从理论和实验两方面对掺镱包层全光纤调Q激光器进行了研究。建立了相应的理论模型,根据调Q光纤激光器的速率方程理论,用基于“能量利用率与初始反转粒子数关系”求解剩余反转粒子数的新方法,得出了调Q光纤激光器的初始参数诸如抽运功率、纤芯直径、光纤长度、输出透过率等影响脉冲宽度和脉冲能量的规律,进一步明确了压缩脉冲宽度和提高脉冲能量的方法; 优化了相关参数,为同类调Q光纤激光器的设计提供参考。实验用半导体激光器(LD)作为抽运源,增益光纤为D形双包层掺镱光纤。谐振腔高反端串接一个带尾纤的声光Q开关,实现了重复频率在10 Hz～100 kHz范围内可调声光调Q掺镱全光纤激光器的实验运转; 在重复频率500 Hz时,脉冲宽度为3 μs,脉冲能量达到2.94 mJ。

为提高自由空间通信、遥感、激光雷达等系统的信噪比,研究了铷775.9 nm激光感生色散光学滤波器(LIDOF)。通过780 nm线偏振抽运光选择性激发基态原子,使其在激发态子能级间布居不均衡,从而引起激发态的圆二色向性和圆双折射,使与激发态共振的775.9 nm探测光偏振态发生旋转,实现滤波传输。获得的峰值透射率为4%,带宽约为605 MHz,同时,得到了峰值透射率随池温和抽运功率的变化关系。

液晶空间光调制器(LC-SLM)能实现光束动态偏转,而它的像素结构以及相位回卷方法造成的衍射效应使其光效率降低。通过数值仿真和实验分析了像素结构造成的衍射效应,给出了像素填充因子和衍射效率的关系。利用256 pixel×256 pixel的液晶空间光调制器构建动态光束偏转实验装置,使入射光束偏转不同角度时测量远场光斑强度,得到衍射效率随光束偏转角的变化关系。理论分析与实验结果表明,填充比越小,像素结构造成的衍射效应越强,衍射效率降低; 当填充比为0.85时衍射效率的测量值仅为51.3%。相位回卷方法使液晶空间光调制器形成类似闪耀光栅结构,随着光束偏转角度的增大,衍射效率降低。

介绍了一种新型激光三维成像方法,该方法用条纹管作为成像系统的接收端,使激光三维成像雷达具有高帧频、大视场角的特点。理论上介绍了该方法的成像原理,用实验验证了它对远距离目标的成像能力。建立了一套条纹管激光成像的演示系统,测定了系统中的关键参数,获得了室内、室外特定目标的条纹像。证实了这种条纹管激光三维成像方法的可行性。并对完善该套成像系统提出了自己的见解。

宽条形大功率半导体激光器(LD)存在光谱温漂系数大、光谱宽度宽的缺点,为了改善宽条形大功率半导体激光器的光谱特性,采用一种体光栅(VBG)离轴外腔方法实现了宽条形大功率半导体激光器光谱特性的明显改善和高效率工作。宽条形半导体激光器的外腔结构主要包括激光器输出光束的快、慢轴准直光学透镜和离轴放置的体光栅。宽条形半导体激光器的激射条宽为100 μm,当激光器工作电流为4.0 A时,外腔激光器的输出功率高达3.4 W,斜率效率为1.0 W/A,光谱宽度由自由出射条件下的2～3 nm减少为0.2 nm,峰值波长的温漂系数小于0.015 nm/℃。

半导体激光线阵(LDB)在制作和封装过程中会发生弯曲,从而引起发光弯曲,即“smile”,这影响其在抽运固体激光和外腔半导体激光阵列线宽窄化中的使用。利用平凸柱面镜在一定程度上可矫正半导体激光线阵的“smile”。通过几何光学方法对平凸柱面镜矫正半导体激光线阵的“smile”进行理论分析,利用不同焦距平凸柱面镜对不同半导体激光线阵的“smile”进行矫正,并通过ORIGIN软件对“smile”的矫正进行模拟,其结果与实验相吻合。结果显示,抛物线状“smile”矫正效果很好,相对矫正量高达90%,选择合适小焦距平凸柱面镜对“smile”矫正较明显且模拟误差小,修正透镜焦距参数可减小误差。

