纳米尺度下的光电器件的研制与米、毫米、微米尺度下电子器件或光学器件的研制在基本原理与制造技术上有本质的不同。必须采用量子电动力学和介观物理作为基本原理。在量子电动力学中,光子与电子可以相互转化,光子也可以储存在“空腔”中。光-电转换或光-电-光的转换甚至可以在远小于一个光波的尺度内实现(如100 nm以下)。基于大量最新现象发现的启示与推动,产生了一种全新的光子技术:纳米光子技术。在这种全新的纳光子技术中,人们将光子电子的输运与转化联合起来进行考虑,非线性光学获得了长足的发展。微电子技术和概念被大量地推广应用于纳光子技术开发。创新型元件如集成激光器、30 dB光放大器、效率为30%的155 μm滤波器等层出不穷地涌现。纳米技术的研发为信息储存、输运和处理开辟了新的天地。进入21世纪,纳米光子技术研究日新月异。在摩尔经验规律的指导下,不断发展的微电子工业的制造精度已进入100 nm领域。大规模应用纳米电子、纳米光子技术的时代已经来临。一些新型的光通讯线路已开始应用纳米光子器件。对公众而言,用于照明的LED只是一个应用实例。报告将结合法国国家纳米研究平台的研发成果来阐述纳米光子学的原理和纳米光子器件发展的趋势。

介绍了自由曲面光学系统研究背景,自由曲面描述方法,光学设计中的逐步逼近优化和像质自动平衡优化两种算法。并以实际应用中的头盔光学系统设计及大视场、高分辨率头盔显示器的设计为例对这些方面进行分析,讲解了自由曲面光学系统设计及其应用。

对成像制导**的激光干扰是一个复杂的过程,当干扰源或干扰对象的参数以及两者之间的相对关系发生变化时,都会对干扰效果产生影响。提出了一种基于目标图像测量统计的干扰效果评估方法,对CCD成像探测系统的激光干扰进行了仿真试验,结果表明目标测偏量的均差和方差能够直接反映CCD成像跟踪系统在激光干扰下的受干扰程度,是对成像制导的激光干扰效果分析的一种有效途径。

针对靶场试验装备布局很难做到激光器与阵列面垂直的实际情况,分析了激光探测器阵列系统处理激光光斑能量密度算法的不足。根据激光束照射靶面的倾斜角,研究了激光束与每个探测器形成夹角的计算方法,并推导出了具体的余弦角计算公式,对激光光斑每一点的能量密度进行了相应的修正计算,通过试验应用,验证了该算法在激光远场光斑测量中能够有效提高光斑能量密度的处理精度。

KTP非线性频率转换技术是实现人眼安全激光的有效方法,为了获得高峰值功率人眼安全激光,设计了一种级联式1.06 μm泵浦非临界相位匹配环形腔KTP光参量振荡器-光参量放大器,并对其激光输出进行了测试,结果证明该光参量振荡器输出激光波长1.571 μm,激光峰值功率42 MW,光光转换效率35%,能量稳定度2.5%。该技术已用于计量检测标准光源,并在远程人眼安全激光测距仪、激光雷达等装备中具有应用前景。

研究了计算海面激光反射的几何光学方法。首先根据JONSWAP非稳态海谱模型数值模拟出二维随机粗糙海面,再采用几何光学方法对入射激光光束在海面上的反射光进行建模,最后计算出海面激光光斑反射光强的空间分布。编制了相关的计算机程序,分析了在不同入射角度和不同风速下的激光光束反射特性。计算结果表明该方法对研究二维随机粗糙海表面激光反射特性有一定参考价值。

光学相控阵技术是一种新型光束偏转及扫描技术，介绍了光学相控阵技术光束电扫描的原理，分析了光学相控阵主要参数及高斯光束替代平行光束入射对偏转效果的影响，研究了三种利用光学相控阵实现多光束扫描的方法。研究结果表明，为了提高光束质量应尽量减小单元周期，增大光学相控阵尺寸和填充率，但减小周期并不能完全抑制栅瓣，而高斯光束取代平行光束入射仅影响偏转光束的角宽度，所研究的三种多光束扫描方法均有效，三种方法各有优缺点。

