应用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)卫星数据,对大气中的气溶胶等目标进行了去偏振度计算及分析。结果表明,目标后向散射去偏振度信息,能够很好表征大气气溶胶的构成种类、目标特征、垂直高度分布等特性。气溶胶的去偏振特性,为大气气溶胶的特性与分布情况等研究提供了新的方法与定量化参考参数。CALIPSO数据研究方法和结果,对全球气候变化原因、大气污染、沙尘暴等研究有重要的参考价值。

基于折射率界面厚度的描述建立了一种高折射率梯度门限的数学模型,在此梯度门限下,研究了高超声速流场中高折射率梯度区域的气动光学传输效应。提出了一种用折射率梯度的调和平均值描述高折射率梯度门限的方法。采用高超声速流场的计算流体力学结果作为分析折射率梯度和进行气动光学传输仿真的源数据,忽略绝对值低于该门限的梯度值重构折射率场,并采用变折射率介质中光线追迹算法仿真其气动光学传输畸变。不同流场状况、不同位置截面的仿真结果表明,采用本门限,重构折射率场和原折射率场的相关性达0.9以上,仿真光程差均方根的相对误差不超过±5%,验证了该高折射率梯度门限模型的有效性和适用性,同时从数值角度证实了高超声速湍流流场中高折射率梯度区域是气动光学传输畸变的主要成因。

运用广义惠更斯菲涅耳原理,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的远场传输规律。研究表明,部分相干涡旋光束的光谱相干度及光强分布与光束的拓扑电荷数、空间相对相干长度及湍流介质的折射率结构常数等因素有关。在湍流介质中,光谱相干度存在相位奇点,并且随着空间相对相干长度的增大,相干涡旋逐渐演化为强度涡旋,而湍流介质的强弱对部分相干涡旋光束的影响则相反,随着湍流介质的折射率常数的增大,强度涡旋逐渐演化为相干涡旋。

用射线光学理论计算了具有一定尺度分布的六角冰晶粒子在可见和近红外光谱区一系列波长上(0.2-5 μm)的单次散射特性。利用米氏(Mie)理论,计算了与六角冰晶具有相同截面积的球形粒子的单次散射特性。根据辐射传输理论,应用累加法,分别计算了由冰晶粒子和等效球形粒子构成的卷层云的多次散射特性,计算结果表明当入射波长λ≈3.0 μm时,等效球Mie理论可以很好地用于计算卷层云的反射特性,但是当λ<2.8 μm时,尤其在可见光区,将引起显著的误差。最后提出了计算冰云光学特性的两种方案。

根据扩展的全相对论多组态 Dirac-Fock理论,采用“多功能相对论原子结构程序GRASP2(General-Purpose Relativistic Atomic Structure Program 2,1992),考虑量子电动力学(QED)效应和Breit修正,结合惯性约束聚变(ICF)实验室等离子体中已经观察到的激光照射Au元素所产生的一些多重电荷态离子的外壳层共振线跃迁光谱,选取重要的电子组态,计算激光金等离子体中类镓Au48+离子的光谱跃迁波长、能级寿命和能级宽度。计算所得波长值与实验值符合较好,能级寿命与能级宽度的大小关系符合海森堡的能量与时间测不准原理。计算结果对金等离子体中的离子平均寿命、电荷态分布和平均电离度的研究具有一定的参考价值。

脉冲堆积技术是高功率激光系统中产生任意种子脉冲的方案之一。该方案利用大啁啾光纤布拉格光栅的宽带特性来展宽宽带短脉冲,以满足脉冲堆积组件的需求。利用传输矩阵法模拟了大啁啾宽带光纤布拉格光栅的反射谱、时延曲线等特性。研究发现,光纤光栅的啁啾因子决定了色散量以及带宽的大小,但增加色散量的代价是降低了光纤光栅的带宽[光栅长度越长,反射带宽明显增加,但色散量变化不大。研究结果对高功率前端系统的设计具有一定的指导意义。

采用高斯函数近似方法以及傅里叶变换法分析推导出高速光纤通信技术中所采用的差分相位调制(differential phase-shift keying,DPSK)-平衡接收机系统中的差分非线性相位噪声Δφ的精确表示,把它应用于考虑了所有对接收机误码产生影响的噪声计算公式中,最终得出了DPSK-平衡接收机误码率最终完整的数学表达式,并用VPI软件进行了仿真验证。

以信噪比为性能指标,以相邻光通道之间的串扰和探测器前置放大器的热噪声作为系统噪声的来源,研究了基于无衍射光的光互连系统在不同对准偏差条件下的性能。研究表明,探测器阵列的尺寸参数可作为系统对准偏差容忍度和信噪比的优化参数。扩大探测器半径,减小探测器间距可以使系统包容更大的对准偏差,但为了保证一个可以接受的信噪比,探测器间距不应过小。此外,采用无衍射光的光互连系统具有不受纵向对准偏差影响的优点。

