为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率, 搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518 nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体, 通过自发参量下转换过程产生相关光子对, 分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778 nm和1 550 nm波长点的量子效率, 并对测量不确定度进行了分析.实验表明, 该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量, 测量不确定度均优于1%.

为实现正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography, PET)探测器的作用深度(Depth Of Interaction, DOI)信息获取, 本文提出一种基于分光技术的探测器设计方案.探测器采用晶体单元与硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)一对一耦合、蛇形光路的设计和单端Anger加权读出方法进行DOI解码.基于GATE软件进行蒙特卡罗模拟, 建立8×1的LSO晶体阵列(单根晶体尺寸3.1×3.1×20 mm3); 模拟泛场照射获取位置查找表; 并进行不同深度的模拟, 获得各晶体在各深度的空间分辨率.结果显示所模拟的探测器模块DOI分辨率在1.0~6.7 mm之间, 平均值为3.2 mm.本文提出的基于蛇形光路的PET探测器方案能在维持系统成本和复杂度的前提下实现DOI解码, 提升PET系统的成像性能.

为实现长波红外无线激光通信, 建立了基于脉宽调制的长波红外无线激光通信系统模型, 对系统性能进行了分析, 给出了系统误码率的计算公式.搭建了实验系统, 对CO2激光器的平均输出光功率随占空比的变化情况进行了分析, 对不同占空比条件下接收端对应的激光平均脉冲宽度以及脉冲宽度受噪声影响的随机变化情况进行了分析, 得到了激光输出平均光功率、平均脉冲宽度与占空比之间的关系, 以及脉宽的分布规律, 并将实验结果与理论分析结果进行了对比, 在此基础上得到了脉宽最佳判决门限和系统各类工作参数同误码率之间的关系.结果表明, 基于CO2激光器的脉冲宽度调制能够实现长波红外无线激光通信.

根据光纤传输理论建立了偏芯光纤理论计算模型.采用保角变换方法将偏芯光纤不对称的三层结构转换成同轴对称的三层结构, 得到关于传播常量的特征方程, 给出了偏芯光纤弯曲损耗公式.仿真分析了偏芯光纤弯曲损耗和弯曲半径之间的关系, 结果表明当弯曲半径达到3 mm时, 弯曲损耗几乎为零, 同时得到弯曲损耗随偏芯距离的变化关系.运用Rsoft软件中的BeamPROP模块建立偏芯光纤弯曲的光学模型, 模拟仿真了弯曲的偏芯光纤中模场分布情况.仿真结果表明, 偏芯光纤的弯曲方向与纤芯偏移中心轴线方向相同的弯曲损耗小于反方向的弯曲损耗.

针对CCD图像输出时间长影响其帧频率的问题, 提出了一种基于普通CCD实现超高帧频成像的方法.采用掩膜覆盖CCD的光敏区, 建立图像的片上存储空间, 消除CCD电荷转移输出占用过多时间的影响, 可以使普通CCD的帧频达到每秒百万帧频以上.介绍了不同掩膜实现方案的优缺点, 讨论了掩膜图像的恢复方法, 采用条状孔掩膜方式建立了基于普通CCD的每秒百万帧高帧频成像系统样机, 利用氙灯对样机性能进行验证, 获得了14幅79×79像素的氙灯发光过程图像, 样机帧频率达到了每秒200万帧的超高速度.

为实现面阵相机对沿轨方向长条带区域一定重叠率的推凝视成像, 设计了高分辨 CMOS传感器的钟摆式搜索成像模型.通过长条带逐层区域划分和成像重叠率渐近变化构建, 计算了钟摆式搜索成像参量和卫星实时推凝指向姿态, 并利用多次小幅逼近的PD控制器分析了搜索成像姿态控制精度与成像像移失配量.利用高分CMOS原理样机和小卫星姿控仿真平台对P5型曲面LED靶标系统进行地面等比缩放的长条带钟摆式搜索成像仿真试验.结果表明: 帧间重叠率大于85%的钟摆式搜索成像比全凝视成像区域扩大了4倍;控制周期为10 Hz时,其姿态控制精度优于0.05°, 姿态稳定度优于0.003°/s, 搜索成像对应的图像传递函数能够达到0.141 1.

