在多模掺镱双包层光纤上,利用相位掩模法直接写制 Bragg 光栅作为激光器后腔镜,得到多波长激光输出,在室温下,通过调节偏振控制器可以得到稳定的单波长及多波长的激光输出,输出波长范围在 1056～1061 nm,线宽均小于 0.02 nm.在 25 W 的 976 nm 激光泵浦下,激光器得到功率为 6W 的多波长输出.

采用非线性光纤环形镜加脉冲锁模技术及可调谐光纤光栅滤波器,对8字形腔被动锁模掺铒光纤激光器进行了波长可调谐输出的实验研究.在 EDFA 抽运光功率一定的情况下,通过调节偏振控制器和可调谐光纤光栅滤波器,获得了光谱稳定、重复频率 1.1 MHz、输出功率起伏小于0.8 dBm、中心波长在 1 548～1 570 nm 内连续可调的短脉冲输出,该激光器可实现自启动锁模,且长时间稳定工作无需任何调整.

讨论了提高 3 391 nm He-Ne 激光器输出功率稳定性的相关技术问题.设计了适合该激光器的腔体结构,研完了放电参量和稳定性.在反射镜曲率半径与腔长比值为 1.6,有效放电长度为0.2 m 的情况下,得到了 1.72 m W 的多模连续输出,其光束发散角为 6.43 mrad.在采用光反馈稳定技术后,功率输出的变化不大于2%.

提出了在飞秒锁模钛宝石激光器腔内产生太赫兹辐射的新设计方案,并给出了太赫兹产生器件的结构参数以及器件的设计原理.新设计的器件把光电导太赫兹偶极天线发射器与飞秒钛宝石激光器的可饱和Bragg 反射镜结合在一起,不仅可以提高太赫兹辐射的产生效率,而且可以使飞秒钛宝石激光器自启动锁模.

实验研究了 N*-Sc*相变时施加直流电压的强度对铁电液晶分子层排列和电光性能的影响,由此筛选了合适的直流电压强度,并研制了可实现连续灰度级的半"V"字形铁电液晶样品.实验说明 N*-Sc* 相变时施加直流电压强度大有利于获得性能良好的器件.采用 N*-Sc* 相变施加4V/μm 直流电压,制备半"V"字形铁电液晶器件,经测试器件饱和电压为 5V,对比度为 112.8,上升时间和下降时间分别为 622.14 μs 和 374.7 μs.

在对传统绝对式光电轴角编码器编码方法原理研究的基础上,设计了一种单圈绝对式光电轴角编码器.详细地介绍了该编码器的位置定位算法,具体给出了信号拾取装置和信号采集系统的硬件设计方法,并分析了影响编码器准确度的主要因素.检测结果表明该编码器的原理和设计是正确的,为实现光电轴角编码器的小型化、智能化提供了理论依据和试验基础.

提出了利用亚微米光栅制作导光板的方法,给出亚微米光栅型导光板的初始结构,用严格耦合波理论计算分析了在满足基底全反射条件的 45°入射角下红(700 nm)、绿(555 nm)、蓝(465 nm)三色光垂直出射的亚微米光栅(0.651μm、0.516μm、0.433μm)在槽深 0.05～0.9μm 之间变化时,透射衍射效率在 2%～43%之间变化.分析了亚微米光栅的作用,做出性能评价,并研究了特定范围入射角引起的衍射角变化.

对离子交换波导制备过程中掺铒磷酸盐玻璃表面的侵蚀问题进行了研究,分析了产生侵蚀的原因,提出镀 K9 玻璃薄膜的方法,对掺铒磷酸盐玻璃表面进行保护.采用光学显微镜和原子力显微镜对波导表面特性进行了表征,同时对平板波导的光学特性进行了测试.研究表明 K9 玻璃薄膜不仅能够对掺铒磷酸盐玻璃起到保护作用,同时允许交换离子透过进入磷酸盐玻璃形成波导层.

在熔融拉锥法制备保偏光纤耦合器工艺基础上,对小尺寸、高温度稳定性保偏光纤耦合器的研制工艺进行了研究.采用小火焰设计有效缩短了耦合器的封装尺寸,保偏光纤耦合器几何尺寸达到Ф mm×30 mm.通过不同封装工艺的实验,实现了具有高温度稳定特性的保偏光纤耦合器,器件在全温变化范围(-40℃～60℃)内分光比变化量小于2%,串音变化量小于 3 dB.

