针对非合作小目标激光测距系统, 目标表面的反射特征对激光回波信号有很大的影响。建立测量表面双向反射分布函数(BRDF)的装置, 对常用的两种热控材料——白漆涂层和F36多包层, 测量了其在1064 nm波长下的双向反射分布函数。得出了白漆涂层镜面反射很小, 散射角较大, 利于各方向接收回波信号; 而F36多包层镜面反射很强, 散射角-2°～2°, 不利于探测。通过由表面BRDF与由朗伯散射计算得到的最小接收功率的比较, 得出了入射角大于45°入射白漆涂层时, 回波信号较小; 大于2°入射F36多包层时, 没有回波信号。

针对多普勒激光雷达激光源短期频率漂移低于1 MHz的要求, 设计了一种共焦干涉仪作为频率标准进行稳频。通过对三种不同材料制成的共焦法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪中心频率随温度漂移情况进行分析对比, 选用零膨胀微晶玻璃材料制作共焦法布里-珀罗干涉仪, 腔镜和隔离器通过光胶的方式进行组合, 并且置于温控精度优于0.01 K的双层密封温控箱中。经过实验测量, 共焦法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围为370 MHz, 透射谱半峰全宽(FWHM)为1.7 MHz, 精细度为220。采用该共焦干涉仪进行稳频, 理论稳频精度可达0.15 MHz, 满足激光多普勒雷达单频激光源的稳频要求。

反射式光栅对是一种具有负色散性质的器件, 可用于飞秒激光脉冲的压缩和展宽, 具有无材料色散的优点。给出了一种基于多台阶反射光栅的脉冲压缩装置。该装置为倍密度光栅结构, 由两个周期分别为40 μm和20 μm的四台阶反射式光栅组成。实验得到的衍射效率可以达到70%以上, 输入脉冲经过两个光栅的衍射后会按原路返回, 从而达到色散补偿的效果。利用此压缩装置, 脉冲宽度为66.8 fs的输入脉冲压缩至接近傅里叶变换极限脉冲, 即46.6 fs, 由此证明只要多台阶光栅效率足够高, 此装置就有可能成为不同于棱镜对进行飞秒脉冲腔内和腔外压缩的另一种途径。

时域光学相干层析(OCT)系统通常采用短时傅里叶变换(STFT)完成干涉信号的解调和图像重构。短时傅里叶变换算法简单, 但是在干涉信号解调时难以获得好的去噪效果, 通常还需在二维(2D)图像域对重构图像进行去噪。该方法数据运算量大, 集成度不高。将一维(1D)小波变换(WT)应用于时域光学相干层析成像技术, 同时实现干涉信号解调、去噪和图像重构。算法将时域光学相干层析的干涉信号分解到各个不同的频率空间, 保留包含调制频率的频率空间的小波系数, 对保留的小波系数进行滤波去噪后进行逆变换即可实现对干涉信号的解调和去噪, 对解调信号等间距采样实现图像重构。该方法数据运算量小, 集成度高, 结合先进的小波去噪技术可以大大提高重构图像的分辨率, 具有良好的应用前景。

提出了一种利用单束平面光波照明二元π相位板与透镜组合系统实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学八阱的方案, 计算了光学势阱的光强分布和可控光学八阱的几何与光学特征参数、强度梯度及其曲率; 讨论了从光学八阱到四阱或到双阱的演化过程。研究表明,通过相对于透镜移动二元π相位板可实现光学八阱到四阱或到双阱的连续双向演化。讨论了利用该可控光学八阱组成二维光学晶格的方案。

应用耦合模理论, 给出均匀布拉格光纤光栅在考虑光栅致双折射时的透射与反射系数的解析式, 按照测量偏振相关损耗(PDL)的确定性与非确定性两种方法, 推导出了均匀布拉格光纤光栅中偏振相关损耗的解析公式。理论分析表明, 该公式能够准确分析弱双折射光纤或者各向同性光纤上写入的均匀布拉格光纤光栅的偏振相关损耗特性, 同时数值模拟高双折射光纤上写入的均匀布拉格光纤光栅偏振相关损耗特性, 得到的结果也与已有实验曲线相近。

