气溶胶标高是反映气溶胶浓度和消光系数廓线垂直分布特性的一个重要物理量。使用微脉冲激光雷达测量了我国西北典型地区的气溶胶消光系数廓线; 使用太阳光度计测量了大气的垂直光学厚度; 对测量数据进行拟合, 得到了气溶胶标高。结果表明, 两种方法得到的气溶胶标高具有很好的线性相关性, 相关系数大于0.87。对该地区的气溶胶标高进行了统计分析, 得到气溶胶标高随时间、地域及气候条件的变化关系。该研究对了解西北地区的气溶胶变化特征和建立气溶胶模式具有一定的参考意义。

在数字散斑相关测量方法中, 可靠的变形初值估计是获得亚像素精度的关键。利用标志点匹配技术, 提出了一种新的变形参数初值估计法。该方法在散斑上粘贴反射系数极高的圆形标志点, 为消除散斑背景对标志点提取的影响, 提出一种改进的尺度不变特征转换算法, 将极值点检测约束在显著的边缘区域, 从而大大减少冗余特征点的提取, 最后通过单应性变换得到全场变形, 进而使得感兴趣区域中各像素点快速完成初值估计。制作散斑板子进行实验验证, 结果表明, 该方法得到的变形初值, 只需要3~4次迭代就能够使亚像素迭代收敛, 并获得准确、可靠的测量结果。

为了探求机载红外搜索跟踪(IRST)系统的最佳阈噪比(TNR), 采用基于信噪比(SNR)的作用距离模型, 并结合虚警概率、发现概率和SNR之间的函数关系, 构建了机载IRST系统的探测点目标概率模型, 重点分析了发现概率与作用距离、目标速度和倾斜角度之间的关系。结合飞机的红外辐射特性, 建立了机载IRST系统的探测概率数学模型, 仿真分析了在不同TNR下, 方位角和俯仰角的变化对作用距离的影响。根据作战需求, 提出最佳TNR在8~10范围内。该研究结果为提高机载IRST系统在实际使用中的探测效率提供了参考依据。

全息光栅拼接参数需要用参考干涉条纹来检测。系统像差会造成干涉条纹扭曲, 产生光栅拼接误差。为补偿像差造成的光栅拼接误差, 对像差与干涉条纹扭曲量之间的理论关系进行了研究, 利用计算机模拟了参考干涉条纹图像, 并将光栅拼接误差预调制到参考干涉条纹图像中。为验证该方法的有效性, 在曝光系统像差峰-峰值为0.72λ的情况下进行了光栅拼接实验, 在光栅拼缝处像差造成-1级衍射波面最大突变量为0.36λ。利用预制参考干涉条纹图像作为拼接参考时, 其最大突变量为0.097λ。实验结果表明, 在曝光系统像差较大的情况下, 干涉条纹预制法能够有效地控制光栅拼接误差。

根据模式耦合理论, 设计了一种基于三芯光纤并支持LP01、LP11a、LP11b三种空间模式传输的三模复用/解复用器。该三芯光纤由一个位于中央的三模纤芯和两个外部的单模纤芯构成。选择三模纤芯的结构参数, 根据模式有效折射率匹配原理分别设计两个外部单模纤芯的参数。通过仿真分析了LP11a模与LP01模、LP11b模与LP01模的功率转换过程, 确定最优的光纤长度为5.2 mm。在C+L波段中所设计的三模复用/解复用器能提供50 nm的工作带宽, 其模式转换效率达到90%。该基于三芯光纤的三模复用/解复用器具有结构简单、模式转换效率高、插入损耗小、带宽宽等优点。

为了适应公路边坡倾斜监测的需要, 提出了一种新型的水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅(FBG)倾角传感器。传感器所测对象的倾角发生变化时, 水银柱在金属壳内的有效长度发生改变, 对传压活塞的压力也相应改变。传压活塞通过传力杆将水银的压力传递给等强度悬臂梁自由端, 使得粘贴在等强度悬臂梁左右两侧的FBG中心波长变化。利用有限元方法在不同倾斜角度下运用两点粘贴法分析等强度悬臂梁与FBG的应力特性, 根据仿真参数研制了倾角传感器, 并对该传感器进行了角度标定实验和温度敏感实验。实验结果表明, FBG倾角传感器量程范围为0°~40°, 灵敏度为21.8 pm/(°), 拟合度R2为0.998, 重复性为1.12%。

