针对制作可用于40 Gb/s全光色散补偿的宽带线性啁啾光栅时出现带内群时延纹波波动较大等问题,提出了一种通过设计和改变切趾函数的参量来优化线性啁啾光栅的新方法。该方法实现简单,只需根据需要设计具有不同滚降特性的切趾函数,同时利用遗传算法来优化切趾参量,结合传输矩阵法经过200代获得了低带内时延纹波的线性啁啾光栅。数值结果验证了采取非对称分段切趾法在保持反射谱宽和平坦性的同时可以抑制带内群时延纹波的优越性。利用该方法制作了反射谱工作带宽为1.06 nm、时延纹波不超过45.60 ps、可用于大容量密集波分复用系统(DWDM)色散补偿的线性啁啾光纤光栅。

建立了半导体抽运的高功率掺镱双包层光纤放大器实验系统,对放大器中的频率上转换发光现象进行了理论和实验研究,分析认为实验中由光纤侧面和两端观测到的绿色荧光是处于激发态的Yb3+相互作用,同时湮没而产生的合作荧光。分别对光纤放大器信号端和抽运端输出的荧光谱进行了测量,将实验谱线与理论计算得到的合作发光谱进行了对比分析。研究了信号光和放大自发辐射对上转换发光的影响,根据速率方程推导出荧光强度与抽运功率之间的理论关系表达式,同时通过实验获得了荧光强度与抽运功率的关系曲线。

由于半导体光放大器(SOA)的增益饱和效应,在波分复用系统中,每个信道的增益受到复用的其它信道的影响。SOA引起的各信道之间的串扰严重限制了其应用。理论研究了SOA增益饱和效应引起的信道间串扰,数值模拟了多路信道复用时系统的误码率随复用信道数和光功率的变化情况,发现随着复用信道数的增加SOA增益饱和引起的信道间串扰越来越严重。对SOA中串扰的抑制方法进行了理论和实验研究,数值模拟发现连续光注入可以抑制输出功率的波动,从而减小误码率,当复用10个信道时,连续光注入可以使功率代价减小2 dB; 实验验证了两信道的40 Gb/s系统中,注入连续光可以减少SOA引起的信道间串扰。

以双中心模型为基础,在低光强连续光条件下研究了LiNbO3∶Fe∶Mn晶体在稳态情况下的非挥发双光双步全息存储性能。采用数值方法,通过比较双中心模型中深(Mn2+/Mn3+)、浅(Fe2+/Fe3+)能级之间所有可能的电子交换过程,发现由隧穿效应引起的深浅能级之间直接电子交换过程对LiNbO3∶Fe∶Mn晶体总的空间电荷场大小起着决定性的作用。同时,这一电子交换过程对晶体非挥发全息存储性能也起着至关重要的作用。此外,通过相同实验条件下LiNbO3∶Fe∶Mn晶体与近化学比LiNbO3∶Fe晶体总的空间电荷场的比较,显示LiNbO3∶Fe∶Mn晶体在低抽运光和高记录光光强条件下有着比近化学比LiNbO3∶Fe晶体更佳的全息存储性能。

对数字无透镜傅里叶变换全息图直接采用逆傅里叶变换进行物场的数值重建时,需要满足两个条件：第一,全息图的记录过程必须满足傍轴近似条件,否则再现过程中会产生非傍轴像差; 第二,记录全息图时物平面与参考点光源到全息图记录平面的距离必须相等,否则再现过程中会产生离焦像差。理论分析了非傍轴及离焦记录条件下数字无透镜傅里叶变换全息图的灰度分布特点,并提出了相应的非傍轴及离焦像差的数值校正方法。根据实际的非傍轴或离焦记录情况,分别给所记录的数字全息图灰度分布矩阵乘以适当的非傍轴或离焦校正因子,以消除灰度矩阵中非傍轴或离焦因素的影响,然后再对校正后的全息图灰度矩阵做逆傅里叶变换处理,即可得到准确的数字再现像。实验结果表明,该数值重建方法能够有效地消除无透镜傅里叶变换全息术中数字再现像的非傍轴像差及离焦像差,提高再现像的质量。

