设计了一种由一直梁和两个半圆拱组成的开口环结构,并将均匀光纤布拉格光栅斜贴于直梁中间的表面处。对两半圆拱施加与直梁方向平行的应力作用时,光纤光栅受到线性应力场的作用,光纤布拉格光栅即转化为啁啾光纤光栅。该机构实现了光纤光栅带宽的线性调谐,线性度高达0.9982,实验结果与理论分析一致。与以往的带宽调谐机构相比,该机构具有很高的应力灵敏度,在20 N力的作用下,可产生约7 nm的带宽反射,灵敏度达0.34 nm/N。利用环境温度对带宽调谐无影响的特性,采用带宽编码技术,研制出具有温度自动补偿特性、高灵敏度的带宽调谐装置。

光子晶体是一种具有光子带隙的新型人工材料,利用其具有控制和限制光子运动的特性可以制成新颖的光学器件。利用硅基二维光子晶体,提出了一种4端口耦合器。采用时域有限差分法作为研究工具,TM模作为研究对象,从理论上分析了这种器件的特性。在不同的耦合长度下研究光在输出端的功率透射率,结果表明选择适当的耦合长度可以使光在器件中呈现不同的状态。进一步研究表明,通过改变器件内部介质柱的半径,可以改变光在输出端的输出功率。从而证实了这种器件不仅具有波长选择性,而且具有潜在的可调节性,这些特性使得这种器件在全光开关的应用上具有潜在的优势。

提出一种分析非平行波导的简明方法——耦合系数推广法,把非平行波导几何图形的变化直接转化成波导耦合系数中波导间距的变化,即对耦合系数进行了巧妙的推广, 把波导间距的变化以指数的形式潜入到耦合微分方程中, 建立了非平行三波导系统的耦合方程。这些耦合方程包含了非平行波导传输的全部信息,即非平行波导输出光的振幅和相位,非平行传输波导的长度及其夹角,非平行波导输入端口的间距,能量转换与波导参量的关系等。对这些微分方程作巧妙的数学变换,得到非平行三波导耦合系统输出光的完整分析解,分析和讨论了对称和不对称输入初始条件下三个非平行波导的耦合情况。由此可以优化非平行波导的设计参量。

传感元件与复合材料的一体化是智能结构研究的最终目标之一。设计一种具有自诊断功能的标准化、模块化光纤智能夹层系统,正是实现这种一体化最有潜力的技术途径。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的光纤光栅智能夹层,对智能夹层中光纤布拉格光栅传感器的应变、温度特性进行了标定试验,并建立了基于光纤布拉格光栅传感器光纤光栅智能夹层的应变、温度测量模型。试验表明,智能夹层内布拉格光栅波长偏移与应变、温度之间具有良好的线性关系。不过在温度测量时,必须考虑被埋入结构的热膨胀效应。利用光纤光栅智能夹层内光纤布拉格光栅传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。

为克服长距离光纤有线电视(CATV)系统中采用高增益掺铒光纤放大器(EDFA)所带来的非线性损伤,对在残留边带调幅(AM-VSB)外调制光纤有线电视系统中采用光纤分布拉曼放大时的组合二阶失真(CSO)进行了理论研究。根据拉曼放大对信号光强的增益作用,导出了分布拉曼放大条件下的薛定谔方程,并采用微扰法解出了存在拉曼分布放大时,残留边带调幅外调制有线电视系统中,自相位调制(SPM)导致的组合二阶失真的解析表达式。相应数值计算结果表明,相对于采用掺铒光纤放大器功放,采用相同放大倍数的分布拉曼放大可使长距离系统中自相位调制导致的组合二阶失真性能改善10 dB以上。因此可以得出结论:在长距离残留边带调幅调制的有线电视系统中,采用分布式光纤拉曼放大可以较好地改善由自相位调制导致的组合二阶失真恶化。

