对能动变形反射镜波面误差进行了理论分析和实验研究。在对能动变形反射镜波面误差进行理论分析和实验研究的基础上,利用有限元对37单元能动变形反射镜低频象差补偿能力进行了相关的分析和计算,结合相关实验确定了能动变形反射镜的主要参数,成功研制出了曲率半径1926 mm、口径300 mm的37单元球面能动变形反射镜。经实验测定校正误差前、后镜面面形的PV值(波前峰谷差值)和 RMS值分别为：0.545λ、0.081λ及0.239λ、0.031λ,从实测结果可以看到取得了明显的校正效果。并且在研制过程中对镜面加工、驱动器极头粘接等技术和工艺问题进行了有效地探索和研究,从而为能动变形反射镜进一步的研制工作奠定了良好的基础。

由美国喷气推进实验室提出的MGS (modified G-S) 算法,是一种基于迭代FFT变换的相位恢复波前传感方法。其中,多离焦面的使用保证算法迭代解具有唯一性,多种相位解包裹方法的引入使得算法既有很高的传感精度又有可观的传感动态范围。但当传感非连通域复杂光瞳时,由于受瞳内遮挡区域的伪包裹相位值影响,路径无关型解包裹算法失效,从而导致MGS算法迭代失败。为此首先对MGS算法做了进一步细节优化,在此基础上设计出一套普适于非连通域复杂光瞳的路径无关型解包裹算法流程,它能根据光瞳实际遮挡排布自适应设定最优解包裹步骤和路径。通过搭建实验光路,验证了该解包裹算法的可行性,并结合干涉测量对改进MGS算法在非连通域复杂光瞳中的波前传感精度做了初步标定。

自适应光学技术可用于补偿高能激光系统出射光束的波前畸变以改善光束质量。为研究随机并行梯度下降(SPGD)自适应光学方法用于光束净化的可行性,分别采用高速光电探测器和高速变形镜作为系统性能评价函数的测量器件和波前校正器件,搭建了迭代速率为100 Hz的SPGD自适应光学系统,并且对通电电阻丝产生的湍流所造成的动态波前畸变进行了实时校正。实验结果显示,此套自适应光学系统能够对在4 Hz以下频率范围内缓慢变化的动态波前畸变进行实时校正,针孔中远场光斑的能量提高2.2倍,稳定性提高1.4倍。这表明SPGD自适应光学系统用于光束净化是可行的。

提出了一种利用光学共轭关系,实现多变形镜空间匹配从而提高波前空间校正能力的自适应光学系统方案。通过理论分析给出了组合变形镜的面形描述方法,在此基础上建立了一套基于由两块相同方形排列变形镜构成的组合波前校正器的完整自适应光学实验系统。通过数值仿真研究了该系统对前35阶Zernike像差的校正效果,并且通过实验对比了组合变形镜和单一变形镜对实际静态像差的闭环校正效果。结果表明组合变形镜可以等效为一多单元变形镜,在直接斜率控制算法下正常稳定闭环工作,校正效果明显优于单一变形镜。组合变形镜技术通过空间匹配实现了增加波前校正器驱动单元数和等效交连值,有效地提高了对波前的空间校正能力,因此可以代替高成本的单一多驱动器变形镜用于自适应光学系统中高阶像差的校正。

差分吸收光谱法(DOAS)应用于固定污染源烟气排放在线监测时,由于烟气中烟尘颗粒物含量较高,烟尘颗粒物Mie散射引起的消光对准确反演气体浓度应有一定影响。通过对1～10 μm烟尘颗粒物Mie散射对DOAS影响的数值模拟和实验研究得出,烟尘颗粒物的散射光强与颗粒粒径分布、颗粒数密度有关,随着颗粒粒径和颗粒数密度增加,气体的差分吸收度随之而增加,差分吸收度曲线的频率特性发生变化,传统DOAS算法中的应用多项式滤波已无法消除颗粒物Mie散射对气体差分吸收度的影响,气体浓度的反演结果远远偏离真实值。

无论是光路交换还是光突发交换,都离不开有光开关矩阵组成的光交叉连接节点(OXC)。OXC节点是组建波分复用光网络的基本单元,OXC节点引入的串扰成为限制其投入实用的主要原因。理论分析了基于扩展Benes(DB)结构和改进扩展Benes(GMDB)结构的三种典型OXC结构中的带内串扰,结果表明基于DB结构和GMDB结构的OXC节点可以完全消除低于二阶的各类串扰。数值模拟了基于两种结构的OXC节点中带内串扰的积累特性,发现基于GMDB结构的OXC节点能大大降低串扰引起的功率代价,实验测量了8×8DB结构和GMDB结构中串扰的影响,实验结果证实了GMDB结构的低串扰特点。同时与基于DB结构的OXC节点相比,基于GMDB结构的OXC节点对光开关串扰系数的要求放宽了5 dB,大大降低了对光开关隔离度的要求。

