为了研究垂直腔面发射激光器(VCSEL)输出的光功率与器件温度的关系, 确定用户可正常使用网络的温度范围, 采用输出光功率与工作电流关系(P-I)模型进行了理论分析及实验验证, 并通过简化模型参量及引入电压与电流关系(U-I)特性曲线来优化模型。采用了Levenberg-Marquardt(LM)算法来实现模型参量的求解, 对比20℃下的测量数据与拟合数据的相似度, 预测得到不同温度下的P-I特性曲线数据。结果表明, 在固定温度下, 输出光功率随着驱动电流的增加先增后减; 在固定的驱动电流下, 输出光功率随着温度增加而减小; 要保证用户正常上网, 电机房里VCSEL激光器工作的环境温度最多不能高于31℃。

为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO2廓线差分吸收激光雷达, 以NO2的吸收光谱和激光雷达方程为基础, 通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO2含量的分布、探测距离和几何因子的关系; 搭建探测大气NO2实验系统, 开展了大气NO2浓度实验观测, 获得水平及垂直高度0.4km～3.0km内的NO2浓度实时分布, 探测分辨率可达4.717μg/m3, 系统稳定可靠。结果表明, 采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd∶YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式, 并以C450为染料, 可满足差分吸收探测所需的两束波长为λon (448.10nm)和λoff (446.80nm)、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO2差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。

柔性电子是可穿戴设备、物联网等应用发展的重要研究方向。激光剥离技术是一种利用激光能量来分离玻璃基板与柔性衬底的技术, 具有作用光波长可选、作用时间短、热影响区域小的优点, 是目前实现柔性电子器件的最重要技术之一。介绍了激光剥离的主要技术特点, 分析其在不同的柔性电子领域的应用, 讨论了应用过程中的主要工艺和作用, 并总结了激光剥离技术未来的发展趋势。激光剥离技术的快速发展, 会对柔性电子行业的研究和发展形成强力支持。

为了研究毫秒激光致硅靶的熔融喷溅机理, 采用阴影法, 通过高速CCD获得了毫秒激光与固体靶材(硅靶和铝靶)相互作用的序列阴影图, 研究了毫秒激光致固体靶材的融熔喷溅过程。实验上对比了毫秒激光致硅靶和铝靶熔融喷溅过程的不同, 并对毫秒激光致固体熔融喷溅形成的机制进行了讨论。根据两种靶材融熔喷溅机理不同, 解释了两种靶材融熔喷溅物的形貌、喷溅角度、喷溅物分布和喷溅物亮度不同的原因。结果表明, 毫秒激光对两种靶材均能产生气化和熔融喷溅过程, 但气化强度和熔融喷溅物的形态、亮度均不相同; 激光作用硅靶时, 作用区域所产生的气化现象不明显, 熔融喷溅物呈液滴状, 其亮度强于背景光, 熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角的最大值为45°, 熔融喷溅物分布在其间; 而激光作用铝靶时, 作用区域的铝靶所产生的气化现象更加明显, 熔融喷溅物呈线状不透明流体, 其亮度低于背景光, 熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角度为20°, 熔融喷溅物分布在熔融喷溅方向所在的直线周围。该研究对激光加工技术是有帮助的。

为了产生高强度单个阿秒脉冲, 采用多周期极化门方案, 利用空间非均匀极化门调控谐波辐射, 在蝴蝶型纳米结构下产生高强度阿秒脉冲。结果表明, 由于纳米结构表面的等离子共振增强现象, 激光强度在空间呈非均匀性, 导致高次谐波截止能量得到延伸, 长量子路径对谐波的贡献被减弱; 在极化门控制下, 谐波平台区的贡献只来源于单一的谐波辐射能量峰, 形成一个140eV的平台区; 适当引入一束超短紫外光源, 谐波强度增强2个数量级; 通过叠加平台区的谐波, 可获得一个持续时间在27as的超短脉冲, 该脉冲强度比利用单一极化门方案获得的脉冲强度增强2个数量级。该研究对阿秒脉冲的产生以及阿秒科学的发展是有帮助的。

