在保偏光纤两端同一偏振方向上注入两束泵浦光, 产生受激布里渊散射并激发出相干声波场, 该声波场会对介质折射率进行调制, 即形成布里渊动态光栅。利用该动态光栅可实现温度与应变高精度的分布式测量以及多参量的同时传感, 并具有读写分离、光谱可调等优点。文章从原理上详细介绍了布里渊散射与布里渊动态光栅的产生原理, 并对比分析了布里渊动态光栅在光纤传感方面的优势。针对现阶段布里渊动态光栅在布里渊光相干域与布里渊光时域中的应用进行详细综述, 指出了各自的不足与改进后取得的进展。最后, 对布里渊动态光栅在分布式光纤传感技术中的发展进行了总结与展望。

基于电光调制器产生微波信号的倍频方法结构简单、调谐性好、稳定性较高, 为产生毫米波频段乃至太赫兹频段信号提供了一种有效的解决方法。重点介绍了基于电光调制器的几种典型倍频方案与关键技术及其最新研究进展, 综合比较了各个方案的优缺点, 并给出了下一步研究与发展的方向。

采用飞秒激光直写技术在铌酸锂晶体中写入圆柱形包层光波导, 利用激光在波导中传输所产生的散斑, 基于平均散斑强度变化算法实现了对外界温度的传感, 并验证了波导芯径对传感灵敏度的影响。实验证明, 该传感器对温度的传感精度可达0.05℃, 其动态范围可达20℃, 且芯径为60μm的光波导较30μm光波导的传感灵敏度更高。该方案凭借晶体波导几何尺寸的特征, 有效减小了传感系统的体积, 并进一步拓展了晶体波导在集成光学系统中的应用。

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是目前激光测距领域常见的单光子探测器。针对SPAD在单光子探测应用中的高速淬灭问题, 设计了一种可以快速淬灭雪崩电流、缩短偏置电压恢复时间的主被动混合淬灭电路。根据实际使用的SPAD器件相关性能参数, 建立了SPAD的SPICE模型; 使用被动淬灭电路对该模型进行验证, 证实了该模型的准确性和实用性; 结合SPICE模型, 通过计算机仿真技术对主被动混合淬灭电路进行了参数调整和功能验证。结果表明, 所设计电路的淬灭时间和恢复时间分别达到200和400ps, 满足单光子激光测距的应用需求。该混合淬灭电路结构简单, 可以用于全集成单光子阵列探测器的相关研究。

为了提高推扫(Push-Broom)成像系统的信噪比(SNR), 提出了一种可以在模拟域下实现时间延迟积分(Time-Delay-Integration, TDI)功能的CMOS-APS读出电路。区别于以往的数字域算法TDI, 在模拟域下累加可以获得更小的噪声和较慢的ADC读出速率。读出电路主要由像素阵列、TDI累加阵列、电荷放大器、S&H单元和行列选择逻辑单元等部分构成。通过与外部FPGA生成的时序逻辑相配合, 实现了TDI电压信号的累加。分析了主要单元的噪声源大小和抑制方法, 并在CSMC 0.5μm工艺下完成流片, 最后通过Labview等测试系统测量了相应的探测器指标并验证了SNR与TDI级数的关系。

基于三原色白光器件ITO/NPB/TCTA/Ir(MDQ)2(acac)∶TCTA/TCTA/FIrpic∶TmPyPb/Ir(ppy)3∶TmPyPb/TmPyPb/LiF/Al, 通过在其绿色与蓝色发光层之间插入不同厚度的TmPyPb, 研究了该插入层的厚度对器件色纯度的影响。研究表明, 插入层厚度的改变能够影响能量转移及调节激子的分布, 当插入层厚度为4nm时, 器件色坐标为(0.33,0.36), 最大发光效率达11.58cd/A。

高速InGaAs光电探测器在天基平台中的应用正逐渐广泛, 研究空间辐射环境对高速InGaAs光电探测器性能的影响有着重要意义。采用实时测试法, 研究了不同剂量及不同剂量率的γ辐照对高速InGaAs光电探测器响应度、3dB带宽及暗电流特性的影响, 通过器件性能实时测试分析发现, 器件的暗电流随辐照剂量或剂量率的增加而增大, 而响应度、3dB带宽基本不变。