实验研究了一种磁流体包覆的光子晶体光纤耦合器, 其分光比可由磁场在线调节。实验结果表明, 耦合器耦合区的尺寸越小, 其分光比随磁场的变化越敏感。在外磁场强度为0~14 mT时, 耦合区尺寸为27 μm的耦合器分光比随磁场强度线性变化的灵敏度为0.0289 mT-1。耦合器耦合区尺寸越小, 环境温度对分光比的影响越强。对于实际应用的耦合器, 应综合考虑分光比的磁场调谐特性及温度响应特性, 选择合适参数的光子晶体光纤耦合器。

瞬态宽带宽光信号广泛存在于激光干涉测速、光通信等领域, 具有宽带宽、非重复性的特点, 但现有的直接或间接光脉冲测量技术还无法应用于此类信号的测量。利用时间-波长映射的啁啾光脉冲和四波混频效应对瞬态光信号进行超高速光采样, 通过采用时间拉伸技术和色散介质, 放大其时间尺度, 成倍提高了后端电子记录系统的带宽及采样率。实验结果表明, 该方法可以实时测量带宽为56.978 GHz的光拍频信号, 等效测量时间分辨率为3.7 ps, 证实了所提方法的有效性。

提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器,并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。通过熔融拉锥法拉制出腰椎直径为3 μm的光纤耦合器, 并进行折射率检测实验。实验测得折射率灵敏度为1402.3 nm/RIU, 对检测结果进行拟合, 得到拟合曲线的相关系数为0.99459。微纳光纤耦合器的弱耦合模型的计算结果和实验结果相符。将此微纳光纤耦合器用于检测羊免疫球蛋白(IgG)抗原, 得到了2 pg/mL的检出限; 10次解离再生实验验证了该传感器的重复性, 表明了微纳光纤耦合器在无标生物传感中具有高检测灵敏度的潜力和较好的实用价值。

光纤链路中高精度光学频率传递对光钟比对有重要意义, 双向掺铒光纤放大器(EDFA)有助于在长距离光学频率传递中对信号进行损耗补偿和高精度传输。基于铒粒子受激放大的基本原理, 设计了可用于光纤光学频率传递链路中的低噪声、高增益双向EDFA, 并对其参数进行了仿真优化。实验结果表明, 该双向EDFA的噪声指数为3.86 dB, 增益为20.14 dB, 引入的相位噪声在频率为1 Hz处仅为0.1 rad2/Hz。将该双向EDFA作为放大补偿器件应用于200 km光纤光学频率传递链路中, 获得了3.8×10-16/s的秒级频率稳定度及2.8×10-19/(104 s)的万秒级频率稳定度, 在频率信号传递和光钟比对领域有着广阔的应用前景。

为实现高分辨力角位移测量, 提出了一种基于线阵图像探测器的角度细分方法。为消除安装调试时图像探测器与圆心距离变化产生的影响, 提出了一种具有较强适应性的高分辨力细分算法; 建立了该细分算法的数学模型, 并进行了误差分析。根据实际应用, 建立了由码盘偏心和图像探测器安装角度引起误差的模型, 并分析许多因素对细分算法的影响; 根据误差分析结果, 给出了减小图像式光电编码器细分误差的建议。结果表明, 在码盘圆周刻划线数大于或等于128时, 细分算法的误差较小, 可以被忽略。研究结果可为研制小型图像式光电编码器提供理论依据。

为了避免传统针孔式点衍射干涉仪中干涉成像系统所带来的误差, 提出一种无镜成像算法, 无需干涉成像系统, 从 CCD直接采集得到的干涉图复原求解被测件面形。基于平面波角谱理论构建虚拟物像共轭关系, 由CCD处直接采集到的干涉图反演至被测件共轭位置的干涉图。仿真与实验结果表明, 提出的无镜成像算法可以有效消除干涉图边缘衍射和中心衍射条纹, 同时抑制相干噪声。采用无镜成像方法可以避开干涉成像系统的设计与加工难度, 有效地保证针孔式点衍射干涉仪的测量准确度。

