基于随机介质中波的辐射传输理论,采用蒙特卡罗法,数值模拟了满足对数正态分布的水溶性气溶胶和烟尘气溶胶组成的多分散系外混合城市气溶胶的消光系数。与文献数据进行了对比,验证了采用离散组分抽样的蒙特卡罗模拟方法的正确性。分析了外混合气溶胶中透射率和反射率随入射波波长、入射角余弦及光学厚度的变化关系。比较了不同混合比下外混合气溶胶的传输特性。数值计算结果表明,波长的减小将导致外混合气溶胶的透射率降低反射率升高。同时,外混合气溶胶总体表现出的传输特性与组分间存在十分敏感的关系。

根据激光二极管发光的部分相干性这一客观事实,运用部分相干光理论提出了描述激光二极管远场分布的新的理论模型。该模型体现了激光二极管本身特性参数对其远场分布的密切影响,能够描述已观察到的各种远场分布结构,为准确了解激光二极管输出光束的特性和对其进行光束整形提供了理论依据。

提出了一种毫米波本振信号的相位稳定传送技术。采用迈克耳孙干涉原理,将传输过程中的信号相位扰动信息调制在信号臂上,通过反射部分信号臂信号,并与参考臂信号干涉拍频,获得传输过程中的相位扰动信息,从而反馈控制光纤延时器,对系统进行相位校正。在建立传送系统的理论模型和实验系统的基础上,实验测试了本振信号的相位漂移与光纤长度漂移及干涉拍频输出信号之间的关系,理论和实验结果取得了一致。研究结果表明,这一本振信号传送方案的可行性。

在长周期光纤光栅外镀折射率随环境变化而改变的敏感薄膜,其谐振波长随薄膜折射率的变化而改变。对无吸收薄膜,光栅耦合强度为π/2时,其传输谱中谐振波长对应的损耗峰峰值为零。镀复折射率薄膜的长周期光纤光栅,耦合强度为π/2时,损耗峰不为零,在谐振波长对薄膜折射率变化响应灵敏的区域,包层模传输常数的虚部较大,损耗峰幅值减小,甚至消失,不利于谐振波长的测量。通过求解镀复折射率薄膜长周期光纤光栅的耦合模方程,得到了损耗峰峰值的解析解。找到了损耗峰为零的条件。在此条件下设计光栅,可以有效地避免损耗峰减小带来的不利因素。

在频率和时域网络中光纤布拉格光栅(FBG)传感网络的资源极其丰富,但单一的复用组网技术只能利用其一方面的资源,网络资源的利用率不高。为了充分利用传感网络资源,提出了一种新型的基于波分复用(WDM)/时分复用(TDM)的网络复用技术的光纤传感网络设计方案。首先将光纤带宽利用阵列波导光栅(AWG)进行波分复用,然后对波分复用的每一信道进行时分复用。在此基础上分析了网络中的散粒噪声和信道串扰对测量结果的影响。充分利用了光信号在频率和时域上的信息,使传感网络具有了寻址和解调数百个光栅信号的潜在能力。该网络可实现超大容量传感,提高带宽利用率,降低成本,具有很好的应用前景。

报道了一种在光纤内部通过采用157 nm激光微加工一个自封闭法布里珀罗(F-P)腔而形成的在线式全光纤标准具。实验研究了这种标准具的应变和温度特性,结果表明,在标准具两固定点相距1 m的情况下,位移相移系数和位移谷值波长漂移系数分别为1 mrad/μm和5.2 pm/μm,曲线的线性度为99.92%;在18 ℃-500 ℃的温度范围内平均温度系数为0.13 mrad/℃和0.64 pm/℃,温度不敏感。实验证明该标准具有很好的传感特性,能满足各种应变测试的需要,如极好的条纹对比度(高达30 dB)、低温度交叉敏感、大规模生产的极大潜能、低成本和耐恶劣环境能力强等。

总结了多模光纤用于数据通信的优劣点,并分析多模光纤在未来高速大容量长距离无源光接入网(PON)中应用的可行性。从弱导光纤波导理论出发,忽略模内色散以及非线性效应的影响,建立多模光纤的简化模型,并在该简化多模光纤模型的基础上,采用仿真实验的方式,对一些改善多模光纤传输性能的技术:偏心注入,改变模斑尺寸,环形注入以及判决反馈均衡进行了分析,研究和比较。实验结果证明,采用模斑整形(主要是环形注入)与反馈均衡结合的方式可以有效地改善多模光纤的传输性能,使得10 Gb/s信号在多模光纤中传输超过1 km。

