针对抗混叠轮廓波变换(AACT)系数分布具有相关性的特点,借鉴小波系数模型的研究方法,从抗混叠轮廓波变换系数的层间相关性入手,分别利用条件概率分布、互信息量与互相关系数对其系数统计规律展开定性与定量的研究,并提出一种广义非高斯二元变量统计模型用以描述其系数分布。该模型充分考虑了父系数子带与子系数子带之间的差异,并改进了形状参数ξ的求解方法。对ξ以及一阶原点矩m1,1的初步统计实验表明,ξ<1的概率为99.5%,m1,1的偏差测度的平均值仅为2.77%,说明该模型能够较为准确地描述AACT系数的联合分布,为下一步深入研究其系数模型奠定了良好的基础。

采用网格划分法对含多次散射项的紫外辐射传输方程的求解方法进行了研究。在空间上进行网格划分,网格节点在空间的辐射强度用相应的权值离散到有限的方向Ω上,根据给定的发射源参数以及初始条件和边界条件,采用劈裂法进行高效率、高精度的求解。在每一时间步长内,分别计算源项和传输项的贡献。通过Laplace变换分别求解偏微分方程的解析解来求出每一步的贡献,然后求出下一时刻的值。将用网格划分法求解的结果与Monte-Carlo方法计算的结果进行对比:用前者所花的时间要比通过后者计算所花的时间短,前者计算最大误差为6.9%。

自由空间激光通信由于其具有数据传输容量大、传输路径的高度方向性、高保密性的固有优点,使其成为下一代光通信技术的发展方向之一。锥形半导体激光器是自由空间激光通信系统中最重要的光源。主要介绍808 nm锥形半导体激光器的外延结构设计、输出特性、光束质量等。制作的器件总腔长为3.5 mm(脊形长度为800 μm,锥形区长度为2.7 mm),阈值电流为750 mA,斜率效率为0.615 W/A,锥形角度为6°。利用电子束镀膜机在后腔面蒸镀Si和SiO₂高反膜(反射率为95%),在前腔面蒸镀单层SiON(反射率< 1%)。在输出功率为2 W条件下,水平发散角为3.9°,垂直发散角为40°,M2=1.8,说明器件具有较好的光束质量。

针对当前发光二极管(LED)灯具的高效率要求和汽车前照灯出射光束特点,根据非成像光学理论建立了新型LED抛物反射器优化设计的理论模型,实现了反射杯光能利用率的最大化和前灯出射光束的不对称光强分布,进而依据该模型设计了新型反射式LED汽车前照灯光学系统。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明不考虑反射率损失时的反射器光能利用率可达96%以上,在25 m测试屏上近光出射光型具有鲜明的截止线,左右视野宽度大于15 m;远、近光分布符合国标要求,且整灯外形结构尺寸仅为160 mm×80 mm×30 mm。

纹影法是进行流场测量的重要手段之一。在高速纹影法测量过程中,照明的质量将对测量结果产生重要影响。为了获得照度分布均匀、光能利用率高、价格便宜、控制方便的照明系统,提出了发光二极管(LED)照明方式。对纹影系统的结构及光学扩展量进行了分析,并结合成像设备计算出实际测量面所需光通量。根据光通量的要求,对LED进行选型、布局,并设计采用开普勒式望远镜结构进行准直。针对工程中常用的反射式纹影仪,利用Tracepro建立光学模型,并计算出纹影仪测量面的照度分布及光通量。计算结果表明,采用LED照明系统可以很好地满足纹影仪照明要求。

通过在位于机身下方的吊舱中安装两台高速摄像机,从不同方向拍摄由机翼携带并随机翼运动的机载**,并对采集到的序列图像进行处理,获得了机载**在投放发射阶段的三维运动姿态参数。为了提高系统的测量精度和可靠性,首先对每个摄像机采集的图像进行单目摄像测量获得各自独立的运动姿态参数,再利用双目摄像测量算法同时处理两个摄像机采集的图像再次获得运动姿态参数。理论分析和实验结果表明该系统角度测量精度优于0.1°,位移测量精度优于0.5 mm,满足机载**投放发射阶段的测试需求。

开展了利用大芯径多模光纤(MMF)实现折射率测量的理论分析仿真以及实验研究。方法是将包层/纤芯半径为62.5/52.5 μm的多模光纤通过单模光纤接入光纤系统,实现单模多模单模(SMS)光纤结构,利用该结构对周围折射率的敏感性实现折射率测量。解调借助于宽带放大自发辐射(ASE)光源和光谱分析仪(OSA)实现。给出了影响折射率测量精度的因素,提出了借助于氢氟酸(HF)腐蚀实现折射率灵敏度的调节方法。实验结果证实了该方法的有效性。

传统的接触式测量满足不了批量生产的快速响应,典型的结构光法和基于近景摄影测量的非接触测量方法,在三坐标测量与三坐标解算过程中人工参与多,且应用限制条件多。利用1D激光位移传感器、伺服坐标控制器和运动减震补偿设备,研制了一种三坐标非接触外形尺寸测量系统,能够实现快速三维成像,自动获取工件表面密集三维点云。激光位移传感器安装在z轴上,并与xoy平面垂直。通过严格的系统检校和滤波,控制与补偿测量误差,快速自动全面检测工件质量。实验结果表明,系统单点测量精度优于10 μm,平均测量精度优于20 μm,可满足工件检测的使用要求。

同步辐射(SR)用光学元件必须采用很大的入射角以得到较高的反射率,从而使得这类光学元件一般均为横向较窄而轴向甚长的长条状。为获得好的聚焦性能,这类光学元件的面形通常为非球面,包括圆柱面、环面等,曲率半径范围从约几十毫米到无穷大,因此同步辐射中的光学检测不同于可见光光学元件的检测方法。为了保证同步辐射光束线的传输效率,第三代同步辐射光束线要求镜子工作表面的斜率均方根(RMS)误差在3 μrad以下,表面粗糙度RMS要求小于0.3 nm,精确测量这些反射镜的表面轮廓对于建造同步辐射光束线非常重要。同步辐射光学检测设备除了常用的面形干涉仪、粗糙度仪外,还有一种可见光检测中没有的设备--长程面形仪(LTP)。着重介绍同步辐射中的光学检测手段。

提出了一种远场光束质量相对测量和绝对测量相结合的测试方法,测试高功率1.4 kW脉冲TEA CO₂激光器在335 m处的光强分布,并对测试结果进行了讨论分析。实验结果表明此方法是一种简单易行并且准确度很好的方法,影响高功率非稳腔激光器远场光束质量最主要的因素为大气传输特性,光斑强度分布出现平顶、破碎并出现旁瓣的现象,为提高系统的优化设计及评估激光系统的作战效果提供了重要的参考价值。

介绍了一种建立光纤功率计功率测量标准和非线性修正系数测量系统,研究目的是建立一套光纤功率计标准装置,以实现国内光纤功率计的量值统一。装置采用功率叠加法测量光纤功率计的非线性修正因子;用低温辐射计与光陷型硅光电二极管、热电探测器配合解决宽光谱光纤功率准确度参数高精度测量问题。在研制过程中,自行研制设计了光接口转换夹具,解决了光输入接口转换问题,减小了测量误差;自行研制的非线性修正因子测控软件采用了特殊数据处理方法,减小测量过程中激光功率的漂移、零点波动等诸多因素的影响,提高了测量精度;同时对标准装置进行了详细的测量不确定度分析评定,给出了评定结果和结论。

