提出了一种检测乳制品品质的新方法。利用低相干光源和迈克耳孙干涉仪, 结合传统的激光动态光散射技术组成低相干动态光散射装置, 通过检测后向散射光场强度的自相关函数的变化来判断乳制品是否变质。以保存在冰箱和室温下的牛奶为样品, 检测了从样品中后向散射的单次散射光场强度的自相关函数, 并采用CONTIN算法对实验数据进行分析。结果表明, 保存在室温下的牛奶在前5天检测到的散射光场强度的自相关函数与保存在冰箱中的牛奶无明显变化, 但后2天发生了剧烈变化, 意味牛奶已变质, 而粒径分布变得更宽, 证实了该方法能对乳制品进行品质鉴定。

研究和分析了激光雷达目标回波与杂波背景的分形特性, 以分数布朗运动(FBM)数学模型为基础, 通过对不同信噪比(SNR)激光雷达回波的分析, 初步证明了激光雷达回波具有布朗运动的特征。针对激光雷达杂波数据具有布朗运动的增量统计自相似性, 激光雷达杂波能与分数布朗运动较好地匹配, 因此可以采用布朗运动模型对激光雷达回波数据进行分析处理。当信噪比比较低时, 杂波和含有目标的回波信号的分形维数比较接近, 发生重叠, 单靠单一的分形维数无法检测出目标。针对这一问题, 分析杂波和目标信号在不同尺度上的分形维数, 提出基于不同尺度分形维数的变化特征进行目标检测的算法, 即基于多尺度分形维数的目标检测算法。理论分析和实验结果表明该方法具有较高的可靠性和准确性。

采用熔体提拉法生长出了高质量的a轴和c轴GdVO4单晶。测量了GdVO4晶体的室温透过光谱, 结果表明GdVO4晶体的短波透过截止边为338 nm, 长波透过截止边大于3000 nm, 透过范围覆盖紫外、可见、近红外和部分中红外波段, 因此可以在较宽波长范围内实现拉曼激光频移。研究了GdVO4晶体在532 nm和355 nm皮秒激光脉冲抽运下的受激拉曼散射(SRS)。采用腔外单次通过方式, 获得了3级斯托克斯线(557.98 nm,586.86 nm,618.92 nm)和1级反斯托克斯线(508.01 nm), 得到GdVO4晶体一级斯托克斯拉曼散射的稳态增益系数为26.6±0.2 cm/GW, 二级斯托克斯拉曼散射的稳态增益系数为14.0±0.2 cm/GW, 受激拉曼散射的整体转换效率达到43%。报道了GdVO4晶体355 nm激发的受激拉曼散射, 观察到2级斯托克斯谱线(365.9 nm,378.1 nm), 在此条件下测得一级斯托克斯谱线的拉曼增益高达114±9 cm/GW。

利用热激电流(TSC)技术测量了聚合物光折变材料聚乙烯咔唑(PVK)的退极化电流曲线, 获得了热激弛豫过程的活化能。发现聚乙烯咔唑材料的热激退极化电流曲线共有两个峰, 低温峰位于338 K,对应的活化能约0.6 eV, 高温峰位于417 K, 对应的活化能范围在0.53～1.00 eV, 在0.77 eV处呈现最大值, 陷阱密度极大值为5.7×1013 cm-3。同时证明了低温峰是源于偶极子退取向弛豫,高温峰则来自于陷阱中空穴的热释放。

东海原甲藻(Prorocentrum dentatum)、裸甲藻(Gymnodinium stein)和中肋骨条藻(Skeletonema costatum)是近几年我国东海频繁引发赤潮的藻种。基于这三种赤潮藻的活体叶绿素荧光激发光谱, 通过计算光谱相似性指数对其进行识别。结果表明, 活体叶绿素荧光激发光谱在平行测量和不同生长期的相对标准偏差(RSD)分别小于3%和5%; 光谱混合及混合海藻荧光光谱与标准谱之间的光谱相似性指数与混合比例之间存在线性关系。通过计算混合藻的荧光光谱与标准谱之间的相似性指数能够定性地识别引发赤潮的藻种, 并半定量地估计赤潮藻种的相对含量。当噪声小于25%时, 噪声基本不会对赤潮藻的识别分析产生影响。

