金属离子激活的材料和器件已在科学研究和实际应用领域得到广泛的尝试。荧光离子丰富多彩的发光性质极为令人关注, 在多功能应用中起到重要的作用。介绍了研究组的最近几方面的工作。首先, 镧系掺杂上转化发光纳米材料作为探针或造影剂可用于包括荧光、MRI、X光和CT等多模式生物成像技术。具有高灵敏度和快速响应的生物传感器, 对于以有效方式及时准确地检测各种病毒基因极为重要。开发了上转换荧光纳米生物传感器用于病毒检测。另外, 研发了可以探测和获取对各种外界刺激的发光离子掺杂的复合材料。通过将磁场耦合到压电光子学, 提出和实现了磁致发光(MIL)。另外, 纳米电子和光电子器件的最终目标促进了原子层薄的二维材料研究。通过引入稀土离子到二维半导体实现了上下转换发光。最后, 展示了引入金属离子以及环境友好型的摩擦发电机, 将环境机械能转换为电能和光发射。这些工作将有助于发展未来能源器件和自驱动传感器。

为改善低剂量CT图像的质量, 提出一种基于改进型Wasserstein生成对抗网络(WGAN-gp)的低剂量CT图像去噪方法。WGAN-gp在WGAN网络的基础上加入梯度惩罚项, 解决了WGAN训练困难, 收敛速度慢的问题, 进一步提高网络的性能。同时加入新感知损失度量函数, 使对人眼而言敏感的纹理信息得到保留。实验结果表明, 与目前相关的方法相比, PSNR提高了1.83 dB, SSIM表达能力增加了约3.5%, 降低了时间复杂度, 显著改善了低剂量CT图像的可视质量。

量子纠缠起源于Einstein-Podolsky-Rosen佯谬, 其本质来自于对物质之间的相互作用的定域性的认识。在量子尺度下, 当两个系统各自的 Einstein-Podolsky-Rosen 算符的总起伏低于标准量子极限时, 称这两个系统是不可分的, 即这两个系统是连续变量纠缠的。量子纠缠按照其违背测不准原理的程度分为三个类别, 分别是量子不可分、量子导引和贝尔非定域性。分别介绍了这三种不同类别的量子纠缠的概念及其相关的判据, 介绍了这几种量子纠缠的潜在应用, 并给出了基于量子导引型纠缠态的未来量子通信和量子计算可能的发展方向。

高功率高重频脉冲激光在**、工业、医疗和科研等领域具有诸多用途。通过激光二极管侧面泵浦及声光调Q技术, 实现了高功率高重频1 064 nm脉冲激光的输出。对单模块本征+单通放大和单腔双模块进行了对比试验研究, 同时对石英旋光器的热退偏补偿效应进行了试验验证。在腔内加入石英旋光器后, 脉冲激光输出功率由370 W增加到393 W, 远场光束发散角也由13 mrad减小为10.3 mrad。通过双模块本征+单通放大的装置, 在声光调制频率25 kHz的条件下, 获得了最高功率500 W, 脉宽95 ns的脉冲激光输出。该型激光器峰值功率高、光束质量好、结构简单, 可为高功率高重频脉冲激光器的应用研发提供设计参考。

针对多级合成结构, 分析了几个主要误差对偏振合成效率的影响, 具体计算了合成效率随直径偏差、功率失衡、偏振度的变化规律。数值模拟结果表明, 当两束光直径与功率完全相同时具有最大的合成效率, 随着两束光直径和功率的偏差增大合成效率都会降低, 相对而言合成效率对功率失衡的容差更大, 当功率失衡为10%时, 合成效率下降0.06%。结果表明I型结构具备向多链路拓展的可行性。

针对移动纳秒脉冲激光控制参数对Pb99.994铅锭标刻区域温度分布影响规律尚不明确的情况, 基于传热学理论, 分别建立了光纤式脉冲激光单脉冲和连续脉冲标刻金属表面的三维非线性温度场通用模型, 并通过单因素实验重点讨论了在单脉冲作用下不同水平的功率、频率和速度对温度的影响变化以及多脉冲条件下的累积效应。最后通过显微测量深度与模型计算深度对比, 验证了模型的准确性。实验结果表明: 单脉冲作用下, 功率对材料温度升温幅度影响最大, 功率由10 W升至18 W时, 中心点温度升高幅度约为2 000 ℃; 连续脉冲作用下, 速度是脉冲累积效应变化的主因, 脉冲累积效应对影响区域温度的提升不大, 而对标刻灰度有一定程度上的决定关系, 这为金属材料有效标识选择合适的工艺参数提供了参考依据。

