通过探测高层大气中气辉(极光)辐射线的多普勒频移,可以反演出高层大气中的速度、温度和压强等物理量。以高层大气中的极光(原子氧跃迁所辐射的两条主要谱线)为被探测源,对于洛伦兹光谱线型高层大气风场的探测原理和方法进行了研究;给出了基于洛伦兹光谱线型高层大气的速度场、温度场和压力场的分布规律和理论计算公式;采用计算机模拟,描绘了洛伦兹光谱线型风场的误差曲线,表明了洛伦兹光谱线型在高层大气风场探测中占有相当重要的地位。

激光雷达能同时成距离像和强度像,较其他的成像体制给出更多的有用信息。距离像的去噪是激光雷达图像处理的关键步骤,去噪的好坏直接关系激光雷达在跟踪、定位等方面的精确性。根据距离像噪声来源,采用结合强度像的多级中值滤波对实际的雷达图像进行了去噪处理。首先利用强度像3×3邻域均值和图像平均值消除失落信息影响,然后采用多级中值滤波消除逸出值。分别给出了各步处理结果,最终获得了较清晰的距离像。研究结果表明运用结合强度像的多级中值滤波方法能够有效地抑制相干激光雷达距离像的噪声。

高功率固体激光装置中正常光束的残余反射将形成能量较大的鬼点,它们极易对元器件造成损害,因此对一阶及多阶鬼点的位置作定量分析对高功率激光系统设计是非常必要的。采用将近轴分析与实际光线追迹相结合的分析方法,对神光Ⅲ原型装置进行了一套完整的杂散光分析。首先在近轴条件下对系统中可能产生的一阶至多阶鬼点进行了全面的计算和定位,列出其来源和鬼点较集中的区域,如普克尔盒一个窗口的前表面附近鬼点能量比较集中,然后通过大量的实际光线追迹对这些元件进行重点考察,模拟其表面的能量分布,为如何减小鬼点数目,从而避免鬼点能量造成的损伤提供了详尽的数据参考。

基于几何光学的光线折射和反射原理提出了变折射率介质中的光线追迹算法,给出了在光线追迹过程中进行递推的反射光线和折射光线的方向余弦方程;解决了空间中法线的确定和光线回转等问题。最后通过对多种不同的存在解析解的特殊折射率分布的数值解值和解析解值的比较,验证了算法的正确性,并且讨论了应用算法时应该注意的问题和算法中还有待解决的问题。该算法不但具有广泛的适用性,基本不受折射率分布的制约,而且其数值解精度达10-5。该算法在变折射率介质的光学设计和空间成像补偿等方面有着广阔的应用前景。

大部分常用的遥感影像融合方法都存在一个缺陷:只能产生一个特定的融合结果,用户无法控制最终的结果应该保留多少光谱信息或细节信息。提出了一种基于小波变换的可调节自适应遥感影像融合方法,该方法首先分别将待融合影像进行小波分解,然后,通过引入2个可调节参量,在小波域内融合,最后通过小波逆变换得到融合结果。使用法国地球资源探测卫星(SPOT)图像和陆地资源卫星专题绘图仪(landsat TM)图像,将该方法与传统的小波变换融合法、强度色散饱和变换融合法和主成分变换法进行对比试验,结果表明,该方法可以在细节保留和光谱保持两方面达到不同程度的平衡,在合理的参量组合下,融合图像的目视效果和统计指标优于传统融合方法。

为了综合利用多光谱遥感图像与全色遥感图像之间的互补信息,提出了一种方向金字塔框架变换(SPFT),并基于此变换提出了一种遥感图像融合算法。具体融合过程是将多光谱图像的每个波段分别与高分辨力全色图像进行融合,首先将高分辨力全色图像与多光谱图像的待融合波段进行直方图匹配,然后对该波段图像以及直方图匹配后的高分辨力全色图像分别进行方向金字塔框架变换分解,融合过程就是对两图像方向金字塔框架变换分解后的系数进行组合,最后对组合后的系数进行方向金字塔框架逆变换即可得到该波段图像与高分辨力全色图像的融合图像。实验结果表明该算法在性能上优于基于亮度色调饱和度(IHS)的彩色空间变换以及基于离散小波框架变换(DWFT)的遥感图像融合方法,尤其对源图像之间存在配准误差的情况。

