提出了采用单束平面光波照射圆孔与二元相位板组合系统产生蓝失谐空心光阱的新方案,分析了空心光阱的光强分布和相应的光学囚禁势分布与相位板相位值φ的关系,并导出了光阱的几何参量与光学系统参量间的解析关系。研究发现,通过二元相位板的相位调制作用可改善空心光阱的光强分布,产生具有更大囚禁体积和更高有效光强的空心光阱。当用功率100 W波长540 nm的倍频掺镱光纤激光照射圆孔与π相位板组合系统时,对87Rb原子的光学囚禁势可达80.2 μK,该方案不仅装置简单可行,操作方便,而且在冷原子分子物理、原子分子囚禁和生命科学领域,有着广阔的应用前景。

对基于差分群时延的磁场测量方法中光纤布拉格光栅(FBG)结构的影响进行了分析。利用耦合模理论和传输矩阵法仿真,分析了均匀FBG的长度和折射率调制系数对传感系统测量范围和灵敏度的影响。同时改变FBG制作结构,研究了啁啾光栅、相移光栅和切趾光栅的差分群时延性能。并对各种光栅结构的差分群时延峰值大小进行了理论和实验比较。对均匀光栅和相移光栅的实验比较测量表明,采用相移光栅结构可以明显提高传感测量系统的灵敏度,实验数据和理论吻合较好。

在光四相相移键控系统中,相位噪声主要源于激光器的线宽、激光器的相位偏移、同相支路(I路)和正交支路(Q路)相位不匹配、90°混频器的相位不平衡以及光纤和器件等引起的相位变化。这些相位噪声对相干光通信系统性能影响很大。提出一种改进的相位估计算法,采用前向反馈方法对信号取n次方后再取对数。仿真结果显示该方案可以消除7.5 MHz的激光器线宽、30°激光器相位偏移、20°调制器I路/Q路的相位偏移或90°混频器的相位不平衡对系统误码率的影响,并能提高1 dB的光信噪比,显著改善了系统性能。

以非线性薛定谔方程为基础,针对纳秒量级高斯型啁啾脉冲在单模光纤中的传输问题展开讨论,利用分步傅里叶方法,通过数值模拟,研究讨论了色散与非线性效应对展宽器展宽后啁啾脉冲频谱以及波形的影响,在此基础上,讨论了压缩后输出信号光的对比度问题。研究结果表明,中心波长为1053 nm的低峰值功率(I<30 mW)输入啁啾信号光脉冲,在单模光纤内传输200 m后,脉冲对比度在3 ps的时间窗口上可达到1025量级。

低成本脉冲光源应用于光码分多址系统,有助于光码分多址系统的实用化进程。对实用化的啁啾脉冲光源应用于光码分多址系统进行了优化改进。研究啁啾脉冲光源本身啁啾的消除即压缩啁啾脉冲对编解码性能的提升作用。针对通常实用的啁啾脉冲光源的谱宽相对较窄而不能充分覆盖编解码频谱的现实,研究利用编解码器频谱的半边带进行编解码以改善解码性能的效果。仿真和实测数据表明,对啁啾脉冲进行消啁啾、压缩脉宽有助于提高编解码性能;利用编解码频谱的半边带进行编解码能够更加充分利用光源频谱,编解码性能进一步得到优化。研究结果表明消啁啾和半边带能够改进啁啾脉冲光源用于光码分多址系统的有效性。

提出了一种测量液体折射率的光纤液体分析仪。利用液体表面张力的作用,在光纤探头端形成一个液滴。该液滴的作用相当于一个平凸透镜,发射光纤出射的光经液滴表面折射、未扰液面的反射和液滴表面的再次折射后进入接收光纤。根据菲涅耳公式,光线在各个界面的透射系数和反射系数与液体的折射率有关,且对于不同的液体,光线的传输路径不同。基于球面折射成像和反射式强度调制原理,分析了光线的传输路径,并建立了接收光纤接收到的光强与液体折射率的关系模型。对不同浓度的NaCl溶液进行了测量,实验结果符合理论预期,表明该方法可以用于液体折射率的测量。

提出了一种基于光纤分数塔尔博特(Talbot)效应的光脉冲序列的倍频方法,介绍了Talbot效应的基本原理;应用自制的可调色散补偿器,将光纤锁模激光器产生的重复频率为10 GHz、脉宽约2.8 ps的窄脉冲序列倍频到重复频率为20,40和50 GHz的脉冲序列,也将重复频率5 GHz的窄脉冲序列经8倍频变换得到40 GHz的脉冲序列;通过分析窄脉冲序列的频谱,指出了实验中倍频得到的40 GHz和50 GHz脉冲质量下降的原因,提出了相应的优化措施。

对矩形谱宽带光抽运下的布里渊慢光延迟特性进行了理论分析。在小信号增益情况下,得到了高斯脉冲延时量、脉冲展宽因子和增益的解析表达式。计算结果表明,当信号光的10 dB带宽小于抽运光带宽的0.357时,解析解和数值解吻合,且信号光脉冲能实现零展宽延迟。单个矩形谱宽带光抽运能达到的最大有效布里渊增益带宽为20 GHz,可以实现半峰全宽约100 ps的高斯光脉冲的零展宽延迟。与高斯谱宽带抽运光相比,矩形谱宽带抽运光可减小脉冲失真。

