为确定光学腔内高反射率镜片的反射率随波长的变化, 分别采用不同气体瑞利散射的差异性和已知浓度的吸收气体对同一对高反射率镜片的反射率随波长变化曲线进行标定.结果表明: 高反射率镜片在359~380 nm光谱区间内反射率曲线为0.99962~0.99990, 两种方法标定结果的相关系数达到0.998, 具有较高的一致性.用腔增强吸收光谱实验装置与商用氮氧化物分析仪同时对实际大气NO2进行测量, 验证了镜片反射率标定的准确性.

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射原理和光束的偏振相干统一理论, 研究了高斯-谢尔模型光束在Kolmogorov海洋湍流中传输时偏振特性的变化规律, 得出了保持偏振特性不变时的条件.在此基础上, 研究了完全偏振线偏振光与圆偏振光在海洋湍流中的偏振传输特性, 结果表明: 在Kolmogorov海洋湍流下, 完全偏振的高斯-谢尔模型光束的偏振特性不受海洋湍流影响.

针对相干光正交频分复用系统中出现的高峰值平均功率比问题, 提出用小波包变换取代传统快速傅里叶变换的相干光正交频分复用系统.仿真实验证明了具有良好正交性的小波包变换对高峰值平均功率比起到一定程度上的抑制作用, 且误码率性能优于传统的快速傅里叶变换.随着小波尺度函数及小波函数对称性的提升, 其避免信号处理过程中的相移的能力提高, 系统性能有所改善.与传统的快速傅里叶变换系统相比, 基于小波包变换的系统中, 小波基函数haar小波的互补累计分布函数为0.01时, 门限值降低约2 dB, 且在误码率为10-3的情况下, 性能优化1.5 dB.在此基础上, 将小波提升算法应用到相干光正交频分复用系统中, 得到的抑制峰均比及误码率性能与应用Mallat算法时一致, 但算法的结构复杂度降低.

基于磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤的磁场传感结构中,无芯光纤起激发单模光纤的包层模并实现芯模-包层模干涉的作用.实验测量了该传感结构在不同外界磁场强度和温度下的透射光谱, 研究了其磁场传感性能及环境温度对传感性能的影响.结果表明, 随外界磁场强度的增加, 波长在1 462 nm和1 477 nm位置附近的干涉谷均发生红移, 其相应的磁场传感灵敏度分别为67.28 pm/Oe和49.82 pm/Oe；波长在1 462 nm位置附近的干涉谷随温度的增加发生蓝移, 干涉谷随温度变化的灵敏度为37.8 pm/℃, 该传感结构制作简单、灵敏度高, 有很好的应用前景.

研究了与光纤线圈敏感轴平行的轴向磁场作用下保偏光纤陀螺的漂移特性, 建立了保偏光纤陀螺产生的非互易相位差与入射光偏振态关系的数学模型, 并对该模型进行了实验验证.结果表明: 轴向磁场对保偏光纤陀螺产生的非互易相位差源于光纤线圈内光纤的弯曲, 且与线圈中光纤扭转分布具有密切关系, 即当线圈绕制完毕, 光纤扭转分布固定时, 对应的保偏光纤陀螺轴向磁场灵敏度不变；保偏光纤陀螺轴向磁场灵敏度与射入光纤线圈内光的偏振态密切相关, 通过改变入射偏振光的入射角, 可在0~5°/h/mT范围内改变典型保偏光纤陀螺的轴向磁场灵敏度.

针对激光侦测信号调制与传输特点, 提出一种基于多普勒移频的激光侦测系统, 研究声光多普勒移频效应理论, 探讨相干光平衡探测与正交解调原理, 从数值仿真和频域分析了系统抗噪性能及载频失配对信号恢复的影响, 给出基于声光移频效应的相干平衡激光侦测的技术实现方法.实验结果表明, 基于相干平衡探测与正交解调的激光侦测系统可有效抑制基底及过剩强度噪声对系统输出的影响, 进一步提高接收信噪比, 实现声波振动对界面产生微扰的非接触信号检测, 为实际应用提供一种有效的技术途径.