用MEDICI软件对金属-半导体-金属(MSM)结构4H-SiC紫外(UV)探测器的I-V特性以及光谱响应等特性进行了模拟与分析,并探讨了金属电极的宽度、电极间距以及外延层厚度对探测器响应度的影响。结果表明,室温下该探测器的暗电流线性密度达到10-13 A/μm,且在不同电压下光电流至少比暗电流大两个数量级; 探测器的光谱响应范围为200～400 nm,在347 nm处响应度达到极大值; 增大指宽或者减小指间距可以提高探测器的响应度; 当波长小于峰值波长时外延层厚度对探测器的响应度基本没影响,而当波长大于峰值波长时随着外延层厚度的增大探测器的响应度有所增大。

针对实际数据资料中往往因地表杂波等各种干扰而出现小幅值风速和奇异点,在进行速度方位显示(VAD)数据反演之前,提出了对数据资料进行质量控制的预处理方法,即剔除小幅度数据和奇异点,然后分别进行了全方位采样和非全方位采样的反演,反演精度大幅度提高,仿真结果与实际结果相吻合。模拟两种线性风场,即含有0,1阶谐波和含有0,1,2阶谐波的线性风场。利用这两种风场比较研究了全方位采样和非全方位采样的速度方位显示方法。仿真结果表明,全方位采样速度方位显示方法对这两种线性风场反演结果准确度都高,而非全方位采样速度方位显示方法对不含2阶谐波的线性风场具有很小的有效采样范围,同时,2阶谐波对其具有一定的影响。

由自导成丝效应产生的超连续辐射具有超宽带光谱、后向散射增强等一系列新特征,为激光雷达大气探测开辟了新的领域。通过测量飞秒激光脉冲自导光丝超连续辐射散射的角度分布,对不同条件空气中自导光丝产生的超连续辐射后向散射特性进行了实验研究。结果表明,在洁净空气和含气溶胶的空气中,自导光丝的超连续辐射都呈现出明显的后向散射增强特性。同时对超连续辐射后向散射的测量值进行拟合,拟合结果表明超连续辐射后向散射角分布满足洛伦兹(Lorentz)函数,在洁净空气中其角宽度为6.4°,后向180°时归一化散射强度是瑞利散射的3.2倍。超连续辐射沿光丝前向呈锥形辐射,其前向散射具有明显的波长依赖关系; 而后向散射无明显的波长依赖关系。

在飞秒激光与固体靶相互作用中,利用光学CCD相机和光学多道分析仪(OMA),分别在固体薄膜靶背表面法线方向测量了渡越辐射(TR)积分成像图案和渡越辐射光谱。测量结果显示,渡越辐射光斑呈现圆盘状结构,在圆盘中明亮而强的光信号呈局部化分布,并且有分离的光斑出现。该现象表明,超热电子在输运过程中存在成丝效应,引起严重的不稳定性; 渡越辐射光谱在800 nm附近出现了尖峰,是基频波(ω0),并且光谱向红光方向移动; 基频波产生的原因归结于超热电子束在传输过程中产生的微束团而引起的相干渡越辐射(CTR); 光谱红移的原因是由于等离子体临界面的迅速膨胀所致; 渡越辐射光强随靶厚度的增加而减小。

SiO(b3П)与Na的近共振传能过程是钠原子化学激光的关键步骤。为了对这一过程进行初步的实验研究,建立了一个包括SiO(b3П)合成系统和Na蒸气生成供给系统在内的近共振传能实验装置。通过SiH4热解产物与N2O反应合成了一定浓度的亚稳态储能粒子——SiO(b3П); 在此基础上进行了SiO(b3П)与Na混合传能的实验研究。测到了SiO(b3П)和Na(4d2D)的自发辐射光谱,并且验证了SiO(b3П)与Na近共振传能及Na(4d2D)粒子的存在。进一步研究发现,在SiH4流量为0.09 mmol/s,SiH4载气流量为14.88 mmol/s,N2O流量为0.744 mmol/s,SiH4热解炉温度为1350 K实验条件下,当Na蒸气载气流量(7.44 mmol/s)保持不变时,Na(4d2D)粒子数密度与Na池温度成递增关系; 而当Na池温度(分别在673 K和723 K)固定时,Na(4d2D)粒子数密度与Na蒸气载气流量基本成线性递增关系。

