基于等效介质膜理论及多层减反膜原理设计了用于超宽带太赫兹吸收体的三层微结构光栅, 光栅基质采用重掺硼硅材料.用有限时域差分法分析了光栅周期、光栅宽度和深度对太赫兹吸收体反射系数的影响.数值分析结果表明, 在低于3 THz波段, 吸收率高于98%的带宽为1.3 THz, 吸收率高于95%的带宽达2.1 THz.用严格耦合波理论对该三层光栅的高吸收现象进行理论分析, 分析结果表明,光栅多级衍射的相互作用减少了入射面的反射率, 增大了该吸收体的吸收率.进一步优化三层光栅微结构的参量, 在0.6~6 THz范围内实现了大于95%的太赫兹吸收.基于光栅结构的吸收体结构简单, 易于设计与分析, 可以应用于太赫兹成像与探测应用领域.

在基于线阵CCD的夫琅和费衍射颗粒粒度测量中, 采用Chin-Shifrin积分变换反演算法使得反演的粒度分布出现假峰现象.为解决此问题, 提出在该Chin-Shifrin积分变换反演算法中引入矩形窗函数, 并在分析颗粒粒径与衍射光强导数最小值之间关系的基础上, 确定矩形窗函数中心点位置及左右边界, 利用该矩形窗函数对粒度分布进行截断处理, 消除虚假峰, 提高反演颗粒粒度分布的准确性.分别对两种标准颗粒进行了测量, 并对不同算法的反演结果进行了对比.实验结果表明: 引入矩形窗函数的改进Chin-Shifrin算法, 能够有效排除粒度分布中的多假峰; 粒度分布测量相对误差小于3%, 重复性小于4%.

针对传统液压系统检测中存在的传感器功能单一、体积较大、测量精度不高等问题, 提出一种光纤光栅复合传感器.该传感器以一体化的靶片式流量传感结构为基础, 融合光纤光栅压力和温度传感器, 可以实现对液压系统流量、压力和温度的同时测量.在对各参数传感模型理论分析的基础上, 对传感器的结构进行设计, 并制作了传感器实物.利用液压综合试验系统等设备对传感器进行了性能测试和参数标定, 得到其流量灵敏度为0.049 L/s, 压力灵敏度为28.4 pm/Mpa, 温度灵敏度为14.9 pm/℃, 验证了传感器设计的合理性.同时, 传感器的温度测量功能可在流量和压力测量中作为参考, 克服温度的交叉敏感效应, 提高传感器的环境适应能力.

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型, 推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间zR和湍流距离zT的解析表达式, 对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明: 不论是相干还是非相干合成, 径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的zR和zT均随湍流广义指数α的增大非单调变化, 当α=3.11时, zR和zT取最小值, 此时阵列光束扩展最大; 相干合成比非相干合成的光束扩展要小, 但其受湍流的影响更大; 对于相干合成而言, 径向分布半径r0越大, 合成光束的zR和zT就越大, 而非相干合成的zR和zT不受r0的影响; 不论是相干还是非相干合成, 阵列子光束数目对合成光束的zR和zT没有影响; 当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时, 大气湍流对阵列光束zR的影响可以忽略.

提出一种液晶填充碲酸盐玻璃的柚子型光子晶体光纤偏振旋转器, 利用全矢量有限元法, 对液晶填充碲酸盐玻璃的柚子型光子晶体光纤的偏振旋转特性进行数值模拟, 并分析了光纤结构参数、环境温度、工作波长等对光纤偏振旋转特性的影响.研究结果表明: 此种偏振旋转器具有较高的旋转效率、较低的工作串扰和较短的旋转长度, 在工作波长为1.55 μm、偏振角度为45°时, 其值分别达到99.947%、－32.84 dB和197 μm; 另外, 随着光纤薄壁厚度的增加, 旋转长度随之升高, 随着工作波长的变大, 旋转长度随之降低, 随着温度的增加, 旋转长度随之升高.这种新型的光子晶体光纤为偏振旋转器的研发提供了参考.

