激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种基于原子发射光谱的元素分析技术, 是元素分析领域重要的研究手段。作为LIBS分析的激发光源, 紫外激光具有光子能量大、空间分辨率高等优点, 可以提高烧蚀效率、减少分馏效应, 在地质检测和生物医药检测方面有很好的应用前景;也可从提升元素分析的效果, 扩大LIBS技术的应用范围。介绍了紫外LIBS技术的原理与特点, 讨论了国内外紫外LIBS技术的应用, 总结了紫外LIBS技术的发展趋势。

为了解决厚板切割领域中高功率轴快流CO2激光器翅片管换热器压力损失大、传热效率低的问题, 采用计算流体力学软件ANSYS分析了3种涡流发生器的换热特性, 并对换热性能更佳的梯形小翼涡流发生器的形状、长度、高度和安装角度进行优化设计; 通过一个开环的风洞实验平台验证了数值模拟数据的可靠性。结果表明, 长度11mm、高度2.6mm的梯形小翼涡流发生器采用30°迎角渐缩方式布置时换热性能最佳, 在雷诺数为600~1600范围内, 和没有安装涡流发生器相比,梯形小翼涡流发生器的努塞尔数Nu提高了8%~22%, 摩擦因子上升了16%~27%; 8h稳定输出功率4216W, 比额定输出功率高出5.4%。该研究提高了CP4000系列激光器的厚板切割能力。

为了研究行间转移型彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光辐照下的损伤效果, 采用实验研究的方法, 测量了不同能量密度的激光作用下, CCD表面中心点温度、受损区域面积、深度及CCD内部复位时钟信号和阻抗值的变化, 结合CCD输出图像中出现不可恢复的焦斑及黑白雪花现象, 对彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光作用下的损伤效果进行了分析。结果表明,在毫秒脉冲激光的辐照作用下,行间转移型彩色面阵CCD内部结构会产生不同程度的烧蚀, 当能量密度达到23.49J/cm2时, 烧蚀深度直达基底层, 致使CCD内部信号传输通道断开, 漏电流增加, 最终造成CCD无信号输出, 完全损坏。该研究对CCD探测器在强激光作用下的损伤效果研究是有帮助的。

为了提高激光加工中单晶硅材料对激光能量的耦合效率, 采用一个短脉冲激光和一个长脉冲激光形成组合激光辐照单晶硅, 使用COMSOL软件对该过程进行模拟, 得到了组合激光长短脉冲间的延迟时间和长脉冲激光能量密度的变化对作用效果的影响, 并与总能量相等的毫秒激光单独作用的效果进行比较;实验测量得到的不同能量密度的激光作用单晶硅后损伤形貌, 与数值计算结果的趋势吻合。结果表明,组合激光能提高材料对激光的耦合效率; 不同的延迟时间会影响组合激光的作用效果, 最佳延迟时间为0.1ms; 组合激光中毫秒激光能量密度占比较低时, 作用效能较明显, 随着毫秒激光能量密度占比的提高, 对作用效果的提升相对变缓。该研究结果可以为组合激光的应用提供理论和实验依据。

为了研究1阶和2阶模式下的非连续性相位L型天线的超表面阵列特性, 采用异常透射的散射场理论, 设计了一种L型天线结构, 控制天线的几何参量, 选取阵列单元组, 使得其覆盖相位超过2π。并根据不同的拓扑荷 , 设计1阶和2阶涡旋相位板, 产生不同阶数涡旋光束。结果表明, 用太赫兹线偏光垂直入射时, 天线单元垂直偏振透射方向的模拟仿真效率达到55%左右; 相位覆盖0～2π和0～4π时, 其线性阵列的异常透射角不同, 分别为-14.7°和-30°, 其结果与广义斯涅耳定理一致。此研究对太赫兹涡旋光束的器件研究有重要的应用价值。

为了实现光纤布喇格光栅的快速退火, 采用高温电弧等离子体热处理光纤光栅的方法, 设计了相关实验进行验证。由实验可知, 透射谱深度23dB、中心波长1552.09nm、3dB带宽0.2784nm的光纤光栅, 经电弧等离子体放电扫描后, 光纤光栅的透射谱深度减小, 3dB带宽变窄, 中心波长蓝移; 随着重复扫描次数的增加, 各参量变化趋势减缓, 最终透射谱深度减小13dB、中心波长蓝移0.84nm、3dB带宽变窄0.1013nm; 将电弧等离子体处理后的光纤光栅放入高温炉24h退火后, 透射谱深度、中心波长、3dB带宽均不再发生变化。结果表明, 将电弧等离子体用于光纤布喇格光栅的退火处理是可行的, 并且具有周期短、涂覆层无损伤的优点。

