依据美国ANSI标准,结合1999～2004年间地基激光雷达探测的合肥地区沙尘暴消光廓线,统计分析了机载大气探测激光雷达探测沙尘时偏振532 nm垂直通道和1064 nm通道所需的最小激光能量,模拟计算了机载大气探测激光雷达探测沙尘暴时在0～12km高度范围内不同激光束发散角和激光脉冲能量比例的532 nm和1064 nm激光脉冲眼睛安全最大阈值能量。以合肥地区沙尘暴消光特性的统计结果、地面人眼安全标准和两个“瓶颈”通道的探测能力为依据提出两种激光脉冲能量配置方案。

利用密度泛函理论中的B3LYP方法,在6-311G(d)基组上对Sin-1N和Sin-2N2(n=3～8)阴阳离子团簇的几何结构和光电子能谱进行了系统研究。结果得到了各团簇的最稳定结构, Sin-2N2离子团簇对称性比Sin-1N离子团簇对称性好; Sin-1N(n=3～8)离子团簇的几何结构在总原子数n≤4时为平面结构,n>4时为立体结构;Sin-2N2(n=3～8)离子团簇的几何结构在总原子数n≤6时为平面结构,n>6时为立体结构;对于Sin-1N+团簇,总原子数是偶数的团簇比总原子数为奇数的团簇稳定;对于Sin-1N-及Sin-2N2阴阳离子团簇,总原子数是奇数的团簇比总原子数为偶数的团簇稳定。

在中性原子的磁囚禁实验中,磁阱线圈的电流噪声会激发磁阱中的原子运动,势必对原子团的温度和寿命产生不可忽视的影响。对于非简谐阱,这种激发具有能量选择特性,它又取决于电流噪声的频谱分布。选择了实验中常用的四极阱为研究对象,用直接模拟蒙特卡罗方法来模拟四极阱中原子运动的参变激发现象,得到了原子温度与原子数损失随激发频率的变化关系,并进一步计算了两个共振峰处原子温度随调制时间和调制深度的变化曲线。此外,还研究了弹性碰撞速率对参变激发过程中原子温度上升的影响。这些结果对四极阱参变激发的实验有较好的参考价值。

环形谐振器因体积小、功能强、结构简洁等优点长期以来一直在光无源、有源器件的设计和制作中发挥着重要的作用。对光纤的弯曲损耗特性进行了深入分析,指出只有采用微细光纤才能降低全光纤法所制作的环形谐振器的尺寸,加宽器件的自由光谱范围(FSR)获得更好的精细度和品质因子。然后,在改进熔融拉锥技术的同时,保持慢变、绝热条件拉制出在80 mm长度范围内具有良好均匀性、半径为5 μm的高质量微细光纤,在此基础上采用自缠绕法研制出半径仅为500 μm,谐振效果明显加强的全光纤型微环谐振器,从而很好地解决了集成型微环谐振器较高的弯曲损耗和连接损耗问题。

光码分多址系统中,光编解码是影响系统性能的关键因素之一。给出了低折射率相移超结构光纤光栅(SSFBG)光码分多址编解码器的数学模型,采用自相关峰旁瓣比(P/W)、自互相关峰比(P/C)两个参量作为衡量编解码器性能的主要指标,仿真研究了不同脉宽及不同光栅(码片)长度条件下超结构光纤光栅编解码器的性能,得到了编解码器的P/W、P/C随输入脉冲宽度及编解码器长度的变化曲线。从对编解码器性能仿真分析的结果可以看出,当光源脉宽与编解码器的长度满足一定的匹配条件时,可获得较理想编解码效果,即可以根据输入脉冲的宽度来选择长度合适的编解码器,从而获得较好的系统的性能。

全光缓存器能够在光域内对数据包进行缓存,解决数据包在节点的冲突。提出了一种新型可擦写的全光缓存器,该缓存器以半导体光放大器(SOA)为非线性相移器件,利用信号光和控制光在半导体光放大器中的交叉相位调制实现信号在光域内的 “写入”和“读出”。在注入信号峰值功率相同的条件下,双半导体光放大器结构的采用还可以对信号光实现功率补偿,比利用单个半导体光放大器进行“写入/读出”控制延长了缓存时间,并能有效克服在数据包”写入”缓存器时造成的输出端口处信号光的泄漏。该缓存器顺利实现了2.5 Gb/s数据包的多圈缓存。