根据干涉多光谱图像的特点,提出一种基于分布式信源编码的干涉多光谱图像压缩算法。干涉多光谱图像序列的相邻图像之间具有明显的平移特性,编码端通过块匹配算法检测出相邻帧间的相对位移量,联合块匹配算法估计的边信息帧进行比特平面码率估计,采用基于率失真提升的感兴趣区域编码,调整图像不同区域的率失真斜率来进行更合理的码率分配。实验结果表明,该算法比传统算法更好地保护了多光谱图像的光谱信息,在不同压缩比的情况下,满足卫星干涉多光谱图像压缩系统要求,易于硬件实现,更适于星上环境的应用。

研究了小波变换和Contourlet变换的不足,利用非抽样Contourlet变换的多尺度性、多方向性以及平移不变性特征进行彩色图像数字水印。先对图像进行非抽样Contourlet变换得到不同尺度不同方向上的系数,然后为了满足水印的不可见性和稳健性,在低频系数和高频系数中采用不同的嵌入强度,并依据人类视觉的彩色感知特性,在蓝色分量中嵌入较多水印,在其他颜色分量选取变换系数能量最大的区域嵌入水印。与同样嵌入规则的Contourlet变换算法和平稳小波变换算法相比,该算法具有更好的稳健性,利用该算法得到的水印相似度更高,最高可提高约0.5。

去除电子散斑干涉条纹图中的噪声是提取条纹图相位的关键问题。利用热传导方程去除条纹图中的噪声,定性和定量分析了该方法的滤波性能。在此基础上,进一步将MBO算法和热传导方程应用于条纹二值化和相位图平滑过程中,并成功地从单幅模拟条纹图中提取了条纹图的相位。研究结果表明,热传导方程能有效减少散斑条纹图中的噪声,改善二值条纹图的边界,进而获得准确的相位分布。

提出了一种新型的基于扩展数学形态和光谱相似度测量的高光谱图像异常检测方法。在目标与背景未知的情况下,同时利用光谱和空间信息实现目标的定位与检测,实现高光谱遥感数据的目标检测。通过扩展的膨胀和腐蚀操作实现目标特征提取; 通过正交投影散度计算扩展形态学操作的累加距离确定排序关系并利用其融合特征提取结果实现特征提取结果的融合。算法性能通过合成的OMIS数据进行评价,与经典异常检测RX算法进行比较,并应用于具有相似光谱特征目标的区分。实验证明,本文提出的算法性能优于RX算法,具有低虚警率的异常目标检测结果,并且能够较好地区分了相似光谱特征的异常目标。

要提高人耳的识别率,关键是特征的提取与表达。尺度不变特征变换(SIFT)技术是局部点特征提取算法,在尺度空间寻找极值点,提取对图像的尺度和旋转变化具有不变性,对光照变化和图像变形具有较强的适应性的特征向量。尝试用SIFT技术来提取外耳图像的结构特征点以形成稳定的特征描述子,为了克服一幅图像中有多个局部描述子相似的问题,在SIFT特征描述子中融入一个耳廓几何特征。最后采用特征向量的欧氏距离作为两幅图像相似性度量标准进行人耳识别。在耳图像库上进行实验,结果表明,该方法不仅可以有效地提取人耳特征,通过少量特征可获得较高的识别率,而且对耳图像刚体变化具有较强的稳健性。

