采用溶胶凝胶法制备摩尔分数为x(Er3+)=0.1% Er3+,x(Li+)=0-2% Li+共掺杂TiO2粉末。800 ℃烧结Li+共掺杂促进掺Er3+:TiO2由锐钛矿向金红石相转变,900 ℃和1000 ℃烧结Er3+-Li+:TiO2均为单一金红石相。976 nm激光激发下Er3+-Li+:TiO2均获得中心波长为526 nm和550 nm的绿色和663 nm的红色上转换发光,绿色和红色上转换发光均为双光子吸收过程。随着Li+共掺杂浓度逐渐增大,800 ℃烧结Er3+-Li+:TiO2上转换发光强度逐渐减小,900 ℃烧结发光强度先增加后减小,1000 ℃烧结发光强度显著增强。不同烧结温度下Li+共掺杂对Er3+所处晶体场对称性的改变导致上转换发光强度随Li+共掺杂浓度增加出现不同的变化规律。结果表明,Li+共掺杂可有效提高Er3+:TiO2上转换发光强度。

通过调节基质组份比例,研究了SrAl2xO3x+1:Eu2+,Dy3+(x=1-2)荧光粉晶体结构,发光性质及长余辉特性。选取硝酸锶和硝酸铝作为基质原材料,硼酸氨和氟化铝作为助溶剂,采用阳离子草酸盐共沉淀,湿法预先混合原材料及分步合成等方法,制备了亮度高、余辉长及良好粒径分布的系列长余辉发光材料。基于对样品X射线衍射(XRD)图谱,扫描电子显微镜(SEM)照片,激发、发射光谱及余辉衰减曲线分析,发现SrAl2xO3x+1:Eu2+,Dy3+具有良好的结晶状态;随x增加,发射光谱峰值从520 nm蓝移至470 nm;衰减到可辨认发光强度0.32 mcd/m2,余辉时间可相应地从30 h延长到60 h以上。通过分析发现表现不同余辉特性的主要原因是Eu2+在基质中具有不同浓度、不同衰减寿命的蓝、绿两种发光中心造成的,其中蓝发光中心寿命明显高于绿发光中心。

研究了摩尔比组成为y(LiPO3):y[Al(PO3)]:y(AgNO3)=x:(100-x):4(x=90,80,70,60,50)的磷酸盐玻璃的物化性能和光谱性质随偏磷酸锂和偏磷酸铝含量变化的规律。 结果表明,随着偏磷酸铝含量的增加,锂铝磷酸盐玻璃的密度、折射率、玻璃转变温度Tg和开始析晶温度Tx逐渐提高,化学稳定性增强。表明由于铝离子含量的增加增强了玻璃网络的链接而改善了玻璃的物化性质。当摩尔组成为y(LiPO3):y[Al(PO3)3]:y(AgNO3)=70:30:4时,玻璃有最佳的紫外透射率、较好的辐照诱导吸收、较高的辐射光致发光强度和较低的前剂量。综合考虑玻璃的物化性能和光谱性能,摩尔组成为y(LiPO3):y[Al(PO3)3]:y(AgNO3)=70:30:4的磷酸盐玻璃是用作辐射光致发光玻璃的理想材料。

制备了一种新型的Eu2+/Sm3+共掺硅酸盐玻璃,研究了Eu2+/Sm3+共掺硅酸盐玻璃的热稳定性能和发光特性。研究发现,在近紫外光360 nm激发下,在室温下同时观察到明显的蓝绿光(475 nm)、黄光(562 nm)、橙光(599 nm)和红光(644 nm和706 nm)发光。其中蓝绿光(475 nm)是由于Eu2+的4f65d1→4f7辐射跃迁,黄光(562 nm)是由于Sm3+的4G5/2→6H5/2辐射跃迁,橙光(599 nm)是由于Sm3+的4G5/2→6H7/2辐射跃迁,红光(644 nm和706 nm)是由于Sm3+的4G5/2→6H9/2和4G5/2→6H11/2辐射跃迁。随着Sm3+离子浓度的增加,Eu2+/Sm3+共掺硅酸盐玻璃的色度从蓝绿光区域逐渐向白光区域移动。当Eu2+,Sm3+掺杂摩尔分数分别为0.05%和1.0%时,硅酸盐玻璃的色坐标为(0.312,0.307),接近纯白色点的色坐标 (0.333,0.333)。研究结果表明,Eu2+/Sm3+掺杂硅酸盐玻璃是一种潜在的白光LED基质材料。

为了获得新形貌的上转换发光纳米纤维材料,采用静电纺丝技术制备了PVP/[Y(NO3)3+Al(NO3)3+Er(NO3)3+Yb(NO3)3]复合纳米纤维,将其进行热处理,获得了Er3+,Yb3+:Y3Al5O12(Er3+,Yb3+:YAG) 上转换发光纳米纤维。热分析(TG-DTA)表明,当焙烧温度高于550 ℃时,PVP/[Y(NO3)3+Al(NO3)3+Er(NO3)3+Yb(NO3)3]复合纳米纤维中水分、有机物和硝酸盐分解挥发完毕,样品不再失重,总失重率为90.2 %。X射线衍射(XRD)分析表明,PVP/[Y(NO3)3+Al(NO3)3+Er(NO3)3+Yb(NO3)3]复合纳米纤维为非晶态,经900 ℃焙烧10 h后,获得了单相石榴石型的Er3+,Yb3+:YAG发光纳米纤维。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明,当焙烧温度为900 ℃时,生成了Er3+,Yb3+:YAG纳米纤维。扫描电子显微镜(SEM)分析表明,Er3+,Yb3+:YAG纳米纤维的直径约75 nm,长度大于100 μm。上转换发射光谱分析表明,该纤维在980 nm激光激发下发射出中心波长为522 nm和554 nm的绿色和650 nm的红色上转换荧光,对应于Er3+离子的2H11/2/4S3/2→ 4Il5/2跃迁和4F9/2→4Il5/2跃迁。对Er3+,Yb3+:YAG纳米纤维的形成机理进行了讨论,该技术可以用来制备其他稀土石榴石型化合物纳米纤维。

