为解决串行时域多分辨率(MRTD)散射模型运行时间长和内存消耗大的问题, 基于消息传递接口(MPI)技术设计了一种非球形气溶胶散射并行计算模型。介绍了MRTD散射模型的基本框架和2种并行数据通信方案, 并基于MPI重复非阻塞通信技术实现了MRTD散射模型的并行化设计; 搭建了网络并行计算平台, 实现了模型的并行化计算。将MRTD散射模型与Mie散射模型、T矩阵法进行了对比, 验证了并行MRTD散射模型的计算准确性。结果表明, MRTD模型可较准确地模拟非球形粒子散射特性, 并行计算技术可显著提高计算效率; 电磁场分量同时交换的并行设计方案的计算效率略高于仅交换磁场分量的方案; 通过增加中央处理器核数, 程序的并行加速比随之增大, 但单核运行效率却略有降低。随着粒子尺度参数的增大, 单核计算效率随之增加, 复折射率的改变并不会显著影响并行计算效率。

双通道数据拼接技术能有效地增大激光雷达系统的动态探测范围, 改善大气回波信号的信噪比。提出了一种基于非支配排序遗传算法II(NSGA-II)与邻域粗糙集(NRS)的大气遥感激光雷达数据拼接智能算法, 即NRSWNSGA-II, 提高了数据拼接的准确性和稳定性。该算法以三个判断双通道数据拟合优度的评价函数为优化目标, 通过NSGA-II获得评价函数的Pareto最优解集, 进而利用NRS训练数据样本得到的权重进行线性规划, 实现了最优拟合范围内的全局随机搜索。实验结果表明, 所提算法拼接效果良好并在全天性数据拼接工作中有较好的稳定性。

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前, 紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355 nm波长的光, 然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR), 进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测, 提出了基于法布里-珀罗标准具的266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266 nm波长的光, 只需考虑臭氧对266 nm波长光吸收的影响, 进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数, 对266 nm和355 nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明, 大气分子和气溶胶散射对266 nm波长光的影响远大于对355 nm波长光的影响。白天266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4 km左右, 比355 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9 km; 夜间266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6 km。探测距离小于5 km时, 白天266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10 K。266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。

高精度低仰角大气折射修正方法是提高海陆域光电测控系统全方位测控能力的重要保证。利用光线追迹方法, 建立了一种考虑大气空间不均匀性的低仰角大气折射修正方法;对修正方法的影响因素及误差进行了深入分析, 包括大气空间不均匀性和湍流对低仰角大气折射修正的影响;给出了不同折射修正精度对应的大气折射率高度分布所要满足的最大误差, 修正方法的数据基础为自主建立的基于实测廓线数据的三维空间格点化大气参数高度分布模式。利用建立的修正模型和格点化大气参数廓线模式对典型大气状况下的折射修正结果进行了分析。

以高斯光作为参考光, 实验研究了携带不同拓扑荷数的拉盖尔-高斯(LG)涡旋光在浑浊水下的传输行为。结果表明,水体较浑浊(衰减长度不大于0.118 m)时, 拓扑荷数较大的LG光束具有更强的水下传输能力; 对于透射光束的能量密度分布而言, 传输距离决定最佳拓扑荷数, 与水体浑浊程度无关。该实验方法和测量结果对LG涡旋光在水下光通信和水下目标探测等领域的应用具有潜在的指导意义和工程价值。

提出了一种用一对金属平板电容器和4根半埋入绝缘介质的杆电极组成的用于囚禁处于弱场搜寻态的冷极性分子的静电表面阱方案。用有限元软件计算了单阱囚禁时的空间电场分布, 发现芯片表面上方2.2 mm左右形成了一个三维封闭的静电阱。选用重氨(ND3)分子作为测试分子, 用经典的蒙特卡罗方法模拟了ND3分子被装载和囚禁的动力学过程。模拟结果表明, 当ND3分子束中心速度为13 m/s、装载时刻为0.576 ms时, 最大装载效率可达53%, 被囚禁的冷极性分子的温度约为35 mK; 如果继续增大平板电极的电压, 则原先的单阱将对称分裂为两个阱, 两个阱中的分子数目比为1∶1; 通过改变中间两个杆电极的电压, 可实现非对称分裂, 以此来调节两阱中囚禁分子数目比; 可实现在0%~100%范围内左阱和右阱的分子数目占总分子数目的比例的调节。该方案为进一步研究三维囚禁型冷极性分子静电表面干涉仪打下基础, 对于精密测量和研究物质波干涉有着重要的意义。

