柔性加工中高功率激光束空间变换研究

在国民经济中占有重要地位的汽车工业中，对于大型覆盖件模具的表面强化处理，最常见的是火焰淬火。火焰淬火对操作人员的要求高，可控性差，效果不理想，但是由于一直没有适合的方法，目前也只能继续使用。而激光表面强化技术结合柔性加工系统正是解决这类问题的新途径。传统的激光表面强化是采用把激光束离焦后进行扫描的方式，这种方法不能充分利用激光功率密度，而且往往要用转镜或振镜形成条形光斑来加快处理速度，这就需要复杂的机械结构，而且产生难以避免的重叠回火。我们提出一种新方法，利用二元光学元件来获得一种新型的周期光强分布，实现其在高功率激光系统中的应用，并设计成为集成到柔性加工系统中的组成部分，能够完成对大、中型模具表面的激光强化处理。本论文的工作主要是有关激光柔性加工系统中的光束传输及变换子系统，不仅包括理论设计、加工制作，同时还包括把该子系统有效的结合到整个系统中。本研究工作广泛涉及激光理论，光束变换和光纤传输，系统中的模块化集成应用技术，金属材料的特殊分布光强表面改性试验研究等等，是跨学科的交叉研究工作。在本论文中，重点是二元光学元件的设计方法的选择、计算机辅助设计的实现、二元光学元件的制作和在高功率激光传输中的应用，以及特殊光强分布应用于金属表面改性中的相关工作。通过把二元光学元件引入到高功率激光加工中，对出现的新现象给出一定的预测和分析，并获得了良好的强化结果，最终实现了系统的集成化，并具有实际生产所要求的可靠性和灵活性。本论文共分六章，主要包括两方面的内容。第一章为绪论，第六章为结论。第一方面内容在第二章到第四章中说明，是用于高功率激光应用中的二元光学元件的原理、设计和制作。第二方面的内容在第五章中，是关于应用前面设计制作的二元光学元件，在实际的金属材料表面处理中的实验研究，给出了相关试验结果。

激光聚焦爆炸耦合场的理论建模与跨尺度计算

针对激光聚焦爆炸的电磁-热力耦合效应,在宏观尺度上,把描述激光电磁波散射和传播的Maxwell方程和高温高压气动流场的Euler方程结合起米,利用热力学状态方程(EOS)和电离平衡方程(Saha方程)并通过理论建模和数值仿真,研究和揭示激光聚焦爆炸效应及激光支持吸收波(LSC/LSD)的产生和演化、以及相关的反冲压力和动量耦合等相互作用机制.

高强度飞秒激光脉冲在空气中的自压缩

利用高重复频率(1kHz)、吉瓦级飞秒激光脉冲实验验证了高强度飞秒脉冲在空气中的自压缩现象，研究了入射脉冲在不同初始啁啾情况下经空气中聚焦成丝后，时域及频域特性随入射脉冲能量的变化规律．实验结果表明，在无需后继色散补偿情况下，高强度飞秒脉冲仅通过在空气中的非线性传输过程就可以实现脉冲压缩；在入射脉冲为负啁啾情况下，实验观察到脉冲光谱及时域宽度同时得到压缩，并可获得比激光源所能提供的更短的近双曲正割型变换限脉冲．

Study of the effect of alcohol on single human red blood cells using near-infrared laser tweezers Raman spectroscopy

The effect of alcohol solution on single human red blood Cells (RBCs) was investigated using near-infrared laser tweezers Raman spectroscopy (LTRS). In our system, a low-power diode laser at 785 nm was applied for the trapping of a living cell and the excitation of its Raman spectrum. Such a design could simultaneously reduce the photo-damage to the cell and suppress the interference from the fluorescence on the Raman signal. The denaturation process of single RBCs in 20% alcohol solution was investigated by detecting the time evolution of the Raman spectra at the single-cell level. The vitality of RBCs was characterized by the Raman band at 752 cm(-1), which corresponds to the porphyrin breathing mode. We found that the intensity of this band decreased by 34.1% over a period of 25 min after the administration of alcohol. In a further study of the dependence of denaturation on alcohol concentration, we discovered that the decrease in the intensity of the 752 cm(-1) band became more rapid and more prominent as the alcohol concentration increased. The present LTRS technique may have several potential applications in cell biology and medicine, including probing dynamic cellular processes at the single cell level and diagnosing cell disorders in real time. Copyright (c) 2005 John Wiley T Sons, Ltd.

近衍射极限半导体激光束波面检测

在星间半导体激光通信系统中，如何检测发射光束波面的质量是个较难处理的问题，为了较好地解决这一问题，在简单介绍白光横向双剪切干涉仪的基础上，报道了用此干涉仪对近衍射极限半导体激光光束波面的检测，在此基础上推导出计算远场发散度的公式。实验测得近场光束的波高差为0．2A，通过夫朗和费衍射求得光束的发散度仅为64．8μrad，这表明光束接近光学衍射极限。同时，表明双剪切干涉仪灵敏度高、实用性好。

适合于小飞机防撞系统的机载小型激光测距仪

报道了一种重量轻、功耗低、适合于小飞机防撞系统应用的小型激光测距仪。系统基于脉冲激光测距原理，采用905nm半导体脉冲激光器、电感升压式偏置高压电源和可编程逻辑器件（PLD），研制出重量不大于100g，功耗不大于625mW，测量范围100m，盲区3．0m，分辨率±1m的机载小型激光测距仪。实验测试结果表明，其各项技术性能指标符合无人驾驶小飞机防撞系统的应用要求。

提高能量密度的超衍射极限激光光束相位补偿技术

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板，不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩，同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中，使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾，而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。

Measurement of the wavefront of a laser diode system for intersatellite communication by a Jamin double-shearing interferometer

