半导体激光器(LD)工作在空间辐射或核辐射环境中时, 会受到辐照损伤的影响而导致器件性能退化。文章回顾了不同时期研制的LD(从早期的GaAs LD到量子阱LD和量子点LD)在辐照效应实验方面的研究进展, 梳理了国际上开展不同辐射粒子或射线(质子、中子、电子、伽马射线)诱发LD辐射敏感参数退化的实验规律, 分析总结了当前LD辐照效应实验方法研究中亟待解决的关键技术问题, 为今后深入开展LD的辐照效应实验方法、退化规律、损伤机理及抗辐射加固技术研究提供理论指导和实验技术支持。

光时域反射仪(OTDR)是通信链路中光纤特性测试的专用仪器, 半导体激光器是OTDR的关键元器件, 激光器的性能直接影响OTDR的测试距离、测试精度等。为适应OTDR的应用需求, 提出并研制了一种非对称分别限制(SCH)激光器, SCH结构可有效提高激光器的输出功率和斜率效率。同时, 采用应变多量子阱结构来提高器件的温度特性。研制的1550nm±20nm工作波长的激光器, 其单模尾纤输出功率大于等于60mW(工作电流300mA, 25℃), 激光器上升/下降时间小于1ns, 完全满足OTDR长距离、高精度测试的使用要求。

基于单壁碳纳米管(SWCNT)/单层石墨烯/GaAs双异质结结构构筑了自驱动近红外光电探测器, 利用GaAs优异的光电特性和石墨烯的高载流子迁移率特点, 该光电探测器在无偏压情况下光电响应率可达393.8mA/W, 比探测率达到6.48×1011Jones, 开关比为103。而且, 利用半导体性SWCNT对近红外光子的高吸收特性以及SWCNT/石墨烯异质结对SWCNT产生光生载流子进行有效分离, 使得该双异质结光电器件的光谱响应可拓展至1064nm, 突破了GaAs自身的响应极限860nm。

时间延时积分CMOS图像传感器(TDI-CIS)具有优良的微光探测能力, 可应用于航空探测及卫星遥感等领域。然而, 在入射光强较强时, TDI-CIS容易出现光晕(Blooming)现象, 影响观测效果。首先分析了光晕产生的机理; 然后基于两种传统的抗晕结构, 设计出一种具有沿垂直方向布局的长方形横向抗晕栅的TDI-CIS; 通过成像实验发现横向抗晕栅极电压与抗晕效果及满阱容量(FWC)之间呈负相关关系; 最后通过实验得到所设计TDI-CIS的最优抗晕栅极电压值为2.1V。

阐述了压差式光纤矢量水听器的基本原理, 分析了基元灵敏度及间距对其声压灵敏度的影响, 进行了三维压差式光纤矢量水听器探头结构设计, 研制了二维压差式光纤矢量水听器样品, 并进行了性能指标测试。测试结果表明, 在20~1000Hz频段内, 压差式光纤矢量水听器的声压灵敏度与理论计算结果基本吻合, 在500Hz具有良好的指向性。

提出了一种新型的结构解耦四质量块陀螺仪的结构设计以及制备方法。采用梳齿电极的设计和推挽法消除了静电驱动力的二倍频分量, 并对折叠梁结构进行仿真分析和优化, 有效地实现了对驱动和检测模态的结构解耦。针对陀螺仪的结构, 设计了可行的工艺方案并进行实际加工, 采用SOI和阳极键合工艺, 最终制作出四质量块陀螺仪样品。仿真得到驱动和检测模态的谐振频率差为7Hz, 表明其结构的高度对称性。谐响应分析下陀螺仪最大位移为1290nm, 驱动框架最大位移差为60.75nm, 检测框架最大位移为305.24nm, 取得了理想的解耦效果。

利用COMOSL多物理场有限元软件, 对无孔、圆形孔、正方形孔、菱形孔四种新型折叠梁形桥面结构Fabry-Perot(F-P)腔可调谐滤波器进行了电压-位移、应力和镜面平整度仿真, 以优选最佳的桥面结构。结果显示, 在相同驱动电压下, 菱形孔桥面的位移最大。同时, 桥面达到相同位移时, 菱形孔桥面所需的驱动电压最小, 并且菱形孔桥面的应力和平整度也能满足滤波器的设计要求。利用Essential Macleod软件对优选出的菱形孔桥面结构滤波器进行了滤波性能分析, 结果表明, 滤波器在3~5μm的光谱调谐范围内, 具有良好的滤波效果, 可以满足低电压驱动和宽调谐范围的要求。

