双压电片变形反射镜作为波前校正器具有结构简单、变形量大、成本低及制造周期短的优点, 能代替传统分立式变形镜从而降低自适应光学系统的成本。为验证工艺的可行性和了解双压电片变形反射镜的性能, 制造了一块20单元的试验样镜。样镜采用了双层压电陶瓷的结构, 其中一层作整体离焦电极以校正大幅值的离焦像差。利用Veeco干涉仪测量了样镜单元电极影响函数, 分析了其对前36项Zernike像差的校正能力。结果表明, 样镜对离焦像差能获得高达8 μm以上的校正量, 对其它高阶像差也能适量校正, 但校正能力随空间频率升高而降低, 显示出其适合校正低阶像差的特性。此外, 讨论了不同有效孔径下样镜对Zernike像差的拟合能力。

为了准确利用远场得到近场相位分布, 提出了多帧相位反演算法。这是一种利用多个远场以实现传统Gerchberg-Saxton(G-S)算法的相位反演方法, 其中的新远场是通过叠加已知像差到待测像差后产生的。在此算法的基础上, 提出以变形镜面形来实现反演的方法, 并通过数值仿真和实验验证了这种基于变形镜面形的多帧G-S相位反演方法的可行性。仿真结果同时还表明, 采用4个变形镜面形产生相应的远场, 平均仅需50次的迭代便可反演出不同D/r0数值的大气像差, 这些反演的像差与其对应待测像差之间的差别的均方根值平均小于0.005 λ。

CS2气体对人类健康和大气循环有重要影响作用, 最近有研究表明：工业燃煤可能是城市大气中CS2的另一个重要来源。提出一种以太阳散射光作为光源的被动差分吸收光谱(passive DOAS)对点源排放气体进行遥测的方法; 介绍了其基本原理和测量系统; 讨论了CS2的光谱分析方法, 包括参考光谱的选择问题, 及降低Ring效应对光谱反演影响的方法等; 并利用该技术对电厂烟羽中CS2进行扫描测量, 成功反演出烟羽中CS2的柱浓度; 证实了燃煤可产生一定的CS2, 为城市大气中CS2污染源的研究提供直接、有利的依据。

研制了一套基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的开放式长光程甲烷(CH4)浓度实时监测系统, 系统采用波长调制和二次谐波探测相结合, 并利用光强归一化的方法消除光强波动对测量结果产生的影响, 实验证明采用消除光强波动的方法后使测量结果的误差小于2%。然后利用该系统在往返750 m的光程上, 对合肥市董铺岛进行了为期1周的大气CH4浓度测量, 测量结果表明董铺岛CH4浓度有明显的日变化趋势, 白天浓度低, 夜间浓度高, 日平均浓度(1.8～3.4)×10-6, 日最小值(1.8～2.2)×10-6, 日最大值(3.0～3.4)×10-6。通过分析, 可实现1～2 km范围的空气中CH4浓度的实时在线监测, 为生态系统的区域排放通量监测提供了有效的方法, 也为卫星遥感提供了可行的地面校准方法。

对带有完美匹配层(PML)的光波导, 通过W. K. B.方法, 得到了关于波的模式的近似非线性方程。通过对该非线性方程进行渐近分析,得到了完美匹配层对波的各种模式的影响, 推导出泄漏模的渐近解和Berenger模的渐近解。理论结果表明, 对于光波导的横电(TE)模, 泄漏模的渐近解和开放的波导是相同的,而对于横磁(TM)模, 泄漏模的渐近解和开波导会有所不同; 当上下包层的折射率不同时, Berenger模的轨迹会有两条, 而折射率相同时Berenger模的轨迹只有一条。数值模拟表明, 泄漏模及Berenger模的渐近解在其精确解附近, 且随着模的增大, 误差越来越小。

针对成品相移光栅反射谱中透射窗口位置的不可调谐性, 提出了一种由单模光纤谐振环和普通布拉格光栅组成的新型器件。利用信号流程图的方法, 详细分析了该器件的工作原理, 给出了该器件的反射输出表达式, 并推导了该器件的精细度和半峰全宽的表达式, 利用Matlab进行了数值模拟。结果发现光栅辅助的光纤谐振环的反射谱具有相移光栅反射谱的特点, 并且该器件反射谱中透射窗口的深度和位置还具有可调谐性。最后, 分析了光纤谐振环参数对该器件反射谱的半峰全宽和精细度的影响, 为进一步提高该器件作为窄线宽单频光纤激光器选频元件的性能提供了理论依据。

G.657光纤具有优异的弯曲损耗不敏感性能, 被认为是诸如光纤到户(FTTH)等局域网和接入网系统的首选产品, 因此, 该光纤的研究倍受重视。提出了一种采用全合成工艺制造G.657光纤的方法, 详细探讨了芯层和第一包层区的厚度(a、b)及其折射率差(Δ1、Δ2)与光纤性能之间的关系。研究表明, 当a的取值在3.5～4.0 μm之间, b的取值在0.5～1.9 μm之间, Δ1的取值在0.0034～0.0045之间, Δ2的取值在-0.0006～0之间时, 可制得满足ITU.T G.657.A标准的光纤; 当a的取值在2.8～3.2 μm 之间, b的取值在0.8～2.1 μm之间, Δ1的取值在0.0058～0.0072之间, Δ2的取值在-0.0016～-0.0008之间, 可制得满足ITU.T G.657.B标准的光纤。且该光纤在结构上相对简单, 无特殊设计的沟、槽、孔, 因此制作工艺相对容易、稳定, 易于推广和应用。

