光镊技术的研究现况
摘要：光镊技术是激光技术的重大发明，能利用光的动量与物质相互作用产生光势阱效应，已成为微纳米微粒操控和皮牛顿力测量的重要工具。光镊技术不仅丰富和推进了光学领域的发展，也为光学与多学科的交叉融合架起了一座桥梁，彰显出了它独特而不可替代的作用。综述回顾了30 年来光镊理论和技术的发展，系统梳理了光镊在细胞生物学、单分子生物学、软物质胶体科学以及物理纳米科学等领域的应用，并列举典型的应用实例，探讨了光镊技术应用的特点，展望了光镊技术应用蓬勃发展的美好未来。采用软性材料支撑时光学谐振腔加速度敏感度的有限元分析
摘要：在Pound-Drever-Hall激光稳频方法中，有限元分析被广泛地用于优化光腔的加速度敏感度。在对腔体支撑进行建模时通常采用两种方式，即直接在腔体表面上取几块小区域进行约束或者使用刚性材料作为支撑。这里将有限元分析应用于更接近实际情况的采用软性材料支撑的腔体。采用软性材料支撑时，腔体受力后会出现较大的整体转动，干扰了腔长变化的计算。为此引入一种旋转坐标系的方法，该方法能够扣除掉腔体的整体转动效应。分析了一种软性材料支撑的长方体腔的加速度敏感度，并将之与直接在腔体表面上取几块小区域进行约束时的结果进行了比较，发现两者存在一定的差异。讨论了采用软性材料支撑时摩擦系数的设定和相应的支撑结构的建模方式。全反射棱镜式激光陀螺稳频特性研究
摘要：针对全反射棱镜式激光陀螺在跳模前后性能下降的现象，系统地研究了全反射棱镜式激光陀螺稳频特性。在对小抖动调制下光强调谐特性和稳频伺服部件理论分析的基础上，建立了全反射棱镜式激光陀螺稳频系统数学模型。给出了稳频精度与加热器电压和环境温升的一般关系及最佳跳模门限的理论计算公式。分析结果表明，环境温升速率的增大和加热器电压的降低会导致稳频性能下降，最佳跳模门限随环境温度的升高而增大，在全温范围内固定跳模门限会导致跳模后稳频性能衰减。采用变增益Ⅱ型系统稳频与最佳跳模门限设置，可以有效消除在跳模前后陀螺性能下降的现象，陀螺精度相应提高了40%以上。此分析结果为提高全反射棱镜式激光陀螺的性能提供了重要参考。变形镜热形变及其对光束质量的影响分析
摘要：在考虑中红外高反膜系的非均匀吸收情况下，利用ANSYS 有限元分析软件，建立了带高反膜系的变形镜模型。定量分析了连续激光辐照下，变形镜的温升、热形变及其对光束质量的影响。研究结果表明，在使用有限元软件进行分析时，高反膜系的非均匀吸收不可忽略；变形镜极头间距越窄，热形变带来的波前畸变空间频率越高；当入射波前峰谷（PV）值与变形镜热形变面形PV 值相差不大时，热形变带来的影响最明显；在总吸收能量一定的情况下，入射激光功率越大，热形变对光束质量的影响越明显。此外，针对不同的换热条件，讨论了变形镜热形变对光束质量的影响，进而针对热形变的产生机理，提出采用局部换热方式降低变形镜的热形变。高功率侧面抽运耦合器及其应用研究
摘要：抽运耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件，可以将多路抽运光高效率地耦合进双包层光纤中，从而为光纤激光器提供所需的抽运功率，所以抽运耦合器是研制高功率光纤激光器首先要解决的问题。采用氢氧焰熔接方法，研制了一种高功率侧面抽运耦合器，在最大抽运功率为100 W 时，耦合效率94%，信号光插入损耗0.15 dB，附加损耗0.2 dB，主光纤分光比99%，方向性22.5 dB。利用该耦合器搭建了百瓦级光纤激光器，当总抽运功率为185 W 时，在1080 nm 处获得的激光输出为103 W，光-光转换效率为56%。该高功率侧面抽运耦合器可用于输出功率为百瓦级和千瓦级的高功率光纤激光器。非稳腔Nd：YAG薄片激光器腔内离焦的影响和补偿
