用于能动镜中的力驱动器采用直流电机作为驱动源,经减速器后利用滚珠丝杆传动加弹簧组件实现纳米级微位移,而采用丝杆副实现自锁。驱动器基于拉压力传感器实现闭环控制,高增益的PID控制器克服了机械摩擦的微动特性获得比较好的线性度。用4个力驱动器和3个刚性支撑组成了一个能动镜原型样机,光学干涉仪测量结果表明,力驱动器平均位移分辨力约为10 nm、最大可变形量达±8 μm、最大驱动力达±700 N。实验结果证明了力驱动器应用于能动镜驱动器的可行性,为能动镜的实用化提供了实验依据。

随着航空技术的不断发展,航空成像设备不断涌现,对设备调焦精度要求也越来越高。提出一种航空成像设备自动调焦方法,重点分析自动调焦控制原理和光栅法调焦原理,同时给出自动调焦系统在整个航空成像设备中的工作流程,对光学系统允许离焦量进行计算及实验验证,并说明实际照相过程中如何进行自动调焦补偿。实验表明,通过该方法进行自动调焦,调焦精度优于0.02 mm,调焦时间约5 s。

基于计算机层析投影成像原理,提出了非相干合成孔径激光成像雷达(SAIL)概念以及体系结构和算法,给出了详细的原理说明和数学分析,特点是信号收集和数据处理的技术难度低。该激光雷达包含三种工作模式即传统的聚束模式,逆聚束模式和层析聚束模式,具有两种传感方式即距离分辨成像和多普勒频移成像,提供多种维度变换成像,不仅可用于平面目标的距离或多普勒分辨二维成像,也可实施三维物体的距离分辨三维层析成像以及深度压缩的距离分辨和多普勒分辨二维成像。该雷达结构简单且具有操作多样性,扩展了合成孔径激光成像雷达的应用范围。

对使用迈克耳孙干涉仪白光干涉测量透明介质折射率实验中出现的3种异常现象的原因进行了分析。在考虑介质色散并对人视觉函数作适当简化的情况下,求得了干涉条纹可见度、可见白光干涉条纹时动镜的移动范围和折射率的表达式,并由实验对其结果进行了验证。结果表明,运用此方法测量所得的平行板透明介质折射率并非通常由相速度所定义的相折射率,而是白光在介质中由群速度所定义的群折射率。此方法可以用测量到的群折射率和已知的相折射率求得介质在中心波长处的色散。

针对单幅载频变形条纹图的相位重构问题,提出了一种快速、高精度和免解包裹的相位恢复新算法。该算法利用两次希尔伯特(Hilbert)变换法从单幅条纹图中分离出正弦分量和余弦分量,然后由这两个分量计算出相位的斜率,对水平和垂直两个方向上的相位斜率进行积分,最后得到全场相位分布。计算机模拟和实验结果表明,该算法仅需一幅变形条纹图即可很好的恢复全场相位分布。与传统的傅里叶方法相比,该算法不需要解包裹处理,简化了计算量,避免了相位解包裹过程带来的误差,并且对阴影和相位不连续点不敏感。

只需要一幅干涉图就能得到被检波面信息的径向剪切干涉,适于动态波前的测量。将便于干涉图像处理的同步移相技术引入径向剪切干涉中,基于环路径向剪切干涉,利用一个正交的二维光栅分光,采用偏振移相法,能同时得到相移间隔π/2的四幅移相干涉图。运用传统的四步移相算法,结合波面迭代算法复原波面。通过理论公式的推导、计算机的模拟分析,以及初步的实验测试,验证了偏振移相应用于径向剪切干涉的可行性,模拟结果显示均方根精度优于λ/100。具有抗振特点的光栅分光偏振移相的同步移相方案,不仅能够克服剪切干涉的单幅干涉图处理复杂的缺点,更有利于提高剪切干涉的抗干扰能力。

理论分析了环形腔锁模光纤激光器中光谱边带不对称性产生的物理机制,实验中搭建了环形腔被动锁模光纤激光器平台,通过调节偏振控制器,在L波段获得了明显不对称的边带光谱。实验结果表明,光谱不对称性主要存在两方面的明显特点:1)强度不对称性,最明显时正二级的强度比负二级的强度高14.28 dBm ;2)数量不对称性,最明显时正级数量要比负级数量多5个。通过对光谱边带不对称性物理机制的分析对如何消除边带效应以获得理想的孤子脉冲具有重要的指导意义。

