采用磁控溅射方法在硅衬底上生长了五个不同组分的银铟合金薄膜.采用椭圆偏振光谱仪研究银铟合金薄膜的光学性质.银基金属薄膜一般在3.9 eV附近出现典型的带间跃迁.随着铟含量的增加,银铟合金薄膜的介电函数呈现出明显增加的趋势,典型带间跃迁能量也出现蓝移.结果表明,银铟合金薄膜的光学性质可以通过其中铟元素的含量进行调控.Ag0.93In0.07薄膜比其他四种组分的银铟合金薄膜有着更大的品质因子(Q因子),而且在一些波段甚至比纯金属金和铜的Q因子都要大,这表明银铟合金材料具有成为新型等离子体材料的潜力.

基于红外光谱椭偏仪测得钛合金TC4在298~773 K范围的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法对钛合金随机粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究.分析了不同表面粗糙度、入射光偏振态及温度对钛合金表面BRDF分布的影响.结果表明：偏振光入射下钛合金的BRDF分布随入射角度及表面粗糙度的变化趋势与非偏振光相同;入射平面内粗糙钛合金表面的BRDF随光源偏振态变化与光滑平板具有相同趋势;TE波入射时的BRDF反射峰值大于TM波入射;钛合金粗糙表面的BRDF镜反射峰值随温度升高有下降趋势;在所研究的温度范围内(298~773 K),峰值变化在10.2%以内,温度变化对TM波下钛合金BRDF分布特性的影响大于TE波,且在入射角度增大时影响增大.

设计了金属和介电层的周期性多层结构的大带宽阻带过滤器.三个因素(金属层数,金属层和介电层)对CRR结构的过滤器的阻带和阻带中心频率的影响进行了研究.模拟结果表明阻带带宽可以达到2.2 THz.同时,阻带和中心频率可以通过选择合适的金属层数或者介电层来调制,但它们对金属层的种类并不敏感.

在光学散射测量中,除了实际测量光谱的质量外,模型的输出光谱对待测纳米结构参数的灵敏度也对最终测量结果的精度具有重大影响.由于不同的测量配置(入射波长、入射角和方位角的组合)下,纳米结构参数的灵敏度会不同,因此提出了一种基于灵敏度分析的测量条件优化配置方法来改善待测参数的灵敏度,以实现更高精度的纳米结构测量.实验表明,在理论预估的最优测量配置下,一维纳米结构所有待测参数的测量精确最优,验证了其有效性.

为提高恶劣测量环境下单站红外搜索与跟踪系统的跟踪性能,提出了一种鲁棒的高斯和容积卡尔曼滤波算法.首先,为改善滤波初值模糊问题,在容积卡尔曼滤波框架下将滤波器分为若干不同初值的子滤波器,利用似然函数逐步减小初值偏差较大的子滤波器权值;其次构建非线性程度判别量,在高非线性情况下将预测密度沿最大特征向量方向进行分割,提高滤波精度;最后利用等价权函数改善新息协方差,减小异常误差对滤波准确性和稳定性造成的影响.实验结果表明,不存在异常误差时,所提算法跟踪结果优于传统算法;存在异常误差时,传统滤波方法的精度明显降低,而所提算法依然能够得到准确可靠的跟踪结果.

实验研究了由三根信号光纤锥形束和一根多模光纤组成的3×1信号耦合器.通过仿真,发现锥形长度越长传输效率和输出光束质量越好,同时也验证了对于低阶模场的吸收要高于高阶模场.实验中,制作了锥区长度为10 mm的3×1信号耦合器,在单纤注入信号功率分别为258 W和365 W的情况下获得转换效率为96.6%的信号输出,总输出功率602W,光束质量为Mx2 = 10.5, My2 = 9.7.

提出了光栅—谐振腔复合结构. 利用光学理论和粒子模拟方法研究了这种光栅—谐振腔复合结构中的史密斯—帕塞尔辐射的输出特性. 结果显示：利用这种装置可以产生太赫兹波段的可调谐相干史密斯—帕塞尔辐射. 这种光栅—谐振腔复合结构具有下列优点：它可以把一定发射角和任意方位角的史密斯—帕塞尔辐射同相位反馈到电子束,对电子束进行调制.

