采用1.06 μm纳秒脉冲固体钕玻璃激光器和K9玻璃材质铃形推进器开展了大气呼吸模式单脉冲竖直激光推进实验和相应的数值模拟研究。结果表明,纳秒脉冲激光推进中焦距在推进器构型因素中占主导地位,焦距越大,推进性能越好,焦距相同时,开口张角小、喷管长的推进器获得的冲量耦合系数越大,这与微秒脉冲CO2激光推进的结论不同。分析认为超短脉冲对推进器壁面的热损伤是短焦距推进器性能较差的真正原因。在18 J单脉冲激光作用下,12.5 g推进器被竖直推进24.5 mm,冲量耦合系数达到478.75 μNDK·sDK·J-1。通过与CO2激光推进实验结果比较分析发现,纳秒脉冲激光的单脉冲推进效果要优于微秒脉冲激光。

谐振式微型光学陀螺(RMOG)是利用光学萨格纳克(Sagnac)效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器,光波导环形谐振腔是谐振式微型光学陀螺的核心敏感部件。利用谐振腔内单点反射简化处理,结合多光束干涉叠加原理,得出了谐振腔背向散射输出谱线的表达式。在此基础上,利用激光器输出光频率进行扫描,对研制的保偏二氧化硅光波导环形谐振腔芯片进行了谐振曲线和背向散射谱的测试,得到了描述谐振腔背向散射特性的背向散射系数,实际测试曲线和理论仿真曲线吻合较好。

研究了在抽运激光光斑面积不同的情况下,两种小孔径光电导天线各自的辐射特性,并且将它们辐射出的太赫兹(THz)波进行了对比。目的在于找到提高小孔径光电导天线发射效率的方法,为研制高效率的太赫兹波辐射源提供参考依据。利用太赫兹时域光谱(TDS)技术测量了光电导天线辐射的太赫兹脉冲,得到了时域发射光谱,通过快速傅里叶变换得到相应的频域光谱。结果表明,两种光电导天线辐射的太赫兹信号强度都随着抽运激光光斑直径的减小而增强;随偏置电压的增大而增强;随着抽运激光功率的增大出现了先增强后饱和的现象。在偏置电压、抽运激光光斑直径与抽运激光功率相同时,对比两种光电导天线产生的太赫兹信号发现:蝴蝶型光电导天线的太赫兹信号的强度较大并且频域谱的半峰全宽(FWHM)较宽。

以水为冷却介质,针对固体激光器200 W/cm2散热需求进行喷雾冷却换热实验研究,重点研究介质体积通量在0.044-0.053 m3 /(m2·s),壁面温度为25-65℃ 范围内“无沸腾区”的散热特性。实验结果表明,通量为0.044 m3 /(m2·s),壁面温度为65℃时,散热功率可达257 W/cm2;在通量为0.053 m3 /(m2·s)时,保持同样壁面温度散热能力达到300 W/cm2。对实验数据进行分析发现,“无沸腾区”换热系数随着介质体积通量、壁面温度的增加而变大;对雷诺数Re＞440给出了反映换热特性的Nu与Re经验关系式。与Oliphant等给出的数据比较后发现,此关系式在Re＞240以后的计算结果,对工程运用亦有一定的参考作用。

测试研究了党参中药材不同部位的拉曼光谱、党参煎剂的拉曼光谱以及党参煎剂的表面增强拉曼光谱(SERS)。党参煎剂在银胶中的SERS信号明显增强。测试了党参煎剂、银胶以及党参煎剂与银胶混合体的吸收光谱,探讨了党参煎剂在银胶上的吸附特性及表面增强机理,并对所获得的党参煎剂的SERS信号进行初步谱峰归属。研究表明,SERS可能为党参煎剂或其他中成药生产、质量监控提供一种直接、快速、准确的检测新方法。

温度梯度是造成惯性约束聚变(ICF)驱动器中大口径光学元件变形的重要因素之一,靶场编组站是大口径光学元件较为集中的区域。利用靶场编组站周围温度的测量数据,得出了靶场编组站镜架的温度分布及变化特点,应用有限元分析软件对靶场编组站镜架24 h分时段的热应力和变形进行了分析计算,结果表明,靶场编组站镜箱内温度变化趋势基本一致,顶部相对底部温度梯度较大,两侧相对中间温度较高。当靶场编组站内温差为0.01 ℃左右或局部温差为0.1 ℃左右时,光学元件的镜面转角小于0.24 μrad,能够满足稳定性指标要求。

