立体匹配一直是计算机视觉研究领域中的热点和难点, 是立体视觉中的关键技术之一。为了消除基于局部图像的双目立体匹配的歧义性, 提出一种基于图像分割及可变权值方案的初始匹配和贪婪的后处理视差估计策略相结合的立体匹配算法。分割彩色立体图像对, 利用分割自适应地分配权值来消除匹配特征相似的歧义性, 计算匹配代价得到初始视差。接着, 为了更好地消除弱纹理区域、重复纹理区域和宽遮挡区域等复杂歧义性, 视差后处理中采用贪婪估计方案, 包括基于分割的视差校准、窄遮挡处理及多方向自适应加权最小二乘拟合填充。实验结果表明, 基于分割的本算法结构简单, 能有效地提高处理局外点的稳健性, 并生成高精度的稠密视差。

深度数据匹配是三维光学测量系统的关键问题, 借助标志点匹配方法具有廉价、方便、快速等优点, 但当前该方法对多视场数据匹配的误差积累问题没有解决。阐述一种借助非编码标志点进行深度数据匹配的方法, 利用图像处理及模式识别技术提取标志点, 并由光学测量系统标定信息获得标志点三维局部坐标, 利用欧式空间距离的刚体不变性, 完成两个视场深度数据的精确匹配。并提出一种全局迭代优化算法完成对多个视场深度数据的全局精确匹配, 避免了误差积累, 最大匹配误差从0.123 mm降到0.076 mm。实验证实了方法的有效性, 不仅可以自动、快速完成两个视场深度数据的精确匹配, 而且解决了对多个视场深度数据匹配的误差积累问题。

为了快速有效地提取作物行, 提出了基于机器视觉的农田作物行检测方法。图像预处理过程中, 用中心线检测算法代替垂直投影法获得作物行信息; 直线检测中提出了一种基于随机方法的新算法。该算法首先在由图像定位点构成的数据空间中随机选取两个不同点, 这两点决定一条直线; 然后在一定的距离容忍度下, 得到一个沿直线方向的条形区域, 并在此区域内搜索定位点的个数; 最后根据阈值规则, 判断该直线的真实性。针对大量不同生长时期、不同光照条件下麦田图像的处理, 结果表明, 一幅图像的处理时间约为120 ms, 能够快速准确地提取作物行。对比该算法与霍夫变换和随机霍夫变换, 证实了它具有节省内存、速度快、抗干扰等优点。

基于双目立体视觉的三维重构是机器视觉技术中重要的研究内容, 在机器人视觉导航、航空测绘、医学成像和工业检测等很多领域都有广泛的应用。研究空间网格候选点三维坐标与图像中二维坐标的映射关系, 对基于网格候选点投影灰度相似性的立体视觉方法进行改进, 建立多分辨率网格节点并与小波分解图像实现一一对应关系, 通过逐级分析网格节点的映射像点灰度相似性, 确定由粗到精的候选点筛选策略, 最终恢复被测物体的深度信息。Matlab平台下的仿真实验可以验证, 小波多分辨率网格节点的构建不但改善了计算效率, 也避免了过多候选点带来的随机误差, 使三维重建精度得到了提高。

计算了不同Al掺杂浓度下ZnO体系电子结构和光学属性。分析了掺杂对AZO(ZnO:Al)晶体结构、能带、态密度、光学性质的影响, 所有计算都是基于密度泛函理论框架下的第一原理平面波赝势方法。计算结果表明：Al掺杂ZnO在导带底引入了大量由掺杂原子贡献的导电载流子, 明显提高了体系的电导率, 费米能级进入导带。同时, 光学性质的计算表明光学带隙明显展宽, 且向低能方向漂移; AZO透明导电材料的光学透过率在可见光范围内高达85%, 紫外吸收限随着掺杂浓度的增加而发生蓝移。所有计算表明AZO材料可作为优良的透明导电薄膜材料。

利用密度泛函理论中B3LYP方法, 在6-311G(d)基组上对Ga2Asn (n=1-5)阴阳离子团簇的几何结构和光电子能谱进行了系统研究。结果得到了各团簇的最稳定结构, 在Ga2Asn (n=1-5) 阴阳离子团簇中, 稳定性随着总原子数的增大而呈奇偶变化规律, 对于Ga2As-n团簇, 总原子数为奇数的团簇比原子数为偶数的团簇稳定; 对于Ga2As+n团簇, 总原子数为偶数的团簇比原子数为奇数的团簇稳定。团簇的最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级之间的能隙差随As原子数的增大而呈现奇偶交替变化规律, 当As原子数为偶数时, 中性团簇及其阴阳离子团簇的基本相同, 当As原子数为奇数时, 它们差异较大。

研究了嵌入在非线性介质中的、由金属线和谐振环构成的具有二维周期性结构的异质材料的介电常数的非线性, 计算得到了该有效介电常数实部和虚部对外场变化的非线性响应。结果表明, 这种异质材料介电常数的实部对外磁场的响应具有回滞效应; 在一定条件下, 这种结构的属性可在右手材料、左手材料、电单负材料与磁单负材料之间转换, 且这种转换可用适当选择在某些特定频率范围内的外磁场强度的方式控制。这种现象可能被用于实现微波或光学开关器件。