为改善焦斑的均匀性以应用于惯性约束聚变(ICF)的实验,从焦斑形态的控制出发,在随机相位板(RPP)和连续相位板(CPP)做空域整形下,用同样带宽和最大谱色散角,模拟了不同光谱形状的匀滑效果,通过焦斑强度的功率谱密度(PSD)和平顶的均方根(RMS)对获得的焦斑进行评价。结果表明,改善光谱形状可以提高匀滑效率,优化光谱相对主流的正弦调频光谱对匀滑效果的均方根值可提高43.7%。同时,设计相位板时考虑焦斑上不同空间频率的权重,有利于匀滑。

从广义惠更斯-菲涅耳衍射积分出发, 导出了洛伦兹光束通过一阶轴对称光学系统传输变换的解析公式。给出了洛伦兹光束的束宽、瑞利长度和发散角的表达式,讨论了这些参量通过自由空间的变换规律。结果表明,洛伦兹光束的瑞利长度大于高斯光束的瑞利长度,洛伦兹光束光斑半径的扩展速度慢于高斯光束,洛伦兹光束的远场发散角小于高斯光束的远场发散角。结果还表明,自由空间中洛伦兹光束的束宽、瑞利长度和发散角的变化规律与高斯光束相应参量的变化规律相同。

为了使目前高功率激光近场空域的对比度和调制度评价更加科学化,在数值计算中采用图像分割灰度门限法,对CCD采集的原始近场图像进行信噪分割。用最大类间方差作为判断噪声阈值的主要依据,由噪声区域最大概率灰度值得到本底灰度,然后根据强度是否大于Iavg(1+5σ)值来判断是否存在奇异点。奇异点位置灰度值经8-邻域图像平滑处理得到。通过应用大量近场测量数据分析对比了调制度的两种计算方法,结果表明两种计算方法处理结果是一致的,并规范地给出了高功率激光近场空域评价计算方法。

用激光光束分析仪实时在线测量了一台连续运转的高功率横流CO2激光器的激光横模,获得了较为完整的激光横模随时间的变化关系。测量结果表明,激光输出由两个分离的、非对称的高阶横模叠加组成(“双模”),两横模中心相距约8 mm。形成“双模”的原因是串接式谐振腔的前腔和后腔两者的中心轴线不重合以及阴极铜管形变。横模随激光器运行时间的延长而逐步蜕化,呈更高阶和复杂化趋向。初步分析表明,横模的时间变化主要与激光器连续运转过程中腔内气体组分发生的变化有关。

提出以激光束的横模结构特别是基模所占的比例作为激光光束质量的评价依据,并研究了测量方法。建立了基于Hopfield神经网络原理的非线性网络,使用CCD采集激光束的光斑图像作为网络的输入,通过计算该网络的能量函数,实行调整训练,获得网络的动力学稳定状态,此时网络中各阶横模的比例即为测量结果。实验采集了一束光的多幅光斑图像,经预处理后输入该网络,可获得模式结构数据,其中基模分量为69%。利用所得结果合成一幅光斑,与输入的原光斑图像的相对误差为3.53%。

建立了基于透明边界条件(TBC)的全矢量迦辽金有限元法(FEM)分析二维光子晶体光纤(PCF)的模型,并对椭圆芯等5种高双折射光子晶体光纤基模的模式双折射、限制损耗及色散特性进行了数值分析和比较。通过减小内包层中沿x方向的空气孔,增大沿y方向的空气孔构成的一种光子晶体光纤的模式双折射在波长1550 nm处高达5.96×10-3,而椭圆芯光子晶体光纤为1.52×10-3。研究表明,可通过增加内包层中两个正交方向上空气孔的尺寸差来获得高双折射; 同时还得出内包层中放大的空气孔减小限制损耗,增加色散,而减小空气孔尺寸带来的影响则刚好相反; 内包层上空气孔数量越少,色散越平坦。

