基于Lalanne经验法与Gtz法向矢量法的傅里叶因式分解过程,给出了傅里叶模态层吸收法的一个快速收敛方案.通过求解解析边界轮廓函数的梯度矢量,简化了Gtz法向矢量法的傅里叶因式分解过程,使其单波长点计算时间降低两个量级.通过距离反比权重法构造4个典型方向的法向矢量场,降低了法向矢量法在傅里叶因式分解过程中的不确定性.根据这4个典型法向矢量场与Lalanne经验法,提供了5个傅里叶模态层吸收法的收敛性改进矩阵.预先对5个收敛性改进矩阵优选分析,选择一个最优矩阵进行傅里叶模态层吸收法的衍射模拟计算,可以实现快速收敛.计算结果表明,对于硅材料简单结构,优选的改进矩阵相比于非优选矩阵收敛性提高2阶左右,能有效提高衍射场计算速度.该方案可提高光栅设计和集成电路结构分析/测试的效率.

基于琼斯矩阵和菌紫质分子光循环的简化光循环模型,建立了紫光诱导同圆偏振记录光栅的理论模型,采用四波耦合光路测量菌紫质光栅的衍射效率.理论模拟和实验结果表明:加入线偏振的辅助紫光,线偏振再现光与线偏振辅助紫光相互平行时,菌紫质光栅的衍射效率最大;线偏振再现光与线偏振辅助紫光相互垂直时,菌紫质光栅的衍射效率最小;菌紫质薄膜中同圆偏振记录光栅的稳态衍射效率随线偏振再现光偏振方向和线偏振辅助紫光偏振方向之间的夹角按余弦规律变化.线偏振紫光能诱导同圆偏振记录光栅由非偏振光栅转化为偏振光栅.

提出一种高折射率材料80PbO·20Ga2O3(PG玻璃)中心填充椭圆芯光子晶体光纤.基于有限元法对光子晶体光纤的双折射特性和模场面积进行数值模拟,并研究了椭圆芯尺寸、椭圆率和孔间距等光纤几何参量对双折射特性的影响.数值研究表明:在1 550 nm波长处,双折射高达1.256×10-1,x偏振和y偏振模场面积分别为0.43 μm2和0.68 μm2;在910 nm~1931 nm的宽波段范围内,双折射始终保持10-1量级.该光纤可以作为保偏光纤应用于偏振控制、相干通信和光纤传感系统.

从能量传递及光学天线出瞳允许的杂散光亮度出发,推导得出了杂散光控制指标要求.提出两种消除一次杂光方案.方案一是在主、次镜上设置遮光罩,方案二是设置主镜遮光罩并在出瞳附近设置利奥光阑.理论分析表明方案一因设置次镜遮光罩而增加遮拦比,方案二因在出瞳附近设置利奥光阑而产生渐晕,由于光学天线对发射/接收效率指标要求很高,因此在设计时需兼顾能量.针对某卡塞格伦光学天线仿真分析了两种方案的接收/发射效率和杂散光抑制效果,发现方案二的发射效率和杂散光抑制能力优于方案一,只是边视场的接收效率略低.最终选用方案二作为原理样机的杂散光抑制方案,对其进行杂散光测试,测试结果为:视场外1°~20°系统实测消光比小于-40 dB,满足杂散光指标要求.

在星地链路的空间相干光通信系统中,大气湍流、跟踪误差会影响系统的混频效率和误码率.根据混频效率公式分别推导了大气湍流强度和跟踪误差与系统混频效率的关系并进行仿真计算.计算结果表明,混频效率随跟踪误差和大气湍流强度的增加而降低,其中当跟踪误差大于12 μrad或湍流强度超过10-16时,混频效率趋近零.建立了大气湍流下带跟踪误差的光混频效率及误码率的数学模型,并计算了不同情况下的混频效率.在跟踪误差小于2 μrad时大气湍流是混频效率的主要影响因素,当跟踪误差继续增大时跟踪误差起主导作用.根据传统相干光通信系统参量取值估算得最大混频效率约为67.8%,当误码率为10-9时系统接收灵敏度为17 photon/bit.

