从简谐光波满足的亥姆霍兹方程出发,将由格林定理得到的介质分界面上的积分方程转化为以表面上的光波及其导数为未知量的线性方程组,并对其进行数值求解,实现了光场的数值计算。然后将这一方法应用于亚波长尺度的小孔衍射的光波以及自仿射分形表面产生的随机光场及其在近场区域范围内的传播的计算。在随机表面产生的光场计算中,提出了类比推导夫琅禾费面上散斑场自相关函数的方法产生随机表面,以及计算其导数的傅里叶变换方法。对光场的计算结果表明,在近场范围内,光场随离开表面的距离的增加而迅速变化,其传播特性完全不同于光场在远场范围内的传播特性。

根据惠更斯定理,给出了单轴晶体内双折射与全内双反射的光线方向和光波法线方向的普遍公式。并讨论了在晶体内沿多个面的连续双折射双反射,分析了前一界面输出量和后一界面输入量之间的联系,得到多次双折射双反射后的光线方向和光波法线方向。在此基础上,提出一种单块晶体集成的1×N电光开关,即把多个电光调制器安置在全反射面之间。由于双折射效应,寻常光和非常光有不同的全内反射;给不同的电极对上加上半波电压改变输入光的偏振状态,再使光通过不同数目的反射面反射,最后输出光就有不同的角度。具有结构简单、插入损耗小、抗干扰性强等优点。给出了1×4光开关的实例。

光学层析技术在温度、密度等流场的非接触测试中有着广泛的应用前景,然而光学层析的重建是非完全数据的投影重建,通常采用的代数迭代法不能很好地解决重建精度这一难题。为此提出了一种新的光学层析技术的代数迭代重建算法,在算法中引入了包含先验知识的属性矩阵,并摒弃了通常所采用的对超松弛系数人为的确定取法,采用了变超松弛系数。实验计算结果表明,引入属性矩阵和变超松弛系数的代数迭代法能够较好的重建非完全数据投影的待测场,极大地提高重建精度,较好地与实测结果吻合。

把相移法与光学彩色信息图像处理技术相结合,提出全场数字化确定主方向角的光弹性五步彩色相移法。其主要优点是采用最简单的白光平面偏振仪光学系统,由数码照相机采集五幅等色线与等倾线相互耦合的彩色条纹图,经计算机进行处理后,就可以得到[0～π/2]范围内单纯连续的等倾角相图;为了减少测量误差,在相移法中引入背景光强参与运算。对实验中存在的三种主要误差因素进行了定量分析,给出了具体的误差控制指标。用对径压缩圆盘问题的理论仿真模拟结果、基本实验和复杂平面及空间实际问题进行检验和对比,表明本方法是正确可行的。

采用布里渊噪声起源模型,数值模拟了受激布里渊散射介质CCl4对波长1064 nm的Nd∶YAG纳秒激光脉冲的传输特性及光限幅特性。入射抽运脉冲能量较低时,非线性介质对纳秒激光脉冲呈光学透明。入射抽运脉冲能量高于受激布里渊散射产生阈值后,透射脉冲峰值受限,脉宽压缩,能量趋于饱和,说明该光学系统同时具有光功率限幅和能量限幅的光限幅特性。利用理论模型模拟了如下光限幅参量

在光学参变振荡器中,角度或温度调谐方式的最大缺陷就是参变光波长变化较慢,调谐操作复杂;电光调谐方式具有调谐速度快,操作简单的优点。利用非线性光学晶体LiNbO3的电光效应,在1.064 μm Nd∶YAG激光器输出的抽运光作用下,切割角θ=47.5°,在垂直于1.06 μm抽运光偏振方向上加-4.5+4.5 kV直流电压,实现参变光波长调谐输出,输出光能量约为2.6 mJ左右,转换效率η≈17.3%。实验所得的参变光波长变化与调谐电压的线性关系与理论计算相吻合,为实现光学参变振荡器的快速调谐快速输出提供了一种可行的技术途径。

