摘要分析了高功率抽运条件下板条Yb:YAG激光器的温度和热应力分布,计算了板条激光器宽度方向和厚度方向的热焦距,并进行了一维变反射率镜混合谐振腔设计。采用角抽运方法,实现了千瓦级Yb:YAG板条激光器运转,斜率效率43%,光光转换效率约35%,最后进行了激光二极管抽运万瓦级板条激光器的设计。

理论分析表明,在较短外腔作用下,激光二极管阵列(LDA)的高阶侧模有实现相位锁定的可能。实验测得,当外腔较短时LDA的远场光强分布呈现主旁瓣结构,且旁瓣中包含有标志锁相的峰、谷结构,这正是高阶侧模相位锁定的结果。该结果证实,在外腔较短情况下,LDA高阶侧模相位锁定的现象是存在的。

采用CO2激光熔融石英光纤制作了微米量级的高Q值石英球腔。设计并实现了烧蚀光纤的双光路光学系统,采用监视系统实时观察烧蚀过程,寻找到球腔的最佳熔融条件——完全成腔条件;通过光学和原子力显微镜(AFM)对制成的石英球腔进行几何形状和表面形貌观测分析。结果表明,在实验室条件下能够获得球腔直径在30~300 μm的微米级石英圆对称光学谐振腔。

根据振镜转角与光束转角的二倍角关系,推导出扫描指令函数为简谐波时振镜的滞后角瞬态运动方程。在平行光束扫描中,振镜转角与扫描视场角成间接线性关系,望远镜放大倍数越大,则扫描效率越低,振镜滞后角等于视场滞后角。数值计算表明,当平行光束作340 Hz简谐波扫描,且作用距离大于1000 m时,扫描空域内滞后角效应显著,像点外差效率小于阈值20%越来越多。在会聚光束扫描中,振镜摆角直接与扫描系统覆盖视场角近似成线性关系,其比例常数与振镜的相对位置有关,通过合理地设计振镜的相对位置,可以大大提高系统的扫描效率,数值计算表明:当会聚光束做340Hz简谐波扫描以及作用距离为3000 m时,它的最大滞后角约为平行光束扫描的1/19,大大降低了滞后角效应。

非扫描成像雷达理论中最核心的问题是激光雷达方程的理论计算,经典的激光雷达方程只适用于在一次成像目标很小,目标的后向散射相等的情况下,而大视场照明时在视场内由于光束到地面的入射角不同引起后向散射并不相等,而是符合朗伯定律的随机分布,因此在大视场条件下并不适合,需要进行修正。在大视场条件下对经典的激光雷达方程进行了具体化分析,得到了大视场条件下修正的激光雷达方程。

相干激光成像雷达由于具有极高的角度分辨率和距离分辨率,可以同时成目标的强度像和距离像,构成高分辨的角角距离强度图像。对采用标准最小绝对差和(MAD)距离作为相似性度量,结合序贯相似性计算方法的相关算法进行改进。对多目标情况进行激光成像雷达跟踪仿真研究,在不同信噪比下进行序列图像的追踪试验,实验结果表明,对于所研究的仿真目标场景,应用此相关跟踪方法,追踪的全过程中没有出现失锁现象,跟踪精度较好,误差一般为1～2个像素,不超过4个像素。

针对高强度飞秒脉冲,详细讨论了采用KDP晶体的Ⅰ类及Ⅱ类二倍频过程中提高二倍频转换效率的方法。研究结果表明,群速度失配会导致二倍频光脉冲宽度的增大和转换效率的降低,非线性相位调制使二倍频光脉冲形状发生畸变,降低转换效率。针对I类二倍频,采用适当的初始空间相位失配,对由自相位调制及交叉相位调制引起的转换效率的下降有一定的补偿作用;针对Ⅱ类二倍频,对入射基频e光采取适当的时间预延迟,可有效增大转换效率并抑制二倍频光脉冲的展宽。

从耦合波方程出发,分别在小信号、高功率(1.5 GW/cm2)条件下研究KDP晶体串接三次谐波转换。当两块混频晶体的长度选择为8 mm和6 mm,晶体分别偏离原混频匹配角0.35 mrad和-0.25 mrad时可以有0.3 nm的谐波转换带宽,同时系统的三次谐波转换效率与两块混频晶体之间的距离有密切关系,当两块晶体之间的距离使从第一块混频晶体出射的光波之间的相位差改变π时,会使第一块混频晶体产生的三次谐波大部分回流到基频和倍频光,从而使转换效率大幅度下降,最合适的距离应当使光波之间的相位差改变为2π。

全光再生技术是未来全光通信网的核心,其中的关键技术就是全光时钟恢复。建立了基于双区分布反馈布拉格(DFB)激光器的自脉动进行相干时钟恢复的模型,利用载流子速率方程和耦合波方程分析了其工作机理,并用数值模拟方法对时钟恢复过程中的锁定和失步特性以及相位稳定性问题进行了分析。结果表明,时钟锁定时间在1ns左右,而失步时间为次纳秒量级;比特率失谐大小、比特率大小以及注入功率大小均影响相位的稳定性。分析表明,通过调节激光器的外部条件和参量,可以有效增强自脉动的稳定性,为全光信号再生设备的研制提供优化设计。

利用激光扫描技术实现水下和空间的双向通信。对二维振镜激光扫描系统组成和原理进行了理论描述,讨论了在视距范围内采用扩束装置和振镜系统对激光束实施可靠控制的方案,并在水下光通信系统中有效地完成了对水下和空中运动目标所在区域的扫描。主要对扫描方式、扫描范围和速率间的关系进行了分析,通过系统模拟实验,给出其实现方法和相关的实验数据。依据光线反射原理,着重分析了机械角度和光学角度间的数学关系,经实验推算,得出了矩形扫描和矩形扫描面积的近似计算公式。实验证明了这种通信方式和扫描技术的可行性,为后续研究和实际应用奠定了良好基础。

介绍了激光二极管抽运电光调Q绿光激光器中的Nd:YAG双棒能量提取效率的模拟和实验研究结果。分析了激光放大器的预放大级和主放大级并实验研究了不同输入能量时的输出能量和提取效率。激光放大器重复频率为400 Hz时,获得了单脉冲能量1.27 J激光输出,提取效率大于63％,光光转换效率为16％。

为了进一步了解激光推进机理,利用紫外预电离横向激励大气压CO2激光器进行了推进抛物面光船的实验研究。利用光电二极管探测He-Ne激光束强度变化的方法对脉冲激光束作用于光船后产生的空气扰动进行了探测,实验发现,抛物面光船的焦距会对光船外部空气扰动造成影响,长焦距光船的空气扰动可探测到双冲击波结构,短焦距光船的空气扰动仅探测到单冲击波,还得到能量为32 J单脉冲激光作用短焦距光船,在激光脉冲开始5 ms以后仍能探测到空气扰动的存在。利用单色仪探测了等离子体光谱,主要对线状光谱随时间的演化过程进行了分析。

利用频率为2450 MHz,功率可调范围为0～600 W的微波源放电激励烷基碘化物C2H2F3I,观测了碘原子1.315 μm发射谱,并分析了微波激励过程中发生的主要动力学过程。不同压力下重复实验,在介质气体压力分别为50 Pa,60 Pa和160 Pa时均观测到了1.315 μm处的波峰输出,这说明通过微波激励C2H2F3I可以产生1.315 μm的发射。此外,还采用放大自发辐射(ASE)法研究了微波激励C2H2F3I条件下1.315 μm发射谱的增益特性。测量小信号增益系数时加入缓冲气体He,在总压力为150Pa(C2H2F3I和He以1:2混合)和微波源功率为400 W时测得微波激励C2H2F3I条件下1.315 μm发射谱的小信号增益系数为1.02% cm-1。