为保证大气同步校正仪的偏振测量精度, 在研制的过程中需要对滤光片进行检测和筛选。设计了校正仪的偏振测量模型和滤光片的筛选条件, 分析了影响校正仪的偏振度测量精度的主要因素。以490 nm通道为例, 采用滤光片的光谱透射率和典型目标的光谱辐亮度数据, 分析了偏振通道间的相对透射率和带外响应相对于总响应的比值随目标光谱辐亮度形状的变化情况, 并对滤光片进行了筛选, 对校正仪进行了偏振度测量精度的验证。结果表明, 在大气目标偏振度0~0.4范围内、在偏振通道间的相对透射率的相对变化和带外响应的相对变化对偏振度产生的变化均不大于0.4%且二者合成不确定度应小于0.5%的筛选条件下, 可保证校正仪的偏振度测量精度。选用最佳效果筛选滤光片的校正仪的测量不确定度明显小于未经筛选滤光片的校正仪的测量不确定度, 证明了筛选方法的有效性。

对颈动脉的脉搏波进行测量, 是对心脑血管疾病进行科学预防和保健的基础。基于改进的水转印数字散斑场, 给出了三维数字图像相关测量系统对人体颈动脉的测量方法。根据人体皮肤颜色的特殊性, 采取适用于人体不同肤色的水转印数字散斑场的散斑制作方法, 并与人体表面自然散斑场进行了对比, 证明了水转印数字散斑场更加稳定、准确和高效。通过实验给出了人体颈动脉的波形、频率等基本信息, 并对颈动脉的全表面脉搏波时域和空域变形信息进行分析, 验证了该方法的有效性。研究工作可为心脑血管疾病的防治提供一定的参考。

采用两段式被动锁模激光器结构, 利用隧道结级联两组量子阱有源区, 实现了一种工作在近红外波段的单片集成大功率量子阱被动锁模激光器。对该锁模激光器的锁模特性进行了表征, 测试得到该锁锁模激光器工作中心波长为1038 nm, 激光脉冲重复频率为24.37 GHz, 改变激光器的工作条件, 其脉冲宽度变化范围为2.19~9.27 ps, 峰值功率变化范围为76~308 mW, 表明该锁模激光器具有单片集成、体积小、功率大、重复频率高等优良特性。同时, 在一定的反向偏压条件下, 该锁模激光器呈现出功率双稳态的特性, 扩大了有效锁模范围。

针对3 kW大功率射频板条CO2激光器的多组电极放电均匀性与阻抗匹配性问题, 采用麦克斯韦时域差分法构建了多组电极下的放电模型, 获得了最佳放电均压效果的均压电感值。以放电区等效阻抗值为基础结合均压电感值得到极板放电的总负载阻抗值。利用总负载阻抗值并通过Smith圆图获得与之对应的匹配网络阻抗参数, 使总负载阻抗与匹配网络阻抗之和为纯电阻50 Ω, 实现射频输入功率的完全馈入。实际测得当放电均匀与阻抗匹配时驻波比为1.18。研究结果表明, 在时域差分法模型中增加匹配的均压电感后, 极板整体放电均匀性波动从之前的15%降低到2.8%, 且每组电极的放电均匀性差异控制在0.3%以内。放电实验表明, 在放电均匀且阻抗匹配情况下, 对应激光器输出功率为3.1 kW, 且在2 h内波动可稳定在±1%以内。

由于鱼眼相机成像存在较大的畸变, 采用二维标定板的方法难以在图像边缘区域获得准确可靠的角点, 从而导致标定精度下降, 而传统的三维标定法存在标定场建造复杂, 特征点数目有限等问题。为此, 提出一种基于激光扫描的鱼眼相机三维标定方法。该方法首先通过激光扫描仪获取室内标定空间的三维点云图, 然后利用尺寸不变特征变换匹配方法得到点云图与待标定相机照片的对应点的匹配关系, 并进行分块随机抽样一致性(RANSAC)筛选, 再根据对应点的图像坐标和物理坐标进行三维RANSAC筛选, 估算最终的鱼眼相机内外参数。与经典的张正友标定法及其改进方法相比, 该方法能够获得更多的有效特征点, 使标定精度明显改善, 从而较好地实现鱼眼相机的畸变校正。该方法简便、精确, 有广泛的适用性。

