为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应, 实现远距离无线光通信, 对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯菲涅尔原理以及Rytov相位近似法, 推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真, 并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明: 随着传播距离的增加, 部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减, 主瓣逐渐扩散; 在传播足够远时, 其旁瓣逐渐消失, 主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长, 光束的光强分布保持越完整.

为了研究混合粒子的不同混合方式对星地量子卫星通信的影响, 根据灰霾粒子与水云粒子的谱分布函数, 以及不同混合方式下的消光系数, 提出了外混合方式中星地量子信道衰减的计算关系, 建立了内混合方式中的Core-shell信道衰减模型; 分析了在不同混合方式下, 混合粒子的粒径比与信道平均保真度、信道误码率之间的定量关系.仿真结果表明, 当混合粒子的粒径比分别为0.2和0.8时, 外混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.39和0.27,0.8和0.8,0.003和0.009; 内混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.8和0.21, 0.94和0.81,0.018和0.021.由此可见, 灰霾粒子和水云粒子的不同混合方式对量子卫星通信性能的影响有显著差别.因此, 在实际的量子卫星通信系统中, 应根据混合粒子的不同混合方式自适应调整系统的各项参量, 以提高星地量子通信链路的可靠性.

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法, 可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先, 利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像; 其次, 基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率; 最后, 结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明: 本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高, 其中与能见度仪相比, 相关系数在0.89和0.95之间, 与激光雷达相比, 相关系数在0.95和0.97之间; 在1 km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%, 在远距离条件下, 与能见度仪测量结果相比, 4 km和6 km平均相对偏差最高分别为15%和30%, 与激光雷达测量结果相比, 4 km和6 km平均相对偏差最高分别为9%和18%.

研制了一套探测低层大气二氧化硫的车载可移动激光雷达系统.该系统选用的差分波长对为300.05 nm和301.50 nm.光源采用两台NdYAG激光器分别泵浦两台窄线宽染料激光器经过倍频来获得.激光经过合束、扩束后与望远镜同轴发射.后向散射信号被近牛顿式望远镜接收后, 通过光电倍增管转换为电信号, 然后被数据采集卡采集, 最后用来反演二氧化硫分布廓线.在淮南地区进行了针对近地面水平探测的外场实验, 结果表明, 在0.8~3.0 km范围内, 当晚二氧化硫浓度在20 μg·m-3上下波动, 气象部门地面仪器结果为18~22 μg·m-3, 实验结果与仪器结果具有可比性.

为了研究大气湍流对自由空间量子密钥分发的性能影响, 将大气湍流建模为空间中随机分布的空气球泡, 利用几何光学原理分析单光子在湍流球泡中的传播, 定量计算了经过两次折射后由于偏振态变化造成的光子透射率比值k和误码率Ep的起伏, 利用蒙特卡洛方法模拟了湍流折射率随机变化时二者的趋势; 最后推导了经过湍流折射后的诱骗态空间量子密钥分发成码率公式并通过分析误码来源得到满足成码率需要的k值上限, 建立偏振误码率与入射角和湍流折射率的关系并得到Ep的安全阈值.仿真结果表明当入射角在44.8°~76.5°, 湍流折射率在1~1.33范围内可以满足误码率的上限约束.该研究为湍流条件下进行空间量子通信实验提供了理论参考.

通过分析基于L-C耦合跨阻运放电路的散粒噪声探测器噪声来源, 提出了电感的寄生电容对电子学噪声影响的分析模型, 并进行了实验验证.研究表明, 电感的寄生电容会增大跨阻运放的输入电压噪声增益, 从而增加探测器的电子学噪声.当总电感值为1 mH时, 选用两个0.5 mH的电感串联结构相比选用单个1 mH的电感, 探测器电子学噪声明显降低.由于电感的自共振频率越低, 寄生电容越大, 选用高自共振频率的电感有助于进一步降低电子学噪声.实验测量得到, 在2.5 MHz分析频率处, 选用两个0.5 mH、自共振频率为6 MHz的电感串联相比选用单个1 mH、自共振频率为1.6 MHz的电感, 电子学噪声的降低了3 dB.在相同入射激光条件下, 该改进模型可以有效提高探测器的信噪比.

