采用双环形涡旋偏振光照射二元相位亚波长菲涅耳波带片的方法,实现了对高低折射率瑞利(Rayleigh)粒子的近场俘获.利用角谱理论计算了菲涅耳波带片的衍射场分布.改变入射光的截断参数(β)和涡旋角(δ),可以在菲涅耳波带片的近场区域产生亮斑和暗斑.计算发现,当β=1.09和δ=0时,在近场区域产生亚波长三维亮斑,能够稳定俘获19 nm的金粒子,金粒子的折射率大于周围介质,轴向和横向俘获距离分别为0.4921λ和 0.2844λ.当β=1.45和 δ=0.414π时,在近场区域产生光墙包围着的三维暗斑,可以将30 nm的空气泡稳定地俘获在暗斑中心,空气泡的折射率小于周围介质的折射率.两种情况计算所得的俘获距离均小于传统远场俘获系统中的距离.该系统可以用来精确俘获两类折射率不同的Rayleigh粒子.

基于浸入式光栅与普通光栅的特性差异,推导了浸入式光栅的光栅方程,研究了浸入式介质吸收对单缝衍射和多光束干涉强度分布的影响,得到经修正的单缝衍射因子和多光束干涉因子,推导出存在介质吸收情况下的光强分布公式.分析结果表明: 该公式更具有普适性,单缝衍射强度分布公式、多缝衍射强度分布公式以及平行平板多光束干涉强度分布公式均为该修正公式的特殊情况.

基于眼底图像成像原理及特征, 提出一种结合自动调焦窗口选择的眼底照相机自动调焦方法.根据改进阈值的局部信息熵调焦窗口选择算法实现调焦窗口的初步定位, 按照多方向步进算法实现调焦窗口的最终定位.针对眼底图像对比度低的问题, 结合区域对比度的清晰度评价函数与梯度向量平方函数的特点提出眼底图像清晰度评价函数.实验结果显示, 提出的自动调焦窗口选择算法可以保证调焦窗口的稳定性及准确性, 针对低对比度眼底图像的清晰度评价函数具有更好的灵敏度.

针对经典两步相移算法对光强不均匀分布和物体不均匀反射率处理能力不强的问题, 分析相移量为90°的情况, 采用光强模型, 直接对光强进行数据操作, 利用三角关系, 给出了求解折叠相位相位半角的计算方法,通过高度-相位差公式得到物体的三维形貌数据, 避免了因归一化操作过程中取最值方法引起的误差.实验对比分析了经典四步相移法和两步移相法, 表明在环境光强可以忽略不计或足够小的情况下, 该方法误差范围为±0.2 mm, 结果优于经典两步相移法, 接近于测量误差最小的四步相移法.

为解决现有去雾算法结果中存在的光晕现象、颜色失真等问题, 提出一种基于边界邻域最大值滤波的图像去雾方法.首先通过边缘检测寻找图像边界被低估的暗原色值并对其进行边界邻域最大值滤波, 以得到更为准确的透射率图来消除光晕现象; 其次对暗原色图乘以一个尺度因子, 扩大透射率的取值范围, 提高去雾结果的对比度; 最后设置两个亮度阈值以及一个平坦阈值, 消除图像中高亮度物体的影响, 获得更为准确的大气光值, 使得去雾结果颜色保真度较高.仿真结果表明, 与现有去雾算法相比, 本文算法对含高亮度物体以及含细节信息的带雾图像, 均可消除光晕现象, 获得高对比度及高颜色保真度的去雾结果, 同时也提高了算法的处理速度.