报道了一种基于环形腔光纤激光器和1×4模拟电子开关的具备实时监测功能的光纤光栅传感网络查询技术,利用级联的波分复用光栅串充当环形腔光纤激光器端镜,借助可调法布里珀罗滤波器对反射的信号光进行扫描,调整光路结构并增加抽运光强度使信号光得到足够的增益,则可获得各传感元工作波长的激光脉冲,且依时序输出。又引入1×4模拟电子开关,将转换为电信号的激光输出按时序分配至4个输出信道。结合非平衡扫描干涉解调技术,实现了对4光栅传感阵列的查询解调。1555 nm波长时系统传感灵敏度的实验值为1.630°/με,与理论值1.674°/με基本吻合。

在确定Cu在LiNbO3晶体中对应于365 nm和633 nm的激发系数、复合系数、光伏系数的基础上,采用龙格库塔(Runge-Kutta)数值方法理论研究了双掺杂(Fe,Cu)∶LiNbO3晶体的深浅能级的掺杂组分比、氧化还原状态对双色全息存储的记录灵敏度和动态范围的影响,并探讨了同时取得尽可能大的灵敏度和动态范围的晶体条件。结果表明,为了同时得到较大的记录灵敏度和动态范围,在实际应用中选用浅能级掺杂浓度为5.0×1025 m-3,深能级掺杂浓度为3×1024～3×1025 m-3之间的弱氧化晶体是合适的。

根据双中心带输运模型,对(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体双中心非挥发全息记录进行了理论研究与优化。推导了(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体的微观参量,采用数值方法通过严格求解模拟双中心带输运方程来模拟全息记录过程。分析了记录过程中,记录与敏化光强、Ce和Cu掺杂浓度以及晶体微观参量对(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体双中心全息记录的影响。发现(Ce,Cu)∶LiNbO3晶体非挥发全息记录中实现高衍射效率与固定效率的主导因素是深中心Cu,在记录过程中,深中心Cu建立起了很强的空间电荷场。数值模拟的结果经过实验验证,最高饱和与固定衍射效率别为60.5%和53.8%。

用光子学方法研究了叠栅技术中,当试件光栅被拉压和旋转后,叠栅条纹的空间周期和相对于基准光栅的取向,试件光栅被拉压后的节距等相关问题。根据衍射光波的空间周期可能大于试件光栅空间周期的特点,对二维亚波长周期结构衍射成像进行了设计研究。首先,对二维亚波长周期结构衍射物进行编码,以获得包含编码光栅空间信息的均匀波;其次,使编码得到的均匀波通过光学系统,并被放大到CCD相机所能辨识的大小;再次,经解码光栅解码,滤掉编码波,最终获得二维亚波长周期结构物的空间结构信息,达到超分辨的目的。同时,对成像过程进行了较为详尽的分析,对编码器、解码器的位置以及它们相对衍射物的取向进行了设计研究,对滤波器的选择给予了必要的说明,指出了取得超分辨成像的关键。

阐述了提高微光成像系统低照度探测极限的本质是需保证成像系统对光信号足够的积累时间,从理论上指出降低CCD温度实现低照度探测的局限性和实现技术的复杂性后,提出在光阴极与光电子接收器(屏靶)之间耦合一个磁镜装置(即微通道电子瓶板结构)作为一种新的光电子接收器,即可有效保证图像信号的积分时间,提高成像系统的探测信噪比,达到拓展微光成像系统低照度探测极限的目的。论证了磁镜场的物理机理,并用计算机模拟显示出了预期的结果。该方案在常温下能实现当前微光成像系统低温探测灵敏度极限10-11 lx的目标。

