根据扩展的相对论多组态狄拉克福克(Dirac-Fock)理论,采用“多功能相对论原子结构程序(GRASP2)”,考虑量子电动力学(QED)效应和布雷特(Breit)修正,选用二参量费米有限核电荷分布和扩展平均能级模型,并考虑组态间的相互作用和电偶极跃迁,计算了类锗Au47+、类铁Au53+的跃迁波长,跃迁几率和振子强度,计算的波长与实验值符合较好。研究表明,在类锗Au47+、类铁Au53+的跃迁中,3d-4f是一条较强的跃迁通道。计算所得的波长值对金等离子体的能级寿命、电荷态分布和平均电离度研究有一定的参考价值。

比较了在不同色散分布的色散渐减光纤中超连续(SC)谱的产生。结果表明,当光纤的色散值关于中心波长对称、且随着传输距离增加,经由反常色散区过渡到正常色散区的、凹形色散分布的色散渐减光纤更有利于产生平坦、带宽的超连续谱。从频域的全场方程出发,模拟了脉冲在光纤中的传输情形,发现脉冲在凹形色散分布的光纤中传输时,不仅在反常色散区能更大程度被压缩,在正常色散区由于存在零色散波长点,还能更进一步展宽,从而得到更宽、更平坦的超连续谱。在谱强为-27 dB时,谱宽可达到298 nm,比相同情况下的凸形色散的光纤中超连续谱增宽97 nm。结果显示,凹形色散分布的光纤比凸形色散分布的光纤在超连续谱的产生上有更明显的优势,可以得到更宽的超连续谱。

简述了光纤的声致折变机制,在复合光波导理论基础上讨论了光纤零耦合器与常规光纤耦合器的本质区别,指出零耦合器实质上是一段可以选择激励的双模光纤。从耦合模理论出发,求解了零耦合器中声致模耦合渐进方程组,给出了四端口光纤声光器件功率耦合的完整解析表达式,阐明了器件输出光的频移特性,解释了器件在声光谐振时具有的倍频声光调制、可调光移频、光滤波、光分束、光开关等功能。最后报道了器件作为可调光分束器或光开关的研究实例。

提出了一种在双掺杂铌酸锂晶体中用调制的双紫外光进行非挥发全息记录的方法。与通常的用紫外光敏化的非挥发全息记录相比,这种方法可以大幅度地提高光栅强度和记录灵敏度。联立双中心物质方程和双光束耦合波方程,数值分析了光栅强度和衍射效率随时间的变化并讨论了掺杂浓度和记录光强对紫外光非挥发全息记录机制下光折变效应的影响。研究发现,紫外光记录得到的深浅中心的光栅具有相同的相位,总的光栅(深浅中心光栅的叠加)强度为两光栅强度之和,固定过程中深中心的光栅得到增强;增大深浅中心掺杂的浓度可以提高光栅强度,增大记录紫外光的光强可以增加光栅的强度和记录灵敏度。理论模拟可以证实并预测实验结果。

提出了一种基于最大熵原理的正交二视角重建算法,该算法能够较好地重建多峰非对称待测场,且只需两个正交方向的投影数据。算法中融合了含有轴对称因子的先验知识,该先验知识可由两个正交方向的投影数据迭代算出,并分析了正交投影方向这个因素对重建结果的影响。通过计算机数值模拟,结果表明,融合先验知识的正交二视角重建算法与没有融合先验知识的正交二视角重建算法相比重建精度全面超出。其中,在两峰随机余弦高斯模拟待测场的情况下均方根误差减少了73%。在三峰随机高斯模拟待测场的情况下均方根误差减少了47%。该算法充分显示了在重建多峰非对称待测场时的优越性。同时,由于只需要两个正交方向的投影数据,可使实验系统得到简化。

在惯性约束聚变实验的过程诊断研究中,采用环形编码孔径成像技术可以同时获得高的空间分辨力和时间分辨力。获得高的空间分辨力的关键之一是如何准确地获得目标的点扩展函数。通常采用直接投影法。但这种方法忽略了X射线的衍射效应,因此限制了分辨力的提高。依据光的标量衍射理论,考虑X射线的衍射效应,导出了环形编码孔径的点扩展函数。并在此基础上制作了维纳滤波器。在激光等离子体重点实验室,用内直径为250 μm,外直径为260 μm的环形孔径板,对惯性约束聚变(ICF)的过程进行成像实验,得到了靶标的编码图像。采用以衍射为基础的维钠滤波器进行重构,获得的重构图像明显的优于用直接投影法得到的结果。

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明:无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。

