基于调制激光光谱吸收的高稳定性气体检测

为了精确测定待测气体的体积分数,提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的稳定性,优化了TDLAS气体检测系统的扫描信号。基于HITRAN数据库,选定了甲烷气体在1654 nm附近吸收峰,计算出含甲烷、水蒸气和二氧化碳混合气体的吸收系数;使用可视化仿真工具对气体检测系统进行理论仿真,同时通过搭建的气体检测系统验证仿真结果。结果表明,通过优化扫描信号,提高了检测系统的稳定性,偏差值从0.3%降至0.07%;建立了2次谐波信号均值与气体体积分数的反演模型,线性拟合的相关系数R^(2)=99.99%。此研究为提升TDLAS系统的稳定性和准确性,及实现高稳定气体检测具有一定的参考价值。

基于LIBS及时间分辨特征峰的激光除漆机理研究

激光除漆是一种高效、清洁的新型清洗技术,对激光除漆物理过程和机理的研究是该技术发展的关键。基于LIBS技术,测量得到油漆去除过程中等离子体的发光光谱,计算出油漆样品去除前后等离子体的电子密度和温度,研究了油漆中特征元素对应的光谱特征峰强度随时间的变化情况。结果表明,随着激光作用脉冲数量的增加,油漆去除深度逐渐增加,等离子体电子密度和温度在将漆去除干净的最后几个脉冲作用时呈下降趋势。油漆中Ti元素的所对应的特征峰信号持续时间为2个μs,油漆去除前后信号强度呈现跳跃减少,该现象可用于快速、准确、实时的判断油漆去除情况。

电爆炸法制备Fe3O4纳米颗粒及其物相研究

搭建了电爆炸金属丝实验平台,在空气中电爆炸铁丝来制备纳米金属颗粒。利用电阻分压器与Rogowski线圈来测量电爆炸过程中铁丝上的负载电压与电流。将负载电压与电流之积进行时间积分来估算沉积在铁丝上的能量。使用光电探测器对电爆炸过程中产生的等离子体发光信号进行探测。对铁丝电爆炸后形成的产物使用高倍显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）进行观测,来研究其物相特性。实验结果表明：电爆炸过程中,当铁丝由液相变为气相时,其电阻急剧增加,因此电流几乎不能流过铁丝,同时铁丝上的负载电压会趋近于电容器的初始充电电压。随着能量的持续积累,等离子体在爆炸腔中形成。由于原本被阻断的电流能够从低电阻等离子体中流过,因此电压电流波形变为欠阻尼波形。电爆炸铁丝所得的产物为Fe3O4纳米颗粒,其中大部分呈规则的球形。Fe3O4纳米颗粒的粒径主要分布在30～60nm之间,并且符合对数正态分布。

0.73～1.7μm超宽带微纳光纤波导全光调制器

提出了单层石墨烯包裹双锥形微纳光纤复合波导结构,构建了730~1 700nm超宽带微纳光纤波导全光调制器。通过火焰拉锥法将一根标准的通信单模光纤拉成具有双锥形的微纳光纤,在保证通光率的前提下可以极大的提升微纳光纤处的倏逝波与物质的相互作用。利用石墨烯的"超级特征",即单原子层厚度、线性色散的能带结构、超强的载流子带间跃迁及极短的弛豫时间和超宽带光与物质相互作用等,将单层石墨烯作为可饱和吸收体,包裹在双锥形微纳光纤波导的锥体上,以增强该复合波导表面倏逝波与石墨烯的相互作用。静态和动态全光调制实验中采用传统808nm低功率LD作为泵浦光,对谱宽为480~1 700nm的超连续谱探测光实现了光光调制,其泵浦光功率低于50mW,调制深度大于5.7dB,调制速率达到~4kHz。该微纳光纤波导全光调制器,在保证调制深度的情况下,用更低的泵浦功率实现了超宽带的全光调制,以简单、有效、廉价的方式兼容了当前高速光纤通信网络,打开了一扇未来对微纳超快光信号处理的大门。

有限元法移动激光除漆的温度场分析与实验研究

为了研究脉冲激光去除金属表面漆膜的过程,采用有限元法建立模型,模拟了喷有漆膜的不锈钢样品表面在移动脉冲激光作用下的温度场,研究了不同时刻漆膜表面的温度场分布以及激光参量对漆膜表面温度场的影响,并做了相关对比实验。结果表明,漆膜表面温度随激光源的移动而变化,温度场呈现带尾的彗星状;漆膜表面的温度随激光能流密度和激光重复率的增加而线性增加,随着扫描速率的增加而指数递减;激光能流密度和激光重复率越大而激光扫描速率越小时,激光除漆效率越高;温度的累积效应可以提高除漆的效率。该结果可以为实际激光除漆过程中激光参量的选取提供参考。

