2μm波长可调谐掺铥连续光纤激光器具有调谐范围宽、输出线宽窄和噪声低等特点, 在激光雷达、遥感、光通信、光谱分析、环境监测及激光医疗等领域具有重要应用, 近年来成为光纤激光技术领域的研究热点。文章首先介绍了可调谐光纤激光器中实现波长选择的各类光栅元件的基本结构及工作原理, 涉及到的光栅元件主要包括闪耀光栅、体布拉格光栅和光纤光栅; 其次重点阐述了基于光栅的可调谐掺铥连续光纤激光器在国内外的研究进展, 最后对其未来的发展趋势做出展望。

通过构建外部光反馈半导体激光器的理论模型, 并结合激光器速率方程和噪声理论, 讨论并优化了增益芯片和光纤光栅外腔各参数在不同电流下对器件频率噪声和相对强度噪声的影响。模拟结果表明: 通过改变电流并对有源区尺寸、光纤光栅结构和耦合效率等参数的调整, 在理论上可以将器件的频率噪声降低5×108Hz左右, 相对强度噪声降低8dB/Hz左右。该研究将为低噪声、窄线宽外部光反馈激光器的实验研究提供理论指导, 同时也对其他结构的外腔激光器噪声特性的研究有着借鉴意义。

超高宽深比结构氮化硅波导具有低损耗和高偏振消光比的优异性能, 是抑制集成光学陀螺中偏振噪声的可行性方案。文章基于FEM和FDTD方法对氮化硅波导的模场分布、弯曲损耗及光纤插入损耗进行了仿真分析, 通过对波导截面结构的设计优化, 并采用LPCVD和RIE微纳工艺在石英基底上成功制备了宽深比高达100的单模氮化硅波导。表征及通光测试验证了工艺可行性, 对一长为12mm的氮化硅直波导测试得偏振消光比达3dB。研究结果对超高宽深比氮化硅波导在集成光学陀螺及相关偏振器件中的应用研究具有一定意义。

LED电极结构极大地影响着LED芯片的电流扩展能力, 优化电极结构, 能够缓解电流拥挤现象。讨论了正装LED结构和倒装LED结构的电流分布模型, 并通过SimuLED软件研究了电极结构对LED电流扩展能力的影响。仿真结果表明: 采用插指型电极结构极大提高了正装LED的电流扩展能力, 电极下方插入电流阻挡层(CBL)后改变了芯片的电流分布状况, 有利于光效的提升; 而倒装LED的通孔式双层金属电极结构利用两层金属的互联作用, 使n电极能够在整个芯片范围内均匀分布, 进一步提高了电流扩展性能。

为研究量子点发光器件结构与性能的关系, 制备了以CdSe/ZnS量子点作为发光层、poly-TPD作为空穴传输层, Alq3作为电子传输层的量子点发光二极管, 对器件结构及性能参数进行了表征, 结果显示器件具有开启电压低、色纯度高等特点。结合测试数据, 对量子点发光二极管进行了器件结构建模, 利用隧穿模型及空间电荷限制电流模型对实验结果进行了分析, 研究了器件中载流子的注入与传输机理。器件测试与仿真结果表明: 各功能层厚度会影响载流子在量子点层的注入平衡, 同时器件中载流子的注入与传输存在一转变电压, 当外加电压低于转变电压时, 器件中载流子的注入主要符合隧穿模型; 当外加电压高于转变电压时, 器件中载流子的注入主要符合空间电荷限制电流模型。研究结果验证了器件结构建模的合理性, 可以利用仿真的方法进行器件结构优化并确定相关参数, 这对器件性能的提高具有指导意义。