提出了基于光强检测方式的空芯光纤表面等离子体共振(SPR)传感器。采用波长为532 nm的激光作为光源,对所设计传感器的性能进行了研究, 并采用光传输模型对传感器的性能进行了理论分析, 所得理论结果与实验结果相符。传感器在线性区的最高灵敏度和最佳分辨率分别达到8380.3 μW/RIU和5.5×10－6 RIU。相比于波长检测型空芯光纤SPR传感器, 所提传感器的分辨率提高了2个数量级, 且实验系统简单, 有利于器件的进一步小型化。

在红外对空探测系统中, 由于探测器时刻处于运动状态使得目标图像产生剧烈的运动模糊, 给红外小目标检测造成困难。为了解决运动模糊条件下红外小目标检测的问题, 提出将运动模糊复原技术和图像增强技术引入红外探测系统。先将探测器采集到的原始图像经过维纳滤波, 对运动模糊进行处理并抑制噪声干扰, 再利用梯度法对处理后的图像做锐化处理, 增强目标边缘。实验验证和仿真分析结果都表明, 该方法运动模糊复原效果明显, 并在一定程度上抑制了噪声, 提高了目标对比度, 使目标在背景中更加凸显, 并且能够显著提高目标图像质量。引入的评价参数峰值信噪比和均方差表现良好, 该方法可以增强探测系统的使用性能。

为实现角膜地形图仪中实时图像检测, 找到一种图像清晰度评价函数对实时角膜图像进行快速、稳定、精确的判别至关重要。基于角膜地形图仪中光学成像系统, 分析系统离焦对图像清晰度的影响, 并提出一种关于图像清晰度的评价方法。该方法选择拉普拉斯函数作为全局图像粗调的评判参数, 通过霍夫圆变换及亚像素边缘检测来确定图像的中心点, 并采用Sobel算子与Canny算子相结合的边缘检测方法根据中心点找出最清晰边缘, 从而实时获得最清晰的角膜图像。实验表明, 该方法具有很好的稳定性和抗噪性, 能够准确、有效地评价角膜图像的清晰度, 可用于角膜地形图仪中实时图像的精准检测。

研究了无衍射光束成像系统对图像信息的携带情况。在入射的平面波中加入图像信息, 基于基尔霍夫衍射公式和菲涅耳衍射公式的角谱理论, 使用离散傅里叶方法描述图像经轴棱锥后在观察面的光强分布, 对图像面进行数据抽样并引入色散公式; 将离散傅里叶公式导入Matlab并设置参数模拟, 得到不同位置处的光强图。实验中, 利用蓝光LED发出光束经扩束后入射到含有信息的菲林片和轴棱锥上, 实验参数与数值模拟一致, 利用CCD观察结果, 对比模拟结果可知: 菲林片上的图像经轴棱锥后, 在传输100 mm内, 可以完整观察到图像信息, 图像大小会随距离的增加而减小。实验结果与数值模拟十分吻合。

为了获得理想的跨航向分辨率, 现有下视三维合成孔径雷达(DL 3D SAR)成像方法所需天线阵列过长, 且阵元数目过多。针对该问题, 提出了一种基于Lp正则化的DL 3D SAR成像方法。在分析DL 3D SAR回波信号模型的基础上, 构建超完备字典, 将跨航向成像过程转化为Lp范数最小化问题, 并分析其可行性, 最后使用稀疏贝叶斯学习方法对其进行优化求解以获得最终的成像结果。仿真实验结果表明, 该方法在保证成像质量的前提下可以将成像所需阵列长度减少为原长度的1/4, 或者在相同阵列条件下将跨行向分辨率提高1倍。

