激光介质的热效应会导致固体激光器在工作过程中产生像差, 造成激光光束质量下降, 严重影响了固体激光器的发展与应用。以一种固体激光器用微通道双面冷却系统为研究对象, 建立其三维物理模型, 采用流固耦合方法模拟冷却系统的流场、温度场及介质应力场, 并考察了流动雷诺数与Nd∶YAG晶体薄片内部热流量对薄片热变形的影响。结果表明, 冷却系统内流场对薄片温度场及应力场的影响不可忽略; 薄片的最大Von Mises等效应力出现在边缘位置, 且随着雷诺数的增大而减小; 薄片的热变形因流动状态的变化而存在不同的分布形式; 热流量只对薄片热变形的程度有影响, 热流量越大, 薄片的热变形越大。

介绍了一种工作在准连续状态下的直接液体冷却的侧面抽运Nd∶YAG多薄片激光谐振腔, 装置中选用20片Nd∶YAG薄片作为增益介质, 由激光二极管阵列在其侧面进行抽运, 流动的硅氧烷溶液作为冷却液在其端面进行冷却, 振荡激光以布儒斯特角穿过多层薄片和冷却液实现增益。设计了层流冷却流场并通过数值模拟验证了其对来流不均匀性的耗散能力。根据之前报道的层流冷却能力测量实验建立数值模型, 模拟了流场的冷却效果, 实验结果证明了模型的置信性, 进而基于模型对激光器中薄片的热安全性进行了评估。在抽运能量为49.9 J时, 获得了15.7 J的最大脉冲能量输出, 对应光-光效率和斜率效率分别为31.4%和39.2%; 在抽运脉宽为250 μs, 重复频率为100 Hz, 平均抽运功率为5 kW时, 获得了1440 W的平均输出功率。

报道了一种种子注入式PPMgLN外腔双共振环形腔光参量振荡器。抽运光偏振方向在PPMgLN晶体(MgO物质的量分数为5%)内满足e→e+e 相位匹配, 有效利用了晶体的最大非线性系数d33(25 pm·V-1)。以重复频率为400 Hz、功率为556 mW、波长为1064 nm的单频脉冲激光作为抽运源, 在晶体极化周期为30.5 μm、温度为110 ℃的条件下, 获得了平均功率为79 mW的1.57 μm信号光和平均功率为38.5 mW的3.3 μm空闲光输出, 抽运光-参量光的总转换效率可达22%。采用种子激光注入技术获得了单频窄线宽参量光输出, 实验测得1.57 μm信号光输出的线宽小于100 MHz, 10 min内频率漂移不超过141 MHz。

采用铒镱共掺光纤, 实现了一种双波长1.0 μm 调Q和1.5 μm增益开关脉冲光纤激光器。实验装置是一个双环腔结构, 两环的公共端共用一段铒镱共掺光纤。1.0 μm调Q脉冲通过未抽运铒镱共掺光纤的可饱和吸收效应产生。而铒镱共掺光纤对1.0 μm调Q脉冲的再吸收会周期性调制铒离子的反转粒子数, 从而产生重复频率相等的1.5 μm增益开关脉冲。随着抽运功率的增加, 这两种脉冲的重复频率从5.4 kHz增加到11.7 kHz。1.5 μm脉冲相对1.0 μm脉冲有一定的延迟, 并且延迟时间随着抽运功率的增大而不断减小。在最大抽运功率处, 1.0 μm脉冲宽度、单脉冲能量和最大平均输出功率分别是5.3 μs、402.6 nJ 和 4.7 mW, 而对于1.5 μm脉冲, 分别是4.6 μs、 374.4 nJ 和 4.4 mW。

