针对被动多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演痕量气体SO₂中吸收强度弱以及易受反演波段和大气气溶胶状态影响的问题,研究了基于地基MAX-DOAS的对流层SO₂垂直廓线及垂直柱浓度的反演方法。通过反演误差对比确定了SO₂的最佳反演波段(307~330 nm),并精确获取了差分斜柱浓度。鉴于大气中气溶胶状态是影响SO₂等痕量气体反演的重要因素,反演中采用两步反演方法:第一步通过测量O₄气体的差分斜柱浓度来反演气溶胶廓线;第二步将气溶胶廓线输入到辐射传输模型中,利用痕量气体浓度垂直反演算法获取对流层(0~4 km)中SO₂的垂直分布廓线和垂直柱浓度。将SO₂廓线在0~100 m的反演结果和地面点式仪器数据进行对比,结果发现两者的一致性较高。研究表明,基于MAX-DOAS反演对流层中SO₂的垂直分布及垂直柱浓度是一种有效的手段。

提出了一种基于激光光斑畸变和卷积神经网络(CNN)的光路气流扰动研究方案。利用CNN对激光光束在空间传播中受到气流扰动后的光斑畸变进行学习,得到光束传播路径上的气流扰动情况。实验表明,训练得到的评估参数与由风速仪测得的光路中的气流扰动(风速)具有强相关性。本方案提供了一种短距离、快速、低成本的气流扰动分析手段。

大气校正是遥感定量化的一个重要环节,其常用方法是暗目标法。该方法适用于浓密植被地区,但在植被覆盖度较低的地区,暗目标法的适用性较差。提出了一种基于光谱匹配的大气校正方法,以城市地区的不变目标为切入点,针对高分一号(GF-1)卫星全色和多光谱(PMS2)传感器相机开展大气校正方法的研究。该方法利用6S辐射传输模型构建大气校正参数查找表,得到了影像上的水泥路面在不同大气条件下的反演光谱;同时,利用水泥路面的平均实测光谱作为参考光谱,通过参考光谱与测试光谱的光谱角度匹配,找到最相近的光谱曲线,用以确定大气校正参数,并对影像进行大气校正。实验结果表明:该大气校正方法效果良好,反演得到的地表反射率与典型地物的光谱数据比较吻合,更好地还原了地表的真实情况,为植被稀疏地区的大气校正工作提供了新思路。

在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10 ^-14τ^-1/2的稳定度以及1×10 ^-16的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。

针对线状光栅仅适用于调幅图像的属性,研究了基于调频图像为载体的相位调制潜像防伪技术。采用相位调制法将潜像隐藏在误差扩散加网图像上,将图像互信息值作为隐藏效果的评价指标;基于光栅提取原理,设计一种不规则光栅;基于不规则光栅的设计理念,探究其在调幅图像上的适用范围。实验结果表明:不规则光栅能清晰地提取调频图像中的潜像,还可用于调幅图像的不同阶调。该研究实现了相位调制光栅防伪技术对调频加网方式和调幅全阶调潜像的提取,依赖原稿生成的不规则光栅具有抗复制性,使该防伪方法具有天然的防伪性能。

蓝绿LED通信被认为是解决水下近距离高速无线数据传输的有效手段。然而由于LED发散角较大,造成通信链路的几何损耗增加,制约了水下LED通信距离的提升。针对这一问题,提出了一种基于全内反射(TIR)透镜压缩水下LED通信阵列光源出射角的方法,将LED通信光源的出射角从130°压缩到7°;利用该光源研制发射样机,在大型水池中搭建测试系统,并对发射机的性能进行测试。结果表明,所设计的通信样机在水下传输距离为16.6 m时,最大可支持23 Mbit/s的传输速率;与未采用TIR透镜时相比,在同等速率条件下,传输距离增加9.3 m。这表明基于TIR透镜二次配光的方法,可有效减小发射机出射角,降低链路损耗,增强通信系统的传输能力。这为提升水下LED通信的传输性能提供了新的技术思路。

采用17个光开关和16段不同长度光纤的级联方式,搭建了一套可编程光纤延时系统,实现的延时范围为0~65535 ns,步长为1 ns,数据刷新率可达100 Hz,延时稳定性为0.2 ns,延时抖动小于0.32 ns,整套系统损耗小于31 dB。对可编程光纤延时系统的延时精度、损耗和数据刷新率等特性进行了研究,分析了损耗和色散对延时测量的影响,提出了一种减少延时测量误差的阈值补偿法,弥补了损耗和色散引起的延时测量误差。