为了优化在长距离光纤通讯系统中采用的1.31μm波长的量子阱激光器, 对AlGaInAs/InP材料的有源区应变补偿的量子阱激光器进行了设计研究。采用应变补偿的方法, 根据克龙尼克-潘纳模型理论计算出量子阱的能带结构, 设计出有源区由1.12%的压应变AlGaInAs阱层和0.4%的张应变AlGaInAs垒层构成。使用ALDS软件对所设计出的器件进行了建模仿真, 对其进行了阈值分析和稳态分析。结果表明, 在室温25℃下, 该激光器具有9mA的低阈值电流和0.4W/A较高的单面斜率效率; 在势垒层采用与势阱层应变相反的适当应变, 可以降低生长过程中的平均应变量, 保证有源区良好的生长, 改善量子阱结构的能带结构, 提高对载流子的限制能力, 降低阈值电流, 提高饱和功率, 改善器件的性能。

为了解决传统工具和方法难以经济、高效、安全地清除架空输电线路异物的问题, 提出了陆基定向能红外激光远程切割清除架空线路异物的方法, 并进行了理论分析、有限元仿真和实验验证。基于上述研究, 研制了架空线路异物激光清除设备, 并进行了模拟实验和现场工程应用。结果表明, 清除异物所需最小功率密度为20W/cm2, 该功率密度的激光对导线不会造成损伤。该设备可远程、快速、带电、安全地清除架空线路异物。

为了研究腔增强吸收光谱技术是否能用于NH3气体浓度的检测, 采用扫描腔长的方法, 以分布反馈式可调谐半导体激光器作光源, 用两块高反射率平凹透镜(反射率约为99.9%, 曲率半径约为1m)组成的光学谐振腔作吸收池, 搭建腔增强吸收光谱装置。在34cm长的吸收池内测量NH3气体分子在1.5μm附近的弱吸收谱线;通过不断增加NH3气体浓度来改变腔内压强, 每充入一次NH3都测量并保存一次吸收光谱。通过数据处理, 分析谱线宽度随气体浓度变化的关系以及吸收度随腔内压强增加的变化情况, 发现都能呈现出良好的线性关系, 并对残差噪声进行统计分析, 得到了3.3×10-8cm-1的最小探测灵敏度。结果表明,高探测灵敏度的腔增强吸收光谱技术, 可以实现NH3气体浓度的测量, 并能得到较好的探测精度。

为了实现小动物光声断层信号的高速采集和实时高质量图像的重建, 采用了覆盖角度为270°的128阵元弧形聚焦超声换能器、4个32通道的NI公司数据采集模块和可调谐脉冲激光器以及正则化优化的基于模型的光声断层重建算法。结果表明, 系统的空间分辨率可以达到180μm;此系统可以在1ms内完成光声断层数据的采集, 在40s以内获得高质量的重建图像。该系统可以用于开展小动物在体的多光谱光声断层成像实验研究。

为了快速、准确地提取零件破损边界, 直观地反映零件损伤的过程和结果并进行形状还原, 更好地实现激光熔覆再制造修复复杂破损零件, 依据激光熔覆的工艺特点对破损零件的缺陷类型进行划分, 并对不同类型缺陷进行破损边界提取和形状还原方法的研究。提出基于曲率阈值和法矢夹角阈值的表面浅斑类损伤边界特征以及基于3-D比较的局部深层类损伤边界特征进行提取的方法, 采用NURBS曲面对表面浅斑类损伤零件和传统曲面造型方法对局部深层类损伤零件进行形状还原, 最后路径规划进行激光熔覆再制造修复实验验证。结果表明, 此方法提高了其破损区域提取和还原的精度和效率, 熔覆形貌波纹度较小。该研究为零件破损边界提取与形状还原在激光熔覆再制造的应用提供了理论基础。

为了获得准分子激光器高脉冲能量输出, 采用张氏面型电极的理论, 设计了一套能产生大面积均匀电场的紧凑型电极。通过ANSYS软件数值仿真获得了电极表面电场分布, 并与紧凑型张氏面型电极的理论计算结果进行了对比验证; 分析了紫外火花预电离结构对电极放电的影响, 并进行了电位和电场分布仿真。结果表明,预电离板的存在直接影响了电极之间的电位和电场分布; 电场仿真结果解释了预电离板的顶端与阳极形成放电的原因。该研究为大面积辉光放电电极设计提供了更深入的理论支持。

