提出了一种测量血糖浓度的新方法――二次色散法,此方法采用低相干干涉仪来测量时间相干干涉信号,通过傅里叶变换和多项式拟合获得二次色散。初步测量了三种不同浓度的糖溶液在0.55 μm到0.8 μm之间的二次色散,实验结果发现随着血糖浓度的增加,二次色散也随之增加。研究证明该方法是一种潜在的无接触、无伤害在线探测人体血糖浓度的方法。为设计一种非接触、无伤害在线探测人体血糖浓度的光学医疗仪器奠定基础。最后讨论了采用本方法尚需改进的问题和进一步的工作。

在地平式折轴望远镜上开展自适应光学瑞利激光导星实验,研究了信标光束同孔径发射和接收偏振分光技术。基于镜面膜层复振幅反射特性,采用琼斯矩阵描述方法,建立了偏振分光物理模型,研究了共孔径发射和接收偏振耦合分光的效率问题,并与实验结果进行了比较。结果表明,由于镜面膜层对s光和p光的相位延迟差异,系统偏振分光效率随着望远镜的方位角旋转会发生周期性的变化,同时也受望远镜天顶角变化的影响。在研究光路反射镜相位延迟对往返分光效率影响规律的基础上,提出了提高地平式折轴望远镜激光导星共孔径发射和接收偏振分光效率,消除受望远镜方位角和天顶角变化影响的技术途径。

一个常规的自适应光学系统通常包含三个重要环节

与传统光纤相比,光子晶体光纤芯区与包层之间具有更高的折射率差,并且制作过程中可以灵活地制造各种对称与非对称结构,这为在光子晶体光纤中实现高双折射提供了可能。应用全矢量模型分析一种折射率导模高双折射光子晶体光纤,其包层采用两种尺寸的空气孔,使该光纤具有二重旋转对称性,原来简并的两个正交偏振模不再简并,呈现出较高的双折射, 模式双折射比普通的保偏光纤高至少一个量级。分析结果表明,在波长1540 nm,其拍长可达0.4067 mm。理论分析结果与实验测量结果相吻合。

介绍了一种新型的光纤光栅温度传感器。这种光纤光栅温度传感器使用了特殊的工艺将光纤布拉格光栅封装于一种热膨胀系数较大的有机聚合物基底中,使得传感器的温度灵敏性比裸光纤光栅提高了12.3倍,其温度灵敏度系数KT达到82.69×10-6 /℃。在－80～0 ℃的低温度范围内,对这种新型光纤光栅温度传感器的反射谱进行了测量。研究了这种新型光纤光栅温度传感器的低温特性,并与裸光纤光栅和铝基封装的光纤光栅进行了比较,结果表明这种新型的光纤光栅温度传感器具有很好的低温响应特性。

提出了一种用指数型变耦合系数定向耦合器同高斯型变耦合系数定向耦合器级联所构成的新型全光开关。理论分析及数值模拟均表明,它同用常系数定向耦合器级联所得的器件相比,具有一个很大的优点,即可以消除开关曲线在过开关区中的振荡,因而具有更好的开关特性;同时,它同用高斯型变耦合系数定向耦合器级联所得的器件相比,具有陡峭的动态开关区(即功率透过率从0逐渐升至1的区域)。综上所述,该级联耦合器更加适合于做全光开关,且在满足一定的开关曲线的要求下,可以通过改变各级联耦合器的参量以改变单元耦合器的数目。

研究腔靶辐射温度和X光耦合效率与靶结构及激光辐照条件的依赖关系。利用神光-Ⅱ基频光(波长1.053 μm,能量3～5 kJ/8束,脉宽0.6～0.9 ns)辐照金腔靶。采用软X光能谱仪及平响应探测器分别测量腔靶诊断口辐射X光功率谱及其能量角分布。同时,利用五针孔时、空分辨成像技术对腔靶诊断口发射软X光进行实验观测,给出辐射温度推算中需要的等效诊断口面积修正因子。在北京同步辐射软X光标定站,对上述诊断用软X光探测元器件进行了全谱范围(0.05～1.5 keV)的绝对标定,以提高X光辐射功率和黑腔辐射温度的诊断精度。