利用相干布居振荡技术在介质吸收光谱上产生烧孔,孔宽大约为基态粒子数恢复时间的倒数。由增益理论分析得出不同抽运光强度对介质吸收状态的影响。在介质的吸收区域,振荡导致光脉冲经历饱和吸收,脉冲传输延迟; 在介质的增益区域,振荡又导致光脉冲经历增益饱和、脉冲传输超前。将此技术应用在掺铒光纤(EDOF)中实现了光速人为可控。根据布居振荡效应及增益理论,由速率方程出发,得到了探测光的群折射率的理论解析表达式。考虑掺铒浓度对光脉冲群速度的影响,分别对四种浓度的光纤进行实验研究,观测到的最慢群速分别为3.45×102 m/s,相应感生群折射率8.7×105。

提出了一种新型光子晶体太赫兹(THz)波导,该波导包层为硅介质中含有按三角形格子周期排列的空气孔,纤芯为有机材料聚乙烯(PE)。应用平面波法(PWM)分析了这种光子晶体太赫兹波导的带隙结构,研究了空气填充率变化对光子带隙(PBG)结构的影响; 然后应用频域有限差分法(FDFD)对不同参数太赫兹波导的损耗进行了计算。结果表明,这是一种适合太赫兹波传输的带隙效应波导,选择较高填充率,较大孔间距,较多周期结构层数可以得到较低的泄漏损耗,选取合适的参数损耗最低值可以达到1.5 dB/km。

针对光纤微弯传感器在强扰动信号作用下,因光纤受损而丧失部分或全部功能的问题,进行了关于传感器自修复的研究。该传感器采用自制的具有良好光学、机械和粘接性能的短波光固化修复剂,将其注入预置有传感光纤的柔性空心纤维中,设计了一种可以实现在线自诊断和实时自修复的双窗口(长波检测、短波修复)智能光纤微弯传感器。对修复时间、修复效果进行了实验和分析。结果表明,该传感器自修复时间短,修复后机械和光学性能良好,并能实现多点修复。

相移光纤光栅作为透射型滤波器件降低了使用成本,在光通信和传感领域有着较高的应用价值。将传输矩阵法与谐振理论相结合,详细分析了相移量、相移点位置对啁啾相移光栅反射谱特性的影响,数值模拟和实验结果表明,啁啾相移光栅与均匀相移光栅不同,当位于啁啾光栅中点的相移调制量偏离π/2时,透射峰在偏离光栅反射谱中心的同时深度逐渐减小; 当相移点在光栅上的位置发生变化时,透射峰位置也随之改变,但深度基本保持不变。利用啁啾光栅的这种特性,可形成具有多个透射峰的多点相移光栅。

随着短距离通信网的不断发展,多模光纤(MMF)已经成为实现高速大容量信息传输的理想介质,但多模光纤严重的模式色散限制了其传输能力。为了提高多模光纤的传输能力,设计了基于自适应调制(AM)的正交频分复用(OFDM)多模光纤通信系统。提出了适用于该系统的自适应比特分配算法,并通过仿真证明了该算法的有效性。在此基础上重点分析了自适应调制对系统性能的影响,对比了自适应前后不同传输速率、不同信道情况下的误码特性。结果表明,自适应调制能较好地克服深衰落点对系统性能的影响,有效降低了系统误码率(BER)。

为了满足激光等离子体X射线波长测量的需要,在辅助光阑法的基础上,从理论上提出了一种用平面晶体谱仪确定波长的新方法。发展了改进的辅助光阑法来确定晶体面与记录面的交线到第一条辅助光阑的距离,并且利用某一条谱线的曲率得到记录面与晶体表面的夹角。这两个参量在一般的辅助光阑法中需借用参考谱线得到,而采用新的方法可在不使用任何参考谱线的情况下得到所有光谱线的波长。实际使用中通过增大光阑间的间距,根据不同的波长范围调节晶体与记录面的相对位置,可使波长的测量精度达1×10-3 nm。

为了解决空间载波相移(SCPS)法中载波频率不确定引入的误差,提出了一种基于最小二乘迭代的空间载波相移算法。先将单幅随机空间载波频率干涉图转化成四幅随机相移量的时域干涉图,然后用最小二乘迭代求得相位信息。模拟计算和实验结果表明,该算法只需10次左右的迭代计算就可实现算法峰值(PV)精度优于λ/20,均方根(RMS)精度优于λ/200,高于快速傅里叶变换(FFT)法; 通过提高空间载波频率,使载波方向接近45°或135°可提高该算法的精度。