采用粒径约为10nm的CdSSe/ZnS量子点层作为发光层, 制备了叠层结构的量子点发光器件, 研究了量子点层厚度对其薄膜形貌及量子点发光二极管性能的影响。原子力显微镜测试结果表明: 量子点层过厚时, 量子点颗粒发生团聚, 且随着厚度的降低, 团聚现象减弱; 当量子点层厚度和量子点粒径相当时(约为10nm), 量子点呈单层排列且团聚现象基本消失; 而量子点层厚度低于10nm时, 薄膜出现孔洞缺陷。器件的电流-电压-亮度等测试结果表明: 量子点发光二极管中量子点层厚度与器件的光电特性密切相关, 量子点层厚度为10nm的器件光电性能最优, 具有最低的启亮电压4.2V, 最高的亮度446cd/m2及最高的电流效率0.2cd/A。这种通过控制旋涂转速改变量子点层厚度的方法操作简单、重复性好, 对QD-LED的研究具有一定应用价值。

研究了背照式InGaN p-i-n结构的紫外探测器的制备与数值模拟。通过低压金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长p-GaN/i-InGaN/n-GaN外延片, 采用标准的Ⅲ-Ⅴ族器件制备工艺, 成功制备出p-i-n结构的InGaN紫外探测器。探测器台面半径为30μm, 在-5V偏压下暗电流为-6.47×10-12A, 对应的电流密度为2.29×10-7A/cm2。该探测器响应波段为360~380nm, 在371nm处达到峰值响应率为0.21A/W, 对应的外量子效率为70%, 内量子效率为78.4%。零偏压下, 优值因子R0A=5.66×107Ω·cm2, 对应的探测率D*＝2.34×1013cm·Hz1/2·W-1。同时, 利用Silvaco TCAD软件进行数值模拟, 响应率曲线仿真值与实验值拟合较好。

电磁超材料可用于构建具有控制太赫兹辐射通断功能的太赫兹强度调制器。利用COMSOL仿真软件, 通过模拟仿真, 研究了基于开口谐振环(SRR) “工字型”超材料太赫兹调制器关键功能结构对器件透射光谱的影响规律, 并以此完成了高调制深度器件的结构优化设计。仿真结果表明: 优化后器件调制深度达到了74%。

研究了利用两个声光移频器间的差频抑制谐振式集成光学陀螺中的背向散射噪声。测试了声光移频器的输出特性, 结果表明声光移频器输出功率随调制频率变化。测试并说明了两路声光移频器的功率不平衡会影响环形谐振器的谐振曲线深度和陀螺解调曲线的斜率, 并最终导致陀螺的测量误差。实验中通过补偿声光移频器的输出功率, 有效地克服了声光移频器功率带宽的影响, 陀螺零漂从补偿前的0.28mV降低为0.095mV。

提出并验证了一种借助于光纤环的选频特性实现辅助滤波的光电振荡器, 利用偏振分束器(PBS)和偏振合束器(PBC)构成的双环路结构抑制掉部分光电振荡器的边模, 同时借助于光纤环的光学梳状频率特性, 对振荡器环路中的光信号模式再次进行选择, 既起到边模抑制的作用, 又提高了光电振荡器谐振腔的Q值。仿真结果表明: 采用光纤环辅助滤波有利于光电振荡器的边摸抑制和单模输出, 在保证光电振荡器输出低相位噪声和高频谱纯度微波信号的情况下, 边模抑制比超过160dB, 模式间隔达到370MHz, 降低了对电域带通滤波器的性能要求, 是一种新的光电振荡器设计方案。

提出了光电图像传感器辐照效应参数测试需要解决的问题, 简述了光电图像传感器参数测试国际标准(EMVA1288)的原理和要求, 建立了基于EMVA1288国际标准的光电图像传感器辐照效应测试系统, 并进行了辐照试验验证。验证试验表明: 该系统能对光电图像传感器辐照前后的时域、空域和光谱类参数进行测试, 较好地解决了光电图像传感器辐照效应测试难题, 如测试效率、数据可比对、兼容和拓展性等, 具有较好的推广应用前景。

