利用标量衍射理论对全息模式波前传感器进行了深入分析, 给出了传感器输出面的衍射场光强表达式, 从而与模式偏置波前传感器理论统一起来。为了便于对全息模式波前传感器进行模拟, 利用两共轭倾斜平面波代替倾斜聚焦球面波作为全息记录时的参考波, 并在紧贴全息元件后放置聚焦透镜, 从而建立全息模式波前传感器的等效模型。然后利用数值模拟方法对全息模式波前传感器的工作原理进行验证, 结果表明全息模式波前传感器的灵敏度高、速度快。

基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。但由于算法收敛速度的影响, 在一定程度上限制了SPGD在自适应光学系统中的应用。在对SPGD控制算法分析的基础上, 充分提取和发掘算法内在的并发性, 采用流水线和并行处理技术, 设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)加数字信号处理器(DSP)的单指令流多数据流(SIMD)结构实时并行处理机, 实现了SPGD控制算法由表达层到结构层的优化映射。该处理机应用在激光光束净化自适应光学系统中, 同时实现了对变形镜和倾斜镜的控制。实验结果表明, 采用基于SPGD算法自适应光学实时并行波前处理机具有很快的收敛速度, 可以有效地校正激光出光过程中的光束波前相差和光束漂移误差。

针对目前人眼像差哈特曼夏克测量仪不能自动补偿人眼离焦的不足, 通过分析不同调焦状态下连续采集的哈特曼夏克光斑图像序列, 构造了离焦补偿评价函数, 在现有像差测量仪平台上实现了人眼像差自动离焦补偿。算法根据调焦过程中哈特曼夏克光斑的形态变化, 定义了通过光斑图像评估离焦补偿结果的评价标准, 并依据评价函数确定最佳光斑图像对应的离焦补偿量, 从而确保哈特曼夏克波前传感器能准确测得离焦补偿后剩余的人眼像差。实验结果表明, 本方法对杂散光噪声具有较强的稳健性, 可以准确实现调焦系统的自动离焦补偿, 为后续像差测量仪精密测量人眼高阶像差提供了十分重要的方法。

利用太湖实测水色因子吸收系数数据, 根据非藻类颗粒物与有色可溶性有机物(CDOM)吸收相似的特性, 采用两者合并参数化方案, 并结合浮游藻类吸收系数在580 nm与692 nm波长处比值恒定的特点, 提出了适合于太湖的基于水体总吸收的浮游藻类吸收系数分离方法, 并从数值和光谱曲线特征等方面对分离效果进行了评价。结果表明, 浮游藻类吸收能够较好地从水体的总吸收中分离出来, 在440, 550和675 nm波段处, 吸收系数的分离效果都较好, 其中在675 nm波段分离平均相对误差在10%以内; 分离得到的浮游藻类吸收光谱整体上保持了其原有的特征, 与实测光谱具有很好的相似性, 平均相似度在0.97以上。

米氏(Mie)散射激光雷达在大气气溶胶和云层的空间分布监测中应用非常广泛, 但对其回波信号进行自动准确的云检测仍存在一定的困难。微分零交叉法是目前应用最多的算法之一, 但是在信噪比较低情况下会造成较多误判。根据激光雷达回波信号的特点, 对微分零交叉法进行了改进。改进的算法中参考了候选点信号强度特性和前后时刻的云层信息, 有效地修正了一些较为明显的误判。最后根据云检测结果对云消光系数和光学厚度进行了反演, 较为客观地反映了云层内部光学参数的变化特性, 初步实现了较为精确的激光雷达自动云检测和参数反演。

基于广义惠更斯菲涅耳原理, 利用Rytov近似理论, 推导出环状光束在湍流大气介质中光强分布的解析表达式。在此基础上, 根据强度二阶矩定义, 推导出环状光束在大气湍流中传输的M2因子的表达式。最后, 详细讨论了环状光束在湍流介质中的传输变换特性及其光束质量变化。研究结果表明, 环状光束在湍流介质中传输时, 湍流的强弱直接影响着环状光束传输变换的程度和快慢。由于湍流的影响, 环状光束在传输过程中由完全相干光变成部分相干光。环状光束在湍流中传输的M2因子与光束遮拦比、湍流强度、光束波长以及传输距离有关。选择合适的光束遮拦比和波长等光束参数, 可以有效地控制激光束在湍流介质中传输的光束质量。

