单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲, 假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型, 研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响; 建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型; 针对低轨卫星-地面站间激光链路, 对单光子捕获概率进行了分析.结果表明: 上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0), 且随着C2n(0)的增加而减小; 然而, 下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0), 即大气湍流对其没有影响.

本文在考虑湍流内外尺度的情况下, 对部分相干高斯谢尔模型光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.主要采用考虑湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型, 推导了部分相干光在大气湍流中的平均光强分布、光束扩展均方根束宽和漂移方差的解析式.对比分析了不同湍流强度情况下, 湍流内外尺度对部分相干光在大气湍流中水平和斜程路径上传输特性的影响.结果表明: 相同条件下, 光束在大气湍流中传输时, 沿斜程传输时的抗湍流能力强于水平传输; 相比于大气湍流内尺度, 大气湍流外尺度对光束漂移影响较大, 外尺度对光束扩展与光强分布的影响较小, 当湍流外尺度增大时, 漂移现象会越来越严重; 相比于大气湍流外尺度, 湍流内尺度对光束扩展与光强分布的影响较大, 当内尺度减小时, 光束扩展现象越来越严重, 光强分布也更分散, 内尺度对漂移几乎无影响.

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型, 结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱, 推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式, 对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响, 并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明: 衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大, 当它们的取值增大时, 漂移越严重; 内尺度对光束漂移几乎没有影响; 在相同的条件下, 艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级, 且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.

提出一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性测量方法.该方法利用液晶构建相位分别为0和φ的二值光栅, 通过傅里叶光学的方法推导衍射光栅第0级衍射光斑光强和调制相位φ之间的关系, 然后实测光强和液晶驱动电压之间的对应关系来得到相位和液晶驱动电压之间的对应关系, 即液晶相位光栅的相位调制特性.最后利用测量相位调制特性结果构建液晶相控阵, 用光束偏转误差验证调制特性测量结果, 相位测量误差小于1×10-3 rad.

根据散斑产生的机理, 利用像素点之间干涉的概念, 提出了通过限制光场的位相分布范围来抑制投影图像中散斑对比度的方法.在部分发展散斑的条件下, 推导了位相均匀分布情况下的散斑对比度公式, 揭示了当相位分布范围在0.6π～2π之间时, 散斑对比度随相位分布范围的变化而震荡变化, 当把相位分布范围限制在0.6π以下时, 散斑对比度会随相位分布范围的减小而迅速下降.建立了理想仿真模型和实际仿真模型来验证该方法的正确性和可行性.在理想仿真模型中, 当位相分布范围从2π变到0, 所得散斑图样对比度从66.44%降到0; 在实际仿真模型中, 模拟了实际激光投影系统的光路结构, 并运用了两片衍射光学元件, 一片用于激光整形匀化, 一片用于光场的位相分布范围限制, 散斑图样对比度从92.78%降低到2.09%.该方法稳定性高、耗能低、使用元件尺寸小, 为全息投影显示的散斑抑制提供了参考.

针对投影仪标定方法中存在畸变及倾斜投影引起条纹周期、条纹级数变化的问题, 提出一种单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法.设计生成横向和纵向各两组单周期条纹图像, 经投影仪投影到带有圆形标识的标定板上, 相机同步采集标定板图像, 叠加由双四步相移获得的两幅相位主值图, 对叠加相位主值图相位展开, 利用展开的绝对相位值计算投影仪像素坐标值, 最终将投影仪标定转换为成熟的相机标定.实验结果表明: 仿真投影仪标定实验准确度的最大重投影误差约为0.4 pixel, 均方根误差为0.132 96 pixel; 实际投影仪标定实验准确度的最大反投影误差约为0.46 pixel, 均方根误差为0.143 12 pixel; 实验结果与仿真结果的最大反投影误差相差15%, 均方根误差相差7.6%.与现有的采用三频相位展开进行投影仪标定的方法相比, 投影光栅图像数可减少8幅.该方法改善了现有投影仪标定方法的不足, 标定准确度和标定效率均得到提高.