非对称空间外差光谱技术是一种新型的超高分辨率遥感探测技术, 要求后期的数据处理技术也具有相应的超高准确度.从数字信号处理的角度, 提出了一种自适应的频率跟踪处理方法, 根据信号的空间频率来插值补偿信号的相位偏移, 并且递归迭代出最接近真实值的相位信息.经仿真实验对比验证表明, 在噪声干扰强度不大的条件下, 相较于传统傅里叶变换方法, 本文算法对信号频率和相位提取的准确度提高了约100倍以上, 能够有效降低非对称空间外差光谱技术的系统误差.

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声, 提高系统信噪比, 需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路, 利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃, 满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试, 结果表明: 环境温度变化不会影响制冷效果, 在达到制冷目标温度－20℃后, CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072, 暗背景信号非均匀性下降到0.5%, 满足光谱数据反演要求.

提出一种将傅里叶与相移法结合的三维物体快速测量方法.通过时域提取精确的均值包络与频域滤波结合的方法预处理条纹, 结合基于相位半角的两步相移, 只需要两幅相移条纹图, 即可得到精确的相位信息.通过仿真和实验将本文方法与现有方法进行了分析对比, 实验结果证明, 本文方法可以获得优于现有两步相移方法的准确度, 一般测量环境下的均方根误差在3×10－3 rad以内.本文提出的方法对噪声和表面突变不敏感, 具有鲁棒性好、运算速度快、准确度高等优点, 在三维快速测量领域有较高的应用价值.

为了实现MicroRNA的快速检测, 设计了一种便携式MicroRNA快速检测仪.基于等温滚环扩增技术, 采用光电检测方法, 检测标志物受激发出的荧光光强, 建立特征荧光分析检测系统.通过改变激发光强度、MicroRNA试剂浓度等参量, 验证了该仪器可测量的MicroRNA的浓度范围为0.01~0.1 μmol, 可检测出的最低检出限为7个拷贝数, MicroRNA浓度与荧光信号强度之间为线性关系(R2=0.999 1).

为了降低基于硅基液晶拼接的动态星模拟器背景杂散光, 对传统的光学引擎进行优化, 提出一种多偏振分光棱镜组合方式, 并对其光机结构进行设计.阐述了光学引擎照明系统的设计方案, 讨论了降低视场角、增强均匀性的方法.通过Tracepro对照明光学系统进行仿真, 对照明光源设计方案的可行性进行了验证.实验结果表明: 优化后的动态星模拟器杂散光辐照度降低了2.93倍.优化后的光学引擎有效地抑制了背景杂散光, 并且增强了两片反射式硅基液晶对比度的一致性.

为了实现对用于校准能见度仪的标准散射体的快速准确定标, 通过测量标准散射体不同散射角的散射系数, 实现对标准散射体不同散射角所模拟的大气能见度进行准确定标并对定标系统进行校准.根据定标系统的组成与工作原理, 确定定标系统的校准方法并建立相应的校准链, 并设计校准链的各组成部分的校准方法.通过对已知散射系数的标准散射体进行定标, 验证校准后定标系统定标结果的准确性, 进而验证了定标系统校准方法的正确性.实验结果证明: 定标系统对标准散射体的散射系数定标结果的误差为7.93%; 经由定标系统定标的标准散射体所模拟的大气能见度的最大误差为8.61%, 满足用于校准能见度仪的标准散射体的使用要求.