针对舰载红外警戒系统的红外和电视图像,提出了一种新的海空背景下受强杂波、噪声污染的图像目标滤波算法和滤波效果的定量评价算子。算法采用多尺度的形态算子对输入的图像并行滤波,大尺度形态算子抑制图像噪声,小尺度形态算子提取目标边缘细节信息。处理后的图像进行基于树状小波帧变换的图像信息融合,融合图像可完备提取不同尺度滤波后的图像信息。针对目标检测跟踪的图像滤波算法的评价,提出了目标与背景的交叉分辨力评价算子及评价准则。仿真实验表明,该滤波算法要优于中值滤波、自适应滤波、小波变换滤波算法,滤波质量的定量评价算法是合理的、有效的。算法适用于舰载红外警戒系统。

光学相干层析成像(光学相干层析成像术)的轴向分辨力由光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定。提高光学相干层析成像术轴向分辨力的方法主要基于带宽光源技术。提出了一种将变迹术与光学相干层析成像术相干门有机结合的方法来提高其轴向分辨力。通过适当形式的光瞳滤波器,使光学相干层析成像术系统轴向响应的主瓣宽度缩小到相干门之内,而其旁瓣则处于相干门之外,不对相干成像产生有效贡献。这样,就能在光源带宽不变的条件下,有效提高光学相干层析成像术的轴向分辨力,避免了采用宽带光源所带来的费用昂贵和系统复杂等缺陷。

讨论了光学微分方法在图像深度估计问题中的应用。基于线性成像理论对Farid提出的光学微分模型进行了推广,即用于图像深度估计的两幅图像在成像过程中可以满足任意阶的线性微分关系。此模型拓宽了光学微分的概念,使两次成像之间关系有了更多的光学微分形式。围绕如何选择合适的光学微分关系以使系统的整体性能达到最优,分析了光学成像系统的参量对于图像深度估计的精度以及纵向分辨力的影响,并且对光学微分方法中的关键光学元件光学掩模板的构建方法及优化问题也作了初步的探讨。

在布里渊光时域反射计(BOTDR)的相干检测系统中,为减小偏振失配对布里渊谱测量精度的影响,针对后向布里渊散射光偏振态沿光纤随机变化,而同一记录点在重复采样周期内几乎不变的特点,结合偏振分集和扩展的思想,提出了实现简单而有效的时域偏振分集技术。理论分析表明,不管布里渊散射信号光的偏振态如何随机变化,采用该技术有较稳定的信号光功率与本振光被外差接收,接收信号对偏振态随机变化不敏感。系统实际上可基本不改变原系统体系,只对本振光施以无循环反馈的简单偏振控制。在布里渊时域反射计系统中实验对比了采用与不采用该技术的结果,表明前者的接收信号功率幅度约是后者的四分之一,抑制幅度起伏效果明显。

为了对缺陷进行更加全面的判断,设计了一种新型三维缺陷检测方法,只需要根据单幅实时测量的工件图像,就可获得0°～180°范围内工件形貌的三维数据,进而对缺陷的平面及深度尺寸进行全面判断。其核心技术是根据单幅测量图像中留下的三维线索—灰度信息,进行亮度分析和转换,利用倾角和偏角计算物体深度信息。在工业现场磁性材料缺陷检测中,该方法在X和Y方向的分辨力达到0.1 mm,Z方向的分辨力达到0.007 mm。实验证明所使用的三维缺陷检测方法,工作方式简单,硬件成本低,处理速度快,精度高,适宜在工业现场应用。

提出了利用微小楔角剪切干涉仪测量同步辐射压弯准直镜姿态的方法。利用透镜和针孔产生与同步辐射发散度相同的激光束。通过剪切干涉仪,测量经压弯准直镜输出激光束的平行度,可将准直镜的位置、俯仰角度和镜面曲率皆调整到最佳。该剪切干涉仪结构简单,可根据条纹图样判断光束的平行度,每一幅干涉条纹图样与准直镜的一种姿态对应,因而这种方法能确定准直镜表面各点反射X射线的整体效果。该方法适用于测量波前曲率半径大竖直口径小的光束,不但精度高,而且具有实用价值。

