提出了一种新颖的基于四芯光纤的弯曲传感器,可用于弯曲测量。该传感器采用一段四芯光纤作为敏感单元,四芯光纤的四个纤芯作为一个四光束干涉仪,在光纤出射端远场形成周期分布的干涉格子。该四光束干涉仪的干涉相位差是光纤弯曲曲率半径的函数,因而,弯曲曲率半径的变化可导致格子光场的移动。波长为650 nm的低相干半导体激光二级管被用来做为光源,所形成的干涉格子光场由CCD探测器记录。理论上,建立了远场格子图案强度分布函数与曲率半径的关系,并得到了实验的验证。

研究光子晶体光纤中光纤光栅的传输谱特性对于研制基于光子晶体光纤的光纤光栅器件有着重要的意义。结合耦合模理论和光束传输相关函数方法,对一种典型光子晶体光纤中的布拉格光栅(FBG)传输谱进行了理论分析。比较了光子晶体光纤中布拉格光栅与常规布拉格光栅的传输谱。数值分析了光纤截面结构变化对于光栅传输谱的影响,并给出这种影响的定性解释。计算结果显示,与常规光纤光栅相比,包层模共振引起的损耗峰与正反向纤芯模耦合引起的损耗峰可以相比拟,而包层模共振的间隔也比常规光纤中光纤光栅的包层模共振间隔要大。同时给出了晶体光纤截面上空气孔的占空比,空气孔的排布层数对于传输谱影响的规律。

提出了基于光纤布拉格光栅(FBG)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172 nm/riu (refractive index unit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07 nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。

针对炭素制品X光图像的特点,对其缺陷的提取技术进行了研究,提出了基于迭代的阈值构造方法和基于数学形态学的边缘提取算法。为快速准确地提取缺陷,设计了目标边界提取算法和基于小波变换的图像增强算法,实现了原始图像中目标区域的增强及其背景的去除。在此基础上,为排除噪声干扰的影响,采用数学形态学和迭代阈值分割相结合的方法从目标区域中提取出缺陷区域,并在迭代阈值分割的基础上,利用基于数学形态学的边缘提取算法提取了缺陷的边缘。实验结果表明,该法很好地实现了缺陷区域及其边缘的自动提取,且受噪声影响很小,为进一步的缺陷特征参量的提取与选择奠定了良好的基础。

为了简易、方便地测量图像传感器的调制传递函数,可以采用将模板直接投射在图像传感器上的办法来测量。实际测试中通常采用矩形模板,而且模板距离图像传感器光敏面有一定距离。从理论上分析了矩形模板和图像传感器光敏面不同间距情况下的光场分布,比较了用此光场分布函数测量图像传感器调制传递函数与采用正弦模板接触式测量法测得的调制传递函数值之间的差异。最后采用空间频率为50 mm-1的高对比矩形光栅进行了实验,测得调制传递函数为0.22,而修正后的调制传递函数值为0.18。结果表明修正后的调制传递函数值更准确,能更准确地评价图像传感器的性能。

移相器是移相干涉仪中的重要部件,压电式移相器由于分辨力高、响应快、控制容易而被大量采用。但压电陶瓷的非线性误差与位移量小,一直影响其应用范围的扩大。针对该问题,从压电式移相器机构与扩展方法入手,设计了具有放大特性的柔性铰链式移相器。采用单神经元(Proportional sum derivative,PSD)控制算法,实现微驱动定位的自适应实时控制,改善了非线性,降低了环境干扰的影响,提高了压电式移相器的性能。所设计的压电式移相器用3组压电陶瓷堆驱动,可用于100 mm孔径镜片,位移行程达30 μm以上。实验验证该方法有效,控制精度达0.01 μm。

利用厚胶光刻技术制作大深度微结构元件是一种有效的途径,但厚胶光刻过程中的非线性畸变对光刻面形质量的严重影响限制了该技术的应用,基于此,提出了一种对掩模透射率函数进行校正的方法。分析空间像形成及其在光刻胶内传递、曝光、显影等过程中非线性因素的影响,利用模拟退火算法对掩模透射率函数进行校正,以提高光刻面形质量,并以凹面柱透镜为例,给出了校正前后的显影轮廓模拟结果,其校正后浮雕面形的体积偏差仅为2.63％。该方法在有效改善面形质量的同时,并没有引起掩模的设计、制作难度及费用增加,这对于设计、制作高质量的微结构元件有重要意义。

