表面等离激元电磁波吸收体具有新颖的吸波机制、超高的吸收率、超薄的厚度、超小的单元结构、角度不敏感等特点, 使其在太阳电池、紫外防护、光电探测等领域受到广泛关注。文章围绕表面等离激元电磁波吸收体展开综述, 首先根据其吸波特性的不同, 将其分为窄带、多频带及宽带吸收进行概述, 接着详细介绍了窄带、多频带、宽带表面等离激元电磁波吸收体近年的研究进展, 最后对表面等离激元电磁波吸收体的发展前景进行了展望。

对传统的应变标定方法进行了分析, 发现其不适用于无封装光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变标定。提出了一种简易的无封装FBG传感器的应变灵敏度系数标定方法, 通过理论分析, 证明了该方法的可行性。选取能够覆盖解调仪解调范围的不同中心波长的无封装FBG传感器进行标定实验。计算了实验的A类不确定度、FBG传感器的线性度, 并分析了标定结果与理论值存在差异的原因。实验结果表明, 提出的方法在四支FBG传感器上均取得了3×10-3pm/με以下的A类不确定度和0.5%以下的线性度。

设计了一种基于等离激元的具有对称双边耦合谐振腔的T形波分复用器, 与单边耦合的结构相比, 新结构由于对称谐振腔的相互耦合, 透射波振幅得到了加强, 因此系统的透射特性得到了一定的提升。对透射特性的分析采用模式耦合理论, 并且用有限元法(FEM)进行数值仿真。仿真结果表明, 此结构的各信道共振波长可通过改变结构的几何参数来调节, 同时对填充在谐振腔中的介质折射率有着较强的响应。两个端口处的透射峰波长分别为1310和1550nm, 透射率分别达到了67%和70%, 对于未来光通信和光子集成光路具有重要的参考价值。

半导体光放大器(SOA)作为全光集成器件的核心, 在全光通信和光纤传感等领域中具有重要的应用前景。值得关注的是, 半导体光放大器的材料增益透明决定了它的快慢光过渡点和信号增益的起始点, 因此准确测量其材料增益透明对应的注入电流, 对于SOA的全面应用具有重要意义。提出了一种测量SOA材料增益透明电流的方法, 并深入分析了其特点。依据材料增益透明时SOA的输出功率与入射光偏振无关的特性, 实验测量了不同输入光功率条件下, 入射光偏振态对输出功率影响最小时, SOA的注入电流。利用上述方法, 准确地测量出给定波长输入待测SOA的增益透明电流为155mA。该方法为实现其他类型任意波长注入时SOA增益透明电流的测量提供了参考, 为其全面应用奠定了基础。

相关器的特性变化规律对其实际应用中参数的设定具有重要的指导意义。针对基于比累对切透镜的联合菲涅耳变换相关器, 通过数值仿真详细分析了比累对切透镜缝宽变化对相关器输出特性和空变特性的影响。结果表明, 比累对切透镜缝宽能一定程度地控制联合菲涅耳变换功率分布的有效面积、相关峰的尖锐度及其空变特性的敏感度。实验采用纯相位空间光调制器编码比累对切透镜相位掩模替代实体透镜的方式搭建了相关器, 实验结果与仿真结果一致性好, 进一步验证了上述结论的正确性。

采用马赫-曾德尔光波导干涉仪与锥形天线阵列, 研制了基于铌酸锂(LiNbO3)结构、可用于电力电场测量的大带宽电场传感器, 并通过实验对传感器性能进行了测试。结果表明, 该传感器在10kHz~18GHz的大带宽范围内, 频响特性波动小于±10dB, 最小可测电场强度达到0.4V/m, 可测量场强达103V/m的纳秒脉冲电场。

通过在传统ITO+DBR膜系结构基础上令电极金属与DBR层形成ODR(全角反射镜)膜系结构的方法, 设计并制备了具有ODR结构的高压倒装氮化镓基发光二极管, 有效提高了LED芯片的光效。ODR结构由DBR(分布布拉格反射镜)层上联接芯粒的电极金属和DBR层组成, 经过理论分析和计算, 与传统ITO+DBR结构器件相比, 在400~550nm波长范围、全角度入射时平均反射率Rave从86.25%提升到了96.71%。实验制备了传统ITO+DBR结构和ODR结构的3颗芯粒串联的高压倒装氮化镓基 LED器件, 尺寸为0.2mm×0.66mm, ODR结构器件的有效反射结构面积增加了4.8%, 饱和电流增加了12mA, 用3030支架封装后在30mA的测试电流下, 电压降低了0.163V, 辐射功率提升了3.78%, 在显色指数均为71时光效提升了5.42%。