激光冲击硬化通过在材料的近表面产生残余压应力来提高材料的表面硬度和抗疲劳寿命。材料近表面性质的变化能够导致在其中传播的声表面波发生色散。为了研究激光冲击硬化后金属Al合金样品中的激光声表面波(SAW)的传播, 提出一种合理的宽带激发和接收方法, 搭建了由激光激发、聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器接收超声信号的实验装置。分别对不同条件下激光冲击的Al合金样品中的激光声表面波进行了探测, 通过对接收到的超声信号进行时频分析得到了信号的频谱以及声表面波的相速度色散曲线, 速度色散主要是由于晶粒方向改变和错位密度的增加引起的。

在大气气氛下, 采用连续CO2激光和氮等离子体混合法(LPN)对工业纯钛样品表面进行处理, 获得了氮化钛膜层。用扫描电镜(SEM), X射线衍射(XRD)对样品的形貌和结构进行了表征, 结果表明在合适的条件下可以获得满意的氮化效果。在激光功率密度2.0×105～1.0×106 W/cm2, 扫描速度200～1000 mm/min的区间内, 激光功率密度越高, 扫描速度越低, 氮化效果越好。工业纯钛样品的氮化深度最佳可达80 μm。在有效氮化区域内, 氮含量随深度变化迅速, 而在过渡区域内, 氮含量变化缓慢。

激光弯曲成形是利用激光束的能量修整板材曲率的一种新型柔性无模成形加工方法。为探索激光弯曲三维成形的机制以及成形过程中的物理现象, 对1Cr18Ni9Ti正方形薄板采用交叉线扫描策略激光弯曲三维成形制备了球冠面, 利用显式动态有限元方法分析了正方形薄板在激光扫描过程中的温度、应力、应变、节点加速度与速度以及形变的变化情况, 在二维激光成形温度梯度机制基础上探讨了激光弯曲三维成形中存在的物理现象。在扫描过程中, 薄板整体的温度随着激光扫描逐渐增加, 在任意时刻任意位置的加热都会造成整体薄板应力作用方向和大小的改变, 应力变化是形成圆周线的趋势, 由于扫描路径时空的变化导致正方形薄板四角的变形量有所不同。

分析了金属粉末激光选区烧结成形过程致密化机制。选择不同的参数对Fe-C混合粉末进行了激光烧结成形实验, 根据烧结件微观结构分析了金属粉末的致密化机制, 根据致密度数据分析成形参数与致密度的关系建立了数学模型。结果表明, Fe-C混合粉末在低功率激光作用下部分粉末熔化形成液相, 在液相的参与下粉末通过重排、溶解沉淀导致致密化。成形参数对致密度的影响归结于烧结过程中产生的液相量, 激光功率的增加、扫描间隔的减小、扫描速度的降低和切片层厚的减少都会提高烧结件的致密度。

为了提高喷射电沉积纳米镍涂层的性能, 采用激光重熔工艺对涂层进行处理, 研究了激光重熔对涂层微观组织和性能的影响。用扫描电镜(SEM),X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计分析了涂层表面形貌、微观结构和显微硬度, 同时对涂层的腐蚀特性进行了考察。结果表明, 在优化的工艺参数下, 喷射电沉积制备的镍涂层表面比较平整,结合致密, 由平均尺寸为13.7 nm的纳米晶颗粒组成, 但涂层中仍存在一些孔隙及其他缺陷; 经过激光重熔后, 熔融区内的晶粒尺寸明显减小, 使涂层致密化程度得以提高并使涂层与基体由机械结合变为冶金结合, 因此激光重熔处理后涂层的显微硬度明显提高, 且其耐腐蚀性能明显优于原喷射电沉积镍涂层。

