研制了一种基于GaAs场效应管与超快脉冲信号微带传输的可编程任意波形发生器.它由计算机控制的多路高准确度偏置电压,多个级联的GaAs场效应管基元电路,以及微带脉冲传输线组成.输出电脉冲波形导入LiNbO3集成光波导调制器,经过电光调制获得相应的激光脉冲波形.通过计算机设置各基d元电路中GaAs场效应管栅极偏压,进而控制整形电脉冲的形状,使高功率激光装置前端时域脉冲整形实现远程控制.

在入射能量不同的情况下,用近红外飞秒激光脉冲在重钡火石玻璃(ZBaF15)内部产生了色心和微爆,在熔融石英的内部产生了多次微爆现象.实验表明:入射能量较高时,色心的中间会产生微爆;在松聚焦条件下,一个飞秒激光脉冲在透明介质内会激发多次微爆.基于飞秒激光脉冲在透明介质内的自聚焦效应和自由电子等离子体的自散焦效应,理论分析了多次微爆产生的原因;也讨论了飞秒激光脉冲诱导玻璃折射率改变的机理.

基于N-腔镜谐振腔理论对全光纤激光相干合成进行了理论分析,数值模拟了迈克尔逊型相干合成激光器的光谱特性,对两个光纤Bragg光栅的中心波长差和两路光的光程差对合成光谱特性的影响给出了理论解释.用啁啾光纤光栅取代其中一个光纤Bragg光栅,使激光相干合成的带宽由0.3 nm拓展到1.0 nm.

采用激光二极管纵向泵浦Nd:YVO4晶体,用一个线性平凹腔实现了1 064 nm和1 342 nm双波长连续波振荡,经BIBO腔内和频得到了593 nm的激光输出.当泵浦输入功率为1.4 W时593 nm激光输出功率为48.5 mW.593 nm激光功率的均方根稳定性＜2.0%,光斑椭圆度为0.90,峰-峰值噪音小于0.5%.

基于点扩展函数和傅立叶光学理论,推导出系统的相干传递函数,并详细研究了光纤对轴向分辨率的影响.研究结果表明:该系统为相干成像系统,系统的轴向分辨率随光纤半径A的增加而降低.最后,搭建了一套内窥式共聚焦成像系统,并测得光栅样品的共聚焦图像.实验结果表明,该系统具有良好的分辨率.

为了分析色散效应对晶体硅太阳电池反射率的影响,在考虑材料折射率色散效应的情况下,运用光学干涉矩阵计算了具有SiO2单层减反射膜和MgF2/ZnS双层减反射膜晶体硅太阳电池的反射率与波长的函数关系,并与实验结果和未考虑色散效应的计算结果进行了对比分析.结果表明:考虑折射率色散效应的计算结果与实验测量数据完全相符,而未考虑折射率色散效应的计算结果与实验测量数据相差较大,最大差值分别为21.5%和16.9%.

设计一种新型光子晶体光纤,可在300 nm带宽范围内实现近零超平坦色散特性.光纤端面上所有空气孔按照通常的三角形规则均匀排列,中央位置十三个排列成雪花形的空气孔小于其它空气孔,这些孔共同构成光纤的纤芯.这类晶芯型光子晶体光纤与传统光子晶体光纤相比具有较大的模场面积,尤其是,通过最佳化匹配晶芯和包层中的空气孔大小可以在300 nm带宽范围内实现超平坦化色散特性,甚至可得到近零色散的平坦化色散曲线.尽管光纤的晶芯为雪花状,但近场很快会演化为类高斯型场分布.

讨论了一维负折射光子晶体对光脉冲传播的影响.通过对光脉冲的透射场强的数值计算发现,频谱处于一维负折射率材料光子晶体禁带中的短脉冲通过光子晶体后基本保持形状不变,而对同样的短脉冲通过传统的一维光子晶体的透射脉冲则出现严重畸变.当考虑负折射率材料的色散时,讨论了位相时间随光脉冲载波频率的变化情况.

提出了一种在纤芯引入微小椭圆孔实现高双折射光子晶体光纤的方法.采用全矢量有限元方法和完美匹配层条件,依次研究了光子晶体光纤在纤芯中引入单个、双个、三个微小椭圆孔情况下的双折射特性.模拟结果表明,纤芯微小椭圆孔主导了光子晶体光纤的双折射特性,其参量及个数对双折射有着重要的影响,增大椭圆面积、椭圆率可以进一步提高光子晶体光纤的双折射.最后设计和研究了一种采用三环阵列椭圆孔微结构纤芯的光子晶体光纤,其双折射可以达到2.7×10-3.

