推导出了部分相干厄米-高斯(H-G)列阵光束通过湍流大气传输的二阶矩束宽和远场发散角的解析公式。采用远场发散角作为光束方向性的评价参数,研究了部分相干H-G列阵光束通过湍流大气传输的方向性。研究表明:在一定条件下,部分相干H-G列阵光束与对应的高斯光束不论在自由空间还是湍流大气中均具有相同的方向性。此外,进一步研究发现,在自由空间中,由远场发散角和归一化远场平均光强分布所表征的部分相干H-G列阵光束的方向性是不一致的,但湍流可以使得两种描述相一致。这一结论与高斯-谢尔模型(GSM)列阵光束的相关结论存在差异。在自由空间中,与高斯光束具有相同远场发散角的非相干合成的GSM列阵光束与对应的高斯光束具有相同的归一化远场光强分布。

用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在6-31G*基组上对GaNm(m=2-7)和Ga2Nm(m=3-6)中性和阴阳离子团簇的几何结构和振动光谱进行了系统的研究。得到了各团簇的几何结构和稳定性幻数规律,这些团簇的几何结构均为平面结构;富N氮化镓团簇的N-N键的振动频率为2200 cm-1;所有团簇中都有N2或N3分子单元,而且在所有分子中N3分子单元中的两个N-N键长也基本相同;富N氮化镓离子系列团簇的能隙范围比其对应中性系列团簇的宽。

采用Crank-Nicholson直接数值积分方法求解体系的含时薛定谔方程,数值计算了8 fs的线偏振双色激光脉冲与氢原子相互作用产生的高次谐波发射功率谱,双色激光脉冲由钛宝石基频激光及其二次谐波组成。相对相位为零时,谐波谱出现了明显的双平台结构,且在第二平台尾部出现了连续辐射谱,通过过滤该连续辐射谐波,获得了110 as的孤立脉冲,验证了Yu Oishi等的结果,特定相位条件下可以得到连续的谐波辐射谱。对此,采用半经典的“三步”模型给出了合理解释,并利用小波时频分析方法证实“三步”模型可以准确预言双色激光脉冲谐波谱的截止频率。

基于Kogelnik一维耦合波理论以及离散傅里叶变换,分析反射型体光栅对一定时、空域分布的激光光束的衍射特性,给出衍射光束在时、空域光强分布的表达式;模拟计算体光栅对超短脉冲高斯光束的衍射效果,给出衍射光束时、空域光强分布与光栅各参量的变化关系。结果表明,提高光栅的折射率调制度或适当选择光栅的周期,可增加反射型体光栅的角谱和光谱衍射带宽;增加光栅的厚度,可以使体光栅具有较高的衍射效率;此时,当超短脉冲高斯光束的中心波矢满足体光栅布拉格条件入射时,衍射光束的时、空域光强分布与入射光束的分布基本一致,衍射效率高达95%以上,这给反射型体光栅对超短脉冲高斯光束的空间低通滤波提供了理论指导。

快速有效地获得级联、超结构、倾斜光纤光栅等大计算量光栅类型的光谱特性,是优化设计基于上述光栅建立的各种光器件的重要基础和前提保障。从有效折射率法(EIM)出发,验证了用于光纤光栅理论分析的新型方法V-I传输矩阵法的正确性。选择相同参量进行分析,结果表明,V-I传输矩阵法和经典传输矩阵法模拟分析的结果基本一致,且与实验结果的误差满足精度要求。该方法简化了传输矩阵,大大提高了计算效率,如果将光栅分割成N层进行分析,则可节约N个矩阵的运算时间,N越大,分析精度越高,本方法快速计算的优势也越明显。

亚波长光栅具有特殊的反射特性,可以用于各种光器件的设计。利用时域有限差分方法(FDTD)和散射矩阵方法计算了亚波长介质光栅的能带结构、本征模式以及反射谱。模拟结果显示:光栅反射谱中的共振峰是由光栅的泄漏模式引起的;在正入射和斜入射条件下,外部入射场所能激励的光栅的模式不同;通过控制光栅本征泄漏模的频率和Q值可以控制反射谱线型。实验利用电子束直写以及反应离子刻蚀等方法在绝缘体上硅(SOI)晶圆上制备出亚波长光栅结构,实验测量所得光栅的反射谱线型与模拟结果吻合得很好。

阵列布拉格光栅(FBG)编解码器是二维混合扩时跳频光码分多址(OCDMA)系统的关键部件。运用高斯切趾光纤布拉格光栅阵列作为光编解码器,抑制了编码波长间的串扰,提高了编解码器的抗干扰能力。分析了二维扩时跳频OCDMA系统的原理及编解码信号模型,并对FBG阵列二维编解码器的时域编解码性能进行仿真研究。给出了编解码器中波长不匹配分析的数学模型,采用解码信号的自相关峰值作为衡量编解码器性能的指标,分析了各种波长不匹配情况下的编解码器性能。理论分析和仿真结果表明,更多的子光栅数具有更强的抗干扰能力,但要以误码率提高、传输速率下降为代价。

