基于衍射理论和坐标变换,采用数值模拟的方法分析了硬边非稳腔平面波导激光器的光束特性,研究了存在非均匀抽运和增益饱和时,输出激光的光束质量.在端面抽运和边缘抽运时,比较了正支和负支非稳腔的输出光束特性.结果表明:利用优化的离轴硬边非稳腔可以得到近衍射极限的输出.在相同的抽运不均匀性情况下,对于边缘抽运和端面抽运,正支非稳腔的光束质量因子M 2分别为3.9和2.3,而相同条件下负支非稳腔的M 2因子为1.8和1.7.

用有限元方法研究了端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的温度和端面热形变分布规律.研究表明,激光晶体的端面热形变分为端面伸长形变和鼓出形变两种,晶体的热形变透镜效应是由鼓出形变引起的.在端面抽运的Nd∶YAG晶体中采用第三类热传导边界条件,实验测量了晶体的端面伸长和端面鼓出形变,结果与理论分析相一致.

利用多普勒原理对Cr原子束进行横向准直.为了得到好的激光准直效果必须首先把激光的中心频率稳定在偏离Cr原子共振中心频率-5±0.26 MHz的位置上.经过多次的理论与实验得出了优化的实验参量,并且得出如果探测光束与准直光束不平行会造成横向线宽的展宽.根据实验数据选择合适的实验参量,实现利用多普勒原理横向准直Cr原子束,得到准直后Cr原子束的横向发散角为0.48 mrad, 横向温度为265 μK.

表征了新合成的热光聚合物bisphenol A-aldehyde resin (BPA-resin)的独特性质.并且利用光刻和反应离子刻蚀技术(RIE)制备成功BPA-resin 聚合物的单模条波导.实验结果表明,对于TE和TM偏振,该聚合物波导在1.31 μm和1.55 μm波长下分别有低达0.43 dB/cm和0.51 dB/cm的传播损耗.在上述波长下,波导的低偏振相关损耗 (PDL)小于0.1 dB/cm.因此,是制备可调热光器件的良好导波模快.

为了研究光波导和光子晶体光纤的模式特性和传输特性,从矢量波动方程出发,推导出了各向异性介质中场微分方程复数泛函表达式,利用棱边/节点混合元离散了该泛函,加入了各向异性介质匹配层边界条件,得到关于传播常量的广义特征值方程.以矩形波导为例,对各向异性介质匹配层边界条件的吸收特性进行了研究,得到了基模以及几个高阶模的场分布、色散曲线和损耗曲线.结果表明该方法可靠有效.对正六边形晶格光子晶体光纤进行了分析.数据表明:光纤有效折射率随空气孔直径或波长的增大而减小,但与空气孔圈数无关;光纤限制损耗(confinement loss)随波长增大近似成指数增大,而增加空气孔直径或者空气孔圈数则可使之显著降低.

提出了一种新的高分子波导分波器结构,用以改善波长串扰以及偏振变动、波长带宽等引起的劣化影响.主要技术特征是采用两支参量不同的波导来构成非对称定向耦合器.报告了用非对称定向耦合器构成的马赫-泽德尔干涉型波导分波器的结构特点、基本工作原理和光学特性,详细讨论了器件的设计原理和器件性能优化的处理方法.采用三维波束传播法做了仿真验证,结果表明,该器件在1 550±5 nm和1 310±5 nm的波长带域上、对两个正交偏振态均实现了串扰小于-40 dB的高隔离度分波特性.

采用两步法研制方形自聚焦透镜元阵列(简称SSLA),即先制成方形自聚焦透镜,并对其光学特性进行测试,然后再按一定规则排成阵列,从而成功研制出SSLA,并针对它的成像情况进行了研究.SSLA的成像方式有两种:多重像和综合像.由于SSLA的综合成像应用范围比较广,尤其在光复印机和传真机中得到了很好的应用,进而重点研究其综合像.通过研究表明:SSLA不但成像质量理想,在一定程度上也能解决提高填充系数(定义为有效受光面积与总面积之比)这一难题.

在AWG器件的设计中引入了抛物线型的楔形波导结构,根据过渡区理论优化了引入的抛物线型楔形结构的形状和尺寸.采用抛物线型楔形结构代替直线型楔形结构,AWG的插入损耗降低了2 dB左右.在优化参数时使输出/输入波导间距与阵列波导间距取不同的值,并使输出/输入波导间距适当增大,而阵列波导间距取较小值,这样使得串扰降至-30 dB以下且插入损耗保持在低水平.运用光束传播方法给出器件的输出光谱并证实了理论上预想的结果.

