窄线宽激光具备极高的频谱密度、极低的相对强度噪声和相位噪声以及超长的相干长度, 在诸多领域发挥重要应用。首先介绍了窄线宽激光器压缩线宽的基本理论和设计思路, 随后介绍了四类当前最具代表性的外腔窄线宽半导体激光器, 分析了其各自基本结构、关键技术、性能特点以及国内外发展现状, 最后总结了几类外腔窄线宽半导体激光器的应用推广潜力, 并展望了窄线宽激光器的发展前景。

激光陀螺是惯性导航系统的理想元件, 成功应用于陆、海、天、空等领域, 但激光陀螺对温度非常敏感, 外界温度变化会导致激光陀螺两路光路不对称, 从而影响输出角速度的准确性。采用温度场仿真软件Icepak, 建立激光陀螺温度场模型; 研究激光陀螺在外部不均匀热边界条件下, 陀螺腔体两阳极侧温度分布情况。仿真结果表明, 壳体内部对流换热系数增加3倍, 两侧阳极温差可以减小50%; 同时壳体与抖动机构之间的热阻对热传导有较大影响, 会引起21%的温差; 且在腔体表面贴比例系数为1 000∶1的各向异性传热材料, 不均匀温度区会快速地向其他区域扩散, 两阳极测温度均匀性较好。为陀螺内部温度均匀化设计及工程化提供了指导。

胶囊内窥镜具有体积小、续航时间长、无疼痛等优势, 被广泛应用于人体内部空间的观察。但传统的胶囊内窥镜存在观察范围小、成像相对照度较低、图像质量较低等缺点。设计了一款成像范围大、相对照度高、分辨率高的胶囊内窥镜镜头, 镜头视场角(FOV)为150°, F数为2.8, 总长度小于6 mm, 平均视野中相对亮度超过90%。调制传递函数(MTF)在200 lp/mm时超过30%, 并且镜头仅用了5片球面镜, 结构紧凑, 解决了传统的胶囊内窥镜的劣势, 利于医护人员对病情进行准确的判断。

条纹投影轮廓术在测量高反光物体时表面会出现过度曝光的现象, 致使对应区域的相位数据缺失。提出一种高反光物体直线运动的三维测量方法。仅向高反光物体投影一帧固定光栅, 随着物体在投影区域直线运动, 采集两帧高反光区域不重合位置的变形条纹图像。随后, 通过所提的具有单帧特性的计算莫尔轮廓术分别从这两帧变形条纹图像中进行物体在这两个位置的初步三维重建。最后, 通过像素匹配、点云配准与融合获得物体完整三维重建。该方法在不增加额外设备的条件下, 只用一帧光栅, 实现了比传统单目自适应条纹投影算法更高的精度, 提高了测量的实用性。实验结果证明该方法的可行性和有效性。

为分析研究运输类飞机的红外辐射特性及辐射亮度分布, 用3.7~4.8 μm中波、7.7~10.3 μm长波红外热像仪对空客A320飞机迎头飞行状态的红外辐射亮度进行了测量, 并用相对对比度对红外辐射进行描述。结果表明, 该状态下飞机红外辐射主要来源为气动加热造成的蒙皮辐射。涡轮风扇高速旋转状态下的中波、长波辐射亮度对比度分别达到了0.61、0.37, 高于机身其他部位的蒙皮辐射亮度; 机翼和尾翼中波、长波辐射亮度对比度分别在0.04~0.05、0.02~0.10, 为该飞机蒙皮辐射亮度最低的部位; 机腹、机头部位中波辐射亮度对比度高于长波辐射亮度对比度, 对比度分别在0.30~0.33、0.16~0.18。研究结果对目标特性研究、红外侦察探测、红外侦察设备研制及检测等工作具有一定的参考价值。

