分布反馈半导体激光器的线宽一般较大,难以满足光纤传感等领域的要求.根据C.H.Henry于1982年提出的半导体激光器的线宽理论,通过适当设计DFB半导体激光器的腔长、耦合系数、微分增益、光限制因子,能有效地减小激光器的线宽.同时,空间烧孔现象也可限制DFB半导体激光器的线宽,为此需要合理设计光栅结构.在此基础上,DFB激光器的线宽能达到几十千赫兹的量级.此外,采用DBR结构或者外腔结构,也可以获得相当窄的线宽.

首先讨论了半导体激光器外腔结构参量对激光连续可调范围影响的理论计算方法,给出了Littrow结构外腔半导体激光器调谐范围的计算结果.然后介绍了半导体激光器外腔结构参量的具体设计,利用该设计得到了出射激光线宽小于1 MHz、连续可调谐范围可达3 GHz的780 nm波段外腔半导体激光器.接着讨论了利用腔外饱和吸收谱的三次谐波稳频方法对半导体激光器进行稳频,优化激光频率短期稳定度的方法.最后根据该优化方法设计出稳频系统对半导体激光器进行稳频,得到了稳定度达到10-12量级的半导体激光输出.

简述了光纤激光器的发展历史,重点介绍了双包层光纤激光器的进展并给出了高功率双包层光纤激光器的最新研究结果.评述了目前国内外高亮度激光的关键技术:光纤激光器的相干组束.介绍了几种典型的相干组束技术并分析了其工作原理.最后给出了相干组束研究的最新结果.

介绍了一种基于高品质周期畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的高效可调谐中红外固体激光器--光参量振荡器的研制情况.该晶体长40 mm、厚1 mm,采用高压电脉冲触发技术制作,其中氧化镁掺杂浓度为6 mol%.光参量振荡器采用双向单共振结构,泵浦源为工作波长在1.064μm、线偏振的声光调Q掺钕钒酸钇激光器.当输入泵浦功率为10.6 W时,光参量振荡器输出功率为4.8 W,信号光的调谐范围为1.4～1.8 μm,闲散光的调谐范围为2.7～4.4 μm,光光转换效率大于44%.由于该类激光器的极高转换效率和方便灵活的调谐能力,非常适合于作为中红外波段的激光光源,用于各类光电对抗、激光探空雷达、大气激光雷达等系统.

介绍了光纤激光器相干合成技术及其进展,指出了互注入锁相是一种被动锁相的新技术,该技术具有合成效率高、相干度高,容易实现多光纤合成和高亮度输出等特点,是一种有前途的大功率相干合成方法.

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、修正von Karman湍谱、贝塞耳权重函数的高斯函数近似和误差小于4%的波结构函数平方近似,研究得出了包含湍流尺度影响的湍流大气中传输高斯光束的平均光强新关系和包含湍流外尺度影响的光束短期扩展因子.研究了高斯光束等效半径与传输距离、初始光束束径和光波波长间的关系,结果表明,在给定折射率结构参量和传输距离情况下,存在极小短期光束扩展对应的特征初始束径和特征光波波长.

在腔内失调理论分析基础上,采用Hartmann-Shack波前传感器实验研究了无源正支共焦非稳腔失调后输出光束像差特性,结果表明,腔内倾斜像差对光束强度分布有显著的影响,但小的腔内倾斜扰动不会使输出光束的相位分布中的高阶像差发生变化.当腔镜垂轴移动偏离光轴时,可能引起某些Zernike高阶像差,如彗差和像散的增大,但首先带来的是Zernike倾斜像差,类似于引入腔内倾斜扰动时的结果.因此在做腔内像差自适应校正时,应首先考虑腔内倾斜像差的校正.该方法为腔内像差特性的研究和像差校正提供了一定参考.

