对自适应光学系统随机并行梯度下降控制的校正残差进行了分析。通过对随机并行梯度下降(SPGD)算法校正静态像差的数值模拟,定标出了算法收敛时间与系统变形镜校正单元数的关系。建立了基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统的简化控制模型,根据湍流大气的时间功率谱,推导了算法收敛时间与校正残差之间的解析表达式。结果表明,采用N个校正单元的自适应光学系统补偿Greenwood频率大小为fG的大气湍流带来的动态像差,为保证校正残差σ2<λ/10,随机并行梯度下降算法的迭代速率需大于86 NfG。根据一组典型的计算结果指出了自适应光学系统随机并行梯度下降控制作用距离的有限性。

详细导出了粗糙海面的反射矩阵、透射矩阵和源函数矢量计算模型,并应用于海洋大气耦合矢量辐射传输数值计算模型PCOART。在此基础上,分别利用粗糙海面瑞利大气矢量辐射传输问题和海洋大气耦合辐射传输问题对粗糙海面模型进行了验证,结果表明,模型计算得到的粗糙海面大气瑞利散射斯托克斯矢量是精确的,且瑞利散射辐亮度计算相对误差小于0.5%。粗糙海面海洋大气耦合辐射传输问题验证结果表明该粗糙海面计算模型是精确的。相对已有的标量粗糙海面海洋大气耦合辐射传输模型,该模型不仅可以获得整个海洋大气耦合系统的辐亮度场,而且可以获得辐射斯托克斯矢量场。

基于光学辐射传输软件HYDROLIGHT,模拟不同外界和水质条件下水气界面透射率T,Gordon模型参数f和二向性因子Q,研究风速、太阳天顶角、单次反照率和拉曼散射对T、f和Q及其组合f/Q的影响和交互作用,确定T、f、Q和f/Q的主导影响因子,以期为确定水色反演算法误差来源以及减小反演误差提供定量的依据。研究结果表明,T、f和Q的主导影响因素为太阳天顶角,单次反照率和风速对T、f和Q的影响相对较小,而对f/Q影响最大是单次反照率,其次是太阳天顶角,风速最小,且各影响因素之间具有较强的交互作用。高散射特性水体中,拉曼散射对f、f/Q和T的影响可忽略不计;黄质(CDOM)和叶绿素的荧光特性对f和f/Q的影响随着叶绿素和CDOM浓度的增加不断减小,但在高CDOM和叶绿素浓度的富营养化水体中该影响仍难以忽略。

镀膜相移长周期光纤光栅(PS-LPFG)由于其结构及设计的灵活性可以改善光纤光栅的滤波特性。运用传输矩阵法,讨论了在镀膜PS-LPFG中不同位置引入单个相移、多个π相移时传输谱的滤波特性。研究发现,引入单个π相移时,会在谐振波长两侧出现两个新的阻带;引入多个π相移时,两个主阻带峰间隔随相移个数的增多而增大。进一步研究表明,薄膜厚度可以更灵活地调节镀膜PS-LPFG传输谱损耗峰的位置及损耗峰大小。随着薄膜厚度的增加,两损耗峰的位置向短波长方向移动,当薄膜厚度增大到一定值后,损耗峰位置向长波方向发生较大突变,同时损耗峰峰值急剧减小,随后损耗峰又将向短波方向移动且峰值逐渐增大。波长较大的损耗峰变化滞后于波长较小的损耗峰。

提出了一种基于两端固定压杆的新型光纤布拉格光栅(FBG)波长调谐方法。根据材料力学对基于两端固定压杆的光纤光栅波长调谐进行了理论推导,仿真并重点分析了在调谐过程中谐振峰产生的原因。利用自行设计的调谐装置进行了FBG波长调谐实验,波长调谐量与移动平台位移量成指数关系,实现了FBG波长的双向准无啁啾调谐量35 nm,调谐过程中3 dB带宽的改变量小于0.09 nm。调谐过程具有很好的重复性,迟滞误差为0.08%。

通过在光纤倏逝场间的耦合作用中引入光栅折射率调制扰动,推导出用于分析各种光纤光栅耦合器型滤波器响应特性的统一耦合模方程,并给方程中涉及的参数赋予了明确的物理意义。在此基础上,采用Broyden迭代结合打靶法数值分析了三种光纤光栅耦合器型滤波器的滤波响应特性。分析了相关参数对下话路滤波响应的影响,通过优化参数,可以使光栅辅助耦合器﹑光栅反射耦合器和光栅破坏耦合器分别达到95%,85%和99%的下话路效率。并实验制作了反射峰值分别达到15和18 dB的光栅辅助耦合和光栅反射耦合器。

