提出用试验设计与人工神经网络相结合的方法, 建立了一个激光切割工艺参数的选择优化的智能系统。通过试验设计的方法,只需做少数几次切割试验,将试验结果输入人工神经网络中进行训练和学习,系统便可经过自学得到切割结果与切割参数之间的隐含的定量关系,获得切割知识。在实际切割时,系统根据学到的切割知识,可以对任何给定的切割条件进行推理,对切割参数进行结果预测和优化。这种方法既不需要做大量的工艺试验,也不是单纯的专家经验,而是结合了两者的优点,使结果预测建立在既有试验数据又有专家知识的基础上,因而更加可靠、准确。该系统在激光方位切割的具体应用表明,系统能够准确给出定量的加工参数。

报道了对平均功率达85 W的高功率、高稳定性全固态绿光激光器谐振腔特性的研究,将高平均功率运转条件下的KTP倍频晶体的热透镜效应等效为一个薄透镜,利用ABCD传输矩阵,通过图解方法定性地讨论了KTP晶体的热透镜效应对谐振腔的稳定性和腔内激光模式的巨大影响,理论分析表明适当大小的倍频晶体热透镜焦距不但可以有效地补偿Nd∶YAG棒的热透镜效应,而且对增大激光介质中的模体积和在倍频晶体处提高功率密度都有积极作用。实验中采用了80个20 W的高功率半导体激光器侧面抽运的单Nd∶YAG棒、两个声光Q开关、高效平-凹谐振腔结构、对大尺寸KTP晶体进行角度偏离法补偿相位失配等技术,并通过对KTP晶体采取适当的冷却方式,最终实现了高功率内腔倍频激光器的高稳定性运转;在抽运功率约为1080 W时,实现了重复频率为20.4 kHz,脉冲宽度230 ns,输出功率达85 W的高功率、高重复频率绿光(532 nm)输出,不稳定性仅为±1.03%。

利用自行研制的半导体可饱和吸收镜(SESAM),在5 W光纤耦合半导体激光器端面抽运的Nd∶YAG激光中,实现了半导体可饱和吸收镜被动锁模,获得了稳定的皮秒锁模激光输出。经自相关仪测量,其锁模激光脉冲宽度小于10 ps。实验采用直腔结构的谐振腔,该腔结构简单,易于调整,实现可饱和半导体吸收镜稳定锁模时,光-光转换效率达到19%。

高功率激光二极管列阵广泛应用于抽运固体激光器。报道了17 kW GaAs/AlGaAs叠层激光二极管列阵的设计、制作过程和测试结果。为了提高器件的输出功率,一方面采用宽波导量子阱外延结构,降低腔面光功率密度,提高单个激光条的输出功率,通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法进行材料生长,经过光刻、金属化、镀膜等工艺制备1 cm激光条,填充密度为80%,单个激光条输出功率达100 W以上;另一方面器件采用高密度叠层封装结构,提高器件的总输出功率,实现了160个激光条叠层封装,条间距0.5 mm。经测试,器件输出功率达17 kW,峰值波长为807.6 nm,谱线宽度为4.9 nm。

研究了不同CeO2浓度掺铈石英玻璃的光谱性能和机械强度,制备了几种不同杂质(CeO2,Al2O3,TiO2)含量的掺铈石英玻璃管,并且这些掺铈石英玻璃管用相同的工艺研制成大功率脉冲氙灯。对掺铈石英玻璃管的光谱性能、机械性能和热学性能进行了测试,并测试了脉冲氙灯放电的极限负载能量。通过对比实验表明,掺入适量的CeO2等杂质的掺铈石英玻璃管可以吸收氙等离子体的320 nm左右的近紫外辐射,改善脉冲氙灯的辐射光谱。但CeO2等杂质的掺入降低了掺铈石英玻璃管的机械强度,导致掺铈石英玻璃管脉冲氙灯的极限负载能量比纯石英玻璃管脉冲氙灯有差距,影响了掺铈石英玻璃管脉冲氙灯的使用寿命。因此,有必要研制一种既能吸收氙等离子体的320 nm左右的紫外辐射,又具有高强度的脉冲氙灯管壁材料。

