为改善高功率垂直腔面发射半导体激光器的热特性,提高它的输出功率,研制了新型径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件.对新型半导体激光器的结构模型进行理论分析表明,采用径向桥式电极可以降低器件P型DBR电阻,减小焦耳热;降低热阻,提高器件的散热能力.实验制备了出光孔径同为200 μm的径向桥电极与常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器,并对器件的性能进行了实验对比测试.结果表明径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件的微分电阻为0.43 Ω;室温下最大输出功率可达340 mW,是常规电极垂直腔面发射半导体激光器的1.7倍;器件的热阻为0.095 ℃/mW,在80 ℃时,仍能正常激射,具有良好的热特性,径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器的光电特性与温度特性要远好于常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器器件.

从波导微环谐振器的谐振方程出发,推导出了波导微环谐振器的无热化条件和谐振波长温度依赖特性表达式,分析了硅衬底PSQ聚合物波导微环谐振器滤波功能的温度特性.通过选择合适的聚合物衬底来取代传统的硅衬底,可极大地减小聚合物波导微环谐振器的温度敏感性,给出了聚合物衬底选择的方法.研究结果表明,所设计的全聚合物波导微环谐振器,在温度从20~65 ℃范围内谐振波长漂移量最大值为－0.008 5 nm,温度依赖波长漂移率最大值为－0.000 90 nm/K,实现了无热化.

根据高斯光学原理,以液体透镜为核心元件,研究了无移动镜组变焦系统的设计方法.从医用内窥镜的使用要求出发,设计了一种二元变焦内窥镜系统.该系统可通过气压或液压控制液体透镜表面曲率变化,实现1.5倍变倍比,在1.8 mm和2.7 mm焦距下都获得了良好的成像质量.

基于人眼光学质量客观评估方法,通过实测的屈光手术前后人眼波前像差数据,研究和分析了球差与离焦的补偿关系.结果表明,对于屈光手术前的近视眼患者,离焦与球差的补偿关系并不明显.对于屈光手术后的近视眼患者,离焦与球差的补偿关系明显,残余离焦可以部分补偿由于高阶像差增加引起的视功能降低.当残余离焦处于0.27D~0.74D范围内,离焦与高阶像差组合后,光学质量提高了20%以上.在屈光手术方案设计时,预留0.27D~0.74D的离焦时,可以使80％的人眼达到更好的视觉矫正效果.

为消除立体影像的畸变需研究拍摄再现立体影像的垂轴放大率.重新推导了立体影像拍摄再现的总垂轴放大率公式,在该公式中增加了一个观看再现放大率系数,立体影像的观看再现垂轴放大率为像距与观看距离之比.实验结果验证了理论的正确性,该公式对于进一步研究再现立体影像的消畸变具有重要作用.

本文设计的光谱测量系统是一种在可见光波段对样品进行非接触式快速连续光谱测试的装置.系统采用可调液晶滤光片和面阵接收器件实现光谱成像,并对样品的透射光信息进行采集存储处理后,得出样品的吸收光谱,为中药材质量及药性检测提供一种方法.待测样品只需简单的物理方法将其磨成粉末或切成薄片,可使中药在原生态下重复进行无损检测.实验结果表明:在可见光波段,该系统可以根据药材的吸收光谱曲线区分出西洋参、黄连、黄柏、延胡索、黄皮与小檗碱六种样品的种类.

研究了非共线准相位匹配过程中,周期极化RbTiOAsO4晶体同时满足准相位匹配和群速匹配条件的非共线角和相应的极化周期随信号光波长的变化.分析了满足群速匹配条件时,非共线准相位匹配的调谐特性.数值模拟了增益带宽随非共线角、晶体温度和极化周期的变化关系.对比了群速匹配和最大增益带宽情况下,周期极化RbTiOAsO4晶体增益带宽与晶体温度之间的关系.

为了减少光场相机结构对光场图像数字对焦结果的影响,针对微透镜阵列为矩阵式排列的光场相机结构,定性分析了微透镜阵列与成像探测器之间的耦合距离误差、旋转角度误差和倾角误差这三个主要配准误差来源,分别提出了配准条件,并通过仿真实验加以验证.实验结果表明,当配准超出限制条件时,会导致对焦重构图像出现模糊、混叠等失真,缩小精确对焦的深度范围.