微流控光学是在微尺度上通过操控微流体达到调节系统光学特性的技术。微流控光开关在多个元件集成到单一微流控芯片并实现可重构的微流控光路中起重要作用。使用气动方式设计了一种光路可重构的2×2光开关。通过压缩气体驱动控制一个可调气隙反射镜的状态, 使光在微流道内交替发生透射和全反射, 实现光开关功能。通过在COMSOL软件中仿真分析, 得出其消光比为10.2dB、开关周期可达到60ms。结果显示, 该方法具有较好的开关性能。此开关可与其他器件集成, 制作复杂的微流控器件以实现其他不同的功能。

提出了一种通过白光干涉仪来检测陶瓷插芯中光纤是否存在断点的方法。通过使用白光干涉仪使陶瓷端面和插芯内光纤断点处两个表面的反射光分别与扫描臂上反射镜的反射光发生干涉, 然后, 根据两条干涉条纹的强度和间距, 便可检测出陶瓷插芯内是否有光纤断点以及陶瓷插芯内断点离光纤连接头端面的位置。试验结果表明, 该方法的测量灵敏度可达0.03mm。此方法非常适用于检测生产和使用过程中的光纤/光缆连接器陶瓷插芯中的光纤是否存在断点, 并进行精确的分析, 保证连接器的质量及可靠性, 具有准确性高、操作简单的特点。

随着CMOS图像传感器(CIS)向片上系统化、高度集成化方向发展, 片内锁相环(PLL)成为系统不可或缺的片上时钟模块, 而高速高集成的CIS对PLL的高频时钟输出能力提出了新的挑战。介绍了一种基于0.13μm CIS工艺设计的电荷泵PLL模块, 该模块工作于1.5V电压, 利于控制功耗; 具备压控振荡器(VCO)电流自偏置和自校准技术, 可提供最高频率为480MHz的输出信号和更好的噪声性能; 多种输入输出倍频可选功能使其能够满足多样化的片上时钟生成需求, 提高可复用性。仿真结果表明, 当实现12倍频且输出频率为480MHz时, 该PLL模块输出信号的均方根周期抖动为837fs, 功耗为2.817mW, 满足高速CIS对时钟速度的需求, 同时保证了输出时钟的低噪声和模块本身的低功耗。

分析了MOS器件的辐照特性及辐照失效机理。基于Global Foundries 0.35μm CMOS工艺, 设计了一款320×256抗辐照加固紫外焦平面读出电路。该电路数字部分MOS管采用环形栅和双环保护进行加固, 并在读出电路表面交替生长了SiO2-Si3N4复合钝化层。对加固后的读出电路进行了γ辐照试验, 并使用示波器实时监测读出电路的输出状态。对比加固前后的读出电路实时辐照状态表明, 加固后的读出电路抗辐照性能得到了明显提高, 其抗电离辐照总剂量由35krad(Si)提升至50krad(Si)。

针对现有光学相干层析成像(OCT)中所用扫频激光光源能量较低这一技术瓶颈, 研究了一种基于SOA级联的傅里叶域锁模(FDML)扫频光源, 利用中心波长为1310nm的半导体光放大器(SOA)搭建了双环形腔扫频光源。对系统中两只SOA的输出特性和基于SOA级联的双环扫频光源的光谱输出特性进行了研究。结果表明, 在SOA工作电流为280mA下, 该扫频光源光功率达28mW, 扫频速度达81.3kHz, 扫频范围超过90nm, 瞬时线宽小于0.03nm。

提出了一种新型表面等离激元波导系统, 并对其模式特性和对纳米微粒产生的光学力进行了研究。采用有限元软件(COMSOL)对该系统进行了数值模拟和理论分析, 发现在该结构纳米级的间隙中可以形成深亚波长电磁能量的束缚。由于双波导结构之间强烈的耦合作用, 相比于已有的一些表面等离激元波导, 光学力至少提高了一个数量级, 达到了4200fN/W以上, 同时被捕获粒子的局域范围仅有几十纳米。该波导系统可以用于强力、高精度纳米级光镊的设计和研究。

为了获得高灵敏度的塑料光纤折射率传感器, 提出了一种湿腐蚀制备塑料光纤传感器的方法。首先利用三氯甲烷和无水乙醇配制了塑料光纤腐蚀剂; 接着研究了腐蚀剂浓度、温度对塑料光纤腐蚀速率及腐蚀后表面形貌的影响; 然后研究了传感器经不同浓度和不同温度腐蚀剂腐蚀后的传输光谱特性; 最后利用葡萄糖溶液测试了经过不同腐蚀条件腐蚀后的传感器灵敏度。实验结果表明, 光纤的腐蚀速率随着腐蚀剂浓度和温度的升高而增大; 光纤腐蚀后的表面形貌、光谱传输特性及传感器灵敏度受腐蚀条件影响显著; 当腐蚀剂温度为20℃、浓度为70%时, 可以获得光滑、干净的腐蚀光纤表面, 此时传感器具有较好的光谱传输质量, 同时传感器的灵敏度达到3.8[(RIU)]-1。

