圆柱形介质加载四臂螺旋天线因宽波束、圆极化、体积小等优点被认为是微小卫星天线的理想方案。为了解决介质加载四臂螺旋天线制作的难点, 提出了一种全新的磁控溅射金属化加激光刻蚀的新工艺, 采用计算机数控结合激光刻蚀的柔性加工技术, 制作出3维立体的四臂螺旋结构, 制备了应用于微小卫星系统的介质加载四臂螺旋天线, 相对于传统工艺, 大大提高了加工精度, 并缩短了加工周期。结果表明, 天线的电气性能达到了设计要求, 且具有良好的机械性能。该研究为以后此类曲面共形天线的制作提供了参考。

为了验证光纤环形谐振腔的游标效应, 对不同长度的光纤环形谐振腔进行了研究。实验研究了长度分别为2.24m和2.52m光纤环形谐振腔透射谱频率的对应关系, 当谐振频率相同且自由频谱宽度个数差值为1时, 根据差值等分测量原理, 以其中一个谐振谱线作为标尺、另一个作为游尺, 对标尺的自由频谱宽度九等分, 得到游尺的最小测量分度为0.01GHz, 这与MATLAB理论仿真结果一致。结果表明, 通过改变谐振腔尺寸差, 增加自由频谱宽度的等分刻度数, 可以提高测量精度; 基于微谐振腔对外界环境变化的敏感特性, 谐振腔游标效应在高灵敏传感领域将具有潜在的应用。

采用常规条纹投影与相位分析方法, 对动态物体, 尤其是空间存在孤立区域、分布不连续的动态物体进行3维面形测量时, 很难得到可靠的展开相位。为了解决这一问题, 提出一种用颜色编码正弦条纹光栅投影测量的新方法。该方法使用二级编码的颜色信息来标记待投影的正弦条纹, 从另一角度拍摄记录带有颜色信息的变形条纹图, 根据编码特征进行解码获取颜色级次来确定条纹级次,并指导截断相位的展开, 重建空间孤立动态物体的3维面形数据。结果表明, 该算法的编码稳定、解码方式可靠, 只需要拍摄1幅图就可以较好地重建空间孤立物体的3维面形。

为了研究特定模式下氟化物高反射薄膜的损伤机理, 采用相衬微分干涉显微镜、原子力显微镜和台阶仪对不同工艺条件下制备薄膜的损伤区域逐步进行对比分析, 在薄膜沉积温度增加后, 随着薄膜体内聚集密度的增加, 薄膜激光损伤阈值有所提升; 对于规整膜系, 体内驻波电场强度分布对薄膜损伤也有较大影响。结果表明, 根据薄膜损伤形貌和损伤深度综合推断, 制备的高反射薄膜损伤是由薄膜体内的聚集密度和电场强度分布所共同引起。该实验结果为下一步继续研究高性能激光反射薄膜打下了基础。

为了提高点云数据平面拟合精度, 提出强度加权总体最小二乘法。该方法是在传统加权总体最小二乘法基础上, 利用点云数据中各点强度信息确定其平面拟合权重, 通过均质性不同的3种平面样本数据对该方法的适用性进行了研究。结果表明, 与最小二乘法和总体最小二乘方法相比, 该方法对于均质性较好的点云数据有效, 可以得到更高精度的参量解; 而对于均质性较差的点云数据, 该方法效果不理想, 总体最小二乘法是最有效方法。

为了从噪声背景中有效地提取光电复合海缆的布里渊光时域反射信号, 根据信号的特点, 提出了采用小波阈值法对实时信号进行去噪处理。针对小波阈值去噪参量设置的基础性问题, 通过理论分析和实验对比确定了适于海缆布里渊光时域反射信号去噪处理的最优参量, 并与中值滤波、均值滤波的去噪效果进行了对比。结果表明, 相对于两种传统的滤波方法, 最优参量下的小波阈值法能有效去除噪声, 不仅信噪比提高了14.1dB, 而且能检测出100με的应变变化。该研究对于探索海缆布里渊光时域反射信号的高效处理方法具有重要参考价值。