针对空间正则化相关滤波(SRDCF)跟踪算法在目标跟踪中旋转变化、超出视野和严重遮挡情况下存在跟踪失败的问题, 提出了一种基于自适应卷积特征的目标跟踪算法。对VGG-Net模型中conv3-4层卷积特征进行主成分分析, 利用自适应降维技术将conv3-4层特征维数由256维降至130维。在检测区域求取分类器最大响应位置及其目标尺度信息, 并对最大响应位置的目标进行置信度比较, 训练在线支持向量机(SVM)分类器, 以便在跟踪失败的情况下, 重新检测到目标而实现长期跟踪。计算跟踪位置的峰旁比, 选取可靠跟踪结果, 更新模型。采用OTB-2015评估基准的100组视频序列进行测试, 并与38种跟踪方法进行对比, 验证了本文算法的有效性。实验结果表明：本文算法跟踪精度为0.804, 成功率为0.607, 排名第一, 与SRDCF算法相比, 两者分别提高了1.9%和1.5%。针对目标发生旋转变化、超出视野和严重遮挡等复杂情况, 本文算法均具有较强的稳健性。

为了解决原始最好兄弟相似性(BBS)算法在剧烈非刚体变形、部分遮挡以及非均匀光照等复杂环境下匹配失败的问题, 提出了一种更加稳健的模板匹配算法。将曼哈顿距离替代欧氏距离作为两个图像块之间的相似性度量, 在此基础上, 滑动窗口逐像素匹配得到新的由BBS响应值构成的置信度图, 对该置信度图进行阈值筛选, 并对剔除较小值后的置信度图滤波处理后, 将最亮连通区域的中心位置定位为匹配结果。实验与分析结果表明, 该算法可以有效地解决在弹性变形、相似区域干扰、部分遮挡与剧烈光照变化等变换与干扰存在情况下的图像匹配定位问题。

众所周知，光学成像技术具有成像速度快、可实现无损观察等优点，在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中一直扮演着重要的角色。随着现代科学的发展，对微观结构的研究迫切希望能够从分子水平揭示生命过程和材料性能的物理本质，但受限于光的衍射特性，光学成像系统的空间分辨率不可能无限小，存在瑞利\|阿贝物理极限。传统光学显微镜的空间分辨率最高只能达到波长的1/2，故而对低于200 nm的细节信息无能为力。能否突破这个极限成为当今光学领域公认的一个重大研究课题和挑战。

近年来, 随着各种新型荧光探针的出现和成像方法的改进, 远场光学成像的分辨率已经突破了衍射极限的限制。基于结构光照明的荧光显微技术凭借成像速度快、光毒性弱等优点, 已成为目前主流的超分辨成像技术之一。实现结构光照明超分辨显微成像的关键在于照明光场的精准调控和后期的超分辨图像重建算法, 否则将会在重建的超分辨图像中产生不可预估的伪影, 混淆对观测结构真实形态的判断。详细对比了几种典型的结构光照明显微超分辨重建算法, 证明基于图像重组变换的结构光照明超分辨图像重建算法可以有效解决极低结构光场调制度下的超分辨图像重建问题, 降低结构光照明显微中的激发光功率。

近几年, 可逆光激活荧光蛋白的研制越来越受到人们的重视, 这类荧光蛋白极大地促进了活细胞超高分辨显微成像技术的发展及应用。可逆光激活荧光蛋白可被不同波长的光多次可逆地进行调制, 因而被广泛地应用于高密度数据的光存储、光致变色荧光共振能量转移的测量以及基于可逆饱和线性荧光跃迁原理的超高分辨率显微成像中。从研制这类荧光蛋白所涉及的关键氨基酸位点出发, 本文综述了近几年可逆光激活绿色荧光蛋白的研制进展, 并简要地讨论荧光蛋白结构与光学特性的关系, 从而为后续结构导向的可逆光激活荧光蛋白的研制提供参考。

