以OPO激光器为光源, 设计了一台激发波长在192~2 750 nm范围内连续可调谐的激光雷达系统.分光系统由可旋转光栅和小孔光阑构成, 通过调节光栅的衍射角, 实现不同波长回波信号的有效接收.光电倍增管用于紫外和可见光波段回波信号的光电转换, InGaAs探测器用于红外波段回波信号的光电转换.后续数据采集及处理由专用采集系统和PC机完成.利用美国标准大气模型对系统在不同波段的探测能力进行数值仿真, 验证了系统的可行性.该系统实现了激光雷达激发波长的大范围扩展, 对精细反演近地表气溶胶微物理特性具有重要的研究意义.

收集高分一号光学遥感图像对南中国海东沙岛北部第二模态内孤立波进行研究, 对2014年4月至10月期间的光学遥感图像处理.结果表明: 第二模态内孤立波分布在东沙岛的北部, 在第一模态内孤立波后方; 与第一模态内孤立波相比, 第二模态内孤立波的波峰线短, 长度约为第一模态的20%至40%; 第二模态内孤立波的表面亮暗间距小, 宽度约为第一模态的10%至50%.高分辨率光学遥感图像可用于第二模态内孤立波精细结构的研究, 为定量研究内孤立波的能量传播、破碎和耗散提供依据.

以杠杆悬臂传感梁为基础, 设计了支点可调式称量传感单元, 通过调节支点位置实现不同量程的称量传感灵敏度可调控制, 并且可以实现温度误差补偿.理论分析表明, 结构一定的传感单元, 支点与支座间距离存在临界阈值, 当支座间距离等于该阈值时, 称量传感灵敏度等于零; 随着支座间距离的增大灵敏度逐渐减小并趋向于稳定.实验表明, 在0~200 g的范围内, 称量传感的平均线性度大于0.998, 理论灵敏度与实验灵敏度之间的平均相对误差为6.46%, 可满足不同量程的不同灵敏度的称量应用.

利用高频CO2激光单侧曝光技术及双芯光纤的非对称性, 设计并制作了一种长周期光纤光栅弯曲矢量传感器.成栅机理分析表明, 光纤边缘处嵌入的纤芯极大地增强了包层中的残余应力, 在CO2激光脉冲曝光时, 残余应力释放作用增强, 光栅质量更高; 同时, 双芯光纤的非对称结构以及CO2激光单侧曝光使得光纤器件对偏振非常敏感, 写制的光纤光栅在1 555.4 nm谐振波长处的偏振相关损耗高达20.8 dB.弯曲传感测试表明, 在0~1.235 m－1曲率范围内, 光纤光栅向+y方向弯曲时, 透射谱谐振峰波长向长波方向漂移, 灵敏度为2.37 nm/m－1; 光纤光栅向－y方向弯曲时, 谐振峰波长向短波方向漂移, 灵敏度为1.80 nm/m－1.该弯曲矢量传感器结构简单, 灵敏度高, 可广泛应用于道路、桥梁等建筑的安全检测.

建立了半平面体与光纤布拉格光栅传感器双向耦合的应变传递理论, 得到表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器测量应变与半平面体应变之间的关系.将理论解、有限元解和实验数据进行对比以验证该理论的正确性, 并分析了应变传递率与半平面体弹性模量、半粘结长度的关系.结果表明: 理论解与实验值非常接近, 误差在4%以内, 应变传递率随着半平面体弹性模量的增大、半粘结长度的增长而逐渐增大, 对光纤布拉格光栅传感器的设计和应用具有一定的参考价值.

