考虑微米尺度和纳米尺度下电子传输对激发能的共同影响, 基于电子漂移速度对外加电场的依赖, 研究外加电场和外加温度对量子点红外探测器暗电流特性的影响.结果表明: 外加电场在0~25 kV/cm范围内时, 暗电流模型和实验数据变化相吻合.暗电流随着外加电场的增加而增加, 并且当外加电场小于6 kV/cm时暗电流增加迅速, 而当外加电场大于6 kV/cm时暗电流增加缓慢.暗电流随着外加温度的增加迅速增加.该研究为量子点红外探测器的优化设计和性能提高提供了理论参考.

基于探测系统背景辐射特性及高空气球辐射特性, 建立了探测系统辐射接收模型.考虑大气传输、光学系统成像、探测器及其采样对辐射的影响, 精确计算了高空气球辐射及背景辐射在探测器焦平面阵列上产生的信号电子数, 推导出用于高空气球探测的信噪比.利用Modtran软件仿真计算了自身辐射、镜背景辐射、漫背景辐射亮度, 分析了复杂大气条件下的气球辐射特性, 及高空气球镜反射率、漫反射率与积分时间对探测系统信噪比的影响.结果表明: 采用光谱滤波技术, 在晴朗无云天气下, 可见光近红外(0.6~2.4)探测器适合高空气球探测;在复杂大气条件下, 长波红外(8~12)探测器适合高空气球探测;在积分时间为0.25s, 镜反射率为0.32, 漫反射率为0.68时, 或积分时间为1s, 镜反射率0.43, 漫反射率0.57时, 探测系统对高空气球探测能力最强.

针对行波光电探测器阵列仅提高了光电探测器的输出功率而输出带宽未得到改善的特点, 提出了一种由光电二极管组构成的高性能行波光电探测器阵列新结构.即把两个光电二极管级联后再将两个级联支路并联, 然后在光电二极管组上串联电容构成单个阵列单元, 再按照阵列式结构将这些阵列单元用电感连接起来构成新型行波光电探测器阵列.对比分析了行波光电探测器阵列新旧结构的功率合成、频率响应和回波损耗特性.在应用同等数量二极管的条件下, 新型行波光电探测器阵列输出功率减少了一半, 但工作带宽提高了一倍.此外, 回波损耗随着阵列中应用二极管数目的增加相对于原阵列而言改善得更加明显.研究结果表明, 本文提出的行波光电探测器阵列新结构能够在增加输出功率的同时提高工作带宽, 更好地满足未来光载无线通信对光电探测器高功率宽带宽的需求.

利用半导体仿真工具Silvaco对p-i-n InP/In0.53Ga0.47As/InP近红外光探测器进行优化仿真.参考实际器件对红外探测器进行建模, 并将其暗电流、光谱响应仿真结果与实验结果进行拟合, 保证仿真结果的有效性.以减小探测器的暗电流为目的, 优化其结构.针对探测器吸收层厚度和吸收层掺杂浓度对暗电流、光响应的影响进行研究, 发现当吸收层厚度大于0.3 μm后, 暗电流不再上升, 但光响应随着吸收层厚度的增加而增大;当吸收层掺杂浓度不断上升时, 器件暗电流不断降低, 当掺杂浓度上升到2×1017/cm3时, 暗电流达到最低值.本文还研究了p-i-n型探测器的瞬态响应, 探究了响应速度与反偏电压之间的关系, 发现提高反偏电压能减小探测器响应时间.

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波, 通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1～1.30范围内包层半径为20.75 μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好, 灵敏度为0.356/RIU, 可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.

将PG玻璃材料制作成的椭圆纤芯引入光子晶体光纤中心, 设计了一种石墨烯包层结构的高双折射光子晶体光纤.基于有限元法对该光纤的双折射特性进行了数值模拟, 研究了光纤孔径比、孔间距和纤芯椭圆对双折射特性的影响, 并以该光子晶体光纤的模场面积和限制性损耗为依据进行了优化.研究结果表明: 在波长1 550 nm处,光纤双折射率高达0.13, 满足高双折射要求;两偏振方向模场面积小于0.7 μm2,限制性损耗低于10－6 dB/km.该光纤可有效保持光在传输系统中的偏振状态, 为高稳定性超连续谱的产生提供依据.