为了在外周血中准确区分大小相近的网织红细胞和小淋巴细胞, 采用光镊与拉曼光谱结合的单细胞技术。研究发现大鼠血液中单个网织红细胞和小淋巴细胞的光谱形态相差很大, 主要体现在以下位置：1212, 1548, 1607, 1616 , 1001, 1661 cm-1(以上与蛋白质相关), 1584 cm-1(与核酸相关)。通过分析部分特征峰, 证明小淋巴细胞相对于网织红细胞而言, 所含有的核酸含量高, 蛋白质含量少。通过主成分分析和判别分析两种统计方法进行分析, 均可完全区分这两种细胞。通过上述分析, 得到了一种光谱学上快速、准确地区分外周血中网织红细胞和小淋巴细胞的方法, 同时也为在现代生物医学研究血细胞提供一种识别依据和手段。

生物大分子动态的结构变化能够使用单分子对荧光共振能量转移谱技术来研究。主要研究了微腔在单分子对共振能量转移实验中有效提高相应单分子对的荧光发射信号的作用, 从而提高该技术的时间分辨率。研究发现,由于受体-微腔的强耦合相互作用, 光学微腔使得受体分子变成了一个类似于单原子激光的激光体。此外, 随着距离的增加, 受体的光子数会很快下降。微腔使受体的发射光对单分子对间的距离有更大的依赖性, 在腔体中进行单分子对共振能量转移实验可以得到更高的时间分辨率。研究结果为单分子对荧光共振能量转移技术提供了实验方法和理论指导。

存在于活的生物系统的超弱自发光子辐射, 是生物分子从高能态向低能态的跃迁所发射的光子。根据Frhlich理论, 活的生物系统是一个高度有序、高度相干性的开放系统, 其运动状态具有内部协同作用的集体效应, 并可看作许多同类振子的集合, 当振子因某种原因处于激发态后, 其必然会跃迁回基态, 从而发射出光子。可导出此过程遵守Sine-Gordon方程, 是典型的孤子方程, 说明生物光子在活的生物系统中的传播具有孤子特征, 使生物光子能成为生物系统信息的良好携带者, 可以通过对生物光子的测量而获得生物系统内的信息。由于弱激光的作用, 可将生物振子激发到激发态, 处于激发态的分子, 将跃迁到低能态, 并发出光子, 此过程有弛豫效应, 并导出相关公式。

室温条件下温度对四频激光陀螺零漂的影响非常复杂, 为尝试定性找出温度影响陀螺零漂的机理, 对室温下陀螺零漂、表面温度、两路信号的光强差及光强和、两臂放电电流差以及和频进行实时监控测试, 通过分析计算各个参数与温度的相关系数, 得出以下结论：四频激光陀螺各个参数与温度的相关系数随陀螺运行时间的长短而不同, 并且陀螺各参数与温度相关系数的逐次偏差也较大, 陀螺室温下的温度补偿对四频激光陀螺性能的改善十分有限; 室温下和频与温度具有较好的线性关系, 但线性比例系数是变化的。

通过在镀膜单模光纤端面制作微透镜, 构造了微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪。利用ABCD矩阵方法分析了微透镜法布里-珀罗腔的模场。由于微透镜的会聚作用, 法布里-珀罗腔模场可以和单模光纤模场良好的匹配, 从而达到高精细度和低插入损耗。实验制作的微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪, 自由光谱区范围32.28 nm, 精细度为78, 峰值透射比为73%; 在法布里-珀罗腔的光学腔长增加到100 μm的情况下, 峰值透射比仍然大于50%。该微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪制作容易、对设备要求低, 可以封装成光纤法布里-珀罗滤波器和传感器, 具有广泛的应用前景。

对本实验室在Si (111) 衬底上MOCVD法生长的芯片尺寸为400 μm×600 μm功率型绿光LED的光电性能进行研究。带有银反射镜的LED在20 mA的电流下正向工作电压为3.59 V, 主波长518 nm, 输出光功率为7.3 mW, 90 mA下达到28.2 mW, 发光功率效率为7.5%, 光输出饱和电流高达600 mA。在200 mA电流下加速老化216 h, 有银反射镜的LED光衰小于无银反射镜的LED, 把这一现象归结于Ag反射镜在提高出光效率的同时, 降低了芯片本身的温度。本器件有良好的发光效率、光衰和光输出饱和电流等综合特性表明, Si衬底GaN基绿光LED具有诱人的发展前景。

提出一种在光子晶体十字波导中加入点阵缺陷的特殊结构波导。采用时域有限差分法(FDTD)对该结构的导波特性进行数值模拟, 计算结果表明：含缺陷结构的光子晶体波导的透射光谱较不含缺陷结构光子晶体波导的透射光谱带宽变得更窄, 此结构具有窄带滤波作用。当改变波导中缺陷结构折射率取值时, 该波导透射光的中心频率随缺陷介质折射率的增大而线性减小。改变中心缺陷介质柱直径时, 该波导透射光波中心频率随介质柱直径的增大也呈逐渐减小趋势。这种光子晶体十字波导可作为一种窄带滤波器、分光器和可调式选频器等器件, 具有一定的应用前景。