以太赫兹(THz)量子级联激光器为光源、低温热辐射计为信号接收端, 采用可旋转和平移的二维扫描平台搭建反射式快速扫描成像系统。通过计算机控制扫描平台进行连续的旋转与平移运动, 实时获取探测信号强度和样品位置信息, 成功实现对直径为80 mm圆形区域的快速扫描成像, 扫描时间为5 s, 图像的平均空间分辨率约为1 mm, 系统成像时间大幅缩短。此外, 成像装置中基于THz分束片的共光路设计, 可有效减少系统光路元件, 进一步缩小成像系统的体积。

以传统非成像式的高光谱空间外差干涉光谱仪为例, 详细推导了传统空间外差干涉光谱仪的空域和光谱域信噪比(SNR)的表达式, 分析了仪器各影响因素与SNR的关系, 包含空间分辨率、光谱分辨率、干涉条纹调制度和电子学噪声等, 并结合样机成像方式进行了讨论, 得出了相应的结论。结果表明, 计算SNR可有效评估和反映光谱仪的特性。

为满足地面/空间辐射定标和太阳/大气遥感测量的应用需求, 开发了一种基于Gershun管(光阑筒式结构)的高精度光谱辐射计。介绍了Gershun管光谱辐射计的设计, 对其探测器光谱响应度、空间响应均匀性、角度响应特性和视场内外辐射响应特性进行了测试, 将基于探测器标准的Gershun管光谱辐射计与基于光谱辐射光源标准的Gershun管光谱辐射计进行了比对, 并分析了其标准不确定度范围。实验表明, Gershun管光谱辐射计的光谱响应度重复性为0.3%, 区域响应度均匀性为0.3%, 角度响应与余弦分布一致性为0.2%, 视场外辐射抑制能力为2.1×10-4; Gershun管光谱辐射计与光谱辐射光源标准比对的标准不确定度为2.83%, 实验测试结果与理论结果的一致性为0.17%。所设计的Gershun管光谱辐射计可以满足应用需求。

振镜作为一种二维扫描器件, 可以实现光学元件不同位置处表面情况在CCD相机上的成像, 利用振镜扫描方式无需移动待检测光学元件和成像系统即可完成大口径光学元件表面损伤的扫描检测,提出了一种基于振镜扫描方式的大口径光学元件表面损伤检测方法。利用该方法对光学元件表面损伤点检测进行了验证实验, 通过在元件表面设置基准点, 利用振镜扫描步数及图像处理技术确定损伤点位置及尺寸, 并与光学显微镜观察到的损伤情况进行对比, 结果显示利用振镜扫描方法对元件表面损伤点位置及尺寸的检测结果与光学显微镜检测结果偏差较小。该检测系统分辨率可达到(2.08±0.015) μm/pixel, 检测范围大于2.5 cm, 水平方向和竖直方向位置坐标检测准确度分别为3.76%和1.37%, 损伤点尺寸检测准确度为6.19%, 能够实现较大尺寸光学元件表面损伤点的高准确性检测。

在大功率端面抽运固体激光器中, 传统Nd∶YAG晶体吸收谱线较窄, 极易受到抽运源因温度发生波长漂移的影响, 导致激光器输出功率出现起伏变化。为了降低激光器对抽运源温度波长漂移的敏感程度, 将具有优良热物性参数的Nd∶YAG晶体和具有宽吸收谱特性的Nd∶YVO4晶体相结合, 通过前后组合放置的方式, 由前端Nd∶YAG晶体吸收大部分抽运光能量, 用后端Nd∶YVO4晶体对未被吸收的抽运光能量进行补充吸收。当抽运源出现波长漂移时, 两种晶体通过互补吸收的方式, 使激光器吸收效率和输出功率保持稳定, 从而降低抽运源温度波长漂移对激光器产生的影响。实验表明, 在抽运功率97.5 W时, 这种双晶体组合方案可在抽运源工作温度为22~32 ℃内, 实现对抽运光大于90%的吸收效率, 同时激光器输出功率不稳定度小于8%, 有效改善了激光器对抽运源温度波长漂移的敏感程度。