利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅,并对多模光纤光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析,表明这种光栅三个反射峰的布拉格波长随温度变化均呈现出良好的线性关系,并且重复性相当好,同一光栅的各反射峰的理论温度灵敏度系数都等于0.01 nm/℃,实验测得的温度灵敏度系数为0.0098 nm/℃或0.0099 nm/℃,与理论分析相当吻合,这些特性与单模光纤光栅的温度传感特性接近相同。因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅开发光纤光栅传感器,以降低成本;这一实验结果还可以作为对多模光纤光栅进一步深入研究的参考。

反射谱具有三角形形状的光纤光栅在光纤传感等领域中具有重要的应用前景。利用遗传算法设计出了产生三角形光谱分布的光纤光栅的耦合系数沿光纤的分布。计算表明,三角形光谱光纤光栅是可以实现的,其反射带宽可以通过光栅的啁啾量进行调节,常周期的三角光栅反射带宽小,变周期的三角光栅反射带宽大,其带宽同其啁啾量大致相等。实验中,采用光束扫描法制备了反射底宽为0.77 nm三角形光谱的光纤光栅。

提出了一种大幅度提高外腔式法布里珀罗干涉传感器干涉信号强度的方法,利用掺铒光纤放大自发辐射产生的光源代替一般宽带光源,同时由于掺铒光纤的放大作用可以放大干涉信号,将光纤法布里珀罗传感器的信号强度提高了4个数量级,因而利用该方法可获得很强的信号和较高的信噪比。介绍了基于光放大的外腔式法布里珀罗干涉传感系统的结构、测量原理及实验。实验结果表明该传感器的应变精度为±10 με,可满足实际应用的要求。该传感系统在大幅度提高传感器信号强度的同时并未提高系统的成本,因此有着较高的性价比和实用价值。

基于光纤布拉格光栅传感模型,提出了一种等强度梁与波纹管相结合的高灵敏度的光纤布拉格光栅压强传感器,推导了光纤布拉格光栅反射波中心波长相对偏移量与压强之间的解析关系式,从理论和实验上给出了压强灵敏度系数。该传感器的理论和实验压强灵敏度系数分别是1.476×10-2 MPa-1、1.35×10-2 MPa-1,是裸光纤光栅的7455倍和6808倍,理论值与实验值吻合得很好。同时指出通过调节等强度梁和波纹管的参量,可以将该传感器的压强灵敏度系数做得很高,直至破坏了光纤布拉格光栅。

采用自行研制的掺Yb3+单模光纤和新颖的全光纤连接方案,实现了1060 nm窄线宽、环形腔光纤激光器的成功运转。从理论和实验上探讨了耦合器输出比对激光器输出性能的影响,对不同光纤长度所构成的激光器进行了实验研究,发现在现有实验条件下12 m为最佳长度。入纤抽运阈值功率约为30.2 mW,当入纤功率达最大值42.8 mW时,得到最大激光输出7.5 mW,半峰全宽≤0.2 nm,相对于入纤抽运功率的斜率效率为61.7%。

提出了一种以集成光学声光可调谐滤波器作为分光元件的新型光谱仪,并详细介绍了这种光谱仪的具体特性。通过对这种光谱仪的特征方程、点扩展函数以及色散本领的详细分析,指出该光谱仪的分辨本领与器件的声光作用长度成正比,也与它的级联级数的平方根成正比。因此增加器件的声光作用长度比增加它的级联级数能更有效地提高光谱分辨率。另外还指出,准共线声光耦合是抑制侧瓣、提高分辨本领的有效途径。测试表明,当声光相互作用长度L=25 mm,声波导和光波导的夹角θ=0.42°时,在中心频率174 MHz附近可获得带宽1.44 nm,一级侧瓣-13.2 dB,模式转换效率大于99%的结果。