为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响, 提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理, 研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统, 获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱, 验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01 MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.

利用传输矩阵法和有限元法分析了光栅周期、调制深度、锥腰直径和不同设计区段长度比等光栅制作参量和结构设计参量对双锥型光纤布喇格光栅光谱特性的影响.软件仿真结果表明: 限定相关参量后, 光栅周期增大, 双锥型光纤布喇格光栅整体反射谱右移, 与均匀分布光纤布喇格光栅光谱变化规律一致; 调制深度增强, 两主反射峰基本不变, 而两主反射峰中间的次级峰个数增多,光强增大;锥腰直径减小, 激发更多包层模, 干涉峰个数增多, 强度提升; 整根光栅长度保持1 cm不变, 锥腰区, 标准光栅区和渐变光栅区长度比直接影响次级峰的数量和幅值, 随着渐变光栅区长度占比的增大, 次级峰的幅值增大, 同时个数减少.双锥型光纤布喇格光栅可在多参量传感器、多通道滤波器、多通道半导体激光器、色散补偿和光上下载分插复用等方面广泛应用.

为了解决光纤传感器波长解调成本高以及交叉敏感的问题, 提出一种温度不敏感光纤曲率传感器, 该传感器是由花生形结构连接一个光纤布喇格光栅组成, 对反射光采用强度解调.光进入花生形结构后激发出包层模式, 通过光纤布喇格光栅反射后, 反射的纤芯模再次在花生形结构产生不同阶次的包层模, 然后和反射的纤芯模耦合, 在反射光谱中除了光纤布喇格光栅的布喇格反射峰外, 在短波长处出现若干个谐振峰, 波长越小, 包层模的阶次越高.实验结果表明曲率的变化范围为0.669 0~1.250 0 m－1时, 测量到反射谐振峰平均光功率为2.260×10－7~1.501×10－7 mW,灵敏度为－1.306×10－7 mW/ m－1, 在温度范围25℃~75℃内, 反射包层模光功率基本保持不变.该传感器成本低且花生形结构制作简单、机械强度大.

传统的光纤应变传感技术无法在满足高精度和强环境适应性的同时实现稳定的动态应变传感.为了解决该问题, 本文将光干涉原理应用于光纤应变传感, 设计了一种强环境适应性的基于干涉结构的高精度光纤应变传感系统, 基于扫频干涉信号的互相关系数, 该系统可以稳定地探测应变.本文还提出一种动态探测算法, 该算法弥补了系统只能探测较小应变的缺陷, 大大提升了实际应变的探测范围, 同时还实现了动态的应变检测; 采用三次样条插值算法, 提升了小应变探测的精度.理论分析和仿真模拟表明, 在加入白噪声的信号信噪比为15 dB时, 插值后的探测精度是未插值探测精度的2.3倍, 插值后本系统探测结果的最大误差只有约9 nε.

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案, 实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束, 通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时, 产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中, 在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅, 产生相移步长为π/2的涡旋光束, 利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场, 从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹, 获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.

为了实现定距离、较大视场范围某低速点的快速方位角及高程测量要求, 采用点型光源、伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦光学系统及双正交线阵CCD, 搭建了一种复合柱面镜长焦光学测量系统.该组合式长焦光学系统无一次成像面, 系统光学长度短, 系统前组为伽利略型望远镜型式, 接近无焦.在一定测量范围内, 选择合适的前组角放大倍率和前组口径等参量, 使得在不同位置的点所成线像均与双线阵CCD正交.有针对性地优化光学系统设计、选择合适的系统评价函数并对系统装调及测量原理进行准确度分析.结果表明, 该系统在测量距离为10 m, 视场范围1.5°×1.5°内时, 方位角测量误差在±2.5″以内, 且系统长度较短, 公差较宽松.该系统解决了光源合作目标尺寸严格受限的问题, 探测器尺寸较大且成本较低.