The frame of a laser diode transmitter for intersatellite communication is concisely introduced. A simple, novel and visual method for measuring the diffraction-limited wavefront of the transmitter by a Jamin double-shearing interferometer is proposed. To verify the validity of the measurement, the far-field divergence of beam is additionally rigorously analysed in terms of the Fraunhofer diffraction. The measurement, the necessary analyses and discussion are given in detail. By directly measuring the fringe widths and quantitatively interpreting the interference fringes, the minimum detectable wavefront height (DWH) of the wavefront is only 0.2 gimel (the distance between the perfect plane wavefront and the actual wavefront at the transmitting aperture) and the corresponding divergence is only 65.84 mu rad. This indicates that the wavefront approaches the diffraction-limited condition. The results show that this interferometer is a powerful tool for testing the semiconductor laser beam's wavefront, especially the diffraction-limited wavefront.

Designing a coupler for the intersatellite optical communication system

Coupling a single-mode laser diode with 200 mW to a single-mode fiber (SMF) through an orthonormal aspherical cylindrical lens and a GRIN lens for the intersatellite optical communication system is proposed and demonstrated. We experimentally studied how the coupling efficiency changes with the SMF's position displacement and axial angle variation, and obtained 80 mW output power at the end of the SMF, which shows that the coupling units have satisfied the designed request. (c) 2007 Elsevier GmbH. All rights reserved.

钛宝石强激光负载的有机硅复合凝胶增透膜研究

以硅酸四乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)为前驱材料，用溶胶-凝胶(sol-gel)方法在钛宝石表面制备得到均匀性良好且具有高激光损伤阈值的有机硅复合凝胶增透膜。膜层在钛宝石激光器输出波段(750～850nm)的增透效果显著，其平均透过率超过98．6％；激光破坏阈值为2．2J／cm^2(800nm，300ps)；膜层表面均匀性达到激光波面的要求，在皮秒、飞秒超短脉冲高功率激光领域具有应用价值。溶胶的性能测试结果表明，溶胶粘度和成膜折射率均随溶液中CH3SiO1.5溶胶体含量的增加而增大，而膜

图像处理在光路自动准直系统中的应用

光路自动准直系统应用于惯性约束聚变的高功率激光装置中的光束自动调整。图像处理是光路自动准直的关键技术之一。针对神光Ⅲ原型装置，结合阈值化、重心法、中值滤波和圆拟合等多种不同的图像处理方法设计了一套合理的准直方案，并且在模拟实验平台上进行了实验验证。实验结果表明，光路自动准直系统能够在15min之内顺利完成光路的自动调整，光束近场调整精度优于近场光斑的±0．5％，光束远场调整精度≤±0．3″，满足了原型装置的总体要求。

高功率钕玻璃激光三倍频脉冲时间波形的研究

基于目前国内规模最大的激光驱动器——“神光Ⅱ”八路基频光已经实现功率平衡运行，通过改变其中若干路三倍频系统各调谐量的偏离，对输出三倍频波形进行束与束之间的横向对比研究．研究发现，对于Ⅱ类-Ⅱ类偏振失配三倍频系统，在影响转换效率的三个调谐量中，偏振分配角失配△θp，对三倍频波形影响最大；在入射基频功率密度约为1．0GW／cm^2情况下，当三倍频系统三个调谐量都处在最佳匹配时，三倍频波形半峰全宽τ最小。研究工作为最终实现“神光Ⅱ”八路光束三倍频功率平衡输出提供了晶体调试的方法。

偏振分配角θp对高功率激光三倍频波形的影响

使用四阶龙格-库塔算法数值求解Ⅱ类-Ⅱ类偏振失配方案的三倍频稳态耦合波方程组。针对“神光Ⅱ”激光驱动器的三倍频系统，在二倍频匹配角吼和三倍频匹配角只均处于最佳匹配情况下，以1°为单位改变偏振分配角郇的偏离量，得到对应的三倍频波形特性的变化。研究表明，偏振分配角θp处于最佳理论匹配位时，对应的三倍频波形半峰全宽最窄，且波形上升沿抬起也最快；θp从最佳匹配位增加比从最佳匹配位减小对应的半峰全宽变宽更快，对应的上升沿抬起更慢。根据所得理论结果，在实验中调节偏振分配角θp，达到了改变三倍频输出波形特性，进而实现八

磷酸盐激光玻璃聚（CH3）2Si（OC2H5）2防潮膜

以（CH3）2Si（OC2H5）2为前驱体，采用溶胶-凝胶与有机合成相结合的方法，制得稳定性良好的涂膜液。采用旋转涂膜法在掺钕磷酸盐激光玻璃棒端面涂制防潮膜，膜层固化后透过率达96．5％，获得的膜层表面粗糙度优良，均方根表面粗糙度（RMS）为1．659nm，平均粗糙度（RA）平均为1．321nm；在激光波长1053nm，脉冲宽度1 ns条件下膜层的激光破坏闽值可达10～14 J／cm^2。经过“神光Ⅱ”高功率激光器物理实验运行，膜层使用期为五年，并且已经在我国“神光Ⅲ”原型装置上试用。

列阵透镜对能量测量影响的分析

结合列阵透镜的透过率分析了其后的光场分布。列阵透镜由多个列阵元拼接而成，用以改善主透镜焦点附近能量分布的均匀性。列阵透镜在提高辐照均匀性的同时，给能量测量带来了不利的影响。这是由于经过列阵元的相邻子光束会产生干涉，干涉条纹处的激光能量密度和功率密度相应都大为增加，其数值在干涉区域中心处能上升到原来的4倍。更高的能量密度和功率密度对能量计提出了更苛刻的要求。在没有采取适当措施的时候使用，就会损坏能量计。