结构光照明荧光显微术(SIM)是一种可突破阿贝衍射极限的宽场显微成像技术, 因其非侵入、成像速度快及光损伤小等优点在生物医学研究中具有广泛的应用前景。从结构光照明显微成像系统基本原理出发, 分析了超分辨图像重构算法原理、重构图像中伪影来源及优化方法; 结合研制的线性/非线性结构光照明显微镜, 详细讨论了基于激光干涉的SIM成像系统光机结构。重点讨论了系统的同步时序设计和光路中的几个关键技术问题。设计对比实验验证了自主开发的SIM重构算法的可靠性, 并基于研制的线性SIM系统开展细胞骨架的成像实验。最后, 对SIM技术在生物上的发展和应用提出展望。

超分辨定位成像技术凭借对数千甚至数万张采集的原始图像进行单分子定位及重建, 可以获得几十纳米的超高分辨率, 观察到之前看不到的细胞结构以及生物现象。然而, 在实际的成像过程中, 采集到的图像会受到像差(来源于光学系统的不完美或样品本身的不均匀性)的影响而导致分辨率下降, 甚至会造成错误结果。为此, 定量表征了几种典型像差对超分辨定位成像的影响, 并提出了一种基于样品图像本身的像差校正方法。仿真和实验结果表明, 像差会造成系统点扩展函数的变形以及成像分辨率的下降, 使用基于图像本身的像差校正方法可以恢复图像的成像质量。

光学显微成像技术在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用。但由于光学衍射极限的存在, 传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动, 极大地限制科学研究和医学的发展。近年来, 随着突破光学衍射极限的超分辨成像技术的不断发展, 显微成像分辨率得到不同程度的提高。目前在基于不同原理的各种超高分辨率显微镜中, 随机光学重构显微镜 (STORM) 分辨率最高, 可达几十纳米, 真正实现了单分子水平检测。着重介绍了STORM超分辨显微成像技术的原理、实验方法及其应用。

单幅图像超分辨率(SR)复原是一个病态逆问题, 需要利用图像的先验知识进行正则化约束。提出了一种同时考虑外在样例和内在自相似性的单幅图像SR复原算法, 其中外在先验知识是通过卷积神经网络从外在低分辨率-高分辨率图像对学习得到的, 而内在先验约束由聚类和低秩近似实现。实验结果表明, 本方法在复原效果和稳健性方面优于已有方法。

在过去的20年, 激光扫描共聚焦显微镜一直是在细胞水平和亚细胞水平上观察生命活动的标准工具, 但是基于针孔的共聚焦显微镜的光学层切是以牺牲焦平面以外的被激发的荧光色团和较大的光毒性为代价的。作为一种新型的荧光显微镜, 光片荧光显微镜采用侧向照明的方式, 对样品直接进行面成像。相对于点扫描的成像方式, 光片显微镜成像速度远远高于激光扫描共聚焦显微镜, 使得研究一些高速的精细生命活动过程成为了可能。光片荧光显微镜的另外一个优点是只有光片处的样品才会被激发, 处于光片以外的样品则不会被激发, 因此光毒性较小, 使得人们能够在更长的时间尺度下观察样品。正是由于光片荧光显微镜特殊的照明和成像方式, 才使其在大样本的三维高速成像中起到不可替代的作用。本文简要回顾了光片荧光显微镜发展的历史及研究现状, 旨在为该领域的科研人员对光片荧光显微镜的现状及未来发展方向提供个人理解。

超分辨显微成像技术使细胞生物学进入到了一个全新的时代, 但如何进一步提高超分辨显微成像技术的时空分辨率仍是光学领域需要解决的重要问题。目前为止几乎所有的超分辨显微成像技术都依赖于荧光探针, 光调控荧光蛋白作为一类特殊的荧光探针, 可以被不同波长的激发光所激活, 产生随机或者特殊结构样式的信号。利用这些信息, 透镜系统的空间分辨率得到了提高。通过总结光调控荧光蛋白的各类参数, 从荧光探针入手, 寻找进一步提高成像系统空间分辨率的方法与策略, 为选取适当的荧光探针提供建议, 并且阐述了荧光蛋白与超分辨显微成像技术之间的关系。

