本文研究了一种在激光谐振腔内额外加入晶体以优化谐振腔稳定性的方式, 通过在谐振腔内加入折射率合适的晶体有效提高了激光输出性能。本工作搭建了一台Nd3+∶Gd0.1Y0.9AlO3(Nd∶GYAP)晶体激光器, 并在激光谐振腔内置入LBO晶体, 研究对比了LBO对b切和c切晶体激光性能的影响, 以及有无LBO时的激光器性能, 包括输出功率、激光波长、光束质量和偏振特性。结果表明, 当在激光谐振腔内置入LBO后, 光谱和光束质量基本没有发生变化, b切Nd∶GYAP激光器的斜率效率从18.9%提高到24.3%, c切Nd∶GYAP激光器的斜率效率从2.87%提高到10.07%, b切晶体的最大输出功率从0.931 W增加到1.254 W, c切晶体的输出功率从63 mW增加到134 mW。置入LBO后, 输出激光的偏振由于旋光现象也会在一定程度上发生偏转。因此, 在一些必须延长腔长的情况下, 如调谐和锁模操作中, 该工作为其提供了一种提高激光器斜率效率和输出功率的方法。

在光电探测领域,偏振特性能够有效反演物体表面材料特性、物体表面三维形貌信息,因此备受关注。而利用漫反射偏振特性求解三维形貌时,物体表面法线的天顶角信息与偏振度一一对应,使得其在复杂光照场景中应用广泛。结合物体表面反射光波的类型及其偏振特性模型,系统分析了漫反射偏振三维成像技术的原理,并对漫反射偏振三维成像技术现有的研究进展以及对该技术现有基础与未来发展方向进行了详细阐述。

首先,利用透明物体表面反射光和透射光在垂直和平行方向上的光强分布关系,基于偏振正交分解原理,推导出反射光成分、透射光成分、反射光偏振度、透射光偏振度之间的函数关系。然后,根据相机成像原理,利用表面法向量求解得到透明物体表面不同位置处入射光线和法向量的夹角及入射面方位角,进而归纳出图像中各个像素点的反射光偏振度和透射光偏振度的分布规律。最后,基于反射和透射的偏振特性和相关特性,利用梯度下降算法计算得到反射分量和透射分量之间归一化的互相关最小值,最终实现反射光和透射光的分离,进而抑制了透明物体表面反射光的干扰,这为复杂反射光场景下的目标检测识别及图像匹配等提供了支持。

为实现水面溢油目标的偏振遥感, 选择合适的波段和观测角度, 需要油膜的光谱偏振特性数据作支撑。 在实验室采用椭偏测量的方法, 针对不同厚度机油油膜和纯净水作为背景样本, 测量了不同观测角度下从紫外到近红外波段（270~900 nm）的镜面反射光谱偏振参数: 辅助角ψ和相位差Δ, 并对在相同条件下油和水的测量结果作对比。 分析表明除布儒斯特角附近位置外, 不同厚度的油膜与水的起偏特性在各观测角都存在差异。 通过在45°入射角所测的ψ和Δ, 得到水/油样本的光谱折射率和消光系数, 水折射率经过偏移修正后, 与Schiebener水折射率模型的标准差为3×10-5。 根据之前得到的油/水参数, 对油膜在水背景的物理现象作薄油膜理想介质层建模, 用菲涅耳定律仿真自然光的镜面反射, 发现在全观测波段相同入射光条件下油膜的反射光存在明显的偏振度（DOP）或偏振角（AOP）光谱偏振可观测性。 模型与实际测量结果对比发现: 在300~350 nm仿真结果和实际测量相符, 油膜的反射光偏振性质趋近于油样本; 在350~550 nm, 油膜模型仿真结果比实验的干涉效应更明显, 油膜实验数据表明其光谱起偏性质依然与油保持一致; 在大于550 nm直到近红外波段, 实验干涉效应开始显著。 说明油膜比油有更强的散射或吸收特性, 辨识参数得到油膜的消光系数存在不同于油的随波长先变小后变大的性质。 总之, 利用光谱椭偏测量方法, 通过多波段、 多角度测量, 分析液体样本的光谱偏振特性和折射率等性质; 偏振观测的恰当角度与油/水的布儒斯特角有关, 在布鲁斯特角之外的位置观测, 油膜的光谱椭偏角相较水都存在分辨能力; 对小于200 μm的薄油膜近红外波段可重复性较差, 而紫外和可见蓝紫波段相比之下有很好的可重复性和区分性, 更适合于对甚薄油膜表面种类的遥感观测。 该实验涉及的方法可以用于其他油种油膜的偏振光谱测量, 实验数据为偏振遥感工作的波段选择与观测角度提供提供参考。