以波长1.053 μm,脉宽28 ns的Nd:YLF激光器作为光源,采用3:1的缩束系统,对非聚焦抽运条件下CS2液体介质中的受激布里渊散射(SBS)进行了实验研究,获得了受激布里渊散射能量反射率和脉冲宽度随抽运光能量变化的规律,并与聚焦抽运条件下的结果进行了比较。实验结果表明,在非聚焦抽运条件下同样可以产生受激布里渊散射,不同的是阈值能量大幅提高,能量反射率也较聚焦条件下低得多,抽运能量155 mJ时仅为17%,输出能量的不稳定度达到10%。受激布里渊散射脉冲宽度在非聚焦和聚焦条件下的变化几乎一致,都随着抽运能量的增大而变宽,在阈值附近具有最小值,约为16 ns。

对时间上串行的受激布里渊散射(SBS)激光组束中高功率斯托克斯光的放大问题进行了研究,实验研究了高功率下斯托克斯光放大的能量提取效率随种子光与抽运光功率密度比的变化规律。实验发现,当斯托克斯光功率密度大于抽运光功率密度时,斯托克斯光仍然可以从抽运光中提取能量。而且研究表明,随着斯托克斯光功率的增大,从抽运光中提取出的能量越多。高功率斯托克斯光的放大存在一个最大值,这个最大值决定于抽运光能量、介质吸收系数、介质池长等参量。通过优化介质池长和介质吸收系数等参量可以提高斯托克斯光放大的最大值,并获得较高的能量提取效率。

在高重复频率激光二极管抽运Nd:YAG激光双通放大器中,采用石英玻璃棒作为相位共轭镜取代传统的0°全反镜,进行了光学相位共轭实验研究。在重复频率400 Hz,注入脉冲宽度20 ns下形成了稳定的光学相位共轭,较好地补偿了增益介质热效应造成的光束畸变,改善了双通放大输出光斑分布。采用0°全反镜双通输出光斑分布中的较强环状衍射调制得到了很好的消除,获得了较好光束质量的激光输出,放大器输出光束质量因子M2值由4左右提高到1.4,同时避免了非线性介质内部的光学击穿和损伤。

实验研究了脉冲氙灯在高负载条件下掺铈石英玻璃管壁的特性,并对实验结果进行了分析。在氙灯的输入能量为爆炸能量的60%的高负载条件下进行实验,随着运行发次的增加,氙灯的电极出现龟裂;氙灯灯管内壁出现白色花纹、块状乳白色积淀物和丝状裂纹;石英玻璃释放出的氧气使管内气体的高频火花放电颜色由紫蓝色变为绿色。放电过程中,灯管主要受冲击波和热负载两方面的作用。通过对冲击波和热负载对灯管作用机理和实验结果的对比分析得出,热负载是氙灯灯管内壁出现圆环形丝状裂纹等现象的主要原因,冲击波会加速灯管的破裂。

调Q铒玻璃激光器的直接应用就是人眼安全激光测距。报道了激光二极管(LD)侧面抽运的铒玻璃激光电光调Q实验的初步结果。LiNbO3电光调Q得到5.5 mJ,脉宽94 ns,重复频率0.5 Hz的脉冲输出。实验表明,调Q延时、抽运速率和材料中离子浓度是影响输出脉宽的关键因素。

单脉冲过程驱动电光开关与传统的等离子体电极电光开关不同,没有独立的大电流等离子体发生单元,可大幅度降低电光开关工程造价,提高其可靠性和稳定性。泡克耳斯盒主体采用一体化紧缩型结构,驱动源由一正一负两台开关脉冲发生器组成,采用仿真线成形技术。实验结果显示研制的80 mm×80 mm口径单脉冲过程电光开关具有较宽的气压工作范围,气体击穿延时稳定,采用脉冲激光器和光电二极管对其进行了开关特性测试,静态透射率为92.9%,静态消光比为3900,全口径平均开关效率为99.7%。

介绍了在自由电子激光研究中获得高亮度电子束的研究过程。电子束能量6.5 MeV,微脉冲束流强度大于4 A,微脉冲束流宽度25～28 ps,电子束能散小于1%,发射度小于20π mm·mrad。进行了出光实验,测量到受激辐射信号,受激辐射中心波长115 μm,谱宽1％。

对圆片增益介质建立了均匀内热源、底面恒温冷却及其他面绝热的热传导模型,得到不同抽运功率、不同圆片厚度时,圆片内温度、位移及等效应力场的三维分布。结果表明,均匀的内热源、低的热功率、薄的圆片及合理的冷却方式可实现一维的温度分布,减小圆片内的温度、位移及等效应力。

介绍了自由电子激光光阴极注入器驱动激光器的组成,研究了激光二极管(LD)抽运的连续锁模振荡器的性能,其输出的种子光的平均功率为10.5 W,微脉冲宽度为11.9 ps,时间同步器的时间抖动值为0.56 ps。种子光经脉冲切割与成形,再经三级脉冲激光二极管抽运放大,最后进行四倍频,可以获得波长为266 nm,微脉冲能量为5 μJ的激光脉冲串,脉冲串的宽度为6 μs。

对毛细管放电产生类氖氩46.9 nm激光进行了实验研究,发现毛细管放电装置中布鲁姆林传输线所产生的固有预脉冲对软X光激光的产生及稳定输出都有十分不利的影响。在理论上,用雪耙模型计算并证明了固有预脉冲对毛细管均匀预电离的破坏作用,而在主电流脉冲到来之前能否均匀地预电离毛细管所充气体是能否产生激光的关键条件。为了消除固有预脉冲的影响,使用了外加隔离开关和隔离电容对装置进行改进。实验证明,该方法能够有效隔离固有预脉冲,使整个放电装置达到稳定运行。在此基础上,得到了毛细管放电类氖氩46.9 nm激光输出,并实现了激光稳定输出,输出强度变化范围小于28%。

对小尺度振幅调制点进行分析,建立适合光传输计算的小尺度振幅调制点模型——随机振幅调制屏,其包含小尺度振幅调制点的数目、尺度、位置、形状等特点。并对实际光学元件上小尺度振幅调制点进行统计分析,对实际光路进行数值模拟,结果表明模型是实用和合理的。

提出了一种基于超连续谱注入的大能量飞秒光参量放大(OPA)技术,该技术不仅克服了常规1053 nm激光脉冲在前端小能量放大时的增益窄化现象,而且该系统可实现800 nm激光脉冲和1053 nm激光脉冲的零时间同步。并且实验获得了能量大于2.6 mJ,脉宽为93 fs的1053 nm宽带激光脉冲。

推导了非稳态情况下固体激光器的输出光强表达式,在此基础上数值模拟了钕玻璃热容激光器的增益性能。分析表明,高抽运光强可使激光器工作在高提取效率范围;介质大的发射截面、高长径比则可以大大减小激光器的阈值能量;温度的影响在高抽运光强时不明显。另外,由于温度和热容激光器脉冲串输出方式的影响,总脉冲串输出能量在腔镜透射率上也将有一个优化值。

为了诊断高功率、大口径光束的质量,设计搭建了一套光束衰减压缩系统,用以实现大口径高功率激光光束的大比率衰减和x,y方向上的二维压缩,从而在常规光束质量诊断仪器如Pyrocam Ⅲ等上进行诊断。该系统能将光束平均功率衰减104倍,二级压缩系统可以对光斑口径实现16倍的压缩比。使用Light Tools对该压缩系统在强CO2激光辐照下的行为进行了模拟,结果表明该方法是一种简单、准确的变换方式,能够有效地实现设计指标。