利用表面等离激元短波长和近场增强效应的特性, 用多束p偏振态相干光激发表面等离激元(SPPs), 并优化干涉光刻的曝光参数, 可获得高分辨率、高对比度周期性纳米结构。阐述了多束SPPs干涉法制备纳米光子晶体的原理, 并得到了干涉场强度分布随光束增加的关系。随着干涉SPPs数目的增加, 干涉场会复杂变化,对此进行了计算机模拟。模拟了三束SPPs和六束SPPs干涉的强度分布,并分析了调制技术干涉曝光结果。该方法适合光电子器件中大范围亚波长的周期性孔阵或点阵结构的制作以及纳米量级光子晶体的的制作, 并可以有效降低制作成本。

构造了一种具有分形特征的掺杂一维光子晶体结构并分析了其性质。数值计算结果表明, 该结构的带隙中可产生多个透射通道,任意一个通道的频率可被独立调节而其他通道的频率均保持不变。此外, 通过改变该分形结构的耦合层中缺陷的数目, 可调节任一透射通道中的窄带透射峰数目。若一个通道的频率发生改变, 则该通道内所有的透射峰频率也随之改变, 而透射峰的频率间隔几乎保持不变。该结构可望应用于多通道光学滤波器的设计。

在基于自准直效应的二维空气柱型光子晶体迈克耳孙(Michelson)干涉仪的基础上设置一块传感区域, 改变传感区折射率从而引起一路光的相位发生变化,导致干涉之后输出光束的能量也随之改变。利用平面波展开法计算得到的等频面确定了入射光的自准直频率范围, 运用时域有限差分法分析该传感器的灵敏度最高可达120 nm/RIU, 通过单频光入射实现了该传感器的传感模拟。该传感器完全依赖自准直导光, 不需构造任何缺陷波导, 对制造工艺的要求大大降低。对于1.55 μm的中心工作波长, 传感器大小只有几十微米, 进一步添加分束器可以实现高度并联传感器探测。

设计了一种基于混合导光型光子晶体光纤的波分解复用器, 该波分解复用器同时具有折射率导光型光子晶体光纤和带隙导光型光子晶体光纤的特点, 可用于稀疏型波分复用系统中。设计的稀疏型波分解复用器由一段三芯光子晶体光纤组成, 通过填充不同折射率的材料, 形成了混合导光型光子晶体光纤。根据耦合模原理, 在临近的波导中, 当传播常数相等时, 模式之间发生强烈耦合, 能量在波导之间交替。由于填充的材料折射率不同, 使得光功率在两个不同的波长上发生耦合, 构成了两个不同响应波长的光滤波器。通过选择合适的光纤长度, 使得在光纤的输出端, 不同波长的光从不同的波导输出, 实现波分解复用的功能。采用全矢量有限元法分析了光纤传输特性, 计算了不同波长光的耦合长度。采用光束传播法仿真发现, 长度为4.3 mm的光纤能实现波长为1.31 μm和1.55 μm光的解复用。

光子晶体是由两种或两种以上不同介电函数的材料周期性排列组成的一种人工晶体。由于介电函数的周期性分布对入射光的调制作用, 使得特定频率区域的入射光在光子晶体中传播时的群速度方向和相速度方向相反, 因而使得光子晶体平板表现出负折射特性。系统研究了介质柱的形状对二维正方晶格光子晶体近场成像特性的影响。通过对分别由正方形、三角形、椭圆形、长方形等形状介质柱组成的二维正方晶格光子晶体平板近场成像特性的理论分析, 发现当介质柱形状的对称性降低到一定程度后可以实现光子晶体近场成像的纵向平移。进一步通过对相应等频率曲线形状的分析, 明确了光子晶体近场成像是由于自准直效应和负折射效应的共同作用形成的。

运用全量子理论, 研究了单模压缩相干态光场与Ξ型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)相互作用系统中光场的压缩特性。结果表明：光场在与原子BEC相互作用过程中呈现周期性压缩, BEC原子能级的初始占据率对光场的压缩特性具有重要影响, 光场压缩的振荡周期与光场圆频率有关。当初始时刻原子全部处于基态时, 光场压缩呈现规则的周期性振荡。而当初始时刻激发态上有原子占据时, 光场压缩的时间演化曲线产生明显的畸变, 且这种畸变随初始时刻激发态原子占据率的增大而增大。激发态原子占据率还对光场的最大压缩深度有一定的影响, 激发态原子占据率较大时, 光场的最大压缩深度也较大。

利用相干态表象下的Wigner算符和有序算符内的积分(IWOP)技术, 首先得到了热相干态(量子纯态)的Wigner函数; 同时借助相干态表象和算符的正规乘积形式给出了相应混合态的Wigner函数。 结果表明, 热相干态与相应混合态的Wigner函数是相一致的, 支持了热场动力学(TFD)理论, 且采用相干态表象下的Wigner算符、IWOP技术和算符的正规乘积形式来研究量子态的Wigner函数非常简捷方便。 研究结果加深了人们对量子统计中相空间技术和热场动力学(TFD)理论的认识, 且对于其它量子纯态与相应混合态相空间分布函数一致性的研究具有很好的理论指导意义。