为了实时监测汽轮机末级湿蒸气中水滴大小分布和浓度的变化, 指导汽轮机的安全经济运行和锅炉给水量, 减小湿蒸气对汽轮机的影响, 提出了一种以CCD为探测器、测量湿蒸气参量的异轴角散射方法; 根据模拟汽缸的结构和参量建立数学模型, 并进行了仿真分析, 得出水滴群质量中间半径、水滴数浓度和尺度分布参量的变化对散射比的影响规律; 分别对不同工况下的湿蒸气进行了实验测量; 仿真和实验结果变化趋势基本一致。结果表明, 利用异轴角散射法测量湿蒸气参量变化是可行的。该研究对湿蒸气参量以及其它微粒的监测是有帮助的。

为了在半圆周上准确进行激光刻蚀, 以刻制热流传感器的半球形铂电阻, 满足热流测点的精确定位, 采用了一种基于视觉成像系统定位加工点的方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了铂电阻较高的定位数据。该方法首先通过背光照明使半球边缘轮廓清晰可见, 通过提取边缘上的4个点坐标, 计算并定位到半球顶点; 旋转平台, 补偿偏差值, 实现精确定位加工点; 最后对成型的半球形热流传感器电阻位置进行测量验证。结果表明, 该方法具有良好的定位效果, 刻蚀制作的球半径相对误差约为0.39%, 载物平台旋转角度相对误差控制在3.9%, 解决了定位半球顶点问题, 提高了刻蚀精度。这一结果对于利用激光刻蚀机在曲面模型上刻蚀形成铂电阻是有帮助的。

为了得到1维光子晶体中TM波的传输公式, 采用传输矩阵的方法和电磁波的边界条件, 推导出TM波在介质层中的特征矩阵及其反射系数和透射系数公式。结果表明, 用TE波反射系数和透射系数公式做代换的方法不能得到正确的TM波的反射系数和透射系数公式;对推导出TM波的反射系数和透射系数公式进行了分析, 由TM波的反射系数和透射系数公式得出的光强透射率和反射率满足能量守恒;并且推出的TM波反射系数公式不仅能够反映反射波与入射波的数量关系, 且能够反映反射波与入射波的位相关系。这些结果对研究1维光子晶体中TM波的传输性质是有帮助的。

为了得到较理想的激光刻蚀结果, 采用355nm固体紫外激光, 分别在空气与水中进行了氧化铝陶瓷片激光刻蚀实验。对激光主要参量如脉冲能量密度、激光扫描速率、激光重复频率等对水下刻蚀深度和质量的影响进行了对比研究; 对激光刻蚀的机理以及水辅助刻蚀的物理过程进行了分析, 分别得到了紫外激光在空气中与水下的刻蚀形貌与不同激光参量下的刻蚀深度数据。结果表明, 水辅助激光刻蚀可以提高刻蚀效率, 改善刻蚀质量; 水下激光刻蚀深度与激光的脉冲能量密度、加工速率、重复频率和水的深度等参量有密切的关系; 水辅助激光刻蚀过程中水的冷却作用以及产生的空泡有效防止去蚀材料的二次黏附, 避免变质层的形成, 既提高了刻蚀质量, 同时也增加了刻蚀深度。

Goldstein枝切法作为相位解缠中路径积分法的重要算法之一, 其解缠结果易受到噪声或间断相位缺陷所引起的残差点影响。为了研究相位间断缺陷对解缠算法的影响, 模拟了具有间断相位缺陷的数据, 采用Goldstein枝切法进行了系统的解缠研究。重点研究了残差点对枝切线的搜索窗口半径大小的影响, 并将解缠相位与真实相位进行了比较。结果表明, 在单相位间断和双不相交的相位间断缺陷的情况下, Goldstein枝切法仍然具有较好的解缠效果; 对于双交叉相位间断缺陷, Goldstein枝切法在这一局部区域无法得到正确的解缠结果; 通过研究枝切线搜索窗口半径对解缠的影响, 验证了存在“有效枝切线搜索窗口半径”的结论。此实验结果对于采用或联合采用Goldstein枝切法进行的相位解缠理论研究和应用具有参考价值。

