CS2是一种有毒气体,具有极难闻气味,对人体的伤害非常大。我国多个大城市要求对环境中的CS2进行准确、实时的监测,但传统的监测方法费用高,反应慢,很难达到实时要求。提出一种用差分吸收光谱法对CS2进行测量的方法,详细介绍了数据的处理方法,包括测量波段的选择,数据处理流程和谱线的非线性处理。通过对灯谱结构的分析,提出了利用灯谱在测量波段的固有结构,实现对标准吸收截面的非线性处理方法,有效克服灯谱固有结构影响的同时,提高了测量精度。利用该方法对三种不同浓度的样品池进行测量,获得了非常高的相关性。对南京市某区的CS2进行了实时、连续地监测,取得了良好的效果。

着重研究了采用斑点成像技术处理天文望远镜图像时,光学系统固定像差对图像恢复结果的影响。在详细研究各种恢复天文图像振幅和相位的理论和方法的基础上,建立了一个包括Labeyrie振幅恢复方法和Knox-Thompson相位重构方法的恢复扩展目标的斑点成像处理模型,分析了光学系统固定像差对系统传递函数相位分布和目标相位重构的影响:天文目标通过大气成像,固定像差将会被淹没在大气湍流随机起伏中,像差对相位重构没有显著影响。处理图像结果表明,斑点成像技术能同时消除大气湍流和望远镜系统固定像差的影响,得到高分辨力的扩展目标图像。还提出了一种消除光学系统像差的方法。

光栅光阀是一种基于微型机电系统(MEMS)工艺的光调制器,利用其表面具有的可选择的变形部分(可动光阀),提供衍射光栅,被应用于投影显示等领域。光栅光阀的光学性能决定其在投影显示系统中应用的成败。依据多光束干涉理论和衍射理论对光栅光阀工作状态的光学特性进行了详细的理论分析和计算机仿真。结果说明,光栅光阀在工作中处于“开”态时,可动光阀下降的距离应该是入射波长的1/4倍;设计时选择h=λ0/2,δ=λ0/4;当间隙处的反射率不同时,占空比对光栅光阀的光学特性有着不同的影响,给出了占空比与反射率的最佳组合值。

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)模是光子的轨道角动量本征态,它在未来的光镊、量子信息和计算等领域有潜在的应用价值。分别用两种记录介质全息干板和喷墨透明胶片制作了全息光栅。通过这种全息光栅在实验上产生了拓扑数从一阶到高阶的拉盖尔高斯模,同时观察到高阶模的空间不稳定特性。并且详细讨论了光栅制作过程中的各种控制参量如曝光时间及强度对光栅衍射效率的影响。

介绍了以汞包层光波导为传感探头的光纤液位传感器的原理及信号处理,其工作原理是利用连通器将液位的变化转变为汞包层光波导包层长度的变化。理论分析和实验表明,当光波导直径和光波长一定时,光功率衰减随汞包层光波导长度增加作线性增加。通过对汞包层光波导引起光功率衰减的检测,探头结构的优化设计以及探测器件的选型,可以获得实时性很强的高精度液位测量。实验测得10 m液位的最大测量误差为5.2 mm,理论分析的相对测量精度可达0.02%。该液位传感器的研制对于油库等易燃、易爆环境中的液位测量具有重要意义。

研制出以注入锁模光纤激光器进行时钟恢复、电吸收调制器(EAM)作光判决门进行信号再整形的新型全光3R再生器,成功地运行于40 Gb/s。理论和实验证明锁模环形激光器腔内放置的可调谐光滤波器的透射谱形状对时钟的脉宽有显著影响,超高斯透射谱的光滤波器利于获得窄时钟光脉冲,腔内放置这样的滤波器使恢复的时钟光脉冲谱宽达0.44 nm、脉宽6 ps、时间抖动小于1 ps。最佳选择用作光判决的开关门的参量,改善了开关门的传输函数,使其接近阶跃函数,并使得开关窗宽度达到最佳。对于被剩余色散恶化的40 Gb/s归零码信号进行了3R再生,再生后达到了无误码。

将波分复用技术与空间频率复用技术相结合,提出了新的光纤菲佐应变传感器波分频分复用方法:在粗波分复用(CWDM)的不同波段实现具有不同腔长的光纤菲佐应变传感器的空间频率复用。描述了基于该方法的光纤菲佐应变传感器复用系统的结构、原理及实验结果,讨论了复用技术中可能产生的串扰的影响及其解决方法。实验结果表明,该方法大大提高了光纤菲佐应变传感器的复用能力,可复用40个以上的菲佐应变传感器,且其应变测量精度达±5 με,可满足实际应用的要求。