液体的可流动性为液体激光器热管理提供便利,研究液体流动状态对激光光束质量的影响对液体激光器研制具有一定的现实意义。采用Fluent软件,模拟了激光系统增益区液体介质横向流动状态。结果表明,介质流速较为均匀稳定,对于激光光束质量不会产生大的影响。实验测量了液体介质流速分别为0.48,1.51和5.39 L/min时,通过增益区的信标光(He-Ne光)相位分布,信标光的斯垂耳(Strehl)比为0.9964,0.9960及0.9936。在纵向均匀抽运条件下,粘性流动的非均匀性使得信标光的光束质量与理想流动相比略有下降,抽运功率密度为46.9 W/cm2,流速分别为0.48和5.39 L/min时信标光的Strehl比为0.9484和0.9995。当抽运功率密度升高至100 W/cm2,两种流速状态下的信标光的Strehl比为0.1051和0.9978。加快液体的流动速度可以减少因介质流速的不均匀而引起的波前畸变。

设计了一种新型改进结构马赫-曾德尔干涉(MZI)电光开关,即在传统结构MZI电光开关中,使用一个相位发生器(PGC)取代一个3 dB耦合器。给出了改进器件的模型和工作原理,导出了振幅传输矩阵,分析了相移补偿原理和开关条件,优化了结构参数,模拟了传输功率、输出功率、输出频谱、插入损耗、串扰等特性。仿真结果表明,所设计器件的开关电压为2.445 V,开关时间为18.1 ps,拓展后的输出频谱为110 nm,工作波长在1492≤λ≤1602 nm范围内,器件的插入损耗小于2.24 dB,串扰小于-30 dB。设计结果与基于光束传播法(BPM)的Optiwave软件模拟结果吻合较好。

计算了不同传输速率的高速光通信系统偏振模色散(PMD)的允许容差。介绍了光纤光栅PMD的测量方法,并分别测量了B/Ge和氢载两种光敏光纤上写入啁啾光纤光栅(CFBG)的PMD值。测量结果表明,相同参数情况下,两种光敏光纤上写入CFBG的PMD值分别为10 ps左右以及1 ps以下。在10 Gb/s,1500 km 光纤光栅色散补偿系统中,分别采用以上两种光敏光纤写入光栅制作色散补偿器,结果表明,当误码率为10-12时,未对光栅进行PMD补偿前,信道无误码功率代价分别为6.36 dB和1.42 dB。利用保偏光纤对CFBG的PMD进行补偿后,信道无误码功率代价改善为1.32 dB和1.36 dB。

给出了有损串联双微环谐振器的传输谱线和归一化延迟的解析表述,研究了耦合系数以及损耗对传输谱线和归一化延迟的影响。解析研究表明,在一定的耦合系数和损耗条件下,传输谱线和归一化延迟均出现双谐振峰的特征,但二者的归一化谐振频率并不重合。增大环波导耦合系数(或减小环环耦合系数),传输谱线和归一化延迟由非简并态演化为简并态,并且归一化延迟达到简并态时的环波导耦合系数要大(或环环耦合系数要小)。当损耗增大,传输谱线和归一化延迟也由非简并态向简并态逐渐演化。传输谱线的半峰全宽和归一化延迟3 dB带宽随着耦合系数或损耗的增大而增大。

提出了一种基于Michelson Gires-Tournois interferometer (MGTI)型不等带宽光交错复用器(interleaver)的新颖设计方法,可以简便地得到所有结构参数。通过z变换简化多镜GT腔(GTE)复杂的透射方向和反射方向光波电矢量的表达式,结合数字信号滤波器中椭圆滤波器的设计原理,利用极点值即可得到GT腔的腔长、臂长差和GT腔各镜面的反射率。给出了占空比为1:3的25 GHz不等带宽interleaver的设计实例,比较了采用不同GT腔结构的多组模拟仿真结果。分析了实现任意占空比interleaver的设计原理,给出了同一3阶结构情况下的4组不同占空比的设计实例,以及3组不同阶数下的占空比为1:4的该结构光交错滤波器的具体设计参数和结果。

分析了温度对布里渊光纤陀螺(BFOG)的影响。根据温度对布里渊频移和环行腔谐振频率的影响,分析了顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向受激布里渊激光器输出频率与温度的关系。分析了温度对萨格纳克(Sagnac)系数的影响。对于通常的BFOG(腔长4 m),温度变化大于一定值(近10 ℃)后才会对BFOG的拍频产生影响。对战术级的应用来说,温度对Sagnac系数的影响可以忽略,但是对于惯性级的应用,温度对Sagnac系数的影响不可忽略。