为了解决10 m气步枪运动员日常训练中需要消耗大量子弹和靶纸的问题, 使用LabVIEW设计了一套基于图像处理技术的激光模拟射击自动报靶系统。此系统在10 m气步枪基础上加装扳机压力传感器、蓝牙模块、激光器等, 使用激光束代替实弹, 使用摄像头模块捕捉靶纸上的光斑图像并传输给计算机程序, 利用LabVIEW程序的图像处理函数进行处理得出瞄准轨迹、扳机压力曲线和环数成绩等提供给教练及运动员查看分析。相比与传统的人工判靶, 该系统除了解决训练中消耗大量子弹和靶纸的问题, 还在报靶的效率、精度、公平性等方面具有一定的优势。

针对当前单帧条纹技术存在的精度受到影响等问题及传统相位测量轮廓术受多帧采集限制的情况, 提出了一种基于单帧变形条纹的空间等步相移轮廓术。先提取所采集的单帧变形条纹图的零频成分, 通过滤除背景光并归一化处理, 可获得振幅为常数1的纯交流正弦变形条纹, 当该纯交流正弦变形条纹与该条纹顺延若干像素后的正弦变形条纹相加时, 根据和差化积即可获得一幅新的具有一定相移量的纯交流正弦变形条纹, 依此反复即可获得5帧相移变形条纹, 从而可以利用5帧相移解相算法重构待测物体的三维面形。实验验证了本方法的可行性和实用性。与传统相移轮廓术相比, 所提方法仅需要获取一帧变形条纹图, 无需采集多帧变形条纹, 可以实现实时三维测量, 而与傅里叶变换轮廓术相比有更高精度。

为了计算轨道车辆地板铺设时每个地板安装座的补偿高度, 介绍了一种基于平均斜率的轨道车辆多曲面调整算法。该算法根据测量数据拟合出一个由多个平面块组成的多曲面, 将多曲面作为地板铺设的基准面来计算补偿高度, 补偿精度为1 mm。计算结果表明, 该算法满足实际生产需求。

为了研究光电对抗形成的窗口玻璃裂纹对光伏器件光电响应的影响, 模拟了对抗激光辐射窗口玻璃一段时间后的温度分布和裂纹分布, 计算出窗口玻璃的透过率, 并求解裂纹光伏器件此后在正常工作时的响应值。分析结果表明: 裂纹形成后, 光伏器件在工作时的开路电压和短路电流较无裂纹时都出现降低, 开路电压下降约9.5 mV, 短路电流下降约15.6 mA, 短路电流下降较为明显。此外, 对于裂纹光伏器件, 若信号光的波长从1 064 nm上升到1 319 nm, 开路电压和短路电流升高, 开路电压上升约7.8 mV, 短路电流上升约8.5 mA, 短路电流上升较为明显。由此可见, 光电对抗形成的裂纹和形成裂纹后信号光的波长变化, 对短路电流的影响大于开路电压。

有源区载流子浓度变化导引的折射率变化是许多新型光通信器件的工作机理, 对量子线材料折射率变化偏振相关性的研究有利于改善器件的性能。首先分析了线区材料组分、垒区材料组分、柱状量子线直径和载流子浓度对量子线材料TE模和TM模折射率变化的影响。以此为基础, 提出了一种实现量子线材料折射率变化低偏振相关的多参数调配方法, 并设计出C波段(1 530～1 565 nm)内折射率变化低偏振相关(<1%)的InGaAs/InGaAsP量子线材料, 表明该多参数调配方法对量子线材料折射率变化低偏振相关的设计具有指导作用。

为了实现对铜铟硒膜光电性能的调制处理, 在制备不同厚度铜铟硒膜的基础上, 通过引入离子注入设计了不同的膜层结构。测试结果表明, 随着退火温度、溅射功率的改变, 薄、厚二种铜铟硒膜层的禁带宽度、电阻率、拉曼光谱均发生变化, 且表现有所区别。对铜铟硒膜进行离子注入后发现, 黄铜矿结构对应的拉曼峰减弱甚至消失, 表面晶格损伤较大; 单注入铝离子使得电阻率及禁带宽度均增大, 而单注入钛离子增大了禁带宽度但降低了电阻率, 双注入铝离子与钛离子则可以在较大范围内对电阻率、禁带宽度进行调制。

