采用时域有限差分方法计算全内反射和光子扫描隧道显微镜系统。光子扫描隧道显微镜的基本工作原理是隐失波的产生和探测,当入射光在两种介质的分界面上发生全内反射,并在界面处产生非辐射的电磁波――隐失波时,采取对两界面入射光进行分别设置的方法即“三波法”设置入射激励元。分别计算一个球和两个球形样品的近场分布,并计算散射小球为探针,一个球为样品的扫描图像。结果表明:采用二维时域有限差分方法计算能较直观地显示样品表面的近场分布。表明时域有限差分方法在光子扫描隧道显微镜理论研究中具有很大潜力。

研制出三分量全光纤加速度检波器及其数字信号处理系统 。该检波器由一个质量块,六个顺变柱体,三组迈克耳孙干涉仪光路组成。顺变柱体是检波器敏感元件中的关键部件。该检波器数字信号处理系统以TI公司的高性能数字信号处理芯片为核心,辅以必要的电路,实现了对加速度信号的高精度检测和误差信号的补偿。测试结果表明,检波器在共振频率以上有较好的频率响应,输入信号与输出信号吻合较好;检波器在共振频率以下亦有较好的频率响应。最后给出了检波器频率响应曲线。

将集成光学放大器用于光纤通信系统中是人们越来越感兴趣的课题,由此导致人们寻找与此相适应的稀土掺杂玻璃材料。给出了一系列Er3+/Yb3+共掺杂硅酸盐玻璃波导的制备和光谱特性的基本结果。平面和条型波导均由Ag+ Na+离子交换技术制备。光谱测量显示,所有样品在1532 nm都观测到了荧光发射峰,其半高谱宽为19 nm。用波长为514.5 nm 和 980 nm的激光抽运,测得多数样品中Er3+离子在亚稳态4I13/2能级上的荧光寿命均为7 ms左右。Er3+/Yb3+共掺杂玻璃的上转换均低于单掺Er3+玻璃。用250 mW,波长为980 nm的激光抽运3.5 cm长的条形波导,在1536 nm 波段下得到的最大净增益是5 dB,增益谱的半峰全宽是14 nm。

提出了一种偏振光干涉型光交错复用器的新结构。其核心元件双折射模拟波片等效于双折射晶体波片,可以获得比一般双折射晶体大得多的等效双折射。该光交错复用器除了具有一般偏振光干涉型光交错复用器的稳定性好、可靠性高的特点外,特别具有隔离度更高和更容易实现各种大小频率间隔的优点。利用该结构设计了用于50 GHz频率间隔波分复用信号的奇偶分离的光交错复用器,通带和阻带的平坦宽度均大于1/5周期,隔离度为-30 dB。同时,对该器件在实际应用中的几个基本参量,如插入损耗、偏振相关损耗和成本等也作了分析和讨论。

提出了一种新颖结构的高消光比双通马赫曾德尔干涉仪梳状滤波器,将常规单通马赫曾德尔干涉仪的两个输出端与光隔离器连接,构成一个双通马赫曾德尔干涉仪梳妆滤波器,对滤波器的输出特性进行了理论分析和实验研究。数值模拟表明,与常规的单通马赫曾德尔干涉仪相比,在相同参量的情况下该双通马赫曾德尔干涉仪梳妆滤器的消光比得到了大大改善, 消光比的提高取决于干涉仪的臂长差,当干涉仪的臂长差为0.7366 mm时,消光比提高了20 dB。实验结果表明,双通马赫曾德尔干涉仪梳妆滤器的消光比为25.8 dB,消光比提高 了13 dB。