由于仪器设备性能的不完美和信道传输损耗的存在,光子数分束(PNS)攻击对采用弱相干脉冲 (WCP) 光源的量子密钥分配(QKD)系统的安全性构成重大威胁。以基于WCP光源的星地QKD系统为研究对象,推导了在PNS攻击者采用最佳窃听策略进行窃听时,保证密钥绝对安全的最大天顶角和可采用的平均光子数之间的关系。理论分析和计算结果表明,星地QKD系统的最大安全传输天顶角和可使用的平均光子数等重要系统参数的取值上限均受PNS攻击的限制,最终系统的密钥交换速率和系统容量受到限制。对星地QKD系统的传输容量来说,天顶角和平均光子数是一对矛盾的影响因素。提供了一种对实际星地QKD系统的天顶角和平均光子数参数进行估算的方法。

分析了高功率脉冲在增益光纤中传输放大时非线性薛定谔方程的自相似解,得出注入光的脉宽和能量满足一定关系时,优化增益光纤的长度,才能满足种子光脉冲在增益光纤中的自相似传输放大。揭示了高功率种子光脉冲在光纤中自相似演化的特征参量。此外,模拟了注入能量为400 pJ,脉宽为200 fs,波形分别为正割、高斯以及3阶超高斯的种子光脉冲在纤芯为30 μm的大模场增益光纤中的传输放大特性。结果表明3种波形的种子光脉冲的时间波形与光谱均演化为抛物形,时间波形与光谱均发生展宽,但光谱两侧均发生抖动。自相似传输放大后,脉冲为线性啁啾,易于压缩,对实现全光纤高功率超短脉冲产生系统具有重要意义。

提出了一种将自适应正则化方法与非负支撑域递归逆滤波(NAS-RIF)算法相结合用于小波域的盲图像复原算法。该算法先对降质图像进行小波分解,得到了图像在不同子频段的信息。在各个子频段采用NAS-RIF算法进行复原。针对各个子频段内图像的频率和方向特性,分别引入了不同的正则化约束项。在各个子频段估计出噪声方差,提出了根据噪声方差和图像局部方差来选取正则化参数。分别对两幅模糊图像进行了仿真实验,复原结果取得的信噪比分别为19.66 dB和23.86 dB。实验结果表明,复原效果相对于空间自适应正则化方法有一定的提高。

针对海空复杂背景下迎头点目标检测与跟踪难题,提出了一种基于相邻帧间匹配的边检测边跟踪算法。算法对相邻红外图像序列帧间点与点的邻域匹配,标记匹配结果兴趣区域像素点,统计标记次数,与输入单帧图像同步显示迎头目标检测结果。算法主要特点在于无需提前假定疑似目标点位置,单个匹配过程与当前相邻两帧外的其它序列帧无关,整个匹配过程不随目标数目多少或运动状态变化而改变。根据仿真和实拍照片实验,证实了理论上区别于传统算法的上述优点,在**应用中具有较高的参考价值。

高分辨率遥感影像呈现极其丰富的光谱和结构信息,传统的基于光谱的遥感影像分割方法往往使得分割区域过于细碎且分割精度不高。尝试将纹理信息引入到特征空间以期解决该问题。本文算法中,特征空间由光谱和纹理两类构成,并采用加权最小距离分类器。光谱信息通过对原始影像的变带宽均值漂移滤波获得,纹理信息由对原始影像逐波段采用多尺度伽博(Gabor)滤波器组滤波获得[依据训练样区中各特征维的方差确定该地物类别分类时特征维的权重,并通过训练样区的特征加权平均获得各地物类别的聚类中心[最后,将像素点归为到加权聚类中心距离最小的类别。实验结果表明,提出的均值漂移带宽确定方法是有效的,加权融合算法较基于光谱的分割方法在分割精度上有一定程度的提高。

针对有些图像增强算法对噪声比较敏感,提出了一种自适应图像增强算法。利用原算法的基本原理,结合人眼的视觉特性自适应地生成算法的参数,这样首先保留了原算法实现容易、运算速度快等特点,其次,对噪声具有一定的抑制作用,再次,可以增强和保留图像细节信息。通过实验比较,所提算法能够自适应地生成算法的参数,并在保持了原算法原有的容易实现的优点的基础上,提高了算法抑制噪声方面的性能,将该算法应用于彩色图像增强也取得了相当理想的结果。