对于普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测布里渊频移可得到沿光纤分布的温度或应变。但布里渊散射分布式光纤传感器有光时域分析和光时域反射计两种结构,两者具有不同的性能特点和使用场合,在实际传感应用中需要加以选择,用以实现有效的长距离光纤传感。如何在一个系统中融合这两种分布式光纤传感技术,其关键是产生传感所需的频移参考光或探测光。采用光纤激光器作为单一光源,基于微波电光调制产生频移参考光或探测光,并应用正交偏振控制来抑制偏振相关信号衰弱。在同一系统中实现了25 km普通单模光纤的布里渊光时域分析和光反射计,在5 m空间分辨率下达到3 ℃的温度分辨率。

基于普朗克定律的荧光光纤测温仪,采用蓝宝石光纤作为温度探头,蓝宝石光纤物理化学性能稳定,熔点高(超过2000 ℃),在0.3-0.4 μm波段范围内透光性好,具有光波导的特点,在温度光纤传感和近红外传感等领域有很好的应用前景。利用快速傅里叶变换的拟合方法对荧光寿命进行测量,从第一个非零相的相位角的正切值得出被测的荧光寿命,具有速度快,误差小,不受本底干扰等优点,提高了测量的分辨率。测量范围为0 ℃-450 ℃,分辨率达到0.4 ℃。实验表明该测温仪能有效地消除光源不稳定及测量通道中光强变化对测量结果的影响,具有抗电磁干扰强,测温准确,分辨率高等特点。

提出了一种基于时隙分组光码分多址(OCDMA)技术的无源光接入网模型,给出了一种时隙分组OCDMA的随机接入协议,系统采用比特填充单极性m序列为地址码。推导了此种随机接入协议下的无源光网络的网络吞吐量数学模型,并对网络的吞吐量性能进行了分析研究。理论分析和仿真结果表明,分组时隙OCDMA网络具有较高的网络吞吐量,单个用户接收功率的降低或多用户干扰的增加,会降低系统网络的吞吐量。随着负载的增大,单个用户接收功率越小网络的吞吐量越低。通过减小分组长度可以提高网络的吞吐能力。

将两种分别具有正负双折射特性的缺陷结构相结合,在一定波长范围内,设计了一种拍长对波长变化不敏感的多孔双折射光纤。设计方案从均匀分布圆形微孔的光纤端面出发,将靠近中心的一对微孔的半径增大,同时将分布于包层中的其余微孔变为椭圆形状,在不同的波长上分别产生符号相反的模式双折射进行调节补偿。采用有限差分波束传播法计算分析了不同结构参数对多孔光纤双折射的影响,结果表明,调控这些结构参数能在特定的波长窗口获得稳定的拍长,且拍长值也可以根据实际需求设计调整。通过优化结构参数,在1310 nm波长窗口得到了带宽大于180 nm的平坦拍长曲线。

介绍了使用飞秒锁模激光实现稳定的时间频率传输的实验进展。采用1.2 km通信光纤传输89.7 MHz飞秒激光脉冲,同时其中插入一个主动延迟线,通过比较光纤返回的脉冲信号与激光器本地信号的第10次谐波的相位,将180 ps的时延补偿到了36 ps,证明了此方法在光纤传输时频信号的有效性。理论上本系统的延迟时间测量分辨率应为10 fs,由于噪声的原因,实际分辨率有所降低。进一步的工作正在进行,以提高信噪比和系统的稳定性。

实验完成了42.8 Gb/s差分相移键控(DPSK)信号和9.95 Gb/s开关键控(OOK)信号的混合传输。光纤链路总长410 km,由四个放大段组成。每个放大段由标准单模光纤(SSMF)和色散补偿光纤(DCF)构成,采用掺铒光纤放大器/分布式拉曼放大器(EDFA/DRA)混合放大,42.8 Gb/s DPSK信号采用单端检测。给出了差分相移键控信号与开关键控信号分别在单路和混合传输410 km后的眼图光谱图以及误码率曲线。

对正向和反向抽运的L波段双通掺铒光纤放大器(EDFA)的增益改善机制进行了实验研究,比较了两种抽运方案在不同掺铒光纤(EDF)长度下的增益改善效果。结果表明,两种抽运方案的增益改善机制不同,正向抽运方案时EDF中粒子数反转度沿纵向的分布有利于信号光功率在输入输出端附近的放大,进而对抽运输入端附近的放大的自发辐射(ASE)有抑制作用;反向抽运方案则利用抽运输入端附近产生的后向C波段ASE作为辅助抽运源。反向抽运时,因反射端ASE功率过大导致了ASE引起的增益自饱和效应,使得当EDF长度较短时,其增益改善效果比正向抽运方案稍差;正向抽运方案则在EDF长度较长时出现抽运不足问题,并使得输入信号光功率较低时的增益特性变差。