设计了一种基于U型结构的单模光纤表面等离子体共振折射率传感器, 采用在移除部分包层并弯曲成U型固定后的单模光纤表面镀金纳米层和TiO2调制层的方式, 实现表面等离子体共振的激发.利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics, 研究了不同弯曲半径和TiO2调制层厚度对传感性能的影响.通过对四种弯曲半径(R=0.3 cm,0.5 cm,0.8 cm,1 cm)的分析, 结果表明随着弯曲半径增大, 表面等离子体共振信号强度增大且峰值波长有微小的蓝移.在弯曲半径为0.5 cm的条件下, 研究了TiO2调制层厚度从0变化到40 nm对传感器性能的影响, 结果表明随着TiO2调制层厚度增大, 表面等离子体共振峰峰值波长红移且对外界折射率变化的灵敏度显著增大.在弯曲半径为0.5 cm, TiO2调制层厚度为40 nm的条件下, 传感器在低折射率区(nd=1.333)灵敏度达到了5 959 nm/RIU, 高折射率区(nd=1.383)灵敏度达到了11 092 nm/RIU.与没有调制层的结果相比, 灵敏度提高了一倍左右.

为提高薄膜菲涅耳透镜成像性能, 采用无波前传感的自适应光学系统对菲涅耳透镜点目标成像的波前像差进行实验校正.像差校正控制采用随机并行梯度下降算法, 以远场光斑像清晰度函数为优化指标, 算法迭代数十次后收敛.系统闭环校正后, 焦平面光斑等效半径缩小了43%, 二阶矩为0.997 5, 接近理想极限1, 像清晰函数值和峰值光强提高了一倍, 光强的半高全宽达到1.2倍衍射极限, 调制传递函数的中频分量显著提高.实验结果表明该方法结实现构简单, 能快速、有效地校正菲涅耳透镜波前像差, 改善系统的成像性能, 可应用于大口径、轻量化的空间望远镜.

在完善基于有限元分析的跨平台综合优化流程的基础上, 获得了反射镜最优结构参数,并通过21阶Zernike多项式面形拟合得到球差是导致反射镜形变过程中面形精度退化的主导像差模式.根据有限元优化得到的最优结构参数研制了第二块气动驱动渐变厚度变曲率反射镜样片(口径135 mm, 中心厚度8 mm, 初始曲率半径2 807 mm)并进行了曲率变化能力及面形精度保持试验研究.研制工艺的改进使本文所研制的变厚铝合金反射镜初始面形精度优于λ/80(632.8 nm), 当驱动气压达到约0.07 MPa时, 反射镜中心形变量接近37 μm并且去掉球差影响后的面形精度可以优于λ/40(632.8 nm).与前期所研制的第一块样片相比, 第二块样片的中心形变能力以及面形精度保持能力均显著提升.

针对复杂空间环境下光学遥感器的成像性能模拟测试需求, 设计了一种大动态辐照、高对比度的空间环境模拟系统, 包括太阳模拟器和暗目标模拟器.根据空间太阳光及地表反照光的辐照特性, 采用氙灯电流调节及增加多孔衰减屏法实现太阳模拟器的大范围辐照度可调.通过对材料表面进行散射特性分析, 设计了具有光陷阱结构的暗目标模拟器, 以模拟相机视场内的暗弱观测目标.实验结果表明: 该系统可以出射光斑尺寸为1 000 mm×1 000 mm, 辐照度范围为0.4~1 260 W/m2, 辐照不均匀性可达±4.82%, 暗目标模拟器的消光比可达1×10－7.该装置解决了空间强干扰光背景下暗目标成像性能的定量化测试难题, 为光学遥感器的成像性能检测提供了一个可靠的平台.

在弹光调制测晶体电光系数系统中, 对弹光调制器工作控制和调制信号数据处理进行了优化设计, 并实现一种灵敏度高、测量快速、成本低和系统集成度高的晶体电光系数测量方案.针对弹光调制及调制信号的特点, 采用现场可编程门阵列完成弹光调制器的工作控制和测量数据的提取.现场可编程门阵列提供弹光调制器工作电压信号, 控制模数转换器的采样频率, 同时产生正弦和余弦参考序列来提取直流项、一倍频项的同向分量和正交分量, 并输入计算机中求解得出晶体电光系数.对铌酸锂样品进行了测试, 实验结果表明系统重复度和灵敏度为0.0016×10－12 m/V, 测量速率为1ms/数据点.较其他晶体电光系数测量方法, 本文方法具有更高的测量灵敏度和更快的测量速率, 为实现弹光调制测量晶体电光系数的智能系统奠定了基础.