采用改进型Sagnac干涉光栅写入系统, 利用532 nm准带隙光曝光源和带+1/-1衍射级的相位掩模板, 在两种不同直径的低损耗As2S3硫系玻璃光纤上刻写布喇格光栅, 并研究曝光期间光栅的动态特性.实验表明, As2S3光纤布喇格光栅透射峰值随光纤直径的减小而增强; 在曝光过程中, 布喇格波长先是较快地向短波长方向移动, 随着曝光时间的延长, 布喇格波长缓慢地向长波长方向回复.曝光时间为800~1 000 s时, 在包层直径为140 μm的As2S3光纤上获得质量良好的布喇格光栅光谱, 其透射峰值可达-2.6 dB, 带宽为0.37 nm.对As2S3硫系光纤纤芯的光敏性分析结果表明, 折射率调制幅度和平均折射率变化随曝光时间分别可达到10-4和10-3数量级.

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案, 通过对入射光束的光强重新排布, 降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失, 提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布, 比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明: 高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下, 通过合理调整入射光束腰大小, 光能利用率分别可达到99%和96%以上, 远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布, 发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.

光学微球腔因其回音壁模式可获得极高的品质因数而受到广泛关注.本文分析了Fabry-Perot腔和微球腔的基本原理,通过CO2激光熔融光纤实验制得了直径为1.2 mm的微球腔,并测试了微球腔和锥形光纤耦合结构的耦合特性.采用典型的PDH稳频系统设计了基于微球腔的稳频系统,分析了用于鉴频的误差曲线的吸收特性和色散特性,对比了不同调制频率、微球腔直径、耦合损耗、传输损耗下与误差曲线斜率的关系.结果表明: 耦合状态下最大Q值可达到1.1×108,调节微球腔内横磁模和横电模的转换可优化耦合效率,匹配微球腔和锥形光纤的尺寸得到了径向二阶模式的透射谱,误差曲线效率达到15.4A mW/MHz.球腔在提高PDH稳频技术灵敏度上具有巨大潜力.

双马赫-曾德干涉仪型分布式光纤传感系统因灵敏度高而易受环境噪声及系统噪声的影响, 使得利用直接互相关算法计算扰动信号位置存在较大误差.采用二次互相关算法, 先对两路接收信号做互相关运算, 再与其中一路信号的自相关结果做互相关运算, 通过对两路信号的时延估计对扰动信号定位, 减小了噪声带来的误差并提高计算准确度.对该算法进行了理论仿真和分析, 搭建了实验装置进行了实验验证.实验结果表明, 与采用直接互相关定位算法结果比较, 采用本文算法能够有效提高系统对扰动信号的定位准确度, 且具有较高的实时性.

为了补偿光纤色散对高速信号传输的限制, 提出一种全固双层芯色散补偿光子晶体光纤.首先对该光纤模式耦合特性进行理论分析, 然后利用多极法进行模拟计算, 得到该光纤包层结构参数与色散值以及相位匹配波长之间的关系, 并对其规律进行研究.通过优化光纤结构参数, 得到在1 550 nm处, 色散值达到-32 620 ps/(nm·km)、损耗为0.29 dB/km、与标准单模光纤的熔接损耗为4.77 dB的色散补偿光纤.该光纤可补偿1 910多倍长度的SMF-28单模光纤的色散, 补偿能力远大于常规色散补偿光纤.与空气孔-石英结构色散补偿光子晶体光纤相比, 全固色散补偿光子晶体光纤具有易制备、易与传统通信光纤熔接等优点.