本文采用指数函数拟合光纤基模端面衍射场光束参量与光纤基本参数的关系,分别得到了各个光束参量与光纤归一化频率V和光纤芯层半径a关系的解析表达式.把曲线拟合得到的基于V和a表达的解析函数的计算结果,与基于光纤芯层参量U、包层衰减参量W和光纤芯层半径a表达的解析函数的计算结果相比,当1.5＜V＜9.4,最大相对误差都小于2%.这些表达式可为快速分析和计算光纤基模端面衍射光束参量提供理论支持.

应用光波导理论分析了保偏光纤的POL定轴方法的基本原理.根据熊猫型保偏光纤的折射率分布模型,采用光束传播方法对影响熊猫型保偏光纤POL曲线分布的各种因素进行了仿真研究,包括不同观测平面、不同折射率分布(匹配型或非匹配)、是否加匹配液等因素.通过仿真结果与实验观测结果以及保偏光纤与单模光纤仿真结果比较,表明了理论分析与仿真方法的可行性.

对于在光频波段的负折射率介质材料,从理论上提出了测量其光学参量的棱镜耦合法,给出了测量原理、装置,同时给出了棱镜耦合法测量系统的精确理论模型.用转移矩阵方法推导出其满足的色散方程,从理论上分析了空气层厚度对测量结果的影响.用传输矩阵法进行了模拟论证,得到了模拟反射率曲线,同时模拟分析了空气间隙对测量结果的影响.

半导体光放大器的耦合光纤形成的外腔反馈通过引入弯曲损耗得以抑制.通过对半导体光放大器有源波导引入对前、后向光场非对称散射损耗,以前向光场部分损耗为代价,反馈光场能量被分布式地较强辐射.时域有限差分法仿真研究表明,通过优化弯曲有源波导的结构,相对于通常的有源直波导,在相同的材料增益和输入、输出条件下,反馈可以下降10 dB以上.由此可以简化高增益半导体光放大器的器件结构.

应用FEMLAB软件模拟掺镱双包层光纤放大器的脉冲放大特性.计算了在915 nm前向抽运下,光纤放大器中的上能级粒子数,抽运光和放大自发辐射在光纤中的稳态分布,以及高斯脉冲和方波脉冲的输出、能量及增益特性.与文献上的结果进行比较证明了该程序的有效性.

比较了掺钕光纤和掺镱光纤对1 064 nm光放大的特点.基于速率方程和传输方程,数值分析了在915 nm泵浦下双程掺镱光纤放大器的增益特征,并且和传统的单程放大进行了比较.分析了信号光和泵浦光,以及粒子数沿着光纤方向的分布特点.最后对双程掺镱光纤放大器进行了优化.

提出了利用一种高非线性微结构光纤构成非线性光纤环镜(NOLM)进行脉冲压缩和基座抑制的方案.所提出的微结构光纤具有高非线性系数和大反常色散.理论研究了基于这种微结构光纤的NOLM对脉冲的压缩效应,并分析了压缩的机制.数值结果表明,这种NOLM采用较短的光纤长度就能有效地压缩脉冲并明显抑制了基座.对于给定的输入脉冲,存在一个最优的环路长度,可以获得高质量的压缩脉冲.通过适当选择耦合比和环路长度,则可以完全消除脉冲的基座.

利用正切平方势把电子的Schrödinger方程化为了超几何方程,并用超几何函数严格求解了电子的本征值和本征函数利用量子力学中的密度矩阵算符理论导出了正切平方势阱中的线性与三阶非线性光学折射率的解析表达式计算了该系统中的线性与非线性光学折射率变化的大小,讨论了影响折射率变化因素文章以典型的GaAs/AlGaAs势阱为例作了数值计算,数值计算结果表明,势阱的形状和入射光强对光学折射率的变化有着重要的影响.

设计了一套折衍混合凝视红外热成像光学系统.该系统工作波段为8～12μm,F数为1,全视场达12°,总长140 mm,两个透镜均采用锗材料.衍射器件制作在第二片透镜的凸面上,可以采用金刚石车削技术进行加工.该系统成像质量接近衍射限并且相对折射系统更好地校正了色差.

