在考虑激光介质与热沉不完全接触导热的情况下, 用面热源自适应调整算法计算了激光介质的温度场, 研究了其热效应.表面附近相位差存在起伏且深入一定深度使热效应复杂化.随抽运功率的增大, 表面附近相位差的起伏增强, 而起伏深度变化不明显; 接触面积增大, 相位差起伏减小, 起伏的深度有所减小.抽运功率较小时, 热致衍射损耗随抽运功率的增大近似线性增大, 高斯光半径越大, 增大的斜率越大, 当抽运功率增加到一定程度时, 热致衍射损耗增大的趋势减缓, 半径大的减缓较明显.在抽运光功率变化范围内, 半径大的高斯光热致衍射损耗大于半径小的.高斯光半径较小时, 接触面积对热致衍射损耗的影响不明显, 当高斯光半径较大时, 接触面积减小热致衍射损耗增大.

近红外激光照明是在低照度情况下, 用近红外激光作为光源对远距离目标进行主动照明.由于激光的产生机制、匀光装置和照明器采用的光学系统公差、大气湍流等因素, 近红外激光光束在目标面上的光强空间分布不均匀, 对成像、观测准确度产生较大影响.本文提出采用近红外激光光强功率谱衡量照明近红外激光光强分布均匀性, 即采用归一化后光强功率谱所围成的面积作为衡量近红外激光照明均匀性的参量.利用这种方法, 对不同的近红外激光照明器, 在相同的工作状态下的照明均匀性评估参量进行了研究, 结果验证了采用归一化后光强功率谱所围成的面积作为评价参量的合理性.

为了设计和优化高速激光二极管的高频特性, 其速率方程模型参量的精确提取方法非常重要.本文针对新型长波长高带宽的掩埋隧道结垂直面激光器, 给出一种速率方程模型参量提取方法.此方法是主要基于阈值电流、输出光功率、张弛振荡频率、阻尼因子和高偏置下增益压缩因子非线性效应等因素, 根据已测量的不同偏置下芯片的小信号频率响应来拟合出方程中的张弛振荡频率和阻尼因子.通过考虑增益压缩因子, 分别非线性拟合已提取的偏置光功率下的张弛振荡频率和阻尼因子, 即可提取速率方程模型中的参量.

设计了一种含有三层衍射光学元件的60°视场头盔显示目镜, 并给出了系统优化过程和结果.在整个视场和设计波段范围内三层衍射光学元件的衍射效率均在90%以上, 提高了系统的光能利用率和像的对比度.此目镜光学系统的出瞳直径为8 mm, 出瞳距离为22 mm.整个系统重量仅为8 g, 总长度为26.8 mm, 结构轻便紧凑, 具有良好的光学性能, 满足头盔显示目镜的使用需求.

为满足空间大气痕量气体探测的迫切需求, 设计并研制了一个空间遥感大气痕量气体临边探测仪原型样机.该样机光学系统由离轴抛物面望远镜和改进型Czerny-Turner光谱仪组成, 工作波段为380～570 nm.在工作波段内, 点列图半径的均方根值均小于9 μm, 校正了像散, 整个工作波段内同时获得了良好的成像质量.原型样机质量12 kg, 体积420×350×200 mm3, 空间像元分辨力0.6 km, 光谱分辨力0.86 nm, 各项指标均满足要求.利用临边探测仪原型样机进行了外场观测试验, 外场观测光谱数据与模拟光谱数据进行了比对, 二者具有很好的一致性, 表明大气痕量气体临边探测仪功能和性能良好, 满足大气痕量气体探测的应用要求.

运用ZEMAX设计了一款大孔径、小畸变微弱光信号检测镜头, 与高灵敏近红外CCD图像传感器匹配, 实现了对微弱单态氧1O2信号的实时、快速、高准确度的检测.检测镜头相对孔径1∶0.86, 半像高为6.3 mm, 光谱范围为1 250～1 290 nm, 放大倍率为1X, 畸变小于0.1%.运用AutoCAD设计光学系统的机械结构, 采用双高斯对称式结构以降低成本, 手动聚焦、直插式滤片切换机构方便实验的调节, 检测镜头研制成功并在实验中采集到较好的微弱单态氧1O2信号.

在Preston假设基础上, 研究并推导了光学元件抛光过程中“花瓣”型截面磨头在双转子运动形式下的去除函数.提出了“花瓣”型截面磨头的离散点弧长表达方法, 并讨论了该方法的适用范围; 基于离散点弧长法, 推导了“花瓣”型截面磨头在双转子运动形式下的去除函数表达式; 根据可调步长式曲线逼近原理研究了类高斯型目标去除函数的逼近算法; 并得到了类余弦型去除函数的双转子抛光模参量.从而证明了双转子抛光技术可以得到类高斯型去除函数.