对相位调制拍频信号随信号光频率变化规律进行分析, 发现拍频信号相位参量的频谱包含两个在值域上彼此分开的单调边缘, 表明利用拍频信号的相位参量可以进行多普勒频移测量.如果利用拍频信号振幅参量对出射激光进行工作点锁定, 其多普勒频移测量范围是Fabry-Perot干涉仪边缘技术的两倍.理论分析拍频信号振幅和相位参量的提取方法, 表明基于此拍频信号相位参量的测量方法无需进行信号光能量检测, 与Fabry-Perot边缘技术方法相比, 结构更简单, 且少了一条外部噪音混入的通道.为了对该多普勒频移测量方法定量分析和参量优化, 利用误差合成原理以及计算机仿真, 推导出其测量误差公式.根据测量原理搭建了实验系统, 用频率可调光纤激光器的输出光模拟多普勒频移信号光进行测量, 结果表明鉴频参量及其误差分布曲线的测量结果与理论分析相符合.

针对光刻对准中产生的单幅封闭干涉条纹经相位解析后获得的包裹相位, 提出在极坐标系对其进行相位展开进而获得对准偏移量的方法.该方法首先将对准过程中两圆光栅相对移动产生条纹的相位分布从直角坐标系转换到极坐标系; 其次分析在极坐标系下对准偏移量与相位参量的关系; 最后通过取不同径向半径获得初始相位振幅与相位延迟进而求取对准偏移量.数值模拟与实验验证该方法的可行性并与传统的最小二乘与路径跟踪相位展开方法进行了对比分析.结果表明该方法对包裹相位进行展开进而达到几十纳米量级的高准确度对准, 具有很强的适应性.

针对传统编码器测角系统分辨率低、量化噪音大和测速误差高等缺点, 提出一种基于光纤陀螺和编码器的融合测角算法.首先, 在一个滑动窗口利用编码器角度值和光纤陀螺速率积分值的差值信号, 通过最小二乘法实时地估计出光纤陀螺的速率漂移; 其次, 使用补偿后的角速度信号和编码器角度信号, 通过一定融合算法进行角度估计; 最后, 对所提算法进行数学仿真和实验验证.仿真和实验结果显示: 测角准确度的仿真值和实验值分别由1.2″和1.1″提高到0.17″和0.76″, 角速度测量准确度的实验值从0.002°·s－1提高到0.001°·s－1, 在避免光纤陀螺角速度漂移问题的同时有效提高了系统的角度和角速度测量准确度.

针对空间目标操控任务中非合作目标近距离三维形貌测量的需求, 设计了基于激光三角法原理的线结构光自同步扫描三维形貌测量系统.分析了经典的点扫描测量系统模型, 扩展建立了线结构光扫描系统模型.构建了测量系统桌面样机, 利用二维平面棋盘靶标构建虚拟立体靶标完成了系统参量的标定.分别对已知结构的工件及天宫一号缩比模型进行了测量实验,结果表明: 测量距离为1 m时, 系统三坐标测量误差均优于1 mm, Z向距离误差为0.18 mm, 测量点到拟合平面的距离误差均值为0.31 mm.该系统简化了扫描系统结构, 能降低空间载荷的重量和功耗, 满足空间任务中快速三维形貌测量的需求.

研究并分析了一种加权最小二乘曲面法, 将其用于空间目标天文观测, 该方法不仅简单方便, 而且还能够用于高准确度、大数据量的天文定位.通过实际星空观测, 对连续拍摄的星图进行分析计算, 结果表明, 拟合均方误差在赤经和赤纬方向均优于4″.赤纬的定位准确度高于赤经的定位准确度, 在赤经与赤纬方向上的最大定位误差分别为5.13″和1.74″.该方法降低了恒星位置误差对观测结果的影响, 剔除了定标星的偶然匹配误差, 提高了观测数据的利用率以及天文定位准确度, 在实际工作中有较高的应用价值.

采用线性近似法计算了单模激光损失模型在输入偏置信号的调幅波时的光强关联函数C(t).发现光强关联函数C(t)随时间t的演化存在多种变化形式(不规则周期递增、递减等多种振荡形式).结果表明: 当a0=0.1时, 出现平坦的不规则周期性振荡; 低频调制信号频率Ω可调整不规则周期振荡的周期; 量子噪音强度Q和高频载波信号频率ω能改变曲线C(t)的初始值和周期.