为了满足光刻机投影物镜彗差测量精度的要求,提出一种基于套刻误差测试标记的彗差检测技术,分析了彗差对套刻误差测试标记空间像的影响,详细叙述了该技术的测量原理,并利用PROLITH光刻仿真软件对不同数值孔径与部分相干因子设置下套刻误差相对于彗差的灵敏度系数进行了仿真实验。结果表明,与目前国际上通常使用的投影物镜彗差检测技术相比,该技术在传统照明条件下灵敏度系数Kz7与Kz14的变化范围分别增加了27.5%和34.3%,而在环形照明条件下则分别增加了20.4%和22.1%,因此彗差的测量精度可提高20%以上。

为了在As2S8薄膜中制备条形波导,实验研究了As2S8薄膜光致折射率变化和密度变化的现象,采用棱镜耦合、X线衍射和远红外反射光谱等测试技术,确认了As2S8薄膜经紫外光辐照后薄膜密度增高、折射率增大的现象。采用可见光吸收谱测试技术,确认了经紫外光辐照的As2S8薄膜不发生黑化现象。在归纳了实验规律的基础上,提出并采用紫外光激励的方法试制了As2S8条形波导,采用自动调芯端面耦合的方法激励As2S8条形波导的导模,结果显示该波导具有良好的导波特性。

针对传统偏振分束器窄波段、窄角度范围的不足,研制了一种在宽波段宽角度范围内具有180°分光功能的偏振分束器/耦合器。该器件基于线栅偏振器和亚波长光栅结构原理设计,利用半导体工艺的刻蚀技术制作。利用一维金属线栅对入射电磁波的偏振响应和亚波长光栅仅存在零级衍射的特性,实现了较宽的通带宽度与可接受角度范围、极大的分光角度、高消光比和低插入损耗。实验测得透射、反射消光比均大于20 dB,插入损耗小于0.5 dB。通过自行搭建的微结构测试平台,测量了p、s光的透射率、反射率随入射角度变化的曲线,和严格耦合波理论模拟结果符合。深入分析了制作中的过刻蚀对性能产生的影响。

采用AgNO3、KNO3混和熔盐作为离子交换源,在K9玻璃上制备了跑道形谐振腔滤波器。测试得到该滤波器的自由光谱范围为0.178 nm,两个输出端口的衬比度分别为1.47 dB和6.5 dB,分析得到耦合器的分束比和谐振腔的传输损耗分别为к=0.16和α=8.1 dB/cm。利用热光效应在16 ℃的温度变化范围内,滤波器实现了2π的相位调制,同时分析得到波导材料的热光系数约为1.28×10-5 /℃。

提出了一种可广泛适用于截断光束和非截断光束的广义M2因子测量的实验方法和相应的数据处理方法。在利用广义强度二阶矩计算光束束宽时,以积分角谱范围能够包含光束总能量的75%以上作为积分范围的选取标准,并遵循现有的国际标准化组织(ISO)规定的测量步骤和方法对截断高斯光束的广义M2因子进行了测量,并将不同截断参量时的实验结果与理论计算结果进行了比较,证明了该方法的正确性。研究结果表明,根据该方法测量截断光束M2因子时,只须将非截断光束M2因子测量的数据处理部分进行适当修正,而无需增加其他硬件开销,该方法简便易行且测量步骤仍可遵循国际标准化组织规定。

实验研究了电光相位调制中剩余幅度调制以及它的变化引起的碘稳频532 nm光频标的频率漂移。观测了电光晶体温度与剩余幅度调制和光频标锁定后激光频率之间的变化关系。研究了利用主动电压反馈抑制剩余幅度调制的实际效果和存在问题。提出并实现了采用主动温度反馈控制电光晶体温度对剩余幅度调制变化的抑制。实验表明,在主动温度反馈系统闭环后,剩余幅度调制基波成分的抑制程度超过40 dB,同时有效地控制了剩余幅度调制的变化。采用该系统后,没有发现产生附加的激光频率起伏。测量的百秒至万秒取样时间的激光频率稳定度可达到或优于5×10-15,明显地改善了碘稳频532 nm光频标的中长期激光频率稳定度。