提出一种在多模光纤上腐蚀制作出法布里-珀罗(F-P)腔体,并将该F-P腔体和一根普通通信单模光纤熔接起来构成微型非本征型光纤F-P干涉(EFPI)应变传感器的方法。实验结果证明这种结构的干涉传感器对结构的微小应变有着极高的灵敏度,可达到0.00095 nm /με,而且对温度的交叉敏感较小。这种制备工艺简单、重复性高、易于批量加工的光纤应变传感器件在光传感领域,特别是对各种建筑结构健康状况的远程监测中具有较大的潜在应用价值。

采用啁啾脉冲堆积的方法获得平顶宽脉冲,根据波包传输近似方程,数值模拟了堆积脉冲在线性介质中的传输特性,给出了初始堆积子脉冲延迟引入不同初始位相差和不同啁啾量情况下堆积脉冲时间波形传输的演变规律。结果表明,子脉冲间距差引入的初始延迟参数的细微变化就会引起初始位相差的显著变化,导致堆积脉冲包络相对子脉冲延迟参数不稳定;包络脉冲的特性与子脉冲的载频、脉冲形状、脉宽和啁啾量等子脉冲参数,及子脉冲间的延迟参数等有关;啁啾越大、子脉冲初始脉宽越短、传输介质色散系数越大,则传输后的堆积脉冲时间调制变化越严重。

设计和制作了一种用于卫星相干激光通信的偏振分光2×4 90°自由空间光学桥接器,提出了两种λ/4波片进行偏振相位补偿的方法及使用啁啾激光及解斜解调的相移测量方法。给出了数学分析、系统设计和实验结果,结果表明器件运行稳定,相位补偿精密有效,相位测量简单而精确。

研究了采用副载波相移键控(PSK)强度调制的光无线通信系统在大气湍流信道下的性能,并对副载波相移键控强度调制和开关键控(OOK)两种调制方案在大气湍流信道下进行了性能比较。仿真结果显示副载波相移键控强度调制优于开关键控。在此基础上,将低密度奇偶校验(LDPC)码和置信传播迭代译码算法应用到光无线通信系统中,并结合副载波相移键控强度调制方案,在大气湍流信道中进行了仿真。仿真结果表明,低密度奇偶校验码具有优越的纠错能力并获得了较大的编码增益,上述方案满足光无线通信系统的需要。

为了降低分数傅里叶全息图制作的复杂性,根据信号的分数傅里叶变换的定义式和菲涅耳衍射公式,通过求解它们的点扩展函数(PSF),推导出分数傅里叶变换与菲涅耳衍射公式的等价关系,从而把分数傅里叶变换转化为菲涅耳衍射。采用人眼分辨率极限尺寸和数字微镜器件(DMD)像素的尺寸分别对物体所在平面和全息图所在平面进行抽样,运用分块算法生成分数傅里叶全息图,使计算复杂度降低为O[N2lb(N2/M2)],提出了一种可行的动态全息显示方法,最后通过DMD全息显示系统对该算法生成的全息图进行实验验证。

在对合成孔径数字全息图通过分幅数值重建的过程中,数值重建平面中心的改变将会影响子全息图再现像的位置及相位分布,进而会对最终得到的合成数值再现像的质量产生不利影响。针对合成孔径数字无透镜傅里叶变换全息图,在理论分析的基础上,提出了相应的分幅再现算法。根据相应子全息图在合成孔径全息图平面上的位置,给各分幅数值再现像分别乘以相应的相位修正因子后再进行叠加,可得到准确的合成数值再现像。以采用线阵CCD推扫获得的大幅面数字无透镜傅里叶变换全息图为例,按照所述方法进行了分幅数值重建实验,获得了高质量的准确合成数值再现像。实验结果与理论分析一致。

提出了一种新的基于信息光学的图像数字水印方法。该方法采用相位恢复算法将需要隐藏的水印图像编码为纯相位,然后用该纯相位代替传统傅里叶变换全息中的物光波频谱与参考光波发生干涉,得到理论对比度为100%的傅里叶变换全息图。采用密钥将此全息图进行加密,并通过离散余弦变换在频域嵌入宿主图像中完成水印信息的嵌入。水印提取时需先用密钥将提取的全息图进行解密,再进行光学或数字全息再现即可完成。理论分析和数值计算实验表明,该水印技术对有损压缩、剪切和滤波等多种图像处理操作均具有很高的稳健性,比传统傅里叶变换全息水印的稳健性有很大提高,具有很好的实用价值。

对显微数字全息相位重构技术中影响重构像质量的两个因素进行了讨论。分析了用角谱法进行重构的过程中频谱滤波窗的大小与形状的选取对重构像质的影响,指出滤波窗口的选取应以刚好将原始像的二维频谱完全包括为原则;分析了在对放在载玻片与盖玻片之间的生物样品进行的实验中,重构像场倾斜的原因及相应的校正方法,并对这些分析和倾斜校正方法进行了实验验证。结果表明,要获得最佳的相位重构,应根据被测物体频谱分布的大小和形状,精确选取滤波窗。CCD探测面和样品的倾斜将导致重构相位像场的倾斜,通过图像处理可以得到一定程度的校正。