市场上的节能台灯普遍存在光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点, 以改善这些缺点作为出发点, 设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯.设计加入非球面反光杯灯罩来收集LED光源发出的大角度光线, 提高了光能的利用率并改善了眩光.加入配光透镜消除接受平面存在的中心亮斑, 解决了均匀照明问题.通过ProE三维设计软件进行实体建模, 导入TracePro进行光线模拟和仿真分析, 结果表明这一LED台灯配光设计可在工作距离为450 mm、直径为700 mm的接收面内实现低眩光高均匀照明, 平均照度可达497.1 lx, 平均度达到0.9左右.这一高均匀低眩光LED护眼台灯的设计方案有着广阔的实际应用前景.

在InP阵列波导光栅的制作过程中会引入不同的误差, 从而影响器件的性能.为了最大限度地控制误差, 提高半导体器件性能, 本文采用传输函数法对InP基阵列波导光栅的系统误差和随机误差分别进行了分析.从系统误差的模拟结果中可以得到如下结论: 深脊型波导的有效折射率nc平均每偏移+0.000 1, 中心波长偏移+0.05nm.相邻阵列波导长度差ΔL每偏移+0.01 μm, 中心波长将偏移+0.44 nm.nc和ΔL仅仅会影响到传输谱中心通道及其他各通道对应的波长, 使得传输谱发生整体漂移, 而信道间隔及串扰不会改变.罗兰圆半径R偏移不会影响器件的中心通道对应的波长, 但会使其它通道对应的波长发生变化, 最终使得信道间隔改变, R增加50 μm, 信道间隔减小0.03 nm.从随机误差模拟结果中, 得出: 波导芯区折射率、上包层折射率、衬底折射率、波导宽度和波导芯层厚度的随机波动会对阵列波导光栅的串扰产生较大的影响.根据以上分析, 可以通过控制不同参量来调节器件的中心波长以及信道间隔等来优化阵列波导光栅的光学性能.

设计和优化了一种新型低损耗、低偏振的基于二氧化硅的特种非对称1×5光分路器.在设计Y分支结构时, 输入端采用缓变展宽波导结构和直波导过渡波导相结合的结构, 此结构可以使输入光场缓慢展宽, 进行分束前的准备, 大大减小分支结构的辐射损耗和模式转换损耗.非对称1×5光分路器第一个端口输出功率占50%, 第二至五端口输出功率占50%.利用三维光束传播法模拟和优化了特种非对称1×5光分路器, 模拟结果表明, 该结构具有均匀性好、器件尺寸小、低损耗和低偏振等优点, 1×5光分路器在1 250~1 650 nm波长范围内, 第一个输出端口附加损耗小于0.07 dB, 均匀性小于0.023 dB, 偏振相关损耗小于0.009 dB, 第二到五端口附加损耗小于0.45 dB, 均匀性小于0.41 dB, 偏振相关损耗小于0.06 dB.

根据波导的耦合模理论, 推导出两介质波导单位长度串扰的表达式, 并在一定串扰的前提下, 定义了两介质波导最小间距和最小中心间距, 提出采用最小中心间距做为衡量波导集成度的参量.分析了波导尺寸及折射率差对最小间距、最小中心间距的影响.分析和模拟结果表明: 折射率差越大, 两波导最小间距、最小中心间距越小;在大折射率差的条件下, 两波导最小间距可以降低到1 μm以下;在给定的工作波长、折射率分布的条件下, 两介质波导的最小中心间距存在最小值.

提出并制作出一种基于锥体光纤-长周期光纤光栅-锥体光纤结构的全光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪传感器, 并对其温度传感特性进行了研究.实验结果表明, 固定光纤锥体和长周期光纤光栅的结构, 仅改变两个光纤锥体之间的距离, 对应不同的M-Z干涉谐振峰呈现出不同的温度传感特性: 随着两个光纤锥体之间的距离增加, 位于短波长处的谐振峰, 传感器的温度灵敏度减小, 而位于长波长处的谐振峰, 传感器的温度灵敏度增加.当传感器长度为16.5 cm时, 在1 680 nm附近的温度灵敏度达到0.102 06 nm/℃.实验结果对于锥体光纤-长周期光纤光栅组合型温度传感器的优化设计具有重要参考价值.

