差分图像运动监测仪广泛应用于视宁度的实时测量.利用随机相位屏和光学离焦像差模拟差分图像运动, 分析了差分图像运动监测仪的测量准确度, 结果表明差分图像运动监测仪能够可靠地测量地面处湍流.在国家天文台兴隆观测站, 开展了两台相同硬件配置的差分图像运动监测仪的对比实验, 分析曝光时间的影响和测量结果的相关性.结果表明: 有限曝光时间降低差分图像运动, 使视宁度值测量值偏小;视宁度测量结果的时间变化趋势和统计结果一致性较好.

为了满足偏振光导航对空间特征点空间位置信息的需求, 提出一种基于Rayleigh大气偏振分布模式的太阳空间位置计算方法.首先, 从大气光学的Rayleigh散射理论出发, 建立了天空中偏振光的分布模型.然后将由大气偏振模式中的有限的采样点信息确定太阳空间位置的问题转化为非线性最小二乘优化问题, 采用Gauss-Newton法简化算法结构, 结合对初值的全局搜索以获取精确的太阳空间位置.仿真实验表明, 在本文设定的采样方式下, 不同时间、不同地点下利用偏振度信息求解, 太阳高度角误差均小于10-5度, 方位角误差小于10-6度;偏振角度求解时, 太阳高度角和方位角求解误差均小于10-6度;并且在不同的采样方式下均保持了良好的优化准确度.实验证实该算法准确度高, 对各种采样方式适应性好, 可以有效地由偏振模式信息处理得到太阳空间位置.

为了使自适应光学系统校正后的残余波前整体倾斜小并且系统的鲁棒稳定性好, 提出采用混合H2/H∞控制方法来设计自适应光学系统控制器.为了验证控制效果, 通过自适应光学波前整体倾斜校正试验平台仿真了大气湍流波前整体倾斜, 对比了采用混合H2/H∞控制器和采用经典积分控制器的自适应光学波前整体倾斜校正试验平台的残余波前整体倾斜以及系统的鲁棒稳定性.结果表明, 相对于采用积分控制器的试验平台, 采用混合H2/H∞控制器的试验平台同时获得了更小的残余波前整体倾斜和更好的鲁棒稳定性, 证明了自适应光学系统混合H2/H∞控制方法的有效性.

针对X射线脉冲星信号信噪比低, 难以获取精确脉冲星信号相位的问题, 提出了基于Wavelet-Fisz变换的X射线脉冲星信号的估计方法.根据X射线脉冲星信号特性建立了信号模型, 推导了Wavelet-Fisz变换理论, 利用该变换将X射线脉冲星信号逼近于高斯分布, 对变换后的信号数据进行估计.对大量RXTE的实测数据进行分析, 结果表明在Wavelet-Fisz变换下能获得较好的估计性能, 且耗时小, 有利于X射线脉冲星导航的工程应用.

以强光源作用微光电视成像机理为基础, 借助端到端成像建模思想, 综合考虑强光源作用目标表面辐射特性及系统自动亮度控制特性, 建立了不同位置强光作用后系统成像特征量化模型.以模型为基础, 利用三维场景仿真平台实时计算强光源作用后地物成像灰度, 实现了不同位置微光系统成像数字仿真.结合外场实验数据, 通过对比实验结果与仿真结果中目标和背景灰度及目标成像对比度, 对仿真模型进行了验证, 结果表明：该模型与外场实验数据有较好的一致性, 模型可靠性较高.最后探讨了强光作用后不同干扰因素对系统成像质量的影响, 当强光源位于系统视场外时, 其对目标表面辐射特性的作用是影响系统输出图像质量的主要因素;当强光源位于系统视场内时, 其对系统增益的作用则成为主要因素.

在微通道板玻璃中掺中子灵敏核素, 并去除玻璃中的天然放射性同位素成份, 可以实现微通道板对热中子的敏感, 使探测器具有极低的背景事件率.在微通道板玻璃中掺加3 mol%的Gd2O3,同时去除玻璃中的K2O和/或Rb2O, 制作成50 mm直径、0.6 mm厚度、10 μm孔径的微通道板,实现了对25.3 meV热中子33%的探测效率,同时探测器的暗计数率低至0.11 events cm-2·s-1.通过计算和分析热中子在微通道板基体中的俘获概率和155,157Gd(n, γ)156,158Gd反应所能引发的有效信号, 说明了通过微通道板的结构优化, 掺3 mol%Gd2O3的微通道板可以实现最大50%的热中子探测效率.在此基础上, 进一步完成了106 mm直径10 μm孔径的掺3 mol% Gd2O3的优化结构大面阵低噪声中子敏感微通道板的制作.