为了提高光学系统的环境适应性, 采用光机结合被动消热差的方法, 设计消热差的折射式收发同轴光学天线。利用ZEMAX软件仿真分析了工作距离为50m～3000m、环境温度为-45℃～65℃范围内所设计天线的像质情况; 搭建实验平台, 测试实际光斑质量, 并对仿真结果进行了实验验证。结果表明, 天线在探测范围内波像差小于0.25λ, 光学质量接近衍射极限, 在环境温度变化范围内光斑90%的能量集中在最大相干长度内, 且各视场能量分布均匀。该研究为天线的光学参量和结构参量合理化设计提供了理论依据。

为了消除光学条纹对检测精度的影响, 基于光学条纹的映射特性, 提出了一种可有效补偿光路中平行介面造成的光学条纹的方法。在CO2检测系统中进行了理论分析和实验验证, 并展示了该方法的使用过程及补偿结果。结果表明, 即使在光学条纹漂移的情况下, 该方法仍可有效补偿光学条纹, 使测量信号与标准气体吸收信号的拟合相关度由0.8298提升至0.9934, 体积分数测量值标准差由1260×10-6降低至48.5×10-6。该方法极适合补偿检测器窗、气体池窗以及其它已集成于系统的光学元件造成的光学条纹, 在可调谐二极管激光器吸收光谱技术领域具有较大的应用价值。

为了能高灵敏度地检测CO2气体的体积分数, 基于红外光谱吸收原理, 设计了一种以9m长的空芯光子晶体光纤作为传感单元的CO2气体传感器。利用该传感器测量了不同体积分数的CO2在同一吸收波长下的吸收光谱图。结果表明, 气体的吸收光强和气体的体积分数之间呈线性变化, 与比尔-朗伯定律一致; 传感器的灵敏度可达4.389×10-5W。可通过加长光子晶体光纤的长度, 来增加气体吸收的有效距离, 使传感系统获得较高灵敏度。

为了减小由投影仪-摄像机γ非线性引起的红蓝棋盘格标定板相位误差, 分析了非线性相位误差的产生原因和表现特征, 建立了非线性相位误差和相位主值之间的数学模型, 由该模型得到相位误差补偿矩阵并修正展开相位;同时采用MATLAB仿真并结合相关试验对该算法进行了验证。结果表明, 误差补偿后棋盘格平面展开相位的均方根误差从0.0836rad下降到0.0218rad; 由γ非线性引起的棋盘格角点在标靶图像中像素坐标的最大误差值约从补偿前的0.3pixel降低到0.1pixel。该方法有效减小了由投影仪-摄像机γ非线性引起相位误差, 提高了标靶图像的角点坐标精度。

为了精确测量3维大气风场的实时状态以应对低空风切变在飞行器起降过程中给飞行器带来的多种问题, 通过DBS四波束风场反演原理研制出一款小型3维激光测风雷达。对大气风场展开测风试验并获取风场数据, 并与其它标准测风设备的数据对比分析。结果表明, 雷达在晴天和阴天的天气状况下均可以实现对大气风场的有效测量, 风速均方根误差0.42m/s, 风向均方根误差5.33°。该雷达精准度高、稳定性好, 对风切变预警、中低空大气风场预报及飞行器飞行通道的风场测量具有重要作用。

为了调控谐波辐射过程, 采用数值求解3维薛定谔方程的方法, 进行了啁啾激光对调控谐波辐射截止能量及强度的理论分析。通过分析激光包络图、电子电离几率、谐波辐射时频分析图, 给出了谐波截止能量延伸以及谐波强度增强的原因。结果表明, 在负向啁啾场下, 谐波截止能量附近的强度与无啁啾参量相比增强了1个数量级; 当引入半周期调控激光场后, 谐波截止能量得到有效延伸; 适当叠加谐波谱上的谐波, 可获得一个46as的脉冲; 该脉冲强度比无啁啾参量下获得的脉冲强1个数量级。该研究对调控谐波的辐射过程及阿秒脉冲的输出是有帮助的。