通过实验观测了湍流大气中光束准直传输时光束横截面上不同面积内的光强起伏特征。采用相对光强起伏方差与孔径平滑因子描述不同面积内的光强起伏特征并比较了不同湍流条件和不同面积内相对光强起伏方差的概率分布密度。实验结果表明, 在该实验条件下明显出现孔径平滑效应时对应接收面积呈现湍流越强接收面积越小的规律; 不同接收面积内相对光强起伏方差概率分布密度可以用对数高斯分布近似, 不同接收面积和湍流强度下近似程度不同; 采用偏斜度和陡峭度来描述接收面积不同和湍流强度不同时概率分布密度与对数高斯分布的偏差并比较了拟合曲线特征的变化。同时初步比较了连续光与脉冲光相对光强起伏方差概率分布的异同。

根据无扫描成像激光雷达光电阴极输出光电子计数分布满足泊松统计的特点, 由极大似然估计方法, 给出判定是否接收到回波的似然比判据阈值的计算方法。并针对典型无扫描距离选通成像激光雷达情况, 给出了系统探测概率、虚警概率和漏警概率的近似计算方法, 并采用蒙特卡罗模拟方法进行验证。分析了系统阈值对探测概率的影响, 并提出变阈值的方法提高探测系统探测概率。而受系统硬件的限制, 在满足探测要求的情况下, 尽量缩短探测距离和减少探测器像素数, 增加接收目标的有用信号光子数, 并同时根据极大似然估计法来确定阈值, 达到提高探测概率的目的。

在磁光阱中的铯原子由于冷却光的存在将被缀饰化。借助于波长为852.3 nm(对应于铯原子6S1/2F=4→6P3/2F′=3和6S1/2F=4→6P3/2F′=4超精细跃迁)和794.6 nm(对应于铯原子6P3/2F′=5→8S1/2F″=4超精细跃迁)的探测光的透射光谱分别对磁光阱中冷原子基态6S1/2F=4和激发态6P3/2F′=5在冷却光作用下形成的缀饰态分裂进行了实验研究, 并分析了其光谱特性。结果表明, 在冷却光强度、失谐量相同的实验条件下, 基态、激发态的缀饰分裂间距相同, 与缀饰态理论预言一致。

研制了一种基于微光机电系统(MOEMS)技术的新型微型可编程光栅周期可调光栅。该光栅采用玻璃体上硅(SOG)加工工艺, 静电梳齿驱动, 具有操作简单、连续可调和宽调制等特点。该光栅在静电驱动力的作用下, 周期的变化引起特定级次下单色光衍射角的变化及复色光光谱的偏移。针对该光栅的衍射特性, 设计及搭建两套光学系统, 根据光栅结构设计参数的理论计算与测量结果基本一致, 充分表明该光栅能对光具有良好的调制作用。为该器件在微型光谱仪和光开关的应用提供了技术参考。

通过工程优化方法与衍射光栅矢量理论相结合, 对衍射光栅的结构参数进行了优化设计研究。采用严格的耦合波矢量理论分析表面浮雕光栅的衍射效率特性, 并建立了具有全局寻优特性的遗传算法在衍射光栅设计中的数学模型; 研究了包括双闪耀光栅在内的多种槽型衍射光栅的优化设计。优化设计表明, 该方法对初始设计方案没有特殊要求, 能够快速得到多种槽型衍射光栅的最优结构参数, 优化后光栅的衍射效率可以达到90％以上, 双闪耀光栅经优化设计以后在整个波段均能获得很高的衍射效率。在光栅的设计过程中采用全局工程优化算法进行分析设计, 为高效率光栅的制作提供了理论指导; 同时也为光栅设计的逆问题提供了一种可行的求解方法。

提出了一种基于低速信号注入法布里珀罗型激光二极管(FP-LD)的无本振全光混频技术, 利用FP-LD的一个纵模和外部注入信号光的四波混频作用生成的边带锁定纵模产生光载射频信号。通过改变FP-LD的注入光信号强度和偏振态实现副载波频率可变, 并根据FP-LD注入锁定特性分析实验结果得到的不同边模抑制比。实验中采用2.7, 2.5, 1.25 Gb/s非归零(NRZ)码注入FP-LD实现副载波频率分别为16.2, 10.0, 18.2和20.0 GHz的全光混频, 测量16.2 GHz的副载波得到了10 kHz偏移处单边带相位噪声为-81.2, -87.7 dBc/Hz。

