提出了一种用于干涉型光纤传感器动态相移测量的J0-J1法, 实现了无源零差检测, 而且信号解调算法简单, 检测频带宽。详细介绍了该方法的基本检测原理, 并对解调误差进行了理论分析与仿真, 得出了系统能够检测的最大动态相移幅度与干涉仪的工作点允许变化的范围相互制约的结论。编写了实时的信号采集、处理程序, 对某一干涉型光纤水听器探头的声压灵敏度进行了测量。在频带20～1300 Hz上, 平均声压灵敏度为-162 dB(0 dB=1 rad/μPa), 波动<±1.0 dB, 单频点500 Hz的灵敏度变化<±0.5 dB, 与采用相位载波(PGC)调制解调法测量的结果基本一致, 验证了J0-J1法的可行性。

从理论和实验上研究了一种操作简单、价格低廉、灵敏度高的折射率光纤传感器。该传感器采用光纤回波强度调制原理, 用半导体激光器作为光源, 普通光功率计作为光电探测器, 传感头为普通光纤端面。根据回波损耗随界面物质折射率不同而发生变化的机制, 导出相对回波强度与折射率之间的对应关系。计算证明相对回波强度参量的引入能够有效地消除仪器的不稳定性、内部损耗和环境影响带来的测量误差, 提高测量精度。灵敏度分析表明, 对于具有0.01 dBm的仪器测量精度, 相应的折射率分辨率可达2×10-4折射率单位。实验结果表明在液体折射率1.30～1.45的范围内, 测量值均能很好地与理论值相符合, 且相对偏差低于5%。

基于激光多普勒效应和转动动力学原理, 提出一种直接监测转轴动态扭矩的新方法, 并建立了数学模型。通过构造光学测试系统使4束高相干激光投射到转轴轴段两截面上4点, 具有多普勒频移的反射光在光电探测器上发生混频, 光电流频差正比于角速度。测得相邻时刻两截面的瞬时转速, 得到轴段转速波动值及两端面相对转速波动值, 进而实现转轴动态扭矩的直接监测。实验验证了该方法的可行性。与传统方法相比, 该方法实时性强, 具有较宽的动态范围, 对动态扭矩的识别值提高了5%～10%, 反映了转轴扭矩波动的动态特性。

通过图像处理方法, 用软件的方式(亚像元细分)对目标进行定位是一个可有效提高测量精度的途径。主要对互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器亚像元细分精度的测试方法和测试结果进行研讨。利用压电陶瓷(PZT)精密快扫振镜(FSM)和基于互补金属氧化物半导体图像传感器OV7620的数字相机构建了实验系统, 对该互补金属氧化物半导体图像传感器OV7620的亚像元细分精度进行了实验研究。结果表明, OV7620的质心定位精度达到0.17 pixel, 即能够实现六细分, 互补金属氧化物半导体图像传感器具有实现亚像元细分的能力, 能够应用于以光斑质心检测为手段的测量系统中。

利用直流磁控反应溅射技术制备了氧气和氩气的分压比为5:100的NiOx薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和光谱仪研究了热处理对薄膜的微观结构和光学性质的影响, 并对沉积态薄膜的粉末进行了热分析。沉积态的NiOx薄膜在262 ℃时开始分解, 导致NiOx薄膜的透过率增加和反射率降低。X射线衍射和示差扫描量热曲线(DSC)分析表明, 在热处理过程中并无物相的变化, 光学性质的变化是由于NiOx薄膜热分解引起薄膜表面形貌发生变化而引起的。通过Kissinger公式计算出热分解所需克服的活化能为230.46 kJ/mol, 显示出很好的热稳定性。NiOx薄膜的热稳定性和热处理前后在波长为405 nm处高的反射率差值, 使其很有可能成为可录蓝光光盘的记录介质。

测量了La1-xSrxMnO3(LSMO), La1-xPbxMnO3(LPMO)和La1-xSrxCoO3(LSCO)三种薄膜在不同激光波长下的激光感生热电电压(LITV)。利用脉冲激光沉积(PLD), 在LaAlO3倾斜衬底上制备了钙钛矿结构的三种薄膜, 并用电脑采集系统和锁相斩波系统对激光感生热电电压信号进行测量。发现不同波长下信号的灵敏度和响应时间各不相同, 激光波长为532 nm和632.8 nm时LSMO灵敏度最大而LSCO最小, 但响应时间恰好相反。波长为808 nm时LPMO灵敏度最好。

采用光纤激光器作为光源, 配合自行设计的光学系统和控制系统, 研制开发了光纤激光精密切割系统。该系统具有精度高、速度快、性能稳定等优点。并初步探讨了该系统在电子行业的一些应用, 研究了手机面板和线路网板的切割工艺。通过优化输出功率、脉冲频率、脉冲宽度和辅助气压等参数, 切割的手机面板和线路网板具有线条平滑、均匀、不挂渣等特点。

