智能光学是在主动光学和自适应光学基础上发展起来的新兴的概念。本文介绍了智能光学概念的提出和发展过程, 并进一步明确和扩展了智能光学的概念和范畴。对智能光学的技术基础及其应用现状进行了总结和评述, 主要包括动态光学调制技术、动态光学探测技术、智能光学系统等, 涉及了天文、**、空间、生物医学等领域中应用的望远镜、显微镜、激光器等光学系统和光学设备。最后, 对智能光学的未来发展和应用前景提出了展望。

近年来, 与Si的CMOS工艺相兼容的Ge/Si异质结构发光器件取得很多重要的进展。本文概述了Si基Ge异质结构发光器件的最新成果, 如Ge/Si量子点发光二极管、Si衬底上的Ge发光二极管及激光器和Ge/SiGe多量子阱发光二极管, 分别描述了这些器件的特点和增强其发光特性的途径。最后展望了Si基Ge异质结构发光器件的发展趋势, 指出尽管Si基Ge异质结构发光器件获得了很大的发展, 但是器件的发光效率仍然很低, 离实用还有一定距离, 还需要在材料和器件的结构方面有更多的创新。

考虑在低地球轨道中热控材料的性能变化直接影响航天器的温度, 本文从3个方面研究了多层隔热组件的在轨性能变化。首先, 介绍了地面模拟空间环境对热控材料的破坏试验; 然后, 重点对比分析了哈勃望远镜、长期暴露装置和国际空间站上多层隔热组件样本的试验数据,得到了相关的材料性能结果; 最后, 详细描述了哈勃望远镜维修用多层隔热组件面膜的地面筛选试验。通过对比在轨飞行数据和地面试验数据发现, 影响近地轨道卫星多层隔热组件面膜寿命的首要因素是原子氧和温度循环的共同作用, 紫外照射和带电粒子的影响相对较弱。该结论为地面加速试验的规划与修正和长寿命航天器的热设计提供了参考依据。

数字散斑相关方法(DSCM)是一种可以测量变形和应变的光学非接触测量方法, 其通过对变形前后物体表面的图像进行灰度信息相关计算来获取被测物的力学性能。本文叙述了数字散斑相关方法近年来在国内外的发展动态和应用现状, 详细论述了基于自适应遗传算法、智能神经网络方法、小波变换法的一系列新型相关搜索方法。文章指出, 近年来, 数字散斑相关技术已发展到相对成熟, 目前的研究重点是提高测试精度和图像处理速度, 而提高散斑图像质量和研究高效的算法是需要努力的方向。

综述了当前广泛应用的数字太阳敏感器的原理、系统设计、应用领域和发展现状。首先, 叙述了太阳敏感器的工作原理; 数字太阳敏感器一般采用小孔成像的原理, 包括光学系统、光电探测器和信息处理单元3个部分。其次, 介绍了太阳敏感器的光学系统, 包括单光孔、单狭缝、多光孔和多狭缝等多种入光形式。然后, 从常规光电探测器件和集成了光学系统、图像传感器和信息处理单元的探测器两个层面, 说明了太阳敏感器涉及的光电探测器的发展, 并介绍了相应的太阳像点中心提取算法。最后, 给出了航天太阳敏感器的现有产品及应用现状, 讨论了未来航天太阳敏感器面临的挑战和发展趋势。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的元素定性、定量检测手段。本文介绍了LIBS技术的原理、应用方式、检测元素种类及检测极限; 综述了该项技术在固体、液体、气体组分检测方面的技术发展, 以及在环境检测、食品安全、生物医药、材料、**、太空领域的应用进展。最后, 提出了高功率、高稳定的激光光源和准确的定量分析方法是LIBS技术目前所面临的问题和挑战。

3~5 μm中红外波段激光源是近年来备受国内外关注的研究热点, 本文综合评述了产生中红外波段激光的5种主要方法(CO2激光倍频技术、泛频CO激光技术、光学参量振荡器、氟化氘激光器、Fe2+∶ZnSe固体激光技术)的国内外发展现状, 总结分析了各种方法的关键技术和存在的问题, 指出了该技术的未来发展趋势。

详解了纳米二氧化钛光催化降解有机污染物的反应机理, 综述了为了提高光催化效率, 在光纤型光催化反应器的设计、改进、研制及应用方面所做的工作, 同时讨论了光催化剂负载技术和光催化剂重复利用问题。最后, 简述了近年来光纤型光催化反应器在国内外的研究进展, 针对目前光催化反应器存在的技术瓶颈, 对该项技术未来的发展进行了简要分析并提出了改进建议。

