基于金属材料近表面层弹性性质(杨氏模量)的连续变化,建立了一种激光在基底上的梯度材料中激发声表面波的理论模型,并用有限元方法模拟了脉冲激光作用于材料上表面激发出的超声波及其传播过程.讨论了表面层厚度的变化以及表面层弹性性质的变化对热弹条件下产生的声表面波波形特征的影响,并分别计算了两种情况下的声表面波的相速度色散,得到了两种情况下声表面波的变化规律.

通过合理设计精密调控各元件和温控电流,得到了平均功率为70 mW,脉冲宽度为22 ns,重复频率为14 kHz,峰值功率高达230 W的Nd3+:GdVO4/Cr4+YAG红外脉冲激光器.先采用双凸透镜组合成的望远镜系统对1 063 nm的红外激光进行扩束,再对该光束聚焦,最后经双轴晶体LBO倍频后,得到了平均功率为40.6 mW,脉冲宽度为16 ns,重复频率为14 kHz,峰值功率高达181 W的绿光激光输出,1063 nm→532 nm的转换效率高达58%.测量了532 nm的光谱线宽曲线.解释了该聚焦方法比单一薄透镜效果明显好的原因,并指出了这种聚焦方法的使用对象.

报道了LD抽运的自喇曼c切Nd:YVO4调Q腔内倍频黄光激光器.Nd:YVO4晶体同时作为激光介质和喇曼晶体,通过声光调Q技术,产生了1 178.7 nm的喇曼激光,经过KTP腔内倍频,输出589.4 nm黄光.测量了平均输出功率随抽运功率和脉冲重复率的变化.典型的1 066.7 nm基频光、1 178.7 nm喇曼光和589.4 nm倍频光的脉冲宽度分别为24.9 ns、11.2 ns和6.8 ns.在脉冲重复率为15 kHz,抽运功率为7.56W时,产生了平均功率为151 mW的589.4 nm光的输出.

分别计算不同直径下锥形光纤基模和玻璃微球谐振腔内最低阶径向回廊模的传播常量,利用相位匹配条件,作出了锥形光纤与石英玻璃微球腔的直径对应关系曲线.在此基础上,选择锥腰直径2.8 μm左右的低损耗锥形光纤与直径143.1 μm球形度很好的玻璃微球腔进行近场耦合以激发球内的最低阶径向回廊模谐振,在锥形光纤的两端进行通光测试,在输出端获得了等间距分布的窄线宽滤波谱线,其吸收峰位置与利用Mie理论计算的球内最低阶径向回廊模谐振峰位置相一致.

用转移矩阵法数值分析了芯区和衬底为非线性介质、覆盖层为线性介质结构平面光波导的传播特性,包括TM的模场分布和功率与有效折射率之间关系的分析.解析地表达了模式本征方程和功率分布,对非线性介质中电场强度与介质非线性系数的关系进行了研究.计算结果表明,TM的模场分布和功率与有效折射率及介质的非线性系数有关.

对耦合环形腔马赫-曾德尔干涉仪光脉冲瞬态响应进行了理论和数值研究.利用光束追迹法推导了脉冲传输的解析关系,并数值模拟了传输光场随时间的演化.输出脉冲形状可通过控制损耗进行调解,响应速度为皮秒量级.由于马赫-曾德尔干涉仪两输出端口的互补性,在输出端可同时实现光脉冲微分和积分操作.利用损耗控制机制,可实现单通道脉冲微分和积分操作转换.引入增益补偿损耗,可实现脉冲压缩及产生可调单一触发光脉冲.

从大孔径光电导天线产生THz辐射的饱和理论出发,考虑了载流子的瞬变迁移率.分析了脉冲序列激发大孔径光电导天线产生高功率窄带宽THz辐射的特性.对比了单个光脉冲和序列光脉冲激发SI-GaAs和LT-GaAs光电导天线的饱和特性.分析表明,采用序列光脉冲激发载流子寿命小于光脉冲间隔的光电导天线时,可以克服大孔径光电导天线的饱和特性,产生高峰值功率的窄带THz辐射.