高功率主振荡功率放大(MOPA)激光系统的光束质量取决于前端种子光的性能,而高质量种子光的获取取决于前端光学设计和有效的准直方法;XeCl属于高增益介质,为有效抑制预放大器的放大自发辐射(ASE),要求前端提供较高的能量。描述了一种“一体化自放大”前端,振荡器主体为一台放电抽运XeCl准分子激光器,光栅自准直腔用于产生窄线宽、近衍射极限激光输出,利用该振荡器再进行双程放大形成最终的前端输出。自准直谐振腔是调试准直的关键环节,引入辅助准直光源和辅助谐振腔,得到了预定级次的激光振荡输出,并给出了调试中不同位置输出激光的能量及光强分布。实验获得了8 mJ的主振荡器激光能量输出,经过双程放大和望远镜扩束后输出激光能量达60 mJ,线宽为0.6 cm-1,光束发散角接近衍射极限,满足了后续放大需要。

研制了一套对激光输出进行调制的斩光器。利用小型直流电机作为斩光器的驱动电机。建立了基于脉宽调制(PWM)技术的电机速度控制系统,实现对电机的输入电压进行调节, 以得到需求的斩光器转速,从而达到对斩光器频率的控制。考虑到斩光器与其他系统的集成,计算机的控制也是必需的。但是计算机的主板通常是不能提供超过±10 V的输出电压的,这可以通过计算机控制运算放大器的输入电压来实现。功率放大器的输入电压一般比较小,可以通过计算机的主板获得直流输出。利用LM358运算放大器构建了电压放大电路,利用DA/AD转换电路实现计算机数字信号到运放电路输入信号的转换,利用计算机软件实现对输入电压的控制,构建了用于斩光器转速控制的自动调节系统。对斩光器的编码控制采用不同的调制盘来实现。基于Visual C++高级编程语言,建立了比较友好的斩光器自动控制的用户界面,最终建立了对激光斩光器的自动控制系统。

对为实验室评估红外探测图像处理系统提供优质红外图像源而建立的实时红外仿真系统中目标表面辐射平衡温度场模拟计算手段进行了探讨。对基于有限差分理论建立的目标模型采用集**量的热分析手段,将目标与环境离散为多个具有热容属性的节点,热容描述系统瞬态过程,将热系统内存在的导热、对流、辐射三种传热方式抽象为连接于节点间的热阻,热阻反映了各种传热方式的换热能力,实现对整个目标红外辐射的传热学描述,得到表面辐射平衡温度场。基于专业热分析软件Sinda/G的红外成像仿真系统除了采用集**量的热分析手段的优点外,还有配合有限元后处理器软件femap的图形演示功能,以节点的色彩表示温度结果,很方便地用云图和动画显示稳态和瞬态的温度分布,实现目标红外成像仿真。

介O437绍了高重复频率、高平均功率的2 μm激光器的应用前景和产生方式,从KTP晶体的折射率椭球和Sellmeier方程出发,分析了当用1.064 μm连续Nd:YAG激光抽运Ⅱ类相位匹配的KTP晶体,发生光参量作用时,晶体绕切割角θ的调谐特性,并计算了θ角调谐曲线。结果表明,当θ角等于52.6°时,信号光和空闲光刚好在2.128 μm处简并输出。为了抑制KTP晶体的走离效应,综合了内腔式光学参量振荡器(OPO)和短晶体级联外腔式OPO的优点,设计了一套采取两块短晶体级联内腔式OPO的实验装置,该装置在声光调Q下可实现高重复频率2 μm的激光输出。并对该实验装置的抽运振荡阈值,转换效率,KTP晶体走离长度,线宽等进行了数值模拟计算。

实验研究了利用带宽为81 cm-1的KrF激光抽运SF6介质所产生的后向散射现象特性。任意改变抽运光的光斑形状均不影响后向散射光的光斑形状,随透镜焦距的增加散射光光斑口径增大;散射光的脉冲宽度和能量大小随介质气压的升高先升后降,存在极值现象;能量反射率为1％～3%;后向散射光脉宽具有脉宽压缩特性,且与介质气压有关;用聚焦透镜和介质池取代激光器的后镜,可自动成腔输出激光。

针对超精密光滑光学元件加工过程中容易出现的粗糙度较大和表面疵病较多的现象,对传统抛光机理和抛光过程中抛光粉的主要参量对抛光质量的影响进行了研究。研究表明:抛光表面水解层对超光滑表面的形成有重要意义,超大、超硬抛光颗粒是超光滑表面疵病的主要原因。并根据抛光粉的主要参量随抛光时间的变化规律提出抛光周期的概念和对抛光粉进行预处理的抛光方法,即利用抛光初期对抛光粉进行预处理、利用抛光中期进行工件抛光的加工方法。实验结果表明用预处理的方法确实可以有效地降低抛光元件的表面粗糙度和减小表面疵病的出现几率,提高加工的质量和效率。

介绍了一种激光二极管抽运的高重复频率、大能量、高光束质量的激光主振荡功率放大器(MOPA)系统。针对激光二极管抽运MOPA系统在放大过程中的主要技术问题,进行了系统的研究。采用计算机模拟并结合实际应用设计了激光二极管侧面均匀抽运结构,从理论上对激光放大器的性能进行了估算。放大过程中采取了补偿热致双折射效应、保持高光束质量、防止自发辐射产生及抗破坏等措施,在重复频率为100 Hz时,单脉冲输出能量为5 J,脉宽约为20 ns,光束质量约为5倍衍射极限。

介绍了一种实现绝对定标单光子探测器量子效率的方法。该方法是利用自发参量下转换产生的纠缠光子对绝对定标单光子探测器量子效率。它的定标不确定度与传统方法相比,具有较好的一致性。同时,利用这一方法也使实现“无标准传递”的辐射定标成为可能。

从理论上对非线性伊姆伯特费多罗夫(I-F)效应进行了详细的研究。讨论只限于克尔型非线性光学介质,且采用雷纳德模型。结果表明,对于负克尔效应非线性光学介质,在临界角附近,其非线性I-F效应比线性光学介质的效应要小一些;且随入射光强的增大,I-F效应逐渐减小并出现负位移,负位移逐渐增强但趋势渐缓。

分析了纳秒脉冲纵向放电的Ne-CuBr紫外激光的动力学过程,建立了一个完整自洽的物理模型。计算了放电参量、主要能级的粒子数密度、电子温度、气体温度、光脉冲强度等的时间演化行为,明确了激光上、下能级粒子数反转的形成过程和激光发射机制,定量解释了放电管口径、放电参量等对激光输出特性的影响。

光在受抑全内反射过程中Goos-Hnchen(GH)位移会由于光在第三个区域中的耦合输出而减小。而在镀有电介质膜的受抑全反射结构中,由于光在介质膜内的共振,可使反射光束、透射光束的GH位移得到极大的增强。在共振点上,光疏介质内的衰减场强也会得到增强。为了测量增强的衰减场,可采用具有耦合输出的类似于受抑全内反射的结构。研究表明,在此结构中反射光束和透射光束GH位移与入射角大小及薄膜厚度有关,当空气层达到一定厚度时,反射光束的位移等于透射光束位移的两倍。

采用抛物平方变迹啁啾光纤光栅,对超高斯脉冲的色散补偿特性进行了理论分析和数值模拟。数值模拟结果表明,光脉冲在普通单模光纤中传输了一定距离后,由于色散的作用,脉冲发生展宽。用抛物平方变迹啁啾光纤光栅进行色散补偿,比高斯型变迹光纤光栅补偿后的脉冲宽度更窄,峰值功率也更高,但脉冲形状都发生了些畸变,且随着超高斯阶数的增加脉冲峰值功率逐渐增加,达到一定程度后趋于平缓。

研究了非均匀加宽放大介质中宽带啁啾激光脉冲的放大情况。基于在啁啾较大时,脉冲在时域和频域具有相同的波形,时间和频率满足线性关系,建立了宽带激光在非均匀加宽介质中的放大模型。探讨了宽带线性啁啾脉冲在非均匀加宽介质中的放大特性和脉冲放大的整形补偿的可行性。