完善了一种基于二元全息元件(BHOE)的模式波前传感器技术,对这种模式波前传感技术原理进行了详细的理论分析,介绍了二元全息元件的基本设计原理。研究了单个Zernike模式像差对待测光束光强的影响。利用计算机编码设计了二元全息元件,并进行了数值模拟,验证了该波前传感技术的可行性。这种波前传感器利用了全息元件的光学并行处理能力,波前传感速度能大大提高,极大地减轻波前重构的计算量。与传统类型的波前传感器相比,这种快速波前传感技术适用于对波前探测带宽要求高的环境中,如空基环境中的大气传输、高刷新速率或强闪烁环境中等。

为了在共光路的干涉仪上实现同步移相,达到干涉测量抗震的目的,设计了一种新的同步移相抗震方案并搭建了实验装置。通过改变半导体激光器的注入电流,改变其相干长度,作为短相干光源,利用光源的相干性,结合偏振延迟装置,分开了参考光和测试光形成一对正交偏振光。同步移相系统由二维正交光栅和偏振片组构成,两个±1级衍射光通过透振方向依次相差45°的偏振片组合,在一个CCD上同时得到4幅互有90°相移的移相干涉图。按照传统的四步法,复原待测波面。测试了一个平行平板样品,结果PV为0.068 λ,RMS为0.013 λ(λ=650 nm)。同一被测件用Zygo干涉仪测量结果PV为0.063 λ,RMS为0.012 λ(λ=632.8 nm),两者符合较好。

复杂背景下的图像边缘通常非常复杂。为了解决人耳图像边缘检测中区域精度要求和抗噪性的矛盾,提出了一种基于小波模极大值的人耳边缘提取方法。首先对图像进行小波分解,得到3种不同尺度下的小波模极大值图像;接着将图像分别转换为二值边缘图像;然后将这些图像进行叠加;最后利用肤色二值图排除肤色区域范围外的噪声点得到边缘图像。此肤色二值图是图像经过形态学处理,并且依据人侧脸的先验知识通过分析和筛选所得到的。该方法引入了多尺度小波模极大值图像叠加技术,对解决复杂背景下人耳内外边缘特征难以提取的问题有良好的效果。实验结果表明,该方法在复杂背景下是有效的。

在自动显微测量技术中,为了在保证对焦精度的同时具有较强的噪声抑制能力,在研究显微镜成像和聚焦原理的基础上提出了一种新的用于显微测量的聚焦评价函数。该聚焦评价函数利用改进的SUSAN算法识别待测边缘,当待测边缘点的数目最少时,显微镜聚焦最佳。实验表明,在粗调焦、细调焦、加高斯噪声后调焦和加椒盐噪声后调焦时,对同一位置的物体重复对焦30次,测得对焦位置的标准差分别为0.000,0.0011,0.0126,0.0033。与经典的聚焦评价函数相比,BW聚焦评价函数在精确性、单峰性、灵敏度、抗噪性能方面性能优越,是一种原理简单综合性能优越的聚焦评价函数,特别适用于显微测量。

提出了一种基于最小二乘迭代的环路径向剪切干涉(CRSI)波前重建技术。先将一幅CRSI图分割成4帧相移子干涉图,然后用最小二乘迭代法计算出干涉图的相位差分布,再根据CRSI波前重建算法,由相位差分布求出待测的真实波前。模拟计算表明,该技术重建波前的精度峰谷值(PV)小于λ/50,均方根(RMS)小于λ/300,并且也在实验上得到了验证。该技术解决了基于傅里叶变换(FFT)法的CRSI波前重建技术中存在的频谱移中和精度不高的问题,并且只需单幅CRSI图即可重建待测波前,可用于光束波前的动态测量。

利用动态光散射信号自相关函数的衰减线宽分布系数与指数项的线性关系,将线性估计与非线性最小二乘法相结合,对双指数法进行改进。该改进算法减少了初始化参数,将四个参数的优化问题转化为两个参数的交替优化问题,使拟合结果更稳定、精度更高,从而使粒径反演结果更准确。通过对100与1000 nm双峰分布颗粒散射信号相关函数的反演,改进算法对无噪声的相关函数反演结果的误差为零,优于双指数法至少1.708%。对加入噪声的相关函数反演,与双指数法相比,改进算法能减少误差0.558%-5.738%。表明改进算法的优化能力以及抗噪声能力都优于双指数法。

同步移相干涉技术在同一时刻于不同空间位置,采集相互之间具有一定移相步长的干涉图,通过对移相干涉图的瞬态采集,实现动态测量。为了保证空间移相的精度,提出了一种定量标定同步移相空间偏振移相量的方法。在偏振移相式的同步移相干涉装置的基础上,采用了压电陶瓷(PZT)移相以及索累-巴比涅(Soleil-Babinet)补偿器移相两种方案,可得到相邻干涉图之间的相位差以及对应偏振片的方位角偏差,实现定量标定同步移相干涉仪的偏振移相量。实验结果表明,偏振移相阵列的平均方位角偏差均小于1°,能满足同步移相干涉实验对移相精度的要求。

在调频/连续波(FM/CW)无扫描激光成像雷达系统中,高功率输出的宽带强度调制激光发射机是其中的一个关键部件。为了实现远距离、高精度的目标探测,发射机需具备10 W量级的光输出功率、大于70%的调制深度、良好的调制线性以及200 MHz以上的调制带宽。综述了用于FM/CW无扫描激光成像雷达的各种高功率激光发射机调制方法,包括半导体激光的直接内调制方案、体材料外调制方案以及波导调制激光结合光放大的方案,分析了它们各自的优势及问题,并提出一种基于电吸收调制的阵列激光调制方案以及作为一种过渡方案的电吸收调制激光器结合光放大的激光调制方法。

为了改善双电荷耦合器件(CCD)交会测量系统的精度,设计出符合实际指标要求的测量系统。基于透视成像原理建立了双CCD交会测量数学模型,通过分析系统中目标点的测量误差,研究了双CCD视觉传感器光轴倾角、基线距离和焦距长度等结构参数对系统空间坐标测量精度的影响。结果表明,当双CCD呈对称结构放置,光轴与基线夹角保持在30°-70°之间,选择具有较长焦距的透镜并且把待测物体置于测量系统中心位置时,可以获得毫米甚至微米量级的测量精度。基线距离对测量精度的影响较为复杂,一般控制在0.5-3倍测量距离之间为宜。研究结果对双CCD交会测量系统结构的优化设计具有一定的参考意义。

光杠杆微小位移测量是一种非接触式微位移测量技术,在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。针对现行光杠杆测量微小长度变化的分辨率低、精度低、读数装置设计欠妥等问题,采用一种多级放大方法和基于虚拟技术的实时自动采集技术,设计出了基于纳米精度光杠杆与位敏探测器(PSD)传感器的固体材料线胀系数测量装置。该装置通过光学方法对微位移量进行多级放大,大大提高了微小位移的放大倍数。同时,采用PSD传感器和LabVIEW平台进行数据采集和分析,较好地消除了系统中的人为因素对测量精度的影响。实验系统对黄铜、实验用铁、实验用铝和紫铜的重复测量精度分别为7.5,7.2,7.6和8.1 nm。