分析了偏振波动噪声和背散噪声对谐振式光纤陀螺精细度的影响。搭建了光纤环形谐振环测试系统,实验结果表明:通过使用偏振控制器和保偏光源抑制偏振波动噪声, 能使光纤谐振环的特性参数精细度由64.67提高到101, 谐振深度由0.5033提高到0.712。并且测得光纤谐振腔中背向散射光与主信号强度之比为0.0267%。研究结果可为谐振式光纤陀螺的小型化和高灵敏度提供理论参考。

设计了一种基于光纤纺锤型空气腔的三明治结构全光纤马赫-曾德尔折射率传感器。纺锤型空气腔是通过普通单模光纤和光子晶体光纤熔接后再拉锥形成的。锥区的纺锤型空气腔和包层分别作为参考臂和传感臂, 从而形成马赫-曾德尔干涉。基于FDTD Solutions和COMSOL仿真软件分别对传感器的干涉条纹及锥区电场分布进行了仿真, 得到了折射率传感器干涉条纹波谷波长和有效折射率与环境折射率的关系。当环境折射率为1.36~1.37和1.37~1.38时, 灵敏度分别为1377.6和1436nm/RIU。此传感器具有极短的干涉臂, 能够降低损耗, 且具有较高的折射率灵敏度。

针对压电谐振器振动特性分析的应用需求, 构建了一种小型化、廉价的矢量分析系统。系统采用STM32控制4路DDS芯片产生驱动信号和矢量解析正交信号。通过向DDS芯片写频率控制字, 对压电谐振器进行扫频驱动。同时采用STM32内置ADC, 采样并计算获取各频率点压电谐振器输出信号的幅值和相位。通过提取压电谐振器两个特殊振动模态下的共振频率、品质因数(Q值)、输出信号相位等振动特性参数, 获得驱动信号对这些参数的影响规律, 系统分析了驱动信号对压电谐振器振动特性的影响, 为压电谐振器的驱动、信号检测提供了有效的技术途径, 实验结果为压电谐振器振动特性分析提供了依据。

提出了一种应用于CMOS图像传感器数字双采样模数转换器(ADC)的可编程增益放大器(PGA)电路。通过增加失调采样电容, 采集PGA运放和电容失配引入的失调电压, 在PGA复位阶段和放大阶段进行相关双采样和放大处理, 通过数字双采样ADC将两个阶段存储电压量化, 并在数字域做差, 降低了PGA电路引入的固定模式噪声。采用0.18μm CMOS图像传感器专用工艺进行仿真, 结果表明:在输入失调电压-30~30mV变化区间, 提出的PGA的输出失调电压可以降低到1mV以下, 相比传统PGA输出失调电压随输入失调电压单倍线性关系而言大大降低了列固定模式噪声。

基于表面等离子体共振(SPR)效应, 设计了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构的光纤折射率传感器。采用光纤熔接的方式构成MSM结构, 并且在单模光纤的表面涂覆二氧化钛/银(TiO2/Ag)复合膜构成传感单元。利用FDTD Solutions仿真分析了单模光纤长度与金属膜厚度对传感器性能的影响。结果表明:单模光纤长度越长, 共振深度越深; TiO2/Ag复合膜中Ag膜厚度为50nm, TiO2膜厚度为20nm时, 传感器性能最优, 在1.33~1.41环境折射率范围内, 传感器的灵敏度约为6875nm/RIU。实验结果表明该光纤折射率传感器结构制作工艺简单、灵敏度高。

基于半导体制造工艺, 制备了尺寸为50μm×80μm的蓝光氮化镓(GaN)基Micro-LED芯片。芯片的正向导通电压在2.55V左右; 测试了10颗LED芯片在1mA注入电流下的电压值, 得到的最大值和最小值分别为3.24和3.12V, 波动幅度在4%以内。在1mA的测试电流下, 测试芯片的EL光谱峰值波长和半高宽分别为453和14.4nm, 芯片的外量子效率可达12.38%, 芯片发光均匀且亮度很大。测试结果表明, 所制备的Micro-LED芯片具有优异的光电性能。此外, 通过激光剥离技术, 实现了Micro-LED芯片的转移。研究了激光剥离工艺对Micro-LED芯片光电性能的影响, 发现在优化的工艺条件下, 激光剥离对芯片的光电性能几乎无影响。这些结果有助于小间距微尺寸LED芯片阵列及显示技术的研究。

