根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R 湍流大气结构常数模型,将水平传输的修正里托夫方法推广到了斜程传输问题中。导出了高斯波束入射时,在零内尺度湍流谱模型及考虑湍流内尺度效应和外尺度效应条件下,从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程里托夫方差变化的计算公式。讨论了不同传播高度、不同湍流内、外尺度对高斯波束斜程传输闪烁指数的影响。最后将有关数值计算结果与实验测量结果进行了比较和验证。

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板,不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩,同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中,使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾,而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。

对40 Gb/s光纤通信中归零码和非归零码光脉冲的偏振度随二阶偏振模色散的变化规律进行了数值模拟,结果表明由于二阶偏振模色散的影响,偏振度的变化趋势呈现出震荡性,二阶偏振模色散对归零码的偏振度要比非归零码的偏振度影响明显;同时搭建了偏振模色散补偿系统,对系统进行数值模拟和实验所得到的结果都表明,以偏振度作为反馈信号,采用粒子群优化算法作搜索算法能够有效地对归零码和非归零码系统的一阶及高阶偏振模色散进行自适应补偿。

按晶体波片的快轴与水平方向成0°、45°、0°、45°顺序排列构造四波片偏振控制器。固定各波片的快慢轴,利用模拟退火算法进行反馈控制,通过改变各波片的相位得到所需的偏振态。仿真结果说明,利用模拟退火算法进行负反馈控制,其收敛速度较快,收敛后光强波动小于2%;该控制器能在各波片相移范围限制在0～2π情况下实现偏振态的无端控制。为消除可能出现的复位死角,在模拟退火算法基础上加入强制无端复位方法,复位过程稳定。控制过程中该控制器各波片的相移步长可变,但寻优过程中最大步长不超过3.36°,强制复位过程中最大步长不超过18°,因此控制电压的变化平缓。

为了克服在非平稳信号分析中傅里叶变换的全局性缺陷,以及窗口傅里叶分析的单一分辨率和伸缩窗口傅里叶分析的尺度不确定性问题,采用伽博解析小波变换技术对空间载频光栅条纹进行相位分析,有效地提取出相对于载频条纹基频的完整相位信息,从本质上解决了上述问题。以三维轮廓术为例,与傅里叶分析进行了对比研究,给出了小波分析应用在空间载频条纹相位分析中详细而完整的理论推导证明、计算机模拟以及实验验证结果。

二维相位展开方法是近年来较为活跃、引起关注的一个研究课题,它在许多测量应用中有着重要的作用。尽管掩膜阻断算法在多个领域都有成功应用实例,该算法存在着固有的缺陷。为了克服掩膜阻断算法的缺陷,综合分支阻断方法和质量导引方法的优点,提出一种基于分支设置的质量导引相位展开新算法。它先以一个初始质量图来引导分支的设置,然后把分支对应的相位质量设置为最低,从而产生一个新的质量图,最后按新质量图来引导相位展开,并使用几个包裹相位图来验证此方法的有效性。计算机模拟相位图和实际相位图的相位展开结果表明,在存在复杂轮廓不连续和高噪声的情况下,该算法优于模板阻断算法,能得到较好的相位展开结果。

采用时域有限差分方法对镀金属膜光纤探针在近场光探测中对光场产生的扰动和相互作用过程进行了数值分析。选择纳米孔径的隐失场光场和镀金属膜光纤探针建立了近场光探测的理论模型,讨论了探针孔径尺寸、扫描高度等因素对光场探测的影响,以及测量光场与初始光场之间的关系等。研究结果表明,当探针孔径尺寸与待测纳米孔径尺寸相当,探针扫描高度在接近探针孔径尺寸的一半时,测量得到的光场分布数据能够准确描述初始光场分布。