利用2002-2008年间在我国渤海葫芦岛、东海平潭岛、东山岛以及南海的永兴岛等海域开展的海上试验观测数据,通过Bulk通量算法与射线程序统计分析了特征高度、折射率结构常数(C2n)等物理量以及光电系统相关传播参数的累积概率特征。东山岛海域特征高度大于零的情况占到90%以上,高C2n的情况(C2n>10-14)出现概率约为50%,明显高于平潭岛、永兴岛,而葫芦岛试验中由于负折射导致的视距缩短大于4 km的概率接近50%。东山岛和葫芦岛受到较强的湍流影响,相干长度小于15 cm的概率分别为60%和40%。其统计结果和分析方法可为海上光电系统试验环境保障提供信息支持。

氮素是作物生长发育和产量品质形成所必需的营养元素。实时、快速、无损、准确地监测作物氮素状况,对于诊断作物生长特征、指导合理施氮、提高氮肥利用效率、降低因过量施氮引起的农业面源环境污染等具有重要意义。解析了作物氮素营养无损监测的光谱学和生理生态学机理,研究了作物氮素光谱信息获取的原理和方法,设计并研制出便携式作物氮素无损监测光谱仪,并基于水稻田间试验数据对仪器进行了测试。结果表明,所研制的作物氮素无损监测光谱仪性能良好,能够适应田间的复杂环境和监测要求。

为了研究多波长激光对3CCD的饱和干扰效应,利用488,532和671 nm激光对3CCD系统进行干扰实验,分别得到了每种激光波长辐照下,红、绿、蓝三通道CCD的单点饱和阈值。结果表明,每种波长的激光对其通道内的CCD干扰效果好,对其他通道上的CCD有一定的干扰效果。该实验结果对进一步提高干扰3CCD效果具有一定的意义。

结合光学相干层析成像(OCT)与Kubelka-Munk(K-M)理论定量分析不同年龄皮肤的光学参数的变化情况。以鼠龄分别为4周,20周和40周的小白鼠作为动物模型,使用OCT技术对其成像,通过活体测量小鼠皮肤组织OCT后向散射信号来反应皮肤内部的散射性质,利用OCT散射模型获得不同鼠龄散射系数的变化情况,并通过K-M理论测量法对不同生长期小鼠的皮肤进行离体测量,获得约化散射系数。利用OCT散射模型及K-M理论获得的散射系数与约化散射系数都是随着鼠龄的增加而增大,两种方法的结果是吻合的。结果显示OCT是一种很有潜力的检测活体老化皮肤的工具,为老化皮肤及皮肤美容的研究提供了理论基础。

介绍了利用光学相干层析技术(OCT)实现光学表面间距测量的方法。通过采用近红外宽带光源,结合迈克尔逊干涉仪和外差探测技术,建立了一套光纤型光学相干层析系统,并利用这套系统实现了对盖玻片堆快速(500 Hz)、高灵敏度(6.7 μm)、高精度(约2.07 μm)、非接触式的光学表面间距测量,取得了较好的实验结果。该方法采用了光纤化的结构设计,使得系统紧凑、灵活,作为现有光学表面间距测量方法的补充,将在光学材料检测、光学加工、光学装校等领域具有良好的应用前景。

为提高消光椭偏测量技术的测量精度,提出了一种基于光弹调制的消光椭偏测量技术。将光弹调制器和两块λ/4波片组合构成旋光调制器,对相关方位角进行调制。通过测量基频分量消光时的起偏器和检偏器的方位角,完成对椭偏参量的测量。与传统消光椭偏测量技术相比,该技术消除了背景噪声和环境干扰等对测量结果的影响。利用琼斯矩阵分析了该椭偏测量技术的原理,最后利用ZnS薄膜验证了基于光弹调制的消光椭偏测量技术的可行性。

提出了利用光纤光栅的偏振相关损耗(PDL)直接测量磁场的方法。利用耦合模理论进行了理论仿真,验证了在一定的测量范围内PDL峰值随外加磁场单调递增的关系。分析了光栅长度和折射率调制系数对磁场传感器测量范围和灵敏度的影响。利用相位掩模方法制作光纤布拉格光栅(FBG)进行实验测量,实验数据和理论吻合较好。同时对此方案的温度、轴向应力不敏感性进行了分析和实验验证,证明了温度和轴向应力不会对偏振特性产生影响,此方法可明显改善交叉敏感问题。

提出了一种基于望远光学系统的同时测量直线导轨四自由度误差的新方法。首先利用望远系统对角度误差和平移误差高倍放大,再利用位置敏感探测器(PSD)分别采集放大后的角度误差和直线度误差,实现了水平和竖直方向直线度及俯仰角、偏摆角四个自由度误差的高精度实时测量。搭建了系统实验平台,分析了系统的测量原理,进行了测量的校正、稳定性和重复性实验。理论分析和实验结果表明,系统测量直线度的分辨率小于0.2 μm,角度的分辨率小于0.3″,在测量距离为10 cm的条件下,直线度、角度测量精度分别为±0.7 μm /cm,±0.3″/cm。测量方法具有精度高、结构简单、实时快速的特点。

通过对肿瘤细胞生长过程中的光谱变化进行研究,寻求反应其生长变化过程的光学检测方法。根据Beer-Lambert定律推知,在肿瘤细胞的生长变化过程中,细胞内的蛋白质、核酸等物质的浓度变化会导致其吸收光谱的强度变化。于是采用紫外可见光分光光度法对肿瘤细胞进行测量,获取细胞周期各个阶段细胞内部组成成分的光谱表现形式。在获取的紫外可见光光谱数据中,可以找到光谱特征峰值随细胞周期的变化规律。实验结果说明紫外可见光光谱方法能够检测到肿瘤细胞细胞周期变化过程中的细胞内特定分子的变化,为细胞周期的研究提供了新思路。

为实现表面粗糙度的非接触、快速测量,提出了一种基于激光散斑和径向基神经网络的表面粗糙度测量方法,通过实验验证了方法的有效性,并且分析了测量结果的主要影响因素。借助图像处理技术,从采集的散斑图像中提取了4个与表面粗糙度密切相关的特征向量--对比度、暗区比、灰度分布和二值特征。以这4个特征向量作为神经网络的输入,利用径向基神经网络的自组织、自学习和记忆等特性,用一定数量的样本对神经网络进行了学习训练,然后用训练好的神经网络完成了4个不同粗糙度等级的平磨样块的测量实验。结果表明,该测量方法能够准确实现表面粗糙度的分类测量,并且具有非接触、测量速度快、准确率较高等特点,而影响因素的分析对深入研究有一定的参考作用。

以光谱学玻尔兹曼定律和最小二乘法为理论基础,提出采用4波长光谱的多通道玻尔兹曼拟合计算的方法得到激发温度大小。实验结果表明,利用多通道玻尔兹曼直线拟合技术与高速响应光电探测器件相结合的方法能够在测量得到瞬态等离子体的激发温度的同时,也保证了较高的精度,满足了对于发射瞬间物体表面瞬态温度测试的要求。