讨论了反射镜反射率对LED光提取效率的影响, 并基于芯片与封装协同设计的原理, 针对蓝光和黄光波段, 通过TFcalc膜系仿真软件设计和优化了分布式布拉格反射镜(DBR)膜系。仿真结果表明, 单堆栈DBR结构最大反射带宽为134nm, 而双堆栈DBR结构最大反射带宽可拓展至216nm。利用参考波长红移的方式, 可以缓解DBR反射特性随入射角度增加而出现的反射谱线蓝移现象。金属增强型DBR结构能够减小反射偏振效应, 提高反射带宽和平均反射率, 并能够减小DBR厚度, 从而显著改善芯片的散热性能。

基于“导向逻辑”设计了一种应用于光通信网络的新型光信息流导向器件。采用微环谐振器作为光波导元件, 应用折射率调制机理, 实现了基于聚合物基的多功能电光逻辑门。通过改变不同端口的逻辑输入分别实现了“与/非”、“或/或非”和“同或/异或”等多种状态的光开关逻辑运算。静态仿真确定了微环谐振器的工作波长, 验证了器件具有高速率逻辑运算功能。该器件可用于大规模光学集成电路中, 实现高速光信号的调制输出。

在跨时钟域数据传输中, 常因违反触发器的建立时间和保持时间要求而产生亚稳态现象, 导致数据误码。为对亚稳态发生过程进行直观观测, 利用所搭建的亚稳态观测平台, 在建立时间区域对TTL维持阻塞型集成边沿触发器74LS74芯片和CMOS传输门型集成边沿触发器74HC74芯片分别进行了误码测试。测试结果表明, 两芯片性能接近, 在建立时间0.9~1.6ns区间存在0%~100%误码过渡带, 能观测亚稳态过程的直观波形。测试过程中, 发现触发器输入电平上跳变时, 误码率在以上区间存在稳定的单调变化曲线。当触发器输入电平下跳变时, 误码率会从0%瞬变到100%, 实验未观测到过渡带。输入下跳变时, 当延迟参量单向递增或递减时, 瞬变区域不一样, 存在回差现象。

基于小型化多波长选择输出的Nd∶YVO4固体自拉曼激光器, 理论分析了其激光晶体内的热应力分布, 得出热破裂易发生的位置, 与实验结果吻合。搭建实验平台研究了激光晶体热破裂对激光器各个波长激光输出功率的影响。实验结果表明, 热裂前后1064nm基频光阈值及输出功率变化不大, 而532、559及588nm激光阈值分别由0.2W升至0.43W、0.3W升至1.5W和0.3W升至1.5W, 最大输出功率分别由560mW降至131mW、600mW降至50mW及200mW降至26mW。

采用雾化施液化学机械抛光(CMP)的方法, 以材料去除速率和表面粗糙度为评价指标, 选取最适合硒化锌抛光的磨料, 通过单因素实验对比CeO2、SiO2和Al2O3 三种磨料的抛光效果。结果显示：采用Al2O3抛光液可以获得最高的材料去除率, 为615.19nm/min, 而CeO2和SiO2磨料的材料去除率分别只有184.92和78.56nm/min。进一步分析磨料粒径对实验结果的影响规律, 表明100nm Al2O3抛光后的表面质量最佳, 粗糙度Ra仅为2.51nm, 300nm Al2O3的去除速率最大, 达到1256.5nm/min, 但表面存在严重缺陷, 出现明显划痕和蚀坑。在相同工况条件下, 与传统化学机械抛光相比, 精细雾化抛光的去除速率和表面粗糙度与传统抛光相近, 但所用抛光液量约为传统抛光的1/8, 大大提高了抛光液的利用率。