为了减小编码光系统中的颜色耦合与颜色失衡的干扰, 提高形状与颜色重建的准确度, 建立了彩色编码光系统, 并对其所采用的编解码方法、颜色重建的两个相关环节及颜色校正方法进行了研究。首先, 给出了系统的彩色梯形相移强度比编解码法, 分析了编解码过程中存在的RGB基色相互耦合现象, 设计了应用Caspi模型硬件标定的颜色耦合校正方案; 然后, 给出了系统的逐点颜色重建法, 分析了颜色重建过程中由表面曲率导致的颜色失衡现象, 设计了利用表面几何信息校正颜色失衡的方案。实验结果表明: 校正后单一绿色图像中的红色分量值约为校正前的1/10; 单色表面色差约为01, 趋近于人眼颜色分辨率, 远低于校正前的04; 重建的单色复杂被测表面颜色均匀、视觉效果良好, 符合实际情况。提出的方法符合编码光系统抗干扰能力强的要求, 有助于提高形状与颜色重建的准确度。

针对现有激光器多光路加工特点, 采用Nd∶YAG脉冲激光器为光源, 研制出激光器双光路输出分时控制系统。提出了具体的分时分光技术方案, 设计出能够实现分时分光的分光装置, 以及对装置的工作状态进行实时控制的分时控制电路, 并确定了系统的程序流程。在不降低输出功率的前提下, 实现了激光在不同时间、不同输出端口的输出, 完成了分时分光。为避免因分光装置抖动而造成的光纤损坏, 利用黑色相纸对光斑进行采样。结果表明: 在全反镜改变位置后至激光输出, 延时300 ms为最佳时间。该系统能实现激光的时分复用、动态分光, 满足了多光路输出需求; 而且系统的扩展能力强, 能够根据实际激光加工状况, 为激光加工设备的改进和升级提供思路。

提出了采用激光主动三维成像技术配合被动红外成像技术共同工作的复合导引体制, 用于提升地对地导弹的作战效能及对于隐身目标的识别能力。给出了各分系统的设计方案, 并提出了合理的导引策略。该套系统能够兼顾红外大视场搜索及激光小视场三维成像, 丰富的目标图像信息更加有利于对作战目标进行准确识别。整套复合光学导引系统结构简单、加工难度适中, 在将整套导引系统口径控制在100 mm左右的情况下, 同样能够实现4 km以上距离的导引。该项技术的提出对于我国复合导引技术的发展及我军导弹作战能力的提升有着重要意义。

为了满足激光诱导等离子体(LPP)体制下极紫外(EUV)光源对CO2激光器提出的稳定性需求, 建立了简化的CO2激光传输系统模型, 根据光束稳定性需求对光束功率、指向和位置的监测与控制方法进行了理论和实验研究。根据高功率CO2激光传输系统特点, 在实验室内建立了上述光束监测和控制实验系统, 包括光束功率控制模块、光束指向控制模块和光束参数监测模块, 其中光束参数监测模块可实时测量光束功率、指向、尺寸及发散角等重要参数。仿真与实验结果表明: 光束功率控制模块对线偏振激光功率的控制接近1%~100%, 光束指向控制模块实现的光束指向稳定度在10 μrad以内, 可满足CO2激光驱动源的高稳定性要求。

以ZF6为基底, 采用电子束蒸发物理气相沉积方法设计并制备了一种增透波长为04~08 μm的宽谱带可见光区增透膜。薄膜材料仅含有TiO2和SiO2两种材料, 分别作为高低折射率材料。利用Edinburgh光谱仪对双面镀制该膜系样品的透过率进行测量, 测试结果表明: 薄膜平均透过率达9815%, 实际样品的光学特性与设计结果基本相符, 具有宽带的增透特性, 减少了表面剩余反射。机械强度与环境测试表明: 制备的薄膜具有良好的稳定性和牢固度, 可以应用于可靠性要求较高的光学系统中。

针对对空间通信的特殊需求, 设计并制备了1 555 nm波段的高透过率、宽带通滤光膜, 该滤光膜在高温高湿环境下能够稳定工作。根据薄膜设计理论, 选取折射率差大的TiO2和SiO2作为镀膜材料, 采用规整膜系进行膜系设计。借助Optilayer软件, 采用针形优化和双面镀膜方法, 得到优化的非规整膜系。采用直接与间接监控相结合的手段监控薄膜生长, 并探讨了薄膜的生长条件。在电子束蒸发离子辅助沉积条件下, 制备出中心波长处透过率达到97%, 带宽为50 nm的滤光膜。在100 ℃高温和-30 ℃低温各保持3 h的条件下, 波长漂移仅02 nm, 具有高的稳定性和可靠性, 满足空间通信的使用要求。