铁电薄膜在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有着广泛的应用(前景).脉冲激光沉积(PLD)在铁电薄膜制备方面显示出独特的优越性.介绍了PLD的原理、特点;综述了PLD工艺参数,包括衬底温度、氧气压力、靶材结构与成分、能量密度、靶基距离、缓冲膜以及退火工艺等的研究现状;展望了PLD制备铁电薄膜的应用前景.

对于连续泵浦的内腔式倍频、参量振荡等非线性激光器件,常需要准连续运转来提高腔内的峰值功率,声光调Q是目前获得准连续运转激光器的重要途径.在LD端泵a向生长Nd:GdVO4晶体1.34 μm静态激光的基础上,利用声光调Q对1.34 μm的动态激光进行了实验研究.当声光调Q器件重复率为5 kHz时,获得的最短脉宽为170 ns,此时的单脉冲能量为44.8 μJ,峰值功率为256 W.实验表明,1.34μm平均功率随声光调Q的重复率增加而增大,脉冲宽度随重复率的减小而变短,因而低重复率下可得到更高的峰值输出功率.

采用Nd:YAG调Q激光器输出的1.06μm光脉冲抽运Cr4+:Mg2SiO4晶体,实现Cr4+:Mg2SiO4激光器的增益开关运转.从理论和实验上分析了抽运光采用不同焦距的透镜聚焦和Cr4+:Mg2SiO4激光器采用不同腔长时,抽运光和振荡激光的模式匹配,以及模式匹配与激光器光-光转换效率之间的关系.在最佳的实验条件下,得到中心波长约为1.22μm,能量和脉宽分别为10 mJ和8.2 ns的激光脉冲,其光-光转换效率达到20%.

为了获取特种材料表面特有的激光散斑特征,建立了一套实验室内模拟远场测量系统.利用锁相放大器进行弱信号探测.采用小波分析的方法对数据进行了预处理,采用神经网络算法对实验数据进行了自动分类识别.实验结果表明,特种材料表面激光散斑的空间强度分布可以作为识别特种材料的依据之一,并为特种材料的识别提供了一种新的有效途径.

由于大气通道上介质对激光能量的吸收,改变了大气折射率,形成自散焦负透镜,从而产生热晕.热晕使激光发生畸变,限制了激光能量在大气中的有效传输.以准直高斯光束为例,模拟单脉冲和序列脉冲激光大气传输,对均匀风场和无风两种情况下激光在不同靶程光束截面的光强分布进行了数值分析.结果表明:长脉冲比短脉冲受到非线性热晕效应影响大;序列脉冲存在一个最优化脉冲间隔,使上靶光强存在20%～30%的涨幅.最后,在没有采用自适应光学系统对畸变进行补偿的情况下,提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法.

伪装效率是衡量涂料的红外伪装效果的重要指标,它取决于涂料本身的红外发射率、特定的环境背景和气候条件等多种因素.在一种典型的南方草地背景下,随着阳光辐射和昼夜环境温度的变化,研究了不同发射率涂料样品的红外伪装效率;并对不同发射率的样品进行组合,研究比较复杂的红外迷彩伪装目标的伪装效率,在此基础上,讨论了发射率对红外迷彩伪装目标的伪装效率的影响.

运动目标的计算机红外成像仿真有着广泛的应用价值.提出了适用于运动目标红外图像生成的模型和绘制方法,在考虑到大气传输和传感器噪声对红外成像的影响后,给出了不同类型的运动目标的红外图像.实验结果表明,该方法模拟效果真实,算法可靠.

实时海面舰船红外热像仿真平台(Real-time Infrared Simulator,RIS)是针对舰船红外抑制和红外对抗研究开发的一款具有自主知识产权的舰船红外仿真系统.该系统集成了船体辐射场、排气烟羽辐射场、海天背景辐射、大气传输计算和红外导引头等功能模块.RIS仿真计算的光谱分辨率达到了20 cm-1,保证了大气、烟羽等气体辐射传输计算的精度.利用RIS能够模拟各种天气状况和气象条件下沿不同视角方向观测时经大气传输后的红外热像.在此基础上,可以对舰船的红外隐身效果、不同红外抑制和红外对抗装置的使用效果以及经济成本进行仿真分析.海上航行实验的测量结果验证了RIS仿真结果的精度.