电激励连续波HF/DF化学激光器有着广泛的用途。目前流行采用高压直流电源加镇流电阻的放电模式,这种放电模式电效率低、体积大、成本高,不利于激光器的推广。借鉴限流(漏磁)变压器在气体放电灯领域的应用,利用限流变压器加整流器的方式,成功实现了电激励连续波HF/DF化学激光器的平稳运转,并大幅度减小了系统体积。这种电源模式比传统电源模式更简洁,可推广至其他的电激励气体激光器。

对径向哈特曼像质检测系统(RHTS)与被检测光学系统的光轴对准问题进行了分析研究,提出了一种新的在安装和检测过程中的光轴对准方法,用于径向哈特曼检测系统与被检测光学系统的对准。该方法根据镜面反射原理,利用安装在扫描旋转机构上的细光束发射和接收装置,从CCD摄像机采集到的图像中分析计算出光轴调整所需要的偏移量,通过简明直观的步骤进行光轴校准。对该方法进行了原理推导、仿真实验及系统实验。实验结果表明,这种调整方法简单快速且精度高,能满足径向哈特曼像质检测中光轴对准的要求。该方法还可用于大型望远镜光学系统主次镜对准。

目标激光散射特性的研究对激光雷达目标探测具有重要的指导意义,激光散射自动测量系统可为建立激光雷达散射截面(LRCS)的缩比模型提供测试条件,并验证理论预估。由于SR850锁相放大器(LIA)具有高动态存储、低漂移、低失真、0.001°的相位分辨力等卓越性能,可有效满足微弱信号的检测需要。通过编程实现PC机与SR850之间控制命令以及数据的传输,提高了系统的自动化程度。对典型样片进行了激光雷达散射截面测量,并给出了数据处理方法和系统性能分析。结果表明,SR850锁相放大器的使用提高了系统测量的精度及动态范围。

利用现代干涉测量方法测量薄膜厚度具有全场测试、高精度和非接触性测量的优点,其核心是用合理的算法从干涉图中获得所需的被测面面形及参数。该方法的基础和关键是对所采集到的干涉图进行图像预处理。就干涉图的采集及其预处理技术提出了一种干涉图预处理的方法,该方法利用数学形态学对干涉图进行有效区域的边缘提取,利用二维快速傅里叶变换迭代法对干涉图进行区域延拓,并采用非加权离散余弦变换(DCT)最小二乘算法对干涉图进行波面统一,最终恢复出薄膜的被测面形,为后续精确获取薄膜厚度信息奠定基础。对一个实际SiO₂薄膜样片进行了干涉图的采集以及预处理。结果表明,通过本算法得到的干涉图预处理结果,与Zygo干涉仪的分析测试结果基本一致。

投影物镜波像差在线检测技术是极紫外光刻(EUVL)实现32 nm及其以下技术节点的关键技术,对于光刻机的整机集成具有重要研究意义和实用价值。介绍了目前国际上极紫外光刻投影物镜波像差在线检测技术的最新研究进展以及几种主流检测技术的原理和特点,并对其检测精度、检测速度以及动态测量范围等技术指标进行了比较分析;分析了开发投影物镜波像差在线检测设备所应解决的若干关键技术;最后,对极紫外光刻投影物镜波像差在线检测技术的发展进行了总结和展望。

光纤连接器是最重要的光无源器件之一,在光纤通信系统中不可或缺;其插入损耗和回波损耗对其性能有较大的影响。为了保证光纤连接器性能及互换性,对其端面几何参量的检测非常必要。对研制出的光纤连接器端面几何参量自动测量仪的原理及特点进行了分析,讨论影响测量精度的因素,并提出相应的改进措施。模拟结果表明,提出的处理方法具有测量精度高、速度快的特点。因此,该结果证明提出的方法可有效用于光纤连接器端面几何参量自动测量中。

榕树网在光互连网络中具有广泛的应用。讨论了榕树网的功能特点和连接关系,给出了其网络结构的拓扑示意图,并通过榕树网与逆榕树网的串联构成了全排列无阻塞的双榕树网络。利用偏振分束器(PBS)、相位型空间光调制器(PSLM)和反射镜设计了榕树网各级节点开关和各路由级的交换模块。它们均采用类似的结构和相同的偏振控制技术,具有结构简单、控制方便、易扩展与集成、与信号光偏振态无关和可双向交换等特点。对2×2节点开关单元的性能参数进行了测试,实验数据表明该节点开关具有插损小、串扰低、可靠性好等特点。由它所构成的全排列无阻塞双榕树网在光计算和光互连网络中会有一定的应用。

光纤陀螺的静态零位漂移是影响系统测量精度的主要因素,零位漂移的大小主要与开机时间和运行温度有关。分析了开环光纤陀螺(O-FOG)的温度和非线性特性,利用自适应模糊神经网络系统(AFNIS),以时间、温度和输入角速率为参量建立了O-FOG的零漂和刻度因子非线性误差混合模型。通过训练可以使该模型具有较高的精度。实验结果表明,补偿后的O-FOG克服了零漂和刻度因子的非线性对其测量精度的影响,使其在全温范围内的测量精度得到了较大提高,证明了该方法的可行性。

采用数字化的方法,从实际工程应用出发,开发了一套稳定性好、实用性强的“短波紫外光”通信发射系统。该系统以低压汞灯作为光源,采用现场可编程门阵列(FPGA)作为核心控制器件,将状态控制、数据通信、调制编码集成一体,整合程度高,具有抗干扰能力强、稳定可靠、通信性能优异、维护保养和改进升级方便等优点。对该系统的传输距离、误码率、数据传输速率等一系列实验表明,系统可靠的通信性能满足短距离语音通信的要求,在200 m距离处可以达到2.4 kbit/s的通信速率。

对于半导体光放大器(SOA),当输入光功率和SOA的饱和功率可比拟时,SOA表现出较强的非线性效应,包括自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)。SPM会使光谱在信号中心频率附近展宽,而XPM会在探测光附近产生新频率的光。链路中不同色散值会使输入光的峰值功率产生变化,从而在SOA中会产生不同程度的SPM和XPM效应。通过合理地设置滤波器的中心频率和带宽,同时测量由SPM和XPM效应产生的频谱变化结果,来达到对链路中残余色散(CD)进行监测的目的,色散监测范围可达±30 ps/nm以上。该技术可以实现对链路中残余色度色散和偏振模色散(PMD)的监测。

硅光子是新一代大规模光/电集成的理想技术,可实现各种常见光器件,其中硅微环电光调制器是一个重要器件。相对于幅度光调制,相移键控(PSK)光调制具有更好的功率利用率,是代替普通开关键控(OOK)调制方式的较好技术。相移键控光调制一般应用马赫-曾德尔调制器(MZM)来完成,但由于尺寸和工艺上的限制,普通铌酸锂马赫-曾德尔调制器难以应用于光集成系统。而尺寸在微米量级的硅微环电光调制器具有规模生产和光集成的前景。这里研究基于硅微环电光调制器的相移键控光调制,采用耦合模方程和一维时城有限差分(FDTD)方法分析了其静态和动态调制特性,以及光纤传输性能。采用1 bit时延马赫-曾德尔干涉仪解调,结果显示信号Q值可达20 dB以上,可实现无差错通信。

