在反演大气气溶胶后向散射系数时,为了消除激光雷达系统常数,通常在对流层顶附近假设一个气溶胶后向散射系数的边界值。但当激光雷达的有效探测高度达不到对流层顶时,边界值的确定变得十分困难。从米氏散射激光雷达方程出发,得到了边界值与激光雷达距离平方校正回波信号之间的等式关系,并将该关系作为判据,利用迭代法在低层大气中找到一个比较准确的后向散射系数的边界值。将该方法应用于实际激光雷达回波信号反演中,得到低层大气中气溶胶后向散射系数廓线,并与在对流层顶选取边界值反演得到气溶胶后向散射系数廓线进行比较。结果表明,利用提出的方法在低层大气中确定的后向散射系数边界值,可以较好地反演出低层大气中气溶胶后向散射系数廓线。

介绍了米散射多普勒激光雷达风场探测原理,给出了自行研制的米氏散射多普勒激光雷达的结构系统。该系统与微波雷达进行实验对比,两者测量的水平风速大小和方向的廓线吻合得很好,并且得出在0.55-2.4 km高度范围内,系统探测的水平风速大小和风向误差的平均值分别为1 m/s和7°。给出了系统长期风场观测的典型结果,并对风场随时间的演变趋势进行了分析。结果表明,该系统测量数据可靠,可用于低对流层风场分布的常规观测及分析研究。采用PPI扫描方式得到了径向风速的空间分布图和水平风速廓线,表明系统通过改进,将有可能具备探测切变风和晴空湍流的能力。

采用广义惠更斯菲涅耳衍射积分方法和Wigner分布函数的二阶矩定义,推导出在直角坐标系下激光光束经大气湍流传输的远场发散角、束宽以及M2因子的解析表达式,并以复宗量厄米高斯(EHG)光束为例,定量分析了EHG光束在大气湍流中的传输特性。研究表明,光束在大气湍流中传输后的M2因子与入射面上的M2因子、入射面的二阶矩、传输距离、波数以及湍流的影响因子有关;随着在大气湍流中传输距离的增加,EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子均会逐渐增大;大气湍流对高阶EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子的影响更小;EHG光束在大气湍流中的M2因子与传输距离、湍流的折射率结构参数、光束波长、光束阶数以及基模高斯光束的束腰宽度密切相关。

碘分子1107-1108吸收线之间有一个光谱透射率峰。基于该光谱透射率峰的碘分子滤波器对大气分子的瑞利散射有强烈的抑制作用,而对大气气溶胶的Mie散射影响较小。利用这种碘分子滤波器构成的高光谱分辨率激光雷达可以分离大气分子散射和气溶胶散射,从而能够测量大气后向散射比和大气风场。对测量原理和测量精度进行了详细推导,并利用合理的激光雷达和大气参数进行了计算机模拟。模拟结果表明,对于大气后向散射比的测量,夜晚大气高度25 km、白天8 km以下可以达到5%的精度;大气视线风速测量范围为±40 m/s,测量精度在夜晚大气高度5 km、白天4 km以下时优于5%。

选取4块反射型体相位光栅,两两配对分为两组,各组中的光栅条纹面相互垂直,光栅矢量面正交放置,构成反射型体相位光栅空间低通滤波装置,被用来实现连续激光光束二维空间低通滤波的功能。利用Kogelnik耦合波理论,分析了上述装置对连续激光光束的空间低通滤波性能,并模拟了其对畸变高斯光束的空间低通滤波效果。结果表明,采用这种装置可使得畸变高频角谱成分具有极低的衍射效率,而对有用低频角谱成分具有高达98%以上的衍射效率,能够达到不须对入射光束聚焦就能实现高、低频角谱成分空间分离的目的,从而使得滤波后的光束较未畸变光束的空间光强分布基本一致。

基于体光栅的耦合波理论,推导了飞秒脉冲通过无吸收、透射型体光栅时衍射光强的频谱表达式和瞬时表达式。在此基础上,讨论了二者随折射率调制度的变化。发现在一定的折射率调制度范围内,衍射脉冲的瞬时变化为:开始是单脉冲,然后中心向下凹陷分裂为二个脉冲,而后是三个脉冲。如果此时折射率调制度进一步增加,则脉冲数目又回复到一个脉冲。在一定的折射率调制度范围内,上述过程是重复发生的。同时发现,在折射率调制度处于1.0×10-3-1.0×10-2区间时,双脉冲间隔随折射率调制度增大而增大。对衍射光强谱随折射率调制度的变化进行了数值模拟,并对衍射脉冲的瞬时变化进行了解释。

针对干涉型光纤传感器中存在的偏振诱导信号衰落现象,对偏振分集器(PDR)抗衰落原理进行了理论推导与软件仿真。设计并搭建了基于相位产生载波(PGC)调制解调、全光纤偏振分集器接收的光纤迈克耳孙型干涉传感实验系统,系统得出的信号与压电陶瓷光纤相位调制器产生的模拟信号基本相符。通过静态扭动干涉臂光纤改变干涉仪偏振状态,测量了PDR三通道可视度,得出信号稳定性、系统本底噪声与可视度的关系。结果表明,选择可视度大于0.5的偏振分集器通道输出可抑制信号衰落并实现信号稳定输出。