棱镜气室相较于传统渐变折射率透镜(GRIN)气室在灵敏度调节性及抑制干涉噪声方面优势明显。基于比尔朗伯(Beer-Lambert)定律在气体弱吸收时的近似表述,以大气环境为背景,利用背景扣除和谐波检测技术,实现了常压下甲烷不同体积分数水平(0-20 %)的检测。依据实测的甲烷在不同体积分数时的直接吸收谱,结合现有分布反馈式激光二极管(DFB-LD)光源选择2ν3带的R5支(1648.212 nm)作为被测吸收峰。气体配置过程中的在线实验表明系统示值与体积分数变化间线性关系良好,而且系统的稳定性和动态响应特性理想。该系统可根据不同现场环境的甲烷体积分数水平,通过步进电机调节气室内有效吸收光程,动态调整系统灵敏度,可作为煤矿巷道或天然气管道沿线的瓦斯监测仪器。

利用光纤偏振分束器和3 dB耦合器搭建偏振分集90°光学混频器,采用单端接收实现了偏振分集的相干接收机。实现了10 Gb/s偏振复用差分相移键控(DPSK)光信号,经过280 km普通单模光纤(SSMF)和掺铒光纤放大器(EDFA)传输后的数字相干接收,测量无误码。研究了数字相干光接收中的各种信号处理算法。采用数字信号处理算法完成载波相位估计,数字滤波器补偿光纤色散,恒模算法进行自适应数字偏振解复用等。研究了90°光学混频器的非理想正交特性,运用统计方法补偿了光学混频器偏离90°的误差,此算法和信号格式以及光纤色散等因素无关。使用恒模算法实现数字偏振解复用,该算法收敛时间小于0.5 μs。

实验研究了一种采用马赫曾德尔强度调制器和光交叉复用器(IL)产生58 GHz光载毫米波传输正交频分复用(OFDM)信号的波分复用光纤无线通信(WDM-ROF)系统。中心站的4路连续光波耦合后输入射频(RF)信号频率为29 GHz的强度调制器进行双边带(DSB)调制,再用另一个强度调制器将2.5 Gb/s的OFDM信号调制到DSB信号上。经20 km单模光纤(SMF)传输至基站,通过IL将中心载波和一阶边带分离。经可调谐光滤波器(TOF)滤取所需信道的一阶边带,由高速光电检测器产生58 GHz的电毫米波,利用相干解调恢复下行OFDM基带数据信号。实验结果表明,在无色散补偿和误码率为10-3的条件下,下行OFDM信号经光纤传输20 km后的功率代价小于0.5 dB,而且星座图依然清晰。

研究了用于提高激光脉冲对比度的全光纤结构脉冲清洁器(OPC)。对利用非线性偏振旋转效应(NPR)提高脉冲对比度进行了理论分析。计算了脉冲清洁器对主脉冲峰值透射率与入射角度和光纤长度的关系,模拟了输出脉冲波形和脉宽的变化,并对1053 nm波长的百皮秒入射脉冲进行了实验。主脉冲与连续背景噪声的对比度提高47.5 dB以上,主脉冲与预脉冲对比度提高16.94 dB以上,输出信号的连续背景功率和预脉冲强度均低于探测器的最小响应极限。主脉冲的峰值功率透射率达28.05%;脉冲宽度由92 ps压缩至64 ps,与理论预期相符。利用可变衰减加光电转化的方法测量了1 Hz重复频率的脉冲对比度及信号透射率,解决了利用自相关仪不易测量低重复频率信号的问题。采用灵敏度更高的测量方式将测得更高的对比度提升。

计算机层析(CT)扫描过程中,为了加快速度,同时减少X射线对人体的伤害,在有限角度下采样少量的投影数据进行不完全数据重建就显得非常重要。基于总变分最小化的图像迭代重建算法,能够较好地应用于有限角度CT重建,然而,其最小化函数的权值参数必须通过大量的实验观察比较才能被确定。即便这样,得到的参数往往也不是最优的。为此,引入了一种基于乘性正则化的迭代重建算法,将总变分函数作为最小化函数的一个因子,在具有总变分方法优点的同时,能够在迭代过程中自适应地调整正则化参数。仿真实验验证了该算法的有效性。

建立有效的观测模型去区分目标与背景是实现稳健跟踪的核心。提出了一种基于多特征观测的红外目标跟踪算法。灰度特征、局部标准差特征和梯度特征均以直方图的形式描述目标外观;目标观测模型的构建则根据环境自适应权衡了以上三个特征,相应的各特征权值的动态选择通过最大化目标与其他图像区域的差异完成。在粒子滤波框架下,实现目标运动状态的估计与多特征权值的选择。真实场景实验结果表明,该算法在目标外观高动态、背景强杂波的红外目标跟踪中具有更强的稳健性。

提出了一种快速高精度的摄像机主动视觉标定方法,建立了摄像机模型并详细分析了其各项参数的求解算法。标定时,令摄像机作一组二维的平移运动,采集圆孔靶标件的图像并计算圆心的像点坐标,同时记录摄像机的移动距离,得到标定所需的特征点。利用这些特征点计算摄像机标定参数,标定精度可达到0.005 mm。利用该方法定制的标定模块实现了摄像机的自动标定。该方法对摄像机运动的限制条件较少,并基本实现了摄像机模型参数的线性求解,为主动视觉系统的摄像机标定提供了一种有效的解决方案。