在PIN光电探测器(PIN-PD)结构的垂直方向上集成垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构单元,实现了收发一体式工作的集成光电芯片对,可用于进一步提高光互连的性能。该集成光电芯片可以同时对两个波段进行收发一体工作,一端进行中心波长为805 nm的光信号的发送和中心波长为850 nm的光信号的接收,另一端进行中心波长为850 nm的光信号的发送和中心波长为805 nm的光信号接收。仿真优化805 nm波长处光信号发送端的结构与性能,理论分析结构中VCSEL单元和PIN-PD单元工作时的电学隔离和光学解耦,最终证实本结构可以同时进行收发一体的工作。

采用基于圆偏振探测光的光纤Sagnac原子自旋进动闭环检测技术,实验测试了无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺在两种不同抽运状态下的角速度输入/输出特性,发现了SERF原子自旋陀螺输出的非线性现象。基于SERF原子自旋陀螺理论,建立了非线性响应模型并进行仿真研究,仿真结果与实验测试一致。研究表明:SERF原子自旋陀螺的非线性由原子内在相互作用决定,与总电子弛豫率R_tot密切相关。

提出了使用数字正交滤波降低LP_11a和LP_11b空间模式信号串扰的方法。基于模式选择性光子灯笼的强度调制直接检测(IM-DD)模分复用传输实验表明,PAM8信号在背靠背及经过500 m少模光纤的模分复用传输中,使用数字正交滤波方法结合传统的干扰抵消算法,可使信号的误码率(BER)降低至少2个数量级。该方法从信号处理的角度出发,为低成本、短距离模分复用数据传输中的模式串扰问题提供了一种解决方案。

提出一种利用极大倾角光纤光栅(Ex-TFG)谐振峰的3 dB点进行悬臂梁低频振动检测的优化方法。对Ex-TFG的轴向应变和弯曲应变特性进行理论分析和实验验证;对基于光强调制的Ex-TFG振动传感的光谱响应特性进行理论分析,采用Ex-TFG谐振峰的3 dB点对振动进行实验研究。实验结果表明:1)Ex-TFG在轴向应变和弯曲应变条件下,其谐振波长均发生蓝移,横电(TE)模和横磁(TM)模的轴向应变灵敏度分别为-2.8 pm/με和-1.8 pm/με,透射强度基本不变,在0~0.4 m ^-1的曲率范围内基于光强变化的弯曲应变灵敏度分别为2.6 dB/m ^-1和1.2 dB/m ^-1,基于波长漂移的弯曲应变灵敏度分别为-3.34 nm/m ^-1和-2.53 nm/m ^-1;2)在低频振动的检测中,Ex-TFG的TE模和TM模的谐振峰3 dB点的振动加速度灵敏度分别为113.54 mV/g和100.93 mV/g,比谐振峰的峰值波长点(100%点)的振动加速度灵敏度高2倍多,且信噪比(SNR)高约10 dB。此外,SNR随悬臂梁厚度的增大而增大;3)在相同条件下,TE模具有比TM模更高的振动响应灵敏度,但TM模比TE模具有更好的输出稳定性。

运动式太阳模拟器是编码式太阳敏感器在装星阶段用于现场测试的一种重要设备,为敏感器测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号。论述了运动式太阳模拟器的结构组成与工作原理,着重对其LED阵列光源和准直光学系统进行研究与设计。通过功率计算确定了LED数量,依据Sparrow判据分析了LED间距对辐照均匀性的影响,确定了阵列间距。基于边缘光线原理,建立了圆柱面镜的数学模型,设计了准直光学系统,借助LightTools软件进行仿真。实验结果表明:设计的运动式太阳模拟器在工作距离为50 mm处的辐照范围为10 mm×50 mm,最低辐照度为393 W·m ^-2,在-13°、0°、38°三种光线入射角下的辐照不均匀度均优于±7.3%,出射张角为0.78°,满足编码式太阳敏感器装星后现场测试的要求。

针对红外图像中由复杂背景和目标多形态带来的单帧检测暗弱小目标比较困难的问题,提出了一种先进行阈值分割粗提取,后进行多点信噪比精检测的算法。在粗提取阶段,提出了改进的基于稳健主成分分析(RPCA)的阈值分割算法,利用邻域稀疏度均值与整幅稀疏图像均值的比值进行阈值分割,从而进一步剔除孤立噪点和背景云层边缘的杂波。在精检测阶段,提出了基于统计特性的多点恒虚警检测算法,统计候选点在邻域内每个像元的信噪比,利用虚警率门限和统计数量阈值筛选目标点,从而克服由小目标能量弥散带来的多形态特征问题。实验结果表明,所提算法在复杂背景下的探测率达到95.6%,与利用单像元和邻域像元均值计算信噪比的方法相比,虚警率分别降低了56.1%和47.1%。

