为了充分利用放大介质的增益带宽, 获得脉宽更短, 功率更高的输出脉冲, 需要将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。提出了利用变栅距反射光栅实现中心波长1053 nm, 谱宽6 nm啁啾脉冲的光谱整形。运用严格的光栅衍射耦合波理论分析光栅的衍射特性, 发现该方案不会引入相位畸变。分别计算和分析了刻槽深度、入射角大小、光栅周期以及入射光波长的变化对衍射效率的影响, 通过选取适当的光栅参量可获得0.5%～84%的光谱调制深度。

为满足激光惯性约束聚变中靶面激光辐照不均匀性低于5%的要求, 在目前使用透镜列阵基础上, 提出了谱色散平滑与透镜列阵联用方案, 对其进行数值计算并分析其平滑效果和应用可行性。结果表明:焦斑的不均匀性从单独使用透镜列阵时的14%降低到与谱色散平滑结合后的3%;对焦斑点功率谱的分析表明谱色散平滑通过抑制焦斑中高频的频谱强度达到平滑效果。该方案可以进一步提高焦斑平滑效果, 计算结果对实际应用有着重要的参考意义。

基于近地层相似理论以及极端层结下对该理论的修正, 建立了海洋大气近地层光学湍流估算模型, 并进行了数值分析。结果表明:当气温与海温相差较大时, 温度起伏对光学湍流贡献最大;当气温与海温相差较小时, 海面湿度越小, 光学湍流越强;在较低湿度条件下, 尤其在红外窗区, 湿度扰动对光学湍流贡献起支配作用。当气温小于海温时, 光学湍流先随海面风速增大而增强, 后随风速增大而减弱;当气温大于海温时, 光学湍流总体上是伴随海面风速增大而减弱。当气温小于海温或与海温接近时, 与可见光和近红外波段相比, 红外窗区光学湍流显著偏强;当气温远大于海温时, 两波段光学湍流接近。在中性和近中性层结下, 大气折射率结构参量C2n依赖于垂直高度的负幂指数接近-2/3, 伴随海面大气层结稳定度或不稳定度增强, C2n依赖于垂直高度的负幂指数的绝对值分别逐渐减小或增大, 并分别趋近于稳定极限下的0或不稳定极限下的-4/3。

基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的布里渊频移同时受应变和温度的影响, 无法由单一的布里渊频移解析应变或温度的信息, 这种交叉敏感问题制约了传感器的实用化。介绍了目前解决交叉敏感问题的主要方法及工作原理。研究了大有效面积非零色散位移光纤(LEAF)的布里渊散射谱与应变和温度的关系, 实验发现布里渊谱具有三个布里渊峰, 三个峰的布里渊频移与应变和温度成线性关系, 第一个峰和第三个峰的布里渊峰峰值功率的差值与温度无关, 但与应变成线性关系。最后基于实验结果提出了一种解决交叉敏感问题的方案, 获得了大约130 με的应变测量精度和8 ℃的温度测量精度。

提出了一种新结构的高双折射光子晶体光纤, 通过引入掺氟实心圆的方式形成双折射, 而不采用大多数高双折射光子晶体光纤中引入不同孔径空气孔或椭圆空气孔的结构。应用全矢量平面波法对其基模场分布、模式截止以及各种结构参量对模式双折射特性的影响进行了详细的分析和讨论。结果表明, 该结构光子晶体光纤可以在较宽波长范围内产生10-3量级的模式双折射, 且通过调节孔径, 可以灵活地将双折射最高点调整到所需的波长上。另外, 该结构高双折射光子晶体光纤在拉制工艺、光纤强度以及光纤熔接等方面也具有一定的优势。

报道了基于光纤光栅反射谱带宽调制和光强差分检测技术实现单一光纤光栅温变不敏感动态压力传感的新方法。设计了一种结构新颖的双孔梁压力传感装置, 依据双孔梁有限元受力分析将光纤光栅准确定位于线性梯度应变区, 压力作用下光纤光栅反射谱对称展宽, 反射光强线性正比于压力变化。基于光波导理论和材料力学原理推导了线性梯度应变场作用下光栅反射谱带宽、反射光强与压力之间的响应关系。利用光强差分检测技术取代传统波长解调方法, 简化解调过程的同时传感系统免受温变影响。实验表明, 在-10～80 ℃的温度变化范围内, 系统测量误差小于总量程(120 kPa)的1.8％, 动态响应速度约80 Hz, 重复测量系统输出稳定, 具有较好的应用价值。