包层抽运光纤激光器是大功率激光器的研究热点,而双包层光纤的抽运光吸收系数的准确测量,对于稀土掺杂包层抽运光纤激光器的设计至关重要。从光纤中沿长度方向模式分布的角度理论上分析了如何准确测试包层抽运光纤的吸收系数,采用几种不同的方法对具有五边形内包层结构、低折射率材料作为外包层的双包层掺镱光纤的吸收系数进行了测试和分析。要准确测量包层抽运光纤的吸收系数,就必须采用多模光纤作为参考光纤,在注入双包层光纤之前,使抽运光具有尽可能多的模式。实验测试和理论分析结果表明,经过几米距离之后抽运吸收系数将变成线性。抽运光在双包层光纤中的吸收是一个非线性到线性的过程。

研究了一种基于悬臂梁结构的光纤法布里珀罗干涉式加速度传感器,光纤法布里珀罗腔是用电弧放电熔接方法将空芯光子晶体光纤(HCPCF)熔接在两根普通通信单模光纤中间而构成。这种法布里珀罗干涉结构对应变敏感,而对温度和弯曲不敏感。理论推导了悬臂梁自由端扰度与这种法布里珀罗干涉腔的腔长、干涉光强,以及光电探测电压之间的关系,得到了简化的加速度计算公式。实验证明这种结构测量加速度的可行性,在实验的基础上理论推导出这种系统测量加速度的分辨率约为8.42×10^-7 g,灵敏度为0.3386 V/g,提出了这种系统的进一步优化方法。

系统介绍了“神光Ⅱ”装置上线成像速度干涉仪的研制情况。根据“神光Ⅱ”靶场实际情况制定了光路排布方案,完成了成像系统的设计;根据物理需求、光路调节的难易情况、光学元件的加工难易度和加工成本等因素确定了干涉系统的结构,制定了干涉仪等光程调节方案,并获得了对比度较高的静态白光干涉条纹图像。通过调研和分析确定了任意反射速度干涉仪(VISAR)干涉图像的处理方法。

介绍了快速原型制造技术的发展状况以及目前世界上激光直接制造金属零件的两种主要方法,并指出了激光直接制造金属零件的最新进展以及未来发展趋势。

针对相干激光雷达距离像的距离反常噪声抑制问题,阐述了相干激光雷达距离像的噪声机理,分析了应用传统中值滤波方法抑制距离反常的缺陷,提出了基于排序差分和自适应中值滤波的距离像距离反常抑制方法。该方法首先对5×5滤波窗口内的像素值进行排序差分;然后选择低于门限的长度最长的连续差分值所对应的像素值作为距离正常值;最后对距离反常的当前像素进行自适应中值滤波。实验结果表明,该方法有效抑制了距离反常噪声,较好地保护了距离像中目标的边缘细节,均方根误差分别比3×3和5×5滤波窗口的中值滤波方法降低了41.7%和25.4%。

在光电跟踪中,对于低信噪比(SNR)的非对称激光目标图像,采用对Z. Zeev的方法改进过的宏像素质心迭代法来定位目标可明显提高抗噪声能力。该方法利用最大宏像素概念对目标区域进行初步估计,减少了计算量,提高了目标覆盖率。通过改进权值函数和比例函数,进一步提高了抗噪声能力。对于128 pixel×128 pixel的远场红外光斑图像,大小约为4 pixel×4 pixel的非对称目标,当信噪比为-5 dB时,利用该方法得到的质心误差仅为0.3 pixel,平均每帧仅需时50 ms。

数字微镜器件(DMD)是一种反射式空间光调制器,对其全息显示特性的充分研究有利于采用恰当的方法进行全息编码,为充满应用前景的全息三维显示打下基础。从DMD的微观结构入手采用灰度调制理论与菲涅耳衍射理论探讨了DMD进行全息显示的机理。阐述了DMD对全息图的调制机理与衍射原理,正确地解释了DMD全息显示的机制,并根据DMD的结构特点对所生成的全息图在制作过程中进行了相位补偿。

研究物面分波前反射镜运动调制参考光双曝光全息测量物体位移方向的理论与方法。在两次曝光全息图的记录过程中,置于物面的分波前反射镜作微位移,则该反射镜反射的参考光被反射镜运动所调制,由此记录的双曝光全息干涉图不仅含有物体位移数值的信息,而且还含有位移方向的信息。通过理论分析,建立了当观察点移动时这类双曝光干涉图上干涉条纹的移动方向与物体位移方向及分波前反射镜位移方向之间的相互关系和基本规律,导出了相关公式,并确立了测量物体位移方向的方法,给出了实验结果。