径向偏振光聚焦后可以产生很强的纵向电场。以此为出发点, 首先依据基尔霍夫衍射理论, 计算得到了径向偏振光经锥面镜会聚后所形成的横截面呈现零阶贝塞尔函数分布的纵向电场, 分析了会聚区域光场的相干长度和横向宽度与入射光光斑尺寸、锥面镜的锥顶角以及锥面镜出射端半径的关系。在此基础上, 提出采用锥面镜和筒形反射镜的复合结构, 通过设计合适的锥面镜和筒形反射镜参数, 实现纵向电场的级联, 且电场呈周期性分布。分析了筒形反射镜的参数对所形成的级联纵向电场的横向宽度、周期和占空比等的影响。结果表明, 当所采用的锥面镜的锥顶角为60°时, 出射端半径和筒形反射镜的内径均为999.682λ(λ为波长), 可以实现周期长度为1154λ、占空比为1的纵向电场的级联; 当用于电子加速时, 加速区长度甚至可达到米级。这种级联纵向电场的设计将进一步使得电子的加速区长度得到显著增加, 为电子加速到更高能量提供了可能。

报道了一种基于光纤可饱和吸收体的纳秒脉冲掺铥全光纤双腔激光器。该激光器采用线型双腔结构, 采用1550 nm连续光纤激光器作为抽运源, 以光纤布拉格光栅作为波长选择器件, 利用掺铥光纤的可饱和吸收特性, 同时结合双谐振腔间的相互作用, 获得稳定的纳秒脉冲输出。分别采用单包层铥钬共掺光纤和双包层掺铥光纤作为增益介质, 研究二者对激光输出性能的影响, 并进行优化对比, 最终实现平均功率为256.3 mW, 最窄脉宽为87 ns的1993 nm激光输出, 脉冲重复频率在20.0~33.3 kHz范围内可调。

为了提高神光II 5 PW (SGII-5 PW) 超短脉冲激光系统的运行安全性, 针对大能量光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)光束近场分布均匀性问题, 从理论上进行了数值模拟, 并与实验数据进行了对比分析。在1 PW级放大器模拟中, 以预放大器以及神光II大能量抽运脉冲的测量数据为基础, 利用参量耦合波方程组数值模拟方法, 得到了近场填充因子与光通量对比度在光参量放大过程中的演变, 并结合转换效率与输出稳定性进行讨论, 得到了对应于高光束质量、高转换效率与高稳定性的非线性晶体长度优化范围, 结果还表明抽运光对放大后光束均匀性影响较大, 进一步提升神光II第7路光束质量是大幅提升第2级OPCPA (OPCPA-II)光束均匀性的切实途径。

搭建了一台中等重复频率、高峰值功率的Nd∶YAG激光器。激光器主要包括三部分：单纵模全光纤种子源、LD抽运的Nd∶YAG再生放大器和氙灯抽运的Nd∶YAG功率放大器。该系统获得了平均功率为12 W、重复频率为10 Hz、单脉冲能量为1.2 J、脉冲宽度为3 ns的激光输出, 工作波长为1064 nm, 输出光束口径为10 mm, 95%的能量在600 μrad范围内, 近场光强近平顶分布, 近场光强调制度小于1.2, 时间波形近似方波, 能量稳定性均方根值小于1.4%。

采用1150 nm光纤激光振荡器作为抽运源, 实现了3 μm波段中红外掺钬光纤激光器出光。该激光器采用线性谐振腔结构, 其由镀金全反镜与切割角度为0°的光纤端面构成。增益介质为一段长为4.5 m的双包层钬镨共掺氟化物光纤, 纤芯直径为10 μm, 纤芯数值孔径为0.2。当1150 nm抽运激光器功率为1.43 W时, 中红外掺钬光纤激光器输出功率为115 mW, 激光器系统的光-光转换效率为8.0%。在输出最大功率时, 输出激光中心波长为2868.4 nm, 输出光谱的半峰全宽为1.3 nm。相关研究成果对研制高功率紧凑型中红外掺钬光纤激光器具有一定的参考价值。

模式不稳定效应会影响高功率激光输出的光束质量, 成为高功率光纤激光器定标放大过程中获得近衍射极限光斑的主要限制因素。基于模式耦合理论建立描述模式不稳定现象的半解析模型。理论模型的计算结果表明与正向抽运结构相比, 反向抽运和双向抽运结构具有更高的模式不稳定阈值。通过实验对理论结果进行验证, 发现反向抽运光纤激光器的模式不稳定阈值至少比正向抽运结构高50%。实验中搭建反向抽运光纤激光器, 实现了2 kW窄线宽高光束质量激光输出。