基于发射光谱及成分分析的激光除漆机理研究

基于激光诱导击穿光谱和X射线能谱技术,测量了激光与油漆作用时发射光谱及作用前后元素成分的变化,以此研究了激光除漆的机理。实验测量了不同纳秒激光能量下激光诱导击穿油漆表面的光谱,计算了等离子体的电子密度和温度。通过扫描电子显微镜对油漆烧蚀形貌进行了分析,采用X射线能谱仪测量了烧蚀前后油漆成分的变化。研究结果表明,等离子体电子密度、温度以及烧蚀区域大小都随着入射激光能量的增加逐渐增加。在激光作用前后油漆中碳(C)含量明显降低,原子百分比从78.25%降低到67.07%,说明激光与油漆作用过程中发生了烧蚀。通过对比钛(Ti)元素、C元素和铝(Al)元素的相对原子比例,表明更高的激光能量下油漆烧蚀的更剧烈。该工作对深入研究激光除漆机理有重要意义。

基于有限元法的激光等离子体诱导玻璃损伤特性研究

研究了熔石英玻璃元件在纳秒激光等离子体冲击波作用下的表面和横截面损伤形貌,利用有限元法模拟了冲击波在熔石英玻璃内部的传播规律,并基于冲击波在玻璃内部的应力分布规律分析了损伤形成机理.研究发现:在冲击波作用下,石英玻璃会受到沿波面方向的压应力和沿波面切方向的拉应力,在这两种力的作用下,造成以激光辐照中心的弧状层状断裂和沿径向的断裂;冲击波的反射叠加还会使局部拉应力增大,造成靠近后表面的损伤.有限元法能够直观地分析等离子体冲击波对光学元件的作用,并分析光学元件在等离子体冲击波下的损伤机理.

飞秒脉冲激光沉积钕掺杂薄膜特性研究

采用脉冲激光沉积(PLD)技术在Si(100)衬底上生长了Nd∶YAG薄膜以及Nd∶Glass薄膜,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、光学掺量振荡器(OPO)以及光栅光谱仪等测试装置分析了薄膜的表面和断面结构形貌、组成成分、光学吸收谱以及光致发光谱。结果表明:在室温衬底温度下生长的Nd∶YAG薄膜以及Nd∶Glass薄膜均呈无规则非定型结构,没有明显的取向性微晶生长;PLD生长的Nd∶YAG薄膜中存在0.15at.%化学计量比的Nd元素;Nd∶YAG块体靶材在750和808nm有两个明显的吸收峰,而薄膜没有明显的吸收峰;Nd∶YAG薄膜在808nm波长泵浦光下没有明显的光致发光谱峰,而Nd∶Glass薄膜在877和1 064nm波长处有明显的光致发光谱峰。说明在室温衬底温度下生长的Nd∶Glass薄膜中Nd元素以Nd3+光学活性离子形式掺杂进玻璃基质中,而Nd∶YAG薄膜中的Nd元素没有以Nd3+光学活性离子形式掺杂进YAG基质中。

脉冲激光对单晶硅打孔的研究

采用波长为1 064 nm的重复脉冲激光对单晶硅进行打孔实验,观测了小孔烧蚀深度以及表面孔径大小随脉冲个数的变化规律,并对激光辐照单晶硅的热力学过程进行了理论分析。研究结果表明:入射激光在穿过等离子体到达单晶硅的表面时,光斑尺寸会有所增大,小孔孔径会大于聚焦光束尺寸。小孔内的等离子体本身具有很高的温度,高温等离子体在膨胀过程中会通过热辐射和热传导等过程向小孔周围传递热量,这也会对小孔孔径起到一定的拓展作用。当脉冲个数低于6个时,孔深随入射脉冲个数的增加近似线性增长,而后开始缓慢增长直至保持不变,这主要是由激光等离子体屏蔽效应决定的。

飞秒激光辅助制备熔石英表面的网格状微流体

报道了一种利用飞秒激光直写后再用化学腐蚀熔石英表面制备得到网格状微流体沟道,然后在其表面覆盖一层PDMS薄膜制备网格状半密闭微流体通道的方法。微流体沟道的形成机制可以定义为飞秒激光辐照导致基底材料改性,而改性区域对HF水溶液的溶解度增强。使用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)表征了网格状微流体通道的形貌。此外,为了测试该微流体结构的流动特性,进行了液体注入实验。