从非线性薛定谔方程出发, 采用变分法, 导出了色散缓变光纤中超高斯脉冲参数随传输距离的演化方程组及其解, 讨论了初始啁啾对色散缓变光纤中超高斯脉冲传输特性的影响。求出了振幅与脉宽、频率与啁啾、脉宽与啁啾之间的三个解析约束关系,得出了脉宽随传输距离演化的解析解, 用龙格-库塔法进行数值求解描绘了初始啁啾和脉冲前后沿锐度对呈指数变化的色散缓变光纤中超高斯脉冲的脉宽的影响。结果表明：初始啁啾、色散缓变和脉冲前后沿锐度对超高斯脉冲的振幅、脉宽、啁啾和相位有直接影响, 脉冲前后沿锐度对超高斯脉冲中心位置没有影响, 超高斯脉冲传输过程中会产生啁啾, 但脉冲中心的等效频率保持为常数。

理论分析和数值模拟计算了不同温度和不同体积密度下磁性液体的折射系数和消光系数, 以及浸没在磁性液体中光纤端面处的反射率, 得到了体积密度和外加磁场强度对磁性液体的折射系数和消光系数的作用比较大, 而温度对折射系数和消光系数的影响不大。实验制作了光纤端面浸没在磁性液体中的传感元件, 设计了测量光路系统, 得到了反射率随外加磁场强度变化的情况, 与理论分析结果相吻合。由理论和实验可知, 磁性液体的消光系数不仅跟体积密度和温度有关, 还与外加磁场强度有关, 对光纤端面处的反射率有一定的影响。

利用时谐电磁场和波导理论, 推导出锥形空心金属波导中球横电模和球横磁模各电磁场分量的解析表达式, 对输出孔径是亚波长尺寸的锥形空心金属波导内球横电模和球横磁模的传输特性及与锥形空心金属波导内光透射率有关的时间平均能量密度分布进行了详细的分析。运用数值求解获得的精确本征值, 进一步讨论了光波波长、锥形波导的长度、输出孔径以及锥角对锥形空心金属波导内时间平均能量密度分布的影响。研究结果表明, 时间平均能量密度分布在锥形金属波导内呈现准周期性变化, 且周期与传输模式、锥角及光波波长有关。并且, 在传输径向坐标上会出现一个最大值, 最大值的位置随光波波长、锥角发生强烈的变化。

Contourlet变换应用于图像复原时容易引入伪吉布斯现象。非下采样Contourlet变换(NSCT)具有平移不变性, 能够克服伪吉布斯现象, 但是由于基于学习的超分辨率复原需要建立不同分辨率的关系, 而NSCT变换的结果是每一层图像大小都一样, 不能像拉普拉斯金字塔那样建立高低分辨率图像的对应关系及运算量较大。针对这些问题, 提出了基于改进的非下采样Contourlet变换(INSCT)的超分辨率复原算法。为了表示人脸特征, 算法首先建立了INSCT金字塔。然后针对人脸的特殊性, 在匹配过程中, 采用对应点进行匹配的方法。实验表明该算法具有较好的性能, 复原出的超分辨率人脸图像无论在主观视觉效果上还是在客观评价指标上都取得较好的结果, 复原的图像具有更好的视觉效果, 更逼真, 更接近于原始高分辨率图像。

提出一种将小波融合和基于伪彩色融合图像的C均值聚类用于图像色彩传递算法中的彩色夜视方法。在色彩传递前将可见光和红外图像进行小波融合得到灰度融合图像作为目标图像, 保持了较好的纹理信息和目标信息; 再对彩色源图像进行基于连接相对熵的彩色阈值分割; 然后针对灰度融合图像的特点, 根据一种基于伪彩色融合图像的C均值聚类方法, 将伪彩色融合图像的彩色信息作为特征向量应用在夜视图像的分类当中, 得到较好的分类效果, 并基于此分类结果再进行色彩传递, 得到更为自然的彩色夜视图像。实现了对夜视图像的自动色彩传递, 得到的图像色彩较真实, 纹理清晰, 将有利于人眼的目标识别。

基于旋转二维发光二极管(LED)阵列的体三维显示系统中, 原始数据被体素化后产生灰度偏差。介绍了在扫描映射法下用几何近似法计算体素点灰度偏差。建立两组立方体模型, 通过计算它们体素化后的平均灰度偏差和灰度均方差, 分析灰度偏差对显示结果的影响。结果表明图像的灰度细节越丰富, 灰度偏差对显示结果的影响越大。一般情况下灰度偏差对显示图像的影响不大, 但当所显示的图像细节十分丰富时, 可能会因灰度偏差引起较严重的失真。除了通过改善硬件条件可减小偏差外, 还可通过优化体素化算法, 在一定程度上修正灰度偏差。给出偏差修正前后的模型仿真对照图以及实际显示的图像照片, 修正后的仿真图中少了因偏差引起的杂散点。

一般多重网格算法求解光强度传播方程是从精细网格层开始计算, 精细网格层的初值选择影响算法的收敛速度和求解精度。提出了一种完全多重网格方法求解光强度传播方程的相位恢复方法。基于限制法将最细网格上的方程转化为最粗网格上的方程, 求解该方程得到最粗网格上的解; 然后对此解用延拓法得到上一层细网格上的解, 以得到的解作为此层网格上的初解, 利用Ⅴ循环解此层上的方程, 得到此层网格的精确解。依次, 直到得到最细网格上的精确解。模拟相位恢复实验结果表明, 本文方法具有较快的收敛速度, 能够恢复复杂相位分布。