采用熔盐法获得了Yb3+和Er3+离子原子数分数分别为20%和1.1%的GdAl3(BO3)4(简称GAB)晶体。在平-凹谐振腔中,利用0.97 μm波长光纤耦合准连续(CW)半导体激光端面抽运0.7 mm厚的该晶体,当输出镜透过率为1.5%时,获得斜率效率为20%,最高功率为1.75 W的1.5～1.6 μm波段激光输出。输出激光波长随吸收抽运功率和输出镜透过率发生变化。当输出镜透过率为1.5%时,随着吸收抽运功率的增加,不仅起振的纵模带增加并且输出功率逐渐从1.60 μm的纵模带中转移到1.55 μm的纵模带中。而当吸收抽运功率为13.6 W时,随着输出镜透过率的增加,输出激光波长从1.60 μm转移到1.52 μm。结果表明Er3+和Yb3+双掺的GAB晶体是一种优秀的1.5～1.6 μm波段激光材料。

采用丘克拉斯基(Czochralski)技术生长了掺铥硅酸镥(Tm:Lu2SiO5,Tm:LSO)晶体; 测量了LSO晶体在室温下的非偏振吸收光谱和非偏振荧光光谱; 利用窄得-奥菲特(Judd-Ofelt)理论计算了Tm:LSO晶体的窄得-奥菲特强度参数、振子强度、自发辐射概率、辐射寿命、积分吸收截面和积分发射截面。Tm:LSO晶体的强度参数为Ω2=9.1355×10-20 cm2,Ω4=8.4103×10-20 cm2,Ω6=1.5908×10-20 cm2; Tm:LSO晶体在1.9 μm附近有明显的发射峰(3F4→3H6跃迁),相应的辐射寿命为2.03 ms,积分发射截面为5.81×10-18 cm2,半峰全宽(FWHM)为250 nm。用Tm:LSO晶体在77 K温度下实现了激光运转。利用792 nm的激光二极管(LD)作为抽运源,获得中心波长为1960 nm的激光输出,抽运阈值为2.13 kW/cm2。

为了研究共掺Ce对Nd,Eu:ZnWO4激光晶体的敏化作用,采用提拉法生长了无宏观缺陷的一系列Nd:ZnWO4,Ce:ZnWO4,Eu:ZnWO4,Ce:Nd:ZnWO4和Ce:Eu:ZnWO4晶体,并进行了X射线衍射(XRD)、吸收光谱和荧光光谱的测试。测试结果表明,在ZnWO4晶体中Ce3+离子在324 nm附近有很强的吸收,可以有效地吸收抽运能量; Ce3+离子与Nd3+离子和Eu3+ 离子间存在明显的能量转移,使Nd3+离子在474 nm,572 nm的上转换荧光以及Eu3+ 离子在613 nm处的荧光强度明显增强,并提出了敏化机制和能量转移过程。结果说明,共掺Ce对Nd,Eu:ZnWO4激光晶体有较好的敏化作用,有助于提高激光晶体的发光强度。

用化学镀技术在中碳钢基片上制备镍-磷-纳米氧化铝复合镀层,并用CO2激光在多种扫描速度及功率密度下对镀层进行热处理。采用能谱(EDS),扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)、划痕实验和球盘式摩擦磨损实验对镀层的成分、结构形貌、结合力和摩擦学性能等进行表征,并考察工艺参数对镀层结构和耐磨性能的影响。结果表明,激光热处理后镀层由非晶态变为晶态,析出Ni和Ni3P相,而Al2O3仍呈非晶态; 镀层硬度因相变硬化而显著提高,表面粗糙度增加和相结构的改变导致摩擦系数上升,镀层结合力小幅度下降,其主要磨损机制为磨粒磨损。在扫描速度1.5～3.0 m/min,激光功率密度5.0～8.3 kW/cm2范围内,镀层硬度高、耐磨性能优异,最低磨损率为1.21×10-5 mm3/(N·m)。