报道了一种激光二极管(LD)端面连续抽运的高重复率电光调Q Nd:YVO₄激光器。采用新型电光晶体La3Ga5SiO14(LGS)作为调Q元件,并设计高效稳定谐振腔,实现了最高30 kHz的高重复率电光调Q运转。使用透射率为50%的输出镜,在5 kHz重复率运转时,获得了单脉冲能量0.4 mJ,脉宽6.3 ns的脉冲序列输出;当重复率达30 kHz时,得到的单脉冲能量为0.2 mJ,脉宽9.1 ns,最大平均功率6.2 W,斜率效率为32.7%,调Q动静比达83%,光束传输因子M2＜2。实验结果表明,该激光器输出功率并没有出现饱和现象,具有进一步提升的空间。

根据尾流气泡群的密度随深度和时间的变化规律以及尾流气泡的浮升运动规律,建立了一种尾流气泡分布模型。基于单个气泡的米氏散射理论,利用多层介质蒙特卡罗模拟方法,对I,IA,I海水下的尾流气泡激光后向散射特性进行了模拟。对激光发射深度分别位于海面以下20 m和30 m处,综合考虑浮游植物影响的散射结果进行了分析。结果表明,沿尾流纵向,由尾流远区到舰船尾流中心区的激光后向散射逐渐增强;海水中浮游植物对后向散射光有显著影响。同时也证明了可利用尾流气泡群的激光后向散射做为鱼雷的引信。

高能拍瓦激光器系统中的空间滤波器透镜的色差会影响聚焦强度。研究了用衍射器件预校正系统轴向色差的可行性及设计方法,并给出具体的设计实例。结果表明,单片衍射器件可以预补偿高能拍瓦激光系统的轴向色差,且其总光焦度为零易于使用,特征线宽为数微米。为高能拍瓦激光系统的色差校正提供了一种新的解决思路。

提出一种具有信息丰富、稳定性强、低分辨率可采集等特征的掌纹纹理识别方法。该方法首先从6个方向计算掌纹图像每点的相位一致性,把该点相位一致性最大值对应的方向作为对数Gabor滤波器的方向,在此方向上用对数Gabor滤波器提取相位信息,并利用实部和虚部进行量化和编码掌纹相位象限码,码长为256字节。对100个手掌类,共1000幅掌纹图像的数据库进行实验,在给定阈值的情况下,识别率能达到99.95%左右。把实验结果与典型的基于掌纹纹理特征的识别算法进行比较,表明该方法正确识别率高。

提出了一种基于核主分量分析(PCA)正则化的机器人实时定位算法。此算法以半监督学习完成离线训练,首先,以机器人在其预置运动路径上采集到的畸变图像中的稀疏目标面积为观察数据,将部分标定数据的坐标作为其标签,然后以核PCA所揭示的低维视觉流形为正则化约束条件,运用最小二乘方法估计无标签数据坐标。在线定位阶段,利用调和函数估计在线采集到的数据坐标,从而实现基于无标定单目视觉传感器的机器人在线定位。实验结果表明,和其他常规的定位方法相比较,提出的实时定位算法的计算复杂性小、定位精度高、实时性强,能够满足工业机器人和医疗服务机器人等方面的实时定位要求。

针对光电成像末制导景象匹配中图像存在尺度、旋转、灰度和3D视角差异的问题,构造了一种基于均匀模式的特征描述符,并基于该特征描述符和最稳定极值区域(MSER)提出了一种新的景象匹配算法。算法首先提取基准图像和实时图像的MSER特征,MSER特征具有尺度和仿射不变性,基于新的特征描述符分别对该特征进行旋转和灰度不变性特征描述,然后根据欧氏距离比值准则提取两图像间匹配的MSER特征对,根据随机抽样一致性(RANSAC)算法估计两图像的外极几何关系,实现末制导景象匹配。仿真结果表明,该算法能够在光电成像末制导过程中实现稳定的景象匹配,其稳健性优于传统方法。

提出了利用光学断层成像技术对组织热凝固程度进行无损在位监控的方法。在重建算法上采用不需要计算雅可比(Jacobian)矩阵的非线性多参数优化方法,采用了基于N进制分部编码的遗传算法作为优化策略,可以有效提高成像速度,克服计算雅克比矩阵带来的误差。采用简化的感兴趣区热疗模型,该模型最大程度的减小了对精度的影响。通过蛋白质凝固的实时监控实验,对监控方法进行了验证,给出了相应的监测结果,并从曲线、重建图像的临床意义等方面进行了分析。结果证明论文实现了通过约化散射系数对生物组织局部热凝固治疗过程无损实时监测的目的。