基于胶体量子点活性材料的太阳电池目前面临的共性问题是量子点表面长碳链配体不导电, 极大限制了载流子的传输和器件性能。对AgBiS2胶体量子点活性层采用固态配体交换方法, 用不同短链配体对长链的油酸配体进行交换, 讨论了不同配体交换对材料能级和器件关键参数的影响。结果表明, 不同配体置换长链配体的能力不同, 配体交换不仅有效提升了薄膜的电荷传导和钝化量子点的表面缺陷, 还实现了对量子点材料能级的有效调节。解释了表面配体对量子点太阳电池性能影响的作用机理。为进一步提升胶体量子点太阳电池性能提供了有效方案。

利用阳极氧化方法制备了高度有序的TiO2纳米管阵列, 采用化学还原AgNO3在纳米管表面均匀沉积了Ag纳米颗粒以形成Ag/TiO2/Ti(MSM)结构的紫外探测器, 并通过SEM和EDS对形成的TiO2-Ag纳米管进行形貌表征和成分分析。通过测试不同光照强度、不同偏压下的电压-电流(I-V)和电流-时间(I-t)曲线, 研究了MSM结构在紫外光下的光电特性。实验发现, 在偏压为1V、光照强度为1.04mW/cm2的375nm紫外光照射下, 基于TiO2-Ag肖特基结的紫外探测器光电流可达46.9μA, 响应度为0.21A/W, 外量子效率(EQE)为70.8%。研究结果表明, Ag负载的TiO2纳米管阵列具有良好的紫外探测性能。

TiO2纳米材料良好的光电性能, 为其作为制备染料敏化太阳电池等新型太阳电池的光阳极材料提供了很好的应用基础。采用溶胶-凝胶法成功制备了Cu掺杂的TiO2纳米晶粉体, 并利用XRD、EDS、TEM以及荧光分光光度计对样品进行了表征, 研究了Cu掺杂对TiO2的物相类型、微观结构、晶粒尺寸以及光致发光性能的影响。结果表明, Cu掺杂使Cu2+取代Ti4+进入TiO2的晶格中, 在抑制TiO2晶粒生长的同时促进了TiO2的晶型转变, 但这种抑制和促进作用会随着Cu掺杂量的增加而减弱。3%(原子分数)的Cu掺杂能够有效增强TiO2对光生电子的捕获能力, 降低光生电子的复合速率, 优化其光电性能。

基于光学传输矩阵, 结合柯林斯光学衍射公式, 研究了艾里高斯光束在无损和有损含负折射率平板介质中传输时, 其侧面光强分布图景演化特征。结果表明, 当右手材料和双负材料折射率值恰好相反, 并且左、右两侧右手单元长度之和等于双负单元长度时, 可以实现输出面光强的完美还原; 当双负材料折射率绝对值增大时, 实现光强还原所需中间双负单元长度也越长, 反之, 绝对值减小时, 长度越短; 对于有损介质, 电、磁振荡因子越小, 输出光波性能越良好。进一步探究了ζ因子和指数截断因子a对这类光波传输特性的影响, 其中, ζ因子不会影响艾里高斯光束的固有性质, 但ζ越小, 自弯曲特性越明显, 并且主、旁瓣的径向尺寸都随ζ的减小而成倍减小; a因子可以调控光波的传输轮廓, 使其在a＜0.2时为艾里光束, 而当a逐渐增大到0.7时, 光波的外形轮廓已和高斯光束无异。

借鉴热电分离式设计理念, 利用图形转移和蚀刻技术将铜合金板材加工成带有导热柱的底座, 然后通过压合工艺将金属底座与FR4复合制备成热电分离式金属基板。利用冷热冲击试验箱对基板进行了热冲击试验, 并借助SEM对历经1000个高低温突变冷热循环后的铜基材与FR4界面形貌进行了观察与研究。利用结温测试仪、功率计、积分球系统、半导体制冷温控台等仪器和设备, 通过结温及热阻测试对比研究了普通铜基板与热电分离式铜基板在铜基、绝缘层及线路层厚度相同的情况下, 对大功率LED模组散热效果的影响。结果表明, 基板在经低温-55℃、高温125℃、1000次冷热循环后, 铜基材与FR4界面处既无裂纹萌生, 也无气泡产生, FR4与铜基材结合完好。对于驱动功率为13W的LED灯珠, 在模组辐射功率与热功率大致相同的情况下, 热电分离式铜基板与普通铜基板所对应的芯片结温分别为49.72和73.14℃, 所对应模组的热阻则分别为2.21和4.37℃/W, 这意味着热电分离式铜基板较之普通铜基板在大功率LED散热管理方面更具优势。