由于原理及技术方面的限制,目前的非制冷红外焦平面器件仅有较低的空间分辨率,大大限制了非制冷红外焦平面器件在**及国民经济各领域的应用.基于红外热图像灰度相关性分析,从红外焦平面阵列器件微区结构出发,研究了实现红外图像电子变倍的电子微扫描算法,介绍了2×2电子微扫描红外图像电子变倍的算法及其仿真效果,并与双线性插值算法进行了比较.该算法有效地实现了红外焦平面热图像的电子变倍,提高了采样带宽,降低了红外焦平面空间抽样成像引起的频谱折叠混淆效应.

利用红外热波无损检测技术可以快速、有效、直观地检测碳纤维蒙皮与蜂窝芯界面脱粘缺陷.对缺陷进行定量化检测研究过程中,基于热波原理推导出的公式,易于实现缺陷深度的测量.采用了两种方法检测缺陷的大小,实验表明,利用Canny边缘算子检测边缘,检测性能好,缺陷形状可视程度高,实验结果还可作为测量浅表下缺陷大小的参考依据.

在等离子增强化学气相沉积法(PECVD)沉积SiO2和SiNx掩蔽层过程中,分解等离子体中浓度较高的H原子使Mg-受主钝化,同时在p-GaN材料表面发生反应形成浅施主特性的Nv空位.高能量离子轰击造成的材料深能级缺陷增多以及沉积形成致密的SiO2和SiNx材料,阻碍了H原子向外扩散,使H原子在Ni/Au电极与p-GaN的界面处聚集,造成p-GaN近表面附近区域Mg-H络合物密度的提高,空穴浓度急剧下降,导致Ni/Au透明电极I-V特性严重恶化.选择较低的射频功率(15 W,13.56 MHz)沉积模式,经过适当的退火,可以减小沉积SiO2过程对p-GaN的影响.

通过对光电二极管结构和工作原理及光谱响应特性的分析,探讨了在相同工艺条件下,硅光电探测器的小光斑法测试过程中,不同大小光敏面得到不同光谱响应曲线问题.参考一维分析,建立了简化的二维分析方法,并做出定性的分析以及定量的计算,得到与测试一致的结果:光敏面积对响应率的光谱特性的影响为短波基本无变化,长波随光敏面积的减小而减小,为以后的测试改进提供了参考.

针对海面小目标处于海空线这一先验知识,提出了基于小波变换和多方向Gabor滤波融合的方法,检测任意角度的海天线,确定小目标的潜在区域,减少搜索区域与虚警情况,并利用运动目标的相关性检测小目标.结果表明,该方法对于复杂的海面背景是有效的,能够很好地检测出目标点.

针对Snake不能收敛于凹形边缘和收敛速度慢的缺点,结合帧间差分和梯度矢量流主动轮廓模型(GVF Snake),提出了一种运动目标跟踪方法.首先通过帧间差分得到不同时刻的灰度差异图像,然后用形态方法得到的运动目标粗略轮廓作为Snake的初始轮廓,最后利用GVF Snake的特性,准确地收敛到目标边界.实验证明该方法运算速度快、能够快速地收敛到目标轮廓、准确地跟踪目标,并具有一定的抗噪能力.

运动平台下,图像的运动包括目标、背景和平台的运动.复杂的运动关系,加上运动平台下成像质量差,增加了目标跟踪的难度.提出了一种有效的运动平台下前视红外(FLIR)成像目标跟踪算法.对于每一个被检测出的目标,计算灰度和局部标准差的分布,通过计算Mean Shift向量,最小化当前帧目标与模板的核密度分布,实现对目标的跟踪.采用自动更新模板的策略克服目标特征分布发生改变的问题,该策略同样取决于得到的模板与目标分布相似性度量.实验仿真证明,该算法能有效地、准确地跟踪红外成像序列中的运动目标,计算量小,可以满足实时性要求高的场合.