将单层石墨烯覆盖在拉锥光纤上, 光通过倏逝场和石墨烯相互作用实现锁模脉冲输出。当抽运功率调到阈值230 mW时, 可以实现自启动的锁模脉冲输出; 将抽运功率固定在300 mW处, 调节偏振控制器可实现一个孤子束中包含2~6个脉冲的可控脉冲数输出; 将抽运功率固定在450 mW处, 调节偏振控制器可实现不同阶次的谐波锁模, 最高实现117阶谐波锁模, 此时脉冲重复频率高达2.412 GHz。

采用法布里-珀罗(F-P)标准具选模的脉冲单纵模激光器虽具有结构简单紧凑以及波长可调谐的特点, 但存在输出能量对腔长变化敏感、长期稳定性差等问题。针对这些问题并根据F-P标准具产生单纵模激光的工作原理, 分析了影响此类激光器输出能量稳定性的主要因素, 得到了频率、谐振腔长与输出激光能量之间的关系, 提出了动态反馈控制腔长的能量稳定控制方法, 设计了基于现场可编程门阵列的高速数字电路能量稳定系统。利用所提控制方法对谐振腔长进行周期性调制, 采用光电二极管探测纳秒脉冲激光信号的强度。腔长调制引起的纵模频率变化直接影响输出激光信号的强度, 通过分析激光强度变化的信息, 计算腔长失谐量, 以此为依据进行实时的腔长补偿, 从而形成闭环控制系统, 实现单纵模激光的长期稳定输出。实验结果表明, 采用所提控制系统时, 纳秒脉冲单纵模激光器能量稳定性得到显著提高, 连续工作3 h的能量不稳定度达到1.3%。

以铝包镍(KF-6)和TiB2为熔覆材料, 利用激光熔覆技术在铜合金(Cr-Zr-Cu)表面制备出了以KF-6为过渡层,以TiB2增强镍基复合涂层为强化层的梯度涂层。研究结果表明, 熔覆粉末中TiB2含量不同, 其在强化层中的组织形态存在明显差异; 强化层的平均硬度介于1150~1450 HV之间; 当TiB2质量分数为10%时, 梯度涂层具有最小的磨损率; 当TiB2质量分数为30%时, 梯度涂层具有较为平稳的摩擦系数(约为0.4); 处于基体和强化层之间的过渡层, 能有效减弱强化层与基体之间成份和硬度的突变, 使梯度涂层的成分及硬度平滑过渡。

利用激光熔覆增材制造技术制备了宏观形貌良好、组织致密均匀、无气孔和裂纹的WC/Co50/Al硬质合金涂层刀具。研究结果表明, 刀具熔覆层由WC、W2C、Al2O3、Co3W3C、固溶体CoCr和(Co,Ni,Fe,Cr)2Si等物相组成; 涂层表面的硬质WC大颗粒包覆在粘接相Co50中, 部分熔化和分解的WC小颗粒形成了固溶体; 切削过程中, 轴向切削力和径向切削力相对稳定, 切向切削力波动较大; 激光熔覆硬质合金刀具产生的切向切削力和切削热均高于YG8硬质合金刀具的, 但经前者加工处理后的工件的摩擦系数和表面粗糙度均小于后者的。

对2024-T351铝合金进行了深冷激光喷丸强化(CLP)处理。结果表明, CLP处理使得2024-T351铝合金的表层金属发生了有效的晶粒细化, 严重塑性变形层的晶粒尺寸大多在10 μm以下, 材料内第二相分布更为均匀; CLP处理后试样的表面硬度、抗拉强度和屈服强度比未处理样品的分别提高了34.1%、21.6％和28.9％, 材料的延伸率也略有提高, 实现了强度和塑性的同步增强。拉伸断口形貌表明, 2024-T351铝合金经CLP处理后的断裂形式为韧性断裂, 这有利于改善铝合金的拉伸性能。