根据目前大坝、隧道和煤矿等工程领域和模型试验中对渗压检测的特殊要求,设计并实现了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)渗压传感器,采用波纹膜片和对称拉杆机械结构通过改变光纤光栅的轴向应变实现渗压传感。利用有限元软件ANSYS分别对传感器膜片的压力特性和传感器外壳抗压特性进行了仿真设计和性能分析,提高了传感器的可靠性并缩短了设计周期。对该传感器进行了压力标定试验,得出该传感器在0-100 kPa的测量范围内,压力灵敏度达20 nm/MPa,比普通FBG提高了6683倍。迟滞特性和重复性试验表明迟滞为0.85%,且重复性好。

研制了输出功率达17.3 W的单频保偏掺镱光纤放大器,并对其输出激光特性进行了实验研究。该光纤放大系统以Nd:罽VO4单频固态激光器为种子源,以保偏光纤为增益介质,通过二级光纤放大,获得了波长为1064 nm的单频线偏振激光输出,输出激光功率达17.3 W。功率放大级光纤放大器的斜率效率为62.8%,光光转换效率为57.6%,偏振消光比为24.3 dB。

介绍了Runge-Kutta光线追迹方法,并以此作为任意折射率介质中光线追迹基本手段;针对具有折射率任意分布性质并且离散的三维流场空间,建立了流场空间任意点的折射率和折射率梯度计算方法;在追迹过程中,提出了追迹步长根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自适应调节的思想和方法,用于提高追迹的精度和效率。结果表明,建立的光线追迹方法适用于三维离散空间折射率任意分布的光线追迹,具有较高的精度和效率。

为了准确、快速地对动态视频序列中的图像进行配准,提出了一种新的基于特征点匹配确定两幅图像间变换关系的方法。首先,根据多约束准则(MR),通过局部信息熵、相似性测度和距离比例不变准则三个约束条件,准确地找到两个点集中的三对匹配点。然后,利用这些点对采用矩阵求解最小二乘法估算两幅图像的仿射变换参数。与相关匹配法相比,MR算法避免了由于图像中运动物体的干扰而产生的伪匹配点对。对于384 pixel×256 pixel的图像,MR算法完成特征点匹配只需2.76 ms,比相关法减少了58%的运算时间。仿射参数在X,Y方向上的估计误差也减小为Δx=0.13,Δy=0.02,远小于1 pixel。基本满足目标检测技术在工程上的速度快、精度高、抗干扰能力强等要求。

为了可靠实现点模式匹配,提出了一种基于谱相关性的概率松弛匹配算法。先根据待匹配点集的形状上下文计算初始匹配概率,然后由待匹配点集构造亲近矩阵并进行奇异值分解,将得到的谱的相关性作为初始支持度。最后利用概率松弛迭代方法实现两个点集之间的匹配。实验结果表明该算法匹配精度较高。

提出了一种基于平方证据权重的模糊证据组合方法,并应用于弱小目标多特征融合检测算法中,采用了证据理论中的基本概率分配函数来描述判决结果的不确定性,首先提取检测图像的局部灰度均值对比度、局部梯度均值对比度、局部差值和局部熵四个特征,然后对特征进行归一化,再对其进行模糊化并根据先验知识和测量统计的结果对目标各特征值所取空间和待识别目标假设集进行基本概率分配,接着采用自适应加权融合的方法得到目标的基本可信度,最后采用基于博弈概率分布的决策规则得到检测后的目标图像。实验结果表明,该算法能在较大程度上降低目标检测过程中的不确定性,提高系统的检测性能。

提出了一种基于调制度分析的快速三维物体识别方法。将两个有一定间距且正交的光栅同时投影到被识别物体表面上,使被识别物体位于两个光栅正焦像面之间,从同一方向获取被物体高度信息调制的正交光栅像,而物体的高度信息就被编码在这个图像中。采用傅里叶变换和空间频域分析,可分别得到两个方向上的基频。然后计算识别参数(每个基频强度的和)的值,识别参数值可以被看作是二维识别空间的一个点,对于不同形状的物体,识别参数值是不同的,所以不同物体的识别参数将对应识别空间不同的位置。计算机模拟实验和实际物体的识别实验证明了此方法的有效性。

为了减少相位展开过程中噪音的影响并获得正确的相位展开结果,提出了一种新型的质量图。首先分析了传统的相位导数方差质量图和基于调制度信息质量图的缺陷。然后基于各向同性的梯度幅值,融合图像锐化方法和调制度信息,构造出一种新型的“调制度罗伯特梯度幅值方差”质量图。最后通过计算机模拟图和模型实例图的相位展开,将提出的质量图与传统的相位导数方差和基于调制度信息的质量图进行了对比。实验结果表明,新的质量图更加可靠,有效地弥补了相位导数方差等传统质量图的部分缺陷。