光纤光栅作为一种新型的传感器件,有着巨大的应用价值。利用长周期光纤光栅的滤波特性,提出了一种可应用于光纤光栅传感解调的新方法。即利用长周期光纤光栅作为边沿滤波器的基本器件,可完成一路或者多路光纤光栅的传感波长解调。该解调方案基于光强度测量,适用于动态和静态测量。而且由于采用全光结构设计,无须机械部件调谐,因此,可大大提高解调速度。具有系统反映迅速,性能价格比高等优点。经实验,实现了在5 nm范围内的波长线性解调。测量波长分辨极限为0.002 nm,解调速度数十kHz。

在绝缘层上的硅材料上制作了四种具有不同输入输出结构的星形耦合器并进行了测试,对脊形波导与平板波导相互过渡时过渡区的损耗问题进行了研究和讨论,计算得到在所使用的材料参量下利用锥形结构可以得到1 dB左右的最小损耗,这一损耗是由于脊型波导与平板波导间的模式失配造成的。以文献中的实验数据为出发点,分析了脊形波导的偏振问题,并通过对脊型波导器件层厚度、脊高、脊宽进行优化设计,得到了不同偏振模式的有效折射率差仅为10-5量级的单模脊型波导结构,这样的偏振效应在器件设计中可以忽略。

采用变分法分析高速色散控制孤子在双折射光纤中的传输规律。首先建立了色散控制孤子在双折射光纤中的扰动传输模型,然后解析了偏振模色散影响下色散控制孤子各参量的传输演化规律,最后对解析结果进行了计算。研究结果表明,偏振模色散参量对色散控制孤子能量、脉宽的演化影响很大,当偏振模色散很大时,如Dp>0.3 ps/km1/2时,必须考虑采用某些在线控制手段来有效抑制偏振模色散对传输系统的影响,然而,当Dp≤0.1 ps/km1/2时,系统几乎不受影响,同时本文还证明了色散控制孤子抗偏振模色散扰动的能力强的这一特点。为研究偏振模色散对高速非线性传输系统、特别是色散控制孤子传输系统的影响提供了理论依据和研究方法。

通过系统分析光纤光栅的耦合模理论,探索、优化光纤光栅的制作过程,研制了满足ITU-T建议波长的优质光纤光栅。用双透镜和扫描移动平台结合相位掩膜板研制的光纤光栅分别成功实现了4×10 Gb/s-400 km和4×10 Gb/s-800 km普通单模光纤传输系统的色散补偿,功率代价均小于2 dB,且最佳功率代价为负值。同时对4×10 Gb/s-800 km普通单模光纤传输系统的偏振模色散实施长时间的监测,系统偏振模色散小于10 ps,提出了发展10 Gb/s的光通信系统更符合目前我国国情的见解。

总结了线性、二次和双曲等有限域内的代数同余运算在光码分多址系统中的应用,将代数同余码分为三类

选择了合适的测量方式,建立了铝漫反射板的相对双向反射向反射分布函数的测量装置。通过实验研究铝漫反射板的相对双向反射分布函数在不同情况下的性质表明

设计了一种新型同面相位补偿型等腰闪耀光栅。等腰设计保证了正负衍射级对称分布在光栅法线两侧;通过优化设计同面相位补偿槽的大小,可使衍射能量向中间级次转移,只保留两个衍射极大值方向,抑制0级和高衍射级能量分布,避免能量的浪费,而且降低了高衍射级次光线因刻线阻挡导致的散射噪声,解决了加工对准与多次衍射的难题。通过理论建模和计算机仿真,分析了与反面相位补偿等腰闪耀光栅的差异,绘制了典型的衍射光强分布图。另外,还探讨了这种新型等腰闪耀光栅的灰度掩模二元光学加工方法。

叙述了激光与材料相互作用过程中引起相干受激光散射的机制,以及形成材料表面波纹的特性。在激光波长1.06 μm、能量15 mJ、光斑直径2 mm、脉冲半峰全宽约10 ns和入射方向为布儒斯特角的条件下,进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。在脉冲激光辐照硅材料表面功率密度略大于材料损伤阈值的条件下,发现了硅材料表面形成的平行等间距直线条纹结构。用光学显微镜和原子力显微镜分别测量了被辐照硅材料表面的波纹形貌特征。在假设硅材料表面波纹的产生与声波在材料中的传播速度有关的条件下,由声波传播速度和激光辐照硅材料的脉冲宽度较好地解释了材料表面形成条纹的宽度,并认为在形成表面波纹的过程中,热应力起主要作用。