综述了近几年来亚波长陷光结构HgCdTe红外探测器研究进展.系统介绍了一种结合有限元方法与时域有限差分方法对红外探测器的“光”“电”特性进行联合模拟和设计方法,以及基于这种新的数值模拟方法对亚波长人工微结构HgCdTe红外探测器的模拟和分析结果.理论分析和实验研制数据均显示这种新型亚波长人工微结构结构具有很好的陷光特性,在提高长波红外探测器性能方面具有潜在应用前景.

提出了全外延技术方案制备阻挡杂质带薄膜,避免了离子注入制备背电极层影响外延薄膜质量的技术难点.基于硅器件工艺设计制作了Si:P阻挡杂质带红外探测器.测量了器件的光电流响应谱和暗电流特性曲线,指认了叠加在光电流响应谱上的尖锐杂质峰对应阻挡层中磷原子的杂质跃迁.研究了器件在低温下小偏压范围内的暗电流起源.通过对计算结果分析,排除了该区域暗电流起源于热激发电导和跳跃式电导的可能,指出暗电流来自器件对冷屏的光电响应.器件工作温度5 K,工作偏压1.6 V时,响应波段覆盖2.5~40 μm,峰值波长28.8 μm,峰值响应率20.1 A/W,峰值探测率3.7×1013 cm·Hz1/2/W(背景光子通量低于1013 ph/cm2·s).

采用液相外延方法在InAs衬底上制备了InAs0.94Sb0.06外延薄膜.分别通过高分辨率X射线衍射谱和扫描电子显微镜测试对样品的结构特性和截面形貌进行表征分析,外延薄膜的晶体质量较好.利用样品在3 000～6 000 nm波段内的椭圆偏振光谱,结合介电函数模型,拟合得到了室温下InAs衬底和InAs0.94Sb0.06薄膜位于禁带位置附近的的折射率和消光系数光谱.由禁带位置附近的折射率能量增强效应确定InAs0.94Sb0.06薄膜的禁带宽度为0.308 eV.

采用ICP刻蚀(inductively coupled plasma etching)工艺制备了深台面n-on-p结构的可响应到2.4 μm的延伸波长8×1元线列InGaAs探测器.器件表面采用ICP源激发的N2等离子体进行处理,然后再使用ICPCVD(inductively coupled plasma chemical vapor deposition)沉积一层SiNx薄膜的钝化工艺.不同面积光敏元器件的电流—电压特性分析显示器件在常温和低温下侧面电流均得到有效抑制,激活能分析显示了器件优异的暗电流特性,在-10 mV偏压下,在200 K和300 K温度下暗电流密度分别为94.2 nA/cm2和5.5×10-4 A/cm2.

飞秒激光对p型HgCdTe打孔形成PN结.该实验基于1 kHz低重复频率飞秒激光采用不同脉冲数在p型HgCdTe上打孔形成尺寸不同的微孔结构.实验发现脉冲数是影响成结效果的重要参数.激光诱导电流(LBIC)检测表明,随着脉冲数由单个增至10个,微孔侧壁反型层宽度由13.5 μm减小到10.5 μm.当脉冲数增大至100个时,微孔LBIC信号曲线已严重偏离PN结所对应的正负峰对称线形,意味着结特性趋于失效.对LBIC曲线拟合表明,单脉冲打孔形成的PN结给出最大的载流子扩散长度,约为17 μm,而10个脉冲对应的环孔PN结扩散长度则减小为12 μm.

四象限探测器的各探测器互相匹配,被广泛应用于光束准直等应用中,适合于测量和监控快速变化或漂移的光束.通过研究,提出了一种基于四象限探测器的偏振态测量装置.该装置在四象限探测器的每一个探测器前放置经过不同检偏方向的偏振片及特定相位延迟和快轴方向的波片,构成四个检偏通道,并通过探测器上的光强计算得到入射光的斯托克斯向量.不同偏振片的偏振方向以及波片的相位延迟和快轴方向经过优化设计确定,以便降低测量误差并提高测量稳定性.该斯托克斯向量测量仪能够实现入射光偏振态的同时测量与高速输出,对于动态偏振系统的监控具有独特优势.通过类似优化设计,亦可扩展系统使用波段,改善红外波段测量效果.

通过溶胶凝胶技术制备了不同Ga掺杂含量的ZnO透明导电薄膜,研究了Ga掺杂对GZO薄膜结构、电学及光学性能的影响.从X射线衍射光谱分析,所有薄膜均表现为六方纤锌矿结构,经过氢气退火处理之后,薄膜的电学性能均得到提高,当Ga掺杂含量为5 at%时,得到薄膜的电阻率为3.410×10-3 Ω·cm.利用可变入射角椭圆偏振光谱仪(VASE)在270~1 600 nm波长范围内研究了GZO薄膜折射率和消光系数的变化,采用双振子模型对实验数据进行拟合.