为实现利用采用紫外波段对海水溢油污染进行监测, 采用了回转半径为1 500 mm的双向反射分布函数测量装置和工作波段为300~400 nm的大视场紫外成像仪, 对海水溢油紫外反射光谱特性进行研究.对三种油样品进行了外场试验, 试验结果表明: 海水溢油紫外光谱双向反射分布函数测量装置不确定度为3.68%; 在天顶角0°和30°, 相对太阳方位角0°和45°时, 原油样品与海水的双向反射分布函数在紫外波段差别较大.因此, 可利用此状态下300~380 nm工作波段的紫外光学遥感仪器监测海水溢油状态.

针对图像边缘检测过程中噪声抑制与细节保留不能兼顾的问题, 提出一种基于Bertrand曲面模型的边缘检测算法.在确定像素级边缘的基础上, 选取沿边缘方向的带状域为拟合区域, 利用Bertrand曲面具有沿母线各点的法线与母线共面的性质, 将拟合曲面区域内的像素点信息转化为边缘曲线的活动坐标, 并对转化后的像素点坐标和归一化灰度值进行拟合, 求得亚像素边缘到像素级边缘的法向距离, 实现图像亚像素边缘的检测.用视觉测量系统对量块直线边缘进行实验, 并与改进Facet曲面拟合亚像素边缘检测算法比较, 说明基于Bertrand曲面模型的边缘检测算法具有较高的定位精度, 测得一等量块的直线度误差在1 μm以内, 多次测量的误差平均值为－0.811 μm, 可靠性高.通过机油泵泵体测量实例, 说明本文算法可以应用于机械零件的精密测量, 尤其适用于中心距、孔径等的测量.

针对高精度星敏感器在地面标定实验中与测试设备准确对接的实际要求, 设计一种纳米级星敏感器标定用五维微调整机构.详细分析了光轴对准误差对敏感器测试的影响.为保证对接精确性, 提出了搭积型调整架机械结构的设计思想; 论述了二维平移和三维调整模块的设计方案; 对调整机构进行了仿真建模和力学分析.对设计的微调整机构进行验证性实验, 结果表明: 位移分辨力可以达到25 nm, 角度分辨力可以达到0.1角秒, 且稳定性高.设计的微调整机构可以满足星敏感器与测试设备准确对接的技术指标要求, 确保了星敏感器定标结果的可信度.

介绍了一个结合速率方程、泵浦光功率和输出激光功率的轴向微分方程以及温度的径向微分方程的碱金属蒸气激光器的物理模型.在充分考虑泵浦光和激光光斑半径的轴向分布以及它们光强的径向分布的基础上, 模型再现了实验测量得到的有激光输出与无激光输出情况下蒸气池内的峰值温度, 对应50 W、220 W和370 W的泵浦光, 在有激光输出情况下的峰值温度分别为346℃、480℃和696℃; 在没有激光输出条件下的峰值温度分别为321℃、414℃和609℃, 总体温度曲线与实验一致.模型计算所得的猝灭的产热量在有激光输出时占总产热量的85%左右, 在无激光输出时则占95%以上, 这是因为猝灭涉及的跃迁能级的能级差较大, 且所占热源区域较宽, 能在更大的范围内产生热量, 因此猝灭在温度计算中非常重要, 不可忽略.