研究了接收端孔径平均效应对自由空间光通信误码率的影响。对数辐射方差是反映接收孔径上某一点闪烁起伏的参量。如果自由空间光通信的误码率仅仅是和对数辐射方差有关, 那么得到的就是点接收器的结果。对数辐射的协方差是与接收平面上某两点间距离有关的闪烁起伏参量。孔径平均效应意味着要将误码率和对数辐射的协方差联系起来。文中共考虑了两种模型:球面波和平面波, 并假设接收孔径直径等于第一菲涅耳区尺度。分析的结果显示, 孔径平均后的误码率有明显的减小。

讨论了傅里叶迭代算法对初始相位敏感的缺陷机理, 提出用伪随机相位编码作为傅里叶迭代算法初始值的改进算法来克服相位敏感缺陷。改进算法具有加快迭代收敛速度、提高恢复图像强度准确性的优点。将该算法产生的任意期望图样的相位全息图写入纯相位液晶空间光调制器上, 在远场成功地再现了期望图样。算法迭代10次可产生衍射效率接近85%的一幅相位全息图。作为一种快速相位恢复算法它在相控阵激光雷达以及光束敏捷偏转等领域有重要意义。

在传统傅里叶变换轮廓术三维面型测量中, 为了准确得到被测物体的高度分布, 必需保证投影仪出射光瞳和摄像机入射光瞳的连线与参考面平行并且在同一水平面, 否则存在较大的误差。着眼于更普通的情况, 讨论双瞳连线与参考面成某一夹角时的高度计算, 推导出了非平行时的参考面光场及物面变形条纹光场的表达式, 并给出了高度映射公式。因而, 传统的傅里叶变换轮廓术测量成为角度α=0时的特例。该方法使傅里叶变换轮廓术的测量条件得到了放宽;易于通过移动投影装置或成像装置获取全场条纹;并为在难以实现双瞳与参考面平行的特殊环境下的测量提供了可行的方法。计算机模拟及实验均证实了该方法的有效性。

对描述双掺杂晶体非挥发性全息记录动力学过程的Kukhtarev方程进行了矢量分析, 分析中考虑了体光生伏特效应和外加电场的作用。在小信号近似的基础上给出了双中心全息记录中记录与固定阶段空间电荷场的矢量解析解。在综合考虑空间电荷场的各向异性以及晶体有效电光系数的各向异性后, 给出了双中心全息记录的优化记录方向。结果表明, 对(Fe, Mn):LiNbO3晶体633 nm寻常光记录, 优化记录方向主要由有效电光系数决定, 光栅波矢与光轴夹角为22°, 方位角为30°;对(Fe, Mn):LiNbO3晶体633 nm非寻常光记录, 优化记录方向主要由固定空间电荷场决定, 光栅波矢与光轴夹角为44°, 方位角为90°。

研究了在低曝光量情况下灰度投影算法的稳健性, 为提出的稳定成像系统的设计与实现提供可行性论证。通过合成视频实验探讨、实际视频实验论证相结合的研究方法, 探讨曝光量不足对灰度投影算法性能的影响。实验结果表明, 灰度投影算法在欠曝5档和存在一定随机噪声的情况下, 仍能保持良好的运动矢量估计性能, 从而说明了投影算法在一定的曝光量范围内仍能准确地得到运动矢量估计, 是一种运算量小、实时性好且稳健性较强的电子稳像算法。投影算法在低曝光量情况下良好的稳像稳健特性, 使其能在低亮度及高实时性要求等环境下应用于航拍、卫星遥感等稳定成像或高清晰成像场合。