对受激布里渊散射(SBS)信号产生的过程及原理进行了分析,提出了一种利用环腔多次放大产生多级布里渊散射信号的方法,并通过实验产生了较为稳定的1-6阶散射信号。在此基础上,提出了一种利用环腔所产生的四阶布里渊散射信号对经马赫曾德尔调制器 (MZM)调制产生的四阶边带信号进行选择放大,而后将被放大了的高阶边带信号与载波信号进行拍频,从而获得高频微波信号的简单方法。该方法仅需要一个掺铒光纤放大器(EDFA)就可以产生高达n(1≤n≤6)倍于11 GHz的微波信号,具有器件成本低、倍频效率高的优点。仿真和实验结果证实该方法是可行的。

为了能够对多路光信号同时实现整形再生,提出了一种在高非线性光纤(HNLF)中利用单抽运光参变放大(OPA)同时实现双波长全光判决的实验方案。该方案基于一段500 m长的HNLF,输入信号为两路不同波长的10 Gb/s伪随机归零(RZ)码信号,抽运光为10 GHz的时钟脉冲。信号光与抽运光在HNLF中发生参变过程,通过两个光带通滤波器,分别滤出两路闲频光波长信号,可以在同一段HNLF中同时实现双波长全光判决。实验中,对两路10 Gb/s伪随机归零码信号进行了恶化,以仿真长距离传输损耗及失真,恶化后信号的消光比(ER)分别为9.17 dB和8.27 dB,判决后的信号ER分别提高到12.8 dB和12.66 dB。通过实验论证了一种双波长全光判决的实现方案。

提出了一种基于非对称双芯光子晶体光纤的新型宽带模式转换器。对光纤参数与模式有效折射率之间的分析,通过调整纤芯内层空气孔的直径及掺杂介质棒的折射率,使两个纤芯中需要转换的模式之间实现了宽带的相位匹配。数值模拟结果表明,一种长仅为5.9 mm的双芯光纤,在保证传输损耗小于0.5 dB的前提下,其工作带宽达160 nm且偏振相关损耗小于0.28 dB。

实验研究了分别采用光相位调制器和光强度调制器产生40 GHz光载正交频分复用(OFDM)信号的毫米波光纤无线通信(ROF)系统,并比较了二者的传输性能。在中心站,将20 GHz的射频(RF)正弦波信号与2.5 Gb/s的OFDM信号混频后驱动相位调制器或强度调制器进行双边带(DSB)调制,产生的光载OFDM信号的毫米波经标准单模光纤(SSMF)传输到基站。在基站,经光纤布拉格光栅(FBG)滤除中心载波后的光调制信号经光电检测器转换成电调制信号,再与射频信号混频,恢复出基带OFDM信号,而分离出来的中心载波信号可以用于实现波长重用。实验验证了OFDM信号峰值平均(峰均)功率比大小对系统误码率的影响。实验结果显示,在大入纤功率情况下,相位调制和强度调制产生的毫米波光信号经过50 km SSMF传输后,其功率代价分别为小于0.5 dB和大于1 dB。说明光相位调制器产生光载毫米波加载OFDM信号在光纤中的传输性能优于光强度调制器。

利用空芯光纤制作的法布里珀罗(Fabry-Pérot,F-P)干涉传感器具有较低的温度敏感性,由于传感器干涉光光程差与空芯光纤制作的F-P干涉腔腔内介质折射率有直接依赖关系,提出在空芯F-P干涉传感器的腔内填充一种具有较强吸水性的新型纳米复合水凝胶从而构成一种温度低敏感的微型湿度计。当水凝胶通过吸收空气中的水蒸汽而使自身的折射率发生变化时,就会导致F-P腔干涉光的光程差发生变化,通过检测这一光程差的变化就可实现对环境相对湿度的测量。实验结果表明,填充自制的水凝胶,在38%-98%的相对湿度变化范围内,传感器的光程差从608.7180 μm变化到了604.0488 μm,在水凝胶折射率变化范围内,其光程差与相对湿度的灵敏度为77.82 nm/(1%)。

利用有效折射率法计算聚合物脊形光波导的横向折射率分布,将三维光传播问题简化为二维问题;从导模满足的标量波动方程出发,采用慢变包络和傍轴近似,得出传播光场满足的单步传输约束关系;运用微分算子的级数展开得到相应的递归公式,考虑微分算子的差分近似得出基本的计算格式;运用对称矩阵的相似变换对算子展开法进行加速处理。在此基础上,对马赫-曾德尔(M-Z)型光波导中TM模的传播特性进行理论分析,研究了脊宽、分支角等结构参数对插入损耗的影响。研究表明,算子展开束传播法可以较好地解决聚合物脊形M-Z波导的理论分析和设计问题。该方法精度高、计算量小,为聚合物电光调制器的制备提供了理论依据。

提出了一种新型的基于Sagnac干涉仪的双向Sagnac分布式光纤传感器,可对传感光纤线路上的扰动进行检测与定位。阐述了该分布式光纤传感系统的组成和工作原理。利用基于最小均方(LMS)算法的自适应时延估计方法直接在时域上对扰动信号进行定位。理论分析和测试结果表明,该分布式光纤传感器能快速、有效地实现扰动信号的检测及定位。算法简单易实现,具有较高的测试灵敏度和定位精度,最大定位误差小于20 m。