提出了一种基于SOI材料的新型3×3多模干涉(MMI)波导光开关,在开关的多模波导中引入折射率调制区,利用硅的等离子色散效应改变多模波导局部区域的折射率,使得光场在传输过程中的相位发生变化,进而确定输出光场位置,实现开关功能。采用有限差分光束传播法(FD-BPM)方法对开关的各个状态进行了模拟和分析,并对器件的结构参量进行了优化设计,采用优化后的结构参量,开关可实现的最大消光比达到-17.27 dB。

在高频调制下,封装对半导体激光器的影响非常显著。通过分析封装前后激光器散射参量之间的关系,推导出可用于分析半导体激光器封装高频影响的两种方法:预测法和评价法,从而提供了分析激光器封装的另外两种等价方法。实验中,对同轴(TO)封装的高频特性进行了测试和分析,分析结果与传统比较法的测试结果吻合表明新方法有效。实验表明在10.2 GHz以内同轴封装不会降低半导体激光器的频响带宽,即同轴封装的带宽可达10 GHz,且发现同轴封装中电感和电容元件之间的谐振效应对器件的频响具有补偿作用。两方法可为筛选光电子器件封装提供依据,并为优化封装的设计提供参考。

从四波混频产生相位共轭的物理原因出发,定义了相位共轭镜(PCM)的响应时间,建立起非即变相位共轭反馈条件下半导体激光器的外腔模型。以响应时间及频率失调为参变量,对其分岔及噪声等动态行为进行数值分析。结果表明,不考虑噪声影响时,增加相位共轭镜响应时间会使混沌带出现的次数和范围得到较大的抑制,当响应时间增大到1.5 ns时,混沌带消失,半导体激光器保持稳定的单周期状态;考虑噪声影响后,随着响应时间的相对强度噪声(RIN)可减小几dB甚至十几dB,产生突变需要的反馈量也增大一个数量级以上,且其频谱的峰值向高频方向移动;另外,由于共轭反馈引起的频率失调低于半导体激光器激射频率3个数量级以上,它只对分岔特性有影响,对相对强度噪声的影响几乎为零。

提出一种评估空域聚焦函数的方法。从计算时间与聚焦曲线变化率两个方面,提出四个参量作为评估依据,可从多个函数中筛选出最佳聚焦测度。针对研制的微对准装配自动聚焦系统的评估结果表明:灰度熵函数是适合于该系统的最佳聚焦测度。为克服聚焦搜索运动中的机械传动回差,提出不同于传统聚焦策略的“定位法”。该方法的核心是建立聚焦函数值与离焦量之间的函数关系,提出采用多项式拟合、高斯函数拟合以及样条插值拟合的方法可以构建这种函数关系;并给出了计算结果。最后综合灰度熵函数与定位法策略进行自动聚焦实验,得到自动聚焦精度为3.4 μm;完成一次自动聚焦平均时间为3.3 s。实验结果证明所述方法可以实现准确、实时地自动聚焦。

在未知环境中,实时避障是实现智能化机器人自主工作的关键技术。敏感的皮肤可以使智能机器人具有环境感知和实时决策的能力。研制的敏感皮肤由模块化和带有强数据处理能力的微型红外传感器阵列构成,可以粘贴在机器人表面,依赖于皮肤上的红外传感器来感知外部环境。系统采用了几何光学模型法来测量敏感皮肤与障碍物间的距离。实验结果表明,在感知区域内,敏感皮肤能够实时准确地给出多关节机器人周围的障碍物存在和距离信息,为解决机器人避障问题提供新的范例。同时敏感皮肤的研制也是机器人在传感和控制领域中应用的一次尝试,对促进机器人和各相关科学的发展及提高机器人智能化的水平具有深远的意义,并将有着广阔的应用前景。