提出了一种基于X射线衍射增强成像(DEI)断层计算机X射线层析术(CT)图像的物体尺寸精确测量方法。X射线衍射增强成像是一种基于相位衬度的成像技术。通过建立DEI的简化模型,研究衍射成像过程中晶体转角、投影图像谷点位置、成像系统等效模糊等因素之间关系,由此具体探讨了系统模糊效应对圆物体边界成像带来的位置偏移,并以圆形被测样品为例,提出可精确测定直径的简单有效算法。通过理论仿真模型数据和北京同步辐射装置上的实测数据验证了该算法的精度。该方法实现了利用DEI图像对被测物体几何尺寸的精确测量,可用于对生物组织样品等物体内部微小结构的尺寸的精确测量。

对低帧频、云层背景下,低信噪比的弱点目标探测率降低的问题,提出了光流直方图(OFH)的定义,并且给出了OFH的性质。分析了低帧频下红外图像探测弱点目标时探测率降低的原因,提出了一种基于OFH背景补偿的红外点目标探测算法。利用OFH得到背景的运动矢量,进行运动背景补偿; 然后利用目标与云层运动差异性,得到帧间比较结果,并对比较结果通过Robinson滤波器进一步滤除残留的边缘,达到降低虚警的目的。实验结果表明,该算法可以显著提高在复杂背景下红外点目标检测概率,并且能够探测出信噪比为1的目标。

针对三维数据场可视化过程中兴趣区的交互分离问题,给出了基于体绘制光学传递函数的半自动调节方法。该方法从传递函数的光学模型出发,根据三维数据的光强分布,结合体数据的三维梯度场,给出了体数据的颜色及透明度值分离交互调节的模型。为了提高本方法的实用性,本文采用了交互模型与现代显卡纹理特性相结合的方法来提高交互速度。实验证明,通过实时调节改进传递函数的相关参量,该模型能以大于每秒30帧的交互速度获得兴趣区的最佳视觉分离效果。本方法能在交互体视化的同时实现最佳参量的获取。

基于布里渊散射信号的检测可实现对海水温度等参量的监测。由于海水的布里渊频移量是关于温度和盐度的二元函数,故无法仅通过布里渊散射频移量的检测实现对海水温度和盐度两个独立变量的精确测定。研究表明布里渊信号的功率也是关于温度和盐度的二元函数,所以文章提出通过测量布里渊频移量和接收布里渊信号功率大小,通过两个二元函数反演出海水的温度与盐度数值,实现对海水温度和盐度两个独立变量的同步测量。

当布拉格光栅轴向存在大的应变梯度时,其反射光谱的形状会被扭曲,甚至出现多峰,发展非均匀应变分布重构方法对于结构健康监测技术具有重要意义。但采集反射光谱时的测试噪声会显著影响应变分布重构的精度。为此,提出了采用支持向量机对含噪的反射光谱进行回归预处理,并运用适应度排序改进的遗传优化算法结合传输矩阵反射光谱构建方法识别布拉格光栅轴向非均匀应变分布的方法。该方法将反射光谱视为时间序列,利用支持向量回归的全局优化和泛化能力进行噪声抑制,从而回归出有效的反射光谱; 通过传输矩阵方法将光栅轴向应变分段均匀化,利用改进的遗传算法进行并行重构。对多种应变分布形式下的应变重构进行了仿真研究,结果表明,支持向量机方法可以有效地进行反射光谱回归,提高非均匀应变分布重构的精度。

为了在激光告警中实现全方位角度探测,且达到一定的探测精度,提出了一种投影式激光方向测量方法。通过计算激光照射在参量给定的遮光板上形成的投影量,求解在探测器上由不同探测象限产生的不同的探测电流的比值,再根据投影面积的比值与角度一一对应的关系可事先编码的原理,由对应程序判断激光入射方向。在软件Matlab仿真中计算得到产生最小分辨率的四个极限角度分别为(0°,90°)、(33°,21°)、(33°,69°)、(45°,90°),并由实验得到最小分辨电压为0.05 V。通过仿真计算与实验数据证明该设计可达到最小识别角度1°的探测要求。