设计了一款适于医疗培训用投影式头盔物镜系统,出瞳直径8 mm,视场50°,能够满足对角0.9英寸微显示器对超高分辨SXGA模式的显示要求.其结构紧凑,口径10 mm,长度12 mm,重量仅有5 g.本物镜系统场曲仅0.35 D,畸变仅0.64%.为考察本投影式头盔系统的成像特性,研究了不同"逆反射材料"的特性.实验得到高强级逆反射材料在±40°视场范围内反射光强无明显变化,适合做为投影屏幕材料,定量分析了逆反射屏放置位置对成像的影响.

设计了一种新型的头盔投影光学系统,解决了头盔系统中大视场和双目实现之间的设计矛盾,且有较小的重量和尺寸.系统的特性参量为:视场角60°,有效焦距30 mm,出瞳距离25 mm,出瞳直径12 mm.该系统由折/衍混合双高斯镜头、半透半反镜和回射屏组成.像差分析结果表明,系统的最大像散为0.27 mm,垂轴色差小于2.7μm,畸变小于3.8%,最小分辨角为0.5 mrad,成像质量高.

根据表面等离子体共振的原理,建立了可用于长期、实时、不间断检测的水质分析系统.为了提高系统的稳定性,对表面等离子体共振传感芯片进行了改进,利用LB法在传感芯片的金属膜表面镀制了聚苯乙烯(PS)层.利用改进前后的表面等离子体共振传感芯片分别对两种样品进行了稳定性实验研究.分析经过长时间检测前后所测得的实验数据,发现改进后的水质分析系统所测得的溶液表面等离子体共振共振角的变化为改进前系统的1/10,最小反射率改变为改进前的1/30.实验证明,经过改进的水质分析系统能更适用于长期不间断的检测分析.

鉴于钛合金材料具有低弹性模量、受温度影响小等特性,设计制作了一种以钛合金管作为光纤Bragg光栅应变增敏衬底元件的高压压力传感器件.通过与电阻应变计实时监控的对比,从实验上研究了光纤Bragg光栅的中心波长偏移对调谐压强的响应.结果表明:这种增敏设计,具有良好的线性响应和可重复性,且与理论推导结果吻合较好.增敏后对压力的响应灵敏度可达0.034 nm/MPa,测压量程可达0～40 MPa,甚至更宽.

用硅橡胶对Mach-Zehnder干涉仪的传感臂进行涂敷,可以增加干涉仪压力传感的灵敏度.实验中分别使用宽带和窄带光源,借助光谱仪和光功率计观测干涉谱波长改变和光谱峰值功率变化,对微小压力进行了测量.当压力改变为1.03×10-4MPa时,波长改变约0.02 nm,系统传感灵敏度为1.96×10-4nm/Pa,是涂敷前的2.15倍.

利用掺杂铒元素荧光光纤的试验样品实验测试了荧光寿命的温度特性,并得到荧光寿命在不同温度下的应变响应关系.试验表明,荧光寿命会随着温度的升高而降低;与温度相比荧光寿命随应变的变化很小.提出了一个潜在的同时测量应变和温度的传感器模型.

以扩展素数码(EPC)作为时间扩频伪随机序列,单重合序列(OCS)作为波长跳频伪随机序列,构造了一种新的二维光正交码EPC/OCS,并分析了码字的互相关性能.与修正素数跳频码MPHC相比,EPC/OCS的波长数并不局限于素数,可以是任意整数,不仅构造灵活,而且可充分利用MWOCDMA系统的有效波长数.当系统的有效波长数大于某个素数时,EPC/OCS不仅码字容量大于MPHC,而且互相关性能也有所改善.理论分析表明,EPC/OCS可降低MW OCDMA系统误码率.

从理论上研究了级联双折射光纤环镜滤波器的滤波特性,给出加隔离器与不加隔离器两种不同结构的串联双环镜滤波器透射光强的表达式,并对于两个环镜取不同的周期比时的滤波特性进行了数值模拟和分析.得出串联环镜滤波效果与级联顺序无关,光隔离器对滤波效果不会产生影响,只是增加了插入损耗.通过级联和改变两个环镜的双折射光纤长度比,可以获得不同的滤波效果.最后给出了多个环镜直接级联后透射光强的通项表达式,通过对通项式的理论分析可以设计不同的滤波器.