报道了在周期极化掺杂氧化镁的铌酸锂晶体中一个宽调谐中红外准相位匹配光学参量振荡器的产生。由于周期极化掺杂氧化镁的铌酸锂晶体具有较低矫顽场和更高损伤阈值的优点,所以选择了该晶体并在其上设计了6个周期图案。在准相位匹配光学参量谐振腔中,宽调谐中红外波长是通过平移非线性晶体上图案的位置来实现的,此时该实验装置不需要重新准直。实验结果表明,当抽运波长为1.064 μm时,闲置光波长可调范围为3.649～4.115 μm。在该实验中,晶体的光栅周期和光学谐振腔的阈值抽运能量分别与其相应的理论值基本上相吻合。

阐述了3～4 μm KTA光参量振荡器(OPO)研究的背景和意义,对目前国内外研究现状和发展趋势进行了分析。对KTA-OPO的相位匹配方式、温度调谐特性以及腔形进行了理论计算分析。同时对KTA-OPO参量设计中应考虑的一些问题如KTA晶体的最佳长度,抽运功率的影响,OPO腔镜的镀膜,OPO谐振腔的结构和腔长、抽运源和OPO之间的模式匹配等进行了讨论。所设计的3～4 μm KTA-OPO,其重复频率为1～40 Hz,脉宽<20 ns,单脉冲能量>30 mJ。

对利用受激布里渊散射(SBS)两级压缩结构压缩8 ns的激光脉冲进行了实验研究。实验中采用重氟碳FC-75作为介质,两级压缩后得到的最短的受激布里渊散射脉冲为153 ps,统计脉宽为177.6±11.9 ps,脉宽小于FC-75的1/4的超声振荡周期。实验中还研究了抽运光能量、聚焦透镜焦距对布里渊短脉冲压缩过程的影响。

利用强流相对论电子束装置,观察到了中心位于240 nm的氩第三谱带,并利用光电倍增管测量了240 nm的光强随时间的演变情况。实验结果表明240 nm时间谱的宽度大于电子束的电流脉冲宽度。建立了电子束抽运氩离子准分子的动力学模型,并计算了氩离子准分子粒子数密度随时间的演变情况。讨论了腔中反应过程对离子准分子形成的影响。理论和实验结果比较表明,240 nm时间谱的测量结果与Ar+2离子准分子粒子数密度随时间的演变情况相一致。因此240 nm的光谱应该来源于Ar+2离子准分子的跃迁。

采用非均匀阱宽多量子阱材料拓宽超辐射器件的输出光谱。利用大光腔结构制作出高功率、宽光谱、低发散角850 nm短波长超辐射发光二极管,在120 mA时器件半峰宽可达26 nm,室温下连续输出功率达到6 mW。与单模保偏光纤耦合输出功率达到1.0 mW。

在恒压偏置的条件下,采用重复频率为1 kHz和10 Hz的飞秒激光分别对光导型室温中红外HgCdTe光电探测器进行辐照,得到了该探测器在飞秒激光辐照下的输出波形和失效时间。在重复频率为1 kHz,能量密度为0.024 mJ/cm2的飞秒激光连续辐照下,探测器输出信号表现为飞秒激光脉冲重复频率的波包,参考信号可分辨,但发生畸变;当能量密度增加到0.60 mJ/cm2时,参考信号消失,探测器失效。在重复频率为10 Hz的飞秒激光作用下,探测器的失效时间随飞秒激光能量密度的增加而增加,当激光能量密度增加到2.03 mJ/cm2时,探测器的失效时间达到520 μs。探测器输出波形表明,飞秒激光辐照过程中存在热效应,导致探测器电阻增加,输出信号电压上升。

光子晶体中会产生的负折射现象,利用传输矩阵的方法对这一现象进行了详细的研究,得到了一维光子晶体的能带结构、群速度和功率透射谱的解析表达式,在此基础上详细解释了负折射现象的物理意义,并得到了光束在透射面且垂直于传播方向上的横向负位移,从而对光子晶体中的负折射给出了定量的描述。

利用周期谐振增益结构设计了以InGaAs/GaAsP/AlGaAs为有源区的980 nm二极管抽运垂直外腔面发射半导体激光器的材料结构。根据理论模型计算了纵模限制因子、阈值增益、光增益、输出功率等特征参量。优化了激光器特征参量并设计了光抽运垂直外腔面发射激光器的器件结构。理论计算表明,激光二极管(LD)抽运的垂直外腔面发射激光器的输出功率将大于1 W。

基于二阶矩阵方法推导了高斯镜谐振腔产生光束的M2因子表达式,讨论了高斯镜的峰值反射率和膜斑半径对M2因子的影响,给出了不同峰值反射率和膜斑半径下的M2因子曲线。把高斯镜谐振腔产生的光束当作一个整体光束来处理,利用标量衍射理论和矩阵光学理论,讨论了通过光阑效应可以忽略的ABCD光学系统的传输特性。并给出了在自由空间传输不同位置的归一化光强分布曲线。

根据平顶光束模型和部分相干光理论,推导出部分相干平顶光束的光谱传输公式,并定量研究部分相干平顶光束在自由空间传输时光谱特性的变化,详细分析了不同阶数的平顶光束在传输过程中的轴上光谱的演变规律以及光源的光谱宽度、空间相干参量等对光谱特性的影响。研究结果表明,部分相干平顶光束在自由空间传输时,光源的光谱宽度、空间相干参量对相对谱移量影响较大,但对光谱分布随传输距离的总体变化趋势影响较小,而光谱分布随传输距离的总体变化趋势主要由平顶光束的阶数所决定。

数值求解了波导中的本征场。介绍了弯曲光波导,给出了波导弯曲时其折射率分布的数学模型。并采用时域有限差分的方法(FDTD)计算分析了弯曲光波导中光脉冲的传输。通过数值计算,给出了在不同弯曲半径的情况下,光脉冲进入弯曲波导传输的演变,在弯曲波导中的传输及其能量损耗情况。弯曲半径越小,光脉冲偏移变形也越严重,其能量损耗也越严重。波导的弯曲在集成光学、光学检测等方面有广泛的应用。

为了达到维持热核燃烧所需的高密度压缩状态,激光驱动聚变对光束能量沉积的均匀性提出了很高的要求。成丝会破坏间接驱动中的辐照均匀性,须采用合理的束匀滑措施加以抑制。光谱色散平滑技术(SSD)由于相位板的引入使焦斑尺寸大为增加,在应用于间接驱动时容易出现堵孔等问题。针对该问题,提出用光栅对啁啾脉冲序列色散,利用焦斑扫动消除10 μm到100 μm的靶面起伏,从而抑制成丝。建立了描述这种脉冲产生、色散和聚焦的物理模型。模拟结果表明,采用啁啾脉冲堆积的束匀滑方法与一维光谱色散平滑技术(不加随机相位板)相比,在消除靶面高频起伏方面更具优越性,且焦斑的扫动范围与光栅色散方向上的光束带宽成正比。这些优点使得这种束匀滑方法在提高靶面辐照均匀性方面具有重要的应用价值。

抽运单元由3个硅微沟道冷却器封装的40 W连续激光二极管条构成。两个抽运单元组成一个抽运头,横向抽运安放在平行平面腔内直径3 mm,长60 mm的Nd:GdYVO4晶体。该激光器输出了45 W线偏振激光束,TEM01*模。10 W时输出基模,用扫描法测得基模光斑直径3.9 mm,光强分布接近高斯分布。

提出了基于光线追踪软件Tracepro进行空间卫星的可见和红外光学特征模拟计算的方法。首先建立了卫星位置、卫星表面坐标体系和地球经纬度坐标之间的转换关系,将经过Sinda/G计算获得的卫星表面温度场分布模型导入Tracepro中,设置卫星三维模型的表面特性,包括卫星表面的反射率、发射率等;利用Tracepro中的灰体辐射模拟获得了卫星由于热辐射形成的红外光学特征;并根据建立的转换关系获得某一时刻卫星、地球和太阳之间的相互位置关系,使用该模拟方法可以直观地获得卫星表面光学作用的过程,有利于分析整个过程,提高计算的精确度。