双包层光纤激光器和非线性光学材料(如周期性极化的铌酸锂晶体,PPLN)相结合,开辟了实用性非线性光学器件的一个新领域。研究了准相位匹配周期性极化反转铌酸锂晶体对宽带准连续光纤激光倍频的温度特性和频谱特性。在理论上,从准相位匹配相位失配关系出发,推导了晶体温度与抽运源中心波长的关系以及温度响应带宽,并和已报道实验结果进行了比较,二者符合得很好。此外,还推导了倍频周期极化铌酸锂晶体对抽运基频光源的响应谱线带宽。在实验上,采用长度20 mm,极化周期6.5 μm,厚度0.5 mm的周期极化铌酸锂晶体光纤激光器准连续宽带输出进行了倍频,获得了在不同控制温度下的倍频光光谱,并对此进行了详细分析。

将激光器锁定到合适的参考频率标准上,可以有效地改善激光器的频率稳定性。采用两个声光调制器(AOM),使铯原子D2线饱和吸收光谱分别发生Ω±Δ绝对频移;通过改变射频压控振荡器(RF VCO)的Vf端口直流电压调节相对频移间隔Δ,当相对频率间隔选择合适时两信号相减得到了类色散型鉴频曲线。实验中实现了852 nm光栅外腔半导体激光器相对于铯原子D2线6S1/2 F=4??6P3/2 F′=5超精细跃迁线(中心频率ν0)的无调制偏频锁定(锁定后中心频率ν0＋Ω,偏频量为Ω)。由闭环锁定后的误差信号估计,50 s内典型的频率起伏小于±270 kHz,较相同时间段内激光器自由运转时的频率起伏14 MHz有显著的改善。该方法可避免对激光器直接进行频率调制的常规饱和吸收锁频方案所引入的额外频率噪声和强度噪声。

建立了燃烧驱动环柱型高能化学激光器环形增益介质的五种分布模型,使用差分和积分相结合的方法计算了束变换环孔腔在不同增益分布和折射率分布时的模式特征,研究了增益分布和折射率分布对束变换环孔腔输出性能的影响,结果表明束变换环孔腔在不同的增益介质及折射率分布情况下,仍然可以保持良好的输出光束质量,很高的提取效率,在化学激光器增益流存在激波扰动的情况下,输出光场的施特雷尔比仍达到0.8991,同时腔镜上光强分布较为均匀,可以避免镜面因热应力分布不均匀而造成镜面变形和破坏。该腔不但适用于高能化学激光器,也可以用于高能固体激光器,起到克服固体增益介质热畸变与热应力的作用,可获得优良的输出光束质量。

量子级联激光器(QCL)是波长范围在中远红外的一类新型激光器,到目前为此,对于它的脉冲响应及调制响应等动态特性了解并不是很深入,为此以贝尔实验室在1994年发明的量子级联激光器器件模型为基础,通过分析量子级联激光器中的电子在多量子阱间输运及跃迁的单极行为,得到它的速率方程。以此为基础,通过用电路元素对方程进行改造,建立起其相应的等效电路模型,利用PSPICE电路模拟软件进行模拟仿真,得到了它的调制响应特性,对可能影响其调制特性的一些因素如各阱之间的弛豫时间进行了讨论,并与其它类型激光器作了比较,发现量子级联激光器的动态性能并不优良,而这一点应缘于其独特的激射能级结构。

提出一种明显改善激光二极管侧面直接抽运固体激光器输出光束质量的新型谐振腔――折返式谐振腔,它由三部分组成

利用线性电光效应的波耦合理论对铌酸锂晶体电光调制器的温度特性进行研究,给出了不同光波波矢和晶体光轴夹角情况下电光效应的温度变化特性,发现可以利用角度调节来克服电光调制器的温度敏感性;在此基础上,进一步对电光调制器进行了最优化设计,得到一个半波电压小(几十伏)、零场泄漏几乎为零(零电压出射光强和入射光强比为0.0027)、消光比达到365.6、温度性能稳定而且不需要透明电极的一个设计。