为了对微纳光纤耦合器进行研究, 采用光束传播法, 在不同熔融区长度和不同波长输入光情况下对微纳光纤耦合器的熔融拉制过程进行数值模拟, 取得了输出光功率随拉伸长度变化的曲线和光场分布, 并分析了耦合器的3个阶段的模场变化和光场特点。结果表明, 当拉伸到微纳光纤耦合器失去有效耦合阶段时, 两光纤的输出光功率趋于相等且不再随拉伸长度的变化而变化; 熔融拉锥耦合器在各个阶段的光场分布特点不同; 熔锥型的微纳光纤耦合器失去有效耦合与熔融区的光纤直径直接关联, 且此光纤直径与输入光的波长有关, 波长越小, 熔融区需经拉伸达到的光纤直径越小。这一结果对研究微纳光纤耦合器失去有效耦合的成立条件是有帮助的。

转轴振动的测量和监控是旋转机械故障分析和诊断的主要手段。为了实现便携式高精度的现场测量, 提出了电子直接调制的激光多普勒相干转轴振动测量技术。通过对测量系统的分析, 推导出数学模型。结果表明, 直接调制激光束的频率, 简化了测量光路, 减小了体积, 降低了成本; 采用激光多普勒相干测量, 达到高分辨率的要求; 二次混频的设计, 解决了电磁干扰下微弱信号不好直接处理的难题; 取样积分技术的应用, 改善了信噪比, 使系统精确度更高; 该系统的测量不确定度小于0.1%。这对智能化的现场测量具有一定指导意义。

为了满足车载平台光轴稳定的应用需求, 采用压电陶瓷作为驱动器对快反镜进行了结构设计, 将其作为仿真模型对快反镜进行了模态分析和力学仿真, 并对结构进行了优化设计。采用高帧频相机探测的质心位置作为反馈信号, 利用现在可编程门阵列进行高速图像处理, 研制出适用于车载平台的光轴稳定快反镜。对快反镜的性能参量进行了全面测试, 并参与了集成联调试验。结果表明, 该快反镜的分辨率约0.4μrad, 闭环带宽大于100Hz;三级公路上, 汽车以40km/h行驶过程中, 在无人值守模式下, 由总控对快反镜进行控制, 与开环相比, 闭环后光轴x轴抖动均方根减小3.6倍, y轴减小2.1倍, 20Hz以内的光轴抖动抑制效果明显, 取得了较好的试验效果。该系统具有高带宽、高精度及高稳定性的特征, 对车载平台的光轴稳定起着重要作用。

为了研究和掌握高氮钢复合焊接接头的微观组织和力学性能, 以8mm厚的高氮钢板为试验材料, 采用额定功率为4kW的Nd∶YAG固体激光器对其进行了激光-电弧复合焊接, 利用金相显微镜和扫描电子显微镜对焊接接头的微观组织和断口形貌进行拍照和分析, 并利用能谱分析仪和X射线衍射仪, 从微区成分元素的种类、含量及物相组成方面进一步分析母材、热影响区、焊缝区的微观组织。结果表明, 焊缝区的组织为典型的树枝晶和少量的等轴晶形貌, 母材、热影响区都是奥氏体组织, 焊缝区除了奥氏体组织外还伴有少量的δ铁素体组织; 焊缝中的第二相粒子主要是通过冶金反应产生, 以TiO2、尖晶石(MnAl2O4)以及硅酸盐等形式存在, 对晶粒有明显的细化作用, 可增加焊缝强度; 拉伸断裂出现在焊缝区, 断口组织形貌为典型的韧窝断裂, 并在断裂处可发现有空洞和第二相粒子的形貌特征, 说明焊缝缺陷可能导致力学性能薄弱。此研究为激光-电弧复合焊接在高氮钢焊接领域的应用奠定了一定基础。

为了提高浓度和温度测量的灵敏度和稳定性, 采用时域分析法监测光纤系统中的光损耗, 研制了基于光纤环形腔衰荡光谱的传感系统。基于该系统对浓度和温度进行传感测量实验, 分析了错位传感结构的参量选择, 并研究了空载时腔内信号放大对脉冲强度和脉冲数量的影响。结果表明, 当干涉长度L和错位量D分别为4cm和3.75μm时, 干涉效果最优; 脉冲强度是无腔内放大时的4倍且脉冲数量更多; 当蔗糖和葡萄糖溶液浓度为0.100g/mL~0.400g/mL时, 浓度灵敏度为756.51μs/(g/mL)和909.07μs/(g/mL), 检测限为0.0014g/mL; 当温度为30℃~200℃时, 温度灵敏度为1.83μs/℃。该系统的设计和研究为浓度和温度的传感应用提供了有价值的指导。