为了研究平面环形腔光阑误差对腔损耗的影响, 利用Fox-li数值迭代法通过GLAD光学仿真软件对平面环形腔进行建模, 仿真计算了平面环形腔中椭圆光阑的尺寸和中心位置偏移误差分别在短轴和长轴方向上对腔损耗产生的影响。结果表明: 在满足基横模运行条件下光阑尺寸越小、中心位置越偏离原点, 损耗越大, 变化越快。在0.03 mm的误差范围内, 误差为负值时尺寸误差引起的损耗变化总是大于中心位置偏移所引起的损耗变化; 短轴方向的误差所引起的损耗变化总是大于长轴方向上误差引起的损耗变化。

基于Offner型同心结构特点, 设计了一种工作波段范围3.0～5.0 μm, F/4的双通道中波红外编码孔径多光谱成像系统, 该系统由望远物镜和Offner型分光系统组成, 其中Offner型分光系统采用一个凸面光栅和一个球面反射镜实现了编码孔径系统的分光和合光。根据探测器和数字微晶阵列的参数, 对系统各主要光学参数进行合理选取, 最终确定凸面光栅的曲率半径为150 mm, 周期30 μm。整个系统在全视场的弥散斑控制在20 μm以内, 小于探测器像元大小, 满足像质要求。

ADC广泛应用于手持设备, 以及**等领域。电ADC受限于时钟抖动和比较器模糊等关键指标, 性能基本接近理论极限, 提升空间有限。光ADC发挥了光子学的优势, 具有极大的带宽, 能实现远距离传输、远端处理, 是ADC发展的理想方向。光ADC能够很好地突破电ADC理论上的极限, 因此引起广泛关注。利用时间-波长交织、时间拉伸原理进行了光ADC的开发研究, 制做了高速光ADC样机, 进行了实验, 并分享了各项技术的细节。此外, 硅光集成技术将为光ADC技术打开新的窗口。

为了解决某些建设在地势低洼地区变电站的地基沉降问题, 利用分布式光纤传感技术, 提出了一种变电站地基沉降监测方案。在介绍分布式光纤传感技术的基础上, 研究了抗干扰能力强的应力光缆作为感应元件。分别介绍了地表变形监测光缆、深部变形监测光缆、基桩沉降监测光缆和连接光缆的布设方式。最后以两种类型的变电站作为试点应用对象, 对监测结果分析表明, 由监测定位图中的波峰和波谷位置可以判断光缆松弛程度, 进而确定应变方向和幅值, 提出的监测方案可以很好地满足变电站地基沉降监测的需要。可以为变电站地基沉降防治技术的进步提供参考和辅助。

微波光子滤波器是一种能对微波信号实现滤波功能的微波光子子系统, 能够替代射频链路中的电子滤波器。作为微波光子滤波器的关键指标之一, 带宽会因为通带展宽效应而恶化。构建了一种基于宽谱光源、可调谐延时线、光谱处理器、色散元件的中心频率可调谐的微波光子滤波器, 分析了其中通带展宽效应的原理以及带宽和带宽延时积的关系, 提出了一种基于带宽延时积的带宽自动补偿方法。实验中, 滤波器带宽从687 MHz 补偿到 44 MHz, 中心频率可调谐到~70 GHz, Q值最高达到~1 600。因此该方法可有效补偿通带展宽效应, 对于实现高频窄带微波光子滤波器有参考意义。

针对高载频、宽调谐线性调频信号产生问题, 提出了一种并联MZM的载频8倍频线性调频信号光产生方法。首先利用并联MZM的边带选取特性来获取 ± 4阶边带, 然后结合外调制技术将抛物线波形加载在一个边带上, 使系统产生载频8倍频的线性调频信号。最后基于Optisystem软件进行了仿真实验, 产生了载频分别为40 GHz和48 GHz, 带宽为16 GHz的线性调频信号, 实验结果验证了该方法的可行性。所提方法对可为日益高频化的军用微波系统信号源提供一种解决思路, 展示了微波光子技术用于射频信号产生的巨大潜力。