实验验证了应用中点谱反转技术实现155 Mb/s～10 Gb/s频移键控/幅度调制(FSK/IM)正交信号的100 km传输。其中,FSK/IM正交信号的频谱反转由基于半导体光放大器(SOA)的四波混频效应实现,此技术有效克服了FSK/IM正交信号在传输中色散带来的影响。实验采用DFB激光器作光源,康宁公司生产的标准单模光纤作传输链路,采用长为1.5 mm,光限制因子为0.15的半导体光放大器实现频谱反转。实验中固定FSK/IM的中心波长,测试了接收端FSK与IM信号的眼图,结果发现,标记FSK与数据包IM的性能良好。

研究了160 Gb/s 光时分复用(OTDM)系统的解复用技术。针对160 Gb/s速率的特点,对高非线性光纤(HNLF)的光纤环镜(NOLM) 特性及解复用进行了数值仿真。计算了低信号光时间抖动下解复用误码特性对时钟与信号的走离及时钟功率的依赖关系。计算了三种走离值消光比随时钟功率增加的变化趋势并给出：存在一个能获得最大的解复用窗口消光比、并能降低相邻信道串扰的合适的时钟功率范围。利用自制的基于电吸收调制器和压缩技术的超短光脉冲源建立了160 Gb/s OTDM实验系统,测量了不同信号光功率下NOLM的消光比,它基本不随信号增大而变化,在信号功率为7.3 dBm时仍大于23 dB。利用上述装置实现了无误码的160 Gb/s到10 Gb/s全光解复用。

详细给出了采用传输矩阵法(TMM)分析的基于相移超结构光纤布拉格光栅(SSFBG)的相位编/解码器的理论,提出了设计方法。以长度为127切普(chip)的二相位和四相位编/解码对为例,对设计结果进行了仿真验证,通过与文献中的结果对比,进一步说明了分析方法和设计方法的正确性。仿真还比较了四相位码的A族序列和二相位码的Gold序列对光栅写入精度的灵敏度,发现在相同码长条件下,四相位码对光栅相移制作控制精度的要求要高于二相位码。

脉冲光源是光码分多址的关键技术之一,光源的性能直接决定了系统的性能。深入研究了光脉冲的啁啾对时域相位光码分多址编解码器性能的影响,分析了啁啾脉冲光源用于光码分多址系统的可行性。基于增益开关分布反馈式脉冲激光器和等效相移光纤光栅编解码器进行了2.5 Gb/s数据速率的60 km光码分多址系统传输实验,得到了误码率低于10-9的实验结果。理论和实验研究结果表明,啁啾脉冲光源可用于光码分多址系统,这对于降低系统的成本,增强光码分多址技术的可实现性有重要意义。

介绍了一种基于单纵模分布布拉格反射(DBR)光纤激光器的新型压力传感器。该传感器基于拍频检测原理,其解调方法与传统光波长解调相比成本低且易实现。激光器谐振腔的增益光纤在应力作用下感生双折射从而导致单纵模激光器原本简并的正交偏振模式分离,互相差拍,产生1 GHz左右的拍频。对这种新型传感器进行了理论分析和实验论证,通过对0～1.2 N范围内压力进行传感检测,测得拍频为800～1200 MHz,曲线拟合度达到99.76%。结果表明,该压力传感器不仅延续了光纤光栅传感器高灵敏度等优点。还可以看作是在原有光纤Bragg光栅传感技术的升级,以分布布拉格反射(DBR)代替光纤光栅作为传感基元,将无源传感升级为有源传感,以提高信噪比和传输距离。

对铒镱共掺微环谐振器的放大特性进行了理论分析,给出了器件的传递函数和功率增益的公式。在抽运光波长为0.98 μm、信号光中心工作波长为1.55 μm的情况下,分析了抽运光功率、信号光功率、铒镱掺杂浓度、微环与信道间的振幅耦合比率对放大器放大特性的影响,给出了上下信道的传输光谱,并对其结构进行了优化设计。模拟结果表明,与同等长度的直条形铒镱共掺波导放大器相比,该器件可获得更高的信号光增益,选取Pp0 = 8 mW,Ps0 =36.5 μW,NEr =1×1026 m-3,NYb =3×1027 m-3时,该器件可容易地获得11.6 dB以上甚至高达60 dB的信号光功率增益。这种强放大功能的铒镱共掺微环谐振型放大器,将更有利于器件在尺寸上的小型化、集成化。

提出了一种采用数字微镜(DMD)器件作为SLM调制面阵CCD的设计方法。解决普通CCD相机在拍摄高反差场景时,图像上出现过曝光或欠曝光,造成丢失细节的现象。该方法通过场景预测成像,确定ＣＣＤ按多曝光区域的划定和曝光时间。利用DMD微镜调制功能,实现CCD分区分时曝光。同时设计一种图像数据结构提高了面阵ＣＣＤ动态范围。实验证明,该方法不但提高了成像质量,高亮和背光处细节可清晰地表现。而且增强了图像数据的动态范围。 实现了实时获取高动态范围、高质量的图像及数据,不再需要软件“融合”。