硅纳米晶量子点是硅发光研究领域最有潜力、最重要的一个研究方向。用热蒸发法在硅片上生长了富含硅纳米晶体的SiO2薄膜,观测到嵌埋于SiO2薄膜中硅纳米晶的较强光致发光谱;室温下在可见光区对该薄膜进行了椭圆偏振光谱测量研究。用有效介质近似(EMA)模型结合洛伦兹色散模型对椭偏参数进行了拟合,得到直径分别约为3 nm和5 nm大小的硅纳米晶在约300-830 nm光谱区的光学常数值。这些数据在硅基微纳光子学器件的研究中具有一定的参考价值。

有机电致发光器件(OLED)虽然已于1997年开始商品化,但是目前就全色显示来说,蓝色发光材料研究相对比较薄弱,故开发高效且色纯度高的深蓝光材料已成为本领域的一个亟待解决的课题。蓝色磷光材料在色纯度以及稳定性方面离实用化还有一定距离,但是蓝色荧光方面已经有较多十分接近目标的工作发表。在这些材料之中,蒽以及螺芴的衍生物在材料的热稳定性及色纯度方面表现出了强大的优势,而含氮化合物的特殊电子结构,可以有效地提高材料的荧光量子效率。根据分子结构,把蓝色荧光材料分为芳香烃类、含氮原子类和含其他杂原子类材料等。分析了各种蓝色荧光材料的研究现状,并对OLED蓝色荧光材料的发展趋势进行了评述和展望。

超短线性腔是实现单频激光稳定输出的最简单的结构,针对石英玻璃光纤掺杂离子浓度低、输出功率小的缺点,选择对稀土离子具有较高溶解度的磷酸盐玻璃作为增益介质,研究了Yb3+掺杂磷酸盐玻璃(P2O5-B2O3-K2O-BaO-Al2O3-Nb2O5-Sb2O3)的光谱特性,解决了Yb2O3高浓度掺杂和提高Yb3+荧光寿命的问题。实验表明磷酸盐玻璃对Yb2O3溶解度摩尔分数可达6%(质量分数为15.5%);通过除水技术,Yb3+离子2F5/2能级的寿命达到1.84 ms。在此基础上采用管棒法拉制出了磷酸盐玻璃单模光纤,通过光栅选频,利用1.4 cm光纤实现了中心波长1063.5 nm,功率51.6 mW的单频激光输出。

采用共沉淀法制备了Yb3+和Tm3+共掺杂的Lu2O3纳米晶,用X射线衍射(XRD),场发射扫描电子显示镜(SEM)和上转换光谱对样品进行了表征。研究了Tm3+浓度和煅烧温度对粉末的结构和上转换发光性能的影响。结果表明,制备出的纳米晶具有纯的Lu2O3相,结晶性较好。在980 nm半导体激光器激发下,样品发射出蓝光、红光和近红外光,并且当Tm3+掺杂摩尔分数超过0.2%时,出现了浓度猝灭效应。随着煅烧温度的增加,纳米晶的尺寸增大,上转换发光强度增强。发射强度与激发功率的关系表明,蓝光490 nm和红光653 nm的发光是三光子过程,近红外811 nm的发光是双光子过程。

在不同热处理工艺条件下制备了掺Ho3+(质量分数为0.6%)的65GeS2-25Ga2S3-10CsI (其各成份的摩尔分数为65%,25%,10%)硫卤玻璃陶瓷,测试了其密度、显微硬度、红外透射光谱、以及中红外荧光光谱,对比研究了基质玻璃与玻璃陶瓷样品之间性能差异。结果表明,随着热处理温度和时间的增加,玻璃陶瓷样品密度和显微硬度明显增加。样品的X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明在440 ℃温度下热处理12 h的样品析出GeS2纳米颗粒尺寸为80 nm,Ho3+在玻璃陶瓷中产生在2.0 μm和2.9 μm两处中红外荧光明显增强。

通过凝胶固相法在1400 ℃合成了单掺Mn2+,单掺Cr3+以及双掺Mn2+和Cr3+的镁铝尖晶石粉体。单掺Mn2+离子的样品在450 nm波长激发下有绿光发射(520 nm),单掺Cr3+离子的样品在397 nm波长激发下具有蓝光(450 nm)和红光发射(689 nm),在545 nm波长激发下也有红光发射(689 nm);而双掺的Mg1-xAl2(1-y)O4:xMn2+,yCr3+粉末在450 nm波长的蓝光激发下,同时具有绿光(515 nm)和红光发射(677 nm,694 nm)。实验发现在共掺杂的镁铝尖晶石体系中Mn2+和Cr3+离子之间存在能量传递,二者可以互为激活中心和敏化中心,其中Mn2+对Cr3+的敏化作用较强。因此这种粉体可以用做蓝光芯片激发的白光LED灯用荧光粉。实验证明Mn2+→Cr3+的能量传递方式为辐射再吸收。