为了从含噪声的位移场中计算得到可靠的应变场,提出一种基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变求解方法。介绍了数字图像相关方法的原理,阐述了基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变求解方法,并讨论了计算区域边界、孔洞及裂纹附近区域等情况下的应变计算。对均匀变形和中心带圆孔的薄铝板拉伸实验的计算结果表明,该方法能有效地从原始位移场数据中提取全场应变信息。在均匀变形情况下应选择大的应变计算窗口,计算结果更逼近真值;在非均匀变形情况下,如果位移场中包含较强的噪声,则应选择较大的应变计算窗口,而位移场精度很高时可选择更小的应变计算窗口。

成像质量是光学光刻机的最主要指标,硅片调焦调平测量是光刻机控制成像质量的基础。为此建立了硅片调焦调平测量系统单个测量点的测量模型,并根据硅片形貌标准和集成电路尺寸标准,推导了近似运算规则,简化了曝光场高度与测量光斑在光电探测器上的位置之间的数学关系。运用最小二乘法和平面拟合曝光场曲面的方法,推导了基于多个测量点的曝光场高度和倾斜测量的数学模型。该模型能满足调焦调平实时测量和控制的需要,可用于测量精度优于10 nm的高精度调焦调平测量系统,能满足线宽小于100 nm投影步进扫描光刻机的需要。

基于散射理论,不同频段的光学表面制造误差会对光学性能产生不同的影响,而常用的光学设计软件一般没有考虑。为此利用小波变换对误差进行了频段分割;然后基于Harvey-Shack表面散射理论,从频段误差的角度对光学表面的光学性能进行了评价,同时基于小波变换的特点,当光学性能不满足要求时,找到了需重点控制的频段误差在光学表面发生的区域,从而对下一步的加工进行指导。最后以一块口径500 mm的大镜实测数据及设计要求“在0.33 mrad内环绕能量大于70%”进行了实验验证。结果表明,利用此方法能有效的建立“表面频段误差光学评价光学加工”三者之间的联系。

表面形貌干涉测量技术是一种高精度的非接触式测量技术,在工业生产和科学研究中具有广泛的应用。提出一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉测量新技术。该技术用激光二极管作光源,用自制的高速图像传感器探测干涉信号,通过信号处理电路实时解相得到被测表面所对应的相位分布,实时分析相位获得物体表面形貌。该技术消除了光强和部分外界干扰的影响,提高了系统的测量精度。楔形光学平板表面形貌的测量结果表明,测量点为60×60个的情况下,测量时间小于8.2 ms,重复测量精度(RMS)为4.3 nm。

理论分析了非线性偏振旋转环形腔作为类饱和可吸收体获得脉冲的物理机理。在光纤环形腔结构中,采用单个偏振控制器实现了非线性偏振旋转锁模,直接获得了脉冲宽度为131 fs的超短脉冲输出。实验中,采用性能稳定的976 nm半导体二极管激光器作为抽运源,使用高掺杂浓度的Er3+光纤为增益介质,通过调节偏振控制器,获得了光谱谱宽(3 dB带宽处)为23.5 nm的稳定锁模脉冲输出。脉冲中心波长为1535.9 nm,平均功率为5.91 mW,脉冲重复率为11.20 MHz。

用二维粒子模拟程序研究了相对论强激光和稠密等离子体相互作用引起的表面不稳定。数值模拟表明,在s偏振光作用下,等离子体表面出现了类瑞利泰勒不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体密度形成分层泡状结构, 并向前传播。这种不稳定的产生与初始等离子体密度有密切关系, 在高于20倍临界密度等离子体的表面没有明显观察到这种不稳定。在p偏振激光作用下,等离子体表面不能明显地形成这种结构。因此在三维几何结构下,这种等离子体表面不稳定性将呈现各向异性。这种表面不稳定将直接影响高次谐波产生和离子加速效率。

基于靶面温度分布测量反演激光强度时空分布的重构表达式中,被积函数包含的奇异阿贝尔核函数导致了求解积分表达式的病态和解的不稳定。为了解决这一积分求解问题,基于广义函数理论和正则变换方法,对积分函数进行了重新构造,获得了基于靶面温度时空分布测量反演入射激光强度分布的重构算法,并分析了重构结果对温度测量误差的敏感性。借助数值模拟方法对重构算法进行了验证,数值计算给出了重构强度误差与靶板厚度和辐照时间的关系。验证结果表明,两种背光面边界条件下反演获得的激光束时空分布,不仅与原始模型激光束达到了较好的一致,而且不受薄板条件的限制。算法对强激光辐照效应的靶面激光参量监测有实用性。