为了研究激光激发横波与材料表面垂直裂纹侧面作用所发生模式转换现象, 采用有限元法模拟了激光水平激发、垂直侧面接收的声传播及模式转换, 并进行了相应的实验验证。分析激光激发超声波传播至垂直侧面时, 侧面接收点在不同深度接收位移信号的变化情况。结果表明, 当侧面接收点处于临界角对应深度以内时, 出现激光激发表面波在拐角次生源处产生的表面波信号; 而当侧面接收点处于临界角以外时, 在此信号之前出现了经由激光激发横波作用垂直裂纹侧面所产生的模式转换, 并形成新的表面波; 且对于固定的激发位置, 随着接收点位置下移, 两种信号之间的到达时差逐渐增大。该结果可促进激光超声对垂直裂纹的检测研究。

为了分析激光功率对Co基梯度耐磨涂层组织和性能的影响, 采用激光熔覆在20CrMnMo钢表面依次熔覆St6, St12B, Co47+WC(质量分数为0.05)合金粉末制备厚度约为2.4mm的Co基梯度耐磨涂层, 进行了微观组织分析、显微硬度测试、摩擦磨损试验。结果表明, 不同激光功率下涂层表面均没有出现裂纹且各涂层中晶体形貌相似, 表层出现致密的等轴晶、过渡层出现粗大的柱状晶、底层出现平面晶和树枝晶; 600W时耐磨层中发现未熔WC颗粒, 800W耐磨层发现CoW2B2硬质相; 在600W～800W范围内, 激光功率越高, 涂层整体的显微硬度和耐磨性越好; 激光功率为800W时, 耐磨层显微硬度达到730HV0.1, 涂层耐磨性相对于基体提高了300%。此研究结果对激光熔覆制备Co基梯度耐磨涂层提供了参考依据。

为了研究激光-熔化极惰性气体保护焊(MIG)复合法焊接铝合金时激光、电弧两种热源各自的作用, 得出二者最佳耦合效果, 采用观察接头显微组织、焊缝截面形貌等手段, 分析了激光、电弧各自对焊缝的影响。在此基础上, 进一步测定焊缝气孔率、力学性能等参量, 探索了能量分配比例对焊接接头性能的影响规律。结果表明, 激光-MIG复合焊接6061铝合金时, 控制电弧、激光能量比在0.9附近, 辅以合适工艺, 获得的焊接接头气孔率仅为1.5%, 抗拉强度291MPa, 达母材的82.9%, 符合工程需求。此研究对不同厚度的铝合金复合焊具有普遍指导意义。

发动机机油中磨损元素在发动机正常运转中发挥着重要的作用, 对其进行实时检测可以预知事故的发生, 防止发动机进一步磨损, 因此实现机油中磨损元素的探测具有重要的应用价值。归纳了利用原子光谱对机油检测的关键问题, 指出了原子发射光谱技术中的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和其它原子光谱技术在机油样品检测方面的研究进展, 讨论了各种技术的优缺点。介绍了LIBS技术在机油检测方面的优势, 引入了间接烧蚀LIBS技术。该技术不仅保存了LIBS技术本身的优势, 而且大大提高了检测灵敏度。用间接烧蚀LIBS技术探测机油中磨损元素, 具有巨大的应用前景, 对该技术的现场探测应用进行了展望。

在外光场激励下, 金属纳米结构衬底表面所形成的集体电子振荡模式可有效调制其局域电磁场分布, 对居于衬底附近的荧光分子的荧光辐射产生调控。其影响因素主要取决于衬底金属表面所形成的电磁振荡模式和电磁场分布性质。归纳了光谱学中表面增强荧光效应研究的关键问题, 指出了周期性有序衬底金属增强荧光及其金属纳米颗粒增强荧光研究的主要研究进展。基于局域电磁场增强机理模型, 讨论了不同形貌衬底金属对荧光分子的荧光调控机理和影响因素。对表面增强荧光效应的研究前景进行了展望。

为了探寻一种基于光频梳的灵活、高效的多频段变频方案, 采用一个双驱动马赫-曾德尔调制器(D-MZM)和两个双平行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)组成的系统, 由接收到的射频信号驱动D-MZM, 进行单边带调制, 进而得到一个载波和+1阶边带。利用两个DP-MZM分别作为两个光频梳产生器, 产生两个相位相干、中心频率不同的光频梳, 并进行了理论分析和实验验证; 同时还研究了直流偏置点漂移对系统变频效率的影响。结果表明, 所提出的变频系统, 可将Ku波段的15GHz微波信号转化成3GHz, 7GHz, 11GHz, 19GHz, 23GHz和27GHz的信号; 输出的微波信号信噪比可达28.82dB~29.99dB; 直流偏置点的漂移量在-10%～50%范围内影响明显。该方法可为卫星通信系统提供多频段变频功能, 从而满足多频段通信需求。