为增强电气设备红外热图像的视觉效果,对其运行状态进行准确检测,提出了一种新型阈值选择的图像分割方法。该方法首先对原始图像进行傅里叶滤波处理形成自动梯度图形,然后针对每种特定类型的目标图像,拟合具有N个相邻点的线性模型计算斜率差的变化趋势,在斜率差分布谷值中挑选适合不同类型故障区域的最佳阈值,最后通过形态学迭代腐蚀,将目标区域与噪声斑点分开,得到清晰的分割图像。该方法可监测各种类型故障,只需校准参数N和确定分割案例,其余部分自动处理。实验结果显示:该方法对目标区域分割的准确率为82%,误分率为0.0182%。通过使用不同类型的红外热故障图像进行测试对比,验证了所提方法的有效性和通用性。

利用半监督学习体系结构中的生成对抗性网络,围绕标注数据稀缺性的问题进行研究,在传统无监督生成对抗网络的基础上用softmax替代最后的输出层,使其扩展为半监督生成对抗网络。对生成样本定义额外的类别标签,用于引导训练,采用半监督训练方式对网络参数进行优化,并将训练得到的判别网络运用于X光图像分类中。对于胸部X光图像,结合自动化分类诊断选取了6种肺部疾病的X光前视图进行实验,结果表明:所提算法提高了利用标注数据的监督学习性能,与其他半监督分类方法相比具有优越的性能。

针对视网膜血管形态结构和尺度信息复杂多变的特点,提出一种自适应血管形态结构和尺度信息的U型视网膜血管分割算法。首先采用二维K-L(Karhunen-Loeve)变换(即霍特林变换)综合分析彩色图像三通道的频带信息,从而得到视网膜灰度图像以及多尺度形态学滤波增强血管与背景的对比度信息。然后将预处理图像经U型分割模型对图像进行端对端训练,并利用局部信息熵采样进行数据增强。该网络编码部分的密集可变形卷积结构根据上下特征层信息有效地捕捉图像中多种尺度信息和形状结构,底部金字塔型的多尺度空洞卷积扩大局部感受野,同时解码阶段带有Attention机制的反卷积网络将底层与高层特征映射有效结合,解决权重分散和图像纹理损失的问题。最后通过SoftMax激活函数得到最终的分割结果。在DRIVE(Digital Retinal Images for Vessel Extraction)与STARE(Structured Analysis of the Retina)数据集上对该算法进行了仿真,准确率分别达到97.48%与96.83%,特异性分别达到98.83%与97.75%,总体性能优于现有算法。

偏振成像可用于表征各向异性肌肉组织,但是常规偏振成像方法只能给出定性的结构形态,无法对肌肉发育过程进行定量的比较。构建了一套定量偏振成像系统,采用两个互相垂直的偏振片同步旋转得到一系列图像,经过图像处理获取斑马鱼每个肌节定量的相位延迟量。该定量偏振图像与光源亮度、曝光时间等无关,可以用来比较不同时间拍摄的斑马鱼肌肉形态和分布。研究发现野生型和肌肉受损型斑马鱼肌肉生长变化过程不同。

根裂诊疗是目前牙科临床医学的难点。搭建三维扫频光学相干层析成像系统,结合心血管内窥成像探头,对46个有根裂(裂缝宽度8~283 μm)牙齿切片样本进行扫描成像,该系统对根裂大于30 μm的样本的诊断准确率可达98.3%,对根裂小于30 μm的诊断准确率为36.3%;对25个无根裂样本扫描,诊断准确率为92%。分析准确率差异原因,优化内窥导管探头与牙齿切片的相对位置和角度,并对部分图像进行三维重建,使得根裂大于30 μm的样本的诊断准确率提高到100%,根裂小于30 μm的诊断准确率提高到57.6%。实验表明,内窥光学相干层析技术在牙齿根裂临床诊断中具有良好的应用前景。

根据液体透镜稀疏孔径成像的特点,提出一种辐射状多子镜阵列结构;给出稀疏孔径成像的简化模型,通过多子镜结构的光瞳函数,得出调制传递函数的解析表达式;给出此多子镜阵列结构的具体分布形式,采用无量纲方法对结构参数进行约化;讨论2种辐射状多子镜阵列的结构情况,计算填充因子、冗余度、调制传递函数和其他特性参数;讨论参数扫描所表现的物理现象,并对比这2种阵列的结构特征和成像特性;对辐射状多子镜阵列结构和复合环形结构的特性指标进行比较。结果表明:在2种结构的平均调制传递函数以及调制传递函数中频特性值相接近的情况下,选择具有更大实际等效口径和实际截止频率以及更低冗余度的Ⅱ型结构;Ⅱ型结构在成像方面具有一定优势;由于基于液体透镜的多子镜阵列结构采用无量纲约化参数,因此结论普适于任意的包围圆尺寸;与复合环形结构相比,当填充因子相同时,辐射状多子镜结构有更大的实际截止频率和实际等效口径。