在应用光镊测量微米粒子或生物大分子之间力学特性之前,必须对光镊的光阱刚度进行精确标定,选择精确的标定方法对测量的准确性起着决定作用。采用Monte-Carlo方法,模拟了光阱中的一个粒子在5 s时间内其位移随时间变化的信号序列,模拟采样频率为105 Hz。基于不同程度噪声和光阱偏移量条件下的模拟实验数据,用三种热驱动力分析法对光阱刚度进行标定。结果表明,三种方法的理想误差均小于2.5%;将粒子位移序列的坐标减去其平均值后得到新的位移序列,然后进行刚度标定,可以消除光阱偏移引入的误差;均方位移法比功率谱法和玻尔兹曼分布法具有更好的抗噪声干扰能力。

在经典力学框架内和偶极近似下,引入Lindhard势,把粒子运动方程转化为具有硬弹簧特性的达芬(Duffing)方程,利用多尺度法分析了系统的主共振和超共振;讨论了粒子在共振线附近运动的非线性行为;导出了系统的临界参数ac及满足系统稳定的条件。由于系统的临界条件与它的物理参数有关,只需这些参数适当,系统的不稳定性就可以原则上避免,从而保证系统能够稳定地输出晶体摆动场辐射,为寻找X激光或γ激光提供进一步理论分析。

光学信息处理是投影系统设计的关键环节,利用部分相干光理论分析了具有一定光斑尺寸的激光照明下滤波面上的光学特性并进行了数值仿真。结果表明,滤波面上的衍射光强分布是调制器透过率函数傅里叶变换模的平方与激光光斑尺寸在滤波面上几何投影间的卷积;滤波面上各衍射级次出现了展宽,并产生了混叠;各级次混叠的程度随滤波面与调制器间距的增大而减弱。搭建了相关实验系统观察到了滤波面上的衍射图样,实验结果和理论分析一致。最后提出了在光栅光调制器与滤波面间设置一个会聚透镜来减小系统光学尺寸,提高系统信息处理效果的方法,并通过实验得到了最优方案,为研究光栅光调制器的微型化投影系统提供了理论基础与实验指导。

研制了一台瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达,实现了对流层和平流层大气温度和密度的探测。作为多参数大气探测系统,该激光雷达也实现了夜间至25 km、白天至5 km高度气溶胶的探测能力;其中激光雷达是探测平流层气溶胶最有效的手段之一。利用该激光雷达对目前合肥地区对流层温度、平流层逆温现象、对流层和平流层气溶胶做了探测和分析,并给出若干典型结果。分析表明,该激光雷达数据可靠,可用于大气温度、密度、气溶胶的常规观测和分析研究。

为了实现光学元件的高精度加工,对离子束加工过程中关键的驻留时间求解算法进行了研究。通过分析离子束加工过程的基本原理,将传统的驻留时间反卷积求解过程转化为求解矩阵方程过程。在将正则化加权因子引入矩阵方程的基础上,又引入额外加工余量这一新的参量,增加了解的自由度,从而扩大了驻留时间解的搜索范围,同时将Gerchberg带限外插算法应用于初始面形的优化延拓中,保证了全孔径范围内面形精度一致。实例计算50 mm的平面光学元件表明,面形精度从初始的均方根值为0.5747 λ,峰谷值为2.3706 λ(λ=632.8 nm)收敛到全孔径范围内的均方根值为0.001 λ,峰谷值为0.0115 λ。由此可见该优化求解过程可有效地求解出驻留时间,为离子束加工过程提供了有力的保障。

磁流变确定性修形具有高精度、高效率、高表面质量以及近零亚表面损伤的特点。介绍了磁流变修形技术的基本原理和方法,并对磁流变修形中涉及的关键技术进行了讨论。在自研的磁流变修形设备上采用水基磁流变抛光液对一块直径80 mm的K9玻璃平面进行了磁流变修形实验。经过一次迭代修形(4.39 min)使其面形精度峰谷(PV)误差由初始的0.144 λ改善到0.06 λ(λ=632.8 nm),均方根(RMS)误差由初始的0.031 λ改善到0.01 λ,面形收敛率达到2.81,表面粗糙度RMS值达到0.345 nm。实验结果表明,采用磁流变进行光学表面修形,面形收敛快,面形精度高,表面质量好,可广泛应用于高精度光学镜面加工。

提出了一种利用微纳光纤笔(MNFP)直接写入亚微米线条的技术,利用微纳光纤笔在光刻胶表面接触式扫描,从而曝光产生亚微米线条。热熔拉伸和湿法刻蚀两步工艺相结合的新方法被用来制做微纳光纤笔。实验研究表明,直写分辨率可以达到稳定的200 nm线宽。这一分辨率已经突破了曝光波长(442 nm)的衍射极限。结果也显示了,通过改变光强,微纳光纤笔可以直写曝光出亚微米范围内宽度可变的线条。