使用选区激光熔化(SLM)技术制备了Ti6Al4V钛合金体心立方多孔结构, 分别研究了线能量密度和微杆直径对体心立方多孔结构成形方向(Z向)和非成形方向(X/Y向)压缩性能的影响。结果表明, 采用SLM技术成形的体心立方多孔结构存在明显的各向异性。随着线能量密度的下降, 体心立方多孔结构的抗压强度先增大后减小, 其各向异性程度在最优参数下达到最低。随着微杆直径的减小, 体心立方多孔结构的各向异性程度逐步降低; 当微杆直径降至0.4 mm时, 各向异性程度仅为3%左右。研究表明, 即使是各向同性的多孔结构, 采用SLM技术成形后, 也会表现出明显的各向异性; 这种各向异性与成形质量和层间界面有关, 通过调整工艺参数及修改模型特征尺寸可以在一定程度上减弱这种各向异性。

采用波长为1070 nm的光纤激光, 对厚度均为0.2 mm的304不锈钢和T2紫铜超薄板进行了激光搭接焊。采用钢-铜-钢三层搭接方法时, 能得到良好的焊缝和较宽的工艺窗口。焊缝显微结构呈现出与焊缝边缘平行的黑色层状花纹。能谱分析结果表明, 焊缝下部的铜含量高于上部的。显微硬度测试结果表明, 接头硬度最低区域为铜层热影响区, 单侧热影响区的宽度在1 mm左右。拉伸试验结果显示, 断裂位置处于铜层热影响区, 其最大拉伸强度为213 MPa。

采用有限元方法对三维平顶光束激光冲击2024铝合金进行数值模拟, 模拟结果与文献中的实验结果吻合。研究了不同工艺参数对材料残余应力场分布的影响。结果表明, 随着光斑尺寸的增大, 材料的残余应力增大, 而表面残余应力的变化梯度减小; 随着冲击次数的增加, 残余应力增大并趋于饱和; 当搭接率为10%时, 表面残余应力的变化梯度较小; 随着搭接率的增加, 深度方向残余应力增加但增幅较小。

研究了外加纵向磁场对SUS316L奥氏体不锈钢激光-稀有气体保护复合焊接接头成形特点、微观组织及显微硬度分布的影响。实验结果表明, 在外加纵向磁场的作用下, 接头的余高减小, 熔宽增大, 成形系数增大, 截面宽而深。外加磁场改变了接头的热循环, 使热影响区析出长条形δ-铁素体, 抑制了晶粒的生长。外加磁场使熔池旋转, 接头晶粒得到细化, 结晶均匀性得到提高, 显微硬度分布变得稳定。这种影响随着磁感应强度的增加而增强, 随着接头深度的增大而减弱。

采用热弹性模型, 对光学薄片点胶过程进行了有限元分析。对点胶后影响工件面形变化(Δp)的工艺参数进行了优化。研究结果表明, 对于光学薄片(直径为100 mm, 厚度为2 mm), 宜选择具有高弹性模量和低热膨胀系数的薄底板材料, 且胶点的半径、个数及弹性模量越小, Δp越小; 胶点位置应该避开高Δp区域; 胶点的热膨胀系数对Δp的影响较小。

随着**隐形、太阳能转换以及激光热处理等技术研究的日益深入, 对表面吸收膜的技术要求不断提高。为满足太阳光谱吸收的要求, 研制了一种在400~2500 nm波段具有强吸收作用、适应多种基底的光学薄膜。通过分析吸收理论, 建立吸收结构模型, 并结合材料的特性研究, 实现了吸收膜的设计。采用真空离子辅助沉积技术, 根据逆向反演法, 对“分步沉积”工艺二次优化, 制备了太阳光谱强吸收膜。测试结果表明, 研制的吸收膜在400~2500 nm波段的平均吸收率为98.15%。制备的吸收膜通过了机械牢固度测试, 与基底能够很好地结合。