由于背景干涉条纹的影响,在激光视频显示系统中,通常获得的激光视频图像不仅对比度降低,而且像质较差。通过采用多像素扫描法,成功地突破了投影显示方式的技术瓶颈,消除了这种显示方式产生的干涉条纹,使激光显示与传统显示方式相比在像质上有了很大的提高。通过对激光显示过程中激光形成干涉机制的深入分析和研究,提出了“多像素扫描法”,并设计了相关装置。该方法既可以用来实现投影显示,又可用来消除激光干涉。多像素扫描法既克服了扫描式激光显示的技术缺陷又解决了投影式存在的激光干涉条纹问题,获得了很好的显示效果。实践表明,该方法为激光显示研究提供了一种切实可行的方法。

采用含有一定量纳米铝粉的钴基合金粉末作为涂层原材料,在结晶器用Cu-Cr合金表面利用激光搭接原位反应制备陶瓷相颗粒增强钴基合金涂层。通过金相显微镜、X射线衍射(XRD)仪、扫描电镜和显微硬度实验等分析手段对实验制备样品涂层的结构和形成机制进行了研究。结果表明,在优化了的激光制备工艺参数(电流175 A,频率15 Hz,脉宽3 ms,速度4.0 mm/s)及搭接率在20%～25%时,在Cu-Cr合金表面制备出了陶瓷相颗粒增强钴基合金涂层。Co基合金涂层和基体间形成了界面的冶金结合。涂层中原位生成了陶瓷相颗粒,最大颗粒的粒径在3 μm左右,多数为细小且呈弥散分布的近似球形颗粒,起到了增强基体的作用。Co基合金的主要结晶方式是以原位生成的陶瓷相为中心,带动周围Co基合金液体结晶,反过来结晶后的合金对陶瓷相进行包裹,控制了陶瓷相的聚合,并使其弥散分布、颗粒细小化。Cu-Cr合金表面涂层的平均显微硬度由基体表面的94HV增到了300HV。

基于有限元软件SYSWELD平台,建立激光熔凝三维有限元模型,编制宽带热源的FORTRAN子程序,采用不同的工艺参数对42CrMo钢表面的单道激光宽带熔凝区的组织和残余应力进行数值计算与分析。测定了激光熔凝表层的热循环曲线,利用扫描电镜(SEM)观察熔凝区相变。结果表明,工艺参数对熔凝区残余应力分布状态影响较大,激光线能量密度(ρE)过高或过低,均影响熔凝层的表面成型质量; 当激光束输出功率为3500 W,扫描速率在600～1000 mm/min时(即ρE=20.9～35.0 J/mm2),熔凝区可获得有利的残余压应力分布。42CrMo钢母材组织为铁素体+珠光体,经激光处理后,熔凝区组织转变生成的马氏体相比例高达95%以上。

研究了光动力疗法(PDT)制备的抗小鼠H22肝癌肿瘤疫苗的抗瘤效应。将昆明鼠60只,随机分为2组,每组30只。实验组取6～12周龄的昆明鼠背部皮下接种光动力疗法产生的疫苗,每3天注射一次,每次注射50 μL(相当于3×105个细胞),连续两周。隔一周于第22天注射H22肿瘤细胞悬液0.1 mL(1×106个细胞); 对照组:每周每次注射50 μL生理盐水,连续两周。隔一周于第22天注射H22肿瘤细胞悬液0.1 mL(1×106个细胞)。比较两组的抑瘤率、生存率以及两组之间免疫学的相关指标。结果表明,实验组小鼠具有显著的抑瘤效果,抑瘤率、生存率较对照组有显著提高。实验组肿瘤抑瘤率最高可达60%且长期有效,100天生存率达56%。说明光动力疗法产生的抗小鼠H22肝癌疫苗可以有效地抑制肿瘤生长,提高荷瘤小鼠的生存率,具有明显的抗瘤效应。该方法可能成为一种辅助性治疗肿瘤的手段而应用于临床。

为提高光学相干层析(OCT)系统的信噪比(SNR),改进系统的探测灵敏度,保证系统的成像质量,从理论上详细分析了光学相干层析成像系统中的主要噪声源,建立了系统噪声的理论模型,分析了光学相干层析成像系统中的各个组成单元对系统信噪比的影响。建立了一套实用型的光学相干层析成像系统,对该探测系统中的噪声进行了测量,得到系统噪声的实验模型。然后对理论分析的结果进行一定的修正,并对实验系统进行优化,得到了16 μm的纵向分辨率,-90 dB的探测灵敏度。