根据数字近景摄影测量的特点,针对建筑物三维建模的需要,提出了基于灰度投影的影像匹配算法。该算法将影像行、列两个方向上的一维灰度投影,拓展为行、列、主对角线和次对角线四个方向上的一维灰度投影,计算左右影像的四个一维投影向量间的相似性测度的加权平均值作为最后的匹配测度。利用相对定向线性变换(RLT)算法来确定同名核线,以改进的动态定界法来控制待匹配点序列中后续点沿核线匹配的搜索范围,以减少匹配的搜索空间并提高匹配的准确度。利用该算法对建筑物数字近景摄影影像进行了实验,结果表明该算法具有较高的匹配速度和匹配准确率。

针对相移算法中以双光束干涉为基础的余弦依赖算法的算法误差,以菲佐干涉仪精密测长为应用背景进行了研究。利用干涉光学的基本原理导出了在多束光干涉(经光学面多次反射、透射)的情况下干涉光强随相位分布的精确公式;通过数值分析得出了在给定参量条件下忽略次级反射光所引入的光强误差达到14.4%;对余弦依赖算法所引起的光强误差分别就四步算法、五步算法得出了不同的依赖关系:由于四步算法比五步算法对光强误差更为敏感,因而五步算法具有更高的准确度;对于两个反射面均具有较高反射率的情况,必须考虑算法误差;当测长准确度要求不太高时,在两个或至少其中一个反射面反射率较低的情况下可以忽略算法误差的影响。

抽运光源是光纤拉曼放大器应用于密集波分复用系统的关键技术,设计了一种紧凑型的808 nm激光二极管抽运的基于钒酸钇(Nd3+∶YVO4)晶体1342 nm固体激光器模块,提出利用上述1342 nm固体激光器抽运基于光纤光栅的单级全光纤型拉曼谐振器获得1.4 μm激光输出的光纤拉曼激光器,分析了固体激光器的阈值特性、性能优化方法和单级光纤拉曼谐振器的设计方法。上述1342 nm固体激光器模块在抽运功率2 W时获得了最大655 mW的激光输出功率和42.6%的斜率效率,单级拉曼谐振器的1342 nm到1.4 μm光功率转换斜率效率达75%,在1425 nm、1438 nm、1455 nm和1490 nm处的输出功率达到300 mW以上。最后给出基于1.4 μm光纤拉曼激光器抽运的宽带平坦放大的光纤拉曼放大器的结构参量和性能测试结果。

采用Needle法,对全内腔绿光He-Ne激光器膜系进行设计,并给出了所设计膜系的光谱性能。利用离子溅射镀膜技术镀制了所设计的膜片并且给出了测量结果。制备了多种规格的全内腔绿光He-Ne激光器并且讨论了相关工艺。其中腔长420 mm的全内腔绿光He-Ne激光器的典型输出光功率为3 mW(单模),腔长360 mm的典型输出光功率为2 mW(单模),腔长240 mm的典型输出光功率为1 mW(单模),腔长100 mm的小短管子也能有0.1 mW的出光功率。

在氩气和氧气混合气氛下,近空间升华法制备了CdTe多晶薄膜。薄膜的结构、性质决定于整个沉积过程。深入研究沉积过程中的热交换、物质输运,有助于获得结构致密具有良好光电性质的CdTe薄膜。分析了近空间沉积的物理机制,测量了近空间沉积装置内的温度分布,讨论了升温过程、气压与薄膜的初期成核的关系。结果表明,不同气压下制备的样品,均有立方相CdTe。此外,还有CdS和SnO2∶F衍射峰。CdTe晶粒随气压增加有减小趋势;随气压的增加,透过率呈下降趋势,相应的CdTe吸收边向短波方向移动。采用衬底温度500 ℃,源温度620 ℃,在120 ℃的温差下,沉积时间4 min上制备CdTe多晶薄膜,获得转换效率优良的结构为SnO2∶F/CdS/CdTe/Au的集成电池。

研究了Ag-AAO纳米有序阵列复合结构的等离子共振吸收特性。结果显示,Ag表面等离子共振吸收峰位于λ=352～377 nm范围内,且可通过控制Ag纳米粒子的长径比使其吸收特性发生改变。若长径比增加,吸收峰位蓝移,强度增大,峰形变锐;反之,若长径比减少,吸收峰位红移,强度减弱,峰形逐渐宽化; 运用麦克斯韦加尼特(M-G)理论模拟的计算结果与实验规律基本相符,并较好地阐释了Ag表面等离子共振吸收峰的频移与其纳米粒子长径比之间的一些依赖关系。