制备了具有多彩上转换荧光Tm3+/Yb3+,Ho3+/Yb3+和Tm3+/Ho3+/Yb3+掺杂铋碲酸盐玻璃,并研究了974 nm激光激发下的上转换荧光光谱。在Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺杂体系中,由于Tm3+的上转换蓝光发射属三光子过程,蓝光发光强度随激发功率增加而增长的速率大于绿光和红光。计算了Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺样品上转换荧光的色坐标,定性阐述了荧光色坐标与激发功率的关系,揭示出随着激发功率的增大,色坐标在1931-CIE色品图中向左下方移动趋势。研究结果表明,在Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺铋碲酸盐玻璃中,通过功率调谐可以调整样品的上转换蓝光、绿光和红光强度比例,实现上转换白光发射,证实了Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺铋碲酸盐玻璃是一种高效上转换材料,在多彩显示和白光照明领域具有潜在的应用前景。

利用自行研制的大气细粒子谱分析仪、振荡天平、大气能见度仪和气象参数仪,对2008年北京奥运期间的主场馆区域大气质量状况进行了连续在线测量。奥运期间粒子日平均数浓度变化表明,核模态粒子(5-20 nm)主要受气相成核过程的影响,数浓度变化曲线呈单峰值结构;爱根核模态(20-100 nm)受人为源及核模态粒子贡献影响较大,数浓度曲线呈典型的三峰值结构;积聚模态(100 nm-1 μm)数浓度日变化不大,但受降水等天气因素影响较大。结合地面能见度数据,对降雨、灰霾和晴好天气状态下大气细粒子谱变化特征进行分析,结果表明,降雨对颗粒物的清除作用与颗粒物粒径大小密切相关,而灰霾天气下大气能见度的降低主要受积聚模态粒子散射消光的影响。同时,利用细粒子数浓度计算得到粒径小于10 μm的颗粒(PM10)质量浓度,计算值与振荡天平实测值具有较好的一致性,相关系数达86.1%。

利用研制的探测大气二氧化碳廓线的振动拉曼激光雷达系统采集的氮气分子振动拉曼散射信号,结合激光雷达探测时的大气消光数据,反演求出激光雷达的几何因子曲线。并对气溶胶波长指数变化对振动拉曼信号反演几何因子造成的影响进行分析与估算。气溶胶消光波长指数变化对振动拉曼散射信号反演几何因子会带来较大的误差影响。当气溶胶消光波长指数或其谱分布确定时,振动拉曼散射信号反演几何因子具有简便、可靠等优点,在振动拉曼激光雷达系统几何因子确定中可以充分应用此方法。

针对大气气溶胶粒子的时延效应影响激光测距精度的问题,利用双频互相关函数,推导了离散随机介质中激光程差的计算公式,建立了激光程差与粒子浓度、粒子直径等常规参数间的联系。在此基础上,提出了计算由大气气溶胶粒子的时延效应所引入的激光程差的方法,并根据气溶胶和云雾的光学特性(OPAC)气溶胶模式,计算了卫星对地激光测距时,大气气溶胶粒子所造成的激光程差。结果表明,当激光波长为1064 nm,气溶胶粒子的模式半径大于0.25 μm时,随着模式半径的增大,其造成的激光程差逼近4.6 cm,在毫米乃至亚毫米级激光测距精度要求下,必须对其进行修正。

在矩形晶格多孔光纤的基础上,通过加入一对大直径圆孔,并进一步优化结构参数可以得到宽带稳定的双折射拍长。采用有限差分波束传播法计算了多孔光纤的模式双折射特性,分析了不同参数变化对模式双折射的影响。计算表明,这两种非对称结构分别具有正值和负值双折射,两者相互作用能够控制模式双折射随波长的变化斜率,在一定的波长范围内使模式双折射与波长呈现等比例的线性变化关系,从而得到基本不随波长变化的双折射拍长。通过优化结构参数,分别在1310 nm和1550 nm波长窗口获得了中心拍长为10 mm的平坦拍长曲线,相对带宽达到12％以上,这种光纤非常适合制作集成于全光纤大电流传感器之中的宽带光纤波片。

用两个周期为600 μm,齿宽为200 μm的周期性刻槽板彼此错开从上下两面对单模光纤施压,在光纤中形成了微弯式长周期光纤光栅。由于齿宽小于二分之一周期,可产生更深的光纤微弯调制,获得更大的交流交叉耦合系数。通过测量两个光栅长度分别为6 cm和12 cm的微弯式长周期光纤光栅在不同压力下的透射谱,研究了峰值损耗、附加损耗、损耗谱半峰全宽与压力和光栅长度的关系。对于长12 cm的微弯式长周期光纤光栅,在第一饱和压力点峰值损耗达到19.2 dB,损耗谱半峰全宽(FWHM)为20 nm,附加损耗只有0.26 dB;经过三次过耦合得到34 dB的峰值损耗。然后用理论结合实验数据分析发现当光纤所受压力小于饱和压力时,光纤光栅交流交叉耦合系数与压力成正比。

研究了在采用光单边带(SSB)调制方式的光纤承载射频(ROF)系统中,射频(RF)信号对光载波的调制指数对调制产生的光载毫米波信号中光载波和光边带分量之间功率对比关系的影响。针对单边带光载毫米波信号中的光载波分量和光边带分量的功率相差较大时,ROF系统的接收灵敏度较低的问题,分析了决定光载波和光边带分量的功率的主要因素。并指出通过选择最佳的射频调制指数可以使光载波和光边带分量的功率平衡,给出了最佳调制指数的值。仿真结果证实了最佳射频调制指数能够使光载波和光边带分量的功率平衡,进而使微波光纤系统的光接收灵敏度达到最高。

