微孔激光器作为应用于近场光信息存储系统中的一种新型光源,它的出射光斑的近场特性对于近场光存储是十分重要的。针对纳米孔径运用角谱进行Fox Li数值迭代,得到不同孔径微孔激光器的基模光强分布,然后运用二维非线性时域有限差分法分析微孔激光器出射端即微孔金属膜的近场光学性质,模拟计算了不同孔径和厚度的微孔金属膜的光强近场分布,从应用于近场光存储的角度,给出反映其近场光学特性的相关数据。发现由于TM模式下金属存在局域表面等离子增强效应,使得其出射强度比TE模式高一个数量级,从而更适于作为实际中近场光存储系统和原理试验的光学头。

利用传输矩阵方法计算了包含色散媒质缺陷的一维光子晶体的复透射系数,其中色散媒质用洛仑兹振子模型描述。计算了由复透射系数定义的等效复折射率并由此研究了频谱位于缺陷模频率附近的光脉冲的群速度。结果发现,由于缺陷模附近的透射谱敏感地依赖于缺陷层的光学厚度,而缺陷层的色散使缺陷层光学厚度随频率变化而改变,从而使包含缺陷的光子晶体的等效色散性质明显地依赖于缺陷的色散行为。由于光脉冲是由多种频率成分的单色场迭加构成的,透射脉冲由各单色场透射后重新迭加构成,因此波包的传播由介质的等效色散性质决定。与包含无色散缺陷的光子晶体相比,缺陷的色散可导致极慢的群速度。通过改变振子强度,群速度可从极慢光速转变为超光速(superluminal)。

将光纤布拉格光栅近似为一维光子晶体,研究光栅的能带结构和光学传输特性。利用平面波展开法对光子晶体进行理论研究,将研究方法移植到光纤布拉格光栅上,并对其进行数值分析,得到光栅的传输特性。研究表明,光栅反射谱有多个反射峰,峰值中心频率是基频的整数倍,而且峰值处存在光子带隙,反射峰带宽对应光子带隙宽度,中心频率和带宽随光栅长度、高介电常量材料占空比、调制深度而变化。结果与传统的耦合模理论一致。

采用单光束Z扫描技术对新型光学存储材料偶氮分散红聚合物的薄膜样品进行了测量。实验结果表明,该样品的非线性折射率为负值。为消除非线性吸收的影响, 将实验所得有孔Z扫描曲线除以开孔Z扫描曲线进行了处理。从Z扫描曲线的实验数据处理得到这种新型偶氮分散红聚合物薄膜材料的非线性折射率为: -5.5×10-6 cm2/W,其值比常见无机非线性光学材料大8～9个数量级, 是一种很有应用前景的新型光学存储材料。最后,对这种偶氮聚合物薄膜具有大的非线性折射率的物理机制进行了分析。初步认为:在线偏振光照射下,偶氮分子变为各向异性。这些类似液晶相的分子很好地关联在一起,分子的取向对外界扰动的响应是一种集体的效果,所以他们具有很大的非线性响应。

采用高温溶液法成功生长出高光学质量的硼酸铋(BIBO)晶体,尺寸达到24 mm×19 mm×35 mm,质量为48 g。对BIBO晶体进行了定向,并测量了该晶体的主轴折射率。讨论了BIBO晶体的1064 nm三倍频性质,包括相位匹配角、有效非线性光学系数??d???? eff??、容限角、走离角等。结果表明,BIBO晶体的最佳三倍频方向为(137.7°,130°),其有效非线性光学系数值达到3.60 pm/V,属I类相位匹配。就主平面内的相位匹配方向而言,(146.4°,90°)具有最大的有效非线性光学系数值,为3.16 pm/V。在1064 nm的腔外三倍频实验中,(146.4°,90°)BIBO晶体的转换效率达到39.5 %,角度容限半宽为0.22 mrad?cm,该数值与0.175 mrad?cm的计算值基本符合。由于(33.6°,90°)BIBO晶体的有效非线性光学系数较小(0.31 pm/V),其三倍频转换效率小于5 %。

光通信中波分复用技术是解决通信网络瓶颈的有效手段,近年来得到很大发展。以平面波导波分复用器件为核心的密集波分复用技术已经得到成功商用。蚀刻衍射光栅是平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力的一种。原有蚀刻衍射光栅采用罗兰圆设计,输入输出在圆弧曲线上由条形波导引出;而平场输入/输出的蚀刻衍射光栅在很多应用中可以省去制作输入输出波导,大大简化制作工艺,同时能够保持良好的线性色散和聚集效果。给出了平场输入和输出蚀刻衍射光栅的设计方法,并利用标量衍射理论对设计的结果进行模拟,验证了平场输出蚀刻衍射光栅具有很好的分波效果。