提出了一种稀疏张量约束重建算法,该方法利用非局部相似的先验信息,将CT图像分割成一系列图像块组;采用张量的多维低秩分解方法, 将这一先验信息引入低剂量CT重建中,构造目标函数;通过重建图像更新和图像块组张量稀疏编码两个步骤,交替迭代求解目标函数。基于仿真数据和临床数据的实验结果验证了该算法的有效性,实验结果表明:与经典重建算法相比,所提算法在抑制噪声的同时,能更好地保持重建图像的细节,获得更高质量的图像。

偏折术中的几何结构标定误差是制约低阶面形测量精度的主要因素。分析几何结构标定中校直误差与平面镜低阶面形测量误差之间的关系,给出描述校直误差与面形测量误差之间关系的灵敏度方程和权重因子,并通过模拟和实验结果对其进行验证。结果表明,校直误差会在面形测量结果中引入倾斜、离焦、像散和彗差等像差项,且面形测量误差与校直误差成正比。本研究有助于选择合适的偏折术系统结构,以提高低阶面形测量精度,同时可为偏折术测量中面形误差的评估和分析提供理论指导。

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。

为了实现高速旋转工件的在线三维面形检测,提出一种高速旋转物体频闪在线相位测量轮廓术(PMP)三维测量方法。利用圆形正弦光栅替代线形正弦光栅,采用高密度二元编码光栅替代灰度编码光栅,设计专用频闪同步控制单元同时触发投影系统频闪投射相移光栅和图像采集单元同步获取图像,获得物体在同一“冻结”位置下的相移变形条纹后,采用静态PMP相移算法重建物体的三维面形信息。实验结果表明,该方法具备可行性和实用性,可有效避免工件离线检测时多次装夹不一致引入的加工误差,能够提高工件的检测效率和加工效率,可用于其他高速旋转物体的三维面形重建。

以LYTRO相机为例,提出一种基于微透镜阵列型(MLA)光场相机的多目标快速测距方法。该方法的研究过程分为三个部分:第一部分,通过对原始数据进行点扩展函数计算及色彩恢复,并对数据进行超分辨处理,获取重聚焦序列图像,完成对待测目标的预处理过程;第二部分,利用三角形定理,通过贴片的方法,提出一种直接测距法;第三部分,对现有的相对测距法进行超分辨处理,大幅提高算法精度,同时利用改进型的拉普拉斯算子验证算法的正确性。最后将这两种算法结合,即得到一种MLA光场相机的多目标快速测距算法。实验证明,对于少量待测物体,直接测距法精度高,速度快;对于数量较多的待测物体,将直接测距法与相对测距法相结合,不但能够保证精度,还可以提高时效性。该方法为光场相机深度获取、三维重建等方面的研究提供了重要的数据参考及较为精准的评价依据。

提出一种基于可见光谱图多模态词典特征低秩稀疏表示框架的大豆外观品质判别方法,以精确确定大豆品质等级。首先,提取大豆粒子可见光谱图像的多尺度空间梯度特征和色差分量(YCbCr)颜色空间特征;将上述提取的空间梯度特征和颜色空间特征看作视觉词汇,通过Kernel K-means聚类算法获取视觉词汇的核空间局部分布聚类中心,形成视觉词典;然后,使用低秩稀疏表示法耦合上述两种特征,用于消除高维异质模态词典描述符中冗余信息的影响;最后,在高维耦合空间中根据样本之间的度量对低秩稀疏耦合表示多模态词典特征进行分类。所提方法充分利用多模态多尺度空间梯度特征和YCbCr颜色空间特征来描述大豆粒子外观品质的语义特征归属。实验结果表明:建模集和预测集总的识别精度分别达92.7%和80.1%,所提方法的识别精度优于文献中提出的基于单一模态的视觉词典特征表示方法。

针对视频图像易受噪声干扰和背景变化复杂的特点,改进传统Census变换特征值对中心像素的依赖问题,建立Census模板以保持Census变换对光线变化的稳健性。将改进后的Census变换特征值、图像像素值、更新频数、最近更新时间和动态指数等多种特征融合,建立了一种新的背景建模算法。利用帧间亮度差,自适应选择融合多种特征更新背景模型,依据动态指数衡量背景变化复杂程度,建立不同的更新规则,提升模型对光线突变和复杂场景处理的稳定性。经测试多组标准视频序列,本算法检测精度优于其他算法,有效改善了光线突变对前景目标提取的影响,提高了对光线突变和复杂场景的稳健性,减少了运动目标的孔洞和像素漂移产生的假前景。