目前以丙烯酰胺为单体的光聚物体系在高分辨力下衍射效率不高。从光聚物聚合机理出发,探讨了其主要原因。从单体聚合难易程度角度提出了加入新成分丙烯酸、使用聚合度低的成膜物、增加膜的厚度和优化凉板时间等四种促进单体聚合的措施并从实验上加以了验证。结果表明:在一定条件下,成膜物使用聚合度为341的聚乙烯醇比聚合度为1750的聚乙烯醇体系衍射效率提高了约60％;加入丙烯酸后衍射效率也提高了10％左右,且使用聚合度低的成膜物和加入丙烯酸后体系更不易结晶;厚度和凉板时间均有一个最佳范围。经过优化实验后得到了空间频率在2000 lp/mm时衍射效率大于90％,3000 lp/mm时大于55％的结果,且利用制备出的材料拍摄出透射和平面反射全息图,说明该材料适合于日益发展的全息显示。

为进一步提高Y2O2S∶Eu3+的发光性能,采用改善主要原材料Y2O3结晶性的方法,使Y2O2S∶Eu3+红色荧光粉在20 kV和25 kV下发光强度分别增强5％和10％,且不影响色度、粒度、粉体分散性等主要考核指标。提高了粉体的耐电压特性(发射强度与激发电压间的关系特性)。讨论和分析了发射强度增强、电压特性改善的原因:主要原材料Y2O3的结晶性的改善,使得合成的Y2O2S∶Eu3+具有更好的晶体质量,Eu3+离子晶场环境得到进一步改善,从而减弱了无辐射过程及因晶格畸变所造成的能量损失,发光效率得到增强,电压特性得到改善。实验表明,获取高质量多晶Y2O3的最佳分解温度为1400 ℃左右。

分析了在各向同性介质和单轴晶体界面实现负折射的最佳条件。计算发现,通过调节光轴角和各向异性参量可以使得负折射现象更为明显,获得最佳光轴角和最大入射临界角。各向异性强的晶体实现负折射的入射角范围可能会很大。讨论了单轴晶体中和负折射率介质中的负折射现象的区别:负折射率介质中的负折射是由负的折射率引起的,单轴晶体中是由于各向异性决定的。同时还发现单轴晶体中的能流负折射现象不能实现Pendry在理论上所预言的完美透镜。

生物体的表面组织是一个不匹配的多层介质,大多数研究人员研究匹配介质的漫射方程,将组织表面看作折射率相同的介质。为更好的理解光在生物体内的传播,建立了不匹配条件的三层半无限厚频域方程的解;并对频域进行傅里叶变换,计算出时域的时间分辨漫反射。为了验证此的理论,使用蒙特卡罗方法进行仿真研究,结果表明该理论研究不仅和蒙特卡罗方法高度一致,而且还可以解决两层不匹配介质模型。

研制成功便携式激光尘埃粒子计数器的核心部件——微型光学传感器。该传感器采用直角散射光收集形式,以高功率半导体激光器作为光源,同时采用高性能的PIN型光电二极管作为光电探测器。散射光收集系统为单一大数值孔径的球面反射镜,其对粒子散射光的收集角范围从20°到160°。粒子散射光信号是脉冲信号,其频谱成份主要在高频段,所以在PIN型光电二极管后用一个带通式前置放大器来消除外界的低频噪声,根据米氏散射理论计算了该光学传感器的光散射响应特性,并用聚苯乙烯标准粒子实测了该光学传感器的性能。结果表明,该系统具有高的信噪比、计数效率和尺寸分辨本领。

为研究飞秒脉冲在共振二能级原子介质中传播较长距离时的演化规律,用时域有限差分的方法数值模拟了5 fs脉冲载波与共振介质相互作用的麦克斯韦布洛赫方程。结果表明,5 fs脉冲的包络与载波的形状基本吻合,变化趋势大体一致,慢变振幅近似和旋转波近似不影响基本结论。在脉冲的谱宽远大于原子介质跃迁线形增宽的条件下,3.2π脉冲演化成2π双曲正割脉冲所经历的过程非常复杂,达到稳态所通过的空间长度大约是面积演化成稳态值所需要的长度的5×104倍。因此,在短距离的面积演化过程中,飞秒脉冲无法保持双曲正割的脉冲形状,只有经过很长的传播距离才能最终到达稳态,形成孤子解。同时,通过比较5 fs和50 fs脉冲的演化情况,得出结论,脉宽越短的脉冲达到稳态所经历的过程越复杂,需要通过的空间距离越长。