为了实现直接辐射的太阳能量的耦合, 设计了一种分光谱辐射表入射系统。根据气象辐射理论对直接辐射表的尺寸进行约束, 利用几何光学理论设计导光锥, 使收光筒与光纤部分实现低损耗连接, 解决光纤与收光筒直接耦合时能量较弱的问题.通过在太阳模拟器下模拟的真实辐照度, 测试整个入射系统不同波长处的耦合效率, 以及不同跟踪角度误差下耦合效率的变化.理论分析表明, 导光锥和光纤两轴线的横向偏移是引起耦合损耗的主要因素.实验结果表明: 系统的耦合效率为66.24%, 在太阳跟踪器完全跟踪不到太阳直接辐射时, 耦合效率为12.8%, 反映了环日辐射和散射辐射水平.该系统可满足太阳直接辐射观测的入射系统要求.

利用一种宽波段伪装网和超光谱成像仪进行了光谱成像伪装干扰试验, 基于实施干扰前后光谱图像数据光谱特性的变化, 利用光谱相似性度量指标, 提出了一种用于评估光谱成像干扰效果的光谱距离准则, 结合光谱成像伪装干扰试验结果, 对该准则的适用性进行了验证分析.结果表明, 在试验条件下, 有效伪装区光谱图像像元在伪装前后光谱向量之间的光谱距离可达0.14~0.5, 具体幅值大小因伪装前的目标特性、伪装网层数、超光谱成像仪增益等因素而异, 而非伪装区和无效伪装区光谱图像像元的光谱距离都在0.05以下, 可见在对目标实施有效的伪装干扰前后, 伪装区像元的光谱距离通常会显著大于非伪装区, 而且伪装效果越显著, 光谱距离就越大.因此, 光谱距离可以定量反映干扰对像元光谱特性的影响, 并能鉴别不同干扰效果之间的细微差别, 所以可用于定量、客观评估光谱成像干扰效果.

针对成像光学系统的波像差检测, 提出波像差梯度偏离值评价方法, 用于表征波前的成像性能.定义波像差梯度偏离值为波前成像点与成像能量中心的偏离值, 相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值.相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关, 其与波像差梯度偏离值均可以用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等方式进行评价.大量的波像差实际检测结果表明, 成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好, 分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%.中频误差含量不同的两个球面和非球面波像差的实例比较结果表明波像差梯度偏离值可以很好地评价波像差的空间频率分布特征.根据出瞳位置的波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况, 可以方便地指导光学加工和系统装调.该方法可以用于制定波像差指标, 进行波前质量控制.

为了消除背景光强动态变化引起的非线性误差,提出了基于压缩感知成像系统的动态背景去噪算法.算法将测量中不同背景光强下所得测量值的平均值之差作为补偿系数,通过补偿系数消除动态背景噪声对压缩感知成像系统的非线性影响.仿真结果表明, 在总数为900次的采样过程中, 背影噪声动态变化300次时,算法能够将重建图像的峰值信噪比由29.5 dB提高到62 dB；在动态背景噪声的影响下, 本文算法能够大大提高目标图像的可读性, 提高成像质量, 增加压缩感知成像系统的鲁棒性.

利用探针光编码源成像可对丝阵负载Z箍缩等离子体内爆实验进行冕区密度诊断, 基于阴影像系统, 在光路靶区前设计增加一块线阵编码板对入射探针光波前空间分布进行改造.通过模拟成像分析了光路布局中物面选择和偏折角提取；在等离子体的最大密度小于临界密度一个量级时Abel变换式可以采用近轴近似, 采用对偏折角样点直接三次样条插值和对Abel变换式的分段积分获得等离子密度分布, 其与初始密度设定值相比较为吻合；比较编码板不同疏密度时的反演偏差, 对于梯度变化平滑的等离子体, 即使条纹比较稀疏也能反演得到很好的结果.结果表明: 该方法系统简单, 对光源和光学器件性能参数要求较为宽松, 调试容易, 具有很好的测量适应性, 可用于等离子体密度诊断.