合成了一种新型有机金属配合物 Cetyltrimethylammonium-bis(2-thioxo-1,3- dithiole- 4,5-dithiolato)-copper(简称 CtCu)材料.采用单光束 Z 扫描测试技术,在波长为 1053 nm,脉宽为1 ns的务件下研究了该样品的三阶非线性光学性质.研究发现,该材料具有很强的饱和吸收特性,激发态的有效吸收截面为σeff= 1.10×10-19 cm2,与基态吸收截面的比值为 1∶484.利用非线性透过率实验验证了材料的饱和吸收特性,并对其产生机理进行了分析.实验结果表明,该材料在近红外波段的激光脉冲压缩方面有潜在的应用前景.

用重复旋转涂膜法制备了乙基红(ER)偶氮染料与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掺杂聚合物薄膜和乙基橙(EO)与聚乙烯醇(PVA)掺杂聚合物薄膜.测量了两种聚合物薄膜样品全光开关特性,比较分析了薄膜样品的掺杂浓度和溶剂对全光开关效应的影响,实验结果表明:增加掺杂浓度和溶剂,极性薄膜样品的全光开关效应增强且开关的本底信号增大,但对开关的响应速度影响很小;选择合适的掺杂浓度和强极性溶剂,在室温和几个 mW 的弱功率控制光条件下聚合物薄膜具有毫秒级开关响应时间和40%以上的开关调制深度,最大的调制深度达72%以上.

利用带有环形回路的干涉探测装置,研究了光程差精确为零时参考光和探测光的相干振荡信号,对数据的拟合给出了相干声子诱导的折射率相关变化.由信噪比较高的反射率相位变化信号,不仅清楚地辨别出铝膜中的四种相干声子模式,还分辨出声子回波信号.

针对带宽为 20 nm 左右、中心波长为 1 053 nm 的线性啁啾宽带激光,分析了采用光栅角色散方式宽带二倍频的原理,讨论了光栅角色散性能及光栅加工误差引入的基频光位相扰动对二倍频光转换效率及聚焦特性的影响.研究结果表明:采用光栅角色散方式的宽带二倍频光的转换效率、脉冲宽度和带宽均明显增大;在 0～22 nm 基频光带宽范围内,二倍频光均可保持80%左右的转换效率;对于入射基频光带宽为 22 nm 的情况,光栅角色散率在30～80 μrad/nm 范围内变化时,宽带二倍频转换效率均可保持在70%以上;基频光有位相扰动时,二倍频光带宽对二倍频聚焦光斑的主瓣影响不大,但对旁瓣有一定的匀滑作用,采用光栅角色散方式宽带二倍频的聚焦光斑旁瓣的匀滑效果更为明显.

以聚合物光子晶体光纤空气孔阵列为模板,制备了 Ag 微米管阵列修饰的聚合物光子晶体光纤.讨论了银氨溶液和葡萄糖溶液浓度以及反应时间和温度对银微米管形貌的影响.在 Ag(NH3)+2与 C6H6O 浓度比为 2,反应时间为 20 min,温度为 65℃条件下光纤孔洞表面获得了规则的Ag微米管状结构,并对Ag的生长机理进行了讨论.

改进并验证了一种基于有源循环光纤延迟线的模拟光脉冲信号复制技术.实验系统采用低增益掺铒光纤放大器补偿循环损耗.进行了光脉冲信号复制的仿真和实验,在掺铒光纤放大器增益为 6.774 dB,光滤波器 -3 dB,带宽为 0.8 nm 时,测得第500个复制光脉冲的信噪比为 31 dB.仿真和实验结果表明,选用小增益掺铒光纤放大器可以实现低于3 dB的噪音系数,降低掺铒光纤放大器的放大自发辐射噪音并提高输出脉冲序列的信噪比,有望成为提高光脉冲复制器性能的一种新方法.在系统中插入窄带光滤波器等手段也是改善信噪比的有效措施.