研究少投影数情况下等离子体温度场重建问题。结合光学层析重建算法及等离子体光谱诊断中的谱线绝对强度法进行自由电弧等离子体温度场重建实验。理论上,详细讨论了一种基于最大熵准则及最优化原理的光学层析图像重建新算法。通过计算机数值模拟,考察了该算法对非对称温度场分布的重建效果。详细分析了投影噪声、投影方向数、场分布性质对重建精度的影响,并与代数迭代重建算法结果进行对比.结果表明,该算法以两个正交方向投影数据重建单峰余弦模拟场平均误差仅为0.03%,而代数迭代重建算法为3.81%;该算法以四个均匀角度间隔投影数据重建三峰随机高斯模拟场平均误差为1.77%,而代数迭代重建算法为2.02%。实验中,运用该算法结合谱线绝对强度法重建了自由电弧等离子体的温度分布。

研究了用频域法实现圆环形目标物计数的方法。对空域中含有圆环形目标物的二值图像,经傅里叶变换后在频域内进行滤波,再经傅里叶反变换后取一阈值进行处理,则对应于圆环形目标物即变为一个实心体,然后对实心体进行计数即可实现对圆环形目标物的计数。对该方法进行了数学描述,并分别用模拟图像和实际图像进行了实验。结果表明,该方法消除噪声的效果好,对部分封闭圆的检测同样有效,且可用于目标物有粘连的情况。该方法对圆环形目标物的尺寸相差不大的情况更为有效。

提出了借助于傅里叶变换提取叠栅条纹相位分布的途径来获得条纹微小位移量的方法中,图像的截断必然会产生频谱泄漏,从而引入数据处理的误差。详细分析了傅里叶变换中频谱泄漏产生的原因及其对测量误差的影响,提出了图像处理时,通过外插值将截断区域延拓为叠栅条纹周期整数倍时可以减小甚至忽略频谱泄漏所引起的相位计算误差,并对此进行了数值模拟以及初步的实验验证,证实了该方法的有效性,为叠栅偏折法应用于微细尺度流动与传热的实验研究提供了有效的技术途径。

利用级数展开的方法,对薄介质的Z扫描理论进行了分析,并对于通常所采用的级数展开和菲涅耳衍射分析方法进行了讨论,证明了在分析利用高斯光束对薄介质进行Z扫描测量时,即使对于大的非线性相移,高斯分解方法和菲涅耳衍射积分方法仍具有等效性,澄清了人们认识上的一些误解。同时分析了远场小孔的归一化透射率与积分限的关系,并对采用高斯分解方法时级数求和的振荡原因进行了分析和讨论,给出了消除振荡所需的最小求和数的判据。针对高斯分解方法和菲涅耳衍射积分方法的使用场合,也进行了讨论。根据所得结论,可以在具体的实验和理论分析中,正确地选择更高效的分析方法。

以格兰泰勒棱镜为例,根据实验现象对透射光强随旋转角扰动的原因进行了理论分析。实验中发现,透射光强曲线随着入射角的微小变化而偏离马吕斯定律,出现了周期性扰动。通过格兰泰勒棱镜的单色偏振光束产生的干涉,再加上晶体空气隙界面处反射比的因素,使得出射光强依赖于入射角。引入了扰动因子的概念,并系统讨论了扰动因子所造成的影响,从而得出了减小扰动的方法。理论研究结果与实验符合较好。为偏光棱镜的优化设计、生产及使用提供了理论基础。

提出同轴双无衍射光的概念。如果两束汇聚角略有不同的同轴无衍射光同时存在,则它们相互之间叠加干涉后产生一种纵向呈周期变化的光场结构,这是一种新的光束空间分布,这种光束在横向仍是一种同心环光斑,可用于精密对准。而在不同纵向位置,这些同心环的强度分布是不同的,且是周期性变化的。同轴双无衍射光的轴向周期性可用于沿光束传播方向的定位。文中提出了双环缝法、分段圆锥透镜法、正弦相位环光栅法等实现同轴双无衍射光的理论与实验方法,分析了同轴双无衍射光的横向与纵向传播的衍射光斑特性,理论计算与实验测量的结果基本相符合。