中国科学院“计划”、国家自然科学基金(60677050)和国家重点基础研究发展计划(2007CB936603)资助项目。

采用分步傅里叶算法数值求解非线性薛定谔方程, 分析了单模光纤中不同情形下皮秒量级啁啾脉冲的分裂机制。结果表明, 对于较短的脉冲(10 ps), 啁啾脉冲分裂从高阶孤子压缩导致的脉冲塌陷开始; 对于较长的脉冲(200 ps), 脉冲分裂主要由调制不稳定性导致; 对于介于两者之间的脉冲(50 ps), 噪声使得脉冲分裂机制从高阶孤子压缩转向调制不稳定性。初始正、负啁啾能分别加速和延缓短脉冲分裂, 而初始啁啾对长脉冲分裂影响很小。初始啁啾对脉冲分裂的影响与其分裂机制密切相关。

利用自制的微结构光纤进行了飞秒激光脉冲传输实验, 输入激光脉冲的中心波长为800 nm, 位于微结构光纤的正常色散区。随着输入激光脉冲的平均功率从220 mW逐渐增大到300 mW, 输出光谱同时向长波和短波方向展宽, 光谱中的反斯托克斯线对应的能量逐渐占据主导地位。平均功率达到280 mW时, 光谱的展宽范围不再增大, 显示出了一种功率饱和效应。在微结构光纤的正常色散区实现了波长从560～960 nm的20 dB展宽谱。

为了对在LiNbO3:Ce:Cu晶体中绿光作为记录光的非挥发全息记录进行优化, 联立求解了双中心物质方程和双光束耦合波方程, 数值分析了平均空间电荷场(SCF)和衍射效率随晶体的氧化还原态、记录光与敏化光的光强比以及深浅中心的掺杂浓度的变化。结果表明, 采用绿光作为记录光在LiNbO3:Ce:Cu晶体中进行非挥发全息记录, 可以记录得到强光折变光栅, 其空间电荷场高达107 V/m;获得高达80%以上的固定衍射效率, 各相关参量都有较大的优化空间。

高速微粒速度测量技术是空间高速粒子地基模拟系统中的一项关键技术。设计并实现了一种利用激光光幕对高速运动微粒的非接触式速度测量系统, 分析了测量误差以及进一步提高测量精度的方法。该系统以高功率半导体激光器作为光源,同时采用PIN光电二极管作为光电探测器, 利用接收侧向散射光脉冲作为起始和结束信号以测量微粒的平均速度。实验结果表明, 该系统可对速度范围为1～10 km/s, 直径大于100 μm的高速微粒进行测速, 精度优于1.8%。

高重复频率热容主振荡功率放大器(MOPA)激光系统的工作过程一般只持续几秒至几十秒, 在此过程中系统输出光束的波前畸变是动态变化的。采用环路径向剪切干涉(CRWSI)技术对高重复频率热容MOPA系统波前畸变的变化过程进行检测, 并对系统的总体结构进行了设计。搭建了一个简化的实验系统, 采用平凹透镜来代替光放大器产生波前畸变, 并由此对环路径向剪切干涉仪的测量精度进行了验证。结果表明, 实验测量结果与理论计算值之间的峰值误差为7.8%(0.02λ)。

列车速度的不断提高增大了车轮的磨损, 加快了车轮直径的变化, 给列车运行带来了安全隐患。提出了一种采用激光动态测量车轮直径的方法, 介绍了使用单个激光位移传感器和两个激光位移传感器动态测量车轮直径的工作原理, 并对影响测量精度的主要误差因素进行了分析和仿真计算。结果表明, 采用两个激光位移传感器的测量方案可有效克服车轮运动过程中定位误差对测量的影响。经过现场测试, 研制的激光测量装置的测量精度为±0.38 mm(σ)满足现场要求, 实现了列车在正常运行过程中对其直径进行动态在线测量。

研究了平面波经过螺线型相位板后产生的涡旋光束, 经双缝干涉后在干涉场中干涉条纹的分布情况。详细介绍了涡旋光束的拓扑荷数对干涉条纹分布的影响。发现同平面波的竖直干涉条纹相比较, 涡旋光束的干涉条纹, 从顶部向底部看去, 沿着横向出现移动, 并且移动的大小和方向与拓扑荷数的取值有关。通过观测干涉条纹, 可以得到涡旋光束的拓扑荷数。涡旋光束由于携带轨道角动量可应用于新型的光信息编码与传输, 研究结果可望在这种新型的光信息编码与传输中得到应用。

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响, 采用钕玻璃脉冲激光(波长1054 nm, 脉冲宽度23 ns)对AM50镁合金试样表面进行冲击强化处理, 并对其表面形貌、微观组织、显微硬度、残余应力进行实验测试与分析。结果表明,在激光功率密度为3.1 GW/cm2的强脉冲激光作用下, 试样表面留下光亮致密的微凹坑, 凹坑深约27 μm; 表层材料发生高应变速率的塑性变形, 材料内产生大量位错与孪晶, 强化层深度约0.8 mm; 冲击区的显微硬度明显增加, 表层材料的显微硬度比基体约提高58%; 冲击区表面存在残余压应力, 数值高达-146 MPa。实验结果表明, 激光冲击镁合金的强化效果明显。