为提高自动准直效率, 结合以太网, 设计出一套新型光路自动准直控制和检测方案.该方案采用基于耦合矩阵的前馈补偿及图像Jacobian矩阵的近远场串并行准直方式, 并引入局部自适应阈值和二值化算法, 同时将模糊控制算法运用到步进电机的调整过程中, 提高光束近远场图像的处理精度, 降低系统的准直时间.实验结果表明, 该准直系统远场的平均调整误差为空间滤波器小孔直径0.44%, 能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求, 准直时间由原有的30 mins缩短至12 mins左右.

实验研究了纳秒激光辐照下不同材料的工程陶瓷表面的抗激光损伤能力, 并与不锈钢、铝合金等金属材料进行了对比.结果表明, 不同材料的工程陶瓷表面抗激光损伤特性不同; 氧化铝陶瓷的损伤阈值最高, 氮化硅陶瓷的损伤阈值较低.与金属材料相比较, 工程陶瓷表面损伤阈值比不锈钢和铝合金高.由于材料的熔点和热传导率等热力学特性不同, 不同的陶瓷材料具有不同的损伤阈值和损伤形貌.理论分析了不同材料抗激光损伤阈值的差异; 陶瓷材料的吸收系数远远小于金属材料, 吸收系数通过影响能量沉积区域和有效热扩散速率影响材料温度的演化过程, 最终影响着材料的激光损伤阈值和损伤特性.实验结果为高功率激光装置中对抗激光损伤能力要求较高的机械支撑材料的选择提供了指导.

在飞秒激光打孔硅材料过程中, 为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响, 建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21 J/cm2, 符合实验模型测得的阈值0.20～0.25 J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr, 等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5 J/cm2增大到3.0 J/cm2, 烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1 μm, 同时脉宽从150 fs减小到50 fs, 烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时, 基于时域有限差分法, 控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃, 激光能量越接近孔底中心, 越易引发该范围内的等离子体激发; 且在不同偏振态光束辐照下, 孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构, 可使后续脉冲能量集中孔底中心区域, 打孔效果更好.

以三价铕离子为单一铕源, 采用化学共沉淀法制备了二价铕与三价铕共掺杂的SrSO4荧光粉体材料.通过X射线衍射仪、扫描电镜、光致发光谱仪对该荧光粉的晶体结构、形貌、光致发光特性进行分析.研究发现: 所合成的SrSO4粉体材料为二价铕与三价铕共掺杂的SrSO4微晶, 其大小在1~10 μm之间.在325 nm 的紫外光激发下该微晶能发射很强的绛红色荧光, 其光致光谱由一个位于379 nm 的宽发光带和位于575 nm、591 nm和612 nm的三个窄发光带组成.基于局域密度近似的密度泛函理论, 计算了SrSO4的能带结构及其氧缺陷能级, 然后以能带结构为基础讨论了二价铕与三价铕共掺杂SrSO4的发光机理.峰位于379 nm的宽发光带可归因于SrSO4微晶中二价铕离子发光中心的4f65d1→4f7的电子跃迁, 而三个红色窄发光峰分别来自三价铕离子5D0→7F0, 5D0→7F1, 5D0→7F2的电子跃迁.实验表明二价铕与三价铕共掺杂的SrSO4能作为高效的绛红色荧光粉.

为解决空间桁架、框架等复杂结构的稳定性, 对其基本单元组成的空间梁声子晶体的带隙结构进行研究.运用行波法对梁单元的拉压、扭转、弯曲以及三者耦合的振动方程进行求解, 并结合梁声子晶体节点处力和位移的连续性条件和Bloch定理, 正向推导出空间梁声子晶体的色散方程和带隙特.运用遗传算法以相对带宽为目标函数(带隙总宽度与带隙下限角频率比值)对空间梁声子晶体的材料和结构尺寸进行优化, 得到多组可行解并结合工程经验和经济效益逆向获得特定带隙位置和宽度的最优空间梁声子晶体结构, 为空间梁声子晶体带隙结构研究提供了新思路.