提出了一种基于优化截取内嵌码块编码(EBCOT)的感兴趣区域(ROI)编码干涉多光谱图像压缩方法。小波变换后,对 1级分解的高频系数感兴趣区域即包含光谱信息区域进行垂直方向的分解,再对感兴趣区域进行比特平面提升。T1编码器对不同比特平面的编码过程(Coding pass)赋予不同的重要性权值,由高到低依次编码,T2编码器根据所得的比特率自适应地反馈控制T1的编码深度,最后进行率失真优化截取。实验结果表明,该方法提高了恢复图像质量,有效地减少了优化截取内嵌码块编码算法的计算量和内存使用量(bpp=1时,测试图像的整体、感兴趣区域和背景区域平均峰值信噪比均提高0.1dB以上,计算量和内存使用量平均减少40%和60%以上),编码方式适合干涉多光谱图像压缩系统硬件实现。

Alexander D. Klose将联合差分方法用于光学层析图像重建的梯度计算中,但给出的对光学参量的求导算法有局限,他的算法只能实现对边界点光学参量的导数计算,而无法实现对内部点光学参量导数的计算,会导致图像重建失败。在联合差分算法的基础上,研究了针对内部点光学参量的求导方法,给出了一种基于树形结构的对内部点光学参量求导的策略。具体实现时,为了降低计算复杂度,采用近似梯度计算方法。算法的仿真实验结果表明:该方法可以有效地实现对内部点光学参量的导数计算,提出的近似计算方法可降低梯度计算复杂度,提高运算速度,并可得到良好的图像重建质量。

为了大幅提高线阵CCD的测量精度,提出了一种全新的CCD使用方法。该方法是将N个像元间距为H的线阵CCD器件并排组合在一起,并沿像元线性分布方向以距离为H/N依次均匀错开排列。多个线阵CCD的感光电信号经多通道模数同步采集,保存到存储器中指定位置。然后,通过对所有CCD测量数据的分析计算来获得精确的测量值。分别采用单CCD和双CCD错排对长为30mm,直径为5.000 mm、8.000 mm、12.000 mm的三个标准杆件的直径进行了测量。结果表明,双CCD错排可获得两倍于单CCD的测量精度。该方法可从理论上彻底打破CCD像元间距的限制,并使线阵CCD的测量精度大幅度地提高。

为了适应大测试区的相位物体的测试研究和控制光学系统的成本,设计出双光收缩式径向剪切干涉光学系统。通过实验得到干涉条纹,用CCD摄入计算机,经Matlab编制傅里叶变换、相位去包裹和其他数值计算程序,解调干涉条纹的相位,计算出温度扰动产生的波面畸变量,它等于折射率变化引起的相位偏移值,用轴对称气体温度场重建方法,再现了气体温度场一个层面上的温度分布。实验结果与铜康铜微型热电偶单点测温相比较,两者相差不大。实验表明该系统具有较高的精度和测试灵敏度,适于环境温差较小的相位物体热物理量的测量。

介绍了一种利用光外差技术测量光电探测器超宽带频率响应的测试方法。将一个可调谐外腔激光器和一个固定波长的分布反馈激光器(DFB-LD′s)产生的激光输入到光电探测器进行混频。通过对可调激光器腔长的控制,可以在光电探测器产生从DC到上百GHz的拍频信号,在无需额外校准光源的情况下就可以进行光电探测器超宽带频率响应特性的测试,这是该方法最突出的优点。实验证明该方法比较准确、简便、易于操作。在实验中,对两个不同的InGaAs p-i-n探测器进行测量,得到器件的3 dB带宽分别为14.4 GHz和40 GHz。该测量方法对同类实验的研究和应用都具有实用意义。