提出一种包层开槽型分布布拉格反射光纤激光器, 用于光纤激光折射率探测.该激光器以单纵模双偏振分布布拉格反射光纤激光器为核心传感单元, 以结构双折射产生的拍频信号为传感信号对折射率进行探测.实验中应用频率编码, 灵敏度高且易于解调.利用二氧化碳激光器的热效应对分布布拉格反射光纤激光器的谐振腔加工开槽, 通过控制其扫描范围和功率来制备不同宽度和深度的开槽结构, 并研究了不同结构参量对灵敏度特性的影响.实验测得最优灵敏度达-240 MHz/RI-unit .此外, 还对该结构的温度传感特性做了测试, 相较于未刻槽结构, 温度灵敏度提高了21%, 达1.73 MHz/℃.该装置结构紧凑、稳定性高、制备简单且成本低廉, 可用于进一步研究分布布拉格反射光纤激光器的传感和复用特性.

采用全矢量有限元方法进行光纤设计优化, 得到横截面上失去两层空气洞的双芯光子晶体光纤, 可用于液压传感.优化的双芯光子晶体光纤的模场半径和数值孔径与单模光纤基本一致, 在优化的双芯光子晶体光纤和单模光纤之间有一个相对较低的熔接损耗.计算结果表明由模场半径和数值孔径导致的不匹配造成的总共损耗可低至0.026 dB, 低于传统光子晶体光纤和单模光纤0.1 dB的直接熔接损耗.对基于20 cm双芯光子晶体光纤的液压传感器的性能进行研究, 结果表明在0~500 MPa量程内的灵敏度为-1.6 pm/MPa.

考虑到少模光纤单模工作时具有低非线性以及损耗、色散保持特性, 提出基于少模光纤单模工作的量子-经典信号同传方案.使用Optisystem构建了基于少模光纤单模工作的量子-经典信号同传模型, 分析了其传输性能, 并与现有的基于单模光纤的量子-经典信号同传模型进行了对比.结果表明所提模型可以有效降低现有模型中的非线性效应和信号串扰, 将误比特率降低了两个数量级, 显著提高了信号的传输质量, 可用于量子保密通信大规模网络化.

针对基于梯度变换的图像增强算法抗噪声干扰能力差的问题, 引入曲率滤波理论, 提出了基于高斯曲率滤波和梯度变换的图像增强算法.该算法通过对图像梯度场进行非线性变换来增强图像对比度, 通过构造能量泛函, 采用梯度下降法从变换后的梯度场重构出增强后的图像, 并利用高斯曲率滤波对梯度下降法迭代过程中的重构图像及其各阶偏微分进行平滑, 有效解决了图像重构过程中的噪声非线性放大和扩散问题, 同时保留了丰富的细节信息.采用多组边缘模糊图像进行仿真实验, 实验结果表明该算法在增强图像边缘对比度的同时, 能够有效抑制噪声.

为了有效滤除医学脊椎模型的噪声点, 同时更好地保持模型细节,提出了一种基于双边滤波算子的医学脊椎去噪模型.采用双边滤波在多尺度条件下进行脊椎三维模型轮廓线的提取, 设计改进自适应扩散系数, 以更好的优化控制整个扩散过程.根据图像的离散特征, 建立相应的离散迭代方程, 使迭代过程离散化, 并设计迭代停止准则, 当去噪平滑后的图像模型与噪声相关性最小时停止迭代.与经典的向异性扩散模型方法实验结果相比, 本方法在解决去噪方面达到了很好的滤波效果, 同时也较好地保持了医学图像的边缘细节特征, 大大优于传统滤波算法.

单一特征识别的钨矿石初选准确率低, 稳定性差, 本文提出结合模糊支持向量机和D-S证据理论相的多特征钨矿石识别方法.对矿石图像预处理后, 分别提取矿石的颜色、灰度和纹理等3类视觉特征, 对这3类视觉特征进行模糊分类得到各自的信任度, 再以这3类信任度为独立证据, 采用D-S证据理论对3类证据进行融合, 并依据分类判决规则得到最终的识别结果.试验结果表明, 通过D-S理论对模糊向量机证据的融合, 钨矿石初选的正确识别率达到96%以上, 其准确率和稳定性较单一特征均有大幅度提高, 满足生产过程中初选工艺的要求.