为了解决非连续物体三维面形测量中所存在的非连续相位解包问题,采用计算机生成的两频率之比为一无理数的电子光栅作为空间载频光栅条纹投影到待测物体表面。另外结合伽博小波变换分析的相位解调原理,在一幅变形双频光栅图像中分析得到两个频率各自所对应的包络相位分布,并且应用钟金钢等所提出的双频条纹查表法进行解包得到确定的调制相位分布。提出的双频光栅小波变换查表相位解包法很好地解决了傅里叶变换轮廓术,以及连续相位解包法在非连续物体三维面形测量中所存在的问题。给出了详细完整的理论推导过程、计算机模拟以及实验验证,证实了该方法的可行性。

报道了可见近红外波段(488～944 nm)基于低温辐射计的光谱辐射功率定标和标准传递实验和研究,并对测量结果的各个不确定因素进行了测量和分析。首先低温辐射计采用电替代方法测量单个波长激光绝对光功率,测量不确定度低于0.016％。然后利用低温辐射计定标作为标准传递探测器的硅陷阱探测器,从而建立可见近红外波段陷阱探测器的绝对光谱响应率标准,其不确定度小于0.028％。结果证明了在此波段以探测器为基础建立和传递高精度光辐射标准的合理性和可行性。

在相干光通信和高速光纤通信等领域,要求偏振变换器具有高的偏振变换精度。对由两个可独立旋转的λ/4波片和一个可独立旋转的λ/2波片组成的三波片偏振变换器的偏振变换误差进行了详细的分析。利用二维几何方法推导出了由波片方位角误差造成的偏振变换误差模型,并进行了数值计算。研究结果表明,三波片不同的组合方式对偏振态的变换精度有影响。其中,λ/4+λ/2+λ/4组合具有最高的偏振变换精度,λ/2+λ/4+λ/4次之,λ/4+λ/4+λ/2的最差;经三种偏振变换器变换后偏振态的方位角的变换误差较大,变换后偏振态的椭率角的误差很小;三种偏振变换器都可以实现较高精度的任意偏振态变换。

为了合理地设计光学系统以整形激光二极管出射光束, 必须准确了解激光二极管的远场分布,然而对于大功率激光二极管仍没有形式简单并且较好反映实际器件特性的光束模型。基于亥姆霍兹方程的严格远场解,提出使用两个离心高斯光束描述场源处平行结平面方向的模式场分布,将其代入严格远场解中得到一种描述大功率激光二极管远场光分布模型,用于描述其双峰远场结构。理论模型与三种实际器件的测量数据进行了比较,曲线主要部分都能很好吻合,并且偏差部分的能量仅占总能量的1%～2%。该模型数学表达形式简单,可以方便地用于研究光束经光学系统后的变换,以及计算光学系统的耦合效率,而且对于定量设计光学整形系统十分有用。

详细阐述了同心抽运、同心冷却的激光二极管紧包侧抽运Nd∶YAG激光器的实验研究工作。这种抽运结构使晶体内的增益场与谐振腔基模实现了良好的匹配,易于得到良好的光束质量和大能量输出,基模提取效率高。模拟分析了晶体内的增益场以及横截面内的温度分布,从不同角度探讨了激光二极管的温度特性对器件工作的影响。研究了晶体的热致退偏效应对器件调Q工作的影响,并且初步探讨了不同腔长、不同腔型下器件的工作情况,这些实验结果对进一步优化使用这种抽运结构有指导意义。所设计的激光器在工作频率6 Hz时,得到了斜效率为44.3%的多模调Q输出。在抽运能量735 mJ时,得到最大输出能量135 mJ,脉宽7.6 ns的调Q脉冲,光光效率为18.4%,插头效率为11.0%,光束发散角小于1.5 mrad。