引入了色散介质的时域有限差分法散射场方程,并针对光子扫描隧道显微镜的带金属尖光纤扫描成像问题进行三维的数值模拟。在考虑了光纤和样品相互作用的情况下,采用等效入射波法设置入射波,探针扫描模式为等高扫描模式,从成像分辨力和灵敏度的角度,比较了不同入射角、不同的光纤样品间距,不同金属类型,及不同金属尖大小的成像情况。数值模拟结果显示,带金属颗粒光纤探针尖的光子扫描隧道显微镜在成像分辨力和灵敏度上有显著的改进,而带不同类型金属颗粒情况下对分辨力影响不大,灵敏度是银最好。

超分辨技术中现有的纯振幅型或纯相位型光瞳滤波器,大部分只能实现轴向或横向超分辨而不能实现三维超分辨,三维超分辨在三维成像系统中有着重要的作用。因此为提高成像系统中的三维分辨能力,设计了一种复振幅光瞳滤波器,并对其三维超分辨性能进行了研究。详细分析了该光瞳滤波器的第一区半径和透射率对施特雷尔比、轴向和横向超分辨因子以及旁瓣能量的影响。通过一系列的模拟证明,借助于复振幅光瞳滤波器可以实现三维超分辨。该滤波器的优点是容易实现三维超分辨,且有比较高的施特雷尔比,缺点是三维超分辨的实现总是伴随着旁瓣能量的增加,但可以采用共焦扫描成像系统来加以抑制。

为了解决非完全数据条件下复杂流场的三维层析重建,结合计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)、计算流动显示技术(Computational flow imaging,CFI)和光学层析技术(Optical computerized tomography,OCT),提出了应用于非完全数据流场重建的虚拟实验和真实实验相融合(即CFD,CFI与OCT融合)的三维层析。非对称双峰温度场实验结果表明,与完全数据重建结果相比,虚拟实验与真实实验相融合的三维层析的重建双峰误差小于5％。因此能够更好地实现非完全数据条件下流场的三维重建,极大地提高非完全数据条件下流场重建的真实性,较好地与实际结果相吻合,从而为解决有限角条件下的严重非完全数据流场的重建开拓了一条新途径。

在多路CCD成像结构中,由于影响各路成像参量不一致的因素较多,常规校正方法变得复杂和困难。在分析多路CCD成像机理的基础上,提出了一种利用小波变换的多路CCD成像非一致性动态校正新方法,即在分析同一目标成像中异路图像像元特性差异的基础上,利用小波变换构筑校正因子对后续的CCD捕获图像进行校正。为满足实时校正的需要,研究了动态条件下成像校正的时效性,分析了不同小波的动态校正效率。实验结果表明,校正后同一目标异路图像相关值为0.9975,Symlet3小波在两路及多路成像校正中均具有较高效率;在多路成像中,Symlet系列小波相对于其它类型小波校正效率相对突出。此方法为多路CCD成像非一致性在线校正提供了有效的途径。

针对科研与工程中转角测量优于5″的高精度要求,提出了一种用直线做特征标志的基于图像的测量方法。用高分辨率相机采集被测物上长直线标志,通过高精度检测图像上直线的倾斜角度来计算转角。分析了基于图像高精度角度测量中出现的多种原来无需考虑的影响精度的因素。给出了角秒级角度测量时直线的拟合检测算法以及直线标志的成像宽度、长度、与采样方向的角度等参量的选择应满足的条件。仿真和实验结果表明直线宽度5～9 pixel,直线方向避开与采样方向成0°和45°角时角度检测精度达到最优,当直线长度不小于1000 pixel时测量精度优于5″。

为消除传统细分方法中由于两路条纹信号不正交引入的细分误差,提出了一种可对任意相位差条纹信号直接细分的新方法。根据两路条纹信号的极性和幅值大小,把一个信号周期分成8个区段。高速采集两路条纹信号,通过判断信号采样点所处的区段是否跳变对信号幅值交点进行动态跟踪。对不足一个周期的条纹移动,当测量出起点与终点的幅值,计算出其所在的区段及位置后,结合两路信号的交点,可实现对任意相位差条纹信号的细分。实验结果表明,该方法突破了传统细分方法必须信号正交的限制,可对任意相位差信号进行准确地细分,降低了条纹测量中器件安装与调试的难度,具有更强的环境适应性和抗干扰能力。

