研究了大气分子和云雾粒子对入射激光的吸收与散射效应.采用Kruse模型、单次散射近似法和蒙特卡洛法计算了谱分布参量不同的三种云雾对0.86 μm波长激光的消光特性,结果表明：能见度小于0.5 km时,Kruse模型不再适用于云雾消光系数的计算;能见度相同时,消光系数的单次散射近似结果大于蒙特卡洛的仿真结果,导致传输距离相同时,云雾对0.86 μm波长激光透过率的单次散射近似结果小于蒙特卡洛的仿真结果;同一能见度下谱分布参量不同的三种云雾,消光特性的差别较小,云雾粒子尺度分布对消光特性的影响不明显.

以辐射传输方程为基础,借助小角度近似条件,利用多次散射递归的逐级逼近来描述水体散射过程,推导得出水下辐射照度以及衰减系数的计算关系.着重讨论了激光在海水中的衰减特性,结果表明随着光学厚度的增加,各次散射光先增大后减小,相对辐射照度基本呈指数衰减,衰减趋势随单次散射反照率或者不对称因子的增大有所减缓.与蒙特卡罗方法模拟的结果进行比较,小散射角条件下多次散射近似方法的计算准确度优于单次散射近似,可以作为分析水下激光传播特性的参考依据.

将夫琅和费衍射积分中的贝塞尔函数用高斯函数近似,得到经圆孔径准直光学系统衍射后高斯光束远场发散角的近似解析式.在不同衍射情况下,将其与严格夫琅禾费衍射积分进行比较,发现二者求解出的远场发散度接近.衍射孔径大小相同情况下,近似解析式与真实值的误差随准直前光束初始束腰的增大而减小;初始束腰不变的情况下,随着衍射孔径的增大,误差值略有上升,但最终趋于平稳.在初始束腰半径不小于2 μm的前提下,误差值最大不超过3.4%.该近似解析式在各种衍射情况下都能较为准确地表征准直圆孔衍射高斯光束远场发散度,且形式简单.对比不同衍射孔径和光束初始束腰条件下的光束发散度仿真结果可知,光束发散度随衍射孔径的增大而减小,随初始束腰的增大而增加.

基于时域有限差分法引入一种基于迭代的算法,主要原理是通过时间步进方式,用先迭代产生的已知场近似当前迭代所需的未知场,使近似场和真实场之差随迭代次数的增加而逐渐减小.探讨了该算法的具体实现过程,给出了收敛性分析,发现无限长金板反射系数的计算结果与解析解在数值上高度一致,从而验证了该方法的正确性.将该算法引入到三维色散结构模型仿真中,从理论上验证了在硅表面放置纳米圆柱结构所具有的超透射现象.研究表明,所构建方法克服了传统方法受入射角度限制、缺少时域场演化过程和需要大量网格剖分等方面的缺点,为色散周期结构在斜入射条件下的传输特性研究提供了新的解决途径.

设计了一种可实现分光效果的可控液晶光栅.该液晶光栅由双层交错结构的驱动电极来控制液晶偏转,避免了单层控制电极之间的空白区,增加了控制面积,同时还实现了快速切换,补给了因空间分割损失的图像信息,从而使空分与时分结合实现时分全分辨率的自由立体显示.利用光刻和镀膜工艺在玻璃基板上制作氧化铟锡-二氧化硅-掺铝氧化锌双层交错结构的驱动电极,采用液晶成盒工艺将制备好的驱动电极基板和公共电极基板组装成液晶盒.光学显微镜测试表明,氧化铟锡第一电极和掺铝氧化锌第二电极的宽度为275.8 μm,两者之间通过SiO2介质层隔离并相互交错覆盖在玻璃基板上.结合液晶光栅驱动电路,能有效地控制遮光区与透光区的切换,从而实现时分全分辨率可控液晶光栅.