为实现铟钢尺刻线分划误差的自动检测, 研制了一套基于图像处理的铟钢尺自动检测系统。待测刻线经光学显微系统成像, 由数字CCD摄像头采集并传输到计算机中, 利用数字图像处理技术对刻线的边缘进行提取, 结合双频激光测距仪的读数, 自动判读出刻线中线相对于起测分划的位置坐标, 计算出刻线分划误差。由测量重复性引起的不确定度为0.79 μm, 总的展伸不确定度为3.9 μm, 优于国家标准中规定的6 μm。整套系统集光、机、电、算于一体, 操作简便, 测量精度高。

提出了一种新的基于Contourlet变换域的自适应量化索引调制数字图像水印算法。原始二值水印经过扩展置乱、降维和伪随机序列加密, 嵌入到宿主图像经Contourlet变换后的低通子带系数中。根据低通子带能量分布特性, 对分块低通子带的最大奇异值采用自适应量化索引调制, 实现水印嵌入。实验结果表明, 该水印算法不仅对嵌入的水印具有良好地视觉保真度, 而且对JPEG压缩、低通滤波、加性噪声、重采样、剪切等多种攻击具有很强的稳健性。同时采用量化嵌入策略, 水印提取时不需要宿主图像, 即可实现水印图像盲提取。

以各向异性扩散模型为基础, 分析了现有扩散消噪算法在处理斑点噪声时性能不稳定和计算复杂的不足, 提出了一种新的扩散方向估计算法：利用四个方向带状区域灰度的方差值作为图像的局部方向测度, 引入常规与对角积分图实现方差的快速计算, 每个像素点的扩散量由邻域八像素与该点的差值以及相应的方向权系数决定, 给出了相应的扩散函数及其计算方法。实验表明该方法适应能力强, 在消除噪声同时很好地保护了纹理细节, 而且迭代次数少, 运算速度快。

针对复杂天空背景条件下低信噪比的红外弱小目标跟踪问题, 设计了一种多目标跟踪系统。首先计算红外图像的光流场, 结合阈值分割和形态学滤波等数学方法检测出目标; 在该结果的基础上, 结合目标运动的连续性, 运用邻域轨迹预测的方法滤除检测过程中产生的噪声; 随后运用卡尔曼滤波轨迹预测的方法解决在跟踪过程中目标丢失的问题, 并解决当多目标轨迹出现交联时如何辨识出各个目标轨迹的问题。该系统充分运用了目标的运动特性避免了噪声的干扰和目标轨迹混淆。使用长波红外热像仪采集的红外序列图像对系统进行了验证, 实验结果及相应理论分析表明该系统可有效实现复杂背景下的红外弱小目标跟踪。

4f相位相干成像技术是测量三阶光学非线性的一种新方法。在4f 相位相干成像系统中的相位光阑一直都是用具有一致相位延迟的相位物体, 这种相位光阑只能产生单一的相衬信号。应用正负相位物体可以提高4f相位相干成像系统测量灵敏度。为了使含正负相位物体的4f 相位相干成像系统的灵敏度进一步得到提高, 理论分析了正负相位物体的半径和相移的大小对4f相位相干成像系统灵敏度的影响。结果表明系统的灵敏度随着相位物体半径与小孔半径的比值的减小而增大。当相位物体的大小一定时, 在相移为0.43π的地方系统的灵敏度达到最大值。

为实现大空间复杂工件的准确测量, 精确校准立体视觉系统变得越来越重要。提出了一种利用光学参考棒, 基于单位四元数法的灵活、有效的立体视觉测量系统现场校准技术。该方法以光学参考棒为校准靶标, 以参考棒上的三个共线的距离已知的红外LED作为特征点, 通过在测量范围内不同位置对光学参考棒上特征点成像, 灵活、有效地实现两摄像机之间的外参校准。参数校准过程中, 自动地控制光强, 优化曝光时间, 从而使得不同位置处光点图像的强度一致, 并且可以获得高的信噪比, 提高校准精度。实验结果表明该方法具有相当高的在线校准精度, 在实际应用中能获得很好的效果, 最大测量误差为0.15 mm, 最大标准差为0.11 mm。

可见光/近红外光电成像系统的作用距离预测是实际系统总体设计的重要环节。为了使系统的预测及性能评价更准确, 研究了光电成像系统对扩展源目标的作用距离预测方法, 给出了最小可分辨对比度(MRC)的定义及其测量方法, 提出了基于MRC的作用距离模型; 通过结合实际系统分析, 讨论了模型的计算过程及其特点。由于综合考虑了目标与背景特性、环境路径和大气特性、光电成像系统特性以及人眼视觉特性等因素, 提出的作用距离预测方法较传统基于瞬时视场(IFOV)的极限分辨角方法更为合理科学, 可有效地进行陆上、海上以及航空航天遥感等可见光/近红外光电成像系统的性能评价。