受环境因素的影响,干涉型光纤传感器相位将产生“环境漂移”。在相位生成载波(PGC)数字解调方案中,此漂移在通过积分环节时随积分时间的增长逐步增大,当增大到一定程度后,将导致数据寄存器溢出,致使数字解调系统复位,导致解调结果出现部分信号的消隐。针对此种“环境漂移”的积分效应,利用“环境漂移”的低频特性,提出低通滤波(LPF)消除法,同时给出了相应的解决方案。实验结果表明,采用此方法有效地解决了“环境漂移”的积分效应。

光纤内集成式滤波器有着广泛的应用需求,是光纤光学领域的重要研究内容之一。开展了基于单模多模单模光纤结构的滤波器设计的理论研究,给出了对单模多模单模光纤结构中多模光纤内激励起的模式的干涉测试方案。该测试证实了基于单模多模单模光纤结构的滤波器分析理论中的激发多模式假设,同时为理论分析提供了重要的经验参数。给出了根据理论分析所设计的滤波器,测试结果表明该滤波器设计理论的有效性。讨论了影响该滤波器性能的因素。

为研究一种低成本、性能优良的甲烷传感器,设计了一种基于Cryptophane E的纤芯失配型甲烷传感器。采用光功率计测试涂覆不同长度Cryptophane E的纤芯失配型甲烷传感器对不同浓度甲烷气体的敏感特性,分别在纯氮气和12%甲烷混合气中测定最佳敏感区长度甲烷传感器光功率强度随入射角的变化曲线,并求出光功率强度差值随入射角变化关系曲线以确定最佳入射角。结果表明,纤芯失配型甲烷传感器最佳敏感区长度为3 mm,入射角θ=1°时,光功率强度差值最大,甲烷最低检出限为2.3%,增加甲烷浓度,光功率强度增强。

报道了采用Fabry-Perot(F-P)可调谐光滤波器和掺铒光纤放大器(EDFA)构建混合式光纤物理和化学传感系统。系统具有开环和闭环两种结构,采用1×2光开关进行相互切换,可分别实现物理和化学参量的准分布式、高灵敏度传感。在开环系统中,EDFA作为宽带光源,光纤Bragg光栅(FBG)为传感器,F-P可调谐光滤波器通过波长扫描实现FBG光谱采集,进而解调得到应变、温度等物理量。在闭环系统中,EDFA和F-P可调谐光滤波器构成环腔光纤激光器,将基于C-lens设计的传感气室放入光纤谐振腔内,激光器在EDFA增益带内扫描一个周期可获得气室内多种气体的吸收光谱,从而实现不同种类气体的同时传感。系统用于应变传感时灵敏度优于3 με,用于乙炔气体传感时灵敏度优于75×10-6,同时还可实现气体种类识别。

残余应力是微机械表面加工过程中不可避免的,残余应力的存在会影响微机械器件的性能。通过引入等效力学模型,推导出残余应力作用下静电驱动微镜的吸合电压和行程的表达式,定量地研究了残余应力对吸合电压和行程的影响。同时还研究了残余应力对微镜本征频率的影响,发现本征频率随着残余拉应力的增加而增大。采用白光干涉仪对不同残余应力情况下的微镜表面形貌进行了实验测试,结果表明,残余应力会引起表面翘曲,从而使微镜的斯特列尔比下降,成像质量变差。

为了提高Bragg光栅波长解调系统的解调精度,研究了光纤光栅中心波长的解调方法,提出了一种基于光纤梳状滤波器实现Bragg光栅中心波长解调的方法。把接有光纤梳状滤波器的通道作为解调系统的内置恒温通道,通过光纤梳状滤波器提供的多个参考点对Bragg光栅中心波长进行标定,下位机对整形为矩形脉冲的光电转换信号电压进行采集和信号处理,上位机实现光纤光栅波长解调的动态显示和光栅中心波长标定。实验结果表明,与目前具有同样功能的其他波长解调系统相比,本方法具有灵活、稳定、易维护、高速、高精度等优点,可被应用到大型多点安全监测工程。

在计算全息和双随机相位编码技术的基础上,提出了一种虚拟光学加解密算法。该算法采用两路随机相位函数相同但是空间参数不同的双随机相位编码系统来实现。加密过程首先利用一路双随机相位编码系统对明文数据进行加密,将生成的加密数据作为物光信息,再与利用另一路双随机相位光学编码系统生成的参考光信息叠加,对生成的结果进行滤波后得到密文数据。解密过程首先恢复出参考光信息,然后计算出物光信息,利用双随机相位光学编码系统即可恢复出明文数据。理论分析部分证明了该算法的有效性。实验结果表明该算法具有很强的抗唯密文攻击和选择明文攻击的能力。

CCD星图快速处理是制约星敏感器等光学观测器件性能的关键因素之一。通过对CCD星图图像的分析,提出了基于Top-hat变换和中值滤波的星图噪声去除方法,该方法的优点在于去除噪声的同时能很好地保留星点的边缘信息;在此基础上,提出了基于梯度霍夫(Hough)变换的星点快速定位算法。与传统方法相比,该算法实现简单,运算速度块,提高了星图处理效率。对分辨率为752×580的CCD实拍星图的实验研究表明了该算法的有效性。

针对单生物特征识别的不足,提出了利用手背静脉和虹膜融合来实现身份识别。在身份识别过程中,对手背静脉图像和虹膜图像进行预处理,然后对图像进行小波变换提取手背静脉纹理特征和虹膜特征。将手背静脉和虹膜的小波特征融合,形成联合特征向量,最后采用最小距离分类器实现身份认证。利用CASIA虹膜数据库和TJU手背静脉数据库对该算法进行了性能测试,实验结果表明该融合算法的识别性能比单个生物特征识别算法的性能有明显提高,为生物特征识别研究提供了新思路。

根据毫米波光子成像辐射计成像系统要求,设计了一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像技术方案:使用电光调制器把毫米波信号加载到光载波的边频带中,利用光学滤波器滤掉载波分量;光电探测器把剩余边频带光信号转化为光电流,经过跨阻放大器后光电流变为电压信号,用锁相放大器读取输出电压信号,再通过计算机处理得到目标物体的亮温图。分析了该成像系统天线扫描速度和天线温度对比度关系、系统输出信号、噪声源、信噪比、灵敏度等工作性能指标及限制因素,讨论了成像系统灵敏度问题,找出改进成像系统灵敏度的方法,为毫米波辐射计实时成像系统的工程实现提供了理论依据。

基于激光成像应用背景,重点围绕距离选通激光成像仿真系统展开了研究。通过探讨距离选通激光成像原理,设计了成像系统的仿真方案;分析并研究了系统的各个子模块,进而获得了实现系统的相关技术指标;选用LabVIEW软件,构建了仿真系统的各个模块:大气模块、目标模块、噪声模块、收发系统参数模块、信号处理和显示模块;在各仿真模块的基础上集成了距离选通激光成像仿真系统,获得了不同距离和不同模型下的探测成像结果,在远距离10 km的情况下,成像距离分辨率达到1.5 m。最后,通过实际的成像验证实验,验证了距离选通激光成像仿真系统的实用性。