采用金属辅助化学刻蚀方法结合纳米球模板技术制备出了有序硅纳米线阵列。硅纳米线阵列经过高温热氧化形成一定厚度的氧化层, 再使用稀释的HF溶液去除表面氧化层得到可控直径/周期比、低孔隙密度的有序纳米线阵列。主要研究了氧化温度、氧化时间对硅纳米线形貌的影响, 并根据扩展的Deal-Grove模型计算了硅纳米线氧化层厚度与氧化时间的关系, 讨论了氧化过程中应力分布的影响, 理论计算结果与实验结果一致。最后, 采用两步氧化的方法制备出了低直径/周期比(约0.1)、低孔隙密度的有序硅纳米线阵列。

光子晶体光纤端面研磨过程中存在着大量磨粒切削光纤包层的空气孔壁。将这一过程简化为单颗磨粒切削单孔壁, 并应用有限元法(FEM)建立了数值仿真模型。分析了裂纹损伤产生的机理, 以及不同切削深度和磨粒尖端半径对加工结果的影响。仿真结果表明: 切削过程中, 孔壁边缘容易出现沿圆周分布的崩塌区域; 切削力和边缘崩塌区域随切削深度和磨粒尖端半径的增加而增加; 该光子晶体光纤孔壁边缘无崩塌的最大切削深度约为20nm。该方法对光子晶体光纤端面加工及耦合应用的研究具有重要意义。

优化设计了975nm分布反馈激光器的一级布拉格光栅结构。将纳米压印技术与干法刻蚀工艺相结合制备周期为148nm的光栅结构, 通过优化调整刻蚀气体流量比、腔室压强和偏压功率等参数, 得到了合适的光栅刻蚀工艺参数。扫描电子显微镜测试显示, 光栅周期为148nm, 占空比接近50%, 深度合适, 表面形貌、连续性和均匀性良好。将所制备光栅应用于975nm分布反馈激光器中, 激光器输出性能良好, 波长随温度漂移系数小, 光栅对波长的锁定效果良好。

运用数值计算方法分析了肖特基势垒反向隧穿电流的场发射(FE)、热场发射(TFE)以及基于WKB近似的积分计算模型等三种模型之间的关系, 阐述了场发射与热场发射模型的不足。通过分析积分计算模型的数值计算结果, 探讨了肖特基势垒反向隧穿电流随能量峰状分布的基本特征。

采用旋涂法在洗净的玻璃衬底上制备了醋酸锌薄膜, 并进一步在空气中退火获得了氧化锌(ZnO)薄膜, X射线衍射分析显示退火后获得的ZnO薄膜具有c轴(002)择优取向生长特性。通过水热法以ZnO薄膜为种子层, 生长了ZnO纳米杆阵列。研究了在相同的ZnO种子层、前驱液浓度和生长温度条件下, 不同生长时间对ZnO纳米杆形貌的影响。扫描电子显微镜照片显示, 随着生长时间的增加, ZnO纳米杆阵列的生长具有阶段性规律, 并且在经过52h生长后得到了顶端中心被溶解的ZnO纳米管。分析认为该现象和前驱液中Zn2+离子和OH-离子的浓度变化有关, 同时也和ZnO的非极性结构有关。

为实现铌酸锂退火质子交换(APE)波导折射率分布的准确计算, 选择含苯甲酸锂的苯甲酸缓冲液作为质子交换质子源, 高温退火制作了波导样本。针对该工艺过程建立退火质子交换波导模型, 包括非线性扩散模块和光学数值仿真模块, 分别计算APE波导折射率及其模式有效折射率。以测得的样本波导模式有效折射率和计算的有效折射率差的均方根构建评价函数(FOM), 结合遗传算法提取该工艺条件下质子扩散参数, 实现了不同交换深度和退火时间波导折射率分布及其光学特性的一体化计算。实验表明: FOM小于0.001, 计算折射率分布同IWKB方法测得结果吻合较好, 最大偏差约0.002。