采用Tokuda改变的线性组合算符法和改进的Lee-Low-Pines变换法, 研究了温度对量子阱中电子(空穴)与界面光学(IO)声子强耦合又与体纵光学(LO)声子弱耦合激子的有效质量的影响。结果表明, 由电子(空穴)-体纵光学声子弱耦合所产生的激子有效质量(M*ex－LO)随量子阱宽N的增加而增大、随电子与空穴间相对距离ρ的增加而先增大后缓慢减小再趋于稳定, 温度T对M*ex－LO及其随N和ρ变化的规律产生显著影响, 同时, M*ex－LO随T的变化也强烈的受到量子尺寸效应的影响; 由电子(空穴)-界面光学声子强耦合所产生的激子有效质量M*ex－IO随N的增加而减小、随T的升高而增大、随ρ的增加而先增大后缓慢减小再趋于稳定, 但T对M*ex－IO随N和ρ变化的规律无明显影响。

介绍了光学综合孔径干涉成像技术中的UV覆盖技术的概念、即时UV覆盖和非即时UV覆盖的两种情况, 重点研究了光学综合孔径望远镜的UV覆盖情况, 以一个实际观测目标为例研究了增加用四个小望远镜组成的光学综合孔径望远镜的UV覆盖的方法, 并对增加UV覆盖的方法进行了优化, 提出了用旋转孔径的办法来增加UV覆盖和UV覆盖的优化方法, 给出了优化了的光学综合孔径望远镜的子孔径排列的方案, 得到了UV覆盖优化的结果, 并给出了一个综合孔径望远镜UV覆盖与孔径排列优化的仿真实例。

提出一种可对成品茶的原料品种进行准确识别的方法。在实验中对不同原料品种(龙井43#与其他品种)制成的茶叶样本进行近红外光谱的采集, 通过主成分分析(principal component analysis, PCA)后获得了20个主成分, 利用逐步回归法筛选出8个主成分作为自变量, 建立茶叶原料品种的Fisher识别函数对成品茶的原料品种进行识别分析。实验结果表明建立的识别函数能很好地对茶叶的原料品种进行准确识别, 在定标集中的识别准确率达到了96.8%, 并且利用外部样本进行验证的识别准确率也达到了93.5%。本实验证实了利用PCA和Fisher识别组合分析识别成品茶原料品种的可行性。

为了从分子水平上探讨病人血清中组织、细胞代谢产物的生化异常, 利用表面增强拉曼散射技术检测了糖尿病及并发症(冠心病﹑青光眼和脑梗塞)病人的血清。结果表明：这几种疾病患者血清的表面增强拉曼光谱十分相似, 说明这几种疾病中组织、细胞代谢产物的分子结构或含量变化相近; 与正常人血清的表面增强拉曼光谱相比, 存在显著的差异, 特别是在这几种疾病患者血清中, 谱线725 cm-1相对强度明显增强, 且增强部分来自腺嘌呤的贡献, 与血糖的高低无关, 说明这几种疾病患者的代谢产物中含有较高的碱基腺嘌呤, 这些结果为研究糖尿病及并发症的生化机理以及临床诊断提供有力的实验依据。

将激光诱导击穿光谱技术应用于煤质检测, 分析了燃煤形态对激光烧蚀特性的影响。利用532 nm激光在大气常压环境下烧蚀样品, 同时使用多通道光纤光谱仪和CCD探测器对激光烧蚀形成的等离子体发射信号进行分光和探测。对比分析两种不同形态煤样的等离子体温度、电子密度以及元素特征谱线强度随脉冲能量变化的规律。实验研究表明, 样品形态对燃煤的激光烧蚀特性有显著影响。不同形态燃煤的等离子体温度、电子密度以及元素特征谱线强度随脉冲能量的变化规律有所不同。相同实验条件下, 粉状煤样形成的等离子体温度和电子密度均比块状煤样的高, 但块状煤样的元素特征谱线强度则更大。

基于扩展的非线性薛定谔方程及与其耦合的电子密度演化方程, 理论研究了超短激光强脉冲在水中的非线性传输特性。理论模型综合考虑了衍射、正常群速度色散, 多光子吸收、自聚焦及激光诱导产生的等离子体对光脉冲的自散焦效应。采用有限差分法模拟得到超短脉冲在传输过程中轴向上光功率密度和等离子体密度的时空分布。系统分析了超短脉冲在水中传输的动力学过程, 讨论了非线性自聚焦和等离子体自散焦效应在脉冲传输过程中的竞争关系。同时研究了不同入射激光能量, 脉宽和聚焦条件对等离子体丝的时空结构和脉冲能流横向分布的影响。该研究将有助于理解和推动超短光脉冲在激光医学、激光安全防护和水中激光加工中的应用。

以MEMS微变形镜驱动方式的选取为出发点, 从光学特性和力学特性两方面对MEMS微变形镜进行分析, 从中得出相关结构参数对微变形镜性能的影响关系, 并在此基础上结合补偿激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变的使用要求设计了一种新型MEMS连续面型微变形镜, 并采用设计的MEMS变形镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统, 补偿了激光光束的热畸变。实验结果显示该MEMS连续面型微变形镜可对腔内畸变进行有效补偿, 同时提高了激光器的输出功率及光束质量。