建立了基于一种新型光放大器(线性光放大器)的交叉增益调制波长转换理论模型.对交叉增益调制波长转换器同向工作方式下的输出消光比进行了分析,讨论了抽运光和探测光的波长和功率等参量对转换后信号消光比特性的影响.结果表明:随着抽运光波长的增加,波长转换器的输出消光比逐渐增大,但对于探测光波长的增加,消光比反而减小;增加抽运光功率和减小探测光功率都可以获得较大的消光比;波长向下转换时的消光比明显优于向上转换时的消光比.

从光电探测器的基本方程出发,采用Laplace变换方法,分析了一种与CMOS标准工艺兼容的N-well/P-sub结构光电探测器的频率响应特性,780 nm和650 nm波长下的截止频率分别为14.4 MHz和43 MHz.该分析方法克服了频率特性测量中存在负载影响和采用渡越时间分析截止频率所存在的近似与作用不确定的问题,适用于各种PN以及PIN结构的光电探测器的频率特性研究.

利用平面波展开法对二维六角晶格结构磁性光子晶体的带隙特性进行了研究,给出其能带结构分布图,并与非磁性介质构成的光子晶体进行了比较.结果表明,由磁性材料构成的光子晶体更易出现带隙,磁导率对带隙结构影响很大.空气背景磁性散射子情况,磁导率增加较小时,二个绝对光子带隙宽度逐渐减小,直至消失.继续增加磁导率,在较低频率范围内出现一个绝对光子带隙,占空比逐渐加大,且最佳填充系数基本保持不变.磁性背景空气散射子,类似地在较低频率范围内也出现了一个绝对光子带隙.磁性背景非磁性散射子与空气背景磁性散射子情况相似.

提出了一种新颖的调节液晶光子晶体光子带隙的方法.光子晶体波导通过往二维三角形光子晶体的介质柱之间填充液晶得到,光诱导液晶取向以改变液晶的折射指数从而改变光子晶体的光子带隙.数值模拟结果表明:通过外界光场控制所填充的向列相液晶的方向可以对这种二维三角形介质柱光子晶体的禁带结构进行调节.与电场调制方法相比,该光控液晶取向技术具有响应速度快、结构简单的优点.这种可调光子晶体可用于制作新颖的光敏偏光片.

对光子晶体光纤的损耗特性进行了分析,并在实验上对两种典型的光子带隙型和全内反射型光子晶体光纤进行了研究.分别对两种不同结构的光子晶体光纤在弯曲半径2～15 mm范围内的损耗进行了测量.与传统光纤损耗实验结果的对比表明,两种光子晶体光纤的弯曲损耗均不明显,具有很强的抗弯曲损耗能力.实验也证实了光子晶体光纤弯曲损耗存在临界弯曲半径,在大于临界半径的情况下,几乎没有弯曲损耗.从结构上分析并证明光子晶体光纤弯曲损耗随填充比(d/Λ)的增加而减小,填充比越高弯曲损耗越小.

通过数值方法计算了铜(Cu),银(Ag),金(Au),铝(Al)四种金属构成的光子晶体的禁带,给出了禁带与金属填充率f的关系曲线,对比了几种金属光子晶体禁带的差异.计算针对TM模的情况,取光子晶体的晶格常量a=0.775 μm.

在理论分析无透镜傅里叶变换全息图记录的基础上,结合CCD的结构特点,用傅里叶频谱方法具体研究了无透镜傅里叶变换全息图在欠采样条件下的再现问题.指出在无透镜傅里叶变换全息术中,对有限尺寸物体而言,在记录过程不满足申农(Shannon)采样定理的条件下,仍能完整再现出物体的像.同时对再现像的变化特点进行了理论说明.所得的实验结果与理论分析一致.

在Polyacrylic Acid(PPA)光聚合物中用双光束相干的方法成功地写入了全息光栅,用He-Ne激光器作为探测光对光栅的写入过程进行了实时监测.分两种情况重点研究了温度对光栅成栅过程的影响,一是在不同的温度下写入光栅;二是在室温下写入光栅,待光栅强度达到最高时再改变温度来研究温度对光栅的影响.实验中温度的变化范围为25 ℃～100 ℃.