基于1 550 nm垂直腔面发射激光器在平行偏振光注入下呈现的单周期非线性动力学状态, 进一步引入光电负反馈, 得到了高质量的微波信号．实验研究结果表明: 平行偏振光注入下, 通过调节注入光的注入强度及频率, 1 550 nm垂直腔面发射激光器可呈现注入锁定、单周期、倍周期、混沌等多种非线性动力学状态; 在合适的注入参量下, 平行偏振光注入1 550 nm垂直腔面发射激光器可产生光谱具有单边带结构、频率超过10 GHz的光子微波信号, 但该微波信号的线宽较宽(达MHz量级); 进一步引入光电负反馈后, 通过选取合适的光电反馈强度, 可将该微波信号的线宽减小至一百多kHz(减小两个量级以上); 在选择优化的反馈强度条件下, 仅通过简单调节注入光强度, 可实现窄线宽光子微波信号的频率在一定范围内连续可调谐．

采用统一色噪声近似构建了由乘法色噪声驱动的纯吸收型光学双稳态状态方程, 并分析了色噪声对光学双稳态的影响, 将结果与白噪声驱动的光学双稳态进行比较.结果表明: 当乘法噪声与加法噪声处在正关联时, 增加乘法色噪声的自关联时间τ, 光学双稳性的区域显著变宽, 即磁滞回线面积变大; 当乘法噪声与加法噪声处在负关联时, 只有乘法噪声较小时, 改变乘法色噪声的自关联时间τ, 光学双稳态才发生改变; 当乘法噪声的自相关时间等于零时, 本文模型退化为乘法白噪声驱动的光学双稳性状态方程.

为了能够同时检测多个开关的状态, 提出了一种基于光反馈半导体激光器的多开关状态检测系统.该系统由半导体激光器、多开关传感网络和数据采集与处理单元组成.多开关传感网络包括多个反馈光路, 每个光路由耦合器、光纤和强度反射式光开关构成.所有开关都闭合时, 系统没有反馈, 激光器输出连续光.当有开关被打开时, 光反馈使系统工作在混沌状态.根据系统输出信号的自相关曲线中与各开关位置对应处的峰值是否大于预设阈值来判断开关的状态, 通过编程令其它位置处的峰值为零来消除干扰峰.搭建了3个开关的实验系统, 分别对不同开关状态下的系统进行检测, 结果表明该系统可以准确检测单个或多个开关的状态.

为了从理论上深入分析新型无衍射光束艾里光束在有限能量条件下的远场传播特性, 首先, 从决定光波在自由空间传播的一维旁轴波动方程入手, 采用傅里叶分析法, 结合艾里函数的特殊性质, 并利用经过指数衰减的有限能量初始条件, 完整给出了有限能量条件下用于精确描述一维艾里光束在自由空间传播特性的波动方程解析解.然后, 利用所得到解析解分别对一维和二维艾里光束在自由空间的传播特性进行了研究, 重点分析了不同参量条件对艾里光束进行无衍射传播和横向自加速的影响.研究表明: 当任意横向尺度为100 μm, 衰减系数为0.03、0.05、0.07、0.1、0.2时, 二维艾里光束无衍射传播距离分别为1 014、 624、455、338、193 mm; 当横向尺度保持不变时, 衰减系数越小, 艾里光束保持无衍射传播的距离越大; 当衰减系数保持不变时, 横向尺度越小, 艾里光束横向自加速越大.所采用的研究方法也可用于研究艾里光束在介质中的传播特性.

为提高衍射效率, 设计并制作了口径为300 mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率, 实验结果表明: 衍射物镜在波长632.8 nm处的衍射效率为66.4%, 达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路, 分别采用10 μm星点孔与分辨率板, 测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44 μm, 分辨率板的极限分辨率达到84 lp/mm, 接近该系统的理论计算值, 表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.

基于付科法的离轴非球面波面再现检测技术, 通过对付科检测过程的数学分析, 建立了离轴非球面波面再现的数学模型, 提出了波面整合算法, 通过对两幅阴影图灰度值积分、去倾斜及波面整合等数据处理再现出被检离轴非球面的波面误差.在被检离轴非球面两个方向的弥散斑分别为0.152 mm和0.284 mm时, 干涉检测得到其面形误差峰谷值为1.110 μm、均方根值为0.194 μm, 且两种检测方法的波面轮廓相一致.实验结果验证了基于付科法的离轴非球面再现技术的正确性, 可以应用于指导离轴非球面在细磨粗抛阶段的加工并且实现与精抛光阶段干涉检测的有效衔接.