为了研究棱镜色散的非线性对短波红外(1.0-2.5 μm)成像光谱仪采集景物辐射能量和信噪比(SNR)的影响,首先推导出系统采集辐射能量和光谱采样计算表达式,并在短波红外光谱范围内进行了计算分析。结果表明,在相同的光谱通道数前提下,与等间隔光谱采样方法相比,单棱镜色散成像光谱仪探测器像元采集到的景物辐射能量,在1.0-1.85 μm光谱范围比较高,在1.85-2.5 μm光谱范围比较低,信噪比具有类似的特点;随着光谱采样通道数的增加,大气的弱吸收特征越来越明显地表现出来。

提出了一种基于可控旋转的主动视觉标定方法,通过控制像机围绕光心(或光心附近)做旋转运动,能够将等效焦距与其他参数分离开来,求解精确的等效焦距。该方法需要控制像机绕其坐标轴进行两次旋转以标定横纵等效焦距。当采用横纵等效焦距相等并且图像主点取为图像中心的简化成像模型时,只需要一次旋转运动即可标定像机线性参数。在此基础上提出了传统标定方法和基于可控旋转方法相结合的像机标定技术,控制摄像机拍摄空间坐标已知的标定块并做一定的旋转运动,从而高精度标定包含像差系数的像机内外参数。实验表明,使用基于可控旋转运动标定方法得到的像机参数进行位姿测量时达到了很高的精度。

介绍了一种新型的辐亮度绝对定标的方法原理和实验装置。采用355 nm激光抽运偏硼酸钡(BBO)晶体,产生两个下转换光子波长分别为532.75 nm和1064 nm。利用这对可见红外下转换相关光子对在时间、空间上的高度相关性,在红外下转换光子方向注入1064 nm待测激光光源,通过测量532.75 nm的下转换光子信号的光子计数,实现1064 nm激光光源辐亮度的绝对定标,并将红外波段的测量转移到了可见光谱区域内。改变待测激光光源的功率,实验结果显示具有较好的线性。实验过程中设置输入光功率为3.39 mW,在对系统的各项损耗和效率进行评估的基础上,测量得到相应的辐亮度大小为4.09×1017 W/(m2·sr),相对不确定度为4.78％。

空间调制干涉光谱成像仪通过干涉仪分光,在探测器上得到干涉条纹,经过软件复原后最终得到目标的光谱信息。发射前的室外辐射定标中的定标光源为太阳,可以有效地弥补实验室辐射定标时定标光源(太阳模拟器)短波波段辐亮度低,导致干涉光谱成像仪短波输出信噪比低、光谱复原精度低的缺点,通过室外辐射定标模拟遥感光谱仪探测地物目标的太阳反射光谱特性,可以得到地物目标的准确光谱信息,并与实验室定标的结果进行相互验证。经过理论研究和计算,使用了两种定标方法大气漫射板测量法和标准传递辐亮度法进行室外定标,在大理的室外定标结果表明,大气漫射板测量法的定标不确定度为6.3%,标准传递辐亮度法的定标不确定度为6.0%。

介绍了超高压条件下应用于透明材料中冲击波速度直接测量的成像型速度干涉仪技术。利用成像型速度干涉仪技术研究了间接驱动实验中产生的预热效应对冲击波速度计算的影响。对预热效应出现的时间点进行了分析,发现在辐射温度高于160 eV以后,不能从现有速度干涉仪系统获得的实验结果直接反演出冲击波速度。对实验数据进行了处理,获得了预热出现时间点的实验数据,发现预热效应出现在方波激光脉冲平台期到达时刻,在激光最强处达到最大,而且在激光脉冲平台期结束后,预热效应可以逐渐恢复。实验发现,对辐射温度高于160 eV获得的实验结果,可以从条纹断点直接外推,得到冲击波减速数据。讨论了条纹外推方法处理间接驱动条件下方波打靶时,使用固体无机透明材料作为窗口获得的实验结果。

研制了用于瑞利散射多普勒激光雷达的三通道法布里珀罗(Fabry-Prot)标准具,采用He-Ne激光对其进行检测,利用产生的干涉图案检测了两个边缘通道的厚度差为74.70±2.24 nm,对应频谱间隔为5.05±0.07 GHz;锁定通道与其中一个边缘通道的厚度差为27.16±1.90 nm,对应频谱间隔为1.79±0.07 GHz。数值模拟结果表明:采用脉冲能量350 mJ波长355 nm、重复频率30 Hz的激光器和口径450 mm的望远镜,利用该标准具作为鉴频器,在0-40 km高度,瑞利散射多普勒激光雷达的径向风速测量误差小于2.53 m/s,测量精度比理论设计值2.94 m/s提高了约14.1%。

利用自行研制的光谱辐亮度响应度定标系统对CIMEL CE318的天空散射通道进行绝对定标,对于无偏675,870和1020 nm和三个偏振870 nm通道合成标准不确定度优于1%。对于同一台太阳辐射计,定标系数与NASA的相对偏差在±1.4%以内,说明了定标结果的可靠性。