非负矩阵分解(NMF)具有非负性和局部性的特点,是一种新型的特征提取方法。由于NMF是非监督学习算法,运用NMF提取掌纹特征时没有考虑训练样本的类别信息,因而分类效果不够理想。为了在提取掌纹特征的同时融入类别信息,提出运用非负矩阵分解和广义判别分析(GDA)相结合的方法进行掌纹识别。为了降低计算的复杂性,在特征提取之前,应用小波变换对掌纹图像进行三级分解,提取低频子图像。在低频子图像上应用NMF+GDA提取掌纹特征,计算特征向量间的余弦距离进行掌纹匹配。运用PolyU掌纹图像库进行测试,结果表明,与主元分析(PCA)、独立元分析(ICA)和NMF相比,算法的等误率(EER)最低为0.16%,特征提取和匹配总时间为0.812 s,满足实时系统的要求。

介绍了一种退化函数随空间变化图像的分块复原和拼接方法, 首先以等晕区为依据对退化函数随空间变化的图像进行分块并向外延伸一定区域, 然后使用Lucy-Richard算法对每一个图像块进行图像复原, 在去除各复原图像块包含明显振铃波纹的部分边缘区域之后, 将相邻图像块剩余的重叠区像素以其到等晕区边界的距离构成的加权系数进行叠加, 拼接得到完整的图像。该方法能够消除退化函数随空间变化的图像分块复原处理时产生的振铃波纹, 在诸如卫星遥感、飞机航拍图像复原, 医学图像处理等众多领域均可广泛应用。

研究基于色彩传递的单波段热成像自然感彩色化处理算法,提出一种应用伪彩色编码突出显示热目标的方法。方法首先选定适当的参考图像并对亮度通道做线性变换,然后基于通道间相关性很小的lαβ颜色空间,利用图像像素邻域亮度通道的均值和标准差进行像素间的相互匹配,将参考图像的色彩传递给单波段红外图像,最后寻找色彩传递结果图像中亮度接近最大值的像素,将它们的颜色映射到彩虹编码的高温端,以红色调突出显示。算法用于几种场景类型的单波段红外图像,得到了色彩自然感较好的彩色化热图像,能够避免长时间观察热图像造成视觉疲劳的问题; 突出场景热目标,在保留背景深度感的基础上,可有效提升观察者的目标识别能力。

为了提高复杂背景下目标跟踪的稳定性,在模板匹配失败时引入目标分割过程,根据新目标区域与模板的相似度分析得出导致匹配失败的具体原因,提出了一种新的自适应模板更新算法。根据模板图像各像素到模板中心的距离构造加权函数,对传统归一化相关算法进行改进,使新算法具有一定的抗遮挡能力。实验结果表明,该算法与固定模板跟踪算法和逐帧模板更新算法相比,在目标尺寸变化和被物体局部遮挡时,跟踪的连续性和稳定性更好。

为了消除傅里叶变换轮廓术中零频成分的扩展对测量范围和精度的影响, 将经验模态分解方法引入到傅里叶变换轮廓术中,对变形条纹图进行经验模态分解, 将条纹图分解为一系列的从高频到低频排列的固有模态函数, 达到将高频成分和低频成分相分离的目的, 用以消除零频成分,提高测量范围。同采用相移消除零频成分的技术相比, 此方法只需要一帧条纹图, 测量装置简单、实时性强、计算速度快。文中给出了理论分析和实验验证。

提出了一种用于三维成像的二值时空编码照明方法。将投影平面的每一行分成由若干个像素组成的区间。利用区间内像素的空间坐标和时间坐标对区间进行编码。在测量时, 通过对拍摄的图像序列分析, 恢复区间的编码。在得到所有区域编码后, 将相邻的给定个数的区域编码组成代码子序列。然后在设计的代码序列中进行代码子序列匹配, 得到场景表面、摄像机像面及投影平面三者之间的对应点。最后, 采用三角测量原理得到被测物体的面形。实验结果表明, 这种方法在得到高密度距离像的同时可以得到物体的纹理, 而不需要额外拍摄图像。测量结果有较高的精度和稳健性。

为了测量格兰-泰勒棱镜空气隙的厚度,分析了棱镜对单模高斯光束的影响。结果表明,经过棱镜后的透射光强随着光束在棱镜端面上的入射角变化呈现周期性的振荡,且振荡特性与入射光的波长、光强分布特性、棱镜结构角及空气隙的厚度有关。对于给定波长的入射单模高斯光束,由于棱镜的结构角在棱镜胶合之前可以精确测得,所以通过分析这种振荡特性便可以得出棱镜空气隙的厚度。据此设计实验,测出了透射光强随入射角的周期性变化关系。利用计算机编程,间隔改变0.0001 mm作为理论计算中的空气隙厚度的取值。计算实验测得的透射光强振荡周期与理论计算值的相对偏差的平均值,对于样品棱镜,当该值为4.35%时取值最小,此时对应的空气隙厚度为0.0143 mm。