对Λ型三能级原子电磁感应透明(EIT)过程中辐射场的二阶相干度进行了研究。理论分析表明,在电磁感应透明系统中,由于原子的相干效应导致其上能级共振荧光场的二阶相干度将呈现单光子场的量子统计特性。并对其随耦合场强度和探测光失谐的变化进行了详细的分析和讨论,结果发现:在Ω>(Γ2+Γ3)/2情况下,采用较弱的耦合光功率(由拉比频率Ω表征)及较大的探测光失谐,在较长时间延迟范围内,二阶相干度保持小于1,更利于实现非经典场的量子统计行为;相反,在Ω≤(Γ2+Γ3)/2情况下,探测光的失谐量越小,越利于获得二阶相干度小于1的量子统计光场。由此可见选取合适的参量可优化电磁感应透明过程中单光子场的量子统计特性。

研究了压缩真空中梯形三能级原子在单色行波场中的辐射压力。从系统的哈密顿量出发,利用玻恩马尔可夫近似,推导出了原子的光学布洛赫方程。此时用数值方法求得布洛赫方程的稳态解,然后用图示法考察了原子的辐射压力随双光子失谐、拉比频率、自发发射率等参量的依赖关系。结果表明:单光子跃迁和双光子跃迁可导致辐射压力出现各自的多普勒位移共振峰;辐射压力表现出较宽的失谐范围且强烈依赖于压缩参量以及压缩真空和相干光之间的相位关系。当相位满足匹配条件时,辐射压力减小。

量子点光学微腔器件在低阈值激光器和单光子光源等量子信息处理技术领域有重要的应用前景。为了有效地实现受激辐射,光学微腔需要在高介电常量的玻璃微球中嵌入高浓度的量子点。为此使用玻璃技术开展了在磷酸盐玻璃中生长高浓度Ⅱ-Ⅵ族量子点的研究,探索了ZnO-P2O5、CdO-P2O5和CdS-P2O5二元磷酸盐玻璃的形成能力、红外通过率、结晶行为和微腔成形能力。在这些玻璃基体中,ZnO的最大溶解度为0.6, CdO和CdS的溶解度为0.4;基体表现出和商用截止型过滤片玻璃相似的光吸收特性,并与玻璃的种类和成分含量无关;基体晶化后可以析出α-Zn2P2O7或CdS等晶相,其中CdS相均匀分布在试样中;磨细的玻璃基体可以成型为球表面完整和椭圆度小的微腔。试验结果表明,ZnO-P2O5和CdS-P2O5等二元磷酸盐玻璃可以成型为光学微腔并可以有效地生长出高浓度的Ⅱ-Ⅵ族量子点。

提出了一种实现光声光谱的导数光谱的新方法,为了获得光声光谱的导数光谱,利用一台单色仪和一个分光棱镜研制成一个波长光强分束器,并用这个波长光强分束器同时获得两束光强相等而波长有微小差别的两束光,这两束光经过一个互补调制器调制后在光声探测器内叠加,可以实现光声信号的差分,扫描单色仪的波长,就可以获得光声吸收光谱的导数光谱。实验证明这种方法可以准确实现光声光谱的一阶导数光谱,而且导数光声光谱比光声吸收光谱具有更高的光谱分辨率。

采用磁控溅射方法在载波片和Al基片上制备了氮化钛薄膜;通过改变N2流量来改变薄膜中N/Ti原子比例。采用分光光度计和扫描隧道显微镜测试手段对氮化钛薄膜光学性能随N2流量变化的规律进行了研究。薄膜反射率光谱和扫描隧道图谱分析表明,氮化钛薄膜主要遵循自由载流子光吸收机制,随着N含量的增加,薄膜中的自由电子数目不断减少,等离子体频率逐渐红移,反射率降低,薄膜颜色发生变化。从薄膜扫描隧道谱(STS)可知,TiN薄膜表现出类似金属的光学性能,并且其禁带宽度Eg=1.64 eV。