数字全息显微三维成像过程中,相位解包裹是三维重构中的关键技术。在Lp范数框架下,研究了二维相位解包裹算法统一的数学模型,分别运用了多种算法对数字全息显微实验得到的包裹相位图进行了实验分析。实验结果表明,L0范数方法总体上计算效率最高,但是由于噪声点过多而不能得到正确的结果;L1范数法能够获得较好的全局解,但是还是有一定方向上的畸变,并且耗时最多;最小Lp范数法,耗时较多,进行了两层的多次迭代,计算结果却有畸变;而最小二乘法和加权最小二乘法,计算效率较高,满足准实时测量的要求,并且得到比较理想的三维重构结果,是数字全息显微中可取的相位解包裹算法。

基于带输运模型建立双掺杂Fe:Mn:LiNbO₃晶体双色全息存储的耦合微分方程组,在此基础上用数值求解的方法讨论用锰多铁少型双掺杂铌酸锂晶体进行双色全息存储的时间动态过程,分析此种晶体氧化还原态对晶体内建空间电荷场的影响。只有氧化的Fe:Mn:LiNbO₃晶体能通过双色存储实现全息图的非破坏性读出,氧化的Fe:Mn:LiNbO₃晶体红光擦除后所保留的衍射效率随氧化而提高。在实验方面用同种杂质浓度的四种不同氧化还原态的晶体,进行了还原晶体之间、氧化晶体之间二波耦合对比实验,实验结果和理论分析的结果一致,同时利用实验曲线定量地计算了氧化晶体的全息动态范围参量M/#和各个晶体的记录灵敏度,得到了较大的M/#的值为5.03(非寻常光,激光波长,632 nm),但是以较低的灵敏度为代价的。

高光谱遥感数据蕴含着丰富的地物反射光谱信息,其原始反射数据中含有大量的噪声,这些噪声严重影响地物反射光谱中的吸收特征,大大降低数据的分析精度,研究有效的高光谱遥感数据噪声滤波算法是改善高光谱数据分析效果的关键环节。研究了推扫高光谱图像(PHI)影像中条带噪声的高频特性,针对目前常用的矩匹配方法及几种改进的矩匹配方法都存在一定的缺点,提出一种改进的行平滑条带滤波方案,对含有条带噪声波段行均值曲线进行平滑处理,并调整图像中各像元的灰度值,以减小行间灰度差异,所得图像的峰值信噪比有所提高,取得了比按波段的矩匹配方法更好的去条带效果,在较好地削弱图像中条带噪声的同时,保留了原图像的辐射特征。

手背静脉识别利用静脉血管分布的网络结构实现个人身份鉴定,是一种新兴的生物特征识别技术。分析了静脉成像原理,设计了静脉图像采集系统,并建立了具有较高质量的手背静脉图像数据库。在身份识别过程中,首先对手背静脉图像进行滤波和灰度归一化等预处理,然后对图像进行二级小波包分解,并利用得到的细节图像提取手背静脉的纹理特征,最后将k近邻分类器和支持向量机相结合实现了个人身份识别。在识别模式下利用建立的手背静脉图像数据库对本系统进行了性能测试,实验结果表明该系统具有较高的识别性能,其正确识别率达99.07%,应用前景十分广阔。

提出一种基于无下采样Contourlet变换(NSCT)和人眼视觉系统(HVS)的自适应稳健盲数字水印方案,该方案在NSCT域中对人类视觉系统的特性进行建模,利用人眼的视觉掩盖机制自适应嵌入水印序列。实验结果表明,该数字水印方案在保证人眼视觉不可见性的前提下,对包括噪声、JPEG 压缩、图像剪切、滤波、图像扭曲等均具有很强的稳健性,并且检测水印时无需原始图像,是一种很有前途的盲水印方案。

深度图像能够有效表示三维场景几何信息,需要传输至三维电视终端用以辅助生成任意视点虚拟视图。为降低深度图像传输开销,需要对其进行压缩编码。深入分析了视频图像运动信息与深度图像运动信息的相似性,提出一种视频图像与深度图像联合预测编码方案,在编码深度图像过程中重用已编码视频图像的运动信息。该方案由视频-深度运动信息复制与视频-深度运动信息预测两部分组成。实验表明,提出的视频-深度联合预测编码能够高效利用已编码视频图像的运动信息,显著提高深度图像编码效率。

将含有双参数的柯西分布替代常规高斯分布引入微面元双向反射分布函数(BRDF)模型,同时考虑了目标自身辐射强度的方向依赖性,在此基础上推导了长波红外偏振的数学模型,并在合理范围内对模型做简化与修正使之适用于仿真研究。对数学模型双参数(σ和q)的选择进行理论分析并验证了该模型的灵活性以及优势所在。整个仿真过程使用C语言编程实现,仿真流程主要包括目标及场景建模、模型文件处理及导入、仿真参数设定、偏振模型选择、热辐射计算、Gouraud算法表面绘制。偏振场景仿真结果较为理想,得到的目标红外偏振特性与实际图像基本吻合,表明采用的模型及算法适用于红外偏振的研究,对分析复杂目标长波红外偏振物理特性具有重要的理论意义。