为了研究磁场激励下焊接缺陷磁光成像特征, 以激光焊低碳钢板为试验对象, 采用恒定磁场和50Hz交变磁场对焊接缺陷进行励磁, 并由磁光成像传感器实时获取焊接缺陷区域磁场分布, 进行了理论分析和实验验证。取得了恒定磁场和交变磁场励磁下厚度分别为1mm, 2mm和3mm低碳钢(Q235)焊接缺陷的磁光图像, 并与COMSOL模拟结果进行对比;通过加权平均图像融合技术将交变磁场中获得的焊接缺陷磁光图像进行融合。结果表明, 与恒定磁场励磁相比, 采用交变励磁获得的焊接缺陷信息更加准确、快速和完整, 并且有效避免了焊接缺陷信息的遗漏。此研究为提高焊接缺陷检测效率提供了依据。

为了快速测定白酒年份酒中乙酸的体积分数, 采用3维荧光光谱结合交替拟合残差算法, 首先将不同体积分数的乙酸乙醇水溶液的3维荧光光谱作为校正集, 然后将白酒的3维荧光光谱作为预测集, 利用交替拟合残差算法进行解析分辨, 采用标准添加法来验证结果的准确性。结果表明, 预测体积分数与真实体积分数的相关系数为0.9926, 平均回收率为101.97%;3维荧光光谱结合交替拟合残差算法可以快速有效地测定白酒年份酒中乙酸的体积分数。这一结果对白酒年份酒中单体体积分数的检测是有帮助的。

为了研究碱土金属类的中性锶原子在多普勒冷却激光场中的冷却特性, 从Heisenberg方程出发, 采用激光冷却理论分析得到锶原子在能级跃迁(5s2)1S0~(5s5p)1P1 1维驻波激光光场和3维磁光阱中冷却效果与激光强度、失谐量等冷却激光场参量的关系。结果表明, 当锶原子处在1维驻波激光光场中且在弱激光光场、频率小失谐条件下, 锶原子所受耗散力与这两个参量呈线性关系, 但当两个参量增长至一定程度时耗散力呈现饱和现象; 当锶原子在3维磁光阱中且当阱中激光光场的频率失谐为-16MHz时, 碱土金属锶原子有最低冷却温度, 约为0.76mK。对多普勒冷却光场中性锶原子特性的分析为其它碱土金属类原子的冷却研究提供了一定的理论指导。

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达, 采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法, 对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究, 取得了边界层内的大气温度数据。结果表明, 该激光雷达测量的大气温度在0km～2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性, 激光能量为100mJ, 测量时间约为17min, 垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K, 可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量; 如果要使测量的高度进一步增加, 可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。

为了实现低成本的精细电子线路快速成型, 以CuSO4和NaH2PO2混合溶液为活化液, 涂覆于基体表面形成活化层, 采用450nm蓝光激光对基体表面活化层进行扫描, 从而使基体活化, 并结合化学镀铜, 在激光扫描区域制备出了导电金属铜层。研究了CuSO4和NaH2PO2的质量浓度、扫描速率和涂覆次数对镀层成型效果的影响, 对活化后的基体进行了能谱分析, 通过扫描电镜对各阶段镀层相貌进行了表征, 并对镀层的结合性和导电性进行了检测。结果表明, 当CuSO4和NaH2PO2的质量浓度分别为10g/L和30g/L、扫描速率为320mm/s、涂覆次数为3次时, 镀层覆盖率为100%; 激光扫描后, 活化层中的Cu2+被还原为Cu微粒; 镀层线路微观结构均匀致密、轮廓清晰、边界整齐、结合性强, 表面电阻趋近于0Ω, 导电性良好。该工艺在一定程度上解决了激光诱导技术可操作性差以及贵金属涂布成本高的问题, 具有较高的实用价值, 在电子线路成型方面具有一定的应用前景。

为了设计高品质、高性能的光学滤波器件, 采用传输矩阵法, 研究左右手材料构成的光子晶体(HL)mDl(LH)m的窄带和宽带通道双重光学滤波功能, 并进行了计算机仿真。介质层H是左手或右手材料时, 随着排列周期数m增大, 在频率ω/ω0奇数倍处均出现单条窄透射峰; 当m不等值变化时, ω/ω0奇数倍处透射峰透射率均下降且下降速度相同, 而ω/ω0偶数倍处通带透射率不变; H为左手材料时, ω/ω0偶数倍处还出现通带, 且m越大透射峰或通带越窄, ω/ω0奇数倍处及周围还出现多条窄透射峰。结果表明, 光子晶体由左右手材料组成时将得到更好的宽、窄带双重光学滤波效果及调制方法。该研究对新型光学滤波器件的研究和设计具有指导作用。