激光器是谐振式光纤陀螺(RFOG)的重要组成部分, 其光学噪声严重地限制了RFOG的输出精度。通过建立激光器偏振特性的数学模型, 分析了激光器的偏振消光比、对轴误差和偏振本征态相位差对RFOG性能的影响, 并通过实验验证了模型的正确性。此外, 提出一种基于强度调制基频解调信号的方案, 以补偿RFOG中非理想偏振态的振幅波动。实验表明, 利用该方案可将非理想偏振态下振幅波动引起的陀螺输出波动减小12dB以上。

对典型卫星表面材料进行了可见光偏振测试,基于测试数据完成了表面材料的可见光反射特性分析;推导分析了基于偏振双向反射分布函数的可见光反射偏振传输模型,并基于测试数据对模型的模拟计算精度进行了评价。结果表明:模型计算的反射偏振度与实测结果有较好的一致性,且在镜面反射情况下,典型卫星表面常用的主体包覆材料偏振度最小,但偏振角有最大值。即材质表面组成成份不同,其可见光反射偏振特性有较大差异。结合考虑目标表面的偏振特性更有助于区分目标的物质组成,研究成果可为改善典型卫星目标探测的有效性提供基础数据支撑。

采用混合矩阵法, 分析了磁化分层等离子鞘套对斜入射电磁波传播特性的影响, 分别计算了不同入射角以及外加磁场下电磁波透射系数和极化特性的变化。以GPS导航信号右旋圆极化波(RCP)为例, 研究了磁场、电子密度对电磁波右旋圆极化特性的影响。结果表明, 外加磁场能够使右旋圆极化波在等离子体中的阻带向高频方向移动, 此外, 外加磁场能在一定程度上改善斜入射是圆极化波的极化特性, 有利于GPS信号接收。

为了表征涂层的表面散射偏振特性,基于Kubelka-Munk理论,综合考虑表面散射和体散射,建立了一种多参量偏振双向反射分布函数(BRDF)模型;该模型通过引入镜向系数来表征表面散射的贡献程度,以改进传统的偏振BRDF模型,使得含5个参量(复折射率的实部和虚部、表面粗糙度、相对漫反射率系数、镜向系数)的新偏振BRDF模型更符合实际的涂层表面散射偏振特性;通过开展户外实验获得黑漆和绿漆涂层表面在不同观测几何时的偏振度,利用遗传算法从实测数据中反演关键参量。结果表明:对于不同的涂层表面,该多参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据均能较好地吻合,引入镜向系数能够提高模型的准确性,可为涂层目标偏振特征的提取和有效识别提供依据。

角锥棱镜的偏振特性会产生退偏效应影响免调试固体激光器的输出质量和效率, 也可以实现相干互注入用于激光合成领域。无论是光的合成还是退偏效应的消除, 都需要有精确的偏振特性数据。利用解析几何和光线追迹法从理论上推导出角锥六种光回路的Mueller偏振变换矩阵。为了提高测量精度和稳定性, 设计了一种动态检测Stokes参量的方法, 通过实验获得角锥棱镜六种传输光路的高精度数据, 实验与理论的误差率为4.470%, 误差在合理范围内, 可以确定其偏振特性。所做研究将有助于消除角锥棱镜的退偏效应, 提高免调试固体激光器等设备的性能, 提高激光合成效率和质量。