以热光学分析为基础,对复杂环境下光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对光学窗口的强度及其所处的热环境进行了分析和仿真,计算出稳态的温度场,将温度场映射到结构模型中计算了光学窗口在力-热耦合情况下的光学玻璃的变形量,结合光学窗口的折射率梯度分析和玻璃面形变化进行热光学分析,计算出了直径是350 mm的光学窗口在不同的玻璃厚度下光程的均方根(RMS)误差值,确定光学窗口的玻璃厚度为18 mm。结果表明,光学窗口既能满足强度和可靠性要求,又能在有效通光口径内满足光学指标,为窗口的设计提供了依据。

倾斜入射时薄膜窄带滤光片的s和p偏振光的带宽会随着入射角度的增大出现分离,限制了滤光片的调谐范围。分析了偏振光带宽分离现象出现的原因和其与滤光片镜层膜系结构的关系,并得到了消除偏振光带宽分离现象的方法。根据该方法对前期设计的100 GHz密集波分复用(DWDM)系统四腔角度调谐窄带滤光片进行了改进,结果表明,该方法能有效的解决偏振光带宽的分离问题,扩大调谐范围。

理论上分析并从实验上验证了通过改变外加电场的频率来驱动的128×128元变焦液晶透镜阵列。将上电极设计为圆孔阵列,由于圆孔电极在单元区域内形成的非均匀电场分布,从而使液晶分子在不同位置处旋转角度不同,在液晶层内形成了折射率梯度分布,由此单元区域具有了光学聚焦特性。分析了由于外加电场频率改变引起液晶介电常数变化给液晶透镜阵列焦距带来的影响。实验中制作的液晶透镜阵列的焦距调节范围为20-600 μm,焦点尺寸为10 μm,响应时间为微秒量级,可以呈清晰的多重影像。通过使用外加电场的频率可以得到变焦液晶透镜阵列,降低了液晶透镜阵列的工作电压,提升了液晶透镜阵列工作响应速度。

利用聚焦离子束(focused ion beam,FIB)刻蚀方法在120 nm厚的金膜上制备了实验测量样品。再用实验的方法测量了在可见光波段及近红外波段的透射曲线,当样品具有相同的晶格常数以及空气孔直径时,环形空气孔结构,不仅具有六重旋转对称性还具有中心对称性,它的最大透射率大约是正方角晶格空气孔的5倍。亚波长环形空气孔结构透射增强峰的在可见光波段,而正方晶格空气孔的透射增强峰在近红外波段,样品的透射强度和透射增强峰的位置各不相同,证明了结构的旋转对称性对透射曲线的影响。

提出了一种同时基于全内反射和光子带隙效应两种导光机制的双芯光子晶体光纤(PCF),并采用全矢量有限元法对其耦合特性进行了分析。该种光子晶体光纤双芯间的耦合不同于基于单一导光机制的双芯光子晶体光纤,出现了超模交替截止、耦合长度存在极大值等现象,光纤两纤芯间高折射率柱的谐振在双芯间的耦合过程中起着重要的作用。通过改变光纤中空气孔的大小及间距可以显著改变光纤的耦合长度,而改变高折射率柱的折射率可对耦合长度极大值的位置进行调节。

利用光子晶体(PC)的光子禁带和光栅衍射效应可以提高发光二极管(LED)的出光效率,扩大LED的应用范围。在GaN基蓝光LED的GaN层上引入二维正方排列圆柱形PC,采用时域有限差分方法研究光子晶体的几何参数的随机扰动对LED出光效率的影响,利用禁带理论分析了其机理。

利用平面波展开法对由硅(Si)介质柱构成的二维正方晶格光子晶体在TM模式下的能带进行计算。构造了光子晶体微腔,利用时域有限差分法对该光子晶体微腔的谐振特性进行了数值模拟,得到了缺陷态模场分布。考虑硅的热膨胀效应和热光效应对硅性质的影响,引入到光子晶体微腔谐振模式的计算中,模拟计算了微腔谐振波长随温度的变化关系。结果表明,随着温度的升高光子晶体微腔的谐振波长增大,温度每升高1 ℃,波长向长波漂移6.7 pm,而且具有良好的线性。光子晶体微腔的这种特性可以用于温度传感,具有一定的实用意义。

研究了飞秒激光诱导单个空气等离子体通道的吸收和辐射特性,给出了等离子体通道吸收系数的解析表达式,并理论推导出了辐射能流率的表达式。与TOPS不透明度数据库查表方法比较,两种方法计算结果符合得很好。分析了吸收和辐射参量对入射激光参量的依赖关系。计算了中心波长800 nm,脉宽40 fs的飞秒激光空气等离子体通道的吸收和辐射参量的典型数值。结果表明,成单丝情况下等离子体通道的Rosseland吸收系数为0.0270 cm-1 ,辐射能流率为7.87×1010 W/m2;窄脉宽长波长的入射激光有利于生成吸收小辐射强的等离子体通道。