根据激光吸收区等离子体组分与激光功率密度的关系判定激光支持爆轰波(LSDW)的点燃阈值。在激光靶冲量耦合实验的基础上, 用悬摆动力学方程计算了激光支持爆轰波对铝靶冲量和冲量耦合系数; 继而由靶冲量与激光吸收区膨胀介质(等离子体和气体)比热比的Jouguet条件, 以及由二维流体动力学数值模拟获得的激光靶冲量随时间的变化过程, 得到了激光吸收区介质的比热比随激光功率密度的变化情况, 由此可得激光吸收区介质比热比随激光功率密度的增大而减少的结论; 根据等离子体和气体比热比的差异定量分析了不同激光功率密度条件下激光吸收区气体和等离子体的构成。由等离子体含量随激光功率密度的变化关系得到了激光支持爆轰波的点燃阈值在(1.62±0.01)×108～(2.10±0.07)×108 W/cm2间的结果。

超快激光的应用, 需要有高功率、窄脉宽和宽调谐的激光光源。飞秒光参量放大是产生可调谐、短至几个飞秒光脉冲的一种重要方法。为获得极窄的飞秒光脉冲, 飞秒光参量放大器就应该有尽可能大的本征带宽。理论研究了BBO晶体在Ⅰ类非共线相位匹配条件下的宽带参量放大特性。将多色相位匹配技术应用于飞秒光参量放大, 推导出信号光带角色散时的宽带运转条件。分别介绍了从可见光到近红外光选取合适的参数实现宽带运转的方法。基于400 nm蓝光抽运的BBO晶体光参量放大器(OPA), 系统地分析了非共线角和信号光角色散值对相位失配和参量带宽的影响。研究结果表明选取适当非共线角和在近红外光中引入适当的角色散可极大提高参量带宽。

报道了采用大功率国产光纤束模块端面抽运Nd:YVO4激光晶体的腔外三倍频紫外激光器, 用声光调Q技术实现了高功率高光束质量基频光输出。采用LBO Ⅰ类相位匹配和LBO Ⅱ类相位匹配的腔外倍频方法, 并利用凹面反射镜的方式进行聚焦, 避免了1064 nm和532 nm激光聚焦时由于波长的不同而产生的色差效应, 有效地提高了三倍频的倍频效率。最终在注入抽运光功率为23.3 W, 声光调Q激光器的调制频率为20 kHz的工作条件下, 基频光输出功率为7.28 W时, 得到紫外激光输出功率为1.86 W, 1064 nm基频光到355 nm紫外激光的光-光转换效率为25.5%, 此外, 对紫外激光光束质量的测试表明, 该紫外激光器具有高功率输出的同时仍有很好的光束质量。

卫星激光通信具有巨大的潜在应用价值, 国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端, 全文的第一部分即“链路和终端技术”综述了卫星激光通信的国外进展, 介绍了终端的关键技术, 讨论了终端设计思想。第二部分(另文)将讨论和介绍卫星激光通信终端地面检测和验证技术。

市售的商用半导体激光器由于其线宽宽、抖动和漂移大等缺点, 不能满足离子阱中单个钙离子的激光冷却和精细测量实验的要求。因此, 制作了一台可调谐的Littrow结构的半导体激光器(ECDL)。该激光器的自由光谱程为1.5 GHz, 通过精细调节光栅的角度, 激光的波长可以覆盖775～785 nm。该激光器的线宽约为2.5 MHz, 抖动为3～4 MHz, 30 min内的漂移约为50 MHz, 这些指标优于商用的DL100半导体激光器, 为下一步用于单个钙离子的激光冷却和精细测量所需要的397 nm和866 nm激光器的制作提供了条件。

报道了一台输出功率超过1.5 kW的激光二极管抽运Nd:YAG双薄片激光器。设计了四通光学耦合系统, 通过优化经微柱透镜准直后光束的发散角, 实现了抽运光的近平顶分布。薄片激光介质镀完介质膜后镀Ti, Pt, Au实现金属化, 再采用铟焊工艺焊接在铜微通道冷却器上, 以提高散热效率和冷却的均匀性。采用两片直径40 mm, 厚度1.3 mm的Nd:YAG薄片激光介质, 在两个二极管激光器阵列抽运下, 当每个薄片上的抽运峰值功率为17.7 kW, 占空比10%时, 获得了平均功率1.52 kW的准连续激光输出, 光-光转换效率达到43%, 电-光转换效率超过20%。