采用等离子增强原子层沉积技术(PE-ALD)在350℃温度下, 在KAPTON柔性衬底上直接生长出多晶GaN薄膜。利用低角度掠入射X射线衍射仪、AFM、SEM、TEM、XPS对薄膜的晶体结构、表面形貌及薄膜成分进行了表征和分析。结果表明, 薄膜呈多晶态, 且具有良好的均匀性; 薄膜中的N元素全部以N-Ga键形式存在; 大部分Ga元素以Ga-N键形式构成GaN; 少量的Ga元素分别以Ga-Ga键和Ga-O键形式构成金属镓以及Ga2O3。研究发现, 虽然KAPTON具有较好的耐高温性, 但GaN会反向扩散进入KAPTON衬底, 形成具有一定厚度的GaN扩散层。

制作了高光效高显指COB 封装LED光源, 研究了点涂荧光胶后光通量、色坐标、光谱等光色参数随荧光粉预沉淀时间的变化关系。研究结果表明, 在预沉淀初期(约5min), LED光源光色参数随预沉淀时间变化较大, 之后进入一个缓慢变化的阶段。研究认为这一现象的出现是因为粒径不同的荧光粉颗粒沉淀速度不同造成的, 预沉淀初期, 大粒径的荧光粉颗粒迅速沉淀, 造成LED光源光色参数剧烈变化, 之后小粒径的荧光粉缓慢沉淀, LED光源光色参数也呈现缓慢变化的趋势。在实际生产中, 将预沉淀时间控制在15~25min, 取得了良好的效果, 主货率(颜色在一个档位的比例)达到98%以上。

研究了金刚石聚晶碳膜的生长过程, 以及不同生长阶段碳膜的场发射性能。通过磁控溅射法在陶瓷上镀一层金属钛作为制备碳膜的衬底, 将衬底放入微波等离子体化学气相沉积腔中, 经过不同的沉积时间制备出一系列的碳膜。利用SEM、Raman光谱仪、X射线衍射仪等仪器, 对碳膜进行了形貌与成分分析, 最后利用二极结构场发射装置, 测试了碳膜的场发射性能。着重讨论了金刚石聚晶碳膜生长过程中的变化, 并且对金刚石聚晶碳膜的场发射机理进行了深入研究。

采用射频磁控溅射技术, 以WO3陶瓷靶为原料, 在透明导电氧化铟锡(ITO)玻璃上沉积了非晶相WO3薄膜, 研究了溅射功率对薄膜结构及光学性质的影响, 并研究了WO3薄膜的电致变色特性。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射技术(XRD)表征了薄膜的表面形貌和内部结构; 利用UV-Vis分光光度计表征了薄膜在变色前后的光学透过性质, 利用电化学测试工作站研究了WO3薄膜的电致变色性质, 并从原理上分析了WO3薄膜的变色机理。研究结果表明, 不同功率下获得的WO3薄膜均为非晶结构, 在可见光范围内有较高的透过率。透明的WO3薄膜在负向电压下逐渐转变成深蓝色, 且在撤去电压后其颜色不变, 当施加正向电压时, 薄膜又转换为透明态, 表现出良好的电致变色特性。所制备WO3薄膜在550nm处褪色态的透过率为83%, 着色态的透过率为29%, 使得该薄膜在智能窗方面具有广阔的应用前景。

一维TiO2纳米材料良好的电子传输特性为有效提高钙钛矿太阳电池等新型太阳电池的光电性能提供了理论基础。采用水热法在FTO上制备了垂直定向生长的一维单晶金红石相TiO2纳米棒薄膜; 利用XRD、SEM、UV-Vis、TEM和SAED对样品进行了表征; 研究了钛酸丁酯的用量和水热反应次数对纳米棒薄膜的形态和光学性能的影响。结果表明, 在水∶浓盐酸∶钛酸丁酯=30∶30∶1(体积比)和循环水热反应2次时, 得到均匀致密且沿［001］晶向定向生长的一维单晶TiO2纳米棒薄膜, 它在紫外光、可见光区的光吸收增强, 且带边红移, 禁带宽度为3.0eV。