为实现水下中低频声信号的探测识别, 通过研究水下多声源相干探测信号的特征, 理论上给出了相干探测信号频谱混叠情况下的特征表达式, 并提出了一种基于Hilbert变换的信号解调处理方法, 实现了水下多声源相干探测信号频谱混叠情况下各声源发声频率的解调.该方法将探测信号经过滤波平滑处理之后进行Hilbert变换, 得到信号的解析形式, 然后对解析信号模值的平方进行二次滤波平滑等处理, 分离混叠在一起的频带, 将得到的信号进行频谱分析, 根据频移值计算得到水下各个声源的发声频率.在光学暗室下搭建激光相干探测系统, 对2~6 kHz的水下声信号进行实验, 实验结果表明, 该方法可以有效分离探测信号中混叠在一起的信号频带, 并准确提取各水下声信号的发声频率, 频率提取重复性不大于2.5Hz.

提出一种基于克莱姆正则化分析法的三帧自标定相移阴影莫尔三维轮廓技术.该技术首先采用移动光栅的方法获得相移条纹图, 然后通过不同帧相移条纹图相减去除条纹图背景, 进而结合克莱姆正交化法和最小二乘法, 发展了一种相位解调方法, 提取了测量相位.以五步Harlharan算法为参考, 用不同算法对同一物体表面进行测量.结果表明, 相对于典型的三步相移法和主量分析方法, 提出的方法测量得到的相位误差最小(<0.5 rad), 且简化了测量过程.

为实现基于微多普勒效应的旋翼目标激光探测与识别, 研究了面目标旋翼对激光回波的调制作用.利用物理光学法中面元散射回波叠加原理, 构建了矩形面旋翼的微多普勒激光回波模型.通过仿真, 利用时频分析方法提取了异于线目标模型的微多普勒特征.机理分析证实该特征反映弦长即旋翼横向尺寸信息, 据此提出了相干探测激光回波的矩形旋翼弦长计算方法.不同展弦比旋翼的回波仿真结果与理论公式吻合较好, 验证了该方法的有效性.误差分析表明, 与进行单一窗长条件下的短时傅里叶变换相比, 利用改变窗长的方法分别提取时间、频率信息可有效减小弦长计算误差至1.58%.该模型可实现对旋翼飞行器弦长尺寸的计算, 为进一步的旋翼形状探测识别提供了依据.

针对双目水下图像匹配不满足空气中常规极线约束的问题, 提出一种基于深度约束的半全局算法以实现水下稠密立体匹配.首先采用深度约束确定匹配过程的深度约束搜索区域.然后, 基于深度约束区域将绝对差值和梯度计算推广到二维区域并进行加权融合.在深度约束区域内的搜索过程中, 采用胜者为王的策略确定某一视差值下的最佳行差及最佳行差下的匹配代价, 并将其作为能量函数的数据项应用于半全局算法中, 进行匹配代价的聚合.最后采用抛物线拟合法得到亚像素级的稠密视差图.在水下图片上进行的稠密立体匹配结果表明: 相较于其他半全局匹配算法, 本文算法在极大提高运行速度的前提下, 可以获得良好的水下稠密立体匹配效果.

以菲涅尔偏振反射理论为依据, 将入射光进行电矢量分解, 推导出影响眩光强度的偏振因子, 并分析该因子在眩光消除中所起的主导作用.根据成像检测模型, 推导出决定眩光位置和眩光区域大小的位移因子, 并分析该因子在眩光消除中起的辅助作用.测量工业上某种工件在相同环境中不同条件下的图像, 将所得图像数据进行抽样对比, 得到在不同偏振和不同位置情况下的图像灰度变化曲线.分析灰度变化曲线与偏振及位置的关系, 并对所提出的理论加以验证.结果表明眩光消除的本质是降低眩光区域与邻域区域之间的光强对比度, 对位移因子和偏振因子的联合调动可实现对眩光几乎完全的消除.