基于脉冲抽运的布里渊光时域反射计技术具有米数量级的空间分辩力。为了分析在其空间分辨力范围内的应变梯度增加对布里渊谱测量的影响,建立了后向布里渊散射谱与应变梯度的函数关系。数值分析结果表明应变梯度增大,不仅使布里渊频移随之线性增大,也会使后向布里渊散射谱峰值非线性降低,谱峰变得平坦。空间分辨力10 m的100 με/m应变梯度相对于零应变梯度,引起的布里渊频移测量误差增加2.04倍。传感光纤固定于悬臂梁上以模拟不同应变梯度,采用对频宽小于1 MHz的激光脉冲调制和基于相干平衡检测的布里渊光时域反射计系统,实验测得了沿传感光纤的后向布里渊散射谱数据和应变分布。布里渊谱数据经最小二乘法拟合后,得到的不同应变梯度的谱曲线变化与理论分析相吻合。

采用溶胶凝胶法合成ZrO2-SiO2有机无机复合光波导材料,通过改变其中ZrO2的含量来调节材料的折射率,使材料分别适用于平面光波导的导光层(ng≈1.497)和衬底层、包层(nb=nc≈1.479)。采用旋转涂膜工艺和相应的热处理,在单晶硅基片上制备衬底层、导光层和包层等薄膜,其中导光层介质因具有感光性而可通过紫外光刻来制备光路图案。所得有机无机复合ZrO2-SiO2板型平面光波导(衬底层+导光层),用棱镜耦合截断法测试其光损耗在632.8 nm波长处约为0.8 dB/cm。对板型平面波导的导光层薄膜进行紫外光刻和异丙醇淋洗,制备出脊状光波导通道,在覆盖包层后,即获得埋层沟道式平面光波导。采用端耦合截断法测试了埋层沟道式平面光波导的光损耗(小于0.1dB/cm),并观察了其近场图像以及导光材料在近红外窗口的吸收光谱。

用提拉法生长了掺铬、钕的钆镓石榴石(Cr4+,Nd3+∶GGG)自调Q激光晶体。报道了室温下的吸收光谱和荧光光谱特性。分析了Cr离子浓度对光谱性质的影响。比较了Cr4+∶GGG,Nd3+∶GGG和(Cr4+,Nd3+)∶GGG晶体吸收光谱的关系。测量了(Cr4+,Nd3+)∶GGG晶体和Nd3+∶GGG晶体的荧光寿命,它们分别是33 μs和250 μs。实验表明,(Cr4+,Nd3+)∶GGG晶体是一种非常有潜力的自调Q激光晶体,可以实现大功率激光器的小型化和全固态化。

在飞秒抽运探测光谱技术中,空间分辨的探测光信号反映了在不同空间位置的材料的非线性效应。当抽运光强度增大时,探测光信号中会出现明显的高阶特别是五阶非线性效应。利用劈裂算子方法直接解决了一维非线性传播方程的问题。在数值模拟中,研究了在不同抽运强度和位置下的抽运探测过程中的五阶非线性效应。在足够高的抽运场下,探测信号出现清晰的振荡,显示了三阶和五阶非线性效应之间的干涉。当空间位置离抽运场中心足够远时,五阶比三阶非线性效应的衰减快得多, 对其物理机制和趋势进行了定性的讨论。

研究了在自散焦介质中诱导光束聚焦过程中椭圆高斯光束对光束聚焦的影响。通过数值计算讨论了在不同初始抽运光束振幅、初始光束间距和波长比情况下椭圆高斯光束对信号光束聚焦的影响。影响光束聚焦过程的方程参量和初始条件共有6个,即两光束波长比(方程参量)、抽运光束和信号光束的初始振幅、两光束初始中心间距和两光束X、Y初始束宽比。采用此理论模型验证了Hickmann在1992年得出的实验结果,数值计算结果表明理论结果能够和实验结果定量地吻合。