利用涡结构对光波通过高速流场的光学传输特性进行建模,就必须进行涡结构的识别.文中提出一种涡结构识别方法,首先把密度场转换的折射率场等效为具有丰富纹理信息的灰度图像,进而对其进行多小波分解,计算每次分解的小波基系数的熵值,利用阈值判定低熵的为大涡的小波基系数,高熵的为小涡的小波基系数.计算机仿真结果表明,该方法能有效地进行涡结构识别,为基于涡结构的光学传输精确建模奠定了基础.

通过合理建立针对红外图像的气动光学效应退化模型,根据极大似然估计准则设计复原算法,同时针对随机变化的点扩展函数和噪声对目标图像尤其是图像中细节恢复的影响,对单一规整化方法进行了扩展,采用双重规整化策略,将规整化分为两个各有侧重点的层次来处理.在微机上进行了一些复原实验,并给出对比结果,证实了该算法的有效性.

针对复杂背景中/长波红外图像的特点,提出了一种基于小波变换的中/长波红外图像融合检测方法.首先,对原始中/长波红外图像分别进行小波变换,提取出两幅图像的低频和高频信息;然后,分别对图像的低频和高频信息采用不同的融合准则进行融合,并用小波逆变换重建成融合图像,自适应选取阈值,获得最终的目标检测结果.在实验中,采用相同的方法分别用融合图像、单波段红外图像进行目标检测,实验结果证明,用文中提出的融合检测算法优于仅用长波或中波红外图像的目标检测.

车载式被动红外探雷系统中,由于存在探测系统的主光轴与地面法线的夹角,热像仪所获取的图像存在着较大的畸变,影响了地雷探测的准确率.从图像畸变产生的原因入手,根据从物平面到像平面的坐标映射算法,在VC++6.0环境下实现了对畸变图像的矫正.实验结果表明,当红外热像仪置于2 m高度,探测距离为20 m时,矫正后图像与20 m正视图像各对应像素点灰度值之差均小于8,具有相似性.本算法适用于红外探雷车辆的图像处理系统.

在获取图像的过程中,传感器和场景的相对运动所造成的图像模糊是一类常见的图像退化模式.为对模糊图像进行恢复,首先要给出精确的点扩展函数估计.针对匀速运动降晰的情况,提出了一种新的误差-参数曲线法,并依据这种曲线提出了一种点扩展函数的自动估计算法.通过引入奇异因子、光滑因子以及平坦因子来实现点扩展函数的估计.实验结果表明,该方法可以取得较为精确的估计效果.

相关算法是一种可靠性很高的匹配算法,在信号处理中有很重要的应用.但由于计算量大,严重影响了该算法的实时运行.提出了利用行列递推来实现相关算法的快速计算,并针对实时处理的需要,结合TMS320C6711DSP的特点,研究了相关算法的几种DSP优化实现方法.实验证明,经过优化后,算法的匹配速度得到了很大提高.

要实现快速、准确地检测远距离污染气体红外光谱,对光谱进行预处理,消除高频噪声以及低频扰动,提取光谱特征信息是其中重要的一环.提出了一种对光谱信号进行预处理改进的高低通综合滤波法.该方法采用平滑滤波法去除高频噪声,采用阈值拟合技术处理低频扰动.阈值拟合技术的应用使整个光谱预处理过程完全自动化.实验结果表明,高低通综合滤波法可以使光谱预处理问题得到有效解决.该方法具有自适应功能,操作简便,运行可靠.