基于Fe2+:ZnSe微米粉末嵌入ZBLAN玻璃的4.32μm中红外随机激光

在室温下制备了基于Fe^2+:ZnSe微米粉末嵌入ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)玻璃的中红外随机激光器,随机激光的中心波长约为4.32μm。Fe^2+:ZnSe微米粉末的平均晶粒尺寸为3.54μm,XRD结果表明Fe^2+:ZnSe微米粉末为立方闪锌矿结构。在2.94μm纳秒脉冲激光泵浦下,随机激光的阈值为557.89mJ/cm^2。随着泵浦能量的增加,随机激光多纵模的特点也随之出现。泵浦能量超过阈值后,随机激光的光谱线宽为10nm,脉冲宽度为50ns。这项工作为获得稳定的中红外激光源提供了一种简单而经济的方法,将粉末嵌入固体基质中可以对粉末起到稳定的作用,这种方法在制备中红外光子器件和光纤激光器上具有潜在前景。

光纤激光模场及表征技术进展

在光纤通信、光纤激光器和光纤传感等领域的实际应用中,需要重点关注光纤中的模式问题。模分复用是提高光通信信息容量的有效方法,模间干涉是大多数光纤传感的基本方法,高功率光纤激光的光束质量控制的关键技术之一就是模式控制,因此,对光纤模式理论、模式产生及转换、模式表征技术开展研究具有重要的研究意义和实际应用价值。论文讨论了光纤的模式及光束质量,分析了多种模式发生及转换的方法,将模式表征方法归结为非相干、相干和低相干测量法。光纤模式表征是目前的研究热点,在多种表征方法中,空间和频谱成像法(S2)和双重傅里叶变换法(F2)具有显著的优越性,可不需要提前知道光纤的几何参数,就可获得模场分布、模式功率占比、群时延等特性。研究表明F2法更适合于表征高功率光纤激光的模场特性。

利用超连续谱激光实现自由空间光通信

超连续谱光源具有丰富的带宽,是信号载体的优秀候选者。设计并搭建了利用超连续谱光源的空间无线光通信系统,讨论了超连续谱产生的条件以及输出光斑直径不同位置下的光谱。采用了电光调制方式对超连续谱光源进行调制,通过比较输入与输出的数字方波信号证明了电光调制进行超连续谱空间光通信的可行性。成功利用该系统演示了对原始图像信号的采集和显示,最后通过对接收端信号的整形放大恢复出了原始信号,实现了图像信号在4 m范围内的传输。实验结果表明:将超连续谱作为光信号载体,在空间大气信道条件下可以实现对图像信号进行无线传输。

飞秒激光流动烧蚀制备ZnSe有机复合量子点

采用飞秒激光流动烧蚀法制备了聚乙烯亚胺(PEI)包覆的ZnSe量子点水相分散液。水相分散液外观呈现亮黄色透明液体状。多个ZnSe有机复合量子点在水中聚集形成球形胶束,通过扫描电子显微镜(SEM)检测发现,胶束粒径为40~100 nm。利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)研究ZnSe晶体学特性变化,结果表明制得的ZnSe量子点保持了块体ZnSe的立方闪锌矿晶型。该ZnSe有机复合量子点的水分散液在365 nm紫外光照射下显示出明亮的绿色荧光,荧光中心波长约在500 nm处。采用光致发光光谱和紫外可见吸收光谱研究了该有机复合量子点的pH值响应特性,结果表明随着分散液中pH值由9降低到4,光致发光光谱显示出蓝移特性,波长最大蓝移量为25 nm。讨论了绿色荧光的来源与荧光波长调谐的可能机理。

自适应滤波算法在微弱振动测量中的应用

将递归最小二乘自适应滤波算法应用于激光多普勒测振技术中,搭建了相应的微弱振动测量装置。模拟仿真与实验中,通过与设计的切比雪夫低通滤波算法对比,结果表明:该递归最小二乘自适应滤波算法能够有效抑制随机高斯白噪声,还原出原始信号;能够对简谐振动信号实现有效滤波,并且可以还原出淹没在噪声中的低频20 Hz信号;文中算法可以去除语音噪声,使声音更加纯净,增强语音信号,以此验证了该算法在外差振动测量中的可行性。该算法简单易用、收敛性强、速度快,尤其对于随机噪声的去除比普通的低通滤波器更加有效。