研究了γ-辐照前后纯Y2SiO5和Eu3+掺杂的Y2SiO5晶体吸收光谱的变化,辐照后,未退火和氢气退火的纯Y2SiO5晶体在260～270 nm和320 nm波段产生了附加吸收峰,分别是由F心和O-心的吸收引起的;经过空气退火的纯YSO晶体中,由于消除了氧空位,因此辐照后没有出现色心吸收峰。在Eu3+∶Y2SiO5晶体中,不但有相同的F心和O-心吸收峰,而且还有Eu2+离子在300 nm和390 nm的吸收峰。随着辐照剂量的增加,色心附加吸收峰增强。空气退火能减少Eu3+∶Y2SiO5晶体中的色心,而氢气退火能增加色心。

稀土离子掺杂的氧氟玻璃是一种新型上转换发光材料。制备了Tm3+/Yb3+单掺、共掺的摩尔分数为n(SiO2)=0.30,n(PbF2)=0.50,n=(Al2O3)=0.15,n(AlF3)=(0.049-x),n(TmF3)=y,n(YbF3)=x(x=0,0.001,0.010,0.015,0.020,y=0,0.001)系统氧氟玻璃,研究了其上转换发光特性、分析了其上转换发光机理。研究发现,在970 nm抽运光源激发下,Tm3+单掺时没有可见光上转换发射;而加入Yb3+后产生了强的蓝光(452 nm,476 nm)、红光(647 nm)及近红外光(791 nm)发射,分别对应如下辐射跃迁:1D2→3F4、1G4→3H6、1G4→3F4和3H4→3H6;且随着Yb3+离子浓度的增加上转换发光增强。在970 nm光源抽运下用Yb3+敏化Tm3+可以显著提高其上转换发光强度,且随着Yb3+离子浓度的增加,增强了对抽运光源的吸收并提高了Yb3+到Tm3+的能量转移几率,从而增强了上转换发光强度。

激光微手术的精度通常受到热作用或者热机械效应间接损伤的限制。把激光脉宽调整到与吸收颗粒的热弛豫时间一致可以避免热副作用,可对所选细胞产生选择性处理。这里胶体金与牛肠硷性磷酸脂酶(Alkaline phosphatase,AP)结合物作为分析强吸收颗粒附近的蛋白质变性的模型系统,利用皮秒和纳秒激光对结合体进行照射,在一定的条件下可以使蛋白质失活,并可以使细胞膜的通透性提高。通过计算可知,采用脉宽为皮秒或者纳秒级的激光照射纳米吸收物(胶体金)时,颗粒很容易被加热到几百开,而且热效应仅限于几十纳米的空间范围内。利用纳米吸收颗粒进行激光微手术的方法,在蛋白质失活的情况下对其机理进行了分析。

提出一种新型的同心椭球构成的同心椭球(CEM)模型来模拟有核细胞,以瑞利德拜甘斯(Rayleigh-Debye-Gans)近似理论为基础,对细胞内不同部分的传播常量加以修正,用该模型代替球系列模型,研究其光散射特性。结果表明同心椭球模型更精确地反映了非球形有核细胞光散射的真实情况,同时其前向、侧向及后向光散射精细谱的呈现,可以在庞杂的细胞中辨别不同的细胞类型,较好的应用于细胞的变形性研究和细胞分类研究的领域。

研究了多层体系含负折射率层的光学传输特性,通过传输矩阵方法,给出了体系透射率的一般表达式,并讨论了含负折射率层的四层结构在入射角大于临界角时的反常光子隧穿现象。当体系参量完全匹配时,对于任意入射光波长及大于临界角的入射,透射率均为1;仅衬底层不匹配时,对于给定的衬底参量,透射率和入射波长无关,仅和入射角相关。对于TM波,存在多层体系的布儒斯特角,使得透射率等于1。对于TE波则没有类似现象;在衬底不匹配的情况下,提高出射端的折射率将增加体系的透射率;中间层的厚度或者折射率不匹配时,透射率关于匹配位置对称分布且随着失谐的增加指数衰减,随着入射角的增加,衰减速度加快。

研制了平行排列液晶空间光调制器(LC SLM)。论述了平行排列液晶相位调制的理论,进行了计算模拟。对液晶空间光调制器相位调制特性和振幅调制特性进行了测量,实验结果表明,在整个灰度级范围内是纯相位调制的空间光调制器,并且调制的范围可达到0.6λ。在ZYGO菲佐干涉仪上进行了精度特性的研究,得到了非常好的结果,在1 cm2的面积上,进行了畸变波前的调制,其精度峰谷值可达0.098λ,均方根值可达0.017λ。在此精度的基础上产生了π相位差的栅结构,证明了这种液晶空间光调制器可以很好的进行相位调制。

