提出了光纤法布里珀罗(F-P)腔传感器的双通道双波长解调方法,并在此基础上建立了传感器的实验解调系统。理论分析与实验研究了双波长法解调光纤法布里珀罗腔传感器的基本原理,证明了双波长双通道解调法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差。根据已知的法布里珀罗腔传感器初始腔长和腔两端面反射率,从腔长变化的动态范围、线性、灵敏度等方面考虑,对工作波长以及线宽进行了优化设计。对双波长双通道解调系统进行了实验和数据分析,经最小二乘法拟合后的线性拟合度达到98.35%。实验结果表明:该方法可满足解调光纤法布里珀罗腔传感器在灵敏度、响应速度以及稳定度上的要求。

在弱渐变假定下,研究了抛物型渐变光纤传导模式的截止频率对折射率参量的依赖关系。采用矢量场法,得到了在弱导条件下传导模式的特征方程和截止频率的近似计算公式。引入了介电比γ,它是由光纤三个折射率参量所确定的常数。在弱导近似的条件下,归一化截止频率仅与γ这一个变量有关,任一渐变抛物型光纤的实际截止频率可通过γ而由归一化截止频率简单求得,从而找到了渐变光纤的实际截止频率与归一化截止频率间的联系。给出了归一化截止频率随γ的变化曲线,归一化截止频率随γ的增加而单调上升,但HElm模截止频率的上升规律与其他模式不同。

利用注入锁模光纤激光器进行时钟提取实验,成功地从40 Gb/s伪随机码信号中提取出了40 GHz时钟信号。实验中,在注入信号进入环形腔之前先通过一个马赫曾德尔(M-Z)干涉仪,提高了注入信号中时钟频谱分量的相对大小,从而有利于时钟信号的提取。首先从10 Gb/s伪随机码信号中提取出波形很好的10 GHz时钟信号,并在此基础上从复用后的40 Gb/s伪随机码信号中提取出了40 GHz时钟信号。

基于二元声学的方法提出了一种折射/衍射混合声透镜设计方案,该声透镜在对光声信号进行二维成像时体现出了极大的优越性,与单声透镜相比,除了有实时成像、成像焦深较大且可以利用时间分辨技术实现层析成像的优点外,还可以利用二元声学透镜独特的色散特性校正单声透镜的轴向色差,可以极大提高成像的分辨力。通过计算机模拟了有一定带宽的点声源通过该声透镜像面上的点扩展函数,与经单声透镜的结果比较,可以看出点扩展函数弥散斑得到明显改善,极大地消除色差对成像质量的影响。

提出一种基于位错点阵投影的三维数字成像方法,该方法以二维点阵结构光顺序照明参考平面和被测物体表面,通过分析分别投影在参考平面和物体上的点阵的成像过程,建立投射在参考平面和被测物体表面上的点阵中同一点在成像面上横向位置错动与被测物体深度之间的数学模型。依据此模型,通过计算相对应点在成像平面上的横向位移,可计算出物体的深度图像。二维点阵可以在垂直于光轴的平面内做横向和纵向的两维移动,以填补由于离散而丢失的其他空间点的深度信息,获得高空间分辨率。实验验证了该方法的可行性,此方法对于拓扑复杂的表面和大梯度表面有较强的适应性。

提出了利用透射光谱结合优化算法来反演衍射光栅参量的新方法。利用衍射光栅两个对称级次(m=±1)的能量比来处理这种差异,实现光栅参量的成功反演。首先,在理想光栅(以正弦面型光栅为例)透射光谱曲线上叠加高斯噪声来模拟实验测量曲线,结合正单纯形法对该法进行模拟反演,所得结果非常接近真值。其次,对于体积相位全息光栅,利用实验测得的透射光谱±1级能量比,反演得到的各参量的相对误差不超过2%,这进一步证明了该方法的可行性和有效性。同时该方法具有无损伤、操作简便、可重复、易推广、成本低等优点。

考虑到抽运损耗、走离、色散和非线性等效应,用分步傅里叶方法求解耦合的非线性薛定谔方程组,就强脉冲信号在连续光抽运光纤参变放大器中的放大情况进行了理论研究。研究结果表明,强脉冲信号除经历振幅放大,脉冲时域展宽等过程外,还会发生令人感兴趣的脉冲分裂现象,即一个脉冲信号分裂为两个子脉冲。而且即使在连续光抽运的情况下,走离效应对强脉冲信号的放大也产生了显著影响,即促使两个子脉冲振幅不等以及脉冲漂移。最后,强脉冲信号独特的放大特性用光纤参变放大器的饱和增益特性做了很好的解释,并指出脉冲分裂现象在信号抽样、脉冲压缩、光时分复用系统中有潜在用途。