为充分利用亚皮秒紫外激光器的大能量、超短脉宽的紫外激光输出特性, 配套建立了激光惯性约束聚变(ICF)诊断设备性能指标的标定平台。标定平台具备激光能量测量、光传输延迟、光束分割与等比递减、序列光脉冲产生器等功能, 可为相关诊断设备提供结构支撑和高真空度的运行环境。通过机械与光学设计完成了平台各部件的研制, 并利用该平台对X射线二极管的响应时间、X光条纹相机的扫速、X射线分幅相机的动态范围等指标进行了标定。结果表明, 该标定平台与亚皮秒紫外标定源的匹配度良好, 可实现多种诊断设备性能指标的精密标定。

基于薄膜元件的热力学理论, 建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型, 模拟了薄膜元件表面杂质吸热后向周围薄膜进行热传递的过程, 并讨论了表面洁净度等级和杂质尺寸对薄膜元件热应力损伤的影响。研究结果表明: 强激光连续辐照下, 表面杂质会吸收激光能量产生较大的温升, 激光辐照时间越长, 功率密度越大, 杂质的温升也越大; 吸热后, 达到熔点的杂质和未达到熔点的杂质分别通过热传导和热辐射的方式向周围薄膜传递热量, 通过热传导作用在薄膜元件表面引起的温升明显高于热辐射作用引起的; 杂质向周围薄膜传递热量后会在薄膜元件上产生非均匀的温度梯度, 进而产生热应力, 热应力随着温度梯度的增加而增大, 且处于一定尺寸范围内的杂质, 更容易诱导薄膜元件热应力损伤; 此外, 薄膜元件的表面洁净度等级越高, 杂质粒子的数目越多, 越易于造成薄膜元件的热应力损伤。

利用近共振激光驻波场操纵中性原子实现纳米级条纹沉积是一种新型的研制纳米结构长度标准传递方法。在会聚原子过程中, 由于沉积基片的存在, 激光驻波场内会产生直边衍射现象, 从而影响原子的运动轨迹及沉积光栅。建立了直边衍射扰动下激光驻波场模型, 通过四阶龙格-库塔法, 对铬原子的三维运动轨迹及沉积效果进行仿真。考虑到激光功率与失谐量的影响, 从半峰全宽(FWHM)和对比度入手, 对铬原子运动轨迹及沉积条纹特性进行分析。结果表明, 当激光功率为3.93 mW, 失谐量为200 MHz时, 原子沉积光栅的FWHM为6.043 nm, 对比度为0.863, 原子沉积光栅的质量最佳。与经典模型相比, 该模型考虑了驻波场中直边衍射的影响, 所得模拟结果更接近实际, 对实验有理论指导意义。

采用不同脉冲能量激光对Inconel X-750镍基合金试样进行激光喷丸(LP)强化处理, 研究了不同条件下试样的热腐蚀行为, 阐述了激光喷丸改善抗热腐蚀性能的机理。结果表明, LP试样的腐蚀速度明显低于未处理试样的, 且激光脉冲能量越高, LP试样的腐蚀速度越低。未处理试样在热腐蚀60 h后出现了两层腐蚀层, 外部腐蚀层严重腐蚀并出现断裂和剥落现象。LP试样在腐蚀60 h后只出现了内部氧化层, 激光喷丸诱导的残余应力层有效避免了氧化膜破裂。

光子晶体特殊的色散特性能导致负折射现象发生。用波束位移法对二维光子晶体平板的负折射现象进行理论计算和实验测量, 得到了入射光经平板光子晶体折射后的二维光场分布。测量结果表明, 横电(TE)光在光子晶体中发生负折射, 出射光沿出射面产生了反方向的横向位移, 由此计算出来的负折射率约为-0.44, 而横磁(TM)光没有发生负折射。实验结果与仿真结果吻合较好。