机器视觉是对农业机械进行导航的一种重要方法。提出一种在农业机械导航系统中,利用机器视觉技术获得导航基准线的方法。该方法从农田作业环境特点出发,主要利用颜色特征因子(2G-B-R)进行灰度化处理,使用最大类间方差(OTSU)自动阈值法获得二值化图像,采用基于已知点的改进Hough变换方法,提取导航基准线,解决传统Hough变换处理速度较慢的问题。实验表明,该算法处理640 pixel×480 pixel的彩色图像平均用时100 ms,正确识别率为92%,能够满足农田作业的实时处理要求,是一种快速有效地图像处理算法,具有特定的实用价值。

提出了一种用于检测各向异性像素集合的方向算子结构和一种非正交、非完全重构(PR)的非递推解析和合成滤波方法和算法,这种算法类似于人为组织的比赛,通过检测,淘汰,竞争和紧支撑平滑滤波,采取由粗到细,由直线到折线简化搜索和优化方案,借助少数服从多数,弱势服从强势的游戏规则,完成含噪图像中类像素的恢复任务。利用丰富的实验来检查提出算法的有效性、一致性和可靠性,得到了满意的结果。最后对算法的恢复结果作了如实的客观评价,并指出了算法的极限和不足。

提出了一种新的Tchebichef矩的缩放不变量。利用递降阶乘和第一类Stirling数,将Tchebichef多项式表示为幂级数的线性组合,分离出包含在缩放后图像矩中的缩放系数,然后用第二类Stirling数和递降阶乘将新得到的幂级数转回为Tchebichef多项式组合。这样Tchebichef矩的缩放不变量可以转化为原始矩的线性组合来计算,计算量小,没有迭代误差积累。实验表明,提出的描述子能够更好地提取二值图像的缩放不变特征。

室内人体红外辐射理论对于人的红外探测、医学治疗、侦探、灾后搜救等领域的应用具有重要作用,而目前对室内人体目标的红外热辐射还缺乏系统、整体描述的探测模型。为提高红外系统对人体的探测和识别能力,从生物传热方程出发,利用红外物理和传热学理论,给出室内人体表面温度场和红外辐射量的理论计算方法,建立了室内着装人体探测模型。在介绍人体组成和体温调节系统的基础上,对室内人体表面温度场进行了系统讨论,分析了影响室内人体红外热辐射的主要因素。实验结果表明,模型所计算的理论值误差在允许范围内。

提出了一种利用小口径哈特曼-夏克(H-S)波前传感器检测大口径光学系统或元件的波面拼接检测方法。其基本原理是将待测大口径波面划分为多个小口径波面,通过最小二乘法得到各个子波面斜率图相对于基准子波面斜率图的拼接参数,恢复出全孔径波面斜率图,再利用模式法复原出待测波面。建立了全局优化拼接方式的数学模型,并进行实验验证。实验采用一有效口径37.5 mm的哈特曼-夏克波前传感器对一平面反射镜面60 mm的区域进行测试,将拼接波面与利用干涉仪直接测量的全孔径波面对比,其波面残差(RMS)值为0.04 λ,拼接算法精度达到λ/40。结果表明,全局优化拼接检测方案能够用于大口径光学表面的检测。

根据光声理论,建立了血液光声信号的数值计算模型,计算了检测参数(血管的直径、探测距离及探测器相对于血管的偏离程度)对光声信号的影响。分析了这三种参数对脉冲光声法计算绝对吸收系数准确性的影响。数值计算结果表明,探测距离及探测器相对于血管的偏离程度对计算结果的影响可以忽略,而血管的直径对计算结果有较大的影响,忽略血管直径的影响是造成目前脉冲光声法测量绝对吸收系数准确性较低的主要原因,为脉冲光声法的改进提供了依据。

以天基空间目标探测器的研究为背景,对近地空间的光环境进行了研究,并对平面、球面、柱面、锥面近地空间小目标进行光学建模,给出其在一定距离上的光照度与光源、探测器方位角及相位角的普遍关系式。为验证关系式的正确性,在设定条件下对模型进行了仿真分析,得到平面最亮,球面和柱面次之,锥面最暗的结论;同时在暗室中搭建空间小目标成像的模拟实验系统,以增强型电荷耦合器件(ICCD)摄像机进行静态目标成像实验。对采集的图像进行分析,得到了符合仿真结论的实验结果。说明了目标光学模型的正确性及运用微光探测器件对空间目标进行成像观测的可行性。同时也进行了动态目标成像实验,实验结果说明了减小图像噪声对运动目标定位处理的重要性,这一结论为成像器件选型提供了依据。

由美国夜视和电子传感器管理局(NVESD)研究提出的经典视场目标探测模型,未能反映出信杂比(SCR)在探测过程中的影响程度。采用小波多尺度边缘检测法来仿效视觉系统,将边缘概率(POE)与经小波多分辨分析法改造后的雷诺一致性方程的均方根(RMS)结合,得到基于小波多尺度POE算法。再利用最大似然法对目标和背景分类探测进行处理,从而获得目标模式识别的最大似然概率;将信杂比计算引入红外目标探测中,推导出了高、中、低信杂比下的目标探测、分类和识别预测方法,解决了红外目标探测过程中与信杂比的关系。