针对可见光学遥感图像港口舰船检测过程中,人造目标造成检测结果准确率低、虚警率高的问题,提出了一种基于边缘线梯度特征定位和聚合通道特征的舰船检测方法。基于多尺度多结构元素形态学滤波实现海陆分割;并结合遥感图像中港口的矩形形状特点,定义边缘梯度正切角和港口凹凸度特征以对港口进行定位,获取港口感兴趣区域集合。提取舰船目标的聚合通道特征,并通过聚合通道特征构建的样本训练库和AdaBoost算法完成分类器的训练,利用训练完成后的分类器完成舰船目标的最终判别确认。实验结果表明该算法相较于传统的HOG特征和Haar特征,检测效果良好,准确率和召回率得到较大的提升。

特征金字塔网络(FPN)在融合不同尺度特征图时采用上采样和相加的方法,然而经过上采样的特征图的空间层级化信息丢失严重,简单地进行相加必然引入一定的误差。同时,FPN结构的深层特征信息前向传递性较差,其对更浅层的辅助效果基本消失。对此,结合长短时记忆(LSTM)网络在处理上下文信息上的优势对FPN结构进行改进,在不同深度的特征层之间建立一条自上而下的记忆链接,建立多门控结构对记忆链上的信息进行过滤和融合以产生表征能力更强的高级语义特征图。最后,将改进的FPN结构加入到SSD(Single Shot MultiBox Detector)算法框架中,提出新的特征融合网络——MSSD(Memory SSD),并在Pascal VOC 2007数据集上进行验证。实验表明,该改进取得了较好的测试结果,相比于目前较先进的检测算法也有一定的优势。

针对基于原始点对特征的三维目标识别算法中存在的内存浪费、效率不高的问题,提出了一种基于增强型点对特征的三维目标识别算法。通过在原始点对特征的第4个分量上乘以一个符号函数,得到了一种区分性更强的点对特征,消除了原始点对特征存在的二义性。考虑到待识别目标三维模型存在的自遮挡,利用点对之间的视点可见性约束,剔除了目标三维模型哈希表中存在的大量冗余点对,节省了内存开销并提高了三维目标识别算法的识别准确率和效率。在开放数据集和实际采集的数据集上的实验结果表明,与基于原始点对特征的算法相比,所提三维目标识别算法在识别准确率和效率上都有一定程度的提升。

多频段超材料完美吸波器的设计在多色光学领域具有重要意义。提出一种多频段金属-绝缘层-金属超材料吸波器,其表面电磁响应单元为三圈嵌套的金属环阵列,采用时域有限差分方法计算结构单元的吸收光谱和电磁场密度分布。结果表明:该结构单元在1.44,2.28,3.25 μm处分别实现了98.5%、99.6%和99.9%的吸收率,物理机理为磁激元共振激发。系统分析结构几何参数对共振的影响,通过改变金属环的直径和高度,可以对不同的共振进行独立调控。该结构单元的吸收光谱对入射光极化角度具有良好的稳健性。并进一步分析了超材料吸波器的传感特性,其最大品质因数高达8.3 RIU ^-1(RIU为折射率单元),对应的灵敏度为1.08 μm·RIU ^-1,表现出优良的红外传感性能。该吸波器可应用于传感领域,亦可为其他超材料的设计带来新启示。

采用高温固相法合成Sr₃P₄O₁₃∶Ce ³⁺,Tb ³⁺荧光粉,通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和荧光光谱仪分析该荧光粉的物相组成、颗粒形貌和发光性能。结果表明:Sr₃P₄O₁₃∶Ce ³⁺的发射光谱和Sr₃P₄O₁₃∶Tb ³⁺的激发光谱在300~400 nm有重叠;在近紫外光(290 nm)激发下,该荧光粉发射出Ce ³⁺的蓝光(300~420 nm)和Tb ³⁺的黄绿光(480~500 nm和530~560 nm);当Ce ³⁺的摩尔分数为0.08,Tb ³⁺的摩尔分数从0.01增大到0.09时,Ce ³⁺的4f→5d电子跃迁将能量传递至Tb ³⁺的 ⁵D₃能级和 ⁵D₄能级,Ce ³⁺的发光强度逐渐降低,Tb ³⁺的发光强度逐渐增强,表明Sr₃P₄O₁₃基质中存在Ce ³⁺→Tb ³⁺的能量传递;当掺杂Tb ³⁺的摩尔分数为0.09时,能量传递效率可高达86.46%;样品Sr_2.61P₄O₁₃∶0.24Ce ³⁺,0.15Tb ³⁺的色坐标在绿光区域,因此Ce ³⁺和Tb ³⁺共掺杂的Sr₃P₄O₁₃荧光粉可作为绿色荧光材料应用于白色发光二极管。

