提出一种基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤温度传感器, 其中双芯光子晶体光纤为折射率导光型, 其中心圆孔表面镀氮化钛薄膜, 内部填充具有较大热敏系数的乙醇和氯仿的混合液体, 其纤芯模与表面等离子体激元耦合的共振波长偏移可反映液体混合物的温度或折射率.利用全矢量有限元法分析了不同因素对传输损耗谱及其共振波长的影响.仿真结果表明：外包层空气孔直径增大, 以及最内层包层空气孔直径和空气孔间距减小可以提高耦合效率, 从而增强共振峰.对比分析发现在－20℃~ 120℃温度范围内, 氮化钛薄膜比传统金膜表现出更好的等离子传感特性, 随着膜厚增加, 其共振波长偏移量增加, 温度灵敏度提高, 灵敏度最高可以达到6.22 nm/K.

提出了一种改进的相位盲搜索算法, 该算法通过两次寻找二次最小欧拉距离得到载波相位噪声的估计值.为验证该算法, 搭建了一套光线性采样仿真系统, 对符号率为10 Gbaud/s 的16QAM光调制信号的星座图进行了测量, 采样源为脉宽为500 fs、周期为10 ns的光频梳.仿真结果表明, 当两个激光器线宽和小于10MHz时, 经过该算法对相位噪声进行补偿后, 10G-Gb/s 的16QAM信号的星座图能够清晰展示.

用超级电镀技术将光纤光栅应变传感元件自动粘接在金属基体上, 力学模型分析表明该方法可以有效提升应变传递效率.为了检测该方法的可行性, 从光纤光栅自动化粘接的主要工艺环节出发, 以光纤光栅的光谱特性为研究对象, 以材料力学试验为手段, 对自动化金属粘接后的3个光纤光栅进行了光学特性分析和力学特性试验.结果表明：自动化金属粘接光纤光栅的成活率为100%, 光纤光栅粘接后的应变测量灵敏度保持在1.2 pm/με, 应变传递效率在0.98以上, 线性度达0.99, 光纤光栅在加卸中的一致性偏差仅为10－6、漂移仅为0.05, 优于传统手工粘接.

为了研究化学镀膜过程中本征应力的演变过程, 建立了基于光纤光栅传感的本征应力计算模型, 提出了一种监测化学镀膜过程本征应力演变的方法.通过记录光纤光栅中心波长的偏移量, 结合裸光栅进行补偿, 实现了在线监测化学镀膜过程产生的本征应力.使用光纤光栅传感器对化学镀Cu过程中本征应力进行监测.结果表明：在化学镀Cu过程中, 光纤光栅中心波长蓝移, 本征应力表现为压应力, 且本征应力随时间的增加而增大；监测光栅的压力灵敏度为4.10 pm/MPa, 监测准确度可达到0.24 Mpa.

为了评估万焦耳级激光装置不同打靶透镜构型的远场光束质量, 采用弱光取样、分束放大成像的探测方法, 在横向放大系数相同而光强衰减系数不同的条件下, 通过两台16位科学CCD在主瓣光路和旁瓣光路对3ω激光束的焦斑进行采集；基于纹影测量激光焦斑数学模型, 获得了动态范围为1 151.7∶1的远场焦斑重构图像；并对CCD动态范围、分束光路相对放大系数、系统噪声等因素对焦斑诊断的影响进行了分析.实验表明, 该方法能够实现高动态范围远场焦斑的精确测量, 对于重构图像的拼接边缘误差小于1 pixel, 满足打靶要求.

用隔行扫描摄像机采集到的运动物体单帧变形条纹测量三维位移和速度.该方法将一帧变形条纹分成两个单场, 利用傅里叶变换轮廓术重建三维面形, 从单场条纹的调制度中提取二值化模板, 计算质心获得亚像素匹配定位点, 通过双三次插值和标定, 实现了一个场周期时间内三个维度上的位移和平均速度的测量.匀速运动物体实验结果表明：被测速度的最大绝对误差为0.6 mm/s, 相对误差为0.57%.该方法仅用一帧变形条纹即可测量运动物体的三维位移和速度, 提高了时间分辨率和测量准确度.