基于光纤光栅应变传感的基本原理以及粘弹性力学的基本理论,建立了一种简化的光纤光栅应变传感器光力转换的时变方程。方程的建立忽略封装基体和纤芯的粘弹性力学行为,同时综合考虑观测环境封装基体粘结层(或涂层)光纤纤芯之间的弹性和粘弹性力学耦合机制。所建立的方程既包含了传感器的所有几何特征参数和力学特征参数,又可大为简化光力转换的时变分析过程,从而为光纤光栅应变传感应用于大型工程结构健康监测的长期性能评估(包括参数标定、信号校正、精度分析及误差估算)提供较为可靠、实用、简便的理论分析工具。

单载波频域均衡技术在无线通信中是极为成熟且研究广泛的信道均衡及补偿技术,该技术采用高速数字信号处理将电信号从时域变换到频域进行均衡补偿。在光纤通信系统中,提出采用单载波频域均衡技术对接收信号进行电域色散补偿,在10 Gb/s的单边带幅移键控(ASK)调制光信号经过50,80和100 km普通单模光纤传输之后,验证了频域均衡对色散补偿的效果。其中单边带ASK调制光信号基于有限冲击响应希尔伯特变换,利用一个双臂马赫曾德尔(MZ)调制器级联一个相位调制器来产生。结果证明,频域均衡模型能有效提高眼图开启度和降低时钟抖动,随着传输距离的增加,改善效果更加显著。最后在分析系统均衡和补偿效果参数的基础上,得出了实现最佳频域均衡效果的单边带调制点。

针对合成孔径雷达(SAR)图像含有大量斑点噪声的特点,基于Contourlet的多尺度、局部化、方向性和各向异性等优点,并结合隐马尔科夫树(HMT)模型和隐马尔科夫场(MRF),提出了一种基于Contourlet域持续性和聚集性的SAR图像模糊融合分割算法。该算法有效捕获了Contourlet子带的持续性和聚集性,并分别用HMT和MRF来刻画,再依据模糊测度,将多尺度HMT和MRF有机融合,建立Contourlet域HMT-MRF融合模型,并导出新模型下的最大后验概率(MAP)分割公式。对实测SAR图像进行了仿真,仿真结果和分析表明:与小波域上的HMT-MRF融合分割及Contourlet域上HMT和MRF分割算法相比,该算法在抑制斑点噪声的同时,有效地提高了SAR图像的分割精度。

对于全向立体视觉的三维环境测量系统,一般假设全向相机的光轴重合,即共轴立体。它具有径向上线性的对极几何关系,简化了立体匹配的搜索问题。但是在实际中,不可避免存在光轴之间的未对齐误差,从而降低了测量精度。为了补偿这种对齐误差,提出一种通用的共轴配置全向立体系统校正方法。推导并计算了泰勒模型下任意配置全向立体系统的本质矩阵。利用极曲线与其切空间的一一对应关系,将相机姿态校正到中心连线方向上,使得对应点被约束在径向直线上。图像重采样则保证图像对应点位于同一列上。算法只在图像平面上进行。最后的模拟和实验数据表明算法的有效性。

提出了一种利用同一场景的两幅视差图像生成用于多视点自由立体显示的多幅视差图像的方法。首先运用SIFT匹配算法从两幅视差图像中寻找匹配点,并运用生长运算得到图像的稠密匹配;然后根据匹配点坐标对视差进行了近似计算并得到左视差图像的深度图像;最后提出一种基于投影原理的多幅视差图像生成方法,由左视差图像和其深度图像生成了应用于多视点自由立体显示的多幅视差图像,其立体显示效果良好。

论述了一种高精度快速的单分子实时跟踪方法,包括图像去噪处理与高斯掩模质心法相结合的定位算法和同时考虑等效光强和帧间最大运动位移的同分子概率链接算法。对不同信噪比(SNR)下的单分子荧光图像的仿真结果表明,该定位算法与被认为表现最好的二维直接高斯拟合相比,不仅运算时间缩短为原来的1/10,而且在整个测试信噪比范围内具有更低的偏差和更好的精度,甚至在低信噪比时也能得到可信的小偏差、高精度中心位置值。在普通个人计算机上利用该方法对单分子的百万像素级序列帧进行实时跟踪时,跟踪速率能达到4-5 frame/s。

探测视场的大小是激光预警性能好坏的一个重要指标。在采用非扫描式傅里叶变换干涉仪探测激光光谱的实验基础上,计算了在60°视场范围内激光以任意角度入射时关于入射角度与相干位置的光程差函数,推导了干涉条纹间距与入射角度及波长的方程组,提出了采用两个干涉仪在垂直角度下运算求解的方法。经仿真计算可知,随入射角度的变化而造成干涉条纹变密、亮带变细和波长偏移等结果。实验证明,干涉条纹计算和仿真结果与实验相符,在较宽的视场范围内可以有效探测激光光谱信息,求解激光入射方向的最高精度可达1°。

将相位技术及条纹分析技术引入到光学三维坐标测量中,制作了手持相位标靶。采用这种标靶,利用视觉测量技术可以对待测物体上的任意一个可接触点进行直接测量。利用相位技术及条纹分析技术的全场分析方法,计算出了测头在标靶坐标系下的坐标,提出了标靶特征点到测头距离的计算公式;采用手持相位标靶进行测量时,提出了对测量点的三维坐标获取的计算公式;并对测量点的三维坐标值以及对测量点偏移的距离进行了误差分析。实验得到了比较准确的测量结果,证明了分析方法的正确性。