基于薄膜参量变化引起的长周期光纤光栅模式重组机制, 系统研究了光纤包层半径变化对长周期光纤光栅薄膜传感器特性的影响.结果表明, 在相同薄膜参量下包层半径的减小可有效提高传感器的灵敏度, 并增大传感器对薄膜参量变化响应的动态范围, 但减小包层半径对传感器的增敏效应随薄膜厚度的增大而减小.通过氢氟酸腐蚀减小包层半径, 采用静电自组装法在包层表面镀制PAH/PAA薄膜, 镀膜过程中光纤光栅输出的光谱数据证实了理论分析结果.实验结果表明: 半径为39 μm、膜厚为424 nm的长周期光纤光栅薄膜传感器在溶液pH值检测中的灵敏度达3.93 nm/pHU, 比标准包层时的灵敏度提高了1倍.

利用全矢量有限元法模拟了单模光纤中声波导布里渊散射R0,m和TR2,m声波模式对斯托克斯波增益、相位调制和双折射的影响.研究结果表明: 当布里渊频移与R0,8和TR2,10声波频率相同时, 斯托克斯波的增益最大, 且增益随泵浦功率的增大而增大;R0,1、TR2,1、TR2,5、TR2,7和TR2,10声波模式对斯托克斯波相位调制较大, 且相位调制随泵浦功率的增大呈线性增大, 其中TR2,m模对斯托克斯波相位调制比R0,m模大;TR2,1、TR2,5、TR2,7、TR2,10声波模式对斯托克斯波产生较为明显的附加双折射, 且附加双折射程度随着泵浦功率的增加呈线性增大.

利用长周期光纤光栅具有较高的温度、折射率灵敏度, 以及光纤布喇格光栅具有较高反射效率的特点, 设计了一种基于光纤布啦格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感装置.利用光纤布喇格光栅的高反射率, 将级联长周期光纤光栅干涉波峰的局部功率反射到功率计中, 实现了温度和折射率的测量.基于信号叠加原理, 对光纤布喇格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感方法的可行性进行了分析.将实际测得的功率计示数与温度以及折射率的变化进行二项式拟合, 其确定系数分别为0.9990和0.9959, 表明该传感方法可用于温度和折射率的精确测量.最后对该装置的稳定性做了一系列的测试, 验证了该传感系统具有较高的稳定性.

提出了一种基于最大化N维立体光谱角 (Maximum N-dimensional Solid Spectral Angle,MNSSA) 的端元提取方法.该方法通过计算N个光谱向量在高维欧几里得空间的光谱夹角,定量衡量该N个光谱向量的独立性.在线性混合模型假设下,端元光谱向量的欧几里得空间夹角大于混合像素构成的夹角.MNSSA法不受待提取端元数目及波段数目的限制,对光谱向量幅值变化不敏感,能够克服阴影及光照因素对端元幅值的影响.使用模拟数据及AVIRIS(Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer)获取的真实高光谱数据对MNSSA端元提取法及现有基于几何的端元提取法进行了对比评价.仿真结果表明,MNSSA法能够克服阴影影响因子对端元幅值的影响,端元提取准确率优于现有端元提取法,且具有良好的抗噪声性能,能显著降低高光谱数据的重构误差.

为了提高全色图像与多光谱图像的融合质量,提出一种基于非下采样双树复轮廓波变换和稀疏表示的图像融合算法.对多光谱图像进行亮度-色度-饱和度变换,再对亮度分量和全色图像进行直方图匹配及亮度平滑滤波处理.利用非下采样双树复轮廓波变换处理亮度分量和全色图像,得到对应的高低频系数.对于低频系数,利用稀疏表示进行融合,采用空间频率和l1范数双指标取大的融合规则得到稀疏表示系数;对于高频系数,将改进的拉普拉斯能量和作为脉冲耦合神经网络的外部输入项,提出了改进的脉冲耦合神经网络的融合策略.最后进行非下采样双树复轮廓波逆变换和亮度-色度-饱和度逆变换得到融合结果.实验结果表明,该算法最大限度地保留光谱信息的同时可以提高空间分辨率,视觉效果及客观指标均优于经典的融合算法.