针对大口径望远镜拼接式主镜,提出一种基于迈克耳孙干涉原理的低相干光源干涉检测系统。应用该系统对拼接子镜间相位失调误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布。给出了低相干光源干涉检测系统的具体结构,叙述了干涉检测系统的检测原理,提出应用双中心波长组合低相干光源进行拼接子镜间相位误差检测,分析了系统最低信噪比。结果表明,双中心波长组合低相干光源系统,可以提高低相干光源干涉中心条纹的信号分辨能力,借以提高检测精度,使得低相干光源干涉测量系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取。

在模拟分析投影仪伽马非线性对相位误差影响的基础上,提出一种直接分析投影光栅特征并建立相位误差查找表的算法,对相位误差进行补偿。该算法通过分析一组投射到标准白色平板上的光栅图像,确定光栅相位值与相位误差的对应关系,并量化存储在一个查找表中,测量过程中使用查找表对相位误差进行补偿。实验结果表明,该方法可大大降低由投影仪伽马非线性引起的相位误差,系统测量精度达到0.043 mm,比误差补偿前提高了5.6倍。

建立并研究了基于矩形波磁光调制的检偏方法。运用计算机模拟,对矩形波磁光调制的利萨如图形进行了详细考察,研究了其检偏原理,并对其检偏精度进行了分析。研究表明,矩形波磁光调制的利萨如图形由几个离散点组成,通过观察离散点彼此之间是否重合,就可以判断检偏器是否处于消光位置,从而达到检偏的目的。同时,若用电子仪器监测输出信号是否为直流,即可以实现自动检偏。与基于正弦波磁光调制的倍频法相比,矩形波磁光调制方法的检偏精度有了明显提高,并且也容易实现自动测量。

提出了一种基于级联体光栅(VBG)的谱组束方案,组束阵元数可随级联体光栅的数目倍增。给出了一个双光栅级联谱组束系统实例,将组束阵元按波长分为两组,利用具有相应波长选择性的体光栅分别对它们进行组束,由于两个级联体光栅的角度选择性互不重叠,所有光束经第二个体光栅后都沿其布拉格(Bragg)角方向出射,实现近场和远场的功率叠加。为保证各光束传播方向的一致性,采用严格耦合波理论推导出了准确计算光束入射角的解析式。数值计算结果表明各光束的平均衍射效率优于80％,在入射角偏离理论值不超过±5′(≈2.424×10-5 rad)的条件下组束光中所有光束的传播方向偏差小于4×10-7 rad。

研制一台激光二极管(LD)侧面抽运双棒串接准连续Nd∶YAG折叠腔高功率绿光激光器,理论分析了热致双折射效应对系统的影响,并对用石英旋转片补偿前后的情况进行模拟对比。在考虑了补偿后的情况下设计了热稳定谐振腔。实验中采用两个串接的由30个20 W的LD阵列侧面抽运的Nd∶YAG棒和Ⅱ类临界相位匹配HGTR-KTP晶体,在抽运电流均为21.6 A,重复频率为27.2 kHz时,获得了最大平均输出功率为164 W,脉冲宽度为130 ns的532 nm绿光输出,光-光转换效率为13.7%,测得光束质量因子为M2x=9.52, M2y=9.86,不稳定度为2.3％。实验结果显示,经补偿后的激光系统能在宽的稳区范围内稳定运转。

强激光与介质相互作用过程中,当自由电子的密度达到介质的损伤阈值时,介质将被击穿,脉冲的后续能量被激光等离子体强烈吸收而引发截断,这个时间点定义为截断时间点。脉冲的截断时间点对激光脉冲能量的传输有很大的影响。理论研究了入射激光脉冲能量对脉冲截断时间点分布的影响,定量分析和模拟了截断时间点对脉冲能量透过率的影响,模拟结果和实验结果符合很好。研究发现：激光脉冲能量透过率由脉冲截断时间点的位置决定。当脉冲截断时间点分布在脉冲前沿、峰值和后沿时,激光脉冲能量的透过率分别对应小于50%,等于50%和大于50%。在线测量激光脉冲能量的透过率也可作为一种在线检测光学元件是否发生破坏的方法。