设计了一种新工艺――利用硅微结构直接作为模具来制作微小固体染料激光器谐振腔型滤波器。首先通过组合刻蚀工艺制作硅模具,再利用硅模具复制得到微谐振腔。组合刻蚀工艺是采用深层反应离子刻蚀(deep-RIE)再结合EPW湿法刻蚀(一种各向异性刻蚀技术)。由于EPW湿法刻蚀对〈110〉面刻蚀速率较慢,可制作出具有光学镜面的侧壁〈110〉的硅模具,利用此模具可复制出正方形固态染料微谐振腔。以激光染料若丹明6G掺杂的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)为工作物质,在调Q Nd∶YAG自倍频激光532 nm抽运下,得到600 nm波长的激光输出。这种谐振腔可应用在染料激光器和滤波器中,对其原理、设计、制作工艺和性能都作了介绍。

复合消色差波片,因其延迟量在一定波长范围内不随波长变化,克服了常规延迟片只能用于单一波长的缺点而被广泛应用到通信、生物、地质、航空、航天、海洋等领域。根据复合波片理论,完成了同种材料三元复合式消色差λ/4波片的设计理论;推导出消色差延迟片延迟量随波长变化的理论曲线;进而在平板型三元复合式消色差λ/4波片的设计基础上提出了一种优化设计方案。理论证明,依据此方案根据具体的使用要求,通过精确调整复合角度,可使波片的消色差范围在相同延迟偏差下拓宽130～140 nm,消色差精度也能得到相应的提高。为进一步拓宽消色差范围、提高复合波片的消色差性能奠定了很好的理论基础,而且技术操作简练可行,具有一定的实用价值。

报道了在热扩散条件下两步离子交换玻璃光波导功分器的理论分析、样品制作和实验测试。为了便于定量分析,采用了一种上升反正弦S型分支光波导系统的物理模型,得到了在热扩散条件下两步离子交换光功分器波导区的归一化折射率分布和在不同交换时间所形成的玻璃波导折射率分布。在此基础上,设计和制作出第一步采用含Tl+纯熔盐Tl2SO4与玻璃含Na+进行离子交换形成表面下半圆形波导,再把该波导表面脱钛膜放入含Na+熔盐NaNO3中进行第二步离子交换形成掩埋式圆形波导光功分器,实现插入损耗为0.15 dB和分光比为50∶50的上升反正弦S型玻璃光波导功分器。

采用波长为193 nm的ArF准分子激光对钛宝石进行辐照,对比辐照前后的吸收光谱,218 nm处的吸收增加幅度明显大于193 nm和266 nm的吸收峰。通过对不同品质因素(FOM)值样品在420 nm处的荧光强度检测,发现FOM值随荧光强度减小而增大,对比钛宝石样品在准分子激光辐照前后的420 nm荧光谱,可以发现荧光强度明显降低。在检测样品的电子顺磁共振(EPR)谱后发现,Ti3+离子的电子顺磁共振信号在辐照后强度明显增强。表明钛宝石在准分子激光辐照过程中有Ti4+离子向Ti3+离子转变趋势。

用于卫星合作目标的角反射器阵列的设计,国际上普遍采用的是圆形布阵方案。采用正六边形密接布阵设计,获得了轻量化、高稳定性的卫星激光合作目标。角反射器阵列尺寸为280 mm×160 mm,重量小于2 kg,共有38个角反射器单元;单元底面加工成正六边形,对边距为31.5 mm,有效通光口径为30 mm,高为25 mm;考虑到星载角反射器的速差效应及其补偿要求,经计算机数值模拟,将单个角反射器的综合角度误差确定为5°±0.5″,并在加工时对每个直二面角人为引入约1″的角度误差。该设计虽然在一定程度上增加了阵列基座的加工难度,但计算表明,在设计尺寸一定的情况下,与传统圆形布阵相比,合作目标阵列的重量减轻15.5%,而有效反射系数及回波光子数均提高10.3%。

探索Nd∶YAG倍频激光与受激拉曼散射(SRS)结合获得从紫外到可见光范围的多波长输出,可应用于激光雷达探测空气污染等领域。利用Nd∶YAG激光的三倍频355 nm波长输出在甲烷及甲烷和氢气混合气体中的拉曼特性进行研究。获得在396 nm, 416 nm, 447 nm和503 nm+515 nm等多个波长分别约100 mW的同时输出,以及对个别波长的增强。讨论了不同常见的工作气体及混合气体的特点。与单一工作气体(氢气或甲烷)相比,混合气体可以获得更为丰富的波长输出。相比甲烷气体在紫外激光照射下的分解作用,由于氢气的加入一定程度上抑制了分解反应,混合气体产生的分解沉淀较少。

