为了测定粉末材料的倍频特性, 根据Kurtz-Perry粉末倍频效应理论, 采用光参量振荡技术, 获取了130mJ@1064nm和20mJ@1570nm的双波长调Q激光输出, 并进行了理论分析和实验验证。实现了粉末样品的1064nm和1570nm双波长倍频测试, 解决了单一波长测试时晶体粉末材料对倍频信号波长的吸收而导致难以测得倍频信号的问题, 有效非线性系数测试灵敏度达到0.46pm/V。结果表明, KTP粉末样品倍频信号变化趋势与理论相吻合, 该系统对晶体的非线性检测运行稳定可靠, 测试简单方便快捷。

为了了解H2+分子辐射谐波的空间分布, 采用数值求解非玻恩-奥本海默近似的薛定谔方程, 进行了空间均匀和非均匀激光场下H2+分子谐波辐射的空间分布研究。结果表明, 在空间均匀场下, 正向H核辐射谐波强度高于负向H核;在空间非均匀场下, 由于金属结构表面出现的等离子共振增强现象, 谐波截止能量得到延伸;负向H核辐射谐波强度明显高于正向H核,随后通过电离几率、电子布局、电子波函数以及谐波辐射的时频分析可以给出H2+分子谐波空间分布的合理解释。通过叠加谐波谱上的谐波, 可获得一个脉宽为36as的超短孤立阿秒脉冲。该研究对分子谐波的空间分布及阿秒脉冲的输出是有帮助的。

散斑照相计算面内位移时, 传统算法直接使用散斑图傅里叶变换的功率谱信息, 最小可检测位移量会受到散斑尺寸的限制。为了解决这一问题, 采用基于傅里叶变换相位信息的新算法进行了理论分析, 证明了新方法中最小和最大可检测位移量取决于所用光电转换器件(如CCD或CMOS)的像元间距和光敏面大小, 与散斑尺寸无关。结果表明, 该方法的测量范围最小可达2pixel间距, 最大可达光电转换器件光敏面宽度的一半。实验测量与理论值吻合。

为了提高硅基光栅耦合封装结构的耦合效率、增大容差范围, 对光栅耦合的结构特性进行了理论分析, 并采用时域有限差分法完成了仿真验证, 在不改变光栅参量的基础上, 对光栅耦合封装结构进行了改进, 仿真建立了一款光栅上方和光纤端面分别增加透镜的优化结构,研究了影响耦合效率的因素。结果表明, 增加透镜后, 耦合效率有所增加, 角度容差和带宽都有一定的优化; 在衬底增加反射镜后, 对波长1550nm的光耦合效率提高至73.809%。该研究结果可为光栅耦合的封装结构设计提供参考依据。

为了抑制电激励准分子激光系统产生的强电磁干扰, 采用电磁辐射理论分析了准分子激光器电磁辐射机理, 确定了激光器辐射干扰源主要来源于激光器的主放电回路、出光口和氢闸流管; 采用近场探头分别对各关键部位不同距离电磁辐射进行了测试; 结合测试结果与电磁屏蔽原理对激光器电磁辐射进行了屏蔽设计和屏蔽效能测试, 针对准分子激光系统, 提出了抑制电磁干扰的几种措施。结果表明, 设计的屏蔽盒的屏蔽效能达到40dB; 引入电磁干扰抑制措施后, 准分子激光系统能稳定可靠工作。该研究满足了工程实际要求。