由于激光光束在降雨中传输时会产生雨滴的后向散射, 引起定距系统的虚警、失效等.以几何光学散射理论为基础, 建立雨滴后向散射模型并计算不同降雨条件下的后向散射系数, 结合工程应用计算不同降雨条件和传输距离下的系统信噪比, 分析雨滴后向散射对系统信噪比的影响.计算结果表明, 传输距离一定时, 系统信噪比将随着降雨率的增大而减小, 暴雨中衰减率高达11%; 在相同降雨条件下, 作用距离从10 m增大至15 m, 信噪比衰减率达到46%以上.降雨大小和作用距离是影响系统信噪比的重要因素, 为脉冲激光定距系统在降雨环境下的目标识别以及高抗干扰性能的优化提供了依据.

飞秒激光双脉冲在研究光泵浦的超快瞬态过程领域具有重要的应用价值, 如何实现高准确度的飞秒激光双脉冲的实时测量显得尤为重要.本文提出了一种基于自相关法的飞秒激光双脉冲参量的测量方法, 可实现对共光路传输、具有飞秒至皮秒级时间间隔的飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的实时测量.实验中采用自相关仪测得了双折射晶体(钒酸钇)分束出的飞秒激光双脉冲的自相关曲线, 并用非线性拟合算法求得了飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比参量.实验结果表明, 本文方法与互相关测量方法相比, 克服了参考脉冲参量的不确定性对检测准确度的影响, 使测量平均准确度提高了48%以上.

针对直立的石墨烯边沿悬挂键易吸附气体分子, 影响发射稳定性的问题, 本文将石墨烯转移到墙状绝缘结构上, 获得石墨烯折角.结合电感耦合等离子体刻蚀和湿法腐蚀法在硅衬底上制得墙状绝缘结构, 以石墨烯折角作为场发射尖端, 测试研究了石墨烯折角的场发射特性和石墨烯中内导电流对场发射的影响.结果表明: 石墨烯折角的场发射开启场强为9.6 V/μm; 在2 000 V阳极电压下, 当石墨烯两端偏压从0 V增加到10 V时, 场发射电流从4.5 μA增加到15 μA.

为获得Bi2ZnB2O7: Y3+/Dy3+新型荧光粉材料的最强黄光发光强度, 运用均匀设计和二次通用旋转组合设计相结合法对Y3+/Dy3+最佳离子掺杂浓度进行优化研究, 得到Y3+和Dy3+离子的最佳掺杂浓度分别为4.498 mol%和6.001 mol%. 采用高温固相法合成最优样品, 对样品结构进行表征, 测定其激发光谱和发射光谱对Dy3+离子在Bi2ZnB2O7 基质中的发光性质,研究发现: 样品在452 nm激发下, 发射光谱主要由(460~500 nm) 蓝光发射、(550~610 nm) 黄光发射、(650~700 nm) 红光发射组成, 分别对应于Dy3+的4F9/2→ 6H15/2、4F9/2→6H13/2 及4F9/2→6H11/2 跃迁; Bi2ZnB2O7 基质为Dy3+提供了非中心对称的晶格格位; 最优样品中Dy3+的荧光寿命为0.427 ms,与相同浓度Dy3+单掺杂样品相比较可知引入Y3+在一定程度上提高了发光强度.

为探讨掺杂硅片与电磁超材料间的Casimir平衡恢复力的大小与相关材料参数间的变化关系, 基于Lifshitz理论, 采用格林函数得到麦克斯韦应力张量及单位面积Casimir力计算表达式, 分析了掺杂硅片与电磁超材料板间的Casimir作用力.结果表明, 掺杂硅片与电磁超材料板间Casimir作用力的大小和方向随着掺杂程度、材料厚度和填充比例因子的变化而改变, 并能调控Casimir效应; 且随着板间距的变化表现出平衡恢复力.