对两组份非线性复合材料的光学非线性性质的临界行为进行了研究。考虑第一组份为非线性材料,其电流、电压间服从I=g1V+χ1Vβ关系;而第二组份为线性材料,电流、电压间满足I=g2V,其中g1,χ1是第一组份的线性电导和光学非线性极化率,g2是第二组份的线性电导,β是第一组份材料的光学非线性指数。分别采用了有效介质近似和相对电阻涨落的标度理论两种方法计算了系统有效响应的临界指数随光学非线性指数及维数的变化规律。用不同的方法得到系统的有效线性电导ge和有效光学非线性极化率χe(β)的临界指数M(β)和N(β)的结论也不同。有效介质近似得到M(β)=1和N(β)=(β+1)/2,即M(β)与β和d都无关,而N(β)只与有β关而与d无关;而相对电阻涨落标度理论方法得到的M(β)和N(β)与β和d都有关。

高速率、大容量的密集波分复用系统是光纤通信系统的最终发展方向,单信道速率达到40 Gbit/s时,光纤的非线性效应、偏振模色散现象对系统的影响更加突出。在综合考虑群速度色散、自相位调制、交叉相位调制、四波混合、偏振模色散等因素的基础上,推导了密集波分复用系统中任意信道的耦合非线性薛定谔方程组。利用扩展的分步傅里叶方法对该方程进行了数值计算,通过对8×40 Gbit/s密集波分复用系统的仿真,分别研究了非线性效应和偏振模色散对密集波分复用系统的影响。发现由于交叉相位调制和四波混合作用,多波长的密集波分复用系统比单波系统受非线性效应影响严重;系统受偏振模色散与非线性效应的影响程度与输入信号功率有关,在入射光单信道平均功率较低0.1 mW时,偏振模色散是影响系统性能的主要因素;当入射光单信道平均功率较高1 mW时,系统受非线性效应影响严重。而偏振模色散在使信号脉冲展宽的同时,类似于非零色散位移光纤中的微小色散,对非线性效应又有一定的抑制作用。

针对强度调制直接检测波分复用系统研究了抽运探测波结构中自相位调制和交叉相位调制共同作用下的光信号传输,给出了确定任意抽运信号下的探测波时域波形及强度调制率的理论解析方法,分析了信道间隔、传输速率对于交叉相位调制的影响,发现抽运波自相位调制的作用主要体现在使探测波时域强度调制率有所增大,解析结果和数值仿真能较好地吻合。

提出了一种新颖的基于硅基法布里珀罗微腔阵列的光读出红外热成像器件,该器件利用光学读出技术将红外图像直接转化为可见光图像,其焦平面阵列(FPA)是一个基于微机电系统(MEMS)制作的法布里珀罗微腔阵列。阐明了器件的工作原理;完成了可动微镜结构、热机械、可见光读出部分设计。理论分析表明,对Al/SiO2双材料体系而言,SiO2厚度应大于0.3 μm,其最佳厚度比为0.598,相应的最大热机械灵敏度可达10-8 m/K。采用体硅微机电系统技术,实验制作出了50×50焦平面阵列。

提出一种高分辨力与高通光效率兼备的阶梯型纳米孔径设计方法,孔径的尺寸从膜层的入射表面向出射表面呈阶梯型逐渐减小,直到在膜层的出射表面形成一个亚波长的小孔。采用三维时域有限差分(FDTD)方法对方形阶梯型纳米孔径及三角形阶梯型纳米孔径进行了数值模拟计算。结果表明,由于近场光学很强的局域场增强效应,其通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸情况下,较普通的非阶梯型纳米孔径提高了两个数量级,甚至更高,有效地提高了输出光功率。采用四台阶三角形阶梯型纳米孔径,当光斑半峰全宽为97 nm×74 nm时,出射光强极大值达到1049.76,较入射光增强了1000倍,而通光效率大于1,达到1.67。这种阶梯型纳米孔径可以直接作为纳米孔径激光器的出射孔径提高其输出光功率,也可以作为独立的光学屏对入射光进行整形得到具有高输出功率的亚波长尺度光源,在纳米尺度光学成像、光谱探测、数据存储、光刻、光学操作等近场光学应用领域具有潜在的应用前景。