提出一种3模12芯光纤的纤芯排布优化方法.在分析芯间串扰、弯曲半径阈值和相对纤芯多重性因子等特性后, 给出了单圆形结构和方点阵结构的纤芯排布方法及优化方案.对于单圆形结构, 在波长为1 625 nm的情况下很难找到合适纤芯排布以使芯间串扰小于-30 dB/100km并且使光缆截至波长小于1 530 nm.对于方点阵结构, 在波长为1 625 nm, 且弯曲半径大于弯曲半径阈值时, 可使芯间串扰小于-30 dB/100 km, 最大光缆截至波长不大于1 530 nm,纤芯多重性因子可达到~15, 这表明方点阵结构是一种比单圆形结构更适合3模12芯光纤的纤芯排布结构.

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪, 将其与光纤布喇格光栅级联, 形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉, 当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场, 干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明: 马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57 nm/(N·mm-1), 线性度为0.997, 而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感; 马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度, 温度灵敏度分别为56.1 pm/℃和11.3 pm/℃.对于分辨率为0.02 nm的光谱仪, 传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10-4N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应, 利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测, 方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单, 灵敏度高, 可用于不同领域的压力传感.

在一段8 cm长的保偏光纤两端分别熔接两段普通的单模光纤, 在保偏光纤的侧面均匀地镀上一层聚二甲基硅氧烷材料, 聚二甲基硅氧烷材料经该段保偏光纤接入到一个光纤耦合器中, 从而形成一个光纤Sagnac干涉仪.聚二甲基硅氧烷材料吸附挥发性有机物分子时, 会引起聚二甲基硅氧烷材料体积上的膨胀, 导致Sagnac干涉波长的漂移, 通过对Sagnac干涉光波长漂移的测量即可实现对挥发性有机物气体的检测.实验测量了传感器对挥发性有机物浓度的响应, 结果表明, 在0~6 000 ppm浓度范围内, 传感器的灵敏度为1.03 pm/ppm, 由光谱仪的最小分辨率为 0.02 nm 可知, 该传感器对挥发性有机物的检测下限约为19.4 ppm.该传感器相比聚二甲基硅氧烷材料与光纤光栅结合的传感器, 灵敏度提高了4 300倍.

在位相差异技术原理的基础上, 利用现有平台, 通过室内实验以及室外推扫成像试验, 检验了位相差异技术波前反演的效果.试验表明: 以干涉仪实测波前与反演波前的残差均方根误差作为评价标准, 基于位相差异技术的波前反演精度可达1/40λ(λ=632.8 nm); 同时, 利用反演波前进行的图像复原滤波能够大幅改善推扫退化图像的品质, 复原后图像信噪比的提升量优于40%, 奈奎斯特频率处调制传递函数的提升量超过80%.间接地证明了位相差异波前反演技术的实际效能, 为位相差异波前反演技术的空间应用奠定了基础.

提出了航天遥感相机的动态钳位方法, 该方法通过在相机的模拟前端对大气程辐射值进行减除, 实现场景信息的充分量化.建立了航天遥感相机成像链路模型, 分析了大气程辐射对图像灰阶范围的影响.研制了动态钳位相机, 实现了在相机硬件电路中减除模拟信号.在外场对动态钳位相机进行了实验验证, 实验中利用MODTRAN软件计算大气程辐射并转换为相机钳位值.实验结果表明: 本文方法可使相机低端信息得到充分利用, 图像灰阶范围能够提高62%; 在航天遥感相机中设计动态钳位能够利用低端量化信息, 用更多的量化位数来表示地物目标信息, 并可提高辐射分辨率, 保留更多图像的细节信息.

提出了一种基于对称金属包覆波导结构的光学传感器, 利用该结构所激发的对导波层折射率虚部极其灵敏的超高阶导模为探针, 结合二苯碳酰二肼与六价铬离子的特异性显色原理, 对饮水中六价铬离子痕量进行探测.理论与实验结果表明, 该分析方法的检测极限是1μg/L, 达到了现行国际标准.该方法是一种需样少、耗时短、实时性好、稳定性高和价格低廉的在线检测方法.