随着离轴抛物面反射聚焦镜在激光加工领域的广泛应用,如何提高其聚焦光斑质量成为一个亟需解决的问题。理论上,抛物面反射聚焦方式可以消除球差的影响,得到高质量的聚焦光斑。但是抛物面反射镜是最难调整的反射镜系统之一,对光轴失准的敏感度极高。细微的失准引发的像散将大大降低焦斑的光强。为了深化对其的认识,通过几何光学和物理光学的方法,对离轴90°抛物面镜应用于激光聚焦光路时,光轴的角度失准对聚焦光斑造成的影响进行分析。结果表明,细微的角度失准将导致焦斑面积大大增加,从而大大降低了焦斑的光强。并通过二阶矩法证明了角度失准将导致抛物面镜焦平面附近产生一对互相垂直的焦线,同时证明了两焦线所处z平面与焦点F的绝对距离相等,并与入射偏角θ呈线性关系。焦线的存在使入射高斯光束转变为椭圆高斯光,降低了焦面处的峰值光强。抛物面镜对角度失准的敏感度非常高,几个mrad的失准角将导致焦面处的峰值光强下降一半。

光学测试中常用非零位法来对非球面进行初步检测。由于非零位法偏离了零位条件,导致检测得到的被测非球面面形与其真实面形存在一定程度的偏差(称之为回程误差)。分析了非球面非零位检测系统中的回程误差问题,得出了回程误差与被测非球面口径、相对口径以及非球面本身面形误差均紧密相关的结论。针对回程误差的表现形式,提出了有效校正回程误差的方法。计算机仿真及检测实验结果均表明,该方法可以较好地解决非球面非零位检测中的回程误差问题。针对非球面非零位检测中回程误差问题所做的分析以及提出的相应校正方法,有利于非球面非零位法检测精度的提高和系统的广泛应用。

基于角度散斑相关原理开展了对喷砂表面粗糙度样块的粗糙度测量实验研究。通过对散斑图像数据的处理和分析,提出了求取角度散斑相关系数最大值的滑动相关算法。该算法能有效克服表面不平度、波度等因素的不利影响。从最佳测量条件出发,提出了最佳入射角增量的概念,并在此基础上形成了包括散斑图像采集过程和图像数据处理方法在内的一整套表面粗糙度测量方法。该测量方法的核心是对被测表面的多个激光照明区域和多个激光入射角下的远场散斑图像的采集及数据处理。实验结果表明,应用本测量方法得到的轮廓均方根偏差最佳估计值σp与表面样品给定的轮廓算术平均偏差Ra成很好的线性关系。

针对两个物体或平面的相对位移和间隙的纳米级变化量,提出并研究了一种光栅测量方法。采用两组周期接近的微光栅重叠可以产生一组周期分布的条纹,条纹的周期相对于两光栅周期被大幅度放大,并将光栅间的位移反应在条纹的相位信息中。建立了关于双光栅产生叠栅条纹的复振幅分布的近似理论模型。基于该模型设计了一种能够测量两个平行平面相对位移和间隙的方法。针对光栅移动产生相应条纹的过程进行了数值计算。结果表明,两个平行平面的相对微位移将引起相应条纹的大位移,并且该方法最终能在纳米级以内分辨两平面(物体)的相对位移或者间隙变化量。

对金属表面热红外偏振特性的模型进行了研究,在建模中不仅考虑了金属表面的统计特性,也考虑了特别粗糙的金属表面存在的遮蔽效应问题。通过计算机模拟出不同表面粗糙度的金属板热红外偏振度和金属表面热红外辐射角之间的关系曲线,并和实验获得的结果进行了对比。对于表面粗糙度为1.6 μm的较为光滑的金属表面,模拟的结果基本吻合了实验中获得的数据。对于表面粗糙度为6.8 μm的较为粗糙的金属表面,仿真出的结果和实验中获得的数据相差较大。但在考虑了遮蔽效应后,模型模拟的结果得到了很大的改善。通过对模型的研究,分析确定了对金属板表面热红外偏振度影响的主要因素。

为满足运动鞋制造业中个性化的需求, 建立了基于光切法进行三维形貌测量的鞋楦定制专家系统。提出了参数化的标准鞋楦模型数据库,采用最小二乘拟合逼近方法将鞋楦点云数据表示为NURBS曲线从而建立该数据库。提出了根据脚型特征端点对脚型分段的方法。以制鞋经验公式与国家标准为依据,在足印点轮廓区规定出初始分段,然后以产生式的表达规则建立分段鞋楦舒适度经验知识库。将标准鞋楦模型数据库、经验知识库结合推理机制,建立起运动鞋楦定制的专家系统概念,并利用该概念建立起针对运动鞋楦的专家系统,对特定脚型进行了运动鞋楦的定制,此类专家系统可推广至各类鞋楦。