部分相干光通过受光阑限制近轴ABCD光学系统传输是实际工作中一个十分有意义却是很困难的问题。虽然使用“Mathematia”编制的程序可对Collins公式作数值积分,但随着光阑数目的增加,计算变得非常繁琐和耗时。用有限个复高斯函数之和来逼近硬边光阑窗函数的方法,推导出了部分相干光通过多个硬边光阑ABCD光学系统传输的递推公式,提供了一种模拟部分相干光通过硬边光学系统传输的快速算法。计算示例表明,当离光阑不太近时,使用解析公式和直接对Collins公式作数值积分的结果符合甚好,并具有快速计算的主要优点,因此大为节约了机时。此外,由于将单光阑推广到多光阑的ABCD光学系统,并考虑了光束的部分空间相干性,因此所得结果更具一般性,且对多模部分相干激光是适用的。

激光烧蚀等离子体在微量元素分析方面有着重要的应用背景,而缓冲气体的种类及压力对激光等离子体的特性有重要影响。报道了以氦气、氩气、氮气和空气作为缓冲气体,实验测定了不同气压下Nd∶YAG激光烧蚀Al靶产生的等离子体中的时间分辨发射光谱,利用发射谱线的Stark展宽和相对强度计算了等离子体中的电子密度和温度,得到了在不同缓冲气体中激光诱导Al等离子体的电子密度随延时、气压的演化规律,同时得到了电子温度的时间演化特性。实验结果表明,电子密度的数量级约为1017 cm-3,电子温度测量值约为10000 K,二者都是在激光脉冲后随时间快速衰减,直到4 μs以后达到一个较低的水平并缓慢变化,其中以氩气作为缓冲气体时等离子体中的电子密度最大。

在同轴相移数字全息实验中,相移量的准确性、稳定性对实验结果起着很重要的作用,因此相移器的研究已成为相移数字全息实验研究中的一个重要内容。在以往应用的相移器中,大多是通过机械驱动改变光程来实现相移,这种方法会使光路变得复杂。提出了一种新型的相移器――液晶光调制计算全息相移器,它将大大简化光路的设计,同时避免机械运动,实现相移量的全数字化控制。该相移器是基于计算全息原理和傅里叶变换的位移定理所提出的,它将液晶显示器(LCD)作为光学显示元件,通过适当改变显示在液晶显示器上的计算全息图的编码,使其同时实现波面变换和相移。给出了液晶光调制计算全息相移器的理论分析,并通过实验测量表明其相移量的波动范围仅在0.036 rad以内,具有很高的精确性、可重复性和稳定性,最后验证了该相移器用于同轴相移数字全息实验的可行性。

薄膜表面粗糙度是表征薄膜质量的重要指标,为了探求环境气压对脉冲激光烧蚀沉积纳米Si薄膜表面粗糙度的影响,采用XeCl脉冲准分子激光器,分别在惰性气体氦气和氩气的不同气压环境下烧蚀沉积了纳米Si薄膜,用Tencor Instruments Alpha-Step 200台阶仪对相应薄膜的表面粗糙度进行了测量。结果表明,薄膜表面粗糙度开始随着气压的增大而逐渐增加,在达到一最大值后便随着气压的增大而减小。由不同气体环境下的结果比较可以看出,充氩气所得Si薄膜表面粗糙度比充氦气的小,最大粗糙度强烈地依赖于气体种类。对于原子质量较大的氩气而言,其最大粗糙度仅比低气压时高出11%,而对于原子质量较小的氦气来说,其最大粗糙度比低气压时高出314%。

ZrO2薄膜样品在不同的沉积温度下用电子束蒸发的方法沉积而成。利用X射线衍射(XRD)仪和原子力显微镜(AFM)检测了ZrO2薄膜的晶体结构和表面形貌,发现室温下沉积ZrO2薄膜样品为非晶结构,随着沉积温度升高,ZrO2薄膜出现明显的结晶现象,在薄膜中同时存在四方相及单斜相。薄膜表现为自由取向生长,晶粒尺寸随沉积温度升高而增大。同时发现薄膜中的残余应力随沉积温度的升高,由张应力状态变为压应力状态,这一变化主要是薄膜结构变化引起的内应力的作用结果。同时讨论了不同沉积温度对ZrO2薄膜光学性质的影响。

用Stark能级分裂的变化分析了掺铝改变掺铒光纤放大器(EDFA)光谱特性的原理,并用改进型化学气相沉积法(MCVD)结合溶液浸泡掺杂法制作了采用不同掺铝比例的掺铒光纤,测试了用这几种光纤制作的放大器的自发辐射谱,得出掺铝浓度的提高使荧光谱的峰值往短波长移动,与Stark能级分裂理论分析得到的结果相一致。同时采用截断法测试了两种不同掺铝浓度的掺铒光纤的吸收谱,实验结果表明掺铒光纤中增加铝的含量将提高铒离子浓度,并提高掺铒光纤的吸收系数,减短掺铒光纤放大器中的掺铒光纤长度。高掺铝掺铒光纤放大器具有更宽更平坦的增益谱线,可以适用长距离波分复用(WDM)系统。