受激发射损耗显微技术(STED)作为一种远场超分辨显微成像技术, 具有几十纳米甚至几纳米的空间分辨率, 是细胞生物学等研究领域的重要成像工具。圆环形空心损耗光在物镜焦点附近的光场强度分布对STED空间分辨率起决定性作用。在高数值孔径物镜聚焦下, 光场的偏振态会对聚焦光场的强度分布产生显著的影响, 此外, 显微系统的轴外像差会严重破坏空心损耗光焦斑的中心对称性。基于矢量衍射理论, 理论模拟了在高数值孔径物镜聚焦条件下, 入射涡旋光的偏振态和光学系统中的彗差和像散对空心损耗光焦场强度分布的影响。实验上使用纯相位型空间光调制器来校准光学系统相差, 优化变形的损耗光, 利用纳米探针扫描焦点区域, 测量了其焦场强度分布。测量结果与由矢量稍微理论观测的结果一致。

多色成像作为超分辨成像技术的重要延伸, 极大地增强了人们研究亚细胞结构定位与交互关系的能力, 从而有助于研究者深入理解细胞内复杂的生命现象与过程。基于单分子定位超分辨显微成像术(SMLM)工作原理的特殊性, 已实现了激发依赖、激活依赖、分光依赖等数种有特点的多色成像方法。介绍6种主要的多色单分子定位超分辨显微成像技术, 从分色能力、光谱窜扰、数据采集效率等角度分析了各方法的优缺点, 并讨论了与多色成像相关的细胞固定方法, 帮助研究人员根据自身实验需求选择合适可靠的多色成像手段研究相应的科学问题。

针对现有的基于卷积神经网络的图像超分辨率算法参数较多、计算量较大、训练时间较长、图像纹理模糊等问题, 结合现有的图像分类网络模型和视觉识别算法对其提出了改进。在原有的三层卷积神经网络中, 调整卷积核大小, 减少参数; 加入池化层, 降低维度, 减少计算复杂度; 提高学习率和输入子块的尺寸, 减少训练消耗的时间; 扩大图像训练库, 使训练库提供的特征更加广泛和全面。实验结果表明, 改进算法生成的网络模型取得了更佳的超分辨率结果, 主观视觉效果和客观评价指标明显改善, 图像清晰度和边缘锐度明显提高。

由于目前监控视频所拍摄的人脸图像目标较小、难以辨识, 图像超分辨处理已成为亟待解决监控视频图像实际应用问题的技术和手段。提出了一种针对室外监控视频人脸图像的超分辨技术,利用先验知识设置图像训练集, 并进行图像空间转化、去噪等预处理操作; 设计八层卷积神经网络并对各层类型及连接方式进行设定, 同时设定激活函数类型及各层间传递方式函数; 初始化参数并根据训练集训练网络; 根据损失函数反向调整卷积核和偏置参数, 完成图像输出。经过大量实际监控视频图像测试, 并将本文方法和现有其他方法做对比, 实验结果表明,本文方法在图像超分辨效果和处理速度上均有一定的优势。

为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题, 结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法, 实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统, 在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束, 并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上, 建立去卷积算法进行图像恢复, 克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题, 对荧光微球成像, 探测放大倍率为42倍, FOV从高斯光束光片显微镜的25 μm扩大到208 μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像, 探测放大倍率为53倍, FOV由20 μm扩大到167 μm。仿真和实验表明, 通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。

针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点, 提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法。在传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的基础上截取4个缺角等腰直角三角形菲涅耳透镜单元,做无缝拼接形成分区域四焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜, 通过这4个区域光的叠加有效改善了聚光的均匀度。基于光线追迹法, 采用TracePro光线模拟软件模拟并分析了环距、缺角弦长、腰长等透镜结构参数对聚焦光斑形状、聚光均匀度、辐照度等光学性能参数的影响。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形, 聚光均匀度高达90%以上。

介绍了神光-Ⅲ中阵列光学组件缺陷的长景深检测系统的基本组成。利用在系统光阑处进行的相位调制, 可以实现景深的延拓效果, 从而可以实现在3~13 m物距范围内的大景深成像探测。进一步论述了光学检测系统的设计指标、设计思想、设计结果及其仿真评价。模拟结果显示该系统可以实现3~13 m纵向范围内阵列光学组件缺陷的同时检测。