提出了新型的确定超短激光脉冲啁啾方向的方法, 采用对二次干涉自相关(IAC)中的基频信号求一阶导数,得到干涉自相关导数谱图(D-IAC),利用该导数谱图对啁啾方向有很高灵敏度的特性,通过对高斯型强度分布的线性啁啾、平方啁啾及立方啁啾脉冲进行数值计算与模拟, 得到导数谱图的峰与谷分别对应啁啾的负与正。找到了判定啁啾正负的方向因子, 即正弦函数因子, 并通过实验证实用干涉自相关导数谱图可明确超短激光脉冲啁啾方向, 且干涉自相关导数谱图能用于超短激光脉冲啁啾方向的检测。

提出了两种在相位轮廓术中使用离散小波变换提取条纹相位的方法：单次分解法和多次分解法。前者用多分辨率分析的多孔算法计算变形条纹解析信号的离散小波变换, 寻找每一位置的小波系数在尺度方向上的模极大值点, 通过提取该点的相位就可以得到原条纹的相位值; 后者是在前者的基础上, 通过插值改变条纹信号的抽样率, 再次进行多分辨率分析, 得到冗余的小波系数, 提取条纹相位。单次分解法适合处理正弦载频条纹图, 多次分解法抗噪性好, 可以处理带有高次谐波的准正弦载频条纹图。相对于使用连续小波变换的方法, 这两种方法较适合处理离散信号, 对于512 pixel×512 pixel的条纹图计算速度分别提高90%和50%。计算机模拟和实验验证了方法的有效性。

提出一种基于相位追踪和光线追迹算法测量水中物体三维形貌的新方法。该方法利用正弦面结构光来记录物体的三维面形数据, 首先由投影仪投出正弦条纹图来调制淹没于水中物体的三维信息, 摄像机拍摄获得物体表面的变形条纹图, 然后利用相位追踪算法确定投影条纹和变形条纹之间的对应点, 最后对相应的匹配点对进行光线追迹计算后, 可以恢复出物体的三维形貌。由于使用面结构光进行测量, 无需移动装置来实现对物体的一维或二维全场扫描, 这样既节约了经济成本又缩短了测量时间。利用该方法进行了实际测量, 得到了较好的重建结果, 证明了本方法的正确性和可行性.

利用焦距为300 mm和1500 mm的透镜对纳秒激光束进行聚焦, 产生了在空间发散度上具有较大差别的两激光束, 采用飞行时间质谱计分别测量了两光束诱导C60分子电离和碎裂时的离子产物分布随激光通量的变化特征。实验结果表明, 激光束的空间发散度越大, 轻碎片离子C+n(n＜25)的总产额、C60分子的碎裂程度以及延迟电离产额随激光通量的变化趋势就越快, 延迟电离成分占总电离成分的百分比就越高。该实验结果可用多光子吸收的内能分布理论给予合理解释。

为了获得更高功率的输出激光脉冲, 需要将注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。利用展宽器中啁啾脉冲的光谱具有空间排布的特点, 采用石英晶体平凸透镜空间光强度调制器间接地实现窄带激光脉冲的光谱整形, 在展宽器的输出端获得了光谱呈平顶分布的种子啁啾脉冲。通过调节偏振片的透偏方向, 可方便地调谐输出脉冲光谱的形状。

研究了超短脉冲圆极化激光场的一阶修正场, 通过数值计算, 探讨了入射电子的动力学特性, 发现了超短脉冲圆极化激光场中的加速现象。通过研究电子的动力学特性与脉宽的关系发现,近轴近似方程在利用1/ω归一化后, 脉宽τ0≤30时(ω为激光频率), 仍然适用; 而在脉宽τ0>30时, 近轴近似方程与一阶修正方程的计算结果出现偏离。在事例τ0=100和τ0=300中, 采用一阶修正场方程, 研究了电子束团的能量分布与空间分布的特征, 发现在脉宽τ0=300的情况下, 加速电子数目增多, 而且电子束能够发生汇集。

对原子蒸气激光法分离钆同位素中的光电离选择性进行了实验研究。分析了在偏振选择定则基础上分离钆奇数同位素的基本原理; 测量了电离路径中总角动量J=2→2→1→0变化时的光电离选择性; 观察了光的偏振状态改变时光电离选择性的变化, 通过控制光阑的大小观测到杂散光引起的光电离选择性降低; 进行了外磁场对光电离选择性的影响实验, 基本给出了磁场方向和大小对于光电离选择性的影响程度。在外磁场方向垂直于光束的偏振方向时, 很微弱的磁场就能引起光电离选择性的降低, 磁场大小在2×10-4 T时就看到了明显的选择性变化。当外磁场的方向平行光束的偏振方向时, 磁场对于选择性的影响就显得相对很小。

针对锆钛酸铅镧(PLZT)电光陶瓷在光调制器应用中存在工作电压偏高、场致滞后明显等不足, 以镧系镝(Dy)元素对锆钛酸铅镧(Pb0.88La0.12)(Zr0.4Ti0.6)0.96O3 [PLZT(12/40/60)]线性电光材料进行掺杂改性。采用热压技术研制镝掺杂锆钛酸铅镧[Pb0.88 (La1-xDyx)0.12](Zr0.40 Ti0.60)0.96O3］(PLDZT)(x=0.1～0.5)透明电光陶瓷。系统考察了PLDZT透明陶瓷的光学性能和电光特性及其与材料结构的相关性。研究表明, Dy掺杂导致材料晶格畸变, 微量Dy掺杂有效提高了PLZT(12/40/60)透明陶瓷的光学透过率, 并且使典型的线性电光材料呈现二次电光效应特征, 二次电光系数R约为5.59×10-16 m2/V2; 同时掺杂改性的PLDZT(x=0.1)透明陶瓷的驱动电压较未改性PLZT材料明显降低。

