为了研究耦合式光电振荡器, 阐述了耦合式光电振荡器的模式选择理论, 给出了维持最佳锁模状态的相位匹配条件, 分析了影响射频信号相位噪声的因素,进行了基于保偏机制的耦合式光电振荡器的实验研究。采用分别调节光环形腔和光电微波振荡环路中的保偏可变光纤延迟线可改变腔长的方法, 获得了腔长与振荡频率的关系。同时, 采用鉴频法测量了不同条件下5GHz射频信号的相位噪声, 研究了影响射频信号相位噪声的因素。结果表明, 耦合式光电振荡器的振荡模式取决于光环形腔的腔长, 射频信号相位噪声受到光信号偏振态、相位匹配、环路长度等因素的影响。实验中获得了偏移频率10kHz处相位噪声达到-136dBc/Hz的5GHz射频信号, 是目前国内已知的相位噪声最低的耦合式光电振荡器。

为了实现对目标全向探测和精确定位, 采用成像光学与非成像光学相结合的方法, 设计了一种可用于周视探测的非对称激光回波接收光学系统。由于子午和弧矢两方向视场差异很大, 需加入特殊的非对称结构来平衡两方向的视场差异, 该系统采用阶梯棱镜和倒置柱面望远镜对弧矢方向大视场进行角度压缩, 后经过对称聚焦子系统将光能量收集到直径为1.5mm的圆形探测器上。系统由1块阶梯棱镜、1片非球面镜、2片柱面镜和2片球面镜组成, 其光圈数达到0.56。结果表明, 单套接收系统完成±30°视场探测, 6套接收系统组合起来可实现360°周视无盲点探测。整体系统体积小、结构简单, 有良好的适用性。

为了提高激光无线能量传输系统的转换效率, 基于单结GaAs光电池的工作原理, 用调节照射光电池的激光参量的方法, 从理论上对激光无线能量传输系统的有关部分进行了优化设计, 并通过实验研究了激光波长、激光强度等因素对光电池能量转换效率的影响。结果表明, 单结GaAs光电池对单色激光的光电转换效率远高于传统的单晶硅电池, 最高转化效率可达61.2%。该结果对于激光无线能量传输技术的应用具有一定参考价值。

为了研究高斯-谢尔模型光束在负折射率介质中的传输特性, 利用矩阵光学理论、衍射积分理论、相干偏振统一理论推导了高斯-谢尔模型光束通过负折射率介质中传输交叉谱密度方程的解析表达式, 并利用该解析表达式得到了高斯-谢尔模型光束通过负折射率介质的谱密度和谱相干度。结果表明, 高斯-谢尔模型光束的谱密度和谱相干度都可以通过负折射率介质的工作频率调控。此研究结果提供了一种新的调控光传输的方法和技术。

为了抑制米散射大气探测激光雷达回波噪声引起的信号随机波动, 采用新设计的自适应分段平滑方法对信号进行平滑处理。根据激光雷达信号特性, 信号有效变化幅值大于信号背景噪声波动。以背景噪声标准差的若干倍表示信号的噪声幅度。按照相邻信号幅值差与噪声幅度的对比, 可以确定信号发生有效变化的位置, 这些位置可以作为信号分段端点,在分段端点内用滑动平均可以实现对信号的自动分段平滑。用实测微脉冲激光雷达信号对方法进行了验证, 并与常用固定分段平滑方法进行了对比。结果表明, 自适应分段平滑方法可以根据信号变化的剧烈程度自动选择平滑窗口大小, 在对噪声进行有效抑制的同时, 避免平滑过度造成的信号畸变。

为了能够通过一步搜索同时得到数字散斑图像中所测点的整像素和亚像素位移信息, 采用灰度插值的方法构造了亚像素子区, 改进了基于微粒子群算法的数字图像散斑相关方法。对含有平移信息的模拟散斑图和具有应变的模拟散斑图进行相关计算, 验证了该方法的适用性;在对具有微小面内位移转动的试件进行测量时, 比较了整像素的微粒子群算法和不同量级的灰度插值下的亚像素微粒子群算法。结果表明, 基于微粒子群算法的亚像素数字散斑图像相关方法在测量小位移方面具有一定的优越性。