为了详尽而深刻地研究紫外光在大气中的非视距散射传输机制, 以数学中的椭球坐标系为基础, 分析了紫外光非视距单次散射链路模型中光子从发射端到接收端经历的散射过程及其间光子能量的变化; 着重研究了与紫外光非视距散射通信密切相关的有效散射体的体积分, 并对决定体积分的三组积分限进行了重点分析与计算,得到了各组积分限准确的取值公式。研究结果对紫外光的通信机制与接收能量给予了完整的分析与准确的定量, 为将来实现紫外光通信的组网和进一步研究紫外光通信打下了坚实的基础。

根据导波光的微扰理论得到了线双折射磁光光纤光栅中导波光耦合模方程, 并给出了其解析解。借助于归一化斯托克斯参量, 研究了线双折射与磁圆双折射对光纤光栅中光偏振态的影响。研究表明, 线双折射磁光光纤光栅中存在左旋和右旋两个本征的椭圆光偏振态, 线双折射或磁圆双折射的大小只引起本征偏振态椭圆率的变化, 而不改变主轴方位角。通过调节磁光光纤光栅中两种双折射的相对大小可方便地控制输出导波光的偏振态, 从而使磁光光纤光栅在光纤通信与传感中具有广泛的潜在应用。

从理论和实验两个方面分析并验证了白光偏振耦合分布式保偏光纤传感器探测灵敏度与光纤双折射色散的关系。提出了一种色散补偿耦合强度的计算方法。该方法在忽略光传输中微弱损耗情况下, 利用耦合点干涉包络面积在存在双折射色散情况下仍然保持不变这一特性, 通过对干涉包络进行希尔伯特(Hilbert)包络提取和最小二乘非线性拟合得到干涉包络的面积, 从而获得经过色散补偿后的偏振耦合强度值。实验结果表明, 该色散补偿算法具有很高的准确性, 尤其对短光纤, 绝对偏差小于0.63 dB。

为实现光电成像末端制导中的自适应目标初始化, 针对末端制导景象匹配中图像存在尺度、旋转、灰度和3D视角差异, 及传统方法运算量较大的问题, 基于随机蕨分类器构造了一种新的景象匹配算法。算法首先利用基准图像进行分类器训练, 然后基于该分类器对实时图像进行特征匹配。为剔除误匹配特征对, 对初始匹配特征对中的对应区域分别进行尺度不变特征变换(SIFT)特征描述, 基于马氏距离准则进行误匹配特征对剔除。根据顺序抽样一致性算法(PROSAC)对剩余的匹配特征对估计两图像的外极几何关系, 最终根据外极几何关系求得目标在实时图像中的位置和尺寸信息。仿真结果表明, 该算法能够在光电成像末端制导过程中实现稳定的目标初始化, 在极端条件下的稳定性优于原随机蕨分类器算法。

为了解决大视场时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)相机静态传递函数(TF)测试过程中视场覆盖率不高、测试精度和效率较低等问题, 设计了一种全视场静态TF自动测试系统。首先, 将整个相机视场以TDI CCD为单元进行划分, 移动转台调整TDI CCD对应视场与平行光管的位置关系, 计算机接收相机采集的靶标图像, 分析靶标图像特征并绘制TF变化曲线, 根据TF变化曲线确定每片TDI CCD对应视场的最佳TF测试点, 建立位置信息库。然后, 计算机根据位置信息自动控制转台, 分别移动到每片TDI CCD对应视场的最佳TF测试点, 从每片TDI CCD第一个像元开始, 以固定步长逐渐向最后一个像元移动, 一边移动一边测试TF。最后, 绘制大视场TDI CCD相机整个视场的静态TF曲线。实验结果表明：静态TF测试系统覆盖了相机整个视场, 测试的静态TF平均值为0.2965, 和以前测试方法比较, 整个视场的静态TF平均值提高了0.02, 同时提高了静态TF测试的精度和效率。

基于距离选通原理, 深入分析了水下脉冲传输和探测器选通接收间的时序关系, 建立了较为完善的距离选通时序模型; 基于搭建的水下脉冲激光距离选通实验平台, 设计了专门的模型验证实验。实验与仿真结果的一致性表明：模型能较好地描述水下距离选通成像过程, 预测成像对比度随延迟时间的变化, 可用于实际选通系统的性能预测和优化设计。此外, 还借助模型讨论了各参量对成像对比度的影响, 并介绍了利用距离选通技术直接测量水下脉冲时间展宽的方法。