通过有效控制固体YAG脉冲式激光器的电流、脉冲宽度、频率、光斑直径、扫描速度等有关工艺参数, 模拟飞机腐蚀损伤的铝合金试样表面激光熔覆Al-Y(Y的质量分数为4%)合金,Al-Si(Si的质量分数为12%)合金, 充分时效后进行疲劳实验、疲劳断口分析和金相分析。结果表明, 熔覆Al-Y合金试样的安全寿命达到熔覆Al-Si合金试样寿命的339％, 熔覆层和基体结合得比较紧密, 熔覆层气孔、夹杂等缺陷较少, 疲劳断口裂纹扩展区存在疲劳条带和疲劳台阶, 熔覆 Al-Si合金试样的熔覆层气孔缺陷较多, 没有呈现低周疲劳的特征。

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm, 重复频率50 MHz, 最大平均功率16 W, 光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划, 并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比, 发现利用新组建的加工系统进行微纳加工, 由于单脉冲能量较小且便于调节, 使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制, 且避免了加工过程中未加工区域受到的污染, 保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。

采用激光熔注(LMI)技术在Q235钢表面制备WC颗粒增强的金属基复合材料(MMC)层。在激光熔注工艺特性和熔注层宏观特征分析的基础上, 采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对激光熔注层微观组织结构进行了分析。结果表明, WC颗粒注入到熔池的整个深度和宽度范围内, 并且在熔注层中的分布比较均匀。WC颗粒的加入改变了熔池的化学成分, 熔注层中出现了新相Fe3W3C。在熔注层上部存在较多Fe3W3C枝晶和少量枝晶间共晶, 在熔注层下部枝晶数量减少, 共晶数量明显增多。激光熔注层中不同WC颗粒周围反应层的尺寸和形貌存在很大差别。WC颗粒注入位置是决定反应层尺寸的重要因素。

在复杂型面激光热成形工艺规划中, 激光需要在板材的不同位置进行加热, 加工出所需要的目标形状, 而加热位置不同板材的变形不同。为了实现板材不同加热位置加工工艺参数的选择, 分别探讨了温度梯度机制和屈曲机制条件下加热位置对板材变形的影响规律。研究结果表明, 在温度梯度机制条件下, 当加热位置远离自由端时, 加热位置对弯曲角的影响不大, 当加热位置距自由端较近时, 加热位置对弯曲角有较大影响; 在屈曲机制条件下, 加热位置不仅影响板材的弯曲角, 而且影响板材的弯曲方向。因此, 在复杂曲面工艺规划中为了更准确地确定加工工艺参数, 建立工艺参数与板材弯曲变形基本关系数据库,必须考虑激光加热位置对变形的影响。

利用激光熔覆工艺在Ti-6Al-4V合金表面制备出原位自生TiC-Cr7C3-Ti-Ni金属复合陶瓷涂层, 以改善材料表面的综合性能。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量分散仪(EDS)、电子探针显微分析仪(EPMA)等手段对复合涂层微观组织结构进行研究。结果表明,复合涂层主要由β-Ti,γ-Ni固溶体及分布于晶间的Ti/TiC或Ti/ Cr7C3共晶组成; 晶内为贫Ni, C的β-Ti固溶体组织, 晶间为富Ti, C的Ti/TiC和Ti/Cr7C3共晶组织; 随着复合涂层成分的变化, 激光熔覆原位合成物的量发生相应的变化, 涂层熔区内晶体生长形态从网络状晶向树枝晶、等轴晶过渡; 复合涂层显微硬度值较基体有显著提高。

分析了弹性预加载下激光喷丸成形的机制, 并通过试验研究了板料在弹性预加载下激光喷丸成形的特性。试验用的激光脉冲参数为:波长1.06 μm,脉宽23 ns,光斑直径4 mm, 功率密度109 W/cm2量级;试样的材料为LY12CZ硬铝合金。试验结果表明,在弹性预加载下,板料在弹性预弯方向获得的弯矩要比与弹性预弯垂直方向上的弯矩大得多, 弹性预加载下激光喷丸成形可以有效地克服自由状态下激光喷丸件呈球形现象, 激光喷丸件的曲率是自由状态下激光喷丸成形曲率的2～3倍; 在相同曲率下, 弹性预加载下激光喷丸成形件的表面粗糙度比自由状态下激光喷丸成形件的表面粗糙度要低1～2等级, 因此弹性预加载下激光喷丸成形要优于自由状态下的激光喷丸成形。