为了消除退化函数随空间变化发生变化模糊图像分块复原法子块之间的不平滑拼接缝,提出了一种结合了基于梯度的振铃评价算法梯度振铃评价(GRM)的总变分(TV)最小化分块复原法。根据图像分布及退化类型将模糊图像划分为矩形、环形或其他形状的子块,图像子块之间要留有一定的重叠区[然后对每一个图像子块进行复原,GRM方法是基于图像梯度结构相似度的图像质量评价算法,以GRM作为TV复原算法迭代过程中的收敛条件,可以更好地控制复原图像的振铃[最后去除复原图像子块含振铃波纹的重叠区,拼接得到完整图像。并以矩形分块及环形分块为例,证明该方法可以很好地抑制图像边界振铃效应,克服分块复原法本身的缺陷,得到拼接平滑的完整图像。

为了对视频序列中的运动目标进行快速、准确地提取,提出了一种自适应背景模型估计方法。利用背景与前景图像在时域中不同的变化特性,构造图像的稳定矩阵函数,通过稳定矩阵元素的变化自动区分背景点和前景点,并对稳定矩阵设置上、下饱和值,使算法能在短时间内自动感知背景的突变,从而快速地建立背景图像模型并对其实时更新。同时还分析了动态图像序列的配准问题,选取局部特征模板图像,采用投影匹配原理简化计算,快速估计出全局运动矢量。实验证明,背景估计算法收敛速度快,只需10 frame图像即可建立稳定背景,对于500 pixel×200 pixel动态图像序列,整个算法时间只需35 ms,完全满足工程上25 frame/s处理能力的要求。

提出了一种新的基于模糊分类的红外云层背景弱小目标检测方法。根据红外成像的特点,将红外云层背景弱小目标图像分为三类:边缘类、净空及云中类、弱小目标类[对不同类别图像进行分析,建立了分类模型,并定义了方向特征矢量,将其作为类别的特征矢量[根据模糊分类的理论,定义了类相似系数来判别图像中每一个像素的类别属性,保留弱小目标类的像素点完成检测。实验结果表明,该方法能够对红外弱小目标图像中不同类型的区域进行准确的分类,从而较好的实现了对低信杂比的复杂云层背景图像中的弱小目标检测。

为了弥补市场上现有印鉴鉴别系统体积大、移动性能差、安全性较低、价格比较昂贵等缺陷,研究了基于高速数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的嵌入式印鉴鉴别系统。系统在印鉴识别算法上,基于平滑卷积的方法计算印鉴的中心位置和半径。采用径向投影法,对一维特征数据计算,得到待验印鉴(SS)与预留印鉴(MS)之间的偏转角度。把印鉴质量指标作为MS与SS对应边缘Hausdorff距离测度的控制参数,用神经网络方法综合分析、判别印鉴真伪。在硬件实现方面,片上可编程(SOPC)系统结合DSP作为检测系统核心。SOPC系统包括控制器、图像预处理器等。DSP作为系统的主处理器,用于进行图像的特征检测与识别。系统具有以太网、RS232、USB等通用接口。实验表明,该系统可以有效识别印鉴,并具有体积小、成本低、系统功能可灵活升级等特点。

为解决图像采集与显示设备之间的动态范围差异,色调映射技术试图建立一种由高到低的动态范围映射关系,可用于一般图像的真实影像再现。在不同亮度适应水平下,人眼能产生不同的响应特性及对比度敏感性,从而同时响应不同明暗的光强。由此建立了一种局部视觉适应的再现算法,采用具有参数控制的Sigmoid函数来模拟视觉适应的S形非线性特点,得到不同局部亮度适应水平下的压缩曲线,因此能较好地协调图像整体对比度、亮度调整与局部增强之间的关系,在增强图像较暗区域的同时,极大程度地保持亮区细节。经主观评价与特征统计参数相结合的方法验证,该算法能有效地实现动态范围压缩,保持图像细节而避免伪像,具有一定的色彩恒定性,且复杂度低,具有很好的实用性。

并行共焦显微术能够同时测量多个被测点,大大提高了测量效率,但同时也引入了较大的轴外点像差。已有的数据处理手段不能消除轴外光斑的横向偏移。针对其缺陷,提出了中心扩散法和光强重组法来获取被测光斑的光强位移曲线。实验结果表明,中心扩散法和光强重组法基本消除了轴外点光斑10 μm左右的横向偏移;与现有方法比较,这两种方法还将系统的测量稳定性分别提高了2倍和5倍,满足了并行共焦显微系统高精度快速测量的要求。

详细介绍了投影机模型,并提出一种简单、高精度的投影仪参数标定算法,该算法将投影仪当作一个逆向的相机,使用一块带有圆形标志点的平面标定板对投影仪进行标定。标定过程中,使用两组不同方向的光栅图像建立投影仪图像和相机图像的对应关系,从而得到投影仪标定所需的图像数据,将投影仪标定转化为成熟的相机标定,然后使用相机标定算法对投影仪进行高精度标定。实验结果表明,所提议的投影仪标定算法操作过程简单,标定精度可达0.312 pixel。