利用波长为800 nm、脉宽为30 fs的脉冲激光聚焦后烧蚀氯金酸(HAuCl4·3H2O)水溶液制备了金纳米粒子, 借助紫外-可见吸收光谱、透射电镜形貌、X射线衍射谱和选区电子衍射谱分析了氯金酸水溶液浓度、激光脉冲能量和分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)添加量等对金纳米粒子粒径及其分布的影响。实验结果表明：金纳米粒子的表面等离子体共振吸收峰约在530 nm波长处; 在其他条件不变的条件下, 较低的溶液浓度、较高的激光能量和较高的PVP添加量有利于获得粒径较小、粒径变化范围较窄且分散性较高的金纳米粒子; 制备的金纳米粒子绝大多数为球形, 并具有多晶结构, 金纳米晶体的(111)、(200)、(220)和(311)晶面都有较强的X射线衍射峰; 金纳米粒子的生长过程分为团聚和吸附两个阶段。

激光多普勒流速仪(LDV)具有准确度高、非接触测量、动态响应快等优点, 在流速测量中得到了广泛应用。条纹的非一致性是影响激光多普勒流速仪测量精度的重要因素, 因此精确获知测量体中干涉条纹间距及梯度分布情况, 是激光多普勒流速仪准确测量流速的前提。对激光多普勒流速仪测量体中的干涉条纹间距及梯度分布进行了理论分析, 揭示了高斯光束固有传播特性与其测量体中干涉条纹分布之间的关系, 确定了影响干涉条纹分布的参数。使用光束分析仪分别获得绿光和紫光的束腰半径为114 μm和83 μm, 并确定了束腰的空间位置, 利用测得的相关参数量化了绿光和紫光测量体中任意位置的干涉条纹间距及梯度分布, 绿光和紫光测量体中归一化后的条纹梯度最大分别可达0.46%和0.60%。通过与转盘装置所测得的绿光和紫光干涉条纹间距结果进行比较, 对干涉条纹分布的理论分析及测量结果进行了验证, 最大相对误差分别为0.87%和0.78%。

为了获取高信噪比的图像, 采用紫外敏感型科学级光电探测器CCD47-20, 设计了可在特定紫外波段对燃料燃烧火焰进行快速曝光成像的紫外成像系统。CCD47-20具有较深的势阱, 可以保证成像系统的信噪比。然而对于此类CCD, 其曝光时间通常在200 ms以上。为了实现对目标的快速曝光, 在分析CCD47-20的性能及工作原理基础上, 设计了基于两次帧转移、一次水平读出的CCD驱动时序方法, 完成了成像系统的设计, 将CCD的曝光时间缩短至10 ms。在实验室对系统进行了辐照测试, 结果表明, 当曝光时间改变时, CCD响应度为线性, 验证了时序及驱动电路设计的正确性。信噪比测试结果表明系统信噪比达到46.8 dB。在外场, 对固体燃料火焰进行了成像, 获取了火焰在特定紫外波段的图像, 捕捉到了剧烈燃烧的火焰形状, 验证了紫外成像系统快速曝光的性能。

为了提高立体视觉方法的测量精度, 提出一种极线约束修正数字图像相关(DIC)匹配的立体视觉测量方法。该方法通过DIC方法获得立体匹配的初值, 应用极线约束对匹配计算结果进行修正, 取位于右极线上距DIC匹配结果最近的点作为新的匹配点, 并将该种匹配修正方法推广到右图像时序匹配。在材料实验机上完成304不锈钢试件单向拉伸实验, 以引伸计的测量结果为真值, 对比极线约束修正前后的双目立体视觉的测量误差。实验结果表明, 极线约束修正以后, 双目立体视觉测量误差的最大值、平均值及均方值均减小, 说明极线约束修正后的匹配方法可以提高立体视觉方法的测量精度。