开展了白天全天空背景亮度特性数据库研究。利用测量设备进行天空背景全天候测量,对测量数据进行分析与处理,建立了白天天空背景理论模型,提出了基于理论模型的修正完善方法,建立了该位置全天空背景亮度数据库,可给出任意时刻背景亮度值。解决了连续特定位置背景提取难的问题,提高了提取的数量和精度。

由于场景中存在目标遮挡与重叠的影响，以及检测时产生的分割错误，同一个目标往往被识别为若干运动区域，或者多个目标被识别为同一个运动区域,从而导致目标数量识别错误。为了解决这一问题，提出了一种结合融合与分离操作的理论来分析视频的方法,将多目标跟踪的问题转化成为一个找寻后验极值的问题。采用图论的方法表示观测结果，利用图像序列中目标运动轨迹和外观相似度的信息，将多目标跟踪的问题归结为找寻图中多个最优路径的问题。该方法采用了滑动窗口框架以便统计固定数目帧的信息。实验结果表明该方法能够应对实际中发生的上述现象，达到了准确识别多目标数量的目的。

高亮背光显示装置在航空航天领域有着广泛的应用,结构小巧,重量轻便是其发展趋势;通过自由曲面棱镜和菲涅尔螺纹镜的引入从而使系统的光学结构简单,依据光学原件设计了显示系统的机械封装和电路系统,整个显示系统部件定位准确,组装和拆卸方便,总重量小于30 g。测试结果表明整个系统可以达到如下的指标:亮度200 000 cd/m2,均匀度大于85%,功耗小于6 W,达到设计要求。

在参考国外相关垂向通道测量方法的基础上,提出了垂向速度和升沉位移的测量方法。分析了舰船在海平面上的运动特性,设计了关于高度通道的三阶阻尼网络。假设航行在海平面上舰船的高度为零,对阻尼网络引入外部零高度进行阻尼,得到舰船运动的垂向速度,对速度进行高通滤波,积分高通滤波后的高频速度,得到舰船的垂向位移。在此基础上,利用杆臂效应原理,设计了基于双轴摇摆台的升沉测量检测方法,对激光陀螺捷联惯导做了检测实验,结果表明此设计方法已达到国外相关技术先进水平。

光学系统装调技术是高功率激光工程中的关键支撑技术之一。对光学系统装调中影响系统光束质量的误差来源进行了分析,并根据像差的装调方式进行了分类。对这两类像差的辅助装调方式进行了比较和仿真模拟。针对第一类像差,在装调模型中代入失调系统检测得到干涉图,利用计算机辅助装调模型计算出失调量的大小和方向,确定出系统的装调方案。仿真结果显示,对系统调整工作有较好指导作用。针对第二类像差,利用元件加工面形之间波像差的互补性,优化调整光学元件的装校姿态。仿真结果显示,系统的光束质量β由预期的4.916优化为1.187,提高了多元件光学系统的光束质量。

设计了用于空间对地遥感的卡塞格林光学系统,系统的焦距为1 000 mm,F=5.6,光谱范围0.4~0.9 μm,视场为3°,畸变小于1%。采用CODE V软件优化出两种系统结构形式,这两种结构形式的光学传递函数都接近衍射极限。将第二种形式的主镜的抛物面改成双曲面,并在校正组中引入了两个高次非球面,校正透镜组减少了两片透镜,其结构简单、体积小、重量轻,更适用于空间遥感应用环境。

为了提高长焦距空间光学遥感器主支撑结构的刚度,实现结构的轻量化,分析了几种常用的空间支撑结构材料,并结合三反离轴光学系统的特点,用有限元分析软件MSC.PATRAN建立了几种不同支撑结构的有限元模型。对其进行了模态分析,并对支撑结构在温度场和重力场影响下的变化进行了研究,从而对实际工程中光学遥感器结构的材料及构型选择提供了参考,对大型离轴三反空间光学遥感器主支撑结构的设计具有一定指导意义。