建立了一套激光驱动瑞利泰勒(R-T)不稳定性正向诊断实验数据的处理流程和方法,主要包括:利用拟合背光曲线的方法扣除背光的不均匀性;采用快速傅里叶变换(FFT)方法对数据进行光滑化处理(去除高频噪声)后得到探针穿越调制靶后的强度信息;结合R-T不稳定性的物理模型,给出R-T不稳定性随时间演化的一些物理规律。并使用这套方法,对神光II装置上取得的直接驱动铝平面调制靶动态诊断实验原始数据进行了处理,并从中得到了光学厚度和增长振幅等物理量随时间的演化规律。

对利用散焦光栅进行波前曲率测量的新方法进行了系统研究,在分析散焦光栅基本原理的基础上,提出了一种新的二元相位结构散焦光栅的设计思想,研制了基于散焦光栅的波前曲率传感器,应用于热容激光器和侧面抽运Nd:YAG热透镜效应的测量。同时设计了可应用于激光束M2因子测量的正交散焦光栅,该方法的主要特点是,可同时测量出光束的9个不同截面的光斑尺寸,能够实现对脉冲激光光束质量的测量。

为了探讨二极管激光自混合是否可用于高速(km/s)物体的速度测量,对二极管激光自混合测速上限(MMV)问题进行了理论分析。基于三镜腔模型得到了激光器输出功率波动频率与多普勒频率的关系,从载流子密度和光子密度的速率方程出发,将外部反馈光引入的扰动看成是以多普勒频率对激光器产生的小信号调制,得到激光自混合测速上限受激光器弛豫谐振频率大小限制的结论;根据理论分析,测速上限可达千米每秒。

基于飞秒激光脉冲产生的宽带光谱和马赫-曾德尔干涉仪的实验装置,利用频域干涉法测量了光子晶体光纤(PCF)在800和1040 nm波长附近的色散特性,并与有限元法(FEM)计算结果相参照,证明了该频域干涉测量装置具有良好的测量精度和实用性。

提出了一种采用频域滤波优化条纹来提高数字相位测量轮廓术(PMP)的测量精度的方法。由于数字投影仪和CCD的数字化特征,CCD获取的正弦条纹会出现多次谐波。而相位测量轮廓术的某些算法对高次谐波敏感使得测量精度低。通过设计滤波器对条纹在频域内进行滤波,对条纹的正弦性进行优化,减弱高次谐波对算法的影响,可以提高系统的测量精度。实验证明,所提出的方法将系统的测量精度提高了3倍,滤波操作完全由计算机自动完成。

利用一台小型Nd:YAG调Q激光器,在常压大气环境下诱导激发标准岩石等离子体,通过分析微光谱仪收集记录的等离子体发射光谱来定量分析样品中部分元素含量。选择Si元素作为内标元素,根据分析线与内标线的相对强度比,分别对岩石中的Mg元素和Ca元素建立不同的定标曲线。在实验条件相同且无光谱干扰的条件下,元素含量比的对数值与光谱线总强度比的对数值之间有很好的线性关系,其定量分析曲线的拟合度R最小值为0.996,测得相对标准偏差(RSD)的最大值为6.5%。研究结果表明,利用强度归一化法定量分析岩石主要元素含量在一定程度上可以提高测量准确度。

提出了一种基于激光多普勒法测量微小阻尼振动的方法。采用双光束干涉测量系统,得到激光干涉差拍信号。通过对实验的差拍信号进行频率分析,得到微小阻尼振动的频率;通过判断在差拍信号中的目标运动翻转点,得到振幅的大小;根据运动翻转点附近的微小位移与电压值的关系,利用阻尼振动的性质得到阻尼系数。通过仿真模拟和实验,证明基于激光多普勒法测量微小阻尼振动具有方法容易、信号质量好、精度和灵敏度高且误差小等优点。

通过对涂层进行单脉冲激光加载时产生的冲击应力与温度场的理论分析,提出以二分法迅速逼近涂层失效的激光功率密度范围,单脉冲激光离散划痕路径的优化方法。对激光能量的稳定性进行标定,并得出电压与激光实际加载能量的拟合关系式;采用二分法逼近激光功率密度范围并通过功率计在线检测确定涂层的失效阈值,对相关实验结果进行拟合处理,获得实际失效功率密度范围为0.328-0.391 GW/cm2,实际失效阈值分别为0.359 GW/cm2,0.348 GW/cm2,0.381 GW/cm2。经分析比较相关实验数据,验证了该方法的可行性和可靠性。