基于光学材料中锂元素的含量对物质稳定性及光学性质的影响, 利用Gaussian 03程序包, 采用密度泛函理论中的B3LYP方法, 在6-31G(d)水平上对光学材料LinC(n=1~9)团簇进行了结构稳定性及振动光谱的研究.结果表明: 当n>3时团簇的结构为三维立体结构, 碳原子被俘获在锂原子笼内.除了Li2C外, 其它团簇的体系基态都处于低电子态, 当n为偶数时为单重态, n为奇数时为双重态.在团簇稳定性上, 明显的奇偶振荡效应出现在能量的二阶差分和最高占据轨道与最低空轨道的能隙中.对于LinC, n为偶数的团簇比相邻的奇数团簇更稳定.碎片能量分析表明最有可能的团簇生长路径是在Lin-1C团簇上结合一个锂原子成为LinC团簇.LinC团簇的光谱落在指纹区域.随着锂原子数的增加, 振动频率减小.当锂原子数为偶数时, 基态结构的频率差是最小的, 当锂原子数为奇数时, 基态结构的频率差却是最大的.

为了研究脉冲激光辐照GaAs材料的热效应, 采用软件COMSOL Multiphysics构建了高斯脉冲激光辐照半导体材料的温升物理模型, 分析了1 064 nm纳秒级脉冲激光辐照半导体材料GaAs的热效应.通过求解热传导方程计算了不同功率密度激光辐照GaAs材料的径向与纵向温度场分布,讨论了单光子吸收、双光子吸收及自由载流子吸收对辐照材料的温升贡献.计算结果表明: 当激光功率密度升至1010 W/cm2, 自由载流子对材料的温升贡献已超过单光子吸收对材料温升的贡献而占主导位置; 当激光功率密度降至108 W/cm2以下时, 两种非线性吸收对材料温升的贡献可以忽略.该结果与相关实验基本相符, 表明了构建的物理模型具有科学性.

采用气相制绒方法对金刚石切割多晶硅片进行表面制绒.2 g硅加到HF-HNO3-H2O (400 mL, 体积比为6: 3: 1) 的酸混合溶液中在室温下反应产生气相, 利用气相对金刚石切割多晶硅片表面进行制绒研究.制绒4 min时, 硅片表面的切割纹被完全去除、大坑套小坑的蜂窝状蚀坑密布硅片表面, 减反效果显著, 反射率低至19.51%.气相制绒后的金刚石切割多晶硅片表面的微观粗糙度比传统酸混合溶液制绒后的高约20%.

提出了以高分辨率、小视场的子眼镜头为中心, 曲面阵列化排布多个分辨率较低、视场大的边缘阵列子眼镜头的人工仿生复眼的结构形式.基于物方视场空间应该保证无缝拼接并尽量缩小重合区域的原则, 分析并得到子眼镜头在X方向和Y方向上视场角与复眼系统总体视场角的数学关系式,推导出了边缘阵列子眼镜头的周期阵列数n的数学模型, 确定了子眼镜头在曲面上的阵列排布方式.依据曲面阵列排布形式设计了子眼镜头曲面固定本体, 提出了利用自带光源的自准直经纬仪及计算机图像处理技术的装调方法.在实际装配和调整过程中, 完成了中心子眼镜头和边缘第一阵列子眼镜头的安装, 利用该系统采集图像数据, 结果表明: 物方视场空间的实际重合区域与理论设计一致.

为满足紫外宽光谱大视场焦平面光学成像系统的设计要求, 研究了全反射施密特光学系统.分析了球面反射镜曲率中心波前, 推导了透射及反射施密特校正板方程.为避免光线被遮挡, 设计了离轴全反射施密特光学系统.在宽光谱(240~950nm)大视场(±5°)离轴全反射施密特系统中, 当λ=0.24 μm, u′m=5°时, Δf≤0.031 5 mm, 探测器控制在焦深范围内,光学系统成像质量达到了衍射极限.该施密特光学系统设计方法适用于宽波段高分辨率紫外成像系统.

