研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。

利用弱起伏条件下球面波在大气湍流中传输的光强起伏(闪烁)理论和圆环孔径滤波函数,获得了圆环孔径平均因子的精确表达式。将圆环孔径平均因子关于一个无量纲参量(孔径半径与菲涅耳尺度的比值)拟合成2阶多项式,再找出多项式系数与孔径内外径之比的函数关系,获得了圆环孔径平均因子关于该参量和孔径内外径之比的函数关系式。通过误差分析确定了拟合关系式的适用范围,在此范围内,拟合式与精确式的相对误差小于25％。分别用Tatarskii谱和修正Hill谱分析了湍流内尺度对圆环孔径平均因子的影响,结果显示:在其他条件不变的情况下,内尺度越大,孔径平均效应相对越小。

由第一类零阶贝塞尔函数的级数展开推导出波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式。由广义惠更斯菲涅耳原理、随高度变化的Hufnagel-Valley湍流廓线模型以及波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式,导出了斜程传输时准单色高斯谢尔光束互相干函数的解析式。然后,利用表征光束时间相干性的纵向相干长度(可由互相干函数导出),研究了斜程传输时大气湍流对准单色高斯谢尔光束时间相干性的影响。研究结果表明,准单色高斯谢尔光束的时间相干性在整个斜程传输过程中保持不变。最后,对该结果在物理上给予了定性解释。

大气湍流引起的动态波前畸变和望远镜的像差是限制望远镜分辨力的主要因素,如何准确地测量望远镜的像差是进一步提高望远镜分辨能力的关键问题。相位差法利用在焦面和离焦面上同时采集到的短曝光图像,恢复出瞬时波前相位分布,然后根据大气湍流的统计特性进行平均,可以实现对望远镜像差的估计。通过计算机模拟实验,对利用相位差法恢复光瞳上的波前相位和测量望远镜像差进行了研究。模拟研究结果表明,利用相位差法能有效地估计出望远镜像差,估计均方根误差约为0.08个波长。

利用二维耦合波理论,分析了超短脉冲激光光束被完全重叠型的局域体全息光栅衍射的时空变化性质,给出了衍射和透射脉冲激光光束沿光栅出射边界的强度时空分布。以LiNbO3晶体为例,数值研究了衍射光脉冲强度沿光栅出射边界的分布和脉冲波形的变化及光栅的总衍射效率受光栅二维尺寸、入射角度、光栅折射率调制度及入射脉冲的脉冲时域半峰全宽等条件的影响而变化的情况。与一维体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质,及此光栅对连续光衍射的性质作比较,给出了合理选择光栅参量及入射条件以在光栅出射边界上得到总衍射效率较大且分布较均匀的衍射光脉冲的方法。

基于微机电系统(MEMS)的光栅平动式光调制器(光栅平动式光调制器)调制性能的实验研究关系到其进一步应用。设计了光栅平动式光调制器的相干光学信息处理系统实验方案,He-Ne激光器出射的光束经扩束器和准直透射后成为平行光入射光栅平动式光调制器,被测光栅平动式光调制器放置在相干光学信息处理系统的输入面,滤波器在频谱面上,显微镜放大像面上的信号,经CCD在计算机上记录存储;实验结果和理论分析吻合。对光栅平动式光调制器进行方案优化,将可动光栅边框和悬臂梁表面处理成不反光,使可动光栅和下反射镜构成的整个反射面为光栅周期的整数倍。经理论计算,在光栅周期为8 μm,光栅占空比为0.5,光栅边距为2 μm,周期数为6的条件下,光栅平动式光调制器图像填充率为74.67%,光学效率为81.06%,衬比度大于5000∶1。

成功演示了码片速率高达280 Gchip/s的全光编解码,编解码光栅是采用“等效相移”方法制作而成的超结构光纤布拉格光栅(SSFBG)。考虑和分析了信道间干涉,实验验证了40 Gb/s×2的光码分复用(OCDM)信号复用。引入非线性光学环镜(NOLM))来抑制信道间干涉,利用非线性光学环镜的非线性开关特性将解码输出脉冲的宽度由7.7 ps压缩至3.8 ps,并同时有效的减小了干扰噪声,进而提高系统性能。理论计算和实验结果表明了采用超结构光纤布拉格光栅和非线性光学环镜实现高效编解码的可行性。高速的全光编解码可以应用于点到点的光码分复用系统以及光标签交换网络。