星敏感器标定是对其内部各种参数的估计,能有效减小星敏感器的系统误差,提高其姿态输出精度。根据待定系数标定和内部参数标定参数的不同,建立了星敏感器标定参数模型。并针对不同标定模型,分别介绍了各种标定参数的地面标定方法和计算方法。在分析现有在轨标定方法、比较在轨标定和地面标定的差别的基础上,重点分析了星敏感器焦距和主点等内部参数的在轨标定方法,采用扩展卡尔曼滤波对在轨星图进行处理。仿真结果表明,焦距和主点估计值的扩展卡尔曼方法较最小二乘估计法,其收敛速度快、稳定性好且精度高,在5000幅星图后输出即可稳定,可有效去除星点随机误差影响,提高标定精度。

对于反射光含镜面反射的物体而言,由于镜面反射的存在,将会导致图像中存在许多的高亮区。因为镜面反射光强相对较强,因此图像中高亮区镜面反射光会不可避免地掩盖漫反射光场分布中的相位信息,从而导致错误的三维面形测量。从分析傅里叶变换轮廓术中光场的偏振特性出发,利用光学器件的滤光作用,结合现有傅里叶变换轮廓术和Phong光照模型,实现了含镜面反射的物体面形的三维测量。理论分析与实验结果均证明了镜面反射将影响调制光场的高度分布,并且还证明了提出的测量方法可有效消除投影光源造成的高反光区域,极大地扩展了傅里叶变换轮廓术的测量领域。

常规棱镜表面等离子体共振(SPR)传感器检测系统共振波谷浅且谷底平坦,从而导致共振波长不易确定。在常规棱镜SPR传感器系统基础上,加入偏振分光棱镜(PBS),构建了一种新型棱镜SPR传感器系统。对PBS的分光带宽展宽进行了研究,提出了基于膜系设计的展宽方法。在无水乙醇检测的实验中,滤除s偏振光后,共振波谷谷底曲率半径由86.2394减小到39.3990,近似减少为滤除s偏振光之前的1/2,这与理论分析相吻合。采用常规和新型棱镜SPR检测系统分别对折射率在1.32-1.39内的6种液体进行了测量,分辨率从1.62×10－4提高到1.55×10－4。该系统能较好地滤除s偏振光,使得共振波谷更加尖锐,从而提高共振光谱的检测精度。

设计并研制了一种新的微型非本征光纤法布里珀罗(F-P)压力传感器。传感器采用普通的商用单模光纤和多模光纤制作。全石英结构,能长期使用,且稳定性好。传感器制作过程仅通过切割光纤、腐蚀光纤和光纤熔接实现,基于F-P多光束干涉原理测量压力。分析了F-P腔的直径、膜厚与灵敏度的关系,确定了传感器的膜厚和腔深等参量,设计了传感器的加工步骤,讨论了氢氟酸腐蚀多模光纤与熔接光纤的关键技术。用单峰谱峰波长法解调出传感器的腔长。建立了实验解调系统,实验结果表明,在0-0.1 MPa范围内,传感器线性好。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS) 是一种具有高灵敏度、高分辨率和快速响应等特点的气体测量技术,已广泛用于大气痕量气体的测量以及工业有毒有害废气诊断和天然气泄漏检测。分布反馈式(DFB)激光器具有窄线宽和可调谐特性,并且能够精确让输出波长扫描单根气体吸收线,使得TDLAS 技术能实现高灵敏气体浓度检测。介绍了在线式波长调制二次谐波(WMS-SH)气体检测技术,讨论了基于最小二乘法气体浓度反演算法,通过修正式加权滑动平均滤波对浓度信号进行了数字滤波处理,系统实现了不大于1 s的系统响应时间,提高了信噪比和系统的检测灵敏度,并在天然气处理厂实时硫化氢检测中得到了应用。

传统傅里叶变换轮廓术(FTP)采用单一频率条纹测量时存在着由于待测物体高度变化剧烈导致的相位展开困难。结合数字点阵和正弦条纹投影的复合编码三维数字成像方法能有效解决相位模糊和误差传播的问题,但在实际测量中需要分别采集点阵图像和正弦条纹图像,影响了测量的实时性。提出一种新型彩色复合光栅测量方法,实现了从一帧图像中分别得到点阵图像和正弦条纹图像,并以点阵图像为依据对正弦条纹图的截断相位进行展开。理论分析和实验结果表明,该方法适合于不连续物体的三维测量,同时抑制误差传播能力强,具有较高的测量效率。

为了实现在大视场范围内任意激光方向的探测,同时保证结构稳定、响应快和成本低等优点,设计了基于二维交叠掩膜编码方法的激光方向探测方法。整个激光方向探测系统采用6个平窗型探测器,设计了使水平面上二维分开的掩膜方式,利用掩膜与探测的角度、距离关系可以计算二维交叠的探测区域,从而实现激光方向的探测。实验表明,由6个探测器组成的二维交叠探测区域可以将整个上半平面分为最小识别角度为30°的36个区域。经探测器倾斜照射实验可知,在入射激光最倾斜的条件下探测器响应电压为40 mV,大于噪声产生电压1倍以上,可以有效探测并识别激光方向,探测视场为18°-162°之间旋转的空域。