透射率起伏频谱测粒技术是根据透射光起伏信号的频谱特征发展起来的一种新的颗粒测量方法, 可用于实时在线测量。研究基于一阶带通滤波器的透射率起伏信号的频谱特征, 重点分析带通滤波器带宽因子对透射率起伏频谱及其反演结果的影响。同时还考虑了无因次光束直径对透射率频谱的影响。结果表明选择较小的带宽因子α有利于提高测量结果的颗粒粒径分辨率, 但是带宽因子α过小会降低透射率起伏频谱的强度从而导致测量产生误差; 反之, 选择较大的带宽因子α有利于获得较强的透射率起伏频谱信号, 但是带宽因子α过大会降低测量结果的颗粒粒径分辨率。

提出了一种对条纹对比度和背景光进行校准的正交复合光三维测量方法。从参考平面的复合光栅像中解调获得各帧相移正弦条纹, 通过频域滤波的方法获取条纹的零频和基频分量, 计算出各帧相移正弦条纹相对第一帧正弦条纹的对比度和背景光比例系数, 并以此系数对实物测量时解调出来的各帧变形条纹对比度和背景光进行校准, 建立了新的三维测量数学模型。实验证明该方法能降低传统正交复合光三维测量方法中的解相误差, 提高系统的测量精度。

为了准确表征非球面偏离球面的程度, 并适用非球面检测技术, 提出了采用斜率非球面来定义非球面最接近比较球面。分析了最小最大斜率非球面度相关与计算全息板的加工难度及非球面检测难度, 并有利于减小激光束偏转法的测量误差。根据定义推导了最接近比较球面计算模型, 分析了不同比较球面下的斜率非球面度分布、不同非球面的最接近比较球面位置、非球面参数对计算结果的影响及各种非球面度定义下的最接近比较球面。结果表明, 不同非球面的最接近比较球面球心为非球面0.85～0.87口径法线与光轴的交点, 从而优化了计算过程。定义求得的最接近比较球面不同于现有各种方法, 是适应非球面检测需求的。

利用摄像测量原理设计出一种新型的轨道几何参数测量系统, 该系统由测量主车和测量靶车两部分组成。测量过程中, 靶车沿轨道向主车运动; 主车上的摄像机实时采集靶车上红外合作标志的序列运动图像; 主车工控机中的软件系统实时提取合作标志在图像中的亚像素位置, 根据合作标志之间的距离和图像清晰度驱动调节摄像机的电动镜头, 使测量过程中摄像机的视场大小基本不变、合作标志成像清晰, 根据相应的模型合成轨道几何参数。静态实验与外场实验结果表明, 该摄像测量系统完全能够满足轨道几何参数高精度测量的需求。

对基于环形腔光反馈的光纤激光被动锁相技术进行了理论和实验研究。建立了一维三路光纤激光阵列的相干组束实验装置, 实现了三束光纤激光的相位锁定, 观测到稳定的干涉图样。研究了光束占空比对远场光斑的影响, 分析了影响腔内损耗的主要因素。观测到相干耦合输出光谱中所存在的多波长峰值随机出现的现象, 通过采用窄带宽滤光片, 可以限制相干耦合输出的光谱范围, 但上述现象仍然存在。从理论上对被动锁相技术中所存在的这种波长随机现象进行了分析和解释。

报道了一种基于国产非成对设计的啁啾镜作为腔内色散补偿的钛宝石激光器, 在93.7 MHz的重复频率下, 得到了平均功率为120 mW的稳定的锁模脉冲输出, 经腔外色散补偿, 得到了最窄9.7 fs的脉冲宽度。通过调节腔内光楔的插入量, 研究了锁模光谱与自相关曲线随腔内净色散的演化过程。基于非线性薛定谔方程的分步傅里叶算法对激光器建立了数值模型, 数值模拟的参数选取均与实验中完全一致, 利用10阶泰勒展开模拟啁啾镜的色散曲线振荡, 获得了谐振腔零色散点附近锁模的动力学过程, 并分析了啁啾镜的高阶色散对脉冲宽度压缩的限制。

设计并制作了一种基于激光直写工艺的多模高聚物1×8光功率分配器。该器件采用了独特的次级非对称结构实现了光功率在各个输出端口的均匀分配。借助紫外激光直写的方式, 配合高精度平移台实现了器件的加工, 并将整个分配器的制作过程控制在5 min以内, 从而在加工周期上颇具优势。对所得的分配器进行了性能测试, 实验结果表明, 端口输出光功率最大均匀度差异小于4%, 证明了器件具有较为理想的分光性能。提出的激光直写法结构加工无需掩模或离子蚀刻等复杂加工手段, 有助于大幅度提高制造效率并能够有效地控制器件性能。