液晶中的光折变光栅在数据存储、实时全息术、干涉测量、光放大、相位共轭、光学图像处理和光束操控等领域具有潜在的应用价值.通过二波耦合的方法在掺C60的向列液晶中记录了永久光栅,该光栅的衍射特性能够被外加直流电场或以任意角度入射的、与记录光强度相当的一束平面光波控制.为了进一步了解光栅建立的机制,研究了在恒定外加直流电场下的电流动态过程,从而证明该光栅源于表面电荷的光调制.

介绍了一种利用测量得到的大气能见度获取多波长气溶胶光学特性(主要探讨气溶胶的消光系数、散射系数和吸收系数)的新方法.首先,由能见度求出波长0.55μm的大气消光系数,在减去大气分子的消光系数后得到0.55μm气溶胶的消光系数,使用Mie散射理论求出气溶胶粒子的数密度;因为同一时间大气状态下气溶胶的数密度是不变的,所以再次使用Mie散射理论即可得到其他波长下气溶胶的光学特性.以1.06、1.536、3.75 μm为例,给出了合肥2003年近地面层的气溶胶光学特性,该方法对于研究大气环境和大气中光传输模式具有重要意义.

通过外加周期激励对气动光学流场中相干结构的发展进行相位调制,从而获得近似周期变化的畸变波前时间序列;通过计算各相位角畸变波前的平均值,并将其共轭波前作为相应时刻的校正信号应用于畸变波前的自适应校正.对比校正前后的近场相位分布以及远场Streh1比发现:该气动光学校正方案能有效地消除相干结构产生的大尺度波前相位畸变,同时提高远场的Strehl比.

利用薄膜反射镜作为太空望远镜主镜是研究大口径、超轻型未来空间光学系统的最新方向之一.基于静电学原理,设计了口径φ200 mm薄膜反射镜静电成形实验系统,该系统包括薄膜反射镜固定装置、电极板装置以及直流高压系统.采用ZYGO干涉仪和莫尔偏折术,分别对薄膜反射镜面形随直流电压的变化情况以及不同电压下薄膜反射镜的顶点曲率半径进行了观察和测量,并与理论值进行了比较和分析.实验结果表明,该系统可有效改变薄膜反射镜的面形.目前,在700 V电压下,薄膜反射镜的顶点曲率半径达17.7 m.

离轴三反光学系统具有高分辨率、大视场、长焦距、质量轻、小体积等特点,满足空间对地遥感、空间摄影等领域的要求.介绍了离轴三反射镜光学系统的设计原理.用ZEMAX软件设计了一个三个反射面均是二次曲面、焦距为2 000 mm、F数为9的离轴三反射镜系统.结果表明,该系统可达到7°×3°视场,对于空间频率50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.5.

作为半导体激光器组件的重要一部分,热电制冷器(TEC)工作特性的模拟对激光器组件的设计与优化有着重要的意义.根据实际器件的结构模型,建立了考虑各种影响因素所造成的附加热阻和接触电阻的数学模型,进而推导出TEC的等效电路模型.用SPICE进行了TEC各种特性的仿真和讨论,分析了环境温度、制冷功率、附加热阻、接触电阻、工作电流以及电流源等对TEC工作特性的影响.采用等效电路模拟对于TEC的设计、优化和应用控制是一种有效的方法.

以正交四元探测系统为例,介绍了多元红外导引头的工作原理.为了有效设计多元红外导引头预处理电路带宽,利用Matlab进行仿真,通过仿真分析了预处理电路高端和低端带宽的选择对信号提取的影响,并研究了预处理带宽选择对抗人工干扰的影响.仿真结果表明,频带低端设置对信号下沉有较大影响,频带高端设置对脉冲下降沿产生的负脉冲有较大影响.在对抗大倍数人工诱饵干扰时,电路的低端带宽选择会对抗干扰带来显著影响.最后利用仿真结果,设计了红外四元导引头的预处理电路,经内外场测试,该电路在目标脉冲信号提取及抗人工干扰性能方面表现出了良好的性能.