针对基板预变形下304L不锈钢的激光立体成形(LSF),建立了3D参数化模型,对激光成形过程中瞬时应力场以及残余应力场和基板最终形状进行了瞬态热弹塑性有限元分析。通过模拟发现,基板预变形可以有效缓解激光立体成形过程中基板的变形,提高成形后基板的平整度,从而有效避免基板翘曲导致的成形件精度降低甚至成形失败等问题。对于多道单层的激光熔覆沉积,基板上表面的残余拉应力σX分布在激光熔覆的最后2-3道处,而残余压应力σX分布在先熔覆的2-3道处,中间为过渡区。经预变形,激光熔覆沉积后处于基板上表面初始应力区的残余应力σX比无预变形要大,而远离初始应力区的残余应力σX比无预变形要小。

对35CrMoA钢进行激光淬火渗氮复合处理,采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、显微硬度计及磨擦磨损试验研究了激光淬火/渗氮层的显微组织、硬度及耐磨性能,并与气体渗氮层对比。结果表明,两种渗氮层均由ε相,相,Cr2N相及Fe3C组成。激光淬火/渗氮白亮层中ε-Fe3N含量较高,而脆硬的ζ-Fe2N相及Fe2O3含量较低,且Cr2N颗粒细小。扩散层中-Fe4N中存在超点阵结构,Fe原子和N原子在相中有序排列,相和α-Fe相存在一定的位向关系,二者的共格性和相容性优良,细小渗碳体分布在条状下贝氏体组织中。激光淬火/渗氮试样的磨损表面划痕较浅,而气体渗氮试样表面有较深的犁沟,局部区域存在剥落,激光淬火/渗氮复合处理使渗氮层深度增加,硬度提高,耐磨性增强。

激光喷丸强化是利用高能短脉冲激光和材料相互作用诱导的冲击波压力使材料表面改性的技术,适度残余应力场分布对应着特定的强化效果,需要优化的激光喷丸轨迹来实现。连续激光喷丸过程中冲击波压力及其残余应力的变化很难用实验来测量分析,导致强化过程不能有效控制。采用数值分析技术,在激光喷丸有限元建模的基础上,解决了脉冲激光束连续逐点喷丸强化的模拟轨迹控制。以连续单点单次和单点多次激光喷丸6061-T6铝合金为研究对象,对冲击波压力传播、应力分布及表面曲度变化进行数值分析,揭示激光喷丸强化中激光冲击波传播及应力变化内在的相互关系,为激光喷丸实验过程中参数优选和表面质量的有效控制提供理论依据。

以二维模型为基础,对端面双向抽运双包层平面波导激光器的热效应进行了理论分析和模拟计算,并研究了影响双包层平面波导激光介质中热应力的因素。

根据Navier-Stokes方程,采用COMSOL Multiphysics软件进行了载气式同轴送粉系统的三维气流流场数值模拟。结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流速减小、压强增大、相应的气流流量减小,并得到了气流汇聚点距喷嘴的距离。

基于“光束中空,光内送丝”的专利技术,实现了同轴送丝新工艺。这种新装置改光外倾斜送丝为光内垂直正向送丝,实现了光、丝精确耦合和熔道的各向同性。光内送丝熔覆成形试验表明:丝材熔化充分,熔道均匀平滑;熔覆组织致密,晶粒细小;平面搭接和立体堆积成形件均匀完整,熔道质量沿各方向均匀一致,无扫描方向性影响。光内送丝熔覆使三维送丝成形成为可能。

利用5 kW横流连续CO2激光器在45#钢基体上熔覆 FeAl基合金及TiC硬质相增强FeAl基复合材料涂层,并研究了稀土氧化物La₂O₃对两种涂层显微结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明添加稀土能够减少甚至消除FeAl基合金涂层中存在的孔洞,提高致密性,并能稳定、降低摩擦系数;添加质量分数1%的稀土对TiC硬质相增强FeAl基复合材料涂层的组织和摩擦性能影响不大。涂层的硬度和磨损形貌表明添加稀土对两种涂层硬度的影响不大,但能够使涂层表面的硬度值比较均匀一致,从而引起磨损表面的相对均匀与光滑。 FeAl基合金涂层的磨损机理为轻微的磨粒磨损,TiC硬质相增强FeAl基复合材料涂层的磨损机理为磨粒磨损与脆性剥离。

为考察不同工艺参数对熔覆指标的影响,以正交试验规则设计大功率半导体激光器熔覆2Cr13材料试验。实验表明,激光功率对熔宽、熔深和熔覆层硬度的影响最大,粉末输送率的影响次之,激光扫描速度的影响较小。以实验数据为样本建立的人工神经网络预测模型对熔覆层深度和宽度的计算准确性较好,而对熔覆层硬度的计算误差较大。