为了解决传统双放电盒横流5kW CO2 激光器双风道、风速小、体积庞大等问题, 研究开发了单放电盒横流5kW CO2 激光器, 采用气体动力学、放电区气体流场分析的方法, 在保证风机强度的前提下根据通风机原理设计了一款铝质轻型离心风机,风机的进口直径为382mm, 出口直径为451mm, 蜗壳宽度为160mm,并进行了实验验证。结果表明, 配置该风机的单放电盒的5kW CO2激光器提高了功率稳定性, 放电区气体平均流速从60.8m/s提高到75.5m/s, 缩小了弧光放电的面积, 改善了近场光斑的强度及均匀性, 采用铝制风机及单放电盒减小了激光器的整体重量和体积。这对CO2激光器向高功率、小体积、紧凑型发展具有重要意义。

为了解决全光逻辑门结构所需抽运能量过大的问题, 提出了一种基于Mach-Zehnder结构微环谐振腔的全光控制逻辑门结构。通过在微环波导上加入空气孔加强对光的限制, 增强了带边附近的3阶非线性效应, 从而减小达到所需相移的抽运能量。将微环谐振腔与Mach-Zehnder结构结合, 采用光学Kerr效应控制不同微环内相移的改变, 从而实现不同逻辑门功能。同时进行了理论分析与仿真验证, 计算了不同尺寸空气孔对于结构的影响, 并对于不同逻辑功能的控制方法, 验证了结构的可行性。结果表明, 这种逻辑门结构所需抽运能量不超过10dBm, 延迟处于皮秒量级, 速度快, 器件的尺寸处于微米量级, 该结构可以同时实现不同的逻辑门状态, 对于全光网络的研究有指导意义。

为了研究脉冲激光对面阵CCD的干扰效果, 采用近场模拟实验的方法, 设计了重复频率脉冲激光干扰CCD成像器件近场实验。当CCD器件表面接收激光功率密度达到2.97mJ/cm2时, 观察和记录了CCD器件串音饱和现象;当CCD摄像机电子快门打开时, 除发射窗口有激光光斑图像外, 激光脉冲在激光器出光口竖直方向也会形成偏离出光口位置的漂移光斑图像。分析了CCD摄像机电子快门作用机理及图像信号转移方式机理, 并对光斑漂移现象给出了合理解释。结果表明, 重复频率脉冲激光可使CCD图像上出现漂移光斑而对图像形成干扰。这为重频脉冲激光干扰CCD的研究提供了理论基础和初步实验验证。

为了实现球轴承中球体在制造加工中快速准确的测量, 采用白光干涉技术、图像处理技术和信号处理技术组建了一整套的基于迈克尔逊干涉仪的测量系统。对白光干涉技术进行了理论分析, 对轴承球体进行了光学球面半径的高精度测量和粗糙度测量, 取得了光洁度图像和曲率半径图像。在大量实验论证的基础上经过处理和计算得到了精确的计算数据, 光洁度分辨率可达到纳米量级, 曲率也可以计算到微米量级。结果表明, 利用此技术可以对球面进行快速精确的测量, 提高了加工质量和检测速度。

为了研究断裂力学问题中裂纹尖端区域的局部变形场和断裂特性, 采用数字梯度敏感法对带有中心贯穿裂纹的有机玻璃有限宽板条进行了静态实验研究。实验过程中通过CCD记录裂纹尖端区域不同应力状态下的散斑图, 对记录的散斑图进行相关运算, 得到了不同应力状态下裂纹尖端周围区域内的光线偏转角, 并通过偏转角对Ⅰ型裂纹的应力强度因子进行了提取。结果表明, 通过数字梯度敏感方法计算得到的应力强度因子与理论值吻合相对较好。

为了提高划切蓝宝石的成品率和划切效率, 研究了脉冲绿激光(波长532nm)的偏振性、脉冲激光能量、激光焦点位置、扫描速率、扫描次数等工艺参量对蓝宝石基片划切质量的影响。结果表明, 脉冲绿激光划切蓝宝石基片时, 扫描方向平行于入射面线偏振方向, 焦点位置为负离焦50μm, 可以获得良好的微划槽;脉冲激光能量增加, 划槽深度和宽度增加;扫描速率增加, 切槽深度减小, 划槽宽度先增加后减小;扫描次数增加, 划槽深度和宽度增加。这些结果对合理选择激光划切蓝宝石基片工艺参量以获得较好质量的刻槽有一定帮助。