通过实验比较了前向抽运拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器组成的混合放大器、后向抽运拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器组成的混合放大器的性能。实验采用75 km标准单模光纤作为增益介质。采用20信道(符合ITU T建议的波分复用信号),波长为1537.377～1560.605 nm,作为混合放大器的测试信号。20信道总功率 -2.86 dBm,??每一信道用2.5 Gb/s、码长2??7 1的非归零码通过电吸收调制器(EA)进行外调制。实验结果表明,前向抽运方式混合放大器的性能优于后向抽运方式的混合放大器,其中噪声系数的改善值为2.28～6.55 dB。采用前向抽运时,各信道的增益同后向抽运相比,增加值均大于5 dB。但不论采取那种抽运方式,采用混合放大的形式,各信道的光信噪比均大于26.9 dB。

一般认为,用光纤光栅作选频元件的光纤激光器,激射波长与光纤光栅中心反射波长一致,本文报道了不同的实验研究结果。通过细致的实验研究,发现光纤光栅激光器激射波长相对于光纤光栅中心反射波长有一定的偏移。激射波长可以出现在光栅中心反射波长的长波端,也可以出现在其短波端。对不同腔结构的掺镱、掺铒光纤光栅激光器的深入研究证明,谐振腔的各向异性对激光器的激射波长偏移起到决定性的作用,波长最大偏移量主要受限于光纤光栅的反射带宽。通过激光腔内的偏振控制器改变谐振腔的各向异性,可以在光纤光栅的反射带宽内控制激射波长的位置。

对光波导短程透镜进行优化。在无曲率奇点理想波导短程透镜的基础上,选取一般形式卷边函数,以无弯曲损耗为目标,讨论了透镜过渡区不同卷边函数形式的曲率分布,选取了最优卷边函数并给出透镜母线的特解。经过数值计算得到了优化的理想波导短程透镜的母线函数数值,完成了非球面面型的精细加工,研制出优化的理想波导短程透镜。实验测试结果表明,短程透镜在通光孔径8mm内消球差,对4mm宽的平面波束,焦距2 0mm的短程透镜,其焦点束斑宽度小于4 μm。

有限差分波束传播法(FD BPM)是模拟光在光波导器件中行为特性的重要数值方法,它的模拟精度决定于它的帕德(Padé)展开阶数以及计算步长,阶数越高或计算步长越小精度就越高,但是计算时间就越长。为了在比较低的阶数和适中的步长下获得较高的计算精度,从平方根算符出发,运用了一些试探性的展开方法对平方根算符进行处理,得到3种2阶广角波束传播法计算公式,数值计算表明这些公式比传统广角波束传播法的2阶计算公式具有更高的精度,而且可以将该试探性处理方法推广到更高阶的广角波束传播法。

Y分支和多模干涉结构广泛应用于平面光波导器件中,在这些器件中,Y分支和多模干涉结构输出对称性具有重要意义。引入Y分支和多模干涉结构输出的不对称主要原因是这两种结构中产生了一阶导模,设计一种新的耦合器结构,在这个结构中,两根单模波导分别放置在一根多模波导两边,并且单模波导的传播常量与多模波导的一阶模的传播常量相同,这种结构可以将一阶导模滤除。在Y分支和多模干涉结构中使用了这种结构,模拟结果表明,采用这种耦合器的Y分支和多模干涉结构具有非常好的输出对称性。

采用局部标准差法和去相关法对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像的信噪比进行估算。这两种方法已将地物变化的影响降低到很低的程度。这样在大气订正后,图像的信噪比性能充分反映出遥感仪器的信噪比性能。针对图像压缩,提出控制各波段恢复图像的峰值信噪比刚好大于原始图像的信噪比,使由压缩算法本身所带来的噪声限制在原始图像的噪声范围之内。结合这种压缩思想,用基于离散余弦变换和基于离散小波变换的压缩算法,对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像进行压缩。实验表明,利用这种方法,对于高信噪比的波段,图像信息得到了保真;对低信噪比的波段,压缩倍数提高迅速且恢复图像视觉无失真,对整幅成像光谱图像,压缩性能提升显著――当压缩比等于37.95倍时,峰值信噪比等于45.86 dB。