研究了不同质量比的聚苯乙烯(PS)三苯基二胺(TPD)复合空穴传输层对有机电致发光器件(OLED)性能的影响。采用此掺杂体系作器件的空穴传输层,利用旋涂工艺制备了结构为indium-tin-oxide (ITO)/polystyrene (PS)∶N,N′-bis(3-methylphenyl)-N,N′-diphenylbenzidine (TPD)/tris-(8-hydroxyquinoline)-aluminium (Alq3)/Mg∶Ag 的双层有机电致发光器件。为便于比较,另直接蒸镀TPD薄膜做空穴传输层制备了相似结构的器件。利用飞行时间法对不同PS-TPD质量比例的薄膜的空穴迁移率进行了表征,并对器件的电致发光特性进行了测试。测试结果表明,掺杂薄膜的空穴迁移率比纯TPD膜的低1～2个数量级。当质量比为m(PS)∶m(TPD)=10∶90时, 器件具有最高光亮度14280 cd/m2和最高流明效率1.2 lm/W。说明适当质量比PS的引入相对降低了薄膜的空穴迁移率,调节了TPD的空穴传输能力,更有效地平衡了复合区内正负载流子的数目,从而提高了器件的发光亮度和效率。

提出了一种利用含有负介电常量和磁导率张量的各向异性超常材料实现偏振分离的方法。通过分析电磁波在无损耗各向异性超常材料中的传输性质以及透射率与入射角度的关系,分类比较了由不同符号的介电常量和磁导率张量组合而成具有不同波矢面的各向异性超常材料的偏振分离特性,比较结果表明波矢面为单叶双曲面和椭球双叶双曲面的各向异性超常材料的偏振分离特性强。前者可以实现入射波中的s分量和p分量中某一分量正折射,另一分量负折射,且在一定条件下可以同时全透射,从而实现大角度偏振分离。后者在一定条件下可实现入射波中的s分量和p分量某一分量全反射,另一分量全透射,从而实现偏振分离。最后,对从各向同性介质入射到这两种各向异性超常材料中的高斯光波的传输进行了模拟计算,结果表明这两种各向异性超常材料可以实现很好的偏振分离功能,有潜力成为新型的偏振分离元件。

应用时域有限差分(FDTD)法,对光在二维异质结光子晶体中含两个近邻点缺陷直角弯曲波导的传输特性进行了数值模拟研究。计算结果表明,具有特定本征共振频率的光子晶体微腔(点缺陷),可将在其邻近波导中传播的相同频率成分的光波“引入”到微腔中。“引入”的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参量,从而能够实现调变“引入”频率。通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径,可分别实现约31 nm或12 nm的波长调谐范围。计算结果为光通信中的调谐、上/ 下载滤波器,提供了一条新的设计思路和依据。

建立了一套用于测量生物组织模型偏振后向散射差分光谱的实验系统。在系统中,线偏振光入射到样品表面,检偏器和光谱仪配合记录后向散射光中的平行和垂直分量,随后计算出差分光谱。采用了平均直径分别为5.0 μm、9.0 μm的两种聚乙烯小球悬浮液进行实验,结果与蒙特卡罗模拟进行对照,验证了实验系统的正确性。初步研究了粒子尺寸分布变化对差分光谱的影响,结果表明,偏振散射差分光谱能敏感地反映粒子尺寸分布的变化,在大小粒子的混合液中,大粒子浓度一定程度的增加,光谱仍保留小粒子的振荡趋势,但差分光强减小。该方法对于早期癌症检测具有潜在应用意义。