提出了一种基于二维连续小波变换的电子散斑干涉(ESPI)条纹图相位提取方法。通过检测二维小波脊确定条纹相位,并引入条纹频率作为向导,有效地避免了相位解调过程中的符号奇异性问题,从而使该算法既能处理开条纹图也能处理闭条纹图,且对散斑噪声具有较强的抑制能力。数值模拟和实验结果表明,该方法在抑制散斑噪声的同时能够有效地提取出条纹相位,对开条纹图和闭条纹图都能处理。

为研究大气湍流对合成孔径激光雷达(SAL)的成像影响,采用谱反演法对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了数值模拟,给出了单层及多层叠加的随机相位屏图像;然后以多层随机相位屏叠加方式模拟实际大气湍流,计算了无湍流、弱湍流、中等湍流和强湍流等情况下理想机载单站聚束式SAL对点目标以及扩展目标的成像,模拟成像表明大气湍流对SAL成像的方位分辨率有严重影响,湍流越强,图像方位向分辨率越差;针对湍流造成的SAL图像方位向分辨率降低,采用相位梯度自聚焦(PGA)算法对SAL图像进行了方位向补偿,结果有效地改善了图像的聚焦效果,提高了成像质量。

对反射层析激光雷达近场小系统成像进行了理论分析与模拟验证,当目标处于瑞利索末菲衍射区域,到达目标的波前属于球面波衍射。根据奈奎斯特定律对球面波反射层析图像重建所需角度采样数,单投影采样点数约束条件进行了推导。引入了折线的方法,用于避免平方开方的距离运算,缩短图像重建时间。数值模拟表明此方法可以在降低计算量的前提下实现图像重建,随着探测距离的拉长,折线重建图像与参考图像相似度越来越高。

研究了螺旋型波带片的成像特性。螺旋型波带片是一种新型成像元件,能够实现光学希尔伯特变换,获取边缘增强图像。采用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片的成像进行了数值模拟,分析了其成像特性并实验进行验证。通常螺旋型波带片作为空间滤波器要求物距满足夫琅禾费(Fraunhofer)衍射条件,理论计算表明在某些菲涅耳(Fresnel)衍射区域内螺旋型波带片仍可获得良好的成像效果,因此螺旋型波带片的实际视场比根据夫琅禾费衍射条件限定的视场要大。实验结果与数值模拟的吻合很好。因此利用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片成像质量模拟可以有效评估成像质量,对螺旋波带片显微镜的设计有重要的指导意义。

可调谐激光器产生的非线性啁啾相位误差会降低合成孔径激光成像雷达(SAIL)的距离向分辨率。已有的补偿算法中使用的相移公式存在估算误差,外差脉冲补偿方法也存在补偿误差。由理论推导得到适合于实际有限数据的相移公式,对理想相移公式产生估算误差的物理原因进行了分析。建立了条带扫描模式下星载SAIL的计算机仿真模型,并对两个相移公式的估算误差、整体补偿和逐一扫描滤波补偿两种方法的补偿误差进行了模拟。仿真结果验证了理论推导结论。最后,给出了减少SAIL非线性啁啾补偿算法中估算误差和补偿误差的方法。

利用光照反射模型分析中高轨人造卫星测光特性,以不同形状特性、姿态稳定方式和技术状态的中高轨人造卫星为研究样本,进行可见光波段的时间序列测光观测,并给出了卫星视星等斜距改正和相位角计算的方法。首先,利用球状卫星测光特性实验数据验证了其镜面反射和漫反射光变特性理论模型计算结果,并进一步探讨了复杂形状卫星的光变特征。其次,分别对类柱状受控卫星和失控卫星的理论模型计算结果和实验观测数据进行对比分析。实验结果表明,卫星光变曲线与卫星物理特性,如生存状态、形状特性、姿态稳定方式等相关,可为分析卫星的技术状态及其历史演化过程提供判定依据。

探讨了天基红外探测系统的杂散光来源,运用黑体辐射的理论分别对其大小进行了分析和计算。分析地气杂光在探测器靶面的辐照度时,通过在仿真软件中建立模型,应用追迹光线的方法得到了地气表面对相机所张的立体角,从而求出地气杂光在探测相机靶面上的辐照度,减小了计算的复杂度。然后对探测系统的噪声进行了分析,计算了某一个型号Sofradir焦平面器件的噪声等效辐照度(NEI),通过比较发现,杂散光在探测器靶面的辐照度远大于热像仪的NEI,必须对杂散光采取抑制措施。最后对地气杂光的抑制比和光学系统的致冷温度要求进行了分析,结论为系统的设计提供了参考。