光刻物镜硅片刻蚀过程中的Z5像散会使光刻物镜波像差产生严重的劣化。为了对像散进行实时补偿, 提出一种Z5像散主动补偿系统。该系统由实时数据平台、驱动力系统、柔性支撑结构和光学透镜构成。采用球面干涉仪作为光学透镜表面面形的检测设备, 利用最小二乘法及线性叠加原理确定驱动参数与面形关系。实验进行了主动补偿系统的驱动器响应函数测试、补偿行程测试、补偿精度测试、补偿分辨率测试。结果表明, 系统Z5像散补偿行程达到735 nm, Z5像散补偿精度小于2 nm, 引入的高阶像差小于1 nm, 像散补偿分辨率为2 nm, 该系统能够有效补偿光刻物镜系统波前像差, 使光刻物镜满足像质要求。

设计了一种基于二维光子晶体波导旁侧Fano微腔的全光二极管结构, 实现光的单向传输。其关键技术是在光子晶体波导中采用简单反射层打破Fano微腔结构上的空间对称性, 使得反射层两侧波导与微腔耦合效率不对称。两侧波导入射光激发微腔非线性克尔材料所需的光强阈值不同, 从而实现单向导通功能。通过有限时域差分(FDTD)方法对其传输特性和性能进行了数值仿真和分析, 研究发现：该结构在较低的光强阈值下可以实现正向导通、反向截止的全光二极管效果; 该结构具有超快的响应时间, 达到皮秒量级; 该结构具有较高的最大透射率(达到90%)和较高的正反透射比。基于光子晶体结构的设计使得该器件可以具有很好的工作波长可调特性, 并易于在目前半导体工艺基础上进行制作以及与其他器件集成。

为了实现对晶体电光系数高速率、高精度和高灵敏的测量, 提出了一种基于弹光调制的电光系数测量新方案。运用低通滤波和数字锁相技术分别提取出调制信号的直流项和一倍频项数据, 进而解调出晶体的电光系数。详细分析了该新方案的原理, 搭建了实验系统, 并对铌酸锂(LiNbO3)晶体样品的电光系数进行了测试。实验结果表明, 系统测量精度为2.3%, 灵敏度为1.7×10－14 m/V, 测量速率为每数据点100 ms。

在短丝条件下, 激光与喷气靶产生的介质相互作用, 可产生局部高密度等离子体, 在较短距离内实现双色场相位差的剧烈变化, 容易得到椭圆偏振的太赫兹(THz)辐射。通过调节气体背压, 产生了椭偏度为0.438的THz辐射。利用瞬态光电流模型对实验结果进行模拟, 所得结果和实验结果基本一致, 揭示了光电流和等离子体色散共同作用的机理。

在轨绝对辐射定标是遥感信息定量化应用的关键技术之一。基于反射点源的在轨定标新方法将目标反射率的场地多点测量转换为实验室高精度检测, 结合同步大气光学特性参数测量, 通过简化的辐射传输计算获取星载遥感器的入瞳辐亮度; 根据点源法在轨点扩展函数检测, 有效分离目标反射辐射与程辐射、背景辐射, 消除了对气溶胶散射特性的假设, 并突破场地替代定标易受时空及天气条件的限制, 能够在复杂环境条件下实现高分辨率光学卫星传感器高精度、高频次的移动定标。初步实验结果表明, 基于反射点源的光学卫星传感器在轨绝对辐射定标不确定度优于3%, 与基于大面积灰阶靶标的定标结果差异为3.02%, 简化定标流程的同时提高了定标精度与效率。

针对雾天条件下获得的遥感图像清晰度、对比度和色彩保真度下降, 继而影响遥感图像后续应用的问题, 考虑到遥感图像数据量大、景深变化小、几乎不含有天空区域的特点, 提出一种改进的基于暗原色先验规律的遥感图像快速去雾方法。在保证去雾效果的前提下, 对原暗原色先验去雾算法做出了针对性的改进, 采用直接求取每个像素点r、g、b三个颜色通道强度值的最小值来获取图像的暗原色图, 该方法大幅降低了算法的复杂度, 避免了繁重的计算。实验结果表明, 改进的去雾算法能够快速有效地去除雾对遥感图像的干扰, 提高图像清晰度, 还原景物真实色彩, 处理时间仅为原算法的2%, 可以满足遥感图像实时处理的要求。