针对当前无线监测网络节点存在无线通信距离小、数据传输周期短等问题, 设计并实现了一种基于0.18μm CMOS工艺的智能传感器网络节点。该无线传感器网络节点由无线传感器模块、CC2430处理器模块、无线通信模块以及电源模块构成。其中, CC2430处理器模块采用0.18μm CMOS工艺控制电流损耗和模式变换时间, 提高电源的运行周期, 并采用0.18μm CMOS工艺中低噪声放大器和UQ下变频对天线采集的射频信号进行操作, 获取2.4GHz的数据扩频, 增强CC2420的无线通信抗干扰性能。设计了无线传感器网络节点中的SHTIO温湿度传感器、MS5534B集成压阻式压力传感器和ADXL202E双轴加速度传感器, 并给出节点软件的结构和主程序流程。实验检测结果表明, 设计的无线传感器网络具备较优的运行性能, 丢包率较低, 通信距离与运行周期明显优于传统方法。

采用0.18μm BiCMOS工艺设计并实现了一种高增益、低噪声、宽带宽以及大输入动态范围的光接收机跨阻前置放大器。在寄生电容为250fF的情况下, 采用全集成的四级放大电路, 合理实现了上述各项参数指标间的折中。测试结果表明: 放大器单端跨阻增益为73dB, -3dB带宽为7.6GHz, 灵敏度低至-20.44dBm, 功耗为74mW, 最大差分输出电压为200mV, 最大输入饱和光电流峰-峰值为1mA, 等效输入噪声为17.1pA/Hz, 芯片面积为800μm×950μm。

红外焦平面读出电路(IRFPA ROIC)主要用于焦平面阵列与后续信号处理之间的通信。文章提出了一种用于红外焦平面读出电路的缓冲器模块, 包括列缓冲器、高性能的输出缓冲器以及相应的偏置电路。缓冲器均采用单位增益放大器结构, 通过放大器的优化设计可实现对不同负载的有效驱动且静态功耗较低。该缓冲器模块用于一款640×512面阵、30μm中心距的中波红外焦平面读出电路, 采用CSMC 0.5μm DPTM工艺进行流片加工。仿真结果表明, 列缓冲器的开环增益为40.00dB, 单位增益带宽为48.17MHz(10pF)。输出缓冲器可实现轨到轨的输入, 开环增益为39.68dB, 单位增益带宽为46.08MHz, 读出速率高达20MHz, 功耗为16.02mW(25pF∥5.1kΩ)。该模块输入端拉出的测试管脚可在焦平面读出电路的晶圆测试中帮助验证芯片功能。通过调节测试端口, 测试结果与仿真结果大体一致, 验证了该缓冲器模块的设计可行。

为了提高红外图像匹配的精度和效率, 提出了一种将Harris-Laplace关键点提取和旋转不变LBP特征描述算子相结合的局部特征检测新算法, 该算法不仅在图像的尺度、光照和角度发生变化时, 仍然能够得到很好的检测效果, 而且能很好地描述图像的局部纹理特征。特征向量描述完成后, 为了进一步提高红外图像特征点匹配的正确率, 提出了一种基于K-means聚类分析的图像匹配策略。先利用Cosine余弦相关匹配策略实现特征点的初步粗匹配, 接着采用K-means聚类分析匹配策略剔除图像中大部分的错误匹配。实验表明: 提出的算法表现出良好的鲁棒性, 关键点提取的重复率(Repeatability)提高了9.2%。与传统的匹配算法相比, 采用基于K-means聚类分析的匹配策略匹配精度可以提高5.05%, 匹配时间可以缩短0.068s。该特征描述算法和基于K-means聚类分析的匹配算法满足了红外图像配准的高精度性和高实时性的要求。