在Nd:YVO4晶体的4F3/2-4I13/2跃迁带内,除了1342 nm激光辐射之外,其它的跃迁谱线由于小的受激发射截面和强的寄生振荡,很难形成激光振荡。通过调整谐振腔损耗,获得了光纤耦合激光二极管端面抽运1386 nm Nd:YVO4激光器激光连续输出。在抽运功率达到4.24 W时,得到了305 mW的1386 nm激光连续输出,最高输出功率下的斜效率为13.9%。实验中还观察到了1342 nm和1386 nm的双波长运转。根据抽运阈值能量和实验数据,计算得到了Nd:YVO4晶体中1386 nm激光辐射处的受激发射截面大约为(3±1)×10-19 cm2。

利用波长为248 nm的准分子激光束在不同激光能量密度下照射聚四氟乙烯(PTFE)材料的表面,并用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)光谱等手段对激光处理前后样品的表面形貌、化学成分和结构进行测量和分析,进而对激光与聚四氟乙烯相互作用的机理进行了研究。实验结果表明,激光辐照使聚四氟乙烯表面产生去氟效应,导致表面碳化、分子链的交联以及含氧基团的产生,随着激光能量密度的增加,C=C双键逐渐形成。这些结构的变化可以导致表面硬度和粘结性增强。激光能量密度的大小对照射后样品表面的物理性质和化学结构有着重要的影响,它是聚合物表面激光改性和烧蚀的关键因素。

对脉冲Nd:YAG激光(355 nm)在H2和H2: He-Ar混合气体中的受激拉曼散射(SRS)进行了研究。在0.5 MPa的氢气中,同时测量到从二级反斯托克斯到三级斯托克斯的多波长输出,其总转化效率达88%;而高压下只剩下一级和二级斯托克斯输出,其中二级斯托克斯最大能量转化效率达44%(对应量子效率为63%)。由于高级斯托克斯的竞争,纯氢气中一级斯托克斯的最大能量转换效率不超过43%。通过向3 MPa氢气中掺入2 MPa Ar气后,很好地抑制了二级斯托克斯的产生,从而获得了能量转换效率高达71%(对应量子效率为83%)的一级斯托克斯输出。对四波混频和级联受激拉曼散射在氢气多级斯托克斯产生中的作用以及惰性气体对它们的影响进行了讨论。

为了获得一种对称压缩圆光束的方法,系统研究了三维自散焦介质中亮暗光束对的共同传输。数值结果表明：当两光束中心重合时,若抽运光(暗光束)初始振幅远大于信号光(亮光束)初始振幅,抽运光将通过交叉相位调制(XPM)诱导信号光聚焦,使得信号光的圆形光斑被对称压缩。讨论了光束参量对信号光聚焦效果的影响,发现抽运光初始振幅越大,信号光聚焦越强。当抽运光初始振幅一定时,暗光束的初始束宽存在最佳值使得信号光压缩最强。当抽运光与信号光的波长比取值为0.5～1.5时,信号光聚焦程度随着波长比的增大而有所降低。还设计了验证理论结果的实验方案。

提出了一种新颖的激光测距方法。该方法避开了传统激光测距法中使用复杂辅助电子设备对脉冲计时或比较相位差的过程,而主要通过光学手段分析和提取待测距离信息,最终通过比较大量光子数目的方法求得待测距离。并利用单轴晶体的双折射和全内双反射性质,用特殊结构的单块LiNbO3晶体设计了实施该方法的主体装置。结果表明,该激光测距法同目前普遍使用的激光测距法相比,不但简化了结构,而且有很高的测距精度,从而为激光测距开拓了一种新的思路。

针对微机电系统热激发红外光源的动态特性,采用一种新的计算方法。即通过建立光源在不同初始温度下升温与加电时间、功率之间的关系,定量估算不同脉冲频率下辐射功率的调制深度。该方法可以计算调制深度大情况下的动态特性。就其中两个重要影响因素加电方式和发射率分别进行讨论,得到：饱和功率相同的前提下,采用恒压源供电方式相比恒流源供电和恒定功率供电响应时间更小,从而更有利于改善光源的动态调制特性;相同条件下,选择高发射率的光源材料也有利于缩短上升时间。结合计算结果,对一个微型铂金薄膜红外光源的频响特性进行了验证测试,测试结果与计算分析符合较好。