针对高精度测试系统中电荷耦合器件(CCD)的非均匀性会给测试结果带来较大误差,根据引起非均匀性的噪声特性,建立了对应的图像模型。根据传统两点线性法的基本思想,提出了一种基于经验模式分解(EMD)的自适应分析方法对非均匀性像素进行校正。该算法以Hilbert-Huang变换(HHT)中的滤波器理论为基础,将图像序列在时间域的尺度分解和相应统计量计算,获得用于图像校正的偏置和增益系数。通过实际实验对所提算法进行了验证,结果表明,该算法能够有效地校正像素的非均匀性,提高了测试精度。

为了克服空间环境剧烈的温度变化,利用有限元模型分析计算了星载三线阵相机在不同温度状态下的镜面面型畸变与筒长变化,并用输出的泽尼克(Zernike)系数表示畸变,将得到的Zernike系数与筒长变化量拟合入CODE V光学设计软件,进一步分析了光学系统在不同温度状态下的调制传递函数(MTF)曲线的下降;结合目标光学参数提出2 ℃温控指标。针对轴向温差温控指标的各种温度水平制订实验工况,对星载三线阵相机分工况进行热光学实验,测得的实验室静态传递函数都达到或接近目标值0.2,将测得的MTF值和理论分析结果相比较,验证了温控指标与温控手段的合理性。

在总结各种检测凸非球面方法优缺点的基础上,提出了利用子孔径拼接干涉检测凸非球面的新方法。利用标准球面波前作为参考波面,用干涉法逐次测量非球面各区域的相位分布,去除参考波面偏差以及调整误差后,通过子孔径拼接算法就可以重构凸非球面全口径的面形分布。研究和分析了该方法的基本原理和基础理论,开发了综合优化和误差均化的子孔径拼接算法。设计和研制了子孔径拼接干涉检测装置,并结合实例对口径为140 mm的碳化硅凸非球面进行了子孔径拼接测量,得到了精确的全口径面形分布,其面形分布的峰值(PV)和均方根(RMS)值偏差分别为0.274λ和0.024λ(λ=632.8 nm),且对该非球面进行零位补偿测量,其全口径面形与拼接全口径面形是一致的,面形分布的PV和RMS值的偏差仅为0.064λ和0.002λ,从而提供了又一种定量测试凸非球面的手段。

主振荡功率放大器(MOPA)结构光纤激光相干合成通常被认为需要种子源保持单频输出,而由此引入的非线性效应限制了单链路光纤激光的输出功率。采用宽谱种子源和多波长种子源是抑制非线性效应的有效方式。利用随机并行梯度下降法对三路宽谱光纤放大器和三路多波长光纤放大器相干合成进行了实验研究,取得了理想的相干合成效果。实验结果表明,谱线宽度不是制约MOPA结构相干合成的因素,宽谱放大器和多波长放大器的使用有望使MOPA结构光纤激光相干合成系统获得更高功率的输出。

激光器输出的光束光强通常为高斯分布,但在很多实际应用中,为了提高激光系统的整体利用效率,需要将高斯分布的光束整形为空间均匀分布的平顶光束。从能量守恒定律和等光程原理出发,分析了非球面镜整形系统,得到了面型相位分布,基于此原理利用纯相位型液晶空间光调制器实现了对近高斯分布光束的光强整形,获得了近“平顶”的光束近场分布,并利用哈特曼波前传感器测量了整形后的光束波前相位分布。

四频激光陀螺在高低温实验中的零漂变化非常复杂,温度单方向变化时零漂会呈振荡形式,这是四频激光陀螺温度效应中一个难以解释和解决的难题。在常温下改变四频激光陀螺的放电电流来模拟变温过程中光强的变化,发现零漂随光强的变化也呈现出振荡形式。从而得知,导致四频激光陀螺变温过程中零漂振荡的一个主要因素是温度单方向变化导致光强的变化,而光强的变化导致零漂的改变。如果四频激光陀螺的光强能够在高低温实验中保持不变,则零漂在高低温变化中的剧烈振荡会得到有效的抑制。通过光强稳定控制下的高低温实验,证明以上结论是正确的。

直线图像特征在实际中应用很多,且多数情况下要求对其快速测量。传统标准互相关算子(NCCO)匹配方法计算量大、速度较慢。分析了NCCO匹配搜索方法的本质,以图像特征概率分布的形式给出了NCCO在二值图像匹配下的相似函数计算式。通过设计特殊模板,并利用直线特征的自身特点,从原理上推导并证明了求解直线型图像特征参数的计算公式,据此提出直线型图像特征的快速测量方法。中等噪声强度的仿真图像实验结果表明,直线特征倾角α的测量正确度在0.24°-0.98°。最后,将测量算法应用于微对准装配系统中标记图像的粗定位,实测该算法在实时性上要远优于传统模板匹配方法,甚至高于传统拟合方法约2.5倍。

采用熔融淬冷法制备了GeS2-Ga2S3-KCl系统玻璃,然后测试了样品的厚度、密度、吸收光谱和透射光谱,利用经典的Tauc方程计算了样品光学带隙允许的直接跃迁。结果显示,GeS2-Ga2S3-KCl玻璃拥有较好的物理性能;样品的密度、折射率随着KCl含量增多而减小,而光学带隙则随着KCl含量增加而增大。此外,傅里叶和拉曼红外光谱仪的测试结果表明,随着KCl加入和含量的增加,玻璃基质网络结构发生变化,从而引起相应红外光学性能的改变;同时玻璃拉曼谱出现阶段性的变化,红外截止边带出现了规律性的红移。通过研究KCl含量对基质玻璃的结构影响,给出了硫卤玻璃中基频声子振动与红外多声子吸收截止特性的定量描述,归纳了该类硫卤玻璃的光学性质与基质的依赖关系。