掺入0.33%苯基三氯硅烷制备了分子量为51 874的支化聚甲基苯基硅烷,由此改善了聚甲基苯基硅烷薄膜波导的成膜质量.报告了相应的成膜技术、膜厚控制技术、热处理技术和热氧化现象.采用紫外曝光手段研究了支化聚甲基苯基硅烷薄膜的光漂白效应,定性测试了曝光剂量与反应生成硅氧烷的正比关系.实验归纳了支化聚甲基苯基硅烷薄膜的光折变规律,获得了控制薄膜厚度和折射率的定量条件.

设计了芯间距较小的特殊结构四芯光纤,可用于生成格子光场或用于制作光纤传感器.研究了在采用相干长度较短的LD光源的情况下,经过一段既弯曲又扭转的四芯光纤远程传输后的纤端光场干涉特性.基于叠加原理,出射光场可视为每个独立纤芯的多光源相干叠加和圆孔衍射调制共同作用的结果,推导了相应的理论公式,给出了四芯光纤远场干涉的理论与实验相一致的结果.对光纤弯曲所导致的光程差累积和偏振态衰变效应进行了分析和讨论,并给出了相应的实验结果.

将Ni(NO3)2-Mg(NO3)2体系作为催化剂前驱体,在不同气源比例下用CVD催化裂解法制备纳米碳管,用SEM、TEM和喇曼光谱对其进行了表征和分析,制备出完整性好的纳米碳管.再用两种工艺和配方制备其场发射阴极,对阴极样品进行了场发射性能测试.结果表明,经过氢处理在Si基上制备的CNT阴极发光效果好,且具有良好的场发射性能.

设计了利用多颗LED(Light Emitting Diode,发光二极管)阵列组成的扩展面光源.经过合理的聚光设计使之符合某些投影设备对亮度要求不是很高,但结构紧凑、性能稳定、使用寿命长的要求.结合数学建模和软件模拟的方式设计了一种小巧的反光杯,利用反光杯把LED近180°的发散光束汇聚到60°左右;然后再用一一对应的透镜阵列汇聚为平行光;最后采用柯勒照明方式把较大的面光源阵列汇集到LCD投影屏幕上,从而达到了较高亮度且具有很高均匀性的目的.

研究并实现了几种光突发交换网络的关键技术,包括高速的突发组装技术、突发调度技术及突发光发射及接收技术等,其中突发接收具有较高的灵敏度和小于80 ns的时钟数据恢复时间.在这些技术的基础上,建立了一个灵活且可扩展的光突发交换网络实验平台.在OBS网络平台上进行了TCP性能评估实验和多QoS业务传输实验.实验结果表明光突发网络中丢包率严重影响其上TCP的性能,但若丢包率小于0.1%,则TCP性能可得到一定程度的保证.光突发交换网络实验平台上的TCP传输实验还表明了OBS物理层带来的额外延时对上层TCP带宽有极大的影响.实验结果还验证了OBS网络中的QoS保证机制.

研究了偏振相关的集总放大方案对非线性脉冲传输特性的影响.提出利用非线性增益的偏振相关集总放大方案去抑制脉冲偏振成分的分裂-融合碰撞行为和由随机双折射引起的线性色散波.数值计算结果表明:采用具有非线性增益的偏振相关集总放大方案,经过第一个放大器后脉冲的差分群时延变小,这说明了周期性的脉冲分裂-融合碰撞行为得到了有效的抑制.并且,随后的放大器因不同偏振相关的增益将促使脉冲偏振成分要么以呼吸振荡行为出现,要么以时域完全捕获行为出现.

推导了考虑二、三、四阶色散的高斯脉冲传输方程;利用计算机数值模拟的方法,研究了四阶色散(FOD)对飞秒高斯脉冲在单模光纤中传输特性的影响.模拟结果显示:只有在入射脉冲宽度窄到飞秒量级时,即对应传输速率很高的情况下,FOD对脉冲的影响才明显;FOD导致脉冲形状发生了畸变,畸变特点不同于二、三阶色散;随着初始脉宽逐渐减小,FOD所致的飞秒高斯脉冲畸变经历了一个脉冲仅仅展宽,到展宽脉冲的两翼出现"底座",到展宽脉冲的两翼出现具有微小振荡"底座"的变化过程.