应用光谱图像技术进行了苹果内部品质无损检测技术的研究。通过采集不同波长(分别为632 nm, 650 nm, 670 nm, 780 nm, 850 nm和900 nm)的光谱图像,对所采集的光谱图像灰度分布进行洛伦兹分布(LD)、高斯分布(GD)、指数分布(ED)函数的拟合,通过比较发现洛伦兹分布为最优灰度分布拟合函数。将苹果的糖度与洛伦兹分布函数拟合所得参量分别进行多元线性回归,建立最佳单波长、最佳双波长组合、最佳三波长组合和最佳四波长组合的校正方程,相关系数R分别为0.622、0.776、0.831、0.813。实验表明,利用光谱图像技术无损检测苹果糖度是可行性的,为计算机图像对水果进行内部品质的无损检测提供技术依据。

由于虹膜自身的稳定性、非侵犯性、不可更改性等优点,虹膜识别已经成为生物特征身份鉴别领域中的研究热点。但虹膜丰富的纹理和复杂的结构给特征提取和编码带来了很大困难。为尽可能地简化特征提取和编码方法,提高虹膜识别效率,提出了一种基于局部信息统计的虹膜分块编码方法。对原始人眼图像进行虹膜定位等预处理操作,得到归一化的虹膜纹理图像;分别根据虹膜局部信息与全局信息、局部信息与局部信息之间的比较关系进行分块编码;计算了不同虹膜代码之间的汉明(Hamming)距离。根据汉明距离给出识别结果。实验证明该方法有效、可行,具有较高的识别率和识别速度。

提出了用可见近红外光谱结合不同化学计量学方法预测黄酒糖度的新方法。用240个黄酒样本建模, 60个样本进行预测。通过对光谱数据进行平滑、变量标准化及一阶导数等预处理,建立并比较了偏最小二乘法,小波变换与偏最小二乘法相结合,主成分分析与人工神经网络相结合以及主成分分析与最小二乘支持向量机相结合四种不同建模方法的预测精度,以相关系数r、预测标准差、偏差等为评判标准,得到黄酒糖度预测的最优模型为最小二乘支持向量机模型。该模型对黄酒糖度预测的相关系数为0.962、预测标准差为0.021、偏差为-0.001,获得了理想的预测精度。结果表明应用可见近红外光谱对黄酒糖度进行预测是可行的,且最小二乘支持向量机模型能得到最优的预测结果。

为了验证KTiOAsO4(KTA)晶体用于光参变振荡产生2 μm激光的可行性,设计了脉冲式2 μm KTA光参变振荡器,采用θ=49°切割的KTA晶体作为光参变振荡晶体,实现了2 μm激光的输出;计算了该系统在双谐振情况下的起振阈值,在实验中测得输出的信号光、闲频光波长在2.16 μm和2.09 μm附近,与理论计算基本吻合,并测量了脉冲宽度。同时选用了对信闲光透过率分别为60％、70％、90％的镜片作为光参变振荡器(OPO)输出镜,测得了三种情况下的输出能量及电光效率的数值;测得了在380 V电压下,输出镜透过率一定时输出能量与光参变振荡器腔长之间的关系曲线,从而验证了KTA晶体用于光参变振荡产生2 μm激光的可行性,为下一步的研究工作打下了基础。

介绍了一种基于半导体横向光电效应的角位置敏感探测器的结构设计,采用有限元方法对该角位置敏感探测器的输出特性：线性度、角度精度及响应灵敏度,进行了模拟计算,在较大的角度范围内(如90°)进行测量,得到了很高的线性精度(小于0.04%)和角度测量精度(约20″)。分析讨论了材料电学参量及模型结构参量等因素对其测角精度的影响,通过优化选取材料及结构参量,可以使线性度(小于0.01%)及精度(小于1″)更高,能够用于高精度的角度测量。