最小标准模型(MSM)结构的光电探测器主要分为光导型和肖特基型两种。制备得到了肖特基型的氮化镓(GaN) MSM结构紫外光电探测器,采用这种结构的器件主要是因为其暗电流低、响应时间快、响应度大、寄生电容小等优点。MSM形状的叉指电极是通过传统的紫外光刻和湿法刻蚀得到的,并采用Au作为金属电极。得到的肖特基型GaN紫外光电探测器的暗电流在1 V偏压下为3.5 nA,器件在1 V偏压下的最大响应度值出现在362 nm处,大小为0.12 A/W,器件的上升时间小于10 ns,下降时间为210 ns。并对器件响应时间的影响因素进行了深入的分析。

大的热折射率系数和热膨胀系数使得染料激光介质的热效应远大于固体激光介质。对抽运时间内增益区液体介质的热效应进行研究,可以为更高功率液体激光器的设计研制和光束质量控制提供参考。根据流动液体能量方程,在抽运光功率由5.9 W增加至12.4 W时,理论计算了纵向抽运时间尺度染料激光器增益区温度场分布,并给出了由温度梯度而引起的信标光波前畸变。信标光的斯特雷尔比由0.9133下降至0.6174。应用波前曲率传感原理,实验测量了染料激光介质罗丹明6 G(Rh6G)乙醇溶液的热效应,采用理论计算相同的抽运功率条件下,增益区内参考光的斯特雷尔比由0.9464下降至0.4883,光束质量下降明显。

理论分析了p型波导层厚度对半导体激光器阈值电流、内损耗以及串联电阻的影响,优化得到该参数对器件电光转换效率的影响。由此设计了波导结构,并制作了波长为980nm非对称高效率半导体激光器。器件的光电特性测试为:腔长为1500 μm,20％占空比的巴条的阈值电流以及串联电阻分别为7.3 A和4.8 mΩ,内损耗低至0.78 cm-1。微通道封装1 cm 激光二极管列阵连续工作条件下最大电光转换效率为63.2％,相应的斜率效率和输出光功率分别为1.17 W/A和36.2 W,最大输出功率可达139.6 W。实验结果表明:通过优化p型波导层厚度,有效地提高器件电光转换效率。

采用带有标准具的Fox-Smith谐振腔产生了稳定可调谐的单纵模TEA CO₂激光输出。对干涉腔反射率的数值模型进行了研究,讨论了失谐角、子腔的匹配等因素对模式选择的影响,并且进行了实验验证。实现了10.6 μm单纵模激光输出,能量140 mJ,重复率达到90％,腔内元件没有受到损伤。

针对热键合直角棱镜和角锥棱镜构成的946 nm激光器,详细讨论了输出端946 nm介质膜反射镜对单频运转的影响及热稳定性问题。指出通过改变p分量的透射比不能有效增加腔内激光的线偏振度;增强施加在角锥棱镜上的磁场强度,不仅可以显著提高腔内激光的线偏振度,减小输出激光的损耗,而且可在提供相同环路损耗差的情况下,降低对946 nm激光p分量的高透要求。通过传播矩阵方法,研究了该准单块非平面环形腔的热稳定性及高斯光束能量分布问题。

针对大视场摄像机标定中,大尺寸靶标加工困难,小尺寸靶标标定精度不高等问题,提出一种基于柔性立体靶标的摄像机标定方法。柔性立体靶标是由多个小平面靶标(又称子靶标)灵活组合的一种靶标形式,将多个小的子靶标摆放在视场周边,以其中1个子靶标坐标系为基础建立柔性立体靶标坐标系。以子靶标之间位置关系不变为约束条件,将各子靶标特征点的局部坐标统一到柔性立体靶标坐标系下,建立以重投影误差为最小的目标函数,采用非线性优化方法得到摄像机参数的最优解。仿真和实验证明采用柔性立体靶标可以达到与相同靶标区域大小的大平面靶标相当的标定结果。

采用直线跟踪加斜线插补的方法焊接集装箱波纹板的折线焊缝,其关键是折弯点的检测。设计了一种能检测波纹板折线位置的激光传感器,前置于焊枪的该传感器采用主动激光光源照射波纹板表面,漫反射光线通过限位孔后照射到线阵CCD上,通过计算曝光宽度获得光斑到CCD的距离。在检测波纹板折线位置时采用最小二乘法,回归直线段和折线段的直线方程,计算两条直线的交点,准确获取折弯点。对采样信号采用模板匹配的方法来减少波纹板表面状态对成像影响,经过实验证明该传感器的直线跟踪精度满足焊缝跟踪要求,折弯位置的检测误差在±0.5 mm内,为集装箱波纹板自动焊接在折弯点焊枪姿态改变提供了有效的判据。

通过模拟实际光学成像过程以及CCD采样过程,生成了标准图像,实现对亚像素定位算法的客观评价,并提出了一种新的基于灰度面积插值的亚像素定位方法。经实验验证,该方法对直线边缘的平均定位精度达到0.11 pixel,对圆边缘点的平均定位精度可达0.24 pixel,优于梯度质心法和灰度矩法。