实验测量了新型无机闪烁体材料LaCl3和LaBr3单晶在不同温度下不同表面的拉曼光谱,得到了LaCl3晶体全部6个拉曼峰中的5个以及LaBr3晶体全部6个拉曼峰。随着温度的升高,晶体拉曼频移有减小的趋势,并近似呈线性变化。在拉曼出射光后加偏振片的结果表明,与c轴垂直表面的拉曼光谱形状不受偏振片的影响,c轴所在平面的拉曼光谱则受到偏振片的显著影响。

采用传统熔融淬冷法制备了4组高Bi2O3含量的Bi2O3-B2O3-Ga2O3玻璃样品。测试了样品的密度、折射率和透过光谱,并分析了它们和Ga2O3含量之间的关系,拟合了样品的线性折射率随波长的变化曲线。根据Z扫描实验原理,利用钛宝石飞秒激光器测量了800 nm波长下各个样品的三阶非线性折射率n2以及非线性吸收系数β。结果表明:随着Ga2O3含量的增加,样品的线性折射率n0和三阶非线性折射率n2也随之增加,线性折射率最大样品对应的n2和β分别为3.331×10-18 m2/W和0.695 cm／GW,表明该系列玻璃样品是一种优良的三阶非线性光学基质材料。

研究了407 nm激光激发乙醇中毒血液的稳态和偏振荧光光谱特征,计算了乙醇中毒、正常血液荧光的偏振度以及分子的旋转弛豫时间,结果表明乙醇中毒血细胞的退偏效果明显差于正常血细胞,而分子旋转弛豫时间却明显高于正常值,此结果与血液流变学测量结果一致。分析认为乙醇中毒引起了血液粘度升高和红细胞体积增大,两者的共同作用最终导致中毒血液荧光强度、荧光偏振度和分子弛豫时间的规律变化。

评估水喷雾条件对脉冲激光辐照骨硬组织的消融速率、消融效率以及组织表面形态学变化的影响。实验样品为新鲜离体牛胫骨组织;光源为脉冲CO2激光(波长10.64 μm),脉冲频率60 Hz,能量密度26.5 J/cm2,光束经关节臂传输后聚焦在组织样品表面进行垂直点状照射,光斑尺寸为400 μm,辐照时间10 s。激光辐照时,水雾以45°角倾斜向组织表面喷射,喷水速率分别设置为0(无喷水),0.26,0.5,0.6,0.7和0.9 mL/s。辐照后,体式显微镜观察组织样品表面形貌变化,OCT技术测量弹坑深度,扫描电镜观察弹坑微结构变化。结果表明,水喷雾条件对脉冲CO2激光骨硬组织的消融速率,消融效率以及组织表面形态学变化具有重要影响:水喷雾不仅可以起到冷却和降低热损伤的作用,通过优化选择激光辐照参数和喷水速率,可以显著增大消融速率和消融效率,改善靶组织表面的形态结构。

研究了二次谐波(SHW)是负折射率而基频光是正折射率的材料中,影响二次谐波转换效率的因素。根据考虑了走离效应、相位失配和振幅缓变近似情况下的二次谐波的耦合波方程,推导出了二次谐波转换效率的严格解析表达式。采用数值计算的方法分别研究了相位失配量Δk、走离角ρ和基频光强对转换效率的影响。结果表明,当基频光强较小时,二次谐波的转换效率随着基频光强的增加而增大;随着走离角和相位失配量的增大而减小。基频光强较大时,随着负折射率材料的长度或基频光强的增加,二次谐波的转换效率呈现明显的周期性变化。负折射率材料长度对转换效率的影响与基频光强一样。

为了利用二值空间光调制器实现多灰阶全息存储,将待存储数据页分解成一系列等价二值数据页,并将记录时间分割成与二值数据页对应的一系列递减时间段,每个时间段使用二值空间光调制器加载相应的二值数据页与参考光在存储介质内部干涉记录一系列全息图。从理论上证明了再现所得数据页的灰阶分布与待存储的数据页一致,并从实验上验证了用二值空间光调制器实现四灰阶存储的可行性。多灰阶全息存储提高了每幅数据页的信息量,更加充分地利用了存储介质的动态范围,提高了存储密度与读出数据传输速率。

根据坦克目标搜索/跟踪系统的要求,设计了工作于8-12 μm波段折/衍射混合红外连续变焦距光学系统。该系统解决了传统系统不能同时满足长焦距、大相对孔径、高变倍比、高成像质量和系统结构简单的缺陷,使设计的系统相对孔径大,F数为0.9,变焦倍率为11×,系统在长焦距时,可识别1500 m远的坦克目标。变焦系统仅用7片锗透镜,通过引入二元面和非球面校正系统色差和轴外像差,在空间频率为17 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数(MTF)值均在0.64以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5 μm的探测器敏感元内,能量集中度大于82%,表明系统具有良好的成像质量,满足坦克目标搜索识别系统的总体要求。