提出了一种光子晶体光纤Lyot-Sagnac环切割宽带光源的中心频率连续可调的微波光子滤波器.用温敏液体（Cat.19340）对两段光子晶体光纤（长度为11.94 m和1.94 m）中心的一个大孔进行填充后嵌入Lyot-Sagnac环,仿真分析了不同填充占空比对Lyot-Sagnac环梳状谱周期和滤波器通带中心频率调谐范围的影响,结果表明：占空比越大,Lyot-Sagnac环的梳状谱周期越小,滤波器通带中心频率的调谐范围越大.在占空比最大温度为20℃和80℃时,两段光子晶体光纤的有效长度为10 m时,Lyot-Sagnac环的梳状谱周期分别为0.36 nm和0.26 nm;当两段光子晶体光纤的有效长度为13.88 m时,Lyot-Sagnac环的梳状谱周期分别是0.26 nm和0.19 nm.用该Lyot-Sagnac环对宽带光源进行切割,当温度在20℃到80℃之间变化时,通过调节环内的偏振控制器,多波长光源波长间隔可在0.19 nm~0.36 nm范围内连续可调,实现了滤波器通带中心频率在31.04 GHz~58.81 GHz范围内连续可调.

针对室内可见光通信高速率传输和照明控制的问题,分析了采用脉冲宽度调制调光控制技术的可见光正交频分复用技术系统的调光性能与误码性能.提出了基于功耗小、性能好的单极性正交频分复用系统的调光控制方案,对单极性正交频分复用系统的驱动电流和误码率特性进行了仿真,仿真结果表明,单极性正交频分复用系统可在不牺牲照明质量的同时改善系统性能.此外,针对室内低照明、低功耗的应用需求,提出了一种功率更加有效的补零非对称削波正交频分复用系统,仿真分析表明,补零非对称削波正交频分复用系统可在不损失误码性能的情况下提高系统的功率效率.

利用膜层传输矩阵理论研究折射率调制对布拉格光纤光栅传输特性影响.根据传输矩阵理论计算光栅折射率的调制幅度、光栅长度、调制方法等对布拉格光纤光栅的反射率、反射峰波长和半幅宽度的影响.结果表明：膜层传输矩阵理论与传统传输矩阵法、耦合模理论对布拉格光纤光栅特性分析结论一致;采用高调制长度、低调制幅度可以获得良好的布拉格光纤光栅反射峰,而反射主峰位置改变需用调整调制周期.实验和理论对比分析了主峰在1 550 nm波长的布拉格光纤光栅反射峰情况,验证了该方法的可行性.与传统方法相比,膜层传输矩阵法计算公式简单、运行速度快,可应用于布拉格光纤光栅辅助设计.

提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为－27.58 nm/m－1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69 nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.

针对光纤布喇格光栅反射谱的特点,研究了强度阈值对五种典型寻峰算法的影响,明确了阈值优化对减小寻峰误差的重要性.对各算法分别进行阈值优化,从寻峰误差和运行效率两个方面对不同采样间隔条件下的寻峰算法进行比较分析.研究表明：各寻峰算法与强度阈值的关系不尽相同,阈值优化可有效减小各算法的寻峰误差,提高光纤布喇格光栅传感系统波长的分辨率和检测准确度;除质心探测法外,增大采样间隔并不能显著提高各算法的运行效率;高斯拟合法寻峰误差最小且最为稳定,适用于静态信号和低频动态信号的解调;质心探测法运行速度最快且误差相对较小,可用于中高频动态信号的解调.

通过增加常见的点特征为位姿测量提供空间几何约束,分析利用圆形目标和与之异面的特征点进行单目视觉定位时位姿解个数的情况.以光心和特征点位于圆平面两侧为前提条件,运用几何方法证明了特征点与光心和圆平面的相对位置决定了位姿解的个数,并求出唯一位姿解和两组位姿解时光心、圆平面和特征点的位置关系,提出了基于圆特征和异面点特征的位姿求解算法,实现了6维位姿量测量,仿真实验和实物实验结果验证了算法的有效性和准确性.