为满足大规模拼接CCD天文观测应用系统对控制器的特殊要求, 开展可扩展的模块化天文CCD通用控制器技术研究, 并成功研制了样机系统.该系统采用相关双采样技术及控制技术等手段获得极低的读出噪声, 采用全数字化的结构实现系统的通用性以及实现远程观测、远程监控的功能.测试结果表明, 该系统的系统噪声小于3e-, 动态范围为16 bit, 非线性优于1%, 满足现阶段大部分天文观测的需要.作为应用实例, 利用本系统制作的真空紫外CCD相机, 成功获得了He和氘121.5 nm、164、193、205、218.6、273.3和294.5 nm谱线的光谱图像, 完成了对空间天文观测的102 nm~320 nm光谱仪的检测工作.

采用两种常用的粒度反演方法——正则化和Chahine算法, 对90 nm与250 nm单峰分布、50 nm与200 nm双峰分布、100 nm与300 nm双峰分布的模拟动态光散射数据, 以及105 nm、300 nm标准颗粒的实测动态光散射数据进行了反演分析.结果表明: 噪声水平的高低是影响粒度分布反演准确性的关键因素之一, 反演结果的准确性随噪声水平的增加而降低, 噪声水平超过某一阈值后, 将无法得到有意义的反演结果; 不同反演方法具有不同的抗噪能力, 在低噪声水平下反演结果无显著差别, 随着噪声水平的增加, 反演结果表现出很大差异; 正则化方法通过正则参数的选择可以有效抑制噪声影响, 表现出强于Chahine算法的抗噪能力; 与Chahine算法相比, 正则化方法不需要假定初始分布, 因此, 在噪声较大的实验或生产过程中进行颗粒分布测量时, 宜采用正则化方法.

为了提高氮化镓基蓝光发光二极管的发光提取效率, 在其电流扩展层上生长光子晶体.讨论了光子晶体结构周期、刻蚀深度和占空比参数与提取效率的关系, 并采用时域有限差分法进行模拟计算.结果表明在晶格周期为300 nm、占空比为60%和刻蚀深度为200 nm的条件下, 生长光子晶体结构后, 氮化镓基蓝光发光二极管的提取效率提升了27.93%.研究了激励源在光子晶体晶格周期内位置变化对提取效率的影响, 拟合得到更符合实际物理意义的氮化镓基蓝光发光二极管发光提取效率函数.利用等效折射率理论和法布里-珀罗薄膜干涉模型解释了氮化镓基蓝光发光二极管中TE模和TM模偏振之间提取效率的差异, 数值仿真得到最大差异值为1.442倍, 从而获得高偏振对比度光源.用该结构参数制备的发光二极管器件应用于液晶显示背光源, 可提高液晶显示的能耗效率.

从光电集成电路的角度出发, 根据量子点半导体光放大器(QD-SOA)中载流子跃迁速率方程和光场传输方程, 建立了QD-SOA等效电路模型, 并通过电路仿真的方法对QD-SOA的增益谱、饱和增益特性等进行了仿真和分析; 利用QD-SOA的交叉增益调制研究了速率分别为40 Gbps、100 Gbps和160 Gbps时的波长转换特性, 并分析了不同的偏置电流、功率的信号光和探测光对输出信号消光比和Q值的影响, 其转换速率可达到100 Gbps, 消光比ER约为10 dB, Q值约为2.2.该研究对提高基于QD-SOA的交叉增益调制波长转换的性能具有指导意义.

提出由T型空腔和挡板组成的两种金属-电介质-金属(MIM)波导结构, 分别为: 正T型空腔结构和倒T型空腔结构, 并应用有限元法系统地研究了该结构的透射特性.对于正T型空腔结构, 仿真结果出现了双重法诺共振现象, 并且共振波长可以通过改变T型空腔长度和高度进行调节.该结构有助于设计成敏感度达到1 620 nm/RIU、品质因数为5.4×104的纳米传感器.对于倒置T型空腔, 在波导中产生了多重法诺共振现象, 其敏感度可达1 560 nm/RIU, 品质因数为9.37×104.该结构有望在光学集成回路, 特别是纳米传感器、光束分路器方面具有广泛应用.