提出了一种计算光学介质膜系表面总积分散射(TIS)的理论模型。该模型认为,介质膜系粗糙的膜层界面和表面为微观结构不均匀的微薄过渡区;过渡区可用折射率为不同常量的层数足够多的均匀子层来代替,同时这些均匀子层的折射率变化满足指数函数的分布规律。利用矩阵法对积分散射的表达式进行了推导。对于电子束蒸发方法在K9玻璃上沉积的ZrO2单层膜,分层界面散射模型对积分散射的理论计算值要比非相关表面散射模型的计算值更加符合总积分散射仪的实验测量结果。

借助于VC++编程从理论上模拟分析了膜厚监控误差以及监控片不均匀性对光学膜厚监控的影响。结果表明,膜厚监控误差和监控片的不均匀性都对监控曲线有影响;随着膜层层数的增加,监控片不均匀性逐渐增大。实验制备了多层规整薄膜并对其监控曲线进行了分析,分析表明考虑到膜厚监控误差和监控片不均匀性后计算的光学监控曲线和镀膜过程实测光学监控曲线吻合较好。这说明膜厚监控误差和监控片不均匀性是引起监控曲线与理论值偏离的重要因素。介绍了如何计算考虑膜厚监控误差和监控片不均匀性后的理论监控曲线。这将对膜厚自动监控,尤其是对非规整膜系的自动监控具有重要的指导意义。

采用常压金属有机化学气相沉积(AP-MOCVD)技术、三步生长法,分别以H2O和N2O为氧源,DEZn为Zn源,N2作载气,在c-Al2O3衬底上生长出了晶体质量较好的ZnO薄膜。用X射线双晶衍射(DCXRD)和光致发光谱对ZnO薄膜的结晶性能和光学性质进行表征。结果显示,ZnO倾斜对称面(10-12)的ω扫描半峰全宽为350″,表明ZnO薄膜结晶性能良好;低温10 K光致发光谱结果表明,N2O为氧源生长的ZnO膜和H2O为氧源生长的ZnO膜的发光特性明显不同,没有观察到与氢有关的中性施主束缚激子对应的3.331 eV双电子卫星峰(TES)。这一结果表明,用N2O为氧源生长的ZnO薄膜中不易引进氢杂质。

在Si衬底上利用磁控溅射的方法沉积1.5 nm厚度的Ag膜用以阻挡Si衬底被氧化。采用常压金属有机化学气相沉积法(MOVCD),在Ag/Si(111)衬底上成功地生长出马赛克结构的ZnO薄膜。用光学显微镜观察表面形貌,结果显示有带晶向特征的微裂纹,裂纹密度为100 cm-1。依据X射线晶体衍射的结果,薄膜结晶质量良好,呈C轴高度择优取向。用双晶X射线衍射得到(002)面的ω扫描半峰宽为1.37°。温度10 K时光致发光谱(PL)观察到自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线。结果表明,金属有机化学气相沉积法方法在Si(111)衬底上制备ZnO薄膜时,Ag是一种有效的缓冲层。

采用两个中心波长约976 nm准直输出的高功率半导体激光模块为抽运源,通过空间滤波和非球面透镜耦合技术,双端抽运长度为21 ｍ的大模场面积国产掺镱双包层光纤,获得了714.5 W的高功率连续激光输出。采用反向抽运,当入纤抽运功率为760 W时,激光输出功率达到501 W;采用双端抽运,当入纤抽运功率为1137 W时,获得了714.5 W的高功率连续输出,光光转换效率为62.8％,斜率效率为67%。

介绍了一种基于闪烁氙灯光源、利用差分光谱吸收(DOAS)技术监测大气气溶胶的新方法。提出用大气能见度确定系统校正参量的可行做法,解决了差分光谱吸收探测气溶胶领域原始光强难以测量的难题。并对350～650 nm范围内的气溶胶光学厚度进行反演,通过与多道太阳光度计的对比证实方法的可行性,实验中发现气溶胶光学厚度与悬浮颗粒物(SPM)浓度具有很好的相关性。同时,利用气溶胶550 nm处的消光系数确定大气能见度。