为研究局域体光栅的光折变形成机制及衍射特性, 以双中心非挥发全息记录方案为基础, 将带输运模型与二维耦合波理论相结合, 采用数值模拟的方法, 研究紫外敏化光强和记录红光总光强的变化对LiNbO3:Fe:Mn晶体中局域体光栅的影响, 并给出定影结束时平均折射率调制、衍射光波振幅及衍射效率的模拟结果。研究发现：记录红光总光强不变时, 平均折射率调制随紫外敏化光强增加而增加, 而紫外敏化光强的改变对衍射波振幅的分布影响不大, 衍射效率随紫外敏化光强度的增大先增大后减小, 存在最佳紫外敏化光强, 以获得80%以上的最高衍射效率。当紫外敏化光强不变时, 随着记录红光总光强的增加, 记录折射率光栅逐渐减弱, 衍射波振幅分布变得越来越均匀, 衍射效率逐渐降低。

利用Kogelnik一维耦合波理论, 以及离散傅里叶变换, 分析光栅矢量相互正交, 且串联级联放置的两透射型体相位光栅对空域任意分布的连续激光光束的衍射特性; 讨论其对入射光束的空间低通滤波性能, 并具体模拟其对畸变高斯光束空间低通滤波的效果。结果表明, 利用体光栅优良的角度选择特性, 无须对畸变光束进行聚焦, 即可实现入射光束角谱域中的高频成分与低频成分的空间分离, 滤除畸变高斯光束中高频角谱成分, 使得衍射光束与未畸变光束在空域中的光强分布非常接近, 达到滤除畸变光束中杂散成分且保留有用成分的主要目的。这种方法有效地避免了聚焦型空间低通滤波, 如针孔滤波在针孔附近光强过高, 易致针孔周边材料损坏等不利因素, 有助于应用至高功率激光光束质量的优化。

讨论了二维光栅光调制器阵列的表面弯曲度对衍射光学特性的影响。利用实测的表面结构数据建立了阵列模型, 利用Matlab软件计算了不同弯曲度对频谱面上衍射光强的分布影响, 得到了弯曲度与对比度之间的关系。结果表明暗态时光栅面的弯曲度对成像对比度的影响很大, 如果将光栅面的中心弯曲度控制在0.1λ以内, 在像面上将获得1000以上的对比度。并通过实验动态显示器件的明暗态调制, 得出减少光栅面弯曲度的优化方案。

提出了一种基于光纤阵列的二维微角位移传感器。该传感器采用由十字形排列的光纤阵列构成的轮辐式探头结构。各接收光纤接收光强随被测角位移改变。通过对各光纤接收光强进行高斯拟合确定反射光斑中心位置。这种测量方法可以有效降低表面反射系数变化、光源波动以及环境光对测量结果的影响。由于各接收光纤对应光路损耗不同对微角位移测量精度产生影响, 提出了光路损耗的归一化修正方法。实验证明系统测量角度范围-0.16 rad～0.16 rad, 归一化修正方法使系统测量分辨率提高到了3.8×10-4 rad。

为了提高啁啾长周期光纤光栅(LPFG)光纤通信的色散补偿能力, 提出了利用薄包层啁啾LPFG进行色散补偿的方法。首先介绍了根据传输信号确定啁啾LPFG的啁啾系数、光栅长度等参数的方法。然后利用上述方法设计了对光纤中传输的中心波长为1550 nm, 带宽为0.2 nm的信号进行色散补偿的薄包层啁啾LPFG。利用耦合模理论及传输矩阵法计算了约1 m长的此种啁啾LPFG的色散, 结果表明可以补偿该光信号通过46 km光纤所产生的色散。进一步分析了切趾函数、啁啾系数、交叉耦合系数等参数对薄包层啁啾LPFG色散的影响。

基于耦合模理论, 提出一种判别圆双折射光纤的简易方法。首先指出在单模工作条件下的线双折射光纤中, 一对互相正交的线偏振模间耦合系数为虚数, 而在圆双折射光纤中, 耦合系数为实数。从上述事实出发并根据单模光纤横截面上折射率分布的对称性, 确定了光纤轴向倒置后几何形状不变是圆双折射光纤的三个必要条件之一。利用这种判别方法, 可以确定对互易光纤而言, 只有扭转圆光纤和熔融状态下制作的螺旋光纤才是真的圆双折射光纤。

研制了一种偏振稳定系统, 可以使偏振态(SOP)保持稳定输出, 而且可以是任意需要的偏振态。实验中扰偏器以不同变化频率、各种相位幅度的信号变化, 稳定器对其进行偏振稳定实验, 对于相位幅度为 π/2的扰偏信号, 进行稳定的变化频率可达8 kHz。稳定耗时分析表明, 有71%的时间耗在偏振控制器的响应时间上, 而稳定算法及数据处理仅占总耗时的8%。

研究了基于半导体光放大器(SOA)结合延迟干涉仪(DI)结构的全光波长转换。分析了SOA-DI结构的工作原理和DI参数的作用, 进行了10 Gb/s和40 Gb/s归零码全光波长转换实验研究。实验结果表明, 基于SOA中交叉增益调制(XGM)效应实现的波长转换为反相转换, 输出信号消光比较低, 当工作速率较高时波长转换信号质量明显恶化。而SOA-DI结构可实现同相波长转换并可改善波长转换信号的消光比, 从而改善单个SOA实现波长转换的性能并提高系统的工作速率, 该结构还具有结构简单、可光子集成等优点。