对利用CMOS图像传感器进行爆温测量的方法进行了理论和实验研究.提出了一种更符合实际测量要求的瞬时多光谱爆温测量系统,并用激光器的特征谱线对系统进行了标定.利用该装置结合多光谱色温回归计算方法,测量了温度快速变化的卤钨灯的温度,得到了其随时间的变化曲线.

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得线偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级彗差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,根据复振幅函数模拟了不同彗差系数下线偏振贝塞耳-高斯光束各分量及总光场在焦平面上的光强分布模式.研究结果表明,初级彗差使线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦光场在焦平面的分布由双轴对称变成单轴对称,光强模式发生改变;各分量及总光场的光强模式中的光斑位置随初级彗差系数的增大偏离光轴;大的初级彗差使焦平面出现干涉条纹.

根据Maxwell电磁场理论,推导出线偏振单色平面波的普适菲涅尔表达式,得到特异材料反射相移计算公式.利用反射相移公式研究了线偏振单色平面波从空气入射到单负材料(ε＜0或μ＜0 )时分界面处反射相位的特性.结果表明单负材料界面处反射相位连续变化,与传统材料全反射的相位变化特点相似.

根据振幅调制的静磁波对导波光的磁光Bragg衍射调制作用,描述了空间积分磁光相关器的工作原理,得到了衍射光检测输出的带通信号包络以及归一化相关积分的解析表达式.分析了微波信号强度对空间积分磁光相关性能的影响,研究表明,在小信号范围内,相关输出的归一化包络的峰值较小,近似与驱动功率成正比,此时可实现严格的磁光相关,其处理增益可达20 dB.

用时域有限差分法求解Maxwell方程,数值研究了TM模在二维随机散射体系中传输,通过傅里叶变换得到不同几何参量和光学参量的散射体系内长寿命模的频谱.计算得出宽带脉冲源激励随机散射体系后,存在于随机体系中的长寿命模频谱以分立频率窗口的形式存在.建立了用以解释长寿命模以分立频率窗口存在的物理模型,该模型与数值研究结果吻合较好,论证了存在于随机散射体系中长寿命模的形成机制与传统光学谐振腔内冷腔模形成机制的相似性.

提出了一种由九个孔径组成的稀疏孔径结构.给出了该孔径结构的光瞳函数,并分析了其孔径结构的特点.具体对不同填充因子时的新结构进行了仿真,得出了新型稀疏孔径结构的调制传递函数的分布特点,以及系统的等效直径和调制传递函数的变化情况.对新型稀疏孔径结构与三臂结构进行了比较和分析,新结构的传递函数分布比较均匀,对频域有较大的覆盖面积,系统的等效直径较大.新结构在等效直径和调制传递函数的均匀性方面优于所比较的三臂稀疏孔径结构,新结构在成像性能方面具有一定的优势.

通过分析光学分束器对单光子态的作用特点,描述了一个利用单光子态和真空态制备纠缠单光子态的方法;提出了一个实现单光子纠缠态纠缠浓缩的方案.在这个方案中,两个单光子部分纠缠态被用来作为量子信道,通过利用光学分束器作用和单光子探测器探测完成了这个纠缠浓缩的过程.结果表明,对于单光子纠缠态,利用这种方法总有一定的几率可以从部分纠缠纯态中提纯出最大纠缠态.

根据超密编码原理,考虑到与经典的二进制编码相融合,提出了利用四维二粒子进行超密编码的单向通信方案.在该方案中,信息发送者在对其拥有的粒子进行幺正变换后,将粒子发送给信息接收者.然后信息接收者对二个粒子进行联合测量,根据测量结果,就可以推知信息发送者已作了那种幺正变换,每种幺正变换对应着4 bits经典信息,从而得知信息发送者要传送的信息.最后,对该通信方案进行了安全性分析.

提出了一种基于分步傅里叶方法的二次采样法,用以模拟和分析亚纳秒脉冲泵浦光子晶体光纤产生的超连续谱特性.通过此方法在广义非线性薛定谔方程上的应用,在超连续谱模拟中显著缩短了运算时间,模拟结果与实验符合很好.同时还对模拟光谱与实验结果间的细微差别做了讨论.通过此方法,模拟了1.8 m晶体光纤中产生的1.15 W续谱和光谱沿光纤长度的演化,为超连续谱实验研究的优化设计提供了依据.

采用数值计算法研究了纠缠双原子和相干光场相互作用中辐射光场光子数分布的演化特性.结果表明,通过和纠缠双原子的相互作用,使得不具有反聚束效应和光子亚泊松分布的相干光场获得了非经典特性.并且初始双原子间的纠缠强度越大,辐射光场的非经典性质越强,说明可以通过选择初始原子状态制备非经典辐射光场.