摘要：基于腔内振荡激光波前曲率半径自再现条件，研究了腔内元件离焦对非稳腔腔内振荡激光参数的影响。在4片薄片串接的放大率为1.8的虚共焦非稳腔中，根据实验测量不同抽运功率下薄片的离焦量，当单个薄片具有焦距为-100 m 离焦时，激光-增益区交叠效率会降低9%，腔放大率升高至2.3，并因腔内激光尺寸与薄片有效孔径失配新增30%的腔内损耗，这些影响均会导致激光光光效率的降低。对比了几种离焦补偿方法，发现腔内插入变焦透射元件可以在大动态范围内实现较好的补偿效果。实验中，在腔内插入特别设计的光焦度可在- 0.016 m-1 到0.060 m-1调节的变焦透镜组，在4840 W 抽运条件下，离焦补偿后输出激光功率可以提升2.33倍，并且通过检测单程探测光束的波面特性，对激光器动态补偿，实现了1~100 Hz重复频率下单脉冲能量10 J激光输出。准分子激光脉冲能量探测器的设计与性能测试
摘要：在以准分子激光为光源的步进扫描投影光刻机中，为了精确控制曝光剂量，需要用能量探测器实时、精确地监测单个激光脉冲的能量。研制了一种主要由聚光镜、积分棒、特殊晶体、滤光片、光电探测器和信号处理电路组成的准分子激光脉冲能量探测器；提出采用二阶有源低通滤波电路对窄脉冲信号进行整形处理以降低后续信号处理的难度；搭建测试装置对所研制的能量探测器进行了性能测试。测试结果表明，能量探测器输出的脉冲信号时间参数的实测值与设计值的相对误差约为3%，且其响应时间满足4 kHz高重频的应用要求；采用双光束比对法消除准分子激光单个脉冲能量波动对测试结果的影响，得到能量探测器的测量重复性为0.26%，在入射光束脉冲能量为0.1~1 μJ 的动态范围内具有良好线性，其线性拟合方程为V=0.59841E-0.01508，相应的线性相关系数R2=99.976%。测试结果证明二阶有源低通滤波电路可以实现窄脉冲信号整形；设计的能量探测器具有良好的重复性和线性，可用于光刻机中高重频准分子激光单个脉冲能量的精确测量。有限宽全息干涉技术对等离子体电子密度的诊断
摘要：利用Nd：YAG 激光器产生的1064 nm 激光束（光斑直径为100 μm，脉冲能量为60 mJ，脉冲宽度为200 ps）聚焦击穿大气形成激光大气等离子体。采用全息干涉技术对激光击穿空气等离子体的电子密度分布进行了诊断，获得的无限宽条纹图直观反映了位移量的等位线，从有限宽条纹图获得了电子密度的分布，结果表明激光大气等离子体中各种离子和电子呈橄榄形分布，即沿激光束方向不对称，而垂直激光束方向对称分布，且最大电子密度为1018 cm-3量级。端面抽运双包层Nd：YAG平面波导激光放大器设计