针对远程设备管理(Remote Device Management, RDM)传输方案难以提供可靠数据包传输的问题, 提出了两种基于光照控制网络的数据重传方案, 分别是基于序列的重传方案和基于定时器的重传方案。在基于序列的方案中, 使用了应答数据包的事务编号(Transaction Number, TN), 只有当TN的顺序出现丢失或错误时, 才执行数据包重传。在基于定时器的方案中, 使用了应答数据包的TN与临时缓冲。其中, 控制器将数据包存储在缓冲区中, 并通过DMX512数据链路发送该数据包。然后, 控制器为传输的请求数据包激活重传定时器, 并等待应答数据包, 根据应答数据包决定后续操作。仿真结果表明, 与RDM和E1.45方案相比, 所提方案可靠性更高, 可对高丢包率网络中的丢失数据包进行有效恢复。

为满足激光测距领域大量程、高精度、高分辨率的应用需求, 设计了一种高精度脉冲激光测距系统。系统基于最小可分辨45ps的专用计时芯片TDC-GP22实现高精度、高分辨率的时间间隔测量, 并采用高带宽放大电路及恒比定时时刻鉴别方法提高系统精度。详细论述了TDC-GP22时间间隔测量模块的硬件设计及软件流程。实验结果表明, 该系统的测量分辨率达45ps, 对时间间隔1μs内的测量精度可达60ps, 对应150m测距精度可达1cm; 对时间间隔1μs以上的测量精度可达1ns, 对应千米级测距精度可达0.15m, 满足高精度距离测量的应用需求。

基于无人机空中光正交频分复用(OFDM)通信模型链路的误码性能理论和仿真研究, 综合考虑服从对数正态分布的大气湍流模型和服从瑞利分布的指向误差模型对通信系统的影响, 采用高斯-厄米特积分方法得出了通信系统链路误码率的闭合表达式。在此基础上, 仿真分析了发射端光束发散角、符号速率、子载波数和接收孔径大小与系统误码率的关系。仿真结果表明, 在弱湍流条件下, 发射端激光存在可使链路误码性能达到最优的光束发射角, 湍流强度的改变对最优光束发散角的影响不大。光OFDM系统能够满足无人机间通信速率为吉比特级的光通信要求, 并且通信时接收端的孔径尺寸不宜增大, 该结果对通信链路的优化设计有一定的参考意义。

可见光通信具有绿色、节能、成本低等优点, 比较适合应用于室内定位。提出一种基于可见光通信的自适应混合蛙跳室内定位算法, 该算法通过到达时间(TOA)算法和最小二乘算法进行初始定位, 得到未知定位点的估计位置解集, 再利用自适应混合蛙跳算法搜索未知定位点的最优位置。该算法具有较强的全局搜索能力, 不易陷入局部最优, 能够得到较高精度的定位结果。仿真结果表明, 该算法比传统TOA定位算法的定位误差小, 说明该算法提高了室内定位的精度。

针对恒虚警工作方式下, 噪声、信号及倍增因子之间相互作用的问题, 分析了倍增因子、背景辐射对APD探测系统性能的影响以及恒虚警补偿方式的工作原理, 建立了恒虚警下背景辐射与倍增因子的关系模型。通过求取有、无背景光时系统可探测到的最小信号功率, 建立了APD性能的评估模型, 设计实验对模型进行了验证, 利用该模型分析了不同噪声对APD探测性能的影响。结果表明, 随着背景光增强, 其对APD的性能影响逐渐增大, 且增大速率逐渐减缓; 暗电流噪声较小时, 背景光对APD作用较为明显, 随着暗电流噪声的增大, 背景光对系统影响迅速减小, 最终趋于平稳; 背景光对APD的影响随热噪声、放大电路噪声的增大而均匀增大。

SpaceFibre光总线广泛应用于航天领域。SpaceFibre光网络即插即用(SpFi-PnP)技术便于星载设备的在轨管理, 能实现星载网络的可测可控。在大型星载总线网络中, 采用宽度遍历算法发现网络设备, 通过设计SpaceFibre光网络的网络管理器, 实现了总线网络的即插即用。实验证明, 网络管理器能稳定发现设备信息并监控路由器网络中节点设备的实时状态, 通过OPNET仿真建模分析基于SpaceFibre总线协议的光网络端到端延时来评估在网络中使用宽度遍历算法的网络性能, 并在源模块节点采用整包和分包两种机制发送数据流。结果表明分包机制效果更佳, 探究得到分包组数为10时网络延时性能最优。