为了更快速、简便、准确地同时测定多种抗生素混合物, 采用同步荧光光谱结合径向基神经网络的方法, 对3种氟喹诺酮类抗生素(乳酸环丙沙星、乳酸左氧氟沙星、盐酸左氧氟沙星)的同步荧光光谱进行研究。选择3组分浓度均为1.67ng/mL的混合溶液, 测量其3维同步荧光光谱; 分别测量39种不同浓度的混合溶液样本的同步荧光光谱; 选取其中35种作为训练组, 其余4种作为预测组, 将训练组样本对应的光谱数据作为输入, 建立和训练径向基神经网络; 在发射波长与激发波长的差Δλ=194nm条件下, 利用训练好的神经网络对预测组中各组分的浓度进行预测, 得到3种组分浓度预测的平均相对误差分别达到3.59%,3.47%,3.09%。结果表明, 当Δλ设定为194nm时, 3种抗生素的同步荧光峰差异最为明显、区分度高, 该方法能实现对3种抗生素混合物中各组分的同时测定。这为多种抗生素混合物同时测定提供了一种快速、简便、准确的方法。

为了研究扫描近场光学显微镜(SNOM)光纤探针的光学特性, 采用基于场追迹方法的光学软件VirtualLab Fusion进行了仿真实验, 取得了SNOM光学探针尖端外部光场的分布情况。结果表明, 沿z轴方向, 不同截面上的光场分布都会呈现小孔衍射的图案, 其中心斑点中心强度随着z值的变大而呈近似指数函数衰减, 到z=100nm位置处几乎衰减为0; 中心斑点轮廓线的半峰全宽随着z值的变大而呈现先不变后增大的趋势, 其拐点处于z=20nm位置处, 此时对应的中心强度值为7.2V/m2,这个强度值按指数函数计算正好处于z=0nm位置处强度的e-2。结果清晰显示了SNOM光学探针的光学特性, 证实SNOM探针工作时需要与样品表面保持在10nm左右的必要性。

为了提高激光微织构加工效率和改善微织构加工质量, 采用W-71s型喷枪在GCr15轴承钢表面分别喷涂用黑漆、水玻璃、黄料、磷酸锌和石墨制备的涂层。利用Nd∶YAG激光加工机对其进行激光微织构加工, 使用3维形貌分析仪对微凹坑的形貌进行了检测。结果表明, 与无涂层试样相比, 采用水玻璃和黄料涂层试样表面蚀除凹坑体积均增加, 凹坑边缘熔渣体积均减少, 其中黄料涂层表面蚀除凹坑体积增加了29.4%, 水玻璃涂层凹坑边缘熔渣体积减少了64.9%; 在一定条件下, 复合涂层相比单一涂层具有更好的激光加工性能, 其中黄料与水玻璃复合涂层的性能最为显著, 与未经涂层的相比, 凹坑蚀除体积增加了47.1%, 凹坑边缘熔渣体积减少了43.2%。这一结果对提高激光微织构加工效率、改善微织构加工质量具有一定的指导意义。

为了测定混合色素溶液中胭脂红的浓度, 采用归一化的方法对荧光光谱进行数据预处理, 将处理后的光谱数据结合径向基神经网络, 建立了对胭脂红含量的预测模型。结果表明, 3维同步荧光光谱、普通3维荧光光谱预测结果的平均相对误差分别为2.86%, 11.12%; 对于混合色素溶液中单个色素浓度的测定, 3维同步荧光光谱结合径向基神经网络效果较好。该研究为预测混合色素溶液中各色素浓度提供了帮助。

为了去除高光谱影像的数据冗余, 提高高光谱影像处理的精度和效率, 提出了一种基于波段指数的高光谱影像波段选择算法。采用小波变换对高光谱图像数据进行去噪处理, 依据联合偏度-峰度指数将波段进行分组, 再根据波段指数的大小确定相对较小指数的波段, 并将其作为冗余波段进行去除, 从而得到最小波段集。结果表明, 利用该波段集和全波段所选的端元是一致的, 在不影响端元提取的前提下, 最大程度地去除了冗余波段, 而且该波段集与全波段的分类精度较接近。该算法在波段选择过程中具有可行性与有效性, 为降低高光谱影像维数提供了一种帮助。