通过在单模光纤后依次熔接一段大芯径空芯光纤和一段小芯径空芯光纤,制作了一种由小芯径空芯光纤形成环形反射面的全光纤法珀腔。由于这种环形反射面结构的中间通孔适合气体或低粘度液体进出,因此可将其应用于气体或低粘度液体的折射率测量。分析了这种结构形成光纤法珀腔的机理,并实验研究了这种基于环形反射面的干涉式折射率传感器,得到了这种传感器用于折射率测量时的分辨率约为1.652×10-6。可以预见这种具有环形反射面的法珀干涉式折射率传感器在有毒、易燃、易爆的气体以及低粘度液体的折射率或含量检测中具有极大的潜在应用价值。

制备了多种不同PMPS/BzMA质量比合成的PMPS-PBzMA共聚物,研究了旋涂成膜的膜厚控制方法和最佳热处理温度。近红外谱证实该材料在1310 nm和1550 nm两个窗口吸收小。实验表明,PMPS-PBzMA的光漂白效应主要来自于Si-Si的光氧化并伴有轻微的折射率各向异性,饱和过程则来自于Si-苯基的光分解且有助于缓解各向异性。归纳了初始折射率和饱和折射率与PMPS/BzMA质量比的关系,发现PMPS/BzMA质量比W(PMPS):W(BzMA)=10%制成材料的初始折射率与质量比W(PMPS):W(BzMA)=100%材料饱和折射率十分接近。据这些特性,利用质量比W(PMPS):W(BzMA)=10%材料的初始折射率和质量比W(PMPS):W(BzMA)=100%材料的饱和折射率,结合光漂白技术,成功试制了折射率对称分布的掩埋型多模PMPS-PBzMA条形波导,1310 nm的传输损耗达到了0.91 dB/cm。

利用两个带球差的球面透镜进行胶合,通过对其像差的控制与优化,设计出一个类似轴棱锥的双透镜系统即透镜轴棱锥,它可以产生具有贝塞尔光主要特性的光束。与轴棱锥相比,它具有加工容易、制造成本低和孔径大等优点。利用光学设计软件模拟了平行光经过透镜轴棱锥产生贝塞尔光的演变过程,并从实验上对光沿光轴传播时在不同距离z处的贝塞尔光的光斑进行了拍摄,理论分析与实验吻合。

以入射光束"孔径高度"为参数,根据等光程原理,通过光线追迹法建立了参数和坐标点(两个分量)一一对应的关系式,称为等光程参数方程。在该方程中,参数是连续的实变量,参数方程给出的曲线是连续的实线,即非球面子午截线,截线的轴旋转曲面为光学系统的等光程折射面。子午截线是“孔径高度”的高次曲线,等光程参数方程分别为二元二次方程(出射光聚焦一点)或二元一次方程(光线平行出射),该方程不用二次模拟曲线和高次修正项,能准确地描写多拐点的曲线,如长焦距系统,大口径系统,施密特校正板等,并且都能实现零球差设计。

在光学信息处理中,为了突出图像的差别和细节,假彩色编码和图像微分都能实现,各有其优点。本文用一种简单的方法将它们结合起来,并吸收两者的长处。先在4F光路中对图像进行微分编码,将所得编码片漂白,用白光作光源,在4F系统中的频谱面上适当滤波,在像面上所得图像具有同时实现图像微分和假彩色编码的效果。还具有处理面积大,处理灰度连续变化图像效果好,微分量可变,色彩丰富的特点。该方法可方便地用于CT片等记录图像的预处理,给这些图像的分析带来了一个新方法。

将空间非局部导数算子引入曲率驱动扩散方程,建立了一个基于非局部曲率驱动扩散的图像修复模型。与原模型的主要差别在于,原模型利用待修复像素的空间局部信息来估计丢失像素,而新模型利用和待修复像素相似的所有像素来估计丢失像素,充分利用了图像的全局信息。数值实验表明,新模型在图像修复,尤其是纹理图像的修复方面非常有效。

压缩感知是针对稀疏或可压缩信号进行采样的同时即可对信号数据进行适当压缩的新理论,重建算法是其中关键的一部分,对采样过程中的准确性验证有着重要的意义。在研究和总结目前已有重建算法的基础上,提出了一种新的基于贪婪追踪的变步长自适应匹配追踪(VssAMP)算法。该算法通过可变步长及双重阈值控制重建精度,在信号稀疏度未知的前提下,即可对信号进行精确重建。实验结果表明,在相同条件下该算法的主客观重建效果均优于现有同类方法。

空间邻近目标的存在对红外传感器的信号处理提出了超分辨的新要求。通过对红外焦平面的目标成像进行建模,推导了基于最小二乘准则的超分辨目标函数,针对传统最优化方法,对起始估计位置要求高、对高维目标函数计算复杂的缺点,引入粒子群优化算法,优化超分辨目标函数,联合估计出目标在红外焦平面的投影位置和辐射强度,实现对空间邻近目标的红外超分辨。结果表明,在模型最小二乘准则下,基于粒子群优化的超分辨算法性能优于传统的最陡下降法,具备更强的超分辨能力。

