基于虹吸原理,设计了一种动态化学腐蚀法的简易装置,用于制备近场光学显微镜光纤探针。在一般化学腐蚀法的基础上,通过改变虹吸管中水的流向和流速来有效地控制探针锥角和锥长,制备出多种形貌的光纤探针。与传统的静态化学腐蚀法相比,该法具有重复性高、探针形貌可控、操作方便、实验费用低廉、制备的探针表面光滑等优点。利用该装置,成功地制备出针尖尺寸50～300 nm,针尖锥角在16°～65°之间可调的光纤探针。同时,选择适当的液位差,通过一步腐蚀法制备出针尖尺寸小于50 nm,针尖锥角125°的双锥角光纤探针。并对可能的腐蚀机理进行了探讨。

基于衍射理论,采用更接近光盘实际情况的椭圆型信息符模型并利用光盘的线性叠加原理得到光盘衍射模型的解析表达式,对三种主流盘片的盘片倾斜对循迹系统产生的影响进行定量的计算与分析。采用差动相位方式循轨的DVD-ROM盘片随径向倾斜的偏移系数为0.06 μm/(°)。采用推挽方式循轨的DVD-RAM盘片循轨误差随径向倾斜的偏移系数为0.15 μm/(°)。在相同的盘片参量情况下,差动相位检测方法获得循迹误差比推挽方法受盘片径向倾斜的影响更小,在读取过程中差动相位检测方法可以获得更好的伺服精度。分析了DVD-RAM盘片预刻槽深度与循规误差信号受径向倾斜影响偏移量的关系。实验结果较好的验证了计算和结论。

借助于原子力显微镜研究了离子束溅射沉积工艺中入射离子能量对制备的Ti薄膜表面形貌的影响。对薄膜表面高度数据进行相关运算,发现在此工艺条件下制备的薄膜具有典型的分形特征,利用分形表面高度高度相关函数的唯象表达形式对不同能量下制备Ti薄膜表面的高度相关函数进行拟合,得到了薄膜表面的分形维数、水平相关长度、标准偏差粗糙度等参量。研究发现,入射Ar离子能量在300～700 eV之间薄膜表面的粗糙度随着沉积粒子的能量增加而增大,分形维数随着入射离子能量的增加而减少。另外,在得到的分形维数基础上对不同溅射电压下Ti薄膜的生长机制进行了初步研究。

为了提高制作偶氮苯微结构的实验技术,在偶氮苯聚合物的光致异构和光致取向特性的基础上,利用两激光束的新实验方案,运用比较简便的分步制作的方法,成功的在偶氮苯功能化聚合物薄膜表面“刻写”出二维的正方格子结构。提出了一个新的光异构取向场理论

采用射频反应溅射技术在硅(100)衬底上制备了未掺杂和掺In的ZnO薄膜。掠角X射线衍射测试表明,实验中制备的掺In样品为ZnO薄膜。用X射线衍射仪、原子力显微镜和荧光分光光度计分别对两样品的结构、表面形貌和光致发光特性进行了表征,分析了In掺杂对ZnO薄膜的结构和发光特性的影响。与未掺杂ZnO薄膜相比,掺In ZnO薄膜具有高度的C轴择优取向,同时样品的晶格失配较小,与标准ZnO粉末样品之间的晶格失配仅为0.16%;掺In ZnO薄膜表面平滑,表面最大不平整度为7 nm。在掺In样品的光致发光谱中观察到了波长位于415 nm和433 nm处强的蓝紫光双峰,对掺In样品的蓝紫双峰的发光机理进行了讨论,并推测出该蓝紫双峰来源于In替位杂质和Zn填隙杂质缺陷。

利用直流磁控溅射法制备了一种新型AgInSbTe相变薄膜。示差扫描量热(DSC)实验测定的结晶峰温度为193.92 ℃。X射线衍射(XRD)表明未经热处理的沉积态薄膜是非晶态,而经过200 ℃热处理,X射线衍射图出现衍射峰,薄膜从非晶态转变到晶态。同时,研究了晶态和非晶态相变薄膜的吸收率、透射率和反射率随波长的变化。测定了650 nm激光作用下的相变薄膜的记录性能,分析了记录功率、记录脉宽对薄膜反射率衬比度的影响,在同一记录脉宽条件下, 记录功率越大,反射率衬比度也越大;在同一记录功率条件下,随记录脉宽的增加,反射率衬比度也增大。结果表明,新型AgInSbTe相变薄膜在激光作用下具有较高的反射率衬比度,可获得良好的记录性能。