在理论上分析了利用非线性光学环形镜作为等效可饱和吸收体压缩脉冲进行锁模的物理机制。利用8字形主被动混合锁模的结构在调制频率2.498749 GHz下,在1.543 μm处获得了12 ps的锁模脉冲输出,对应谱宽0.22 nm,时间脉宽积0.33。在抽运功率50 mW情况下,输出脉冲平均功率3.715 mW。在调制频率 2.499344 GHz、?? 2.499114 GHz??和 2.498999 GHz??时分别并获得了2～4阶幅度较为均衡的有理数谐波锁模脉冲序列。

三刺激值计算是求取各种色度量的基础。首先回顾了国际照明委员会三刺激值的基本定义及其数值计算方法;其次简单描述和分析了相关工业界常用的三种ASTM加权表及Venable最优加权表;最后,基于Venable的工作,从减小光谱反射比测量误差的影响出发,提出了一种在形式上不同于Venable的最优加权系数选择准则,给出了一种新的计算最优加权表的方法。该方法与现有的计算加权表方法相比,具有不需要通过迭代求解、易于程序设计从而比较简单且有可能作为标准方法予以推广应用等特点。数值仿真表明用此方法计算的加权表较ASTM三种加权表更准确。可以期望,给出的计算最优加权表的方法将会广泛应用于相关工业领域。

变线距光栅在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景,它的制作和检测方法尚未成熟。用干涉法测量变线距光栅的线密度,给出了测量原理、实验中的光路、数据处理的方法、测量结果。在待测光栅表面,衍射光干涉条纹的数量和密度是入射光干涉条纹和倍增后光栅的刻线之差。采用共光路的方案,使光路具有很强的抗干扰能力。用中值滤波消除干涉图像中的干扰。针对不同的干涉条纹,讨论和比较了两种测量方法,提出相对密度不变性。证明了干涉法完全可以用于变线距光栅的线密度测量,并能达到一定的精度,初步解决了检测问题,认为这种方法也可以用于变线密度光栅的加工中。

为了降低消反射光栅的偏振敏感性,将等效介质理论推广到二维亚波长结构,对一种特定的矩形柱状结构进行了分析。构造了一种分析方法,然后利用光栅结构的有关表达式得到这种二维结构的近似等效系数。并设计了适用于10.6 μm红外波段的二维亚波长消反射光栅,用二元光学的制作工艺在Si衬底上进行了实验制备。测试结果表明:对中心波长为10.6 μm的红外光,这种光栅象单层消反射膜一样,具有很好的增透效果。

由于多层膜的表界面粗糙度和材料之间的相互扩散等因素,导致多层膜的实际反射率小于理论计算的反射率,因此,多层膜结构参量的确定对镀膜工艺参量的标定具有重要意义。由于描述单个非理想粗糙界面散射的Stearns法适用于软X射线短波段区域,采用它的数学模型来描述软X射线多层膜的粗糙度,利用最小二乘法曲线拟合法对同步辐射测得的Mo/Si多层膜的反射率曲线进行拟合,得到了非常好的拟合结果,从而确定了多层膜结构参量,同时分析了多层膜周期厚度,厚度比率,界面宽度以及仪器光谱分辨率对多层膜反射特性的影响,这些工作都为镀膜工艺改进提供了一定的理论依据。

用时域有限差分算法(FDTD)构造了纳米孔隙高分子薄膜的网格结构,并模拟了理想单色平面光波在纳米孔隙高分子薄膜中的传输过程,计算出不同孔隙率的薄膜所对应的等效折射率。模拟结果显示纳米孔隙薄膜的等效折射率与孔隙率呈线性递减的关系。还利用固体材料学中的混合材料等效介电常量理论建立了一种混合介质并联理论模型,很好地解释了纳米孔隙高分子薄膜孔隙率与等效折射率的关系而且得到了纳米孔隙高分子薄膜等效折射率与孔隙率的函数关系式。将模拟结果与混合介质并联理论模型相比较,发现该理论模型的函数曲线与时域有限差分算法模拟的结果相互吻合。

采用一种半导体激光器侧向抽运的固体激光器新结构,可将一个半导体激光器的输出光分成四部分,从四面对称耦合到激光棒中,从而实现比较均匀的抽运。模拟计算了这种对称抽运结构中激光棒对侧面抽运光的吸收过程,得到了激光棒介质的吸收系数和直径等参量对激光棒内抽运光能量分布均匀性和能量吸收率的影响规律,并在此基础上对相关参量进行了优化。这种方案结构简单紧凑,很容易获得高光束质量的高功率固体激光输出。采用这种抽运结构制成了新颖的激光头,初步实验结果良好,表明该结构确实可行。