报道了高频CO₂激光脉冲在无限截止单模光子晶体光纤上写入的长周期光纤光栅的高温快速退火特性。实验发现以大约600 ℃为转折点,在退火温度低于600 ℃时,退火后的光栅谐振峰在低于退火温度的高温环境中的温度响应和应变响应都不稳定,线性度和重复性都较差;而在退火温度高于600 ℃而低于700 ℃时,退火后的光栅谐振峰在低于退火温度的高温环境中的温度响应和应变响应都很稳定,线性度和重复性也很好。如果将光栅加热到更高温度时,光栅会被慢慢部分擦除掉。通过对CO₂激光脉冲在光纤上写入光栅过程引入光纤轴向不均匀的应力在不同高温下释放效率和程度的分析,对该现象进行了解释。

利用光纤超荧光光源在1530 nm附近具有较好的线性边带做边沿滤波器进行滤波解调,并对边沿滤波和光源的工作原理进行了深入分析。由于光源波长检测灵敏度对系统解调灵敏度起决定作用,所以系统光源采用了双程后向结构,在线性边带的下降沿2.5 nm范围内功率随波长变化的灵敏度为-14.7 μW/nm,线性拟合度达到了0.9995。系统采用全光结构,提高了解调速度。通过对地震检波的模拟测量,解调检测波长灵敏度可达-1.27 pm/mV,应变分辨力为1.06 με。实验表明,该解调系统具有操作简单、灵敏度高、稳定性好、性价比高且反应速度快,可以实现对地震信号的实时检测。

光纤陀螺经过确定性误差补偿后,各种随机噪声成为其误差的主要来源。为了减小光纤陀螺的随机误差,研究基于小波包分析的滤波方法,分析了小波包滤波的原理以及滤波过程中阈值及阈值函数的选取问题,并进行了相应的改进。然后分别采用Allan方差法和功率谱密度(PSD)方法分析滤波前后光纤陀螺的随机误差特性,对滤波的效果进行理论上的分析。最后,选取光纤陀螺VG951的漂移数据进行仿真验证,结果表明,基于改进的小波包滤波方法能够有效地减小光纤陀螺的随机误差,从而提高测试的精度。

Ad Hoc网络技术可以大大扩展紫外光散射通信的有效范围,对通信节点覆盖范围模型的研究非常重要;针对“日盲”波段(200-280 nm)紫外光通信的特点及Ad Hoc网络中固有的一些特性,研究了非视距(non-line-of-sight)紫外光散射通信的三种通信方式,分析了单次散射信道中大气传输衰减,有效散射体体积,接收功率;根据单次散射数学信道模型中收发仰角的不同,得到三种不同的通信模型,并在此基础上建立了“日盲”紫外光通信网络中节点覆盖范围模型,并分析计算了三种通信方式下节点通信距离和覆盖范围;给出了紫外光散射通信网络中不同通信方式下通信节点覆盖范围的具体公式和计算方法。

运用部分相干理论和数字全息理论,对基于发光二极管的弱相干光数字全息进行了理论分析和实验研究。在假定LED是空间非相干、时间准相干的前提下,研究了互强度在所研究系统内的传播,导出了利用LED重建的物光波和利用完全相干光重建出来的物光波频谱之间的简单线性公式。结果表明,基于LED的数字全息重建的物光波相当于对相干光源下重建得到的物光波进行了低通滤波。散斑噪声等高频噪声受到了极大抑制,重建图像的信噪比得到较大提高,但同时也损失了一定的分辨率。滤波器的带宽与次级光源的大小成反比,并且受到衍射距离的调制。根据理论分析结果,指出了提高系统分辨率的途径,最后用实验证实了理论分析的正确性。

为解决三维形貌测量中非连续相位解包问题并提高测量精度,提出了采用二维网格光栅作为空间载频条纹的二维伽博小波变换轮廓术。与采用一维单一频率载频条纹轮廓术比较,该方法可以获得两倍的测量信息,并且可以达到相同的测量精度。提取二维网格条纹中的两个调制相位时,该方法不必设计带通滤波器来分离两个一维条纹,而是直接应用二维伽博小波变换。通过检测小波脊,从一幅变形网格光栅图像中直接提取两个方向光栅条纹各自所对应的包裹相位分布,结合查表法进行解包从而得到确定的调制相位分布。给出了详细的理论推导,实验结果证实了该方法的可行性。

为了提高空间目标光学特性的计算精度,提出并实现了一种基于缩比模型实验的空间目标光学特性计算模型参数校验方法。首先,分析影响空间目标光学特性的主要因素,确定计算模型参数校验的总体方案;其次,构建空间目标光学特性实验测量系统,采集两类实验被测对象(表面材料与目标缩比模型)在不同条件下的光学特性数据;最后,建立基于实验测量数据的计算模型参数校验算法,对空间目标表面材料与几何结构的光学特性计算模型参数进行分步校验。实验结果表明,校模后的目标特性计算结果与实验结果在统计意义上趋近一致,该计算模型的校验方法可满足近程光学导航实际工程应用的要求。