提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)水声传感探头结构以及光纤光栅传感信号的自解调方法。利用一对匹配光栅构成推挽结构,实现了传感解调的合二为一,大大地减小了系统的复杂度;并通过筒状弹性体结构,解决了裸光纤光栅测量水声信号的灵敏度过小的问题,并具有温度补偿作用。仿真与初步实验结果表明,该水听器探头的测量动态范围超过100 dB,在100～200 dB re 1 μPa的水声压范围内,测量灵敏度为0.36 nm/Mpa。

在对预编码、调制和编码过程进行改进的基础上,提出了一种利用一个双臂马赫曾德尔铌酸锂调制器和一个电信号时延器产生可调占空比和消光比的光暗脉冲归零码二进制信号的新方案。实验证明这种信号能用传统的二进制强度调制直接检测系统的接收机进行检测。实验得到了在调节电信号时延器时速率为2.5 Gbit/s的光暗脉冲归零码二进制信号的频谱变化规律,以及占空比分别为0.25,0.35,0.60和0.80时光暗脉冲归零码二进制信号的误码率和眼图。此外,利用该方案产生的光暗脉冲归零码二进制信号可以作为标记在光标记交换网络中得到应用。

微环谐振器可用作未来高密度、超大规模集成光路的基本构件,其重要发展方向之一是多环化、阵列化,微环谐振器阵列近来成为研究的热点。基于定向耦合器、环形谐振腔、直波导腔的基本单元传输矩阵,建立了用于分析微环谐振器阵列传输特性的传输矩阵模型。讨论了列间距对传输特性的影响,并数值模拟了不同尺度的奇数行和偶数行情况下谐振器阵列的传输特性。结合此传输矩阵模型,讨论了通过改变微环谐振器阵列的尺度以及耦合系数以实现滤波特性改善的方案。最后数值研究了最小尺度微环谐振器阵列传输特性与腔间耦合系数的关系。

利用成熟的偏振控制技术,设计了一种由偏振光分束器、相位型空间光调制器和反射镜构成的2×2光开关,该光开关所用器件少,具有结构简单紧凑、控制灵活方便、功能实现与信号光的偏振态无关以及可以双向交换等特点;在此基础上通过2×2光开关的串连,设计了一种与偏振无关的双向4×4光开关的实验模块,根据其路由选择与控制方法,得到了4×4光开关实现信号光全排列无阻塞输出与交换对应的路由状态表,并对该实验模块的功能实现进行了详细的分析与讨论。

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396\X396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0～180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。

介绍了传统的拉普拉斯变换存在的缺点以及改进的拉普拉斯变换的基本原理和重构方法,分析了新的重构算法能够在重构时抑制噪声的特点。提出了在图像融合过程中会引入噪声的问题,并通过实验分析了图像融合过程中引入的噪声情况。使用新的重构算法能够在图像重构过程中,而不是在系数处理过程中,有效抑制融合噪声。给出了基于改进的拉普拉斯变换方法进行图像融合的基本架构,并对变换系数的设置与融合过程的处理进行了详细的介绍。仿真实验的主客观性能比较表明,基于改进的拉普拉斯变换的图像融合方法比其它几种基于金字塔变换的融合效果要好得多。

从光综合孔径圆周阵列成像的基本原理出发,建立了圆周阵列的优化模型;采用改进的实数编码方法对子孔径阵列位置进行编码,运用遗传算法进行子孔径阵列的优化;以阵列的u-v覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,实现了8～16个子孔径二维圆周阵的优化排列;分析了二维圆周光综合孔径阵列成像系统的点扩展函数、光学传递函数和衍射成像的基本原理;对优化结果与模拟退火算法的结果进行对比,使用仿真成像程序分析其点扩展函数,并与均匀排布的圆周阵列进行对比。结果表明,采用改进的实数编码的遗传算法可以很好地解决综合孔径阵列优化的问题,相对于模拟退火算法,该方法的计算时间更短,结果更优。

红外焦平面阵列(IRFPA)的非均匀性是其应用中必须解决的技术难题之一。基于小波理论,提出了一种基于成像场景的红外焦平面非均匀性校正算法。该算法选择合适的小波函数对红外成像序列进行小波分解,而后对分解的信号计算出相应的统计量,从而得出红外焦平面非均匀性校正的偏置和增益校正系数,以此最终实现非均匀性校正。对真实红外序列图像的处理效果验证了该算法可较好地实现非均匀性校正。此外该算法对慢变化量具有较好的自适应性,可较好地抑制一般基于场景统计的非均匀性校正算法中出现的“人工虚影”的现象。