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中, 精确提取窄脉冲传感信号的幅度, 设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点, 窄脉冲信号经过窄带通滤波电路, 得到基频正弦波信号, 再经过主放大、移相、相敏检波电路, 得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号, 对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明, 锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系, 线性拟合度约为98.043%；信号幅值的相对测量误差不超过3%；在1 h的测试时间内, 信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器, 开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内, 随着一氧化碳浓度的增加, 锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据Allan方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比, 该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点, 在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.

报道了一种基于主振荡功率放大结构工作的全光纤化高重复频率窄脉冲宽度光纤激光器.种子源是一个直接电脉冲调制的1 063 nm光纤耦合输出半导体激光器.为了抑制放大器中产生的放大自发辐射光, 将种子激光的脉冲波形调制为二阶超高斯型.峰值功率为950 mW的半导体激光器经过2级大模场掺镱双包层光纤放大器（纤芯分别为10 μm和30 μm）功率放大后, 最终获得了平均功率为101 W、重复频率为200 kHz、脉冲宽度为14.77 ns、峰值功率为34.2 kW、3 dB光谱宽度为0.261 nm、光束质量M2为1.17的脉冲激光输出.与传统的纳秒级脉冲光纤激光器相比, 该激光器峰值功率高、光束质量优、光谱宽度窄、结构简单, 可广泛应用于激光雷达、遥感探测、倍频和光参量震荡等领域.

提出了一种低噪声、线宽小于4 kHz、波长为1 083 nm的线形腔单频光纤激光器.该激光器引入了偏振控制器来消除线形腔内的空间烧孔效应, 从而抑制了多纵模振荡.实验结果表明：泵浦功率在40～200 mW范围内时, 可获得稳定的单纵模振荡, 且最大输出功率可达46 mW, 光学信噪比大于60 dB, 其光光转换效率和斜率效率分别为23%和33.3%；经过1 h的观察, 测得的激光输出功率以及光谱不稳定性分别小于3%和0.9%；在整个观察期内, 没有出现模式跳跃和模式竞争现象.

基于激光输出的时间序列、功率谱以及相图, 对1 550 nm垂直腔表面发射激光器（1 550 nm-VCSELs）在光电负反馈作用下的动力学特性进行了研究.结果表明：固定偏置电流, 在不同反馈强度下, 光电负反馈1 550 nm-VCSEL可呈现规则脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等非线性动力学态；固定反馈强度, 偏置电流取不同值时, 1 550 nm-VCSEL也可呈现脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等不同的非线性动力学状态.给出了1 550 nm-VCSEL非线性动力学状态在偏置电流和反馈强度构成的参量空间分布.分析了激光器的动态演化路径, 结果表明：在较小偏置电流和弱光电反馈下, 激光器主要工作在稳态；随着偏置电流增加, 激光器输出的动力学态通常随反馈强度的增加以规则脉冲态-准周期态-规则脉冲态的方式循环演化到混沌脉冲态；当偏置电流增加到一定值后, 激光器输出的动力学态随反馈强度的增加主要以规则脉冲态-准周期态-混沌脉冲态的方式循环演化.

分析了分布反馈光纤激光器的声波敏感机理, 发现阻断“弦”结构对声振动的传递和响应是隔声隔振封装工艺的关键.根据分析设计了一种主体为弧形中性轴线槽的封装结构, 分布反馈光纤激光器有源相移光栅在一定预拉力下粘结固定在封装结构的槽中, 光栅各点均贴附在弧形平面上.实验结果表明, 这种结构有效消除了声致弯曲等效应的影响, 使激光器窄线宽特性在外界声波和振动冲击下能够得到良好保持.同时, 实现了激光波长大范围的温度调谐, 波长温度调谐系数由10 pm/℃提高到30 pm/℃以上, 且激光器输出性能稳定.