为了提高相位式测距仪的测量精度, 采用移相相关方法来估计两同频正弦信号的相位差。首先将每路信号移相2π后和原信号做相关来计算自相关,以减少噪声的影响;其次用少许数据初步估算相位差, 并将一路信号移相,使两路信号的相位差移到π/2(或3π/2)附近;然后用较多的采样数据计算两路信号的相位差,将结果再减去移相量得到最终的相位差。同时分析了频率误差对相位差计算精度的影响, 进行了理论分析和仿真实验验证。结果表明, 该方法计算的误差大大减小。这对提高测距仪的测量精度是有帮助的。

为了提高高光谱遥感图像的压缩比, 提出一种基于残差偏置和查找表的高光谱图像无损压缩方法。在高光谱图像的第一谱段图像采用了无损压缩标准中值预测器方法进行谱段内预测, 其它谱段图像采用谱间预测方法。首先, 在多级查找表(LAIS-LUT)预测方法的基础上搜索当前预测值, 用当前预测值周围特定的5个像素点和当前像素值周围相同位置的5个像素点进行比较, 通过比较结果, 得出一个偏置值;然后在预测残差上加上偏置值;最后, 将最终预测残差进行算术编码, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 针对美国航空航天局的高光谱图像, 所提出的方法比LAIS-LUT压缩比平均提高0.05;针对国内高光谱图像, 该方法比LAIS-LUT压缩比平均提高0.07。这一结果对提高高光谱图像压缩效率是有帮助的。

为了提高激光测距机对背景杂散光的抑制能力和对漫反射小目标的探测能力, 采用了在激光测距机接收光学系统中加入与视场匹配的视场光阑的方法。经过理论分析和实验验证, 此种设计可取得较好的实验效果。结果表明,在相同的背景和能见度下, 对同一目标测距, 视场光阑对抑制杂散光、降低噪声、提高探测灵敏度起到较好的作用。激光测距机加视场光阑后测距能力能提高到原来的约1.18倍, 具有更好的测距能力。

为了克服封头在传统检测中存在样板测量尺寸单一、人工读数精度低、制板耗费资源等缺点, 采用激光测距2维轮廓连续扫描方法, 设计了一种适用于检测不同尺寸封头形状偏差的非接触式激光检测装置, 介绍了激光扫描封头仪的工作原理、扫描方式、系统组成以及各系统具体设计方法, 并对内径为800mm的封头进行了实验验证。结果表明, 此激光扫描封头检测仪的理想精度可达1mm～2mm, 可实现高精度、高效率、自动化检测。

为了解决现有光学系统产生局域空心光束尺寸不易调整的问题, 提出了一种由不同底角的锥台和正轴棱锥组合而成的新型光学系统。采用衍射积分和汉克尔波理论对该系统的光束变换特性进行了分析, 可知平面波通过新型光学系统后将产生局域空心光束, 且通过改变两个光学元件之间的相对位置可以调节局域空心光束的尺寸。在此基础上结合几何光学理论给出局域空心光束相关参量的计算公式;并采用光学分析软件TRACEPRO模拟了新型光学系统中局域空心光束不同位置处的光强分布及其随锥台与正轴棱锥之间距离的变化。结果表明,软件模拟的结果与理论分析的结果基本一致, 新型光学系统能够产生尺寸可调的局域空心光束。

为了证明微波光子倍频系统可以构成光载无线通信系统的一部分, 采用不受光纤色散影响的基于偏振调制器的倍频系数可调的微波光子系统, 理论论证和分析了基于偏振调制器的二倍频、四倍频和六倍频的系统原理和特性。针对于不同的倍频系数, 构建了相应的实验方案, 进行了实验验证、数据分析和实验结果讨论, 在不断进行实验系统优化的基础上实现了良好的倍频输出结果。结果表明, 倍频输出的微波/毫米波信号在仪器测量允许的范围内最大可达到42GHz, 且此系统具有受光纤色散影响小的优点。