为了减少噪声对摄像机镜头畸变的校正结果带来的影响,提出了一种校正摄像机镜头畸变的非量测方法。先找出由直线畸变而成的曲线,再用直线段连接每条曲线的两个端点形成一些闭合曲线,把它们的面积平方和定义为畸变测度,并用遗传算法搜索畸变测度的最小值,以此得到畸变参量。计算表明,该畸变测度具有较好的抗噪声能力,而遗传算法能避免收敛于局部极小值,减少了矫正图像的均方根误差。实验表明,对多幅图像分别和联合校正,相应矫正图像之间的均方根误差较小。计算和实验都表明该校正方法具有良好的稳健性。

从麦克斯韦方程组出发,结合电磁场的边界条件,推导出介质矩形波导导模的一般色散方程。对普通介质矩形波导和左手介质矩形波导的导模场分布分别进行了数值模拟。通过对比两种介质矩形波导的导模场分布的模拟结果,发现左手介质矩形波导Ex22模的场分布比普通介质波导Ex00模的场更集中在波导中部。同时,根据处理普通介质矩形波导的Marcatili方法,类比得到左手介质矩形波导表面模的色散方程,并数值模拟了低阶模的场分布,结果表明,能量主要集中在波导的四个角区以及波导的边缘。

PbTe/CdTe 量子阱是一类新型异系低维结构材料,实验观察到具有强的室温中红外光致发光现象。建立了理论模型,计算了PbTe/CdTe量子阱的自发辐射率和光学增益。模型中量子阱分立能级的计算采用 k·p包络波函数方法和有限深势阱近似,考虑了PbTe能带结构的各项异性和阱层中应变对能级的影响。计算了PbTe/CdTe量子阱自发辐射谱与带间弛豫和注入载流子浓度间的依赖关系,计算结果与实验观察到的光致发光峰相符合。自发辐射谱线峰位随着注入载流子浓度的增加而出现蓝移,当载流子浓度从2×1017 cm-3增加到2.8×1018 cm-3,基态发射峰从372 meV蓝移到397 meV,而第一激发态发射峰蓝移量为15 meV。上述蓝移现象是由载流子与载流子及载流子与声子间的相互作用引起的。与PbTe体材料相比,PbTe/CdTe量子阱结构具有更高的增益强度(提高近15倍)和更宽的增益区,因而该体系可能是实现室温连续工作的中红外激光器的理想材料。

面向基于有限差分光扩散模型的平板乳腺扩散光学层析反演问题,提出了一种有效提高图像重建质量的方法。与基于全空间域离散像点的传统重建算法不同,本方法采用小波函数对吸收系数和散射系数在空间域进行多尺度分解,在减少低分辨率重建中光学参量的个数、有效改善重建过程病态性的同时,通过逐级细化分解尺度,最终提高了图像的量化度和空间分辨率。数值模拟表明,该方法可实现目标体边对边4 mm的空间分辨率,量化度明显高于传统算法。

为了研究淀粉自由基的变化规律,以生物光子辐射理论为基础,根据化学发光的动力学模型,建立了淀粉自由基的发光动力学方程,并根据自由基发光强度与自由基浓度的关系,通过分析得到了淀粉自由基的湮没方程,得到了光强随时间的变化函数。通过拟合发现,函数在不同温度下随时间的变化曲线与实验曲线的相关系数都在0.98以上,能很精确地刻画自由基的弛豫发光规律。

设计了一个激光光斑实时监测与光路自动准直装置,能够实时监测激光光斑并自动准直激光输出方向。基于透镜成像原理,使用CCD探测器获得光斑的二维成像,并根据两点确定一条直线原理和使用压电陶瓷电动调整架实现光路自动准直; 监测控制程序采用虚拟仪器开发软件Lab View编写,可以实时监测激光光斑模式与光斑位置抖动情况,并进行反馈控制。经测试,设计装置的调整精度达0.5 μrad,反馈控制频率约1 Hz,完全可降低或消除抖动周期在1 s以上的光斑飘移。