超低损耗光学镜片(超镜)是构建高品质光学腔和进行许多光学测量的重要器件,对损耗在百万分之一水平的高质量镜片的测量是一个重要的课题。通过在扫描腔长的情况下调节腔的起振模式,然后在腔的TEM00模式附近扫描激光频率实现了注入激光和腔的TEM00模的有效匹配; 以迟滞比较电路触发下的光开关控制注入光场的方式获得了连续激光光腔衰荡信号; 实验中完成了同一批损耗在10-6量级的超高反射率镜片的批量测量．实测最高反射率镜片的反射率为(99.99914±0.00004)%,测量精度优于10-6．结果表明对于同一批相同工艺生产以及相同存储环境存放的超镜,其损耗也存在较大差异。

为了解决分布式光纤油气管道泄漏检测及预警系统中常出现粗大定位误差的问题,需要提高定位精度,在分析系统的检测定位原理的基础上,基于单模光纤的双折射特性等效琼斯矩阵,建立了油气管道光纤预警系统的光学偏振模型,并对模型进行了仿真。指出信号关联的二义性即两传感器获得同一振动源的波形不相关的现象,是造成粗大定位误差的原因。根据该理论模型,提出了利用外加偏振控制器改变激光偏振方向的解决方法,定位实验证明该方法较好地解决了上述问题,提高了现场实验的定位精度。该模型的建立,为预警系统光路的改进和调节提供了理论指导。

在波长调制法的光谱吸收型气体传感器设计中,通常采用二次谐波检测技术。然而含有气体体积分数信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响了二次谐波信号测量结果。采用双光路相位保持设计来解决这一问题,设计包括移相电路和双光路两部分,移相电路由数字电路组成,调整方便,用来消除电路本身固有延时; 光路部分通过增加一路不经气室吸收的参考光路,同检测光路组成双光路,保证无论光纤长度如何变化,被测信号和参考信号相位始终相同。在波长调制的基础上引入双光路相位保持设计后,随被测信号相位0～90°变化,测量结果误差值低于±10%。这种设计提高了系统检测结果的稳定性,实现了恶劣环境中,任意距离任何位置的气体体积分数检测。

Stoilov算法是近几年提出的一种相移量任意的等步长相移算法,它无须知道相移量的大小,只要保证相移步长相等,就可以解算出物体表面的截断相位,因而在三维测量领域中倍受人们关注。但Stoilov算法的表达式过分依赖采集的变形条纹图像的光强,存在对光强的减法、除法和开方等运算,使相位计算时在某些位置会出现分子分母为零,开方出现复数等奇异现象,会导致算法算错或者相位展开出错,致使三维重构表面会出现畸变、失真,甚至无法进行三维重构。因此提出了一种基于统计逼近的方法对Stoilov算法进行修正,有效抑制了奇异现象引入的相位误差,提高了三维测量精度。实验验证了其算法的有效性和适用性。

采用光纤耦合半导体激光抽运,实现了Cr4+∶Nd3+∶YAG自锁模自调Q激光器1.06 μm 激光输出。当抽运功率超过阈值2.83 W时,激光器便运转在调Q锁模状态,其锁模调制深度达到80%以上。当抽运功率最大为5.72 W时,平均输出功率为233 mW,相应调Q包络的单脉冲能量为16.5 μJ,调Q包络的脉冲宽度大约为120 ns。调Q包络中锁模脉冲之间的间隔为2.8 ns,这与光子在谐振腔内的往返时间相一致,对应的重复率为357 MHz,锁模脉冲宽度估计为560 ps。利用双曲正割函数,考虑腔内光子数密度的空间高斯分布、增益介质的受激辐射寿命和饱和吸收体的激发态寿命对激光特性的影响,建立了描述Cr4+∶Nd3+∶YAG晶体自调Q自锁模动力学过程的速率方程组。数值求解该方程组,与实验结果符合较好。

采用飞秒激光辐照硅和硅锗样品,用扫描电子显微镜(SEM)观察样品,发现样品上产生了某些低维结构。用飞秒激光作用产生等离子体相干驻波对硅和硅锗表面的融蚀模型来解释低维结构的形成机制,发现硅的表面周期约为400 nm的光栅结构在波长719 nm处有较强的光致荧光(PL)峰。该光致荧光的发光强度较小,其机制可从激光的脉宽和重复率两个方面来分析。当激光辐照的能量明显超过硅的融蚀阈值时,光栅形状消失,另一种锥状结构开始形成。控制加工条件,可以获得用于衍射和微分束的纳米光栅。

建立了一套以分布反馈式(DFB)激光器为光源的高灵敏度连续波腔衰荡光谱测量系统, 该系统利用DFB激光器的电流调谐特点使激光在衰荡腔内谐振, 利用其电流调制的特点实现入射光的关断, 进行衰荡测量。对标准具效应消除前后的系统进行了测试, 结果表明, 前后系统等噪声探测灵敏度分别为2.56×10-7 cm-1和1.27×10-8 cm-1。以衰荡腔的纵模间隔为扫描步长对6591.43 cm-1处N2O的氮气加宽线宽系数进行了测量, 测量结果分别为0.0819 cm-1和0.0808 cm-1, 对测量结果与HITRAN2004数据库中参数间的差别进行了讨论。