传统亚像素定位算法过程中存在着抗干扰能力弱、定位精确度差、软件实现难度大等问题。为了解决这些问题, 提高激光光斑中心定位精度, 采用曲线拟合算法, 结合小尺寸光斑中心的高精度定位测量法, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该方法可将质心提取误差控制在0.1pixel内,与传统算法相比, 其误差更小。该图像质心测量方法有效地降低了噪声干扰, 增强了算法的抗噪声性能。

为了提高对液晶空间光调制器(LC-SLM)的校准精度, 采用高位深相位光栅图对LC-SLM进行了标定。在LC-SLM上加载16位深度相位光栅图, 并使光束经LC-SLM调制后生成衍射光斑; 测量衍射光斑中心光强, 经过计算分析得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系, 最终得出针对488nm激光的LC-SLM标定LUT文件(LUT16)。结果表明, 在LC-SLM上加载0~2π涡旋相位, 并结合LUT16文件调制光束可以得到光斑质量很好的中空光斑,这与结合LUT8文件调制的中空光斑相比, 光斑质量从0.53提高到0.76, 提高了1.43倍。针对特定波长, 利用高位深相位光栅图标定LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载相位对光束进行有效调制, 且调制效果优于结合LUT8对光束进行调制的结果, 对LC-SLM的校准精度得到提高。

为了解决激光三角测量法在标定时, 不能直接准确地测量激光器端口与标定物的距离的问题, 采用了一种基于距离差进行标定的方法。该方法利用标定物移动的距离作为标定输入, 改进了测量系统的标定方法;采用高斯-牛顿迭代法计算测量系统的参量, 分析了测量系统在标定时可能产生的激光像点提取误差和非垂直误差。结果表明,测量距离的精度可达到4.000mm。该方法能够准确标定激光三角测量系统的参量。

为了研究激光喷丸对中高温条件下Ti-6Al-4V钛合金残余应力、微观硬度及金相组织演变的影响, 采用高功率、短脉冲Nd∶YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面进行了激光冲击, 并将冲击后的试样分别置于400℃,500℃,550℃和600℃的温度下进行了1h的保温处理。利用X射线衍射仪对强化区域的残余应力进行了检测, 通过扫描电镜及透射电镜对微观组织进行表征, 探究了强化效果与晶粒尺寸、位错运动间的联系。结果表明, 激光喷丸处理在试样表层诱导产生较大幅值残余压应力, 显微硬度提高; 经550℃热处理1h后, 残余应力影响层深约为100μm; 经400℃、600℃热处理1h后, 试样表层微观硬度分别下降了8.3HV和20.1HV; 热处理后, 晶粒尺寸总体呈现增大趋势。激光喷丸处理可以有效提高Ti-6Al-4V钛合金中高温力学性能。

为了实现空间高微重力主动隔振系统反馈控制回路设计, 采用6个激光位移传感器对隔振平台上3个正交的定位面的位移进行测量, 实现对其3维位置和姿态的解算, 并给出了推导过程, 通过数值仿真,实验验证了有效性, 同时对于解算过程中的误差来源与其对解算结果的影响进行了分析, 给出了误差影响因素与解算误差之间的关系。结果表明, 此3维位置和姿态的解算算法能够准确地解算出隔振平台的3维位置和姿态, 且理论解算误差在30μm以内。此研究对基于位移测量的反馈控制回路设计有一定的实用价值和发展前景。

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响, 采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法, 建立了光电池的物理模型和热模型, 得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明, 2000W/m2激光功率密度辐照下, 光电池温度随辐照时间先快速上升, 20s后缓慢增加, 100s达到热平衡态后温度稳定在343K; 随着激光功率密度增大, 电池温升速度越快, 达到热平衡态时的温度值越高; 激光光斑全部覆盖电池表面时, 电池表面温度差值最小; 入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升; 热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利; 当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时, 光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。