用激光-V棱镜装置测得耐热型硅树脂在632.8 nm和650 nm波长上的热光系数分别为-3.3×10-4 /℃和-3.6×10-4 /℃。以石英玻璃为衬底,用该材料制作了平板波导,用棱镜耦合法测量了不同温度下波导的有效折射率,利用平板波导模式本征方程求解出不同温度下导波层的膜厚与折射率,分析了有效折射率随温度变化的特点。根据导波层折射率与厚度的变化和高分子材料的克劳修斯莫索提公式,分析出该材料的极性分子较大,是引起负热光系数大的原因。该材料适合用于研制低功耗、与塑料光纤匹配的短距离光通信热光开关。

研究了中子辐照对蓝宝石(α-Al2O3)单晶体缺陷形成及光学性能的影响,对采用提拉法与温度梯度法生长的蓝宝石晶体进行中子辐照,通过对比辐照前后的吸收及荧光光谱变化,发现辐照使得蓝宝石晶体内形成F、F+和F+2色心缺陷,但不同方法生长的晶体样品中色心浓度差异明显。其中提拉法样品的F心浓度要高于温度梯度法样品,而温度梯度法样品中F+色心浓度要高于提拉法样品。分析表明,这与两种方法生长的晶体中杂质含量差异有关。通过研究辐照后晶体的热致发光谱发现提拉法与温度梯度法生长的蓝宝石晶体分别在145 ℃与150 ℃有明显的热致发光出现,采用初始上升法计算出两种方法生长的晶体的热致发光陷阱深度分别为1.15 eV及1.05 eV。

为合理描述生物组织中光子微区的扩散情况,提出在相函数中引入独立控制参量来改进现有的一般扩散近似理论。以平板结构为例,分别利用改进的一般扩散近似理论、标准扩散近似理论以及一般扩散近似理论,对光子在不同厚度中的扩散进行数值模拟,并与蒙特卡罗方法的模拟结果进行了比较,从而论证了改进的一般扩散近似理论能很好地描述生物组织中光子微区扩散。在此基础上,进一步探讨了系统参量对独立控制参量的影响。结果表明:最佳独立控制参量会随着数值孔径的增加而下降、随着光束半径的增加而增加。本研究对微区生物组织光学特性测量技术的研究具有重要的指导意义。

用拉曼光谱探讨维生素C对紫外线诱发DNA损伤的保护作用。测量了小牛胸腺DNA水溶液及其添加微量维生素C并经过9 min和30 min紫外辐射的拉曼光谱,紫外线的辐射照度为18.68 W/m2。实验结果表明:在浓度为0.2 mmol/L的维生素C存在的条件下,全波段的紫外辐射对DNA只造成了轻微的损伤。DNA被保护可能是因为紫外辐射虽然产生了对DNA损伤很大的自由基,但维生素C具有清除自由基的能力。另外由于DNA和维生素C在260 nm处对紫外线都有很强的吸收能力,因此也可能是维生素C对紫外线的吸收能力强于DNA,从而保护了DNA。

光瞳滤波器作为实现超分辨的基本元件之一,它的设计以及制作都非常重要。设计了一种正弦变化的振幅型光瞳滤波器,可以通过调节少量的参量实现各种不同的超分辨模式。选择正弦函数的周期以及光瞳中心点透过率变化两个参量来实现对最终超分辨效果的调节。数值计算结果表明:在整个入射光瞳上的透过率瞳函数分布具有0.5～2个正弦振幅周期时,较为合适。小于0.5个周期将不会有任何超分辨效果,大于2个周期超分辨效果反而变差。数值计算中还注意到,当周期数为整数时,斯特雷尔比将保持0.25不变。对正弦变化振幅型光瞳滤波器的计算结果,显示了其特殊的性质,对实际中制作正弦变化振幅型光瞳滤波器有一定的指导作用。