基于超快非线性干涉仪UNI开关具有超过40 Gbit/s的开关速度,提出一种在锁模环形腔内利用UNI开关进行时钟提取的新方案.按此方案进行实验,对40 Gbit/s伪随机信号进行时钟提取,得到了清晰稳定的时钟脉冲.与利用SOA的交叉增益调制注入锁模时钟提取方案相比,在此方案中注入到SOA的信号功率仅0.5 dBm,降低了7 dB左右,对SOA的运行更安全.

提出了一种基于半导体光放大器加窄带光纤光栅滤波器,将非归零信号转换为伪归零信号,再把伪归零信号注入到主动锁模环行腔激光器进行时钟提取的非归零信号时钟恢复方案.利用该方案实现了10 Gb/s伪随机非归零信号的全光时钟恢复,对工作原理和结果进行了分析和讨论.实验证明该方案具有结构简单,调整容易,输出波形好的特点.

在中空的柱状有机玻璃中充入Intralipid-10%溶液构成单层圆柱模拟样品.在会聚单色光入射Intralipid-10%溶液的情况下,利用特制的光纤探头、锁相放大器、斩波器和微动平台等组成测试装置,测量了柱状Intralipid-10%溶液内后向散射光、能流率的空间分布情况,并对测量结果进行分析.对参量不同的溶液中的光分布进行了比较,得出了柱状溶液中光分布的初步规律.

利用一束单频探测超声穿过由脉冲激光照射产生的光声激发区域,使之与光致声场产生相互作用,光声信号将耦合到探测束上,再解调探测超声来重建光吸收区域的图像,可以得到丰富的组织信息.该信息不仅反映了组织中光吸收的特性,也反映了组织的声学特性.实验中,通过旋转超声探测器进行数据采集,并利用滤波反投影算法重建图像,可得到高信噪比的光声层析图像.由于激光的窄光谱线宽,其吸收是特征分子选择性的,所以此方法既是一种无损伤的结构层析成像方法,也可用于组织的功能成像.

以辐射传输方程为基础,讨论了生物组织光传输问题的线性空间平移不变性,同时建立了层状生物组织光传输问题的系统理论及相应的计算模型.与Monte Carlo方法的对比计算表明:该模型在保证结果准确性的前提下,可极大地提高生物组织光传输问题的计算效率.在此基础上,将该模型应用于层状生物组织内会聚光传输问题的理论计算,讨论了光源会聚角对生物组织内光场分布的影响.

根据全息理论和光的衍射理论,理论分析了数字全息显微术原理,并依据四步相移和最小二乘相位展开技术,研究了重构细胞相位的方法.设计了用球面光波作为参考光的反射式数字全息显微光路,通过反射式数字全息显微术的方法分析研究了新鲜洋葱表皮细胞的形貌结构.实验以新鲜洋葱表皮细胞为样本,完成了实验检测和相位重构,得到了细胞的相位和三维信息.分析表明,系统理论分辨率应达到0.8 μm.

利用偏心高斯光束相干叠加方法,建立了柱坐标系下环状平顶光束模型.采用广义强度二阶矩定义,推导出环状光束广义M2因子的解析表达式.利用广义衍射积分理论,给出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式,并进一步给出了环状平顶光束修正的菲涅耳数定义.分析了环状平顶光束在自由空间的传输规律.研究结果表明,该模型可统一描述基模高斯光束、环状高斯光束以及环状平顶光束.环状平顶光束的广义M2因子和环状平顶光束的传输特性与其阶数及遮拦比有关.

将电子散斑干涉场的三维载波调制技术应用到三维物体变形测量中.用水平方向、竖直方向及垂直试件表面的三路相干光分别照明物体,在水平和竖直方向通过控制反射镜的微小偏转引入载波,实现位移场干涉条纹的调制;利用物体的微小偏转实现离面位移场干涉条纹的调制;结合傅里叶变换法,分别解调出变形场的位相,从而实现了物体三维变形场的精确测量.将该技术应用到柴油机油泵的三维位移测量上,成功测量了油泵的三维位移场.