针对变电流投影融合中的阈值选择问题, 提出了一种基于动态时间弯曲的变电流投影融合方法.该方法首先计算不同电流下投影的灰度值-有效边缘梯度序列, 然后利用动态时间弯曲距离对预处理后的序列进行相似匹配, 自动判断最佳融合阈值, 最后根据阈值确定不同电流投影的子区域并对其进行融合, 实现了探测器动态范围的扩展.本文方法计算的各角度下融合阈值的平均误差仅为2.26%, 能够避免人工选择融合阈值的主观性, 基于融合后重建图像的信噪比与几何尺寸测量准确度均优于固定融合阈值的方法.

为了实现同时兼顾大、小颗粒测量的液体颗粒计数, 在分析细小光束照射下球形颗粒脉冲信号波形特征的基础上, 提出了一种颗粒粒径信息提取方法, 该方法通过对脉冲信号积分将颗粒脉冲信号的幅度与持续时间结合, 可更加准确地提取颗粒的等效粒径信息.对理想脉冲信号进行数值模拟, 并采用乳胶微粒标准物质进行实验测试, 结果表明, 该方法能够有效地提取大颗粒和小颗粒的粒径信息, 从而拓宽了仪器检测范围.同时, 分析了流速和噪声对该方法提取粒径准确性的影响, 结果表明当流速波动小于10%时, 测量误差小于5.41%; 当噪声小于1%时, 测量误差小于0.50%.

基于精确的LED光源近场模型, 提出了一种LED光学扩展量测量方法.通过追迹LED近场光源模型中的光线数据, 可获得LED光功率关于光学扩展量的关系曲线, 直观反映出LED光源的光学扩展量特性和光能利用率等信息.以紫外曝光系统中的UV-LED阵列面光源为例, 对三款不同型号的UV-LED进行了实际测量.通过测量得到的光学扩展量和光能利用率曲线, 可以对UV-LED的光束质量作出判断, 并为阵列面光源的优化设计提供帮助.

区别于传统刚体控制模型, 将结构动态设计方法与控制理论相结合, 构建了光电经纬仪的柔性机电耦合控制模型, 分析了该模型的结构基频、阻尼比等机械因素与控制带宽的耦合关系, 并提出了光电经纬仪动态量化设计准则.实验表明: 光电经纬仪结构谐振频率ωn应尽可能地远大于系统谐振频率ωr, 至少满足ωn≥3ωr.该方法有效可行, 可解决高精度大型经纬仪机电谐振问题, 为设计快速响应、高跟踪精度的光电经纬仪提供了工程依据.

将近红外光谱技术和化学计量学相结合快速检测苯磺酸氨氯地平片辅料含量.通过随机青蛙法、变量投影重要性和竞争自适应重加权采样筛选特征波长变量点, 采用9种光谱预处理方法对原始光谱进行处理后,分别建立了偏最小二乘法模型和支持向量回归分析模型, 并将这两种模型进行了比较.应用优选模型对样品进行了测试, 结果表明: 对于所涉及的样本, 在最优特征波长变量选择上, 随机青蛙法效果较好; 在模型预测结果上, 与支持向量回归分析模型相比, 5个指标的偏最小二乘法定量模型的决定系数, 预测均方根误差评价参数效果较好, 相对分析误差值均大于3.0.样品测试值与实测值标准误差均小于1.30, 配对t检验表明, 在a=0.05显著性水平上, 两者无显著性差异.因此, 可采用近红外漫反射光谱法用于苯磺酸氨氯地平片辅料含量的快速检测, 该方法重复性、中间精密度、线性、精确性良好, 且可为其他药用辅料含量快速检测提供借鉴.