摘要：设计了一种高效率、结构紧凑的高功率激光放大器。采用解析方法分析了对称结构Nd：YAG 双包层平面波导增益介质的内部热应力，获得了其可承受的最大抽运光强。针对不同厚度的内包层结构，采用TracePro软件模拟分析得到了最佳的抽运源结构和耦合系统。为了便于进行激光模式控制，掺杂区厚度取为100 μm。内包层和外包层分别为纯YAG和蓝宝石，整个波导尺寸为60 mm×10 mm×2 mm。半导体激光器阵列输出的抽运光从波导的两个端面进入，两个大面和铜热沉焊接来获得良好的散热条件。种子光从一个端面注入，单通放大输出。通过模拟计算，在3384 W的抽运功率下，进入波导芯层的种子光功率为0.1 W，放大输出功率可以到达1322 W，光光效率约为39%。高功率激光装置中传输镜表面颗粒物去除轨迹的数值模拟
摘要：利用Fluent软件，以N-S方程和RNG κ-ε 模型为基础，采用离散相模型,对风刀吹扫去除传输镜表面颗粒物污染物的流场，以及吹扫去除过程中颗粒物的运动轨迹进行了模拟，并基于模拟仿真结果搭建了颗粒物污染捕捉和收集的装置，最终提高了传输镜表面污染物的清除效率和洁净度，并且在一定程度上避免了吹扫过程中污染物颗粒进入周围环境以造成对其他光学元器件的污染。激光二极管抽运铯蒸气激光实现高效率瓦级输出
摘要：采用中心波长为852.3 nm、线宽为0.17 nm 的光纤耦合半导体激光器作为抽运源，室温下充入60 kPa 氦气和20 kPa 乙烷、5 mm 长的铯蒸气池作为激光增益介质开展了端面抽运铯蒸气激光实验研究。蒸气池工作温度为107.6 ℃时，改变输出镜反射率优化铯激光输出性能，获得最佳输出镜反射率为48.79%。连续抽运模式下，注入抽运功率为4.76 W 时获得1.16 W 的894.57 nm 连续激光输出，斜效率为28.8%，光光转换效率达24.4%；脉冲抽运模式下，注入抽运功率为14.1 W 时获得了2.5 W 稳定铯激光输出。飞秒激光在金属钼表面诱导产生纳米量级周期条纹结构的研究
摘要：针对近红外（800 nm）及其二倍频（400 nm）飞秒激光脉冲在金属钼表面诱导产生周期性条纹结构的情况进行了研究，分析比较了入射激光能量、脉冲重叠数、激光中心波长和加工氛围等实验参数对金属表面自组织形成的条纹结构空间周期的影响，并利用中心波长为400 nm 的飞秒激光在水环境中于单晶钼表面制备出了空间周期仅约160 nm 的条纹结构。同时针对水中加工的情况,在理论上提出了入射激光与表面等离子体波发生干涉和表面等离子体波形成驻波两种机制相互竞争的物理模型，很好地解释了实验现象，对于深入理解飞秒激光在金属表面进行纳米尺度的加工制备具有重要意义。镁/钛异种金属预置Al夹层光纤激光熔钎焊接特性
摘要：镁/钛异种金属既不反应也不互溶的特性制约着两者之间的冶金结合和可靠连接。为解决这一问题，通过中间预置铝（Al）箔对镁/钛实施激光搭接焊。调整焊接工艺参数获得较好的焊缝成形，并对界面元素扩散及连接机理进行研究。结果表明，Al中间夹层的添加能很好地改善镁/钛界面的润湿铺展，促进了界面的冶金反应。当添加的Al中间层厚度为50 μm 时，接头载荷是未添加的1.8 倍，达到1010 N/cm。界面组织分析表明在激光直接辐照区形成了一定厚度的AlTi3相，其余部位为Ti基化合物（ α -Ti）。焊缝中第二相数量随着Al夹层厚度的增加而增多，当形成网状结构时造成焊缝变脆，降低接头拉剪载荷。微型塑料件激光融化成型数值模拟和实验