基于基尔霍夫定律,研制了一种采用双光路对比法测量中、高温物体发射率的实验装置。该装置由样品加热系统、信号检测与处理系统以及显示系统三部分组成。用该装置测量了两种标准不锈钢样品(光滑钢片和粗糙钢片)在不同温度下的发射率,并采用最小二乘法将测量数据拟合成解析函数。分析了该装置的发射率测量不确定度随温度的变化关系。结果表明,在800 K-1100 K内,光滑钢片发射率的最大不确定度为σε=4.26×10-3,由此引起的测温不确定度为σT=0.497 K,σT/T=0.0611%;粗糙钢片发射率的最大不确定度为σε=3.80×10-3,由此引起的测温不确定度为σT=0.415 K,σT/T=0.0507%。

基于国内的材料生产和半导体工艺条件,研制了10 Gb/s光电集成(OEIC)光接收机前端,并采用耗尽型赝配高电子迁移晶体管(PHEMT)设计并实现了限幅放大器。光接收机前端组成形式为金属-半导体-金属(MSM)光探测器和电流模跨阻放大器,借助模拟软件SILVACO建立并优化了器件模型,探测器光敏面50 μm×50 μm,带宽超过10 GHz,电容约3 fF/μm。研究并改进了腐蚀自停止工艺并实际应用于OEIC器件制作,芯片面积为1511 μm×666 μm。限幅放大器采用无源电感扩展带宽,并借助三维电磁仿真软件HFSS进行模拟仿真。限幅放大器芯片面积为1950 μm×1910 μm,在3.125 Gb/s传输速率下,分别输入信号幅度为10和500 mV,可以得到500 mV恒定输出摆幅。

从波导微环谐振腔的光场传输函数出发,推导出其延时响应函数,分析了微环波导损耗对其延时响应特性的影响,发现应用于光学相控阵天线系统的微环谐振腔光延时线必须工作于过耦合状态,即耦合系数κ与微环波导损耗因子γ应满足关系式κ>(1-γ)。以延时抖动品质因子ε为判据,建立了微环谐振腔光延时线的优化设计方法,获得了目标延时为0.6 ns,延时带宽为2 GHz,延时抖动品质因子小于1×10-3 ns2的四环级联波导微环谐振腔光延时线的优化结构参数。

利用非线性偏振旋转效应可在能量对称的非线性光纤环镜中获得强度相关损耗输出,具有该特性的非线性光纤环镜可作为强度均衡器来抑制室温条件下的掺铒光纤中的模式竞争。对这种环镜在多波长掺铒光纤激光器中的应用进行了研究,分析了入射偏振态和环镜内双折射对非线性光纤环镜输出特性的影响,研究了激光腔内光场的偏振条件以及对多波长激光系统的作用,并在L波段获得了3 dB范围内13条波长输出,波长间隔为1 nm,单波长半个小时内的功率波动小于0.6 dB。通过调整非线性光纤环镜引入的强度相关损耗的大小可以控制多波长的数目和频谱位置。

报道了连续激光二极管单端抽运Nd:YVO4单频激光器的实验研究。对“8”字结构环形谐振腔在稳腔条件下,基于热透镜效应分析了工作物质中心本征模半径与抽运光平均光斑半径的关系。工作物质热沉采用自然散热,当抽运功率为30.3 W时,获得了稳定的1064 nm单频激光输出,功率为10.48 W (线偏振光功率为10.02 W);光-光转换效率约为34.6%;光束质量为M2X=1.18和M2Y=1.19;1 min内输出激光频率漂移小于70 MHz;4 h功率不稳定度优于0.5%。

采用激光二极管( LD) 抽运c轴切割的Nd:GdVO₄晶体,声光调制器作为主动调Q开关,Cr4+:YAG饱和吸收体作为被动调Q开关,实现了声光Cr4+:YAG 主被动双调Q 1.06 μm 激光运转。实验结果表明,通过改变声光调制器和Cr4+:YAG饱和吸收体在谐振腔内的位置,可以有效地控制脉冲宽度,同时获得了双调Q激光的单脉冲能量、峰值功率的变化范围。根据ABCD矩阵传输理论计算得出的腔内模式半径沿腔轴的变化关系,考虑腔内振荡光强的空间高斯分布以及声光调制的渡越时间,给出了LD抽运声光Cr4+:YAG主被动双调Q激光的耦合速率方程组,理论计算与实验结果相符。

高功率全固态激光器的诸多腔内扰动因素均会直接影响到激光输出功率和光束质量。首先采用传输矩阵方法简要讨论了在稳定腔情形下热透镜焦距与本征模式光斑尺寸的关系。进一步采用Hartmann-Shack波前传感器和模式法波前重构,对二极管抽运全固态声光调Q激光器输出倍频光束质量进行了分析,得到前35阶Zernike像差系数、波前峰谷值和均方根等畸变参量,计算还可得到点扩散函数分布和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量和动态像差特性。分析表明输出倍频光的波前Zernike像差主要集中在前15 阶,由于晶体热效应及腔内其它扰动因素的影响,较显著波前像差有离焦系数Z3、低阶像散Z4和Z5,以及球差Z10等。