利用Lyapunov函数方法,对混沌反控制问题进行了研究.以单模激光Lorenz系统和描述心脏搏动的Bonhoeffer-Van der Pol系统为例,设计了一种控制器,成功地使Bonhoeffer-Van der Pol系统混沌化.给出了控制器的具体设计方案以及单模激光Lorenz系统与Bonhoeffer-Van der Pol系统状态之间误差系统的结构.仿真结果表明,在控制器的作用下,Bonhoeffer-Van der Pol系统所有状态变量严格地跟踪了单模激光Lorenz系统的混沌轨迹,对应的相空间中Bonhoeffer-Vander Pol系统的轨迹也由极限环转变为与单模激光Lorenz系统的轨迹完全相同的混沌吸引子,Bonhoeffer-Van der Pol系统严格地跟踪了单模激光Lorenz系统混沌的动态行为.

通过向折射率引导型光子晶体光纤的空气孔中填充可调的高折射率的材料可以获得带隙可调的光子带隙光纤.本文采用矢量平面波展开法与矢量有限元法对可调光子带隙光纤的泄漏损耗特性进行了理论研究.研究表明,这种可调光子带隙光纤的光子带隙效应使其泄漏损耗与填充材料的折射率有很强的依赖关系,同时给出了光子带隙光纤的泄漏损耗和群速度色散与归一化波长的关系.

对现有三类偏振模色散模拟器:旋转晶体型、偏振控制器型和加热器型模拟器,进行了详尽的相关群时延、高阶偏振模色散的统计分布和频率自相关函数三大统计特性的数值模拟和性能比较.以级联段数作为主要参量的分析结果表明:相关群时延分布的产生准确度,旋转晶体型模拟器略优于偏振控制器型,而加热型模拟器相对最差;在产生精确的高阶偏振模色散分布方面,偏振控制器型模拟器最为优越,加热型模拟器略优于旋转晶体型;而对于产生较低的频率自相关本底水准方面,加热型模拟器则优于偏振控制器型和旋转晶体型.综合而言,偏振控制器型模拟器的性能最为优越;十段左右的偏振控制器型模拟器就可以产生合格的模拟效果,其效果等价于十五段以上旋转晶体型,或二十段以上加热型模拟器.

基于流量工程的资源预留协议(Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering,RSVP-TE)是自动交换光网络(Automatic Switch Optical Network,ASON)中前景最被看好的一种重要信令协议,在研究对RSVP-TE中的前向资源预留协议FRP(Forward Reservation Protocol)和后向资源预留协议BRP(Backward Reservation Protocol)的基础上,提出了ASON中一种新的资源预留方式:单波长预留BRP方式.通过仿真验证和比较分析可知,单波长预留的BRP方式兼备FRP和BRP两者的优点,在满足较低的控制带宽开销和较短的业务建立时间下,能够较有效地利用网络资源,并使得业务阻塞率较低.

研究了在基于法布里-珀罗(F-P)滤波器的全光时钟提取实验中法布里-珀罗滤波器的精细度和信号码型对时钟提取的影响.根据理论分析,利用精细度为1012的F-P滤波器进行了时钟提取实验,并利用SOA进一步抑制时钟信号中的幅度抖动噪音,改善了时钟信号的质量.最终提取出低幅度起伏、低时间抖动的40 GHz时钟信号.

提出了两种适用于光突发交换网的可编程光缓存器结构:交叉型和多端口开关型.两种结构都能满足突发包缓存的超长性和可变性的要求,且结构简单紧凑,成本低,可扩展.交叉型缓存器通过指定信号在每个子缓存模块的光纤环中的循环次数即能实现可变时间的延迟.多端口开关型缓存器通过指定信号在两个多端口开关相应端口与所接光纤延迟线组成的光纤环中的循环次数实现可变时间的延迟.仿真结果表明,两种可编程光缓存器都能对光突发包实现ns级指定时间延迟,可用于解决光突发交换网突发包的冲突问题.

阐述了50～110 nm强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法.这种膜系是由强吸收材料叠加而成,每层膜光学厚度小于四分之一个波长.与常规周期多层膜相比,这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率.利用该方法设计了50 nm处高反射多层膜,并以此为初始条件通过Levenberg-Marquart优化方法完成了50～110 nm强吸收波段宽带高反射率Si/W/Co多层膜的设计,其平均反射率达到45%.采用直流磁控溅射方法制备了Si/W/Co多层膜,用X射线衍射仪(XRD)对膜层结构进行了测试,测试结果表明制作出的多层膜结构与设计结构基本相符.