基于半导体光纤环形腔激光器的四波混频型可调谐全光波长转换器的宽带理论模型,从理论上研究了输入信号光功率、注入电流、两个耦合器的耦合比、激射光波长和半导体光放大器有源区长度对转换光频率啁啾的影响.结果表明:转换光的频率啁啾随着输入信号光峰值功率、注入电流以及SOA有源区长度的增大而增大,随两个耦合器耦合比的增大而减小.

针对基于高精细度F-P滤波器的40 Gbps全光时钟提取得到的时钟中所含有的低频率噪音,提出了利用半导体光放大器对其进行抑制的方案.理论上,利用SOA的传输函数对其低频抑制作用进行了分析,并通过实验予以验证.在实验中,利用该方案得到了较高质量的40 GHz时钟,均方根抖动＜1.4 ps.

提出一种基于光子晶体光纤中脉冲俘获现象的超高速全光开关.信号脉冲处于正常色散区,它们彼此的时域间隔为1 ps.通过数值求解光子晶体光纤中脉冲传播满足的耦合非线性薛定谔方程,发现用孤子脉冲可俘获信号脉冲串中的任何一个脉冲,被俘获的信号脉冲的中心波长明显蓝移,在频域上和其他信号脉冲分离开来,于是让信号脉冲串在输出端通过布喇格光纤光栅,被俘获的信号脉冲将被过滤掉.数值模拟表明,用脉冲俘获实现的光开关响应速率可以达到1 THz.

推导了准单色光波情况下高斯脉冲伪随机序列偏振度的简洁数学表达式.理论分析结果表明,偏振度与差分群延迟之间的关系与线路啁啾和光纤色散无关,并且此关系可以由光信号频谱半宽度Δω和分光比γ唯一确定.用10 Gbit/s 7级m序列归零码进行的实验表明:实验结果与理论推导基本一致,从而验证了推导公式的正确性.

介绍了转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪(ROSI)的设计计算方法,包括系统基本参量计算、光程差与干涉仪结构参量和转镜角度的关系以及转镜转速与探测器采样帧频的关系等,同时,分析了像点位移与探测器采样之间的失配问题,并给出了最小采样频率公式.

针对高分辨率成像光谱仪的应用要求,对大孔径静态干涉成像光谱仪在不同光照条件下进行了计算分析,表明这种成像光谱仪在能量利用率方面有明显优势.研制仪器的机载飞行试验结果表明,虽然机载试验在2004年12月份进行,太阳高度角在全年中最小,但是图像的个别地方仍会饱和.机载飞行试验进一步验证了干涉成像光谱仪的高通量特性,同时也说明,仪器的地元分辨率指标还有提高的潜力.

采用传统陶瓷烧结工艺,在无压还原气氛下低温制备出透明性良好的掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷,测试了其在室温下的吸收光谱、发射光谱和荧光寿命.结果表明,掺Yb3+氧化镧钇透明激光陶瓷的吸收系数随着Yb3+掺杂浓度的增加而增大,最强吸收峰974 nm处的吸收截面为0.90～1.12×10-20 cm2;主发射峰1 032 nm和1 075 nm处的发射截面分别为1.05×10-20 cm2和0.87×10-20 cm2; Yb3+掺杂浓度为5at.%时荧光寿命为1.38 ms,并随Yb3+掺杂浓度的增加而减小;当Yb3+掺杂浓度超过10at.%时,样品中存在严重的浓度猝灭.产生浓度猝灭的原因是高掺杂时离子间存在合作上转换和能量转移.

利用太赫兹时域光谱装置测量各种纯化合物的吸收谱,采用线性回归技术,对测量的化学混合物太赫兹吸收谱进行分析,得到样品中化合物的成分和相对含量.通过对蒽醌、苯醌和二苯甲酮混合物太赫兹吸收谱的研究,证实了利用整个测量波段的频谱作为化合物的指纹特征来分析化学混合物的成分和相对含量的方法是可行的.

针对编码模板存在的各种不同误差情况,确定了相应的循环编码矩阵.根据阿达玛变换成像光谱仪的编码和解码原理,通过比较解码得到光谱图像和原始图像.分析了光谱图像在编码模板存在各种不同误差的情况下,随编码模板误差的变化情况,得到了光谱图像随编码模板误差变化的大致范围和基本关系.