分析了光弹性分组环(ORPR)网络中流量成型时光分组组装算法, 提出一种适合ORPR网络的基于控制发送时间的光分组组装算法, 并给出了该算法的算法结构。该算法在混合门限组装算法的基础上, 通过增加一个控制分组发送间隔的参数, 使得光分组单位时间内流量的突发性被平滑, 并可以保证ORPR网络的服务质量(QoS)性能, 适合于使用容量有限光缓存的ORPR网络。对ORPR节点光分组平均组装时延进行了详细的分析, 新算法通过对分组发送间隔的调整, 使在不同负载条件下, 组装时延的概率分布基本相同。在ORPR中, 平均组装时延的稳定对ORPR网络的QoS 性能和公平性调度有重要意义, 而发送时机的合理选择, 可以保证ORPR网络的QoS性能以及公平性。仿真结果表明,新算法使得ORPR网络中的光分组平均组装时延相对稳定, 在大多数情况下, 可以保证ORPR网络的调度要求。

新型特殊模式激光束的传播是激光应用研究的基础和重要课题。利用柯林(Collins)积分公式研究了广义超几何光束在ABCD近轴光学系统中的传播行为, 得到了光束在输出平面复振幅的解析表达式。结果表明,其传播后的复振幅分布与库默尔(Kummer)函数成正比。通过将Kummer函数展开成级数, 获得了光束在输出平面复振幅的模的级数形式, 从该级数可以看出, 广义超几何光束在ABCD近轴光学系统中传播时的模式结构一般是要发生变化的。作为特殊光学系统, 讨论了自由空间传播时近场和远场衍射近似表达式, 它们均为一系列同心圆环, 空间频率随径向坐标增加而增加, 近场衍射时横向模式结构保持不变, 而远场衍射时则发生变化。给出了光束的归一化系数, 分析了该光束一些简化模式与高斯光束的关系。

根据数据平滑理论推导求解出能够使对称分数B样条在函数平滑性和逼近性两者之间达到最优的折衷的分数阶α≈7.9; 并通过对BiraShrink基于相邻层系数相关性的小波去噪模型进行改进, 得到对分数样条的阶具有自适应性的新阈值公式。试验结果能够说明所推导理论结果的正确性和所给对称分数样条小波系数阈值公式的有效性。基于分数样条小波的图像去噪算法对几何纹理较多的图像去噪效果比较理想, 像Barbara这种几何纹理较多的图像当噪声方差不超过10时, 该方法去噪后的图像客观峰值信噪比(PSNR)可以达到34.9842, 而且去噪结果中较好地保留了原始图像的纹理信息。

随着投影仪的发展, 其显示质量越来越受到人们关注。投影显示中普遍存在亮度不均匀性问题, 且大部分高灰度图像在亮度校正后易出现饱和。而一般的剪切法会极大地降低像面均匀性。为解决这个问题, 基于投影仪相机系统建立系统光度学模型, 在传统线性映射方法的基础上提出了一种亮度不均匀性校正的非线性稳定算法。实验表明, 采用的投影仪在校正前其图像显示亮度从中心到边缘下降了近50%, 像面不均匀性的相对均方根误差(RRMS)为17.7%; 而饱和图像校正后像面的RRMS为1.69%, 几乎达到了与未饱和图像(1.55%)相同的校正精度, 同时基本保持了显示图像的平均亮度水平。

采用Nd∶YAG激光对全石英多模光纤进行激光诱导损伤实验,结果全部为光纤端面损伤, 主要是由光纤端面的杂质缺陷引起的。通过对激光损伤形貌的分析, 明确光纤端面损伤机理。采用Matlab对光纤损伤端面进行图像处理, 获得光纤端面损伤点的大小、出现频率和位置分布的统计特性。通过分析发现,光纤端面损伤点位置分布服从一定的规律, 光纤前端面和后端面不同; 光纤端面不同大小损伤点出现频率服从高斯分布; 注入激光特性参数决定光纤前端面损伤特性, 光纤传能特性以及光纤端面质量决定其后端面损伤特性。

针对红外焦平面阵列(IRFPA)中探测元的非线性响应以及响应特性的漂移引起的校正误差, 提出了一种基于S曲线模型的场景自适应校正算法。该算法利用对数运算将IRFPA的输出信号线性化, 并运用自适应滤波技术对线性信号实施非均匀性校正, 并采用指数变换还原出实际的校正输出信号。基于人造黑体图像和实景红外视频的仿真实验结果表明, 该算法在校正精度和大动态范围信号响应特性方面均优于传统的场景自适应校正算法。

对中波/短波偏振红外成像光学系统进行了研究, 设计了一个新颖的共口径中波/短波偏振红外成像光学系统。该光学系统由全反射式无焦光学系统、分束镜、二级望远系统、偏振组件和红外物镜系统组成, 为了约束主反射镜、双面反射镜、分束镜和偏振片的口径, 创造性地采用了三次成像光学系统。光波经无焦光学系统后被分束镜分成中波红外波段(3～5 μm)和短波红外波段(1～2.5 μm), 然后分别经两个物镜系统会聚到两个探测器上, 实现了双波段共口径成像。给出了光学系统的设计结果, 像质良好, 满足整机使用要求。