随着光声成像技术研究的迅猛发展, 其越来越多地被应用于生物医学成像及检测的各个方面。由于现有光声成像产品多受限于其激励光源, 导致结构复杂、体积庞大、价格昂贵, 限制了其进一步普及和推广。分析了光声成像对光源的限制和要求, 总结了现有Nd∶YAG、光学参量振荡器、半导体激光器及发光二极管等不同种类光声光源的现状和优劣, 为光声成像技术研究和光声成像产品研制中对光声光源的选择提供相应的参考和指导。

为了解决复杂曲面熔覆过程中路径规划的难题, 采用了基于点云切片法生成熔覆轨迹的算法, 运用逆向技术完成零件的反求, 提取模型的点云数据; 并以切平面与点云带宽平面的交点确定激光束扫描轨迹, 根据等弓高误差法确定加工点, 对路径模拟仿真;然后以45#钢作为试验基材, 在表面熔覆一层铁基粉末, 进行自由曲面零件的激光熔覆路径规划研究。结果表明,使用显微硬度仪测得熔覆层硬度稳定在390HRC, 为基材的1.6倍左右;熔覆层组织均匀、结构致密、无明显气孔及裂纹, 与基材形成了良好的冶金结合。该方法熔覆结果良好, 验证了轨迹规划的可行性。

为了获得宽带高效率光波吸收器, 设计了石墨烯和1维光子晶体的复合结构, 采用修正的传输矩阵法研究了其传输特性。结果表明, 在一定条件下, 复合结构在太赫兹波段具有一定带宽和高效率的吸收带, 吸收带的位置和宽度与1维光子晶体通带一致; 在一些特别的吸收带, 吸收峰值达到1; 对相同的结构吸收结果还与入射方向有关。石墨烯和1维光子晶体的结合进一步拓展了它们的应用范围。

为了研究直升机编队飞行在链路中断或节点中断情况下的路径恢复, 基于紫外光非直视通信的路径损耗, 采用Dijkstra算法寻找网络连通性的前提下直升机编队飞行通信网络的最优路径, 通过节点移动来实现链路中断或节点中断时的路径恢复。通过理论以及仿真分析, 得到了最优路径在不同链路断开时的路径恢复情况。结果表明, 采用所提出的算法虽然在节点移动时需要花费2s~3s的时间, 但是与路径重寻方法相比, 3跳和4跳节点的链路收敛时间能够有效减小0.2ms和0.4ms, 路径权值同样能够减小20dB和45dB, 因此该算法具有可行性。这一结果对机群间路径快速恢复的研究有一定的应用价值。

半导体激光器的输出波长和功率随温度变化而变化, 为了确保激光器工作性能, 须对其进行恒温控制。采用脉冲宽度调制功率驱动器DRV595驱动半导体制冷器的方法, 设计了一种双向大电流输出的高精度温度控制系统。在S域对系统进行了建模分析, 搭建经典比例-积分-微分控制器, 采用桥式采样电阻, 纯硬件电路实现, 结构简单, 省掉了数字控制器的复杂软件编写。在常温试验中取得了±0.03℃的控制精度, DRV595集成脉冲宽度调制和双向MOSFET, 输出电流最大为±4A。双向电流驱动半导体热电制冷器, 实现了无死区控制。结果表明, 脉冲宽度调制方式驱动和低输出级电阻大大降低了功率耗散。该系统工作稳定、功耗低、控制精度较高, 具有实用价值。

为了有效地解决方向固定-相位可调型偏振控制器偏振盲区问题,同时实现对该偏振控制器输出光束偏振态的快速实时控制, 采用三波片级联的偏振控制器, 设计了新的偏振控制算法, 通过分步逼近算法粗调以及比例-微分算法细调相结合的方法, 降低了偏振控制算法的复杂度, 提高了偏振控制的速度。结果表明, 该偏振算法有效地控制了输出光束的偏振态, 使其始终在目标偏振态附近, 且该偏振控制器的响应速度在10ms量级。在增加反馈系统的基础上, 该偏振控制器达到了实时快速稳定地控制输出偏振态的目的。

为了提高衍射远场显微成像的分辨率, 采用一种振幅透过率随半径呈幂函数分布的光瞳滤波器进行了理论分析和数值模拟。通过在光路中加入幂函数分布的振幅型光瞳滤波器, 利用标量衍射理论推导出夫琅禾费衍射分布的计算公式; 通过MATLAB软件给出衍射图样, 对比衍射分布的主瓣宽度。结果表明,当幂次数为3时, 模拟仿真的衍射分布斯特雷尔比为0.16, 最大旁瓣强度比为0.1, 分辨参量为0.76, 分辨率提高倍数为1.3;随着振幅透过率幂次数的增加, 主瓣宽度依次减小; 同时也伴随着主瓣强度降低和旁瓣强度增大的缺点。这一研究对于远场光学显微镜实现超分辨成像是有帮助的。