为了实现对气液两相流的粒子粒径、空间分布及其速度测量,对激光干涉气液两相流测量技术(ILIDS)进行了深入研究,该技术是一种应用于气液两相流测量的新技术,其主要优点是不干扰流场和颗粒粒径、位置测量精度高。基于该技术所开发的图像自动处理方法可以利用普通粒子成像测量技术系统拍摄气液两相流的激光散射干涉图像,并利用图像卷积定位、傅里叶变换频率分析及其图像互相关测速等图像处理手段从干涉图像中自动提取粒子的位置、直径和速度信息。为了验证该方法的测量精度,对喷嘴生成的气水两相流进行了测量实验,得到了喷嘴出口处不同区域的粒径、速度矢量的空间分布,并将测得的速度矢量与用粒子成像测量技术方法测得的结果进行对比,证明两种方法测量的平均速度差别仅为0.38％。

报道了用光纤马赫曾德尔干涉法测量极化聚合物电光系数的方法和原理。该方法不仅可以测量聚合物薄膜的电光系数而且可以测量聚合物波导的电光系数,并且该方法可以同时测量聚合物的电光系数张量元r13和r33。该方法最突出的优点是不必在聚合物薄膜的表面制备第二个电极,因此尤其适合于在电光聚合物试制阶段测试聚合物的电光系数。干涉仪的输出被反馈到参考臂中控制相位偏置点的压电陶瓷,从而实现对干涉仪相位偏置点的闭环控制,因此降低了对环境稳定性的要求并且提高了测量精度。实际测试了极化聚合物薄膜PMMA-DR1的电光系数张量,其测量值r13=8.3 pm/V,r33=257 pm/V。

设计了一种对透明液体浓度进行高精度测量的动态跟踪系统。该系统根据液体的浓度与折射率关系以及折射率与光纤法布里珀罗(F-P)干涉仪干涉光波波长、级次之间关系,通过测量法布里珀罗干涉仪干涉级次的变化量,获得液体浓度的变化量。系统中光源选用He-Ne激光器,波长为632.8 nm,输出功率为2 mW,法布里珀罗干涉腔反射面的反射系数为0.9～0.95,平行度为(1/10～1/20)光波波长,平面度为(1/20～1/100)光波波长,接收干涉条纹的器件采用电荷耦合器件(CCD),对电荷耦合器件输出的信号进行二值化处理时采用阈值浮动措施,消除光强波动带来的测量误差。通过对一组不同浓度酒精进行测量,该系统可识别出0.01℅的浓度变化。

提出了一种新的白光非本征法布里珀罗干涉(EFPI)光纤传感系统的干涉谱处理方法,在白光法布里珀罗干涉光纤传感系统中,一个中心波长为850 nm的发光二极管(LED)作为宽谱光源,HR2000高分辨力微型光谱仪用来测量返回的干涉光谱。通过跟踪干涉光谱中的特定谱峰点,法布里珀罗干涉传感器的腔长值可以被解调出来。应用反向传播神经网络,解决了单峰测量方式的级次模糊问题。反向传播神经网络能够分辨出干涉谱中不同谱峰的干涉级次,因而可以进行多个谱峰的连续跟踪。从而实现了高精密度、大动态范围的测量。进行了基于这种干涉谱处理方法的白光法布里珀罗干涉传感系统的应变测量实验。利用该传感系统实现了精密度达0.1 με,500 με范围的应变测量。

利用新型聚偏1,1-二氟乙烯(PVDF)压电传感器,实现了对激光引发的冲击波压力的实时测量,得到激光引发的冲击波峰压在铝中成指数型的衰减规律;观测了不同约束层材料在铝靶表面产生的激光冲击波,研究了不同约束层对冲击效果的影响;最后用激光冲击强化装置对7050-T7451航空铝合金结构材料进行了冲击强化处理,对试件激光冲击区存在的残余压应力及位错密度进行了测量。结果显示经激光冲击处理的试件表面具有极高的残余压应力,可达-200 MPa以上。激光冲击处理后铝合金的位错密度得到显著的提高,疲劳寿命提高到175%～428%。这些重要结果对激光冲击改性处理技术的实际应用具有指导性作用。