为了实现中心波长为1064nm的单频光纤激光器的稳频, 采用相位调制光外差(PDH)激光稳频技术, 搭建稳频系统光路。分析了相位调制光外差稳频信号以及误差信号特征;设计基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字式解调和反馈控制电路, 在FPGA中实现对相位调制光外差稳频信号的数字解调, 再经数模转换器输出获得误差信号。结果表明, 在FPGA中能成功实现对相位调制光外差信号的解调, 经Allan方差计算, 频率漂移的方差值可达10-11, 即所设计的数字系统实现了较高的稳频精度。

为了保持光收发模块发射光波长的稳定, 采用半导体热电制冷器对模块中激光器温度进行控制的方法, 设计了以热电制冷器为核心的具有高采样精度和快速响应速度的温度控制电路, 并进行了理论分析和实验验证, 取得了使用本电路的样品模块在应用温度范围内的发射波长变化数据。结果表明, 优化后的热电制冷器温控电路具有良好的性能, 能够快速准确地控制激光器温度, 将发射光波长的变化精确锁定在20pm范围之内。设计完全满足实际应用要求。

外腔面发射激光器的GaAs基质厚度大, 热导率低, 严重阻碍有源区热量的扩散, 影响激光器功率的提高。为了去除激光器的GaAs基质, 采用硫酸系酸性腐蚀, 通过改变腐蚀液浓度和腐蚀温度来比较腐蚀液对GaAs基质的腐蚀影响,并采用原子力显微镜照片表征了腐蚀表面的粗糙度。结果表明, 当腐蚀液的体积比V(H2SO4)∶V(H2O2)∶V(H2O)=1∶5∶10, 腐蚀温度为30℃时, 腐蚀速率适中, 为5.2μm/min, 腐蚀表面粗糙度2.7nm, 腐蚀总体效果较为理想。较好的GaAs基质腐蚀效果为外腔面发射激光器衬底去除腐蚀阻挡层的选择性腐蚀提供了基本的保障。

为了解决布里渊传感器技术中缺少超高速方波脉冲源的实际情况, 实现总线较小的码间串扰及高速发送器通道较好的信号完整性, 采用对系统中的敏感信号线进行串扰分析、建模及电磁场仿真分析并在此基础上进行制版测试的方法, 提出了一种基于现场可编程门阵列器件的超高速脉冲源的设计方案, 并进行了理论分析和实验验证。通过宽带示波器对实际板路的测量, 取得了脉冲信号不同脉宽的时域波形及眼图数据。结果表明, 输出脉冲的最小脉宽1ns, 最大幅度1.0V, 上升/下降时间均小于300ps, 脉冲宽度在1ns~5ns间可调, 重复频率在1kHz~10kHz间可调。这一结果对超高速脉冲源的设计理论的完善是有帮助的。

为了分析不同功率激光对金属/炸药结构内部温度分布的影响以及炸药爆炸的可能性, 利用有限元软件, 考虑金属材料的物性参量和钢靶表面能量耦合系数随温度的变化规律, 建立了在功率分别为55kW,60kW和65kW的激光辐照下金属/炸药结构的3维温度分布模型, 得到了光斑中心轴线方向温度分布和金属表面中心及金属与炸药接触面的温度随时间变化曲线,在55kW,60kW和65kW 3种功率不同的激光辐照下,5s末炸药表面的温度分别为521K,550K和581K。结果表明, 功率越大炸药获得的温升越大越易引起爆炸, 功率增加时炸药获得的温度增量在不同时刻有所不同, 在一定辐照时间内,炸药的温升发生在与金属接触的小区域内。这对激光辐照金属/炸药结构的深入研究具有指导意义。

为了研究Compton散射对强激光等离子体中辐射阻尼效应的影响, 采用多光子非线性Compton散射模型、相对论理论和洛伦兹变换方法, 对Compton散射对不同极化激光在等离子体中产生辐射阻尼效应的影响进行了理论分析和数值计算。提出了将Compton散射光作为等离子体产生辐射阻尼效应的新机制, 给出了辐射阻尼满足的修正方程。结果表明, Compton散射使等离子体辐射阻尼效应对电子运动产生重要作用的几率增大, 这主要是由于产生这种作用所需的入射激光强度降低, 从而使电子频率增大、电场耦合频率增大的缘故。多光子非线性Compton散射光是产生和提高等离子体辐射阻尼效应的一个重要机制。

