针对硅基光学相控阵芯片输出的光束质量受波导刻蚀和键合过程中相位噪声的影响,基于随机并行梯度下降算法以高速单点光电探测器为性能评价函数采集器研制相位控制器,构建一维64阵元硅基光学相控阵芯片光束优化的原理实验系统,实现硅基光学相控阵芯片的快速相位噪声补偿。接着研究相位控制器性能与硅基光学相控阵芯片响应特性匹配关系对光束优化效果的影响,初始光场强度对随机并行梯度下降算法收敛时间的影响,以及环境温度对相位噪声补偿效果的影响。实验结果表明,系统完成单个角度的光束优化时间为0.26 s,优化后的光束各项指标与器件设计吻合。

针对激光束快速扫描需求,研究基于光纤相控阵的多光束扫描。采用“先校正后扫描”方式,利用高速铌酸锂相位调制器,基于随机并行梯度下降算法,研制了相位控制电路系统,构建了1×16路光纤相控阵原理实验系统,进行了光束相干合成与多光束扫描实验。测试结果表明,算法单次迭代时间不超过10 μs,相干合成光束主瓣光强峰值旁瓣比达24.7 dB(理论极限26.4 dB),扫描范围与理论值吻合。该16路光纤相控阵系统在实现高质量相干合成的同时,还可实现500 kHz相干合成光束扫描。

在高能激光合成、空间光通信及其他激光工程中的潜在应用方面,阵列涡旋光束逐渐受到人们的关注。基于多重相位屏的数值方法,研究阵列涡旋光束在von Karman湍流中的传输特性,分析了光场的演化情况。结果表明:光束传输一段距离后发生融合,融合后的光束拓扑荷与初始光场中子光束的拓扑荷相同。考虑到光斑扩展会导致拓扑荷的损失进而使得通信效率下降,分析了不同湍流和光束参量对光束相对束宽的影响。湍流强度对相对束宽影响较大,拓扑荷等其他参量均对其有不同程度的影响,相对于单束涡旋光,阵列光束具有更小的相对束宽。

涡旋光束可以有效提高通信系统的信道容量,但大气环境下光通信信道受大气湍流的影响,因此研究涡旋光束大气湍流传输特性具有重要意义。大气湍流广泛采用Kolmogorov谱模型进行描述,但对大气湍流的进一步研究表明,大气湍流还具有非Kolmogorov谱特征。开展了非Kolmogorov谱湍流下涡旋光束传输特性的研究,基于数值方法研究了湍流内外尺度、广义指数因子、折射率结构常数对拉盖尔-高斯光束在不同传输距离下的螺旋谱分布、拓扑荷探测概率等参量的影响,仿真结果表明,拓扑荷探测概率与以上参量密切相关。最后,提出了一种数值计算涡旋光束闪烁指数的方法,并据此计算分析了大气湍流对通信误码率的影响。结果表明,即使在弱湍流中传输至1000 m处,误码率也很难达到通信要求,因此有必要采取进一步的相位校正措施。

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。

在蓝绿激光对潜通信及对潜探测应用中, 激光分别通过大气、气-海界面以及海水信道传输。由于海面上方覆盖海雾、风速引起海面粗糙度变化以及覆盖泡沫、海水信道中存在悬浮粒子等多种因素的影响, 蓝绿激光传输信道呈现复杂特征。基于米散射理论、粗糙面散射理论及辐射传输理论, 针对上述复杂海况开展海雾大气、泡沫覆盖风驱粗糙海面及考虑浮游植物分布的海水信道的激光传输特性研究, 并详细讨论了风速、海雾能见度及浮游植物分布对激光功率的衰减作用。结果表明：海雾、粗糙海面泡沫和海水信道中浮游植物对传输激光功率共同起作用, 其中海水信道中浮游植物对激光功率的衰减最为显著, 风速改变带来的海面粗糙度变化以及覆盖泡沫主要对激光透射角域产生显著影响, 同时对激光功率的透射极值产生一定的影响。

理论分析了贵金属纳米颗粒介电函数的尺寸及温度修正，考虑环境介质折射率的色散及随温度变化关系，计算了温度变化环境中Au纳米球的光学性质.结果表明，体相和纳米Au金属介电函数实部均随着温度升高而增大，而体相材料和纳米Au介电函数虚部表现出不同的温度特性; 对于纳米球的光吸收效率，温度升高，纳米球的吸收峰峰值增大; 对10~100 nm的Au纳米球吸收效率的温度灵敏度分析表明，Au纳米球的光吸收效率温度灵敏度随粒径增大而减小.

为了研究球形Au纳米颗粒的消光特性及共振波长与环境折射率的关系, 采用Mie理论计算了直径为20, 40, 60和80 nm的球形Au纳米颗粒在不同折射率的介质环境中的消光谱, 并利用消光法实验测量了这4种粒径的Au纳米颗粒在不同浓度糖水中的吸光度, 取得了糖水介质环境的折射率与浓度之间的关系及其色散规律, 以及Au纳米颗粒的消光系数及共振波长随环境折射率变化的数据。结果表明, 介质环境糖水浓度一定时, Au颗粒半径增大, 消光峰值红移; 颗粒半径一定时, 周围介质环境糖水浓度增大, 消光峰值红移; Au纳米颗粒的共振波长与糖水浓度呈线性关系, 20, 40, 60, 80 nm的Au纳米颗粒对应的线性斜率分别为0.106 0, 0.135 5, 0.193 8, 0.265 8, 斜率随粒径尺寸的增大而增大。该结论为探索纳米颗粒的折射率敏感性奠定了基础。

针对光波导相控阵扫描角度大、速度高的特点, 设计了光波导相控阵激光雷达的接收系统。该系统采用大视场凝视型的单孔径接收望远镜和APD阵列探测器, 进行目标信号的接收转换与目标角度测量; 同时采用微透镜阵列(MLA)以弥补APD阵列产生的探测视场空白, 提高回波信号能量利用率。首先给出了设计的总体方案, 选择并设计了系统的具体参数; 针对选择的器件参数, 根据激光雷达方程对系统的性能进行了分析。研究结果表明: 所设计的接收系统具有体积小、结构紧凑的特点, 性能指标可满足相控阵激光雷达的探测需要。