利用交叉相位法采用波长为532 nm激光在自散焦光折变晶体LiNbO₃:Fe中成功地制作了带有线缺陷的二维光折变光子晶格,晶格周期为12.8 μm×12.8 μm,线缺陷宽度为32.6 μm。对其晶格线缺陷局域光的特性进行了详细的实验观测和初步的理论研究。实验结果表明,在折射率变化量仅有10-5-10-3的LiNbO₃:Fe晶体中,由于光折变光子晶格的存在,以及晶格带隙的作用,负折射率的线缺陷具有局域光和导光的作用。实验结果说明:在LiNbO₃:Fe中写入带有线缺陷的二维光折变光子晶格并把光波局域在缺陷内部是完全可行的。利用此性质,可以制作类似于光子晶体光纤的光学元件,对光通信的发展是非常重要的。

理论研究了将金属线和谐振环埋入非线性介质构成的具有三维周期性结构的超材料(metamaterial)的有效磁响应,推导了在裂环谐振器(SRR)间耦合条件下有效磁导率的表达式,计算了该种超材料在有SRR间耦合和无SRR间耦合条件下的非线性磁响应。结果表明,虽然二者的磁导率表达式非常相似,但两种条件下的有效磁响应特性仍然表现出明显不同的性质。此结果对于实现三维非线性超材料及优化其结构设计有参考意义。

研究了掺铈铝酸钇(Ce:YAP)晶体的自吸收机理以提高其光产额等闪烁性能。用提拉法生长了不同掺杂摩尔分数的Ce:YAP闪烁晶体。室温下测试了不同厚度、不同摩尔分数和不同退火条件下Ce:YAP晶体的透过、荧光、X射线激发发射等光谱特征,并对可能存在的自吸收机理进行了分析。结果表明,Ce:YAP晶体的自吸收主要由Ce4+离子与氧离子配体之间的电荷转移吸收引起,根据电荷转移吸收理论可得其吸收峰在303 nm左右,与实验结果基本一致。本实验表明通过一定的退火工艺和掺杂控制减少Ce4+离子,将能有效地使样品的吸收边蓝移,从而减少Ce:YAP晶体的自吸收,提高闪烁性能。

在多纵模半导体激光器(LD)前向抽运的拉曼光纤放大器中,发现被放大的信号波长两侧存在超过100个波长的梳状波现象,分析并研究了该梳状波产生的机理。抽运光中多个纵模和输入信号之间的四波混频作用是该梳状波产生的根本原因。实验观察并研究了抽运功率、信号功率和信号波长以及抽运方式对该梳状波光谱的影响。

采用外加高压电场极化的方法,制备了二维八重准周期结构的铌酸锂非线性光子晶体。沿该晶体倒空间的基矢方向上实现了两种波长的有效共线倍频输出,在偏离该方向22.5°的方向上,获得了另外三种波长的倍频输出。同时,在入射光束对称两侧观察到了不同种波长的非共线倍频光斑。利用二维八重准周期铁电晶体,在约480 nm的入射波长范围内实现了近20种波长的共线及非共线准相位匹配倍频过程,两邻近的基频波长间隔最小可达3 nm。当晶体旋转45°的整数倍时,可以得到相同的结果。

从非线性光学电磁场理论出发,分别数值计算了硼酸锂(LBO)晶体基频光波长1064 nm的Ⅰ类和Ⅱ类倍频相位匹配角及有效非线性系数。Ⅰ类相位匹配角在第一象限的范围约是(34°~90°,0~24°),有效非线性系数的平方在匹配角约为(42.2°,56°)时有最大值,匹配角约为(90°,45.6°)时有次极大值,且最大值与次极大值近似相等;Ⅱ类相位匹配角在第一象限的范围约为(0~90°,45.5°~90°),有效非线性系数的平方在匹配角约为(0,90°)时有最大值。

针对“正折射率(PIM)/负折射率(NIM)/正折射率(PIM)”结构的材料,研究了对信号光是负折射率而抽运光和闲频光都是正折射率时,在三波非共线参变放大的基础上,根据匹配条件,对于给定的信号光和抽运光波长,非共线角α存在最大值即最大非共线角,并详细研究了最大非共线角随信号光波长的变化规律。利用泰勒级数将波矢按圆频率展开,在取一级近似的情况下,得到了带宽的解析表达式。利用该解析式,采用数值计算的方法,分别研究了带宽随信号光波长、抽运光波长和非共线角的变化规律。结果表明,对于同一抽运光,随着信号光波长的增加,参变带宽将先增加而后减小,即参变带宽存在着最大值;随着抽运光波长的减小,参变带宽将增大;对于同一信号光和抽运光,随着非共线角α的增大,参变带宽Δλ将逐渐增大。此外,随着抽运光强的增大,带宽也将增大。这为实验研究负折射率材料的光参变放大打下了基础。

提出了由两个相反方向光同时在三阶非线性介质中传输而引起的非线性驻波的概念;导出了这种非线性驻波的功率分布、节距、驻波比以及单向非线性相移分布的解析表达式,并进行了仿真计算。结果表明,当非线性较弱时,驻波的功率分布仍然呈余弦形式,但将出现节距随功率增大而变小的节距调制效应,并正比于最大和最小折射率的几何平均值。当非线性较强时,不仅存在节距调制效应,而且还出现功率分布函数曲线从余弦形式过渡到周期性尖脉冲形式的驻波波形调制效应。其非线性相移不再与距离成正比,变成一条周期性的单增曲线。对于非线性介质谐振腔的激光器、选频放大器、多波长激光器以及其他非线性光学器件的研究,具有重要的意义。