利用几何光学原理和轴外像差理论,设计一种应用于大功率CO2激光陶瓷烧结实验的反射型正交双带式积分镜均束装置。经模拟,该装置均束效果良好,基本不受原始激光束光斑质量的变化影响;并且因为所有光学元件都属于反射型镜面,光能利用率高,水冷方便,符合大功率CO2激光器的使用要求。

从湍流大气中粒子运动方程出发,探讨粒子运动与大气湍流之间存在的相互关系,结果表明粒子运动张弛时间τ值越大,粒子惯性的相对作用就越大,大气湍流越难带动粒子,此时粒子运动与大气运动的差别越大。采用物理图像分析,建立简单的数学模型,求解并获得了有限空间气溶胶浓度场函数表达式,并进行相应的数值分析。根据短时间内能见度仪的实验探测数据,得知在光的传输路径上,大气气溶胶浓度场的变化将对光的强度、相位的起伏造成影响。

实现惯性约束聚变(ICF)需要高质量的远场,而远场是由聚焦前光束的相位和振幅决定的。对高功率固体激光装置,其输出光束的振幅分布主要由注入光束的振幅分布决定,其相位分布主要决定于光路中存在的大口径光学元件,同时高通量运行时的振幅和相位噪声的非线性自聚焦效应对光束远场的影响也不能忽略。基于这些特点,理论分析了影响光束远场的因素以及在高通量下噪声纹波的非线性自聚焦效应,模拟了具有四程放大结构的高功率激光装置的传输特性,分别研究了注入光束振幅和光学元件引入的相位噪声对光束远场的影响。研究表明,大口径光学元件引入的相位噪声是影响远场的主要因素。

片状放大器系统是高功率激光装置中最重要的能量和功率来源。主要分析高功率激光驱动器中片状放大器的能量传输和转换问题。放大器中能量转换主要通过储能模块、脉冲氙灯、抽运腔和增益介质等单元实现。通过理论模拟和实验的方法,结合原型装置(TIL)片状放大器,详细研究了不同能量转换环节的效率对放大器整体性能的影响。研究表明,目前原型装置所使用的激光片状放大器通过初步的优化设计,已经达到了5%/cm的小信号增益系数,满足了装置要求。但由于受到关键单元器件加工技术的限制,并没有达到最优化的设计指标。高效率放大器不仅是考虑放大器设计和运行成本的需要,更是保证放大器系统稳定高效运行的需要。

小波变换是一种新的信号处理方法,基于小波变换和离散小波变换的原理和算法,提出利用小波变换系数进行区域保护滤波的方法,并通过对模拟图像和实际测量图像的处理,验证了该方法在处理单光斑二维图像中的有效性。

为了解决汇聚或发散光束衍射传输的数值仿真问题,研究了透镜成像的复振幅脉冲响应函数,提出了一种物像共轭变换方法。通过将发散或汇聚光波场中的球面波相位因子等效为一个透镜,利用透镜的脉冲响应函数和物像变换关系,将含球面波相位因子光束衍射传输数值模拟问题转化为不含球面波相位因子光束的衍射传输,解决了汇聚或发散光波场的衍射传输的数值仿真问题,具有简单高效,物理意义直观明显的优点。通过对一个方孔透镜组合的衍射传输问题实际例子的仿真计算,验证了该方法的实用性和有效性。

报道远距离(10.5 km)受激布里渊散射(SBS)相位共轭补偿激光大气传输外场实验研究。在城市上空常见大气条件下,受激布里渊散射相位共轭光经过10.5 km大气的传输效率约为4.4%,相比于相同条件下普通激光的大气传输效率提高了2.4倍。同时,相位共轭光完全沿原光路返回原始发射点,重新会聚。

分析了面向先进制造技术、“新概念”激光**等应用的(1 μm波段)高平均功率、大能量激光晶体的国内外研究现状,并指出了其未来主要发展趋势。

用光纤耦合激光二极管抽运Cr,Yb:YAG晶体获得了1.03 μm的自调Q激光输出,输出的调Q脉冲非常稳定,抽运阈值功率为680 mW,脉冲宽度为3.3 ns,获得的平均功率为156 mW,斜率效率为18.5%。随着抽运功率的增大,重复频率成线性增长,而脉宽略有减少,单脉冲能量和峰值功率都始终呈增大趋势。光束质量因子M2为1.17。

采用提拉法获得了掺杂原子数分数为5.6%的Nd3+:LaB3O6单晶并解理得到厚度为1.2 mm的高光学质量微片。在平平谐振腔中,采用直接抽运方式利用871 nm波长钛宝石激光抽运未经加工的Nd3+:LaB3O6解理微片,获得了斜率效率为52%,最高功率为395 mW的1060 nm准连续激光输出。同时研究了不同腔模与抽运光光斑面积比例对激光性能的影响以及不同输出功率下的激光光谱。当腔模与抽运光光斑面积比例增大时,激光斜率效率增加而吸收抽运阈值降低。当输出功率低于246 mW时,观察到了单纵模激光运转。实验结果表明解理方法有望成为一种简便获得微片激光介质的新技术并能有效避免晶体切割和抛光过程中带来的缺陷和杂质,提高微片的光学质量。

考虑温度大幅度变化对工作介质比热容的影响,在激光二极管阵列峰值抽运功率超过104 W的情况下,对热容激光器片状18 mm×18 mm×10 mm Nd:GGG工作介质进行了温度分布的数值计算,并与HR-2型红外热像仪对工作介质端面与侧面测量的温度数据进行了对比分析,取得了一些有价值的结果。

基于有限元数值方法模拟分析了LiNbO3,DKDP,KDP等电光晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性。结果表明,当入射激光功率为2 kW,光斑尺寸为20 mm×20 mm,激光照射时间为10 s时,三种材料的最大温升分别为0.45 K,7.04 K和76.02 K,最大热应力分别为0.528 MPa,4.78 MPa和47 MPa。

研究了一种新型激光晶体Na+,Yb3+:CaF2在激光二极管抽运下的激光性能。该晶体仅以自调Q方式运转,激光波长为1.05 μm,最低抽运吸收阈值功率仅30 mW,功率密度为0.60 kW/cm2。当输入功率接近5 W时,脉冲宽度稳定在1.5 μs,相应的重复频率为28 kHz。采用半导体可饱和吸收镜对Na+,Yb3+:CaF2晶体进行被动锁模,获得自调Q被动锁模激光脉冲。单束输出功率为180 mW,自调Q脉宽为7 μs,重复频率为5.2 kHz,其包络下的锁模超短激光脉冲的变换极限脉冲宽度为1 ps,重复频率为183 MHz,对应脉冲峰值功率为27 kW。

对三种具有商业价值的非线性光学晶体——LBO,KTP,BBO热透镜效应进行了分析研究,通过具体理论计算,给出了三种非线性光学晶体的热透镜焦距在保持输出功率没有变化的情况下随入射到晶体表面的光斑大小的变化曲线,并且理论计算出在平均功率为20 W的绿光激光器中KTP晶体在入射基频光斑w=368 μm的热焦距为852 mm,实验中测得的M2值与理论计算吻合较好。

用于固体热容激光器(SSHCL)技术的掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体要求有较大的尺寸和较高的光学质量,平界面生长是获得大尺寸和高质量Nd:GGG晶体的主要途径。采用自动控制晶体直径的单晶炉和平界面生长技术生长大尺寸Nd:GGG晶体,获得了直径75 mm,等径长60 mm以上无散射颗粒、光学均匀性好的Nd:GGG晶体。