极紫外光刻掩模具有特殊的多层膜堆叠的反射式结构, 在工艺制造过程中极易产生缺陷, 引起多层膜结构变形, 从而对掩模反射场产生干扰。这种掩模缺陷是制约极紫外光刻技术发展的难题之一。建立了含有缺陷的极紫外掩模多层膜结构模型, 在此基础上采用时域有限差分(FDTD)法分析了缺陷尺寸和缺陷位置对掩模多层膜结构反射场分布的影响。结果表明, 多层膜结构反射场受干扰程度是缺陷的高度和宽度综合作用的结果, 并且与缺陷结构的平缓程度有关。反射场受干扰程度也与缺陷在多层膜结构内部的高度位置有关, 引起多层膜结构靠近底层变形的缺陷对反射场的影响较小, 而引起多层膜结构靠近顶层变形的缺陷对反射场有明显的干扰。

铂电阻因其高精度、高稳定性、可重复性以及可互换性的特点, 作为温度传感器在工业领域以及航天领域被广泛应用。针对铂电阻的非线性特性, 提出了一种基于压控电流源的铂电阻测温非线性校正设计方法。利用测量系统的输出值微调铂电阻的激励电流的方法, 抵消非线性误差, 提高输出信号的线性度, 具有参数计算简单、电路实现方便的优点。该方法应用于某在轨辐射定标系统, 进行了相应的电路设计, 采集了实际实验数据。实测数据表明, 采用该方法能在-40~70℃的范围内将由铂电阻温度传感器非线性产生的测量误差改善为约0.016℃, 提高了温度测量精度。

近红外单光子探测器是量子保密通信的重要组成部分, 降低其工作温度是提高探测效率的关键。文章讨论了铝合金散热器和均温板的温差特性, 研究了其启动速度随热流密度变化的关系, 分析了热流密度对散热器件热阻值的影响, 并搭建系统进行了实验验证。结果表明:均温板散热性能优于铝合金散热器, 温差能控制在2℃以内, 且均温板的启动速度更快。另外, 散热器尺寸对散热性能有着很大的影响, 加载相同热流密度时大尺寸的均温板能耗散更多热量。因此, 采用较大尺寸的均温板将有利于提升探测器的探测效率。

针对电子器件的散热问题, 提出了四种具有对称和等距凹槽的微通道, 并通过三维数值模拟, 研究了不同雷诺数下凹槽形状及布局对微通道性能的影响。结果表明:在给定的雷诺数范围内, 圆形凹槽的传热性能仅次于三角凹槽, 而梯形和矩形凹槽的传热性能较差。三角凹槽压降最大, 其次是圆形, 而梯形和矩形凹槽压降差异较小; 同种形状不同布局的凹槽, 压降几乎一致, 这表明通过改变凹槽布局来提高性能不会产生额外压降损失。综合换热和压降特性, 微通道热性能系数先增后减, 故三角凹槽在雷诺数为600时获得最优热性能, 而在雷诺数为900时等距圆形凹槽的热性能超过三角凹槽。

为降低太阳电池封装材料PET薄膜的反射率, 采用严格耦合波分析(RCWA)方法对基于蛾眼阵列的减反层进行了优化设计。对比研究了圆锥形、抛物线形和正弦形蛾眼结构的减反性能, 结果表明圆锥形蛾眼结构具有最佳全向宽光谱减反性能。分析了圆锥体几何参数对太阳光透过率的影响, 为参数选取提供依据。在此基础上, 提出基于柱形与锥形复合结构的蛾眼阵列, 通过参数优化, 进一步提高了太阳光在大角度入射条件下的透过率。优化后复合结构的蛾眼阵列的PET薄膜对波长范围在0.3~1.1μm、入射角度为0°~90°的入射太阳光角度归一化透过率达到0.9664, 相比于未采取减反措施的PET薄膜透过率提高12.77%。

研究了p型GaN上Pd/NiO/Al/Ni反射电极欧姆接触的比接触电阻率、热稳定性, 以及光学反射率。与传统Pd/Al/Ni电极相比, Pd/NiO/Al/Ni电极的欧姆接触在氮气环境中经300℃下热处理10min后, 仍保持低比接触电阻率(小于5×10-4Ω·cm2)和高反射率(大于80%@365nm)。研究获得的优化Pd/NiO层厚度为1nm/2nm, 此时的Pd/NiO/Al/Ni反射电极既能形成良好的欧姆接触, 拥有低比接触电阻率, 又能减少对紫外光的吸收, 保持高反射率。研究表明适当的NiO层厚度能够有效地防止热处理过程中上层Al金属向p-GaN表面层的渗入, 对于制备高质量的Al基反射电极至关重要。