利用激光烧蚀与化学腐蚀复合加工方法对试样进行实验加工,来研究激光脉冲能量、脉冲宽度、重复频率和激光束扫描速度等参数对金属试样加工表面形貌的影响规律和机理,并研究了腐蚀介质种类和其浓度对加工表面质量的影响。结果表明,化学腐蚀可以大大减少试样加工表面的熔渣,对降低表面粗糙度起到良好的作用;激光能量密度、脉冲宽度、重复频率和激光束扫描速度等参数对金属试样加工表面质量有重要的影响。

分析了金属板料激光冲击成形的加工过程,为解决不同实验参数下金属板料变形量难以控制,实验参数难以优化的问题,提出了基于神经网络的控制板料变形量的方法,建立了激光加工参数与板料最大变形量之间的神经网络模型,编写了相应的控制软件,并应用该模型对SUS304,LD31,TA2和Al-Mg 4种不同板料在不同实验条件下进行冲击实验。结果表明,采用该方法可有效地优化冲击实验参数,控制板料变形量。

激光微冲击成形(μLPF)是利用脉冲激光产生的等离子体爆轰波的冲击力效应使超薄板材产生塑性变形的新技术。通过自主开发的有限元网格划分程序MicroMesh,实现了规则晶粒、晶界以及不规则晶粒、晶界的网格划分,并利用动态显式有限元方法(FEM),对超薄板材脉冲激光微冲击成形过程进行了晶粒级的数值模拟。较之一般的连续介质有限元方法,考虑晶粒和晶界的有限元法能够更好地反映板材的微观组织与性能。研究结果表明,该方法可以有效地模拟激光微冲击成形中板材的变形过程。

为了获得平整的熔覆层表面质量,对316L不锈钢激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度、平宽比(表面平整度与单层熔覆宽度比值)及平高比(表面平整度与单层熔覆高度的比值)的影响进行了实验研究。分析了单层熔覆宽度、单层熔覆高度与轨迹间的中心距及搭接率之间的相互关系,并进行了单层熔覆宽度、单层熔覆高度及表面平整度的测试。实验结果表明,随激光功率增大、送粉量增大及扫描速度的减低,熔覆层表面的平整程度降低;随载气流量增大,熔覆层表面的平整程度先增加后降低。

建立了侧面抽运板条激光器的热力学模型,对千瓦级侧面抽运Nd:YAG板条激光器的温度和应力进行了数值模拟,并对结果进行了分析。在抽运平均功率3890 W时,侧面抽运Nd:YAG板条激光器获得了1012 W平均功率输出,斜率效率约31％,光光转换效率约26％。测量了板条侧面的温度,与数值模拟结果吻合较好。

采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)仪等分析手段对560,650和800 ℃下高铬钢激光熔凝前后磨损面的形貌、化学成分及氧化膜形态和物相进行了分析,研究了不同温度下的磨损机制及耐磨机理。结果表明,激光熔凝处理使高铬钢中脆性碳化物完全溶解,熔凝层生成致密的奥氏体枝晶及细小的M23C6型晶间碳化物。560 ℃时高铬钢发生磨粒磨损,磨损面出现大量细小的犁沟和碳化物颗粒,激光熔凝处理后失重量降低,表面以磨粒磨损为主,并伴随轻微的粘着现象。650 ℃时高铬钢因发生严重粘着导致增重,激光熔凝试样表面发生均匀氧化,形成具有固体润滑作用的氧化物保护层,抗粘着能力增强;800 ℃时高铬钢激光熔凝前后均增重,且熔凝试样的增重量较低,二者的磨损机制均为粘着磨损。

设计研制了由激光照射源、激光能量/功率计、光学和机械调整装置、微机测控自动数据采集处理、打印扫描输出5个部分组成的激光防护镜自动检定装置,采用自建的特有测试记录方法和软件系统,可进行激光防护镜多项防护性能参数的测试、记录、保存和打印输出,并实现了微机测控和数据采集处理自动化,该检定装置的激光波长为1064 nm和532 nm;波长响应范围为0.4 -1.1 μm;测量能量范围为10-8-0.3 J;光密度测量范围为0.1-8.0;稳定度为 0.21%;扩展不确定度为5%。

为了克服微光(LLL)夜视系统易受外界环境影响的缺点,在微光夜视系统中加入激光助视系统可以改善系统性能。由于加入激光助视系统后光源类型发生变化,视距公式、光谱匹配系数等都随之变化。根据夜间景物反射特性和激光辐射光谱特性,给出了夜间一些景物在激光助视下的反射光谱,计算了微光夜视仪光电阴极光谱响应和景物反射光谱之间的匹配系数,并分析了其对照度、对比度等参数的影响。