在机载和星载领域, 尤其是用于观测科学目标短期变化的应用领域, 遥感平台逐步要求光谱仪在实现高分辨率的同时缩短重访时间。研究了基于Offner结构的紫外成像光谱系统, 设计了一种工作波段为250~500nm、双狭缝均长50mm、双入射狭缝间隔为37mm、光谱分辨率为0.3nm的双缝高分辨率紫外成像光谱仪, 并对设计结果进行了分析与评价。结果表明, 这种紫外双缝成像光谱仪在41.67lp·mm-1处的传递函数达到0.76以上, 实现接近衍射极限的优良成像质量, 同时大大缩短了系统重访时间, 提高了系统的信噪比, 在保证高分辨率的同时缩小了系统体积和扫描镜口径, 适合机载和星载遥感应用。

建立了基于傅里叶域锁模(FDML)扫频光相干层析(OCT)系统的数值模型, 通过对FDML光源中的组件进行建模, 利用分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程, 研究了滤波器带宽对光源强度噪声与相位噪声的影响。在此基础上对OCT成像过程中的信号进行了数值仿真, 研究了光源噪声和成像系统中的色散失配对点扩散函数及其滚降特性的影响, 获得了扫频光源中元件特性与OCT系统性能的直接关系。

由于光正交频分复用(O-OFDM)系统中的峰值平均功率比(PAPR)较高, 针对传统的选择性映射(C-SLM)方案计算复杂度较高, 而一些低复杂度SLM(LC-SLM)方案的峰均比抑制性能不佳的问题, 为了在降低计算复杂度的同时兼顾PAPR的抑制性能, 提出一种基于LC-SLM方案和Clipping技术联合改进的PAPR抑制方案。在低复杂度方案中, O-OFDM信号的实部和虚部被分开处理以期获得更多的备选信号, 再结合Clipping技术把信号限定在门限值范围内, 最后再选择PAPR最小的一路信号从而得到最优的PAPR抑制性能。仿真结果表明该方案具有较好的优越性以及较高的利用价值。

为了提高多光谱图像匹配的速度和精度, 提出一种改进的随机抽样一致性(RANSAC)算法。针对传统RANSAC算法迭代次数多、运行效率低、单应性矩阵模型精度低等问题, 在采用SIFT 算法完成初始特征匹配的基础上, 从合理减少样本集中元素个数以提高局内点在样本中所占的比例以及采用预检验快速舍弃不合理的初始参数模型等方面对RANSAC算法进行改进, 从而极大地减少了算法的迭代次数, 提高了算法的运行效率和估计精度。实验结果表明, 所提改进算法不仅提高了图像匹配的精度, 而且在处理相同数据的前提下, 其所用时间不足传统RANSAC算法的60%, 有效减少了算法的运行时间, 提高了算法效率。

无人机激光充电相比于太阳光充电, 能够提高充电能量功率及改善持续充电性能。自动跟踪瞄准精度是无人机激光充电的关键指标。结合激光充电系统的工作原理及组成部件, 分析了无人机激光充电跟踪瞄准精度。通过建立无人机激光充电跟踪瞄准模型, 分析了对跟踪瞄准精度产生影响的各项误差因素, 以及各单项误差变化分别对方位角和天顶角瞄准综合误差的影响。在此基础上进行合理的误差分配, 通过误差综合计算得出激光充电跟踪瞄准的方位角和天顶角综合误差。通过对系统瞄准精度的分析, 为后续标定提供了理论参考依据。

在传统LiNbO3马赫-曾德尔调制器(MZM)偏置控制理论的基础上, 提出了一种基于低频信号扰动与模拟电路处理技术的反馈控制方法。通过该方法设计的偏置控制电路模块可以在-55~+80℃温度范围内实现LiNbO3 MZM调制器正交偏置点锁定, 并且具有偏置控制电路体积小、控制精度高等特点。该偏置控制电路模块已经批量应用于某高速光通信传输系统中。