介绍了一个大视场大相对孔径红外物镜的消热差设计。该系统工作波段为8-12 μm,全视场角为40°,焦距为6 mm,相对孔径为1.25,总长为50 mm,后工作距为15 mm。系统采用三片式结构,仅使用了锗和硒化锌两种材料。引入了一个衍射面和两个二次非球面,使结构简单化,轻量化,并很好地提高了成像质量。在-80 ℃-200 ℃温度范围内利用衍射元件实现了消热差设计,并给出了-80 ℃-200 ℃下系统的像质评价结果。设计结果表明,在空间频率为16 lp/mm处,各个温度下的系统传递函数(MTF)值均大于0.7,接近于衍射极限,成像质量良好,实现了在超宽温度范围的消热差设计。

随着空间技术的不断发展,地元分辨率不断提高,空间相机光学系统的设计不断提出新的要求。分析了长焦距空间相机光学系统设计过程中需要考虑的问题,研究了大F数、长焦距空间光学系统的设计原理,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于500-800 nm,焦距f=7200 mm,F=14.4的大F数、长焦距的折轴三反光学系统。结果表明,光学系统视场角达到1.6°,在450 km的轨道上,地面幅宽可以达到12.5 km,像元尺寸为10 μm时,地面像元分辨率达到0.62 m,当中心遮拦为6%时,Nyquist频率(50 lp/mm)处调制传递函数(MTF)优于0.38,成像质量达到衍射极限,光学系统畸变量优于0.5%,可以满足高分辨率空间相机对地观测的使用要求,同时也验证了大F数、长焦距光学系统的设计原理。

对马赫曾德尔干涉仪(MZI)构成的可调耦合器结构集成波导微环谐振腔延时特性进行了分析,推导得出该结构微环谐振腔的延时响应函数。研究表明马赫曾德尔干涉仪两臂相位差的变化在实现微环谐振腔等效耦合系数可调谐的同时,其引起的附加相位改变将造成波导微环谐振腔谐振频率发生漂移。分析了马赫曾德尔干涉仪中3 dB耦合器耦合系数偏差对等效耦合系数调谐范围以及微环谐振腔谐振频率漂移的影响。以四环级联微环谐振腔为例,分析了附加相位改变对延时响应的影响,通过采用环波导上相位修正的方法,获得了延时量为0.6 ns,延时带宽为2 GHz,延时抖动品质因子小于1×10-3 ns2的目标延时响应。

提出了一种新颖的光纤布拉格光栅(FBG)倾斜传感器设计,采用4根反射波长不同的FBG,该结构更简单和稳定,可用来测量平面内两维方向的倾斜角度,具有高灵敏性和测量精度,且无需附加的温度补偿装置即可消除环境温度的影响。初步的实验结果证实了该设计的可行性,表明此倾斜传感器的角度准确度和精度非常好,可以达到约0.3°的精度。需要强调的是,此倾斜传感器的性能还可进一步提高,通过增加悬垂物重量,或减小每对光纤之间的夹角来提高准确度和精度。

研究了二维光子晶体耦合腔波导的结构对慢光特性的影响,发现微腔间的距离n、填充因子r/a和缺陷柱的尺寸rd是影响光子晶体禁带中慢光导模传输特性的重要参数。随着缺陷微腔间距离的增加,导模群速度vg急剧减小;当填充因子和缺陷柱尺寸增加时,导模向低频方向移动,同时,导模群速度降低;填充因子和缺陷柱尺寸降到一定数值后,vg达到最小值,此后,当r和rd分别超出其特定值继续增大,导模群速度反而增大。取微腔之间介质柱个数为6,普通介质柱尺寸为r=0.22a,a为光子晶体晶格常数,缺陷柱尺寸为rd=0.12a,得到导模群速度最大值vgmax<1.93×10-3 c,带边处vg<10-4 c(c为光速)。这一结果显示,通过基本结构设计可以实现对光子晶体耦合腔光波导中慢光的有效控制,这将为基于光子晶体功能器件的设计和应用提供有效的支持。

目标探测技术是遥感理论与应用中的重要领域之一,由于高光谱遥感图像能够同时提供地物目标的辐射、几何和光谱信息,与其他多光谱遥感图像相比,能更好地进行目标识别。从信息论中的自信息概念出发,针对探测结果影像中目标突出且信息确定性强的特征,提出了基于方差最小(BVM)的目标检测算子。利用不同空间分辨率和光谱分辨率的高光谱影像数据进行实验,并与约束能量最小化(CEM)算子的应用效果进行了比较分析。实验结果表明,基于方差最小的算子具有更稳健的探测性能。

基于光学衍射理论,探讨了采用准单色光照明的条带模式合成孔径激光雷达(SAL)的成像过程,给出了几种情况下,方位合成孔径成像匹配滤波器的解析表达形式及相应的成像分辨率。结果表明,条带模式SAL方位成像匹配滤波器的表达式除了与激光发射波长、成像距离和雷达坐标有关外,还与发射光束特性、接收光路结构参数等有关。因此,在实验室采用高斯光束作为探测光源进行SAL演示成像时,目标放在发射光束光腰处、瑞利范围之内、多倍瑞利范围之外等不同位置所需要的方位成像匹配滤波器有所不相同。为了获得高的合成孔径成像分辨率,目标应置于多倍瑞利范围之外。

分析了被动天线阵列接收信号在成像系统中的相位传输过程,并将被动综合孔径光子成像与光综合孔径成像做对比研究,利用阵列缩比因子定义了成像系统的空间分辨率因子;分别通过对天线阵列分辨率和光纤阵列的空间分辨率的分析,深入讨论了缩比因子和空间分辨率因子对整个成像系统分辨率的影响,推导出空间分辨率的计算公式;通过仿真计算和分析,研究了天线接收辐射方向和缩比因子对空间分辨率因子的影响,以及二者对成像系统空间分辨率的综合影响,讨论了空间分辨率有关结论在被动综合孔径光子成像系统设计中的意义。