近年来国内外在可调谐垂直腔面发射激光器这一研究领域取得了极大的进步。叙述了可调谐垂直腔面发射激光器的结构原理和发展历程, 对不同结构的优缺点作了对比介绍, 展望了可调谐激光器的发展前景。这种器件在光传输、光互连及光并行信息处理等方面有着良好的应用前景。

为了快速精确地在线测量钢水温度, 采用红外CCD相机测温技术来测量钢水表面温度。利用红外CCD相机采集钢水在不同温度下的图像, 计算出图像中与热电偶测温相近位置点区域的灰度均值, 引入黄金分割寻优法对广义回归神经网络中扩展系数的确定进行了改进, 并用传统的最小二乘法与改进的广义回归神经网络方法对灰度比和温度之间的非线性关系拟合曲线进行对比。结果表明, 用改进的广义回归神经网络建立的测温模型有效地提高了在线温度测量精度, 使钢水温度测量误差控制在0.1%范围内, 符合工业设计要求。该研究为广义回归神经网络应用在钢水测温领域提供了参考。

激光等离子体对精密元件表面微纳米粒子的有效去除, 在纳米科研领域中有很大的应用潜力。为了深入研究激光等离子体对微粒的去除机理和条件, 采用纳秒脉冲激光等离子体, 对硅基底表面的微纳米粒子进行去除实验, 观测了微粒的去除效果, 并理论分析了等离子体的作用效应。结果表明, 等离子体向外辐射宽谱光, 紫外短波部分加速周围空气电离, 使等离子体体积剧增, 并有效提升基底和粒子温度;基底与粒子两者热膨胀度不同, 使粒子更易于从基底剥离; 同时等离子体向周围膨胀扩散形成高压冲击波, 冲击波的压强高达GPa量级, 可以克服微粒与基底之间的范德华力, 而去除微纳米粒子, 尤其对粒径大于0.5μm的去除效果尤其明显; 在实际去除过程中, 等离子体与基底的距离应该保持在0.2mm~2mm之间, 这样既保证了微粒的有效去除, 又不会造成基底的损伤。激光等离子体对微粒的去除效果明显, 是等离子体辐射效应和冲击波效应的综合作用的结果。

为了进一步提高相干偏振合成的效率, 采用数值模拟方式, 对偏振误差的影响及系统的拓展性进行了分析, 并计算了偏振误差在3种不同拓展结构下对相干偏振合成效率的影响。当偏振合束器的透过率和反射率分别是96%和99.5%、半波片的透过率是99.7%时, Y型结构16路光束的整体合成效率会在偏振误差增大到0.03rad时下降0.33%; 随着合成路数的增大, 合成效率逐渐降低, 当光束拓展至128路时, Y型结构的合成效率将下降至83%。结果表明, 光功率相对平衡的Y型结构具有最高的合成效率, 同时受偏振误差的影响最小。该研究确定了系统的最佳合成方案, 为基于相干偏振合成的效率分析提供了参考。

为了实现对甲烷体积分数场的2维分布重建, 基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)检测技术, 以甲烷为目标气体, 采用直接吸收的测量方式, 探测了甲烷氮气混合气的吸收光谱信号, 通过代数重建算法对甲烷体积分数进行了模拟重建和实验研究, 模拟重建采用了6×6共36个方格的正方形重建区域, 假定一个方形区域内具有空穴的体积分数分布, 模拟24条光束从4个方向穿过重建区域, 获取了模拟光线下的投影值。结果表明, 经过重复实验统计均方根误差在2.58%, 对模拟投影信号加入不同信噪比(5%, 10%, 20%)的高斯白噪声之后再进行重建, 均方根误差分别在4.17%~9.30%之间; 实验研究采取面源泄露式扩散方式, 并通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造体积分数空穴, 形成非均匀体积分数场, 通过对放置障碍物前后的重建结果对比, 能够看到在空穴位置有明显的体积分数下降。TDLAS技术与计算机断层重建技术在气体体积分数场的局部分布检测上有可行性, 具备作为有毒有害气体云团体积分数分布检测手段的潜力。