立方氮化铝(c-AlN)以其优异的性能成为发光二极管、激光二极管等光电子器件的理想材料。采用激光分子束外延法制备了c-AlN/TiN/Si(100)异质结构,研究了它的显微组织和光学性能。结果表明:AlN薄膜和TiN缓冲层呈立方岩盐矿结构的(200)面择优取向;c-AlN薄膜、TiN缓冲层和Si衬底的界面清晰,不存在第二相,但错配应力使得界面处存在一定的缺陷;c-AlN薄膜的光致发光谱分别在376,520,750 nm处有3个发光中心;376 nm处的发光峰与氮空位(V_N)和氧杂质(O_N)有关,520 nm处的发光峰与Al空位(V_Al)和O_N的复合有关,而750 nm处的发光峰可归因于V_Al和价带之间的辐射复合;c-AlN薄膜的电致发光中心在580 nm附近,也属于c-AlN的深能级缺陷发光。

自动对焦技术是薄膜晶体管液晶面板(TFT-LCD)检测中非常重要的一环。针对TFT-LCD液晶面板的检测中需要快速准确地对焦到液晶面板被测面的问题,提出一种可自动对焦的显微镜系统。将数字光栅投影到物面上,先通过分光棱镜将光分成两路,一路被面阵CCD接收,另一路通过分光棱镜和反射镜将光栅的像分成两路,分别成像在线阵CCD的靶面上。通过线阵CCD上两个光栅图清晰度的对比实现离焦方向和离焦量的判断,使用微位移平台移动物镜,实现显微镜的自动对焦。本研究对自动对焦数字光栅的影响因素进行分析,并采用变周期数字光栅进行对焦。

以最小周期单元包含5个格点的新型Lieb晶格(Lieb-5)为平台,将Lieb-5晶格的格点根据其空间位置分成中心格点和边缘格点,用光束传输法研究具有不同强度值的两组格点对异相八极光束传输的影响。仿真结果表明:无论是采用格点入射还是非格点入射,当中心格点的强度小于边缘格点的强度(两组格点强度为2∶3)时,光束在传输过程中始终保持八峰形状,呈现出强局域性;否则,光束在传播过程中无法始终保持八峰结构,入射格点之间的能量随着传播距离的增加而呈周期性地相互耦合,呈现出一种弱局域性;原因是Lieb-5晶格特有的拓扑结构产生的几何阻挫性能抑制了光束的离散衍射,若晶格的束缚性、光束的衍射效应和异相光束的相互作用达到平衡,则能保持八峰结构,否则光束不能始终保持八峰结构。

国家自然科学基金(11475249)、国家“计划”青年项目基金(Y326021061);

线聚焦滤波技术能够大幅缓解甚至解决目前聚变装置中的等离子体堵孔效应及激光装置规模庞大等问题,在聚变激光装置中具有较广阔的应用前景。采用像差的衍射理论,分析了各类像差对三镜型线聚焦滤波器效能的影响。给定滤波系统中评判像差影响时采用的两个重要参量(输出光束的近场对比度及滤波狭缝的内边缘强度)及其容许范围;在滤波器中引入不同类型和大小的像差,根据参量的变化获得各类像差的容许值,并与传统的针孔滤波器进行对比。结果表明:透镜上存在的各类像差都会导致波面上产生各种非均匀的相位变化,并降低光束质量,而像差导致的弥散或形变也会使滤波狭缝内边缘的辐照强度发生变化,即随像差增大而不断降低。对三镜型线聚焦滤波器效能影响最大的像差来自于第一块柱面镜上的球差和场曲。

平面微透镜阵列与匹配的微图案阵列叠合时,会产生叠栅效应,在微透镜阵列立体防伪技术和高精度测量方面具有潜在的应用价值。基于游标叠栅效应原理建立了叠栅图案的放大倍数和方向与微图案阵列层、平面微透镜阵列层矢量之间的关系式,即叠栅图案相对于微图案的放大倍数约等于微透镜阵列周期矢量与平面微透镜阵列、微图案阵列周期矢量差的比值,该公式能够预测微图案映射的位置和大小。采用孔径边长为0.3 mm、周期为0.315 mm的方形孔径平面微透镜阵列与不同周期、角度的微图案贴合进行验证,叠栅图案的位置、大小的实验结果与理论预测一致。

结合干涉光刻和磁控溅射制备了一维周期性起伏的磁性多层薄膜。利用扫描探针显微镜对样品的微结构进行表征,利用椭偏仪和磁光测量系统对样品的光学性能参数和磁光克尔效应进行测试和研究。实验结果发现,磁性多层薄膜磁光性能得到极大的提升,磁光增强的克尔谱峰值与条带的宽度、中间层二氧化铪层的厚度有关;利用介质层的厚度可调制复合薄膜的磁光特性。进一步研究发现横克尔效应的增强现象。理论计算的结果证实,磁光增强源于光学腔干涉共振和磁等离激元的耦合效应。