为了提高改型超广角Sagnac成像干涉仪的成像质量,研究其调制传递函数(MTF)fMTF。计算出改型Sagnac成像干涉仪入射光线的5个边界条件后,给出其光瞳函数。根据傅里叶变换,得到改型Sagnac成像干涉仪的调制传递函数的表达式。根据前期研究所优化出来的改型Sagnac成像干涉仪的相关参数,绘制出MTF曲线,得到奈奎斯特频率处的fMTF=0.62。而上层大气风场探测的风成像干涉仪(WINDII)中的迈克耳孙成像干涉仪的fMTF=0.35,说明改型Sagnac成像干涉仪的成像质量更好。

从红外遥感辐射传输理论出发,利用二流近似方法,建立了包含散射影响的生物气溶胶被动红外探测模型;从理论上阐明了气溶胶对四周辐射的散射对生物气溶胶被动红外探测的影响。以某微生物孢子气溶胶为对象开展探测原理试验,研究了生物气溶胶红外光谱特性。给出了生物气溶胶室内吸收池试验结果,用辐射传输模型解释了试验现象。通过试验验证了探测模型的合理性、有效性;结合探测模型和室内试验结果,也可为外场试验的开展提供参考。

随着低维材料的广泛应用,有关低维材料力学性能的研究成为当前热点之一。在低维材料实时应变测量中,大标距试件表面上的跟踪目标移出图像跟踪范围,会导致跟踪目标的丢失,影响材料的实时应变测量。利用基于数字图像跟踪技术的光学引伸计将大标距转换成小标距,不仅可以在应变测量时保持跟踪目标在视场范围内移动,实现实时跟踪,而且可以动态了解低维材料应变变化规律。利用微力学万能试验机和光学引伸计同时进行低维材料的应变测量,实验结果表明,二者规律基本吻合且后者利用双线性插值可以将目标定位在0.01 pixel上,说明光学引伸计完全可以应用于低维材料的实时应变测量中,并为探讨低维材料动态力学性能提供了一种新的实验方法。

在基于光刻模型的光学邻近校正(MB-OPC)中,线段与控制点的映射关系是影响校正结果的一个重要因素。现有的线段与控制点的映射关系均是基于规则的,或者是精度较差的一对一映射关系,或者是计算速度较慢的全对一映射关系。提出了一种新的带有线段与控制点映射模型的光学邻近校正技术,其映射模型是根据光强梯度推导出的特征区域,线段与控制点的映射关系可以是一对一的,也可以是多对一的,且该映射关系在校正过程中对所有的控制点均适用,无需重复计算。实验结果表明,带有映射模型的MB-OPC结果的边放置误差(EPE)的方差改善显著,且运行时间无显著增加。

将二维实小波变换和希尔伯特变换相结合应用到空间载频条纹相位分析中。首先对载频条纹进行希尔伯特变换构造解析信号,然后对其解析信号进行二维实小波变换,提取小波脊处对应的小波变换系数的相位信息即可得到有效的物体高度调制信息。给出了详细的理论分析。计算机模拟和实验表明当条纹中相位存在突变和快变的区域时,采用二维实小波变换比一维实小波和复小波提取相位精度更高,即使在存在噪声污染的情况下也表现出良好的可靠性,体现出了二维实小波提取相位的优势。

刀口法是测量X射线探测器调制传递函数(MTF)的主要方法之一,但影响测量精度的因素很多,正确的数据处理是提高测量精度的关键。提出了一种组合数据处理方法,系统地降低了测量带来的误差,从而实现了高分辨X射线CCD调制传递函数的测量。实验前仿真调制传递函数,预测曲线走势和噪声干扰。利用自适应平均行数算法、回型窗法和哈夫变换得到刀口倾斜角来纠正MTF曲线。提出了局部曲线分析法,以定量分析曲线波动情况,消除前人视觉判断的主观误差。通过上述算法得到的MTF曲线的均方差仅为0.011,Nyquist频率误差为2.52%。

计算机辅助装调(CAA)是提升高精度、复杂离轴光学系统成像质量的一个行之有效的手段,特别是对空间光学系统的在轨调整显得尤其重要。介绍了一种针对离轴反射变焦系统进行计算机辅助装调的方法。由于变焦系统具有多重结构,所以需要计算系统在不同位置的灵敏度矩阵。因而,变焦系统的计算机辅助装调实际上是由一系列独立的对应着不同位置的辅助装调组成的。对各重结构进行装调的过程包括灵敏度矩阵的计算、实际系统和理想系统像差差值的计算,以及失调量的计算等。针对反射变焦系统,建立了新的计算机辅助装调数学模型。为了更进一步地说明问题,进行了数值实验,并通过对比装调前后系统的成像质量,验证了该方法的可行性。

与不规则颗粒对应的随机脉冲信号计数分布是颗粒群粒度分布的完整反映。以幅度、宽度两个相对独立的特征参数为基础,研究了散射光脉冲信号计数分布的统计特性。利用激光尘埃粒子计数光电传感器对空气中尘埃粒子产生的散射光脉冲信号的幅度、宽度分布进行了统计测量,实验结果表明脉冲信号的统计分布不具有中心对称性,其幅度和宽度的计数分布都是满足对数正态分布规律。对数正态分布规律是测量过程中随机作用的具体表现。进一步的计算结果可证明,不规则颗粒群特征参数幅度和宽度之间存在分形结构关系,其分形维数为两者计数统计离散度的比值。