分析了大气和背景辐射对星地光通信质量的影响,提出了一种新型的多点地面接收方案,用来提高通信质量.进行了原理性演示实验和对大气信道的理论仿真.结果均说明采用该方案来提高星地光通信质量是可行的.

提出了一种改进型光可分突发交换性能分析模型 (Modified Optical Composite Burst Switching,MOCBS).该模型考虑了截断剩余造成的影响,通过分析截断概率、平均截断剩余长度,得到截断剩余造成的分组丢弃概率,从而更准确地估计分组丢失率.在此基础上,推导出支持区分服务的 POCBS(Prioritized OCBS)性能分析公式.仿真验证了 MOCBS 的准确性以及 POCBS 分析公式的有效性.

提出一种适合作为二次变换元件使用的通用型应变传感预制结构--光纤光栅应变片.它以裸Bragg光栅为研究对象,采用分体式设计方法把敏感光栅与连接光纤分别封装于独立的基体中,并通过两个基体相互之间的插入实现了Bragg光栅与测量光路的机械连接.理论分析和实验研究表明;光纤光栅应变片具有与Bragg光栅相同的反射谱,其测量线性度好,灵敏度高,温度误差则随被测试件性质不同而变化,当试件材料与基底材料一致时,温度误差可以忽略.

利用二维光子晶体的等频线分析原理和平面波展开方法,得到了使二维光子晶体产生全入射角负折射(All-Angle Negative Refraction,AANR)现象时,入射电磁波的频率取值范围.同时,分析了 AANR 频率范围随着结构参量(晶格类型、介质棒半径与晶格周期的比值)和电磁参量(介质柱介电常量、本底介电常量、入射电磁波偏振方向)变化的行为.结果表明:固定组成光子晶体的一种介质的介电常量,另一介质的介电常量只有达到一定阈值,才有可能使光子晶体出现 AANR现象.在给定两种介质介电常量的条件下,存在使AANR频率范围最大化的结构参量和电磁参量.

用 M-Z 干涉仪的精确干涉特性来测量光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)横向负荷特性及扭曲特性,并应用等效折射率模型对其做了简单的理论分析.实验结果表明:光纤 M-Z 干涉仪传感臂(即 PCF 臂)受到外界应力作用时,在固定输入光波长处,PCF 的有效折射率 n 会随外界应力的变化有规律的变化,在横向负荷实验和扭曲实验中表现为干涉条纹的相位与外界应力的变化呈近似线性变化;在横向负荷实验中干涉条纹幅值随所加负载的变化呈近似三角函数变化.

针对全反射型光子晶体光纤在短波长处的横向电场分布特点,在忽略空气孔内极为微小的电场影响下,将光纤等效为阶跃型光纤,导出一种新的计算有效折射率的方法.结合Sellmeier公式推出光子晶体光纤的非线性系数与其两个几何结构参量和波长的简洁解析关系.对非线性系数随着这些参量的变化进行了数值计算与讨论,得出非线性随着空气孔直径或空气孔直径与孔间距比 d/A 值的增大成指数上升的规律.在波长为 0.55 μm 和 0.85 μm 时,非线性系数分别可高达 3.5 和 2.54 m-1W-1.

通过增加光纤纤芯区域折射率实现了一种高双折射光子晶体光纤.采用全矢量有限元和平面波展开方法,系统地研究了这种高双折射光子晶体光纤在不同的高折射率区域参数(比如区域形状、折射率)情况下的光纤特性.模拟结果表明,光子晶体光纤的双折射可以在优化的参数条件下获得很大提高,光子晶体光纤的非线性系数(连同双折射)也可以同时得到提高.

通过对设计的一维掺杂光子晶体的数值计算和理论分析,得出了两个偏振态缺陷模透射峰的变化特征为:P-偏振波其缺陷模透射峰在入射角大于 0.75(rad)范围内有多条明显的缺陷模透射峰带,而 S-偏振渡在入射角大于 0.75(rad) 范围内没有缺陷模透射峰;P-偏振波缺陷模在同一杂质光学厚度可以截到多个波长不同的透射峰.以此为基础设计出滤波通道波长可调范围大于 60 nm、滤渡通道的半高宽可调范围在 1～5 nm、滤波通道透射峰值大于 0.98 的一维光子晶体三通道可调谐偏振滤波器.