基于胆甾相液晶的电光特性,进行了液晶散射光相干性与不同外加电场之间关系的实验研究.利用反转剪切干涉仪具体测量了不同外加电压条件下液晶散射光的空间相干性,得出了液晶散射光相干性随外加电场变化的初步规律.结果表明,胆甾相液晶散射光的强度以及空间相干性可以由外加电场调制.

发现了弯曲液面上边界反射光场的带状暗场扩张效应.当平行激光束垂直入射到由平板润湿效应引起的弯曲液面上时,边界反射产生特殊的反射图样,图样的中间为带状暗场,两侧有清晰的衍射条纹,并且带状暗场宽度随入射光束宽度的缩小而迅速变大.分析了反射图样的带状暗场宽度与入射光束宽度的解析关系,得出了弯曲液面的斜率曲线和高度曲线.建立了一种利用弯曲液面边界反射的暗场扩张效应来实时测量液面特性的新方法.

改进了现有的基于径向双折射晶体的横向超分辨滤波器.通过调整偏振器的偏振方向和晶体光轴之间的夹角,改进的滤波器可以实现更广的超分辨可调范围,并且在相同的条件下,相对于现有的连续振幅型超分辨光瞳滤波器,超分辨性能和焦深都有较大提高.改进的超分辨滤波器,为实际应用提供了更多方便.

利用小角近似方法,分别给出了单次和多次后向散射激光雷达方程.通过引入的多次散射评价参量,分析了接收视场角和光学厚度等因素对多次后向散射信号的影响.理论研究表明:多次后向散射主要与接收视场角和光学厚度密切相关,当接收视场角比发射视场角大10倍,光学厚度超过3时,多次后向散射信号逐渐增大并占主要优势,当接收视场角比发射视场角大100倍时,光学厚度超过1时,多次后向散射信号开始明显增强.

给出了用发光二极管测量闪烁和流速光源远场理想特性的表达式.波前扭曲可以分解成波前倾斜和曲率改变两部分来处理.波前倾斜和离轴接收信号的情况相当,对测量结果影响不大.当波前曲率半径不等于到光源的距离时,对流速和闪烁强度测量都会带来不能忽略的误差,路径加权函数的对称特性也会改变.最后给出的流速测量的实验结果和理论计算是一致的.

根据大孔径静态干涉成像光谱仪的原理和特点,分析了光辐射能在光学系统内的传输情况,对探测器上接收到的光辐射能信号和噪音信号做了详细的推导,得到了仪器理论信噪比的表达式.在实验上以大口径积分球为辐射源,采集仪器输出的干涉图像,计算得到仪器的实际信噪比曲线,对大孔径静态干涉成像光谱仪的理论信噪比曲线与实际的信噪比曲线做分析比较,结果验证了用推导的论信噪比的表达式来预估仪器信噪比的可行性.

构造了3d3/3d7离子在三角对称晶场中考虑自旋-轨道相互作用,自旋-自旋相互作用和自旋-其它轨道相互作用的120阶微扰哈密顿矩阵.利用完全对角化该矩阵的方法计算了Cr3+:MgAl2O4晶体的基态能级、零场分裂参量,理论计算值与实验值相符合.定量研究了自旋二重态对基态能级的贡献,证明该贡献是不可忽略的.定量研究了自旋-轨道相互作用自旋-自旋相互作用和自旋-其它轨道相互作用对Cr3+:MgAl2O4晶体的光谱精细结构和零场分裂参量的影响,发现自旋-轨道和自旋-自旋相互作用对基态能级和零场分裂参量的影响的程度和方式是不同的,自旋-其它轨道相互作用的影响也是不可忽略的.通过理论计算值和实验值的比较,证实了在Cr3+:MgAl2O4晶体中Jahn-Teller效应的存在,解释了该晶体的光谱精细结构的成因.