基于等效应力法分析了温度变化对反射镜面形准确度的影响.对反射镜粘接处施加一定量的径向强迫位移约束, 使其受到与热应力大小一致的应力作用, 在该强迫位移约束下反射镜面形变化与热应力作用下反射镜面形变化基本一致.对直径为70 mm、厚度为15 mm的反射镜进行粘接实验, 用ZYGO干涉仪测定温变前后反射镜的面形变化.当温度由20℃降到16℃时, 反射镜面形峰谷值和均方根值的变化量分别为0.005λ和0.002λ(λ=632.8 nm), 理论计算的峰谷值和均方根值变化量分别为0.004λ和0.002λ；当温度由20℃升高到30℃时, 反射镜面形峰谷值和均方根值变化量分别为0.013λ和0.006λ, 理论计算的峰谷值和均方根值变化量分别为0.012λ和0.004λ, 实验值和模拟分析值基本一致.

提出一种稀疏重构框架下利用幅度实现扩展目标量测划分的方法.利用衍射受限光学系统特性对像平面进行网格采样, 建立稀疏重构模型及“超完备字典”.通过重构挖掘像元幅度值中的有效信息并基于成像机理对重构出的非目标量测进行抑制处理,利用重构出的亚像元级目标位置、幅度信息实现目标量测的划分.仿真结果表明:信噪比为6 dB时, 本文算法比传统方法在实现对所有扩展目标量测的正确划分上提前30s, 对目标探测信息能充分利用, 在量测划分准确性上比依靠距离划分的传统方法有较大提高, 尤其在低信噪比条件下较传统方法量测划分的准确性提升明显.

利用矩形角点计算了成像平面与靶标平面之间的单应性矩阵, 获取了结构光中心线在靶标平面的直线方程, 结合消失点原理获取了直线上任意多个标定点的三维坐标;通过多幅图像标定点的拟合得出了光平面方程.实验表明, 该算法可实现光平面参量的快速准确标定, 标定结果达到的定位准确度为±0.437 mm, 符合工业现场的实际需求.与交比不变法相比, 该方法获取标定点的效率高, 靶标设计简单、通用性强.

为了满足中红外波长调制光谱技术中室温连续中红外量子级联激光器的驱动要求, 设计并研制了一种量子级联激光器驱动电源系统.首先, 设计了直接数字合成模块来产生直流、锯齿波和正弦波的叠加驱动信号以调谐激光器的电流, 进而调制其输出波长；其次, 设计了高速(约40 ns)过流保护电路, 配合电压深度负反馈原理, 保证激光器工作的可靠性, 提高激光器电流的稳定度；再次, 将比例-积分-微分软件算法与温度模拟控制电路相结合, 在简化电路结构的同时, 有效地控制和稳定激光器的温度, 防止因温度变化造成激光器输出波长的漂移和发光功率的波动.利用该驱动电源系统对中科院半导体所研制的中心波长为4.76 μm的量子级联激光器做驱动测试,结果表明:驱动电源系统电流调节的线性度为0.0068%, 驱动电源的长期(240 h)电流稳定度为4.99×10-5, 量子级联激光器的光强稳定度为5.07×10-4, 控温稳定性为0.01℃, 温度稳定时间为17 s;当量子级联激光器的驱动电流为330 mA, 温度为21℃时, 在240h内峰值波长的漂移为±0.02nm.