微光夜视仪的最大作用距离是它主要的技术指标和进行系统设计的主要依据。根据前人的研究,系统总结了微光夜视系统的视距公式。为改变微光夜视系统易受外界影响的缺点,一般需要再加入激光助视系统。加入激光助视系统之后光源的类型发生变化,视距公式也会随之发生改变,其中最主要的是光谱匹配系数的变化,还有照度、对比度、反射率等都随之发生变化。详细分析了加入激光之后视距公式中各因子发生的变化,为合理选择激光类型提供理论参考。并且估算了头盔式微光夜间驾驶仪(其中所用光电阴极为超二代管)在激光助视下的视距。验证了选取激光类型的合理性。

利用完全势缀加平面波局域密度泛函近似,计算了完整的白钨矿结构和斜钨矿结构的钨酸铅(PbWO4)晶体的电子结构;模拟计算了复数折射率、介电函数及吸收光谱的偏振特性。分析了各个吸收光谱的峰值所对应的可能的电子跃迁以及钨酸铅晶体的偏振特性。钨酸铅晶体的光学性质的各向异性反映了钨酸铅晶体的晶格结构的各向异性。计算结果表明:斜钨矿结构的钨酸铅晶体的光学性质与白钨矿结构的钨酸铅的光学性质之间存在明显的差异。这说明钨酸铅晶体是一种结构敏感的晶体;计算结果为研究钨酸铅晶体的光学性质与晶体结构之间的关系提供理论基础。

本征反射率是X射线衍射摇摆曲线计算机模拟的基础。用X射线动力学理论研究了组分不均匀对HgCdTe材料X射线反射率的影响。研究结果表明,横向组分不均匀性直接影响摇摆曲线的峰形,峰值反射率和半峰全宽随组分不均匀的增大而分别减小和增大,且与组分不均匀性的均方差近似成指数关系,但其积分反射率却基本保持不变;采用多层模型对具有线性组分梯度的HgCdTe半导体材料反射率的计算结果则表明,纵向组分梯度除导致反射率峰值强度下降外,还会引起摇摆曲线产生单边干涉效应,摇摆曲线的半峰全宽和干涉峰间距随组分梯度的增加而增大,而干涉峰间距与干涉周期之间的关系则随组分梯度的增加其偏离线性的程度增大。

用脉冲激光沉积(PLD)方法在Si(111)衬底上制备了ZnO薄膜。以325 nm He-Cd激光器为光源对薄膜进行了荧光光谱分析,用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)分别对薄膜的结构和形貌进行了分析。脉冲激光沉积方法的主要生长参量为氧压、激光重复频率、生长温度和激光能量。通过控制这些参量变量,研究了这些参量对ZnO薄膜发光特性的影响,得到了用于紫外发光的ZnO薄膜生长的优化条件:发现在温度为650 ℃左右、氧压50 Pa左右、频率5 Hz左右的范围内能得到半峰全宽较窄,强度较大的紫外发光峰。分析认为紫外峰主要是由激子辐射复合发光形成的,绿光带主要和OZn的存在密切相关,氧空位是蓝光发射的重要原因。

固体材料的激光制冷又称反斯托克斯荧光制冷,是近年来刚兴起的全光学制冷技术。该技术的核心问题是制冷材料的选择。以Tm3+掺杂离子为例,从理论上分析了最小制冷能级间距与激光抽运速率的关系,研究了不同抽运速率下制冷功率与能级间距的关系以及热光转换效率与能级间距的关系,获得了最佳热光转换效率与抽运速率的关系,结果表明,最小的制冷能级间距约为4500 cm-1,能级间距在5000～6000 cm-1的宽度是比较合适的。最后探讨了Tm3+掺杂材料用于激光冷却的可行性,并讨论了制冷基体材料的合理选择问题。

研究了两种新型D-π-D结构的芴类衍生物4-{7-[4-(二甲基胺)苯基]-9,9-二(2-乙基己基)-9H-芴-2-}-N,N-二甲基苯胺[缩写为B(DMAP)F]和4-{2-[7-(4-氨基苯乙烯基)-9,9-二(2-乙基己基)-9H-芴-2-]乙烯基}苯胺(缩写为BASF)在四氢呋喃(THF)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的线性吸收和单光子荧光行为,用脉冲宽度为38 ps,重复频率为10 Hz的1064 nm Nd∶YAG脉冲激光研究了两种化合物的三光子吸收性质,结果表明:受溶剂效应的影响,两种化合物在极性较大的四氢呋喃溶剂中的最大线性吸收峰和荧光发射峰都有所红移;在极性较大溶剂中三光子吸收截面的数值较大,最高达到10-76 cm6 s2数量级。两种新材料还表现出明显的三光子吸收光限幅效应,当入射光强为8 GW/cm2时,B(DMAP)F和BASF的非线性透过率分别达到35%和39%。