提出了一种基于成像系统物理特性的多光谱图像与全色波段图像融合算法。该算法采用à trous小波变换提取全色波段图像的空间细节信息, 并将提取的空间信息按照一定的注入模型调整后添加到各波段多光谱图像中去, 得到具有高空间分辨力的多光谱图像。注入模型充分考虑了各波段成像传感器的相对光谱响应函数、地表物体对各波段的光谱反射率以及各波段的辐射调整系数等成像系统的物理特性, 使融合后的多光谱图像在显著提高空间质量的同时, 最大可能地保留了原始多光谱图像的光谱特性。对IKONOS卫星遥感影像的融合实验结果表明, 该算法在光谱保留和空间质量提高方面较其它基于小波变换的融合算法都具有更高的性能。

演示一种双频激光位移探测系统, 阐述光载波激光雷达的概念。由单块非平面环形腔固体激光器和声光调制器产生100 MHz载波频率的双频激光束, 作为探测光束, 经过光路收发系统, 探测位于电动导轨上目标的位移变化, 信号处理部分采用高速光电探测器响应后信号的电子外差解调方式, 位移量的获得通过高频锁相放大器解算参考光束与信号光束的相位差并计算获得。通过双频激光把光学外差探测变为了电子外差探测, 系统重复误差小于3%。系统在利用无线电雷达信号处理方式的同时, 保留了激光探测的优点, 位移测量系统具有良好的重复性。

为满足高精度测量和瞄准跟踪系统中对激光CCD自准直仪的测量精度和实时性的要求, 提出一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法。首先利用变结构元广义形态学边缘检测算法, 充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响, 然后采用多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位, 最后利用最小二乘拟合方法实现了圆目标中心的精确定位。实验结果表明, 该定位方法稳定性好, 定位精度高且实时性强, 应用该方法改进后激光CCD自准直仪的测量精度由2″提高到±0.25″, 且单次测量时间小于0.23 s, 可满足激光CCD自准直仪在小角度测量和瞄准跟踪等领域的高精度实时测量需求。

角度散斑相关是一种不受表面粗糙度轮廓的间距特性影响的粗糙度幅度参量测量方法, 它的数学模型通常建立在集平均的基础上。通过模拟计算随机粗糙表面的远场散斑场, 以散斑图面上的空间平均代替常规的集平均来计算角度散斑相关系数, 并应用集平均的数学模型反演粗糙度参量。结果证实了这种空间平均角度散斑相关粗糙度测量方法的有效性, 在同一表面只需对少数个区域进行测量并对测得的粗糙度参量取平均, 即可获得足够的测量精度。对于Rq大于2.0 μm的表面, 测量相对误差小于15%。根据最佳测量条件, 该方法适用于大粗糙度表面。

结合非均匀球粒子对平面波散射的散射场计算的改进算法, 提出了平面波垂直入射无限长分层圆柱散射场快速稳定而有效的改进电磁散射算法。与已有算法相比, 改进算法所能计算的无限长非均匀介质圆柱的尺寸参量突破10000, 计算层数达到106, 并且计算时间很短, 最多仅为几秒。该算法可以用于不同的波段以及不同领域的任意无耗或吸收无限长圆柱体散射场的计算。最后将该算法应用于梯度折射率聚合物光纤(GI-POF)散射特性的研究, 为非接触、在线测量聚合物光纤折射率分布提供了理论依据。

报道了千瓦级激光二极管面阵抽运固体热容激光器的理论与实验研究, 分别采用Nd:YAG单板条和双板条串接的热容激光器, 利用热容激光器的理论计算模型计算了在一定的工作时间内激光输出特性, 并进行了实验验证。实验中采用的晶体尺寸均为59 mm×40 mm×4.5 mm, 对单板条进行抽运时平均功率大约为5.6 kW, 双板条串接时为11.2 kW, 重复频率为1 kHz, 占空比为20％。实验中观察了1 s的工作时间内脉冲能量输出的波动情况, 单板条时单脉冲能量输出最大为1.3 J, 在1 s后单脉冲能量输出下降到开始的70％左右, 而双板条串接时单脉冲能量输出最大为2.06 J, 在1 s后单脉冲能量输出下降到开始的50％左右, 对单块晶体采用通水冷却的准热容热管理模式能有效地降低其热效应。