采用中心波长为975 nm半导体激光器泵浦高掺铒氟化物双包层光纤Er∶ZBLAN, 并在谐振腔内插入主动调Q元件, 获得了工作频率为1~10 kHz的2.8 μm激光主动调Q脉冲输出.在工作频率为10 kHz条件下, 获得了最大单脉冲能量为134.5 μJ、脉宽为127.3 ns、峰值功率为1.1 kW的脉冲输出.

为降低近红外脑功能漫射光断层成像(DOT)固有的逆问题病态性, 并避免多模态方法的图像配准等问题, 提出了基于光学自导引提供先验功能信息的脑功能DOT方法(OT-DOT), 并发展了图像重构方法.模拟验证表明: 上皮厚度(TLT)已知时, OT-DOT获得的重构量化度(QR)约为传统DOT的4.2倍; 当TLT的估计误差小于±10%时, OT-DOT重构的QR值可达92%以上, 远远优于传统DOT; 噪声鲁棒性测试表明, OT-DOT与传统DOT的噪声鲁棒性相近.利用连续光DOT测量系统的仿体实验重构结果表明, 所发展的OT-DOT算法获得的重构结果优于传统DOT算法.

以环形线负载驱动模型为基础, 分析了环形线负载驱动变曲率反射镜难以兼顾大中心形变与高精度面形保持的原因; 从薄板弹性理论出发, 得到了一种气动驱动变厚变曲率反射镜物理模型.理论分析表明, 将反射镜的厚度分布从等厚改为变厚, 并采用气压均匀驱动替代推力环环形驱动, 反射镜不仅能产生大的中心形变, 而且在形变过程中的面形精度也远高于环形线负载驱动变曲率反射镜的.基于超硬铝反射镜样片的试验验证了对变厚变曲率反射镜的理论分析; 试验中, 反射镜初始面形精度接近λ/50(632.8 nm), 施加0.032 MPa驱动气压产生约22 μm中心形变时, 反射镜面形精度依然优于λ/20(632.8 nm), 证明该气动驱动结合变厚设计这一技术具有较大的应用潜力.

应用场光线传递方程, 从鱼眼镜头的孔径光阑处, 逆向追迹场光线传递方程, 确定任意视场角场光线的初始位置, 即光阑球差.正向追迹场光线计算鱼眼镜头系统物、像空间视场角之间的关系曲线; 用多项式拟合求出关系曲线的解析表达式.通过反演运算, 根据畸变图像复原物的图像分布, 达到消除鱼眼镜头成像系统畸变的目的.最后, 计算了一个160°鱼眼镜头光学系统的光阑球差和图像的畸变, 并应用本文方法复原物的图像分布.计算结果表明: 光阑球差的计算结果与真值的相对误差小于1%; 复原的物方图像径向高度相对误差小于0.25%, 说明本文计算鱼眼镜头像场像差的方法是可行的.

设计了一种LED汽车前大灯散热器结构, 该结构主要由一条通风管和一台无叶风扇组成.在SolidWorks软件中建立该散热结构模型, 并导入FloEFD软件进行散热仿真, 得到LED结温温度为148℃.提出在通风管中填充矩形翅片和填充蜂窝结构两种改进方案.仿真结果表明, 采用两种改进方案后LED汽车前大灯的结温温度分别下降至102.01℃和86.20℃.对填充蜂窝结构方案进行正交优化试验, 分析得出影响该系统散热性能的因素依次为: 蜂窝等效直径、蜂窝类型、填充长度、壁厚和通风管长度.按照该顺序优化参数值, 得到最优散热结构.仿真结果表明, 经过正交优化后, LED汽车前大灯的温度降为75.17℃, 进一步提高了整体结构的散热性能.最后分析了该结构的基板温度与风速的关系, 结果表明当风速低于5 m/s时, 温度随着风速的增大急剧降低, 当风速高于5 m/s时, 温度下降趋势相对缓慢.