在高功率激光二极管(LD)抽运的情况下, 对比分析了Nd:YVO4/YVO4复合晶体和Nd:YVO4单一晶体的激光特性。实验证明, 复合晶体能够有效地降低晶体内的温度梯度, 减小由端面变形带来的热透镜效应, 获得比单一晶体高出许多的输出功率。采用Z型折叠腔, 研究了Nd:YVO4/YVO4复合晶体KTP倍频特性, 当抽运功率为17 W时, 获得了6.23 W的绿光输出, 抽运光到绿光的转换效率高达37%。

开展了激光二极管(LD)抽运的全固态热容激光器的理论与实验研究, 数值模拟了在热容工作条件下侧面抽运的Nd:YAG板条激光器的热透镜效应, 分析了热透镜效应对激光输出的影响, 并进行了相应的实验论证。实验中采用的晶体尺寸为57 mm×40 mm×4 mm, 激光二极管阵列的抽运峰值功率为12 kW, 重复频率为1 kHz, 占空比为20%, 为了获得较高的增益, 将抽运光通过光学系统进行聚焦, 抽运光在晶体侧面的光斑大小为15 mm×57 mm。实验中观察了1 s内的脉冲能量输出的波动情况, 在开始工作的时候单脉冲能量输出为1 J, 在1 s后单脉冲能量输出下降到开始的50%。

介绍了一种多环形腔结构(MRC)的单纵模(SLM)掺铒光纤激光器(EDFL)。这种激光器通过在主环形腔中插入充当模式滤波器的三个长度不等的无源次级环形腔, 并结合腔内光纤布拉格光栅(FBG)形成多环形腔掺铒光纤激光器结构, 多环形谐振腔可保证激光器的单纵模输出。讨论了使激光器运行在单纵模状态的谐振腔理论。同时, 为了提高系统输出的频率稳定性, 采用外光注入方法有效地抑制了模式跳变和拍噪声, 改善了输出谱特性。实验得到在1550.225 nm处输出功率约3.6 dBm, 信噪比(SNR)>35 dB的单纵模输出光, 且测得线宽小于500 Hz。

研究了偏振选择互注入条件下半导体激光器的同步和混沌滤波效应。将单模互注入速率方程扩展为包含两个偏振态的理论模型, 并选择X偏振态作为互注入形式, 不仅为激光器产生混沌和实现同步提供了条件, 还可以完全抑制Y偏振光, 实现了纯偏振模式同步。通过频率失调的引入, 保持了激光器主从地位的稳定。研究结果表明, 主从激光器实现了时差等于注入延时的混沌同步, 输出功率表现出高频振荡并伴随有对称性破坏现象。对主激光器进行调制时, 同步系统表现出与单向注入相似的混沌滤波效应; 对从激光器进行调制时, 系统的混沌滤波效应并不明显。

提出了利用多层膜作自由电子激光器的摇摆器, 利用虚光子和康普顿散射讨论了运动电子在多层膜摇摆器中的自发辐射。(Fe/Cr)N等铁磁-非磁层状材料的铁磁层之间存在反铁磁耦合, 因此可以利用磁性多层膜制作自由电子激光器的摇摆器。考虑到静磁场的空间周期只有7.8 nm, 要精确计算电子在多层膜摇摆器中运动的自发辐射的波长和辐射功率就必须考虑电子的反冲。给出了运动电子在多层膜摇摆器中的自发辐射波长和辐射功率的精确计算表达式。结果发现, 自发辐射波长和辐射功率表达式中都含有康普顿波长。

分别推导了相位调制系统中采用色散预补偿方式和后补偿方式下非线性相位噪声的计算公式, 基于此对这两种色散补偿方式下的相位噪声、功率容限以及最优信号峰值功率进行了详细的分析和讨论, 结果表明:采用色散预补偿方式较后补偿方式能更有效地抑制非线性相位噪声, 其对非线性相位噪声的抑制能力随着信号能量、放大自发辐射(ASE)的功率谱密度以及传输距离的增加而提高; 同时, 色散预补偿系统具有更高的功率容限; 色散的作用使系统的最优信号峰值功率增大, 最佳相移大于1 rad; 色散预补偿系统的最优信号峰值功率大于色散后补偿系统。

利用CCD对自由空间传输的激光进行成像, 可得到入射光束的角度信息以实现对发射光束的控制。卫星光通信中, 提高对入射光束角度偏差实时测量的精度, 可以有效地提高终端的光束跟踪性能, 进而有效地保持激光链路的稳定。通过分析角度偏差检测原理, 建立了卫星光通信中跟瞄装置测角性能分析模型。分析了测角精度与CCD成像光斑弥散圆尺寸之间的关系, 并通过模拟实验进行了验证。结果表明, 在卫星光通信系统设计中, 综合考虑测角精度要求、终端功耗限制等因素, 选择CCD成像光斑相对尺寸在2到3之间为最佳。