采用局域耦合模理论对一种光子晶体光纤长周期光栅的耦合机理和特性进行了研究.建立了栅区模型,用局域耦合模理论和传统的耦合模理论模拟出LP01和LP02、LP01和LP11耦合的透射谱,并进行比较.从理论上分析局域耦合模理论对光子晶体光纤长周期光栅的适用性,研究了栅格个数、栅格周期和光栅栅区对透射谱的影响.模拟结果表明:随着栅格周期的增大,谐振波长向短波方向移动;随着栅格个数的增加,透射峰深度增加;随着栅区塌陷深度的增加,谐振波长向长波方向移动.

提出级联直径蚀刻光纤法实现双波长滤波器的动态调节.采用耦合模理论和分段传输矩阵法进行理论推导和仿真,研究级联声光光栅可调双波长的直径蚀刻光纤滤波器,分析光纤蚀刻对声光光栅传输谱中旁瓣效应的抑制效果.结果表明光纤蚀刻法可以有效抑制旁瓣效应,旁瓣比从0.265下降到0.031;通过调节级联光栅的间隔保证双波长滤波器的两个对称谐振损耗峰的稳定性,间隔增加时左谐振波长峰值减小,右谐振波长峰值增大;双谐振峰的谐振波长由声频信号的频率和光纤级数调节,波长随周期变大而增大,在270 μm到282 μm内接近线性,当光纤段数增加时波长漂移量变大.

提出并设计了一种基于光纤环形滤波器的环形腔掺Er3+光纤激光器,实现了稳定的单波长和双波长激光输出.采用保偏光纤布喇格光栅作为选频器件;两支分光比为20:80 的1×2耦合器结合2 m保偏光纤构成环形滤波器,抑制模式跳变,提高激光输出稳定性,通过调节滤波器内偏振控制器实现波长选择性输出;采用长度为1m的饱和吸收体起到稳频作用.实验结果表明:该激光器工作阈值为71 mW,在熔接滤波器后,光谱特性得到改善;调节偏振控制器可实现单波长激光可切换输出或双波长激光同时输出,双波长间隔0.88 nm,1 535.5 nm和1 534.7 nm单波长切换输出时最大功率分别为0.078 dBm和-2.585 dBm,激光3 dB线宽为0.16 nm和0.15 nm;在室温20 min内,输出激光波长漂移小于0.06 nm,功率变化小于1.3 dB.

为了对高动态范围场景进行实时有效的观测,设计了一种采用数字微镜器件作为空间光调制器的成像系统.通过改进数字微镜器件的驱动时序,提高数字微镜扩展成像系统动态范围能力.针对光学系统存在畸变,采用多项式拟合法获得数字微镜器件到图像传感器的精确映射关系.针对一般调光算法导致调光后图像可视性差的问题,引入色阶映射算子生成调光模板,获得符合人眼视觉特性的调光结果.实验结果表明,在10帧/s的条件下采用数字微镜器件可提高传统成像系统动态范围66 dB,成像系统总的动态范围达到126 dB,图像传感器控制准确度达到0.69个像素级别,调光后场景高亮目标与暗背景可同时观测到,调光后采集图像的信息熵得到提高,系统满足对高动态范围场景实时成像观测的需求.

将数字微镜器件加入到荧光显微成像系统中,代替传统共焦显微系统中的照明针孔,利用其调制特性,通过在数字微镜器件上加载不同图片,实现对光束的分割.对马铃薯细胞分别进行四通道、六通道、九通道的荧光细胞探测,同时采用平面反射镜作为样品,测试得到系统的深度响应曲线,分析了系统的分辨率.实验结果表明,数字微镜器件的加入实现了从点对点共焦成像变为多点并行共焦显微成像,提高了显微成像的探测速度,同时具有较高的分辨率.