在常规的条状一维位置敏感探测器(PSD)中,光敏区和位置电阻区是结合在一起的,器件的欧姆接触电极难以做得比较理想,因此器件的位置准确度和线性度也受到了不利的影响。而在梳状一维位置敏感探测器中,光敏区和位置电阻区被分成了梳齿区和梳脊区两部分,并且位置电阻区被设计成很窄的长条,即使掺杂浓度比较高,位置电阻也能做得相当大。这样条状一维位置敏感探测器接触电极上的缺陷就可消除。用两种不同的一维位置敏感探测器所测量的位置特性曲线证实了理论分析的正确性。测量结果还表明,梳状一维位置敏感探测器的位置准确度和线性度比条状一维位置敏感探测器有了显著的提高,梳状一维位置敏感探测器的平均位置误差从条状一维位置敏感探测器的55 μm减小到了26 μm,梳状一维位置敏感探测器的均方根非线性度从条状一维位置敏感探测器的0.94%减小到了0.09%。

基于真空中单电子运动模型,编程计算得到了高斯激光脉冲与初始位于激光传播轴上电子的相互作用结果。不同激光参量条件下,得到了电子的能量增益与激光强度、焦斑大小和脉冲宽度关系。结果表明,高斯激光脉冲焦斑较大时,电子没有明显的能量增益,高斯激光脉冲焦斑太小时,电子也没有明显的能量增益。电子的能量增益有一个最佳焦斑大小。在相同激光强度下, 电子能量增益的最佳焦斑大小随脉冲宽度的增大而增大,但最佳焦斑大小与脉冲宽度的比值基本上是不变的。

用化学气相沉积法制备了碳纳米管,进行了不同时间的球磨处理。用扫描电镜、拉曼光谱对其形貌和结构进行了表征。对不同球磨条件下的碳纳米管制备成阴极,进行了场致发射特性的测试。结果表明,高能球磨会对碳纳米管的形貌、结构及场致发射性能有明显的影响。球磨时间为0.5～1 h时,可以使碳纳半管变短而均匀,且场致发射电性能与未处理时相近,即有低的阈值电场和高的发射电流密度,从而使发射时在阳极上产生的荧光点密度大大增加,发光均匀。但研磨时间过长会改变碳纳半管结构,使其非晶化或石墨化,导致其场致发射性能和显示效果变差。

用高温融熔法制备了Eu3+掺杂摩尔分数为1%的(60-χ)Bi2O3-χGeO2-30B2O3-10ZnO(摩尔分数χ]5,10,20,30)系统玻璃。测定了玻璃的差热分析曲线、发射光谱与激发光谱。从发射光谱与稀土Eu3+离子光学跃起矩阵元的特点,计算了Eu3+光学跃迁的参量Ω2与Ω4。结果显示强度参量Ω2与Ω4随着GeO2量的增加而增加,表明材料的对称性降低, Eu-O键强增加,共价性增加。玻璃的软化温度随GeO2组份的增加而提高。在GeO2摩尔分数达10%时,析晶起始温度与玻璃软化温度的差达最大,约146 ℃,表明该玻璃的热稳定性最好。

准确测量和分析人眼的高级像差有助于更好地改善视觉,具有重要的实验和临床意义。测量了实际人眼的波前像差,分析了高级像差对人眼视功能的影响。像差数据由哈特曼夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分别对不同瞳孔的人眼进行测量而获得,视功能的评价方法采用了调制传递函数(MTF)、对比敏感度函数(CSF)、斯特雷尔(Strehl)比率。由人眼的波前像差数据和视网膜空间像调制度(AIM)曲线直接给出了视锐度值与对比敏感度值。矫正了离焦与像散后,被测者的平均视锐度值达到了1.0,对比敏感度在低频(20 c/mm)处约为52,高频(80 c/mm)处约为1; 矫正了前4阶像差后,平均视锐度值可提高到1.2,对比敏感度在低频(20 c/mm)处提高到96,高频(80 c/mm)处提高到7。实际人眼各不相同,达到理想成像需矫正高级像差的阶数也不同。矫正了前九阶像差后,均可达到理想成像,斯特雷尔比率值大于0.8。

研究了超短脉冲激光照射下LiF晶体的破坏机理及其超快动力学过程,利用扫描电镜和原子力显微镜等测试手段,观测了飞秒激光照射下LiF晶体的烧蚀形貌。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的对数关系确定了LiF晶体的破坏阈值,并利用非线性玻璃棒展宽脉宽,得到了800 nm激光作用下LiF破坏阈值对激光脉宽(50～1000 fs)的依赖关系;利用抽运探针超快探测平台,探测了LiF烧蚀过程中反射率的变化。采用雪崩击穿模型,并根据晶体材料反射率与材料的介电常量的依赖关系,通过数值计算,模拟了材料烧蚀阈值与脉宽的依赖关系及材料激发过程中反射率的变化关系。结果表明,理论结果与实验结果符合较好。讨论了飞秒激光照射下LiF晶体中导带电子数密度的变化规律,并解释了相应的实验结果。