用交流电场代替直流电场来驱动液晶光折变器件能够克服直流电场带来的动态散射、永久光栅、电解等效应,这些对于器件的实用是非常不利的。利用二波耦合方法在无偏置正弦交流电场作用下研究了掺C60的向列液晶中记录的光折变光栅的形成及其相干放大应用。实验中在交流电场作用下于通常的、掺C60的向列液晶盒中观察到了稳定的非对称能量转移,并获得了和直流电场下相比拟的、大的光束耦合比,从而证明在交流电场下液晶薄膜中记录的光栅是由光致空间电荷场作用下的液晶分子重新取向而形成的。利用上述强的光束耦合比实现了交流电场作用下的相干放大实验,并在小的输入光强下取得了190 cm-1的增益。

提出一个原子蒸气中的四能级系统,能够实现左手材料特性(负折射率)。采用非相干抽运场来控制各能级上的粒子数布居,使探测场的电场分量和磁响应场分量被同时放大,避免了介质对探测场的强吸收。理论模拟计算表明抽运场的抽运率和相干耦合场的强度都能影响左手材料的负折射率频带。

针对高分辨率长焦距光学系统的结构特点,在受到轨道舱直径4 m左右结构限制的情况下,长焦距光学系统的结构长度的减小显得非常重要。通过像差理论计算和ZEMAX光学设计软件的设计,在满足了超长焦距高分辨率和结构长度小于4 m的要求的情况下,设计了一个视场为1.5°×0.3°、相对口径为1/9、焦距长度为23333 mm,结构长度做到了3314 mm的光学系统。系统采用了两个椭球面和一双曲面,还有两个平面折叠镜。其中平面折叠镜不仅可以缩短光路,还可以起到调焦作用。

在用于自由立体显示的柱面透镜光栅的设计中,针对用理想光学系统思想计算的数据不够精确,用光学软件计算的数据往往不符合实际要求且需反复尝试,提出用光线追迹建立数学模型的方法设计柱面透镜光栅参数。将观看距离、柱面透镜光栅离显示屏距离以及柱面透镜光栅的焦斑大小共同作为参数设计的依据。分析了柱面透镜曲率半径和焦斑大小,以及柱面透镜厚度和焦斑大小的变化关系。采用该方法为19 inch (48.26 cm)平面显示屏设计了一组柱面透镜光栅参数,并用光学设计软件ASAP模拟了该系统的视区分布。结果表明该柱面透镜光栅的视区分布比较理想,宽度为65 mm,满足高性能自由立体显示的要求。

针对有机无机杂化的电光材料设计了单模加载条形的波导结构,模拟了这种结构中光场的分布,制作了直波导,测得其传输损耗为2.0 dB/cm;采用这种加载条形的波导结构设计了马赫-曾德尔干涉型(MZI)电光调制器,通过对MZI结构互作用区的优化选择,互作用区两波导间距为30 μm,长度为15000 μm;通过分析共面波导型行波电极的中心电极宽度及中心电极与地电极间距对特性阻抗、重叠积分因子以及半波电压的影响,得出中心电极宽度9 μm,中心电极与地电极间距5 μm时,器件半波电压最低,为8.4 V。器件制作完成后对其进行测试得出了线性调制曲线,并测得半波电压为9.0 V,与理论值基本符合。

介绍了GaN基512×1元紫外长线列焦平面探测器组件的研制过程,并给出了器件的性能。利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长的多层AlGaN外延材料,通过刻蚀、钝化、欧姆接触电极制备等工艺,制作了256×1的背照射AlGaN紫外探测芯片。并对该芯片进行了I-V特性、响应光谱等测试,得到芯片的暗电流Id为4.22×10^-12A、零压电阻R0为1.01×10¹⁰Ω,响应波段为305-365 nm,响应率约为0.12 A/W。该AlGaN探测芯片与电容反馈互阻抗放大器(CTIA)结构的读出电路互连成为一个256模块,两个256模块经过拼接、封装后制备出512×1元紫外长线列焦平面探测器组件。测量室温(300 K)时焦平面组件(实际524元)的响应,平均电压响应率为1.8×10⁸V/W,其盲元率为9.0%,响应不均匀性为17.8%,359 nm处的平均波段探测率为7×10¹⁰cm Hz^1/2W^-1。并对器件性能进行了分析。

实验研究了聚光太阳电池的输出开路电压随电池与透镜间距变化规律,结果发现开路电压随间距的变化出现了峰值;理论分析证实了此峰值是由于输出开路电压随间距成高斯分布,通过拟合实验结果发现最大输出电压为光聚焦到电池耗尽区。此外,实验结合理论分析,研究了最大输出开路电压随光照度的变化关系,得出最大开路电压随光强变化成对数关系。此项研究对于当前聚焦光伏系统的设计和研究具有重要的指导意义。