利用两种腔镜组合对XeF激光光谱进行了研究。在同一实验条件下,可同时获得B－X和C－A两种跃迁的激光输出,XeF(B－X)激光比XeF(C－A)激光早800 ns形成。详细研究了XeF2初始分子数浓度对XeF激光光谱的影响,结果表明,低XeF2分子数浓度条件不利于XeF(B－X)激光形成,随着XeF2分子数浓度增高,B－X跃迁光谱呈现出多条分立谱线的特征。给出了两种腔镜组合条件下XeF(C－A)激光光谱,XeF(C－A)激光光谱特征是宽带连续谱,在光谱中可观察到Xe原子的吸收线。选用合适的腔镜组合可实现XeF(C－A)激光的窄带输出,带宽约为7 nm。

正负旋四频差动激光陀螺是一种除反射片外腔内无光学元件的新型四频差动陀螺,其激光工作模式为椭圆偏振本征模。为研究其工作特性,以椭圆偏振模式为本征模,从兰姆半经典自洽场理论出发,结合密度矩阵运动方程,采用三阶微扰处理方法,得出了椭圆偏振模式下的兰姆系数。分析表明,圆偏振本征模下的兰姆系数经加权后可得到椭圆偏振本征模下的兰姆系数,权重是正/负旋圆偏振模电场强度分量大小占椭圆偏振模总电场强度大小比重的平方。由此建立了正负旋四频差动激光陀螺矢量自洽方程组,初步实验验证了理论公式的有效性,可用来对正负旋四频差动激光陀螺进行理论研究。

传统光束质量测量装置不能有效测量脉冲激光的M²因子。为实时检测脉冲激光M²因子,将正交散焦光栅和短焦透镜密接配合使用,同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布,用二阶矩方法计算束宽,并经双曲线拟合得到被测光束的M²因子。根据高斯光束的薄透镜变换理论,分析了被测光束束腰宽度和束腰位置变化对测量精度的影响,得到了正交散焦光栅M²因子测量系统对测量参数要求低、动态工作范围大等结论。实验测量了1064 nm Nd:罽AG固体脉冲激光器单个脉冲的M²因子、脉冲之间的M²因子变化和光束M²因子随电压的整体变化情况。结果表明此系统实现了对脉冲激光M²因子的测量,并能实时检测激光工作过程中的M²因子变化。

利用柯林斯(Collins)传输公式和将硬边光阑展开为有限个复高斯函数之和的方法,分析了在静态高功率激光器系统中选取不同尺寸的空间滤波器小孔对谱色散匀滑(SSD)效果的影响,并且通过K.R.Manes等提出的统计光学模型,给出了存在相位畸变和振幅调制时小孔选取的模拟计算方法。数值模拟表明,在神光Ⅱ第9路多功能激光器系统中,目前使用的空间滤波器小孔会使部分色散光束的光谱成分被阻断,使得焦斑通量对比度从无孔时的22％增大到36％,影响光SSD效果;分析给出了满足光SSD使用的空间滤波器的小孔尺寸。

多波长窄线宽激光光源可以大幅降低高密度波分复用器(DWDM)光网络节点设备的光源成本。用有源光纤环形腔内相位调制方法来产生多波长光源,避免了激光阈值特性引起的模式竞争导致的输出功率稳定性差的缺点,通过腔长控制与射频调制频率调节可以实现数百个波长窄线宽激光稳定输出,导出了该方法产生多波长光源光波表达式。数值计算结果表明:相对总输出和单波长相对输出与组成光纤环形腔的输入/输出耦合器的耦合系数和相位调制器的相位调制深度有关,耦合器的耦合系数在0.9以下,同时相位调制深度在2.0 rad以上有利于输出功率稳定,总输出和单波长输出功率分别达到几百毫瓦和毫瓦级。对任意边带激光线宽的理论分析和计算显示:在腔内环行时间不是远大于输入光的相干时间时,任一波长激光的线宽与输入激光的线宽相当。