提出一种新型的气体膜盒式双Y型腔双频激光加速度计, 介绍了系统结构及静态下的工作原理, 分析了分辨率的影响因素及影响机理。该加速度计利用新型气体膜盒作为加速度的第一级敏感元件, 将输入的加速度信号转化为膜盒内气体的折射率变化, 进而转化为双频激光器的拍频输出。此种结构设计使得加速度计的光学模块结构和物理性能更加稳定, 也为进一步优化弹性敏感元件的结构提供了便利。同时, 由于加速度信号和外界干扰对加速度计输出频率的影响途径不同, 信号与干扰的分离成为可能。设计了独特的双Y型腔结构, 使得sp光共用增益区并同时起振, 利用sp光的一次差动和对称的双Y型腔激光器的二次差动, 很大程度地抑制了温度噪声, 提高了系统分辨率。理论分析表明, 对典型的结构参数和测试条件, 这种新型加速度计的比例因子为1.19×108 Hz/(m/s2), 分辨率可达1.15×10-6 g。

为了解决光强差稳频系统易受光电元件参量影响的问题, 设计了一套用于异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频系统。采用高频放大和幅度检波电路检出四频差动激光陀螺顺时针(或逆时针)输出光束的拍频幅度, 然后用模数转换器采集到数字信号处理器(DSP)内。四频差动激光陀螺正常工作时拍频幅度取极大值, 因此可通过对腔长进行小抖动调制实现稳频。利用DSP设计了一套数字式稳频系统, 1 s取样的稳频精度为2×10-9, 更重要的是稳频点不受光电元件参量变化的影响。设计的小抖动稳频电路精度高、通用性好, 对提高四频差动激光陀螺适应恶劣环境的能力有一定的价值。

基于密度泛函理论的第一性原理方法来研究聚对苯二甲酸乙二酯(PET)分子的电子结构和光学特性, 结果表明：PET分子的轨道贡献主要是由O原子的2p轨道和C原子的2p轨道组成, 而由能带结构计算得到的能隙比实验值要偏小; 对于最高占据轨道, 电荷密度主要分布在苯环两侧; 而对于最低未占据轨道, 最高的电荷密度主要分布在苯环上。由吸收光谱的吸收边得出的能隙与计算能带结构得到的结果一致, 并解释了介电函数峰的形成和其它光谱特性的联系。

通过理论计算获得了全反射时分层介质中p偏振光的透射系数计算公式, 并采用时域有限差分(FDTD)方法进行了验证。计算所获得的公式与传统的采用分层介质的特性矩阵法计算获得的相似, 不同之处在于当发生全反射时, 公式多了一个全反射修正因子。此外, 采用FDTD模拟的两层介质的全反射结构及表面等离子体共振(SPR)膜系结构的结果与修正后的公式符合得很好。该修正公式是对分层介质中电磁波传播的完善, 是对一些有影响力的文献关于场增强因子的修正, 它对SPR及倏逝场的研究具有参考价值。

通过添加助熔剂K2O, 制备了近化学计量比钽酸锂晶体。晶体没有开裂和孪晶现象。晶体的居里温度为(673±0.4) ℃。通过在晶片表面形成占空比60%的聚酰亚胺周期结构并利用LiCl饱和溶液体电极施加极化电压, 采用自动极化技术, 制备出Z向切割0.5 mm厚的均匀周期极化化学计量比钽酸锂(SLT)晶片, 晶片的畴反转占空比接近50％, 并以1064 nm的Nd+3YVO4激光器作为抽运源进行了光学实验。

基于光辐射危害的算法, 建立眼光路中外加光学器具的光辐射危害降低量分析基础。通过引入起比较作用的原器具概念, 建立相对光辐射危害降低量和绝对光辐射危害降低量的概念和表达式, 以及两者间的换算关系。根据人眼瞳孔的限光机理, 推导了人眼瞳孔前和瞳孔后组织各自的光辐射危害降低量算法, 介绍了实际应用方法; 通过视觉应用分析, 提出暗光效增率的概念来评价视明度水平, 同时在暗光效增率的表达式基础上导出实用算法; 通过光源变换分析, 得出了运用光源显色性评价方法可评价色觉水平的结论, 同时给出了评价显色性的显色指数Ra应用标准。最后以举例形式说明, 该方法可实现系统评价目的。

为了实现对中药粉末掺假现象的快速鉴别, 有效地控制中药粉末的质量, 引入光谱成像分析技术, 以中药黄连和黄柏的混合粉末为例进行检测。首先以中国药品生物制品检定所提供的黄连、黄柏对照药材为参照, 分别构建黄连和黄柏的光谱成像指纹图谱, 进而分析二者指纹图谱的差异, 提取特征波段。将质量各为1 g的两种粉末混合, 采集混合粉末检品的光谱图像, 依据两种中药粉末的光谱特征, 采用波段比重构光谱图像, 并采用域值法进行图像分类。分类结果实现了对检品的鉴别, 同时得到检品的空间分布状态。鉴别结果表明光谱成像分析技术是一项有望解决掺假中药粉末鉴别难题的技术, 且检测过程无损、快速。