转镜式傅里叶光谱仪中,转镜的转动形成光程差的非线性。光程差非线性是转镜材料和工作角选择时要考虑的重要因素,通过对它的研究,可以为工程实践提供指导,为进一步研究奠定基础。通过输入单色光时的情况对干涉图进行研究,发现光程差非线性使干涉图的周期发生变化;通过和光程差线性系统的仪器函数比较对复原光谱进行研究,发现非线性给复原光谱带来了噪声和波数漂移。由于光程差的变化是已知的,在光谱复原时,用非线性的光程差代替傅里叶变换中的光程差,就可以对光程差非线性进行补偿。计算机仿真实验的结果表明,这种方法效果明显,经补偿后复原光谱中光程差非线性带来的噪声基本消失。

设计了穿透式双通道单目微光夜视头盔的光学系统。其中微光物镜视场角为±14°,f数为1.4,含有一个衍射面。设计结果可兼容输入面尺寸为??18 mm,面型为平面的二代和三代微光像增强器;最大畸变小于0.5％,可用于夜间精确瞄准与测量。考虑黑暗环境使用的安全问题,显示系统采用穿透式双通道单目光学系统,实现内部图像和外部真实世界的同时观察。显示系统的特性参量为

稀土掺杂氟磷酸盐玻璃是可以满足波分复用系统及超短脉冲系统对带宽和平坦增益要求的激光材料之一。研究了其中一种增益带宽宽,发光谱线平坦的镱铒共掺氟磷酸盐玻璃,其计算半峰全宽为51 nm。对反映宽带性能的有效增益截面的研究表明,该镱铒共掺氟磷酸盐玻璃在1530～1580 nm之间有一平坦的有效增益截面谱线,证明其宽带特性明显优于掺铒磷酸盐玻璃。对Yb3+离子敏化效率的研究显示,在镱铒比为10∶1时,Er3+离子的吸收截面和发射截面达最大值,分别为0.6601 pm2和0.7325 pm2,表明此比值下Yb3+对Er3+的能量传递效率最高。实验结果显示Yb∶Er氟磷酸盐玻璃可用作带宽宽,增益平坦,可实现高能输出的激光器和光纤放大器的基质玻璃材料。

报道了利用单光纤布拉格光栅反射波带宽展宽技术实现温度与压力同时区分测量的新方案。通过聚合物材料将光栅粘接于双孔悬臂梁非均匀应变区,在压力作用下悬臂梁带动光栅发生非均匀应变,使布拉格反射波波长漂移的同时带宽展宽,而温度变化仅引起反射波波长漂移。在20～100 ℃和0～7.8 N的温度和压力测量范围内,温度测量精度±1.1 ℃,压力测量精度±0.18 N,布拉格反射波中心波长漂移量和带宽展宽量随温度和压力的变化呈良好的线性关系,线性度均高于99.6%。多次测量表明,此方案的展宽波形稳定,重复性好。

针对回波特性进行理论分析和数值模拟,讨论影响机载激光测深系统的最小可探测深度的各种因素和解决的技术途径。采用窄激光脉冲,高速探测器,小接收视场角,可以改善海表和海底反射信号的叠加。分析海表和海底反射脉冲的特征,提出采用双高斯脉冲拟合方法,从叠加的回波信号中分离海表、海底反射信号,降低机载激光测深系统的最小可探测深度,满足海岸带测绘应用。利用实验室模拟装置进行测量实验,利用提出的方法分离表面和底部反射信号,得到0.4 m的最小可探测深度。同时比较了雪崩二极管和光电倍增管的测量结果,两者的测量精度相当。