介绍了一种新型单机数字立体电影双通道放映系统, 利用ZEMAX光学设计软件与人工构造相结合的方法, 成功设计了一款单机数字立体电影双通道放映镜头。镜头采用特殊的离轴、三轴结构和折射式光路, 由前组和后组两分结构体组成, 前组包括6组7片球面透镜, 后组由两个完全相同的、对称的3组4片球面透镜结构组成。镜头参数为: 总长24387 mm, 最大口径93 mm, 焦距2023 mm, 全视场角36°, 相对孔径1/201; 后组两副光轴的间距为82 mm, 工作距为378 mm。镜头具有体积小、成本低、结构简单、成像质量好等特点。

完成了一种光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度均能达到A级标准的AAA级太阳模拟器的设计与研制。介绍了太阳模拟器的光源选择和滤光片的设计, 给出了太阳模拟器的光机结构, 测量了太阳模拟器的各项技术指标。结果表明, 太阳模拟器的光谱匹配在波长400~1 100 nm处满足ASTM E927-10中AM1.5G A级要求。在有效辐照面55 mm×55 mm内, 其平均辐照度达到1 000 W/m2, 辐照不均匀度达到135%, 辐照不稳定度达到127%。测量数据显示设计的太阳模拟器满足ASTM E927-10的AAA级标准。

为了快速实时地预处理声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪的数据, 分析了AOTF成像光谱仪数据特点及预处理算法, 采用数字信号处理器(DSP)作为核心器件代替传统的PC机处理平台, 提出了一种基于两片ADSP-TS201的外部总线共享与链路口混合耦合的双DSP并行处理系统方案。结合实际需求, 设计了流水线处理方式并合理分配预处理任务。用实验方法对系统的功能进行了验证, 结果表明: 双DSP并行处理系统完成一帧AOTF成像光谱仪数据的预处理仅需235 ms, 比原有PC机处理速度提高了13倍左右, 满足了实时性要求, 促进了AOTF成像光谱仪系统化、模块化、小型化并兼具实时处理能力的发展。

为获得高质量新型超光谱成像仪图像, 根据新型超光谱成像仪图像特点, 对其图像均匀性校正进行研究。利用转台旋转模拟超光谱成像仪对地面推扫, 对景物成像获得超光谱成像仪三维数据; 采用太阳作为新型超光谱成像仪图像均匀性校正光源, 应用相应校正系数对超光谱成像仪的数据进行处理。结果表明: 所采用校正方法对新型超光谱成像仪具有很好校正效果, 同时也验证了新型成像光谱仪具有较高成像质量; 单像元校正时间为2×10-6 s, 大数据量图像校正需较长时间; 利用太阳照射漫反射板作为扩展源对亮度均匀物体图像进行校正, 校正均匀性小于4%。

为了研制CO2探测仪定标漫反射板, 采用物理研磨和化学腐蚀相结合的工艺方法制作了铝漫反射板试验样块, 搭建了相对双向反射分布函数和半球反射率的测试装置。在0°和45°入射光的情况下, 对可见近红外波段的测试结果表明: 表面粗糙度影响铝漫反射板的朗伯特性, 240#研磨砂制作的漫射板的朗伯特性最佳; 化学腐蚀不仅能提高铝漫反射板的朗伯特性, 也能提高铝漫反射板的半球反射率。当选取碱蚀温度为室温20 ℃、NaOH溶液浓度为526 g/L时, 最佳腐蚀时间约为4 min; 镀膜使铝漫反射板的半球反射率平均提高20%, 但会使其朗伯特性稍变差; 不同波长处铝漫反射板的相对双向反射分布函数略有不同, 但变化趋势相同。实验确定了影响漫反射板漫反射特性的关键参数, 并定量优化了这些工艺参数, 为进一步研制CO2探测仪星上定标漫反射板提供了依据。

设计了小型光电编码器自动检测系统, 用于准确快速地检测小型光电轴角编码器的误差。采用21位高精度光电编码器作为角度基准来检测低精度的小型光电编码器。用控制系统转动编码器, 此时高精度编码器与被检编码器之差即为小型编码器在该位置的误差。检测完毕, 根据需要将编码器的误差通过USB接口传输给上位机保存并进行深度分析。采用该系统检测某型号的15位编码器, 得到的均方差为291″, 而传统方法检测的误差均方差为285″, 表明设计的检测系统满足检测精度要求。