采用水热法合成了不同Tb³⁺浓度掺杂的单分散球形BaWO₄绿色荧光粉。通过粉末X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM),能量色散光谱仪(EDS)来表征荧光粉的晶体结构、颗粒大小、形貌及成分;激发光谱和发射光谱以及荧光衰减曲线来表征荧光粉的荧光性能。XRD分析确认不同Tb³⁺浓度掺杂的BaWO₄具有白钨矿结构;SEM图像显示不同 Tb³⁺浓度掺杂BaWO₄为单分散的球形荧光粉以及颗粒大小为2-4 μm。研究Tb³⁺离子掺杂浓度对发光强度的影响,结果表明,荧光粉中Tb³⁺离子的最佳掺杂原子数分数为12%。发射光谱表明在254 nm的UV光激发下12% BaWO₄:罷b荧光粉样品与商用绿色荧光粉LaPO4:罜e,Tb发光强度相当。由于Tb掺杂的BaWO₄绿色荧光粉具有优良的发光性能和容易制备的特点,有望成为新一代的绿色荧光粉。

在还原气氛下采用高温固相法合成了白光发光二极管(LED)用荧光粉Ca0.98-ySi2N2O2:?.02Eu²⁺,yM3+,其中M为Gd(1%-12%)或者Dy(0.25%-6%)。利用X射线衍射仪分析其物相结构,发现稀土离子的掺入并没有改变其主晶相,仍为单斜结构。利用荧光分光光度计测试并分析激发光谱与发射光谱,样品在380 nm处有很宽的激发谱带,在位于550 nm处存在很宽的发射谱带,此发射谱归因于Eu²⁺离子5d-4f的电子跃迁。Dy³⁺ 与Gd³⁺离子对Eu²⁺发光具有明显的敏化作用:Dy³⁺的摩尔分数为1%时,发光强度增加39%,达到最大值;Gd³⁺则在摩尔分数为6%时,发光强度最强,增强了43%。并根据掺杂离子的能级特点对其发光微观机制进行了初步探讨。

用提拉法生长了新型激光晶体Yb³⁺:GdTaO₄,测量了它的吸收和光致发光光谱,计算了它的光谱特性参数。Yb³⁺:GdTaO₄的吸收半峰全宽(FWHM)为56 nm,约为Yb³⁺:YAG的2.4倍;吸收峰为930,957,974 nm,吸收截面分别为0.81×10^-20,0.91×10^-20,1.2×10^-20 cM²;光致发光发射主峰为1016,1035 nm的FWHM分别为42,57 nm,为Yb³⁺:YAG的4-6倍,发射截面约为2.29×10^-20,1.36×10^-20 cM²,与Yb³⁺:YAG相当。它的宽吸收带有利于降低抽运激光二极管(LD)的温度调控依赖,宽的发射带则有利于实现超短脉冲和可调谐激光输出。结果表明Yb³⁺:GdTaO₄是非常有希望的全固态超短脉冲激光、可调谐激光的工作物质。

将O2-PLS方法应用于近红外血糖无损检测的基础实验中,将光谱矩阵和浓度矩阵中的目标因素和非目标因素分离,只取两矩阵中的目标因素建立校正模型。分别选用成分逐渐复杂的二成份葡萄糖溶液、四成份葡萄糖溶液和人体血浆样品作为研究对象,采用分组验证法对所建模型进行验证。结果显示,模型的预测相关系数均达到0.999,预测均方根误差(RMSEP)分别为1.446,1.93,.274 mg/dL(1 dL=0.1 L),预测精度均高于传统偏最小二乘回归(PLS)预测。而且相对于传统PLS模型,O2-PLS模型的预测精度受样品复杂程度的影响较小。结果表明,O2-PLS方法更适用于成分复杂的样品检测。

针对简并光学参量振荡器的非线性动力学特点,应用两个简并光学参量振荡器之间的互耦合法,研究了简并光学参量振荡器的混沌反控制与混沌同步。数值模拟了简并光学参量振荡器从周期输出到混沌输出的转换,理论计算了对于不同抽运强度的简并光学参量振荡器实现从周期输出到混沌输出的转化需要的最小互耦合系数。数值分析结果说明,具有不同的抽运强度和互耦合系数的简并光学参量振荡器形成的混沌吸引子不同,只要两个互耦合的简并光学参量振荡器实现混沌输出,这两个简并光学参量振荡器之间就能实现混沌精确同步,根据耦合方式的不同,两个简并光学参量振荡器之间存在两种同步方式,即同向同步和反相同步。

温度对具有双光子光折变效应的介质中屏蔽空间孤子的稳定性具有显著的影响。由屏蔽空间孤子演化方程得到的亮和暗屏蔽空间孤子解是温度相关的,在室温范围内,双光子光折变介质中屏蔽空间孤子光强和强度半峰全宽(FWHM)均受温度的影响而发生明显变化。随着温度的升高,双光子光折变介质中形成光强较小的亮和暗屏蔽空间孤子,在较大光强情况下,形成FWHM较小的亮屏蔽空间孤子;在小光强情况下,随着温度升高,双光子光折变介质中形成FWHM较大的亮和暗空间孤子;并且亮屏蔽空间孤子在介质中的空间偏移和角偏转都随温度的降低而增加。