全面分析了双轴晶体KNbO3(KN)的倍频特性,计算了KN晶体在光通信系统中常用的1550 nm波长倍频的相位匹配角和有效二阶非线性系数,得出了二次谐波产生的最佳相位匹配参量。分析计算了离散角对有效二阶非线性系数和倍频效率的影响。

提出从微观的角度,借助计算机工具,将薄膜破坏发展的细节展现出来的分子动力学研究的思想。使得实验上难以观察的现象变得形象而便于理解。应用分子动力学理论,使用伦纳德琼斯势函数,采用预校正积分法和虚拟外力约束标定方法,模拟薄膜体系的传热系数受体系的密度、温度的影响,同时结合体系粒子的径向分布函数和长程分布函数分析了相应的系统结构特性。另外,采用不同的模拟尺寸获得了低维材料所特有的“高温尺寸效应”。结果显示,导热系数随密度的增加变大,随温度的上升而变大。这些数据现有测量手段是难以得到的,这类模拟可以为研究提供一些参考数据。

针对储存环自由电子激光器(SR-FEL)激光谐振腔腔镜对于光学膜系的要求,利用电子束蒸发沉积技术,研制了宽带与双带两种“HfO2/SiO2+Al2O3/SiO2”腔镜光学膜系。所研制的宽带紫外(UV)光学膜系,其光谱可调谐范围为320～390 nm,在355 nm中心波长的透射率测量值为T(355 nm)=0.097%,绝对反射率测量值为R=99.349%;所研制的双带谐振腔光学膜系,其光谱调谐范围分别位于200～274 nm与320～375 nm。在不同波长处的光学透射率测量值分别为T(198 nm)=1.275%,T(248 nm)=0.028%,T(266 nm)=0.100%,T(355 nm)=0.194%。在不同波长处的绝对反射率测量值为R(248 nm)=98.423%,R(266 nm)=98.298%,R(355 nm)=99.651%。

ZnSe晶体在红外波段10.6 μm附近透射率为70%,可作二氧化钒薄膜的基片应用于激光防护领域。VO2薄膜用磁控溅射法制备,针对薄膜与ZnSe结合不好的特点,先对基片进行特殊的清洗。制备时基片温度为450 ℃,氧氩流量比在0.104～0.117范围进行了多次实验。结果表明,氧氩流量比为0.11时有利于VO2的生成,此条件下制备的VO2含量为51.7%,远高于其他比值下制备的薄膜。ZnSe基片上制备的VO2薄膜在常温下波长10.6 μm时透射率可达60%以上。

从单层ZrO2薄膜和单层SiO2薄膜的两种主要损伤形貌出发,分析产生这两种损伤形貌的原因,说明了这两种膜料的单层溶胶－凝胶化学膜损伤机理,即单层ZrO2薄膜的损伤主要由热冲击造成,而单层SiO2薄膜的损伤主要由热吸收造成。还提出了提高这两种膜料的溶胶－凝胶化学膜激光损伤阈值的方法。

采用二次谐波产生的方法研究了一种新型偶氮化合物分子的Langmuir-Blodgett(LB)膜及非线性光学特性。该化合物在水表面可以形成稳定的单分子膜并且可以较好地转移到固体基板上形成LB多层膜。LB膜具有非常大的二次谐波信号强度,其分子超极化率β约为1.17×10-26 esu。

在不同基底温度条件下,开展了千赫兹飞秒激光脉冲沉积类金刚石(DLC)薄膜的制备,通过改善激光参量和制备工艺,制备并研究了类金刚石薄膜的光学、力学和理化性能。实验采用单脉冲能量0.5～1.5 mJ,重复频率1 kHz,脉宽50 fs,波长800nm的激光烧蚀纯度为99.999%的石墨靶材,在石英,K9玻璃等多种材料上沉积了类金刚石薄膜,薄膜的平均生长速率约为85 nm/min。拉曼光谱测试得到了类金刚石薄膜双峰结构的拉曼光谱,其中D峰在1346 cm-1处,G峰在1574 cm-1处。在石英基底上制备的薄膜在1075～2700 nm的光谱范围内透射率可达87%以上,在2000 nm处达最大值90%,并且薄膜具有明显的红外增透性能。制备的薄膜经过酸碱浸泡和脱脂棉擦拭,无擦痕损伤。

提出了基于受激布里渊散射(SBS)的水下物体探测方法。利用SBS信号的消失来判断水下物体的位置,并利用发射信号和回波信号的时间差来计算物体的距离。当激光在水中聚焦,焦点处的光功率密度达到阈值时就会发生SBS,而当焦点前有物体存在时,便不能发生SBS。理论计算表明,在近衍射极限的情况下,能量为1 J,脉宽为10 ns的单脉冲,发射口径为1 m时,可探测距离大于100 m;实验上,在2 m的探测范围内测量误差小于10 cm,并且探测误差取决于激光脉冲宽度,不会随探测距离的增加而增加。

研究了高峰值功率大能量Nd:YAG固体激光器的主要技术问题。采用圆棒状激光工作物质实现高峰值功率大能量激光输出,并分析了该方案的部分技术细节。介绍了双KD*P晶体升压式Q开关的工作特点;阐述了双通道六级行波功率放大器的工作特性;利用激光束偏振特性进行了双光束45°偏振合成。实验实现了在重复频率20.0 Hz时,单脉冲输出能量≥8.5 J,脉冲宽度13.9 ns,光束质量M2≤3.99,能量不稳定度≤0.5%。

随着激光技术的发展及其应用领域的不断拓展,激光束参量测量工作变得尤为重要。采取常规的测量方法时,随着光束尺寸的增加,系统的价格和技术难度都会增长,工程实现具有很大的难度和风险。提出了一种新的技术思路,采用大口径透镜阵列对大口径激光束进行采样,实现激光束波前测量。对测量方法的原理、测量系统的构成进行了论述。对大尺寸透镜阵列波前采样可行性进行分析,并对各分系统的技术参量匹配关系以及标校方法进行了初步的探讨和研究。实验中采用大透镜阵列对激光束波前进行采样测量,获得波前畸变信息,并与激光干涉仪测量结果进行对比,实验结果表明该方法在技术上是可行的。

设计了一个基于法布里珀罗(F-P)干涉仪的测量液体折射率(浓度)的传感装置。利用光纤传输激光并用分体CCD采集图像,实现了对液体折射率和浓度的高精度测量。从理论上分析了采用平面F-P干涉仪实现液体折射率高精度测量的原理和可行性;在实验上构建了由He-Ne激光器、单模石英光纤、平面F-P干涉仪、面阵分体CCD等组成的实验测量装置,通过观察F-P干涉仪的同心环的变化数目,即可通过计算得出相应的待测液体的折射率的变化值以及折射率的绝对值。对不同浓度的酒精水溶液的折射率进行了测量。给出了测量过程中的干涉环图样的动态变化过程。实验结果证明,采用该系统可以探测到10-5量级的折射率变化量,相应的体积浓度变化量在0.04%左右。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术与长光程吸收池相结合构成的痕量气体检测系统具有高灵敏度、高精度、反应快等优点。由于激光器噪声、电子学噪声以及光学噪声的存在,实际测量得到的二次谐波信号出现偏差。分析了TDLAS谐波信号的特征,建立了谐波信号的数学模型,利用较高浓度气体的二次谐波信号作为标准曲线,对待测气体的谐波信号进行线性回归,并研究了相关系数和气体浓度的规律。以CO,CO2气体为例,验证了算法。

研究了目标表面材料双向反射分布函数（BRDF）的测量方法。根据双向反射分布函数参量的空间位置关系分析了测量系统的激光入射角、反射角在三维空间中的变换。采用三轴旋转方式,保持入射光源的位置不变,调整探测器和待测目标的相对位置,配合一定的空间转换关系,实现了将复杂的三维空间位置关系转换到二维平面进行调节。建立了易于调节、搭建的样品平台,并配合斩波器、锁相放大器和数据采集系统等器件建立了目标表面材料双向反射分布函数测量系统。在入射角0°～80°,反射高角0°～80°,反射方位角0°～360°范围内获得了某一型号导弹头待测表面的双向反射分布函数。