将成玻性良好的Se逐步掺入到远红外Ge-As-Te玻璃中, 观察其物理、光学特性的渐变过程.采用传统熔融淬冷法制备Ge10As40Te50-xSex(x=0,10,20,30,40,50)系列玻璃, 用X射线衍射仪、Raman光谱仪、热膨胀仪测试玻璃的内部微观结构和物化性质；用傅里叶红外光谱仪、分光光度计测试玻璃的可见/近红外与红外透射光谱等频谱性质；利用经典Tauc方程估算玻璃样品的直接和间接带隙.测试结果表明：Se含量的增加能有效提高玻璃的热稳定性, 最高玻璃转化温度可达到233℃；可见/近红外短波截止边发生蓝移, 光学带隙增大, 透过范围广且透过性良好, 红外透过率最高可达到56%, 红外截止边仍然保持在20 μm, 当Se含量配比在低于2 mol的情况下, 其热稳定性改善明显但光谱变化最小.最后, 讨论了一种加还原剂Mg对该类玻璃进行提纯的方案, 实验表明提纯后玻璃的透过谱线均匀平滑且无明显杂质峰.

从薄板弹性理论出发, 对可实现曲率变化的环形线负载驱动模型进行分析, 给出了基于该模型的大镜厚比变曲率反射镜的形变方程.以较小的驱动力实现较大的中心形变为目标, 利用MATLAB软件对不同反射镜厚度、驱动环半径下的反射镜形变情况进行模拟计算, 结果表明, 反射镜厚度范围在2~4 mm之间、驱动环半径数值在反射镜有效半径1/2处最佳.以此为依据, 设计并研制了口径为100 mm、厚度为3 mm的铍青铜环形线负载驱动变曲率反射镜结构及原型样片, 给出了变曲率反射镜整体结构前10阶的振动模态分析结果.完成装配后, 反射镜原型样片的面形精度接近λ/30（λ为波长）.对该结构进行极限曲率变化和面形精度保持的验证实验, 通过对变曲率反射镜结构进行改进, 环形线负载驱动能够实现超过30个波长（632.8 nm）的中心形变, 且面形精度的变化与反射镜中心矢高的变化呈弱相关.

为实现空间相机的自适应曝光, 提出了一种根据场景高亮度信息设置曝光参量的测光、解算、成像工作模式.在空间相机前加装大尺度面阵测光相机, 在空间相机推扫某一区域前, 测光相机首先采用预设的曝光参量获取该区域图像, 实测当前区域的高亮度信息；再将该高亮度设为空间相机的饱和亮度, 解算空间相机的曝光参量；随着卫星的转动, 空间相机采用该曝光参量完成位置区域拍摄成像, 实现空间相机的自适应曝光.地面验证实验结果表明：与采用固定的较小的曝光参量相比, 本文方法可以减小欠曝光图像数量；根据某次实验结果统计, 图像的灰度范围由37提高到253, 图像熵显著提高.该方法能够根据当前场景内容充分利用成像系统的动态范围并提高图像的灰度层次和图像质量.

为了提高用于天文自适应光学系统的单压电变形镜的校正能力, 提出了一种直径为75 mm且包含214个单元的带边缘驱动的单压电变形镜, 单压电变形镜的边缘由数个压电堆栈执行器支撑.首先, 通过有限元方法对变形镜进行仿真建模, 分析比较三点、六点能动支撑对变形镜性能的影响.之后制备了三点、六点边缘驱动的变形镜样机.最后, 利用波前传感器测试了边缘执行器对低阶像差的校正能力.实验结果表明：在0~100 V电压下, 三点能动支撑与六点能动支撑变形镜均可重构大于12 μm的倾斜像差, 对应的归一化残余误差小于0.06, 六点致动对像散和三叶草像差也具有较好的校正能力, 证明边缘执行器可提高单压电变形镜的校正能力.

基于标准0.35 μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p+n阱型二极管结构, 同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能；研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响；对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、频率响应等特性进行了分析.仿真结果表明：所设计的单光子雪崩二极管器件结构直径为10 μm, 扩散n阱保护环宽度为1 μm时, 雪崩击穿电压为13.2 V, 3 dB带宽可达1.6 GHz；过偏压为1 V、2 V时最大探测效率分别高达52%和55%；在波长500～800 nm之间器件响应度较好, 波长为680 nm时单位响应度峰值高达0.45 A/W.

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构, 采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明：透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷, 该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量, 发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量, 而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感；同时, 改变两谐振腔的并联方式, 研究了两种衍生结构的传播特性, 发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外, 通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料, 研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性, 其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.