根据红外面阵探测器的成像特点,提出了一种面阵扫描型警戒系统,该系统的新颖之处在于面阵的旋转会带来目标探测有效像元数目的增加,并使得目标探测信噪比得到提高。描述了使用面阵探测器扫描型警戒系统的系统参数和工作过程,推导了该系统的点扩散模型,分析了目标的成像特点,重点描述和分析了针对本系统特点的目标探测算法,并介绍了其信号处理的硬件结构。实验结果表明,基于面阵探测器的红外搜索系统具有很高目标探测概率,并且能够在强杂波环境中检测弱目标。

基于3片不同条件下生长的CdZnTe晶片制备出平面电极(Planar)探测器CZT1、CZT2及CZT3。分析室温下3个探测器在不同场强作用下对低能X/γ射线的光谱响应,并结合相应晶体材料的载流子迁移特性和掺杂剂的浓度以及存在状态,归纳影响探测器分辨率的原因。掺杂In浓度高的探测器CZT1,由于材料中存在的深能级缺陷Cd2+i,作为电子的俘获中心,影响了载流子的收集效率,进而降低了探测器的能量分辨率[掺杂In浓度低的探测器CZT2对不同能量X/γ射线均具有较好的能量分辨率[而Al掺杂探测器CZT3,由于Al间隙原子Ali的存在作为电子的散射中心,最终影响了收集效率及能量分辨率。

基于傅里叶变换轮廓术,提出一种直接从变形光栅条纹中提取基准光栅条纹信息并重建基准光栅的测量方法。分析了基准光栅条纹和参考平面的功能,揭示变形光栅条纹和基准光栅条纹的关系[应用窗口傅里叶变换对变形光栅条纹中的各个微小区域进行频谱分析,从中识别并提取基准光栅的频率和相位信息[重构出一幅完整的基准光栅条纹,实现三维物体形貌测量。实验结果表明该方法是可行的,为三维形貌测量提供一种新手段。

为实现球面波干涉检测非球面镜片,得到非球面镜片的完整面形信息,提出了基于标记的Givens变换,实现环形子孔径的精确定位和消旋转的处理。利用求解目标函数最小值的方法精确求解拟合波面以对子孔径数据进行处理,建立了全局优化拼接数学模型。对外径150 mm,内径100 mm的抛物面镜片进行三孔径拼接检测实验,均方根值为0.053 λ。对比补偿器法得到的全口径干涉检测结果均方根值ΔWrms=0.052 λ,相对误差为1.92%。实验结果表明,该方法稳定可靠,降低了传统的环形子孔径拼接干涉检测方法中对导轨的高精度要求。

数值模拟了拍瓦激光器前端非共线光参变放大(OPA)过程中存在波前畸变的抽运光对信号光光束质量的影响。结果表明,当抽运光光束波前存在严重畸变时,衍射效应和走离效应通过不同的物理机制导致了信号光光束质量的急剧下降。在导致信号光光束质量下降的过程中,走离效应在OPA未饱和放大时起着主导作用,当OPA工作在过饱和状态时,过饱和导致的信号光近场空间分布中心凹陷成为光束质量下降的主要因素。

利用非线性偏振旋转锁模方法并引进激光谐振腔色散管理,在1550 nm波段上用展宽脉冲全光纤激光器直接产生50 fs无波分裂的高能量脉冲输出。在330 mW的抽运功率下平均输出功率为56.4 mW,单脉冲能量达到1.5 nJ。因为是全光纤结构,激光器的转换效率高达17%。输出光谱平滑,无任何边带存在,激光器处于无波分裂的单脉冲输出状态。

采用双激光二极管阵列(LDA)侧面交错抽运Nd:YAG晶体,通过电光调Q的方式获得1064 nm动态脉冲激光输出。这种抽运结构可以使晶体内的增益场与谐振腔基模实现良好的匹配,易于得到良好的光束质量和大能量输出。抽运源采用峰值功率为100 W的准连续LDA,采用直接贴近抽运的方式,KD*P晶体作为电光Q开关。并应用高斯光束传输的ABCD定律,计算了谐振腔稳区范围,给出了较为合理的谐振腔参数。所设计的激光器在重复频率20 Hz,抽运能量1200 mJ时,获得了最大输出能量151 mJ,脉宽8.48 ns的1064 nm动态激光输出,光光转换效率为12.6%。

利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模技术实现的超快脉冲激光器具有结构简单紧凑、脉冲序列稳定等优势,在许多领域有着重要用途,自问世以来受到国内外的广泛关注。分析了SESAM被动锁模侧面抽运固体激光器的具体要求,进行了不同条件下的SESAM被动锁模侧面抽运Nd:YAG激光器实验。获得了最高平均功率9.5 W,脉冲重复频率71 MHz,单脉冲能量约141 nJ的皮秒激光脉冲。对SESAM被动锁模侧面抽运Nd:YAG激光器进行了实验和理论分析,对实现高功率连续超短脉冲激光器进行了探讨。