提出了一种利用激光谐振腔测量透明介质薄板光学均匀性的新方法.该方法将对折射率微差的测量转化为对激光谐振频率的变化进行测量.两种样品的实验对比结果表明,该方法可以实现10-5量级以上灵敏度的光学均匀性测量.最后分析了实验结果的误差及适用的灵敏度测量范围.

在同步辐射装置3W1B光束线上测量了软X射线能区50～200 eV金属W薄膜的反射率,并采用最小二乘拟合得到其光学常量.实验采用三种样品:Si衬底单层W超薄膜,Si衬底W/C双层膜,SiO2衬底W薄膜.分别获得金属W光学常量,三种样品的结果分别代表W薄膜光学常量,WC薄膜结合中W薄膜的光学常量及体材料W的光学常量.结果表明,前两者结果与以往发表数据一致性较好,第三种样品的结果则更接近已发表的体材料的结果.通过实验结果和已发表数据的比较,发现随着薄膜厚度的降低,光学常量实部(色散因子)变化不明显,而虚部(吸收因子)随之升高.实验不确定度来源于光谱纯净度和光源稳定性.

采用几何光学方法对共焦系统扫描时产生的扫描深度与厚度失真进行了理论分析,对名义扫描深度与实际扫描深度之间的关系进行了研究.以若丹明6G薄膜与玻片组成的多层样品为模型,对其进行了模拟计算,得到了扫描深度与厚度失真与系统数值孔径、折射率和样品厚度之间的关系.在实验上分别采用单光子荧光和双光子荧光作为检测信号,在反射式共焦扫描系统上进行了纵向扫描实验,并与模拟计算的结果进行了比较和分析.

为了提高互相关技术在实验中测量结果的准确性和可信度,本文对产生误差的各种原因进行了分析,并对误差进行了估算.通过探讨相应的解决方法,提出了一种针对互相关测速误差的综合分析及其相应处理手段.

对模拟尾流泡幕及实际尾流光学性质进行了对比研究.结果表明,实验室模拟尾流气泡幕的散射光平均照度均值随着压强变化梯度大,可据此定性区别不同压强的气泡幕.实际尾流随着航速增大,散射光照度减小,但这种减小不是线性的.散射光照度一定周期性的规律,说明随着航速的增大,尾流气泡幕逐渐增强,气泡幕中气泡密度、不同直径气泡分布等均随之变化,这可能预示着气泡幕的增强存在饱和度.实验室模拟尾流气泡幕与实际尾流的散射光信号在轮廓方面是相似的,都随着压强或航速的增加而减小.通过比较实验室模拟气泡幕和实际尾流的差值信号,可以有效地消除杂散光或自然光的影响,利用Haar小波对差值信号的分析也得到相同的结论.

基于Mirau相移干涉法,在实验室环境下对微透镜阵列的微表面形貌进行了轮廓测量.实验使用He-Ne激光器作为光源,干涉成像系统由Mirau干涉物镜和其他光学元件组成.在实验中使用压电陶瓷执行器作为相移器,通过5步相移法计算待测表面形貌.实验结果表明,基于Mirau相移干涉法对微透镜阵列面形的测量,水平分辨率达到1.1 μm,垂直测量准确度达到6.33 nm,垂直测量范围为5 μm.对于微透镜阵列的面形测量,通过将微透镜阵列划分为若干微小区域以保证局部面形最大高度小于5 μm,然后辅以精密平移机构进行若干次5步相移法测量局部面形,再利用相位重建所得的数据进行拼接和3D轮廓重建,最终得到整个微透镜阵列的精确微表面形貌.

基于粒子图像测速技术,设计研制了一套适用于水洞洞体内高速、封闭试验条件的流场测量与显示设备.该系统由光源、成像、图像处理与分析、控制和粒子投放等分系统组成,具有复杂环境下全流场的无接触、无扰动、高准确度测量和显示能力,流场测试误差小于2%,可为水下航行器外形设计及其改进提供相关的实测数据.