应用 Geant4 系统对中子针孔成像的点扩展函数进行了模拟研究.建立了点扩展函数的数学模型,并将其分布图像与能量沉积数据的分布图像作了比较,可看出点扩展函数与能量沉积数据吻合得较好.研究结果表明,在一定偏移量范围内,拟舍得到的点扩展函数更好,能得到较好的图像分辨率.通过对不同入射能量在一定偏移量入射下的点扩展函数讨论认为,入射能量增大虽然会增强图像的对比度,但会降低分辨率.

在8台阶、相位深度为2π的微闪耀光栅透过率函数的基础上,根据标量衍射理论分析了波长 0.6328 μm 的 He-Ne 激光通过闪耀光栅发生菲涅耳衍射的复振幅分布,并得到了其满足 1 级闪耀输出的特点.将 He-Ne 激光通过8通道的微闪耀光栅列阵后菲涅耳衍射光场的分布规律与全混洗变换的特点相结合,得到微闪耀光栅列阵实现全混洗变换的周期公式.实验表明该微闪耀光栅列阵能够实现全混洗变换.

提出了一种通过彩色宿主图像隐藏双随机相位编码信息的方法.将需隐藏的原始信息,经双随机相位编码,压缩后按一定的编码规则隐藏在宿主图像(RGB 图像)的低位.在提取隐藏图像过程中直接对携带隐藏信息的融合图像进行处理,不需要利用原始RGB宿主图像,且重构图像的质量较好,不受原始宿主图像的影响.在此基础上对因原始隐藏信息在编码、存储、传输过程中对融合图象和重构图象的影响做了分析,并在 MATLAB 环境中对分析结果做了模拟验证.结果表明,该方法可以得到非常好的重构图象.

使用对傅里叶变换频谱进行空间滤波的方法,根据"切口"滤波器在频谱突变位置出现振铃现象的缺点,设计了基于"切口"滤波器的多点高斯滤波器.实验表明:使用该方法可以有效降低莫尔条纹对系统采集到图像质量的影响,得到的重构图像清晰,基本无振铃现象,可以满足系统需要.使用该方法运算量小、处理简单,能够由嵌入式系统完成.

设计了一款用于医疗方面的视场为 74°的电子内镜物镜.电子内镜外径为 8 mm 从而实现无麻醉,内镜前端可弯曲来实现无盲区检测.物镜有效焦距为 4 mm,后工作距为 4.8 mm. 系统的畸变最大值少于 4 %,场曲最大值为 0.27 mm.为了提高成像质量,将非球面引入此五片镜系统.所设计的光学系统尤其适用于0.25 英寸 CCD 像传感器,且显示模式为 SVGA.

针对 R-C 系统的特点,考虑轴外渐晕的影响,推导出主、次镜内遮光罩尺寸设计的约束公式.讨论了次镜内遮光罩上挡光环的设计方法和位置计算公式,并给出外遮光罩的设计方法.对某R-C 望远镜系统进行了遮光罩设计,并用光学软件进行杂散光分析,计算得到方位角分别为 0°、45°、90°时的 PST 曲线.结果表明,当离轴角度大于太阳临界入射角时,PST 值小于 10-10量级,满足系统要求.

提出了利用相移电子散斑干涉测量物体二维变形分量的方法.单光束照明的传统电子散斑干涉技术,测量得到的是一幅物体变形的混合相位场.当物体具有对称变形时,可由这一幅相位图求得二维变形分量.方法是将该相位图镜像翻转得到第二幅相位图,通过二幅相位图的叠加、复位和分离运算,获得物体的二维变形场的分量值.利用三点加载的简支梁进行了实验,给出了实验结果,并与对称光照明实验结果进行了对比,验证了该方法的正确性.

由部分相干光的传输理论出发,对部分相干修正贝塞尔高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上光强分布进行了研究,数值计算表明:当光谱相干度较小时,正、负球差对应的最佳聚焦点位于无球差时对应的最佳聚焦点的两侧;当光谱相干度较大时,正、负球差对应的最佳聚焦点将位于无球差时对应的最佳聚焦点的左侧.研究进一步表明,最佳聚焦点随着透镜菲涅耳数的增大向几何焦点方向靠近,并趋于一个定值.当光束菲涅耳数为 1 时,无球差时对应的最佳聚焦点逐渐趋于 0.908,该值与光谱相干度无关,当透镜具有球差时,该值与光谱相干度有关.