在Pr:YSO晶体中,理论计算表明利用部分受激拉曼绝热过程可以在晶体的精细能级之间制备最大原子相干。一个探测脉冲与制备好的原子相干系统作用,可以得到增强的拉曼散射信号。还讨论了一些因素对拉曼信号强度的影响,为相关的实验研究提供了理论依据。

当一个梯形四能级原子系统的中间两个能级分别与真空辐射场相互作用耦合到基态和激发态时,自发衰变路径间的量子干涉效应导致了V和Λ型的真空场诱导相干(VIC)。利用半经典理论,分别讨论了这两种类型的VIC对单光子和双光子电磁诱导透明的影响,并发现Λ型的真空场诱导相干增强双光子的吸收,而对单光子的吸收几乎无影响;V型的真空场诱导相干抑制单光子和双光子的吸收。

采用全量子理论和数值计算方法,研究了初始处于相干态的双模腔场与一个V型三能级原子共振相互作用的压缩特性,讨论了在没有对原子进行态选择测量、直接对原子进行态选择测量和应用经典微波场并对原子进行态选择测量的三种情况下,腔模平均光子数、耦合系数以及相互作用时间对压缩特性的影响。证明了压缩随着两个腔模光子数的增加而增加,而且通过对原子进行态选择性测量可以使压缩大大地增强,即使少光子数也一样。综合所有情形,发现最大压缩可以接近75%。

多脉冲位置调制(MPPM)是基于脉冲位置调制(PPM)的改进形式,已成为卫星光通信中高效调制方式。针对存在背景辐射、大气湍流、热噪声的卫星光通信信道,研究了远场激光脉冲展宽机理和时钟抖动对系统的影响。提出基于格雷码的MPPM联合编码调制方式减小时钟抖动和码间干扰影响,应用星座图设计了基于格雷码(7,2)MPPM映射方法,在相同传输带宽下(7,2)MPPM的传输效率超过16PPM的2倍。分析泊松信道下基于格雷编码的(7,2)MPPM字符错误概率和比特错误概率(BEP)。结果表明,采用格雷编码MPPM可以有效抵御定时误差并降低系统比特错误概率。

采用光谱分析技术对益生菌中植物乳杆菌的吸收和荧光光谱特性进行分析,并应用于益生菌的研究以及菌种鉴别。研究发现,植物乳杆菌对紫外波段的光有明显的吸收,峰值位于215 nm,在280 nm附近有一个对吸收光谱产生扰动的肩峰。对植物乳杆菌的荧光光谱检测发现,该菌种吸收紫外光后发射荧光。对荧光强度和菌液浓度关系的进一步研究,揭示了峰值强度随浓度变化的规律,并根据其变化规律,进行数据拟合,给出了相应的函数表达式。

针对微分法在有效消除光谱背景和基线漂移的同时会增加光谱噪声的问题,把最新发展的经验模态分解方法(EMD)引入到近红外光谱处理中来,以烟草的一阶导数近红外(NIR)光谱为研究对象,探讨经验模态分解在近红外光谱预处理中的应用,并与小波变换消噪效果进行了对比分析。结果表明,用基于经验模态分解去噪后的光谱进行分析,预测集的决定系数r2由去噪前的0.9705提高到0.9832,均方根误差(RMSEP)由去噪前的0.5606降为0.3310,比基于小波变换的分析结果略高。因此,经验模态分解方法对消除光谱的噪声是有效的,有效地提高了光谱的分析精度和模型的稳定,为近红外光谱预处理提供了一种新方法。

采用电子束蒸发方法在LiB₃O₅(LBO)晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1064 nm,532 nm倍频增透膜。利用Lambda900分光光度计、MTS Nano Indenter纳米力学综合测试系统以及调Q脉冲激光装置对样品的光学性能、附着力和激光损伤阈值进行了测试分析。结果表明,所有样品在1064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1％和0.2％。与无缓冲层样品相比,预镀Al2O3缓冲层的样品的附着力提高了43％,具有SiO2缓冲层的样品的附着力显著提高。激光损伤阈值分析表明,采用SiO2缓冲层改进了薄膜的抗激光损伤性能,但是Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低。