为了实现车用铝/钢异种金属良好连接, 采用光纤激光对车用铝合金与镀锌钢对接接头进行了激光深熔填丝钎焊工艺试验, 并对焊缝接头的成形、界面金属间化合物层, 以及力学性能进行了分析。结果表明, 铝合金一侧是激光深熔焊接接头, 而镀锌钢一侧是钎焊接头; 在镀锌钢与钎焊缝中间界面存在金属间化合物层, 厚度小于10μm; 金属间化合物主要为Al7.2Fe2Si和(Al,Si)13Fe4; 拉伸试样主要断裂于铝合金热影响区处, 平均抗拉强度为145MPa; 接头的断裂方式主要是韧窝断裂。

为了实现2μm激光高效输出, 采用793nm激光二极管端面抽运掺Tm3+光纤激光器的方法设计了抽运光耦合系统, 分析了掺Tm3+光纤激光器的交叉弛豫效应及热效应, 并进行了相关的实验研究。结果表明, 获得耦合系统的耦合效率为84%; 当入纤抽运光功率为70W时, 获得34W激光输出, 斜率效率为59%, 中心波长为2001.2nm, 光束质量M2≤1.2。该研究结果对掺Tm3+光纤激光器的设计具有指导意义。

为了研究激光谐振腔的模式分布, 采用基于有限元矩阵的分析方法, 对圆形镜谐振腔进行了计算分析, 并验证了该方法的可行性和有效性。在此基础上, 对腔镜单元的合理划分进行了研究。通过拟合相对误差与单元格划分精细程度的关系求出合理单元格数, 进行了实例计算和分析, 结果符合较好。结果表明, 该方法使激光谐振腔模式的分析更加精确和方便。

为了研究激光等离子体相互作用过程中逆韧制辐射效应, 用1064nm Nd∶YAG激光器诱导产生紫铜等离子体, 建立3条铜原子谱线的Boltzmann图, 计算得到紫铜等离子体的电子温度为6902K。通过测量铜原子谱线324.75nm的Stark展宽, 计算得到紫铜等离子体的电子密度为3.6×1017cm-3;基于铜等离子体的特征参量, 得到紫铜等离子体的逆韧制辐射系数是0.021cm-1。结果表明, 该光谱分析方法可以在避免对等离子体产生扰动的情况下, 得到等离子体的特征参量。

为了研究激光二极管端面抽运掺钕钆镓石榴石Nd∶GGG激光器的热效应, 采用实验测量与理论计算结合的方法, 进行了激光器的连续运转, 测量了激光器的热焦距、本征损耗和热损耗。结果表明, 采用凹-平腔结构, 当抽运功率为28.8W时, 得到最大连续波输出功率为13.2W, 对应最大斜效率为51.5%, 光光转换效率为49.5%, Nd∶GGG晶体的本征损耗测量值为0.86%/cm; 测量结果与理论计算吻合得很好。所得结果为LD抽运Nd∶GGG激光器的进一步设计优化提供了实验和理论依据。

最大类间方差(Otsu）图像分割法是常用的一种基于统计原理的图像阈值分割方法。为了改善Otsu耗时较多、分割的精度低、易产生图像误分割等不足, 将猴王遗传算法与Otsu算法结合, 运用猴王遗传算法的原理, 寻找图像灰度的最大类间方差, 即最佳阈值。结果表明, 结合后的方法不仅提高了图像的分割质量、缩短了运算时间, 而且非常适合图像的实时处理。

为了实现3.8μm激光输出, 采用了1.064μm激光抽运周期性极化掺氧化镁铌酸锂晶体（MgO掺杂摩尔分数为0.05）的光参变振荡器技术,由理论分析得到1.064μm激光抽运PPMgLN实现激光输出时, 输出波长与极化周期以及温度的关系曲线。实验中, 当晶体周期为29.2μm、温度为400K时, 实现了3.8μm激光输出; 当抽运功率为35W、声光调Q频率为8kHz条件下, 获得3.84μm激光输出的平均功率为3.9W, 其转换效率为11.14%, 激光光束质量为6.46。结果表明, 该技术可以获得较高转换效率的3.8μm激光输出, 有望成为中红外激光对抗的激光干扰源。

为了降低成本, 同时改善光学相干层析成像技术的图像获取率和轴向分辨率, 采用白光源照明的谱域光学相干层析成像的方法, 进行了理论分析和实验验证, 通过对薄膜等样品的测量, 取得了一些基本的数据和图像。结果表明, 样品内部结构的图像清晰可见, 该系统切实可行, 并能够实现工程和生物材料内部结构的实时3维图像重构。