通过扩展用于时域扩散光成像(Diffuse Optical Tomography,DOT)的广义脉冲谱技术,提出了一种用于时域荧光分子层析成像(Fluorescence Molecular Tomography,FMT)的线性特征数据图像重建算法,此算法能够同时重建荧光产率和荧光寿命,并且利用模拟数据对此方法进行验证,证明了算法的有效性.

提出利用快速扫描光学延迟线 (Rapid Scanning Optical Delay Line,RSOD)作为光学相干层析成像(Optical Cherence Tomography,OCT) 系统的相位调制器,并采用正弦驱动方式(谐振扫描)来提高扫描频率,进而实现高频相位调制的方法.介绍了基于 RSOD 相位调制器的干涉信号包络解调方法,分析了大振镜低频率线性驱动、小振镜高频线性驱动和大振镜高速正弦驱动三种实施方案对 OCT 性能的影响,并针对谐振扫描方案中轴向扫描的非线性提出了图像畸变定量校正的方法.结果表明:RSOD 大振镜谐振扫描的模式能够兼顾系统成像速度、成像范围以及系统信噪比的要求,是一种行之有效的相位调制方法.

研制了一套新型毛细管电泳-连续光多光子激发荧光检测系统,并用该系统对含有多种荧光染料的样品进行了电泳分离和多光子激发荧光检测.结果表明:该系统具有分离效率高、质量检测限低和宽谱激发等特点,适合生物体系等复杂样品的测量并实现了 DNA 样品的分离分析.

建立了激光诱导荧光检测系统.采用光学仿真方法,建立与实际光学系统相同的模型.模拟表明:聚焦光束扫描毛细管阵列,轴上光束入射到毛细管内径中心时产生的杂散光最大,在两边逐渐减小.由毛细管产生的杂散光的平均光强是无毛细管时的 2.725 倍,说明由它产生的杂散光比较严重.对不同大小的内径产生的杂散光影响进行了分析比较,增大毛细管的内径,杂散光增大,但毛细管内径减小会使进样量少,检测困难,同时还会加大清洗与灌胶的难度.综合考虑,选取内径为50 μm 的毛细管较为合适.利用自行设计的激光诱导荧光检测系统扫描毛细管阵列,进行了杂散光检测实验,光电倍增管记录所收集到的信号,作出了激光束扫描毛细管的不同位置时的杂散光信号强度分布图,实验与模拟结果相一致.

利用琼斯矩阵理论,研究了基于偏振移相技术的激光干涉仪中1/4 波片和 1/2 波片的非理想因素导致非线性误差的产生机理和变化规律.理论研究表明:在导致波片处于非理想状态的各个因素中,干涉仪中两个1/4 波片的差模延迟角误差△εq 所产生的恒定偏置误差和接收装置中 1/4波片的延迟角误差εq3所引起的一次谐波非线性误差,是组成干涉仪非线性误差的最主要的两个部分;波片各种误差源非理想因素导致的非线性误差在小误差情况下经线性叠加后由干涉仪最终输出.

从光场自相关函数( Autocorrelation Function,ACF) 与光强 ACF、衰减率分布函数的关系,推导了基线值对有效直径、分散度的影响.分析了决定基线值取值的两种基线方法,指出基线方法不同,基线值也会不同.对三种纳米颗粒样品的相关实验也证明基线值越大,颗粒的有效直径、分散度越小.分析了自动斜率法的测量结果较稳定的原因.

提出一种根据场景变化动态建立目标模型的粒子滤波视觉跟踪算法.该方法首先选择简单且具有互补性的特征描述当前图像,并统一采用直方图法对这些特征进行建模;然后在粒子滤波框架下,根据巴塔恰里亚测度评价各个目标特征和背景特征之间的可区分程度,动态调整特征间的置信度;并对各个特征似然函数的噪音参量进行在线估计和更新,使其似然函数的度量标准达到统一.分析和实验表明,该算法性能优于仅仅采用多特征融合进行粒子滤波视觉跟踪的方法,对摄像机运动、混淆干扰、遮挡及目标外观大小的改变具有更强的鲁棒性.