研究了百皮秒脉冲在掺镱双包层光纤放大器(YDDCFA)中的放大特性及非线性效应。在1053 nm波段,分别对重复频率为70 MHz的准连续百皮秒信号和1 Hz的单脉冲百皮秒信号进行了放大。准连续脉冲输入信号平均功率为55 mW,谱宽为0.016 nm,饱和增益为7.02 dB,使用法布里-珀罗(F-P)干涉仪测量自相位调制(SPM)效应引起的信号光谱展宽为0.01 nm。单脉冲输入信号峰值功率为8.1 W,在输出峰值功率为6950 W、增益为29.3 dB时发生受激拉曼散射(SRS)效应,利用光纤布拉格光栅拉伸扫描的方法,观察到SPM和SRS效应引起的光谱变化,利用单模光纤的色散作用分离信号脉冲和斯托克斯脉冲,对SRS现象进行了判断,解决了单脉冲光谱不易观察的问题。实验结果表明,SRS效应是制约百皮秒脉冲放大的主要因素。

高功率阵列半导体激光器已得到广泛应用,对其质量和可靠性进行无损检测很有必要。在导数测试技术中,参数h是电导数曲线阈值处的下沉高度,参数Q是二阶光导数曲线阈值处的峰的高宽比。对导数测试参数h,Q与阵列激光器的单元器件的质量和均匀性进行了研究。基于其等效电路在一定条件下,计算了阵列激光器的均匀性对h的影响。并对实际阵列器件进行了导数测试。理论和实验结果对比表明,h,Q等参数是组成阵列的各管芯的均匀性的灵敏参数。

研究了波导层材料为Al0.65Ga0.35As时的3种不同厚度(0.4,0.5和0.6 μm)和3种不同的AlGaAs基大光学腔(Al0.65Ga0.35As-1 μm,Al0.6Ga0.4As-1.5 μm和Al0.45Ga0.55As-2 μm)的808 nm边发射二极管激光器的输出特性。理论计算模拟了不同结构器件的功率电流特性(P-I)曲线,采用线性拟合的方法计算阈值电流,并计算了器件的特征温度。实验结果验证了理论计算结果。波导层厚度变化的研究说明,当单量子阱的厚度不变时,波导层越厚,器件的特征温度越高,器件的性能也就越好。大光学腔变化的研究表明,由于Al的组分x=0.45时会产生有效的垂直光斑尺寸和更低的电阻,使得2 μm-LOC结构的器件性能最好。

尽管无波前传感自适应光学技术可不受闪烁效应等波前畸变条件的限制,能够有效地补偿高能激光的波前畸变以提高光束质量,但是激光器光强起伏和噪声干扰对校正效果却存在严重的影响。分析了光强起伏和噪声干扰对随机并行梯度下降(SPGD)算法光束净化效果的影响,并进行了相关实验研究。理论分析表明,在光强起伏频率大于等于算法扰动频率时,系统性能随着光强起伏增加而降低;在低频光强起伏时,SPGD算法的抗干扰能力较强。为消除光强起伏对校正效果的影响,提出采用桶中功率作为系统性能评价函数的光束净化方案,理论分析和实验结果都表明,该方案能够有效地消除光强起伏和噪声干扰对校正效果的影响,实现接近校正极限的理想校正效果。

以稀土氧化物为原料,采用高温固相法,分别合成了钆、镨、以及钆镨共掺杂的YAG:Ce荧光粉。用荧光分光光度计对这几种荧光粉的激发光谱和发射光谱进行测试。结果表明,这几种荧光粉可以被蓝光(455-470 nm)有效激发;掺杂不同浓度的Gd3+可以使YAG:(Ce,Gd)荧光粉发射光谱的中心波长向红光波段产生不同程度红移;YAG:(Ce,Pr)荧光粉发射光谱新增610 nm处发射峰;YAG:(Ce,Pr,Gd)荧光粉的发射光谱不仅新增610 nm处的红峰而且有红移现象,这有效弥补了传统白光LED光谱中红光成份不足这一缺陷,对白光LED在高显色性要求领域的应用有重大的意义。

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,对空位缺陷体系的几何结构进行优化计算,发现空位引起周围原子的弛豫,晶格结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿结构CdS体系电子结构(能带结构、电子态密度)的影响,结果表明,S空位使得能带变窄,而Cd空位使带隙变宽,但二者仍为直接带隙半导体。对光学性质的研究发现,由于空位的介入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷体系光学性质的变化主要集中在低能量区。

绝缘体上硅(SOI)材料的激光损伤特性研究对基于该材料的光学器件在激光环境中的应用具有重要价值。本文使用1064 nm脉冲激光对SOI材料进行了辐照实验,在脉冲宽度分别为190 ps和280 μs的条件下,测得的损伤阈值能量密度分别为2.5 J/cm2和19.8 J/cm2,SOI材料表面的激光损伤模式也存在明显差别。根据实验结果,利用ANSYS软件的热分析模块,采用有限元方法数值模拟了激光辐照结束后SOI材料内部的温度场分布,并结合损伤形貌的观测对SOI材料的激光损伤机制进行了讨论。