基于直径为7.2 μm的微盘谐振腔器件, 分别引入对称缺陷和非对称缺陷, 利用时域有限差分法研究缺陷位置和尺寸对各自微盘谐振腔各阶模式的影响.研究表明: 随着缺陷半径增大, 各阶谐振模式向短波长移动并且由高到低逐级受到抑制.在对称缺陷腔、非对称缺陷腔中内嵌一个微盘, 构成内嵌型双微盘谐振腔, 并优化缺陷腔、内嵌微盘尺寸及位置, 可实现1 128 nm、1 109 nm波长的稳定单模谐振.该内嵌型双微盘谐振腔微盘模式简单, 实现了谐振模式的简化, 具有广泛的应用前景.

针对基于腔内折射率调制效应的微环电光调制器高Q值和调制带宽相互制约的问题, 提出一种基于耦合调制方式的矩形环谐振腔电光调制器.器件由基于受抑全内反射原理的沟槽型光耦合器和基于全反射原理的90°弯曲波导构成.通过建立时域动态模型对器件进行仿真设计, 可得其调制相位小于0.2 π、静态调制深度大于0.96 (归一化最大值为1.0)、调制带宽大于100 GHz.该器件片占面积为 10 μm×15 μm, 高效紧凑, 满足高度集成、低能耗和高速调制等要求, 可向二维方向配置和扩展.该器件可应用于单片光子集成回路.

通过傅里叶变换将波动方程转化为空间频域的积分方程, 并采用Nystrm方法将积分方程转化成标准的矩阵特征问题.通过Lapack程序包求解矩阵的特征值和特征向量, 同时得到平面介质光波导模式的色散关系和模式场.数值计算结果表明该方法适用于分析任何折射率分布的平面光波导模式场, 使用阶数很小的矩阵就可以得到高准确度的结果.

提出了一种测算探测系统所需能量最低值的方法.利用该方法分别针对子脉冲能量不均匀和子脉冲能量均匀的脉冲数字全息光路系统进行讨论, 计算得到其探测系统对入射光强的能量利用率分别为41.3%和28.8%.用马赫-曾德干涉仪测出用以记录干涉条纹的电荷耦合器件能够有效记录全息图的能量临界值为56.7 mW.根据能量临界值和入射光能量利用率反推出两种探测系统所需的最低能量分别为0.86 W和1.575 W.

对激光二极管端面抽运矩形分离式放大器引起的热效应进行研究, 建立符合实际的Cr,Yb∶YAG/Yb∶YAG复合结构热传导模型.对分离式放大器结构中不同增益介质与包层结构下放大器内部温度场变化进行了分析, 定量计算了对应材料内部的温度分布, 并给出了出射端面波前相位分布随温度变化的情况.研究表明: 在较薄的包层厚度和较小的厚度比下, 介质端面温升更高, 热效应加重；相对较厚的包层和较大的厚度比可使放大器的热效应明显减弱.该结果为降低复合结构激光放大器热效应提供了理论指导.

提出一种共路干涉装置用于复杂结构亚微米尺度光子准晶的大面积制作.改变样品旋转角度和曝光次数, 设计多种不同旋转对称性的准晶结构, 并给出相应的衍射模式以证明其多重旋转对称性.利用该装置可以制作任意复杂结构、任意旋转对称度的准晶结构.同时, 分析了旋转轴和旋转角存在偏差时对准晶结构的影响.另外, 采用该装置实验制作了十重准晶结构, 并用原子力显微镜和衍射测量表征该准晶的长程指向性和十重旋转对称性, 实验结果表明: 十重晶格结构的直径为1.2 μm, 最小结构单元尺寸为377 nm, 与理论设计尺寸1.25 μm和392.5 nm相比, 误差为4%.理论设计和实验结果一致性很好, 对研究以光子带隙为基础的纳米光子学器件具有重要的指导意义.

