-高斯模式都有重要意义。

为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性, 根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法, 对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真; 采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流, 解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明, 除了湍流强度外, 传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素; 湍流越强, 光束的环形光强越弱, 相位畸变越严重, 光强起伏越明显, 且逐渐退化为普通高斯光束; 随着传输距离的增加, 涡旋光束扩散现象明显, 最终退化为普通高斯光束; 波长越长, 则涡旋光束抑制湍流能力越强, 环形光强越强, 相位畸变程度会得到逐步改善; 拓扑荷数越小, 涡旋光束会最先退化为普通高斯光束, 相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。

飞秒时间分辨质谱技术是飞秒抽运-探测技术与飞行时间质谱技术的结合。可以测得在不同抽运-探测时间延迟下, 分子电子激发态电离或解离而来的离子质谱; 不同抽运-探测时间延迟下, 质谱信号强弱的变化反映了激发态布居数的时态信息; 给出了分子激发态和里德堡态中准确的寿命信息、分子激发态势能面非绝热耦合信息以及分子过渡态信息。介绍了飞秒时间分辨质谱技术在分子激发态研究中的最新应用进展,以及在里德堡态解离、异构化、内转换、系间交叉等超快动力学过程研究中的最新进展。指出飞秒时间分辨质谱技术将在一些新现象的研究中发挥重要的作用。