利用相位预调制技术解决高速长距离光纤传输系统中面临的接收灵敏度降低和色散容限问题。通过在发射端对非归零(NRZ)的光信号进行比特同步相位预调制, 使非归零码在传输过程中得到波形重整, 演变为归零(RZ)的波形, 从而提高眼图开启度。实验观测了普通非归零码和相位预调制的非归零码在不同相位调制深度和色散下的光谱、眼图和功率代价。10 Gb/s的传输结果表明, 链路色散绝对值小于1000 ps/nm时, 施加相位预调制的非归零信号功率代价小于1 dB, 比普通非归零信号具有更高的接收灵敏度和更低的色散功率代价。因此, 基于相位预调制的信号整型技术可减轻系统对光信噪比和色散管理的要求, 延长传输距离。

介绍了一种利用旋转孔径频闪散斑干涉法检测缺陷的新方法。该方法是一种非接触式的检测方法, 不受缺陷形状和位置的影响, 能够准确地检测出缺陷的大小和形状。分析了旋转孔径频闪散斑干涉法的基本原理, 给出了散斑图全场滤波分析的平均光强解析式和实验结果。结果表明, 该方法在一张散斑图上能记录物体动态变形的全过程, 并能连续地再现出来, 散斑图的信息量丰富; 在实时滤波分析观察时, 将滤波孔连续进行旋转, 可观察到物体动态变形的全过程, 散斑图的条纹在变化而缺陷的位置不变。

利用数字全息干涉技术测量了电极过程中电极/溶液界面处溶液的浓度变化分布。以铁电极在0.5 mol/dm3硫酸溶液中恒电位电流振荡的活化过程为例, 测量了反应初始时刻1.6 s内铁电极界面处的溶液浓度变化情况。由于在全息干涉测量中引入载波条纹, 所以能够方便地应用傅里叶分析方法分析计算干涉条纹的动态变化。通过对全息干涉图像序列的分析计算得到了电极反应过程中溶液浓度变化所引起的物光相位变化, 并把相位差分布用来描述浓度变化分布。计算结果显示, 在反应进行到1.6 s时, 溶液浓度变化引起的物光峰值相位差为41.2 rad, 相应的溶液折射率改变量为0.0021。重建图像比较直观地再现了反应过程中溶液的浓度变化、扩散层厚度等信息, 从而为动态半定量分析和检测浓度变化提供了一种新的方法。

分振幅光偏振仪(DOAP)是一种高速测量光波偏振态的传感器。提出了一种基于人工神经网络(ANN)的分振幅光偏振仪的数据处理方法, 将分振幅光偏振仪中电路系统输出的电信号作为神经网络的输入, 入射光的斯托克斯参数作为神经网络的输出, 建立一个前向多层神经网络模型。通过网络训练, 使该网络确立了电路系统输出电信号与入射光斯托克斯参数之间的映射关系。由测量时得到的电信号, 利用训练后的神经网络可以计算出待测的入射光的斯托克斯参数。测试结果表明, 在测量精度方面, 该方法获得的斯托克斯参数的总均方根偏差为1.9%, 略优于基于矩阵运算的数据处理方法。

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10-7抑制比, 能够很好地抑制瑞利-米氏散射, 得到纯度很高的转动拉曼谱, 并且能够提高光的透射率, 具有长期稳定性, 但双光栅单色仪的光路结构复杂一直是系统中的难点。首先对两种光栅光路结构进行讨论, 得出光纤对称式光栅光路结构对于光栅效率的利用要优于光纤直线排列式光路结构, 并通过对光栅公式和转动拉曼光谱公式结合, 推导出光栅闪耀级次和衍射角关系方程。当光栅常数为600 line/mm时, 其第5级为最佳闪耀级次。

采用传统的傅里叶变换轮廓术(FTP), 必须保证投影装置出射光瞳和成像装置入射光瞳的连线与参考面平行, 并且它们的光轴应在同一平面上, 才能得到较为准确的测量结果。改进了傅里叶变换轮廓术测量装置, 从理论上证明了双瞳连线不平行参考面, 且双光轴也不共面时的测量原理, 推导出了新的、适用范围更广泛的相位-高度映射算法, 使实验系统的搭建变得比较容易, 投影装置和成像装置的摆放位置可以随意移动以方便获取全场条纹。所提出的方法为在难以实现双瞳与参考面平行或难以使双轴共面的特殊环境下提供了获得可靠测量结果的途径, 并且传统的傅里叶变换轮廓术测量系统是所提出系统结构的一个特例。计算机模拟及实验均证实了该方法的有效性。