微通道板电压与增益对数理论上呈线性关系, 为了更接近实际情况, 根据已知的微通道板电压与增益对数的函数关系选取一组线性数据点, 并在其基础上加一组随机数作为波动, 得到新的电压与增益对数的关系, 获得指数拟合公式, 用于还原目标的距离信息.对成像准确度进行理论分析, 结果表明成像准确度与系统信噪比和增益调制函数有关, 且信噪比越高, 距离准确度越高.测量了微通道板增益与电压的关系曲线, 在不同电压条件下照射同一距离同一目标得到回波图像, 利用不同电压下回波图像灰度值之比得到相对增益之比.分别在恒定增益和调制增益下, 对距离成像系统60m的目标进行成像, 利用增益曲线对所得的图像进行处理, 准确还原出目标的距离信息, 准确度达到分米量级.

提出了一种基于三类边界条件下贝塞尔函数的构造矩—贝塞尔-傅里叶矩, 其定义在极坐标系下, 可视为一种整体正交复数矩;该矩的正交多项式有较多零点, 且多数呈均匀分布.通过对26个大写字母二值图像的重构及1260幅灰度蝴蝶图像的分类实验来验证所提出矩的有效性,同时提取三类边界条件下贝塞尔-傅里叶矩的不同阶矩作为图像分析的特征值(图像描述质)来表征图像.理论分析和实验结果表明: 与正交傅里叶-梅林矩和泽尼克矩相比, 三类边界条件下贝塞尔-傅里叶矩更适用于图像的分析和旋转不变性的目标识别, 且图像重构准确度及不变性识别准确性均更优.

结合集成建模法和光线追迹法研究飞轮微振动对相机成像质量的影响.采用集成建模法, 建立飞轮微振动的扰动模型、卫星和相机的有限元模型, 进行瞬态响应分析, 得到6个方向力或力矩单独作用下相机各反射镜随时间变化的位移.采用光线追迹法, 由反射镜位移和入射光线, 根据折射定律计算折射后光线的位置、方向及与光轴的夹角.由得到像面处的光斑坐标和位移, 运用运动统计矩计算系统调制传递函数.结果表明: 响应周期与激励周期无关;激励的作用时间长度和采样时间长度均会影响调制传递函数;不同方向振动激励造成的调制传递函数变化的大小不同, 而不同方向对包含原光学系统的调制传递函数的影响类似仅振动对调制传递函数的影响;当振动分别作用My、Mz值时衰减最大, 达到0.1左右.该方法较理论推导简便快捷, 能获取微振动与调制传递函数的关系, 为系统优化设计和隔振措施提供参考.

从相对距离、大气压力、温度变化三个方面分析了天基光学探测系统离焦产生的原因及离焦变化情况, 提出通过离焦调制传递函数模型分析离焦对系统性能影响的方案, 仿真分析了不同离焦量下系统等效调制传递函数的变化及其对成像质量的影响.结果表明, 随着离焦量的增加, 图像质量逐渐下降, 相对距离变化导致的离焦为正值, 大气压力变化导致的离焦为负值, 温度变化导致的离焦在中心温度左右有正有负, 三者导致的离焦量可部分抵消.该研究为天基光学探测系统的设计、补偿措施的制定以及性能评估提供了数据支持.

利用主元分析从一组干涉图中提取相位和相移量, 得到相移量与驱动电压之间的对应关系, 从而实现压电陶瓷相移器的非线性校准.模拟结果表明: 主元分析法计算相移量的误差随着干涉图中条纹根数的增多而减小;当干涉图中条纹根数多于0.25时, 相移量计算误差小于0.1664rad.实验结果表明: 相移量计算误差是周期分布, 对相移器校准准确度影响小.该方法无需迭代计算, 且对干涉图中条纹根数没有严格要求, 因此是一种高效且实用的校准方法.

为了进一步提高点源透射比测试准确度, 明确点源透射比测试环境需求, 提出了一种定量分析空气洁净度对点源透射比测试准确度影响的方法.该方法以Mie散射理论为基础, 采用蒙特卡洛模拟方法, 对空气中尘埃的尺寸和数量进行随机模拟, 得到不同空气洁净度等级下空气中尘埃对点源透射比测试准确度的影响.以直径为800 mm、点源透射比设计值为10－9量级的某太空望远镜为例进行定量分析, 结果表明: 为了满足该空间光学系统的点源透射比测试需求, 空气洁净度等级应优于ISO class 6, 此时空气中尘埃引起的点源透射比测试误差约为10－10量级;ISO class每升高一级, 测试误差约增大10倍.