为了提高空间目标的红外辐射测量准确度, 提出了基于精确校准的红外标准星的红外辐射标校方法.测量不同大气质量处多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星, 采用天文孔径测光法对望远镜拍星数据进行处理, 依据大气消光模型进行最小二乘线性拟合, 获得了测量系统的红外辐射响应率和大气消光.1.2 m望远镜上中波红外成像终端验证性实验结果表明, 该方法的恒星辐照度反演误差最大为16.28%.且该方法无需增加额外设备, 操作简单, 易于实现, 可随时对测量设备进行实时标校.对地基大口径望远镜的红外辐射测量具有一定的应用价值.

为了突破以往研究的波形局限, 探究任意波形脉冲泵浦下掺铒光纤的自发辐射特性, 从速率方程组出发, 采用分时段计算的方法得到各能级粒子数及自发辐射平均功率的表达式.仿真和实验表明, 泵浦光毛刺对自发辐射光的影响较小, 具有类似“高频滤波”的特性;泵浦功率较大时自发辐射光的波形与泵浦波形接近, 该研究结果可以用于光纤激光器的全光调制.理论分析与实验结果相符合, 证明了理论的可靠性.

为了实现分布式传感光纤应变和温度响应系数的快速准确标定, 提出了应变和温度同时标定法.利用恒温装置控制传感光纤和金属管的温度, 利用金属管的线性热膨胀对缠绕其上的分布式传感光纤施加应变, 通过恒温装置中的松弛传感光纤补偿金属管上传感光纤的温度, 共同实现应变和温度的同时、快速、准确标定.利用恒温水浴和不锈钢管进行了单模裸纤布里渊频移应变和温度响应系数的标定实验, 应变标定跨度620 με, 温度标定范围35~75 ℃, 得到单模裸纤布里渊频移的应变和温度响应系数分别为0.048 MHz/με和1.06 MHz/℃.结果表明该方法可用于小直径分布式传感光纤的应变和温度同时标定.

为保证偏分复用正交相移键控(PM-QPSK)相干光通信系统的传输性能, 提出了一种改进的基于高阶统计矩的光信噪比监测方案.该方案针对不同调制格式给出了不同的修正值, 因此对调制格式透明.在搭建的100 Gb/s PM-QPSK相干接收系统中对该方案进行了数值仿真, 结果表明：当光信噪比在5～25 dB的范围内,不同占空比调制码型的监测误差均小于0.5 dB;光信噪比参考值为14 dB时, 在0.5 dB的监测范围内, 色散容忍度为2 400 ps/nm, 对一阶偏振模色散的容忍度为62 ps.

针对传统幕中触发时刻提取方法未考虑光幕幕厚分布不均匀而引入的测量误差, 提出了一种弹丸以一定角度穿过光幕厚度呈倒梯形分布光幕的过幕时刻提取方法.通过分析光幕的空间分布, 推导了相应的计算公式将弹尾到达光幕厚度中心面的时刻与弹丸穿过整个光幕时间的比值转换为中心面所在位置与弹丸在光幕中飞行距离的比值, 利用迭代算法提取出弹尾到达光幕中心面的时刻, 并计算出弹丸的外弹道飞行参数.实弹射击表明, 算法在一定范围内可将六光幕阵列天幕立靶测量误差减小1mm.

为实现高准确度紫外光谱辐射测量与可见光望远观瞄单元的同轴共光路设计, 采用四片石英延迟器叠拼组成光学退偏器和紫外/可见分束器, 运用锁相放大技术对探测信号进行处理, 并增加了相敏检波器的可调整功能.使仪器在200 nm~380 nm工作波段内的入射光残余偏振度最大值降低到3%, 提高了探测准确度.仪器每次测量使用前使输出不大于10 mV, 保证了光谱辐射测量的稳定度优于1%.

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统, 传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息, 因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论, 提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用Newton-Cotes求积公式, 对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导, 提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明, 二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性, 可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.