利用多光束干涉原理的等效腔模型对四分之一波长多层介质镜进行了研究。证明在反射镜中心频率ω0附近,形为ρ(ω)exp[iψ(ω)]的反射系数中的ρ(ω) 等于ρ(ω0),ψ(ω)与频率成正比。求得了在介质具有微弱吸收情况下,吸收引起的四分之一波长镜反射下降和反射时延的表达式,研究了反射率下降以及反射时延与膜层数目的奇偶性的关系。在此基础上还引入了一个具有一定普适性的权重因子,通过这个权重因子可以定量描述镜子中各层对多层介质镜反射率下降、反射时延等重要特性的影响。

利用阳极氧化铝的纳米多孔阵列结构特性,将金属Cu电镀到氧化铝的孔中,得到含有金属纳米阵列的氧化铝膜。实验发现,这种氧化铝膜确实象金属线栅偏振器一样表现出偏振特性,是一种新型微偏振器件。它在波长大于500 nm时吸收很小,在波长为1.5 μm时有高达67.1%的透射率和25.6 dB的消光比。该氧化铝膜的偏振特性与阳极氧化和电镀条件有关。随着电流密度的增大,金属柱增多,光学损失增大,透射率降低,而偏振度增大。但是当电流密度增加到某一数值时,偏振度降低。通过优化制备条件,可得到高效率的氧化铝微偏振器。这种微偏振器制作简单,体积小,在光电通信领域有着非常广泛的应用前景。

讨论了膜厚监控系统的光谱宽度对波分复用窄带滤光片特性的影响,分析了监控过程中所出现的信号异常现象,其主要原因是控制光光谱宽度以及控制波长与滤光片中心波长不一致,所以控制光光谱分辨率必须小于单个法布里珀罗滤光片最后2层膜折转点波长宽度的一半,即对100 GHz的滤光片,监控系统的光谱宽度必须小于0.2 nm。一旦产生中心波长偏离,就必定产生厚度控制误差。讨论了高折射率膜和低折射率膜的信号变化规律,发现当中心波长比监控波长长时,虽然信号变化规律正确,但判读到极值时的膜厚变薄。中心波长偏离越长,厚度将越薄。而当中心波长比监控波长短时,信号将出现反转。中心波长越短,反转量越大。最后指出了监控误差对滤光片Tmax和半峰全宽的影响。

光外差磁旋转浓度调制激光光谱技术属于一种高灵敏度的吸收光谱测量方法,可以用于瞬态分子和激发态分子光谱的检测。采用这种技术分别在16400～16650 cm-1和17450～17750 cm-1波段内直接观测到CO三重带系d3Δ←a3Π(4,0) (5,0)振转吸收光谱。这种跃迁的上态d3Δ1(v=4),d3Δ2(v=4),d3Δ1(v=5)分别与A1Π(v=0),D1Δ(v=0)和A1Π(v=1)态存在微扰相互作用。通过对所测量到的CO三重带系(4,0) (5,0)振转谱带作了包含微扰相互作用在内的分析,获得了上态d3Δ(v=4,5)的精确的分子转动光谱常数。

调制传递函数是评价光学成像系统成像质量的重要方法,因而测量光学系统的调制传递函数在各种成像光学系统生产实践中具有相当重要的作用。但是长期以来,投影显示设备的生产中缺少能够定量的检测投影物镜性能的标准化方法。根据线性系统和傅里叶变换的理论,结合液晶投影机投影物镜生产、检测的实际需要,提出了应用CCD图像采集系统的投影物镜调制传递函数测量方法,为生产实践提供了可行的定量判断投影物镜性能的手段。给出了实际物镜的检测结果,并与物镜的设计参量进行了比较,同时对影响系统测量精度的一些因素进行了分析。