采用热诱导法制备了GeS2-Ga2S3-CdS硫系微晶玻璃,X射线衍射(XRD)、透射光谱、扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明,获得了含CdGa2S4微晶的透明表面微晶玻璃。采用Maker条纹法研究了微晶玻璃的二次谐波(SHG)效应,结果表明玻璃中的CdGa2S4微晶诱导了二次谐波效应的产生。CdGa2S4微晶在玻璃表面择优生长时,破坏玻璃的各向同性,可获得两个包络的Maker条纹,且入射角在±(35°～50°)左右时,二次谐波的相对强度出现最大值,二阶非线性强度最大可为α-石英单晶的8倍;CdGa2S4微晶在玻璃表面无择优生长时,由于玻璃表面较大的CdGa2S4晶粒的散射作用,只能获得一个包络的Maker条纹,即入射角为0°时,二次谐波的相对强度出现最大值。

随着研究工作的逐步深入,目前已经利用经典热光源实现了关联衍射成像,使得该技术有望在X射线以及中子衍射成像等方面得到广泛应用。在实验利用非相干光得到物体无透镜傅里叶变换频谱的基础上,采用误差消除与输入输出恢复算法,并结合过采样理论,实现了实验所用物体透射率函数的恢复。分别得到了纯振幅物体的振幅分布函数与纯相位物体的相位分布函数。此外,还讨论了实验所得傅里叶变换频谱的噪声等因素对图像恢复结果的影响。

基于石英晶体的旋光色散原理,提出了一种测量石英晶体光轴方向厚度的光谱分析方法。利用光学矩阵方法对测量原理进行了分析,指出通过测量由两个正交的偏光镜和待测石英晶体所组成的系统的透射曲线就可以精确计算出待测石英晶体的厚度。在实验的过程中进行了误差分析,分析表明选取长的测量波段、低的扫描速度、短的响应时间和小的狭缝宽度都有利于提高测量精度,并从理论上证明所得厚度的精度高于电子数显千分尺的测量精度。利用三种不同的方法对两块不同厚度的石英晶体进行了测量,测量结果表明利用提出的方法所得厚度的精度可以达到0.1 μm,与理论分析的结果相一致。

腔衰荡光谱技术(CRDS)不仅具有较高的测量灵敏度,还可对样品的绝对吸收进行测量。采用连续激光腔衰荡光谱技术,通过测量O2分子三重禁戒跃迁b1∑+g–X3∑-g(3, 0)带RQ(5)谱线(波数17266.090 cm-1)处,极限真空及不同气压下的衰荡时间,利用逼近法得到空腔寿命为2.9174 ms,由此拟合获得其绝对吸收截面为1.4998(±0.0967)×10-26 cm2,与先前的文献估计值一致。由空腔寿命获得的谐振腔高反镜的反射比为99.989(±0.001)%,较通常的测量方法更为精确,该实验条件下的等效吸收程长比几何程长增大了约9090倍。

采用蒙特卡罗方法模拟了直接转换X射线探测材料HgI2在医用X射线范围的固有空间分辨性能,模拟基于最新版本的EGSnrc模拟软件的用户代码DOSRZnrc,模拟了HgI2材料对无限小锥束入射X射线的调制传递函数(MTF)。考虑到荧光光子和散射光子重吸收,高速电子射程扩展以及离轴X射线入射对空间分辨力的影响,把模拟结果和文献解析方法获得的结果做了对比,两者符合较好。模拟结果表明,初级高速电子射程和入射角度对材料固有空间分辨力影响很大,材料分辨对入射X光子能量很敏感,高能时分辨力特性急剧变差,而对材料厚度很不敏感。相对于非晶硒(α-Se),HgI2材料具有更好的固有空间分辨力,尤其在50 keV能量以上时。在fMTF=0.5时,能量为20 keV,50 keV和100 keV的X射线入射,HgI2和非晶Se固有空间分辨力分别为390 lp/mm,170 lp/mm,52 lp/mm和390 lp/mm,80 lp/mm,22 lp/mm。

利用X射线二维图像的每个灰度值的负指数与厚度成正比的关系,在实验参量设置一定的条件下,计算出苹果的衰减系数;建立苹果体积数学预测模型,计算出苹果的体积。实验结果表明,X射线能量衰减与苹果厚度符合指数规律,回归相关系数R2μ=0.9932,衰减系数m=0.0114;完整苹果真实体积与计算体积相关系数R2ν=0.9809,预测相关系数r2=0.9203,因此模型具有良好稳健性和预测性。