He-Ne激光器中633 nm波长的增益远大于该波段其它5条谱线的增益,而且由于模式竞争的影响,通常情况下增益较低的相邻弱线(如629 nm波长)很难出光。提出一种在He-Ne激光器中加入法布里珀罗(F-P)标准具来选择输出谱线的方法。通过选择适当的F-P标准具长度和反射率,可以达到抑制强线增益,使弱线振荡输出的目的。还采用高斯光束传输理论对谐振腔内F-P标准具的透射特性进行了仿真计算。

在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量。基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程。用Fluent软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响。为了验证该模型的准确度,利用CCD比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布。结果表明,数值模拟与CCD检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义。

介绍了一种新型半导体可饱和吸收镜(SESAM)的原理与特性,并用它来实现掺铒光纤激光器的锁模飞秒脉冲的生成。这种新型宽带SESAM调制深度可以达到20％,用在1.5 μm波段的环形腔掺铒光纤激光器里,实现自启动锁模。锁模光谱以1559 nm为中心,半峰全宽为9 nm,锁模激光脉冲串重复频率为25.6 MHz,输出功率14 mW,自相关仪测得脉宽为170 fs。

针对现有线结构光视觉传感器标定方法存在的局限性,提出一种不需要求解光平面标定点的标定方法。根据光条图像求解平面靶标上光条在摄像机坐标系下的Plücker矩阵。在视觉传感器前合适位置将平面靶标摆放多次,联立所有光条空间直线的Plücker矩阵,求解光平面在摄像机坐标系的平面方程。最后通过非线性优化方法得到光平面方程在最大似然准则下的最优解。在标定过程中,所有光条点都参与光平面参数的计算过程,因此该方法标定结果精度高、稳健性强。实验证明,与现有方法相比该方法标定精度提高30％左右。

正交迭代算法是基于点特征,全局且快速收敛的位姿估计算法,是目前性能最优的实时位姿估计算法之一。对摄像机观测到的直线段提出了其不确定性描述的新方法：目标空间直线段误差,并把该误差融入到正交迭代算法的位姿计算过程中,形成扩展正交迭代算法。该算法可以同时利用点和直线段特征。算法先把点共面性方程表达为与正交迭代算法中点共线性方程一致的数学形式,再根据目标空间点共面性误差定义了目标空间直线段共面性误差。接着把目标空间点共线性误差和直线段共面性误差二者之和作为误差函数。最后推导出使该函数最小化的迭代求解过程。实验结果表明,本文算法是有效的,精确的。与正交迭代算法的计算结果对比,由于可以同时利用直线段特征,扩展正交迭代算法的位姿估计误差更低,抗噪声性能更强,算法更稳定。

为了解决运动参数光电探测过程中的相机标定问题,制作一种两端及中间各安装一个红外反光标记球的一维标定物。不需要其它复杂标定装置,只要将这种特制的一维标定物在测量空间内多次随意移动并摄取其图像,即可实现标定。算法首先假定主点位于像面中心附近的某个位置,再求出焦距、旋转矩阵、平移向量和比例因子,最后通过评价函数将相机标定转换成寻找两相机最佳主点对的非线性最小化问题。在传统进化策略中引进个体的自我改进系数、个体间距离等概念,提出了求取子代个体间的欧式距离并排序的方法,设计了搜索最佳主点对的改进型进化策略算法。与传统标定方法相比,基于一维标定物的方法克服了多相机场合的遮挡问题,改进进化策略的引入打破了一维标定物需做某种特殊运动的限制,使一维标定物自由运动时相机内、外参数的同时求解成为可能,改进的模拟退火进化策略改善了算法的全局收敛性能并加快了收敛速度。

为了研究锗酸盐玻璃中采用Yb³⁺/Tm³⁺/Ho³⁺三掺杂方式实现2 μm激光的可行性,研究了3种稀土离子的掺杂浓度对近2 μm发光的影响,从而对稀土离子掺杂浓度进行优化选择以确定理想的掺杂浓度。实验结果表明,在TmF3掺杂摩尔分数为1%时,随着Yb³⁺浓度的提高Ho³⁺的2 μm荧光强度增强[当TmF3掺杂摩尔分数为3%时,随着Yb³⁺浓度的提高Ho³⁺的2 μm荧光强度降低[随着Yb³⁺浓度的提高,Tm³⁺的近2 μm荧光发射会得到增强,且当Tm³⁺浓度较高时其发光更为明显,这相对削弱了Ho³⁺的2 μm荧光。Ho³⁺2 μm发光受Tm3＋/Ho³⁺的浓度比值影响很大,即用980 nm光抽运三掺杂样品,无论Tm³⁺浓度单一提高还是Ho³⁺浓度单一降低,对于Ho³⁺的2 μm荧光都是不利的。

