微距光谱分束是红外领域小型双波段成像系统的关键技术之一。利用菲涅耳衍射理论和角谱理论, 研究了双波长和宽角度入射光场通过阶梯光栅在分数泰伯距离下的衍射特性。建立了基于阶梯光栅的双探测阵列成像模型, 数值模拟了入射波长分别为4 μm和4.5 μm的光束在-30°~30°入射角度范围的光栅分束结果, 获取了探测面上的发光强度、能量和信噪比等参数值。此文的研究成果可为构建微型双波段成像装置及设计精密光谱分束器件提供理论支持。

为了获得宽波段高分辨率的单色光, 对成像光谱仪进行了波长标定, 设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构, 针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题, 创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法, 通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移, 有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构, 通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出, 保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率; 并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描, 使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明, 仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm, 波长重复性分别为 0.094、0.186、0.372 nm, 波长准确度分别为0.096、 0.191、0.382 nm, 达到了设计目标, 满足成像光谱仪波长定标的使用要求。

为了实现斐索型干涉仪的动态干涉测试, 研究了一种采用短相干光源的动态斐索干涉仪。以中心波长为638 nm、带宽为0.1 nm的二极管泵浦固体激光器作为光源, 与偏振延迟装置结合得到一对短相干正交线偏振光, 通过调节光源模块中两支线偏振光的光程差来匹配斐索干涉腔的长度, 从而获取一对光程差为0的相干光束。使用偏振相机采集得到四幅位相依次相差π/2的移相干涉图, 按照四步移相算法解算相位, 恢复待测元件的表面面形。采用光强归一化算法有效地抑制了偏振态误差导致的移相干涉图光强不一致在最终恢复波面中引入的一倍频波纹误差。采用琼斯矢量和琼斯矩阵分析了干涉图对比度与s光和p光光强比值的关系, 并分析了1/4波片方位角误差对最终恢复波面的影响。利用该装置和Zygo GPI XP型干涉仪测量了同一块光学平晶, 其均方根值相差0.024λ, 峰谷值相差 0.026λ。

通过模拟仿真, 研究了基于绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator, SOI)的微环生物传感器的传感性能, 得出其体传感灵敏度为38.71 nm/RIU, 探测极限为1.8×10-3 RIU, Q值为2.22×104。基于该结构, 分析了噪声对传感器性能的影响, 包括光源噪声和温度噪声。为了降低噪声影响, 设计了具有参考和探测通道的双微环差分传感器, 通过差分运算扣除噪声引起的谐振波长漂移, 从而可以有效降低噪声对传感器探测结果的影响。通过数值模拟和计算, 其被探测物的折射率变化的相对误差减小了15.85%, 表明微环差分传感器可以有效降低噪声的影响, 对提高微环生物传感器的性能将有极大的促进作用。

提出基于空时块码(STBC)调制的自适应多输入多输出正交频分复用（MIMO-OFDM）可见光通信(VLC)系统, 该系统能够克服MIMO信道相关性并实现可靠通信。同时, 引入功率比特分配(PBA)与OFDM相结合, 以适应信道传输条件从而有效提高频谱效率。通过搭建一个2×2的MIMO-OFDM VLC演示系统, 实现了80 cm距离的传输, 实验中测得的误码率始终保持在7%的前向纠错阈值3.8×10-3之下。实验结果表明, STBC MIMO-OFDM系统对MIMO信道相关性鲁棒, 且PBA的应用能够大幅度提高数据速率。

根据菲涅耳衍射积分理论, 提出了X射线光栅相衬成像系统的仿真模型。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)小球作为成像物体模型, 选取30 keV的X射线做模拟计算。通过仿真, 得到了穿过球体和相位光栅的X射线波前的变化。采用多步位移法从模拟条纹图中恢复出了PMMA小球的相位信息, 并分析了莫尔条纹对比度对成像质量的影响, 为实际的实验提供可靠的参数选择。经过仿真得到的相移信息与通过实验得到一致, 验证了仿真算法的正确性。

通过对InGaAsP/InP 单光子雪崩二极管(SPAD)的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析, 采用比通常的InxGaAs(x=0.53)材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y(x=0.78, y=0.47)材料作为光吸收层, 并且精确控制InP倍增层的雪崩长度, 有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与InP材料晶格匹配良好, 可在InP衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结, InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 eV, 截止波长为1.2 μm, 可满足1.06 μm单光子探测需要。同时, 通过设计并研制出1.06 μm InGaAsP/InP SPAD, 对其特性参数进行测试, 结果表明, 当工作温度为270 K时, 探测效率20%下的暗计数率约20 kHz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。

凸面闪耀光栅是研制高光谱分辨率成像光谱仪的关键元件之一, 一般凸面闪耀光栅的有效波段范围较窄, 较难满足宽波段成像光谱仪对光栅衍射效率的需求。为拓宽仪器观测波段, 对其中凸面闪耀光栅进行了优化设计。以0.4~2.5 μm波段Offner型成像光谱仪为例, 研究了凸面光栅单衍射级和双衍射级共路两种色散结构, 采用分区闪耀光栅和双角闪耀光栅来提高宽波段范围内的衍射效率。优化设计了两种双闪耀光栅在不同色散结构下的槽形, 用标量理论和有限元分析等方法对光栅衍射效率进行了计算。结合仪器信噪比, 给出了满足成像光谱仪不同需求时所适用的光栅。

大多数渐变光子晶体渐变透镜都是以正方晶格或三角晶格排布为基础, 并且多选择硅或二氧化硅等高折射率材料, 研究的波段多为红外波段。随着可见光通信技术的发展, 在可见光波段研究低折射率材料的自聚焦透镜变得很有意义。为了迎合这种需求, 提出了Sun-flower型渐变光子晶体自聚焦透镜。首先, 通过比较TE和TM两种偏振模式Sun-flower渐变光子晶体朗伯透镜在可见光波段的会聚强度, 发现TM型的会聚效果远远优于TE型。然后, 以TM型Sun-flower渐变光子晶体为基础设计圆柱形自聚焦平板透镜, 通过光场传输的模拟计算给出平板透镜在可见光波段自聚焦的拍长, 进一步优化平板透镜会聚光强设计透镜的层数, 结果表明在层数为22时效果最佳。最后, 讨论了列数的减少对平板透镜的影响, 结果表明随着列数的减少光强减弱。这对于制作出高性能会聚效果、短焦距、小体积的光学集成器件有重要的指导意义。

读出电路的注入效率是决定紫外焦平面探测器性能的重要因素。基于GaN基p-i-n结构日盲紫外探测器以及CTIA结构读出电路的等效模型, 对探测器信号读出的电荷注入效率进行了分析, 得到了注入效率的表达式。分析了注入效率与积分时间、探测器等效电阻、探测器等效结电容、CTIA电路中运算放大器增益的依赖关系, 并指出了放大器增益是有效影响注入效率的重要可控因素之一, 可以用提高增益的方法获得更大的注入效率。设计了几种不同增益的运算放大器电路, 并分别构成CTIA结构读出电路。采用GF 0.35 μm 2P4M标准CMOS工艺设计电路版图并进行流片。将紫外探测器分别连接至具有不同放大器增益的CTIA读出电路并进行测试, 通过对比注入效率的理论分析结果与实际测试结果, 可以得知, 注入效率的理论分析与实验结果吻合较好。