基于几何光学理论利用光线追迹方法得到了适用于任意面型相位板的大视场平行光入射情况下的光线像差近似表达式,并在此基础之上分析了奇对称型相位板波前编码系统的点列图的大小、边界以及光线结构等特性,研究了大视场角平行光入射下的光线像差增强及点列图形变等现象,并且给出了相应的近似数学解析式来描述这些特性。通过对奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析,有助于进一步的理解波前编码技术并且指导实际系统的设计。

为了校正激光光束的波前像差,建立了一套无需直接探测波前信息的自适应光学(AO)系统模型,提出了一种基于实数编码的高斯变异的遗传算法(GA)用来控制61单元压电变形镜补偿波前像差,并仿真利用此算法控制61单元变形镜校正由变形镜本身产生的像差。结果表明,这种算法能够找到补偿各种像差所需的变形镜的最优面型。像差校正后,焦平面的峰值光强最多能够提高30倍。环围斯特尔比值(Strehl ratio)最多能够从校正前的0.032提高到0.96,变形镜 61个驱动器后的电压值收敛性能良好。

提出了一种由等离子体辐射投影值重建发射系数的阿贝尔逆变换数据处理算法。采用计算简单、变换精度高的Bockasten插值方法实现阿贝尔逆变换积分方程的离散化。在阿贝尔逆变换前,运用傅里叶变换频域低通滤波去除实验数据中的噪声,通过多项式插值弥补数据采样率过低、提高空间分辨力,并对投影数据进行对称化处理以消除数据偏离对称对结果的影响。运用此算法对实验数据进行处理,得到电流200 A、弧长5 mm电弧温度在阴极下方0.5 mm处最高,超过22000 K,与文献中结果一致。该算法能够有效地克服噪声对变换结果的影响,运算速度快、计算精度高、稳定性好,处理大量数据时具有明显的优势。

研究了一种新型的非接触式测温技术——可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测温技术。介绍了温度测量及调制吸收光谱技术原理,分析了调制幅度对气体温度测量的影响。优选了氧气吸收谱线对13163.78 cm-1和13164.18 cm-1,在搭建的高温实验系统上,实现了气体温度和浓度的同时测量。通过分析实测波形获得了谱线13164.18 cm-1在823～1323 K温度范围内的碰撞展宽系数和温度指数。实验结果表明,在823～1323 K温度范围内,系统温度测量的线性误差为0.65%,最大波动为±15 K。

通过分析掺铒(Er3+)玻璃波导放大器(EDWA)的放大增益机理,提出抽运光与信号光光模场分布之间的归一化重叠积分因子(Γ),并引入到掺铒波导放大器增益模拟计算中,使理论模型更切合实际。以Ag+-Na+二次离子交换工艺制作的具有埋入型渐变折射率分布的掺铒波导放大器为例,采用数值方法模拟了条形波导截面上的二维折射率分布及抽运光、信号光的光模场分布。计算了不同工艺参量设置下的Γ大小,讨论Γ对放大器增益的影响。结果显示,在二次离子交换制作过程中设置适当工艺参量优化折射率分布,能有效改善波导中抽运光与信号光光模场分布之间的重叠因子,提高掺铒波导放大器的增益。计算结果显示,在一定条件下,Γ从0.5增至0.8,每厘米长度掺铒波导放大器的放大增益可提高近1.5 dB。

新型高效的纳米光波导器件的研制纳米集成光学的核心技术之一。Y分支波导作为最基本的分光和光路连接元件是纳米光学器件设计与制备的基础。运用时域有限差分(FDTD)法,模拟计算了基于表面等等离波子(SPP)的纳米Y分支波导的传输特性。结果表明,该新型Y分支波导在光通信波段可以实现大角度的分光功能,且在180°分支情况下,传输效率仍高达92.8%以上。另外,该波导还具有导波性能良好、对分叉处间隙缺陷大小不敏感及制作容差较大和器件尺寸在纳米量级等特点。对该新型光波导器件的研究为未来纳米集成光学器件的研制和应用有一定的指导意义。

为解决无机液体激光系统的热效应问题,采用激光二极管双侧抽运横向流动的Nd3+:POCl3:ZrCl4溶液以很好地减小热效应,实现液体激光系统高功率高光束质量输出。建立了液体激光理论模型,分析了工作参量对系统能量转换效率与介质热效应的影响;模拟了系统在不同吸收系数和不同流速下的能量转换效率,远场光斑分布以及激光束亮度分布。模拟结果表明:采用二极管作为抽运源可以获得很高的能量转换效率,而且光束质量较好;在给定抽运体积和抽运强度为800 W/cm2时,介质的吸收系数位于2.5～3.0 cm-1,流速约为25 m/s时,输出功率与光束质量实现最佳匹配,激光束亮度最高,系统性能达到最佳。