采用激光熔覆技术在45#钢表面分别制备了Ni60A涂层及SiC/Ni60A复合涂层。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪对涂层进行了显微组织和物相分析, 并测试了熔覆层的显微硬度和耐冲蚀磨损性能。结果表明, 在激光作用下, SiC由于具有较小的生成热容易溶解在合金涂层中。熔覆层的物相主要由γ(Ni-Cr-Fe)固溶体及Fe7C3 , Fe0.79C0.12Si0.09等化合物组成。在固溶强化、第二相强化及细晶强化的共同作用下, SiC/Ni60A涂层的抗冲蚀性能显著提高, 涂层的显微硬度也明显增加。

分析了两个存在相互作用势的胶体微粒的布朗运动, 讨论了通过微粒布朗运动的显微观测来测量胶体微粒间相互作用势的实验方法。将双光镊系统与同步斩光器相结合, 建立了相应的测量系统。对1 μm直径的聚苯乙烯球悬浮液中两个小球之间的静电相互作用势进行了实验研究。实验结果和DLVO(Derjagin-Landau-Verwey-Overbeek)理论符合较好, 为DLVO理论提供了直接的微观实验依据。对决定实验精度和效率的一些实验因素, 包括测量过程中光镊的开关切换时间、光镊打开和关闭的持续时间、样品离样品池底面高度和实验测量区间划分精度等进行了具体讨论。所建立的实验装置和方法可用于测量不同类型胶体粒子间的相互作用势, 这为深入研究决定分散体系宏观性质的微观基础提供了一种有效的手段。

为深入研究氦氖激光照射对促进实验性牙移动牙周组织血管改建的作用机制, 应用波长632.8 nm,功率20 mW的氦氖激光照射实验性牙移动兔牙周组织, 通过免疫组化染色与图像分析观察分析实验结果。结果表明弱激光照射侧血管内皮细胞生长因子(VEGF)受体-2的表达, 无论在压力区还是张力区均较对照侧出现得早, 峰值高, 持续的时间长。停止照射后, 照射侧血管内皮细胞生长因子受体-2的表达水平仍高于对照侧, 提示停止弱激光照射后这种生物刺激作用仍能持续。表明弱激光照射能有效促进血管内皮细胞生长因子受体-2的表达, 促进正畸牙周组织的血管化与骨改建。

合成了四叔丁基碘代萘酞菁镓((t-Bu)4NcGaI)化合物, 利用元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱等方法, 验证了化合物的分子结构。该化合物的Q带在近红外区(801 nm), 相对酞菁化合物红移了70 nm。应用调Q倍频纳秒/皮秒Nd:YAG脉冲激光,在波长为532 nm,脉冲宽度为4.5 ns,重复频率为2 Hz,脉冲能量39.8 μJ的条件下, 测试了浓度为1.22×10-4 mol/L化合物CH2Cl2溶液的Z-扫描曲线。测得它的非线性折射率n2和三阶非线性极化率χ(3)分别为2.54×10-11 esu和9.51×10-12 esu。由此计算化合物分子极化率γ′为3.3×10-29 esu。

以K9玻璃与熔石英玻璃代替传统的液体或气体作为纵向受激布里渊散射(LSBS)样品, 波长1.064 μm,脉宽可调的单纵模电光调Q激光器作抽运光, 实验探讨了抽运光脉宽、抽运光能量大小、抽运光脉冲重复频率对纵向受激布里渊散射脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响。实验结果表明, 抽运激光脉冲重复频率高, 则散射光能量提取效率高; 脉宽小, 则散射光能量提取效率高; 焦距为500 mm时300 mm长的K9玻璃中得到的散射光能量提取效率比170 mm长的熔石英玻璃高; 在抽运光脉冲重复频率为1 Hz时, 二者都可以得到90%的散射光能量提取效率。探讨了抽运光为多纵模时, 固体介质中受激布里渊散射与光学击穿相伴发生的三种不同情况。实验证明, 多纵模情况下固体光学介质中同样可以发生受激布里渊散射; 多纵模情况下不一定会对固体光学介质产生光学击穿破坏; 光学击穿破坏的发生也不一定会阻止受激布里渊散射的发生, 二者可以相伴发生。