针对采用FTIR方法在宽波数范围内测得不同样品的发射光谱在强度上难以做定量比较的困难,提出了一种简便可行的校正方案,即通过计算发射谱仪器函数来进行强度校正;对其可行性、限制因素及注意事项进行了详细讨论.以一组覆盖宽波数范围的样品为例用此方案测量校正了室温下测得的光荧光谱,并对校正前后的结果进行了比对分析,获得了与实际符合的结论.结果表明采用FTIR测量方法并结合适当的校正方案可以获得宽波数范围内的有效发光强度信息.

液晶相位延迟器(LCVR)是一种新型偏振器件,精确标定其光电特性是实现基于该器件的精密光学偏振测量的关键环节.通过建立探测光强与相位延迟值和器件方位角的数学模型,提出了一种基于单偏振器的测量新方法,可快速计算出不同电压作用下的LCVR本征轴方位角和相位延迟值.该方法具有测试结构简单、相位延迟测量过程无需机械旋转、全谱测量速度快的优点.此外,该测量结构便于集成在其它偏振测量结构中,实现LCVR的在线、实时标定.实验结果表明基于上述方法的测试系统,LCVR的相位延迟测量重复性优于5‰,本征轴方位角的测量分辨率优于0.1°.

对随机折射率调制的光纤光栅进行了理论建模,将随机光纤光栅看作是长、短周期均匀光纤光栅的随机线性组合.分别利用传输矩阵法和光束传播法计算了随机间距均值为20 μm的随机光栅的反射和透射特性,证实了随机光栅中同时具有前后向纤芯基模的耦合以及纤芯基模与包层模式之间的耦合,验证了所提出的线性组合的理论模型.文中还进行了随机光栅的实验研究,采用飞秒激光器在1 cm的单模光纤中写入了具有500个随机间距在10~20 μm的折射率调制点的随机光栅,并测量了该随机光栅的反射和透射光谱.实验结果进一步验证了理论模型的准确性.

为研究卷云的非球形粒子对毫米波雷达的散射特性,利用矩量法计算了卷云六种非球形冰晶粒子最大尺寸与散射截面之间的双指数函数关系.利用三种假设模型：Ⅰ. B-H混合模型、Ⅱ.等效椭球模型、Ⅲ.等效球模型分别验证NASA 在2007年7月31日一次卫星与飞机同步测云试验数据,对比后发现模型Ⅰ(B-H模型)模拟4个位置处实测的结果最好,模型Ⅱ的结果其次,模型Ⅲ的结果最差,但是B-H模型模拟1号,2号,3号位置处的雷达反射率因子与实测值相比偏低,分析原因认为粒子谱探测仪器忽略了滴晶粒子贡献.加入滴晶粒子后统一拟合1号,2号,3号以及4号的普适性粒子谱,拟合其满足B-H模型时冰水含量与雷达反射率因子之间的关系式,将CVI仪器实测的冰水含量值代入上面的关系式得到反演的雷达反射率因子,对比CRS毫米波雷达实测的雷达反射率因子可知：当云中冰水含量小于0.1342 g/m3,冰晶中的空气含量对雷达反射率因子的影响要远大于粒子的取向问题;当云中冰水含量介于0.134 2~0.199 4 g/m3,冰晶中的空气含量可以忽略不计而仅考虑粒子的取向问题;当云中冰水含量大于0.199 4 g/m3,B-H模型将不再适用.因此为了利用毫米波雷达反射率因子精确地反演云中冰晶粒子,应以冰水含量为前提考虑B-H模型中冰晶粒子的取向以及空气含量.

基于扫描探针显微镜的近场超空间分辨指纹光谱技术在分子识别及组分鉴别方面具有极大的应用前景.扫描探针显微技术与不同的光谱联合使用,发展出了不同的具有纳米级分辨的指纹光谱技术,其中包括针尖增强拉曼散射光谱技术、纳米级分辨率的傅里叶变换红外光谱技术及散射式的扫描近场太赫兹光谱技术.这三种散射式的扫描近场光学显微技术在实现方式上有所不同,在近场指纹识别方面可以相互补充.该综述主要对三种近场超空间分辨指纹光谱技术的特点进行了深入地分析和比较,并且对这三种技术的研究现状及应用进行了总结.

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示：FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.