为了实现对复杂三维物体表面轮廓、小空间内物体的纵向位移或振动等测量,有必要研制高分辨力、非接触的光学检测系统。由于激光多普勒技术具有动态响应快、线性度好、非接触、测量精度高等特点而优先被用于复杂三维物体离面位移的测量。但是物体表面散射光的多普勒信号非常微弱,因此解决信号的强度、信噪比则是实现测量的关键。研究了激光多普勒技术及散射光相位的无规变化的统计规律,设计出一种空间分辨力很高的参考光路,将它用于固体离面位移测量效果很好,其相对误差为0.3%。

盐水浓度的变化会引起其对光的折射率的变化,对于固定的倾斜入射光线,折射率的变化会导致出射光线发生偏移,利用位置敏感器件(PSD)检测光线偏移量的大小,便可以得到待测盐水的浓度。基于差动折射率测量原理,引入了一个装有蒸馏水的参考水槽,从而有效地减小了温度漂移对盐度测量带来的影响。初步的实验结果表明了方法的正确性,盐度测量的分辨力可达0.012‰,重复性精度好于±0.3‰。对测量数据做了详细的论述,并对影响测量精度的一些主要因素进行了细致的分析。结果表明,该方法的温度漂移和光源强度变化对测量结果的影响很小。

提出了一种利用CCD单目图像的灰度梯度测量三维表面的方法――灰度梯度法。巧妙地运用中间变量,找到灰度梯度与聚焦像表面梯度之间的映射关系,将灰度约束方程转变为可求解的一元方程,从而解出聚焦像表面的深度信息。利用聚焦像表面与物体间的几何光学的约束以及它们之间的空间共轭对称关系,将该三维表面变换到实际三维尺寸,以达到三维测量的目的。最后对影响该测量系统的误差进行了分析。该方法克服了传统的光切法因过多冗余图像而使测量效率低的缺点,且该方法约束条件容易实现。对球体和柱面体的试验误差率分别为6.0%和4.85%,显示出该方法在一定范围内是有效的。

在利用多台测量站对空中运动物体进行交会测量过程中,测量站两两交会得到的测量结果并不会完全一致,有时甚至会有很大差别。讨论了具有自适应权的最优无偏方法:首先利用最小二乘法的原理,推导出了最小二乘解的表达式。在求解最优无偏解的过程中,通过求条件极值的方法导出了最优无偏解的权因子。由于权因子中的某些因素与目标像在CCD像面上的位置有关,提出了“自适应权”的思想,即权因子随目标像点位置的不同而自动调整。与传统的方法相比,具有自适应权的最优无偏方法,在一定程度上更充分地利用了不同情况下来自不同测量站的测量信息,从而提高了测量精度。经实际计算表明,在低空目标定位时,具有自适应权的最优无偏方法的平均偏差为传统方法平均偏差的40%左右。

基于基尔霍夫定律,利用半导体激光器及钽酸锂热释电探测器设计了一种实用化的实时测温系统。依照测温系统各主要技术指标(温度分辨力、温度的标准偏差及测温范围)与各主要技术参量(激光光源的能量、波长、放大器的带宽及光学系统的相对孔径等)之间的关系,对实时测温系统的各主要参量(激光光源的能量、光学系统的相对孔径及放大器的带宽)进行了优化设计。实验表明,在测温范围673～1473 K内,温度测量的不确定度优于0??3%,分辨力优于0??4 K,均符合设计要求。

将内含异质层的半无限生物组织作为研究线光束照射下局部病变组织背散射场的近似模型,在此基础上,引入倍加算法对线光束照射下局部病变组织背散射场角分布进行数值计算。根据数值计算结果,分析了不同组织层几何参量和光学参量对背散射场角分布的影响,结果表明:“病变组织层对背散射场中小角度光的影响明显大于对大角度光的影响;背散射场的角分布对病变组织的几何参量(埋藏深度和光学厚度)较为敏感,而对病变组织光学参量亦即病变组织性质的差异敏感度较低。”同时还对含肿瘤的乳房组织的背散射场角分布进行了计算和分析,为将背散射场角分布应用于组织内隐藏异物的无创伤诊断提供了理论参考。