对由大行程变形镜和高空间频率变形镜组成的双变形镜自适应光学系统中的像差解耦原理和限定像差校正算法做了理论分析。认为在高空间频率变形镜的斜率响应矩阵中加入限定像差向量,根据直接斜率法分别计算出两个变形镜的控制电压,可以实现两个变形镜分别对低阶像差和高阶像差的闭环校正。仿真研究了19单元变形镜和61单元变形镜组成的双变形镜自适应光学系统对低阶像差和高阶像差分别校正的情况,结果说明双变形镜自适应光学系统的校正效果与理想行程的单变形镜自适应光学系统的校正效果相当,避免了制作同时具有大行程和高空间频率两个特征的变形镜。

单长周期光栅迈克耳孙(Michelson)干涉仪是由尾纤端面蒸镀高反膜的单根长周期光纤光栅构成。入射光经长周期光栅后,部分被耦合到包层中传输。经过包层和纤芯传输的光信号经尾纤端面反射后,重新耦合回到长周期光栅中,在光栅区域形成干涉。通过理论计算分析了各种因素对其光谱响应的影响。从实验上得到了干涉光谱的谐振峰波长位移与光纤段温度变化成良好的线性关系,测得其温度系数为31.3 pm/℃。表明这种结构可用于高温传感或作为波分复用滤波器。

采用求解薛定谔方程和数值计算方法,研究了V型三能级原子与双模奇偶纠缠相干光场相互作用过程中的光场压缩效应,讨论了压缩效应与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、系统失谐量、双模光场的平均光子数和原子基态概率幅的依赖关系。结果表明:光场压缩效应与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、失谐量、平均光子数和原子初态相关联:双模纠缠相干光场处于非纠缠状态时的光场压缩量比光场处于纠缠状态时要大;原子处在单纯的基态或激发态时光场都有明显的压缩现象出现;而原子初态中基态和激发态的概率幅较接近时无光场压缩现象;无论光场是否处于纠缠态,只有两模平均光子数接近时,光场才会出现压缩效应。

利用格林函数方法量子化色散吸收介质中的电磁场,针对由三层色散吸收介质组成的一维光学系统,研究其中光场的量子理论,借助起伏耗散定理给出色散吸收介质光腔中光场量子起伏的功率谱,并通过数值计算结果分析和讨论介质的色散吸收性质对光学器件工作性能的影响。结果表明,系统的工作状态与所选光场频率密切相关,并且每一区域中介质的色散吸收性不但影响自身区域的电场起伏功率谱,而且明显地连带另一侧介质中电场起伏功率谱的变化行为。此结果对于研究复杂的介质分布与结构体系在光通信、现代光学工程、微波技术等领域中的实际应用有着重要的指导意义。

极端条件下的传热问题是工程热物理研究中的重要课题。基于非傅里叶热传导定律,采用波函数展开法,研究了含圆柱缺陷非透明体中热波散射问题。基于热传导波动模型给出了物体中热波多重散射问题的一般解。温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热。具体分析了几何参量、各物理参量对温度分布的影响,特别分析了热波波长对温度变化的作用,并给出了温度变化的数值结果。研究结果可望为红外辐射技术、热波成像等问题的分析提供理论基础和参考数据。在检测金属材料缺陷空间分布的激光热波探测系统中应用。

用阳极氧化法新制备了多孔硅样品,以457.5 nm固体激光器为激发光源,在不同激发功率下,获得了拉曼谱图和一些谱峰参量随激光功率的变化关系。解释了520 cm-1和300 cm-1附近拉曼峰随功率变化的一系列可逆的实验现象:随激光功率升高出现的红移和非对称性展宽,主要是由于样品局域平均粒径变小而受量子限域效应的影响导致的;样品局域平均粒径在表面上的二维减小与随激光功率升高而导致的局域温升并不违背基本的热力学定律;高功率时520 cm-1附近双峰的出现是由于多孔硅样品局域平均粒径达到一定阈值而导致的纵模和横模双声子模的分裂。

空间调制干涉光谱成像仪不同于其他类型光谱成像仪,其像面上得到一维空间信息和一维光谱信息。由于其原理特殊,定标方法尚不成熟。介绍了一种用于空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的方法,即干涉光谱成像仪和光谱辐射度计同时采集目标辐射强度,复原采集干涉图得到的光谱图,与光谱辐射度计采集绝对光谱进行比对,得到定标系数,并分析了该方法达到的精度。结果表明:该方法可以满足空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的要求,定标精度达到5.74％。

软X射线波带片是软X射线光学中聚焦、色散和成像的重要元件。以激光全息离子束刻蚀技术制作金的振幅型软X射线聚焦波带片,以此为掩模,利用接触式同步辐射光刻和离子束刻蚀技术在聚酰亚胺衬底上,分别制作出了镍和锗的软X射线相位型聚焦波带片。