为保证光位移传感器的工作性能, 输入光源在500~800 nm波长范围内需具有较高的光谱能量, 照明用LED波长在700 nm以上光谱能量陡降, 限制了传感器的工作范围.针对照明用LED光谱能量不足的问题, 研制出适用于色敏解调光位移传感器的宽带LED光源.首先利用单色仪对光位移传感器色敏元件WS7.56的性能进行了测试, 依据色敏解调结果提出了光位移传感器正常工作所需的输入光源的光谱能量阈值.在照明用LED光谱特性基础上, 配比掺杂氮氧化物红色荧光粉提升LED红光及近红外光光谱能量, 得到了满足输入光源光谱能量阈值的宽带LED.最后, 对该宽带LED光位移传感器进行了位移测量实验, 实验结果较使用照明用LED光源有明显改善, 位移解调线性度良好.本文研制的宽带LED光源体积小、效率高, 是光位移传感器较为理想的宽带光源.

采用微机电系统微镜阵列和倾斜反射镜替代传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统, 提出一种基于微机电系统微镜阵列的新型傅里叶变换光谱仪.介绍了该光谱仪的工作原理, 分析了倾斜反射镜倾斜角度的容限范围, 并搭建了实验系统, 进行了实验验证.理论推导表明: 在近红外区域, 反射镜倾角理论最大值为0.52°, 光谱分辨率达到8 nm; 在可见光区域, 反射镜倾角理论最大值0.183°, 光谱分辨率达到3 nm.选取可见光源488 nm激光器进行的实验验证结果表明: 在倾角容限范围之内, 光谱能准确还原; 反之, 光谱严重失真.最终, 采用复色光源进一步实验验证了理论分析的正确性.

本文提出了一种高光谱图像降维的判别流形学习方法.针对获取的大量遥感对地观测数据存在大量冗余信息的特点, 引入改进的流形学习方法对高光谱遥感数据进行降维处理, 以提高遥感图像自动分类的总体准确度.该方法充分利用遥感图像自动分类中训练样本的判别信息, 将输入样本的类别信息加入到常规流形学习方法的框架中, 从本质上提高输出的特征在低维空间中的判别力.同时, 引入线性化模型以解决流形学习方法中常见的小样本问题.对高光谱遥感图像自动分类的实验表明, 基于判别流形学习的高光谱遥感图像自动分类方法能够显著地提高图像分类准确度.

针对煤粉流组分分布的不均匀性, 研究不同收光方式对煤粉流的激光诱导等离子体的光谱信号收集效果的影响.选用电厂常用燃煤神木混为实验对象, 利用自行搭建的气固两相流实验台架产生稳定煤粉流, 对比同向收光方式和侧向收光方式下煤的特征谱线信号探测的强度和稳定性.研究结果表明, 相同实验条件下, 中间穿孔反射镜使同向收光方式下探测的光谱信号强度较弱, 而等离子体信号源位置沿激光束轴线的变化、等离子体信号本身沿空间分布的不均匀性及煤粉流的阻挡作用使侧向收光方式下探测的光谱信号稳定性较弱.

为了在计算机制彩色彩虹全息图输出之前定量得到再现像的色彩保真度, 提出了一种采用数值再现进行色差评价的方法.首先对彩虹全息图进行了频谱分析, 得到再现参量与频谱分布之间的关系; 然后采用频域滤波算法实现彩色彩虹全息图数值再现, 得到再现像的相对功率谱分布; 最后采用CIE1976UCS均匀颜色空间对再现像色差情况进行了计算.设计了7个色块并制作了计算机制真彩色彩虹全息图, 以金卤射灯作为照明光源进行了光学再现实验, 给出实验结果及分析.研究证明了采用数值再现方法实现对计算彩虹全息再现像光谱分布和色差进行计算分析是一种快速经济的方法.

为解决空间复杂光学多目标群检测与跟踪难题, 提出了光学扩展群目标的概念及其多模检测与跟踪方法.分析了扩展群目标构成复杂、个体目标数量多、变化快、检测与跟踪难的特点及检测与跟踪需求, 综合采用小目标检测算法、扩展目标检测算法、高对比度检测算法和多帧差分检测算法等完成全视场目标群的完整检测; 然后在判断目标实际位置与预测位置的航迹重合性基础上实现目标的多特征航迹联合关联, 结合以对比度跟踪为主、相关跟踪为辅的主辅式多模跟踪技术实现对群目标的跟踪.应用结果表明, 扩展群目标多模检测与跟踪方法对复杂多目标群的检测效率、跟踪准确度均有较大幅度的提高, 满足光学复杂目标群的完整检测和精确稳定跟踪要求.