低相干动态光散射技术利用低相干干涉计的特性,有效抑制了从浓悬浮液中散射的多次散射光,从而能够检测到的单散射光信号中获取颗粒的动态信息。该技术以单散射理论为解析基础,为避免多重散射的影响,测量区域一般局限于固液界面附近。分析了固液界面附近壁的拖曳效应对粒径测量值的影响。利用相位调制低相干动态光散射装置,对体积分数为10%的不同粒径的标准聚苯乙烯溶液进行了检测。通过对结果考虑拖曳效应进行修正,发现不同粒径的粒子在界面附近10-30 μm范围内的测量值与给定粒径值标准偏差在5%以内。表明在低相干动态光散射光程可分割测量中,考虑拖曳效应的影响,可以对固液界面附近的测量结果通过修正并得到准确的颗粒大小信息。

介绍了一种基于空芯光子晶体光纤(HC-PCF)气体吸收腔的气体检测系统。采用20 μm芯径、40 cm长的HC-PCF作为气体吸收腔,利用连接套管实现HC-PCF和单模光纤(SMF)的对接。连接套管上留有50 μm的缝隙,使环境气体可通过缝隙扩散进入HC-PCF吸收腔。结合可调谐光纤环形激光器构建了全光纤气体检测系统。光纤激光器输出的高功率、窄带宽探测光对待测气体具有很好的选择性,克服了传统检测方法中常见的交叉敏感现象。以乙炔气体为测量对象,对该系统测量性能进行实验验证。实验结果表明,在自然扩散条件下,乙炔气体在HC-PCF气体腔内的扩散时间约为6 min,系统响应与乙炔气体体积分数近似呈线性关系,最低检测限为0.1%。

设计了Ritchey-Chretien(R-C)型红外探测系统及其遮光罩,运用软件TracePro建立了结构模型,通过光线追迹分析了系统的几个关键内表面自身热辐射杂散光。给出了温度范围为250 K-320 K时,几个关键内表面热辐射产生的杂散光光子数随温度变化的关系。计算了天空背景的杂散光,同时给出了单像元接收到的杂散光光子数增加的速率随温度变化的关系。分析结果表明,常温下使用没有主镜筒的开架式望远镜结构对减小杂散光的效果并不明显。如果要实现背景限探测,系统主镜内遮光罩的温度至少降低至230 K。

对于收集模式的近场光学显微镜,提出一种新的测量样品折射率和倾斜角的方法。这种方法中,使用一个反馈回路控制照射样品的光强,探针与样品保持等间距垂直振荡,照射样品的光有两束且位置对称。数字信号处理器控制照射光强改变、近场光强采样与探针振荡同步。在一个振荡周期获取一组近场光强极值,在另一个周期,改变每束光强度,隐失场分布发生改变,得到一组不同的近场光强极值,使用从多个振荡周期获取的不同近场光强极值,计算得到样品倾角,折射率。使用光栅和细胞膜对这种方法进行了测试,对光栅样品的扫描得到的形貌图显示这种方法横向分辨率优于400 nm,对细胞膜样品的测试显示细胞膜的折射率在1.4左右,从而表明这种方法不但能有效测量样品折射率,而且提供了一种使用光学信息构建样品形貌的新途径。

从放大器能量储存和提取效率出发,通过理论分析激光介质增益性能和热效应等,系统地讨论和分析了激光二极管(LD)端面抽运高峰值功率高效率脉冲Yb:YAG片状激光放大器激光介质设计及优化过程。根据分析结果,设计脉冲激光放大器,在保证高峰值功率高效率工作的同时,能够充分抑制寄生振荡和热效应问题。

分析了激光预处理对ZrO₂-SiO₂ 1064 nm 高反射膜激光损伤阈值以及引起损伤缺陷的影响。在以缺陷损伤阈值和缺陷密度表征缺陷的基础上,研究了预处理前后薄膜中引起损伤缺陷的变化情况。研究了激光预处理能量和预处理效果的关系。结果表明,激光预处理可以清除ZrO₂-SiO₂ 1064 nm 高反射膜中低阈值的缺陷,但预处理能量密度较高时,可以使薄膜中高阈值缺陷转化成低阈值缺陷。因此扫描预处理应采用相对较低的能量密度。

对传统方法中以抖动偏频量和抖动激励信号中的噪声强度来表示机抖激光陀螺抖动参数的方法进行了改进,以K参数和抖动幅度中的噪声强度来表示机抖激光陀螺的抖动参数,从而使不同抖动频率和注入效率的陀螺具有相同的比较标准。定量讨论了K参数与抖动幅度中噪声强度的大小对机抖激光陀螺零偏稳定性和角随机游走的影响。实验结果表明,当K参数取600-650之间、抖动幅度中的噪声强度取2%-3%之间时,机抖激光陀螺的零偏稳定性和角随机游走可以达到比较理想的状态。