为设计高分辨率可见光空间相机,研究了三反射式光学系统(TMA)设计过程中需要考虑的问题。通过对折轴三反射光学系统最终视场在像面上的分布,提出了偏视场、全视场和环形视场3种折轴三反光学形式,并进行了光学系统设计。设计了3种谱段位于500-800 nm,焦距f=6000 mm,F数为10的折轴三反光学系统,设计结果表明,3种系统成像质量均接近或达到衍射极限,可以满足高分辨率可见光空间相机的使用要求。并对3种折轴三反射光学系统的加工装配难度进行了分析和比较,可以作为其他大口径、长焦距空间相机光学设计的参考。

光学稀疏孔径成像系统采用多个独立子望远镜按阵列排布来等效一个大口径望远镜,其直接输出图像需要进行后期数字图像处理以获得与等效口径望远镜直接成像质量相同的复原图像。在图像复原方法中,维纳滤波方法是最常使用的一种图像复原算法,这种方法需要系统的实际点扩展函数作为参数。然而对于一个大口径的光学稀疏孔径成像系统,其实际点扩展函数往往难以测量。相反,根据子望远镜的阵列排布形式可以非常容易地计算出系统的理想点扩展函数。通过理论推导和仿真实验分析了使用计算的点扩展函数代替实际的点扩展函数进行图像复原的可行性。

根据模拟生物大脑视觉皮层神经网络的活动而建立的第三代人工脉冲神经网络(SNN),讨论了基于电导率的IF神经元模型(integrate-and-fire neuron model),并将该神经网络应用于白血病骨髓图像的边缘检测。实验结果表明,基于SNN的边缘检测可以实现对白血病骨髓图像的有效分割。设置的开火阈值越小,能显示出越多的细节信息。

提出了基于微细加工的移动掩模光刻(MML)法制作四棱锥反射镜的方法。通过移动掩模光刻,在光刻胶上得到棱锥结构,然后将其线性传递到硅基底上,进行金属化处理以提高反射率。棱锥结构的底面尺寸为1 mm×1 mm,四个反射面与底面成3.7°的倾角。尖端和棱边的尺寸被控制在6 μm左右,呈现出非常好的刀口状,镜面粗糙度的均方根误差(RMS)为77 nm,均满足红外波段的波前传感系统的要求。

图像小波系数先验模型在图像处理中得到广泛的应用。已有小波系数的建模方法在模型选择、模型参数估计和非高斯噪声图像恢复等方面存在一定限制。利用全贝叶斯神经网络(FBNN)模型对图像小波系数的统计特性进行建模,利用现代粒子采样技术进行估计获得该模型的参数。对单尺度和父子尺度小波系数先验模型的仿真实验表明,基于全贝叶斯神经网络的小波先验模型建模准确,较好地描述了小波系数统计特性,把由此方法获得的单尺度和父子尺度小波系数先验粒子应用于图像去噪处理,仿真结果证实去噪处理后的图像质量在客观指标和主观视觉上都有显著的提高。

利用固相反应法制备Zn_0.9Co_0.1O三维体材料,在不同的烧结温度下,应用单因素实验法对相同的配比成分样品进行处理,并对样品进行性能测试,寻找出最佳反应温度,为下一步沉积ZnO掺Co薄膜提供良好的靶材。分别对Zn_0.9Co_0.1O材料进行了X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)图谱和光致发光谱(PL)等进行了测试和分析。实验结果表明,烧结温度制约CO²⁺掺入ZnO晶格,并取代Zn²⁺的位置而不影响ZnO结构,在1200℃时制备的材料保持了纤锌矿结构,从拉曼光谱中也看到CO²⁺的声子结构特征明显,并且出现Co离子进入ZnO晶格使得带隙变窄的光学现象。

二氧化钛薄膜材料具有较好的光致催化和亲水特性,但其对可见光低的利用率极大地限制了应用。通过非金属掺杂可以有效提高其光催化性能。采用射频磁控溅射法,以Ar/N2为工作气体,在石英衬底上制备出了掺氮TiO₂纳米薄膜,在氮气中经不同温度退火处理,用X射线衍射法(XRD)、X射线电子能谱线(XPS)、扫描电镜(SEM)和紫外可见(UV-vis)等方法对薄膜的结构、掺杂情况、表面特性和光吸收性能进行了分析。XRD结果显示在退火600 ℃下薄膜为锐钛矿结构;XPS分析表明氮原子已成功掺入TiO₂中;SEM结果显示薄膜表面均匀平整,平均粒径约为30 nm;UV-vis结果发现,薄膜的光吸收边较未掺杂样品出现了显著红移,表明薄膜具有良好的可见光光催化活性。对薄膜进行了亲水性测试,可见光照射下,30 min后薄膜的水接触角即小于10°。

对于InGaZnO材料作为沟道半导体的薄膜晶体管柔性显示器件的研究倍受关注。将Ga2O3,In2O3,ZnO高纯度粉末按一定比例混合,经过研磨、预烧、研磨、压模和烧结,利用常压固相反应烧结法制备了直径为30 mm,厚度为5 mm高质量的InGaZnO陶瓷靶材,并对InGaZnO靶材进行了X射线衍射(XRD)测试。采用脉冲激光沉积的方法,一定温度下在石英玻璃衬底上生长了InGaZnO薄膜,并对薄膜进行原子力显微镜、透射光谱与霍尔效应的测试与表征,制备出具有高平整度、高透射率与优异电学性质的透明氧化物半导体(TOS)薄膜,为进一步对InGaZnO薄膜的制备与分析提供良好的实验数据支持。

研究了热蒸发法和80,120 V偏压下的氩离子辅助淀积的氟化镱(YbF3)红外薄膜的光学特性和微观结构,用光度计和椭偏仪分别测量了YbF3薄膜在中红外波段的透射率、折射率以及消光系数色散曲线,并用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)谱仪研究了薄膜的断面结构和晶相结构。实验发现,两种沉积技术淀积的YbF3薄膜均为无定形结构,且氩离子辅助较未加氩离子辅助的阻热蒸发淀积的YbF3薄膜聚集密度更高,水吸收峰明显减小,与基板结合的更优。120 V偏压下所获取的高能量氩离子辅助淀积的YbF3薄膜聚集密度接近1,几乎完全消除了水吸收损耗。

运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法从理论上研究了非金属杂质C,N,S掺杂锐钛矿相TiO₂的晶体结构和电子性质。研究发现,非金属杂质在晶体内部发生氧化、相邻键连的Ti原子发生轻微的还原。通过对晶体能带结构、电荷态密度、电荷布局的分析发现,C,N,S等非金属杂质的引入在禁带中产生杂质能级,费米能级向上移动,能隙减小,从而引起光谱红移,光催化能力增强,光波长响应达到可见光范围。

通过研究蓝宝石衬底分子束外延(MBE)生长GaN薄膜过程中原位椭偏光谱,发现常规蓝宝石衬底MBE生长GaN薄膜的位错缺陷主要起源于缓冲层升温过程中应变能的释放程度。采用蓝宝石邻晶面衬底可有效地抑制GaN外延层中螺旋位错缺陷的产生。结果表明,利用蓝宝石邻晶面衬底MBE生长GaN薄膜是抑制螺旋位错、改善薄膜质量的有效途径。