为了减少测量粗差对球标靶拟合精度的影响, 在加权总体最小二乘法基础上, 针对地面3维激光扫描球标靶数据特点, 采用了权函数IGGⅢ方案, 自适应地修正拟合权阵, 构建了新的点云球面拟合方法。利用新方法分别拟合了模拟球面数据、实际扫描球面数据。结果表明, 该方法在同时考虑拟合模型系数矩阵误差与观测向量误差基础上, 通过合理定义及优化拟合权阵, 获得了更为精确的球面参量。其拟合评价指标均优于常规方法。

为了研究激光冲击Ti-6Al-4V钛合金下的表面纳米化和微观结构的演变特性, 采用短脉冲Nd∶YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面分别进行了激光冲击实验, 得到了不同激光冲击次数下钛合金表面的微观组织和相应表面硬度。随着激光冲击次数增加, 晶粒尺寸逐渐减小并形成纳米晶粒; 冲击3次以上时, 纳米晶数量明显增多、尺寸分布更加均匀, 表面出现取向更加随机的等轴纳米晶; 冲击5次后, 随着冲击次数增加, 钛合金表面纳米晶粒尺寸没有出现明显降低的趋势, 始终保持50nm~130nm; 不同冲击次数下纳米层的深度不会明显增加, 纳米层深度约为15μm~20μm; 冲击次数5次以上后, 钛合金表面硬度趋于稳定, 最大值约为525HV~530HV。结果表明, Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化程度随着激光冲击次数的增加而提高; 在5次激光冲击后钛合金表面的纳米化程度达到渐饱和状态, 表面具有分布较好的纳米晶和较高的硬度。这表明多次激光冲击钛合金表面可以实现晶粒从微米级向纳米级转化。

为了获得用于掺Yb3+脉冲光纤激光器的具有反常色散的光子晶体光纤, 设计了一种掺Yb3+铝硅酸盐玻璃纤芯的结构, 包层部分为普通的六边形结构, 分布着直径相同的空气孔, 其纤芯横截面为椭圆形, 在包层和纤芯之间设计了4个小椭圆空气孔。研究了包层的空气孔直径d与空气孔中心间距Λ以及二者的比值d/Λ这些参量变化时, 色散随波长变化的情况; 同时研究了4个小孔对色散和双折射的影响。结果表明, 这一结构的光子晶体光纤, 当Λ=2.3μm、d/Λ=0.5时色散呈现反常色散, 作为掺Yb3+脉冲光纤激光器的增益部分是可行的。该研究对掺Yb3+光子晶体光纤在脉冲光纤激光器方面的使用是有帮助的。

为了实现大功率激光焊接状态的实时检测, 采用了基于传感器信号多特征融合进行焊缝成形预测的方法,以大功率碟片激光焊接304不锈钢为试验对象, 应用分光仪获取焊接过程中的光谱分布, 并用紫外波段和可见光波段高速摄像机采集金属蒸气视觉图像, 对所提取的特征参量与焊接状态之间的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明, 通过建立后向传播神经网络焊缝成形预测模型, 取得了熔宽和熔深的预测绝对误差平均值数据分别为0.18mm和0.72mm。该方法能够准确反映熔宽及熔深的状态变化,这一结果对大功率激光焊接状态在线监测是有帮助的。

为了解决传统数字图像处理算法中数据运算量大、复杂度高、耗时长的问题, 提出一种基于可编程门阵列(FPGA)光纤光斑中心定位的方法。采用数字信号处理系统,利用开发工具(DSP builder),设计了光斑图像预处理算法和边缘检测算法, 用最小二乘法拟合光斑边界, 采用流水线设计,增强了数据处理的并行能力, 提高了处理速度。在Cyclone V平台上进行理论分析和实验验证, 取得了光斑图像边界、中心坐标数据。结果表明, 在保证对光斑中心定位的绝对误差小于0.1pixel的条件下, 使用FPGA比计算机运算速度能提高21倍以上。该研究能够在FPGA平台上快速准确定位光斑中心。