为了进一步减小白宝石（Al2O3）高反镜在强光辐照下的热变形, 提高光束质量, 研究了白宝石高反镜厚度、直径尺寸对热变形的影响。采用以极坐标表示的热传导方程和热变形公式来描述白宝石高反镜的温度场分布和位移场分布;在有限元分析软件中建立数值计算模型, 并计算了不同厚度、直径尺寸下的温度场和位移场, 得到了热变形随厚度尺寸和直径尺寸变化的规律。结果表明,影响白宝石高反镜反射面峰谷值变化的主要因素是温度, 而尺寸变化对温度和刚度均有影响;选择合适的高反镜直径和厚度尺寸, 可以有效降低镜面温升, 同时得到合适的轴向结构刚度, 从而减小反射镜镜面热变形。该研究结果对强光辐照下白宝石高反镜尺寸设计和选择具有一定的参考价值。

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响, 基于几何光学, 采用数值仿真的方法,研究了基片表面的倾斜度对光学势阱的影响。结果表明,当基片表面相对于激光驻波中轴线正倾斜时, 基片表面会形成一个无光场区, 使光学势阱为0, 且在z方向上光学势阱会发生一个零值突变; 当基片表面相对于驻波中轴线负倾斜时, 基片表面永远存在光场, 在z方向上光学势阱不会发生零值突变, 且光学势阱相对于z=0会出现对称现象。该研究结果对激光汇聚原子沉积实验具有指导意义。

为了实现远端多节点的高效检测并降低成本, 设计了一种新颖的分布式光纤气体传感系统。该系统采用共享一个工作于特种波长的分布反馈半导体激光器, 将其置于一个本地控制节点内并通过双向光纤链路串联各远端检测节点, 同时使用特殊设计的远端节点结构和光纤段, 在每个检测节点, 用两个Y型耦合器接入气室, 将系统中信号分为上行流和下行流, 避免来自其它节点信号影响并直接实现时分复用; 并以三节点系统的瓦斯体积分数检测为例进行数值计算和实验。结果表明, 激光二极管占总成本比重可由约60%降至约38%, 且增加循环检测次数能使各节点测定气体体积分数的相对误差降低, 首个节点的相对误差可降至0.2%以下, 甚至更低, 该方案能够精简高效地实现共享光源的分布检测。

为了解决汽轮机通流部分蒸汽湿度的在线测量问题, 提出了一种基于散射相函数的半经验公式快速反演散射光强分布的计算方法。该算法采用MATLAB自带的cftool进行相函数的双高斯拟合, 拟合误差低, 且拟合函数可以快速得到Mie散射理论的近似解析解, 即从散射光强分布到水滴质量中间半径的快速反演。结果表明, 在约束水滴粒径范围内, 得到了颗粒大小与散射比之间的半经验模型, 对比实验测得散射比, 吻合良好, 且由半经验模型反演得到水滴质量中间半径为1.1μm。在一定条件下, 可以有效解决蒸汽湿度的在线测量问题。

为了研究线偏振光通过多个任意厚度波片后的偏振态, 利用线偏振光叠加的方法, 对两个晶体光轴夹角为45°的不同厚度波片计算了透射的两个正交线偏振光的强度和相位差, 由此得到叠加后的偏振态及透射光总强度, 并分析了它们随波片延迟量、入射光方位角的变化关系。结果表明, 透射光的偏振态由后面波片的延迟量决定, 强度由前面波片的延迟量和入射线偏振光方位角决定, 同时说明正反向使用时, 透射光的偏振态和强度一般不同。该研究结果可用于类似结构退偏器（如Lyot退偏器）的分析。

为了研究测量汽轮机内部湿蒸气特性, 采用了基于后向激光散射法的测量新方法, 得到不同角度不同位置湿蒸气散射光强度数据, 从而得出湿蒸气相关参量, 并求得湿蒸气水滴质量中间半径为1μm左右。结果表明, 无湿蒸气时的空白数据对湿蒸气方法也有影响, 需要修正公式; 无论有无湿蒸气,30°的散射光光强均为60°的散射光光强的1.5倍左右, 30°的散射光更明显适于测量。这一结果说明激光后向散射原理测量湿蒸气是可行的。