研究了同成分掺镁铌酸锂晶体中的紫外光致吸收效应。通过对不同掺Mg浓度铌酸锂晶体的紫外光致吸收系数和双色存储灵敏度的测量,发现同成分掺镁铌酸锂晶体的紫外光致吸收效应具有Mg离子浓度阈值效应。只有当掺Mg摩尔分数大于3.0%时,从近紫外一直延伸到近红外波段的紫外光致吸收效应才显示出来。这一Mg离子浓度阈值效应进一步为双色存储灵敏度的测量结果所证实。该浓度阈值小于掺镁铌酸锂晶体抗光损伤效应的摩尔分数阈值4.6%。这种紫外光致吸收现象可能和掺镁铌酸锂晶体中反位铌NbLi浓度的急剧减少基本消失有关。

大多数军用和空间光学仪器的工作环境温度变化范围都较大,温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都将发生变化,同时元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化。由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT较大,环境温度对红外光学系统的影响显得尤为严重。因此在红外成像系统中不得不加入主动或被动补偿机构,以补偿温度变化造成像面移动所引起的系统性能的降低。利用衍射元件独特的温度特性实现红外光学系统热补偿设计的方法,设计了波段为8～14 μm、视场为16°的折衍混合红外光学系统。该系统使用硒化锌和锗两种红外材料,在-40～60 ℃的温度范围内的成像质量接近衍射极限,并且体积小、结构简单,重量轻。

目前国内用于激光标刻机的F-Theta镜头的工作面积一般不超过420 mm。国外虽有面积较大的F-Theta镜头,但结构复杂。通过初级像差分析,确定了镜头的初始结构参量,利用光学设计软件优化得到了工作面积为680 mm的F-Theta镜头,它由四片两种普通玻璃球面透镜构成,光学筒长不到100 mm,具有结构简单紧凑,聚焦性能接近衍射极限、线性畸变小的优点,满足大工作面打标的使用要求。

提出了一种基于斜光栅辅助的非对称耦合器型光分插复用器。运用复合波导的三维正交模式,对器件的三种可能的结构进行了理论分析,选出粗波导光栅型结构。利用耦合模理论,模拟了斜光栅的耦合特性并对其倾斜角进行优化设计。通过回波峰值设计法,将器件的工作波长放在波分复用信道之内,回波峰值波长放在波分复用信道之外,使得器件的性能大有提高。模拟结果表明器件的串扰可达到-30 dB,回波损耗可达到-25 dB。同时,器件的关键工艺容差较大,易于批量化生产。当斜光栅的倾斜角度在2.5°到4.5°之间时,器件的串扰低于-28 dB,回波损耗低于-22 dB。

提出了一种结构模型来分析由工艺引起的波导侧壁起伏对于聚合物波导光学梳状滤波器的滤波特性的影响。含氟聚酰亚胺高分子聚合物制备多级马赫曾德尔串联型光学梳状滤波器件的工作参量为中心波长1550 nm,波长间隔为0.8 nm,40通道的波长交错分离。模拟计算表明,对由高分子聚合物材料制备的多级马赫曾德尔串联型光学梳状滤波器件,其主要影响是增大了信道之间的串扰,中心波长1550 nm处的信道串扰由理想情况下的-40 dB降为-12 dB,极大地影响了器件的性能。在此基础上,提出一种改善光学梳状滤波器串扰性能的新结构,该结构由多级马赫曾德尔耦合器和微环共振滤波器串接构成,40个通道的串扰改善为-30 dB以下。

根据角域叠加原理,在石英玻璃基板上用全介质膜系实现了紫外区域全角度一维光子晶体反射镜的设计。采用两个不存在全角度反射带的一维光子晶体在角域上叠加,通过传输矩阵方法,从理论上计算合成光子存在全角度禁带,禁带波长范围328.95～352.11 nm,相对带宽为6.80%。实验上采用HfO2和SiO2两种薄膜材料,用电子束蒸发的方法在石英玻璃基板上制备合成光子晶体。若透射率在1%以下为光子晶体禁带,则禁带波长范围从331.2～350.4 nm,相对带宽5.63%。从而证明了角域叠加设计的正确性。