在不同刚性的聚合物基体聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯咔唑(PVK)和聚苯乙烯(PS)薄膜基体中掺入相同质量分数(均为0.003)的分散红13(DR13)偶氮染料。以线偏振连续Ar+激光(514 nm)作为控制光,连续HeNe激光(632.8 nm)作为信号光考察了具有相同厚度的三种样品在相同控制光功率(15 mW)下的光致双折射效应。实验发现刚性较大的聚乙烯咔唑基体样品的双折射效应最小,刚性最小的聚苯乙烯基体样品的双折射效应最大。在偶氮生色团光致异构的四能级模型基础上,建立一新的唯象的模型。在模型中引入描述聚合物基体刚性的参量s,通过数值计算描述了不同基体刚性参量s对偶氮生色团光致异构取向的影响。计算结果表明,基体的刚性越大,样品的光致双折射效应越小,定性地解释了实验现象。

具有反演对称中心的硅单晶在电场作用下体内的反演对称中心消失,因而理论上应产生偶数阶非线性极化率。从理论上根据矢量与张量的作用,利用χ(2)eff=χ(3)·E这一关系和张量变换理论系统地阐述了硅材料在内建电场或外加电场的作用下,具体在方向分别沿[111]、[110]和[001]的电场作用下,得到的等效二阶极化率张量χ(2)eff分别与C3v、C2v和C4v点群的二阶极化率张量具有相同的形式,说明在物理性质方面,硅的对称性由Oh群在相应方向电场作用下分别被降低为C3v、C2v和C4v群,因此应该具有相应对称性晶体的二阶非线性光学性质;提出了电场E沿任意方向时硅的等效二阶极化率张量χ(2)eff的计算方法,对研究硅材料和其他具有反演对称中心材料的场致二阶非线性光学性质实验具有指导意义。

利用光致变色材料的灰度分阶特性可以实现多阶光存储。以傅里叶光学和光致变色记录符的可叠加性为基础,采用霍普金斯标量衍射理论的经典归一化坐标,对光致变色多阶光存储中的光学串扰进行了理论建模和数值分析,作为后续电通道补偿设计的前提。数值计算结果表明:相邻记录符与盘基信号的交叉串扰项是光学串扰的主要成分,且随着中心距的增加,相邻记录符引起的串扰迅速降低;当无寻道误差时,邻道记录符引起的串扰可以忽略;高阶记录符引起串扰要明显高于低阶的串扰,且影响多阶存储的可分阶性;实验结果很好地验证了所建立的模型的合理性。

基于现有的DVD光头物镜与音圈电机,根据光致漂白的双光子吸收三维光信息存储原理,以钛蓝宝石飞秒脉冲激光进行双光子光信息写入和读出,利用音圈电机进行选层,在新型光致漂白材料二苯乙烯衍生物中进行光致漂白二进制编码信息的存储和读出实验研究;实现了三层光信息存储,信息点间距和信息层间距分别为4 μm和15 μm;用Matlab软件读出信息的信号强度并对其进行了识别,识别结果与写入的二进制编码信息完全一致。实验证明了用DVD光头进行双光子三维光数据存储的可行性,表明双光子吸收光致漂白技术可以与现有CD/DVD兼容,为实现多层高密度和超高密度光信息存储打下基础。

提出了利用量子约束斯塔克(Stark)效应制作具有调制功能的多模干涉型1×3分束器的设计思想,并详细分析了这种光分束器的工作原理。根据理论计算结果,制作了具有调制功能的多模干涉型1×3分束器。分束器的脊型多模波导长度为275 μm,宽度为10 μm,波导层采用GaAs/AlGaAs多量子阱结构,厚度约为0.2 μm;电极采用共面波导结构。首先用有限差分光束传播法模拟了器件的光波传播特性,然后进行了初步的实验验证。理论模拟和实验结果表明,波长为0.86 μm的高斯光束对称入射到多模波导的中心,器件实现了3分束功能;施加3 V的直流偏压,器件的调制深度达90%以上、调制带宽为2 GHz,实现了电吸收调制功能。