结合高斯函数和最大平均相关高度算法设计了高斯-最大平均相关高度滤波器, 解决了光学相关识别系统对混合畸变目标(同时存在比例畸变和旋转畸变的目标)的识别问题.在设计滤波器时, 通过优化平衡高斯-最大平均相关高度滤波器的标准差σ、输出噪声方差系数α、平均相关能量系数β及平均相似测量系数γ来提高高斯-最大平均相关高度滤波器对混合畸变目标的响应能力.最后通过仿真实验可知, 在畸变容差范围(比例畸变0.92~1.16倍, 旋转畸变－8度~24度)内, Vander Lugt相关器利用单个高斯-最大平均相关高度滤波器可以实现任意状态混合畸变目标的识别.作为实例, 用高斯-最大平均相关高度滤波器对复杂背景下的飞机目标进行了识别实验, 验证了该方法的可行性.

在传统迭代傅里叶变换算法的基础上, 提出了一种计算三维物体相息图的新方法.基于层析法将三维物体的多个分层物面作为衍射再现图像, 在一个输入面(相息图)和多个输出面(再现像)之间进行迭代.通过在傅里叶迭代运算中引入距离相位因子, 表示物体不同物面的深度, 体现了物体的三维特征.实验结果证明了本文算法良好的收敛特性和再现性能.最后, 分析了物面数量和间距对全息再现质量的影响, 利用液晶空间光调制器采用时分复用的方法还原了三维物体的多个物面.

针对枪号图像字符易磨损、对比度太大或太小的特点, 提出了小波包滤波器浮动阈值和Niblack法相结合的二值化算法.首先采用小波包滤波器对图像滤波, 把得到的低通图像作为浮动阈值, 并对图像进行二值化, 得到第一幅待融合图像; 然后采用Niblack法对图像进行二值化, 得到第二幅待融合图像; 最后把两幅图像按照灰度最小的方法进行融合, 得到最终的二值化图像.实验结果表明该综合算法在二值化效果、适用范围等方面均有良好的表现, 具有一定的推广价值.

为了得到在高背景噪音下对弱信号光的提取, 实验研究了基于87Rb D1线5S1/2 F=2→5P1/2 F′=1跃迁的795 nm法拉第反常色散光学滤波器.充铷的样品池所含87Rb的比例高于自然铷, 样品池处在均匀的磁场中并且夹在两个相互正交的偏振片之间.入射的探测光通过样品池, 与原子相互作用, 由于法拉第旋转效应实现滤波功能.改变实验条件, 透射结果随之明显变化.当温度从340 K升高到360 K, 透射谱的变化情况被细致记录, 并且分析了导致透射情况变化的原因.在适当的工作温度以及磁场条件下, 得到线宽为约220 MHz的超窄带透射谱线, 谱线透过率约为48%.87Rb D1线的实验结果优于85Rb的吸收线.

基于单边傅里叶变换, 本文提出一种研究辐射子的自发衰减动力学演化的普适方法.利用该方法研究了辐射子处于均匀介质、理想微腔和泄露微腔中的自发辐射动力学演化问题, 最后并把这种方法用于处理光子带隙材料中的辐射动力学演化问题.结果表明: 辐射子的自发辐射动力学特性由局域态密度决定, 可以通过调控辐射子周围的局域态密度来调控辐射子的自发辐射特性, 为实现新型的光电子器件提供了理论基础.该方法不仅适用于马尔科夫热库的情况也适用于非马尔科夫热库的情况.

将背景空间及其中存在的离散粒子作为一种连续的电介质, 得出了背景空间中离散粒子存在时混合体的等效介电常量模型.利用该模型和国际电讯联盟给出的雨衰减测量数据, 确定了GHz波段雨介质的等效介电常量并验证了其有效性.得出了雨环境中目标复合散射场的解析式, 对雨环境中球形目标的复合微分散射进行了仿真与分析, 进而研究了降雨率、电磁波频率及极化状态等因素对复合微分散射的影响.计算表明: 降雨对微分散射的影响在10－3分贝上, 电磁波垂直极化时降雨的影响大于其水平极化时的影响.研究结果对精确制导和目标识别等有一定的参考意义.

借助于法拉第磁致旋光效应, 以ZF6玻璃为磁旋光介质, 设计了适当的光学系统, 对永磁体磁极附近磁场的分布进行了光学二维成像.利用自编的图像采集软件采集了一系列原始图片, 并利用自编的图像处理软件对这些原始图片进行了处理, 完成了检偏过程.分别得到了透射成像方式和反射成像方式下永磁体磁场的分布图像, 这些图像正确反映了永磁体磁场的实际分布.本研究工作为宏观尺度磁场的观测与测量提供了一种有效的手段.