研究了原子层沉积制备氧化铝薄膜的光学性能。以三甲基铝(TMA)和水为前聚体,分别在基板温度为250 ℃和300 ℃的K9和石英玻璃衬底上沉积了Al₂O₃光学薄膜。采用分光光度计,X射线光电子能谱(XPS),X射线衍射(XRD),原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)等分析手段对薄膜的微结构、表面形貌和光学特性进行了研究。结果表明,原子层沉积法制备的Al₂O₃薄膜在退火前后均呈现无定形结构,元素成分接近化学计量比,其表面粗糙度小于1.2 nm,聚集密度高于0.97,光学非均匀性优于1%。同时在中紫外到近红外均有很好的光学性能,适合作为中间折射率和低折射率材料在光学薄膜中得到应用。

实验分别采用5种不同的沉积速率(0.44,0.30,0.18,0.08和0.04 nm/s)制备了金属银薄膜,膜系结构为基底/Al₂O₃/Ag/Al₂O₃/Air。光谱测试结果表明,沉积速率0.18 nm/s的样品具有最高的平均反射率。采用X射线衍射(XRD)仪分析了5个样品的X射线衍射谱。银膜择优取向(111)晶向,0.18 nm/s的样品衍射峰强度最大、衍射峰半峰全宽最小、晶粒尺寸最大,说明此沉积速率下结晶程度最高。过快或者过慢的沉积速率会导致银膜结晶程度下降,从而导致平均消光系数增大和反射率下降。在实验条件下,银膜的最佳沉积速率在0.18 nm/s附近,此时制备的银膜具备最好的结晶程度和最高的反射率,此结论不同于传统意义上认为热蒸发银膜速率越快,成膜质量越高、光谱特性越好的观点。

基于双轴双折射薄膜模型,利用在不同入射角度下薄膜对两种偏振态光波透射光谱,同时获得“雕塑”薄膜主轴折射率N1,N2,N3和薄膜厚度d及柱状角β等参数。基于倾斜沉积技术,利用电子束反应蒸发方法制备了氧化钽“雕塑”薄膜。借助于模拟退火算法,对入射角度为0,20°,30°,45°和60°时两种偏振态光波的透射光谱进行拟合,确定了氧化钽“雕塑”薄膜的结构参数,并与场发射扫描电镜测量的薄膜结构进行了比较。结果表明,利用透射光谱曲线可以较为准确地获得“雕塑”薄膜的结构参数。

在室温下,采用射频磁控溅射法在p-Si(100)衬底上制备了铝酸镧(LaAlO3)薄膜,分别在800 ℃,900 ℃和950 ℃下进行退火处理。利用X射线衍射(XRD)仪、原子力显微镜(AFM)、荧光分光光度计等研究了不同温度退火处理对LaAlO3薄膜结构、表面形貌及光学性质的影响。研究结果表明,LaAlO3薄膜样品在900 ℃开始由非晶向晶体转变,说明高温退火有利于提高结晶质量。光致发光 (PL) 谱测量发现样品在368,470 nm位置处分别出现发光峰,各峰的强度随退火温度的升高逐渐增强,但峰位基本保持不变。根据吸收光谱和缺陷能级图,推测出368 nm紫外光峰来源于电子从氧空位形成的缺陷能级到价带顶能级的跃迁,470 nm附近的蓝光峰归因于电子从负价AlLa错位缺陷能级到价带顶能级的跃迁。

研究了温度梯度控制成丝中的自压缩现象。以充有2.0×105 Pa氩气的密闭气体作为成丝介质,在焦点处加热,由热传导形成温度梯度。25 ℃,0.8 mJ能量入射输出脉冲在没有任何色散补偿手段的情况下自压缩到17 fs,其傅里叶脉冲变换极限为5.5 fs。将脉冲能量提高到2.7 mJ,在中心为450 ℃的温度梯度下,输出脉冲自压缩到19 fs,其傅里叶脉冲变换极限为14.5 fs。通过温度控制将自压缩的能量提高了近2 mJ,实现了从脉冲自压缩到单丝脉冲展宽继而多丝的过程。

采用等频非共线双光丝诱导的方法,在氮气中对轴向三次谐波光谱的调制进行了实验研究。其中光丝由中心波长820 nm、脉宽70 fs、重复频率10 Hz、单脉冲能量分别为3 mJ和7 mJ的诱导光和激发光,经凹面镜非共线聚焦到氮气样品池中形成。实验中发现,当两束激光在时空交叠时,激发光束轴向三次谐波光谱的强度、中心波长和谱宽强烈地依赖于双光束间的时间延迟和气压。伴随延迟量的变化,实验中出现了光谱增强以及光谱加宽、变窄的现象。在氮气气压约为0.16 MPa,诱导光束超前约20 fs时,非共线双光束激发可使激发光轴向三次谐波信号强度提高约60倍,同时其谱宽由15 nm加宽至25.8 nm,频率带宽达100 THz。