针对相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统中相位噪声造成的严重影响, 提出了一种采用线性插值和卡尔曼滤波相结合的相位噪声抑制算法。该算法在第一阶中对接收端的时域信号进行线性组合, 之后利用线性插值算法对相位噪声进行初步抑制, 在第二阶中采用卡尔曼滤波技术来抑制残余的相位噪声。分析和仿真表明: 提出的二阶算法能够有效地抑制相位噪声对OFDM符号的影响, 在相位噪声线宽较大时明显地降低错误平层, 利用所提出的二阶算法可使误码率达到10-7以下, 有效地提高了系统的性能。

在MAP超分辨率重建算法中, 相较于Gauss-MRF先验模型, Huber-MRF先验模型具有更好的保持图像边缘和细节的能力, 然而对Huber边缘惩罚函数的阈值选取一直没有更好的方式。在考虑红外图像细节纹理信息的基础上, 利用图像灰度共生矩阵, 把阈值参数与图像细节纹理信息联系起来, 实现对边缘惩罚函数阈值的自适应选取, 完成超分辨率图像重建。仿真实验证明, 该算法获取的高分辨率红外图像具有更高的信噪比, 而且更有效地保持了图像的高频信息。

针对图像在传输过程中易引入噪声、色彩质量下降、中值滤波导致图像细节丢失和均值滤波出现模糊等问题, 提出了一种可以应用于CMOS图像传感器的图像画质增强和滤波算法。该算法对插值后的Bayer图像数据进行一维空间的增强和降噪处理, 首先将图像从RGB空间转换到YUV空间, 在Y通道上用改进的直方图均衡化方法实现图像明暗程度的对比度增强调节, 对U、V通道采用分段式线性调节方法实现饱和度调节; 然后对Y通道进行自适应降噪, 对U、V通道进行加权中值滤波降噪, 以满足后续处理对图像质量的要求; 最后在Y通道上, 采用基于Laplace算子的锐化掩模进行锐化处理, 保证图像的细节清晰可见。实验结果表明: 从图像视觉效果来看, 相比单独使用中值和均值滤波, 所提出的自适应滤波得到的效果更好, 图像细节保存较好、模糊程度低、图像更为清晰, 且色彩质量更高。通过对比峰值信噪比(PSNR), 对混合噪声进行处理时, 该滤波算法的PSNR优于中值和均值滤波, 有效地抑制了噪声。整个算法在一维邻域空间进行, 更容易在有限的硬件上实现较好的图像处理结果, 满足小面积低功耗的要求。

Struck算法是近年来综合性能较优的视觉目标跟踪算法, 但对于较大比例遮挡或全部遮挡情形, 算法性能下降明显。通过对Struck算法的分析发现, 当遮挡出现时算法分类器会引入错误信息, 从而导致跟踪失败或者跟踪漂移。在Struck算法框架的基础上加入遮挡判断机制, 在检测到较大比例遮挡后停止分类器更新, 并通过缩放搜索样本的尺寸解决目标尺寸快速变化导致的遮挡检测虚警; 对于具有一定运动信息的目标, 通过卡尔曼滤波器进行预测解决目标全遮挡后的持续跟踪。实验证明, 提出的算法框架对遮挡情形下的目标跟踪具有较高的鲁棒性。

针对影像测量领域中自动对焦方法存在的对焦准确性不高、对焦过程复杂等问题, 提出了一种采用加权最小二乘准则的自动对焦方法。首先, 根据不同种类图像清晰度评价函数的评价特性, 选定对焦过程中所用的图像清晰度评价函数。其次, 在图像清晰度评价函数的基础上进行两阶段对焦, 即粗对焦阶段与精对焦阶段。然后, 分析了加权最小二乘准则中加权系数的确定原则并给出了其具体确定方法。最后, 对精对焦阶段所得清晰度评价值进行归一化处理, 采用加权最小二乘准则进行高斯曲线拟合求取极值, 极值位置即最终正焦平面。实验结果表明: 在步距为0.1mm的条件下, 该方法与现有的洛伦兹(Lorent)、Gauss拟合方法相比, 对焦误差由0.05mm降低到0.02mm, 有效地提高了现有曲线拟合法的对焦准确性。