针对嫦娥一号(CE-1)干涉成像光谱仪影像中的条带噪音,通过常用的频域滤波方法和线性插值法进行了干涉成像光谱仪条带去除试验,并提出结合了三阶插值的改进线性插值方法.对噪音点定位后,根据图像中噪音点上下行相应点的数值差别是否超过预设阈值,确定是采用线性插值还是三阶插值算法,修正噪音点像素值.实验结果的均值和标准偏差以及图像质量因子(IQ因子)的比较表明:改进的方法IQ值达到13.908 1,而线性插值算法为9.842 8,改进的线性插值方法在去除干涉成像光谱仪影像条带噪音方面明显优于线性插值方法.

针对红外焦平面阵列图像成像系统中的准确、清晰、无失真的要求,提出了一种基于小波变换的图像边缘保护处理方法,重点分析了将图像的二维小波变换与统计学中的最大后验概率估计算法结合来进行图像消噪的处理方式,介绍了该方法在红外焦平面阵列图像中的应用.仿真实验表明,这种方法明显减轻了失真度,使图像更加清晰,有效的扼制了“人工虚影”现象.

提出了一种集成于单片FPGA的数字化线阵CCD边缘检测系统.通过对CCD输出图像的边缘灰度梯度分析,利用高斯滤波除噪、边缘检测算法确定其像元级边界 ,并提出了一种以最小二乘多项式拟合来确定亚像元级边界位置的新算法.整个系统以现场可编程门阵列器件作为核心及数字电路硬件的载体 ,利用VHDL语言及图形化输入方式在Quartus II 7.2软件平台上进行了系统的设计.误差分析及仿真结果表明,该边缘检测系统的分辨率可达到将近六十分之一的像元宽度,可应用于研制高精度CCD光电自准直仪.

为更全面有效地解译城市遥感图像,提出了一种新的基于多特征融合的自动解译方法.该方法定义对象网络来表达图像结构并获取更为准确的处理单元.在此基础上,综合分析颜色、纹理、形状和位置等众多特征,通过自适应的概率学习训练最优分类器并标记目标类别.方法中还结合上下文信息进行空间平滑,大大消除了噪音、遮挡等影响,矢量标绘后得到最终解译结果.实验表明,该方法准确率高、鲁棒性好,适用于多种遥感图像城市场景的自动解译.

为了探明钢材韧窝直径与常规力学性能之间的关系,对其精确测取与统计,并尽量减小在测量分析中人为因素的影响,利用自适应模糊阈值分割法对韧性断裂产生的钢材等轴韧窝图像进行分析及二值分割,实现了韧窝与背景的分离.为了快速准确的测得韧窝直径,对基于Freeman链码的多区域面积的算法进行了改进.改进后的算法可高效、便捷、准确的测取韧窝直径.由此为后继的韧窝定量分类分析工作提供了依据.

针对高光谱图像的特殊性,给出了一种基于均值漂移和模糊积分融合的高光谱图像分割算法.依据高光谱图像各波段间高度的相关性将其分为若干组,通过主成分分析对各波段子集进行降维.在此基础上,采用均值漂移算法计算各波段子集图像的聚类中心进而实现分割,再利用模糊积分融合各波段子集的分割结果.仿真结果证明了该算法的有效性.

用微乳液法制备了一种银纳米流体,并研究了该流体在电场作用下的光学行为.He-Ne激光束(λ＝632.8 nm)垂直于电场方向,以5°入射角通过银纳米流体,当施加电场时出现明显的双折射.在相同的电场作用下o光和e光折射率随着体积比的增加而增加;同一体积比的银纳米流体的折射率随着电场的增大而变小;电场强度为0 kV·mm－1时并没有出现双折射现象.实验结果表明:无论是在相同电场时折射率随体积比的变化量,还是在相同体积比时折射率随电场强度的变化量,e光总是大于o光.