采用掺铒光纤在L-波段的放大自发辐射(ASE)构成的宽带光信号源在光纤传感、器件测试等方面有着广泛的应用需求,而抽运转换是制作这种光源的关键技术之一。基于C-波段放大自发辐射对L-波段信号具有二次抽运作用的机理,在光纤的一端采用Sagnac反馈环将输出的C-波段放大自发辐射反馈回到掺铒光纤中,这些被反馈的C-波段放大自发辐射像注入的信号光一样消耗上能级粒子数而受到放大并沿光纤的同一方向传输,同时成为L-波段放大自发辐射的抽运源。由于Sagnac反馈环减少了泄漏的C-波段放大自发辐射功率,因而抽运转换效率大大提高。实验中,在不加平坦滤波器的情况下,在125 mW 980 nm抽运光输入时输出L-波段放大自发辐射宽谱功率达到14 dBm,抽运转换效率(PCE)达到20%,1 dB带宽达到31.1 nm(1568.9～1600 nm),获得了高转换效率且宽带平坦的L-波段放大自发辐射谱输出。

基于标量近似理论利用有效折射率方法对低空气填充率的光子晶体光纤(PCF)的色散特性进行了数值模拟。发现通过调节光纤包层的空气穴节距或空气穴大小可以有效地调节光子晶体光纤的色散特性,可以实现光子晶体光纤零色散波长向短波方向(小于石英材料的零色散波长1.27 μm)移动,甚至在光通信波段出现两个零色散波长;可以设计在光通信波段接近于零色散的色散平坦光子晶体光纤,其色散系数D的绝对值在1.2～1.7 μm波长范围小于2.0 ps·km-1·nm-1,其色散斜率D′的绝对值小于0.02 ps·km-1·nm-2。

利用光纤倏逝波原理,以输出波长为635 nm的半导体激光器为光源,研制成功一台具有5个探头的光纤生物传感器。该传感器5个光纤探头对纯净Cy5荧光染料溶液的检测灵敏度均达0.01 nmol/L,在同一浓度下信噪比的相对标准偏差小于10%,5个探头的信噪比曲线几乎重合,且与商品化生物芯片扫描仪同时检测得到的结果一致[检测到了抗原抗体特异性反应的动态过程。本传感器具有较高的检测灵敏度、良好的响应一致性和生物特异性,可用于多重生物物质的检测。

应用等效折射率模型研究了光子晶体光纤(PCF)的传播特性。介绍了光子晶体光纤的等效折射率模型。通过求解标量波动方程得到了光子晶体光纤包层基空间填充模的模式折射率,利用阶跃光纤的理论来研究光子晶体光纤的导模特性。应用此模型对不同结构光子晶体光纤包层区的等效折射率与波长的关系进行了讨论。包层区等效折射率与芯子的折射率差随波长的增加而增大,并由此阐述了光子晶体光纤的单模特性。数值分析得到光子晶体光纤的基模的模式折射率,并由此研究了光子晶体光纤的波导色散与结构参量的关系。分析表明,光子晶体光纤的波导色散随空气孔孔距的变化符合Maxwell方程的比例性质。空气孔的相对孔径对波导色散有重要的影响。这些分析表明光子晶体光纤具有可以灵活设计其色散特性的潜在应用前景。

光镊系统可以实现微米粒子的纳米精度位移测量,对该测量装置和方法及各种误差来源进行了分析。着重讨论了动态图像分析法,包括灰度重心法和新发展的幂次重心法、二次曲线拟合法。提出了一种对图像分析法进行评估的数值模拟方法,对这三种算法引起的误差进行了数值模拟。结果表明,方法误差与随机噪声的性质有关

在SHTB加载装置上利用数字化的高速摄影和采集系统,并结合数字散斑相关方法,发展了一种光学动态变形测试技术,在霍普金森(Hopkinson)加载装置上实现了具有较高精度和分辨率的位移和变形场的实时光学测量。实验中,利用Imacon-790高速摄影机以105 幅/s的速度分别拍摄了两组LY12试件的动态拉伸情况(一维平板拉伸试样和含对称缺口的拉伸试样),然后运用数字散斑相关方法对其不同时刻的图像进行分析和处理,可以得到试样在各个时间点的位移场。最后利用有限元数值模拟技术与实验结果进行了比较,验证了整个系统以及数字散斑相关方法用于高速动态测量中的可行性。