四频激光陀螺光强稳定控制后两种不同模式下的零漂在高低温实验中表现出非常明显的差异,其中一种模式的零漂在温度单方向变化时存在一定的振荡,而另一种模式的零漂与温度基本上是线性关系,并且具有良好的重复性。针对这一现象,根据四频激光陀螺的基本理论,分析得出导致这种高低温下不同模式零漂随温度变化不同的主要物理根源可能是差损零漂项和恒磁偏频零漂项随温度变化关系的不同。同时指出四频激光陀螺如果采用温度补偿来提高其精度,则温补系数必须在实际使用的模式下确定才有意义。

在高功率激光二极管(LD)抽运条件下,固体增益介质的热透镜效应是优化激光谐振腔系统所必须考虑的重要因素之一。利用带尾纤耦合输出的激光二极管和整形聚焦透镜组组合抽运Nd:YVO₄晶体,用稳腔法测量了激光晶体的等效热焦距。利用LAS-CAD软件模拟了三种热稳腔结构在所测等效热焦距下的模式分布,对LD双端抽运Nd:YVO₄激光器Z字型谐振腔进行优化设计后,实验选定后腔镜曲率半径R1=300 mm,输出镜曲率半径R2=100 mm,腔长Ltotal=280 mm,耦合输出镜透射率T=50%。当输入61 W抽运功率时,激光最高输出功率达21.3 W,光束质量因子M2 <1.41,所得激光器输出结果与理论预期吻合得很好。

报道了一台平均功率3.09 W、和频效率大于35%的周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体准相位匹配和频钠导星激光器。用声光调Q的二极管抽运Nd:YAG固体激光器产生高光束质量的基频光1064 nm与1319 nm,在腔内插入高精度控温的标准具获得窄线宽输出,并在腔外通过准相位匹配的PPSLT晶体和频产生钠导星激光。当注入PPSLT晶体的1064 nm和1319 nm总平均功率约8.80 W时,在匹配温度68 ℃时实现了最高和频转换,输出钠导星激光3.09 W,重复频率800 Hz,脉宽约60 ns,线宽约1.6 GHz。并通过调节控制标准具的倾斜角度和温度,将中心波长对准至钠D2a线589.1591 nm,偏差小于±0.2 pm。

研究了直升机涡轮导向器叶片的激光修复技术。以直升机四级涡轮导向器分解叶片为基材,以镍基合金为熔覆材料,在激光功率为1-2 kW,扫描速度为2-15 mm/s,光斑直径为1-3 mm,层厚为0.2-0.6 mm的工艺参数条件下,研究熔覆层的表面成形、显微硬度以及微观组织形貌。结果表明,综合叶片宏观形态、硬度分析与扫描电镜分析结果,可以得到组织细密、与基体呈良好冶金结合且无明显微观裂纹的熔覆层。因此,采用激光修复技术对受损涡轮导向器叶片进行修复的方案是可行的。

协方差矩阵具有融合多维特征,获得全局最优解的优点,在目标描述方面展现出了优秀的性能,然而传统的协方差匹配难以跟踪被严重遮挡的目标,且全局搜索易遭受相似背景的干扰。为了提高协方差跟踪的性能,提出了基于遗忘因子与卡尔曼滤波的协方差跟踪算法。利用协方差矩阵可实现多种特征的巧妙融合,采用基于遗忘因子的加权搜索策略,可以削弱窗口内相似目标的干扰,利用卡尔曼滤波预测目标运动轨迹并判断目标是否被严重遮挡,使遮挡消失后目标仍能被重新捕获。实验结果表明,该算法可在摄像机运动、目标旋转、缩放和被遮挡等情况下实现刚性与非刚性目标的稳健跟踪。

粗糙表面的激光散射会引起表面散斑图的强度分布,这种分布图包含了关于表面几何和物理性质的大量信息。对磨削表面形成的散斑图进行了基于空域滤波的纹理分析,提取出与粗糙度(Ra)成良好单调关系的参数。即对散斑图像进行基于窗口分形布朗运动模型的三类向量[归一化分辨率范围向量,归一化的像素对数目向量,和归一化的多分辨率强度差分向量(NMSID)]的提取,再进行NMSID向量滤波变换,对变换后的图像分别进行去零(去灰度值为零的像素点)前与去零后的统计分析。结果显示,去零后的能量和新熵两个特征量与Ra成良好单调关系。