根据激光通信系统中捕跟和通信探测器的实际应用情况, 分别使用消光比和单像元信噪比两种方案评价卡塞格伦光学天线的收发隔离能力,提出了在卡塞格伦光学天线次镜打孔和增加光陷阱的方式抑制后向散射的方法.推导得出当卡塞格伦光学天线次镜开孔的孔径比为0.1~0.3时不影响发射效率, 测试结果表明: 改进后的卡塞格伦光学天线收发隔离度优于－40 dB, 并满足激光通信系统光学天线捕跟和通信的使用要求.

为实现马赫-曾德尔调制器(MZM)任意偏置工作点的稳定控制, 提出了一种基于平均光功率斜率值和余切值的复合控制算法, 实现了利用FPGA技术的工作点稳定控制.首先分析了MZM偏置点稳定控制的必要性, 然后研究了控制算法的理论基础, 并在Matlab平台上进行了数学仿真验证, 最后搭建了MZM偏置工作点稳定控制系统.当激光器的输出光功率为5 dBm, MZM半波电压为4.2 V, 插入损耗3 dB, 输入脉冲为方波信号, 1 Gbps和1Mbps通信速率下, 1小时内MZM输出光信号的平均功率波动小于±5%.实验结果表明, 该方案实现了MZM任意偏置工作点的稳定控制, 有效的提高了MZM在光通信中的可靠性.

根据气体探测系统灵敏度的要求, 基于甲烷气体红外吸收光谱特性, 结合工艺经验确定了滤波器的技术指标.采用“拆分技术”对气体滤波器进行膜系结构设计, 降低了膜层产生的应力.通过电子束加热蒸发沉积薄膜, 根据测试结果逆向分析, 优化工艺参数.所研制的滤波器在7.669 μm波长处峰值透过率达到85.14%, 通带半宽度为59 nm, 覆盖了甲烷气体吸收区域, 截止区达到了OD3, 很好地抑制了背景噪声.

提出一种基于长程表面等离子体的介质-金属纳米线阵列-非线性介质复合全光调制器.考虑克尔效应对折射率变化的影响, 采用时域有限差分法分析了金属纳米线直径、介质层厚度和泵浦光强度对反射谱的影响, 通过合理配置金属纳米线和介质层的参数提高调制器的耦合性能, 并在此基础上分析不同强度泵浦光的反射特性.结果表明: 当金属纳米线直径为40 nm, 介质层厚度为1 800 nm时, 全光调制器的模式耦合能力达到最强.反射谱的反射率与泵浦光强度的变化呈线性关系, 相关系数为0.998 1, 且只需要0.5 GW/cm2功率的泵浦光就能使入射光的反射率从0.015提高到0.82, 较好地实现光信号对光的全光调制.

基于严格耦合波分析法分析了亚波长光栅波前调控的方法, 设计了具有凸透镜、锥透镜和闪耀光栅功能的三种亚波长光栅结构, 以平面方式制备了具有聚焦和闪耀效果的三种微纳结构波前调控器. 计算了不同光栅厚度、光栅齿和光栅槽宽度下的光栅透射率, 通过选择合适光栅参数组合, 得到三种波前调控器透射率均在97%以上.硅基平面结构与常规结构器件性能相比, 平面和常规透镜、锥透镜在聚焦效果上, 焦斑的半高全宽近似相等, 峰值强度提高了1.64和2.35倍; 平面相对常规闪耀光栅的峰值强度提高了3.77倍.