在特定波长下,用四层结构模型模拟了Mo/Si多层膜的软X射线反射率.研究了扩散屏障层dMo-on-Si和dSi-on-Mo对Mo/Si多层膜软X射线反射率的影响.研究发现,扩散屏障层并不总是损害Mo/Si多层膜的光学性能,通过合理设计dMo-on-Si和dSi-on-Mo厚度,增加dMo-on-Si与dSi-on-Mo的比值,也能提高多层膜的软X射线反射率.

在测试大量纤锌矿GaN外延薄膜透射光谱基础上,通过对有代表性的四个样品的透射光谱进行拟合,获取了GaN外延薄膜的光学常量并计算了薄膜厚度.结果表明:GaN外延薄膜的折射率差异较小,但在370～800 nm波长范围内消光系数差异很大,GaN薄膜的消光系数差异在一定程度上可用以评价外延薄膜的质量.

介绍了一种利用光电极值法同时控制规整膜系和非规整膜系的方法,利用VC++编写程序实现对光学监控信号的采集、处理及停镀点的自动判断,实现了规整膜系和非规整膜系膜层厚度的自动控制.并利用该膜厚自动控制系统实验制备了规整膜系和非规整膜系多层膜,实验结果表明:利用该系统镀制的薄膜重复性良好,且光谱曲线和理论光谱曲线吻合较好.该系统解决了非规整膜系的监控问题,由计算机控制膜层的停镀点,排除了人的主观因素对薄膜的性能及其制备的重复性产生的影响,提高了薄膜镀制的重复性和成品率.

基于投影栅线的三色条纹相移算法与投影栅线法相结合,提出一种数字三色条纹相移形貌投影栅线法.此法是对时间相移法的改进,只需一幅三色条纹图,就可利用简单的三光强相移算法完成物体表面的形貌重建;不需要相移装置而误差较小,成本较低,简易实用,将有利于推广到动态实时分析.实验证明,此法是正确可行的.

在共聚焦显微镜中,通过系统的归一化轴向光强半高宽与探测器有效半径和非相干光源有效半径的关系曲线,获得非相干光源照明下系统光学层析能力的变化规律.发现当探测器和光源的有效半径都小于3时,系统具有较好的光学层析能力;其他情况下,系统光学层析能力下降且会受入射光场分布的影响.

借助琼斯矩阵对全光纤电流互感器的偏振误差进行了研究.通过建立光纤电流互感器各主要光学器件的琼斯矩阵表达式,推出了反射式光纤电流互感器的干涉表达式,并分析了各光学器件主要参量对其测量准确度的影响.

设计了一种基于半导体光吸收原理用于对环境温度进行测量的光纤温度传感器.该传感器使用砷化镓晶体为温度敏感材料,采用透射式探头结构,以塑料光纤为传光介质,具有结构简单、可靠、成本低的特点;通过实验研究了采用不同光源时传感器系统的输出随温度的变化关系,分析了光源的光谱特性对传感器系统的测温范围及灵敏度的影响;最后提出一种采用双波长补偿系统提高系统抗干扰能力和稳定性的改进意见.

利用严格电磁理论分析了负折射材料界面上激励表面波的相关特性,证明两种偏振入射都能在负折射材料与正折射材料界面上激发表面波,并推导出了相应表面波的传播波矢和激发条件.针对负折射材料在表面波传感方面的应用,对膜厚选择,偏振态,测量范围,线性度等性能参量进行了具体分析,与传统的金属表面等离子波传感器相比,使用负折射材料在灵敏度相当的情况下,能有效提高线性度,增大测量范围,提高信噪比.

将被动抗振和主动抗振相结合的混合控制技术应用于解决光学移相干涉仪抗振系统的不确定性问题,其中主动抗振采用鲁棒控制策略.该方法克服了由模型和干扰所引起的不确定性,使得控制系统能够有效地抑制抗振模型的不确定性和外部振动的干扰.仿真结果表明,该方法使光学移相干涉仪在振动的干扰下具有较好的鲁棒稳定性和控制准确度.

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响. 模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06%.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.

分析了探测系统中存在的高斯白噪音和激光器相位噪音的统计特性,研究它们对探测系统性能的影响.计算结果表明只要维持足够低的激光器相位噪音就能实现高准确度的光束定向.