报导了一种在四波混频作用下利用倾斜光纤布拉格光栅进行波长选择的可开关双波长掺铒光纤激光器。通过将倾斜光纤光栅与单模光纤进行横向错位焊接,使光栅的反向LP01和LP11两个模式具有相近的有效反射率,从而可以用来进行激光器的双波长选择。接入腔内的一段高非线性光子晶体光纤引入的四波混频效应克服了模式竞争,使得双波长激光在室温下稳定振荡。腔内起偏器和偏振控制器的联合作用可产生依赖于波长的损耗,以补偿光纤光栅两反射峰峰值的大小差异。基于以上原理,通过调节腔内的偏振态,该激光器实现了室温下稳定的双波长输出,也实现了在两波长之间的转换。两波长激光均有超过45 dB的信噪比,最大的功率波动为0.8 dB

采用闪耀光栅作为色散元件,构建了前向、后向输出两种结构的可调谐掺Yb3+光子晶体光纤激光器,并对其输出特性进行了分析研究。在抽运功率5.75W时,前向输出结构实现了1050.6～1110.2 nm的连续调谐输出,光谱线宽约0.1 nm,边模抑制比大于44 dB。在调谐激光波长为1085 nm时,得到最高输出功率677 mW。结构改进的后向输出结构的可调谐输出结构在抽运功率4.43 W,调谐波长1075 nm,实现了2.21 W的功率输出,斜率效率为73％;调谐范围50.9 nm(1042.1～1093 nm),光谱线宽小于0.08 nm,边模抑制比大于50 dB。两种结构的可调谐激光器输出均为线偏振光,偏振度大于89.5％。

研究了在强非局域情况下,非局域非线性介质中多个(大于两个)空间孤子相互作用的特点与规律。以Snyder-Mitchell线性模型为理论基础并利用线性叠加原理来构建解。另外,还采用了将孤子作为粒子处理的方法。主要考虑空间斜对称入射的三、四束光的相互作用,从而得出多个空间孤子相互作用的规律。还得出了(1+2)维多孤子相互作用的精确解析解,并且利用解析解画出了多孤子传输过程中的光强分布图。根据解析解发现,多孤子能形成稳定的束缚态向前传输,缠绕与否与初始入射方向有关;作用过程中并无能量转移,且相互作用与初始相位无关。将孤子作为粒子处理得到的孤子相互作用的规律与解析解得出的规律一致。

研究了光致聚合物的光化学反应理论模型及其动力学参量。合成了染料藻红B和亚甲基蓝作为联合光敏剂共同敏化的全息光存储光致聚合物材料。对材料测试分别得到在曝光波长为633 nm与曝光强度为65 mW/cm2时,透射率随曝光条件的变化关系以及材料各光化学参量。结果表明,随着曝光波长与曝光强度的增加,光致聚合物的光化漂白速率常数k与量子产率Φ增大,当曝光强度为65 mW/cm2时透射率在短波长下出现了下降,光化漂白速率常数k出现负值,而摩尔吸收系数ε在条件不同时则表现了不同的变化趋势。

在光束整形衍射光学元件的设计中,为同时减小输出光束的均方根误差和顶部不均匀度值,提出了模糊控制迭代算法(IAFC)。在盖师贝格撒克斯通(Gerchberg-Saxton,G-S)算法的基础上,提出了平滑修正法,可有效改善输出光束的顶部均匀度,但却增大了均方根误差值。模糊控制迭代算法依据模糊控制理论,通过有效结合盖师贝格撒克斯通算法和平滑修正法来同时降低均方根误差和顶部不均匀度值。计算机设计的结果表明,利用模糊控制迭代算法可以得到非常理想的输出光束,其均方根误差和顶部不均匀度值分别为0.75%和 0.46%,能量转换效率可达94.91%。为光束整形衍射光学元件的设计提供了一种有效的新算法。

在空穴传输层(HTL)和发光层(EML)界面加入缓变结的蓝色有机电致发光器件(Cell-GJ)。与传统的异质结结构的有机电致发光器件(Cell-HJ) 相比,寿命有了明显的提高:半寿命在初始亮度为100 cd/m2的条件下达到了8460 h,比Cell-HJ的半寿命长6倍。寿命的延长归功于穿过非突变界面的局部电场的消除,减少了焦耳热的产生从而提高了器件的寿命。但是实验证实Cell-GJ的效率比Cell-HJ的效率低。为了提高Cell-GJ的效率在其TBADN/AlQ交界处蒸镀GaQ薄层制得一种新型器件Cell-GJGaQ。由于GaQ的最低未占有轨道能级介于AlQ和TBADN之间,从AlQ到GaQ再到TBADN形成的多阶势垒可以极大地提高电子(少子)注入,从而使发光效率也有了明显改善。 研究结果表明Cell-GJGaQ的效率比Cell-GJ的效率高20%,半寿命同时也达到了6998 h,比Cell-HJ长5倍,整体性能有了较大提高。