针对云母晶体材料本身性质所决定的双折射率色散关系不一致性,给波片设计带来非常不利的影响,提出偏光干涉法研究云母的色散特性。即由分光光度计测量出云母晶体的偏光干涉谱,通过对干涉谱极值点所对应波长的精确判断,准确计算出极值点的最大双折射率,获得从紫外至近红外光波段云母晶体的双折射率色散曲线,经多项式拟合数据处理,得到任意波长的双折射率色散公式。为求解不同温度任意波长的云母晶体双折射率提供了一种精确简单的方法,对云母晶体器件的设计与使用有重要的理论依据和参考价值。

基于第一性原理的赝势平面波方法,对异质外延关系为Ru2Si3 (100)//Si(001),取向关系为Ru2Si3 [010]//Si[110]正交相的Ru2Si3平衡体系下能带结构、态密度和光学性质等进行了理论计算。计算结果表明：当1.087 nm≤a≤1.099 nm时,正交相Ru2Si3的带隙值随着晶格常数a取值的增大而增大。当a取值为1.093 nm时,体系处于稳定状态,此时Ru2Si3是具有带隙值为0.773 eV的直接带隙半导体。Ru2Si3价带主要是由Si的3p,3s态电子及Ru 4d态电子构成[导带主要由Ru的4d及Si的3p态电子构成。外延稳定态及其附近各点处Ru2Si3介电函数的实部和虚部变化趋势基本一致,但外延稳定态Ru2Si3介电函数的曲线相对往低能区漂移,出现的介电峰减少且峰的强度明显增强。

旋光玻璃广泛用于激光的调制、偏转、开关和高功率激光系统的隔离器。旋光玻璃的主要性质为费尔德常数。含高顺磁离子的旋光玻璃具有大的费尔德常数,可见区高透过等优点。具有较大磁矩和较低f-d跃迁能隙的顺磁离子铽应具有大的费尔德常数。本工作以高Tb2O3含量的Tb2O3-B2O3-Al2O3-SiO2为基本系统。研究玻璃的形成;测定了不同Tb3+离子浓度时的费尔德常数,符合线性关系;调整玻璃组成以避免析晶,发展了波长632 nm的费尔德常数为75.1-116.4 rad/(T·m)的TG20,TG28,TG32旋光玻璃系列。建立了10升规模铂坩埚高温熔炉,成形和退火设备。形成口径30 cm旋光玻璃的生产能力。产品的1054 nm光吸收小于0.008 cm-1,1 ns的激光破坏阈值大于8 J/cm2,透过波前畸变小于五分之一波长。所制造的旋光玻璃已用于美国Lawrence Livermore国家实验室,中国“神光Ⅱ”升级,英国Rutherford实验室的Vulcan Laser System和CNRS CEA Luli等高功率激光系统。

对三聚氰胺溶液和含三聚氰胺的奶粉溶液在紫外光激励下产生的荧光光谱进行了实验研究。讨论了其产生机理和谱线特性,并对奶粉溶液和含三聚氰胺奶粉溶液的荧光光谱进行了纵坐标比值变换分析。结果表明,三聚氰胺溶液在波长为240 nm左右的紫外光激励下能产生较强的荧光,荧光峰分别位于350 nm 和370 nm附近;在同一波长紫外光激励下,含三聚氰胺奶粉溶液与奶粉溶液的荧光光谱相比,荧光主峰位置由328 nm变为350 nm,其他荧光峰的位置基本保持不变,荧光相对强度在370 nm处最大。

光学多普勒层析术(ODT)是一种高分辨、非侵入的生物医学成像手段,能同时得到组织的结构信息和组织内血管的流速信息。提出了一种新型的基于相位分辨技术的ODT三维矢量测速方法。在ODT系统样品臂的准直镜和聚焦透镜之间加入窄带相位片,形成三个不同的相位延迟,通过计算多普勒频移和不同相位延迟下的多普勒展宽,可得到毛细管内的三维矢量流场分布。对已知浓度的聚苯乙烯溶液进行了一系列不同角度和不同流速的实验,结果证明这种新型的ODT矢量测速方法可以较精确的实现三维矢量流速的测量。

