Kramers-Kronig关系(简称KK关系)是希尔伯特变换的一个特例, 描述了具有因果性的平方可积函数实部与虚部之间的数学联系, 具有普适的物理背景。本文介绍了KK关系的历史及数学物理本质, 详细阐述了其在电学、磁学、声学、光学、人工介质以及光通信中的具体形式、涵义及应用, 包括反射和透射响应函数、电极化率、介电常数、折射率、电导率、电阻抗、磁导率、原子散射因子、绝热压缩系数、声折射率、单边带时域信号、空间隐身介质还有各种非线性介质等。分析了截断误差在实际应用中对KK积分计算结果的影响, 总结了各种积分限外推方法以及各种基于锚点的减法KK关系, 包括单减KK关系、多减KK关系及差分多减KK关系等。

提高医疗植入材料的生物相容性, 对提升植入医疗器械的安全性有重要意义。通过超快激光制造出微纳米级别尺寸的材料结构以改善材料的生物相容性, 近年来已被广泛应用于生物医学领域。本文简单介绍了细胞与生物材料相互作用原理, 从生物材料表面微结构对其生物相容性能的影响出发, 综述了超快激光加工不同材料表面形貌特征对细胞粘附、迁移、增殖、分化的影响, 并进一步指出超快激光制备微纳结构在生物材料领域的局限和发展趋势。

大型复杂曲面因为空间尺度大、结构复杂, 因此对其进行测量和检测相对较困难, 三维形貌测量技术分辨率高、数据获取速度快, 为大型复杂曲面的偏差控制和逆向工程提供了技术保障。分析和综述了大型复杂曲面三维形貌测量及应用研究的进展, 论述了目前实现大型复杂曲面三维形貌测量的手段, 归纳和总结了目前以及未来几年可用大型复杂曲面三维形貌测量的设备和仪器的特点与应用场合, 并对比分析了每种测量设备的优缺点, 为正确和广泛应用三维形貌测量设备提供参考, 重点介绍了三维点云获取方法及点云处理方法, 对点云预处理方法、点云拼接方法所涉及的技术进行归纳总结。最后, 对三维形貌测量技术的应用场合进行剖析, 认为大型复杂曲面三维形貌测量将向着非接触、自动化方向发展, 在发展过程中基于全局坐标的点云拼接、非贴点测量将成为研究的主要方向。

随着超高速光互连、相干光通信、相干检测等技术的不断发展, 对激光光源的线宽、相频噪声、可调谐性和稳定性等都提出了更为严格的要求。利用基于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺的硅光子芯片与半导体增益芯片各自的优势, 将二者准单片集成实现结构紧凑、低功耗和高稳定性的窄线宽半导体激光器成为近年的研究热点。该结构可通过微环谐振器、环形反射镜和马赫曾德干涉仪等提供光反馈压窄线宽, 并实现宽调谐范围和稳定功率输出。本文主要阐述了硅光子芯片外腔半导体激光器的最新研究进展, 针对几种包含微环谐振器的结构进行了分类介绍, 深入讨论了增加耦合效率和降低端面反射率等技术难题。针对未来空间光通信和光互连等应用前景, 展望了该类激光器在功率提升和光子集成方面的未来发展方向。

带电粒子束成像检测技术是一种可以提供纳米级测量精度的技术, 广泛应用于半导体检测中。在进行硅片检测时, 要求待测硅片在扫描检测过程中一直处于电子束的焦深范围(DoF)内。本文提出一种毫米级控制范围、纳米级控制精度、高度测量时间在亚毫秒量级的粗精结合的闭环硅片高度控制技术。它的核心子系统是一套光学硅片高度测量系统, 在进行粗控制时, 数字相机的成像面作为一个光栅图像接收面, 硅片的高度信息通过测量光栅线条在成像面上的位移获得。在接近目标高度时, 数字相机的成像面作为一个虚拟的数字光栅使用。它与光学光栅图像存在一定周期差, 两者构成类似机械游标卡尺的结构, 本文称为光学游标卡尺, 实验表明该技术可以在成像面上细分像素尺寸10×以上。当用其测量硅片高度时, 粗测范围达毫米量级, 粗测时间小于038 ms, 精测分辨率小于80 nm, 精测时间小于009 ms。利用该硅片高度测量系统进行硅片高度的初步闭环反馈控制, 控制精度达到15 nm, 在电子束硅片图形检测系统中具有广阔的应用前景。