在B3LYP/6-31G水平上研究了含亚胺和胆甾烯基不对称液晶二聚体的几何结构、电子吸收光谱和二阶非线性光学性质。研究结果表明,该类化合物分子的最强电子跃迁主要源于分子HOMO→LUMO的π→π*跃迁,对应的最大吸收波长位于337-349 nm范围,属于近紫外区。减小分子的中心柔性间隔基的长度和提高端接基的吸电子能力可以增强该类液晶的二阶非光学性质。

研究了Tm3+掺杂氟锆酸盐玻璃的2 μm发光特性。通过吸收光谱,运用Judd-Ofelt(J-O)理论计算了J-O强度参量Ωt(t=2,4,6)以及Tm3+离子在玻璃中的自发辐射跃迁几率、荧光分支比和辐射跃迁寿命等光谱参数。采用808 nm激光二极管(LD)抽运,获得了Tm3+离子在氟锆酸盐玻璃中的近2 μm发射光谱。Tm3+离子在玻璃中的3F4→3H6跃迁峰值波长位于1.82 μm处。研究表明,随着Tm3+离子浓度的增加,Tm3+离子之间发生明显的交叉弛豫过程(3H4→3F4,3F4→3H6),从而使得1.82 μm处荧光强度明显增强,但当掺杂浓度进一步增加达到一定程度后,基于三能级稀土离子的浓度猝灭效应,该荧光强度明显降低。研究计算了氟锆酸盐玻璃中Tm3+:3F4→3H6跃迁对应的受激发射截面,结果表明,受激发射截面受Tm3+掺杂浓度的影响不大。

提出了一种形状扩散光学层析成像技术的数值方法,它能同时重建组织器官的边界和器官内的光学参数。假设不同类型的组织器官内具有各异的均匀光学参数,光子传输模型便可由一些耦合的Helmholtz方程描述,并使用边界元法作为正向模型的数值求解方法。区域的复杂光滑边界用傅里叶级数展开参数化方法表示。反演问题采用Levenberg-Marquardt优化算法,并用加入不同噪声水平的模拟数据对算法进行验证。数值模拟结果表明,提出的图像重建算法具有较快的收敛速度和全局收敛性,并能从噪声数据中准确恢复相应区域的形状参数和光学参数。

交叉偏振波(XPW)滤波是一种简单灵活的非线性滤波技术,可以极大地提高超短超强飞秒激光脉冲信噪比。介绍了XPW滤波器原理,通过数值模拟得到以下结论:输入光偏振方向与晶体的[100]轴的夹角β、相位调制(PM)、注入光强和晶体长度以及不同的空间光束分布都会影响XPW的能量转化效率。其中PM是造成能量转化过早饱和,导致最大转化效率降低的主要原因。同时注入光的初始二阶和三阶频谱相位会导致XPW脉冲形状畸变,谱宽窄化,中心频移,能量转化效率减小。为 XPW非线性滤波装置能够有效地提高超强超短脉冲的信噪比提供了理论依据。

研究了驱动场对非简并光学参变振荡器动力学行为的影响,通过计算系统的李雅普诺夫(Lyapunov)指数,发现当驱动场变化时,系统会出现定态、周期态、混沌态和超混沌态,并得到与各状态相应的驱动场取值范围。基于相图、Lyapunov指数谱和时间序列图的数值模拟也证实了计算结果,为进一步研究该系统的混沌反控制奠定了基础。

报道了一台高功率中红外激光器。通过理论计算,得到了光参量振荡器输出波长随MgO:PPLN晶体温度变化的调谐曲线,分析了晶体热膨胀对输出波长的影响;通过声光调Q,Nd:YAG激光器输出的1064 nm激光作为抽运光,抽运掺氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN),利用光参量振荡(OPO)技术实现了1.75 μm和中红外2.71 μm激光输出。当重复频率为7 kHz,抽运光功率为104 W时,总的平均输出功率为53.2 W,转换效率为51%。从转换曲线上看,并没有达到饱和区域,因此在晶体损伤阈值以下,增加抽运光功率,OPO的输出功率将会有所提高。

为了将平面金属膜紧密耦合到纳米光栅形成的表面等离子体共振传感器,以提高灵敏度,以及利用亚微米光栅调整共振反射波长,需要制备亚微米结构光栅。介绍了一种基于X光光刻的亚微米结构光栅的制造技术。该结构光栅是利用日本立命馆大学的同步辐射光源进行同步辐射光光刻,在有机玻璃(PMMA)板上直接得到亚微米光栅。用此纳米加工技术获得的光栅线宽为250 nm,周期为500 nm,深宽比为8的PMMA亚微米结构光栅。还优化了曝光近接间隔、曝光剂量和显影时间等同步辐射光刻参数。

提出了一种利用微机电系统(MEMS)制造工艺技术制备的硅基微型红外光源。该光源使用绝缘体上硅(SOI)晶片作为基底材料,其上沉积多晶硅材料并通过离子注入工艺实现材料的电阻加热发光特性,SOI晶片上的单晶硅层通过重掺杂实现辐射光背向吸收自加热效应。利用SOI晶片中的掩埋二氧化硅层为刻蚀停止层,通过背面深反应离子刻蚀(DRIE)技术制备微米量级的薄膜发光层结构。光源表面工作温度和辐射光谱分别通过红外热像仪和光谱辐射计测量得到。实验结果表明,该光源在表面温度约700 K时,1.3-14.5 μm波长内的能量转换效率约为5.58%,光源的调制频率在50%的调制深度下接近40 Hz。