采用高温固相反应法制备了一系列Li+掺杂的SrLu2O4∶Ho3+/Yb3+荧光粉。Li+掺杂并没有改变样品原有的斜方晶系结构, Li+离子能够以替代掺杂和间隙掺杂的方式进入主晶格。适当的Li+掺杂可以改善样品的团聚现象, 颗粒粒径约为3 μm。Li+的引入还可减少高声子能量杂质基团(OH-,CO32-), 从而减少荧光猝灭中心,增强发光。在980 nm激光照射下, 样品发出强烈的绿光和很弱的红光, 分别归因于Ho3+的5F4, 5S2→5I8和5F5→5I8跃迁。与SrLu2O4∶Ho3+/Yb3+样品相比, Li+的掺杂使得上转换发光强度明显增强, 其原因是Li+可以修饰Ho3+周围局域晶体场的对称性。与其他碱金属离子掺杂相比, Li+半径最小、电负性最强, 导致发光强度增强最多。抽运依赖分析结果表明, 绿光与红光发射均为双光子过程。

锥束X射线发光断层成像(CB-XLCT)是一种新型分子影像模态, 对疾病的早期检测、靶向治疗以及药物研制等具有重要意义。然而, 通过传统的压缩感知理论反演生物体内纳米目标的三维分布时, 高维系统矩阵的强相关性会直接影响成像质量。基于非凸稀疏L1-2正则子, 将CB-XLCT的成像问题转化为一种新的稀疏重建模型。采用一种凸差分算法来解决非凸泛函最小化问题, 在每一步凸差分子迭代中采用一种带自适应惩罚项的交替方向乘子法进行高效求解。设计了单目标数字鼠仿体、双目标数字鼠仿体以及真实在体老鼠实验验证提出算法的有效性和稳健性, 并与五种常见正则子 (L1/2,L1,L2,TV和L0)进行对比和分析。实验结果表明, L1-2正则子的成像性能最优, 提出方法可以有效解决CB-XLCT的快速成像问题。

基于包含渐减色散和周期集总放大的变系数非线性薛定谔方程, 通过一种简单变换, 解析出其精确孤子解, 并研究了色散渐减周期集总放大(DDPLA)光纤链路中孤子的传输、放大和恢复。研究结果表明, 当光纤色散、损耗和放大器增益相互平衡时, 色散渐减光纤链路中可实现孤子的周期放大和恢复; 而且可根据光纤损耗和放大周期来设置放大器的增益, 或根据光纤损耗和放大器增益来设置放大周期, 从而实现孤子的周期性放大或恢复。另外, 采用数值计算的方法讨论了孤子的稳定性和相邻孤子间的相互作用。研究结果对实际的色散渐减周期集总光纤链中孤子的传输及周期放大链路的精确配置具有一定的理论指导意义。

采用具有“负-正”形式的反远距结构作为初始结构, 利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统, 其全视场为110°, 焦距为1 mm, F数为3.3, 最大通光孔径为3 mm, 系统总长为7.89 mm。该光学系统由6片透镜组成, 包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明, 在奈奎斯特空间频率143 lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4, 接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性, 在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统, 对两者进行了分析比较。结果表明, Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力, 且有利于提高系统的优化设计效率; 设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小, 有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度, 降低成本; 同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低, 有利于提高系统的装配效率。

固定光口聚光太阳能系统具有宽带集热温度、无需跟踪装置、无机械运动、易于集成构建、运行状态稳定等优点, 因此针对圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器(CPC)关键部件面形结构进行了研究。理论构建了圆形吸收体CPC面形结构模型, 并获得其解析解。运用光学设计软件TracePro验证所构建理论模型的光学特性。利用圆形吸收体CPC面形光学特性, 构建了CPC耦合太阳能集热系统, 并建立其光学特性计算方法。针对所构建系统的光学特性进行了数值计算, 结果表明所构建系统的采光量较真空管太阳能集热系统有所提高, 平均提高比例为34.57%。

基于多个圆环嵌套结构单元, 设计、加工与测试了一种对偏振无依赖以及大角度入射稳定的三波段超材料宽带带通滤波器(BPF)。仿真结果表明该滤波器存在三个通带, 中心频率分别为7.22, 10.10, 14.46 GHz, 3 dB相对带宽分别为17.5%, 20.2%和17.4%, 中心频率处透射率分别为-0.85 dB, -0.69 dB和-1.73 dB。单元结构具有旋转对称性, 使得该滤波器对电磁波偏振不敏感, 并且在入射角达到40°时, 三个波段依然维持较好的稳定性。通过监测谐振频点处的表面电流分布情况, 分析了三波段滤波的物理机理。这种带通滤波器具有多波段滤波、偏振无依赖以及大角度入射稳定等特性, 有望在多频谱成像技术、信息通信等领域发挥一定的作用。