对二维三角形空气孔结构的光子晶体TE模、TM模的禁带重叠区,即绝对带隙的影响因素进行了系统的分析计算,得到其禁带随介电常数的差别还有填充比的变化规律:绝对带隙在r/d(空气孔半径/晶格周期) >0.4时出现,带隙宽度随r/d的增加而增加,到r/d=0.483时达到最大,往后开始减小。其中带隙中心频率值随r/d的增加而增加;把填充比r/d固定在0.483,计算绝对带隙宽度随背景材料的介电常数ε的变化规律发现:绝对带隙在背景材料的介电常数ε>8的时候出现,宽度随ε的增加而增加。

通过分析非对称双芯光子晶体光纤耦合理论,提出了一种非对称双芯光子晶体光纤耦合器。理论分析显示,该耦合器的耦合比在一个较宽的波长范围内变化较小,具有波长响应平坦特性。通过有限元法模拟分析了该耦合器两芯间空气孔的尺寸以及光的偏振对其耦合特性的影响,结果表明,该非对称光子晶体光纤耦合器在1.3-1.8 μm的波长范围内,其50%耦合比变化在±4％以内,具有较好的波长平坦耦合响应特性,适合光纤通信等领域对宽带耦合器的需求。

从理论上提出了一种利用钠原子玻色-爱因斯坦凝聚体中Λ型三能级原子与一束较弱的压缩相干态探测光和一束较强的经典耦合光相互作用产生受激拉曼(Raman)跃迁制备压缩原子激光的方法,并研究了这种原子激光的压缩性质及其影响因素。结果表明,在一定条件下,通过这种方式制备的原子激光的量子涨落可以周期性地被压缩,其压缩深度决定于压缩态光场的初始压缩因子,而压缩周期与原子阱中的平均原子数、压缩态光场与超冷原子相互作用的强度及光场的失谐量有关。

研究自旋相反的两成份费米原子-分子耦合系统中,背景粒子s波散射对分子形成与分解的影响。这种粒子间的相互作用在以分子形式存在为主的演化阶段影响明显,其中排斥势散射有利于分子的形成。分子场在系统演化过程中会出现亚泊松(Sub-Poisson)统计分布。

从薛定谔方程出发,研究了拉曼脉冲激光与冷原子的相互作用,得出了作用后的密度矩阵方程。利用原子传输矩阵,得出原子在重力场中的各个位置和速度随时间的变化关系。结合原子密度矩阵和原子传输矩阵,得到了原子能态布居与重力加速度的严格关系式。进一步详细讨论了拉曼脉冲有效拉比振荡频率对重力加速度测量精度的影响。

星上定标系统是有效监测遥感器辐射响应性能的重要技术构成,高光谱技术和信息应用的发展对星上定标系统提出了更高的要求,包括太阳光谱的一致性、系统小型轻量化与稳定性等技术难题。提出一种较完整的技术方案,以内置卤钨灯为光源,用小型化的积分球为匀光体,采用色温校正技术调节其光谱输出,内置安装标准辐射计监视系统的稳定性。系统设计结合航天环境要求,获得了积分球辐亮度输出在太阳反射波段达到0.9倍的大气外太阳照射朗伯面的水平、出口面非均匀性为0.6%、在出射角±15°内辐亮度变化小于1.5%等满足一定工程应用要求的实验结果,系统重量、体积分别小于1.2 kg,0.002 m3,开机稳定时间小于5 min,辐射输出在约200 h内保持良好的稳定性。

以MPA型傅里叶近红外光谱仪和WQF-400N型傅里叶近红外光谱仪上检测的奶粉光谱为原始光谱,利用积分法选择不同的积分区间对原始光谱进行积分,模拟不同分辨率下的光谱。采用相同的预处理方法〖CD2〗Savitzky-Golay平滑和一阶微分,利用偏最小二乘(PLS)回归对奶粉中的脂肪含量建立模型。分别比较两台仪器所建模型的相关系数(R),预测均方差(fRMSEP),平均相对误差(E)三个预测参数,得到两台仪器分别在分辨率为16 cm-1和64 cm-1时建模效果最好。研究结果表明,利用积分光谱,能起到压缩数据,提高模型预测精度的作用;同时说明对于具体样品的特定指标要选择合适的分辨率,在减少工作量的同时获得最佳的定量分析结果,而单纯的追求高分辨率是没有意义的。

探讨了径向基核函数(RBF)支持向量机(RBF-SVR)建立定量分析模型时主要参数的优选方法及其在近红外光谱分析畜禽粪便堆肥产品含水率、挥发性固体含量和碳氮比中的应用,并与偏最小二乘回归法所建近红外定量分析模型的预测能力做了比较。供试样品为我国22省市不同种类的120个畜禽粪便堆肥产品样品,利用傅里叶变换型光谱仪获取样品在4000~10000 cm-1内的光谱数据信息。研究发现,逐步寻优循环优选支持向量机建模参数方法具有较好的可行性,其所建近红外定量分析模型均优于基于偏最小二乘法所建模型,所建立的含水率和挥发性固体近红外模型验证决定系数(r2)均大于0.90,相对分析误差(RPD)均大于4.0,具有实际应用价值;所建碳氮比近红外模型验证决定系数(r2)为0.85,RPD值大于2.5,也可用于定量分析,但精度有待于进一步提高。