实现了应用于神光Ⅱ装置中的高精度整形激光脉冲与激光探针同步方案。在该方案中, 激光探针经硅光导开关进行光电转换之后作为激光脉冲整形单元的触发信号, 使激光脉冲整形单元, 输出与激光探针同步的整形激光脉冲。为了降低由于触发信号不稳定引起的时间晃动, 在光电转换之前放大激光探针, 以调整激光脉冲整形单元触发信号的幅度。在神光Ⅱ装置中实现了整形激光脉冲与激光探针小于4.5 ps(均方根)的时间同步精度。

对体布拉格光栅(VBG)作为波长选择元件的外腔半导体激光器的波长锁定进行了实验研究,报道了连续运转输出功率达43.5 W的半导体激光器阵列的体布拉格光栅波长锁定实验结果, 给出了不同热沉温度下的稳定的波长锁定结果, 说明采用体布拉格光栅外腔将减小半导体激光器的温控压力。实验中发现, 随着注入电流的增大, 输出激光功率逐渐增强, 锁定的激射波长向长波长方向偏移。在输出功率为34.5 W时, 波长红移约0.56 nm。这一移动与实验测量的体布拉格光栅的温度特性相吻合。连续和高占空比运行、高输出功率情况下, 在器件的设计和使用时应该考虑这一效应。

激光二极管(LD)侧面抽运的内腔倍频激光器技术是实现高功率、高稳定且低成本连续绿光激光器的有效方法。为满足激光彩色显示、激光加工、数据存储、医疗卫生和科研等领域对连续绿光激光器的需求, 研制了一台高效、高功率侧面抽运腔内倍频Nd:YAG/KTP连续绿光激光器。采用优化的平-凹-平三镜折叠腔结构, Ⅱ类相位匹配KTP晶体内腔倍频, 当808 nm激光二极管抽运功率约为180 W时, 得到最高18.7 W的连续绿光激光输出, 对应的光-光转换效率为10.4%。在输出功率15.4 W时测量激光功率稳定性, 其功率不稳定度小于0.5%。输出光束平滑, 远场为类高斯分布, 用刀口法测量了激光器不同输出功率时的光束质量, 光束传输因子M2小于7。

制备了结构为铟锡氧化物(ITO)/NPB/插入层/Alq/LiF/Al的有机电致发光(EL)器件, 测量了器件发光随电压变化的光谱和电压-电流-亮度特性, 观察到这种结构器件在电压升高的过程中总是在某电压附近有一个光谱、亮度和效率等性能突变的不可逆过程, 这是由于在发光区域附近的纳米薄层材料将导致电荷在该区域的局部聚集, 并引起该薄层材料局部破坏。这一失效的机制表明, 尽管在器件制备过程中可能需要在器件中使用几纳米厚的有机层, 但是应当考虑尽量避免, 以使器件内载流子分布合理, 避免此类失效过程发生。

相干并束是获得高功率激光束的一种有效方法, 特殊设计的二维正弦相位光栅是一种较好的并束元件。介绍了二维正弦相位光栅并束的设计方案, 计算表明, 在3×3和4×4分束时分束效率分别为81.1%和73.1%, 与常用的达曼光栅相比分别提高37%和26.9%。对正弦相位光栅的制作和误差分析表明, 并束效率存在极大值, 给光栅的制作带来较大的误差宽容度, 分束与并束在光栅表面的光场存在一定差别。如果仅用于并束, 并束效率还有提高的可能。

运用耦合模理论推导了双光纤布拉格光栅(FBG)的透射率和反射率的解析表达式, 进一步推导出带双光纤布拉格光栅激光器的增益方程。利用相关表达式讨论双光纤布拉格光栅的反射特性与透射特性,并探究对激光器增益曲线的影响。双光纤布拉格光栅由结构和特性相同的单光纤布拉格光栅构成, 通过优化两光纤布拉格光栅之间的距离得到最佳的锁模特性。在工作温度为0 ℃,20 ℃,70 ℃时, 分别测量了带双光纤布拉格光栅和单光纤布拉格光栅波长锁定器的非致冷抽运激光器的输出光谱。其结果表明带双光纤布拉格光栅的非致冷抽运激光器输出光谱的稳定性得到了显著改善。在0～70 ℃温度范围内能稳定工作, 波长漂移为0.2 nm, 边模抑制比达45 dB, 半峰值宽度小于1.57 nm。