对光载毫米波(ROF)系统中毫米波副载波的上变频方案进行了理论分析及仿真研究。在中心站端通过30 GHz的本地振荡源,采用载波抑制技术得到了差频为60 GHz的光载射频信号,即在中心站实现了上变频的处理。该系统不需要在基站设置高频震荡源,大大降低了ROF系统的成本,满足了未来光无线通信系统中不断增长的载波频率的要求。同时,理论分析了中心站上变频的信号产生方法,搭建了仿真系统,结合理论分析结果,验证了该方案产生的ROF信号在光线中的传输性能及传输距离。

利用光线追迹原理建立的圆锥形X光导管的计算模型,对圆锥形X光导管传输特性进行了系统的理论研究。通过对X射线经过锥管的光强分布计算,得到光源尺寸和锥管入口直径共同影响光强分布形式的结论。计算了锥管功率密度增益K随距离锥管出口不同位置f2的变化规律。研究了功率密度增益随光源尺寸的变化规律。最后以等效距离为标准讨论了锥管的优化设计。

利用平面屏幕衍射的基尔霍夫理论,模拟计算了波带片在平面光垂直入射情况下的会聚及分光性能。结果表明,菲涅耳波带片(FZP)对垂直入射的平行光具有会聚及分光能力;离轴波带片相对于相同面积的对称波带片对参考光波的聚集能力更强,能获得更加干净的背景。ZEMAX分析表明,偏离中心一定位置的离轴波带片的面积越大,对光波的聚集能力越强,抑噪能力也越强;面积一定的离轴波带片偏离对称波带片中心越小,对光波的聚集能力越强,抑噪能力也越强。提出了利用菲涅耳波带片及卡塞格伦望远镜相结合的组合天线方案,分析表明,该天线具有一定的聚光能力,且抑噪能力相比抛物面天线更强。

利用光频范围贵金属介电常量的虚部远小于其实部绝对值的特点,采用一阶微扰理论得到了对称金属包覆波导横电和横磁导模微扰传播常数的解析公式。针对金属包覆波导传输损耗大的缺陷,提出采用亚毫米尺度的超厚导波层来抑制传输损耗的新方法。微扰公式与精确数值解结果相符。

全光交换网的高吞吐量和信道利用率要求全光缓存器具有大的动态延迟范围。建立了基于平行排列3×3光纤耦合器的双环耦合全光缓存器(DLOB)的分析模型。分析了限制DLOB延迟范围的各个因素。分析发现,通过级联DLOB,可以实现大动态延迟范围。实验验证级联型DLOB的可变延迟范围达到1-9999 T,延迟粒度为25 ns,输出信号的误码率低于10-9。得到理论模型与分析方法对其他基于半导体光放大器(SOA)光开关的反馈式光学处理结构同样具有借鉴作用。

报道了高速率单信道非归零差分相移键控(NRZ-DPSK)调制信号的长距离光纤环路传输。光纤环路总长414 km,由4个放大段组成。每个放大段由标准单模光纤(SSMF)和色散补偿光纤(DCF)构成,采用掺铒光纤放大器/分布式拉曼放大器(EDFA/DRA)混合放大。测量了42.8 Gb/s差分相移键控信号在环路传输1,2,3圈(414 km,828 km和1242 km)后的光谱和眼图。在接收段使用单端检测的条件下,给出了DPSK信号在背对背情况,414 km和1242 km传输后的误码率(BER)随接收机功率变化的曲线。DPSK信号在1242 km传输后最低误码率可达6.3×10-4。在使用增强型前向纠错(FEC)技术后,能实现无误码传输。

给出了平衡式光学互相关方案的理论数学计算和各相关参数对测量性能的影响。研究了该测量方案的工作原理,并给出相应的数学计算,分析了脉冲宽度,倍频晶体长度以及两垂直脉冲光在晶体中的群速度对测量动态范围和灵敏度的影响。在理论分析的基础上,搭建了个平衡式互相关器的实验平台,测量光脉冲经过100 m光纤链路传输后产生的时间抖动。实验结果表明,定标曲线与理论计算吻合,在有光纤振动的情况下,1-100 Hz频率范围内的传输抖动均方根值约为20 fs。

两束记录光非对称入射必然造成光刻胶中潜像光栅“沟槽”的倾斜,进而影响显影后光栅沟槽的形状。特别是在凹面全息光栅的制作中,两束记录光一般都是非对称入射。为了能够从理论上分析并指导非对称全息光栅的制作,建立了非对称曝光、显影理论模型,重点分析了两束记录光从光栅表面一侧照射的情况。运用此模型模拟了光栅沟槽的形成过程,计算了全息光栅制作中非对称曝光、显影的实时监测曲线。理论计算显示,非对称曝光下,曝光实时监测曲线和显影实时监测曲线变化趋势与对称曝光时相同,只是衍射效率值不同,这与实验结果吻合;数值模拟光栅沟槽的演化发现,非线性效应特别显著时得到的沟槽为倾斜矩形,非线性效应比较显著时得到的沟槽为非对称梯形,非线性效应受到抑制时得到的沟槽为非对称性不明显的正弦形,这与实验结果一致。该模型能够有效地指导全息光栅掩模的制作,有助于为离子束刻蚀工艺提供所需的合格掩模。