基于非傍轴矢量光束传输理论, 研究了拉盖尔高斯光束的远场特性。运用角谱衍射公式以及稳相法, 得到了初始为线偏振态的拉盖尔高斯光束传输一段距离后的矢量电场分布的解析表示式。数值计算了初始为x方向偏振的拉盖尔高斯光束沿z轴传播时各方向的电场分量及等相面空间分布。结果表明, 传输一段距离后, 出现了平行于传播方向的电场分量, 其强度分布呈双峰结构, 且其值远小于垂直电场方向的分量值; 随着拓扑荷数的增加, 该平行分量增加, 光斑发散程度也相应增强。该光束等相面呈螺旋状分布。

根据衍射理论及艾里函数的定义, 在考虑产生艾里光束立方相位掩模板的中心偏离傅里叶变换透镜光轴的情况下, 理论推导了艾里光束的强度峰值轨迹表达式, 并研究了光束初始发射角对艾里光束加速轨迹的影响。研究发现在横向加速度一定的情况下, 初始发射角越大, 光束传输轨迹的变化越大。利用全息缩微输出系统制备较大尺寸的相位掩模板, 产生了加速艾里光束, 较大幅度地改变了艾里光束的初始发射角, 并达到了大幅度调控艾里光束传输轨迹的目的。

随着水下光通信、传感和激光雷达等领域的快速发展, 深入研究海洋湍流对光束传输特性的影响具有重要的意义。采用数值模拟方法研究了慧差光束通过海洋湍流的传输特性。研究结果表明海洋湍流会导致光束慧形分布消失; 慧差光束的质心位置与最大光强位置不重合; 相比于以最大光强位置为中心、以光束质心位置为中心时计算得到的束宽要小, 但其受海洋湍流影响更大; 以能量Strehl比作为评价参数时, 慧差越严重, 则光束能量集中度受海洋湍流影响越小; 以β参数作为评价参数时, 当慧差系数取某特定值时, 光束能量集中度受海洋湍流的影响最大, 在实际应用中应该避免这种情况。能量Strehl比与β参数的物理含义不同, 分别表示按照给定桶半径内所含能量定义的能量集中度(能量Strehl比)与给定桶中功率百分比定义的能量集中度(β参数), 两者受海洋湍流的影响是不同的, 这在实际应用中应当特别注意。

为实现机械手指的复合式触觉传感, 以光纤布拉格光栅(FBG)为传感元件, 将压力传感器和温度传感器封装在同一聚合物传感单元中。分析了压力传感器受目标物体温度扰动的特性, 同时利用逆传播神经网络对FBG触觉传感信号进行处理, 实现了对传感单元表面正向压力的准确识别。仿真与实验结果表明, 该方法进一步消除了目标物体温度对应变传感器的影响, 减小了应变传感器的不确定性误差, 提高了压力测量结果的稳定性和测量精度, 补偿后压力传感器的温度漂移率仅为1.2×10-4 nm/℃。将补偿研究应用于机械手指FBG触觉传感阵列, 可以有效抑制温度对应变传感的干扰, 使得柔性机械手指触滑测量系统具有更加广阔的应用前景。

少模光纤的模式耦合引起模分复用(MDM)系统传输性能劣化, 是造成MDM技术难以在实际中大规模应用的主要因素之一。精确测量少模光纤模式耦合系数和量化分析模式耦合与系统性能之间的关系, 可以为系统的损伤补偿提供可靠依据。分析了当前少模光纤模式耦合测量方法的利弊, 并基于背向瑞利散射原理建立了一种模式转换器/解复用器和光纤环形器结构的少模光纤模式耦合测量系统, 通过与多输入多输出功率分析的测量结果进行对比, 验证了所提系统的测量性能。实验结果表明, 所提系统较好地实现了对9.8 km少模光纤模式耦合分布的测量, 且测量结果稳定。