为了精确分析经纬仪主镜的面形均方根, 对主镜支撑连接球绞的仿真方法进行研究.建立了主镜支撑系统的有限元模型, 对比了刚性连接、约束节点自由度和接触边界条件三种球绞的仿真方法.采用接触边界条件方法仿真得到的主镜面形均方根值为16.37 nm, 应用干涉仪检测得到主镜在径向支撑状态下的面形均方根值为17.53 nm, 仿真结果与实验结果的偏差为6.62%.实验结果显示三种方法中, 接触边界条件法能较准确地获得主镜面形均方根值, 用此方法对主镜径向支撑结构进行了参数化分析, 获得径向支撑位置、长度和宽度对主镜面形的影响规律,可以为主镜面形的精确分析及主镜支撑结构设计提供参考.

为了减小激光等离子体发射光谱的自吸效应, 提高激光诱导击穿光谱技术对物质成分的检测能力, 设计了一种平面反射镜装置对等离子体进行空间约束, 研究了不同实验条件下的光谱线线型, 定量分析了钢样品中的元素Mn和Ni.实验结果表明, 利用平面反射镜装置约束激光等离子体以后, 光谱线的自吸效应比常态条件下有明显减小;通过定量分析样品元素Mn和Ni的结果看出, 无平面反射镜装置时的相对标准偏差分别为3.70%和6.23%, 而实验中加入面反射镜装置以后分别降至1.86%和2.16%, 显著提高了分析结果的测量精度.

模拟仿真了谐振式光纤环腔的透射谱线以及鉴频曲线, 得透射谱线最低谷值对应为调制谐振点, 鉴频曲线的线性区为陀螺的工作范围区, 线性区中点对应谐振点, 可作为标度因数最大值.为了实现谐振点的高精度锁频和稳频, 设计了谐振式光纤陀螺角速率测定方案, 使用比例积分反馈电路实施锁频, 利用正弦波扫描窄线宽激光器(线宽小于1 kHz)的压电转化模块, 使激光器谐振腔长发生变化, 从而改变其输出频率, 对谐振光纤环腔随外界环境变化同时进行跟踪和锁定.利用线宽法测试并计算出光纤环形谐振腔的品质因数值为107, 对比分析了光纤环腔在谐振点和非谐振点锁定情况下的光电探测实时输出, 并通过转动测试, 得到两种情况下锁定后陀螺的连续转动效果.计算了光纤陀螺系统理论检测灵敏度, 结果表明：谐振点锁定后转动效果对应的陀螺输出电平值为锁定非谐振点转速电平值的3倍, 验证了谐振式光学陀螺谐振点锁频的重要性.

利用Kogelnik耦合波理论对超短脉冲激光经透射型体Bragg光栅的时域衍射特性进行了研究, 讨论了透射型体Bragg光栅的群延迟色散和光栅结构参数之间的关系, 分析了群延迟色散和频谱剪切对衍射脉冲时域强度分布的影响.结果表明: 当入射超短脉冲脉宽为100 fs时, 经透射型体Bragg光栅衍射后的脉冲展宽主要源自光栅对入射脉冲的频谱剪切, 当入射超短脉冲脉宽为10 fs时, 衍射脉冲的展宽量不仅受频谱剪切的影响, 而且与光栅的群延迟色散密切相关.

在室温、10Pa氩气环境氛围中, 引入垂直于烧蚀羽辉轴线的外加直流电场, 采用脉冲激光烧蚀技术制备了一系列纳米硅晶薄膜, 衬底分布于以烧蚀点为圆心的弧形支架上.扫描电子显微镜、喇曼散射谱和X射线衍射谱检测结果表明：晶粒平均尺寸随着电压的增加逐渐变大, 且靠近接地极板处的晶粒尺寸比与之对称角度处的略大;薄膜中晶粒面密度随着电压的增加先减小后增大而后再减小.

利用杂质和劣质粮食与优质粮食的近红外吸收光谱不同的特性, 根据光谱中反映测试成分的特征波段的差异对粮食进行光学分选.在光谱进入传感器之前经过滤光片对多个测试波段进行过滤, 降低噪音的影响.本文针对光学筛选系统中核心部件双通道带通滤光片进行研制, 从膜系设计理论出发, 采用了Smith法结合膜系设计软件设计了以周期膜系和非周期膜系相结合的双通道带通滤光膜系, 利用电子束蒸发和离子辅助沉积的方法进行制备并通过数学建模分析, 减小了实验误差对光谱的影响.在1 200 nm和1 450 nm波段得到平均透射率大于97%, 1 000~1 130 nm和1 570~2 000 nm波段平均透射率小于1%的滤光膜, 通过系统测试, 满足使用要求.