利用广义非线性薛定谔方程, 研究了聚焦激光通过透明介质时, 感应等离子体的位置、大小及其同激光参数的关系。计算发现：对于给定衍射长度的激光波包, 感应等离子体浓度最大值随入射激光功率的增加而趋于一恒定值, 感应等离子体区域的大小随着入射激光波包功率的增加而变长、变粗; 对于给定功率的激光波包, 感应等离子体浓度随着入射激光波包的衍射长度的增加而减少; 对于不同衍射长度的激光波包, 随着激光功率的增加, 感应等离子体向不同方向发展。计算得到的等离子体的位置和形状的变化同Gordienko等的实验结果非常吻合。该研究有助于理解感应等离子体在介质中的形成过程, 推动其在激光加工中的应用。

对利用啁啾周期极化铌酸锂(CPPLN)波导的和频效应(SFG), 实现能覆盖整个C波段和L波段的光采样技术进行了研究。从耦合模方程开始, 对转换效率和带宽进行了数值计算和仿真。对传输速率为10 Gb/s的光信号NRZ序列采样, 通过软件同步算法恢复采样结果, 得到了清晰的眼图和高质量的Q因子。从仿真结果可以看出应用CPPLN波导比周期极化铌酸锂(PPLN)波导具有更宽的带宽, 在调谐的抽运光下, 可以对C波段和L波段范围内的任何波段进行选择采样, 且波段的宽窄可以根据需要, 通过调节波导长度和波导啁啾系数进行任意调节。与PPLN波导中的SFG相比, 啁啾周期极化铌酸锂(CPPLN)波导的SFG具有更宽的采样带宽、更灵活的波段选择性。

线性菲涅耳聚光反射装置(LFR)是每一行反射镜面(镜元)均实时跟踪太阳光的装置, 可将太阳入射光反射至固定位置的线性吸热器上, LER上每一镜元的入射角、反射角和跟踪倾角均时刻变化, 使得系统相邻镜元之间的阴影与遮挡分析变得非常复杂。利用光学投影得到LFR镜场中任一镜元在太阳矢量方向上的影长与斜长。为了得到相邻镜元之间不存在阴影与遮挡影响的条件, 分析影长与斜长之间的关系, 例如最小间距等。最后给出在具体算例情况下的镜元间距分析和镜元布置与有效辐照度的关系。

设计了一种在发光二极管(LED)光源照明下, 基于4f信息处理系统的光栅光调制器的投影物镜。对经光栅光调制器的衍射光进行滤波处理, 实现对调制后像的投影放大显示。设计结果表明：该物镜总长70.71 mm, 最大口径12.40 mm; 整体像差控制在理想范围之内, 可以满足成像要求。根据设计结果搭建实验系统, 实验结果与理论分析一致, 说明了设计的可行性。

提出了一种高功率激光系统中鬼点空间坐标的快速定位算法, 用于在设计阶段分析系统中的多次反射与多级衍射鬼点, 以避免对系统造成危害。算法采用二叉树表示的多叉树存储鬼光束数据, 同时追迹第一近轴光线和实际主光线, 依据第一近轴光线确定鬼点的z坐标zg, 将实际主光线与z=zg平面的交点作为实际鬼点位置。以倾斜透镜和含衍射元件的终端光学系统(FOA)为例预测了鬼点的空间坐标, 经高密度实际光线追迹法验证, 在所得鬼点平面相应位置确有光能聚集, 表明鬼点空间坐标与实际鬼光束的密集区域相符。使用该方法在16 s内定位了含222面的激光系统的13124个鬼点。

针对径向偏振光入射, 设计了三维超分辨衍射光学元件。对径向偏振光大数值孔径聚焦特性的分析表明, 纵向分量是影响聚焦主瓣的三维光强分布的主要因素。仅考虑径向偏振光聚焦场的纵向分量, 沿用线偏振光入射时三维超分辨衍射光学元件的全局优化方法, 利用线性规划设计了三维超分辨的0, π结构的纯相位元件。考虑径向偏振光聚焦场的径向和纵向分量, 计算了三维超分辨性能。与线偏振光的性能对比表明, 尽管仅考虑聚焦场纵向分量设计的衍射光学元件不是全局最优解, 但其三维超分辨性能明显优于线偏振光, 证明了仅考虑径向偏振光聚焦场的纵向分量进行三维超分辨衍射光学元件优化的有效性。