采用一种在色散位移光纤反常色散区产生平坦超宽超连续谱的方法。利用数值计算对色散位移光纤反常色散区高阶孤子压缩效应产生超连续谱展开了全面、深入的研究。结果表明,在色散位移光纤的反常色散区色散斜率(三阶色散)对超连续谱的形成起着决定性的作用;进一步研究表明,抽运脉冲的峰值功率及脉宽对超连续谱的谱宽和平坦度都有着重要影响,而高阶非线性效应对超连续谱产生没有显著影响。综合考虑以上因素,超续谱的谱宽和平坦度可以获得最大的优化。

研究了高斯常数高斯平滑连接的复合型变耦合系数定向耦合器的开关特性曲线。研究了耦合器各分段长度对开关曲线的影响。数值模拟发现,耦合器各组成部分的参量对耦合器开关曲线尾部的振荡及开关功率的大小均有影响,且呈现出一定的规律性。高斯型波导部分的相对长度以及直波导部分所占份额共同决定了耦合器开关曲线尾部的振荡大小,且开关曲线的振荡与耦合函数的傅里叶变换的振荡密切相关。

光纤的截止波长是光纤设计的重要参量之一。利用全矢量正交函数模型对空气孔辅助光纤的模式截止特性进行了讨论。分析表明

光纤法布里珀罗传感器复用、特别是串连复用的解调十分困难。为解决这个问题,从光纤法布里珀罗应变传感器的基本原理出发、在仅有两只传感器复用的基本条件下,深入分析了复用系统组合输出光强信号及其分布特性;研究了对其进行傅里叶变换的解调原理及具体实现方法,分析了因复用信号不满足傅里叶变换条件而在变换域产生的畸变,进行了计算机仿真解调。在此基础上,搭建了两只传感器的串连复用实验系统,并用此方法实现了两只复用传感器的解调,且传感器之间的相互影响小于5％。理论与实验表明,虽然传感器的复用信号不满足傅里叶变换的标准条件,且仿真与实验存在一定差异,但所提出的傅里叶变换方法,基本可用于光纤法布里珀罗传感器的串连复用解调。

为了简单直接地解调出光纤光栅的波长移动,提出了另外一种非平衡马赫曾德尔干涉仪的直接解调技术。用一只2×2耦合器和一只3×3耦合器组成非平衡的马赫曾德尔光纤干涉仪,作为光纤光栅的波长移动解调器。解调器输出的3路信号,互成120°相位差。通过对3路输出信号计算的方法,就可以直接解调出光纤光栅的波长移动。将3路信号采集送入计算机,用软件实现了信号的解调。测量结果表明,在干涉仪两臂长度相关5 mm时,测量动态应变的分辨率达到了0??51 nε/Hz1/2。还得到了输出信号的频谱和输入输出信号的关系。

简要分析了光纤布拉格光栅的温度响应及增敏原理,采用特殊耐高温有机聚合物对光纤光栅进行温度增敏封装,并通过改进光纤光栅的聚合物封装固化工艺,使用某种有机硅导热胶减小有机聚合物与套管材料的粘合度,消除了封装过程中由于聚合物材料不均匀收缩引起的光纤光栅反射谱啁啾化,实现20～180 ℃范围内光纤光栅传感器对温度高灵敏度测量。实验结果表明,聚合物封装光纤光栅传感器温度响应灵敏度在20～130 ℃为0.05 nm/℃,在130～180 ℃达到了0.22 nm/℃,并在两个区域保持较好的线性与重复性。此结构传感器封装工艺简单,易于实现,可用于高温恶劣环境下的温度单参量测量。