为模拟实战环境下半主动激光制导的目标回波能量, 设计并研制了注入式激光能量模拟设备。对激光制导能量传递过程及模拟技术进行研究。首先, 针对激光制导**工作过程, 建立了激光在大气中传输发生散射与衰减的模型, 并针对实战中存在的各种烟雾、降雨、干扰烟剂等进行建模仿真。接着, 设计了激光目标回波能量模拟器的总体方案, 选用DPS-A激光器和布儒斯特角薄膜偏振器模拟激光衰减过程。设计了光纤耦合与匀光准直系统。最后, 构建了激光制导半物理仿真系统, 分别进行了激光回波能量模拟实验、激光导引头标定与激光末制导试验。实验结果表明: 激光能量模拟误差小于30%,导引头线性角度范围内残差小于008°, 测角精度小于045 mrad, 末制导过程体视线角跟踪误差小于02°。该系统可模拟多种实战环境中激光能量传输情况, 且精度高, 能够满足激光制导半物理仿真要求。

针对上下文感知相关滤波目标跟踪算法中, 上下文背景样本等值权重训练, 对背景信息滤波过于平滑的问题, 提出了一种自适应上下文感知相关滤波算法, 同时为了解决目标遮挡的问题, 引入一种新的遮挡判定指标。首先, 提取目标上下左右4个方向的背景样本学习到滤波器中, 利用卡尔曼滤波对目标运动状态进行估计, 预测目标的运动方向。在滤波器训练时, 对目标运动方向上的背景样本训练时赋予较多的权重; 接着, 在模型更新时引入一个新的遮挡判定指标APCE, 只有当响应峰值和APCE数值分别一定比例大于各自的历史均值时, 才对目标模型进行更新; 最后将本文算法与当前一些主流的跟踪算法在CVPR 2013 Benchmark进行对比实验。仿真实验结果表明, 本文算法的精准率和成功率分别为0810和0701, 均优于其他算法, 充分体现出了本文提出算法的鲁棒性。

集鱼灯是秋刀鱼等光诱渔业中重要的助渔装备, 本文以秋刀鱼集鱼灯为例, 分别基于点光源法和球面光源法建立了单灯箱理论照度模型。比较平面照度的理论值和实测值发现, 基于球面光源法计算的理论值和实测值间线性拟合斜率系数较点光源法更接近于1。基于球面光源法计算的理论值与实测值间无显著差异(P＞005), 而由点光源法计算的理论值与实测值间存在显著性差异(P＜005), 说明基于球面光源法建立的照度模型更加符合实际情况。根据球面光源模型分别计算了白、红单灯箱在45°、60°、75°倾角下的照度分布, 结果发现照度值均随距离增加呈先增大后减小趋势; 同倾角不同灯色间照度分布差别较大, 相同位置处白灯箱照度明显高于红灯箱; 同灯色不同倾角间照度分布差别较小; 随倾角增加, 最大照度值位置到原点距离逐渐减小; 照度衰减速率的绝对值随距离增加呈现先减小后增大再减小的趋势, 最终趋近于0。

为了实现非接触式高温测量,本文基于多光谱辐射测温理论,采用多路光电探测器,设计了多光谱快响应测温系统。 对测量装置的测量原理、系统结构、系统标定等进行了阐述和分析。 接着利用标准钨灯对装置进行了光谱响应系数标定,并通过标准辐射源进行了温度测量的实验验证,验证了测量装置用于高温测量的准确性。

依据光叠加原理研制了一台太阳光谱仪光电探测系统线性度测试装置。该测试装置由300 W高稳定度氙灯光源、250 W卤钨灯光源、双层中性滤光片轮、双孔光阑及光学成像系统组成。依靠中性滤光片改变光束强度, 依靠独立开闭的双光阑和光学成像系统实现光流叠加。该装置工作波段为200~2 400 nm, 可模拟紫外-可见-红外波段地外太阳光谱辐照度, 动态范围为104, 已用于太阳光谱仪等光谱仪和硅光电二极管标准探测器等光电探测系统线性测量。