提出了影响周视搜索系统对点目标的作用距离的具体参数, 从目标特性、大气背景特性及系统本身光机电特性等角度推导了作用距离的数学公式, 针对点目标, 分别基于靶面照度、靶面对比度、探测概率、虚警率及系统带宽等参数推导了一定目标、大气及系统特性条件下周视搜索系统的作用距离的计算公式。该公式分析表明目标辐射强度与作用距离呈近似上升抛物线关系, 大气消光系数与作用距离呈下降段抛物线关系, 系统焦距与作用距离呈正比关系, 目标固有对比度与作用距离呈非线性关系。针对给定虚警率的特定搜索任务, 系统信噪比与作用距离呈近似下降段抛物线关系, 系统驻留时间则与作用距离呈近似正比关系。最后通过仿真实验证明, 当目标辐射强度值达70 J/(s·sr), 目标固有对比度达到4以上且大气消光系数在0.1以内时, 500 mm焦距的周视可见光搜索系统对点目标的作用距离达100 km以上, 周视红外搜索系统对点目标的作用距离达60 km以上。

以超低膨胀系数微晶玻璃为腔体, 以分布反馈(DFB)激光器为光源, 建立了一套高灵敏度连续波腔衰荡光谱测量系统。该系统通过扫描腔长来实现入射激光与衰荡腔的频率匹配, 通过DFB激光器的电流调制实现入射光的快速关断, 通过DFB激光器的温度、电流调谐实现系统的光谱扫描, 7.6×10-9 cm-1的测量灵敏度。结合超高真空系统, 对N2O在6586.5～6596.5 cm-1的19条N2O吸收谱线的吸收强度及多普勒展宽系数进行了测量, 并就测量结果与HITRAN2004数据库进行了比较和讨论。

彩色栅线结构光三维测量可仅靠左右摄像机单幅图像完成像素级相位匹配, 能够实现运动或者变形物体型面重构, 但其测量精度有待进一步提高。在依据相位进行粗匹配的基础上, 采用立体视觉数字相关技术在左右图像局部区域进行更细致的匹配。计算相关系数时, 依据彩色栅线各个周期的色彩变化特性自适应调整不同颜色通道的权重, 依据不同视点表面变形特性自适应调整左右相关窗口的尺寸。在极线方向上双线性插值进行亚像素匹配。实验结果证明自适应数字相关匹配技术在保证彩色栅线动态检测, 分辨率高优点的同时, 可有效改善测量精度至0.1 mm, 扩大测量适用范围。

介绍了一种测量导轨直线度误差的新方法, 利用偏振干涉原理调制出一束偏振角随光束横向坐标线性变化的特殊线偏振光光束, 通过一个随直线度误差移动的光缝测量出光束中不同位置的偏振角, 根据直线度误差与偏振角之间的线性关系, 实现对直线度误差的测量。从理论上对该方法进行了论证分析, 进而详细介绍了光学调制器的组成, 设计了偏振角测量的光电组件, 并进行了相应的实验。实验结果分析表明, 该实验装置的直线度误差与偏振角之间的直线拟合相关指数R2优于0.9995, 且测量直线度误差范围不低于0.5 mm,构建的测量系统经标定后测量分辨力可以达到亚微米级, 测量不确定度达到1 μm。该方法不仅实现方便、可靠性较高, 而且可以克服测量时由于光强变化、导轨形面误差对测量结果的影响, 稍加改进即可实现二维直线度误差测量, 测量精度与自准直仪相当, 具有一定的理论研究意义和较强的实际应用前景。

锁区对速率偏频激光陀螺的性能有重要影响, 而高精度的锁区测量依然是一个难题。从激光陀螺闭锁方程出发, 通过理论近似的方法得到了锁区与激光陀螺输出信号谐波的近似关系。在此基础上提出了一种激光陀螺锁区的谐波测量方法, 进而通过闭锁方程的严格数值解进行了修正和误差分析。最后利用谐波测量法测量了某一激光陀螺的锁区大小, 结果表明精度能够优于5%。

提出一种利用条纹反射原理测量非球面镜的新方法。测量过程中, 利用液晶屏显示正弦条纹, 由摄像机记录由待测镜面反射产生的条纹图。并将显示屏和摄像机分别沿待测镜面轴向移动。摄像机在每个移动位置上, 记录下显示屏移动前后产生的两幅条纹图。通过相移方法, 得到条纹图的相位信息后, 对摄像机上每个象素点, 能在待测镜面上找到一个对应待测点, 并在获得该待测点的梯度信息的同时,获得该点位置坐标信息。最后通过积分, 恢复待测镜面的三维高度信息。该方法不需辅助反射镜与干涉仪, 能更加方便灵活地测量非球面镜。并且该方法有较好的抗噪性能, 在噪声较大的情况下, 仍能对非球面镜进行测量。模拟及初步实验均验证了该方法的可行性。

介绍了一种新的微小型楔环形贫点阵红外探测器, 着重研究了其特殊的探测机制。采用合并像素的方式仿真生成楔环形贫点阵图像, 借助对数极坐标变换分析得出, 它在中心处信息量大, 在边缘处信息量小。以灰度直方图作为统计手段和依据, 采用自适应类直方图实时阈值分割的方法, 完成目标的检测; 采用基于状态机循环处理的目标跟踪方法, 对目标可能所处的状态进行划分, 并利用序列图像估计位置和速度信息, 完成目标的跟踪。应用基本图元对楔环形贫点阵图像进行测试, 对于不同形状不同朝向的基本图元, 结合像元灰度值之间的比例关系, 能够将其区分。结果表明, 楔环形贫点阵探测器用于目标探测与识别的可能性是存在的, 继续相关研究很有意义。