综述了被动调Q铒玻璃激光器的发展概况, 推导了被动调Q铒玻璃激光器输出脉冲能量、脉宽的解析表达式, 数值模拟了腔内损耗与输出脉冲能量、脉宽及峰值功率的关系以及输出脉冲能量与输入抽运能量的关系。设计了一台LaMgAl11O19:Co2+被动调Q铒玻璃激光器, 实验验证了数值模拟分析结果。结果表明, 腔内损耗增加将导致输出脉冲能量下降, 脉宽变大, 从而峰值功率降低。输入能量低于12 J时, 输出只有单脉冲, 当输入能量大于12 J时, 输出会出现双脉冲。在8 J的电输入下, 获得了峰值功率50 kW, 2.7 mJ的1.535 μm激光输出。最后讨论了提高单脉冲能量的方法。

采用非同时读出条件下的两波耦合实验装置, 以单束光入射Ce:KNSBN光折变晶体, 系统研究了Ce:KNSBN晶体中光扇效应随入射光偏振态、入射光强度、光入射角的变化情况。结果表明异常偏振光入射晶体时光扇效应明显, 且存在明显的入射光强度阈值特性, 入射光强度阈值为38.2 mW/cm2;相同光入射角下, 稳态光扇强度随入射光强度的增强而明显变大;对应相同的入射光强度, 稳态光扇强度随光入射角θ的增大而增大, 当θ为15°时到达峰值, 而后随θ的增大而逐渐减小。同时对光扇效应的入射光强度阈值特性以及稳态光扇强度随入射光偏振态、入射光强度、光入射角的变化作出了相应的物理解释。

采用燃烧法制备了不同Tb3+掺杂浓度和不同粒径的Y2O3:Tb纳米晶体粉末样品, 并通过高温退火获得了相应Tb3+掺杂浓度的体材料样品。测量了纳米和体材料样品的发射光谱、激发光谱、X射线衍射谱和荧光衰减曲线, 并拍摄了不同粒径样品的透射电子显微镜(TEM)照片。研究纳米Y2O3:Tb晶体粉末中Tb3+离子的4f5d跃迁发现, 由于在近表面的低结晶度环境和颗粒内部的高结晶度环境中Tb3+离子4f5d跃迁对应的激发峰位置不同, 不同粒径样品中处于这两种环境的Tb3+离子比例也不同, 激发谱的谱线形状存在较大差别, 还对Tb3+离子的能量传递进行了研究, 发现 Y2O3:Tb 晶体粉末中Tb3+的 (5D3, 7F6) →(5D4, 7F0)能量传递类型为受纳米限域效应影响很大的电偶极电偶极相互作用;引起5D4→7F5(543 nm)发光浓度猝灭的是不同Tb3+离子5D4能级之间交换相互类型的能量传递, 此类型的能量传递受纳米限域效应影响较小。

以实物拍摄为依据, 用一种最简便的修正方法解决计算机X射线层析术成像时由于硬化效应引起的切片图灰度失真问题。用高性能数字X射线机FAXITRON MX-20(射线管焦点20 μm, 探测板灰度等级16位)对不同厚度的物体进行透射成像, 测得对应的透射光强度, 并利用新创的指数拟合法得到理想的拟合曲线, 由此推导硬化效应的指数校正公式;最后利用实验室的微型计算机层析设备进行扇形束扫描, 并逆投影重建生成计算层析断层图像, 验证了该校正方法的实用性。该指数拟合法的误差不到常用的二阶多项式拟合法的1/3, 对物体计算层析重构, 硬化校正以前有明显的“杯状”伪迹, 切片灰度不均匀, 用指数法修正以后该伪迹消失, 切片灰度均匀。

近红外光谱技术(Near-infrared spectroscopy, NIRS)已被广泛应用于无损大脑功能检测, 然而传统时频分析方法并不适用于非稳态、非线性的血氧信号。在视觉刺激实验中, 采集被试前额叶的血氧信号, 分别比较了傅里叶谱分析法、小波谱分析法和希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang transform, HHT)方法在近红外脑功能成像信号分析中应用的结果。实验表明基于希尔伯特黄变换的谱分析方法优于其它两种方法, 并且使近红外光谱研究可以采用事件相关设计的实验, 为形成近红外光谱信号分析的标准方法开辟了新的途径。