利用800 nm波长的飞秒抽运探测技术测量了具有不同单晶硅薄膜厚度的绝缘衬底上硅(SOI)皮秒瞬态反射率变化,并通过基于受激载流子密度和温度变化过程建立的反射率模型讨论了SOI表面载流子的超快动力学过程。研究表明,表面复合速度(SRV)是影响载流子动力学响应的主要因素,且薄膜厚度越小表面复合速度就越大,对应的表面态密度可达到1015 cm-2。对于较小的SRV,受激载流子的超快响应决定了瞬态反射率变化; 而对于较大的SRV,晶格温升对瞬态反射率变化的贡献变得显著,使得反射率在更短的时间内恢复并超过初始值。

针对神光Ⅱ第九路激光装置三倍频达标实验中出现的大口径融石英玻璃的破坏现象,分析产生的原因和机制,确定了是由横向受激布里渊散射(TSBS)造成的,并采用了有效抑制TSBS的方案。理论上建立了大口径融石英玻璃中横向受激布里渊散射的增益模型,利用该模型计算了高功率激光系统中融石英取样镜的破坏阈值。实验结果和理论计算均得到310 mm口径窄带激光能量达到2～3 kJ时融石英玻璃将产生破坏。

室温工作的连续可调谐相干光源在痕量气体检测技术中有着重要应用价值,光学非线性变换是获得室温运转中红外相干光源的有效途径,是对传统激光技术的有效补充。研究了基于准相位匹配原理的差频激光系统的温度和信号光波长调谐特性,从准相位匹配技术的一般位相匹配关系出发,推导了PPLN晶体差频准相位匹配的温度和信号光波长匹配带宽解析表达式; 建立了基于PPLN晶体准相位匹配原理的宽调谐差频中红外激光系统,实现了3.2～3.7 μm中红外相干光输出,最大输出功率约为1 μW; 对系统温度和信号光波长调谐特性进行实验研究,并与理论结果进行了比较和分析。

研究了在不同偏振态干涉Ar+激光作用下,一种偶氮无定形分子玻璃膜表面形成起伏光栅的特性。实验采用p+p,p+s,RCP+LCP三种干涉激光偏振态,利用实时光栅衍射效率测定和原子力显微镜观察等方法,考察了偶氮无定形分子玻璃(IAC-4)膜表面起伏光栅的形成速率和起伏深度。实验发现,当IAC-4形成表面起伏光栅时,其衍射效率增加速度和表面起伏光栅的深度为RCP+LCP>p+s>p+p。在RCP+LCP干涉激光照射下,IAC-4能够极快地形成表面起伏光栅; 而用p+p干涉激光照射,则效率最低。在单束激光强度为58 mW/cm2的RCP+LCP偏振态干涉激光照射下,经过80 s～ 2 min,一级衍射效率即可达62%并接近饱和,光栅起伏深度达到734 nm。而在同样强度的p+p, p+s偏振态干涉激光照射下,一级衍射效率和光栅起伏深度分别为3.1%,23 nm和9.3%,120 nm。采用p+s偏振干涉激光时,得到的光栅周期为干涉光场周期的一半。上述实验结果表明,偶氮无定形分子玻璃(IAC-4)材料可很好地用于表面起伏光栅制备,但刻写效果则取决于干涉激光的偏振态。

利用Kirchhoff-Fraunhofer衍射积分原理研究了实验中观察到的C60掺杂垂直排列向列相液晶(5CB)液晶薄膜的远场衍射图样。模拟计算结果表明：实验中观察到的衍射圆环是不同实验参数的结果,并给出了确定衍射圆环结构的主要参数C1和C2。当C1和C2的符号相同时,远场会出现中心强度最大,向外逐渐减弱,分布尺度较小的细衍射环; 当C1和C2的符号相反时,远场会出现中央较暗,向外逐渐增强,分布尺度较大的粗衍射环。衍射圆环的产生可由高斯光束通过非线性样品是引起附加相位的自相位调制现象来解释。将使液晶材料应用于光限幅等光子学领域。

实验研究了偏振与非偏振激光对亚心形扁藻的促长作用、叶绿素含量以及色素粗提物吸收光谱等生物学效应的影响。采用488 nm,70 mW输出功率的氩激光,辐照亚心形扁藻,隔天取样进行细胞计数,培养至第6天提取叶绿素,测量叶绿素含量并扫描叶绿素的吸收光谱。实验结果表明,偏振激光与非偏振激光辐照对藻细胞密度、生长速率的促长作用区别不显著; 偏振性与否对叶绿素含量的累积没有明显的区别; 激光偏振性对色素粗提物的吸收光谱没有影响。激光偏振性与否均可对亚心形扁藻的生物效应产生有效的作用,激光偏振性与激光生物效应关系的研究有待于进一步深入。