针对红外靶标模拟装置中的温控系统过度依赖专家经验, 且控制精度低等问题, 设计了一种基于改进GA算法优化的模糊PID红外模拟靶标温度控制方法。系统通过具有自适应交叉及变异概率的改进GA算法, 将模糊PID的量化因子和比例因子作为优化变量, 自适应调整PID参数, 快速确定温度控制单元的最优解。在Simulink建立温控系统仿真模型并进行仿真验证。仿真结果显示, 相较于模糊PID, 改进GA算法优化的模糊PID调节时间减少34.84%, 超调量减少63.75%, 稳态误差减少66.67%, 表明改进GA算法优化的模糊PID能提高系统的控制性能。

针对车载雷达伺服系统受损后的快速调平需求, 设计了一种便携式车载雷达精准调平系统。该系统采用四站式液压系统作为承载结构, 通过基于PLC的模糊PID算法控制电磁换向阀, 利用自密封快速活接液压缸以实现车载平台调平系统快速升降; 利用双精度倾角传感器反馈平台X-Y轴精度, 通过缸体两端的进出电动调节阀控制液压缸的微调精度, 以实现车载雷达的精确调平; 采用压力传感器进行虚腿判断, 以提高四点式支撑系统的响应速度和稳定性。测试结果表明, 该系统具有抗干扰能力强、升降与调平速度快、稳定性高、精度高等优点, 符合战时快速部署的要求。

在光伏发电等可再生能源发电下, 供需平衡能力问题应该在未来的电力系统中进行评估和解决。改进现有的平衡措施和新技术, 如电力供需双侧协同和储能将解决这个问题。在这种情况下, 远程电力系统供需分析应具有评估平衡对策的能力。基于负荷持续时间曲线的供需分析, 与时间序列分析相比该方法具有一定的局限性。但有一个很大的优点是在维护各种电气设备时可以进行供需评估。采用机器学习和深度学习的模型, 为预测消费者需求和分布式可再生能源提供了新的解决方案。提出的动力系统供需分析模型ESPRIT为电力供需双侧平衡提供了新的解决方案。

机载光电吊舱的误差来源有很多种, 其中一种就是摩擦力矩, 当光轴处于低速或来回转动时, 其摩擦力矩会在静摩擦和滑动摩擦之间来回变化, 难以预测。使用辨识方法建立摩擦模型, 并加以补偿, 是提高两轴两框架光轴精度的一种方法。介绍了摩擦力矩的建模过程, 使用两只吊舱对比了四种模型的拟合效果。拟合结果表明, 库伦+粘滞模型中缺少对于静摩擦力的描述; 静摩擦+库伦+粘滞模型中静摩擦到动摩擦是跳变, 很难进行摩擦力的估计和补偿; LuGre模型不仅有静摩擦的相关描述, 其曲线缓慢变化更贴近低速时接触面处于静摩擦和动摩擦来回变动的特性, 具有较好的拟合特性。通过实验验证了LuGre模型的准确性和优越性。

《量子力学》作为光电专业核心专业课程, 对于后续专业知识的学习和掌握有着极其重要的作用。根据日常的教学经验总结发现该课程的前序课程对学生学习效果有着非常显著的影响, 因此有必要对这种影响进行进一步的定量分析和评价。首先基于因子分析方法, 以前序课程和《量子力学》的成绩为指标, 对样本进行了降维处理, 形成了由前序课程组成的5个课程群, 依据其公共因子得分分析了学生《量子力学》学习情况。根据灰色绝对关联度进而分析研究了哪些前序课程对《量子力学》影响显著因子。最后基于多元线性回归方法研究了前序课程与《量子力学》相关性, 并根据分析结果总结出了对前序课程设置和教学的优化建议。