应用气相传输法,以铜为催化剂,在硅衬底上制备了锰掺杂氧化锌四足纳米晶须.利用X射线与电子衍射谱、扫瞄电镜和高分辨率透射电镜对样品形貌、结构和成份进行表征与检测.通过355 nm与375 nm紫外光激发下掺杂与未掺杂样品光致发光谱的对比,结合拉曼散射谱与光致激发谱,对掺杂样品中光致发光机理进行分析.结果表明,样品由沿[0001]方向生长、前端和内部长有纤细刺状结构的中空六方管组成;样品中掺入的Mn2+的无辐射复合中心作用,是掺杂样品紫外辐射强度和谱宽变小的主要原因,而氧化锌晶体晶格周期对Mn2+中d-d电子跃迁过程的影响,则是375 nm紫外光激发下掺杂样品中产生415 nm辐射峰的主要原因.

采用琉醇和丙烯酸的混合物作为反应单体,利用红外光谱仪检测反应前后单体的C=C双键吸收峰的变化,研究了温度对单体转化率的影响.制备了单体含量为10％的聚合物稳定铁电液晶器件,研究了铁电液晶有序度对单体的影响.实验表明:随着温度的增加单体的转化率增加,随着铁电液晶有序度的增加单体的转化率增加;在铁电液晶中单体的转化率主要受有序度的影响;制备聚合物稳定铁电液晶器件最佳的聚合条件为近晶A相(SmA)下聚合.

针对铺设在滑坡体内的管道,提出了基于光纤光栅传感的管道滑坡监测方法.阐述了已知管道上三点应力求最大应力的方法.采用温度自补偿式光纤光栅应变传感器监测管体应力,对传感器测量的5.12汶川地震后管体应力数据进行分析.结果表明:地震对滑坡有显著影响,发生了浅层滑动面的较大位移;管体的应力都有显著增长,但总应力水平还低于预警阈值,尚处于安全状态.

本文展示一种由两根微米光纤构成的耦合型环境折射率传感器.微米光纤表面存在倏逝波,芯外介质折射率微小的改变将引起倏逝场分布变化,从而导致能量在耦合器两臂中的重新分配.本文通过测量耦合器两端出射光功率的比值来对葡萄糖溶液的浓度进行传感,实验结果表明该微米光纤耦合型传感器的浓度传感灵敏度可达1.58 mol·L－1.本文用耦合模理论详细分析了两根相邻微米光纤的耦合效率与芯外介质折射率之间的关系,发现减小耦合区的光纤的直径,增大入射光波长或增大耦合长度,都可以进一步提高这种传感器的灵敏度.

为了实现大坝渗流监测,提出了一种采用光谱成像技术的光纤Bragg光栅传感器和多点传感系统.基于室内实验结果,对监测系统可靠性与监测数据准确度进行和多点传感信号分辨因子分析,结果表明:用于坝体温度场检测的光线光栅传感器波长温度响应灵敏度可达0.009 1 nm/℃;由光源带宽决定的测试系统可实现多个传感器的复用.实践表明:采用光纤光栅传感系统可进行大坝渗流自动监测,特别是在系统防雷击、抗干扰性方面,与传统仪器相比具有明显优势.

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究.采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量.利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合.该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量.

根据金属薄膜复介电常量的性质和衬底对表面等离子波波矢的微扰,对在波长调制下的表面等离子共振传感器输出光谱的半波全宽计算方法进行了探讨.建立了输出光谱的半波全宽与传感器各参量之间关系的数学表达式.将理论研究与实验结果进行对比后发现,两者吻合较好.文中的研究结果可为优化传感器的特性提供理论依据.

为了消除震动对Sagnac式电流传感器测量结果的影响,提出一种光路改进方法来消除传感器对震动的敏感性,其基本原理是抵消Sagnac效应而不影响法拉第磁光效应.利用琼斯矩阵对改进后的光路结构进行了偏振态分析,理论分析和实验结果吻合,表明改进后的传感器其输出与震动无关.耦合半波片后Sagnac式光纤电流传感器的震动敏感性被消除了,为Sagnac式光纤电流传感器的工程化实现提供了一种可行的方法.

用建立的“预报校正-四阶龙格库塔” 数值算法研究了非均匀展宽二能级体系中超短激光脉冲的传播特性.计算结果表明,非均匀展宽线型的线宽对光脉冲传播会产生调制作用.当线宽大于脉冲的频谱宽度时,脉冲面积演化与面积定理相符且脉冲传播平稳;但随着线宽的减小,脉冲面积演化会越来越偏离面积定理,脉冲传播不再平稳并出现“拖尾”振荡.脉冲主峰的峰值和脉冲的传播速度也受到线宽的影响.