为了满足自适应光学系统实时快速的工作要求, 将自动控制理论引入到自适应光学系统中, 在不改变系统硬件性能的基础上对系统的控制部分进行了研究。首先, 对自适应光学闭环控制系统进行分析, 将其模块化并建立相应的数学模型;其次, 在自动控制理论基础上设计控制器和相应的控制算法, 并分析了控制器的性能;最后, 将自动控制理论的控制方法与人眼波前像差校正相结合, 使控制算法应用到自适应光学系统波前像差的校正中。结果表明, 相对于传统的自适应光学系统控制方法(纯积分控制和比例-积分控制), Smith预补偿控制使自适应光学控制系统具有较高的闭环带宽和较好的动态、稳态控制性能;在模拟人眼波前像差迭代校正过程中, Smith预补偿控制器校正残余像差的快速性最好;在实际人眼动态像差校正中, Smith预补偿控制校正的残余像差值达到最小,有利于自适应光学控制系统优化。

为了克服大气湍流所造成的信道衰落效应, 分析了在弱湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制方式的自由空间光通信空间(FSO)分集接收系统模型, 推导了无分集系统的误时隙率计算公式。然后以此作为参考, 在独立同分布的情况下, 采用数值仿真的方法, 分别对比分析了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)和选择性合并(SC)的误时隙率性能。结果表明, 3种合并技术中, 误时隙率性能改善最优的是MRC, 其次是EGC, 而SC的改善性能最差, 但是SC实现相对容易。利用分集接收合并技术可以有效改善FSO系统的性能, 并且具有较好的抗大气信道衰落能力, 在无线光通信中将有一定的应用前景。

为了求解柱坐标系下非傍轴矢量波动方程, 得到光束的电场解析表达式, 基于轴对称情况下沿角向偏振的电场, 将非傍轴近似情况下的矢量波动方程进行了抛物线坐标的转化, 利用分离变量法进行了相应求解, 并给出了相应的数值计算。结果表明, 非傍轴近似情况下, 矢量波动方程的解能描述一种光束的电场, 该场的解析表达式与合流超几何函数以及梅杰函数的解有关;光束的光强分布与第1类零阶贝塞尔模式光束类似;光束在近光轴处的光强表现为无限大并且沿边缘方向急剧衰减;在焦平面上沿着径向方向光强急剧减小。所得结果对于探究非傍轴近似情况下矢量光束的传输特性有一定的意义。

为了减小谱线自发辐射跃迁几率等参量的不确定性带来的计算误差, 采用一种改进型的迭代Boltzmann算法研究了激光诱导水垢等离子体的电子温度, 经过12次迭代, 线性相关系数由0.7687提高到0.99991, 得到水垢等离子体的电子温度为5012K。Lorentz函数拟合Ca Ⅱ 393.37nm得到水垢等离子体的电子密度是5.7×1016cm-3, 远高于临界值6.4×1015cm-3, 证明激光诱导水垢等离子体满足局部热力学平衡模型。结果表明, 本方法不仅操作简单, 而且可以明显提高等离子体特征参量的求解精度。

为了在2维直方图上用Otsu方法更好地分割红外图像、提高抗噪能力, 提出了一种改进的方法。首先分析在2维灰度-邻域均值直方图上的分割存在不准确性, 采用2维灰度-梯度直方图, 且改进对邻域均值的求取算法;然后对Otsu法的阈值函数进行研究, 引入类内的分离信息改进阈值函数, 并简化该阈值函数以降低运算复杂度, 通过实验给出了相应的实验对比。结果表明, 改进的方法能更好地分割目标, 运行时间较少、抗噪性更强。

为了研究1维光子晶体中光强的分布, 采用特征矩阵法推导出TM波在1维光子晶体中光强的分布公式, 进行了TM波和TE波在1维光子晶体中光强分布的理论分析。结果表明, 在禁带范围内, 随着TM波和TE波在1维光子晶体中传播深度的增加, 其光强迅速衰减;在导带范围内, 随着TM波和TE波在1维光子晶体中传播深度的增加, 其光强不会衰减。这一结果对1维光子晶体中TM波和TE波的禁带和导带的形成的认识是有帮助的。