为了实现高精度平面面形绝对检测,对传统的立式三平板绝对检测方法进行了重力变形补偿.通过有限元软件仿真了平板在水平放置于工装上的重力变形,并将其加入到平面绝对标定的计算中.把平面标定分成旋转对称项和旋转非对称项分别标定后进行综合,并与旋转平移绝对检测方法的测量结果进行了对比,去除离焦项对比结果均方根小于1nm.为了进一步验证离焦项的标定,对一平板在不同口径环形支撑下的形变量进行了检测和仿真,对比结果的峰谷值小于9nm,达到较高的离焦项测量精度.实验结果验证了基于重力变形补偿的立式三平板绝对检测方法能够实现立式下平面的高精度绝对检测.

提出了一种可用于干涉条纹傅里叶变换分析的空间载波频率估计方法.通过干涉条纹的加窗切趾处理及旁瓣质心坐标的计算,得到空间载波频率的高准确度估计.基于傅里叶变换的位移定理,用估计的空间载波频率实现了载频的移除.模拟和实验结果表明此方法可以有效地抑制传统干涉条纹傅里叶变换分析中的载频移除误差和频谱泄漏误差.

采用传统的熔融-淬冷法制备了一系列的(Ge15Ga10Te75)100－x(Ag)x硫系玻璃样品.通过X射线衍射、差式扫描量热法、傅里叶红外光谱仪等测试了玻璃样品的热学及光学性能.结果表明该玻璃具有良好的非晶态特性和热稳定性,玻璃开始析晶温度和玻璃转变温度的差值都超过了100℃.随着Ag含量的增加,玻璃的吸收截止边产生了红移.通过提纯,Ge-Ga-Te-Ag玻璃在1.8~20 μm有着较宽且平坦的红外光学窗口.Ge-Ga-Te-Ag玻璃组分的优良性质使其在红外领域具有广阔的应用前景.

在单层球形逆反射器的基础上,提出双层球形逆反射器,根据单个折射球面的物像位置关系和矢量场的光线追迹方法,推导得出内外层折射率和曲率半径之间的关系,及逆反光束的发散角与入射高度、球差之间的变化关系.利用ZEMAX设计了视场±60°,工作波段632.8 nm的双层球形逆反射器和改进的双层球形逆反射器.优化后的两种球形逆反射器在各个视场下的点列图直径的均方根值均小于艾里斑直径4.632μm,最大球差不大于0.045 mm,即逆反光束最大发散角不超过0.1 mrad.仿真模拟结果表明,两种球形逆反射器在各个视场下的逆反光束到达接收面的光通量分别为48.769 lm和44.249 lm,入射光通量为54.594 lm,逆反效率分别达到89.33%和81.05% .

从设计、仿真与加工入手研究液晶背光模组中侧入式导光板的激光微加工技术.通过光学软件构建导光板的光学结构并采用蒙特卡洛光线追迹方法进行模拟仿真,结果表明具有渐变密度分布的微结构能够提供高均匀性的光输出.基于仿真结果,运用激光微加工技术进行验证设计.激光微加工获得的微结构在100倍光学显微镜放大测量下尺寸约为30.14 μm,接近于设计值30 μm,同时对单个微结构的3D表面形貌特征进行分析.十组采用激光微加工技术与丝网印刷技术加工的导光板分别安装至侧入式背光模组样机中进行对比.对比结果显示,激光微加工的导光板相比于传统的丝网印刷技术具有更好的光学均匀性和更低的色差,均匀性提高了6.2%,而色差下降了0.002 7.激光微加工技术快而简单,且整个加工过程是完全环保的,具备高性能、自动化生产和易于薄型化的优点.

基于紧束缚理论,分析了一维多镜像光子晶体中多缺陷模的产生及缺陷模式分裂的机理,建立了缺陷模频率与缺陷层相对位置的关系模型.采用传输矩阵理论研究了双镜像光子晶体的光学传输特性,并讨论了光子晶体周期层数、入射角度、介质层厚度等及介质的相对折射率差等参数对光子晶体缺陷模特性的影响.模拟结果表明,调整光子晶体参数和缺陷层的相对位置可有效调控光子晶体的缺陷模特性,可为光子晶体多通道滤波器等光学器件的设计和应用提供一定的理论参考.