针对某离轴三反光学系统中的大长宽比长条形SiC反射镜镜面边缘随机振动加速度响应均方根值过大的特点, 提出一种采用“基结构法”的反射镜结构拓扑优化方法, 以随机振动加速度响应均方根值最小化为优化目标.首先对某初始反射镜结构进行有限元分析, 发现反射镜镜面边缘点Z向加速度响应均方根值过大.其次, 应用连续体结构拓扑优化思想, 以反射镜镜面边缘点的随机振动加速度响应均方根值作为优化目标, 以镜面峰谷值、镜体一阶约束频率作为约束条件, 以反射镜筋板式基结构作为优化空间, 对反射镜镜体结构进行拓扑优化设计, 得到了一种各项力学性能指标及面形精度均满足指标要求的反射镜轻量化结构.最后, 通过有限元分析与振动试验, 验证了本文设计的反射镜结构拥有良好的力学性能, 其中反射镜镜体质量相比优化前降低了13%, 镜面边缘点的Z向随机振动加速度响应均方根值降低了58%, 证明了本文优化方法的有效性.

提出了一种工作于太赫兹波段的、基于半圆柱形“不平坦”InSb基底结构的混合等离子体波导.分析了半导体材料InSb的相对介电常量随工作频率的变化特性, 重点研究了该混合波导以及两种不同形变结构的有效模场面积、传播长度、品质因数、能量分布等随波导工作频率、波导尺寸的变化情况.结果表明, 本文提出的“不平坦”基底结构波导可以达到与传统结构几乎相同的传播长度, 有效模场面积较传统结构减小了一个数量级以上, 具有非常强的模场约束性, 适合于太赫兹频段高密度集成电路中的应用.

设计了一种基于LiNbO3的长周期波导光栅可调谐耦合器.该耦合器利用长周期光栅的独有特性将输入波导的导模经包层模耦合至输出波导导模.由于LiNbO3的电光效应, 波导光栅芯层与包层的有效折射率随外加电压变化, 从而耦合器的谐振波长及耦合效率可由外加电压调谐.分析了光栅周期与耦合器的长度对耦合器带宽和耦合效率调谐范围的影响, 以及波导尺寸对谐振波长调谐灵敏度的影响.结果表明光栅周期越短, 耦合器长度越长, 则耦合器的带宽越窄, 耦合效率调谐范围也越大.此外, 谐振波长调谐灵敏度随波导宽度的增加而减小, 而波导厚度对谐振波长调谐灵敏度的影响可以忽略.对光栅周期为94 μm、长度为3.52 cm的耦合器进行仿真, 结果表明, 谐振波长灵敏度为26.2 pm/V, 3 dB带宽可达4.5 nm, 当外加电压从0变化到200 V时, 谐振波长变化5.24 nm, 耦合效率可在1到0.15之间进行调谐.

在低压金属有机化学气相沉积生长工艺中, 对用于制作850nm垂直腔面发射激光器件的GaAs/AlxGa1－xAs多量子阱外延结构的生长温度、反应室压力、总载气流量以及生长速度等主要工艺参量进行优化, 并进行了完整外延结构的生长.实验结果表明: 在700℃条件下, 得到多种组分的GaAs/AlxGa1－xAs多量子阱结构,通过光致发光谱对比测试得到的最佳组分x为0.24, 同时得到良好的表面形貌, 最终确定的最佳生长速度为0.34~0.511nm/s.

为了制备单芯片无荧光粉白光InGaN/GaN多量子阱发光结构, 利用选择性外延生长法在SiO2条纹掩膜板上生长出具有梯形形貌的GaN微面结构, 并在该GaN微面结构上生长InGaN/GaN多量子阱结构, 最终在单芯片上获得了双波长发光.结果表明: 梯形GaN微面由(0001)和(11-22)面组成, 两者的表面能和极性不同, 并且在InGaN/GaN多量子阱生长过程中,In原子和Ga原子迁移速率不同, 从而使得(0001)和(11-22)面上的多量子阱具有不同的发光波长; 该性质可以使(11-22)面的微面量子阱发出蓝光(峰值波长为420 nm), 而(0001)面的量子阱发出黄光(峰值波长为525 nm), 最终形成双波长的复合白光外延结构.