基于聚合物填充的微结构光纤温度传感器

温度作为环境变化的重要基本参数,其快速精确的检测方法备受科学界及工业界的关注。本文提出并验证了一种基于聚合物微腔的Fabry-Perot干涉结构的单模光纤温度传感器。该传感器使用质量分数为40%的氢氟酸(HF)溶液在单模光纤(SMF)末端端面腐蚀一定深度的凹型槽,然后将一定浓度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液转移到腐蚀完成的光纤凹槽部位,并在真空环境下固化,从而制成聚合物F-P微腔传感结构。实验研究了凹槽腐蚀深度,宽度与腐蚀时间之间的规律,并证明了该结构在温度测量中的应用。实验结果表明,当腐蚀深度为8~9μm时,传感器在温度为70~86℃的范围内,实现温度灵敏度为182.5 pm/℃,具有良好的线性响应(0.9588)。该传感器制作工艺简单、紧凑、成本低,具有批量生产的潜力。

高功率光纤中传输光模式与其波长相关性研究

针对高功率光纤激光模式诊断和光谱诊断的需求,研究了光纤中传输模式的波长相关性,数值计算了光纤中各个模式的模场分布随波长的变化曲线及相应的光束质量,采用双傅里叶变换F^2法实际测量了光纤模式成分与波长的关系曲线.结果表明,光纤中各个模式的模场分布随波长变化,波长越长,模场面积越大;模式的光束质量随波长变化不大,但在截止频率附近明显变差;光纤中各个模式的功率占比与波长有关.

水力入口段对流体直接冷却片状激光器热效应的影响

流体直接冷却Nd:YAG片状激光器系统中,流体流经增益介质时存在水力入口段,使用Ansys仿真软件,讨论了不同水力入口段距离对流体热交换系数的影响,并在此基础上,将水力入口段距离进行分类,分析了水力入口段距离对热应力以及光束传输的影响;模拟了不同冷却液的冷却效果;研究了流体处于不同流动状态时,水力入口段距离与流体热交换系数的关系,以及水力入口段距离与增益介质温度分布的关系;得到了这种高功率激光器冷却系统中,最佳水力入口段距离的范围。结果表明:流体流经增益介质时,不同的水力入口段距离只是规律性地移动了流体的热交换系数曲线,因此,避开流体热交换系数曲线中变化较大的区域,即0~2.25mm范围内的水力入口段距离,可实现介质内更小的温度梯度,同时降低热应力以及波前畸变,从而实现更好的冷却效果。

基于Fe^2＋：ZnSe粉末的4．45μm中红外随机激光

利用Fe^(2+):ZnSe微米粉末产生了4. 45μm的中红外随机激光。通过气相热扩散法制备了Fe^(2+)离子掺杂的ZnSe多晶块体,将制得的块体研磨成尺寸在10～50μm的微米粉末。X射线衍射(XRD)结果表明这些Fe^(2+):ZnSe粉末具有与ZnSe块体相同的立方闪锌矿结构,Fe^(2+)离子的引入没有改变ZnSe的晶体结构。在2. 94μm的脉冲激光泵浦下,研究了室温下Fe^(2+):ZnSe粉末的光致发光特性和发光脉冲的时间特性。随着泵浦能量增加,光谱发光强度发生跃变,光谱线宽从500 nm减小到50 nm,脉冲时间从270 ns减小到50 ns。当泵浦能量高于2 m J/pulse的阈值时,观察到中心波长4. 45μm的中红外随机激光。这种中红外随机激光器在红外标记、光通信、分子光谱测量等领域有很好的应用前景。

基于空气孔微结构光纤的表面等离子体共振折射率传感器

提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)效应增强的光子晶体光纤折射率传感器。该传感器结构通过光纤熔接机拼接光子晶体光纤(PCF),在光子晶体光纤中间引入一个空气孔形成PCF-空气孔-PCF的光纤传感结构,随后使用磁控溅射镀膜工艺在其表面沉积一层薄金膜制备而成。实验探究了折射率及温度对传感器的响应。结果表明,在1.333~1.389的折射率范围内,所提出的传感器的平均折射率灵敏度为2 142.52 nm,且测量线性度为0.981,品质因子约13.10。实验结果表明该传感器对温度不敏感。相比于无空气孔的PCF传感结构,引入的空气孔增强了SPR效应,使得传感器拥有良好的共振峰深度。得益于上述优势,该类型传感器有望在生物医学、环境监测等领域得到应用。