复杂空间结构矢量光场是当前光场调控领域的重要研究内容。作为一类基于椭圆坐标系的本征激光场,Ince-Gaussian(IG)光场比Laguerre-Gaussian和Hermite-Gaussian两类本征光场具有更丰富的空间自由度,是构建复杂空间结构矢量光场的基本光场之一。基于正交偏振IG偶模和奇模的空间叠加理论,通过空间光调制器分离调控偶模和奇模光场,系统地研究了不同阶数下正交偏振IG模式叠加生成的不同空间结构的IG矢量光场。对获取的矢量光场进行分析,并与理论模拟的结果进行对比,验证了并联分离调控产生IG矢量光场的可行性。

依据角向偏振涡旋光束强聚焦有径向分量的结论,修正了角向偏振涡旋光束的强聚焦场公式,重新研究了高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束经过衍射光学元件和高数值孔径透镜后的强聚焦特性。结果发现,在焦平面附近获得了新的三维三光链结构(沿着光轴方向的一条三维主光链和对称的两条三维傍轴次光链),详细分析了入射光束缔合拉盖尔多项式的径向模数和光束的拦截比、衍射光学元件结构和聚焦系统的数值孔径对三光链的影响。结果表明,径向模数的改变会破坏三光链结构,通过调控衍射光学元件结构和拦截比可以重新获得对称性更高的三光链结构,从而实现对三光链结构的高自由度调控。

为了提高变形镜生成的贝塞尔光束的质量,探究其影响因素,研究了变形镜致动器环数以及光束入射角对贝塞尔光束质量的影响。当致动器环数从3环增大到5环时,变形镜重构的10 μm幅值锥形相位的残差方均根从70 nm降低到26 nm,降低了变形镜圆顶角对光束质量的影响,所生成的贝塞尔光束轴向光强分布更接近理想分布,证明提高变形镜致动器环数可有效提高贝塞尔光束的质量。另外,采用入射角分别为15°、30°、45°的光束生成贝塞尔光束,实验结果表明,所生成的贝塞尔光束质量均较高,且不受光束入射角影响。本研究可为变形镜生成高质量贝塞尔光束提供参考,有利于其应用。

罗兰C系统受到原子钟工艺和无线电信号测量精度限制,难以实现台站间高精度时间同步。基于量子纠缠微波信号和腔电光力系统,通过将微波量子信号转换到光频域进行符合探测,可以得到更精准的罗兰C主副台的同步时差信息。经过理论分析和仿真,得出腔中微波和光转换的条件,以及腔内耗散对保真度的影响。通过控制腔的驱动场参数可实现最优相位灵敏度检测,精度水平能达到皮秒量级。相较于原有同步方式,无需使用昂贵原子时钟,无需测量脉冲到达时间,即能有效提高时间同步精度。

为提升光学卫星遥感器的定标频次,提出一种基于场地高光谱BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)模型的高频次绝对辐射定标方法,实现了Suomi-NPP (Suomi-National Polar-Orbiting Partnership Spacecraft) VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)的长时序高频次绝对辐射定标。介绍了基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标原理,于2018年4月和8月利用场地高光谱BRDF手动测量系统分别对敦煌场的方向特性进行测量试验,并基于半经验核驱动反演敦煌场的地表高光谱BRDF模型参数。基于BRDF模型计算2018年全年VIIRS M1~M11波段的表观反射率,并与卫星观测表观反射率进行比对。结果表明:Suomi-NPP VIIRS遥感器 2018年全年的有效定标频次为51次,其中M1~M7波段模型计算的表观反射率与卫星观测的相对偏差均小于3.23%。基于场地BRDF模型的高频次绝对辐射定标方法可有效地提高卫星载荷的定标频次,及时跟踪载荷的辐射特性变化。

遥感场景类别的语义词向量与图像特征原型的距离结构不一致问题,严重影响遥感场景零样本分类效果。针对该问题,利用不同词向量间一致性,提出一种基于解析字典学习的语义词向量融合方法,以提升遥感场景零样本分类效果。首先,采用解析字典学习方法,提取场景类别的不同词向量的公共稀疏系数,并作为融合后的语义词向量;然后,同样采用解析字典学习方法,将场景类别的图像特征原型嵌入到融合后的词向量空间,与融合后的词向量进行结构对齐,降低距离结构的不一致性;最后,通过联合优化获得未知类的图像特征空间类别原型表示,并采用最近邻分类器完成未知类别遥感场景的分类。在3种遥感场景数据集和多种语义词向量上进行定量和定性实验。实验结果表明,通过词向量融合可以获得与图像特征原型结构更一致的语义词向量,从而显著提升遥感场景零样本分类的准确度。

