使用多光谱手段研究熔石英断裂机理

熔石英玻璃是高能激光系统中不可缺少的光学材料,其损伤问题一直是限制系统能量提升的瓶颈之一。通过纳秒激光脉冲诱导熔石英玻璃样品产生断裂,并使用多光谱手段对断裂前后样品进行检测,从而在实验和理论上了解了样品断裂形貌及内部相变结构成因,并从宏观到微观上统一解释了断裂形貌和相变结构的关系。在激光等离子冲击波作用下,熔石英发生断裂,且冲击波作用过程中在玻璃内部产生了推动裂纹扩展的尖端环向应力。在尖端环向应力作用下,不同损伤区域形成了不同扩展速度和长度的裂纹, 按照裂纹形貌特性差异可以将断裂区分为雾化区、羽毛区、镜面区三个部分。使用透射光谱、能量散射光谱检测损伤前后样品,发现裂纹的产生引起了玻璃透过率和带隙的下降,且断裂区出现氧原子游离或缺失;使用Raman光谱检测样品损伤前后不同形貌区,发现等离子冲击波使熔石英中Si-O-Si键断裂并发生重组,导致镜面区、羽毛区、雾化区三元拓扑环和四元拓扑环宏观上对应的斯石英相和柯石英相的相对含量依次升高,破坏了材料的固有原子结构特性,使材料断裂区向高密度相转变。氧游离的发生会在玻璃内部产生的大量缺陷,从而使得玻璃透过率及带隙下降,严重影响了玻璃的性能。     

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。     

基于窗口傅里叶变换剪切干涉法波前检测

提出了一种利用二维窗口傅里叶变换从径向剪切干涉条纹中准确得到波前的重建技术。首先对剪切干涉条纹做二维窗口傅里叶变换,设置阈值和频率积分范围后,进行二维窗口傅里叶逆变换,然后对包裹相位做去载频和相位展开处理得到相位差分布,最后使用波前迭代算法从相位差中复原实际波前。模拟计算表明,使用该方法最大相位复原误差为0.82%,均方根值为0.020 9 rad,实验结果验证了该方法的有效性。同时也对窗口傅里叶变换的关键参数,如窗函数的选择、窗口大小的确定以及阈值的选取等进行了简要讨论。与传统傅里叶变换法(FFT)相比,基于窗口傅里叶变换的剪切干涉波前检测法有更高的精度和稳定性,为波前检测提供一种新的处理方法。     

纳米光纤的色散特性及其超连续谱产生

通过数值计算,分析了纳米光纤的色散特性,并比较了纳米光纤中不同直径和不同材料的色散特性.结果表明：二氧化硅纳米光纤有两个零色散波长,随光纤直径的增大,其色散曲线趋于平坦,零色散波长也随之发生改变;硅光纤只有一个零色散波长,且随着直径的增大,零色散波长向长波方向移动.采用广义非线性薛定谔方程来描述超短激光脉冲在纳米光纤中的传输演化过程,利用分步傅里叶方法求解方程.比较了超短脉冲在光纤不同色散区传输时,色散对超连续谱产生的影响以及脉冲波形的演化.在正常色散区,超连续谱谱宽很窄,而在零色散区和反常色散区则可产生 关键词： 色散 超连续谱产生 非线性光学 纳米光纤     

利用特征向量法分析有源失调腔的2维模场

 利用一种用于光腔模式及光束传输模拟计算的特征向量法计算有源腔的2维失调,通过对谐振腔几何关系的求解,以及对增益进行薄层模型处理,最后利用特征向量法计算有源腔失调后的模式分布,发现失调造成了模式强度分布不均匀,并带来模式阶数的改变。计算了相应的光束质量因子,结果表明:在一定失调范围内,失调可能会带入新的模式竞争;谐振腔在一定范围的失调情况下,各阶模式的光束质量可能变好,也有可能变差,随着模式阶数的增加光束质量整体趋势是越来越差;原来简并的模式可能不再简并。该方法可以为计算失调后谐振腔的模场带来方便。     

一种自适应交叉率和变异率的薄膜遗传算法

在并行移民操作的基础上,根据多层膜系迭代群体中各膜系的适应值信息,对每个膜系采取恰当的、自动适应搜索进程的交叉率和变异率。这样既保护了优良薄膜的设计方案,又能够在适应值整体水平不断提高的设计组群中,持续地产生更优良的薄膜设计结构。对增透膜的设计结果表明,采用提出的自适应遗传算法减小了早熟,提高了算法快速搜索合格膜系结构的能力。     

温度变化对谐衍射透镜性能的影响

分析了温度变化对谐衍射透镜的焦距、谐振波长、衍射效率等性能的影响,建立了相应的数学表达式,并对其进行了数值模拟.提出了漂移函数的概念,以表征焦距和谐振波长随温度的变化程度.另外,还给出了各谐振级次的衍射效率随温度变化的相关规律.最后比较了在相位匹配数不同、但设计波长相同时,温度变化对衍射效率的影响,发现相位匹配数越大,衍射效率对温度变化越敏感.     

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。     

飞秒脉冲在熔石英玻璃中超连续谱产生的研究

从非线性薛定谔方程出发,利用分步傅里叶方法,研究了时空耦合飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,传输距离、入射激光脉冲峰值功率、衍射、色散和非线性等因素对超连续谱产生的影响。结果表明,飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,超连续谱的产生主要分为两阶段：由材料的自聚焦等三阶非线性效应引起的脉冲压缩阶段及由自相位调制和材料群速度色散引起脉冲分裂阶段。当高峰值功率的飞秒脉冲在熔石英玻璃中传输时,材料的三阶非线性效应抑制衍射效应,引起脉冲压缩,从而产生子脉冲,由此引入新的频率成分。同时,还研究了同一脉冲不同横向空间位置处的超连续谱的变化规律,在中心频率两侧均有新频率产生。最后,通过实验证实了超连续谱的产生。     

流体直接冷却薄板条介质温度及应力的解析表达

基于对流传热和热传导原理, 建立了流体直接冷却均匀抽运薄板条激光工作介质的热效应分析模型, 采用平面应力近似和最小功原理, 得到了板条工作介质内部温度分布和应力分布的解析表达式. 研究了不同流道厚度时对流热交换系数和冷却液温升与流体流速的关系, 分析了流道厚度对工作介质的温度分布和应力分布的影响规律, 讨论了之字形和直通光路时, 热致波前畸变随产热功率的变化趋势. 结果表明: 层流和湍流时, 较厚的流道可以实现更好的热管理效率; 增益介质中的热分布关于中心平面对称, 纵向最大温升出现在出水口端, 最大应力畸变集中在板条两端及其侧边; 流道厚度较大时, 工作介质更易形成一维的温度梯度, 产生的应力更小; 之字形光路可以明显缓解热光效应导致的波前畸变.