采用共聚焦显微技术中的双光子激发荧光方法获得DHL细胞中5-氨基酮戊酸(5-ALA)代谢原卟啉Ⅸ(PpⅨ)荧光图像。结合Rhodamine123、DioC6(3)和LysoTracker Green三种细胞器荧光探针的使用, 采用双标的标记方法观察DHL细胞中5-ALA代谢PpⅨ在DHL细胞的定位分布, 进而利用Matlab软件对获得的定位的融合荧光图像进行相关系数计算。通过Matlab软件编写程序对获得的定位图像进行边缘检测、提取和分割等处理, 计算获得的线粒体相关系数r=0.564; 内质网相关系数r=0.465; 溶酶体相关系数r=0.366; 可以认为5-ALA代谢PpⅨ在线粒体、内质网、溶酶体三种细胞器区域均有分布, 但PpⅨ在不同细胞器聚集程度存在比较大的差异, 经过3 h的孵育代谢PpⅨ主要积聚于线粒体, 而溶酶体中积聚的最少。研究表明双光子激发荧光可成为定性或定量研究DHL细胞中5-ALA代谢PpⅨ以及PpⅨ在细胞定位的重要方法。

激光参数,比如脉宽、照射能量、脉冲数目以及照射方式等在各个方面尤其是在生物医学应用中对生物组织的不同效应都起着重要作用。采用纳米金颗粒靶向细胞, 激光照射后细胞膜的通透性会发生改变。采用不同的激光光源和不同的照射方式(直接照射和扫描照射)、调整不同的激光参数照射细胞微粒结合体, 通过流式细胞仪测量细胞对异硫氰酸荧光素葡聚糖 (fluorescein isothiocyanate-Dextran, FITC-D) 和碘化丙啶 (propidium iodide PI) 的吸收量来判断细胞膜的暂时通透性和细胞的死亡率, 用以研究激光参数变化对细胞膜通透性的影响。采用传热模型对其机理进行了分析, 结果表明通过调整激光参数, 采用这种方法有可能进行基因转染。

为了快速准确地获取黄瓜叶片的含氮量和叶面积指数等生长信息, 提出了采用多光谱图像技术对黄瓜生长信息进行检测的新方法。利用标定板建立黄瓜叶片光谱反射率同图像灰度值之间的线性公式。通过多光谱相机对样本在绿光、红光和近红外三个通道的图像进行处理, 获得叶片样本在每一通道的灰度值, 然后根据标定板所建立的灰度值与反射率间的经验线性公式将对应的灰度值转为反射率值, 并由反射率值计算出黄瓜的植被指数。采用最小二乘-支持向量机(LS-SVM)建立植被指数同叶片含氮量以及叶面积指数间的拟合模型。结果表明植被指数同叶片含氮量和叶面积指数的拟合相关系数分别为0.8665和0.8553。表明植被指数与黄瓜的叶片含氮量和叶面积指数具有紧密的相关性, 也为快速采集黄瓜生长信息提供了一种新方法。

通过采用时域有限差分法和预估矫正法数值求解麦克斯韦-布洛赫方程, 研究了含时电离对分子材料4,4‘-二甲氨基二苯乙烯的动态双光子吸收截面的影响。研究结果表明, 对周期量级的飞秒脉冲, 介质发生的主要是一步共振双光子吸收, 入射光强较高时出现双光子吸收饱和现象, 入射光强小于双光子吸收饱和光强时介质的双光子吸收截面随入射光强的增大线性减小。在不同的传播距离处, 分子的双光子吸收截面有较大的差别, 因此, 在对不同的实验条件下测得的双光子吸收截面数值进行比较时, 需要考虑样品厚度对实验结果的影响。在同一传播距离处, 随光电离截面取值的增大介质的双光子吸收截面减小。利用飞秒脉冲测量分子的双光子吸收截面时, 通过数值模拟, 讨论了已有解析结果的适用条件。

石英晶体有着较大的温度膨胀系数, 因而温度变化会引起石英晶体制作器件的使用误差。为了减小这种误差, 研究了二元复合式补偿器相位延迟随温度的变化情况。结果表明, 温度变化越大, 波片级数越大, 补偿相位受到的影响也越大; 理论计算表明, 补偿相位在一定的温度范围内与起偏镜转动的角度成线性关系。实验结果与理论结果相一致。该研究结果对于复合补偿器在不同环境下的正确使用有一定的参考价值。

应用耦合模理论、电光调制理论、保角变换法和镜像法, 给出了分析聚合物定向耦合电光开关高频响应特性的功率传输矩阵新方法, 导出了输出功率、上升时间、下降时间、开关时间及截止开关频率的表达式。为了获得较低的传输损耗、较好的阻抗匹配、较小的开关电压以及较高的截止频率, 优化设计了器件的波导结构和电极结构。模拟结果表明, 所设计器件的开关电压为1.457 V, 耦合长度为4.374 mm, 开关时间为32.8 ps, 截止开关频率为114.7 GHz。与点匹配法的计算结果和实验结果的对比表明, 该理论分析方法具有较高的精度。