基于惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,研究了宽带光束在菲涅耳衍射区的自由空间传输特性,得到宽带光束传输的调制深度与光束带宽Δλ及菲涅耳数F的变化关系。结果表明：一定的带宽对光束的均匀性有适当的改善; 当光束的带宽Δλ<2λ0/F时,带宽越大,光束越均匀;当带宽满足条件Δλ=2λ0/F时,菲涅耳衍射完全消失;在一定的菲涅耳数范围内,宽带光束的调制深度随菲涅耳数振荡变化,振荡曲线的主极大值和次极大值分别出现在菲涅耳数为奇数和偶数处,而极小值则出现在菲涅耳数F=2k±1/3(k=1,2,3,…)处,在极小值处光束的均匀性最好。

就组合大视场星敏感器卫星自主定轨方法中的恒星观测,在球形大气假设下,直接由大气折射率、光在大气中的折射路径和斯涅耳定律出发,建立星光大气折射模型。在60 km高度以上星光穿过时不产生大气折射的假设下,得到星光在60 km高度的大气层上的仰角θ60、星光折射角γ和星光切线高度h的关系,且当星光穿过20～60 km的高度大气范围时,θ60的范围约在0°～7°之间。最后应用该大气折射模型进行了轨道确定仿真,说明折射模型的有效性。

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明：取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1 μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500 μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2 μrad。

在光栅记录介质色散效应的影响下,拓展Kogelnik的耦合波理论研究了反射型体全息光栅对偏振方向垂直和平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的性质。结果表明对于记录在LiNbO3光折变晶体中的体全息光栅,在色散效应、光栅参量和入射条件的共同影响下,光栅对偏振方向垂直于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽大于对偏振方向平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽,在不考虑光栅介质色散效应的影响时,它们都变大。进一步给出了衍射光的光谱带宽及光栅的衍射效率随入射脉冲的光谱带宽与光栅的光谱带宽比值的变化情况。

变间距全息光栅具有自聚焦和消像差功能,是高分辨率光谱仪与同步辐射单色器中的重要元件。研究了使用平面等间距光栅产生非球面波,记录平面变间距全息光栅的方法。根据几何光学的光线追迹理论,推导了光栅参量的四阶解析表达式。并基于费马原理,提出了记录光路的光线追迹数值算法。应用所推导的光栅参量四阶表达式,仿真设计了变间距全息光栅。通过合理选择记录参量,可以避免光栅基底受到零级及高阶衍射光场的影响。设计结果表明,理论光栅线密度与要求值相当符合;经光线追迹数值算法验证,解析表达式的展开误差在整个记录区域内小于1.5线;考虑到实际加工工艺允许误差,使用辅助光栅的记录光路对记录参量的误差并不敏感;设计实例证明了解析表达式的有效性,以及使用辅助光栅的记录光路的优越性。

阐述了光纤布拉格光栅的重构理论及被广泛采用的剥层算法,指出了剥层算法在重构强反射光栅时的弊端,提出了一种剥层算法和遗传算法相结合的方法来重构强反射光栅。此方法先由剥层算法得到光栅耦合系数的初始值,再依据重新采样后的初始值创建初始种群,通过遗传算法实现对剥层算法所得结果的后半部分进行优化。数值模拟表明此方法有效地改善了剥层算法的结果,具有较快的收敛速度和很好的精度,能适用于大多数强反射光栅的重构。

为了减小光纤菲佐传感器间的串扰,提高传感器网络的复用能力,提出了基于Pisarenko正弦波恢复法的光纤菲佐应变传感器频分复用网络光谱解调方案。在多光束干涉原理的基础上,建立了基于Pisarenko正弦波恢复方法的传感器频分复用解调模型,并对2个光纤菲佐传感器的串扰进行了实验研究。快速傅里叶变换能够达到应变精度好于±10 με的传感器间最小腔长差约为500 μm,而该方法可以把最小腔长差缩短至100 μm左右。这意味着系统的复用能力提高了大约5倍。因此,该方法是一种串扰小、复用能力强的解调方法,在大容量准分布式传感网络中具有极大的潜在应用价值。