提出一种基于单光频梳的简单, 灵活和稳定的变频方法。该方法使用了双偏振正交移相器, 该调制器是一种集成调制器, 集成了两个双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM), 其中一个DPMZM作为光频梳产生器, 另一个进行载波抑制单边带调制产生单边带信号。从该调制器输出的信号是一个正交的耦合信号, 在偏振控制器和偏振片的控制下, 被转化为一个具有固定偏振角的信号, 最后送入光电探测器实现微波信号的产生。仿真结果表明, 通过适当调整该集成调制器中6个直流偏置点和外接的移相器, 可以实现多频段变频。比如C波段3.8 GHz的信号可以被变频到X, Ku, K和Ka波段; X波段9.6 GHz的信号可以被下变频到C波段同时也可以被上变频到Ku, K, Ka波段。除此之外, 整个系统体现出对直流偏置点漂移的良好适应性, 具有很好的可操作性。

为模拟大面积空间太阳光辐照环境, 提出一种新型投影式太阳模拟系统设计方法。根据光学扩展量理论分析系统的能量传递过程, 采用4个短弧氙灯阵列作为光源, 设计物方远心投影系统以实现大面积均匀照明。通过Zemax软件模拟仿真及实际系统测量来验证系统设计的合理性。实验结果表明: 太阳模拟器的有效辐照面尺寸为1000 mm×1000 mm, 辐照度可达1263 W/m2, 且辐照面不均匀度优于±4.82%。该研究可为卫星载荷的空间环境实验提供准确可靠的太阳光辐照, 弥补传统大型太阳模拟器体积大、造价高的局限。

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED), 利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应, 从而在提高光提取效率的同时, 也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计, 使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%, 而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时, 微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应, 让出射光具有更好的空间指向性。

基于Rytov方法并采用von-Karman模型对艾里光束的光强闪烁进行了分析。根据接收器接收面上光强度分布不均匀的现象, 提出了艾里光束的面光强闪烁模型, 推导了艾里光束在大气湍流中的面光强闪烁的表达式。数值仿真结果表明: 当光束宽度一定时, 相同光束传播距离下指数截断因子越小, 光强闪烁越小; 当传播距离为3 km、指数截断因子为0.2时, 艾里光束的宽度约为1.6 cm, 光强闪烁最小。此外, 光源强度和接收光强相同时, 将艾里光束与高斯光束进行了对比, 发现艾里光束的光强闪烁小于高斯光束的光强闪烁。

提出了一种基于奇偶模初始相位差因子调控的新型Ince-Gaussian(IG)光束, 即PIG(Ince-Gaussian beam with phase difference)光束。对传统IG光束偶模施加具有初始相位差φ的e指数相位因子, 将偶模与奇模进行线性叠加后得到了PIG光束。在其他参数相同的条件下, 重点研究了初始相位差调控因子对PIG光束空间模式的调控特性。数值模拟和实验结果表明: 当参数φ在0到π区间上连续取值时, 可实现正负涡旋PIG光束的连续变换; 当φ=π/2时, 中间状态涡旋消失; 调节φ使其为π的整数倍, 可以实现正负涡旋模式的跳变切换; 当调节φ为π的半整数倍时, 该光束可实现光瓣在椭圆轨迹上的精确位移控制。PIG光束为微粒操纵及光束微雕刻等领域提供了额外的调控自由度。

不同于传统的厄米系统, 非厄米系统存在奇异点。当某一参数演化到奇异点时, 非厄米系统发生相变,即两个本征态合并成一个。利用耦合的超材料人造原子, 研究了二态和四态的非厄米系统。通过记录电磁波开放系统相干吸收峰频率随损耗的变化, 研究了非厄米系统本征值的各种演化轨迹。理论和电磁场仿真结果表明, 四态非厄米系统的本征态通过不同的方式合并, 可以形成五种奇异点;其中, 由两个以上本征态合并产生的奇异点, 称为高阶奇异点。