获得高量子效率且稳定性良好的阴极一直是近年来发展GaAs光电阴极的重要方向。对晶面为(100),掺杂Be,厚度为1 μm分子束外延生长的反射式GaAs发射层,设计了一种从体内到表面掺杂浓度由高到低分布的新型梯度掺杂结构。掺杂浓度的范围从1×1019 cm-3到1×1018 cm-3,并利用(Cs,O)激活技术制备了GaAs光电阴极。光谱响应测试曲线显示,与传统均匀掺杂的GaAs光电阴极相比,梯度掺杂的GaAs光电阴极的量子效率在整个波段都有提高,积分灵敏度可达1580 μA/lm,且具有更好的稳定性。讨论了这种新型GaAs光电阴极获得更高量子效率的内在机理。该设计结构是现实可行的,且具有很大发展潜力,它为国内发展高性能GaAs光电阴极提供了一条重要途径。

将时域有限差分(FDTD)方法用于非惯性坐标系下光子晶体理论研究,给出了非惯性坐标系下的差分方程和理想匹配层(PML)边界条件。设计了一个包含闭合环行腔和定向耦合器的光子晶体结构。定向耦合器的耦合长度为43a,这样的耦合长度既保证了闭合环行腔的高Q值,又保证了必要的频率分辨力。理论计算表明:光子晶体转动时,闭合环行腔里顺时针与逆时针方向传播的光有频差产生,此频差大小与光子晶体的转动角速度有关。

研究了双折射滤波片的滤波和调谐性质。利用矩阵方法和反射、透射系数,给出了波片两个界面的菲涅耳系数。利用相移公式和光线轨迹公式,由入射角和光轴方位角可计算波片精确的相移公式。将上述系数和这一波片的相移公式用于琼斯矩阵,得到透射率的本征矩阵。该矩阵的本征值即为波片的透射系数。由此,给出了波片的主要性质(特别是透射宽度),讨论了波片参量(入射角、方位角和厚度)对波片性质的影响。利用相移公式,讨论了波片的调谐性质,并给出了选择参量的最佳范围。对石英波片,最佳参量为:厚度约在1500～2000 μm,方位角大于45°,循环系数r尽可能大。在激光器增益较大时,选择较小的入射角。

水解钛酸四丁酯制备了二氧化钛胶体;采用静电自组装技术制备了聚电解质与二氧化钛胶体的复合薄膜;采用吸收光谱和荧光光谱对二氧化钛胶体及其复合薄膜进行了表征。吸收光谱显示,胶体的吸收带边蓝移,显示出量子尺寸效应,胶体的荧光光谱出现了多个发光带,最短发光波长位于371 nm,发光主要集中在蓝光区域内;在252 nm光源激发下,复合薄膜的发射谱带具有二氧化钛水溶胶的发射谱带的特征,荧光发射主要来源于二氧化钛,聚电解质的引入对复合薄膜的光致发光特性有一定影响。

在X光探伤系统中使用效率较高的CsI∶Tl晶体作为X光转换体。CsI∶Tl晶体对X光的响应关系是精密图像处理、定量测量所需的一项重要参量,理论上已经推导了CsI∶Tl晶体对X光的响应呈现线性关系,并针对性地设计了在60Co放射源上的定量测量实验,所获数据不仅充分证明了理论推导的正确性,还证明了相应系统的这种线性关系的线性度非常好。

介绍了X射线宽带多层膜材料W和B4C的选定方法,依据伯宁(BERNING)公式确定出了在0.154 nm处X射线宽带多层膜的最佳膜对数。引入适当的评价函数,利用具有全局寻优特性且效率较高的遗传算法,在波长0.154 nm处优化设计出了掠入射角(θ)0.5°～0.9°范围内反射率值达到40％的宽角度宽带多层膜。宽带多层膜反射镜采用磁控溅射方法制备,并用X射线衍射仪对样品进行了检测,结果表明在掠入射角(2θ)1.0°～1.8°之间的相对反射率光谱曲线比较平坦。

利用高计数率探测器和低功率光源,在大的能量范围内,同时测量了整体X光透镜的传输效率和焦斑直径与能量的关系。实验结果表明:透镜的焦斑直径随着能量的升高而减小;对04-5-10-5透镜而言,在高于5.8 keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而降低,在低于5.8 keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而增加。通过测量不同能量的X射线在透镜会聚光束中的空间分布,研究了短出口焦距透镜的光晕现象,光晕会导致透镜焦斑直径增大和传输效率测量值的增加。利用轴向扫描法研究了整体X光透镜出口焦距和能量的关系,实验结果表明:会聚透镜的出口焦距随着X射线能量的升高而增加。