为了证实以团絮状银胶为基底的表面增强喇曼光谱(SERS)技术结合化学计量学方法能有效实现脐橙中农药残留检测, 采用德国布鲁克公司的共焦显微喇曼光谱仪, 对脐橙中的亚胺硫磷农药残留的快速无损检测进行了研究。通过留一交互验证法得出农药检出限为4.113mg/L,并对SERS光谱进行7种方法的预处理。结果表明, 先基线校正后卷积平滑预处理的建模预测效果最好;结合偏最小二乘法建模, 预测集的相关系数和预测均方根误差分别为0.904和4.890mg/L, 校正集的相关系数和预测均方根误差分别为0.919和3.990mg/L。结果证明了SERS定量分析的科学性和可行性, 这对国内水果的生产和出口水果的农药残留检测有一定的参考作用。

为了获得油品在太赫兹波段的衰减全内反射光谱, 实现对油品的在线检测, 利用光的折射定律, 对太赫兹衰减全内反射系统中的核心部件——衰减全内反射棱镜进行了设计和实验。设计了单次反射棱镜, 根据不同物质对太赫兹波的吸收程度不同, 将单次反射棱镜用于太赫兹衰减全内反射系统, 并进行了水和成品油的测试实验, 取得了样品的光谱数据;进一步设计了多次反射棱镜, 以增加油品对太赫兹的吸收, 并对其进行了光学仿真。结果表明, 经过单次全内反射, 油品对太赫兹的吸收非常有限, 无法实现对成品油的检测。该研究对下一步的油品检测是有帮助的。

为了对溶液折射率进行精确测量和传感, 采用转移矩阵法对Ce∶YIG/Ag/liquid 3层基于磁光表面等离子共振的结构与棱镜组成耦合系统进行了数值计算, 并用有限元法进行了模拟仿真。由低损耗的Ag和强磁光性的Ce∶YIG组成的结构在入射光波长为980nm时, 灵敏度达到4.082/RIU(溶液折射率n=1.330~1.340)。结果表明, 与其它传统的表面等离子共振传感结构相比, 本文中提出的折射率传感器的灵敏度大大提高。该结构在实际应用中可以更加简便地探测溶液的折射率。

为了保证快速反射镜控制系统在时域和频域同时具有良好性能, 采用了一种改进根轨迹的控制参量设计方法。首先, 根据辨识出的模型, 建立音圈电机驱动的快速反射镜传递函数的根轨迹; 其次, 根据对控制系统性能指标的要求, 导出闭环控制系统预期主导极点位置; 再次, 通过配置控制器的零点位置, 使系统的根轨迹具有预期的主导极点; 最后, 根据模值公式和相角公式, 确定系统增益和控制器极点位置。结果表明, 采用改进根轨迹法设计的控制系统具有良好的动态性能, 还可以有效抑制闭环系统的机械谐振, 而且简单易行、通用性强。

为了构建一种声光调Q的窄脉宽小型Nd∶YVO4激光器, 从主动调Q速率方程出发, 分析了抽运速率、重复频率、输出镜透过率对脉宽的影响。该激光器采用简单的平平腔设计, LD端面抽运高增益的Nd∶YVO4激光晶体, 在谐振腔内插入一个微型的声光调Q开关, 作用长度约为7mm, 谐振腔腔长13mm, 输出镜的透过率为70%。结果表明, 在抽运功率为4.21W、重复频率20kHz时,获得了单脉冲能量20μJ、脉冲宽度1.65ns、峰值功率为12kW的1064nm激光输出。此结果说明, 用微型声光调Q开关来构建短腔获得窄脉宽输出是一种切实可行的方案, 且该器件还可以作为大功率激光器的种子源。

为了提高激励源的热稳定性, 保证4kW轴快流CO2激光器的光束质量, 采用计算流体动力学的方法, 理论分析了激光器激励源热沉的散热机理, 对热流密度为106W/m2、面积为16cm2的激励源热沉结构进行了优化设计。结果表明, 经过优化之后的热沉其表面的最高温度低于340K, 完全能够满足激光器正常工作时激励源核心功率MOSFET对散热指标的要求; 同时经过数值模拟得到了带凹槽微通道热沉的优化结构尺寸, 分别是微通道凹槽间距P=0.6mm, 微通道凹槽倾角θ=45°, 微通道凹槽交错距离s=0.1mm, 同时当雷诺数Re=546.9时, 热沉有最优的散热效果, 激光输出功率的稳定度可以控制在±2%以内。此研究为设计具有高效散热能力的微通道热沉提供了理论指导。