基于激光脉冲在增益介质中的放大过程建立了三维放大模拟计算模型,该模型将自由空间传输与光线追迹放大相结合。在增益介质内抽运储能分布具有三维特点、离轴多程放大结构等复杂情况下,该模型能真实模拟放大后输出光束的近场分布。利用该三维放大模型针对一个12程激光二极管抽运钕玻璃放大系统进行模拟计算,计算结果准确地反映了输出光束近场分布。在此模拟结果的基础上能进一步优化多程放大光路。

以InGaAs/GaAs应变量子阱材料为例,介绍了考虑能带及波函数的混合效应的6×6 Luttinger-Kohn哈密顿量,提出用有限差分法求解含Luttinger-Kohn哈密顿量的有效质量方程,数值模拟得到导带和价带的能带结构,计算应变量子阱的跃迁矩阵元,进而用Lorentzian线形函数计算材料增益。讨论了量子阱阱宽、注入载流子浓度、温度等因素对量子阱材料增益的影响。计算结果表明,压应变使得量子阱有效带隙增大,降低了材料增益的透明电流密度,继而降低器件的阈值,改善器件的输出特性;增益峰值波长和发射波长之间合适的偏差,会使光抽运半导体激光器的阈值电流和工作电流随温度有较小的变化。

四频差动激光陀螺开机零漂性能对于快速启动场合有重要价值。从开机预热过程出发,分析其物理作用机制,讨论了几种影响因素,并提出相应解决方法。如采用色散平衡技术减小零漂对稳频位置的敏感性,采用自动增益控制回路稳定光强,采用空间异面腔结构消除水晶片负性影响,采用合理的热布局设计加快热平衡过程,采用可靠性高的检测电路增强稳定性,采用相关措施削弱腔体变形等方法。实验表明,这些方法对改善开机零漂性能是有效的,对研究者有一定参考价值。

针对复杂天空背景条件下低信噪比的红外弱小目标检测问题,提出了一种基于对称差分和光流估计相结合的目标检测算法。对序列红外图像做对称差分运算,通过图像差减运算和自适应阈值分割提取目标可能的运动区域,并对区域做扩张和叠加处理,得到连续帧间目标可能出现的区域。计算每个区域红外图像的光流场,对光流场进行阈值分割,辅以数学形态学滤波等方法,检测区域中的目标。该算法充分利用对称差分运算计算量小和光流检测准确度高的特点,在保证检测准确度的同时大大减少了目标检测算法的计算量。实验及结果分析表明,基于对称差分和光流估计的目标检测算法能实时有效地检测出复杂天空背景下的红外弱小目标。

目标模型更新中存在的模型漂移问题,是影响视频跟踪结果的一个重要因素。针对这一难题,提出了一种新的基于前景分割的目标跟踪算法。算法通过引入条件随机场(CRF)模型对跟踪区域和非跟踪区域的时空关系进行建模,实现对图像序列中像素点的标记,标记为跟踪目标或背景,并使用在线学习方法,根据场景的变化调整CRF模型的参数。跟踪过程中,通过对CRF模型的求解,得到最优的标记场和目标像素的置信图像;利用置信图像,结合目标模型的相似性度量定位整个目标;根据目标区域内的标记结果,使用一种选择性采样的方式更新目标模型,从而解决更新中的漂移问题。通过在多个典型的复杂场景中进行实验,验证了该算法的有效性。

采用水热合成的方法,在玻璃基底上制备了氧化锡纳米棒阵列,利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其晶体结构和表面形貌进行表征,并解释了氧化锡纳米棒的生长机理。为了找到最佳的制备测试参数,研究了室温下,不同水热合成时间和退火温度对纳米氧化锡乙醇气敏特性的影响,并在此基础上研究了365 nm紫外光激活时氧化锡对乙醇气体的气敏特性,与无光照时对比。结果表明,室温下,水热合成反应6 h,500 ℃退火时,氧化锡纳米棒阵列对乙醇气体显示了较高灵敏性,365 nm紫外光照射时,氧化锡气体灵敏度比无光照时大大提高,稳定性增强,响应和恢复时间缩短到5 s以内。

GaN紫外光阴极是一种表面具有负电子亲和势(NEA)状态的光电发射材料,具有电子发射效率高、暗发射小、稳定性好等众多优点,是近年来得到迅速发展的一种新型高性能紫外探测材料。采用超高真空原子吸附工艺,对金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)外延的p型GaN表面依次进行了高温净化、Cs/O激活、低温净化和Cs/O激活的高低温两步光阴极制备实验。实验结果表明,高温净化后的Cs/O激活可制备出量子效率约为20％的GaN紫外光阴极材料,第二步低温净化后GaN表面仍具有光电发射能力,经过Cs/O激活后可将阴极光电流恢复到接近高温激活结束后的水平,说明GaN阴极材料的制备只需单步高温激活完成。通过比较GaN与GaAs光阴极材料的高低温制备效果差异,对GaN光阴极制备工艺的机理进行了探讨。