从图像压缩的角度分析了大孔径静态干涉成像光谱仪成像原理,并提出了一种新的遥感多光谱图像压缩方案。新方案利用大孔径静态干涉成像光谱仪推扫成像特点提出了一种低存储量,帧间小波域匹配的图像序列压缩方法,提高图像质量3～4 dB。为了保证图像的光谱信息在8倍压缩比下有效应用,系统采用了一种新的感兴趣区域(ROI)编码技术。感兴趣区域编码时,由于方案中采用率失真优化斜率提升,而不是比特平面移位,从而使图像在相同的光谱分辨率下拥有更好的空间分辨率。实验结果表明,算法大大保护了图像的光谱特性,在8倍压缩比下,满足了该类干涉多光谱遥感图像的质量要求。

星载干涉多光谱图像序列通过图像匹配实行定位形成光谱序列,相邻图像之间具有很强的相关性,与一般图像序列不同的是,相邻图像之间具有明显的平移特点。为了充分利用这一特点实现有效的图像压缩,同时减少编码系统复杂度,提出了一种新的图像序列编码方法, 通过小波域系数匹配算法检测出相邻图像之间的相对位移量,然后对差值图像进行类似于单幅图像的编码,从而提高了总体编码效率。本算法具有与相同单幅图像编码算法相当的低复杂度特点,只需要对单幅图像与模板的差值进行基于小波变换的编码,从而避免了基于三维小波变换的编码算法对系统存储量要求大以及编码延时大的缺陷。仿真结果表明,本算法比基于三维小波变换的编码算法效果更好。

针对无透镜傅里叶变换全息图数值再现过程的特点,提出了一套不同于以往的削弱或消除全息图0级衍射和孪生像的数字图像处理算法。该算法分为三步。首先,对所拍摄的数字全息图通过高通滤波实现衬比度增强预处理,以提高全息图的衍射效率并消除再现图像的0级衍射斑;其次,对再现图像进行带通及V型滤波,以降低背景噪声并使再现视场均匀;最后,对所得到的再现像进行平滑处理,通过小波滤噪和中值滤波进一步提高再现像的信噪比。实验结果表明,该方法只需记录一幅数字全息图,通过简单的数字图像处理,便可明显改善图像质量,尤其适用于无透镜傅里叶变换全息图的数值再现,并且更加实用化。

数字水印已成为数字作品版权保护的一种手段。数字水印是一种嵌入到图像、视频或者音频数据中的不可见标志,通过对水印信息的检测可以达到保护多媒体数据版权的目的。先前众多的水印算法大部分是基于二维操作的(如静止图像、视频)。基于虚拟光学信息隐藏理论提出了一种三维空间的数字水印算法。该数字水印算法能成为一种多媒体数据产权保护的有效方案。对算法的测试结果表明,该算法对于噪声叠加、剪切、有损压缩等常见的信号处理操作具有较高的鲁棒性。同时,该算法由于引入了虚拟光学信息隐藏思想,将虚拟光路的几何结构参量作为密钥,设计出了多重“锁”和多重“密钥”,大大提高了水印系统的密钥空间,仿真结果表明该算法具有良好的安全性。

应用菲涅耳衍射和全息理论,详细分析了无透镜傅里叶变换数字全息图的记录、再现方法和再现像的特点,分析了相移数字全息图的记录和再现方法,并进行了相应的实验验证。结果表明

器件损耗偏高是当前聚合物电光调制器的研究中需要解决的问题之一。在调制器的插损之中,波导传播损耗(包括吸收和散射损耗)的贡献举足轻重。特别是在追求高电光系数的材料同时,传播损耗也将会不可避免地增加。如何改善器件的损耗是聚合物调制器实用化的一个重要课题。为此提出了一种在波导包层中调制光波的设想。理论分析表明,这种方法能够大幅度降低波导传播性能,因而有助于改善器件损耗。由于包层中光波强度比芯层中要弱,因此在包层中调制光波会引起场模交叠因子的弱化,但是优化计算发现,通过调节波导的尺寸尤其是芯层厚度可以控制交叠因子使其弱化程度降低到最小,在最优的情况下,场－模交叠因子可达0.89。随着波导传播损耗的降低,器件调制区的长度可以做得更长,有助于进一步降低器件的半波电压。

从非线性薛定谔方程出发,在小信号近似下,推导并求解了光纤中扰动相位和幅度的演化方程,利用得到的扰动相位及功率增益的表达式,研究了初相位和频率对传输过程中扰动增益的影响。研究表明