采用溶胶凝胶法制备CuCrCaO2薄膜,研究不同气氛、退火温度下, Ca掺杂量对薄膜的形成和电学特性的影响.在N2环境中1 100 ℃退火, 制得CuCr1-xCaxO2 (x=0、0.01、0.03、0.05、0.07)薄膜.测量CuCrCaO2薄膜的X射线衍射, 在低浓度Ca掺杂时, 薄膜结晶良好, 晶格常数a、c和平均晶粒尺寸n随掺杂浓度上升而上升;高浓度Ca掺杂时, 有杂相生成, a、c、n重新变小, 和X射线衍射分析结果相吻合.另将3%Ca掺杂量, 分层旋涂后的薄膜分别在空气和N2中以不同温度快速退火, X射线衍射表明在N2条件下, 分层次的掺杂使CuCrCaO2结晶取向趋于单一, 并且退火温度越高, 择优取向越明显.用霍尔仪测量不同Ca掺杂量薄膜的电学特性, x=0.03时薄膜有最佳电导率1.22×10-1S/cm, 比未掺杂的薄膜提高了三个数量级, 说明适量Ca掺杂有助于提高薄膜电导率, 对应的薄膜载流子迁移率为1.77×1018 cm-3, 正的霍尔系数表明该材料是P型结构.

采用溶胶-凝胶法制备了TiO2/Eu3+,Y3+下转换薄膜, 将其应用到染料敏化太阳能电池中, 利用其下转换特性将紫外光转换为可见光, 提高了电池的可见光照强度.利用X射线衍射和荧光光谱对TiO2/Eu3+,Y3+粉体进行表征,利用荧光光谱和紫外-可见分光光度计对TiO2/Eu3+,Y3+下转换薄膜进行测试,荧光光谱显示, 下转换薄膜受到396 nm紫外光照射时可发射出535~620 nm连续波长的可见光, 具有下转换功能特性.与TiO2薄膜相比, 二层下转换薄膜仍能保持较高的可见光透过率.当稀土元素总掺量为4%时, 利用下转换特性使短路电流提高了21.5%, 光电转换效率提高了14.1%.

提出一种基于虚拟样机的光纤旋转连接器损耗的分析方法. 建立了道威棱镜系统中的光线输入-输出方程, 采用光线追迹和解析模型的混合架构建立了齐次坐标系下的光线分析模型.模型中的输入误差包括输入、输出准直透镜和道威棱镜的角度和位移误差、轴承游隙和齿轮准确度;对30 000个角度准确度±100″、位移准确度±0.01 mm的随机误差样本的损耗特性进行计算, 结果表明: 若要使公差引起的最大损耗小于4 dB、损耗分布P(X>3 dB)小于0.5%,则光纤旋转连接器中准直透镜和道威棱镜角度误差必须控制在±1′以内.

对人眼模型中晶状体的面型和折射率分布进行了研究, 基于晶状体的光学特性, 利用光学设计软件Zemax接口技术的调入, 采用不同连续公式法分别给出了晶状体不同的梯度渐变折射率分布形式;结合晶状体不同的非球面面型, 比较分析了晶状体不同面型和不同梯度折射率分布的组合模型对人眼模型重现实测像差的影响;给出了重现我国人眼实测像差误差最小的晶状体模型.结果显示：晶状体的面型越复杂得到人眼模型的像差与真实人眼的测量像差就越接近;当晶状体采用Zernike面, 梯度渐变折射率采用分段函数公式形式时, 重现实测像差误差最小.

提出一种基于偏振干涉的单光路近红外光谱仪光学系统.针对光纤耦合卤钨灯光源,设计离轴抛物面镜准直和会聚光学系统.氦氖激光作为采集控制光源, 用冷光镜与近红外光束实现分合.采用正交放置的格兰-汤普逊棱镜为起偏和检偏器, 设置补偿晶体和扫描光楔完成偏振干涉的相位补偿.近红外光偏振干涉光谱仪光学系统的光谱范围为800～1 700 nm,理论光谱分辨率优于8 cm-1 ,通光口径Φ10.4 mm.质量评价表明, 全视场点列图均方根半径值约为1.7 μm, 垂轴色差小于0.2μm, 全视场范围内几何包围圆Φ14 μm之内能量达到100％.