采用光刻技术在覆盖有氧化锌(ZnO)薄膜的ITO玻璃片衬底上实现图形化生长,结合水热法在衬底上制备出结构完整、排列一致的ZnO矩形和圆环型单元阵列。在图形化的基础上二次生长ZnO纳米锥阵列,锥长度最大可达到10 μm,远大于一次生长的长度,并且发现锥顶有很多精细的类似针状的纳米量级微细结构。分析了非图形化、图形化一次以及图形化二次生长的ZnO纳米锥阵列的场致发射性能。使用图形化二次生长的ZnO纳米锥阴极阵列制作了12.7 cm(5 inch)的场发射显示器(FED),能实现全屏发光。实验结果表明,图形化二次生长的ZnO纳米锥阵列发射电流密度为最大,可达0.6 mA/cm2,其开启场强为2.5 V/μm。图形化生长ZnO纳米锥的方法是一种能较好改善材料场发射性能的好方法,为寻求良好场发射性能材料的制备提供了一条有效的实验途径。

为了减小锗表面的反射,利用模式理论对锗衬底正方柱形亚波长结构的衍射特性进行了研究。结果发现,当周期较小时,占空比大于0.78对透射率的影响比较明显;周期大于0.25λ,零级透射率随周期的增大急剧下降,而总透射率随周期的增大变化不大;周期较小透射率随结构高度的变化呈余弦周期性,周期增大透射率随结构高度的变化呈余弦赝周期性,并且周期越大余弦赝周期性越明显;此外,周期较小时,可以实现大角度范围内的高的透射率,周期较大时,可以制备为窄带滤波器。

将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基LED薄膜,通过电镀的方法转移到铜支撑基板、铜铬支撑基板以及通过压焊的方法转移到新的硅支撑基板,获得了垂直结构蓝光LED器件,并对其老化特性进行了对比研究。研究结果表明,在三种基板中铜支撑基板的器件老化后光电特性最稳定。把这一现象归结于三种样品的应力状态以及基板热导率的不同,其中应力状态可能是影响器件可靠性的最主要因素。

基于屈光手术的角膜切削模型和临床测量的波前像差数据,分析了矫正近视散光的常规屈光手术中切削偏心对波前像差的影响。结果表明,切削偏心主要会引起彗差的增大,引入彗差与偏心程度成线性关系,与被矫正的近视散光的屈光度也近似成线性关系。3-5阶像差中,除彗差以外的其它高阶像差并不会随着切削偏心的增大而显著增大。屈光手术后高阶像差的增大主要是切削偏心、激光斜入射和角膜愈合反应等多重因素导致的。

提出了一种实现非简并光学参变振荡器混沌控制的方法,用正弦信号调制非简并光学参变振荡器的驱动场和基模衰减率,使非简并光学参变振荡器从混沌态输出转化为周期态输出。基于李雅普诺夫(Lyapunov)指数谱、相图和时间序列的数值模拟结果表明,选择适当的调制幅度和调制角频率,只要满足系统最大的Lyapunov指数不大于0,即可将系统中的混沌控制到期望的周期轨道。

在设计自由曲面光学元件零补偿检测的计算全息图(CGH)时,利用光线追迹可得到散乱分布的离散相位点,需通过插值得到连续的相位分布函数,以计算CGH刻线位置。采用双三次B样条插值法,对散乱分布的离散相位点进行拟合并用较少的采样点满足精度要求。利用双三次B样条的矩阵表达式及CGH加工相位函数在所加载频方向单调递增的性质,简化了求解插值曲面与x-y平行平面精确交线的方法,高精度地求取了相位型CGH的上下沿刻线位置。最后给出了一例用于自由曲面干涉零补偿检测的CGH图样。

等离子体普克尔盒可以采用薄晶体,是大口径平均功率激光器理想的光开关器件。采用有限元方法,分析了20 mm口径重复频率等离子体电光开关的热光效应,模拟计算了在平均功率负荷下,3 mm厚的DKDP晶体由于热致双折射引起的退偏损耗为0.16%。采用电容分压技术,实现了基于DKDP晶体的等离子体电光开关的单脉冲驱动,通过针对重复频率等离子体普克尔盒的优化设计,研制完成了Φ20 mm口径、10 Hz重复频率等离子体电光开关样机,静态透射率97.2%,开关效率99.8%,开关上升时间11 ns。

提出了一种基于菲佐干涉仪的并联复用光纤法珀加速度传感器的解调原理及系统,其中光纤法珀加速度传感器是基于惯性质量引起法珀腔腔长变化实现加速度传感的原理。针对此并联复用系统,建立了菲佐干涉仪的相对输出光强与光纤法珀加速度传感器的法珀腔腔长和菲佐干涉仪的厚度之间的关系模型,进一步建立了基于菲佐干涉仪的光纤法珀加速度传感器系统的加速度传感理论模型。在此基础上对菲佐干涉仪解调并联复用光纤法珀加速度传感器信号的原理进行了数值仿真,并对基于菲佐干涉仪解调的多通道光纤法珀加速度传感器并联复用能力进行了分析。研究结果表明,数值仿真结果和理论分析相吻合,菲佐干涉仪解调多通道光纤法珀加速度传感器并联复用系统具有可行性。