为了研究环境对Ag纳米粒子胶体的影响,在优化过的激光参数下,分别采用了在不同的环境中(有、无表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS),不同体积配比的蒸馏水和乙醇混合液)烧蚀7.5 min来制备Ag纳米粒子胶体。对胶体进行了紫外-可见分光光度计和透射电镜测量,同时由Image-ProPlus软件来分析计算粒子的平均粒径及其分布。研究结果表明,在含有表面活性剂SDS的蒸馏水中,脉冲激光(重复率为10 Hz,能量密度为4.2 J/cm2)烧蚀7.5 min后制备出Ag纳米粒子胶体的特征是最好的,其平均粒径最小(D=11.88 nm),粒径分布最窄(δ=19.6 nm),且形貌均匀。这些发现可以通过胶体粒子吸收入射激光脉冲能量产生爆炸以及熔化再团聚来解释。

为了研究激光烧蚀法所制备的各种金属纳米粒子胶体的特征,在优化过的烧蚀条件下,利用重复率为10 Hz,能量密度为4.2 J/cm2的激光脉冲在含有表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的蒸馏水中烧蚀7.5 min来制备Ag,Au和Ti纳米粒子胶体,并对上述胶体进行了紫外可见分光光度计和透射电镜(TEM)测量。研究结果表明,在相同的条件下制备出Au纳米粒子胶体的特征是最好的,其平均粒径最小,粒径分布最窄,且形貌均匀。而产生此结果的机理不是很清晰,还有待进一步研究。

基于红外-可见光上转换材料进行防伪的可行性和可靠性的理论和实验分析,设计并研制了一套基于锁相放大技术的红外激光防伪识别系统。系统发射部分由恒压源、频率发生器和红外激光二极管等组成,将一定频率的电信号调制到激光二极管上,其中调制工作频率800 Hz,红外激光峰值波长975 nm;接收部分由滤光片、光敏管、前放滤波器、相敏检波器、低通滤波器和比较器等组成,完成红外到可见光转换后的检测,其中滤光片中心波长553 nm。实验证明所建立的系统对第5套人民币、新版英镑、新版越币、某高档烟酒等的识别是可行有效的。由于该类系统具有防伪可靠性高、抗干扰能力强、体积小、价格低、易推广及易集成等优点,能在打假防伪中发挥很好的作用。

提出了利用偶氮材料的光化学特性制作衍射相位元件的方法。区别于一般的激光直写方法,利用偏振光在偶氮苯聚合物薄膜的表面逐点曝光,结合对光功率密度、曝光时间和光偏振方向的组合控制,以实现每个点的相位延迟量的控制。基于此设想,制作了一系列的相位光栅。利用偏光显微镜和扫描近场光学显微镜(SNOM)观察了光栅的表面形貌,并对实验结果做了定性分析。与相位全息干涉的方法相比,采用的逐点曝光的方法更加灵活,对实验环境的要求不高,有广阔的应用前景。

数控小工具技术(CCOS)是目前大型非球面光学零件抛光中很重要的一种加工方式。数控小工具加工模型建立在普林斯顿(Princeton)假设基础之上,通过计算机控制小工具在工件表面的驻留时间及其他参数来实现工件表面材料的精确去除。在实际工作中发现,运用CCOS技术加工过的镜面上总会出现比较严重的中高频差(周期≤33 mm),并且不易消除。设计一种被动式应力盘来解决这一问题,利用ANSYS软件模拟该柔性抛光盘在加工中的变形情况,计算出抛光效果最好时两个变形层的厚度。这种柔性抛光盘在420 mm f/2的非球面实验件的抛光中运用,经过约3 h的平滑,消除了大部分中高频差并且非球面面形精度保持比较理想。

利用激光熔覆技术制造高速线材轧辊为应用前提。轧钢领域的众多生产线各有不同,同一生产线上的不同位置的轧辊也具有不同形状,这种不同轧辊的熔覆基材就有着不同的加工情况,探索一种普适性的加工机理是必要的,这就要求不仅仅从理论上对熔覆过程进行分析,还要寻求一种测试、跟踪手段以适合于分析、监控加工过程的情况。对激光熔覆成形过程进行了理论分析,探求了熔覆过程中熔池的测试和跟踪方法,来跟踪、监测激光熔覆的成形过程。利用高速摄影仪对CO2激光熔覆成形过程中温度场进行研究,运用Matlab软件对高速摄影获得的图片进行灰度处理,研究了熔覆过程中熔池的温度分布情况,获得了可信的熔池温度梯度分布图。

为研究激光功率、扫描速度和光斑直径等因素对38CrMoAlA钢激光相变硬化效果影响的主次程度并对工艺参数进行优化,依据三因素三水平L9(33)正交试验表对该钢的激光相变硬化进行了正交试验,采用双立方二维插值法预测了激光功率和扫描速度对激光相变硬化后表面硬度的影响。结果发现,各因素对表面硬度影响程度的主次顺序为扫描速度、激光功率和光斑直径,其对应的最优水平分别为30 mm/s,1.6 kW和3.5 mm。在上述参数下,激光相变硬化的深度可达0.5 mm以上,其硬化层由表及里可分4层,其中第2层几乎全为马氏体,硬度最高;第4层为马氏体和铁素体混合物,且发生组织粗化,硬度最低。

数控小工具加工技术是目前中等口径(直径小于500 mm)离轴非球面光学元件的主要加工方法之一。数控小工具加工模型建立在普林斯顿假设基础之上,通过计算机控制小工具在工件表面的驻留时间及其他参数来实现工件表面材料的精确去除。结合实际加工中存在的问题,分析了最接近球面的合理确定方法;建立了以离轴非球面弧矢面等高线为加工轨迹的数控模型,有效地减少了小工具加工所带来的不规则“碎带”,并将二维驻留时间运算简化为一维;结合常量-线性分布模型对边缘效应进行了有效处理。利用仿真程序对124 mm离轴抛物面镜进行了模拟加工,模拟结果表明,在该模型的指导下,离轴抛物面镜面型误差均方根值从0.018 mm减小至小于λ/60(λ=632.8 nm)。

采用离子交换法对圆柱形Tl玻璃丝进行离子交换,在此基础上将其加工成方形自聚焦透镜样品。再用雅明干涉法和正方形网格图分别对样品的折射率分布和畸变进行测试,并就测试结果与有关文献进行比较。结果表明,按本方案研制而成的方形自聚焦透镜样品,像差相对较小,像质较好,成像较清晰,但存在折射率最大值偏离几何中心轴的情况,而有关文献所采用的方案却不存在这样的现象。研究结果对方形自聚焦透镜的研制有一定的参考价值和指导意义。

介绍离轴抛物面镜通常的几种加工流程和适用范围。详细介绍了基于超精密磨削技术和小工具数控抛光技术加工离轴抛物面镜的加工过程。着重介绍超精密磨削加工离轴抛物面镜的设备、加工原理,分析了其中误差的产生来源和工艺参数的选择。简要介绍了小工具数控抛光(CCOS)加工离轴抛物面镜和离轴抛物面镜的干涉检测。通过分析一块160 mm的离轴抛物面镜的参数和加工量确定了使用该加工过程。介绍了加工使用的主要参数;通过加工达到面形精度PV值0.2 μm。实验结果表明,采用超精密磨削技术和小工具数控抛光技术加工离轴抛物面镜是一种行之有效的加工方法。