对基于级联和频差频非线性效应铌酸锂光波导新型全光波长转换器进行了理论研究。这种新型波长变换器需要两束抽运光源,它将输入的抽运光波长置于信号光波段窗口的两边,抽运光波长与信号光波长相近容易实现最佳耦合又不会占用信号波段,而且具有偏振不敏感的优点。从建立级联和频差频铌酸锂光波导全光波长转换器的理论模型出发,给出了波导中光相互作用的耦合模方程;利用逐步法详细推导了耦合模方程的解,得出了物理意义清晰的转换光功率表达式,分析了非线性晶体相互作用长度、抽运光功率对转换效率的影响,为级联和频差频铌酸锂光波导全光波长转换器优化设计提供了理论依据。

采用含时耦合微扰(TDHF)和多态求和(SOS)方法计算了半花菁衍生物分子生色团4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl stilbazolium(DAS)的第一超极化率频率色散效应。采用组态相关(INDO/CI)方法计算了分子的前线轨道性质。计算结果表明半花菁衍生物分子最大吸收波长约为480 nm,与实验结果十分吻合;第一激发态对体系非线性光学性质起决定作用。在红外波段(800～2500 nm),随着基频光频率的增大,二次谐波β(-2ω;ω,ω)和电光效应β(-ω;ω,0)都随之增大,但是β(-2ω;ω,ω)增加的幅度要大于β(-ω;ω,0)。在远红外区β(-2ω;ω,ω)的色散曲线变化比较平缓,到了近红外区(λ<1300 nm)共振增强效应逐渐明显。基频光波长为1064 nm时,β(-2ω;ω,ω)的含时耦合微扰计算值约为(380±5)×10-30 esu。在较高频率时,采用多态求和方法计算应考虑其他态的贡献。此外,还讨论了基组效应对含时耦合微扰计算的影响。

通过对法布里珀罗滤光片性质的研究,以及对法布里珀罗滤光片中缺陷层厚度变化对通道数目、位置影响的分析,为双通道一维光子晶体的设计提出了一条新的思路。在法布里珀罗结构的基础上引入一维光子晶体的双对称结构,并通过改变双对称结构的三个缺陷层厚度来实现对禁带内两个通道系列位置的独立调整。设计过程中采用有效界面法对通道的位置进行初步的计算,并通过计算机理论模拟对膜层进行修正,使通道的位置满足设计要求。设计结果表明,通过调整两个厚度参量可以克服双通道一维光子晶体中的通道干涉现象,从而实现通道位置的独立调整。

利用平面波展开方法研究了两种二维磁性光子晶体(MPC)的带隙(PBG)结构,一种磁性光子晶体是在长方格子纯电介质背景上放置磁性介质长方形散射子,另一种是在三角形格子纯电介质背景上放置磁性介质圆形散射子。计算了这两种磁性光子晶体的带隙随磁导率的变化规律,发现这两种磁性光子晶体的带隙宽高比(带隙宽与带隙中心位置比)都比较大。在此基础上由这两种磁性光子晶体构成了磁性光子晶体异质结(MRRTC异质结),并利用超原胞方法计算了这种异质结的带隙结构。研究发现MRRTC异质结无需从界面做晶格拉开或者侧向滑移就可在绝对带隙中产生界面传导模。分别从MRRTC异质结的界面处做晶格拉开和侧向滑移,发现传导模位置及形状发生了很大变化。

为了测试温度对石英晶体旋光性的影响,采用陶瓷平板型半导体制冷器件作为温控器,设计、建立了石英晶体旋光性温度效应的测试系统,对石英晶体旋光特性的温度效应进行了测试研究:在-10～60 ℃的温度范围内,从实验上测试了石英晶体的旋光角随温度的变化。实验结果表明:对于确定的单色光,随着温度的升高石英晶体的旋光率增大。根据测试结果,通过求解塞耳迈耶尔方程和四次拟合的方法,得出了塞耳迈耶尔方程的常数与温度的关系式,从而可以得出任意温度下不同波长对应的石英晶体的旋光率。