以氯化镉、对硝基苯甲酸和乙二胺(en)为原料, 成功合成了具有荧光性能的[Cd(对硝基苯甲酸)2(乙二胺)H2O]配合物1, 并对其结构进行解析。首先, 采用水热合成法进行配合物1的合成。接着, 利用单晶X射线衍射测定配合物1的结构。然后, 采用元素分析法、红外光谱法(IR)、热重分析法(TGA)和粉末X射线衍射法(PXRD)对其进行表征。最后, 在室温条件下, 对配合物1进行荧光性能测试。实验结果表明: 配合物1通过N-HO、O-HO和C-HO氢键将离散结构连接形成三维超分子构型。配合物1在266 nm处激发, 在377 nm和444 nm处出现两个发射峰, 表现出较强的荧光性能。上述结果说明, 配合物1的荧光性能主要来自于配体到配体的跃迁, 可以作为具有发展潜能的荧光光学材料。

为实现多元热流体组分含量激光在线检测, 根据多次反射吸收光谱原理提出了长光程开放光路反射阵列光学池, 研究了不同光斑直径下光束发散角和对准误差对多元热流体检测系统接收效率的影响, 并且针对高温注汽管道内壁产生的杂散辐射提出一种新型消杂光结构。研究结果表明: 反射镜镀膜为银膜, 光学窗口材料为熔融石英, 多次反射结构的最佳反射次数为40次, 有效吸收光程为220 cm; 对于不同光斑直径的检测光束, 发散角与对准误差的增大对系统接收效率的衰减趋势和衰减幅度基本一致; 离轴角为5°时, 系统点源透射比(PST)为121×10-7。最后通过高温管道内壁热辐射抑制实验验证了杂光抑制结构的有效性。

当星敏感器在动态条件下工作时, 在成像的过程中星点会因能量的分散而出现运动模糊现象, 导致图像的信噪比降低, 星点的模糊区域很难被提取, 从而降低了星点质心的定位精度, 严重影响星敏感器的姿态测量精度。为此, 文中提出了一种基于区域滤波的模糊星图复原方法, 在有效提高图像信噪比的同时可提高星点质心的定位精度。首先, 根据星敏感器的工作特性, 建立了不同工作条件下星点质心的运动模型。然后, 根据运动模型确定星点质心的运动轨迹, 进而提取星点的模糊区域, 再利用图像处理算法对模糊区域内外的图像分别进行预处理。最后, 利用图像复原算法对模糊星图进行复原。实验结果表明: 在2(°)/s的动态条件下, 区域滤波算法能够有效提高模糊星图的信噪比, 并且复原图像中星点质心的定位误差不超过01 pixel, 可以满足星敏感器对高质心定位精度的要求。

为了研究长白落叶松光谱对土壤Cu胁迫的响应特征和变化规律, 在辽东树基沟矿区的3条勘测线上布置采样点, 进行表层土壤的多种重金属元素含量和长白落叶松针叶的反射光谱测定, 并提取了7个特征波段, 计算了多个波段区间的光谱角, 将其与土壤主要重金属铜的含量进行相关分析, 建立了回归模型。结果表明: 7个光谱特征波段中, “红谷”参数与表层土壤铜含量的相关系数最大, 基于“红谷”反射率建立的回归模型的R2达到0865。光谱角对铜胁迫长白落叶松针叶波段区间[400, 716] nm、[400, 2 500] nm的光谱变化十分敏感。“红边”位置和反射率与土壤铜含量不相关, 不适合区分矿区表层土壤重金属含量间的细微差别。对可见光敏感的“红谷”参数和光谱角均表明反射光谱的差异主要由叶绿素含量控制, 小部分受到针叶中水分含量的影响。本研究利用长白落叶松“红谷”和光谱角的“指纹效应”, 为快速有效反演大面积高植被覆盖区的土壤重金属含量、圈定隐伏矿(化)体提供了理论依据。

为了提高铝合金表面的力学和耐腐蚀性能, 利用激光沉积技术在铝合金表面制备了AlCrFeCoNiCu高熵合金涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、显微硬度计和电化学工作站, 研究了涂层的相结构、微观组织、元素分布、硬度及耐腐蚀性能。结果表明, 涂层与基材结合良好, 基材中Al元素在熔池搅拌作用下上浮, 使沉积层呈FCC相和BCC相; 显微组织为典型的枝晶结构, Cu元素在枝晶间富集; 涂层平均显微硬度为528HV0.2, 约是基材的5倍; AlCrFeCoNiCu涂层在35%NaCl溶液中的腐蚀特征为点蚀和晶间腐蚀, 耐腐蚀性优于基材。激光沉积制备的AlCrFeCoNiCu高熵合金可以改善铝合金表面性能。