基于条纹投影的傅里叶变换轮廓术(FTP)是一种非接触、快速的光学三维面形测量方法。将短时傅里叶变换引入傅里叶变换轮廓术中,通过合适滑动窗口把变形条纹分成许多局部条纹段。计算每一个局部变形条纹的归一化傅里叶谱,提取零频分量,从中重构出变形条纹的零频分量。再计算原变形条纹的归一化傅里叶谱,并从中减去零频分量,以达到利用一帧变形条纹就可以抑制或消除零频分量对傅里叶变换轮廓术测量的影响,使得携带被测物体高度信息的基频分量的扩展几乎可以达到零频,而不发生混叠,相当于达到了π相移技术消除零频的效果。同采用π相移技术来消除背景光场的改进傅里叶变换轮廓术方法相比,此新方法仅需要对CCD获取的一帧条纹图进行处理,测量装置简单,随着计算机处理速度的提高,使傅里叶变换轮廓术能真正发挥其快速测量的优势。

提出了一种新型脉冲激光测距方法――自触发脉冲飞行时间激光测距方法。该方法有效解决了传统脉冲激光测距法中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者之间的矛盾。对该方法及本质特点进行了详细描述和理论分析,并给出用以描述该方法的基本方程。最后,给出了实验装置,在20 m范围内获得了0.5 mm的测距精度。

分析了消光式液体颗粒计数传感器的典型结构,并根据Mie理论计算了折射率为1.33的消光系数曲线,说明颗粒粒径在小于2 μm时与消光系数呈多值性对应关系,指出这种多值性关系是影响此类计数器不能用于检测小颗粒的主要原因。最后提出一种改进的液体颗粒计数传感器结构,对传感器中光学部分的采光透镜组进行了改造,增加散射光探测器和光源监控探测器。通过计算说明了将散射光探测器安置在45°采光角时的原因,此时的光能与颗粒粒径之间有较好的单值对应关系,还可减少折射率对测量结果的影响。实验对比表明,改进结构的传感器对小于2 μm的标准颗粒试样有较好的检测能力,而且多次重复测量结果相近;对大于2 μm颗粒的检测能力仍然保持着较高的水平。

对于频率为几十赫兹的液体表面声波,提出了一种激光干涉测量方法,并在实验上观察到了反射光所形成的稳定的、清晰的调制干涉图样,干涉图样被限制在一定的空间区域内,其强度分别在两边界位置达到极大,形成了两个极亮点。理论上导出了调制干涉图样光强度、干涉条纹角宽度、干涉区域角宽度与表面声波之间的解析关系,并与实验数据进行了对比。基于这一发现,建立起一种适应测量低频表面声波特性及表面张力的实用方法。

对38CrMoAlA钢分别经激光淬火、气体氮化、氮化-激光淬火复合处理及激光淬火-氮化复合处理的硬化层深度及其表面硬度分布进行了比较分析。结果表明,试验条件下,激光淬火-氮化复合处理与氮化处理相比,表层硬度可提高100Hv左右,硬化层深度有少许增加;在氮化-激光淬火复合处理中,激光淬火可使预先氮化处理的硬化层深度有大幅度的提高,表层硬度有所下降;氮化-激光淬火复合处理比激光淬火的表面硬度高,硬化层深度较浅。

鉴于铝合金的广泛应用价值及其因质软而在应用方面受到的限制,应用激光材料表面复合化方法对铝合金材料表面进行强化处理,具体为利用Nd∶YAG脉冲激光采用纳米级和微米级SiC粉对铝合金表面进行复合化处理。通过对实验结果观察和分析表明,纳米级SiC粉形成激光铝合金表面复合化涂层比微米级SiC粉所形成复合化涂层组织均匀、致密、缺陷少、涂层与基材间结合状态好并显著提高了铝合金表面的显微硬度。分析原因在于微米级SiC粉在激光熔池内发生沉降,而纳米级SiC粉可在激光熔池内形成较均匀分布,这是重力作用受粉颗粒大小影响显著的结果。从而可以看出,SiC颗粒形状、大小及其在涂层中的分布状态直接影响涂层组织特征、涂层与基材间的结合状态;把形状规则、颗粒细小、在涂层中能够形成均匀分布的SiC粉作为涂层复合物有利于形成组织特征均匀、缺陷少、与基材结合状态好的复合涂层。