为了实现频率选择表面(FSS)的平顶传输特性,选取矩形栅格和传统圆环的组合图形为基本单元,设计了一种新型组合图形单元的FSS。利用谱域法对这种新型FSS的单屏结构进行理论计算和分析。计算结果表明,这种新型的FSS单屏结构能够给出陡峭边缘和平顶的宽频带传输特性,平顶带宽可达8 GHz; 同时能够把相邻很近的信号带分离开从而实现双重通信,例如在X波段和Ku波段的信号,并且对不同入射角度的电磁波保持稳定的双带特性。

从p和s偏振出发,研究了由常规材料/左手材料/负介电常数材料、及常规材料/左手材料/负磁导率材料这两种三层不对称结构界面上表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons, SPPs)的存在区域、色散曲线及其激发。观察到表面等离子体激元的性质强烈地依赖于人工电磁材料的组成参量,例如介质板的厚度和等离子体的频率。最后,使用衰减全反射(Attenuated total reflection, ATR)技术,探究了激发和观察表面等离子体激元的可能性,并针对p和s偏振两种情况计算了衰减全反射光谱。

采用时间演化算符方法,研究Λ-型三能级原子与纠缠相干态光场共振相互作用的辐射谱。给出了辐射谱一般公式,并讨论在纠缠相干态光场驱动下的辐射频谱结构。结果表明,无论下能级简并与否纠缠相干态光场平均光子数很小时均出现拉比分裂,且强度随双模光场纠缠程度的增加而增加。当两下能级简并时,若两模场的平均光子数较小,辐射谱呈现对称多峰结构,若两模场的平均光子数较大,辐射谱呈现对称五峰结构。当两下能级非简并时,若两模场的平均光子数较小,辐射谱呈现对称多峰结构,若两模场的平均光子数较大,辐射谱呈现对称十峰结构。纠缠相干光与非纠缠相干光辐射谱的本质差别有两点：一是双模光场强量子关联导致纠缠度越强拉比峰强度越高; 二是存在纠缠时由于两模场相干性导致辐射谱呈现对称多峰结构。

为了进行快速实时的杂草识别,研究了作物和杂草叶片的可见-近红外反射光谱特性。选择了两种常见的田间作物大豆(Glycine max)和玉米(Zea mays),以及铁苋菜(Acalypha australis L.)和田字草(Marsilea quadrifolia L.)两种杂草作为研究对象,每种各30个样本,共120个样本。采用ASD Fieldspec 便携式光谱仪进行光谱采集。在对400～1000 nm的光谱数据进行平滑和一阶求导预处理、。通过主成份分析,去除了一个奇异样本。最后用79个样本组成的建模集进行偏最小二乘法建模,对剩余的40个样本进行预测。预测模型结果的相关性达到0.986,识别率达到100%。说明研究中选用的作物和杂草叶片的可见-近红外反射光谱特性之间有较大的区别,可以用于进行杂草和作物的区分。

研究了囚禁于两电介质面间的Λ型三能级原子的双光子Dicke窄化选择反射(TDNSR)光谱。通过对不同膜厚及不同抽运光强度的TDNSR线型的分析,发现由于蒸气中的原子与电介质表面碰撞的消激发效应和薄蒸气膜中的慢原子效应,以及双光子光谱的消多普勒配置,TDNSR线型在很多情形下表现为亚多普勒结构,且线型随蒸气膜层的厚度与探测光波长的比值呈周期性变化。当L=2mλ/4(m为正整数)时,TDNSR消失。而当2mλ/4光谱学 选择反射光谱 迪克(Dicke)窄化 群速变慢 

PDF全文 Full Text

光学学报

2008, 28(8): 1623