用主动抛光盘磨制非球面是一个动态的过程,必须保证在计算机控制下,主轴的移动、旋转,和抛光盘的旋转、倾斜、变形及升降,以及主镜的旋转都步调一致。推导出在模式中诸要点的位置、速度、加速度和时间的关系,并根据所加工的口径??910 mm,焦比为F/2的抛物面主镜参量和所用主动抛光盘的参量分析

针对电寻址空间光调制器制作灰度掩模过程中,精缩透镜的低通滤波特性导致灰度掩模边缘锐度下降的问题,提出了掩模分形技术。对一幅高频灰阶掩模图形,按固定的或可变的低频采样。低频掩模的每个周期中,只包含原掩模图形多个周期中的一个抽样。通过实时掩模技术,将多个低频掩模按顺序曝光,从而恢复出原高频掩模图形。制作二元光栅时,分形掩模技术可使透镜造成的高频能量相对损失由35.23%降低至6.09%,同时,可将部分低频能量搬迁至中高频,较好地改善了灰阶掩模图形的边缘锐度。分形掩模还可以变多灰阶复杂掩模为简单的二元掩模,简化掩模的设计与实现,同时消除屏幕刷新率对掩模制作的影响。

在用大口径、长焦距平行光管模拟激光远场特性时,其光组透镜在重力作用下的变形不能忽略,为了分析对出射光束质量的影响,采用有限元分析软件“ANSYS”建立了平行光管光组中??400 mm平凸透镜的有限元模型,给出一种分析透镜轴向变形引起的波像差的方法,在不同工况下,计算了平凸透镜在重力作用下轴向变形的峰谷值和均方根值,对轴向变形量均方根值最小工况画出了透镜表面变形的等值线图,计算了??350 mm通光口径内的波像差峰谷值和均方根值,对平行光管光组的波像差做出估计,验证了设计的合理性。

基于部分相干光的传输方程研究了多色高斯谢尔模型光束通过球差透镜的光谱变化。结果表明,多色高斯谢尔模型光束通过球差透镜后的轴上光谱与空间相关参量β,球差系数C4,源光谱谱宽σ0,位置z有关。着重分析了球差对轴上光谱的影响,将所得的结果与无像差的理想情况作了比较。当无球差时,轴上光谱仅有蓝移,而有球差时,轴上光谱存在蓝移或红移,并会出现光谱分裂现象。在某些特定位置处,轴上光谱分裂为等高双峰,并有跃变出现。而且,球差对光谱的影响随空间相关性增加而变得明显。当空间相关参量减小到某一值时,光谱分裂消失。

颜色温度和相关色温是光源的重要参量。从色品坐标(u,v)到颜色温度和相关色温的计算过程比较复杂,很难依据国际标准化组织推荐的不确定度评定方法进行分析。介绍了从光谱辐射功率和色品坐标(u,v)的不确定度出发,按照国际标准化组织的推荐方法,得到更为科学合理的颜色温度和相关色温的不确定度评定方法。针对新的国家颜色温度副基准,分别采用基于数学模型的精确方法、近似方法和几何方法对其不确定度进行了评价,并与传统方法进行了比较。采用传统方法得到的计算结果偏高,这是因为传统的计算方法很大程度上基于实验和经验估计,没有将颜色温度的不确定度与光谱辐射功率和色品坐标(u,v)的不确定度之间建立明确的数学关联,在分析过程中存在对某一不确定度源进行重复计算的可能。所述的数学推导方法相对传统方法更为科学合理。