采用一套光电转换系统并增加一个正交信号发生器,设计了正交相关的双光束分光光度计.光电转换系统包括一个光电二极管、一个信号滤波放大和一个AD转换;正交信号发生器是一个部分直通的旋转圆盘,每一个周期它将参考信号和样品信号以正交相关的编码形式同时投射到光电转换系统上,转换得到的复合信号除了参考信号和样品信号,还包括光电二极管的暗电流信号.主控制系统按照三个信号各自的编码将它们分别分离并还原出来供后续分析计算用.由于正交相关的双光束分光光度计只采用一套光电转换系统且正交信号发生器每一个旋转周期都可以检测参考信号、样品信号、暗电流信号,避免了由于转换器件个体差异和检测时间的不同而产生的测量误差.实验验证了正交相关的双光束分光光度计在稳定性和测量精度上具有一定的优势.

针对行波探测器阵列只合成多个光电二极管的输出功率而不能提高工作带宽的问题,提出了一种多元T型电路结构的阵列探测器.通过在各个光电二极管支路串联电容降低等效电容,减小结电容对探测器截止频率的影响,再用电感连接各个光电二极管支路构成T型滤波器电路结构,在合成多个光电二极管输出功率的同时增加了工作带宽.仿真结果表明,在光电二极管支路串联与光电二极管结电容相等大小的电容时,四元T型阵列探测器相比四元行波探测器阵列输出功率减少了一半,但工作带宽提高了一倍,而相比于传统探测器则在输出功率和工作带宽上都提高了一倍,此外八元T型阵列探测器与四元行波探测器阵列输出功率相同,工作带宽提高了一倍.

为了克服不带电子快门的CCD成像探测器曝光时间无法控制的问题,提出了改变驱动时序的设计方法.在帧频确定的情况下,通过在水平读出之后增加电荷释放状态,将一帧之内多余时间段的电荷迅速排放掉,可以有效地控制CCD曝光时间,并克服CCD最小曝光时间为水平读出时间的问题.实验结果表明,大孔径静态成像光谱仪系统的抗饱和性能得到了很好的改善且此方法的非线性度为4.61%.

分别以铝、银、硅为一维背栅设计了三种单晶硅结构的薄膜太阳能电池.利用时域有限差分法,在入射光为300 nm～1100 nm的波长段,计算了三种背栅材料的单晶硅薄膜太阳能电池单晶硅层的光吸收效率;利用计算所得到的磁场强度分布特点,分析了600 nm以上波长段光吸收增强的机理.定义了归一化光吸收密度的概念,以定量衡量给定波段的光吸收效率.通过比较三种太阳能电池的归一化光吸收密度和短路电流密度,发现铝背栅比硅背栅和银背栅能更加有效地提高单晶硅薄膜太阳能电池的全波段光吸收效率.

设计了一种收发一体化的光控相控阵天线系统.该系统中,采用基于微光学元件堆栈集成技术实现真时延的产生.天线系统通过光域内的延迟控制实现微波射频域的波束控制.对系统接收模式状态进行实验验证,±10.6°、±30.8°波束指向的暗室实验结果表明,在2~6GHz宽带微波信号下,±10.6°指向角的最大指向角误差为3.1°,±30.8°指向角的最大指向角误差为1.2°.相控阵天线系统在2GHz频点动态范围约为71 dB左右.该光控相控阵系统能够实现与宽带射频信号频率无关的波束指向及一维平面内方位向运动物体的跟踪.

利用电磁场变换分析了带电粒子在磁场中的螺旋运动,基于康普顿散射理论和多普勒公式分析了虚光子与带电粒子的康普顿散射,并推导了在磁场中做螺旋运动的带电粒子的自发辐射波长公式.结果表明,当带电粒子在回旋脉塞的磁场中作螺旋运动时,在粒子静止系中可以观察到运动的周期性变化电场和磁场,即运动的虚光子.通过与带电粒子发生康普顿散射,虚光子能够转化为实光子辐射出去.