切换变倍光学系统能实现系统两档/多档变倍,根据切换变倍光学系统特性,完成切换组元焦距与系统组元间隔、焦距、F数和系统变倍比之间关系理论研究,在窄视场子系统中旋转切入"负-正"搭配透镜组实现宽视场(短焦)子系统,同时要求该窄视场时,视场变换透镜组元不挡光。通过设计中波切换变倍光学系统实例,验证了所推导出的公式的可靠性。切换变倍系统能实现系统两档/三档变倍,且视场间切换时间快,窄视场子系统系统片数少、 系统作用距离远,符合系统搜索跟踪一体化需求。

利用蒙特卡罗方法根据团簇团簇凝聚(CCA)模型对由球形原始粒子凝聚而成的烟尘团簇粒子进行了模拟,用离散偶极子近似(DDA)方法研究了烟尘团簇粒子随机取向时的激光散射特性,并与等效球形粒子的激光散射特性进行了比较。结果表明,等效球形粒子的激光散射特性与随机取向烟尘团簇粒子的激光散射特性存在着明显差别,不能用等效球形粒子来代替随机取向的团簇粒子;随机取向的烟尘团簇粒子的激光散射特性受基本粒子数量和粒径的影响比较大。该结果将为进一步研究随机取向团簇粒子的形成机理、形态特性以及激光在其中的传输特性提供了一种理论方法。

电子束沿多层膜表面运动时会产生自发辐射。分析自发辐射的精确波长公式、自发辐射中电子束品质的变化规律和电子自发辐射的功率后得出:电子束沿金属-介质多层膜表面运动时产生自发辐射,电子束内各种速度的电子数都按指数规律变化,实际电子束自发辐射的总辐射功率与金属-介质多层膜的空间周期成反比。

为分析空泡在壁面附近溃灭导致的冲击波和射流特性,提出将激光空化、高速摄影技术应用于激光空泡的空蚀研究。建立了壁面附近激光空泡的产生、微调控制及高速摄影测量实验平台。采用高速摄影技术对不同液体、不同γ参量条件下空泡脉动的外形特征、溃灭冲击波和溃灭射流等参量进行了测量。结果表明,壁面的存在弱化了空泡溃灭时的收缩程度,空泡溃灭时的冲击波和射流对壁面的破坏作用存在着此消彼长,相互竞争的关系;空泡在壁面附近脉动时,回弹泡的溃灭对壁面也可产生较强的破坏作用;液体的粘性增大有助于空泡表面维持稳定,减缓空泡溃灭时泡壁的运动速度。

从费米原子俘获在谐振势中出发,采用托马斯费米的半经典近似(Thomas-Fermi approximation),计算了自旋极化费米子的空间分布函数,对费米原子吸收成像的光学密度分布进行拟合,分析得到粒子数,费米温度和实际温度。采用这种方法,对实验中获得的40K费米原子吸收成像的光学密度分布进行拟合,得到了费米气体量子简并参数T/TF。

利用塞曼减速法在磁光阱(MOT)中实现锶原子一级冷却,使用塞曼减速器对进入阱区前的热原子束进行减速,实验时该减速器线圈通入10.2 A电流,阱区反亥姆霍兹线圈通入10 A电流时,中心区域线性磁场梯度为4 mT/cm,用于冷却和俘获的激光波长为461 nm,其对应于锶原子(5s2)1S0→(5s5p)1P1的能级跃迁。通过实验获得了锶4种同位素的冷原子团、探测到相应的冷原子荧光光谱,并且测定其中88Sr,87Sr和86Sr的冷原子数目分别为1.759×106,1.759×105和2.638×105。

选取二氧化钛与二氧化硅作为薄膜材料,借助膜系设计软件优化设计膜系。采用离子源辅助沉积的真空镀膜方法,通过调整镀膜工艺参数,减少膜厚控制误差,在石英基底上成功镀制了符合使用要求的多波段滤光膜。所镀膜层在420-640 nm与近红外920-960 nm波段的平均透射比大于95%,680-880 nm和990-1100 nm波段的平均透射比小于3%,能够承受恶劣的环境测试,完全满足红外夜视摄像机的使用要求。

利用自行设计的实验装置,研究了同步辐射光活化氧对光学元件表面碳污染的清洗作用。清洗前样品的碳层厚度为10.3 nm,同步辐射光被引入实验用真空室内,真空室内干燥氧气的压强维持在1.0 Pa,研究显示同步辐射活化氧能有效地清除硅片表面的石墨型碳层。通过测试清洗前后碳膜的反射率和使用IMD软件对清洗后硅片反射率的拟合,可得碳层的去除率为1.75 nm/h。