分析了980 nm波长的光在透过制作在金膜上的亚波长周期性孔阵时的透射增强现象。通过建立中心带缺陷孔的三角晶格的孔阵模型, 并采用三维时域有限差分方法对该模型的透射情况进行模拟分析。结果表明通过优化孔阵周期参数可以对特定波长的光实现一定程度的选择透过性。当孔阵周期为450 nm, 中心缺陷孔径为400 nm, 孔阵中单个孔孔径为150 nm时, 980 nm波长光透过该孔阵时具有明显的透射增强效应, 并且距孔阵表面3 μm的远场光斑尺寸被局限在亚波长尺度(880 nm)。研究了使用聚焦离子束在金膜上制备孔阵的工艺, 成功研制了与设计尺寸一致的孔阵。这种孔阵可以集成在980 nm垂直腔面发射激光器上, 用于改善器件的远场光学特性。

设计了一种改进的准光子晶体光纤, 其包层由呈准八重周期分布的空气孔构成, 其中靠近芯区的两层小空气孔的直径一致, 第三层以外的大空气孔直径一致。采用带有良匹配层(APML)吸收边界的全矢量频域有限差分(FDFD)方法对其色散特性进行了数值分析, 计算了孔间距取1.40～2.50 μm, 小空气孔直径取0.10～0.50 μm, 大空气孔直径取0.20 ～1.00 μm的条件下这种光纤基模的色散曲线。结果表明, 通过调节包层中两种不同尺寸的空气孔的大小以及孔间距这三个参数, 可以得到不同水平的平坦色散曲线。

利用二维光子晶体的自准直和定向耦合效应设计了一种由一个自准直区域、耦合区和两个周期性介质波导组成分束器, 利用平面波展开法从理论上研究了耦合区的色散关系, 计算得到了耦合长度, 同时使用时域有限差分方法模拟了电磁波在其中的传输特性, 得到了稳态的电场分布, 讨论了光波从自准直区域到光子晶体波导高效耦合的技术。结果表明：在相位匹配条件下, 从自准直区域传播到耦合区域的的电磁波可以有效的分束到两个周期性介质波导中, 同时能够弯曲任意角度, 而且透射率保持在90%以上。最后, 在设计的分束器基础上提出了一种增大点源和像点之间距离的方法。

利用自相似方法研究了强非局域介质中的二维孤子波, 得到了强非局域薛定谔方程的精确自相似解, 该解可以用惠克斯函数来描述。研究表明, 在该种介质中存在孤子群, 以自相似的方式传输, 通过选择光孤子参数, 高阶光孤子可以存在不同的形式, 如高斯光孤子族、涡旋光孤子族、对称性单层光孤子族和多层光孤子族、不对称单层光孤子族和多层光孤子族。通过数值模拟, 进一步证明孤子群在传输过程中的稳定性。

由衍射理论和干涉理论及其几何光学系统地研究几种不同轴棱锥的光传输特性。分别对传统轴棱锥、开诺全息型轴棱锥、椭圆轴棱锥和梯度轴棱锥的特性进行相关的模拟分析。结果表明, 开诺全息型轴棱锥可以得到传输距离更长的无衍射光束, 椭圆轴棱锥可以把斜入射光束转换成无衍射光束,而梯度轴棱锥可以把入射光束直接转换成应用更为广泛的空心光束。

研究了部分相干圆偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦特性。基于德拜矢量积分理论, 分别推导出了部分相干圆偏振涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦以后的光强和偏振度表达式。根据数值模拟的结果, 比较了左旋和右旋圆偏振涡旋光束的不同深聚焦特性以及相关参量对涡旋光束深聚焦特性的影响。研究表明,入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性。此外, 还得出一个重要结论, 部分相干圆偏振涡旋光束经高数值孔径透镜聚焦以后, 光束本身带有的自旋角动量会转化成轨道角动量, 这一研究成果对于利用涡旋光束进行微粒操控等方面应用具有十分重要的意义。

理论分析了克尔(Kerr)介质在两个横向电场作用下的电光调制特性, 并由此确定了具有双横向电光克尔效应的光学材料种类。采用折射率椭球方法分析可知, 各向同性克尔介质和一些晶体在横向外加电场作用下, 其电光相位延迟与外加电场幅值的平方成正比, 与电场方向无关; 而其电光双折射主轴方位角与外加电场的方向角成正比, 与电场幅值无关, 称这种电光调制特性为双横向电光克尔效应。理论分析结果表明, 排除兼有泡克耳斯(Pockels)效应和电致旋光效应的材料, 立方晶系432, m3m点群和六角晶系6/mmm点群的晶体以及所有各向同性光学介质具有双横向电光克尔效应。目前已有克尔常数较大的陶瓷玻璃材料研制成功, 将有力地促进双横向电光效应在光学各领域中的广泛应用。

提出了矢量可控空心光束概念, 可控空心光束可以很好地描写中心光强不完全为零的圆对称空心光束, 具有可用多个参量来控制中央暗斑尺寸、形式简单易于分析、其传输变换特性更接近于实际等特点。利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式, 导出了矢量可控空心光束的非傍轴传输解析公式, 从所得结果可退化得到傍轴近似结果。利用导出的公式计算分析了矢量可控空心光束在自由空间的非傍轴传输特性, 并与傍轴结果进行了比较分析。结果表明矢量可控空心光束在近场很好地保持其空心光场分布特性; 参量f和传输距离决定了矢量可控空心光束的非傍轴特性。