空间弯曲光束在光学捕获和光纤传感等领域具有重要的应用价值, 在这些应用中, 空间的介质环境起着重要作用。根据空间弯曲光束的激发原理提出了一种理论方法, 应用折射定律反演空间弯曲光束的每一条几何射线, 以描述空间弯曲光束在空气-介质界面的折射现象, 同时以空间弯曲光束为例进行了有限元法模拟。所阐明的空间弯曲光束在空气-介质界面的折射机制为解释任意通过相位反演激发的空间弯曲光束的折射机制提供了一定的参考。

通过对入射光束的相位进行调控, 可以将激光经过散射介质的散斑调制为聚焦光斑。提出了基于黄金分割法改进反馈波前整形技术的方法, 实现了光束经散射介质的聚焦。理论分析了黄金分割法相比现有的顺序算法在搜索单峰函数极大值时的优势, 并对散射聚焦过程进行了数值模拟。结果表明, 当改变总调制单元数和单个调制单元的相位调制精度时, 采用黄金分割法调制相位相比于顺序算法, 在调制速度上具有一定优势。

针对传统量子密钥分配协议使用非理想单光子源会带来密钥生成率过低的问题, 对光源进行优化, 以奇相干光源代替传统弱相干光源, 提出了基于奇相干光源非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议。在奇相干光源下, 对比了对称信道和非对称信道测量设备无关量子密钥分配协议的性能优劣。分析了该协议中密钥生成率、单边效率与信道损耗之间的关系。仿真结果表明, 奇相干光源的引入弥补了传统光源的不足, 多光子数大大减少。随着信道损耗的增加, 密钥生成率降低, 但非对称信道的性能仍高于对称信道的。

全极化合成孔径雷达(SAR)具有丰富的极化信息, 对地物识别具有显著优势, 提出了一种顾及极化特征的SAR与中分光学影像融合的方法, 对全极化SAR影像进行极化目标分解, 采用改进的色度、饱和度、明度(HSV)变换方法融合极化特征波段与中分光学影像, 并基于面向对象的方法对融合影像进行地物分类。结果表明, 该融合方法优于传统单极化SAR与中分光学影像的HSV融合方法, 能够有效利用全极化SAR的极化纹理信息。面向对象分类方法能够降低SAR对融合影像的斑点噪声影响, 地物总体分类精度优于高分光学影像, 且对于极化信息敏感的地物, 其分类精度明显优于高分光学影像。

考虑了实际物体表面BRDF的影响, 利用方向半球反射率、方向半球透射率、法向反射率和法向透射率等光谱数据, 同时反演了一维平板内介质和表面的辐射特性参数。将该方法用于吸收散射、强散射和强吸收三种介质的辐射特性参数反演, 反演结果与给定初值较吻合。

基于多环芳烃中苯并［k］荧蒽(BkF)的强荧光特性, 构建了荧光检测实验系统, 并制备了10个不同浓度的BkF甲醇溶液样品, 分析了样品荧光特性。为了更好地进行定性和定量分析, 采用经验模态分解(EMD)改进阈值法结合数学形态学对荧光光谱信号进行去噪处理, 并与EMD阈值去噪法进行对比。结果表明, 提出的方法使去噪后的荧光光谱更加平滑, 荧光强度与样品浓度的线性相关系数更高, 达到0.99746; 信噪比有所提高; 原始信号与去噪后信号的均方误差由0.0053降低至0.0012。提出的方法去噪效果显著, 有效地提高了光谱的分析精度, 为荧光光谱预处理提供了一种新方法。

静态迈克耳孙干涉仪是一种实体式像面干涉仪, 可以解决干涉光谱成像仪大视场的技术难点。在采样过程中, 静态迈克耳孙干涉仪会引入光程差的非线性干涉误差, 导致无法准确复原光谱, 因此需要对非线性干涉误差进行修正。分析了非线性干涉误差的理论模型, 提出了基于数值拟合的非线性干涉光谱数据重构算法, 并进行了仿真验证。仿真结果表明, 采用数值拟合的重构算法可成功复原目标光谱, 消除非线性干涉误差; 与采用线性拟合的重构算法相比, 使用柯西色散公式拟合的重构算法的光谱复原精度更高, 且吸收峰处的反演光谱与入射光谱的相对误差小于0.7%。