为给空间目标光学探测与识别提供数据支持, 建立了基于TracePro的空间目标光学散射特性计算模型.以空间目标天基红外系统为例, 综合考虑目标的结构特性、材料特性、背景特性及轨道特性, 通过TracePro中建立几何模型、设定材质、设定光源、计算光线路径等环节, 对目标光学散射特性进行仿真分析.结果表明, 目标的光谱辐照度曲线与太阳一致.镜反射时, 目标的等效光谱反射率曲线与砷化镓电池片一致, 随着目标旋转, 目标的等效光谱反射率曲线趋向于与包覆材料一致, 而后保持不变.为空间目标光学散射特性研究思路提供了借鉴.

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径, 尤其是对10 m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发, 以10 m左右口径望远镜为例, 推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式, 建立了数学仿真模型, 并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明: 拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积; 分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽, 使远场峰值能量下降; 分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数, 从而降低望远镜系统的斯特列尔比; 分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移, 因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数, 降低望远镜系统的斯特列尔比.

为解决现有太阳模拟器无法同时模拟真实太阳张角和真实辐照度(一个太阳常量)的难题, 设计了一种新型太阳模拟器光学系统, 阐述了光学系统中聚光镜的设计、光学积分器的优化技术及投影镜组的离焦对辐照不均匀度的影响.利用Zemax软件, 以序列与非序列功能相结合的方式对积分器的光学参量进行优化, 并设计了视场光阑和准直物镜系统.利用LightTools软件对光学系统进行仿真, 结果表明: 设计的太阳模拟器可以实现32′的真实太阳张角模拟, 且辐照度达到一个太阳常量.同时, 辐照面小于Φ100 mm时, 不均匀度优于±1.6%; 辐照面在Φ(100～300)mm时, 不均匀度优于±3.8%.

为解决传统点光源近似设计方法难以满足实际应用需求的问题, 基于遗传算法提出了一种面向扩展光源的自由曲面优化设计方法.该方法以虚拟点光源的辐射分布函数、原点位置偏移量及目标面尺寸因子等参数作为优化对象, 首先对种群中任意个体根据能量守恒定律及Snell定律建立并求解偏微分方程, 得到对应于该组虚拟参数的自由曲面, 然后以实际扩展光源进行光线追迹, 并综合考虑目标面照度均匀度和系统传输效率得到个体适应度, 据此对种群进行选择、交叉和变异, 直至优化结果满足设计要求.设计了发散半角为10°的均匀照明系统, 光源采用直径为30 mm的圆盘朗伯源, 在Trace/pro环境下与传统设计方法进行对比, 结果表明: 系统均匀度从58.3%提高到93.5%, 辐射传输效率从61.8%提高到72.9%, 且光束质量对目标面距离的变化具有很好的稳定性.该设计方法能较好地实现对扩展光源辐射在空间分布的调控, 对扩展光源系统设计具有重要指导意义.

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测, 为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号, 研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理, 利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统, 对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器, 设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物, 它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中, 首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号, 对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比, 二者线性拟合优度高达0.999 94, 最大误差小于4%, 具有良好线性度; 其次, 将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号, 利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号, 提取谐波信号, 因二次谐波信号微弱易受噪音干扰, 其误差在5%以内, 一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比, 在红外气体检测中具有较好的应用前景.

在光生电流远大于二极管反向饱和电流, 并联电阻为无穷大且二极管反向饱和电流与光强无关的假设条件下,理论上推导出全工况光伏组件输出特性预测模型,并采用Matlab/Simulink搭建了仿真系统.对单(多)晶硅光伏组件的实验与预测对比,表明模型可以准确预测组件在任意光强与温度下的输出特性,预测误差在6%以下.研究结果发现,相对于光强变化,温度变化对组件输出特性预测影响更大; 多晶硅组件预测难于单晶硅组件.对实际环境中单位光强与单位温度实时改变时的预测表明,组件输出主要由所受辐照总光强决定,而不是器件温度; 且需要根据外界情况调整组件的输出电压,以实现最大功率输出.