在单光源室内可见光通信(VLC)系统中, 为了准确评价多径效应对系统性能的影响, 提出一种室内VLC多径信道建模方法。用迭代法计算视线传输(LOS)和反射传输冲激响应, 分析接收端抽样周期和发光二极管(LED)调制带宽之间的关系, 并定义码间干扰(ISI)。以LOS信道时延作为建模起点, 将接收端相邻抽样间隔之间的所有冲激响应之和作为多径信道路径增益。正交频分复用(OFDM)技术能有效抵抗ISI, 在室内多径信道下, 考虑非线性限幅噪声影响时, 推导了直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)和非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)的理论误码率(BER), 并建立了蒙特卡罗仿真模型。研究光电检测器(PD)位置、LED的半功率角、PD视场角(FOV)和直流偏置参数对系统BER性能的影响。仿真结果表明, 当PD在房间中心时, 受多径干扰影响最小, BER性能最好; PD移到墙壁位置时, 受多径干扰影响大, BER性能差; 随着FOV和LED半功率角的增大, PD接收到的反射光功率增加, 多径干扰增大, BER性能变差; 直流偏置越大, DCO-OFDM系统BER性能越差。

在介绍捕获、跟踪、瞄准(ATP)精跟踪子系统结构、控制原理及控制算法的基础上, 通过搭建半物理模型来分析不同分辨率数模转换器对应的跟踪性能, 分别对同一位置光束与加入扰动后的光束进行跟踪对比实验。结合精跟踪控制系统的信号传输, 分析不同分辨率的数模转换器对ATP系统跟踪精度的影响。实验结果表明, 数模转换器的分辨率越高, ATP系统的跟踪性能就越好; 使用14位数模转换器时, 继续增加分辨率, ATP系统的跟踪精度没有得到显著提升。对跟踪后的光斑质心信号进行频谱分量统计,得出干扰抑制带宽之外的频段内数模转换器的分辨率与对应的频谱分量成正比, 因此需要进一步提高精跟踪系统的干扰抑制带宽来实现更高精度的跟踪。

采用Monte Carlo模拟研究了单光纤反射探针的漫反射率, 发现小孔径探测器收集到的亚扩散光对散射相函数是敏感的, 而散射相函数与生物组织的微观结构有关。研究了一个适用于小孔径测量的半经验漫反射模型, 分析了与生物组织微观结构有关的二阶和三阶光学参量对该模型的影响。结果表明, 两个高阶光学参量对漫反射的影响具有相反的效果, 并且对于光学各向异性的生物组织, 这两种影响是不可忽略的。给出了一个简化的半经验模型及其适用条件, 这为生物组织散射特性及相关微观结构的在体测量提供了新的技术支持。

提出了一种提高扫频光学相干层析成像(SSOCT)系统灵敏度的方法。在SSOCT系统中, 当平衡探测器前耦合器的分束比不是50%∶50%时, 会在探测的干涉信号中引入直流偏置, 从而影响系统的灵敏度。分析了干涉信号中引入直流偏置时耦合器分束比对系统灵敏度的影响, 证明了通过调节耦合器的分束比并增加参考臂能量的方法可以提高系统的灵敏度。基于实验中SSOCT系统各器件的参数, 对系统的灵敏度进行了数值模拟, 模拟结果证明了所提方法的有效性, 灵敏度测试实验结果表明应用所提方法后系统的灵敏度提高了2.3 dB。

研究光在生物组织中的传输过程时需要更精确的散射相函数, 这就需要研究细胞核对相函数的影响。基于几何散射逼近理论修正了单一分散系有核细胞的Mie相函数、不对称因子g和二阶参量γ; 分析了有核细胞形态及光学参量对Mie相函数角分布和Airy峰数的影响; 对g和γ随入射光波长、细胞尺寸、核质比和折射率的变化规律进行了数值模拟。结果表明：Mie相函数分布、Airy峰数、g和γ不仅与细胞的大小有关, 而且与细胞核占比及折射率有关, 不能忽略细胞内部光学结构的影响。与HG相函数相比, Mie相函数能够描述侧后向散射特征, 更准确地计算g和γ, 为研究细胞的免标记识别方法以及激光在生物组织中的传输特性提供了进一步的理论支持。