针对植物高光谱图像各波段噪声强度不同, 以及空间域和谱域均存在噪声污染的问题, 提出了一种基于分组三维(3D)离散余弦变换(DCT)字典的稀疏表示去噪方法。首先分析了植物光谱特征, 根据谱间相关性对波段进行分组; 然后采用边缘块剔除的局部均值标准差法对高光谱图像进行噪声标准差估计, 为去噪算法提供参考阈值; 最后构建三维DCT字典的稀疏表示去噪方法, 对植物高光谱图像进行去噪。实验结果表明, 与原始数据和二维DCT字典去噪方法相比, 谱域噪声评估中平均信噪比分别提高18.2 dB和9.2 dB。因此, 该方法不仅具有较好的空间域去噪能力, 也有较好的谱域去噪能力。

针对Zn(II)、Co(II)混合溶液的紫外可见(UV-Vis)吸收光谱重叠严重、难以分离的问题, 提出了一种基于特征区间联合-偏最小二乘的Zn(II)、Co(II)同时测量方法。针对混合溶液在400~800 nm波长段的吸收光谱, 利用特征区间联合法以分区的方式对Zn(II)、Co(II)的特征区间进行筛选, 并以留一交叉验证均方根误差VRMSECV最小和决定系数R2最大挑选出Zn(II)、Co(II)的最优特征区间; 再联合这些最优子区间建立偏最小二乘(PLS)模型, 从而获得Zn(II)、Co(II)离子浓度。结果证明, 该方法不仅能降低波长筛选的复杂度, 还能保证波长筛选过程的稳定性, 从而将Zn(II)模型的VRMSECV及预测平均相对误差降低到0.0483和3.48%, Co(II)模型的VRMSECV及预测平均相对误差降低到0.0501和4.25%, 并将Zn(II)、Co(II)模型R2值提高到99.41%和99.22%; 同时, 还可以将光谱仪的Zn(II)、Co(II)扫描波段固定在所选的特征区段, 大幅提高光谱检测效率。

提出了一种基于实数编码量子进化算法(RQEA)的宽角度极紫外(EUV)多层膜理论膜系的设计方法。采用基于实数编码的遗传算法(RGA)和RQEA对宽角度Mo/Si多层膜进行了理论设计和分析, 发现RQEA具有种群规模小、搜索效率高和求解精度高的明显优势, 体现出RQEA在光学薄膜设计领域的潜在应用价值。同时, 设计出入射光波长为13.5 nm、在入射角0°～18°范围内反射率可达50%的宽反射带Mo/Si多层膜。

如何有效矫正随人群起伏很大的人眼像差, 提高人眼自适应光学系统的人群适用范围是临床应用面临的最大难题。旋转双柱面镜散光补偿技术是一种使用灵活、低成本的散光补偿方法。给出了旋转双柱面镜散光矫正的理论依据, 并搭建了基于远场光斑形态的散光自动补偿实验系统, 验证了旋转双柱面镜散光矫正理论的正确性。在此基础上, 将旋转双柱面镜与人眼自适应光学系统相结合, 利用哈特曼波前测量数据调整双柱面镜, 实现了(-4~0 Dc)散光的全自动补偿, 补偿精度优于0.1 Dc, 并验证了实际人眼散光补偿效果。该技术结合Badal调焦可以为人眼自适应光学系统的大规模人群适用提供一种经济有效的低阶像差补偿方案。

在轻气炮加载实验平台上, 利用小型闪光X射线源建立了一套脉冲X射线衍射测量系统。利用该测量系统对平面冲击加载条件下LiF晶体微观结构变化进行了研究, 得到了不同冲击加载压力下LiF晶体的单次脉冲X射线衍射图像。实验结果表明: 沿［100］晶向加载, LiF晶体晶格发生了压缩, 压缩量与衍射峰偏移量相关; 基于小型闪光X射线源的脉冲X射线衍射测量系统可实现冲击压缩下材料微观结构变化的定量化测量, 同时具有体积小、操作简单等优点, 为研究弹塑性形变微观机理提供了一种有效手段。