当入射角大于全反射临界角时,双棱镜结构中透射和反射光束的古斯汉欣(Goos-Hnchen)位移具有饱和效应,并且只有波长数量级。利用稳态相位法研究了当入射角小于全反射临界角时双棱镜结构中透射光束的古斯汉欣位移。研究表明,传播模式下透射光束的古斯汉欣位移是空气层厚度、入射角和双棱镜折射率的周期性函数。当透射共振时,透射光束的古斯汉欣位移可达入射波长的几十倍,与入射角大于全反射临界角的情况相比,透射光束的位移通过边界的相互作用具有共振增强效应;在非共振点处,对称结构中的反射光束具有与透射光束相同的古斯汉欣位移。共振增强的透射光束的位移在光开关及光耦合器中具有潜在的应用。

脉冲激光辐照处于不同背景气压下的Hg0.8Cd0.2Te材料表面,用时间和空间分辨诊断技术探测了激光照射后产生的等离子体发射谱,根据所获得的飞行时间谱测量了等离子体中粒子的出射速度,结果表明粒子速度随着出射距离的增加迅速减小,且背景气压对出射速度有很大的影响,而激光能量对粒子速度的影响不大。另外根据谱线的展宽计算了等离子体中的电子密度,结果表明,电子密度在激光辐照样品后的短时间内迅速减小,且电子密度最大的位置不是出现在靶的表面而是在距表面一定距离处。

用光致发光激发(PLE)谱分析吸收谱的亚结构。实验样品是共熔法制备的CdSeS量子点玻璃,量子点的生长时间分别为2 h和4 h,高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析得到样品中量子点的平均直径分别为3.6 nm和3.8 nm。在室温下对样品进行了光吸收谱和光致发光激发谱研究。光吸收谱显示了量子尺寸效应,光致发光激发谱中低能端有两个明显的峰。考虑价带简并以及电子与空穴之间的相互作用,通过理论分析和数值计算,得到1S3/2-1Se和2S3/2-1Se的跃迁能量及其随量子点半径的变化,由此确认光致发光激发谱中的两个峰分别为1S3/2-1Se和2S3/2-1Se跃迁。

讨论了一种自然水体中有机物的快速诊断分析方法。介绍了总荧光光谱(TLS)和特征光谱荧光标记(SFS)技术;以激光诱导荧光(LIF)方法测量了水体的总荧光光谱,利用特征光谱荧光标记技术对水体中溶解有机物(DOM)及叶绿素a(Chl a)进行了分析,并给出了不同浓度腐殖酸的归一化荧光强度与浓度的关系曲线. 结果表明,利用特征光谱荧光标记技术对水体总荧光光谱的分析,可以进行水体污染物的快速、实时和在线监测。

介绍了一种针对瞬态分子光谱测量的新技术:光外差磁旋转浓度调制光谱技术,这种光谱技术具有很高的灵敏度,综合了光外差探测技术、磁旋转光谱技术和浓度调制光谱技术的特点,利用浓度调制光谱技术针对寿命很短的瞬态分子和激发态分子的光谱进行测量,利用光外差探测技术可以消除来自光源的幅度涨落噪声,实现散粒噪声的测量极限,利用磁旋转光谱技术可以对顺磁性分子进行选择性的测量,并且进一步提高探测灵敏度。详细讨论了这种光谱技术的工作原理,并用这种技术对O2分子的b1Σ+g-X3Σ-g三重禁戒跃迁光谱进行测量,获得了很好的测量信噪比。并对该技术的灵敏度作了详细的分析,估计最小相对吸收度可达1.9×10-9以及O2分子三重禁戒跃迁的吸收截面为σ=2.4×10-24 cm2。

当光束斜入射时,光学薄膜存在一定的偏振效应。在飞利浦棱镜系统中,当一定大小孔径角的照明光束斜入射到分色合色薄膜后,S偏振分量和P偏振分量存在一定的相位差,使得线偏振光变成椭圆偏振光。利用琼斯矩阵偏振光线追迹的方法,分析了投影光学系统中由于两偏振分量相位差引起的偏振像差,以及它与暗态泄漏光强和系统衬比度的关系。得出了系统出瞳面上的光波偏振特性,以及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。分析了膜厚监控误差对光学系统偏振像差的影响,发现膜厚监控误差对偏振像差和系统衬比度有很大的影响。所使用的分析方法可以应用于其他大口径光学系统。