利用Nd:YAG脉冲激光器冲击划痕物理气相沉积(PVD)工艺制备的无约束层的TiN薄膜涂层,研究涂层受冲击后残余应力状况,并分析冲击应力波对涂层结合强度的影响。研究表明,随着冲击划痕的激光功率密度逐渐增大,涂层表面原来的残余压应力显著减小,并在受激光冲击作用大的地方还产生了逐渐增大的残余拉应力;研究还表明,激光冲击涂层时产生的应力波对涂层的结合强度有明显的影响,当激光功率密度足够大时,产生的强大冲击应力波会导致涂层与界面间发生明显的翘起开裂和脱落。

报道了研制高功率全光纤化线偏振掺镱脉冲激光器,并用其抽运光参量振荡器(OPO)的研究工作。激光器以光纤化的声光调Q掺镱光纤激光器作为种子源,用大直径双包层保偏光纤作为增益放大介质。在40 kHz重复频率下,得到1064.2 nm处最大23.5 W 的线偏振脉冲激光输出,脉冲宽度约46 ns,偏振消光比(PER)优于10 dB,光束质量因子(M2)约为1.3。利用该全光纤激光器抽运基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂(PPMgLN)晶体的宽带可调谐OPO,在信号光1602 nm通道,获得11.05 W最大光参量输出,其中3168 nm处闲散光功率为3.01 W。OPO能量转换效率为56％,斜率效率为63％。在信号光1508 nm通道,获得9.87 W最大光参量输出,其中3614 nm波长功率为2.75 W。

在高功率Nd:YAG激光器中,由于部分抽运能量转化为热能沉积在介质之中,以及不均匀的冷却,导致激光介质内的温度分布不均匀,温度梯度进一步导致了介质内应力双折射、热透镜等热效应。模拟计算了Nd:YAG薄片激光介质在一定温度和应力分布条件下的应力双折射,并模拟计算了线偏振光通过该薄片介质后的退偏损失,计算结果与实验结果相符合。总结了一套计算晶体应力双折射的数值方法,并在此方法基础上编制了相应的MATLAB程序,为晶体应力双折射的消弱和退偏损失的补偿提供参考。

为研究激光二极管抽运的大能量重复频率Yb:YAG激光器的关键单元技术,建立了焦耳级10 Hz“V”型有源镜(AM)构型Yb:YAG激光器。设计了一套空心导管抽运耦合系统,获得了90%的抽运耦合效率。设计了水冷增益介质的热管理方案,10 Hz自由振荡模式工作时获得3.3 J激光输出,光光转换效率27.5%,相对1 Hz重复频率工作(4.4 J)能量仅下降了25%。对“正”、“背”面抽运两种构型的实验研究结果表明,“正”面抽运对介质热效应的抑制弱于“背”面抽运,与计算结果一致,但“正”面抽运效率高,无镀膜难题,更有利于工程化。

以求解热传导方程为基础,研究了端面抽运圆截面激光晶体内部温度场和抽运端热形变。通过对端面抽运激光晶体工作特点的分析,建立了晶体端面与外界非绝热边界条件;提出了热传导方程新的求解方法,得出了圆截面激光晶体内部温度场和抽运端热形变的解析表达式;研究了σ(空气传热系数与晶体导热系数之比)取不同值时,晶体中的温度场和抽运端热变形分布。结果表明,常用的晶体端面绝热假设与晶体实际工作状态不符。当σ=0,0.6和∞时,计算出晶体中的最大温升分别为165.2,135.7和40.1 ℃,晶体抽运端的最大热变形分别是0.66,0.55和0.22 μm。

介绍了在毛细管放电实验中采用预脉冲开关,成功地抑制了由于采用Blumlein传输线作为电流脉冲成形线时存在的前置固有脉冲对Z箍缩过程的破坏。同时成功地加载了预脉冲,建成了毛细管放电X光激光装置,实现了类氖氩46.9 nm软X光激光输出,准确地测量了激光波长,并对激光的一系列特性,包括激光的方向性、增益特性和束散角等进行了实验研究。这一装置提高了Marx发生器的使用效率,为进一步实现毛细管放电装置的小型化提供了一条有效的途径。此外还介绍了毛细管放电抽运机制可能的应用。

根据非线性晶体ZnGeP2(ZGP)的色散方程、能量和动量守恒,对ZGP-DFG过程的调谐特性、转换效率以及此过程中的允许参量、走离效应进行了数值计算和分析,得到了Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配条件下的ZGP-DFG角度调谐特性和转换效率。在Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配条件下,分别对ZGP,AgGaS2(AGS)和AgGaSe2(AGSe)晶体的调谐特性进行了比较,得到了在Ⅰ类匹配时,ZGP的角度调谐范围为51°-89°,对应的波长范围在3.1-12 μm;在Ⅱ类匹配时,波长调谐范围6.2-11.5 μm,对应的角度调谐范围为58°-88°。结果表明ZGP-DFG的走离效应较小且转换效率远大于AGS和AGSe晶体。进一步证明了ZGP为较好的中红外激光晶体。