提出了一种基于温敏薄膜的锥形双包层光纤(TDCF)温度传感器, 其由两段普通单模光纤(SMF)之间熔接一段TDCF组成, 呈SMF-TDCF-SMF结构。由于输入端SMF纤芯模的模场与TDCF纤芯模的模场极度不匹配, 因此由SMF传输过来的光除一部分耦合进TDCF的纤芯中外, 其余部分耦合进TDCF的包层中以包层模的形式向前传输。当这两束光到达输出端SMF时发生干涉, 形成马赫-曾德尔干涉仪。在锥区涂覆一层温度敏感薄膜, 使得TDCF纤芯模和包层模之间的光程差会随着外界温度的变化而改变, 从而引起传感器干涉谱的变化, 因此可以通过检测传感光谱的变化实现对温度的测量。实验研究了传感器的温度特性, 结果表明：随着拉锥长度的增加, 干涉光谱的自由光谱范围逐渐减小。当拉锥长度为16 mm, 温度在32～65.3 ℃范围内时, 随着温度的增加, 传感器的传输光谱出现蓝移现象, 温度灵敏度最高可达-1296.78 pm/℃, 且具有很好的线性度。该传感器制作简单、灵敏度高, 在科学研究和工农业生产的温度测量场合具有较好的应用前景。

为了研究被测目标在氧气A带的自发射光谱与透射率的关系, 根据透射率的计算方法, 提出了采用偏最小二乘回归法对氧气A带的光谱进行基线拟合, 搭建了实验系统, 验证了该方法拟合基线的准确度。首先, 以黑体辐射理论为依据, 给出氧气A带平均透射率计算方法, 以实际被测目标光谱为研究对象, 以带外数据为依据, 利用偏最小二乘法拟合被测目标在氧气A带的基线。为提高拟合精度, 剔除了测量奇异点, 并利用基线拟合不确定度来评价偏最小二乘回归法拟合基线的准确度。为了验证该方法的准确性, 以卤素灯为光源, 在0～130 m范围内, 获得不同距离处的光谱曲线, 以及相同距离不同分辨率下的光谱曲线, 将各种曲线分别进行基线拟合, 分析各自的标准偏差。结果表明, 同一距离处不同分辨率下的平均标准偏差为0.23%, 随着分辨率的降低, 基线拟合不确定度变小, 信噪比增大; 基线拟合不确定度还与测试设备的分辨率有关, 分辨率越高, 带外信息基线拟合不确定度越大, 反之, 带外基线拟合不确定度越小。

通过测量不同低浓度血小板衍生生长因子-BB(PDGF-BB)水溶液的表面增强拉曼光谱(SERS), 可以检测到质量分数低至10-8的PDGF-BB水溶液在拉曼频移为1509 cm-1处的拉曼特征峰。通过检测行皮冠状动脉介入治疗术(PCI)患者(动脉粥样硬化程度较高)术前尿液样本与未行PCI患者(动脉粥样硬化程度较低)尿液样本SERS, 并结合PDGF-BB的1509 cm-1处拉曼特征峰可以发现, 行PCI患者尿液样本的SERS中可以检测到PDGF-BB的拉曼特征峰, 即PDGF-BB在尿液中的浓度与动脉粥样硬化程度相关。结果表明, SERS技术可以检测到极低浓度PDGF-BB水溶液的拉曼特征峰, 尿液的SERS可以成为判断冠心病患者是否需要进行PCI的重要依据, 因此SERS技术有望成为一种无损检测与筛查冠心病的临床诊断工具。

基于双多层介质膜衍射(MLD)光栅的超窄带光谱滤波系统可以获得普通窄带滤光片无法实现的亚纳米级超窄光谱滤波宽度, 利用该系统有望极大地提高激光回光探测系统的信噪比和抗干扰能力。设计了一套基于双MLD色散补偿光栅的超窄带光谱滤波系统, 使用CODE V软件对系统像差进行理论仿真, 发现系统像差可忽略不计; 使用Matlab软件对系统的滤波线宽和有效能量透过率进行理论仿真, 为解决实际滤波问题时, 根据实际需求选择最优系统结构参数提供了较完整的理论基础。最后, 在实验室采用国产多层介质膜光栅, 在1064 nm中心波长段, 成功将光谱半峰全宽(FWHM)为0.3 nm的入射激光转换为光谱FWHM为0.03 nm的出射激光。