利用折射定律和菲涅耳公式,研究了双Wollaston棱镜的光强分束比随入射光波长、棱镜结构角以及入射角等参量的变化关系,并进行了实验验证.结果表明:光强分束比随入射光波长的增大呈线性递减趋势;棱镜的结构角越小,光强分束比也越接近1;入射角对光强分束比的影响基本呈二次曲线型变化;当光正入射时,光强分束比最接近于1.给出了理论曲线和实验值的对比.

对绝对量热式高能激光能量计测温电阻丝的温度特性进行了研究.以锥形吸收腔高能激光能量计为实验模型,分别对处于自由状态下以及缠绕于能量计吸收腔表面后的测温电阻丝的温度电阻特性进行了实验分析.结果表明,两种状态下测温电阻丝的电阻随温度变化规律并不相同.用最小二乘法对测温电阻丝的电阻与温度实验数据进行数据处理并建立补偿模型,从而对缠绕于吸收腔表面后的测温电阻丝的电阻温度关系标定,经修正后能量计的测温电阻和Pt100电阻的偏差小于0.01 Ω,温度偏差小于0.02℃,从而提高了能量计测温准确度.

为了提取并表示高分辨率遥感影像中的主干道路段,提出了一种多分辨框架下的平行活动围道模型的算法.该算法在活动围道模型原理的基础上,重新定义各能量项:采用抛物线做为道路段的先验模型,增加了平行性能量,并采用多分辨框架下的梯度做为外部能量.该模型的优化过程实现了道路的定位,得到的结果是平行抛物线的参数,实现了道路的矢量表示.实验结果表明,能有效提取高分辨率遥感影像中的主干道路段.

为了使CTH:YAG激光器的设计得到更好的优化,从晶体光谱吸收特性、离子间能量转移过程及准三能级运转方式对CTH:YAG激光器的工作特性进行了理论分析;依据速率方程理论建立了CTH:YAG激光器运转的理论模型.模拟能量输出与试验结果较好的吻合,验证了此理论模型描述CTH:YAG激光器运转规律的合理性.模拟结果表明:CTH:YAG激光器的激光脉冲输出与泵浦有较长的时间延迟且伴随较强的驰豫振荡,冷却温度对激光输出产生较大的影响.

为综合利用不同波段的偏振信息,以便有效地去除背景杂波的影响,提高目标检测的效果,提出一种基于伪彩色映射和窗口线偏振度熵为系数的自适应加权多波段偏振参量图像融合方法.该方法是根据目标和杂乱背景的特性及多波段成像偏振探测的基本原理,利用目标偏振特征的波长依赖性,不同波段偏振图像所反映场景信息的差异,同一波段Stokes参量图像之间的关系,以及线偏振度图像所反映的有关人造物与自然背景之间的关系.将其应用于不同真实场景下多波段偏振图像,仿真结果和评价指标表明,该方法在背景抑制方面取得了良好的效果.

介绍了利用高速电视姿态测量系统对目标姿态进行交汇测量的原理,使用检测架、平行光管以及图形板(刻有不同角度的目标刻线)室内模拟无穷远目标姿态.用高准确度经纬仪对模拟的无穷远目标姿态进行标定、测量结果与采用高速电视姿态测量系统对室内模拟目标的测量结果比较,可知高速电视测量系统姿态角的测试准确度.推导了目标姿态角计算公式,对经纬仪对无穷远目标姿态进行标定的方法进行了准确度分析,得出经纬仪目标姿态角标定的最大误差,并且经过实验进行了验证.

基于弹性力学空间问题的基本理论与有限元计算技术,建立了转镜力学分析的数值方法,并与四面体钢转镜的计算结果做了对比,表明它能够较为精确地模拟出转镜的强度及其任意点处的位移.利用该方法,计算了目前常用的三面体金属铍转镜和铝合金转镜的稳态强度,得出了转镜镜面变形量及内部应力分布的定量数值.结果表明,金属铍转镜在强度和镜面变形两方面均优于铝合金转镜.

利用电视经纬仪的跟踪测量功能,以平行光管作为目标,实现了对摄像系统重要参量的精密测量.结合高准确度轴角编码器,可以对焦距进行标定.通过方位和俯仰方向的角位移,利用镜头畸变的轴对称性,可以确定光轴的位置.对整个视场进行抽样采点,得到一个畸变的网格场,通过拟合得到畸变系数,可以进行高准确度畸变修正.