为确定硅基片上系统半导体光电器件集成中绝缘层材料对器件整体性能的影响, 设计并制备了带有覆层的纳米波导谐振腔.谐振透射谱功率测试表明顶层覆盖Si3N4薄膜和SiO2薄膜绝缘层没有削弱环形谐振腔的品质因素, 沉积后的最佳耦合间距为70～110 nm.覆层为SiO2时谐振点波长附近的谐振峰消光比达16.5 dB, 3 dB带宽为0.12 nm；覆层为Si3N4时谐振点波长附近的谐振峰消光比达13.9 dB, 3 dB带宽为0.18 nm.该研究为片上系统集成设计中最佳绝缘层材料的选择提供参考.

模拟并分析了波长为633 nm的偏振光通过Kretschmann-Raether微米级棱镜波导结构时的古斯-汉欣位移.在金膜厚度为45 nm的条件下, 当入射角为44.1°时, 利用稳态相位理论, 得到的最大束位移为+120 μm；当入射角为44.1°时, 利用COMSOL Multiphysics5.1软件中的波动光学模块, 得到的最大束位移为+3.37 μm.在共振角附近, COMSOL Multiphysics5.1模拟软件与稳态相位理论均得到正的古斯-汉欣位移, 但是COMSOL Multiphysics5.1软件模拟的结果远小于稳态相位理论仿真的结果.该研究对设计基于古斯-汉欣位移测量的高灵敏度传感器具有指导意义.

理论上利用高斯谢尔模型和交叉谱密度的传播公式得到部分相干Bessel光束经过环形孔径的光强表达式.通过Mathcad软件数值模拟光强表达式, 得到在不同传播距离的截面光斑图, 结果表明部分相干Bessel光束在经过环形孔径后会产生空心光束.实验中以绿光LED为光源, 经轴棱锥聚焦得到部分相干Bessel光束, 在其无衍射距离内放置环形孔径.使用体视显微镜照相系统拍摄部分相干Bessel光束经过环形孔径的衍射光斑图, 得到的结果与模拟结果吻合.

海面的激光散射特性是制约激光雷达对低空飞行器进行探测与识别的关键因素之一.模拟超低空状态, 通过人工造波池模拟不同海情的海面, 采用激光散射测量装置在典型海情下近距离海面获取了激光后向散射数据；采用网格化分割海面, 根据Pierson-Moscowitz谱构建了三维时变海面几何模型, 利用Torrance-Sparrow模型模拟分析海面的近距离激光后向散射特性.测量和仿真数据表明：实测与仿真结果一致, 海面的激光散射受海面几何波形调制；其强度随擦地角增大而增大；由于海面的随机起伏, 海面散射极大值存在较大范围波动, 并且波动随擦地角减小而增大.

在动态光散射颗粒测量时, 为了从含噪的自相关函数数据中准确地反演出颗粒粒度分布, 对Tikhonov正则化算法进行改进, 将噪声作为一个独立的未知变量应用到正则化方程中进行粒度反演.在计算过程中, 相应增加方程中各系数矩阵的行数和列数, 对求解的粒度分布数值则仍取其原来方程的行数和列数, 从而达到对部分噪声的剔除作用.不同噪声水平下的颗粒粒度反演结果表明, 改进后的算法能够显著提高低信噪比动态光散射数据粒度反演结果的准确性, 适用于宽分布较大粒径的颗粒粒度反演.

为了减少太阳能电池表面反射, 提高多结太阳能电池效率, 针对GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池和AM0光谱, 设计了折射率梯度排列的四层减反膜系结构.利用溶胶-凝胶技术, 通过对材料折射率的定向调节, 制备了折射率梯度排列的TiO2/ZrO2/酸性SiO2/碱性SiO2四层减反膜.实验结果表明, 镀膜后的三结太阳能电池在300~1 700 nm波长范围内的加权平均反射率由原先的28.58%降低至4.86%, 最高反射率由46.35%降低至15.45%.

以粒径为270 nm的SiO2微球胶体晶体作为模板, 向其中填充过量单体MMA, 热聚合后形成SiO2/PMMA复合结构光子晶体, 将此光子晶体浸泡入浓度为20%的HF溶液中, 刻蚀半小时后得到脱离ITO玻璃基板的柔性PMMA反蛋白石结构薄膜.该薄膜为周期有序的三维多孔结构, 孔径大小均一, 约为210 nm, 外观蓝紫色与测试得到的带隙位置相对应.分析其微观形貌可知, 对模板的过量填充产生了一层附着于胶体晶体上表面的PMMA致密层, 致密层与其下层PMMA反蛋白石结构骨架在热聚合过程中由于体积收缩产生一定的应力差, 使反结构薄膜自发从原基板脱离, 从而获得柔性反蛋白石结构光子晶体.该薄膜可用于柔性光子晶体器件的制备.