基于多角度动态退偏振光散射的短碳纳米管测量方法, 通过对不同散射角度下测得的结果进行线性拟合, 减少了角度不准确产生的误差, 改善了测量系统的重复性.研究了多角度动态光散射测量短碳纳管基本原理, 搭建实验测量系统, 并基于光子计数卡以LabVIEW为平台开发了信号采集和处理系统, 采用标准短碳纳米管溶液对本测量方法进行了标定测试.在散射角为90°、100°、110°、120°、130°和150°下对标准短碳纳米管样品的直径和长度进行了测量, 并且将测量结果与单角度(90°)测量法进行了比较.实验结果表明: 直径和长度的多角度动态退偏振光散射法测量重复性误差分别为6.27%和6.36%, 小于单角度测量法的重复性误差(13.22%和12.45 %).

在分析角度误差对测量结果作用机制的基础上, 采用不同的角度误差, 通过对六组单峰(82 nm、104 nm、350 nm、431 nm、816 nm和865 nm)和三组双峰(137/601 nm、242/750 nm和470/895 nm)颗粒体系的模拟数据及306 nm/974 nm双峰颗粒体系实测动态光散射数据的反演, 研究了权重估计和基线计算两种途径中角度误差对反演结果的作用. 结果表明, 角度误差对颗粒粒度分布反演结果的影响是由基线计算和权重系数估计的双重作用途径产生的; 权重因素对峰值和性能误差的影响明显大于基线因素, 仅在小颗粒窄峰测量时, 基线因素对峰值误差的影响略超权重因素, 但权重因素对性能误差的影响仍然大于基线因素.

设计了一种表面镀有Ag涂层且具有内凹弧度的圆锥形钨(W)针尖, 运用时域有限差分法建立了针尖-球形样品结构的针尖增强喇曼散射模型, 研究了针尖增强效应及参数优化配置.采用波长632.8 nm光源斜入射激励方式, 对模型的针尖增强喇曼散射效应进行电磁场仿真计算, 获得了模型在不同光源入射角度、样品粒径、针尖-样品间距下的增强电场强度和针尖增强喇曼散射增强因子.研究结果表明: 当光源入射角为72°、样品粒径约为140 nm、针尖-样品间距达到2 nm时可产生最大的增强因子, 达到104量级.该结果为制备高增强效率的探针针尖, 及其在高空间分辨率和高检测灵敏度喇曼光谱仪中的实用化提供了参考依据.

从空间X射线通信传输理论出发, 首先对X射线通信的功率传输过程进行研究, 以加性高斯白噪声信道模型与自由空间损耗为基础, 分析了深空X射线通信的信道特征及功率传输过程、推导了功率传输方程, 建立了通信链路模型; 其次, 分析了深空X射线通信系统的误差来源, 建立了基于单光子探测器的噪声模型, 并给出了主要噪声来源的数学表达式, 从而确定了通信核心参数通信距离、通信速率、误码率与信号功率之间的关系; 最后, 对不同阳极高压与不同调制方式下探测器端信号光子数进行实验监测, 对功率传输方程及误差模型进行验证.实验结果表明, 所给出的功率传输方程与误差模型可以对空间X射线通信过程进行较好地解释.根据此模型, 计算了在满足一定的误码率和传输距离要求时对X射线源出射功率的要求, 为空间X射线通信研究建立了理论基础, 为核心元器件的研究指明了下一步的方向, 同时有望对空间X射线通信的工程化提供一定的参考.

基于辅助微分方程的时域有限差分法对太赫兹波在时变等离子体中的麦克斯韦方程进行推导, 利用本构关系建立了含有尘埃颗粒的时变等离子体模型, 模拟了随时间变化的尘埃等离子体鞘的吸收系数, 反射系数和传输系数.数值计算结果表明: 电子密度的增长速度受上升时间的影响,导致等离子板的反射系数随上升时间的增加而减小.吸收系数的增加与减少上升时间和频率、增加电子密度和尘埃粒子密度有关; 等离子板的厚度、尘埃粒子密度, 电子密度与吸收系数成正比, 当波的工作频率高达1 500 GHz时, 只有电子密度小于1020 m－3才可以通过等离子板, 等离子板的反射系数几乎不受碰撞频率小于3.5×1011 rad/s的影响.