光信号在海水信道中传输时, 受其散射影响导致多径传输, 使接收到的信号发生时域展宽。分析了水下无线光传输的散射特性, 利用蒙特卡洛统计方法, 仿真了激光冲激信号在近海海水中的时域展宽特性; 通过拟合不同脉宽的光信号, 得到了近海海水中无线光传输的时域展宽模型。结果表明, 在近海中冲激信号的时域展宽随传输距离的增加而快速增加, 在一定范围内为高斯函数, 且近海中光信号的传输距离与传输速率呈指数衰减的关系。

针对超宽带雷达信号复制转发式干扰应用, 研究了一种基于光处理的超宽带模拟射频存储技术, 相比传统的数字射频存储技术, 它大幅提升了干扰源的瞬时带宽。结合对光学射频存储的理论分析结果, 采用低噪声光学放大与光学自适应幅度均衡技术精确控制光纤复制环路增益, 实现对采样信号的高质量、大数量的相参复制。利用可调光纤延迟技术实现拖距、拖速等干扰效果, 并通过实验验证与仿真分析证明了光学射频存储技术的可行性及有效性。

为提高光纤陀螺随钻测斜仪的井眼轨迹的测量精度, 采用卡尔曼滤波组合的测量方法, 对井斜、方位和工具面失准角进行估计。由于姿态失准角的估计精度与其可观测性密切相关, 为了提高估计精度, 文章分别在匀速、匀加速和匀速转动三种钻进运动状态下, 采用分段线性定常系统(PWCS)和奇异值分解(SVD)的方法分析了姿态失准角的可观测性, 并分析了钻进中井斜角和转动速率对姿态失准角估计精度的影响。由仿真结果可知, 匀速钻进时, 方位失准角不可观测; 匀加速钻进时, 方位失准角可观测且在水平井中可观测性最强, 随着井斜角度增大, 方位角、井斜角的测量精度逐渐提高; 绕轴向匀速转动钻进时, 方位失准角的可观测性和估计精度均优于匀速、匀加速钻进状态; 角速率由0°/s增加到5°/s时, 三个姿态失准角的估计精度均增大并逐渐趋于稳定。文中提出的轴向转动钻进运动可有效提高井眼轨迹的测量精度。

茶多酚是茶叶中的主要成分, 其含量约占30%左右, 决定着茶汤的味道、颜色等。利用近红外光谱法对茶多酚含量进行快速检测, 在茶叶品质的快速识别中具有极高的实用价值。基于光谱技术结合化学计量学方法, 对不同茶叶的不同成分进行了研究, 结果表明: 茶叶中的主要成分茶多酚含量与近红外波段(1800~2500nm)的吸光度存在近似的线性关系, 在此基础上建立拟合曲线, 得出了不同拟合曲线的相关系数和校正均方根误差; 采用近红外光法结合偏最小二乘法在1872nm建立了茶多酚含量预测模型, 其相关系数达到0.9378, 均方根误差为0.008015。

针对面阵凝视器件运用到红外搜索跟踪(IRST)系统中出现的图像拖尾问题, 为解决方位搜索转台变速运动下高质量的IRST系统像移补偿, 提出一种实时视轴跟踪的IRST系统像移补偿控制技术。基于方位搜索转台速率实时感知的振镜高速、高精度控制策略, 实现了对像移的准确补偿。采用高精度M/T测速算法实现了像移的准确计算, 通过对振镜电机建立控制系统模型, 开展了振镜补偿控制算法仿真研究。实验室成像测试结果表明, 在方位搜索转台任意变速运动下, 靶标成像清晰无拖尾, 成像效果与凝视型几无差别。

针对相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)信号信噪比较低的问题, 提出了一种基于自适应噪声完备经验模态分解(CEEMDAN)的小波信息熵阈值去噪算法。该算法配合CEEMDAN分解, 通过小波信息熵阈值去噪, 提取扰动位置的高频信息, 从而提高系统的信噪比。首先, 采用Savitzky-Golay滤波算法对不同光脉冲间的信号进行预处理; 其次, 采用CEEMDAN将滑动差分后单个脉冲内信号分解为不同的固有模态函数(IMF), 并利用连续均方误差准则确定含噪较多的高频IMF分量; 然后, 采用小波信息熵阈值去噪算法对以上高频IMF分量进行阈值去噪处理; 最后, 将其与低频IMF分量以及残差分量进行重构。采用自行研制的相干Φ-OTDR系统实测数据进行了验证, 结果表明, 文中算法与两种传统去噪算法相比, 信噪比提升了3dB, 这对于系统的实际应用具有重要意义。