基于多模干涉自映像原理,分析了一种仅含一个复合调制区的1×3光开关。该开关处于不同工作状态时,调制臂上所加相位调制量之间存在倍数关系,于是可将调制臂上的相移器组合成一个复合调制区,通过连续改变复合调制区的折射率变化量,因此可以将来自任一输入端的光场轮流切换到任意输出端口。以Al0.07Ga0.93As/GaAs脊形波导结构为例,采用BEAMPROP软件,对该开关进行了优化和理论验证。消光比高达30.3 dB;相邻通道之间的串扰低于-29.8 dB;在1.31 μm 工作波长处约50 nm的波谱范围内,串扰低于-20 dB。该结构可简化传统多通道开关的调制方法,降低外加控制方法的复杂程度。

利用传输矩阵法计算了正负折射率交替一维光子晶体的带隙特性。结果表明这种光子晶体具有宽而平坦的禁带,窄而尖锐的通带。这种带隙特性是受到布拉格散射、法布里珀罗谐振和=0禁带共同影响的结果,通带位置决定于法布里珀罗谐振。在理论分析基础上设计出密集波分复用用窄带梳状滤波器,给出信道间隔为0.8 nm的梳状滤波器的仿真结果。仿真结果表明这种梳状滤波器具有信道间隔窄、禁带平坦、通带极窄的特点。信道间隔可以通过改变一维光子晶体单元周期光学厚度调节。

利用纠缠态表象下的维格纳(Wigner)算符,构造了双模激发压缩真空态的维格纳函数,并根据该函数在相空间ρ-γ中随参量m,n和r的变化关系,讨论了双模激发压缩真空态的量子干涉特性和压缩效应。结果表明,对于参量m,n不同的取值,双模激发压缩真空态的量子干涉效应的强弱不同; 而对于不同的压缩参量r,双模激发压缩真空态呈现出不同程度的压缩效应。最后,根据双模激发压缩真空态的维格纳函数的边缘分布,阐明了此维格纳函数的物理意义。

基于米氏(Mie)散射理论得到了粒子计数器测量球形颗粒物质量密度的计算公式。考虑非球形颗粒,从颗粒群粒度分布概念出发,提出了统计意义上的平均质量概念,推导了非球形颗粒物质量密度的理论公式。运用理论公式证明了粒子计数器测量非球形颗粒物质量密度计算公式的合理性,进而给出了基于平均质量的悬浮颗粒物的质量密度算法,该算法只需对两个系数进行标定。实验表明,该算法的质量密度计算值与实际值十分吻合,两者拟合直线的斜率为0.9713,相关系数为0.9998。该算法为实现粒子计数器在线测量悬浮颗粒物的质量密度提供了一种可行途径。

基于等效原理和互易性定理研究了两个靠近目标对平面波、高斯波束的光散射问题,给出了这一复合光散射模型的二阶散射结果。通常一阶散射结果容易求解,但由于耦合效应的复杂性,很难给出二阶散射结果的解析形式。为了解决这一问题,应用互易性定理给出了求解任意相邻介质目标二阶散射场的公式,同时借助等效原理将求解散射场公式中的体积分简化为面积分的形式,从而降低了求解难度。求解了两相邻球形粒子的复合散射场,并将求解结果与应用时域积分方程法求得的结果进行了比较。同时,还讨论了束腰半径、目标位置对散射截面及偏振度的影响。

为了提高液晶显示器(LCD)颜色特征化精度,根据液晶显示器色品恒定性和通道独立性较差的特点,提出了分段分空间模型。该模型首先用分段二次多项式拟合单通道驱动值和三刺激值的关系,然后再根据不同RGB子空间的颜色特性加上适当的干扰项对液晶显示器进行颜色特征化。实验结果表明,在训练样本和检验样本数分别为91和512时分段分空间模型的CIELAB平均色差为1.5881,最大色差为6.0249;通过与三维查找表、Mask、S-Curve及TPC模型的比较研究,验证了当训练样本数不多时分段分空间模型的颜色预测精度最高。