采用海森堡-朗之万方法理论研究了Tripod型双电磁诱导透明原子系统中压缩态探针场的传输特性.研究结果表明: 通过双透明窗口压缩光可实现双通道传输, 且每个通道可以被独立操控; 当两束耦合场的频率失谐相等时, 输出探针场的压缩度可以得到更好的保持.此外, 输出探针场的压缩度可以通过耦合场的拉比频率、原子的光学厚度和基态退相干率以及探测频率来操控.该研究结果为进一步优化多通道量子存储提供依据.

构造了光场算符n次幂叠加激发混沌场, 采用数值计算方法研究了该量子态的压缩效应、反聚束效应和统计性质, 讨论了混沌场平均光子数、算符叠加系数及其幂次n对量子特性的影响.研究结果表明: 光场算符n次幂叠加激发混沌场不呈现压缩效应, 但呈现出反聚束效应和亚泊松分布性质, 并且随平均光子数增大, 它的反聚束效应和亚泊松分布性质减弱; 随着算符组合部分中产生算符的比重增大, 光场反聚束效应和亚泊松分布性质增强; 随着算符幂次增大, 亚泊松分布性质加强.

为了研究量子相干性在腔量子电动力学系统中的动力学和分布特性, 基于两个各自捕获原子系综的光学腔建立了双光学腔系统, 腔与腔之间由光纤耦合.利用相对熵度量的量子相干性, 引入量子相干非平衡性的概念, 分析了系统中相干动力学和光纤-腔耦合强度对相干性分布的影响. 结果表明: 在强耦合极限下, 光纤-腔耦合强度的增加有利于保持两腔中的原子的整体相干性; 光纤-腔耦合强度、原子-腔耦合强度以及原子数三个参数之间满足特定条件时, 腔内的原子相干性可以传输至另一个腔. 考虑腔、光纤及原子都存在耗散的情形, 对比了不同耗散速率和非耗散情形下的相干性演化, 发现耗散使得耦合双腔系统的相干性以及各个腔中的原子相干性发生衰减.

结合卫星发射以及在轨运行过程中所处的环境条件, 对“积分球+匀光板+电磁光开关”形式的比值辐射计进行空间环境适应性设计.对结构薄弱环节进行强化加固设计, 通过降低器件功耗、表面热处理等方式保持比值辐射计在真空热环境下的温度稳定, 采用航天级光学涂层辅以结构屏蔽设计保证抗辐照能力.通过力学试验、热真空试验以及积分球光学涂层辐照试验进行验证.力学试验结果显示比值辐射计基频约为540 Hz, 振动前后比值辐射计辐射比变化小于0.31%, 证明比值辐射计具有良好的结构稳定性, 空间力学条件下的结构强度和刚度均满足基频大于100 Hz的设计要求.热真空试验过程中比值辐射计遥测输出稳定, 各功能模块均工作正常.辐照试验后, 比值辐射计光学涂层方向-半球反射比在485 nm波段的最大衰变小于2%, 红外波段无明显变化, 该衰变对定标器在轨应用性能的影响可以忽略.研究结果表明, 比值辐射计具有良好的空间环境适应性, 可在复杂空间环境下进行稳定、可靠的工作, 满足航天应用需求.

利用有限元数值分析方法研究了椭球状石英毛细管微气泡回音壁模式特性及其折射率传感性能.计算分析了不同半径与内壁厚度情况下空芯和液芯椭球形微气泡模式特征, 包括品质因数、有效折射率和能量比等, 并探讨了微气泡在高灵敏度和高分辨率折射率传感方面的应用潜能.研究结果表明微气泡膨胀至350 μm, 且内壁厚度为1 μm 时分辨率和灵敏度最佳; 在该厚度范围附近, 微气泡分辨率不会因为半径尺寸的改变而发生太大变化; 二阶径向模具有较高品质因数, 其灵敏度略高于一阶基模, 且使用二阶径向模可降低在制造时对结构壁厚控制精度的要求, 可用于实际传感应用中.研究结果对微气泡的进一步实验研制具有理论参考价值.