结合部队条件下装备保障的特点,利用一种简单实用的激光测距机测距精度的检测方法和离线仿真等技术,研制了一套激光测距机智能检测系统。该系统不仅能实现在全天候条件下对激光测距机的光学性能进行检测,还能够对测距机的电路故障进行智能判断,并将故障定位到元件级,具有实时性、准确性、易用性、性能可靠等优点。

激光测高仪通过测量激光脉冲的飞行时间来获得测高仪与探测目标之间的距离,因此激光飞行时间测量的准确性是衡量其系统能力的根本指标。提出以延迟锁相环(DLL)配合双延时线矩阵结构,再结合计数器的全数字方法来实现飞行时间的精密测量,测量结构在单片可编程门阵列(FPGA)中实现,其测距精度可达250 ps,-10 ℃～+50 ℃范围内延时线漂移不超过±30 ps。同时也对激光发射和接收电路作做了具体讨论,可有力地提高飞行时间的测量精度。该测高系统成型后,由于电路集成度高,功耗小,重量轻,系统稳定性强,达到激光测高要求。

光束质量一直是表征激光束输出质量的重要参量,测量方法有很多种。目前对于较强的带遮拦光束采用光束质量远场测试法。在光束传输效率领域内的应用中,使用光束质量β因子来评判光束质量性能参量,并通过CCD远场测试法测量得到。为了提高CCD远场法光束质量β因子测量系统的测试精度,分析了系统中光学部件和数据采集、处理部件的关键参量,针对不同的参量采用不同的标定方法分别对其进行标校。说明了实际使用的标校方法、分析测试系统的测量不确定度来源,定量确定了测量不确定度的大小。标定技术的研究从理论上促进了测量方法的进步,标校方法的应用有利于实际测试工作中测试结果准确度、可信度的提高。

阐述了角椎棱镜阵列作为伪相位共轭波器件的原理,仿真分析了角椎棱镜的单元形状、哈特曼肖克波前传感器的缩束误差等因素对哈特曼肖克波前传感器的波前复原能力的影响,指出了圆形角椎棱镜阵列具有较好的波前保真度。同时,也分析了角椎棱镜阵列本身的面形误差对哈特曼肖克波前传感器复原精度的影响,给出了消除角椎棱镜阵列本身面形误差的方法。

报道了一台二极管激光器抽运的全固态Nd:YAG和频激光器。采用腔外和频方式,在4 mm×4 mm×20 mm LBO晶体(沿x切割,θ＝90°,＝0°)中实现了1064 nm和1319 nm两束基频光的高效和频。通过控制LBO晶体的温度实现了I类非临界相位匹配,在500 Hz重复频率下,当分别注入1.23 W和1.50 W的1064 nm和1319 nm调Q脉冲到LBO晶体时,和频最大输出达到了500 mW,脉宽为25 ns,和频效率达到了18.5％,光束质量M2小于3。通过仔细调节谐振腔内标准具的倾角,和频输出波长被调谐到钠D2线。

在光腔衰荡系统中,不同性能的脉冲激光器输出的激光脉宽不同,直接影响着衰荡信号的形状,从而决定了反射率测量结果与真实值的偏离程度。根据光束传输变换规律和信号叠加方式,利用数据拟合方法,建立了激光脉宽对衰荡信号和测量结果的影响模型。通过数值运算,模拟了不同脉宽下衰荡信号的波形变化情况,并分析了当激光脉冲宽度不同时反射率测量结果随腔镜真实值的变化,进而研究了激光脉宽对衰荡法测量结果的影响。研究表明,目前的数据处理方法不能得到准确的反射率测量结果,并给出了测量结果的标校方法。

对重复频率4 kHz,脉冲宽度20 ns,平均功率1 W,中心波长3～5 μm的中红外激光的脉冲信号进行检测采集。由于光源离探测器距离远,到达探测器的能量很弱,输出信号仅为30～60 μV,而单级运放的闭环增益一般不能超过100,增益过大会导致频率特性差、稳定性差、噪声大等弊病。采用三级放大,总的闭环增益在1000～15000之间,并采用正相端调零的方法来避免信号放大后的失真。高的闭环增益必然引入比较大的噪声,在前置放大后加了一个高通滤波滤去低于100 kHz的信号,对一些干扰信号进行了抑制和衰减。最后,针对中红外激光的脉冲时间短的特点,提出了一种不同于常规的、行之有效的采集方法。

用单透镜放大成像的方法进行了高功率激光焦斑实时测试。高功率远场焦斑经旋转椭球凹面反射镜取样后,通过单透镜放大成像系统将焦斑像消色差地放大成像到CCD图像采集系统上,通过数据处理得到可靠的焦斑形状和强度分布。该技术成功地解决了大型激光装置在极高功率下的基频和三倍频激光焦斑的实时测试问题,测试结果用其他测试方法得到了验证。

研究了一种悬浮阵列的二维微流场检测技术。用激光烧蚀法、光刻和蚀刻法制备专门设计的微流器件,采用连续激光激发流过检测区域的微球探针上的荧光,高灵敏度冷却CCD成像探测技术来实现悬浮阵列的二维微流场并行检测分析。这种检测方法具有快速、准确、灵敏度高的优点。通过实验验证了此方法的可行性。

空间目标的热辐射分析一直是比较难的课题,将Sinda/G和Nevada相结合能够比较方便地得到空间目标的热辐射。基于Sinda/G和Nevada,建立了对双层薄膜球体的空间热辐射模型,对其空间热辐射进行了分析。仿真结果与理论计算接近,为今后更加复杂的空间目标的热辐射分析奠定了基础。

对飞机尾焰红外辐射的光谱特性及空间分布特性进行研究,将满足对飞行器探测或防护的需求。采用Curtis-Godson(C-G)近似得到气体分子的吸收谱线,进而通过解辐射传输方程,计算得到了飞机尾焰红外辐射的光谱特性及空间分布特性。通过对所有平行采样视线的积分获得某一观测方向的尾焰辐射强度,并采用自适应坐标法大大减少了计算量。由于高温二氧化碳和水气的分子发射辐射谱带的存在,尾焰在以2.7 μm和4.3 μm为中心的两个波段内有较强的辐射,经大气传输后2.7 μm和4.3 μm波段的辐射强度大大降低。尾焰红外辐射由于观测方向的不同而具有不同的光谱分布和辐射强度。在前向观测时,明显具有2.7 μm和4.3 μm为中心的两个强的辐射带。后向观测时的辐射较强,而且选择性辐射的特点不太突出。

利用分子红外光波段的吸收光谱特性,采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)研究各种大气痕量气体分子的吸收特征是近年来的热门研究领域。TDLAS系统的关键是利用激光二极管有很高光谱分辨率和可调谐性的特点,可以对特定分子在特定光谱范围内的一条振转线的光谱吸收进行测量而反演吸收气体的浓度,而且能够把待测分子与背景的干扰区分开来。利用可调谐二极管激光光谱、多次反射池、微弱信号检测等先进技术研制出高灵敏、高精度的大气温室气体在线连续自动监测仪。检测限达到0.087 mg/m3,检测上限高于17.5 mg/m3,满足了对环境空气中甲烷进行检测的需要(空气中甲烷体积质量为1.16 mg/m3)。