对Solc型滤光片基本原理的分析,表明改变单轴晶体光程差就可实现可调谐滤光。向列相液晶具有电控双折射效应,因此提出利用平行定向的向列相液晶盒作为电控双折射相位元件构成可调谐的Solc型滤光片。设计并制作了一种具有代表性的六片式扇形结构形式。实验表明,该器件具有良好的调谐性能,可实现在450-650 nm区间光谱分辨率小于93 nm和在550-650 nm区间光谱分辨率20 nm的可调谐滤光。Solc型滤光电具有透射率高、旁瓣少的优点,可应用在要求高透射率的场合。

设计并制作了三个不同厚度的红色有机微腔电致发光器件,器件结构是:Glass/DBR/ITO(厚度分别为150,182,196 nm)/NPB(82 nm)/DCM-Alq3(71 nm)/Mg-Ag(70 nm)。实验结果表明,随着氧化铟锡(ITO)的厚度增加,导致整个微腔器件的腔长度增加,器件的谐振模式(发光峰值)改变,由604 nm红移到640 nm最后到656 nm。CIE色坐标由(0.52,0.48)变至(0.61,0.37)至(0.61,0.38),色纯度逐渐提高。性能较好的是ITO厚度为150 nm的微腔器件,中心波长位于604 nm处,最大亮度达到32008 cd/m2,最大电流效率为3.15 cd/A。这表明ITO厚度对微腔有机电致发光器件的发光性能有着很大影响。

提出了一种制作收集光信息视角范围大、光信息利用效率高、具有良好抗外界应力及温度变化能力的曲面微透镜阵列的新方法。采用光刻离子交换工艺,通过对镀钛掩膜、光刻和离子交换等关键工艺的研究和严格控制,在球面玻璃基片上制作了六角形孔径平面微透镜阵列。制作的阵列单元透镜六角形边长0.173 mm,窗口间距0.200 mm,单片阵列上微透镜元2052个。测试表明,离子交换深度0.198 mm,阵列填充率达到98%,阵列成像性能优良,光学均匀性好,旋转椭球状的单元透镜区域折射率呈三维梯度变化,截距、数值孔径自中心向边缘渐变,半径相同处光学性能一致性好。

为了提高加速度计的灵敏度,以适应高精度测量的需要,加速度计光学传感器结构灵敏度的提高是至关重要的。在比较了现有光栅加速度计光学传感结构的基础上,提出了一种新型的基于微米光栅的加速度计光学传感器结构的理论设计,建立了数学模型,并对其光学结构的性能进行了分析。给出了衍射光光强分布的理论公式,利用Matlab绘制出光强的变化曲线,分析了光学结构参数对传感器灵敏度的影响。通过改变光学结构的主要参数,能够提高光学传感器结构的灵敏度。进行了光学传感器结构的演示实验,实验结果验证了理论分析的正确性。

将负折射率介质引入到微腔有机电致发光器件(MOLED)中,利用传输矩阵法对这种器件的反射率大小、入射角度特性、器件厚度对发射峰的影响以及电致发光(EL)光谱性质进行了分析和讨论。结果表明,与普通的均由正折射率介质构成的MOLED相比,新型微腔器件的入射角度特性和EL谱均优于普通微腔器件,并且发射谱受器件厚度的影响很小。因此这种微腔器件的厚度可以做的很薄,有利于薄膜器件的进一步优化。

考虑双模纠缠相干光场中,其中一束光场注入腔中与一个级联型三能级原子发生共振相互作用的情况。采用数值计算方法,研究了另一束腔外光场的压缩效应,反聚束效应以及描述双模场相关性的Cauchy-Schwartz不等式等量子特性的演化规律。讨论了采用选择原子测量方法和纠缠光中参与原子相互作用的光场的强度对另一束腔外光场量子特性的影响。研究结果表明,采用选择原子测量方法和选择参与相互作用的光场的强度,可导致未参加相互作用的光场量子特性的明显增强。

相干光学操控半导体量子点(SQDs)激子态在量子信息、量子计算中具有很重要的应用。通过对影响量子点(QDs)拉比振荡因素的分析,可获得导致量子点体系退相干的物理机制,这为全光操控半导体量子点体系提供了理论依据。线偏振脉冲激光激发自组织InGaAs QDs,运用系统粒子数主方程并结合光学布洛赫矢量推导了单脉冲激发下V型三能级系统激子动力学方程,利用此方程讨论了初始状态及纯失相对拉比振荡的影响。研究表明,可以通过改变系统初态条件和激发场的偏振角对该体系激子拉比振荡的振幅和频率进行调控,可以用纯失相强度相关衰减因子等效地分析V型三能级体系的退相干特性,从而使相关计算得到了简化。

为了避开球面反射镜光谱反射率的测试难点,提出了间接平行光和直接发散光两种不同的定标方法标定仪器辐照度响应度。对两种方法的定标过程与其标定的响应度结果进行了比较与分析,相对偏差为1.0%。不确定度分析表明,利用250-400 nm间接平行光法的辐照度绝对定标不确度为±2.8%,相对不确定度为±2.0%;直接发散光法对应的不确定度分别为±2.4%和±1.4%,相对偏差均小于各自的相对定标不确度。结果表明,与间接平行光法相比,采用直接发散光法标定空间紫外遥感仪器(SURSI)辐照度响应度可以更有效地减少辐射定标不确定度。