提出了一种用于水泥熟料的在线厚度检测的基于候选深度的三维重建方法。采用一字线激光器从正上方向水泥熟料层投射激光线,使用双目摄像机从斜上方获取图像并进行二值化处理。在世界坐标系范围中光条所在的垂直面上建立深度候选点,通过确定候选点在视差图像上对应点直线与光条相交的交点,实现被测物体表面的精确测量。实验证明本方法具有较高的测量精度和计算速度,能够满足运输中水泥熟料在线三维重建的要求。

采用提拉法生长了质量较高的掺Fe铝酸锂(LiAlO2:Fe)晶体,并用吸收光谱、光致激发与发射光谱以及X射线激发发射(XEL)光谱测试等方法对晶体的光谱性质及结构进行了研究。结果表明,晶体对可见光与近红外光具有较高的透过,而在深紫外波段存在与Fe离子相关的吸收。以266 nm光激发得到710 nm的Fe3+离子的特征发射峰,分析表明晶体中Fe3+离子代替Li+离子而处于8面体格位。比较不同晶体样品的XEL光谱发现,空气退火后的γ-LiAlO2晶体出现了318 nm处较强的缺陷发光,而同样条件退火后的LiAlO2:Fe晶体与未退火的γ-LiAlO2晶体均未观察到相应的发光。分析得出此发光应与晶体退火后形成的F+心有关,而Fe掺杂可抑制晶体中Li2O的挥发,提高晶体的热稳定性。

采用射频磁控溅射法在n型单晶Si(100)衬底上制备Au/Si/Au多层薄膜,并在300 ℃真空原位退火30 min。扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)观察发现,退火前样品表面是一层平整的薄膜,而退火后样品表面形成均匀分布的岛状纳米颗粒,颗粒直径为10-20 nm,面密度约1×1011 cm-2。X射线光电子能谱(XPS)及TEM分析表明,退火后样品表面形成单晶结构的AuSi_x(x=1/2,1/7)纳米颗粒。室温下对退火后样品的光致发光(PL)特性进行测试,样品在580,628和700 nm处出现三个发光峰,经过分析这些发光峰与样品表面的SiO2结构,AuSi_x纳米颗粒周围的悬挂键等缺陷以及样品表面SiO2纳米结构中的无桥联氧等因素有关。

基于摩尔组分比为x(GeO2):x(Al2O3):x(NaF):x(CaF2):x(ErF3)=54:20:6:20:2的锗酸盐玻璃,制备出了透明的氧氟微晶玻璃,并研究了Er3+的上转换以及近红外发光特性。结果表明,采用两步法热处理,微晶玻璃中析出了纳米级别的CaF2微晶,且具有较好的可见透明性;由于局域环境声子能量的降低,在980 nm激光二极管(LD)抽运下,Er3+在微晶玻璃中的可见上转换发光较玻璃中大大增强,其红色和绿色上转换发光过程是一个双光子吸收过程,蓝色发光则为三光子吸收过程,近红外发光则相比基质玻璃中有所减弱。掺铒透明氧氟锗酸盐微晶玻璃是一种综合性能优异的主动光学材料。

以4种钌配合物[Ru(bpy)3]2+,[Ru(bpy)2HPIP]2+,[Ru(dmb)2PIP]2+,[Ru(dmb)2DMNP]2+为研究对象,采用时间分辨的光谱技术分别测量了这4种钌配合物在室温和低温情况下的稳态发光光谱及瞬态发光动力学过程。结果表明,4种样品在低温条件下的发光强度较之室温条件均有所增强,光谱形状有明显变化,瞬态发光寿命也均有延长。分析表明,4种钌配合样品在低温条件下从液态介质固化为刚性介质,电子转移情况发生变化,导致低温发光的光谱形状与室温光谱明显不同。 同时速度常数窜越系数kts减小,分子振动和热运动降低,从而提高了磷光量子产率,使得发光增强,寿命也相应延长。

研究了514 nm可见激光诱导掺铪摩尔分数为3%同成分铌酸锂晶体优先畴成核。利用数字全息干涉术实时记录监测激光诱导优先畴成核过程,再现了该过程中晶体内诱导区域相位分布的变化,通过测量证实成核场随诱导光强的增强呈指数减小。在实验基础上提出诱导过程中出现的沿Z方向的空间电荷场对激光诱导优先畴成核有着非常重要的影响,并给出了激光诱导铌酸锂晶体优先畴成核定性的物理模型。不仅能够为激光诱导晶体铁电畴工程的优化提供重要信息,而且能够为激光诱导铌酸锂晶体优先畴成核机制的研究提供重要实验依据。

