连续波腔衰荡光谱技术中模式筛选的数值方法

连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量中多模衰荡的产生是严重影响痕量气体测量灵敏度的重要因素.本文针对衰荡腔内无光阑或光阑滤模不彻底的CRDS装置,通过分析腔误调时的能量耦合规律以及受关断时间影响的衰荡过程,提出阈值选择和拟合度判定两种非光阑模式筛选方法,利用数值方法达到抑制多模衰荡及筛选基模衰荡(优衰荡)的目的.首先对CW-CRDS实验中平均采样和单次采样模式下出现的多种衰荡类型进行了归纳分析,发现可以通过单次采样数据预测多次采样的测量结果,实验结果与预期一致.解决了CRDS实验"平均"和"拟合"的先后顺序问题.在此基础上,利用优衰荡出现概率满足二项分布模型的特性,建立了优衰荡出现频率随触发阈值变化的概率模型,用于选择合适的触发阈值.实验表明提升触发阈值可以有效地抑制多模衰荡,使测量灵敏度提升约一个数量级.随着触发阈值的提升,通过优衰荡得到的Allan方差将趋于一个定值,但是衰荡过程获取时间将逐渐延长.因此,在CW-CRDS检测中触发阈值应设置在保证全部衰荡过程均为优衰荡的最小阈值处.之后,采用拟合度判定法对实验数据进行了筛选.最后给出了两种方法的适用范围,拟合度判定法虽然简单但局限性较大,阈值选择法可适用于腔误调程度不严重的情况.

高功率板条激光介质的纵向强制对流换热技术

液体强制对流换热因具有较高的可靠性和性能稳定性而被广泛使用于高功率板条激光介质介质的制冷,但沿流场方向产生的温度梯度会显著改变激光介质的热应力状态而带来不良影响。提出了基于冷却流场与目标温度匹配控制思路的双大面侧泵激光介质纵向强制对流冷却方案(Longitudinal forced convection),利用非定常边界条件的流-固耦合有限元仿真方法对比了全腔浸泡对流冷却(Cavity forced convection)、微通道传导冷却技术方案(Micro-channel conduction),针对入口流量、流场状态、流道壁面条件等因素进行了详细研究。在30 L/min入口流量下,该方案热交换区域固液界面平均对流换热系数达104 W·m^-2·K^-1量级,且均匀分布。此外,通过改变壁面粗糙程度能够获得更高的对流换热系数。根据设计结果研制了一套板条激光放大器,实验监测点的温度结果与模拟仿真预测结果相吻合,冷却性能达到预期。

单光束多组分温室气体的腔衰荡光谱同步检测

腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。利用DFB激光器波长可调谐特性,通过强弱吸收峰结合,使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高,为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量,在平衡吸收损耗的基础上,选取1653~1654nm内甲烷的强吸收峰与水汽、二氧化碳的弱吸收峰进行测量。通过光谱叠加反演矩阵,分别得到甲烷、水汽、二氧化碳的浓度。在计算测量灵敏度过程中发现,通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间),会对噪声等效吸收系数产生影响。多数情况下,在测量灵敏度计算方面,列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT);但当衰荡曲线的单指数性下降时,上述结论不一定成立。搭建了一个低精细度(F≈6×10^3)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×10^5),低精细度衰荡腔的衰荡速率较快,衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。实验表明,在过滤区间长度较短时,采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。当过滤区间长度增加时,L-M算法得到的结果优于DFT算法。在受过滤区间长度影响方面,DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。根据Allan方差分析,在512次采样平均(约8s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算,该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10^-10cm^-1。在25℃标准大气压下,对应甲烷、水汽、二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64ppbv,3.5ppmv和4.0ppmv。基于该CRDS装置,通过单光束多波长测量方法,利用光谱叠加反演矩阵,测得大气中甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.018,3654和526ppmv;而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.037,3898和630ppmv。通过与温控调节波长,逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比,采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。