晶体会聚偏光干涉图包含了晶体特性的许多信息,建立偏光干涉图的定量分析方法可以使这些信息得到充分利用。基于双轴晶体折射时满足的波矢关系,导出了两折射光波相位差的精确计算公式。分析了光波在各界面折射时偏振态的变化,提出了会聚偏光干涉合成振幅的计算方法。针对任意取向的双轴晶体,计算了完整的偏光干涉图,反映了相位分布决定等色线、振幅分布决定消光影的规律。用数字图像模似了干涉图,并讨论了干涉图的变化情况。对4块不同取向的KTP晶片进行实验,实验干涉图与理论干涉图的特征完全一致,两者仔细对比可判断现有KTP晶体色散方程的优劣。

从超短高斯脉冲光束出发,根据拉盖尔多项式的性质,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,称为超短复宗量拉盖尔高斯脉冲光束。此脉冲光束解的每个频率分量都是复宗量拉盖尔高斯光束,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,分析了超短复宗量拉盖尔高斯脉冲光束的轴上光强、光强的横向分布、衍射性质、脉冲极性反转、脉冲延迟等。讨论了引入缓变包络近似后出现的时空奇异性。

量子信道中不可避免存在的噪声将扭曲被传输的信息,对通信造成危害。目前克服量子信道噪声的较好方案是量子避错码(QEAC)。将量子避错码思想用于量子密钥分发,能有效克服信道中的噪声,且无需复杂的系统。用六光子构造了量子避错码,提出了一种基于六光子避错码的量子密钥分发(QDK)方案。以提高量子密钥分发的量子比特效率和安全性为前提,对六光子避错码的所有可能态进行组合,得到一种六光子避错码的最优组合方法,可将两比特信息编码在一个态中,根据测量结果和分组信息进行解码,得到正确信息的平均概率为7/16。与最近的基于四光子避错码的克服量子信道噪声的量子密钥分发方案相比,该方案的量子比特效率提高了16.67%,密钥分发安全性是它的3.5倍。

利用玻色产生算符的逆算符及玻色湮没算符作用于压缩真空态来构造减光子压缩真空态,并通过计算减光子压缩真空态的二阶关联函数来讨论它们的光子反群聚性质。数值计算结果表明,在两种情况下所得到的减光子压缩真空态当湮没光子数k为奇数时均呈现出群聚效应,而当k为偶数时呈现反群聚效应。所呈现的反群聚效应对应的压缩参量η的取值区间与湮没的光子数k有关,在玻色产生算符的逆算符的作用下随着k的增加,反群聚效应对应的压缩参量η的取值区间扩大,在玻色湮没算符作用下则相反。同时,作出二阶关联函数随压缩参量η变化的曲线来描述减光子压缩真空态所呈现的反群聚效应的变化特性。

以(CH3)2Si(OC2H5)2为前驱体,采用溶胶凝胶与有机合成相结合的方法,制得稳定性良好的涂膜液。采用旋转涂膜法在掺钕磷酸盐激光玻璃棒端面涂制防潮膜,膜层固化后透过率达96.5%,获得的膜层表面粗糙度优良,均方根表面粗糙度(RMS)为1.659 nm,平均粗糙度(RA)平均为1.321 nm[在激光波长1053 nm,脉冲宽度1 ns条件下膜层的激光破坏阈值可达10～14 J/cm2。经过“神光Ⅱ”高功率激光器物理实验运行,膜层使用期为五年,并且已经在我国“神光Ⅲ”原型装置上试用。

水窗波段是软X射线进行生物活细胞显微成像的最佳波段,因此对于水窗波段偏振光学元件的研究有着非常重要的意义。用菲涅耳公式计算出在水窗波段内不同材料组合对应不同波长的最大反射率,模拟分析了多层膜周期和表界面粗糙度对多层膜偏振光学元件性能的影响。用超高真空磁控溅射镀膜设备,制作出2.40 nm、3.00 nm和4.30 nm波长处W/B4C多层膜偏振元件,并用X射线衍射仪对元件的周期厚度进行了测量,得到的测量结果与设计值偏差很小,可以进行实际应用。为水窗波段反射式偏振光学元件的研究提供了理论依据,同时也为相应偏振光学元件的制备确定了合适的工艺参量。