利用非线性回归法结合仪器的传递函数模型对大气风场探测法布里-珀罗干涉仪进行了定标和反演.首先,基于修正的艾里函数建立了仪器的传递函数及气辉响应函数模型;然后,利用稳频激光器对现有法布里-珀罗干涉仪系统进行了实验室定标,获取了定标数据;采用分步非线性回归拟合法对定标数据进行处理,获取仪器传递函数模型参量;最后利用标定的仪器传递函数模型,对不同信噪比、不同风速温度预估输入的法布里-珀罗干涉仪气辉仿真数据进行了风速和温度反演.实验结果表明,在信噪比优于40的情况下,风速和温度反演准确度分别可以达到5 m/s和10 K.

数字天顶仪在进行天文定位的过程中存在轴系偏差.为了高准确度地进行倾角补偿,在考虑倾角仪参量的基础上精确推导了倾角的输出数据,并分析了倾角仪参量的准确度对定位结果的影响.得出当倾角仪双轴尺度系数变化值的平方和小于10-6时,倾角仪标定参量的变化对定位结果的影响可以忽略.对数字天顶仪的倾斜角和测站点位置准确度对倾角仪参量的标定准确度的影响进行了分析,结果表明倾角在大于100″时参量标定的准确度较高,当测站点位置误差小于0.23″时对于标定参量的影响较小.

针对现有四光幕精度靶理想化结构模型及测量精度分析无法满足其工程化设计及发展需求的问题,构建了通用的四光幕精度靶工程化结构模型,推导了相应的坐标测量及误差传播公式,仿真分析了着靶位置、靶距、幕面夹角、靶面大小、弹丸斜入射角度等多参量对系统坐标测量精度的影响,得到了系列坐标测量误差分析数据.最后给出了一实际四光幕精度靶的结构及理论坐标测量误差估计.实弹射击表明,该系统在1 m×1 m有效靶面内的X、Y坐标测量误差均小于2 mm,与理论仿真分析结果接近,验证了所提工程化测量模型的正确性,测量精度分析有效.研究结果可为实用型四光幕精度靶的设计及测量精度评估提供可靠参考.

为了提高碳化硅反射镜的成像质量,针对反射镜传统的轻量化结构提出了改进形式及相应的优化方法.提出轻量化反射镜的变筋厚设计方案,分别基于几何位置与传力路径对轻量化筋进行分组,成像质量与传统结构相比明显提高,指出具有不同拓扑关系的轻量化筋在增强镜体刚度的过程中所起到的作用不同.对反射镜背部的筋板结构进行修剪,改善了远离支撑孔处面形的局部塌陷.针对改进后的反射镜建立集成优化模型,使用多岛遗传算法确定了反射镜中各结构参量的最佳组合.仿真结果表明,基于传力路径的分组改进方案经优化后的性能相比传统结构经优化所得的结果,面形准确度提高了33.2%,重量下降了11.7%.

本文将谐振腔视作线性时不变系统,借鉴线性系统信号处理的方法,考察了谐振腔对光波的动态响应,得到相应的数学解析描述,该方法可以适用于任意形式的注入光波.从这个角度分析,传统的脉冲腔衰荡光谱技术实际上是考察谐振腔的冲激响应,而连续腔衰荡则是考察谐振腔的阶跃响应.此外,针对注入光波长缓慢变化的特殊情况,考察了谐振腔对频率线性啁啾光波的响应,并获得了解析形式的数学描述.在此情况下,谐振腔输出的光功率信号的频谱包含了腔内光谱的信息,利用本文的数学描述,可以很容易地从信号频谱反推出待测光谱.据此,提出了一种谐振腔增强光谱测量的新方法,称为频域腔衰荡光谱.本文的研究成果可以应用于各种类型的谐振腔增强光谱,也可以应用于基于谐振腔的各类光学技术,比如P-D-H激光稳频技术.