分析了局部熵用于小目标检测时造成目标范围扩散等问题的原因,并提出了熵增长方法.该方法用于点目标检测可避免发生目标范围扩散现象.由于边缘纹理和点目标在熵增长处理过程中表现出截然相反的属性,故可避免边缘纹理对于小目标检测产生的严重干扰.该方法也可用于不受噪声干扰的边缘检测.针对相同信噪比目标在不同背景亮度中具有不同熵值和增长量的问题,提出用方差增长替代熵增长,使相同信噪比目标在不同背景亮度中表现出相同的增长量值,降低了后续目标分割的难度.试验表明,熵增长方法和方差增长方法能够有效检测1 或 2像素大小的点目标,并不受背景中边缘纹理的干扰.对算法的复杂度进行了分析,并提出采用双通道并行流水线方式实现工枉化的设计思路.

提出了空间域图像错误掩盖方法.在信道丢包率较高时,采用场编码交织技术将图像按像素行分为两个场,并分别独立编码和传输.当某个场中的图像数据在网络传输过程中丢失时,用相邻场的像素值通过插值的方法恢复丢失数据.实验结果表明,掩盖效果明显优于现有的空间域错误掩盖方法,即使在图像数据丢失一半的情况下,恢复图像主观上仍可接受,测试图像的 PSNR 增益可达 2.77～7.24 dB.

针对纤维材料图像分割后提取的目标图像孔洞之间粘连明显、不封闭、分布不均匀和大小不一等特点,采用常规链码与带方向链码两种跟踪手段,运用链码差实现了对边缘的方向性表示.通过结合三点圆拟合算法,对目标孔洞边缘进行了补全,再用链码跟踪所获得的边缘信息对拟合边缘进行修正,实现了对目标孔洞区域的有效定位.

提出了基于最小各向同性小波滤波的图像清晰度识别方法,对二维最小各向同性小波滤波提取图像特征进行了研究.直接将原始图像通过带通小波滤波器 G0获得图像边缘信息,结合图像能量分析,建立了基于小波滤波的图像清晰度评价函数.利用构建的显微镜自动对焦实验平台,比较分析了基于小波滤波和拉普拉斯的评价方法.实验结果表明,采用基于各向同性小波滤波的自动对焦算法有更好的综合自动对焦性能.

提出一种新的基于纹理和空间分布特征的图像检索方法.将检索图像分块,采用平移和尺度不变小波对各图像子块进行分解,在改进的快速小波直方图算法基础上提取国像子块的小波直方图,并提取每个图像子块的小波信息熵和三阶中心距作为纹理特征.对小波信息熵和中心矩特征进行高斯归一化,并利用特征向量的欧氏距离计算图像的纹理和空间特征的相似度.基于纹理图像库和自然图像库的检索试验表明,该方法比基于快速小波直方图算法和对数极坐标变换检索算法具有较高的检索准确度.

基于大景深三维扫描系统的倾斜摄像机模型,推导了新的物像关系并修正了 Tsai 的 RAC标定法.利用修正后的 RAC 标定法对大景深扫描系统的摄像机进行了标定,实验结果表明修正后的 RAC 标定法适用于倾斜的摄像机系统,标定准确度可以达到 0.03 mm.

提出了一种新型的二维扫描式水下电视系统.该系统可以进行水平360°,垂直90°全方位扫描,不存在死角.在船上或岸上使用水下控制系统,可以对系统实施远程控制,通过该系统可以对水中运动目标进行跟踪监视,最大工作深度可达水下 100 m.

介绍了CCD立靶坐标测量系统的坐标测量原理及其目标光学成像特性.在此基础之上从目标特性、相机特性和视频处理能力三方面研究了影响 CCD 立靶坐标测量系统捕获率的因素,提出了弱化不利因素影响的措施和提高系统捕获率的方法.这些因素在4m×4m的立靶的设计中已被充分考虑,在其后的上千发实弹测试实验中,系统对 5.8 mm 直径的目标捕获率测试达到了95%以上,对大于 5.8 mm 直径的目标捕获率测试达到了更高标准.实验证明这些方法对于提高系统捕获率是非常有效的.