为了研究时间域上风廓线数据的质量控制问题, 采用后向传播神经网络修正灰色算法残差的方法(BP-GM), 进行了理论分析和实验验证。使用反向传播神经网络训练历史风廓线数据的灰色残差, 取得了风廓线质量控制数据。结果表明, 当相对误差和后验差比值越小、精度越接近1时, 质量控制效果越好;BP-GM法能有效地降低风廓线数据控制残差, 提高精度。这一结果对风廓线质量控制是有帮助的。

为了优化激光打孔参量和提高激光打孔成型质量, 采用正交实验法对5mm厚的SUS304不锈钢材料进行激光打孔实验研究和理论分析, 测量和计算得到了激光打孔上下孔径和锥度的数据, 并采用极差分析法得到了脉冲宽度、脉冲能量、重复频率、离焦量和脉冲个数等参量对小孔锥度的影响程度以及SUS304不锈钢激光打孔的最优实验参量组合。结果表明, 离焦量、脉冲宽度和脉冲个数对孔锥度的影响较大, 重复频率和脉冲能量的影响较小, 优化后的激光参量为脉冲宽度0.5ms、脉冲能量2.5J、重复频率40Hz、离焦量0mm、脉冲个数200个。采用优化后的激光参量可加工出锥度较小的孔。

为了降低星上通信系统的质量和体积、增强系统的温度稳定性和抗电磁干扰能力, 采用了一个新方法, 将光电振荡器用作星上微波本振源, 产生微波信号, 利用光纤转发, 将微波信号的产生、分配、传输与变频处理融为一个系统, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明,基于光电振荡器产生了11.5GHz的微波本振信号, 通过光纤进行多路转发, 其中第1路信号频率与本振源相同, 相位噪声为-100.5dBc/Hz@10kHz, 第2路信号频率为本振信号的2倍, 相位噪声为-86.6dBc/Hz@10kHz 。与传统电学方法相比, 该方法有显著成效, 可提高转发效率, 减小系统体积和重量, 增强系统抗干扰性和温度稳定性, 提高系统的带宽和微波信号质量、降低卫星通信成本。

为了研究表激光织构化对机械零件接触面的摩擦性能影响, 采用Nd∶YAG脉冲激光在钢盘表面形成了具有一定直径、间距和密度的微坑型织构阵列, 在环/盘式摩擦试验机上进行了摩擦学性能测试。结果表明,微坑的深度和直径随脉冲次数增加而增大, 调整微坑参量(直径和间距)可以获得不同密度的织构阵列, 密度为8％~10%范围内的试样具有最低的摩擦因素(0.055~0.06)和磨损率(5.2×10-16m3/(N·m)); 通过曲线拟合, 得到摩擦磨损性能随织构密度变化的趋势。该研究获得了具有最佳摩擦学性能的参量, 能提高机械的使用效率和使用寿命。

为了设计能够传输宽带低色散慢光的光子晶体波导, 以三角晶格圆形介质柱光子晶体结构为基础, 使用圆形散射元和椭圆形散射元进行周期性排列, 采用平面波展开法对所设计的耦合腔波导进行了仿真分析。结果表明, 调整缺陷行椭圆形散射元长轴Ra可以使导模最大群速度从0.035c降低到0.01c, 调节缺陷行短轴Rb的值, 可以再次降低导模群速度;通过改变微腔周围第1排两种散射元的面积比, 能够得到最大群速度0.0065c, 波长范围为3.25nm的低色散慢光; 将所设计的耦合腔应用于光缓存中, 计算得出缓存时间为76.82ps, 存储容量达到了15.56bit。这项研究对新型光子晶体慢光器件的设计和应用具有参考意义。