以氟化钾(KF)作为助熔剂,选用70~90℃/cm的固液界面温度梯度,通过改进的助熔剂-布里奇曼方法生长出了Dy3+离子掺杂的α-NaYF4单晶体.测试了样品的X射线粉末衍射,吸收光谱,激发光谱,以及在不同紫外光激发下的发射光谱,分析了样品的的物相和光谱特性.应用色度学理论计算了Dy3+离子掺杂α-NaYF4单晶的色度坐标和色温.结果表明:当原料组份配比为30NaF-18KF-52YF3时,有利于大尺寸晶体生长.原料中KF的加入起到助熔剂作用,它改变了NaF-YF3二元系相图并且降低了α-NaYF4的熔点,使得α-NaYF4能从熔融的NaF-KF-YF3混合物中结晶出来,最后生长出透明的α-NaYF4单晶体.实验发现大多KF被排析在生长后期的晶体顶端,KF的加入没有对α-NaYF4单晶体的结构产生影响.在348 nm紫外光激发下,单晶体可发射出蓝光约479 nm,黄光约571 nm以及弱的红光约659 nm.其中1.299 mol% Dy3+掺杂浓度的α-NaYF4单晶体发射的蓝、黄与红光可耦合出色坐标x=0.285,y=0.338以及色温为8 065 K的白光.这些新型材料在紫外激发的白光二极管领域具有潜在的应用.

采用传统高温固相法合成了一个系列不同Er3+浓度单掺的BaGd2ZnO5荧光粉和两个系列分别改变Er3+、Yb3+浓度的共掺杂BaGd2ZnO5荧光粉.采用X射线衍射对得到荧光粉的晶体结构进行了分析,证实所有产物均为纯相BaGd2ZnO5,掺杂浓度的变化未引起晶相改变.采用980 nm激光作为激发源,在同样条件下测量了不同稀土掺杂浓度样品的上转换发射光谱.实验发现Er3+单掺杂样品的绿色上转换发光强于红色上转换发光;当Yb3+浓度为20%,不同Er3+浓度共掺杂样品的红色上转换发光强于绿色发射上转换发射;而固定Er3+浓度为5%,不同Yb3+浓度样品的红色和绿色上转换发射强度均较强.研究了不同稀土离子掺杂浓度样品的上转换发光强度与激光器工作电流(即不同激发功率密度)的关系,通过分析发现所有样品的红色和绿色上转换发光均为双光子过程.计算了不同稀土掺杂浓度样品的色坐标,发现掺杂浓度对样品色坐标具有较大影响,通过调整掺杂浓度可对色坐标进行调整.

为了研究紫外光作用下La1-xYO3:xPr3+荧光粉的光致发光特性和发光机理,以尿素为辅助燃烧原料,采用溶液燃烧合成法,制备了不同掺杂浓度的La1-xYO3:xPr3+荧光粉样品.通过X-射线衍射、扫描电子显微镜和光谱学手段,对La1-xYO3:xPr3+荧光粉的晶相结构、形貌和发光性质进行了表征和研究.结果表明,所制备的LaYO3:Pr3+样品具有立方晶形结构,在波长为295 nm紫外光源的激发下,荧光粉发射出很强的绿色荧光.随着Pr3+离子掺杂浓度的增加,荧光粉的绿色发光强度也随之增强.当掺杂浓度增至1.0 mol%时,其绿色发光强度达到最大.之后,随着Pr3+离子掺杂浓度的进一步增加,荧光粉的绿色发光强度开始逐渐减弱,出现浓度猝灭效应.

对不同浓度Al、S和Te掺杂GaSe晶体的透过率和倍频特性进行了研究.结果表明,适宜浓度的掺杂晶体在透明波段内吸收系数约为α≤0.1～0.2 cm-1,适于非线性应用.GaSe:S晶体透过率曲线向短波方向移动,且更适于高浓度掺杂,而Al和Te掺杂晶体透明范围的波段截止波长向长波方向移动,且移动幅度小于S掺杂晶体,当掺杂浓度达到GaSe:Al (0.5 mass%)和GaSe:Te (5 mass%)时,晶体光学质量明显下降.通过fs Ti:Sapphire激光和CO2激光泵浦下I类倍频实验发现,S掺杂晶体相位匹配曲线向短波方向移动,倍频输出功率比纯GaSe晶体有明显提高,最佳掺杂浓度为2 mass%.Al和Te掺杂晶体相位匹配角与纯GaSe晶体相比没有明显变化,实验结果与理论曲线符合较好.利用非线性方法研究发现当掺杂浓度不超过5 mass%时,GaSe:Te晶体与纯GaSe同样属于六角形结构.三种掺杂方式最佳掺杂浓度分别为GaSe:Al (0.1 mass%),GaSe:S (2 mass%)和GaSe:Te(0.5 mass%),在CO2激光泵浦下,三者频率转换效率之比约为1:0.6:0.5.在所使用的晶体样本中,GaSe:S (2 mass%)晶体性能最佳,其频率转换效率可达纯GaSe晶体的３倍左右.