采用双声光调制器光路快速偏转技术与自准直光栅法实现CO2激光全波段快调谐同光路输出。首先对声光调制器特性进行实验研究, 结果显示: 声光调制器偏转角度约为44°, 与运用布拉格方程计算结果相符; 且激光单次通过声光调制器移频量为4068 MHz,与声光驱动器射频频率一致, 将激光往返多次经声光调制器的移频量叠加。进而, 开展基于声光调制器的CO2激光快调谐实验研究, 运用两个对称布置的同驱动频率声光调制器补偿声光移频, 实现偏转光路振荡输出, 运用光栅法在直线光路中实现激光全波段可调谐输出。最终, 在声光调制器时序控制下, 实现双波长激光快调谐同光路输出, 选定激光波长的切换时间约为1 ms, 脉宽小于300 ns, 且双波长切换速度不受CO2激光跃迁谱带的限制。

在连续谱激光(532 nm)照射下, 观察到联苯衍生物有光折变现象。本文制备了(4-羟基苯基)-5-嘧啶醇、4′-羟基-4-联苯基腈、3-氨基-4-苯基苯酚和4, 4′-Biphenol两类实验样品, 将联苯衍生物分别溶于N, N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中, 获得溶液浓度比为2wt%的4个溶液样品; 将联苯衍生物溶于无水乙醇通过常温慢速挥发, 制成了4个单晶体样品。在激光照射下, 2-(4-羟基苯基)-5-嘧啶醇、4′-羟基-4-联苯基腈和3-氨基-4-苯基苯酚3个溶液样品中观察到周期性对称的明暗相间的空间条纹。无论如何增大激光功率密度, 在4,4′-Biphenol溶液中, 都没有观察到类似的空间条纹。在强光功率密度照射下, 2 -(4-羟基苯基)-5-嘧啶醇、4′-羟基-4-联苯基腈、3-氨基-4-苯基苯酚3个单晶体出现光斑畸变, 同样在4, 4′-双酚单晶中没有观察到光斑畸变。在激光照射下或无光照射时, 测量到具有非对称基团的联苯衍生物样品的光电流与暗电流相差大约为10 nA。光斑畸变的伸长方向与激光的偏振态有关。在溶液和单晶样品中, 光斑畸变的光功率密度的阈值分别是100 W/cm2和10 W/cm2。上述实验结果可认为对称的周期性明暗空间条纹是由光折变效应引起的, 激光通过样品时, 由于联苯衍生物的极性分子受光电场的作用, 在光照区与非光照区产生空间电荷场, 由该空间电荷场引起样品折射率变化, 从而形成明暗相间的空间条纹。本文首次发现联苯衍生物是一种光折变材料。

为了明确超快激光损伤典型成像探测器膜层结构的物理机制, 对飞秒脉冲激光辐照硅基多层膜的损伤特性, 以及各种损伤效应对应的激光能量通量范围和阈值条件进行研究。利用波长为800 nm、脉冲宽度为100 fs的脉冲激光和金相显微镜研究了硅基多层膜在不同激光能量通量和不同脉冲累积下的损伤效应。在能量通量为101~247 J/cm2的激光单脉冲辐照下, 激光作用区域可观察到氧化/无定形化、非热烧蚀和激光诱导等离子体烧蚀所引起的表面损伤, 其损伤效应与激光能量通量有明显联系, 激光作用区域尺寸随能量通量线性增大。在242 J/cm2到247 J/cm2激光能量通量范围内, 可在辐照表面观察到激光诱导压力导致的多层损伤, 损伤概率随激光能量通量的增加由1%增大到51%。在激光能量通量为101 J/cm2的连续多脉冲辐照下, 烧蚀区域尺寸几乎不变, 但烧蚀深度逐渐增加, 其多层损伤机制为表面损伤的累积效应。通过单脉冲损伤实验数据拟合计算确定, 飞秒激光诱导硅基多层膜表面损伤阈值为0543 J/cm2, 应力多层损伤阈值为216 J/cm2。低激光能量通量(≤101 J/cm2)多脉冲辐照累积作用同样可造成硅基多层膜深层损伤。