为了解决图像超分辨率重建中稀疏系数解的不精确问题, 提出了一种自适应正则化级联稀疏矩阵的超分辨率重建算法。根据图像自身的特性, 采用自适应正则化项对图像局部进行处理, 实现图像的局部约束, 构建基于自适应正则化的稀疏矩阵函数。另外, 为了提高图像的可清晰性, 采用基于全局约束的退化模型改进处理结构。测试结果表明, 与其他常用算法相比, 提出的自适应正则化的图像超分辨率重建算法能够构建更清晰的超分辨率图像。

改型Wollaston棱镜(MWP)无需中继, 可构建微型傅里叶变换光谱仪。回顾了MWP的基本原理, 从调制度定义出发, 计算得到准单色光源的复相干度, 找到调制度的影响因素——扩展视场、剪切结构、焦面探测等。建立一般的干涉定域分析模型后, 由像点逆光路追迹给出MWP的厚度计算公式, 代入调制度约束参数得到不同参量的误差容限。通过FRED记录不同视场扩展情况的灰度与辐照度, 结果显示, 调制度为0.9时, 视场与理论估算值1.24°基本相符; 不同剪切量的灰度与辐照度变化特性表明, 结构角会使定域垂直系统光轴的入射角发生变化, 与晶轴倾角共同影响双折射率差; 2.5和8μm像元探测采样表现出调制度差异, 描述了定域深度或离焦的影响。以准单色光源、复相干度表示调制度, 可将不同影响因素统一至约束参数中, 相关变量误差容限可作为MWP-FTS的设计依据。

保偏光子晶体光纤快慢轴的检测是保偏光子晶体光纤应用的关键技术。针对保偏光子晶体光纤端面空气孔数量多、尺寸存在差异及噪声和伪边缘干扰圆心定位精度的问题, 提出一种双峰均值二值化法粗定位和径向扫描三点法精定位相结合的方法。采用双峰均值二值化法实现空气孔重心的粗定位; 利用大空气孔定方位, 选取两个具有结构对称的空气孔区域, 去除粗大误差点, 径向扫描法确定边缘三点进行圆心精定位, 并利用半径阈值减小误差。实验结果表明, 该方法能有效分割光纤端面图像, 圆心偏差小于0.2个像素, 为光纤定轴打下必要的理论基础。

针对光电图像语义分割问题, 提出了一种基于编解码(Encoder-Decoder)结构和图像局部增强的分割算法。首先, 采用基于互质因子的空洞空间金字塔池化(Atrous Spatial Pyramid Pooling, ASPP)模块减小多尺度空洞卷积(Atrous Convolution)引入的网格效应, 提升卷积核的像素近邻信息表征能力; 其次, 对分割难度较大的图像局部区域, 采用融合平均交并比(Mean Intersection Over Union, MIOU)和交叉信息熵的损失函数, 结合权值衰减策略, 提高这些局部区域的像素权重。实验结果表明, 提出的改进算法能有效提升图像语义分割精度。

为了凸显图像中的感兴趣目标, 提出了基于特征融合的图像目标显著性检测方法。首先通过提取可见光图像不同尺度空间的不同特征, 利用区域协方差理论融合尺度空间之间串接的不同特征, 然后结合全局核密度估计体现图像的全局显著性, 实现局部和全局特征融合的图像目标显著性检测。仿真结果表明, 无论主观评价, 还是客观指标, 新方法均优于当前流行的图像显著性检测方法。

深空探测时, 由于星敏感器受到多种复合运动影响, 使拍摄星图存在严重运动模糊, 信噪比低。采用Sureshrink小波方法去噪, 能够有效保留星图的边缘信息和灰度信息; 根据星图梯度符合拉普拉斯分布的先验信息, 提出一种基于最大后验概率估计方法的星图去模糊模型, 并对动态模糊星图进行去模糊处理。仿真结果表明, 高动态时, 经过所提出的去模糊方法处理后的星图不会出现维纳滤波方法中的振铃影响, 处理速度和提取质心精度优于Richardson-Lucy滤波, 质心精度优于0.1个像素, 满足动态星敏感器的处理精度和速度要求。