为了对硫系玻璃微球谐振腔在中短红外波段的光学回廊模式进行理论研究和实验表征, 用熔融淬冷法制备了组分为Ge28Sb12Se60的无砷环保型硫系玻璃, 并在此基础上采用漂浮粉末熔融法批量制备出直径分布为50～200 μm的微球谐振腔.在显微镜下挑选出直径分别为112.01 μm和57.63 μm的一大一小两颗微球与自制石英微纳光纤锥进行近场耦合实验, 以窄带宽可调谐激光器为泵浦源测试此耦合系统在1 530~1 560 nm波段的光谱.光谱中明显观测到由微球回廊模式谐振引起的等间距分布的光谱吸收峰.小球、大球的吸收峰间距分别为5.22 nm和2.60 nm, 与米氏散射理论计算得出的一阶TE回廊模谐振峰间距基本相符.实验结果表明新型Ge28Sb12Se60硫系玻璃有望在红外微球光子器件如窄带滤波器、微球喇曼激光器、高灵敏度传感器等领域获得重要应用.

理论研究了频率非简并第I类自发参量下转换过程中产生的纠缠光子对的量子特性,且与频率简并的情况做了对比.通过纠缠光子对的联合谱强度分析了纠缠光子对的光谱特性及纠缠特性；通过洪-区-曼德尔干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪分析了纠缠光子对的量子干涉特性.结果表明:脉冲泵浦作用下,由于频率非兼并使得相位匹配函数不对称,导致两纠缠光子可区分,量子干涉可见度减小.随着泵浦脉冲频宽的增加,这种效应更加明显.连续激光泵浦时,相位匹配函数是对称的,得到最大的纠缠度和量子干涉可见度.该研究为频率非简并纠缠光子源在各种量子信息方案中的应用提供理论指导.

通过设计正交偏振光信标器, 实现了空间信标姿态的单光路传递, 为星地量子光链路的建立提供了条件.通过分析光学器件, 尤其是镀膜器件中偏振信标光的传递特性, 仿真分析不同入射角、旋转角条件下, 出射信标光的偏振模式.分析了由光学器件引入的位相差和不同反射率、透射率对偏振模式的影响.利用琼斯矩阵推导了马吕斯定律在椭圆偏振光入射时的表达形式, 建立起测量椭圆偏振光主偏振方位角模型.利用光电位置传感器接收正交信标光, 结合光电位置传感器的光点位置检测能力解耦信标光的俯仰角和方位角, 利用光电位置传感器的光强探测能力解耦信标光的偏振基矢角, 实现了单器件三维信标姿态测量.实验表明, 所述系统具有完成信标光三维姿态检测的能力, 可用于星地量子光通信、空间信标姿态检测.

稀疏流形聚类和嵌入算法通过仿射空间中的稀疏表示获得稀疏系数, 并能由稀疏系数自适应地选取来自同一流形的数据点.但稀疏流形聚类和嵌入算法没有直接的投影矩阵, 且为非监督学习方法.针对稀疏流形聚类和嵌入算法算法的不足, 提出一种新的监督稀疏流形嵌入算法.该方法首先在仿射空间中采用稀疏优化法得到稀疏系数, 然后根据稀疏系数构建相似权值, 并在权值中嵌入样本类别信息, 增加同类数据间的聚集性, 并在低维嵌入空间中保持这种相似性不变, 提取鉴别特征来提升分类性能.实验结果表明: 该文方法不仅能保持数据的稀疏特性, 而且通过利用样本数据的类别信息使同类数据在低维空间尽可能聚集, 提取鉴别特征, 进而改善高光谱影像的地物分类效果.

利用阴影在色调亮度饱和度颜色空间中低亮度、高色调和高饱和度的特性, 对高分辨率遥感影像做过分割处理, 并将影像从红、绿、蓝颜色空间转换到色调、亮度、饱和度颜色空间, 利用色调、亮度、饱和度三个分量构造一组能够更好区分阴影和其他地物的新型阴影探测指标.对阴影指标做面向对象处理, 得到一种保持空间几何形状的阴影指标结果；根据最大类间方差法计算得到最佳阈值, 并做直方图阈值分割, 最终得到阴影探测结果.实验结果表明, 该方法可以有效地将阴影与其他地物分离开来.