为了改善H13钢的表面性能, 利用YLS-4000型光纤激光器在H13钢表面熔覆镍基涂层, 采用正交试验法, 对不同工艺下的熔覆层表面形貌、几何参量、稀释率、微观组织、显微硬度进行了检测分析。结果表明, 激光功率最小而送粉速率最大时(P=1800W, vf =1.0g/s)表面凹凸不平; 激光功率和扫描速率最大时(P=2200W, vs=25mm/s)表面出现裂纹;当稀释率η＜10%时, 熔覆区平均硬度(大于800HV)为基体硬度(246HV)的3倍以上, 强化效果显著; 当稀释率η＞25%时, 熔覆区下部受熔化基体的稀释作用硬度较低; 稀释率随着激光功率与扫描速率的增加而增加, 随着送粉速率的增加而降低。通过调整工艺参量可获得表面平整光滑、组织致密、强化效果显著的熔覆层。

为了研究激光系统的性质, 采用色抽运噪声和实虚部关联的量子噪声驱动的单模激光损失模型, 用线性化近似方法, 对单模激光系统的输出光强信噪比进行了理论分析; 并具体分析了调制信号振幅、低频调制信号频率、高频载波信号频率、量子噪声强度、抽运噪声强度以及量子噪声实部、虚部间的关联系数对系统随机共振的影响。结果表明, 信噪比随激光系统净增益系数存在随机共振现象。此结果对优化激光动力学提供了理论依据。

机载激光通信的视轴稳定是建立激光通信链路的前提。为了有效地克服载体扰动与参量改变对粗跟踪系统视轴稳定的不利影响, 设计了一种基于模糊神经网络的比例-积分-微分(PID)控制方法。该方法结合模糊理论的非线性控制能力与神经网络的自主学习能力, 实现了对PID参量的实时在线调整。结果表明, 与传统PID控制方法相比, 模糊神经网络PID控制方法提高了系统的动态响应速度, 减小了系统超调量, 当载体受到扰动与参量改变时, 具有较强的自适应性和鲁棒性。

为了研究Rochon棱镜反向使用消光比特性, 采用分析棱镜胶合剂中光弹效应的方法, 对Rochon棱镜正、反向使用时消光比进行了分析, 并设计了实验, 从理论和实验上对平行光反向通过Rochon棱镜时消光比下降的原因进行了研究。结果表明, 当平行光正向通过Rochon棱镜时, 消光比为1.14×10-5; 反向通过时, 消光比为2.93×10-3;反向通过加上λ/4波片后, 消光比为5.72×10-5; 准直光束反向通过Rochon棱镜时, 由于胶合剂中的光弹效应的存在, 使得传播方向不改变的一束光的消光比下降, 验证了理论分析的正确性。该结果可为Rochon棱镜的设计制作和正确使用提供必要的参考。

为了对4×10Gbit/s并行光模块光串扰进行优化, 采用了ABCD传输矩阵法, 结合光纤耦合约束条件以及准直透镜、自聚焦透镜和光纤端面球透镜的理论, 设计出两套优化方案。研究了垂直腔面发射激光器光束特性, 利用MATLAB进行理论分析, 模拟得出光斑半径与发散角的关系, 并分析了串扰情况。在ZEMAX非序列模式下完成了光路建模, 优化结构中透镜参量以及光纤端面设计, 进行了理论分析和实验验证, 取得了优化后耦合光斑半径与耦合效率。结果表明, 间接耦合优化结构中, 到达光纤端面的光斑为53.72μm, 耦合效率达到72.59%;而直接耦合优化结构中, 到达光纤端面的光斑为3.695μm, 耦合效率高达到76.11%,有效地解决了并行光模块之间的光串扰问题。这一结果对光网络信号传输质量优化方面是有帮助的。