针对信号调制与传输特点, 设计搭建了一种由两个不同驱动频率声光调制器组成的外差干涉系统, 双路光强调制避免了由声光调制引起的衍射级次混叠和频移漂移等影响, 采用双路调制最后输出由两个+1级衍射光干涉形成的拍频信号, 消除了级间干扰; 同时系统良好的共线性和对称性, 极大地减小了外界环境噪声对测量精度的影响, 提高了检测精度。基于折射率改变引起的相位变化信息进行检测及处理, 通过测量不同百分比浓度的溶液, 并对系统的相位特性进行了研究, 提出一种溶液浓度检测的新方案, 并对激光漂移和调制强度对测量系统的影响进行了分析。实验结果表明, 该检测系统能够较好地通过对信号相位差改变信息的处理完成对溶液浓度的检测, 在0.1%~0.5%范围内, 最大相对误差约为8.0%, 为光外差干涉溶液浓度测量系统小型化设计和制造提供了参考。

提出一种数字投影仪性能最大化计算莫尔轮廓术。为了满足动态测量的需要, 利用数字投影仪的最大化刷新帧率和最高条纹频率设计, 将二元编码条纹代替传统的8 bit数值正弦条纹使投影仪刷新率由传统60 Hz提高到数千Hz以上。通过编码满足抽样定理的最小周期二元条纹, 利用数字投影仪的最优投影帧率性能, 即可以在数字投影仪上实现投影条纹的最小等效波长, 也可以实现计算莫尔条纹的优化提纯, 进而从源头上有效提高计算莫尔轮廓术(CGMP)的测量精度。通过与傅里叶变换轮廓术(FTP)和高精度计算莫尔轮廓术(HCGMP)的对比实验验证了该方法的可行性和有效性, 表明所提方法具有较高的测量精度, 通过在线运动“心型”物体的测量表明所提方法可以满足在线和动态三维测量需要。

悬浮力学振子是近年来发展起来的新型高灵敏的力学探测手段, 相比于固态力学振子, 悬浮系统由于和外部环境完全没有物理接触, 有着非常高的品质因子, 在弱力测量, 波函数塌缩测量等方面非常具有潜力。讨论了反馈冷却的机制, 利用NdFeB永磁体对乙二醇600液滴实现了抗磁悬浮, 并且用一个微线圈对其两个振动模式进行了反馈冷却, 在常温300 K和真空环境10-5 mbar中达到了实现了几百mK量级的冷却。实验结果与理论预测的最低有效温度吻合, 为将来深入研究宏观量子现象提供了一个良好的平台。

仿生复眼系统解决了传统单孔径光学系统中视场与分辨率的矛盾关系, 兼具了较大的视场和高分辨率。但随着视场和分辨率的增加, 图像信息增多, 随之带来了图像拼接中效率和质量问题。针对该问题, 提出一种基于改进尺度不变特征转换(SIFT)算法和主成分分析(PCA)算法的仿生复眼多路图像拼接融合方法。该方法缩小了特征点提取区域, 减少了多路图像特征点匹配次数, 降低了图像特征点描述符的维度。再利用改进的自适应迭代随机抽样一致(RANSAC)算法对特征点进行提纯增加鲁棒性, 最后通过加权平均算法来完成对多幅子图像的高质量融合。实验结果表明, 该算法设计合理, 且随着图像信息的复杂程度增加, 相较传统算法的拼接效率不断提升, 同时保证了较好的拼接质量, 可有效拼接融合仿生复眼系统多路图像, 对多路图像类系统拼接融合提供借鉴。

由于光伏板测得的灰尘散射数据受到各种噪声和干扰因素的影响, 导致测量数据的误差大。因此, 为了得到准确的检测结果, 提出了一种结合卡尔曼滤波和数字锁相放大技术的信号去噪方法, 对混合了噪声的光伏板灰尘散射信号进行去噪处理。通过仿真实验和对实测的光伏板灰尘散射信号去噪, 并计算信噪比、均方根误差和平滑度, 验证了联合算法的去噪性能。结果表明, 卡尔曼滤波和数字锁相放大器联合去噪算法的信噪比比单一数字锁相放大器去噪算法提高了36%, 能够有效降低光电探测系统中的噪声干扰, 提高光电探测系统的精度和稳定性。