为了提高紫外探测器系统的信噪比, 确保紫外告警相机的低虚警率, 分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式, 采用反远距、准像方远心光路, 实现了大视场光学系统的像差校正, 使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272 μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好, 畸变小, 像面照度均匀.成像质量分析结果表明：全视场最大弥散斑半径小于53.7 μm, 轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%, 0.85视场的相对畸变小于20%, 满足紫外告警相机的使用要求.

为解决偏振棱镜消光比参量传统检测方法中, 由于光线的非垂直入射和消光位置定位误差等因素的影响, 导致不能精确测量的问题, 以格兰-泰勒棱镜为例, 通过对偏振光进行磁光调制以精确确定待测棱镜消光位置, 并在消光位置附近多次小角度转动待测棱镜, 以减小光线的非垂直入射对出射光强产生的非线性微扰.仿真和实验验证表明, 该方法可以准确地得到消光光强与平行光强, 得出消光比参量,满足测量准确度要求.

设计了一种基于二维光子晶体的偏振滤波分束器.利用平面波展开法计算光子晶体带隙, 确定入射光波1 550 nm下获得单偏振光的微结构参数, 利用时域有限差分法对90°弯折缓冲层和分支冲击壁进行优化.分束器实质为在二维光子晶体阵列中引入缺陷而构成的波导, 利用光子带隙效应和线缺陷90°偏转将入射光中的TM偏振分量(或TE偏振)完全过滤, 得到单偏振光, 最后通过Y型分支实现1∶1的单偏振光分光输出.仿真结果表明总输出/输入功率比达到68%.

设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池, 利用严格耦合波方法分析了矩形光栅和双层矩形光栅结构砷化镓吸收层在280～900 nm入射波长范围内的吸收效率.分析表明：在吸收层厚度一定的条件下, 矩形光栅结构相比于平坦形吸收层的吸收率有较大提高;双层矩形光栅吸收效果更为明显, 其对可见光的吸收率在较大波长范围内比单层矩形光栅提高了至少10%, 比平坦形提高了至少20%.可见通过结构设计, 光子在光栅内随机反射增加了光在吸收层的作用时间和距离, 增强了吸收层对光的吸收率, 进而提高薄膜太阳能电池的光电转换效率.

对10种类型阿基米德晶格按不同晶格点阵进行分类, 利用平面波展开法数值计算了光子晶体的能带结构, 讨论归一化半径对其带隙的影响, 比较了低频带隙相对宽度值.计算结果表明：单胞含多个“原子”的类正方晶格和类三角晶格光子晶体均存在TM模各向同性带隙和低频带隙, 还容易产生TE模和TM模的完全带隙, 进一步分析发现(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格打开TM模的低频第1带隙下边界值为最小;选择合适归一化半径分别为0.2和0.26,类正方晶格和类三角晶格光子晶体都能够得到较宽TM模低频带隙的最大值, (32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格获得低频带隙为最宽.典型复式晶格空气环/硅光子晶体能够获得较宽的完全带隙.研究结果为设计新型光学器件提供了理论依据.

利用单光束光镊分别对水溶液及磁性液体中的SiO2小球进行光操纵和光学组装.实验结果表明：在相同激光功率作用下, SiO2小球在水溶液中只能组装成二维结构;而在磁性液体中, 小球的组装从二维组装过渡到三维组装.利用流体力学斯托克斯定律, 实验测量SiO2小球在不同溶液中所受切向梯度力的径向分布情况.利用扫描电镜表征SiO2小球在磁性液体中组装形成的三维结构发现, 有大量的磁性纳米颗粒包覆在SiO2小球的表面, 磁性纳米颗粒包覆层的形成提高了SiO2小球在光力作用下自组装的效率、有序性和稳定性.

利用全漏光导波技术, 测量负性向列相液晶材料MS-N01300-000的展曲和弯曲挠曲电系数之和.根据液晶弹性和多层光学理论得到同一电压下不同挠曲电系数的反射率随内角(入射到液晶层角度)的理论变化曲线.实验中, 将液晶材料灌注到混合排列向列相液晶盒中, 在液晶盒上分别加交流电和直流电, 采用全漏光导波技术得到反映液晶指向矢分布的液晶波导反射率随内角变化曲线.实验发现, 由于液晶挠曲电作用, 同一电压值下反射率随内角变化曲线发生微小移动.对比理论与实验曲线, 由曲线移动距离得到MS-N01300-000液晶材料展曲和弯曲挠曲电系数之和为2.5×10-11 C/m.