采用酞菁铁高温裂解法在镀有镍金缓冲层的硅基底上生长了碳纳米管薄膜(Ni/Au-CNT), 并采用二极结构在相同的主Marx电压下研究了其强流脉冲发射稳定性.结果表明: 在脉冲电压峰值为1.60～1.74 MV(对应的脉冲电场峰值为11.43～12.43 V/μm)时, Ni/Au-CNT薄膜首次发射的电流峰值可达331.2A; Ni/Au层不仅能提高CNT薄膜的强流脉冲发射电流峰值, 还能提高其发射稳定性; 当冷阴极重复脉冲发射7次时, Ni/Au-CNT的脉冲电流峰值衰减到初值的72%, 而Ni–CNT和Si-CNT脉冲电流峰值分别衰减到初值的62%和32%.

提出了一种红外反射器件, 通过载体液晶在电场下的转向控制胆甾型液晶聚合物粒子在器件中的排布方向, 实现红外反射与透射之间切换.其中, 胆甾型液晶聚合物粒子是实现红外反射关键.介绍了胆甾型液晶聚合物薄膜的制备方法, 并采用超声波破碎的方法制备液晶粒子.研究了液晶混合物中不同比例的交联剂液晶1对液晶聚合物薄膜脆性和反射波段的影响, 发现当液晶1占100%时, 液晶聚合物薄膜的脆性最大, 且其清亮点最高, 并且薄膜的反射波段随着液晶1比例的增加而向短波方向偏移.同时, 研究了薄膜厚度对液晶聚合物粒子的影响, 发现液晶薄膜厚度越小, 制备的液晶聚合物粒子越小且越均匀, 其制成的器件电驱动性更好.该研究有利于帮助电响应红外反射窗的性能优化.

采用氯化镉、氯化锌、硫脲、柠檬酸钠和氨水的溶液体系通过化学浴沉积法合成CdxZn1-xS薄膜, 利用X射线衍射分析、扫描电子显微镜、能谱仪和紫外可见近红外分光光度计等表征手段研究了CdxZn1-xS薄膜的形貌、相结构和光学性能, 测试了薄膜的光电流响应曲线并对薄膜的光电性能进行了分析.结果表明: 在pH值为10至13范围内成功制备了均匀的CdxZn1-xS薄膜; 随着pH值升高, 薄膜中Zn原子比例与光学带隙减小; 制备的薄膜均表现出明显的光电导现象.pH值为11和12时薄膜的表面最为平整致密, 结晶性最好, 光学带隙分别为2.92 eV和2.72 eV, 光暗电导比均为1.20, 光源关闭后电流下降过程最快, 10 s后电流分别下降了约68.55%和69.39%.

分别以纯二甲基甲酰胺、纯二甲基亚砜以及二者不同比例的混合物作为前驱体溶剂, 制备钙钛矿薄膜样品.将薄膜样品分为两组, 分别将其置于氮气氛围中进行热退火和二甲基亚砜蒸汽氛围中进行溶剂退火, 并对薄膜样品的微观结构和光电特性进行系统研究分析.结果表明, 与热退火相比, 经溶剂退火后样品的平均晶粒尺寸和均匀性显著提升, 从而减小了薄膜中晶粒边界或界面的体积分数.采用混合前驱体溶剂和后续溶剂退火增加了薄膜的厚度和可见光的利用率, 有效改善了薄膜形貌, 优化了结晶质量.同时薄膜光致发光强度的增加, 表明薄膜缺陷态密度降低.采用优化后的钙钛矿薄膜作为吸收层制备太阳电池, 其光电转换效率达到15.7 %.