反射系统具有体积小、重量轻成像性能优良等特点, 在航天遥感中具有重要的应用潜力。分析了基于PW方法的四反射镜系统像差理论, 推导了由系统遮拦比和放大率表示的系统初级像差表达式, 并给出了四反射镜系统的基本设计过程。设计理论和方法适合于同轴四反射镜系统和离轴四反射镜系统的初始结构设计。基于PW方法的设计理论, 设计了空间遥感用同轴四反射镜光学系统和一离轴四反射镜系统。两系统成像质量良好, 结构紧凑, 筒长与焦距之比可达1/6.4, 体积和重量均满足技术指标要求, 体现了四反射镜系统的优势, 证明了理论分析的正确性与实用性。

提出了一种新型的层叠微透镜阵列光扩散片。在入射侧具有大口径低数值孔径微透镜阵列结构, 在出射侧具有小口径高数值孔径微透镜阵列结构。分析了层叠结构对光线在视场内的扩散增益原理。利用光线追迹法模拟了微透镜高度、口径等结构参数对光学性能的影响。模拟结果表明, 正面亮度随出射侧微透镜高宽比增大而增加, 在入射侧增加一层高宽比在0.01～0.15的低数值孔径微透镜阵列, 能够将正面亮度再提高3%～5%。实验测试结果表明其增益率可达40.06%, 较单层微透镜阵列扩散片提高了4.2%。

利用角谱理论, 分别研究了高斯光束在空气与负、近零、超大折射率超常材料界面上的反射光束角移现象, 揭示了光束角移与传统古斯亨兴位移和伊姆伯特费多罗夫位移的联系与区别。研究发现, 光束角移随着折射率及损耗的减小而增大; 在负折射率介质界面, 角移可能抵消负的古斯亨兴位移, 从而导致光束的纵向位移为正。此外, 在近零折射率超常材料界面, 在较大范围内不存在横向角移, 而在极大折射率超常材料界面, 横向角移极小。因此, 零折射率和超大折射率超常材料可以用来避免反射光束角移导致的角色散。

研究了椭圆偏振涡旋光束经过具有初级球差的高数值孔径透镜的聚焦特性。基于德拜矢量积分理论, 获得了椭圆偏振涡旋贝塞尔高斯光束经过具有初级球差的高数值孔径透镜后的复振幅的分布函数, 根据数值模拟的结果, 分析了不同的初级球差系数对右旋椭圆偏振光束和左旋椭圆偏振光束聚焦场光强分布和相位分布的影响。结果表明, 随着初级球差系数的增加, 椭圆偏振涡旋光束的强度会变小, 空心的尺寸会变大; 右旋椭圆偏振光纵向分量的相位分布呈现螺旋结构, 而且右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光的位错线半径会逐渐增大; 会聚点逐渐偏离焦平面, 纵向光场发生改变。

对于光学涡旋特别是具有复杂拓扑结构的光学涡旋, 可以通过数值计算的方法获得实验上难以准确测量的角动量分布及其传输演化特性。在略去线偏振光场线动量密度中的轴向分量的情况下可获得涡旋光场的横向线动量密度, 其在光束截面上的角向分量表征了涡旋角动量的分布。通过数值模拟, 研究了单束拉盖尔高斯光束和拓扑荷不同的两束拉盖尔高斯光束同轴叠加后在自由空间中的传播过程, 获得了强度分布、相位分布和横向线动量密度在瑞利长度内的分布特征。通过分析光束横截面上强度分布和线动量密度的演化特性表明, 在远离束腰处光束的衍射效应不仅降低了横向线动量密度, 还会增加径向分量, 因而增强了径向力学特性, 减弱了角向力学特性, 因此在具体实施微操控时不宜在距离束腰面较远的横截面内进行。

受光纤双折射的影响, 单光子极化态在光纤中传输时容易发生慢变进而影响到量子密钥分发系统的性能。利用概率波叠加理论分析了法拉第旋转镜的时分复用干涉仪相位编码系统。分析结果表明, 利用单光子往返通过同一根光纤可以有效抵消光纤双折射的影响, 但容易受到非互易性效应如磁光效应的影响。随着磁光旋转角的增加, 成功到达干涉仪的单光子形成正常干涉条纹的概率逐渐减小。旋转角大于42°时, 形成正常干涉条纹的概率接近于零。