采用光镊技术研究了离体血红细胞的动力学过程即细胞活性的变化规律。当光镊中的半导体激光器发出的高斯光束照射红细胞使其发生形变并反转,待细胞保持动态平衡后切断激光光路,得到形变血红细胞的自由回复时间,该时间长短与细胞活性相关联。通过对比被小功率He-Ne激光器持续照射和正常离体血液的活性衰变规律,结果表明,细胞活性均呈现出规律性的变化,波动之后逐渐减弱并最终趋向死亡。被激光持续照射的红细胞活性衰变较缓,即激光照射的作用延缓了红细胞的衰弱。研究结果能为细胞的活性和动力学分析提供参考,为血液疾病的临床检测和激光临床治疗提供帮助。

脉冲光与皮肤组织的选择性光热解效应(Selective photothermolysis)在皮肤病损激光治疗中具有广泛应用。在相同参数光辐照下,个体皮肤温度场分布差异主要源于表皮黑色素含量不同。针对皮肤表皮黑色素含量差异,实验研究了532 nm多脉冲光与不同个体黄色人种皮肤黑色素的热响应。提出了在无损光剂量辐照下基于脉冲光热辐射度量术(Pulsed photothermal radiometry,PPTR)确定黄色人种个体皮肤表皮光学吸收系数的方法,并比较了不同参数光辐照下皮肤热响应的数值模拟和实验结果。研究结果表明皮肤热响应的数值模拟和实验结果具有较好的一致性,因而这一方法对于优化选择个体皮肤光治疗辐照参数具有重要意义。

提出了在由两块双光子光伏光折变晶体和一个电源通过导线串联而成的回路中存在双光子独立屏蔽光伏空间孤子对的理论.在适当的条件下导出了两光束在晶体回路中传播的耦合方程。证明了在回路中存在暗-暗、明-暗和明-明双光子独立屏蔽光伏空间孤子对。在光束的空间展宽远小于晶体宽度的极限条件下,对每种孤子对中两孤子相互作用的研究表明,暗孤子通过光电流能影响孤子对中另一孤子,但明孤子不能影响另一孤子。

通过变分法,研究了在真实的非局域介质中当响应函数为e指数衰减型时具有初始波前曲率的光束的传输特性,并得到了光束各参数演化的解析解。研究发现,不论初始输入功率大小如何,正的初始波前曲率均会导致光束先展宽,而负的初始波前曲率则导致光束先压缩。对于具有不同初始波前曲率的光束,在某一确定的输入功率处,其束宽的演化曲线周期性的相交,而这些交点处恰是无初始波前曲率的光束压缩或展宽的极值处,通过和Snyder 等提出的强非局域孤子模型的结果进行了比较,发现这种现象是Snyder-Mitchell的线性模型中所不存在的。

完成了红外搜索与跟踪(IRST)系统中光学系统的设计,工作波段为8-12 μm。首先分析了IRST系统的特性,详细介绍了其光学系统的组成。系统结构采用卡塞格林反射式,通过折/衍混合元件校正剩余像差,完成了二次成像。通过简单机电方式补偿热差,使系统在-40 ℃-+60 ℃温度范围内性能均接近衍射极限。通过对主镜和次镜加遮光罩的措施抑制系统杂散光,使红外探测系统的信噪比得以提高,图像对比度得到增强。实验结果表明,此系统性能良好。

针对电子助视器的使用要求,设计并开发出一款变倍比达9.3的有限远共轭距连续变焦光学系统,给出了光学系统的结构数据与性能评价,包括调制传递函数、点列图和弥散斑直径,通过公差灵敏度分析和蒙特卡罗法对光学系统容差能力进行了研究。光学系统采用机械补偿方式,分前固定组、变倍组、补偿组和后固定组,共11片透镜,光学筒长76 mm,前截距262 mm,可以实现8.8-52 mm的连续变焦,变焦轨迹平滑,整个变焦过程无渐晕,图像质量清晰稳定。

设计了一种适合于计算机X射线扫描仪的新型激光扫描光学系统,采用五角棱镜和聚焦物镜组成扫描臂以取代传统的f-θ镜头,利用影像板的柔性成圆弧形进片。扫描臂又用做接收器件来收集激发出的荧光,使得系统性能提高,同时结构简单。用Zemax光学软件对扫描物镜的光学性能进行了分析。对机械结构进行了有限元仿真,确定了扫描臂转速。研究了当入射光与五角棱镜入射面不垂直及五角棱镜存在安置误差时,对系统分辨率的影响。结果显示设计的激光扫描光学系统具有一定的容差性。实验验证了所设计制造的扫描仪的性能,扫描图像具有良好的视觉效果,能够满足工业检测要求。

用真空电子束蒸镀的方法制备氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)薄膜,制作了以300 nm ITO为窗口层的新型AlGaInP红光LED。在氮气环境下,对LED样品进行了40 s快速热退火处理。随着退火温度增加,LED的光强先上升后下降,电压先下降后上升,并且两者都在435 ℃达到最优值。通过霍尔测试研究退火对ITO薄膜电学特性的影响,发现这是由于ITO在经过435 ℃退火后,电阻率最小,载流子浓度最大,因而减小了ITO的体电阻和p型欧姆接触电阻,降低了LED工作电压,同时增加了ITO做为电流扩展层的电流扩展效果,提高了LED光强。