摘要：为了满足微型塑料件（PMC）的高效率和高质量成型加工，提出了基于CO2激光定位辐照的微型塑料件融化成型方法。采用有限元软件Comsol数值模拟激光辐照过程中的试样温度变化，研究试样二维和三维瞬态温度场及其分布特征，分析激光参数对温度变化的影响，探讨工艺参数对成型质量影响规律。数值模拟和实验结果表明，选择适当激光参数可以满足试样温度在整体融化范围，温度越高则成型精度越好，成型压力远低于传统的注塑和热压成型；采用定位辐照融化方式可以获得复制精度较好的成型件，表明微型塑料件的激光融化成型具有可行性和有效性。TC4激光立体成形显微组织对超声参量的影响
摘要：以TC4钛合金激光立体成形件及锻件为研究对象，采用不同热处理制度对TC4 钛合金激光立体成形件进行处理得到不同的热处理组织，并采用超声波无损检测方式获得超声波纵波声速和衰减系数，明晰超声参量和显微组织的相互作用机理。结果表明，不同的显微组织具有不同的超声波纵波声速和衰减系数；相比超声波纵波声速而言，衰减系数对TC4钛合金激光立体成形显微组织的变化更为灵敏。激光辐照下组织光热响应的实时监测研究
摘要：激光治疗的研究和临床应用缺少有效反馈指导，导致治疗效果高度不稳定，针对这一问题提出激光辐照与扫频光学相干层析成像（OCT）系统整合以实现组织光热作用过程中的实时监测。利用OCT 的M 模式成像，采集激光照射过程中皮肤样品同一位置随时间变化的干涉光谱信号，测量信号深度分辨复反射率，通过其幅度和相位变化分析来探测热效应诱导组织变形过程中光散射中心位置和轴向位移的变化，并基于OCT 散射模型获取组织在激光辐照过程中光衰减系数变化信息，从而实时监测热损伤边界和损伤程度的演变。实验结果显示在一定的激光功率辐射下，随着激光作用时间的增长，组织出现热凝固坏死，热损伤边界单调下移，伴随损伤加重组织光衰减系数非线性增加。通过与光学显微、组织染色切片检测的对比分析进一步验证了该技术应用于精确监测和指导光热治疗的可行性。双波长红外激光诱发痛觉刺激研究
摘要：搭建红外波段双波长（1940 nm 和980 nm）激光诱发痛觉刺激系统，探索基线温度控制、激光吸收导热涂层、致痛区域控制对痛觉刺激效果的影响。利用热电偶测温模块实时监测基线温度控制及涂抹20%氧合血红蛋白溶液时离体猪皮皮肤表面温度的变化；利用滤光片实现致痛区域控制。利用1940 nm 激光模块实现了40 ℃基线温度控制，结合980 nm 脉冲激光模块完成了联合痛觉刺激实验；皮肤表面涂抹20%氧合血红蛋白溶液时温降时间（110 ms）远低于空白对照（1.2 s）和风冷散热（341 ms），可提升痛觉信号质量；列举了三种不同尺寸滤光片下的温度场分布情况，证明了致痛区域的可控性。双波长红外激光诱发痛觉系统提出的三种技术对痛觉刺激效果有较好的促进作用，证明了这种痛觉刺激模式的可行性和可信性。一种模拟生物组织内光传播的三维几何蒙特卡洛方法
摘要：提出一种几何蒙特卡洛方法（GMC），利用光子位置与物质界面间的几何关系在整个计算区域而非单个网格内计算光子传输。计算区域无网格离散，光在物质界面处的传播严格依据其实际过程进行，消除了网格蒙特卡洛方法（VMC）中的光传播误差并大幅提高了计算速度。对于包含单根血管的情况，采用10 μm 网格，GMC 的计算速度约为VMC 的25 倍。利用GMC 方法计算了激光在多根同轴血管簇皮肤组织模型中的能量沉积，发现血液体积分数不变时，血液能量吸收特性对血管分布的依赖性随着血管数量的增加而降低。当血管数量为20 根时，不同血管分布下血液能量吸收最大变动率不超过4%。这表明可以通过假设的血管分布开展研究而无需考虑真实的复杂血管结构，具有重要的实际应用意义。