详细分析了激光击穿空气和激光维持等离子体爆轰波(LSD)的传播机制, 基于Navier-Stokes方程建立了考虑湍流、等离子体辐射的流场分析模型, 采用有限体积法系统分析了推进器喷管内等离子体冲击波流场的演变规律, 研究了单脉冲激光能量大小和脉宽对推进性能的影响。数值仿真中明显捕捉到有关实验中观察到的马赫杆的产生与移动过程; 得出了推力和冲量耦合系数随脉冲能量、脉宽的变化关系, 计算结果与德国空间中心实验吻合得较好, 为脉冲激光器的选择和脉冲参数优化提供了参考依据。

在Pr3+:ZBLAN光纤中, 运用粒子数速率方程理论, 研究用586 nm和335 nm连续激光双光子激发4f组态最高能级1S0, 以1S0和3F4为激光上下能级实现250 nm上转换紫外激光的动力学行为, 得到阈值抽运功率、激光输出功率、斜率效率和最佳光纤长度等激光参数。结果表明, 阈值抽运功率随光纤长度增加而增大, 斜率效率随光纤长度增加而减小, 光纤较短时, 无法获得较高输出功率。掺杂浓度越大则阈值抽运功率越小, 斜率效率越大。在选取的特定条件下, 斜率效率最高可达16.7%。

高功率光纤激光器大多选用掺镱双包层光纤作为增益介质, 由于光纤尺寸较小, 极易在光纤谐振腔中产生受激布里渊散射、受激拉曼散射效应。包层掺镱双包层光纤激光器中一旦发生受激拉曼散射和受激布里渊散射效应, 其产生高强度信号成为高功率光纤激光器的主要噪声来源, 影响激光输出的特性和稳定性。对包层抽运掺镱光纤激光器中的受激布里渊散射和受激拉曼散射进行了实验研究, 在单模双包层光纤中观察到受激布里渊散射和受激拉曼散射。实验结果表明, 在光纤谐振腔中, 抽运方式、谐振腔输出镜损耗、受激瑞利散射对受激布里渊散射的影响较大, 尤其是受激瑞利散射为谐振腔提供了附加反馈, 不仅压窄激光信号的线宽, 而且使得受激布里渊散射的阈值迅速降低。

为了增加19芯光纤激光器总输出光功率中共相位模式所占比例, 提出两种改进方法, 一是在掺镱光纤端面与反射镜面之间塔尔博特(Talbot)腔内引入三段具有一定间隔的非掺杂光纤, 其结构尺寸和纤芯数值孔径均与掺镱光纤相同; 二是将单模光纤激光器作为种子光源, 利用透镜组对高斯光束进行束腰变换实现模式匹配, 从而最大限度地激励共相位模式。基于速率方程组对改进后的方案进行了数值分析, 计算了光纤端面间隔距离、信号输出端镜面功率反射系数和抽运功率对共相位模式功率所占总输出功率比例的影响。研究表明, 在改进方案一中对于固定的镜面功率反射系数, 存在最佳间隔距离以使共相位模式功率比例最大, 共相位模式所占比例可以从改进前的79.06%提高到88.25%; 通过改进方案二共相位模式所占比例可以提高到95.74%, 从而确保了更好的光束质量。

采用相干性和偏振性统一理论, 推导出了部分相干电磁厄米-高斯(EHG)光束在湍流大气中传输时偏振度的解析式, 并给出了偏振度保持传输不变的条件。研究表明, 部分相干电磁厄米-高斯光束的偏振度由大气折射率结构常数、光束相关长度、厄米多项式阶数、光束初始偏振度相关常数和观察点位置共同决定。经过足够长的传输距离后, 光束的偏振度将趋于源平面处的初始值, 并与光束相关长度、厄米多项式阶数以及湍流的强弱均无关系。电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束通过湍流大气传输时光束偏振度的变化作为所得结果的特例给出。