利用半经典理论分析了三束中心频率不同的窄线宽激光光场在样品中的相互耦合过程,得到一组描述相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程的耦合波方程。结合时间分辨方法的原理,得到了描述使用窄线宽激光脉冲的时间分辨CARS(T-CARS)方法的耦合波方程。采用数值模拟方法研究了T-CARS方法中CARS信号和非共振背景噪声与入射光场之间的关系以及分子振动的弛豫过程。说明分子振动的退相时间可以作为区分成份和结构相近的分子以及监测样品所处微环境变化的依据。基于使用窄线宽激光光源的T-CARS方法的理论分析说明了使用宽谱激光具有同时获取生物分子完整拉曼光谱的能力。

利用双色三光子共振电离光谱技术,对处于42896-44854 cm-1能域内的铕(Eu)原子奇宇称高激发态的光谱特性进行了研究,报道了该能域内93个高激发态的光谱信息。一方面,采用了三种不同的激发路径,不仅测量了这些高激发态的能级位置,还给出了它们的光电离信号的相对强度;另一方面,结合电偶极跃迁的选择定则,对所得光谱数据进行了细致地分析和比较,唯一确定了各原子态的总角动量J。通过与相关文献资料进行对比,不仅确认了许多高激发态的研究结果,还发现了25个新的奇宇称高激发态。此外,还对文献中的少数高激发态的光谱归属进行了修正,并唯一地确定了这些高激发态的J值。

多腔诱导透射滤光片制备后出现的缺陷,严重地影响了薄膜样品的品质以及环境稳定性。实验用热蒸发的方法在室温浮法玻璃基底上制备了四腔诱导透射滤光片。用光学显微镜观测了缺陷的形貌,将缺陷分为不同类型的点状缺陷和线状缺陷,并结合光学轮廓仪和电子能量散射谱仪分析了缺陷的深度以及元素成份。分析结果显示,基片污染、喷溅以及应力、亚表面缺陷等综合因素是诱发缺陷产生的主要原因。为减少缺陷数量以及其尺寸和深度,实验验证了基底酸洗工艺对缺陷的抑制效果,证明了酸洗工艺具有可行性。最后结合缺陷产生的可能原因提出了制备工艺改进措施,已经取得了较好的成果。

基于倾斜沉积薄膜材料的双折射特性,采用单一TiO2设计和制备了中心波长为632 nm的双折射消偏振膜。首先以60°和70°的沉积角度镀制了TiO2单层膜,通过单层膜的透射光谱分别拟合出两种沉积角度下薄膜对s和p偏振光的等效折射率nPH,nSH和nPL,nSL。通过对折射率的组合,实现正入射时s偏振光透射率大于p偏振光,而入射角度增大会使两者透射率差值减小,基于这一思想设计并制备了消偏振膜。分别测量了消偏振薄膜在400-800 nm波段范围内正入射及倾斜入射条件下s和p偏振光的透射光谱。入射角为60°时,s偏振光反射带宽基本与p偏振光反射带宽重合,在波长632 nm左右基本实现消偏振。结果表明,利用材料的双折射特性,可以设计和制备出倾斜入射条件下消偏振薄膜。

为了设计制作1/4规整膜系的高性能薄膜偏光分束镜,根据三层对称膜系结构的等效膜层理论和截止带理论,设计了两种对称膜系结构的偏光分束镜。利用TFCalc薄膜软件对两种膜系结构偏光分束镜的分光光谱特性进行了模拟。利用电子枪蒸镀法分别制备了两种膜系结构的偏光分束镜(580-780 nm),并利用分光光度计和搭建的消光比测试系统,对两种膜系结构偏光分束镜的透射率和消光比进行了测试。结果表明,两种膜系结构的偏光分束镜在设计分光光谱范围内透射率可以达到90%以上,消光比优于3×10-3,与理论设计吻合得很好。

Kretschmann型激发表面等离子体共振(SPR)膜系结构是探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻技术(PSPRN)的关键部分之一。采用多层介质的特性矩阵法计算膜系结构的透射系数和反射率,对PSPRN所需的单膜层、双膜层及三膜层膜系结构进行了优化设计。计算结果表明,光波波长为514.5 nm时,对于选定材料的最佳膜系结构是Ag膜厚度为46 nm的单膜层结构,Ag膜厚度为24 nm,AgOx厚度为95 nm的双膜层结构及Ag膜厚度为44 nm,SiO2厚度为180 nm,AgOx厚度为10 nm的三膜层结构,提出了记录层材料应选择折射系数小且吸收系数尽可能小的光刻材料的观点。

IPT色空间在色域映射和图像色貌模型研究中得到应用。介绍了IPT色空间,采用D65光源下的孟塞尔系统和Ebner和Fairchild提出恒常色相数据研究了IPT色空间的均匀性。孟塞尔系统的三刺激值XYZ作为IPT色空间输入值,计算明度、彩度和色相,并与CIELAB色空间计算结果进行均匀性比较。结果表明,在明度均匀性方面,两个色空间结果基本相似,CIELAB色空间比IPT色空间稍好;在彩度均匀性上,CIELAB色空间较好于IPT色空间;在色相均匀上,采用孟塞尔系统数据的计算结果中IPT色空间在对蓝色色相预测和各个色相角的线性关系要比CIELAB色空间好,而对于Ebner和Fairchild恒常感知色相数据,IPT色空间的色相均匀性明显优于CIELAB色空间。