毫克尺度微型仿生飞行器基于柔性高频翅拍运动的升力机制, 具有柔性大变形、振动非线性、多自由度力-力矩耦合等特征, 其有效升力/力矩范围处于mN/(μN·m)量级, 通用力传感器较难准确测定力学参数, 进而给微型仿生飞行器的设计与控制带来一定的困难。文章提出了一种面向微型扑翼飞行器的新型力-力矩传感器, 它可以在固定约束条件下实现微飞行器高频扑翼运动产生的升力和力矩的测量, 为扑翼飞行器控制力和力矩解耦研究提供精度较高的数据。该传感器采用对称式多悬臂梁柔顺机构将升力/力矩转化为微小形变, 结合高带宽、高精度电容位移测量装置, 可以采集高频振动条件下的微小升力/力矩。基于梁理论进行了传感器力学建模, 并结合有限元仿真验证了原理的可行性。对被测对象微型仿生扑翼飞行器的主要测量参数范围开展结构与工艺设计, 实验结果显示, 该传感器的升力测量范围为-10~10mN, 力矩测量范围为-20~20μN·m, 特征频率为1kHz, 升力和力矩的灵敏度分别为0.01mN和0.01μN·m, 经验证, 对整机重量在80~250mg、工作频率在1~200Hz范围的微型扑翼飞行器具有较强的适用性。

以采用化学气相沉积法(CVD)生长的单层石墨烯为导电电极、四硫代钼酸铵水溶液为电解质, 通过电化学沉积法合成了二硫化钼/石墨烯(MoS2/graphene)垂直异质结。将合成的MoS2/graphene垂直异质结通过CVD在氢气(H2)和氩气(Ar)环境下进行退火处理。利用拉曼光谱、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)系统地分析了样品的物质成分、表面形貌和厚度等。这种简单、环保、低成本的制备大面积MoS2/graphene垂直异质结的方法具有普遍适用性, 为其他垂直异质结的制备开辟了新途径。

分布式全息孔径数字成像技术是利用数字全息记录各子孔径的复振幅信息, 通过孔径间相位拼接实现综合成像的一种主动成像技术。在远距离成像中, 大气湍流引入的子孔径内高阶相位误差和子孔径间低阶相位误差, 以及孔径间的位置失配误差, 都会影响成像质量。随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种无波前探测优化控制算法, 具有可以并行、快速收敛、高效可靠等优点, 可用于校正系统孔径内高阶和孔径间低价相位误差。但是SPGD算法需要多次迭代, 运算量巨大, 难以满足实时性要求。文章基于GPU平台, 对高、低阶相位误差校正进行了并行加速处理, 运算速度较CPU平台分别提升26.42倍和36.47倍。此外, 采用AKZAE算法校正各子孔径间的位置失配误差, 完成了各子孔径复振幅的拼接, 最终实现了分布式四孔径的综合成像。

分视场滤光片型多光谱相机在利用拼接和配准生成多光谱图像时, 受云、水等特殊地物的影响, 利用现有方法生成的结果图像上容易出现条带噪声和错配现象。提出了一种三维信息约束下的尺度不变特征转换(SIFT)图像配准和地物光谱特性约束下的多光谱图像预处理算法, 该算法利用三维信息约束的SIFT算子提高配准精度, 同时在地物光谱特性约束下选取有效的辐射校正点提高图像拼接时各条带图像灰度的校正精度。实验结果表明, 利用该方法对分视场多光谱相机数据进行预处理时, 即使图像上存在云、水等特殊区域的地物, 结果图像仍能保持高精度配准且无条带噪声。

介绍了一种基于宽频光源和法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perot, FP)结构的CO2检测系统。该系统为主动光学系统, 结构简单、系统信噪比高。从差分吸收激光雷达原理出发, 阐述了该系统的基本工作原理, 使用HITRAN数据库模拟大气环境, 设计系统参数, 确定系统工作波段为1.57μm, 光源为L波段超辐射LED光源(Super LED, SLED), 能量波动值Rip为50dB, 输出功率为24.51mW, 接收端滤波器为光纤FP腔滤波器, 工作中心波长为1.55μm, 带宽为60nm, 通道间隔为50GHz, 设计系统探测误差为2×10-6。