提出一种相干激光阵列合束孔径装填的新方法,采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合束装填为远场单一主瓣的光束,给出了相应设计方案,并进行了模拟相干激光阵列合束孔径装填的原理性演示实验。实验结果表明,这是一种实现高功率和高亮度激光的有效技术方案。逆达曼光栅用于相干阵列激光合束是基于远场衍射原理,阵列面和光栅面为严格的傅里叶变换关系,具有原理简单、性能稳定可靠的特点,能够控制输出光束尺寸及其远场光束宽度,对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器系统具有重要意义。

在密度泛函DFT-B3LYP/6-31+G水平上对2甲基4,5双(α呋喃基)噁唑(化合物A)、2苯基4,5双(α呋喃基)噁唑(化合物B)、2-α呋喃基4,5双(α呋喃基)噁唑(化合物C)和2-α呋喃乙烯基4,5双(α呋喃基)噁唑(化合物D) S0基态进行构型优化,并用单取代组态相互作用方法(CIS)优化其S1激发态结构。从理论上探讨了A,B,C和D四种化合物的前线分子轨道能量、吸收和发射光谱等性质与结构的关系,并与实验值进行了对比,发现理论计算数据能够与实验结果一致,特别是采用纯密度泛函DFT-OLYP方法计算发射光谱时,理论计算数据与实验结果相差比混合密度泛函DFT-B3LYP方法更小。计算结果表明,分子共轭体系越大,前线轨道间能隙越小,吸收光谱红移越显著。

设计了一套迈克耳孙白光干涉仪系统用于测量光学薄膜的反射相位,并由此反推单层薄膜的物理厚度。为补偿传统算法获取相位所存在的误差,提出一种新算法,以线性拟合结果作为初始猜想,采用多变量优化拟合总光程差曲线得到光学薄膜的相位。通过数值模拟的方式论证了理论上的可行性和高计算精度。采用多变量优化的手段进行处理实际测试的一组单层TiO2薄膜,所得物理厚度值与传统的光度法测试反演结果非常吻合。该测试系统和处理算法为快速精确测量光学薄膜厚度提供了一种新的解决方案。

通过溶胶凝胶法和旋涂法成功制备了多种金属离子掺杂的介孔TiO2薄膜材料。小角X射线衍射谱和TEM测试结果表明Zn2+,Fe3+,Y3+掺杂的TiO2薄膜均具有较有序的介孔结构;掺入Zn2+,Fe3+的介孔TiO2薄膜孔径为7-9 nm,掺入Y3+离子后介孔孔径扩大至10.9 nm。通过透射光谱研究了三种离子掺杂对介孔TiO2薄膜光学性能的影响,并用Swanepoel包络法拟合了薄膜的折射率。结果表明,掺入Fe3+后,介孔TiO2薄膜光吸收带明显展宽,且具有丰富的表面能态;Y3+掺杂能抑制介孔TiO2纳米晶生长,有助于得到较大孔径的介孔TiO2薄膜。

用磁控溅法在载波片上制备了TiNx/Ag/TiNx复合膜。采用X射线衍射、X射线光电子能谱(XPS)研究了复合膜的晶体结构和TiNx薄膜的化学成分;用紫外可见分光光度计分析了氮气流量、各层膜膜厚对复合膜可见光透射率的影响。研究表明,TiNx薄膜为非晶态,Ag膜为晶态;TiNx薄膜提高了复合膜的远红外反射率,且其表面存在大量Ti-O键;复合膜的可见光透射率随着氮气流量的增加而变大,随着Ag膜厚度的增加先增后减。当氮气流量为55 cm3/s,膜层构造为TiNx(16 nm)/Ag(16 nm)/TiNx(32 nm)时,复合膜在550 nm处的可见光透射率达到85%,远红外反射率达到92%,辐射率为0.0925,具有优异的低辐射玻璃光学性能。

为了研究不同光泽纸张的印刷样品对色差评价的影响,对印在哑光、半光、高光三种不同光泽纸张上的5个国际照明委员会(CIE)基本颜色中心区域,约1100对颜色色样,采用心理物理实验方法中的pass-fail,分别测得23名色觉正常的观察者对不同纸张不同颜色的辨色特性。分别对四个典型色差公式CIELAB,CIE94,CMC,CIEDE2000和CAM02系列CAM02-LCD,CAM02-SCD,CAM02-UCS三个色差公式进行STRESS性能因子的评价和优化,除CIELAB色差公式外,其他色差公式表明无明显差异。采用对明度加权因子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,但光泽度对整体色差阈值的计算影响不是很明显。

针对X射线透射光栅摄谱仪中对高线密度聚焦变栅距光栅的需要,利用电子束光刻技术,研制了X射线透射变栅距光栅。利用变栅距光栅的自动生成宏文件程序,优化设计了变栅距光栅的版图,然后利用电子束光刻和微电镀技术在聚酰亚胺薄膜底衬上制备了X射线透射变栅距光栅。制作出中心线数为2000 lp/mm X射线透射变栅距光栅,栅距变化符合设计要求。衍射效率标定的结果表明,制备的变栅距光栅在中心波长处聚焦作用明显,可以大幅提高衍射光强度和光栅的分辨本领,具有重要的应用价值。