共振增强多光子电离及飞行时间质谱技术是一种具有高分辨率、高灵敏度的光谱研究技术。利用上述技术研究了由激光光解NO2产物-NO与原子O的离子谱,获得了振转态高度分辨的NO(X2Π,ν″,J″)γ(0,0)γ(0,1) γ(1,1)带的离子谱以及自旋-轨道精细能级分辨的氧原子O(2P3PJ″＝2,1,0)离子谱。氧原子O(2P3PJ″=2→3P3PJ′、2P3PJ″=1→3P3PJ′、2P3PJ″=0→3P3PJ′)的离子信号位于紫外电离探测激光的波长分别为225.65 nm,226.04 nm, 226.23 nm。实验表明,共振增强多光子电离加飞行时间技术研究原子、分子光谱其灵敏度与分辨率远高于常用的激光感生荧光方法。所得到的NO分子与氧原子的离子谱及它们的离子信号对NO2分子光解及NO分子与氧原子的电离动力学研究提供了有益的实验信息。

介绍了三高斯拟合技术,首先用单高斯选点拟合了Hα线形分布的远翼,由谱线的多谱勒展宽得出等离子体离子温度为170 eV,再对剩余量进行双高斯拟合,从多谱勒频移求出反射和解吸粒子入射速度分别为3.0×104 m/s和1×104 m/s,从谱线辐射强度推出再循环粒子由60%反射粒子和40%解吸粒子组成。在简化模型下讨论了粒子的输运行为,算出了氢原子密度、体发射系数和粒子约束时间的分布,均与实验结果相符。分析了粒子入射速度大小对粒子约束时间的影响,结果表明,正常放电下,HT-6M托卡马克粒子约束时间在4～8 ms;反射粒子的速度大小直接决定粒子约束时间的大小和空间分布。

渐变折射率薄膜,又称为非均匀膜。利用德鲁德理论分析了混合介质膜的介电常量与各个膜料的介电常量之间的关系,介绍了共蒸法制备非均匀膜的制备机理。对混合膜的沉积速率为两种膜料的沉积速率之和的情况,分别从两种膜料的单分子体积是否相等和总的沉积速率是否为常数两个方面,探讨了双源共蒸法制备的非均匀膜的折射率分布规律与膜料的沉积速率之间的关系,并给出了几种常见的折射率分布如线性变化、正弦变化、指数变化和双曲变化规律的膜料沉积速率表达式。最后以混合介质膜的总沉积速率为常数、折射率按照线性变化为例进行了说明。

利用SiOxNy薄膜光学常数随化学计量比连续变化的特性,给出了制备折射率连续可调的SiOxNy薄膜的实验条件。用磁控反应溅射法制备了不同氮氧比的SiOxNy薄膜。研究了不同气流比率条件下薄膜光学常数、化学成分及溅射速率等的变化。用UV-VIS光谱仪测试了透射率曲线,利用改进的单纯型法拟合透射率曲线计算得到了折射率和消光系数。测试了红外傅立叶光谱（FTIR）曲线和X光光电子能谱（XPS）分析了薄膜成分的变化。实验表明薄膜特性与N2/O2流量比率密切相关,通过控制总压和改变气体流量比可控制SiOxNy薄膜的折射率n从1.92到1.46连续变化,应用Wemple-DiDomenico模型计算出光子带隙在6.5 eV到5 eV之间单调变化。

利用过滤阴极真空电弧系统制备了不同衬底偏压下非晶金刚石薄膜,分别采用X射线反射法测定了相应的非晶金刚石膜密度,分析了薄膜密度与沉积能量之间的变化规律,建立了薄膜密度随衬底偏压的变化曲线。研究发现在-80 V时非晶金刚石膜密度存在最大值3.26 g/cm3,随着偏压的增大和减小,薄膜的密度都相应的下降;当衬底偏压加到-2000 V时,密度减小到2.63 g/cm3,相对于密度的最大值变化较小。通过薄膜sp3能态杂化含量与密度的简单比例关系,近似推算出非晶金刚石膜中sp3能态的含量最高可达80%以上。