为了提高太阳辐射观测仪测量准确度, 针对余弦校正器自身漫射特性和菲涅耳反射引起的余弦误差, 研究了不同安装形式、不同结构下修正余弦误差的方法.结合太阳辐射特性和余弦误差的产生因素, 提出了余弦校正器外露、余弦器外露配合挡光环两种安装形式下的余弦误差修正方法, 以及余弦校正器、积分腔两种结构形式下的余弦误差修正方法.根据太阳辐射观测仪的使用要求, 利用 TracePro对不同安装方式下的余弦误差进行建模仿真, 利用高准直性太阳模拟器配合转台和转臂模拟不同方向的准直太阳光, 并实测余弦误差.实测结果表明, 余弦器外露配合挡光环形式下, 入射角小于±80°, 余弦误差可优于±6%.该修正方法可有效地减小太阳辐射光大入射角情况下的余弦误差, 提高太阳辐射观测准确度.

对790 nm激光二极管泵浦Nd-La共掺和Nd-Sc共掺CaF2无序晶体激光器的特性进行了研究, 比较了掺杂不同浓度La3+和Sc3+的Nd∶CaF2晶体的吸收光谱和输出激光特性.在5 W泵浦功率下, 将0.5 at.% Nd3+与5 at.% La3+∶CaF2, 0.5 at.% Nd3+与3 at.% Sc3+∶CaF2掺杂, 分别获得1.10 W和0.64 W的连续激光输出, 斜效率分别为23.0%和12.8%, 阈值泵浦功率仅为10 mW.实验结果表明, Nd-La共掺和Nd-Sc共掺的CaF2晶体是一种可用于二极管泵浦且可获得高功率高效率激光输出的激光介质.

基于垂直腔面发射激光器的自旋反转模型, 研究了光电负反馈下1 550 nm正交偏振光注入垂直腔面发射激光器的非线性动力学特性.研究结果表明: 在合适的注入强度和失谐频率条件下, 自由运行工作在Y线偏振模式的1 550 nm垂直腔面发射激光器可呈现出稳态、稳定注入锁定、单周期、二倍周期、多周期、混沌等多种非线性动力学状态以及偏振转换现象;引入光电负反馈后, 1 550 nm正交偏振光注入垂直腔面发射激光器将呈现出双频准周期、三频准周期等动力学状态.在注入强度和失谐频率构成的参数空间, 反馈延时时间一定时, 反馈强度大小对该激光器的动力学状态分布有明显影响;光电反馈强度一定时, 在注入强度相对较小的区域, 反馈延时时间对该激光器动力学状态分布也有明显影响, 而对于注入强度相对较大的区域, 该激光器始终工作在单周期或稳定注入锁定态, 即反馈延时时间对激光器动态行为的影响较弱.

利用热注射法通过调控Cu/Zn比例制备了不同组分的Cu-Zn-In-S/ZnS核壳量子点, 通过紫外-可见吸收光谱以及稳态和时间分辨光谱分析Cu/Zn比例对量子点发光性能的影响.结果表明, 不同组分Cu-Zn-In-S/ZnS核壳量子点呈现闪锌矿结构且晶粒尺寸接近;随着Cu/Zn比例的减小, Cu-Zn-In-S/ZnS核壳量子点的带隙变宽, 导致吸收光谱发生蓝移;当Cu/Zn比例从6/1减小到1/6时, 量子点的发光峰位从640 nm蓝移529 nm.由于Zn2+替代Cu+能够减少Cu原子缺陷的形成, 从而提高了量子点的荧光效率;当Cu/Zn=1/6时, 样品中观测到Cu+离子发光和较长的荧光寿命.

为研究稀土荧光特性与温度关系, 从典型稀土材料的能级结构出发, 根据激发态多能级间的玻尔兹曼热平衡分布理论, 对激发态能级的粒子数分布情况与温度关系进行研究.发现随着温度的上升稀土发光荧光寿命变短, 激发态高能级辐射荧光比例增大;而荧光强度由于受到非辐射跃迁系数和能量传递效率的双重影响将会呈现先上升后下降的变化.以钒磷酸钇铕Y(P,V)O4∶Eu3+荧光粉材料为例进行实验研究, 测量了95 K到510 K温度范围内Y(P,V)O4∶Eu3+荧光材料在395 nm紫外光激励下所发荧光的荧光寿命、荧光强度和荧光分支比随温度的变化规律, 实验结果与理论相符合.