氙灯抽运将导致钕玻璃内的不均匀温升,由此带来空间频率较低的热畸变,成为整个光路中最主要的畸变源。研究了400 mm口径4×2组合式片状放大器的动态热畸变问题。初步研究结果表明,在现有抽运结构下,抽运能量导致钕玻璃片表面最大温升约为0.85 ℃;由此引起钕玻璃片的“S”形变,最大形变大约为1.7×10-6 m,最大应力约为65 kPa,整个动态波前畸变约为0.3λ,与美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的实验值相符。在目前的抽运结构下,动态波前畸变满足设计要求。

报道了一种工作于全正色散(ANDi)区,具有自由耦合输出特点,腔型结构极为简单的高功率被动锁模飞秒光纤激光器。该激光器利用具有极低非线性系数的掺Yb3＋双包层大模场面积光子晶体光纤作为激光增益介质,光纤一端打磨成光滑的0角作为一端腔镜及自由耦合输出端,提供4％的反馈光用于维持腔内激光振荡。利用半导体可饱和吸收镜 (SESAM) 启动并维持稳定锁模,直接输出得到平均功率2.5 W,脉冲宽度2 ps的高功率超短脉冲,对应单脉冲能量44 nJ,脉冲经腔外压缩至430 fs。

为揭示激光诱导金属表面周期结构的阈值现象及规律的物理本质,实验研究了飞秒脉冲激光在不同实验参数条件下烧蚀铜、铝、银3种金属靶材表面产生的形貌变化,提出激光能量累积效应机制来定量解释激光诱导表面周期结构(LIPSSs)存在单脉冲能量密度阈值与脉冲数阈值的原因及其变化规律。基于激光脉冲能量时空上高斯分布假设和能量累积效应,定量讨论了飞秒激光动态扫描速度和激光脉冲能量密度对产生的表面周期性结构质量的影响,理论和实验结果符合较好。

采用光学参量振荡器(OPO)为激发光源,利用光激放电(PSD)测试技术研究了典型聚合物电介质材料的深陷阱能态。激发光源能够输出波长在210-420 nm范围内连续可调谐的激光,每个光脉冲平均能量为2.3 mJ,脉冲宽度为3-5 ns。实验表明,该光源可以很好地工作于PSD测试系统中,同时测得聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)内存在活化能为4.27 eV的单一深陷阱,而聚丙烯(PP)中存在活化能分别为4.92 eV与5.17 eV的深陷阱。这些数据是表征聚合物电介质材料中陷阱态的基本参数。

光路自动准直系统用于高功率固体激光装置光路自动调整,确保从预放注入的光束准确地通过主放大级光路到达靶点,准直算法和流程控制是光路自动准直的两项关键技术。针对神光-Ⅲ原型装置光路自动准直系统的腔镜准直算法,基于图像处理技术,提出了基于空间滤波小孔图像信号区域面积最大,长短轴控制以及x,y轴长度控制3种算法。在原型装置上开展的实验表明,x,y轴长度控制算法最有利于准直闭环控制的实现,其准直精度优于90 μm。在自适应波前校正系统完成波前预校正后,针对灰度分布变化的远场图像,再使用光路自动准直系统,对光束远场重新准直定位。结果表明,优化后的准直流程可以消除波前预校正对光束远场定位的影响。

基于冷原子实验对激光器的频率稳定性有很高的要求,设计了一套基于原子蒸气饱和吸收法的激光稳频系统。该激光稳频系统有较高的集成度,射频(RF)调制信号的产生、放大、滤波、混频以及误差信号的检出电路被集成到了一块3U的插件上,用于寻找光谱的扫描电路和锁频控制器(PI)集成到了另一块3U插件上。专门设计了一个14槽,19英寸(482.6 mm)宽的3U机箱来安放这些插件。这种高集成度的方式,不仅具有占用空间少、易于管理和维护等优点,其抗干扰能力也大大提高。采用高达21.4 MHz的调制信号,避开了低频的干扰,并使误差信号能反应出激光管更快速的相位抖动。

为了研究温度对980 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)输出特性的影响,理论计算模拟了温度为365 K和400 K时980 nm VCSEL 的功率-电流特性(P-I)曲线,计算了器件的特征温度。实验结果验证了理论计算结果,依据实验结果分析了温度变化对器件输出特性的影响。

中国科学院“计划”资助课题。