分布反馈式激光器在长期运行过程中存在出光中心波数漂移的问题,导致固定点波长调制技术测量气体浓度不准确。为解决该问题,提出了一种基于波数漂移修正算法的免标定固定点波长调制方法,实现了气体浓度的免标定测量。选择中心波数在4958.9674 cm ^-1处的吸收谱线测量CO₂气体的浓度,以验证该方法的有效性。实验结果表明:修正算法克服了出光中心波数漂移对测量带来的不良影响,有效提高了气体浓度测量的准确性。

为解决罗兰光栅光谱成像不易直接读取、平面场凹面光栅成像算法复杂等问题,设计了一种基于全息凹面光栅原理的用于特定蛋白分析仪生化检测的分光光度计。该结构以罗兰光栅为基底,采用双透镜作为过渡元件,将罗兰光栅的曲面成像过渡成平场光谱,同时采用光学设计软件Zemax对该结构进行模拟和优化。优化结果表明,分光光度计能够实现光谱平场化,工作波段为320~800 nm,最高分辨率可达0.5 nm,整体分辨率优于1.7 nm,可被光电二极管阵列直接读取,结构特性满足特定蛋白分析仪的测量要求。样机实验结果与模拟结果一致,仪器重复性、准确度、稳定性及线性度均达到行业标准。

采用紫外-可见-近红外分光光度计和稳态/瞬态荧光光谱仪,分别测量了离散在水溶液中的CdS_xSe_1-x/ZnS量子点的吸收-辐射荧光谱以及及荧光强度随时间的变化,得到了荧光寿命随粒径、x和温度的变化。荧光寿命主要取决于量子点带间的直接跃迁,缺陷态间接跃迁的影响为次。得到了荧光峰值波长和荧光寿命随粒径、x变化的经验公式。结果表明:荧光寿命随粒径增大而增大,随S组分增加而减小,且对温度的变化不敏感;当量子点粒径为4.06~9.22 nm、x为9.45~0.366、温度为15~55 ℃时,荧光寿命为2.51~3.22 μs。

以正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备SiO₂溶胶,通过提拉法涂制多孔SiO₂减反膜,并在多孔SiO₂减反膜上涂制一层甲基三乙氧基硅烷(MTES)预聚体。通过疏水的MTES预聚体涂制在多孔SiO₂减反膜上,对多孔SiO₂减反膜的表面进行改性,以提高膜层的环境稳定性。经过表面改性的复合膜层的透过率峰值可达99.67%,折射率为1.231,水接触角达123.6°,在相对湿度为95%的环境中放置475 d后膜层的峰值透过率为99.09%,稳定性提高明显。膜层表面平整,激光损伤阈值约为24.5 J/cm ²。

利用克兰克-尼科尔森差分法求解激光场的傍轴波动方程和粒子数速率方程,研究纳秒超高斯型激光脉冲与富勒烯C₆₀分子的相互作用过程,并模拟不同阶次强场超高斯型激光脉冲在介质中的传播演化情况。当强场超高斯脉冲在C₆₀分子介质中传播时,表现出明显的反饱和吸收光限幅效应,而且脉冲的时空包络形状在传播过程中被重塑,由初始入射时的具有中心对称性的平顶型时间包络分布逐渐转变成具有非中心对称的尖顶型激光脉冲分布,而且脉冲持续时间也缩短了一个数量级;随着输入超高斯型脉冲时间阶次的不断增大,在传播过程中被吸收的脉冲不断增多,出射脉冲宽度逐渐减小。

在锥束计算机断层扫描(CT)系统中,由于不易放置后准直器,未经校正的散射信号会导致测量信号偏离真实值,降低图像的对比度和信噪比,甚至产生伪影。利用散射校正板(BSA)可以有效估计射线穿过工件后的散射信号分布。将BSA散射校正方法应用于锥束微纳CT系统,通过在X射线源与工件之间放置校正板的方式获取散射分布。首先介绍了基于BSA散射校正的基本原理,给出了具体的实验装置和实验步骤,然后使用自主研制的锥束微纳CT系统对几种工件进行扫描成像,最后从DR投影、重建切片、三维重建图像等多个角度对图像质量进行分析。结果表明,基于BSA的散射校正方法能够有效减少锥束微纳CT系统的散射伪影,改善图像质量,验证了BSA方法应用于锥束微纳CT系统的可行性。考虑微纳CT射线源能量低、焦点漂移影响大等因素,可在散射校正的基础上增加硬化校正和焦点漂移校正,进一步对图像进行修正。