非局域成像(又称为鬼成像)是近年来兴起的一种新的、利用光场二阶关联进行成像的方法。在这个领域里, 已经取得了很多有重大意义的成果。在传统的非局域成像系统中, 分束器是一个不可缺少的光学元件。但是, 分束器的使用却限制了非局域成像在很多领域的进一步运用, 特别是利用自然光源进行非局域成像。介绍了一种新的实验装置, 利用对光源面上的强度调制, 在赝热光作为光源的条件下, 实现无分束器的非局域成像。并从理论上研究了这个装置, 给出了实验结果。最后, 将该实验装置进行改进, 使之能够应用于更广泛的场合。无分束器非局域成像实验的成功, 对于非局域成像的实际应用有重大价值。

级联型四能级系统由于具有6个可能的光学跃迁通道, 因而有许多现实的子类型可供光学量子相干效应的理论和实验探讨。利用布尔代数方法, 按照可能存在的跃迁通道, 结合电偶极跃迁选择定则, 研究了级联四能级系统的所有的通道子类型, 得到了17个三通道和2个四通道的现实通道子类型。然后, 仅仅按照涉及的光场的强弱来区分, 又得到了168种现实强度子类型。这种子类型的结构多样性为量子光学、量子信息科学和精密光谱学等理论及应用研究提供了更灵活的能级选择。

从背景反射率计算和真实反射率获取两个方面, 以Landsat-5 TM影像、ASTER影像以及与两幅影像分别对应的沙地、草地同步实测光谱数据作为数据源, 对基于三维辐射传输模型SHDOM经验方程的垂直观测光学遥感影像邻近效应校正方法和基于与影像同步实测光谱数据的遥感影像邻近效应校正方法进行了对比研究。结果表明, 从辐射传输机理上, 基于SHDOM经验方程的邻近效应校正算法的理论基础更为完善; 而从校正后影像的目视效果上, 基于同步实测光谱数据的邻近效应校正算法则更为有效。

为提高光辐射工作标准精度和满足遥感器高精度辐射定标需要, 开展了以低温辐射计为初级标准, 滤光片辐射计为传递标准的标准灯光谱辐照度实现研究。通过滤光片辐射计响应的系统级定标、辐照度标准灯物理模型和递归迭代优化算法, 由滤光片带宽下的积分响应得到辐照度标准灯的连续光谱分布。系统级的定标方法避免了滤光片透射率、几何因子测量和使用与标定状态不一致引入的不确定度。初步结果表明, 该方法实现的400～900 nm波段标准灯光谱辐照度与基于国际温标(ITS-90)高温黑体标定的结果相对差别在后者的不确定度范围之内。在国内尝试实现了基于低温辐射计的标准灯光谱辐照度标准传递, 对提高光辐射计量、辐射测温以及遥感器特别是高光谱遥感器辐射定标精度有重要意义。

荧光在受激拉曼散射中能发挥良好的外部种子作用,可以极大幅度降低受激拉曼阈值、增加散射模式的强度。将溶解了荧光物质的CS2溶液作为液芯光纤的芯液体进行荧光增强受激拉曼散射研究。结果表明, 很小能量(1.86 mJ)的激光激发就能获得较强的斯托克斯和反斯托克斯拉曼光。以荧光光谱范围较小的罗丹明B(rhodamine B)作为荧光种子, 只获得了强度较高的一阶反斯托克斯谱线和强度较低的一阶斯托克斯谱线; 以荧光光谱范围很大的β-胡萝卜素(β-carotene)作为荧光种子, 很小的抽运能量就获得了7阶斯托克斯光谱。因此可以选用不同光学性质的荧光种子来选择性增强受激拉曼散射的某一散射模式。

为了研究哑光和半光两种光泽纸张的印刷样品对中小色差评价的影响, 分别围绕CIE 5个基本颜色中心区域, 对两种纸张制作30个颜色样品, 采用心理物理实验方法中的比较法, 分别测得20名色觉正常的观察者对不同纸张和不同颜色的辨色特性。对四个典型色差公式CIELAB, CIE94, CMC, CIEDE2000和CAM02系列CAM02-LCD, CAM02-SCD, CAM02-UCS三个色差公式用标准化残差平方和(STRESS)性能因子和F检验的方法进行评价和优化。原始色差公式, CIEDE2000色差公式的表现最好, CIELAB色差公式表现最差, CIE94色差公式有较大的改进空间。采用对kL进行优化后的计算结果表明, 随着光泽度的增加, 明度的影响权重在色差计算中有增加的趋势。