研究在复杂偏振条件下, 飞秒激光诱导非晶合金Zr44Ti11Cu10Ni10Be25(at%)表面周期性结构的形成机理.实验采用波长800 nm、脉宽120 fs的超短脉冲激光, 分别在线性、径向、环向偏振条件下,诱导非晶合金表面生成复杂的周期性表面结构.表面结构由周期为652～723 nm的低频条纹和周期为1 304～1 765 nm的微型条纹组成.通过有限差分时域法仿真分析, 发现微型条纹由粗糙表面引起的定向调制的表面散射电磁波与入射激光干涉形成.仿真结果与实验结果一致, 验证了微型条纹形成机理的有效性.

以重复频率为250 MHz、脉冲宽度为140 fs的锁模掺镱光纤激光器作为泵浦源, 用拉锥光子晶体光纤产生超连续光谱.优化光纤拉锥直径后, 在泵浦光脉冲能量达到0.36 nJ时, 产生的超连续光在－20 dB水平的光谱覆盖范围为470～1 620 nm；继续增加泵浦光脉冲能量, 光谱范围在可见光区已无显著增大.超连续光谱产生的数值模拟结果与实验符合良好, 且模拟中超连续光谱产生的部位为光纤靠近入射端的过渡段, 与实验中观察到的现象吻合.以25 GHz高重复频率脉冲激光作为泵浦源, 保持0.36 nJ脉冲能量, 用优化后的光纤进行超连续光谱产生, 得到光谱在－20 dB水平上覆盖可见光区的范围为450~700 nm, 超过12 h的光谱演化测试表明了超连续光的长期稳定性.

为了使光谱仪在分辨率基本不变的同时增宽工作光谱范围, 利用非成像原理设计了自由曲面透镜, 将光源发出的宽工作谱段的光束准直为两束波长不同、方向不同的平行光, 实现探测器上光谱的折叠分布.首先, 根据两束入射光线经自由曲面折射前、后的矢量关系, 建立自由曲面上点坐标的一阶偏微分方程组；然后, 采用Runge-Kutta法对偏微分方程组进行数值差分求解, 得到自由曲面离散采样点, 进而构建得到自由曲面透镜, 将自有曲面透镜导入ZEMAX软件中对光源的双光束准直进行模拟, 在Tracepro软件中进行光线追迹分析其照度分布；最后, 将自由曲面透镜应用于近红外光谱仪中, 将波段为800~2 400 nm的光源准直为两束波长分别为800~1 600 nm和1600~2 400 nm的方向不同的平行光束, 经单个光栅色散后由成像透镜组成像在探测器表面, 形成两组相互平行且首尾相连的折叠光谱, 光谱仪的分辨率优于10 nm.结果表明, 采用该自由曲面透镜可以同时实现光谱仪的高分辨率和宽工作光谱范围, 且使光谱仪的结构更加紧凑.

针对多角度动态光散射中角度组合对颗粒粒度分布测量的影响, 对5组模拟的双峰分布颗粒体系(114/457 nm, 202/800 nm, 307/541 nm, 433/721 nm 和600/900 nm)分别选取3、4、5和6个散射角, 采用不同角度组合进行测量.粒度反演结果表明, 在选取同样数量散射角条件下, 不同的角度组合会得到不同的测量结果.当选取的各散射角对应的Mie散射光强差异显著, 特别是对应光强值包含了Mie散射光强曲线的极大值和极小值点时, 测量结果更准确.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行的测量实验, 实验结果与反演结果一致.这种角度组合影响的原因在于, 随着散射角的增多, 得到的颗粒粒度信息也相应增加, 但只有增加的散射角所对应的散射光强显著不同时, 才会较多地增加颗粒粒度信息, 从而改善测量效果；否则, 增加的信息会被增加的角度校准噪声所抵消.