探讨了在一定条件下实现对传统光学零件,尤其是对几何尺寸较大的光学零件实现主动控制,从而达到改善零件面型,优化光学系统成像质量的目的。通过工程机理的分析,采用实例试验的方法,验证了用K9玻璃制造的640 mm口径的球面反射镜通过主动控制的方法可以实现面型优化,提高了光学系统的成像质量,并且在特定环境中具有一定的稳定性。结果表明,在一定的条件下,通过主动光学技术可以实现对传统大口径光学零件进行面型控制,具有工程应用价值。

自适应光学系统在天文望远镜观测和激光传输过程中常用来补偿大气湍流引起的波前畸变,压电陶瓷变形镜(PDM)是该系统常用的波前校正元件。在分析了PDM的性能参数,包括:适配误差、致动器的数目与空间布局、动态范围等基础上建立了基于19单元PDM的自适应光学实验系统。该系统采用Zernike模式法重构波前,闭环负反馈实时控制PDM补偿由Matlab模拟的3种波前像差:离焦、像散、彗差形成的波前畸变。实验结果表明,压电陶瓷变形镜在负反馈闭环自适应光学系统中对波前畸变有较好的校正能力。

提出一种自适应光学(AO)系统单波前传感器多变形镜(DM)闭环控制方法,用单波前传感器测量畸变波前,通过像差解耦控制算法对畸变波前实现特定像差和残余像差的分解,分别控制不同变形镜进行校正。单元数较少的变形镜采用模式法校正特定像差,单元数最多的变形镜采用直接斜率法校正残余像差。对一个19单元变形镜、61单元变形镜和127单元变形镜与96单元哈特曼传感器(HS)联合工作的自适应光学系统的数值仿真结果表明,这种方法可以实现多变形镜联合闭环工作,可以在现有技术条件下大幅度提高自适应光学校正能力。

周期极化掺镁铌酸锂光参量振荡器(PPMgLN OPOs)是输出高功率、可连续调谐中红外(MIR)激光的理想光源,在激光光谱仪、大气探测、红外信息对抗等应用方面具有很大优势。理论上分析了PPMgLN光参量振荡器的温度调谐特性,计算了脉冲运转单谐振光参量振荡器(SRO)抽运阈值。采用偏振Nd:YAG调Q激光(1064 nm)抽运PPMgLN晶体组成光参量振荡器,抽运阈值功率为1.7 W,与理论计算值接近。当抽运功率为12.3 W时,在波长3.93 μm处获得1.35 W闲频光输出。晶体温度在60-140 ℃范围变化,获得波长3.846-3.952 μm闲频光连续调谐输出,与理论调谐曲线吻合很好。

利用半经验色散公式,研究了太赫兹(THz)高频范围的模式色散和LT-GaAs光导开关(PCSS)的辐射衰减特性,并用快速傅里叶变换(FFT)对LT-GaAs衬底共平面微带传输线超短电脉冲的时域传输特性进行了数值计算。结果表明,THz高频范围的模式色散,LT-GaAs衬底的辐射衰减使超短电脉冲波形发生畸变,初始电脉冲越窄,则信号畸变越严重。减小衬底厚度可以降低LT-GaAs衬底共平面微带传输线的模式色散和辐射衰减,从而可以改善LT-GaAs衬底共平面微带传输线超短电脉冲的传输特性。

绝缘体上硅(SOI)提供了一种 “Si/SiO₂/Si”三层结构,采用深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺,利用其中的二氧化硅绝缘层作为刻蚀自停止层,可以有效控制深硅刻蚀的深度,从而得到厚度均匀、无残余应力的体硅薄膜。利用这层体硅薄膜作为微变形镜的镜面,对DRIE工艺和硅/玻阳极键合工艺等进行了深入研究,研制了基于SOI的薄膜式微变形镜的加工工艺,获得了微变形镜样件并进行了初步测试。该微变形镜采用静电力驱动,具有69个驱动单元,通光孔径为10 mm。经测试,其表面质量在7.6 mm×7.6 mm测试区域内波峰波谷(PV)值约为1.2 μm,均方根(RMS)值约为193 nm;局部表面质量达到PV值约为8.3 nm,RMS值约为1.2 nm;在施加120 V电压时,镜面中心最大变形量达到4.25 μm以上。

为了提高基于绝缘体上硅(Silicon on insulator,SOI)的Si微纳波导器件和光纤的耦合效率,设计了一种基于SOI和溶胶-凝胶杂化SiO₂材料的新型微纳倒锥波导模斑转换器。此模斑转换器由Si微纳倒锥波导和溶胶-凝胶杂化SiO₂矩形波导组成。使用三维束传播法(3D-BPM)对器件结构进行模拟优化。在倒锥波导模斑转换器的连接下,波长1550 nm,近似TE模的光源下的模拟结果显示:单模光纤和SOI的Si微纳波导的耦合效率达到了95％(损耗低于0.22 dB),结果可以有效地满足微纳波导器件和光纤的低损耗耦合的需要。

将有效介质理论(EMT)和薄膜光学的抗反射设计方法相结合,从理论上分析并设计了650 nm工作波长的亚波长矩形金属偏振分束光栅,给出了分束光栅的最佳设计参数,采用严格耦合波理论(RCWA)模拟计算了光栅的偏振分束特性。研究结果表明,亚波长矩形金属光栅具有形式双折射效应,通过调整占空比,可使光栅层获得介于光栅脊和光栅槽之间的任何大小的有效折射率,克服了光学介质薄膜设计时受膜层材料折射率限制的缺陷;光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和470 nm<λ<800 nm的宽入射波谱内,具有优良的偏振分束性能。

光束取样光栅(BSG)是应用于惯性约束聚变(ICF)驱动器终端光学系统中的重要光学元件,它可将极小部分激光能量(约0.1％)从主光路中分离出来,为系统激光参数的精密诊断提供取样信号。然而在实际应用中,由于系统光路结构复杂,入射到BSG的光束与理想情况总存在一定的偏差,影响了BSG取样光束信号的准确性和有效性。基于菲涅耳全息记录与再现原理,建立了BSG的使用状态模型并对其光束取样过程进行了深入研究,重点分析了照明光束存在波长偏移、入射角偏差或相位畸变时,BSG取样光斑位置及其能量分布的规律。为实际工程系统中BSG的应用调整提供了参考。

提出了一种新型树型结构1×N光功率分束器设计方法,该分束器以非对称Y分支为基本单元,采用级联的方式来实现对光功率的分束输出。基于有限差分光束传播法(FD-BPM),对该分束器光学性能进行了深入模拟与分析,结果表明在波长为1.55 μm时各输出端口的功率均分性要小于0.3 dB。其设计结构简单、损耗低、波长敏感性与偏振敏感性小。

微结构聚合物光纤(MPOF)以其成本低廉、制备简单以及微孔结构的灵活控制性而产生了许多新的光学特性,并作为普通聚合物光纤的替代物,近来取得了快速的发展。MPOF商用化的障碍在于光纤的切割和端面低损耗耦合处理。从实验上研究了MPOF的端面切割工艺,找到了影响端面切割效果的因素,包括:光纤拉伸条件、切割刀片的温度、切割光纤的温度等,并最终得到了光学性能较好的微结构聚合物光纤切割端面。