利用差频发生器产生波长范围为1.1~2.2 μm的可调谐近红外激光.实验搭建了差频光路系统,以0.56~0.71 μm染料激光器作为泵浦光、1.064 μm的半导体激光器作为信号光,经过三硼酸锂晶体在Ⅰ类相位匹配方式条件下通过温度调谐非临界相位匹配方式差频产生较高功率的近红外激光,在近红外波段测得其平均输出功率在30 mW以上.泵浦光功率为1.2 W、信号光功率为0.31 W时,测得差频波长为1.54 μm的输出功率为35 mW,转化效率达11.7%.该近红外差频发生器具有宽调谐、窄线宽的特点.

通过化学吸附法制备了金/多壁碳纳米管复合材料.采用X射线衍射仪、透射电子显微镜和紫外可见光谱仪对复合材料进行表征,制备的金纳米颗粒平均粒径为6 nm,且均匀分散在碳纳米管表面.在脉冲宽度为30 ps、波长为532 nm的激光光源激发下,运用Z扫描技术分别研究金/多壁碳纳米管复合材料和多壁碳纳米管的三阶非线性光学性质.实验结果表明:金/多壁碳纳米管复合材料呈现正的非线性折射效应和饱和吸收性质,其三阶非线性极化率χ(3)为1.89×10-12 esu,比多壁碳纳米管高2.6倍.

采用传输矩阵法分别模拟了缺陷层厚度、入射角度和膜厚微扰的变化对含空气缺陷的一维光子晶体滤波特性的影响.研究表明:对于空气厚度可调结构,在考虑色散的情况下,空气厚度每增加2 nm透射波长相应向长波方向移动约2 nm,二者基本呈1 :1的线性关系;对于入射角度可调结构,与正入射相比较,入射角度从0°到89°变化时,其全角度禁带分别减小了105 nm(TE模)、600 nm(TM模),TM模禁带受角度的变化影响较大;入射角从0°分别变化到16.9°(TE模)、17.0°(TM模)时实现C波段的可调滤波.同一周期内,两种材料的模厚误差的相互弥补,能够实现小范围的膜厚扰动不敏感,缩小实际滤过峰值与理论值的偏差,可降低制备光子晶体的难度.

考虑有机薄膜中的陷阱,建立单层双极性有机发光器件的电学模型,研究了在不同的载流子迁移率和注入势垒条件下,器件工作温度对器件电流平衡因子的影响.研究表明:在低温工作区,当电子注入势垒和空穴注入势垒相等时,器件的电流平衡因子最大;在高温工作区,当电子迁移率大于空穴迁移率时,若电子注入势垒大于空穴注入势垒,器件的电流平衡因子最大,而当电子迁移率小于空穴迁移率时,情况恰好相反;当电子迁移率等于空穴迁移率时,电子注入势垒和空穴注入势垒相等时器件的电流平衡因子最大.此外,器件的电流平衡因子随着器件工作温度的升高而逐渐增大.可对设计高性能有机发光器件提供一定的理论参考.

为提高相位调制器的调制效率,结合单直波导光学环腔与带反馈的马赫曾德,提出用环形谐振腔等效为马赫曾德的上、下臂的新结构.采用耦合模理论推导了该模型的输出相位及归一化光强输出公式,数值分析了传输损耗因子、耦合角度对归一化输出光强及输出相位的影响.分析表明,输出光相位谱线随敏感环相位改变呈周期性变化,当耦合角度逐渐增大时,输出光相位谱线变尖锐,此时若要使输出相位产生π的相位差,敏感环的相位调制角度需较大.当传输因子较小时,相位谱线变化比较平缓,其最大值与最小值之间的差值不满足π的相位差.根据分析结果对结构参量进行优化,发现通过调节敏感环结构的耦合系数可以提高调制效率,仿真结果表明,当敏感环相位变化0.1π时,可以输出π的相位变化,同时归一化光强保持在0.9,满足了差分相移键控所需要的相位变化和信号幅度一致的要求,为进一步研究相位调制器提供理论依据.