基于数字微镜器件(DMD)构建的高帧频景像仿真系统, 可以实现可见光和红外波段高帧频探测系统的功能和性能测试, 其驱动技术是整个仿真系统的核心。以FPGA为核心, 结合DMD的硬件特性和改进的PWM调制方法, 完成DMD控制系统驱动设计, 实现PCIe高速数据传输、DDR3数据存取以及DMD高帧频灰度图像显示, 同时, 利用WinDriver完成上位机PCIe驱动设计。通过实验验证, 该驱动技术能够实现仿真系统以1000Hz高帧频显示8bit灰度图像, 满足高帧频探测系统测试需求, 并可广泛应用于可见光和红外波段高帧频景像仿真系统的构建。

针对传统Hough变换算法检测直线时容易出现误检的缺点, 提出一种基于改进Hough变换的直线检测算法。首先根据种子点的参数化结果, 对图像中的点实现聚类, 划分图像区域, 然后对划分在同一区域的点进行特殊区间的详细参数化, 确定直线参数, 最终将该直线周围的点置为背景点, 继续区域划分和直线检测, 直到图像中不再存在种子点。该算法实现了对不同区域的点进行特殊的、有针对性的参数化, 同一区域的点只允许对一条直线的检测投票。实验表明, 与传统的Hough变换算法和文献中算法相比, 该算法减小了误检率, 并且对断裂边缘具有较好的鲁棒性。

提出一种不受电光调制器传输曲线温度漂移现象影响的基于瑞利散射的单端布里渊光时域分析系统, 并对系统所需的合成信号及温度特性进行分析, 通过搭建单端布里渊光时域分析温度传感系统测量系统的温度特性。结果表明: 通过测量布里渊增益谱获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系; 由单端布里渊光时域分析温度测量系统获得的布里渊频移的温度系数为1.109MHz/℃, 与传统双端布里渊光时域分析系统获得的1.20MHz/℃具有良好的一致性, 在1.77km光纤上可实现9.5m空间分辨率的温度传感测量。

如何获取人眼立体融合范围内的视差图像是立体影像获取的前提, 而视差的大小与双目立体相机间的基线长度存在一定关系。通过分析平行式双目立体系统产生视差的原理, 并结合人眼Panum融合区对立体拍摄过程中基线长度的取值进行限定。最后通过实验对推导结果进行验证。该研究可对实际立体影像拍摄过程中相机间隔的选取提供参考。

针对油膜厚度的静、动态测量, 设计了一种基于反射式强度调制型同轴结构光纤位移传感器(RLIM-FODS)的精密位移检测系统。根据激光光束光场近似高斯分布的特性建立数学模型, 利用Matlab对特性函数进行仿真分析, 光电转换对部分背景光进行了有效补偿, 对滤波电路进行了失调电压调节和截止频率仿真修正, 并通过实验进行了验证。仿真和实验结果表明: 建立的模型可以有效减小电源波动、微弯损耗等带来的影响, 信号检测电路能够精确地将小信号进行放大, 并且输出信号稳定, 噪声低, 失调小, 线性区间在1200~2700μm的范围内, 灵敏度可以达到6mV/μm, 满足精密检测要求。

为解决传统接触式测温中存在的破坏温度场、装置布线不便且需要回收读数等问题, 设计了一套瞬态温度测试装置。该装置基于比色测温原理, 主要由光学系统、二象限探测器、光电放大电路以及单片机STM32组成。其中利用STM32单片机设计了无线数据传输模块, 以保证实验数据的实时传输与测试温度的实时显示, 大大削弱了测试环境的影响, 提高了装置的易用性。利用该装置在实验室环境中进行了瞬态温度的测试实验, 并与红外测温仪进行了实验结果的对比。选择了其中6个时间节点进行了测试结果的分析, 结果表明: 比色测温装置与红外测温仪的相对误差均小于1.2%, 能够满足温度测试的需求。