为了在10 Gb/s+40 Gb/s混合系统中提高光学奇偶交错滤波器的带宽利用率,提出了基于两级级联马赫曾德尔干涉仪(MZI)的全光纤型不等带宽光学交错滤波器的设计方案。通过对耦合器分光比、干涉仪臂长差等结构参量的选择,详细分析了两级级联MZI的不等带宽交错滤波器的传输特性,并选取了理论优化计算的一组数据进行实验。 数值分析和实验结果表明,该器件将50 GHz的输入信号分离成信道间隔为100 GHz的奇偶两路输出信号,其中在3 dB处,奇数信道带宽大于30 GHz用于10 Gb/s传输,偶数信道带宽大于60 GHz用于40 Gb/s传输。该滤波器较传统的等带宽交错滤波器有更高的带宽利用率,在10 Gb/s向10 Gb/s+40 Gb/s升级过程中作为复用/解复用器具有很大优势。

光电高温计的非线性是复现和传递国际温标的主要不确定度贡献项之一。基于光通量倍增原理,采用中心波长645 nm的高亮度发光二极管(LED)光源,建立了新的光电高温计非线性测量系统。利用LED开关供电方式,取消光闸门设计,避免了光路多次反射引入的非理想性。实验研究了阶跃电流供电条件下LED光源的光谱辐射亮度漂移特性,确定了不同供电电流下的初始非线性漂移的结束时间。设计了具有固定相位差的双LED脉冲供电电流和半透半反双光源亮度叠加方案。选择LED线性漂移阶段测量光电高温计的非线性,利用测量序列互换模型消除两LED线性漂移差异的影响,并进行了实验验证。实验测量了用于温标传递的光电高温计RT9032的非线性特性。

提出一种可产生无衍射贝塞尔(Bessel)光束的新型光学元件--组合锥透镜,由正、负轴棱锥胶合在一起设计而成。其变换光束特性与单个正轴棱锥相同,等效底角由正、负轴棱锥底角之差决定,因此可通过较大底角的正、负轴棱锥组合得到更小角度的底角,以获得更长距离的无衍射光,解决了单个正轴棱锥小角度加工困难的技术问题。推导出组合锥透镜的ABCD传输矩阵,数值模拟平面波通过组合锥透镜后的光场为无衍射Bessel光束,并从几何光学角度用Zemax软件模拟组合锥透镜后的光场分布,与正轴棱锥后的光场进行了比较。研究结果为实现无衍射Bessel光束开辟一条新的途径。

提出了时间反演方法来控制等离子纳米系统中能量最强点的位置。该方法是基于纳米系统中对某一点局域超短脉冲激发的远场的时间反演。尽管在金属等离子系统中存在很强烈的干扰和严重的相位移动和分散,并且所作的时间反演并不完整,但是该方法在控制纳米尺度的光场能量时十分有效,可应用于纳米分光镜、光学调制、超密信息存储和纳米信息处理等领域。

提出了一种利用不同大小的高折射率介质方柱组成的梯度光子晶体来实现聚焦的方法。数值仿真计算证明,该聚焦器件能实现高能量利用率和接近衍射极限的聚焦光斑。在透镜两侧涂上一层增透膜,可以有效地抑制旁瓣和提高能量利用率。随着透镜填充因子的增大,焦点的能量随之增强。针对波长10.6 μm,设计了一个口径为100 μm,焦距为50 μm的梯度光子晶体结构透镜,利用时域有限差分方法得出透镜能量利用率在填充因子为44.7%时达到了48.5%,焦斑大小也接近衍射极限。

空芯光子晶体光纤由于独特的结构,具有不同于传统光纤在弯曲状态下的光传输特性。对空芯带隙型光子晶体光纤的微观弯曲损耗特性进行研究,利用改进型微弯器使光纤获得不同外力和弯曲条件下的响应,测量其传输谱。实验上分析了波长、压力、微弯振幅和微弯周期等因素对于光纤传输损耗的影响,利用模式理论分析给出了微弯损耗产生的原因。结果表明,带隙型光子晶体光纤的抗微弯能力强,由于表面模式的存在,在1520-1620 nm波段内光纤微弯损耗随波长的增加而增大。带隙型光子晶体光纤的弯曲损耗随微弯振幅增大而增大,并且在一定范围内损耗随微弯空间周期的增加而增大,但当微弯周期超过一定的临界值时其损耗随之减小;微弯状态下光纤的表面模式、包层模式与损耗密切相关。