提出了一种基于纳米光学天线的新型扫描近场光学探针,基本结构是在传统光学探针的下端面集成金属偶极纳米光学天线,当入射光照射金属纳米偶极天线时激发金属表面等离激元共振,在天线间隙处产生了巨大的局域场增强,既提高耦合进入探针的光信号强度,又提高信噪比,实现高分辨率。利用时域有限差分(FDTD)法研究了不同孔径(50,100,130,150,170和200 nm)的新型探针对同一样品的探测结果。照明光源为830 nm平面波,TE极化,扫描高度10 nm。研究结果表明新型探针分辨率随孔径增大时变化规律是先增加后减小,在孔径150 nm 时分辨率最高,达 45 nm,比同样孔径传统探针分辨率提高近4倍。对比分析了当探针位于样品中心时不同孔径探针端面光场分布图,认为新型探针分辨率变化规律是纳米天线在探针上的有效长度不同所致。对其灵敏度和对比度也进行了初步分析。

根据空间偏振态调制和偏振干涉的原理,设计了一种能通过外加电压调谐的振幅型光瞳滤波器,实现了横向超分辨下轴向焦移与焦深的实时控制。该滤波器由两个透射光轴平行的偏光镜,置于其间的一个电光晶体和一个二区域λ/2波片组成。分析了滤波后光学系统焦点附近光强的分布及电光调谐特性,在电光相位延迟-π-π之间,二区域λ/2波片内外径取优化值时,可实现横向超分辨及轴向焦移的实时调控,等效于一个可实现横向超分辨的电光调焦透镜。电光相位延迟一定时,二区域λ/2波片内区方位角的改变可实现第一零点比的调整;内区方位角一定时,电光相位延迟的改变可实现焦深的实时控制。

将厚度为0.5 nm的LiF薄层引入到双层有机电致发光器件(OLEDs)的Alq3发光/电子传输层中作为空穴阻挡/激子限制层,研究其位置对器件光电性能的影响。发现LiF薄层在不同位置均明显提高器件的发光效率,当LiF薄膜距离TPD/Alq3界面20-40 nm时,OLEDs的最大发光效率约为4.5 cd/A,是对比器件(没有LiF薄层)的1.8倍。OLEDs的电流密度随着减小LiF薄层与阴极的距离而增大。研究表明,这是因为LiF薄层可有效阻挡进入复合发光区域未复合的过剩空穴并导致其积累,空穴积累可提高电子传输区域中的电场,提高其中电子的传输和从阴极的注入,从而提高复合发光区域中的载流子平衡及其复合几率;LiF薄层可将激子限制在复合发光区域,减少激子被阴极淬灭的几率。

提出一种新颖的基于光栅±1级干涉和相位载波(PGC)调制解调的光学加速度传感方案,并进行了样机制作和测试,其分辨率达到4×10-5gn量级以上,动态范围在光学结构中不受限制,仅与惯性传感中机械结构线性范围有关。与其他类型微加速度计相比,该光学加速度传感器不但在分辨率和动态范围上均获得较大的提高,而且利用光栅干涉进行加速度传感能很好地保证干涉的稳定性,从而提高工作稳定性,降低对安装精度的要求。该方案还可以应用到微电子机械系统(MEMS)技术中,为设计高分辨率大量程微光机电系统(MOEMS)型加速度计,提供了新的思路。

利用光锥的无畸变传输特性,将它作为光学中继元件,以光敏胶为耦合介质,把X射线像增强器和电荷耦合器件(CCD)耦合起来,组成X射线成像器件。探讨了光锥与CCD的耦合工艺,给出了耦合过程中的关键技术并通过实验分析了空气和光敏胶作为耦合介质对光锥与CCD耦合效率的影响。实验表明,X射线成像器件的空间分辨率达到3.5 lp/mm,对人体的X射线透视成像效果好,能够满足小幅面的医学成像和无损检测的要求。

聚合物波导器件的稳定性是影响其实用化的一个关键问题。聚合物波导器件的热稳定性是由波导层(聚合物材料)的热稳定性决定的。采用侧链型和交联型聚氨酯材料分别制成波导电光调制器研究波导器件的热稳定性,热稳定性的判断依据是通过对聚合物调制器升温过程中测量器件的电光性能的变化。研究结果显示两种器件在常温时具有相同的电光性能,在器件升温过程中发现交联型聚氨酯调制器比侧链型聚氨酯调制器有优异的热稳定性。

为了研究反射式256 pixel×256 pixel纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)的性能,并最大程度地发挥其波前校正能力,建立了泰曼格林(Twyman-Green)干涉仪与移相点衍射干涉仪分别对SLM的相移特性以及静态畸变进行测量,同时使用该空间光调制器对其自身的波前畸变进行补偿。实验结果表明,当应用一个正确的相位灰度值映射并且增加静态畸变补偿后,这个空间光调制器的波前像差的峰谷(PV)值由0.39λ减小到0.23λ,均方根(RMS)值由0.08λ减小到0.03λ(λ=632.8 nm),远场点扩展函数的斯特雷尔比由0.82提高到0.98。因此经畸变补偿后的液晶空间光调制器能够被更好地应用在动态衍射光学元件、波前产生和高分辨、高精度的波前校正中。