将夫琅禾费衍射理论与几何散射(包括折射和反射)相结合,给出平行光入射下圆形颗粒在前向大角度范围内的散射光强分布近似算法。由于考虑了衍射、折射和反射相互间的干涉效应和颗粒对光的吸收性,对于正常或非正常衍射状态下无因次参量α≥40的耗散颗粒,在前向0°～60°散射之内,该方法对散射光强计算结果与米氏理论结果是吻合的。由于计算速度比米氏理论快,有效角度范围比夫琅禾费衍射理论宽,因而适合于大颗粒的前向光强计算。将这一计算方法应用到大角度采光时的激光粒度测量实验中,收到了良好的效果。

角锥棱镜具有空间反射特性,广泛用作激光测距的合作目标,不同的使用情况有不同的精度要求,对用于远距离测距的角锥棱镜其远场衍射特性将直接影响测距效果。通过对角锥棱镜角度误差和面形误差的分析,建立了具有角度误差和面形误差的角锥棱镜的出射波面的波差分布,并按照光波的衍射原理计算具有误差的角锥棱镜的远场衍射图。通过衍射图可以看出出射光束的发散程度随着角度误差的增加而增加,直至完全分离成六束光束。同时,面形误差的增加将导致衍射图的急剧恶化,使出射光束的质量明显降低。角锥棱镜的衍射特性对角锥棱镜的设计和评价具有指导意义。

推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后,转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式,才能做到光瞳匹配,这就是冷屏为系统的出瞳,而入瞳是主反射镜的口径。消像差由主镜、副镜的非球面及转像透镜上的一个非球面承担。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性,红外系统的口径取为250 mm,红外接收器的冷屏直径为5 mm,冷屏到红外像面的距离为20 mm。两镜系统主镜的曲率半径选定为-1000 mm及-800 mm两个值,两镜系统焦距为2000 mm,1500 mm及1000 mm三个。共计算了六种结构参量不同的系统。

分析了纯随机噪声输入和周期性抖动信号叠加随机噪声的复合抖动输入两种激励下,激光陀螺输出信号均值偏差和分散系数与随机噪声强度之间的数学关系,基于该关系公式,综合读出角速度标准差、输出信号均值偏差和分散系数,提出随机噪声强度的选择方法。研究表明,纯随机噪声减小频率闭锁影响没有应用价值,因为随机噪声的引入将导致激光陀螺测量范围的减小或输出方差的增大,这都不是理想的结果。而在周期性抖动信号基础上叠加随机噪声,并不影响激光陀螺的测量范围,却可大幅度地提高激光陀螺的读出精度,输出方差的增大可以通过延长采样周期予以减小,满足应用要求。

研究了旋光晶体在偏光干涉实验中的电光效应,给出了旋光晶体在偏光干涉实验中出射光强与晶体旋光性之间关系的表达式I =A20 cos2 β-(π/λ)(nl-nr)l,以及与旋光晶体电光效应之间关系的表达式I =A20 cos2 β-(π/λ)(nl-nr)l+(π/λ)(n2 -n1)l 。根据这些表达式给出的关系,将典型的旋光晶体La3Ga5 SiO14制作成了电光Q开关,像那些用无旋光性晶体制作的Q开关一样工作良好。在中等功率输出的激光器中,La3Ga5 SiO14晶体电光Q开关有可能取代氘化磷酸二氢钾(DKDP)晶体电光Q开关

激光在大气中长距离传输时所产生的相位不连续点的数目与位置不仅与大气湍流和传输距离有关,而且与传输的激光波长有关。由于对主激光进行补偿的相位是从畸变的信标光场中获得的,当畸变光场中出现相位不连续点后,畸变光场的相位由连续相位部分和不连续相位部分组成,不连续相位部分直接与畸变光场中出现的相位不连续点的数密度和其所在的位置有关,一般情况下,主激光的波长与信标光的波长是不同的,因此当主激光的波长一定后,为了对不连续相位进行补偿,以便提高强湍流效应条件下的自适应光学校正能力,必须要考虑合作信标的波长。计算结果表明,考虑了不连续相位的影响后,虽然对主激光的校正效果有所改善,但对不同波长的信标改善的效果并不相同,只有信标光波长稍长于主激光的波长时,校正效果才有明显的改善。