基于乳腺解剖学结构和生理学特征,建立了适合应用于正常和嵌合肿瘤乳腺三维热传递的分析模型。该模型综合考虑了乳腺代谢产热、血液灌注和动静脉血管与乳腺组织之间的热交换等因素对温度场的影响。数值研究了正常和嵌合肿瘤乳腺的温度分布特征,着重分析代谢产热、血液灌注率、乳腺肿瘤的大小、位置与数目以及空气对流系数、环境温度等因素对乳腺温度分布的影响。结果表明:血液灌注率、代谢产热、乳腺肿瘤的大小、位置与数目对乳腺温度分布特征的影响明显[环境条件对嵌含肿瘤乳腺的体表温度分布影响较大。研究结果将有助于指导乳腺红外热图像的实验并为其定性分析提供重要的参考。

为改善惯性约束聚变(ICF)系统中聚焦光束质量,降低元件的加工难度,建立了基于工艺的连续相位板(CPP)理论设计模型,并从初相选取、相位展开、滤波、焦斑频谱控制等多方面改进了传统的G -S算法,比较分析了传统设计方法和基于工艺设计方法设计的CPP的加工特性和焦斑性能。基于工艺设计的CPP面型光滑,其产生的焦斑顶部均方根(RMS)和能量利用率η分别从传统G -S的62.8%和98.0%改进到16.9%和98.6%,而且有效抑制了10-100 μm的频谱成分。结果表明,基于工艺的CPP设计方法能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求。

为了满足航空相机物镜结构简单及高分辨率的要求,提出了一种基于波差法校正长焦距、宽波段的大面阵CCD航空相机物镜二级光谱的方法。介绍了二级光谱的基本原理,给出了波差法设计复消色差物镜的方程组。采用普通光学材料设计了复消色差航空相机物镜,系统焦距为400 mm,相对孔径为F/4,工作波段为420-850 nm。给出了光学系统图、纵向像差图及调制传递函数图。设计结果表明,采用该方法设计的航空相机物镜在60 lp/mm处各视场传递函数均在0.75以上,满足接收器件有效尺寸为36 mm×48 mm的大面阵CCD成像要求。

介绍渐进多焦点眼用镜片的构造,论述镜片的设计思想,阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理,构建子午线多项式,给出子午线设计需满足的准则。在子午线设计的基础上,设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线,确定镜片面形,并求出镜片平均球面度与像散。比较3种不同子午线设计的渐进多焦点眼用镜片,并进行实际加工与检测。研究结果表明,子午线设计是渐进多焦点眼用镜片设计的关键之一,不同的子午线屈光度分布,对应的渐进多焦点眼用镜片的球面度、像散以及畸变等差别较大。依据实际设计与检测结果,给出适用于不同个性化需求的渐进多焦点眼用镜片子午线屈光度分布的规律。

为确定卷积效应以及深度制作误差对小F数连续浮雕衍射透镜(DOE)轴向聚焦特性影响,基于瑞利索末菲衍射理论建立了激光直写制作的连续浮雕衍射透镜非旁轴近似轴向光强分布模型。该模型考虑了连续浮雕衍射透镜的轴向衍射聚焦特性与透镜结构参数、写入光斑尺寸和扫描间距以及深度制作误差的关系,克服了傍轴近似条件下传统模型的不精确性。为验证模型的正确性,用激光直写制作了设计波长为441.6 nm,F数为4以及相位匹配因子为3的连续浮雕衍射透镜,并测试了波长441.6 nm激光入射时透镜的轴向聚焦特性。实验与分析表明,该模型分析结果与实验测试结果符合,从而证实模型的有效性,为激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜的应用提供了理论依据。

提高速率偏频激光陀螺静态角速率测量精度在其应用领域具有重要的作用。通过对速率偏频激光陀螺随机漂移数据进行分析处理,发现量化噪声对陀螺精度有较大的影响,进而提出了一种基于滑动平均的速率偏频激光陀螺静态角速率测量算法,并进行了理论分析及数值模拟。结果表明,通过合理的选择分组参数,该算法可以有效地降低量化噪声对速率偏频激光陀螺静态角速率测量精度的影响。实验结果也验证了该算法的有效性,可以应用于其它类似需要降低量化噪声的场合。

为了减小四频差动激光陀螺(DILAG)的磁敏感性,研究了工作点对磁敏感性的影响。根据理论分析,磁敏感性主要来自于左、右旋陀螺相对比例因子修正的不对称,它与工作点有关,在最佳工作点下为零。通过在DILAG增益管上缠绕线圈产生轴向磁场,调节附着于腔平移镜上的压电换能器的驱动电压改变工作点,得到磁灵敏度随工作点的变化规律。结果表明,DILAG在最佳工作点下对外界磁场不敏感,且在每个工作区存在唯一的最佳工作点。DILAG工作在最佳工作点可以使外界干扰在差动中消除,因而有利于提高其性能。为了保证DILAG工作在最佳工作点,必须改变传统的光强差稳频方式。