飞秒激光在空气中形成的等离子体细丝会辐射出太赫兹(THz)信号。实验利用1 mJ,800 nm, 50 fs的飞秒激光脉冲产生等离子体细丝。应用光电取样方法探测了激光成丝现象中前向辐射的THz脉冲,得到了持续时间为0.1 ps、光谱峰值在1 THz左右的单周期THz脉冲。转动抽运光的偏振态,分析了电光取样信号的变化。通过比较实验数据和计算结果,证明了成丝辐射THz脉冲的偏振态为椭圆偏振态。

将Bepalov-Talanov理论拓展为发散光束在增益介质中的情形,研究了介质小信号增益和饱和增益情况下小尺度扰动的自聚焦特性。在小信号增益情形下,对于确定的输入功率,不同的光束初始曲率半径,小尺度调制增长的临界频率、最快增长频率及其对应的最大增益随介质小信号增益或传输距离的变化有不同的变化性质。光束初始曲率半径表征着光束衍射发散的程度,它的减小在一定程度上能够使小尺度调制的最快增长频率和最大增益减小。小信号增益情形下,对于确定的输出功率,增加介质小信号增益,扰动的最大增益会随之减小,而最快增长频率相应向低频方向移动。相比于小信号增益情形,饱和增益介质情形下小尺度调制增长的最快增长频率及最大增益较小。在不同的系统设计中,需权衡放大器增益及光束参数,选择合适的系统参数及光束控制装置进行实际应用。

基于数字微反镜(DMD)的无掩模数字光刻系统可用于IC掩模制作或直接作为微结构的加工工具, 有着广泛的应用前景。但理论和实验均发现基于DMD数字光刻系统加工连续表面微结构元件时, 往往难以获得预期的图形轮廓, 加工出的图形表面具有规则的振荡起伏。在深入探讨DMD灰度图形传递的基础上, 分析了空间像畸变产生的物理机制, 并提出用模拟退火算法来优化掩模图形, 在5％的相对曝光量偏差范围内模拟表明优化有效地消除了表面起伏, 最后利用优化的掩模实验加工出表面轮廓比较良好的轴锥镜阵列。该方法能有效改善面形质量,而且不存在掩模制作等问题, 这对于制作高质量的微结构元件有重要意义。

阐述了硅基微光学陀螺(MORG)结构中瑞利背向散射噪声的产生机理,并创建了硅基微光学陀螺光路的静态与动态理论模型,公式化地描述了硅基二氧化硅谐振腔中的该噪声特性,并通过软件算法仿真综合分析了硅基微光学谐振式陀螺中瑞利背向散射噪声与主信号强度之间的关系,以及其与反向光信号的干涉信号对主信号的影响。分析了瑞利背向散射噪声信号对谐振腔性能的影响,定量分析了此噪声对谐振腔清晰度、陀螺极限灵敏度的影响。提出了抑制系统中该噪声的方案,并搭建实验装置,利用提出的解决方案对系统进行了优化,实验验证了理论分析的结果。

采用有限体积数值模拟、瞬态热阻测试方法以及热沉温度-峰值波长变化的关系,对三种散热基板上大功率AlGaInP 红光发光二极管(LED)进行热特性分析。三种LED采用相同型号、规格,散热基板,区别在于散热通道以及材料。测量样品的瞬态温度响应曲线,基于结构函数理论模型对温度响应曲线进行数学处理,得出包含热阻与热容的结构函数,区分出样品内部热流通道上各个区域的热阻与热容,进而发现散热瓶颈区域。测试样品在不同热沉温度下的电致发光光谱,通过热沉温度-峰值波长系数为区别样品散热性能提供定性判断依据。通过模拟与测试结果比较,为优化陶瓷基板内部散热结构,设计最佳的散热模型提供重要参考依据。

为得到空间光学元件超光滑表面,对超精密气囊抛光方法的去除特性进行了理论和实验研究。以Preston方程为基础,应用运动学原理建立了气囊抛光“进动”运动的材料去除模型,针对抛光气囊工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修正; 利用计算机仿真的方法,分析了几个主要工艺参数对“进动”抛光运动去除特性的影响规律,并在超精密光学数控抛光机上进行了正交实验; 仿真和实验结果吻合较好,总结得到4点气囊抛光方法中重要的结论,给出了“进动”角与压缩量的取值范围,以此得到了面型精度RMS值为0.024 λ(λ＝0.6328 μm)的超光滑表面,为开展光学元件气囊抛光工艺研究提供依据。