基于受激布里渊散射的慢光在全光通信中具有重要的应用前景。传统的光纤作为慢光介质,具有较低的延迟效率,对光纤长度和抽运功率要求较高,而高非线性光子晶体光纤作为慢光介质应用于慢光系统,可以提高系统的延迟效率。实验选用一段70 m长的高非线性光子晶体光纤作为慢光介质,在抽运功率101 mW情况下,50 ns脉冲信号获得了33 dB的布里渊增益,脉冲延迟了30 ns,延迟效率达到了0.0046 ns/(mW·m),是普通单模光纤的13.7倍。该光纤应用于受激布里渊散射慢光系统可以有效缩短光纤长度和降低对抽运功率的要求,具有潜在的应用前景。

高频CO₂激光在扭曲的单模光纤上制作的长周期光纤光栅(LPFG)还原后会产生谐振峰分裂现象。基于这种光栅结构,用拍频理论对谐振峰分裂现象和扭曲特性做了解释和分析,实验结果与理论分析相吻合。由于这种光栅的两分裂峰具有几乎一样的温度灵敏度,因此提出可通过测量这种光栅两分裂峰之间的距离来实现扭曲量的测量,并且当扭曲方向不一样时,两分裂峰的距离会变大或变小,因此该扭曲传感器在实现高灵敏度扭曲传感时还可辨别扭曲的方向。这种传感器在工业领域将具有良好的潜在应用价值。

使用窄线宽半导体激光器、声光移频器、马赫-曾德尔幅度调制器以及全光纤相干光路,构建了一套基于平衡相干探测与啁啾调幅的激光测距实验系统。介绍了啁啾调幅相干激光雷达的工作原理,完成了基于直接数字合成(DDS)技术的啁啾信号生成及射频信号处理电路的设计。对实验系统的时间分辨力与最小可探测功率进行了测试,对实验出现的一些现象进行了分析。

在可见光波段范围内,利用折射率可以建立偏振度与海水密度之间的函数关系,但是计算的海水密度误差较大。为了更加精确的计算海水密度,以色散理论为基础,确定计算海水密度最优波段。实验中以大连湾与月芽湾海水为研究对象,利用USB2000光谱仪测量海水偏振光谱并计算出偏振度,用反向迭代法找出与实际密度对应的偏振度误差较小的波段,即计算海水密度的最优波段。结果表明,不同密度的海水在不同入射角度计算密度的最优波段不同,在(650±2)-(670±2) nm范围内具有较高的精度。在最优波段范围内计算的精度高,使得偏振信息计算海水密度在遥感技术中的实际应用更进一步。

人造水雾可有效衰减红外辐射而广泛应用于目标红外隐身领域,获得最佳消光效果的水雾粒子半径分布区间成为国内外研究的重点和难点。在米氏(Mie)理论的基础上给出了粒子消光的物理和数学模型,总结了确定人造水雾最佳消光半径的三个条件,采用散射相函数和消光效率分析相结合的方法,经过Matlab编程计算分析了针对中、远红外波段的水雾粒子最佳消光半径,获得了较为明确的粒径分布区间,给出了中、远红外波段的最佳粒径分布规律。该结论可对舰船及陆路目标的红外隐身及消防灭火研究提供参考。

在交联的偶氮聚合物材料薄膜上制作了轴对称相位延迟片。基于偶氮聚合物的光致异构特性,搭建了偏振光诱导装置。将偶氮薄膜材料放在可旋转的平台上,激发光照射在旋转台的半径方向从而在薄膜内部诱导形成轴对称分布的偶氮分子阵列。利用探测光实时检测偶氮薄膜在激发光的作用下的相位延迟量。通过编写软件,在计算机上记录下制作过程中探测光通过放置于正交偏振片组中的偶氮薄膜的光强曲线。制作完成后,通过搭建的轴对称延迟片主轴测量光路,对延迟片的轴对称性进行了测量,并用CCD记录下了测量图案。实验测得薄膜材料的双折射达到0.0205,厚度为3 μm,相位延迟为65°。

采用乙烷气体辉光放电法在单晶Si衬底上制备了名义厚度分别为75,150和250 nm的类金刚石碳(DLC)薄膜,除沉积时间外其他工艺参数完全一致。使用可变入射角光谱型椭偏仪(VASE)测量了380-1700 nm波段的椭偏谱。该研究发现,对单一DLC样品的椭偏数据进行分析时,一定的范围内,假定不同的薄膜厚度均可以得到非常好的拟合结果。结果表明,采用单样品椭偏法拟合时,厚度与光学常数呈现出强烈的关联性,无法快速获得准确的结果。采用多样品椭偏法,对三个样品建立相同的物理模型,假定他们的光学常数相同,进行数据拟合。分析发现该方法可以快速、简便地获得精确的折射率、消光系数以及厚度值。经过检验,结果具有非常好的唯一性。