核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺, 已受到国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度, 其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关。导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境, 高效磁屏蔽一般仅能完成5~6个数量级的磁抑制, 还需进行主动磁补偿。该文从核磁共振陀螺磁场分布的理论分析出发, 通过数学计算和计算机仿真, 分析和研究了横向磁补偿系统的磁场分布, 并对横向磁补偿线圈进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺横向磁补偿系统磁场均匀性较优化前提高约13倍, 满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

纯相位迭代全息图可以用来设计空间光滤波器。由于介质与空气存在折射率差, 空间光在经过全息干板时, 会产生相位变化。文章以每个像素光刻胶的高度调制相位, 设计出了2.5D灰度全息空间光滤波器。文章还利用电子束光刻机进行灰度曝光, 制备不同高度的光刻胶, 通过干法刻蚀将图案刻蚀到硅片上。对电子束曝光工艺、显影参数、刻蚀工艺等进行了优化, 制备出了高衍射效率空间光滤波器, 并进行了表征。

利用有限时域差分方法设计并优化了由二氧化硅和氮化硅组成的双层和三层减反射膜, 在1550nm波长附近实现减反射效果。采用等离子增强化学气相沉积高质量的二氧化硅和氮化硅薄膜, 制备了氧化硅、氮化硅双层减反射膜, 同时制备了氮化硅、氧化硅、氮化硅三层减反射膜。测量了两种减反射膜的减反射效果, 双层减反射膜的反射率可以达到0.18%以下, 三层减反射膜比双层减反射膜具有更大的带宽。

全息防伪技术已经实现了工业上的应用, 但仍存在精度差、成本高等问题。通过计算出二值图的傅里叶变换频谱, 采用罗曼三型编码, 计算出二元全息图。通过电子束蒸发镀膜、等离子增强化学气相沉积、电子束曝光、感应耦合等离子干法刻蚀、纳米压印等半导体工艺, 制备出了高精度、低成本、可复制的全息图。并对所制备的全息图分别用红色、绿色激光进行了测试, 得到的衍射图案清晰, 复现方式简单。

为了制备高质量氮化硅薄膜, 采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)进行氮化硅的气相沉积, 讨论了工艺参数对薄膜性能的影响, 验证设备工艺均匀性和批次间一致性。通过高低频交替生长低应力氮化硅薄膜, 并检测薄膜应力, 对工艺进行了优化, 探索最佳的高低频切换时间。研究了 PECVD氮化硅薄膜折射率、致密性、表面形貌等性质, 制备出了致密的氮化硅薄膜。研究结果表明, PECVD氮化硅具有厚度偏差小、折射率稳定等特点, 为其在光学等领域的应用打下了基础。

将脉冲预泵浦的概念引入瑞利布里渊光时域分析系统,利用由传感脉冲和经微波调制的预泵浦脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过作为探测光的时间有限的预泵浦脉冲1阶边带的瑞利散射与传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的时域整形,减小非本地效应; 通过预泵浦脉冲0阶基带和传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的谱域整形,有效地解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾。利用频域法求解瞬态耦合波方程,建立了阶梯脉冲光在光纤中受激布里渊作用的解析模型。仿真结果表明,当传感脉冲宽度为5 ns、峰值功率为100 mW,预泵浦脉冲宽度为50 ns、峰值功率为16 mW时,在空间分辨率0.5 m内受激布里渊散射增益在0.14 m处达到最大值,然后近似线性下降至0.37 m处,其余位置近似为零; 系统布里渊散射谱宽近似为35 MHz,约为传统瑞利布里渊光时域分析系统布里渊谱宽212 MHz的1/6,在相同空间分辨率下提高了频率测量精度。

深入研究了VBOTDA(矢量布里渊光时域分析)系统的原理, 该系统在传统BOTDA(布里渊光时域分析)系统的基础上采用外差方案, 可提高系统信噪比并获得布里渊相移信息。文章提出了一种将叠加平均去噪算法与FFT(快速傅里叶变换)分析法相结合的相位解调方法——频谱算法, 进行了理论分析并搭建实验平台验证了该算法的可行性和有效性。结果表明, 该算法对不同信噪比下的信号均有较好的解调效果; 对幅值为0.3 V且噪声标准偏差为0.5 V的信号, 采用1 000次叠加平均的频谱算法, 相位相对测量误差可降至0.71%。

研究了基于脉冲编码调制的布里渊光时域分析(BOTDA)系统原理,该系统向传感光纤注入经脉冲编码调制后的光脉冲序列,在接收端用数据处理程序恢复系统的单脉冲响应,从而提高BOTDA系统的信噪比、温度和应变分辨率。理论研究了BOTDA系统中Simplex 码、Golay码和CCPONS码的编码和解码原理；利用Matlab仿真研究了不同脉冲编码调制的BOTDA系统的时域输出信号,并对比分析了三种编码对系统信噪比的改善情况,结果表明采用脉冲编码技术可使BOTDA系统性能得到有效提升,CCPONS码调制时可获得最佳系统性能,Simplex码次之。

利用非相干蓝光LED 和轴棱锥-透镜系统直接产生局域空心光束，证实了非相干光源通过轴棱锥-透镜系统可以得到局域空心光束。利用衍射理论和多波长叠加原理分析了具有一定频宽的部分相干光入射轴棱锥-透镜系统后的光场分布，并模拟了光束传输变换过程的三维光强分布及不同位置处的截面光强分布。实验采用蓝光LED结合轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束，利用体视显微镜对不同位置处的光束截面光强分布进行记录。实验结果与理论分析相吻合，研究结果扩展了LED 的应用，对粒子囚禁、原子冷却具有一定的指导和现实意义。

提出利用非相干单色发光二极管(LED)光源和多模光纤产生空心光束。证实了将LED 光源以一定角度倾斜耦合进大芯径多模光纤可获得光斑均匀的空心光束。分析了光束在多模光纤中的传输路径和产生空心光束的机理，并用Zemax软件建立仿真模型进行模拟。搭建利用LED 和多模光纤产生空心光束的实验系统并且与激光作为光源产生的空心光束进行分析比较，结果表明利用LED 光源获得的空心光束均匀性更好。