利用动力学晶格蒙特卡洛方法模拟了Cu薄膜在Cu(100)面上的三维生长过程.模型中考虑了四个动力学过程:原子沉积、增原子迁移、双原子迁移和台阶边缘原子迁移,各动力学过程发生的概率由多体势函数确定.讨论了基底温度、沉积速率及原子覆盖率对Cu原子迁移、成核和表面岛生长等微观生长机制的影响;获得了Cu薄膜的表面形貌图并计算了表面粗糙度.模拟结果表明,随基底温度升高或沉积速率下降,岛的平均尺寸增大,数目减少,形状更加规则.低温时,Cu薄膜表现为分形的离散生长,高温时,Cu原子迁移能力增强形成密集的岛.Cu薄膜表面粗糙度随着基底温度的升高而迅速减小;当基底温度低于某一临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的增大而增大;当基底温度超过临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的变化很小,基本趋于稳定.

采用射频磁控溅射法在Si(100)衬底上制备了Mg_0.33Zn_0.67O薄膜,研究了Mg_0.33Zn_0.67O薄膜的结构和光学性能.结果表明,Si(100)衬底上Mg_0.33Zn_0.67O薄膜呈六方纤锌矿结构,薄膜沿c方向取向生长,且c轴方向晶格增大0.03 nm.薄膜呈现优异的半导体特性,激子吸收峰位于297 nm,禁带宽度约为4.3 eV.薄膜平均粒径约为20 nm.薄膜在深紫外激发下的荧光发射位于368 nm.

选用商品化照相机镜头、液晶可调谐滤光片和单色面阵CCD相机,将液晶可调谐滤光片置于由镜头和CCD相机组成的照相光路中构成便携式多光谱成像仪.该多光谱成像仪能够在被动和主动光源下进行多光谱图像数据采集,工作波长范围是400~720 nm,光谱分辨率为10 nm.建立了多光谱成像仪系统多光谱图像采集数值模型,分析了误差源,为系统定标提供了理论依据.在自然光照条件下进行了盆景植物的多光谱图像采集试验,重建出多光谱数据立方体,绘制了典型目标点的光谱曲线.

采用SiO₂/CdSe构建了可见光波段一维光子晶体结构,并在其中引入LiTaO3缺陷层.利用传输矩阵法,分析了电磁波在无缺陷与含LiTaO3缺陷层两种光子晶体中的带隙结构,研究了缺陷层参量对光子晶体可见光波段带隙结构的影响规律.计算结果表明:LiTaO3的引入,有利于带隙宽度的增加,调整缺陷层结构参量,缺陷模的位置可在不同颜色区域出现,如红光、黄光等缺陷模.该结构有望用于制作可见光波段的滤波器.

基于Mie散射理论和低浓度近似,对磷化镓光子晶体的安德森定域化进行了理论计算,并分析了影响定域化参量的各种因素.结果表明,在浓度为10%,折射率比值大于3.8,无吸收状态下,中红外区出现了安德森定域化现象,并且随粒子半径的增大,定域化区向长波段移动,且基质折射率的增大使定域化现象减弱.研究结果为该类晶体的定域化现象提供了理论参考.

以光正交频分复用信号作为光标记,利用两个不同波长的光载波分别经过强度调制,产生了10 Gb/sOOK光载荷和2.5 Gb/sOFDM光标记.测得了光分组信号经光纤传输前后接收载荷的眼图和标记的星座图以及误码率曲线,结果表明:经过40 km光纤传输后,载荷与标记的功率代价分别为1 dB和0.5 dB.

为了分析空地激光通信外界因素对跟踪精度的影响情况,将平台振动、大气湍流和背景光三个主要影响因素归结到对跟踪精度影响的统一框架下进行了研究.使用实际测量得到的平台振动数据,建立空地激光通信跟踪仿真系统,分析了不同条件下,三种外界因素对跟踪精度的综合影响情况.在文中假设基础上,分析可知:粗跟踪单元可以较好的抑制地面运动平台的振动,保证激光能够进入精跟踪视场;中强度的湍流使精跟踪残差标准差增大4倍左右,如果试验地点选择在高海拔地区,大气湍流使精跟踪残差标准差增大2倍左右.

利用数字全息干涉术研究了超声驻波场的三维分布特征,由所记录的不同角度的超声驻波场的数字全息图,经数值再现,得到了超声驻波场的强度和相位差分布图,进而由迭代重建算法重建出超声驻波场的三维分布曲线.结果表明,数字全息干涉术与迭代重建算法相结合是测量与重建三维超声驻波场的一种方便有效方法.