采用级联非平衡马赫-曾德光纤干涉仪来降低激光额外噪声,并实验证明了其可行性及激光噪声抑制效果.当光纤干涉仪两臂长度差为127 m时,通过自制的自动相位锁定装置,可以长时间稳定地将干涉仪两臂的相对相位锁定在零相位,此时激光光场在800 kHz及其整数倍频率处的额外噪声得到高效地抑制,降低幅度可达45 dB以上.调节干涉仪的两臂差,可以改变噪声过滤的频段.基于该方法的噪声抑制装置结构紧凑、成本低,可应用于量子光力系统中散粒噪声极限光场的获得.

利用有序算符内的积分技术和热纠缠态表象,导出了线性共振力作用下扩散过程中密度矩阵主方程的解,给出密度算符的演化公式.并求出了真空态和单光子叠加态Wigner函数的解析表达式.采用数值计算方法,描绘了Wigner函数的演化曲线,以及负部体积随耗散时间的演化曲线.通过对Wigner函数演化曲线的分析,讨论了耗散过程和线性共振力作用对其量子特性的影响.研究结果表明:随耗散时间延长,真空态和单光子叠加态的Wigner函数负值范围和负值深度都在逐渐减小,直至消失;另一方面,线性共振力会使Wigner函数发生平移.

利用相干态正交化展开法研究非旋波近似下Tavis-Cummings模型的定态能谱,以及模型中原子初态和耦合强度对系统纠缠度的影响.结果表明:系统的基态是非简并的,对应于两原子处于交换对称态.当两原子的初态处于交换反对称状态时,两原子间的纠缠能一直处于最大纠缠;在非旋波项的作用下,两原子初态处于非纠缠态时也能够产生周期性的纠缠.腔场与原子间的耦合强度对系统的演化有着重要作用.

设计并研制了基于声光晶体的1 300~3 400 nm波段超宽带减反射膜.运用电子束真空沉积系统,采用双材料共蒸发技术,解决了膜系设计时所需材料的折射率匹配和相应波段膜层吸收的问题,吸收在工作波段减少到0.7%.在共蒸发过程中,先沉积蒸发速率不稳定的材料,待蒸发速率稳定后,同时沉积另一种蒸发速率较稳定的材料,可提高共蒸发时两种材料的质量配比准确度从而获得所需要的折射率.制备的薄膜在所需波段平均透射率大于96%,薄膜满足相应的环境检测要求.

利用气相外延法生长了Hg1-xCdxTe梯度带隙薄膜材料,通过小光点红外透射光谱测试,研究了材料的横向组分波动.利用多层模型和膜系传递矩阵对该薄膜材料的红外透射光谱和气相外延薄膜材料的纵向组分分布进行计算,计算结果与实验吻合,材料纵向组分分布与通过能谱测量的样品截面组分变化趋势一致.用光伏器件的制作工艺,选取气相外延生长的Au掺杂中波材料,制备了10元线列器件,测试结果表明器件性能较好,95 K黑体D*λP可达4.20×1011(cm·Hz1/2·W-1).

采用化学浴沉积法将氯化镉、氯化铵、硫脲和氨水的溶液体系合成CdS薄膜,用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和紫外可见吸收光谱等研究了CdS薄膜的形貌、相结构和光学性能,通过测试薄膜的光电流响应曲线分析了薄膜的光电性能.结果表明:溶液的pH值在9~11的范围内均可以制备均匀致密的CdS薄膜,其中pH=10时制备的CdS薄膜最为均匀致密且其X射线衍射仪衍射峰强度最强,对应的光学带隙约为2.37 eV;光电流响应曲线显示该薄膜的光电导最高为2.94×10-2 Ω-1·cm-1,光暗电导比为38.23,具有最佳的光敏性.