以Kooijman眼模型为基础, 根据Jimenez的理论及临床上应用的Munnerlyn理论, 分析了激光在角膜前表面的斜入射和反射对角膜屈光手术后人眼成像质量的影响。研究表明, 激光的斜入射和反射会引起一定的术后欠矫, 但是影响不大, 对于-9D的术前屈光不正, 由激光能量损失引起的欠矫也只有-0.6D; 激光角膜手术本身会使术后角膜前表面的非球面系数变大。随着术前屈光不正的增大, 非球面系数由术前的负值变为正值, 使得术后的人眼球差增大。考虑了激光斜入射和反射后的术后非球面系数与Munnerlyn公式的预期值差别不大, 术后非球面系数的大小与光区的关系不大。

医疗激光在生物组织切割领域应用愈加广泛, 但其作用效果与不良反应仍未形成统一的参数标准, 对操作经验依赖严重, 不便于推广; 而激光参数的选择又对产品开发具有决定性意义。为寻求医疗激光标准化的工程优选参数, 通过动物体外实验, 在模拟手术环境下考察了不同能量密度Ho∶YAG激光(50～400 J/cm2)与狗肾实质等组织的相互作用, 获得了作用效果的统计结果、标本切片的显微图像、残留热效应记录。分析了作用效果的影响因素以及热效应的演化。研究发现, 作用效果的归一化曲线在290 J/cm2存在峰值, 可作为标准化工程优选参数的推荐值; 影响因素和残留热效应的分析为医疗设备的改进提供了参考。

用CO2激光(20.1 mW/mm2)辐照小麦种子3 min, 待其长至12天时, 用质量浓度10%聚乙二醇6000(PEG6000)胁迫其幼苗, 并通过添加NO的供体硝普钠(SNP)和血红蛋白(Hemoglobin,Hb; NO清除剂), 研究NO在CO2激光预处理提高小麦耐旱性中的作用。结果表明, 外源NO和激光预处理可使干旱胁迫的小麦幼苗丙二醛(MDA)含量显著降低(p<0.05), 而超氧化物歧化酶(SOD), 过氧化物酶(POD), 过氧化氢酶(CAT)活性, 叶绿素a, 叶绿素b含量和根干重却显著增加(p<0.05)。而经过适当剂量激光辐照干旱胁迫小麦幼苗再加外源血红蛋白(Hb, NO清除剂)处理则没有这种作用。

评估了不同离焦辐照条件对脉冲CO2激光骨硬组织消融的影响。实验样品为新鲜离体牛胫骨组织, 置于由计算机自动控制的一维电动平移台上。调节工作距离, 分别在光束聚焦平面前后光斑尺寸约为510 μm处进行非接触式垂直照射。脉冲CO2激光波长为10.64 μm, 脉冲频率为60 Hz, 能量密度范围5～45 J/cm2。平移台移动速度为20 mm/s, 重复扫描6次。肉眼和显微镜观察组织样品形态学变化, 常规组织病理切片处理, 苏木精-伊红(HE)染色, 共焦扫描显微镜观察并摄取图像。运用测量软件测量骨样品消融凹陷的几何尺寸, 获得切口宽度、深度和切口截面积随辐射曝光量的变化关系。结果表明, 脉冲CO2激光可以应用于骨头等硬组织的切割, 不同的离焦辐照条件对组织消融效果具有重要影响; 在临床上, 为获得窄且深的消融切口和高的消融率, 可以稍微将光束聚焦在组织表面下方。

以GaN基功率型发光二极管(LED)为代表的半导体照明光源, 具有其他传统光源无法比拟的诸多优点, 被公认为21世纪最有价值的新型光源。充分发挥功率型LED的优势, 利用非成像光学进行面向实际应用的功率型LED封装光学系统设计, 以高端半导体照明光源的制造为突破点, 带动整个半导体照明产业的快速进步, 已成为半导体照明技术发展的战略选择。回顾了非成像光学的历史、研究进展以及在半导体照明中的应用, 并通过设计实例, 介绍了面向功率型LED光线耦合、二维给定光分布以及三维给定光分布问题的非成像光学系统设计原理与解决方案。