提出了基于机载激光雷达应用于海洋赤潮的监测与预报方法,以检测激光水下后向散射光信号,实现对海洋赤潮藻密度信息的获取.引入赤潮藻散射系数的概念,建立了机载激光雷达的赤潮藻散射系数探测模型.通过仿真计算,证明该模型可以有效评估出赤潮藻密度的大小,进而实现对赤潮消长过程的判断.

报道了应用Mie散射激光雷达探测云层的实验.利用改进的Klett反演算法对所测雷达回波信号反演获得大气消光系数分布,进一步求出云层高度、厚度及光学厚度.研究了云底高度和云层厚度在不同天气下的变化情况.获得了成都地区云层的一些重要信息,并对所得结果进行了分析讨论.

以色度学的基本理论为基础,结合数字光处理光学引擎的工作原理,探讨了单片式数字光处理光学引擎的彩色显示原理和色温调节原理.提出了单片式数字光处理光学引擎色度学特性的理论计算公式,并利用该公式对夏新DL52HWT型投影电视光学引擎的显示三原色色度坐标、白场平衡的色度坐标和相关色温以及颜色复现误差等色度学特性进行了计算和分析,并对理论计算公式进行了验证.

提出一种基于计算机单目视觉的飞行器副翼、襟翼、方向舵和升降舵角位移传感器的非接触标定方法.用共面的两个特征圆组成一标定靶固定在飞行器舵面上,用一台定焦数码摄像机对标定靶拍照,获得特征圆数字图像.经图像分析确定特征圆圆心及直径在像面上的透视投影位置和长度,根据透视投影逆变换原理建立物和像空间坐标关系的解算模型,进而导出靶面平面方程.飞行器舵面角位移则由标定靶面的法线方向余弦来表示.仿真结果表明,该方法具有标定过程快速、简单和准确的特点.不需事先标定摄像机内外部参量,其标定准确度优于0.2°.

在分析e2v公司的CCD47-20 Backthinned NIMO型CCD器件驱动时序关系的基础上, 设计了可调帧频和曝光时间的空间面阵CCD相机驱动时序发生器及其硬件电路.选用可编程逻辑器件作为硬件设计载体,使用VHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述.针对ALTERA公司的EPM9400LC84-15对设计进行了RTL级仿真及配置,完成了时序发生器的硬件电路.硬件实验结果表明,所研制的驱动时序发生器不仅可以满足空间CCD相机的驱动要求,而且还可以调节帧频和曝光时间.

报道了一种新型的适用于浑水条件下的集束光水下图像系统.分析了目前水下观察采用的两种技术-同步扫描技术和距离选通技术,介绍了该水下图像系统的构成原理以及系统组成.通过水池实验,验证了系统的有效性.给出了集束光水下图像系统与水下激光图像系统在探测距离及其它性能方面的比较结果.该系统有望在海洋工程及**上得到广泛应用.

针对传统水平集算法在处理低对比度图像时,出现的在局部梯度极大值区域及虚假边缘处停止演化等问题,提出了一种基于小波变换的多尺度水平集算法.采用高斯函数的导函数作为小波函数,使用独立强度传播模型来估计小波函数每一点尺度因子的值,再将沿x,y两个方向小波变换模的递减函数作为水平集速度停止项,对待处理图像进行水平集演化运算.实验结果表明,该方法优于传统水平集变换法.

为了将有效的文本检索技术应用到图像检索中,结合人眼视觉特性及方块编码的思想,提出了一种基于图像关键子块的检索算法.即首先利用图像方块编码的思想将图像预先分成互不重叠的子图像块,然后利用方块编码的思想,根据块的灰度差对这些子图像进行独立地编码,这些子图像的方块编码构成的块不仅能有效的描述图像的纹理内容,而且可以反映图像的形状分布和边缘分布.以此来定义图像的关键子块.最后借助文本检索技术来实现图像检索.同时,考虑到不同类型关键子块在图像中出现的频度对检索效果的影响,又提出了相应的改进算法.实验结果表明,该算法是有效的.

提出了一种基于相邻像素间的灰度差异来提取图像多像素边缘的方法.对一幅256×256大小的图像进行边缘提取需要的时间约0.22 s,分别比Prewitt算子和Robert算子少了26%和34%.算法改进后,较完整地提取了图像的竖直边缘和水平边缘,这些边缘在Prewitt算子和Robert算子的提取结果中是不可见的.经细化算法后,得到了图像清晰、位置精确的单像素边缘图像.研究表明,本文的多像素边缘提取等诸方法具有模型简单、实时性强等特点,且便于实现.