相位共轭技术能够同时且高效地补偿二阶色散及非线性效应,且该技术同信号比特率、调制方式无关,是最有前景的色散补偿技术之一。理论分析了在高阶色散作用下,超短高斯脉冲信号在中距相位共轭通信系统中的传输演化特性,数值模拟了在二阶、三阶和四阶色散作用下,飞秒高斯脉冲信号在基于中距相位共轭技术的光纤色散管理链中的动态传输过程。结果表明,相位共轭技术和高阶色散管理相结合,不仅可以补偿和复原包括奇数阶和偶数阶色散在内的全部色散和非线性所引入的信号失真和畸变,而且能够减弱时分复用系统中脉冲之间的相互作用,使得信号在传输一个周期后恢复波形,从而提高了相位共轭系统对失真信号的补偿性能。

利用Giles模型对L波段掺铒光纤放大器小信号增益特性进行了数值模拟,模拟结果表明最佳铒纤长度并不是一定值,它随输入信号波长的不同而改变,较短的波长对应较短的光纤长度;在数值模拟、分析的基础上,分别采用7 m和9 m的L波段铒光纤构成长波段掺铒光纤放大器,通过实验测量,分析比较了它们的自发辐射谱以及增益和噪声指数,得到了光纤长度对L波段增益谱、噪声指数和自发辐射谱的影响规律;最后,辅以C波段掺铒光纤放大器加以分析,指出了适合于放大L波段信号的最佳自发辐射谱型。

偏振模色散是高速光纤通信系统的主要问题之一。在用偏振度作为反馈信号的动态偏振模色散补偿系统中,偏振度与差分群延时的关系对于准确快速的动态偏振模色散补偿很重要。推导出了准单色光波情况下任意波形和高斯脉冲的偏振度的数学表达式,理论分析了高斯脉冲情况下分光比、脉冲宽度和连续脉冲个数分别对偏振度与差分群延时关系的影响,并用10 Gbit/s归零/不归零伪随机码序列进行了实验,实验证明了理论推导和理论分析的正确性。实验还表明偏振度的大小与脉冲啁啾和光纤色散无关,从而肯定了将实际光脉冲化简为准单色光波分析的可行性。

在电调谐液晶法布里珀罗腔滤波器的连续调谐过程中,存在“透射峰跳跃”现象,影响器件的单调调谐性。为了改善器件的单调调谐性能,对此现象进行了分析,表明这是由于法布里珀罗腔干涉级次在调谐过程中发生改变引起的;进而给出了法布里珀罗腔透射波长λ,干涉级次m与腔内介质折射率n的关系,以及器件实际的有效调谐范围。当腔长为10 μm、折射率差为0.05时,就可以使器件的单调调谐范围达到整个C波段。数值模拟与实验结果相吻合。并针对改善器件的单调调谐性能,提出了几种可行的方案。

针对提出的一种光读出热成像系统,对其焦平面阵列的光学和热学特性进行了详细的分析,主要涉及法布里珀罗微腔两个反射面的反射率、可动微镜的温度响应、噪声等效温差以及响应时间四个方面。理论分析表明

对复合层微悬臂梁红外探测器进行了理论分析,并建立了相应的理论模型,实验研究了在硅基底上生长碳纳米管的吸热特性,优化设计了一种生长有碳纳米管的三层硅微悬臂梁谐振式红外探测器。该探测器基于复合层微悬臂梁的谐振频率随着微悬臂梁温度的改变发生漂移的特性,在一定的红外辐射下,微悬臂梁的温度会随着辐射光强的强弱而发生变化,从而根据微悬臂梁谐振频率的漂移而感知温度变化实现对辐射光的探测,利用碳纳米管的红外吸收特性,在二层微悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸收层,提高了微悬臂梁探测器的红外吸收性能。研究表明

采用时域有限差分法对光子晶体光纤导模的传输特性进行数值分析,通过该法可得到任意横向结构光子晶体光纤的色散特性和双折射特性。为提高精度,在计算中应用了各向异性完全匹配层作为吸收边界条件。光子晶体光纤的传输特性完全由其横向结构决定。用时域有限差分法对一类对称结构和两类非对称结构光子晶体光纤进行了数值分析,计算结果表明经合理设计的非对称结构光子晶体光纤中可存在较高的双折射(其双折射可达0.07)。表明时域有限差分法可有效应用于分析和设计具有特定色散和偏振特性的光子晶体光纤。