电光调Q双脉冲Nd:YAG激光器的研究

提出了可以实现脉冲延迟可调、能量比可调的共线纳秒双脉冲激光器新方法,并搭建了灯泵浦共线纳秒双脉冲Nd:YAG激光器进行验证。比较了单脉冲模式与双脉冲模式激光输出性能差异,并研究了施加在电光晶体上的电压对脉冲能量以及时间波形的影响。两束脉冲激光之间的时间间隔控制在100 ns~10μs之间,可以满足大多数双脉冲激光器的需求。两束脉冲激光共享一个谐振腔,因此其具有自身同轴性,该方法是获得共线纳秒双脉冲激光器的理想方法,并且可以扩展到其他激光器。

1.5kW近单模全光纤激光器

分析了双包层光纤内包层及纤芯偏移对光纤熔接的影响。根据分析结果,针对主振荡功率放大全光纤化激光系统中关键熔接点,提出了合理的光纤熔接方案。在种子光功率为533W,抽运光功率为1.16kW时,全光纤化激光系统实现了1509W放大激光功率输出,放大器的斜率效率为87.3%,中心波长为1080nm,光束质量因子M2=1.46。

高功率散热技术及高功率光纤激光放大器

双包层光纤涂覆层的热损伤是高功率连续光纤激光器运转的主要限制因素之一。对高功率连续光纤激光器中的热效应进行研究,并对于仅由于涂覆层的热损伤引起的功率极限给出了理论模拟。进行了千瓦级光纤激光器中无源光纤与增益光纤熔点冷却的理论与实验研究。对于不同的冷却结构分别测量光纤与热沉之间的热接触电阻,并提供了有效的散热方案实现热量的有效传导。采用新型散热技术,基于主振荡功率放大(MOPA)结构,研制出1080nm 1.11kW全光纤激光器样机。放大级抽运光注入处熔点表面最大温度为327K(54℃),运行过程中没有非线性效应和热损伤现象出现。

基于脉冲串模式的ZnO薄膜皮秒激光脉冲沉积技术

介绍了一种基于多脉冲模式的皮秒激光脉冲沉积方法,采用该方法在玻璃基底和单晶硅基底上沉积了透明导电氧化锌(ZnO)薄膜,使用光谱椭偏仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、分光光度计和四探针测试仪分析了激光的不同脉冲串模式对ZnO薄膜厚度、粗糙度、表面形貌、晶体结构、光学性能以及电学性能的影响。结果表明:沉积速率随着子脉冲串数量的增加而减小;随着子脉冲串数量的增加,薄膜表面粗糙度减小,颗粒尺寸减小,薄膜变得更加致密光滑;所有样品均呈现多晶结构;ZnO薄膜的透过率在可见光区域内高于92.95%,且禁带宽度在3.317~3.427eV范围内;薄膜电阻率随着子脉冲数量的增加而减小。相比于单脉冲,利用多脉冲沉积产生的薄膜具有更高的表面质量、更好的光学性能和更低的电阻率。

树脂/石墨复合材料激光烧蚀与累积效应研究

树脂/石墨复合材料在氢燃料电池领域具有重要的工程应用价值与科研价值。区别于传统的成型与机加工方法,脉冲激光制造在树脂/石墨复合材料上极具应用前景。然而,近年来激光加工树脂/石墨复合材料的研究鲜有报道,进行脉冲激光对材料的烧蚀动力学研究对推动密流道石墨双极板激光制备技术具有重要意义。通过结合有限元仿真和试验探究了在低能量密度下(15.33~30.35 J/cm^(2))纳秒脉冲激光烧蚀该材料的孔径变化,确定不同入射脉冲数下材料的烧蚀阈值以及多脉冲累积效应。研究发现,在波长1064 nm脉冲激光的作用下,随着入射激光能量密度和脉冲数的增加,该材料表面烧蚀孔径逐渐增大直至饱和,这与金属材料相似;该材料的烧蚀阈值会随着入射脉冲数的增加而下降,在饱和前的变化率非常显著,该材料的累积因子远小于金属材料。基于研究结果,在石墨复合材料双极板上制备出了高深宽比的密流道。

脉冲激光沉积微粒控制技术的研究进展

脉冲激光沉积技术作为一种简单、通用和高效的薄膜生长技术,在科研和工业领域具有广泛的应用前景。在许多高科技应用中对薄膜质量的要求日趋严格,如何减少或消除薄膜内部和表面的微粒成为了亟待解决的问题。介绍了脉冲激光沉积技术中微粒出现的根源并讨论了各种微粒控制技术的优缺点,最后简要展望了脉冲激光沉积微粒控制技术的发展趋势。