针对二维光子晶体在光束调整和光束偏转中的应用,采用平面波展开法、二维有限时域差分法和完全匹配层吸收边界条件,从理论上研究了二维方形光子晶体结构中TM模式的自准直现象。通过分析光子晶体的能带结构和等频图,基于二维光子晶体的自准直效应和光子带隙,对光波在二维光子晶体中的传播特性进行了讨论。数值计算表明,通过在合适的方向引入不同的线缺陷,可以实现自准直光束的1×2和1×3分束以及光束偏转。最后讨论了透射光束和偏转光束的能量随线缺陷半径的变化关系。所设计的器件极大地扩展了光子晶体在高密度光学集成电路中的应用。

提出了一种新颖的实现冷原子或冷分子囚禁的双层光阱方案,它由二元π相位板列阵和会聚透镜列阵所组成,用平面光波通过此光学系统时将在透镜焦平面两侧形成双层光阱。介绍了产生双层光阱的基本原理,分析了光阱光强分布、强度梯度等与光学系统参数间的关系,研究了双层光阱囚禁原子(或分子)的光学偶极势和自发散射速率(包括瑞利散射和拉曼散射)等。该方案不仅可用于多样品原子(或分子)的光学囚禁及全光型玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),而且可用于制备新颖的双层2D光学晶格。

基于一对Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)型算符的方差求积,利用柯西-施瓦兹不等式和海森伯不确定关系得到了多模连续变量系统的可分性条件,此条件不仅可以用来探测非高斯态,还可以探测相干态的情况。此外,通过对算符方差进行求和,得到了用来判断量子态是否纠缠的另外一个条件。并对推导出的两个可分性条件在算符j,j 分别取坐标算符,动量算符且n=2的情况下进行了对比讨论。结果表明,当所选的系数满足∑｜cjdj｜＞4时前一个不等式相对于后一个不等式探测更强。

用近红外可调谐分布反馈(DFB)半导体激光器作光源,用反射率为99.7％左右的平凹镜组成的稳定光学谐振腔作吸收池,建立了一套腔增强吸收光谱(CEAS)系统。根据系统工作时激光器与谐振腔的工作状态,将CEAS技术分为三类：控制波长法,控制腔长法及同时扫描波长和腔长法。以二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4) 为主要样品气体,用控制腔长法和控制波长法CEAS技术对CO2分子在1.573 μm附近的吸收光谱做了测量; 用扫描腔长和波长法CEAS技术对CH4气体在1.316 μm附近的吸收光谱做了测量; 考察了三种方法的探测灵敏度和在定量分析方面的能力。实验结果表明,CEAS技术是一种装置简单,操作方便,灵敏度高,稳定性好的定量吸收光谱技术,探测灵敏度达1.15×10-7 cm-1。

传统太赫兹光谱傅里叶分析法要求必须先测量出无样品时的THz信号作为参考信号,对测量环境要求高,提出了一种基于小波变换的太赫兹时域光谱信号处理方法,以简化太赫兹光谱测量的步骤。对空气中直接测得的样品光谱信号进行去噪预处理,然后利用Coiflets正交小波基进行多尺度下的小波分解,进而计算出各样品不同尺度下的小波多分辨信息熵,得到表征样品的特征信息。实验结果表明,在太赫兹频段,不同样品的小波多分辨信息熵值差异显著,同一样品则保持稳定; 不同湿度下光谱信号的小波熵值重复性好,平均偏差小于0.05。

针对单一分形维数在高光谱数据处理中的不足,提出了一种基于多重分形谱的光谱信号奇异性特征提取方法,引入多重分形谱表征光谱曲线的奇异性特征。该方法根据分形测度将光谱曲线进行划分,用光谱概率测度计算配分函数,通过尺度指数的Legendre变换实现光谱曲线多重分形谱的提取,根据各类地物间的类别可分性准则Bhattacharyya距离选择有效特征,最后利用地物分类实验来验证该方法的有效性。实验结果表明,多重分形谱用于分类时分类精度达95.2%,当其维数为原数据波段数的10%时,总体分类精度仍可达82.2%。多重分形谱表征了具有相同奇异性的波段子集的分形维数,准确的描述了光谱曲线的奇异性和分布特点,该方法能够有效地实现高光谱数据的特征提取。

提出将均质多层膜系设计中的缓冲层概念引入到反射导模共振(GMR)滤光片的设计中,通过严格的耦合波理论精确计算,研究了加入缓冲层对改善导模共振滤光片反射峰边带截止深度及截止宽度的作用。双层导模共振滤光片结构中,入射光为TE偏振光时,设计增加97.5 nm缓冲层后,能够明显地展宽反射光谱范围。由原来的192.4 nm展宽到345.6 nm,并且在650～1250 nm波长范围内的边带截止度均比不含缓冲层结构的要深。入射光为TM偏振光,以类似TE结构的滤光片在布儒斯特角入射时,在700～1300 nm波长范围内,较不含缓冲层的结构,也能够获得更宽的截止带反射光谱和更深的截止度。在提出的膜系结构中,经过优化膜系、选择合适的光栅参数等,可以使反射光谱具有更好的截止特性,同时保证设计的共振峰位置不变。