无认证中心的认证协议一般由通信双方相互认证, 事先共享纠缠态或身份密钥, 结构简单, 但不适于扩展成通信网络。通过引入可信第三方认证中心, 并利用三粒子W纠缠态的稳健性, 提出了一个基于W态的身份认证协议, 使得合法通信用户可以在认证中心的协助下进行安全身份认证, 身份认证的同时即完成了纠缠粒子的分发。认证完成后, 合法通信用户可安全共享EPR纠缠态并在第三方的控制下进行量子直传通信。针对窃听者常用攻击手段进行了安全性分析, 结果表明在身份认证过程中可以有效的抵御伪装攻击, 截取重发攻击与纠缠攻击等。基于第三方的通信结构具有可扩展性、实用性和受控性。

基于梯度折射率(GRIN)球对平面波前向散射的几何光学近似(GOA), 推导出GRIN球对在轴高斯波束散射的GOA。详细推导高斯波束在GRIN球中的散射角和相位公式, 给出了算法实现步骤。在此基础上, 利用扩展后的GOA计算了粒子的散射强度分布, 并与广义洛伦兹-米理论(GLMT)的计算结果进行比较; 由于表面波的影响, 当波束的束腰半径大于等于粒子半径时散射强度分布与GLMT计算所得的结果相比存在误差。比较结果表明扩展后的GOA方法适用于束腰小于粒子半径的情况。对比GOA方法和GLMT的计算速度, 结果表明GOA方法具有较高的运算速度。

基于广义洛仑兹-米氏理论(GLMT), 研究了高斯波束对离心球的纵向辐射俘获力。用积分区域近似法计算波束系数, 散射场的展开系数由矢量球面波函数的加法定理并求解边界条件得到。给出了高斯波束对在轴离心球辐射俘获力的计算公式并进行了数值模拟。将离心球退化为同心双层球, 对离心球辐射俘获力的公式进行了验证。讨论了离心距对纵向俘获力的影响, 也讨论了束腰半径、介质折射率和波长对纵向辐射俘获力的影响。

光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)干涉图的采样方式一般有两种, 即单边采样方式和双边采样方式。详细介绍了在两种不同采样方式下的光谱复原技术, 给出了数学表达式和计算过程, 比较了两种算法的优缺点, 并对单边复原算法进行了改进, 提高了使用乘积法进行相位校正的效率。对研究结果进行了实验验证, 用两种算法计算得到的复原谱与标准谱线进行比较, 二者基本重合, 证明了算法的有效性。

空间外差光谱技术(SHS)是一种可进行高光谱分辨率探测的光谱分析技术, 其灵敏度高, 可实现成像探测, 特别适用于大气中痕量气体的观测。鉴于此, 提出了一种在实验室理想环境下水平观测水汽的逐线积分反演算法。使用Voigt线型函数计算出所选带宽内各吸收线的吸收系数, 并将半宽校正到相应压力水平下; 考虑各吸收线的线翼吸收贡献, 计算出波段内的平均透过率; 结合通过实测光谱得出的透过率推算水汽浓度。应用在1590～1610 cm-1波段内傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的实测数据计算不同水汽浓度的平均透过率, 并与相应的应用Modtran计算的结果相比较, 最终验证了算法的可行性。

为了有效鉴别区分金黄色海水珍珠(简称金珠)和改色金珠, 通过拉曼光谱和紫外可见吸收光谱对二者进行了检测分析。结果表明, 拉曼光谱中, 金珠的谱线稳定杂峰少, 荧光背景弱, 改色金珠的谱线杂峰多, 荧光背景很强。0～1000 cm-1拉曼位移内金珠的光谱基线强度在1000以下, 改色金珠的光谱基线强度在2000以上; 金珠在拉曼位移275 cm-1处出现明显的拉曼特征峰, 改色金珠275 cm-1处的拉曼特征峰基本被荧光谱线覆盖而变弱或消失; 紫外可见吸收光谱中, 金珠在200 nm～400 nm的近紫外区有284 nm, 357 nm两个明显的紫外吸收峰。由于颜色处理过程中对珍珠表面破坏程度的不同, 导致改色金珠在近紫外区无特征吸收, 吸收峰发生红移(408 nm)或消失。

针对波长为0.5～0.8 nm的激光等离子体X射线极化度的诊断, 研制了一种新型适用的基于空间分辨的极化谱仪。在极化谱仪内的垂直和水平通道上分别布置正交的季戊四醇(PET)晶体色散元件。信号采用成像板进行接收, 有效接收面积为30 mm×80 mm, 从等离子体光源经晶体到成像板的光程长为240 mm。通过实验成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号, 分析了获得的类氦谱线和类锂伴线并计算其极化度, 并分析了负极化的原因。实验结果表明该谱仪获得的X射线极化度测量值与理论值相符, 适合激光等离子体X射线极化光谱的诊断。

利用π-A等温曲线和二次谐波产生方法研究了稀土夹心双酞菁铽(TbPcPc*)分子在Langmuir膜及Langmuir Blodgett(LB)膜中分子的排列状态及其非线性光学特性, 并对非线性产生机制进行了简单的讨论。实验结果表明, TbPcPc*分子在亚相表面可形成稳定的Langmuir膜, 且以edge-on构型面对面倾斜排列。其X型LB膜具有较好的二次谐波信号, 二次谐波信号的最大值在基频光入射角为55°的地方。其二阶非线性极化率χ(2)和分子超极化率β分别为1.64×10-8 esu和6.21×10-30 esu。通过测量样品二次谐波信号的偏振特性, 并与理论分析相比较, 其二阶非线性起源于电四极子和电偶极子机制。