介绍了一种轻小型推扫视频一体化微纳遥感相机的综合优化设计思路。系统设计时综合考虑星地一体化处理, 采用大F数RC系统降低产品光机体积重量; 电子学采用商用货架产品加固技术实现高性能同时降低成本, 星上数据处理采用数字TDI技术实现面阵相机推扫视频一体化成像, 大幅提升成像效能。采用该方法设计的微纳遥感相机具备视频、推扫、条带等多种工作模式, 满足不同应用场景需求。该技术在欧比特视频相机等微纳遥感载荷的设计及研制中进行了应用, 在轨获取了高品质的视频及遥感图像, 在商业遥感载荷市场具有广阔的应用前景。

针对传统图像识别算法对疲劳驾驶检测精度差、准确率低的缺陷, 提出了一种利用人脸图像特征提取的疲劳驾驶检测方法。首先将实时采集到的车辆驾驶员面部图像进行预处理, 借助Dlib检测出图像中的人脸区域并进行人脸图像特征点的标注, 然后使用基于眼睛纵横比(Eye Aspect Ratio, EAR)的方法进行图像中人眼疲劳特征的识别,基于嘴唇纵横比(Mouth Aspect Ratio, MAR)的方法进行图像中嘴部疲劳特征的识别, 最后利用支持向量机(SVM)的方法将两种特征融合起来进行疲劳驾驶检测。实验表明, 该方法可以准确地定位出特征点, 疲劳检测的识别率达84.29%, 可以有效地识别出疲劳状态。

针对传统可见光和红外图像融合方法存在融合图像中缺失方向性信息和各向异性信息的问题, 提出了一种基于双层次决策规则的红外与可见光图像融合方法。该方法将各向异性扩散(Anisotropic Diffusion, AD)和极值规则进行融合, 首先通过AD滤波器将每个输入的源图像分解为近似层和细节层。然后将双层次融合决策规则分别应用于细节层和近似层, 以保留光谱信息和结构信息,最后使用结构相似性指数(SSIM)、平均梯度(AG)和信息熵(IE)对融合图像的图像质量进行评估。实验结果表明, 相比现有其他图像融合方法, 所提方法的融合图像中具有更多的信息并有效减少了伪影现象, 验证了所提出方法的有效性。

CCD图像传感器电极间漏电流是反映CCD器件可靠性的一个关键参数, 在CCD图像传感器的生产过程中, 对其电极间漏电流测试是一个重要的检测筛选环节。基于一种漏电流自动化测试方法, 设计了一种CCD电极间漏电流自动化测试系统。该系统可根据不同种类CCD器件, 自定义被测信号名称、测试通道地址和测试判据, 通过计算机软件控制自动循环扫描, 自动采集漏电电流数据, 形成标准测试报表。该系统具有设置灵活、操作方便、自动化测试等优点, 可有效提升CCD生产检查筛选过程中的测试效率和测试设备的通用性。

针对混合输入输出(HIO)等数值攻击算法攻击联合变换相关器(JTC)加密系统运行时间长、攻击效率低的问题, 设计了一种基于光路迭代的光学唯密文攻击系统。该系统充分利用了光学系统高速并行处理的特点, 通过光束在光学系统中的光学傅里叶变换取代在计算机上的数字傅里叶变换, 显著缩短了攻击算法的运行时间, 有效提高了对JTC加密系统的攻击效率。仿真结果表明, 相较于HIO攻击算法, 在迭代次数相同的条件下, 基于光路迭代的光学唯密文攻击系统有效减少了算法的运行时间, 显著提高了对JTC加密系统的攻击效率。

针对当前无人机检测算法普遍不能做到快速准确检测的问题, 提出了一种基于SSD的改进实时轻量级无人机检测算法——TSSD。首先, 针对SSD算法的骨干网络权重参数量大的问题, 改进得到一种轻量级的骨干网络。其次, 针对SSD只利用多层特征图进行多尺度预测, 而特征之间的联系没有被很好地融合利用, 加入了一种特征增强模块来提高检测能力。在自建无人机数据集中进行的实验结果表明, 提出的算法检测速度达到125f/s, 远高于原始SSD的检测速度, 且准确率比原始SSD也有所提升。