针对发射场火箭初始段漂移量的测量,提出一种带灰度梯度方向的SUSAN算子,实现了基于该算子与变模板相关跟踪算法的目标跟踪测量方法.首先在SUSAN特征检测原则的基础上,将对角点的检测转化为对边缘的检测,同时记录梯度方向,在剔除了图像噪音点之后,由具有特定方向信息的边缘像素点精确定位角点的坐标.该方法克服了标准SUSAN算法准确度低的弊病,使得对目标的提取准确度可以达到亚像素级,并增强了抗噪性能,实验证明该算法提取准确性高,运算量小,易于实现.

分析了传统的水下观测和激光观测技术在能见度约为0.5～1.5 m的浑浊水域和0.2 m的特浑水域观测遇到的理论和技术上的局限性.叙述了一种非均匀光场集束光水下目标图像探测方法和系统,并在各种浑浊水质中进行其特性的试验.试验结果表明该系统基本上解决了浑浊水中的观测问题.

针对传统的图像模糊增强算法增强强度小、处理灰度层次变化丰富的图像效果不佳以及控制参量难以设置等问题,提出了一种新的图像模糊增强算法.首先对局部窗口中像素点进行基于邻域一致性模糊熵测度的分类,并以分类为依据,对每个像素点均确定一最佳渡越点.对模糊隶属度函数也进行了研究改进,设计的函数具有良好的曲线形状,并通过调整控制参量,使渡越点的位置和函数曲线进行最佳的结合,能通过少量的迭代次数获得较好的增强效果.在模糊逆映射上,采用线性逆变换函数,保持了模糊映射所带来的增强效果,并消除了由于截断带来的灰度信息的损失,在运算效率上也得到了提高.新算法对灰度变化丰富的路面图像的增强取得了良好的效果,并且控制参量均为自适应计算,不需进行人为干预,具有很好的通用性.

提出了一种新的镜头边界检测算法.该算法借鉴信息论的观点,以互信息量和直方图的结合来衡量帧间相似度.通过一自动选取的阈值选出所有可能的镜头切换点,采用动态窗口技术将切变和渐变统一视为切变检测.通过合理的聚类消除噪音所带来的误检现象,提高了镜头的检出率.仿真实验结果表明该算法具有良好的性能.

为了准确的实现红外目标识别,提出了一种基于广义混沌混合PSO的快速红外图像分割算法.二维模糊划分最大熵分割方法不仅利用了灰度信息以及空间邻域信息,而且兼顾了图像自身的模糊性,能取得较为满意的分割结果.该方法实质上是一种具有搜索空间大、多局部极值点的典型非线性整数规划问题.广义混沌混合PSO算法在广义PSO算法的基础上,引入自适应平衡搜索,当算法发生停滞时引入模拟退火机制有选择地对当前全局最优粒子进行混沌优化,在增强局部搜索能力的同时能够克服早熟收敛现象.实验证明,运用广义混沌混合PSO算法实现红外图像二维模糊划分最大熵分割是快速、稳定的.

对摄影机的主要系统组成、工作原理和性能指标进行了简要介绍.论述了作为摄影机核心部件的曲柄摇杆式输片机构的类型、设计和动力学分析.为了适应两种不同的画幅尺寸要求(四片孔画幅尺寸为50×18.8 mm,八片孔为50×36 mm),设计并研制了两套输片机构.它们的接口形式和结构完全相同,可以方便用户快速更换,达到一机多用的目的.在该摄影机的研制过程中探索性地应用了虚拟制造技术,解决了由摄影频率提高而引起的一系列技术难题.虚拟制造的应用不仅提高了设计制造水平,同时也缩短了研制周期,降低了研制成本.实际应用证明了70 mm间歇式高速摄影机的研制是成功的.

在由四台光电经纬仪与雷达组成的测量网络中,为了提高光电经纬仪实时捕获跟踪空间目标的能力,建立基于目标位置估计的实时引导系统.利用滑窗式最小二乘法将光电经纬仪实时交汇数据和雷达的实测数据进行互联,解算出目标的瞬时位置,经时延补偿后获得目标的位置估计,经坐标转换后实现光电经纬仪的实时引导.实时引导系统充分利用了所有测量站的测量信息,可提高引导数据的引导准确度和可靠性.试验结果表明,该方法快速提供的平滑引导数据,不仅能准确将目标引入光电经纬仪的视场,亦可为其他测量设备提供参考数据.