提出了一种双包层光纤激光器侧面耦合技术——微棱镜反射式侧面耦合技术, 能高效且方便地将半导体激光器, 特别是高功率半导体激光器阵列和叠层的抽运光耦合进双包层光纤中。该技术具有结构简单、加工难度小、抽运效率高、对光纤本身无损伤等特点, 更重要的是该技术非常适合半导体激光器列阵的多点抽运。详细阐述了微棱镜反射式耦合技术的基本原理和具体使用方法, 理论计算所得耦合效率超过90%, 并进行了初步的实验研究, 得到了超过50%的耦合效率。通过分析, 对光源和棱镜具体尺寸参数提出了具体要求, 并指出了其应用范围。

惯性约束核聚变快点火实验, 要求拍瓦终端输出再压缩的高信噪比超短激光脉冲。在拍瓦前端光参变啁啾脉冲放大(OPCPA)阶段, 抽运激光脉冲中由放大的自发辐射(ASE)噪声调制导致的电场强度振幅和相位的随机扰动, 将会被传递到信号光的光谱上, 使再压缩后主激光脉冲前后出现底座, 降低了信号光的信噪比。数值模拟了抽运激光脉冲中ASE噪声对信噪比以及对时间底座的宽度的影响, 并探讨了有利于提高超短激光脉冲信噪比的途径。

为实现中红外波段的高精度线型研究, 建立了一套在2.5～5 μm波段连续可调谐的中红外差频激光光谱测量系统。基于宽带连续可调谐钛宝石激光器(700～900 nm)和单频连续Nd:YAG激光器(1064 nm), 利用碘多普勒展宽吸收和频率调制技术, 对Nd:YAG激光的频率进行反馈控制, 使1064 nm的Nd:YAG激光的波长稳定性好于1×10-5 cm-1。由此差频输出的波长稳定性达到1×10-4 cm-1水平, 适合高精度的线形研究。并通过对CH4分子在2927 cm-1附近吸收谱线的测量, 表明该系统可以结合频率调制方法, 进行高灵敏的光谱检测。

研究外部光注入半导体激光器的非线性物理特性, 用小信号分析方法分析了激光器的动力学行为。分析了外部光注入对半导体激光器的激光非线性频率啁啾影响, 给出了最大静态锁模公式, 理论上指出, 有外部光注入半导体激光器激光频率啁啾不再是传统意义上独立的半导体激光器线性啁啾, 它和外部注入光以及激光器所处的物理状态有着非常强烈的非线性关系, 并随着注入指数的增加而增强, 同时, 频差以及激光器光线宽增强因子也将起到一定的非线性影响作用。还给出了频差、最大锁模区域、激光分岔条件以及分岔的周期公式。详细地数值模拟了激光随外部光注入频差和注入参数变化所产生的由分岔进入混沌的动力学行为, 并数值分析了周期、三周期、多周期、混沌、充分发展混沌过程以及它们的旋转涡旋吸引子、频率、频谱、波形变化, 分别算出了最大李雅普诺夫(Lyapunov)指数、静态最大锁模区域和分岔周期, 数值给出激光随频率差变化分岔图, 逐步认清了该激光系统不稳定动力学行为以及频谱特点。

基于非线性偏振旋转锁模原理、非线性薛定谔方程和色散波干涉理论, 建立了被动锁模光纤激光器的光谱分析模型。采用此模型进行数值仿真, 研究了腔体长度、增益光纤长度和耦合输出比对光谱边带的影响。并分别采用13 m、16 m和26 m的腔长, 0.5 m, 1.5 m和3 m的掺铒光纤以及不同的耦合输出比进行了实验, 对比了上述情况下激光器的输出光谱。实验与仿真结果表明, 要抑制光谱边带, 应尽量缩短腔长, 适当增加增益光纤的长度和采用较低的耦合输出比, 并保证激光器处在基阶锁模状态。理论模型的仿真结果与实验现象吻合较好。取3 m增益光纤、13 m腔长和10%的输出比, 获得了光谱边带抑制较好、谱宽20.4 nm的锁模脉冲激光, 重复频率为15.87 MHz, 单脉冲能量约0.52 nJ, 脉冲幅值和光谱谱宽分别存在约4%和2%的波动。

利用各向异性扩散和核方法, 提出了一种新的核各向异性扩散去噪算法, 应用于跨座式单轨轨道梁面线性裂纹的去噪取得了较好效果。在各向异性扩散的基础上, 增加一个边缘增强算子, 用于增强微弱的裂纹边缘信息, 并且根据噪声均匀分布在多维空间的特点, 把低维数据推广到高维空间, 结合核方法的优点, 在核空间中实现去噪, 同时采用平均绝对差值的自动扩散终止规则也提高了核各向异性扩散的效率。选用不同的边缘增强权值, 讨论了合适的权值范围。该方法应用于低信噪比的轨道梁面线性裂纹宽度为0.4 mm噪声的去除时, 与中值滤波、传统P-M各向异性扩散去噪相比, 该方法去噪效果以及信噪比明显优于其它去噪算法。