为了测量光学成像系统的径向畸变, 采用载频条纹模板, 应用瞬时频率积分法提取因径向畸变而产生的径向调制相位; 推导了条纹径向调制相位与瞬时频率的关系式, 并导出径向调制相位和径向畸变位移关系; 采用小波频率估计提取畸变条纹径向瞬时频率, 并对其进行积分获得畸变条纹的径向调制相位; 应用径向调制相位和立方卷积插值算法对畸变图像进行了校正,得出了详细的理论分析和实验结果。结果表明, 上述方法是可行的。

为了改进传统的小工具抛光的去除函数的特性和提高去除效率, 在行星和平转动抛光方式的基础上, 通过三转子机构, 实现了椭圆式运动方式; 以Preston理论为基础, 研究并推导了在这种运动方式下的材料去除函数; 通过计算机模拟得到了去除函数的面形矩阵, 经过优化后获得了最终的抛光参量, 得到了与理想的高斯型函数吻合程度高的去除函数。结果表明, 仿真加工后, 其去除效率优于行星式去除函数。基于椭圆运动方式的小工具抛光避免了行星和平转动抛光方式去除函数存在的缺陷, 有助于提高抛光过程的去除效率。

为了研究基于盖革模式雪崩光电二极管探测器的光子雷达的探测性能与测距精度, 采用数学建模的方法, 从系统原理与探测时序出发, 分析了长死时间、回波脉宽大于时间数字转换器分辨时间情况下目标探测概率的分布; 由统计原理与质心法, 建立了测距精度的理论模型。利用系统设计参量, 分析了回波强度、回波脉宽、噪声和回波位置等参量对探测性能和测距精度的影响。结果表明, 回波越强, 噪声越低, 回波位置越靠前, 目标探测概率越高, 虚警率越低, 探测性能越好; 回波强度和脉宽是影响测距精度的主要因素, 回波强度越强, 脉宽越窄, 测距精度越高。

为了计算腔体为单轴晶体的F-P滤光片的光学性质, 采用理论分析的方法, 对垂直入射到光轴在入射面内的单层单轴晶体薄膜的寻常光与非寻常光在两界面处的电磁场量的边界条件和薄膜两界面处电场量的相位关系进行了分析, 得到了单层晶体薄膜反射率与透射率的计算方法, 并将其应用于腔体为单轴晶体的F-P滤光片光学特性的仿真, 取得了滤光片透射率随光轴方向变化的数据。结果表明, 光轴旋转角对F-P滤光片的透射峰有明显影响。

为了测量液晶双折射率, 从偏光干涉的理论公式入手, 通过一定的近似, 采用偏光干涉法测量液晶双折射率, 进行了理论分析和实验验证, 获得了较为理想的数据。结果表明, 在采用偏光干涉法测量液晶材料的双折射率时, 避免了对透射光谱的绝对光强进行测量, 使得测量结果具有较高的精度。这一结果对液晶器件的设计、制作和使用是有帮助的。

为了在一定的区域内融合多幅光学图像的信息, 采用了一种基于联合图像专家小组(JPEG)图像压缩编码的小波域多幅图像融合算法。其基本思想是将小波逆变换看作是信息的融合过程, 先对多幅图像进行JPEG压缩编码, 压缩后得到一组二进制码流, 这组二进制码流可以直接作为小波变换的分解系数, 经小波逆变换后得到融合信息。结果表明, 该算法能够实现多幅灰度图像和彩色图像的融合, 提高了单一空间内图像的信息量, 有利于多图像的存储和传输。

为了研究建筑物点云数据最佳的3维建模方法, 采用3维激光扫描仪获取建筑物点云数据, 并进行了一定的预处理; 采用3种方法进行建筑物建模, 并对这3种建模方法进行了理论分析和实验验证。通过建模效果和复杂度对比分析, 发现SketchUp软件建立的模型效果更佳。结果表明, 建筑物点云数据用专业建模软件SketchUp建模比扫描仪系统软件CYCLONE和AutoCAD软件建模效果更好。