激光脱漆技术的研究进展

激光脱漆作为一种绿色、高效的新型脱漆技术,在制造和维修领域具有广泛的应用前景,正在逐步取代传统的脱漆工艺而发展成为最先进的物理脱漆方式。介绍了激光脱漆技术的原理,综述了基于不同激光器的激光脱漆技术的国内外研究进展,并对激光脱漆技术的发展前景进行了展望。

激光光斑照度的散射成像测量方法

微透镜阵列法是实现光束匀化的主要途径之一,通过改变成像透镜的光焦度,可在焦平面处得到大面积的均匀光斑。基于理论和实验分析了散射成像法的可行性,为了准确测量焦平面处光斑的照度,在考虑漫射板反射率及相机离轴角等影响因素的基础下,从张正友相机标定法出发,建立了图像灰度值与目标面光斑照度的数学关系;在实验中标定了漫反射板的双向漫反射分布函数,针对两种焦距的主积分透镜,测量了焦平面及附近位置处匀化光斑的照度分布。实验结果表明:当积分透镜焦距分别为300 mm和500 mm时,目标面处的激光通量基本一致,光斑大小与理论值基本接近;分别比较了两种情况下观察面离焦时光斑分布的变异系数,得到光束经微透镜后匀化效果最佳的位置。

基于阈值调节的腔衰荡光谱检测量程扩展方法研究

当待测气体浓度较高时,腔内吸收损耗较大,限制了腔衰荡光谱检测技术的检测量程。针对这一问题,分析了采样阈值与气体浓度检测之间的相关性,模拟了阈值调节对检测精度的影响,建立了描述阈值与气体浓度的动态响应范围的模型,提出了通过调节阈值实现检测量程扩展的方法。在实验中,利用腔衰荡光谱检测装置对不同浓度的甲烷标准气体进行测量,测量结果与理论模拟结果一致。通过调节检测阈值,将量程扩展到1×10^-4(体积分数),动态响应范围为2.72×10^4,最大引用误差为0.78%。该方法解决了腔衰荡光谱技术中低检出限和大量程不能同时满足的问题,为阈值参数的设置提供了分析方法。

光束积分激光空间整形技术

许多应用中都需要激光光束强度均匀分布,或者按照设计要求对激光光束的强度相位分布进行特定调制,因此,有必要对各种光束整形技术进行研究。目前,已发展了多种激光光束整形技术,其中光束积分法原理简单,适用性广,因此基于此方法的光束整形技术具有很大的工程价值。主要介绍了基于棱镜、反射镜及微透镜阵列等光学元件的光束积分系统的组成情况,列出了典型整形光路,以及近年来在光束整形方面的研究进展。同时,介绍了在整形过程中上述方法的各自特点。

大气激光通信强度调制技术差错性能研究

介绍19种典型强度调制方式的符号结构,推导它们在高斯信道、弱湍流信道、中强湍流信道中的误时隙率(SER)模型,并进行了数值仿真。仿真结果表明:随着信噪比不断增大,各调制方式的SER持续减小并逐渐趋于一致,当SER趋于一致时,对信噪比的要求随湍流强度的增大而增高。脉冲位置调制(PPM)在三种信道中的SER均为最小;调制阶数较小时,差分幅度PPM的SER最大,调制阶数较大时,开关键控(OOK)的SER最大。其余调制方式的SER介于OOK、PPM与差分幅度PPM之间,并随着调制阶数的增大出现分层现象。研究结果对实际激光通信系统的设计具有一定参考价值。

Efficient heat transfer in high-power fiber lasers

The maximum output power of fiber lasers limited by the thermal degradation of double-clad fiber coatings is theoretically simulated. We investigated the thermal effects on high-power continuous wave （CW） fiber lasers with a focus on heating at the splice joints as well as on the doped fiber caused by quantum defects. Whether thermal interface materials are used or not, the thermal contact resistances between the fiber and its heat sink are measured separately while using different cooling equipments. Though the thermal management of splices is more difficult than that of active fibers, a temperature increase of 0.019 K/W is obtained for a splice joint into which the pump light launches. The splice joint sustains 3 kW of total passing power.