为了使空间光调制器实时产生大景深的再现像, 运用GS算法计算出不同参数下的全息图。通过计算全息重建算法仿真得到不同傅里叶全息图下的再现像。在无傅里叶变换透镜的情况下, 利用计算机将不同参数下的傅里叶全息图输出到空间光调制器, 通过分析二维实时动态显示的再现像表明, 当傅里叶全息图的采样点数为1 024×768, 采样间隔为18 μm时, 再现像景深为275 cm, 该参数下再现像景深最大; 通过分析不同参数的傅里叶全息图再现像, 实验结果表明相位图像元尺寸越小再现像景深越大, 并且在相同参数下有傅里叶变换透镜时的再现像景深小于无傅里叶变换透镜时的再现像景深。

潜用光电设备是水下航行器重要的观察测量仪器, 潜望状态使用时受到波流场的流体动力作用。在波流场的作用下, 潜用光电设备将发生周期性弯曲和振动。严重时, 会影响设备的使用, 甚至会导致设备的损坏。对潜用光电设备在波流场中所受流体力进行了分析, 得到了其时域谱。再通过瞬态动力学有限元分析法, 对波流场作用下潜用光电设备的最大变形和应力响应进行了解算, 得到了最大变形和应力时域谱。仿真结果表明, 对于高频率的涡漩侧向力, 在瞬态加载条件下其力学响应比极大值静态加载要大得多。波流场作用下的力学响应分析对设备结构强度、使用评估等具有指导意义。

设计了一种基于点结构光的腹部运动测量系统, 用于监测由呼吸运动引起的患者腹部实时状态, 为主动补偿放疗中因呼吸因素造成的靶区位移、实现靶区的相对静止提供精确位置信息。测量系统基于激光三角测量原理的点结构原理, 将腹部运动转换为激光点移动, 从相机记录下的图像中提取激光点位置, 根据已知系统参数即可从激光点的移动量计算得到每个时刻呼吸所引起的腹部运动量。实验表明, 所提方法能准确、实时地获取位置信息, 具有结构简单、精度高等优点, 能为胸腹动态放疗中患者呼吸因素的补偿提供一种新的解决方法。

针对现有亚波长抗反射光栅结构参数对加工工艺要求较高且难以制备等问题, 设计了一种方柱形二维抗反射光栅结构。依据等效介质理论和薄膜增透理论对亚波长抗反射光栅结构参数进行仿真分析, 结果表明其透射率在远红外波段20~24 μm平均透射率能够达到98%, 中心波段21.8 μm处透射率达到99%。使用飞秒激光直写方式进行实验制备, 测得平均透射率达77%, 中心波段透射率达到77%, 与仿真结果相近。经实验验证, 所设计的亚波长光栅结构的工艺容差较现有光栅结构更好, 且对实验加工精度要求较低, 为其他类似光栅结构的设计和加工提供了新的思路。

回音壁模式晶体腔凭借其高品质因数和小模式体积, 在光学滤波、非线性转换、光学传感等研究领域都具有重要的应用前景, 然而裸露光学微腔的谐振特性极易受外界环境干扰的影响, 针对基于氟化镁晶体回音壁模式微腔的光纤耦合封装技术进行了研究。通过氢氧焰熔融拉锥的方式制备了锥形光纤, 其锥腰直径约为2 μm。搭建了回音壁微腔与锥形光纤耦合测试实验平台, 优化后的锥形光纤耦合系统使回音壁模式晶体腔在一定波长范围内工作在少模状态, 品质因数达到5.15×107。此外, 完成了具有精准温控的耦合器件封装, 提升了锥形光纤和回音壁腔耦合系统的稳定性。从实际应用的角度出发, 为超高品质因数的回音壁模式晶体腔的封装提供了一种有益的尝试。