采用液相外延工艺成功制备了Tb3+∶YAGG单晶荧光层,研究了Tb3+激活YAG主晶格外延层中Ga3+掺杂的荧光敏化效应,可以看到在Tb3+荧光得到显著增强的同时,外延荧光层发光的饱和特性也有所改善。实验中观察到了Ga3+掺杂后基质晶体吸收边缘向长波方向展宽,并与Tb3+的7F6-9E、7E典型吸收峰发生交叠的现象,用基质与Tb3+之间的声子耦合解释了上述Tb3+∶YAGG外延层中所存在的能量传递、荧光敏化现象。基质与掺杂激活中心间能量传递机制的建立将会为基于YAG主晶格的高效荧光材料研究提供一个新的思路。

分析了彩色负片印片颗粒指数σper实际测试中不同性能负片的测试特点和影响因素。印片颗粒指数的测试点应根据彩色负片的感光特性确定,为正常扩印时对应正片0.74中灰密度的负片密度点。影响印片颗粒指数值的两个主要因素是彩色相纸的反差修正系数a和彩色负片的覆盖力系数ECP;建立了a和ECP的实验求取方法,并通过对几种负片参量的实际测定,分析和说明了参量变化对印片颗粒指数数值的影响程度和应进行的修正。

光束传输M2因子是表征激光束的有用参量。利用矩形函数的复高斯函数的近似展开方法,给出部分相干光通过硬边光阑后强度二阶矩的近似计算公式,由此可得到部分相干光通过硬边光阑后的推广M2因子。以有振幅调制和相位畸变光束为例,推导出相应的推广M2因子的解析表达式,通过数值计算对提出的近似算法的计算精度进行了分析。研究结果表明,使用该近似方法计算得到的推广M2因子的计算误差小于1％,且通过该方法可直接得到相应的近似解析计算公式,从而使计算得以简化,并有效地提高了计算效率。

简要分析了单块非平面环形腔单频激光器的基本原理,并采用琼斯矩阵计算了单块单向行波非平面环形腔内的本征偏振态。深入分析了磁场强度、输出面偏振反射系数、入射角、非平面角及腔内其它参量对各本征偏振态的损耗及两本征偏振态间损耗差的影响,并且指出如何选择各参量以降低本征偏振态的损耗且增大两本征偏振态间的损耗差。最后还通过计算晶体应力在两个本征偏振态方向引起的相位差,讨论了应力作用方向以及应力双折射系数对腔内本征偏振态的损耗和两本征偏振态间损耗差的影响。

详细研究了双折射滤光片在宽带增益激光器腔内倍频中的作用以及双折射滤光片在腔内位置对倍频效率的影响。以钛宝石激光器为例,实验分析了不同厚度的双折射滤光片对基频光线宽和倍频效率的影响;以及腔内倍频中,热效应的来源、双折射滤光片对热诱导相位延迟的补偿、双折射滤光片在腔内的最佳位置。实验发现,双折射滤光片不仅可以压缩基频光线宽,还可以有效补偿腔内元件的热致双折射,减小腔内损耗,大幅度提高腔内倍频效率和激光的稳定性。

串扰是限制密集波分复用网络扩展的一个重要因素。理论分析了三种典型光交叉连接中的串扰。结果表明基于扩展贝奈斯光交换结构的光交叉连接可以完全消除低于二阶的各类串扰,同时,若将可调谐的窄带滤波器引入到结构2中可以消除低于三阶的各类串扰。用数值模拟的方法分析了带内串扰对强度调制―直接检测网络扩展性的影响。结果表明,基于扩展贝奈斯光交换结构的光交叉连接对器件串扰系数的要求得到了很大的放宽,用它来组建的密集波分复用网络具有很好的扩展性。串扰多是由构成光交换节点中各种器件的非理想性造成的,通过分析得出器件中产生的串扰可以从系统中得到很好的解决。