二氧化硅减反膜的结构疏松, 且胶粒表面存在大量羟基, 膜层极易吸附环境中的水分和有机蒸气, 透射比稳定性较低。为了改善原有减反膜的环境稳定性, 以3, 3, 3-三氟丙基三甲氧基硅烷和3, 3, 3-三氟丙基甲基二乙氧基硅烷为掺杂剂, 正硅酸乙酯为前躯体, 采用溶胶-凝胶法制备了两个系列的SiO2减反膜。结果表明, 含氟硅氧烷改性的系列膜层的疏水性能均得到显著增强。CF3-CH2-CH2-Si或CF3-CH2-CH2-Si-CH3质量分数在0.40%～1.5%的范围内时, 二氧化硅膜层的减反效果较好。掺入含氟硅氧烷在一定质量分数时, 膜层的抗激光损伤性能受到的影响不大。10-3 Pa高真空环境的实验表明, 膜层的稳定性有较大提高, 含氟硅氧烷改性延长了减反膜的使用寿命。

采用射频磁控反应溅射技术, 在不同的Ar/O2流量比条件下制备了系列Er2O3薄膜样品。采用椭偏光谱和紫外-可见光透射光谱测试分析技术, 研究了Er2O3薄膜的折射率、消光系数、透射率和光学带隙等光学常数与制备工艺的关系。研究了不同条件下制备的Er2O3薄膜的介电常数和Ⅰ～Ⅴ特性。结果表明, Er2O3薄膜的折射率、禁带宽度和介电常数随Ar/O2流量比的增加而增加, 而消光系数基本不随Ar∶O2流量比的变化而变化。在Ar∶O2流量比为7∶1制备的Er2O3薄膜具有较好的物理性能, 在可见红外波段其折射率约1.81, 消光系数为3.7×10-6,禁带宽度5.73 eV,介电常数为10.5。

采用电子束蒸发法制备了Sc2O3单层薄膜和Sc2O3/SiO2多层反射膜。利用原子力显微镜、 X射线衍射仪等方法对薄膜的表面和结构进行了研究。采用355 nm激光研究了Sc2O3/SiO2多层薄膜的损伤特性和预处理效应, 并对Sc2O3的损伤原因进行了分析。实验发现, Sc2O3具有较宽的带隙, 薄膜结构为立方相, 影响Sc2O3/SiO2多层反射膜抗损伤能力的主要因素是材料的纯度。

薄膜应力的存在是薄膜材料的本征特性, 对过程中薄膜应力的测量与精确控制具有重要意义。搭建了基于双光束偏转基底曲率测量装置, 再结合薄膜厚度的实时监控, 实现了对薄膜应力演化过程的观测。对HfO2薄膜的生长过程做了实时研究。结果显示, 在所研究条件下, HfO2薄膜的生长应力随厚度的增加, 在360～660 MPa范围内变化; 沉积温度越高, 沉积真空度越高, 张应力越大; 在真空度较高的沉积条件下, 薄膜应力强烈地受到基底表面的影响, 随着薄膜厚度的增加, 应力也趋于稳定。

利用由对印刷样品恰可察觉小色差的辨色阈值实验得到的CIELAB 颜色空间中的视觉数据,对四个典型色差公式CIELAB、CMC、CIE94 和CIEDE2000 在辨色阈值水平上的色差预测性能进行测试和评价。不同色差公式计算的印刷样品不同颜色区域的恰可辨别小色差阈值不同, 色差公式CIELAB除在灰色区域色差阈值低于其余典型色差公式外, 在其他颜色区域均高于典型色差公式。对于原始形式(kL=kC=kH=1)的色差公式,CIEDE2000与人眼的视觉匹配程度最好; 采用对kC∶kH 进行优化后的CIEDE2000色差公式,色差预测性能在颜色空间均有不同程度的改善, 其中对灰色和高彩橙颜色区域的性能改善最大。

伽玛值设置或校正是一种控制显示器显示颜色的简单实用方法。对条纹混色比色法视觉估计伽玛值的精度进行了研究, 包括同一实验者的重复性、不同实验者的一致性、视觉估计与仪器测量结果的比较、混合条纹亮暗的选择对精度的影响。在hp CRT显示器上进行的实验结果表明, 同一实验者有很高的重复性; 不同实验者的差别较小; 视觉估计红、绿、蓝和亮度通道的伽玛值的平均值分别是2.18、2.17、2.40、2.20, 仪器测量得到的伽玛值的标准值分别是2.13、2.05、2.37、2.09。视觉估计和仪器测量的伽玛值差距约为0.08,适当选择亮、暗混合条纹不仅容易混合匹配, 估计伽玛值与仪器测量结果更接近。

采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)法在InP衬底上低温生长6个周期的InGaAsP多量子阱薄膜, 薄膜对1.06 μm激光的小信号透过率为23%。该薄膜兼作Nd∶YAG激光器的可饱和吸收体及耦合输出镜, 实现1.064 μm激光的被动锁模运转, 获得平均脉宽23 ps, 能量15 mJ的单脉冲序列。采用射频磁控溅射法在石英衬底上制备4个周期的Si/SiNx多量子阱薄膜, 样品在氮气环境下以1000 ℃退火30 min后, 插入Nd∶YAG激光器腔内, 实现1.064 μm激光的被动锁模, 获得脉宽30 ps的脉冲序列。多量子阱半导体薄膜作为可饱和吸收体实现激光器的被动锁模具有成本低、设计和制作简单、运转稳定和使用方便的优点。