应用于啁啾脉冲放大技术中的脉宽压缩光栅是基于多层膜作为基底,利用全息干涉技术和离子束技术刻蚀而成。脉宽压缩光栅的衍射效率和抗激光损伤阈值一方面依赖于光栅结构的设计,另一方面很大程度上取决于作为基底的多层膜的设计。给出了以413.1 nm作为写入波长,1053 nm作为使用波长的多层介质光栅膜的设计,样品在ZZS-800F型真空镀膜机上采用电子束蒸发方式沉积而成,并给出了膜系结构对光学性能影响因素的详细分析,结果表明膜系H3L(H2L)9H0.5L2.03H满足光栅膜的指标。给出了样品光学特性测试,其使用波长处的透射率<0.5%,写入波长处的透射率>90%,测试表明样品满足设计要求且实验结果和理论设计符合得很好。

斜入射滤光片的S偏振和P偏振的中心波长会发生分离,而通过调整间隔层的有效折射率,可使有角度入射滤光片两个偏振分量的中心波长相重合。由相位关系分析着手,利用多层膜的特征矩阵关系式,推导出间隔层中间折射率和P偏振及S偏振的中心波长的两个隐函数表达式,由此可快速解出所寻找的中间折射率及对应的中心波长数值。单腔和三腔的两个具体实例的模拟计算表明:采用此算法,对于调谐到一特定角度入射的滤光片能很快地求出准确的中间折射率数值,应用此中间折射率即可使P偏振和S偏振的中心波长很好地重合。入射角从0°到30°的实例偏差分析表明此算法的精确度高,这对于减少偏振分量特性之间的分离以及滤光片的宽角度调谐有着良好的意义。

X射线衍射摇摆曲线的计算机模拟是一种获得材料晶体质量参量的有效方法,其中材料本征摇摆曲线的计算是计算机模拟的基础。用X射线动力学理论计算了Hg1-xCdxTe和Cd1-zZnzTe本征反射率曲线,并研究了组分、膜厚分别对本征反射率和半峰全宽的影响。结果表明Hg1-xCdTe和Cd1-zZnzTe的本征反射率和半峰全宽与材料组分和厚度有明显的依赖关系,且该依赖关系取决于X射线在材料中的散射和吸收的相对强弱。薄膜的厚度也是直接影响本征摇摆曲线峰形、半峰全宽和反射率的重要因素,当薄膜厚度小于穿透深度时,表征本征反射率曲线的各个参量均与薄膜厚度有直接的关系。对于(333)衍射面,碲镉汞材料厚度大于7 μm后,本征反射率和半峰全宽将不再发生明显变化。

介绍了一种基于微机械技术实现的可变光衰减器,通过微电磁驱动器改变输入输出光纤之间的径向偏移量来调整衰减量。基于波导传输理论分析确定了器件的结构参量,并通过集成电路微细加工工艺实现了器件的制作和封装。测试结果表明,该可变光衰减器的插入损耗小于1 dB,动态范围约35 dB,工作电压小于5 V,偏振相关损耗小于0.1 dB,体积为20 mm×15 mm×8 mm,有望为全光网提供一种低成本,高性能的光通信器件。

在一种红色有机电致磷光器件中采用双(2-甲基-8-喹啉)4-联本氧基铝[bis(2-methyl-8-quinolinato)4-phenylphenolate aluminum, BAlq]为空穴和激子阻挡层,得到了效率、亮度和色度俱佳的发光器件。器件最高亮度为10362 cd/m2,最高外量子效率为7.0％,器件色坐标[Commission Internationale de l′Eclairage (CIE) co-ordinates]为(0.672, 0.321)。另外在大电流密度100 mA/cm2下,量子效率仍有4.3％。该器件性能指标基本能够满足彩色动态显示中对红色发光的要求。