基于激光电子散斑技术(ESPI)可测量微小形变和位移的原理,对超大规模集成电路(VLSI)进行了热稳定性测试。由实验分别得到了两片同型号CPU在相同热加载时的电子散斑图,利用离面位移的近似计算公式,求出各热加载下的离面位移值,进而拟合出了离面位移随热量的变化曲线。通过分析曲线的变化规律,推测出了CPU的热稳定性和热可靠性的优劣。该检测方法具有快捷、无损以及可信度高等特点,不仅能够适用于大规模集成电路封装的热可靠性测试,而且在诸多电子器件、光电子器件的热特性和封装可靠性测试中,也具有十分重要的推广应用价值。

通过光谱探测的方法,研制了可以实时监测大气污染状况的实验系统。此系统不但可以弥补以往那些大气污染检测方法的不足,实现实时监控,定量分析,还可以通过光路调整,检测从地面到高空大气中各种有害污染物的含量。初步给出了激光等离子体光谱的时间演化。该技术还可以应用于某些特定场所特定物质成分的遥控。

针对传统傅里叶变换法处理光载波干涉条纹图时会有边缘效应产生的问题,提出了一种以傅里叶位移定理为依据的外推延拓方法,数值仿真的结果表明这一方法可以很好地抑制边缘效应所造成的较大误差,使相位的计算精度达到3.3 mrad。为了检验这一方法的正确性,设计了环路径向剪切干涉系统,测量了透过平凸透镜的激光波面,并与传统的离散傅里叶变换的方法进行了比较。结果表明使用这一方法可以使测量精度提高一个数量级。

对烟道CO进行连续在线监测,是实现燃烧过程的控制和优化、减少污染气体排放的有效手段。可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏、高分辨、快速响应特点的气体检测技术。利用半导体激光器可调谐、窄线宽特性,通过检测气体的一条吸收线实现气体浓度的快速检测。实验研究了基于开放式近红外可调谐半导体激光光谱技术的烟道CO检测方法,采用光通信用分布反馈(DFB)半导体激光器作为光源,通过检测1.58 μm附近CO的一条振动转动吸收线实现对烟道气体中CO浓度的实时监测,光学系统采用开放式双光程设计,并通过背景信号拟合的方法消除烟道中消光系数变化对检测的影响。系统的检测限约为0.125 g/m2(光程积分浓度),具有实时在线连续检测的能力,能够满足工业环境下燃烧炉烟道CO连续监测的要求。

介绍了TEA-CO2差分吸收激光雷达(DIAL)在大气回光探测中所采用的相干探测外差接收的探测原理,详细介绍了光路的实现。利用该探测原理进行了大气回光探测,探测距离达15 km以上,探测高度达7 km,与采用短波差分吸收激光雷达进行直接探测（探测距离为3～4 km）相比探测能力有了明显的提高。

比较了固体激光器实现高平均功率输出的几种可行方案,介绍了热容激光技术的发展历史及现状及固体激光器热容方式工作的基本原理,分析了固体激光器以热容方式工作的优缺点,提出了一种新型的快速交换增益介质的激光系统设计方案,并通过模拟试验加以检验。

介绍了膏药含膏量的激光检测系统,详细介绍了系统的测量原理、电路结构以及膏药含膏量的测量结果。实验表明激光检测与β射线定量检测仪的测量结果具有可比性,两者都可以分辨出含膏量0.1 g的变化。但光电检测系统的安全性好,结构简单,易于在膏药生产行业推广,具有广阔的应用前景。

采用波长800 nm,脉冲宽度150 fs,脉冲重复率1 kHz的飞秒激光,研究了在不同物质以及不同加工条件下的微加工特性,在镀金薄膜和镀银薄膜上获得了近衍射极限的刻线加工尺度,在半导体GaAs材料上制备了直径3 μm 的4×4点阵。 在加工速度为400 μm/s的条件下,在ZK6玻璃和LaF2玻璃上制备了透射式衍射光栅,光栅常数分别为2.5 μm和5 μm。

激光喷丸成形是脉冲激光束冲击金属表面时形成一种冲击波,传入工件内部使受喷材料在表面及内部产生深层分布的残余压应力场而使板料成形的技术。分析了多点全面喷丸成形、多点选择喷丸成形单曲面和马鞍形双曲面的激光喷丸方法,建立了激光冲击波加载的数学模型,并以有限元软件ABAQUS为平台,对不同形状和尺寸的板料进行了激光喷丸成形的数值模拟,验证了所分析的喷丸轨迹的正确性。发现采用不同轨迹对板料进行喷丸可以得到不同形状的板件。通过模拟,可以为实验提供更准确的喷丸方案,从而提高喷丸的效益和替代传统的试喷方法。

为了得到满足微电子工业应用的微细薄膜器件,以实验的方法分析和研究了影响紫外激光切割金属薄膜的切割质量的主要因素,介绍了针对金属薄膜柔性系数高、容易变形等特点而采取的特殊的金属薄膜装夹方法。结果表明,在金属薄膜的紫外激光精密切割过程中,针对不同种类的金属薄膜选择合适的紫外激光输出功率及最佳切割速度有助于减少切缝宽度,获得较好的切缝质量;同时对金属薄膜选用合适的装夹方法,保证金属薄膜在精密切割过程中平整无变形,可有效地提高切割精度及微细薄膜器件加工的成功率。

针对微加工薄膜变形镜的交连值很大而且存在多级交连的特性,通过对连续面形变形镜拟合像差原理的理论分析,根据最小二乘原则,以模式法建立了微加工薄膜变形镜的电压解耦模型。测量并用高斯函数拟合了微加工薄膜变形镜的面形影响函数,计算出高斯指数、特征宽度和交连值分布。依据模式法电压解耦模型,实现对前10阶Zernike多项式的拟合并分析了拟合残差。结果表明,模式法可以作为微加工薄膜变形镜的电压解耦模型。为搭建基于微加工薄膜变形镜的自适应光学系统提供了算法支持。

用Ansys/Ls-Dyna有限元分析软件对激光湿式清洗印刷电路板(PCB)的爆炸过程进行了模拟,计算了爆炸的压强,并与理论估算的粒子吸附压强进行了比较。在选取的条件(脉冲能量密度1 J/cm2)下,模拟的爆炸对微粒的压强大于微米及亚微米微粒的吸附压强并小于印刷电路板的破坏阈值,可见爆炸可以有效地去除微米甚至亚微米级的粒子,而不会破坏印刷电路板,证明激光湿式清洗印刷电路板是可行的。此外,从爆炸发展的时间过程可以得出激光脉冲宽度要小于100 ns。

设计了一种大功率半导体激光治疗仪的光路、电流源及保护电路和恒温控制单元。采用输出波长为980 nm的InGaAs大功率半导体激光器作为激光治疗仪的有效光源,用670 nm半导体激光作为瞄准光束,对GaAlAs,InGaAs和Nd:YAG三种激光在医学上不同效果进行比较分析,仪器最大功率为3 W,具有输出功率高、体积小、寿命长等优点。在肿瘤、耳鼻喉科以及妇科方面都有很好的应用前景。

利用板条CO2激光器,针对Al-Zn-Mg-Cu系7075-T6高强铝合金2.4 mm厚度的板材进行了扫描和填丝焊接实验研究,并对接头机械性能进行了评定。分析了激光功率、聚焦镜焦距、焊接速度、工作气体及焊缝背面保护对扫面焊焊缝成形及焊接过程稳定性的影响,进而为7075-T6高强铝合金填丝焊接技术研究提供了依据。在对送丝方式、送丝角度、送丝速度及焊丝与光束相对位置等参量优化的基础上,利用板条CO2激光器成功地实现了7075-T6高强铝合金的填丝对接焊缝。焊态下,采用AlSi12焊丝的接头强度为360.8 MPa;采用AlMg4.5MnZr焊丝的接头强度达到414.6 MPa。焊后经热处理,采用AlSi12焊丝的接头强度为404.2 MPa,达到母材的75％,采用AlMg4.5MnZr焊丝的接头强度达到482.6 MPa,为母材的88％。