由于生长工艺的不完善,非掺杂GaN薄膜中通常存在未知的杂质和缺陷,产生与这些未知杂质和缺陷能级相关的发光。报道了非掺杂GaN薄膜的692 nm红色发光,并研究了非掺杂GaN薄膜的蓝、红色发光的发射机理;利用作者提出的吸收归一化光致发光激发光谱,直接测量出了非掺杂GaN薄膜的蓝、红色发光的初始态能级,确定蓝色发光为施主价带跃迁复合,而红色发光为施主受主跃迁复合;给出了黄、蓝、红光的发射模型。所取得的结果对于确定未知杂质和缺陷的种类具有重要的参考价值。

作为一维光子晶体的应用基础,一维光子晶体的禁带是研究的重点。通过传输矩阵的方法分析了一维光子晶体禁带的特性,讨论了影响带宽的因素。说明了相对带宽对光子晶体设计的重要性。在这个基础上讨论了扩展一维光子晶体带宽的方法,提出了在角域范围内对光子晶体进行叠加的方法,为设计制造一维光子晶体提供了一种行之有效的方法。分别对2个、3个和4个晶体的叠加进行了分析,最后计算了所设计的合成晶体的反射率。其中4个晶体的叠加,相对带宽达到57.52%,极大地展宽了一维光子晶体的禁带,从而证明利用角域的叠加来展宽一维光子晶体的禁带是非常有效的。

纳米晶TiO2薄膜在光电变色器件中具有很重要的作用。它的微结构直接影响染料的吸附、光的散射以及电荷输运的特性。因此,探索TiO2薄膜的微结构(如粒径、表面形貌和厚度等)及光电性能是非常有意义的。采用电子束蒸发工艺制备了光电变色器件用纳晶TiO2薄膜,利用原子力显微镜、X射线衍射、俄歇电子能谱等手段对纳米晶TiO2薄膜的表面形貌、结晶状态及组分进行了分析。从理论上研究和讨论了纳米晶TiO2薄膜晶粒尺寸对光电性能的影响,并用量子限制效应解释了吸收光谱峰值波长随粒径减小而发生蓝移的现象。

用红外椭圆偏振仪对热丝化学气相沉积法制备的金刚石薄膜的光学参量进行了测量。由于表面状态和界面特性的差异,分别对镜面抛光硅片和粗糙氧化铝基片上的金刚石薄膜建立了不同的模型,并在此基础上进行了测试结果的计算拟合。为了综合反应诸如表面粗糙度等表面界面因素对测试结果的影响,根据衬底特性将表面层和界面层分离出来,并采用Bruggeman有效介质方法对它们的影响进行了近似处理。结果表明,硅衬底上金刚石薄膜的椭偏数据在模型引入了厚度为879 nm的表面粗糙层之后能得到很好的拟合。而对于氧化铝衬底上的金刚石薄膜而言,除了在薄膜表面引入了粗糙层之外,还必须在衬底和金刚石界面处加入一层由体积分数为0.641的氧化铝、体积分数为0.2334的金刚石和体积分数为0.1253的空隙组成的复合过渡层(厚度995 nm),才能使计算值与实验参量很好地吻合。

为了使光盘获得优良的记录/读出性能并能够长期稳定地使用,必须优化设计相变光盘的多层膜结构。采用自行设计的模拟分析相变光盘读出过程设计软件,从光学角度出发模拟计算了蓝光(405 nm)相变光盘的膜层结构,研究了多层膜系的反射率和反射率对比度等光学参量与各层膜厚度和槽深的关系。研究得出的最佳多层膜结构为:下介电层/记录层/上介电层/反射层的厚度对于台记录为100 nm/10 nm/25 nm/60 nm,而对于槽记录则为 140 nm/15 nm/30 nm/60 nm,槽深为50 nm。模拟计算结果对于将来高密度蓝光相变光盘的制备具有一定的指导意义。