设计并研制了一种基于复合腔结构的波长可调谐、瓦级连续输出的橙红色激光器.该激光器是由半导体激光侧泵Nd∶GdVO4晶体产生p-偏振1 062.9 nm基频光的谐振腔和使用周期性极化晶体MgO∶PPLN(三个极化周期为29.0 μm、29.8 μm和30.8 μm)的单共振光学参量振荡器组成.在两个谐振腔的重叠区域, 利用II类临界相位匹配KTP晶体对s-偏振信号光与p-偏振1 062.9 nm基频光进行腔内和频.通过对MgO∶PPLN晶体进行三个不同极化周期的调谐和30℃~200℃范围内的温度调谐, 在三个波段(613.4~619.2 nm@29.0 μm、620.2~628.9 nm@29.8 μm和634.4~649.1 nm@30.8 μm)获得了波长可调谐的橙红色激光连续输出, 并在相应波段(3 980.0~3 758.5 nm @29.0 μm、3 714.2~3 438.3 nm @29.8 μm和3 278.0~2 940.2 nm @30.8 μm)获得了波长可调谐的中红外闲频光的连续输出.在30℃最低调谐温度, 通过改变晶体的极化周期, 在613.4 nm、620.2 nm和634.4 nm处测得最大连续输出功率分别为1.52 W、2.21 W和3.03 W, 对应的三束闲频光最大连续输出功率分别为2.36 W @3 980.0 nm、3.17 W @3 714.2 nm和4.13 W @3 278.0 nm.

介绍了一种全正色散宽光谱被动锁模掺镱光纤激光器, 利用非线性偏振旋转技术实现全正色散掺镱光纤激光器的被动锁模.当泵浦功率输出为500 mW时, 激光脉冲输出功率大于139 mW, 重复频率约为28.1 MHz, 脉冲宽度为3.8 ps.为了进一步研究全正色散光纤激光器的宽光谱输出特性, 在腔内熔接50 m单模光纤, 同时去除双折射滤波片, 在泵浦功率为500 mW时, 观察到稳定锁模单脉冲耗散孤子, 光谱范围为1 005~1 140 nm, 输出激光脉冲最大平均功率为90 mW, 重复频率为3.58 MHz, 脉冲宽度为519 ps.

针对常规弹药脉冲激光周向探测系统无法精确获取目标方位信息的问题, 设计了基于磁电检测的单光束激光引信全向方位角探测方案.对磁电检测系统进行建模, 建立圆柱形永磁体转动磁场模型, 推导出磁阻传感器所测位置磁场的解析式, 验证所测磁场为一正弦磁场信号.依据此正弦信号, 设计了上升沿阈值周期检测算法, 并运用FPGA与TDC-GP21对激光回波出现时间与电机转速信号周期进行高准确度时间间隔测量实现方位角的解算.依据方案设计原理样机并编写上位机程序, 进行方位角探测实验.实验结果表明: 磁电检测系统采用多重屏蔽方法, 能有效抑制电磁干扰; 并能实时监测电机转速, 实现方位角解算, 方位角解算误差在±2°以内.满足激光引信方位角测量的高准确度、抗干扰能力强等要求.

提出了一种基于平行金属条和细金属线的双梯形二维超材料结构单元.该结构由介质板以及其两侧放置的一对反向对称梯形金属条组成.与传统二维超材料相比, 该结构在电磁波平行入射时具有双左手频带特性, 在电磁波双向入射情况下具有良好的左手频带拓展性, 且结构易于制备.利用电磁仿真软件分别模拟电磁波垂直入射和平行入射条件下该结构的电磁性能.结果表明: 该结构在两种入射情况下均能实现双负特性; 梯形上底每增大0.5 mm, 双入射情况下结构的双负特性分别向高频移动0.2 GHz和0.4 GHz.该研究对基于平行金属条的左手材料的研究以及二维左手材料的发展具有参考价值.

采用一步银铜双原子金属辅助化学腐蚀法, 室温下在多晶硅表面制备纳米陷光结构, 再利用纳米结构修正溶液在温度为50℃时对硅片进行各向异性重构, 可控制备出不同尺寸的倒金字塔陷光结构.用分光光度计测量了多晶硅表面的反射率, 用扫描电镜观察了多晶硅表面形貌, 用少子寿命测试仪测量了多晶硅钝化后的少子寿命.结果表明: 影响倒金字塔结构尺寸的主要影响因素是制备态黑硅纳米结构的深度, 当深度越深, 最终形成的结构尺寸也越大; 纳米结构修正溶液重构时间越长, 所形成的倒金字塔结构尺寸越大, 反射率也变大; 经原子层沉积钝化后的倒金字塔结构中少子寿命随其尺寸的增大而增加; 当倒金字塔边长为600 nm时综合效果最佳, 反射率为9.87%, 少子寿命为37.82 μs.