在光电系统测试中目标模拟器是必不可少的测试设备,黑体辐射源是红外目标模拟器的关键部件,它的选型直接影响着红外目标模拟器的性能。从黑体探测灵敏度与系统探测灵敏度的关系,推导出黑体辐射源的温度计算公式,以此计算黑体辐射源所需的最低温度点。通过仿真验证了计算方法的正确性,为黑体辐射源的选型提供了理论依据。

自动对焦可以快速、准确地将镜头调节到最佳位置，但目前该方式在算法和电路设计上还不够成熟，制约了它的应用。通过优化电路设计，选用TMS320VC5509A、FIFO和串口FLASH等低功耗、小尺寸封装芯片组成低功耗自动对焦电路，并基于Sobel算子的Tenengrad的改进图像边缘能量评价函数，采用可变窗口、合适的阈值，配合粗调（定步长）和精调(可变步长)搜索算法，设计实现了一种手持红外热像仪快速、准确地自动对焦的电路。实验结果表明，该方法高效可行，不仅能实现手持红外热像仪对目标的快速捕获，并能降低操作强度。

总有机碳是以碳的含量来表示水体中有机物总量的综合指标,比化学需氧量等参数更能准确反映有机污染程度。根据CO2气体对红外光的吸收与其浓度的关系符合Lambert-Beer定律,研制了一种非分散红外法总有机碳检测仪。该仪器能将待检测的水样导入反应器,水样中有机物被氧化成CO2,非分散红外模块检测到的CO2浓度与水样中总有机碳浓度具有良好的对应关系。具体论述了该仪器的工作流程、分析方法和数据处理方法。测试结果表明仪器的检测下限优于0.5 mg/L。该仪器可以为污染减排工作提供可靠的数据支持,完善污染物总量减排监测体系建设。

ELI将是世界上第一个致力于研究在极端相对论强度条件下物质与激光作用的大型基础设施,可在前所未有的强度水平下开展激光与物质相互作用研究。将用于探索阿秒-仄秒尺度的超快现象,并将开创激光与物质相互作用的新时代:超相对论领域,乃至其中的非线性量子电动力学的范畴,可以从真空中产生真空极化和基本粒子。ELI的科学使命是从原子到真空状态下对物质结构进行全面研究。ELI的建立将产生原子核物理革命。同时,它还产生一系列新技术,产生相对论性的微电子。ELI也具有广泛的社会效益,如在医学方面可提供新的放射成像技术和强子治疗方法。ELI对材料科学的发展也将有重要贡献。

提出了利用去除并联电感实现简化左右手(SCRLH)复合传输线(TL)结构的方法,及利用该方法实现超宽带滤波器的设计。设计了一个中心频率为7.05 GHz、相对带宽约为70%、带内群延时小于0.4 ns的超宽带滤波器。分别应用HFSS和Designer软件对该器件进行了微波全波仿真及电路仿真。用不同方法仿真获得的结果吻合良好。由此证明了用去除并联电感的新型SCRLH TL结构实现滤波器的正确性与有效性。

设计了基于二维正方晶格光子晶体微环的插分滤波器的基本结构,对其进行了时域耦合模理论分析,得到了输出端口的归一化透射率表达式。利用时域有限差分法对滤波器进行数值仿真,仿真结果与时域耦合模理论分析结果一致。结果显示,经过合理的参数调节,滤波器的传输效率可达到98%。这一分析方法同样可以适用于其他光子晶体结构。

提出了一种基于局部反馈校正的无重置联邦滤波器的设计方法,该联邦滤波器在保证组合导航系统的容错性能不变的同时可以提高系统的导航精度。该方法用于船用组合导航系统设计中,通过计算机仿真,并同Carlson提出的无重置联邦滤波器的仿真结果相比较,表明该方法精度高、容错性好,该方法现已成功应用于船用组合导航系统设计中。

利用数值方法研究了SOI脊形光波导损耗问题,重点讨论了PIN结构对自由载流子损耗控制的影响情况。研究表明SOI脊形波导在引入PIN结构后,偏置电压、入射光强和本征区宽度是影响自由载流子吸收损耗的主要因素,通过调整PIN结所加偏置电压、入射光强和本征区宽度,可以实现对脊形波导自由载流子吸收损耗的控制。计算结果可为硅基光调制器和拉曼激光器的设计制备提供一定的参考依据。