基于能量守恒和三波耦合波方程, 建立了超短脉冲在参变过程中二次谐波产生时的I类和II类相位匹配条件、基波与谐波之间的群速延迟时间、以及群速失配对晶体长度限制的理论基础。以负单轴非线性光学晶体CsLiB6O10为例, 分析和数值计算了超短脉冲宽度为100 fs时, 谐波的群速匹配长度随基波波长变化的规律。研究结果表明在I类相位匹配条件下, 基波波长为642 nm时, 群速延迟最小, 相应的群速匹配晶体长度最长为19.1 mm;在II类相位匹配条件下, 基波波长为767 nm, 群速延迟最小, 群速匹配长度最长为0.89 mm。

基于四波混频(FWM)的全光波长转换技术是未来多波长通信系统的核心技术之一。除半导体光放大器(SOA)外, 半导体激光器也是进行波长变换的器件。实验研究了小频率失谐到大频率失谐下分布反馈(DFB)激光器中剩余法布里珀罗腔模对非简并四波混频(NDFWM)的影响, 并对其四波混频转换效率进行了分析。结果表明:当探测光波长与法布里珀罗腔的某一谐振波长一致时, 分布反馈激光器中的四波混频转换效率将得到显著的增强;当频率失谐为太赫兹时, 仍可得到较高的四波混频转换效率。

为了使得数值模拟更为精确, 采用广义非线性薛定谔方程(GNSE)描述超短激光脉冲在光子晶体光纤中的传输演化过程, 并利用二阶分步傅里叶方法通过求解方程, 数值计算了相同脉宽和能量的超短脉冲在不同色散参量的光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生。比较了超短脉冲在光纤不同色散区传输时, 高阶色散和非线性效应对超连续谱的产生以及对脉冲波形演化的影响。结果表明, 相对于超短脉冲中心波长位于光子晶体光纤的正常和反常色散区, 可以相应获得短波波段和长波波段的超连续谱输出, 当超短脉冲中心波长位于零色散波长点时, 通过色散和非线性效应的联合作用, 更易于产生全波长段的平坦超连续谱。

利用旋光理论模拟了一种用于螺状相液晶显示器(CH-LCD)的螺状相液晶的旋光率与入射波长、螺距的关系, 并从理论上给予定量分析;用磁光调制倍频法测试了这种螺状相液晶旋光率随温度变化的规律, 并利用所测的旋光率的值计算得出这种螺状相液晶的螺距、折射率、及双折射率随温度变化的规律;对模拟结果给予了实验验证。

闪光灯反光罩结构设计的目标是使得所拍摄视场内的光能量分布尽量均衡。不同于基于几何光学理论的闪光灯计算和设计方法, 采用了蒙特卡罗光子追迹法来分析闪光灯的结构设计。通过对照相机闪光灯几何结构的分析, 引入余弦随机变量等方法, 建立了闪光灯系统中光源、反光罩、菲涅耳透镜等部件的数学模型。先用蒙特卡罗光子追迹法模拟了单光子在闪光灯中飞行的各种可能状态, 再通过产生大量光子仿真真实的情况。并对一个具体的闪光灯结构进行了计算, 计算得到了光强和光子方向矢量在水平、垂直两个方向的投影角之间的分布曲线图。仿真结果符合设计要求并与实测曲线很接近, 从而验证了蒙特卡罗光子追迹法在闪光灯结构设计中的可行性。

研究了相干态光场与纠缠双原子相互作用系统中场熵的压缩性质, 借助于数值计算, 讨论了双原子纠缠度及光场强度对场熵压缩的影响。所得结果表明, 双原子初态的纠缠度对压缩的持续时间和压缩深度具有决定性的影响。当双原子初始时刻处于最大纠缠态时, 场熵具有较大的压缩深度和较长的压缩时间。初始光场强度对场熵的压缩深度和压缩时间也具有显著的影响。光场愈弱, 场熵的压缩性愈好。