基于二向反射模型, 对碳纤维、渗碳膜、F46和OSR四种典型的空间目标样本的偏振光谱数据进行测量; 通过测算样本Stokes参量获取样品多角度下的线偏振度与偏振角信息, 并对其进行统计.结果表明, 样本线偏振度和线偏振角的均值、方差之间存在较大差异, 对比分析样本均值和方差之间的关系能有效提高目标的探测和识别性能, 可以解决传统光谱技术上产生的“同物异谱”和“同谱异物”问题; 所获取的偏振特性可为偏振遥感提供更多的光学信息.

基于加偏压的单光子光折变晶体, 理论推导了线性和二次电光效应共同主导下的亮孤子族和暗孤子族的解, 数值研究了亮孤子族和暗孤子族的强度包络和稳定特性, 讨论了线性和二次电光效应在孤子族形成中的不同作用.结果表明: 线性和二次电光效应的相互作用能够增强亮孤子族的光折变非线性, 而减弱暗孤子族的光折变非线性.此外, 在传输过程中, 亮孤子族的各个分量能够稳定传输; 暗孤子族各个分量在较长传输距离时表现出不稳定性.

干涉条纹的相位变化与干涉条纹中某一固定点的光强密切相关, 基于这一原理, 通过对干涉场光强分析, 提出并设计了一种用于干涉条纹相位锁定的控制系统.光电探测器检测干涉条纹中固定目标点的光强, 并以该光强电压作为反馈控制信号, 利用声光调制器对干涉系统中两束高斯光束中的一束进行实时频率调制, 将光强电压控制在一个固定值, 实现干涉条纹的相位锁定.构建了条纹锁定控制系统控制对象的理论模型, 通过实验进行了验证, 并基于该模型的特点设计了条纹锁定控制器.实验结果表明: 在400 Hz的控制频率下, 干涉条纹相位漂移不超过±0.04个条纹周期, 满足干涉光刻的曝光需求.

提出一种基于注入锁定和锁相环技术的注入锁相光电振荡器.利用注入锁定来改善光电振荡器的近载频相噪以及杂散抑制度.将光电振荡器的输出信号与外注入源进行鉴相, 通过锁相环来提升频率稳定性, 并进一步改善光电振荡器的近载频相噪.实验结果表明: 注入锁相光电振荡器在电滤波器中心频率为9.5 GHz、3 dB带宽为20 MHz和光纤环长度为6 km的情况下, 实现了输出信号频率为9.5 GHz的单模振荡; 当注入锁定带宽为1.98 kHz时, 光电振荡器输出信号在1 kHz频偏处的相位噪声为-125 dBc/Hz, 在10 kHz频偏处的相位噪声为-147 dBc/Hz, 杂散抑制度高于80 dB, 阿伦偏差接近1.37×10-11@1s和1.22×10-11@1000s.

基于微机电系统工艺, 设计并制作了一种电磁驱动大尺寸的二维扫描振镜.分析了两种不同的电磁驱动方式产生的力的大小, 选择驱动力较大的双极子方式作为驱动.运用有限元法模拟了器件的谐振频率静态及动态响应, 仿真结果与实际测得的结果一致.描述了振镜的工艺流程及封装方式, 并制备了振镜.实验测得振镜在120 mA静态电流驱动下, 慢轴和快轴分别能达到的最大转角为±4.5°及±5°, 慢轴及快轴的谐振频率分别为348 Hz及660 Hz, 并得到在此谐振频率下的李萨如图形.将器件用于激光成像系统之中, 使得散斑对比度下降到4.2%, 激光成像质量得到很大提升.