为计算和评估光斑矩参量阵列测试法的测量不确定度,以光斑矩参量积分表达式为出发点,推导了零阶近似下光斑矩参量的离散表达式,初步分析了光强分布数据中单元位置及探测光功率的测量不确定度。在此基础上,根据不确定度传递律,推导了阵列测试法下光斑矩参量测量不确定度的一般表达式。进一步得到了数种常用简化条件下的矩参量不确定度表达式,并进行了相应的分析。由此建立了光斑矩参量计算及其不确定度评定的一套完整方法。利用简化公式,对自行研制的激光光斑分析仪和通用的CCD面阵探测器的光斑矩参量测量不确定度进行了分析,给出了计算表达式。

用于星间通信的激光器具有接近衍射极限的激光波面,已有的波面测量方法,在这一具体测量问题中,都存在一定限制。双剪切波面干涉测量法在雅满横向剪切干涉仪的基础上,采用四块楔形平板,将干涉图分为上下两个部分,具有不同的条纹间距,由此求出波面高度和符号,同得到单幅干涉图的其它干涉测量方法相比,它的最小可测量波高减小一倍以上。在介绍干涉仪的基本结构和原理的基础上,模拟了像差存在时的干涉图,并在实验上得到了波高为0.3λ的初步结果。双剪切波面干涉测量法,可以目视判断波差的符号和估计量值,为等光程相干,适用于半导体等相干长度小的光源。

利用适当的坐标变换和黎曼方法建立了高斯光束在单轴晶体中布拉格衍射的严格的耦合波理论,获得了一组严格的耦合波方程和衍射效率计算公式,讨论了衍射效率随折射率调制量的关系以及波长选择性和角度选择性,同时分析了衍射效率对再现光宽度的要求。模拟计算表明,异常光与异常光(ee)型布拉格衍射能够达到的最大衍射效率由记录时入射角决定,而且通过各参量的适当的选择,理论上ee型布拉格衍射能够在折射率调制量很低(如8.2×10-5)的情况下获得接近90%的衍射效率。该理论模型为如何在较低折射率调制量下获得较高衍射效率提供了理论指导。

提出了一种基于分子共振吸收滤波技术的水中布里渊散射频移的探测方法边缘探测方法。利用碘分子在水中的布里渊散射光谱范围内的两个对称的吸收峰,可以对光在水中的布里渊散射频移实现高精度的实时测量。对这一方法的原理进行了分析,给出了可用于实际测量的探测系统,并给出了用此系统得到的实验测量结果。还分析了测量系统的固有误差及测量灵敏度。结果表明,这一新方法与常规探测方法(如扫描干涉仪法)相比,具有实时性好、灵敏度高、测量精度高等突出的优点。

碳纳米管具有优异的场发射性能,是一种很有前景的电子发射源。实验使用印刷方法将碳纳米管制备于玻璃基底,并作为X射线源的阴极。阳极材料为铜,其顶端为半球形(半径为2 mm)。高压电源输出在0～19 kV之间可调。射线源工作真空度为1×10-4 Pa,利用流气式正比计数器测到了铜kα谱线,并且进行了连续4 h的运行。实验结果表明X射线源发光稳定, 碳纳米管可以作X射线源的阴极。最后提出了改进的X射线源结构。

介绍了在体观测肿瘤内注射吲哚氰绿(ICG),一种激光吸收染剂前后X射线衰减的实验结果。实验采用已种植两周的骨髓瘤细胞(SP2/0),质量为15～20 g的BALB/c小鼠作为动物模型,采用数字X射线成像系统作为监测药物在肿瘤内扩散的机制。系统工作在33 kVp,0.3 mA下,曝光时间4 s,采用1.5×放大倍率。实验研究的是通过灰度值反应出不同区域的X射线衰减,和周围正常组织和图像中没有物体的背景区域相比较,注射ICG前后肿瘤内的灰度值发生了明显的变化。实验证明,使用数字X射线成像系统能够动态、有效、非侵入地监测ICG在肿瘤组织内的扩散,从而达到优化治疗结果的作用。