用特征矩阵法计算了光波在包含多种掺杂缺陷的一维光子晶体中的传播规律,与不包含缺陷的结构相比较,在禁带中形成缺陷模。缺陷模的位置、数目和强度不仅和缺陷的产生方式有关,还和缺陷位置处的光学厚度及折射率的变化有关。当掺杂缺陷的位置呈等间距时,相应缺陷模也呈等间距排列。随着掺杂缺陷光学厚度的变化,缺陷模的位置、数目也随之变化。保持掺杂缺陷光学厚度不变,掺杂缺陷折射率的变化将会引起缺陷模强度的变化,并存在一个最大值。缺陷模的出现一般使带隙加宽,尤其是掺杂介质的折射率与周期介质的折射率差别较大时更加明显。掺杂空气介质时可使缺陷模的透射率近似为1。

从理论和实验两方面研究了不同温度下球形液滴的彩虹强度分布及在粒度测量中的应用。研究结果表明折射率为1.33附近液滴在117°～134°散射角范围内的散射强度分布不是单一的二阶彩虹强度分布,而是二阶和五阶彩虹的干涉强度分布。基于散射强度频谱特点,提出了一种从干涉强度谱中重建二阶和五阶彩虹强度分布的方法

提出了一种用于振动研究的方法――频闪剪切散斑干涉照相法。该方法由于采用了剪切镜,能得到较为精确的散斑剪切图,提高了测量的精度,是一种用于振动研究较为理想的散斑照相的新方法。讨论了频闪剪切散斑干涉术的基本原理,给出了频闪剪切散斑图的全场分析的平均光强分析的解析式,并给出了实验结果。理论和实验都表明频闪剪切散斑干涉照相法要优于时间平均剪切散斑干涉照相法。该方法在全场滤波分析时,能给出任一瞬时物体振动信息,得到清晰的、高衬比的全场干涉条纹图,是一种实用可行的方法。

从超短高斯脉冲光束出发,根据复宗量厄米函数的性质,用理论解析推导的方法,给出了一组新的超短脉冲光束的解析解,称为超短复宗量厄米高斯脉冲光束。此脉冲光束解的每个频率分量都是复宗量厄米高斯光束,时间脉冲的形状是任意的,具有相同的衍射距离参量,并且可以描述短于一个光学周期的超短脉冲。对这种超短脉冲光束及其在自由空间中的传输过程进行了较为细致的研究,分析了超短复宗量厄米高斯脉冲光束的轴上光强、光强的横向分布、等衍射性质、脉冲极性反转、脉冲延迟等基本性质。讨论了引入缓变包络近似后出现的时空奇异性。

讨论了初始光场为压缩态而且原子场耦合系数随时间线性变化情形下的Jaynes-Cummings模型。具体研究了原子布居数反转、光场的压缩等随时间的演化性质,讨论了初始光场的压缩系数、压缩相位及耦合系数变化的快慢对这些性质的影响。结果表明,随着光场压缩系数的增大,原子布居数反转的崩塌回复现象的频率加快,回复值减小,且场中不再出现压缩性。当耦合系数变化较快时会加速崩塌回复现象。压缩相位增大时,则会减缓崩塌回复现象的频率,并使回复值减小。

利用多组态求解相对论性的Hartree-Fock-Roothan方程(HFR)方法计算了类氖离子(Z=13～27)2s22p6-2s22p53s能级之间跃迁的原子参量,包括类氖氩激光系统的能级,振子强度,自发辐射衰变速率,能级寿命,电子碰撞激发截面及电子碰撞激发速率系数等。以类氖氩离子为例,分析了等离子体内46.9 nm激光跃迁的粒子数反转的形成及谱线放大过程,讨论了其它几条谱线产生增益的可能性,分析了激光线振子强度随核电荷数的变化规律。根据获得的原子参量,计算了利用毛细管放电产生类氖氩和类氖氪X射线激光的放电参量,其中类氖氩毛细管放电的初始压强的范围为30～90 Pa,放电电流峰值为10～50 kA。理论计算结果为类氖氩X光激光实验分析,深入研究等离子体反转动力学,激光增益的估算及理论方案设计等提供了基本数据。