成像型任意反射面速度干涉仪是激光驱动冲击波研究的重要诊断设备,主要应用于惯性约束聚变脉冲整形实验、高压状态方程实验研究和材料特性研究。基于传统任意反射面速度干涉仪的特点,研制了一台基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪,该系统可用于测量自由面速度及透明介质中的冲击波速度。给出了成像型任意反射面速度干涉仪的详细设计要点。对系统性能进行了分析及测试,结果表明时间分辨优于30 ps,物方空间分辨约为10 μm,测速范围为6-45 km/s。

利用电场改变液滴透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在适当的时候用紫外光固化液滴制作具有良好光学性能的非球面微透镜。比较了非球面液滴微透镜在固化前后面形、焦斑的变化和对透镜性能的影响,讨论了液滴透镜在固化过程中变形的机理和相应的解决方法。用分辨率50 nm的光斑探针扫描仪精确测量了固化后的非球面微透镜的聚焦光斑,测得了光斑轴向分布曲线和均方根直径3.384 μm的聚焦光斑,经图像处理计算了透镜的点扩散函数和光学传递函数,评价了所制作的非球面微透镜的聚光和成像能力,并给出了透镜的实际成像图像,对于完善高品质非球面微透镜及其阵列的制作工艺具有重要意义。

基于电磁场的多尺度变换理论,得到了以导体椭圆柱为例的电磁波任意极化,任意垂直入射到目标上的散射场的解析式。将所得结果应用于计算圆柱目标的散射场,结果与文献完全一致。对椭圆柱体的散射宽度随入射波方位角,电磁波频率以及目标尺寸的变化进行了仿真。结果表明,在垂直于电磁波的方向上观测时,椭圆柱的垂直尺寸对散射有较大的影响,电磁波水平极化时散射最强。所用算法适用于介质椭圆柱等目标的散射特性研究,所得结果为目标尺寸、形状遥感电磁测量等实际应用提供了理论依据。

以梯度折射率聚合物光纤为例,利用非均匀柱粒子的洛伦茨米氏(Lorenz-Mie)理论和德拜(Debye)级数研究了非均匀柱粒子的一阶、二阶彩虹强度分布特点。针对不同阶次彩虹间存在相干现象这一特点,提出了低通、带通滤波和逆快速傅里叶变换(IFFT)方法,将各阶彩虹从相互干涉的强度分布中分离重建出来,并且与Debye级数模拟的结果进行了比较,吻合得很好[讨论了分层柱粒子的双重一阶彩虹现象,利用Lorenz-Mie理论和Debye级数模拟了双重一阶彩虹的强度分布。

针对目前在微波雷达隐身技术中广泛运用的吸波材料颗粒,根据米氏(Mie)散射理论对磁性吸波颗粒在雷达波段内的光散射特性进行了数值模拟和计算分析。在Mie系数中引入磁导率变量,分别计算了磁导率、折射率及颗粒粒径等参数对吸波颗粒光散射特性的影响[同时对比分析了磁性与非磁性吸波颗粒的散射光强、散射系数、吸收系数等散射特性规律。数值计算结果表明,颗粒磁特性的变化对其散射性能造成影响,磁导率的增大将使颗粒的吸收性能增强而后向散射强度减弱,有利于吸波颗粒雷达散射截面的减小,同时磁导率变化对颗粒散射特性的影响受到复折射率的制约。

利用脉冲激光沉积方法在P-Si(100)衬底上生长ZnO薄膜,制备ZnO/P-Si异质结,研究衬底温度对异质结光电特性的影响。结果表明,在400 ℃,500 ℃,550 ℃和600 ℃下生长ZnO制备的异质结都有一定的整流特性,反向暗电流随着衬底温度的升高略有增加,在550 ℃下制备的样品具有最明显的光电效应。ZnO/P-Si异质结对可见光和紫外光呈现出不同的响应性。在可见光照射下,光电流随反向偏压急剧增大,偏压增大到某一值时,光电流增速变小,而在紫外光下,光电流有逐渐增大的趋势。根据ZnO的透射谱认为,可见光和紫外光是异质结不同的耗尽区诱导电子空穴对产生光电流的。

利用电子束真空蒸镀方法制作了Ge薄膜,用作感应读出方式光子计数成像系统的电荷感应层,研究了石英玻璃衬底和陶瓷衬底上Ge薄膜的结构特征、表面形态以及各种工艺参数对薄膜电阻的影响。X射线衍射(XRD)测试表明,两种衬底上沉积的Ge薄膜均为立方相非晶态。场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像表明石英玻璃衬底上的薄膜致密平整,陶瓷衬底上的薄膜比较粗糙,厚度较薄时,陶瓷晶界处薄膜不连续导致电阻较大。通过改变沉积速率、薄膜厚度及采用退火的方法可以控制薄膜电阻。对比了采用不同阻值电荷感应层时系统的性能,发现阻值对探测器的分辨率影响小,对计数率影响较大。