本文使用电荷产生层Liq/Al/HAT-CN制备了蓝黄互补的叠层有机白光器件。通过比较叠层双色器件在相同电流密度下的发光光谱、亮度及电压, 阐明了电荷产生层电荷产生及注入过程, 并进一步研究了双层结构Liq/Al。在10 mA/cm2电流密度下, 叠层白光器件的工作电压为83 V, 亮度为746 cd/m2, 分别为蓝光单节器件(42 V, 315 cd/m2)与黄光单节器件(42 V, 426 cd/m2)之和, 证明了电荷产生层的有效性。当电流密度为240 mA/cm2时, 叠层白光器件获得最高亮度11 420 cd/m2, 在1 000 cd/m2的亮度下, 电流效率为72 cd/A, 功率效率为26 lm/W。驱动电流密度从10 mA/cm2增加到30 mA/cm2时, 蓝光成分比例仅增加5%, 证明器件发光性能稳定。针对叠层器件中存在的弱微腔效应, 根据微腔理论, 通过光学模拟计算进行了深入研究, 模拟结果与实际光谱高度吻合, 说明了光学模拟计算的准确性。

高深宽比微结构的底部及侧壁形貌重构是微机电系统领域亟待解决的一个问题。本文提出光程补偿近红外光透射反射干涉技术重构微结构内部形貌的方法, 所采用的近红外光干涉技术将白光干涉系统中的光源扩展至近红外光源, 将反射干涉技术扩展至透射反射干涉技术, 近红外光干涉测量系统由近红外光光源、干涉显微镜、红外光CCD、高精度压电陶瓷和数据采集系统组成。设计了具有两个台阶的GaAs半导体微结构待测样品, 采用近红外光垂直扫描干涉法并通过光程补偿, 重构了微结构的内部三维形貌, 并与扫描电镜结果进行对比。光程补偿近红外光透射反射干涉技术测量的台阶相对高度分别为2132 μm和0766 μm, 与扫描电镜和近红外光反射干涉测量结果基本一致, 分别对应216%和268%的相对误差。测量结果表明, 该测量系统能够测量高深宽比微结构底部及侧壁形貌。

长期以来, 空中平台与水下平台之间的有效通信一直是一个具有挑战性的课题, 因为声波或电磁波只能有效地仅在海水或空气中传播, 而无法同时在这两种介质中高效传输数据。相比电磁波, 激光束能够穿透相当深度的海水, 因而自由空间光通信被认为是一种很好的空潜通信替代手段。众所周知, 吸收和散射引起的衰减是水下激光传播主要不利因素之一, 然而这只能通过加大发射功率来补偿。尽管如此, 即使发射功率大到能够保证一定的接收机灵敏度, 大气和海洋湍流引起的光强起伏也会在很大程度上降低链路性能。本文重点研究水下载具与空中平台之间的自由空间光通信链路中的湍流效应, 利用波动光学仿真, 研究高斯光束和环形光束在空-潜两段链路中的传播, 并根据数值结果对上行链路和下行链路之间的性能差异进行了比较说明。总体来说, 由于湍流的主要部分离发射机更近, 上行链路更容易受到湍流的影响。此外, 研究中还发现环形光束往往能产生较小的闪烁指数和较高的信噪比。本项工作能够为未来的空潜光通信系统的研究和发展提供有益的参考。

本文设计了一种紧凑型端面泵浦电光调Q Nd∶YAG激光器。为实现激光器整体结构紧凑, 以快轴准直后的半导体激光器叠阵(Laser Diode Arrays,LDAs)作为泵浦源。使用焦距分别为40 mm和25 mm的球面镜和柱面镜将泵浦光耦合至Nd∶YAG晶体内。利用Tracepro软件模拟了晶体入射端面和出射端面的光场分布。在采用Ф6 mm×30 mm、掺杂浓度10at.%Nd∶YAG晶体作为增益介质时, 入射与出射泵浦光斑分别为5 mm(慢轴)×45 mm(快轴)和3 mm(慢轴)×6 mm(快轴), 吸收效率为83%。利用Ansys软件模拟了在22 ℃和60 ℃条件下Nd∶YAG激光器壳体在360 s内的温度场动态分布。实验结果表明, 本文设计的紧凑型激光器可以实现稳定的脉冲激光输出。在重复频率分别为30 Hz和50 Hz条件下, 获得了单脉冲能量为30 mJ和25 mJ的单脉冲输出, 对应脉冲宽度分别为18 ns和16 ns, 斜效率分别为116%和1471%。实验结果表明, 本文设计的紧凑型激光器可以实现稳定的脉冲激光输出。