设计了一种适用于空间环境的变形镜装置, 以校正高分辨率空间相机中大口径主反射镜的波像差.讨论了空间相机用变形镜的设计准则, 确定了该变形镜的结构形式;给出了具体的结构组成和材料组合, 并设计了柔性结构.仿真结果表明, 该结构在z向重力工况下RMS值仅17.2 nm, 4℃温升时的RMS值仅为3.7 nm, 且一阶频率为1 015 Hz, 各模拟空间工况下的反射面经主动展平后, 均可获得近似的标准平面;该结构能够较准确地拟合前36项泽尼克多项式所对应的基元波面, 残留误差较小, 不仅具有良好的力学性能和热稳定性, 还能保证变形镜的像差校正能力得到充分发挥, 从而满足空间相机的使用需求.

以10 km观测高度探测4.5等星为例, 分析星点在600~1100nm谱段的辐射特性, 使用Modtran软件计算同谱段的天空背景辐射亮度以及大气透过率, 在信噪比阈值为5的情况下, 选择一组典型的光学系统参量.采用一块平面反射镜和石英球面镜系统设计了轻、小型化的光学系统, 该系统在600~1 100 nm宽光谱范围内全视场光斑形状接近圆形、调制传递函数接近衍射极限, 色差很小, 具有良好的成像质量.计算了地面环境下星敏感器的昼夜探测信噪比, 以信噪比阈值5对星敏感器的探测能力评估, 结果表明在白昼地面环境下可以实现2.5等G型恒星的探测, 在夜间地面环境下可以实现6等G型恒星的探测.

以声光晶体TeO2为衬底, 设计并研制了1 300~3 400 nm波段超宽带减反射膜.从薄膜热应力理论出发, 建立膜层热应力受力示意图, 结合TeO2晶体的特性和力矩判定方法, 采用解析法逆向计算分析薄膜材料的热膨胀系数及杨氏模量.实验验证表明: 所制备的膜层附着力在1300~3400nm波段平均透过率为96.8%;在相同工艺条件下, 采用连接层所制备的薄膜附着力更好, 可以解决脱膜问题, 满足相应的附着力检测要求.

针对光伏阵列在受到阴影遮挡时光伏发电系统总功率大幅下降的问题, 采用分布式光伏阵列与光伏逆变器的群控方法, 通过开关矩阵将多个光伏阵列与多台光伏逆变器相连, 形成灵活多变的光伏发电网络拓扑结构, 并根据该网络拓扑结构的工作原理, 提出了相应的自适应遗传算法来实现分布式光伏阵列与光伏逆变器之间的群控管理.仿真及实验结果表明, 光伏阵列受到阴影遮挡时, 该算法使得光能的转换效率明显优于常规典型的分布式光伏发电方式, 为有效利用光能提供了思路.

为了研究储能电容初始电压、电极间距、充气压及灯管内径等条件对脉冲氙灯电流脉冲和发光脉冲的影响, 在电极间距100~300 mm、充气压13.33~53.32 kPa、灯管内径6~12 mm、储能电容初始电压1.75~4.25 kV的条件下, 分别测量了脉冲氙灯的电流脉冲和发光脉冲的变化状况。测量得到脉冲氙灯的电流脉冲宽度和发光脉冲宽度均在15~45 μs之间。对比发现: 储能电容初始电压较高有助于获得高峰值、窄脉宽且滞后时间短的电流脉冲;具有较高充气压或较长电极间距的脉冲氙灯其电流脉冲与发光脉冲的峰值较小、脉冲宽度较大, 且发光脉冲滞后时间较长;较粗灯管内径虽然可以增加电流脉冲的峰值, 但电流脉冲的宽度被增宽, 发光脉冲峰值减小, 发光脉冲宽度展宽, 且延长了发光脉冲的滞后时间.

为了在黑白摄像机中快速获取场景的三维形貌与颜色纹理, 提出了绝对相位测量结合主动彩色照明的方法.首先向物体投影并拍摄两幅相移为1/3周期的条纹和一幅周期有微小差别的条纹图;然后分别向物体投射光强为给定强度的白、红及绿照明光, 并拍摄图像.用改进的相移法求解第四幅图像与第一、第二幅变形条纹图中的相位;用改进的傅里叶变换法求解第四幅图像及第三幅变形条纹图中的相位;然后得出绝对相位值.最后利用第四幅图像与第五和第六幅图像求出场景反射的蓝色分量, 并根据色度学原理恢复出场景的颜色纹理.实验表明, 该方法在保证三维测量准确度的同时获得了高质量的颜色纹理, 实现了30fps的三维数据及颜色纹理采集速度.