设计了一个532.25 nm波长的转动拉曼激光雷达用新型全光纤分光系统,对强背景噪音下微弱的转动拉曼信号进行高精度提取,以用于探测大气温度。该新型全光纤分光系统由3个光纤布拉格光栅(FBG)及光纤环行器构成,利用FBG的波长选择特性,可高精度剔除大气回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号成份,分离出中心波长分别为530.6 nm和528.8 nm的转动拉曼散射信号,用于反演大气温度。通过对分光系统进行参数优化设计和数值计算,表明基于FBG的分光系统可以对回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号进行高达7个数量级以上的抑制,满足转动拉曼测温激光雷达对米氏散射、瑞利散射信号的高精度剔除。

提出一种新的贝叶斯图像去噪方法,该方法以正态反高斯(NIG)模型为先验模型,对图像小波系数的稀疏分布统计建模,并用最大后验概率(MAP)估计法对小波系数进行估计。为了改善贝叶斯图像去噪的效果,还根据尺度间相关性的大小对小波系数分类进行处理。此外,还引入了递归循环平移(Cycle Spinning)算法对小波变换缺乏平移不变性产生的吉布斯现象进行抑制。实验结果表明该去噪算法能有效地去除图像中的高斯白噪声,更好地保留图像细节,提高图像的峰值信噪比值。

为了有效地检测印刷电路板(PCB)圆孔光电图像同心圆的圆心与边缘,在Hough变换的基础上提出了一种新的同心圆检测方法。利用同心圆的几何特点对点Hough变换边缘点的点组选取方法和搜索点组的图像扫描方向进行了改进:首先由累加阵列确定同心圆的圆心,然后由圆心到各个有效边缘点距离的均值求出半径,从而检测出同心圆的圆心与边缘。对实际采集的PCB定位圆孔光电图像进行对比实验,在提高检测精度、降低内存空间、减少计算时间方面,该检测方法的优势明显。

提出了基于类内绝对差、背景与目标面积差及混沌小生境粒子群优化(NCPSO)的红外目标图像阈值分割方法。类内绝对差小能确保分割后类的内聚性好,背景与目标的面积差可抑制均等分割的趋势,两者综合构成更为合理的阈值选取准则函数。给出了一维阈值选取公式,通过推广到二维,抗噪性能明显改善;针对二维阈值分割计算量大的问题,利用混沌变异的小生境粒子群算法搜索最佳阈值向量;最后与Fisher准则法、Otsu方法和最大熵阈值分割法作了比较。实验结果表明,该方法在分割效果和运行时间上都具有明显的优势。

光学微扫描和亚像元成像处理技术,是提高凝视型红外焦平面探测器空间分辨率的重要技术途径。通过分析2×2光学微扫描原理和图像插值重建模型,提出一种基于拉格朗日(Lagrange)多项式的高分辨率重建算法。算法根据局部梯度特征将图像划分成多个同性区域,在同性区域内自适应调整Lagrange的阶数,进而完成插值重建。实验表明,算法有效抑制了光学扫描误差引起的图像模糊,提高了红外成像系统的空间分辨率,具有较强的实用价值。

在光子噪声受限条件下的图像中,其信号和噪声均服从泊松分布并呈现散粒状态,且由于该图像信噪比较低,目标难以被探测和识别,为此提出一种基于统计理论和广义似然比检验(GLRT)的目标探测方法来解决该条件下的目标探测问题。该方法在仅有目标物灰度图像已知的情况下,使用泊松分布概率函数和广义似然比检验方法得到统计判决公式,通过该公式计算原始图像中各个位置的检验器值,对光子图像进行目标探测。仿真和实验结果表明,该方法具有较好的目标探测性能,验证了算法的有效性和实用性。

由于不可预知影响因素的存在,使得相位的正确展开成为一个非常困难的问题,为了更好地指导相位正确展开,对几种经典的质量权值进行了详细的分析。给出了它们的完整的数学描述,然后基于数学模型进行了详细的原理性推导,分析各种质量权值的性能和特点,并根据其物理意义在同领域或相关领域提出了新的改进算法,最后,通过实例验证了改进算法的正确性和优越性,同时也证明了该分析对理解和研究相位展开的普遍指导意义。