研究了反常色散介质中脉冲形变对超光速群速度的影响, 发现即使光脉冲完全不产生形变群速度仍会超过真空中的光速。但波包的群速度并不等同于信号的传输速度, 采用信息论方法, 定义了信号的有效传输速度, 并用于解释WKD (Wang, Kuzmich, Dogariu)实验。通过计算入射光与出射光信号所携带的信息量, 发现由于光的波动衍射及光子散粒噪声的影响, 出射光所携带的信息量会损失, 使得光信号的有效传播速度不会超过真空中的光速。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性, 扫描待测气体特征吸收线, 从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果, 检测限低于体积比1.2×10-6, 与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单, 自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测, 该方法不用加信号调制和锁相放大器, 直接探测待测气体的吸收光谱, 从而降低成本, 减小系统装置体积, 易于集成为便携式痕量气体检测仪。

相位匹配是实现高效光学参变啁啾脉冲放大(OPCPA)能量转换的关键之一, 通过对几种常用非线性晶体的光学参变啁啾脉冲放大过程进行数值模拟研究, 结果表明一定程度的相位失配不但能增加光学参变啁啾脉冲放大增益带宽, 而且会使啁啾脉冲光谱强度分布中间凹陷。提出利用光学参变啁啾脉冲放大相位失配放大作为啁啾脉冲频谱整形的新方法, 通过理论分析和模拟计算, 找到了光学参变啁啾脉冲放大相位失配啁啾脉冲频谱整形效果的控制量;并对几种常用非线性晶体在简并、近简并、非简并等条件下的光学参变啁啾脉冲放大相位失配放大特性进行了比较。

提出了一种基于特征角点的目标跟踪、识别方法, 其运算效率较高, 且角点不易丢失。从对基于灰度的角点提取方法和基于边缘的角点提取方法的比较入手, 提出建立新特征模型的必要性。随后给出了一种既能提高运算效率又能简化跟踪模型的特征角点法。选取了飞行速度为300 m/s的某战机序列共11帧连续图像作为处理对象, 通过在主要配置为Pentium 4、80 G 内存计算机的、Matlab2006a软件的环境中进行仿真, 算法的运算速度可达0.7 s, 与其他跟踪算法相比跟踪速度较快, 表明该方法是一种简洁有效的目标跟踪识别方法。

荧光油墨半色调印刷品的显色预测规律是彩色成像领域内十分关键的课题。把荧光半色调印刷品反射出来的光分成两个独立的部分, 即由最初入射光组成的主光流和由于吸收了主光流而产生的荧光流;并且采用了一个指数矩阵来描述墨层产生的荧光光强, 从而得出了荧光半色调图像色彩的光反射规律。考虑到入射光中从一种颜色油墨入射后再由同色油墨出射的概率要比从其它色油墨出射的概率要大的事实, 讨论中引入权重因子描述从同色油墨出射部分与从整个表面出射部分比例不同的现象, 建立了荧光油墨半色调图像的Clapper-Yule新光谱反射率模型。

对SONY G520彩色阴极射线管显示器, 实验研究了查找表(LUT)方法的特性化精度以及特性化方程是否考虑黑点对精度的影响, 给出了CIELAB, CIE94和CIEDE2000三种色差精度:在黑点强度较大时(CIE XYZ=1.31/1.19/0.97), 特性化方程中考虑黑点时分别是0.84, 0.40和0.42, 不考虑黑点时分别是1.87, 0.74和0.76;在黑点强度较小时(CIE XYZ=0.08/0.10/0.12), 特性化方程中考虑黑点时分别是0.87, 0.41和0.38, 不考虑黑点时分别是1.06, 0.47和0.44。实验结果说明, 显示器设置在黑点强度较大的情况下, 特性化方程是否考虑黑点对特性化精度的影响较大;而在黑点强度较小时, 特性化方程是否考虑黑点对精度的影响较小。

研制了一套相位光栅型波前曲率传感器。实验结果表明, 相位型散焦光栅能消除零级衍射光的干扰, 正负一级衍射光的衍射效率达到49%。用相差板引进波前畸变, 进行了波前测量实验。用格林函数算法进行了波前恢复, 并和Veeco检测结果进行了比较。制备的光栅型波前曲率传感器测量结果正确, 峰谷值存在10%的误差, 均方根值存在2%的误差。