内建电场对提高阴极量子效率有重要作用。为获得恒定的电场强度,需要用指数掺杂方式对光电阴极激活层进行掺杂。指数掺杂实际上是一种特殊的梯度掺杂,针对这种掺杂方式,建立了指数掺杂和均匀掺杂加权的量子效率公式。实验设计了4种掺杂浓度从1019-1018 cm-3掺杂样品,测量样品的光谱响应曲线和量子效率曲线,并分别用均匀掺杂量子效率公式,指数掺杂量子效率公式和新建立的梯度掺杂量子效率公式这三种方式,对量子效率曲线进行了拟合,证明了该量子效率公式具有较高的拟合精度。

通过全矢量有限差分法数值模拟,设计了一种大模面积平顶模场光子晶体光纤。光纤截面上空气孔为三角形格子分布,中心七个空气孔缺失并在其中心引入一低折射率区域。分析了内纤芯大小、空气孔间距和空气孔相对大小等参数变化对内纤芯折射率、基模模面积等特性的影响。给出了工艺上简单易行的平顶模场光子晶体光纤结构,其平顶模面积可达2000 μm2。发现增加内纤芯尺寸和导光波长,降低空气孔相对尺寸,可以减少光纤中的高阶模含量。

将环形谐振腔邻近放置在光子晶体直波导两侧构成环形谐振器,利用平面波展开法及时域有限差分法,数值分析了该系统中光的传播行为。基于此结构,以三、四通道为例设计了大角度超微多路光分束器。仅通过改变环形谐振腔中耦合介质柱的半径,便可使光场发生重新分布,实现输出能量的均分或自由分配。在同样保证多路和高传输效率的条件下,该结构与常规波导定向耦合型分束器相比,还可实现光束的大角度分离。

计算沙尘暴对电磁波的衰减特性,以及利用卫星反射率遥感反演沙尘暴的光学厚度时,通常假设沙尘粒子为球形,但实验室和现场测量结果都表明,自然界中的沙尘粒子为非球形,因此利用球形粒子模型模拟沙尘暴对激光的散射和衰减特性将带来较大误差。利用具有一定尺寸分布、形状分布、随机取向的椭球粒子模型模拟自然界中的沙尘粒子,利用T矩阵方法计算了其单次散射特性,并与球形粒子模型进行了比较,结果表明,混合椭球粒子的相函数随角度分布是平滑的、无特征的、且在侧散射方向上是平坦的,这和自然界中的沙尘粒子散射特性非常类似。最后利用累加法计算了沙尘暴对激光的多次散射特性,结果表明,利用任何一种单一形状的粒子模拟沙尘粒子的散射特性都会带来较大的误差。

介绍了基于940 nm水汽弱吸收带的空间外差光谱探测系统。通过对水汽探测的光谱分辨率和光谱范围需求分析,进行了系统参数设计与实验装置的研制。利用可调谐激光器和元素谱线灯分别对实验装置进行了性能测试,选择少云晴朗天气,对实验装置进行了室外水汽探测实验。实验结果表明,实验装置性能指标与理论设计值一致,水汽实测谱与理论谱吻合,表明了空间外差光谱技术在水汽探测和信息反演方面的优越性。

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。从大气临边成像光谱探测的原理出发,设计并研制了光栅色散紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构型式,其中,前置望远光学系统为像方远心,光谱成像系统为物方远心。工作波段为540-780 nm(一级衍射光谱)和270-390 nm(二级衍射光谱),通过切换可见、紫外带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8 kg,体积为450 mm×250 mm×200 mm。实验检测结果表明,该样机的空间分辨率为0.45 mrad,光谱分辨率为1.3 nm,均满足设计指标要求,并且具有体积小、质量小等特点,适合空间遥感应用。

基于二氧化钒在约68 ℃出现的半导体到金属的可逆相变,伴随有电学和光学特性的改变。因为相变机制的复杂性,很难从理论上推导出相变前后光学常数随波长和温度变化的解析表达式。研究了二氧化钒薄膜的折射率和消光系数的色散规律,借助于Sellmeier色散模型通过数值拟合,得出了二氧化钒变温的光学常数色散表达式。通过薄膜矩阵理论计算,获得了在不同温度和波长条件下的薄膜光学透射率和反射率。采用磁控溅射方法分别在玻璃、蓝宝石和二氧化硅衬底上制备了不同厚度的二氧化钒薄膜,测量了这些薄膜的光学透射率和反射率,结果表明,实验曲线与计算模拟曲线符合得很好。

为了在实验室中对大气颗粒物进行源解析,建立了基于毛细管X射线微会聚透镜和实验室X射线光源的X射线荧光(XRF)谱仪。谱仪中所使用的毛细管X射线微会聚透镜的焦斑处功率密度增益为450,透镜焦斑大小为205 μm。在X光源电压和电流分别为35 kV和70 mA的条件下,利用该谱仪对粒径为1-2 μm的大气颗粒物源样品和受体样品进行了X射线荧光定量分析。利用化学质量平衡(CMB)模型对大气颗粒物样品进行了源解析,解析结果表明汽车尾气和建筑扬尘为受体样品的主要污染源,源解析结果较为理想。实验结果表明,毛细管X射线微会聚透镜在大气颗粒物源解析中具有潜在的应用价值。