在激光二极管抽运固体激光器(DPSSL)中设计一种由无刷电机驱动, 采用棱镜作为旋转反射镜的转镜Q开关。设计了20只棱镜的转盘, 获得重复频率14.3 kHz的激光脉冲, 实现了千赫兹高重复频率大功率关断能力的Q开关技术。在逐步提高转镜转速来缩短Q开关时间的实验中, 激光脉冲序列相应递减, 当棱镜转镜转速为4.3×104 r/min时, 获得脉宽89 ns, 重复频率14.3 kHz的1064 nm高重复频率脉冲输出。当输入功率为795 W时, 获得平均功率100 W脉冲输出, 电-光转换效率为12.5%, 峰值功率达到78.3 kW。实验结果说明, 棱镜转镜Q开关是实现全固态激光器千赫兹Q脉冲输出的可行技术途径之一。

针对脉冲宽度100 fs,带宽25 nm,能量6 mJ左右的超短脉冲基频光(经过透镜缩束后峰值光强为200～900 GW/cm2), 采用单块厚度为1.5 mm的BBO晶体进行了三倍频实验研究。在入射基频光强度约300 GW/cm2时, 得到的三倍频转换效率约0.8%。采用分步傅里叶变换及四阶龙格-库塔算法, 对描述飞秒脉冲单块晶体三倍频的耦合波方程组进行了数值计算。研究结果表明,三倍频光主要是由三阶非线性效应产生的; 基频光带宽较大是限制三倍频转换效率的主要因素之一; 对基频光的入射角度及方位角进行优化, 可较好地补偿非线性相位失配, 提高单块晶体三倍频转换效率。

为研究双折射光纤的高功率环形腔光纤激光系统输出稳定性, 提出了一种可能存在的矢量调制不稳定现象——边带偏振不稳定性(SPI)。结合偏振不稳定性与边带不稳定性的研究方法, 建立了偏振光在线性双折射掺杂光纤的环形腔中传输时满足的非线性薛定谔方程, 并求得了高双折射光纤中信号光偏振方向与主轴重合时扰动边带的解析解。研究结果表明, 在正常色散情况下, 沿主轴偏振的信号光在环形激光器中传输时, 各阶扰动边带所获得的峰值增益随着信号光功率的变化而呈锯齿状分布, 并随功率的增加而趋于一稳定值。

从光纤干涉环中受激瑞利散射(SRS)和光纤中受激布里渊散射(SBS)共同作用调Q的原理出发, 研究了光纤干涉环耦合比及环长对调Q光纤激光器输出激光特性的影响。分别采用耦合比为50:50,80:20,90:10的光纤干涉环在不同环长下搭建掺Er3+调Q光纤激光器进行实验。实验结果表明, 干涉环的耦合比和环长是影响输出激光特性的关键因素, 耦合率(～10%)的干涉环适宜产生脉冲激光, 具有高耦合比干涉环的光纤激光器只有连续激光输出; 环长根据干涉环耦合率 (～10%)在2 m附近调整可以获得理想脉冲激光输出, 环长过短时产生输出激光的弛豫振荡, 反之产生输出激光脉冲的分裂。采用耦合比为90:10,环长为2 m的光纤干涉环时, 在37 mW的抽运功率下获得脉宽7.2 ns,重复频率212.4 kHz,输出功率5.4 mW的脉冲激光, 脉冲波形较好, 峰值功率有～30%的波动。

根据双环掺铒光纤激光器的理论模型, 提出多变量单向耦合法实现混沌同步, 对主从系统模型进行数学推导, 研究不同参数条件下双环掺铒光纤激光器的混沌同步, 得到实现混沌同步的条件, 并在Simulink平台下动态仿真。结果表明, 衰减系数不同的两个双环掺铒光纤激光器, 主激光器通过定向耦合器驱动从激光器, 主从系统可以实现精确混沌同步, 且随着反馈强度的增大, 实现系统混沌同步的时间越短, 反馈强度的取值范围由衰减系数和耦合系数确定; 选取不同的系统初值, 主从系统可实现混沌同步, 系统初值对达到混沌同步时间的影响可忽略不计; 在主从系统中引入随机高斯噪声, 主从系统仍可实现较好的混沌同步。

介绍了用于大气吸收测量的电激励双模块小型连续波DF/HF选线化学激光器, 描述了其结构、运转方式和激光器的性能。在采用一级振荡、一级输出的利特罗(Littrow)自准直光栅色散腔结构的前提下, 激光器目前共获得17支DF激光谱线, 11支HF激光谱线, 大部分单谱线基横模输出超过1 W, 单次连续出光时间超过30 min, 功率稳定性在±5%以内。将激光器激光光栅改装为球面腔镜后也可输出多谱线DF/HF激光, 功率水平为20 W, 选模后基横模输出6～8 W。