为准确获取摄影区域地理位置信息, 针对时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)全景式航空相机未配备激光测距仪的情况, 提出一种直接对地目标定位算法。依据机载定位定向系统(POS)测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中编码器测量的俯角、位角信息, 利用齐次坐标变换求解成像系统视轴(LOS)在地理坐标下的指向角以WGS-84坐标系下定义的地球椭球模型为基础, 利用地球椭球计算理论确定目标区域经纬度信息。采用蒙特卡罗方法仿真分析了载机姿态角测量误差以及相机俯角、位角误差对视轴指向角计算精度的影响; 着重分析了摄影倾斜角和目标区域地形起伏对对地目标定位精度的影响, 指出摄影倾斜角和目标区域地形起伏越小, 定位精度越高。采用飞行实验验证了该对地目标定位算法的有效性, 在飞行高度为17750 m, 摄影倾斜角在63°~75°范围内, 对地目标定位圆概率误差小于212.96 m, 可满足工程实际需要。

基于矢量光线追踪(VRT)模型, 研究了均匀椭球形液滴三阶和四阶彩虹区域的光学焦散结构, 详细探究了光学焦散结构的演化过程, 得到了三阶彩虹条纹的模拟结果、条纹曲率以及三阶彩虹和双曲脐条纹尖点焦散位置与椭球度的关系。

在室温环境下采用射频磁控溅射方法制备了氧化铝(Al2O3)薄膜, 通过调节溅射气压实现了对薄膜特性的优化控制。当溅射功率为120 W、Ar气压强为0.13 Pa时, 制备的Al2O3薄膜具有最好的厚度均匀性, 薄膜中Al和O的原子比为1∶1.67, 密度为3.21 g/cm3, 粗糙度为0.62 nm。这种平滑、致密的薄膜结构能够有效地减少缺陷的形成, 获得高击穿电压、高相对介电常数和低漏电等性能。利用优化后的Al2O3薄膜作为栅极绝缘层, 在聚酰亚胺树脂(PI)基板上室温制备了柔性非晶态铟镓锌氧化物-薄膜晶体管(α-IGZO-TFT), 其迁移率为2.19 cm2/(V·s), 开关比达到105, 亚阈值摆幅为0.366 V/decade, 阈值电压为3.01 V。

使用含镁摩尔分数为5%的掺镁铌酸锂晶体对57.4 fs脉冲在1550 nm通信波段进行了Ⅰ型(o+o-e)和0型(e+e-e)的倍频对比实验。对于Ⅰ型倍频, 在4.3 GW/cm2的峰值功率密度下得到了谱宽为28 nm、脉宽为79 fs的谐波脉冲, 转换效率最高达54%; 对于0型倍频, 在3.7 GW/cm2的峰值功率密度下得到了谱宽为2.1 nm的谐波脉冲, 转换效率最高为40%。分别从飞秒脉冲多波长成分的相位匹配(频域)和基波与谐波脉冲的群速度匹配(时域)两个角度, 对倍频过程中基波脉冲和谐波脉冲的演变进行了详细分析。发现同时满足多波长成分相位匹配时, 传播中谐波的谱宽能维持不变; 而仅满足中心波长相位匹配时, 谐波光谱则随着传播长度的增加而逐渐变窄。

视网膜成像质量的下降会减弱视力等视觉功能, 直接影响人们的日常生活。人眼像差是影响其像质的主要因素, 为了提高视网膜像质, 常用自适应光学矫正人眼像差, 以获得接近衍射极限的分辨力或理想像质。矫正波前像差的过程需要以分辨力或像质的评价作为依据。其评价方法大致分为基于瞳孔面和成像面两种, 这两种方法主要表征成像系统的分辨力, 但不能直观和定量地评价像质。而基于成像面的光学传递函数(OTF)法需要借助曲线面积等才能定量地评价像质, 且不同空间频率的像质不同。为此, 计算携带人眼像差的OTF, 以此模拟人眼成像过程, 直观地表征了像质变化。并重新定义均方根误差和相关系数, 分析人眼像差对它们的影响, 量化地反映各项像差矫正前后的像质变化。