研究原子与耦合腔相互作用系统,考虑每个腔囚禁一个二能级原子,原子与腔场发生共振相互作用,腔场也相互耦合的情况;采用量子失协几何度量方法—几何量子失协,来度量两个子系统间的量子失协.利用数值计算方法给出了量子失协的演化曲线,讨论了腔场间耦合系数变化对量子失协的影响.研究结果表明：随腔场间耦合系数增大,两原子间量子失协增大,而原子与腔场间或两腔场间的量子失协却减小.

为了研究量子雷达在不同干扰背景下的生存性,基于量子保真度定义了干扰等级,提出了探测光子的生存函数,并根据不同干扰等级下的量子损伤模型建立了量子雷达生存函数,分析了不同干扰等级与量子生存系数对量子雷达生存性的影响.仿真结果表明：若设定目标被探测到的点数为40,当干扰等级为2时,量子雷达的生存函数为0.9,干扰等级为6时,生存函数降到0.5;若探测环境中量子生存系数为0.9,生存函数可达0.9;而当生存系数降到0.5时,生存函数降为0.6.因此,量子雷达生存函数可以作为一种研究量子雷达生存性的依据,结合各种量子干扰对量子传输的影响,设定适当的参量,可以提高量子雷达的生存性和目标探测能力.

基于VO2薄膜的热致相变特性,利用修正的Sellmeier色散模型和有限时域差分法计算了Au/VO2双层薄膜纳米点阵的透过率和反射率,发现其存在反转效应,且反转效应受点阵间距、膜层厚度和颗粒半径等参量调控.随着颗粒间距的增大,透射谱中谐振峰的位置发生红移,透过率反转差值增加,但间距进一步增大时,反转效应消失.随着Au/VO2膜层厚度的减小,透过率明显增大,透过率反转差值也随之改变.随着颗粒尺寸的增大,相变前后的透过率差值逐渐增大,但当颗粒尺寸进一步增大时,透过率反转效应不明显.对点阵间距、膜层厚度和颗粒半径的优化结果表明, Au/VO2双层薄膜纳米点阵间距为9.8 nm、VO2层厚度和Au层厚度均为110 nm、颗粒半径为58 nm时,反转效应最明显,其相对透过率反转差值可达91%,其相对反射率反转差值可达90%.

采用三维时域有限差分方法,对比研究了石英基底上周期性亚波长圆形、纽扣形、半圆形和太极形四种具有不同对称性的孔阵列微结构金属膜的增强光透射特性,并分别探讨了阵列周期、小孔尺寸对这四种阵列结构透射特性的影响.结果表明增强光透射特性对单元结构对称性具有很强的依赖性：在超短高斯光脉冲激励下,随着单元结构对称性的降低,归一化透过率逐渐增大,红外波段的透射峰发生大量红移,且其与可见光波段的透射峰之间的距离逐渐增大,在对称性破缺的太极形孔阵列中两峰间距最大,可达1 300 nm左右.表面等离激元模式与局域表面等离子体共振模式在增强光透射现象中起着重要的作用.在可见光波段,表面等离激元模式是这四种阵列结构的光透射增强的主导性因素;在红外波段,局域表面等离子体共振模式对单元结构对称性较差孔阵列结构的增强光透射特性有着显著影响.

为了提高电视测角仪光学系统的性能,满足电视测角仪在测量导弹偏离瞄准线的角偏差和转动角速度中的要求,在设计中使用薄膜技术.依据光学薄膜设计理论,采用金属-介质组合结构设计了宽光谱分光膜和内反射膜,解决了宽光谱光束倾斜入射时产生的偏振分离问题;通过优化沉积工艺参量、离子辅助参量以及真空退火处理,解决了内反射膜的脱膜问题.实验测试满足系统使用要求,并通过了国军标的相关环境测试.