实验研究了采用单个相位调制器(PM)产生毫米波的方案。该方案采用电混频器将射频(RF)信号与基带信号混频后再利用相位调制器产生双边带调制(DSB)信号, 经光纤传输到基站后用一个光交叉复用器(IL)分离一阶边带和中心载波, 一阶边带经过光电(O/E)检测器拍频产生两倍频于射频频率的毫米波, 而中心载波可以作为上行链路载波重新利用。理论分析了该毫米波的传输性能, 研究发现由于色散导致两个一阶边带时延不同, 码元的占空比会随着传输距离的增加而减小,将限制毫米波的最大传输距离; 实验中采用频率为20 GHz射频信号产生频率为40 GHz的毫米波, 速率为2.5 Gbit/s的非归零(NRZ)码作为下行链路数据, 经过20 km色散光纤传输后下行链路的功率代价为0.2 dBm。

实验验证了基于超连续谱(SC)和超结构光纤光栅(SSFBG)的波分复用/光码分复用(WDM/OCDM)混合系统, 超结构光纤光栅实现了对超连续谱光源的双波段同时相位编解码。由于波分复用/光码分复用系统中信道间干涉和噪声的影响, 解码输出脉冲的信号波形出现劣化, 自相关曲线旁瓣明显增大, 自相关峰展宽至8.2 ps。在非线性放大环镜(NALM)的阈值判决作用下, 解码输出脉冲的信号波形质量有了明显的改善, 自相关峰宽度压缩至4.8 ps, 较好地抑制了自相关曲线的旁瓣和噪声。实验中非线性放大环镜的输入信号峰值功率约为8 mW。

设计并实现了一种将密集波分复用(DWDM)薄膜滤波片与光电探测器PIN以及前置放大器TIA集成封装的光接收组件。通过创新设计单模光纤双芯插针和自聚焦透镜的结构,解决了透过密集波分复用滤波片后的反射光偏离轴线带来的耦合问题。并基于该组件实现了32个密集波分复用通道的解复用与信号检测同时完成的波分复用无源光网络(WDM-PON)系统中上行信道阵列接收模块。测试表明模块满足国际电信联盟(ITU-T)中心波长, 最小插入损耗为0.3 dB, 最大插入损耗为6 dB, 响应速率为100 Mbit/s～1.25 Gbit/s。

提出并实现了一种基于光纤光栅(FBG)激光器的高分辨率光纤传感系统。通过在一段高增益有源光纤写入光纤光栅形成光纤激光传感器, 待测信号作用在激光器上引起激光频率变化, 采用偏振无关的非平衡迈克耳孙光纤干涉仪将激光频率变化转化为干涉仪相位变化。干涉仪输出的信号经过光电转换后, 用采集卡转换为数字信号输入计算机, 最后利用改进的归一化相位载波(PGC)解调技术, 实现信号的高分辨率解调。实验表明该传感系统的动态应变分辨率达到了5.6×10-4 nε/Hz, 并且解调结果与待测信号具有良好的线性关系。

根据激光多普勒测振技术进行声光通信的工作原理, 设计一种新型、小型激光多普勒测振信号鉴频电路。该电路根据外差探测原理, 本地振荡器输出信号与探测信号混频得到一路信号, 经90°移相后的本地振荡器输出信号再与探测信号混频得到另一路信号, 利用这两路信号得到了多普勒频移量和声源振动的频率。利用扬声器激发的水面模拟振源进行实验, 表明该电路可有效测量的振动频率范围为300 Hz～10 kHz, 证明可用于水下光声通信。

介绍了光反馈自混合干涉(OFSMI)法测量半导体激光器线宽展宽因数(LEF)的基本原理。针对不同参数条件, 分析了该测量方法的理论误差, 找出了最佳测量条件和最佳测量条纹位置。并根据光反馈自混合干涉信号特点, 设计了一个自动测量算法。该算法可以自动识别提取一个振动周期内的光反馈自混合干涉信号所有特征值, 采用最佳测量条纹位置所对应的特征值, 就可以精确得到线宽展宽因数。仿真数据验证了自动测量算法的正确性。实验结果表明, 自动测量算法在实际数据处理时测量参数的精确度较好, 当自混合信号的峰-峰值为1.75 V时, 线宽展宽因数的相对标准差只有3.26%。