利用光学设计软件Zemax设计了一套具有6×, 10×, 16×, 25×与40×放大倍率的五档式数码裂隙灯显微镜光学系统.在传统体视裂隙灯显微镜光学系统结构的基础上将数码型裂隙灯显微镜划分为共用前置物镜、伽利略望远镜、摄影物镜三部分, 用平行式伽利略望远镜系统结构来改变倍率.研究了共用前置物镜、伽利略望远镜及摄影物镜的光学特性与技术指标要求, 选取了合适的透镜类型.在共轴时拥有良好的成像质量基础下, 将光学系统过渡到非共轴情况, 再进行优化.优化后除40×时衍射极限较低外, 在6×, 10×, 16×, 25×情况下系统调制传递函数曲线值在空间频率为115 lp/mm处基本大于0.2, 点列图显示不同倍率下的弥散斑大小均基本小于艾里斑.该光学系统具有良好的成像效果, 且整体结构简单, 易加工, 成本低, 其性能很好地满足了整机要求.

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定, 提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法, 以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先, 根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统, 对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析, 选取消彗差的Czerny-Turner结构; 其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化; 最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明, 在400~1 100 nm的工作谱段范围内, 光学系统的光谱分辨率小于2 nm, 设计结果满足要求, 有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.关键词:

设计了基于LabVIEW控制的激光扫描光学断层成像系统, 该系统以准直激光器为光源, 高精度四维平移台为样本定位单元, 光电倍增管为采集单元, 实现了针对小鼠肺等小尺寸样本的三维成像.该系统空间分辨率优于20 μm, 成像视野大于1 cm, 通过对离体小鼠肺器官的自发荧光成像, 展示了系统的操作流程、成像结果和初步生物应用, 并探索了它对整个生物器官组织的成像能力.与传统生物医学光学成像方法相比, 该方法具有光子收集效率高、成像样本尺寸大、系统操作简单等优点.

提出了一种基于金线填充的双芯光子晶体光纤超短偏振分束器, 并进行了有限元分析.金线表面激发的表面等离子激元与双芯光子晶体光纤纤芯模之间的强烈耦合, 导致更短的偏振分束器长度和更大的工作带宽.与同类的偏振分束器相比, 所提出的偏振分束器能同时实现较短的长度和较高的消光比.数值结果表明, 长度为 0.263 mm 的偏振分束器, 在波长 1.55 μm 处消光比达 -70 dB, -20 dB 消光比带宽为 124 nm.

为解决传统拉曼放大器增益系数低和增益不平坦的问题, 采用级联光子晶体光纤的设计方法设计了一种增益平坦的拉曼光纤放大器.采用受激拉曼散射效应的稳态分析理论, 分析了光子晶体光纤的拉曼增益谱, 建立了拉曼放大器的理论模型.通过解耦合方程, 推导了实现增益平坦的约束条件, 发现光纤长度和泵浦功率是影响拉曼光纤放大器增益平坦度的两个参数.仿真结果表明, 在1 508~1 544 nm的带宽范围内, 实现了一个增益高达21 dB, 增益平坦度仅为0.14 dB的光子晶体拉曼光纤放大器, 可在光纤通信系统应用中发挥重要作用.

为了进一步探索用绝缘体上晶体硅制作的浅刻蚀脊形波导侧向泄漏损耗的规律, 提出并研究了一种非矩形截面浅刻蚀绝缘体上晶体硅脊形波导.用光的干涉理论建立该波导的周期性损耗模型并推导出损耗周期公式, 然后通过完美匹配层边界条件下的频域有限元法仿真观察该特殊波导类TM0模的侧向泄漏损耗周期的变化与最大损耗点的偏移现象.周期大小的仿真结果与理论计算符合度较高, 其平均相对误差仅0.56％.此外, 发现该类波导在某些沟槽宽度下可以通过改变截面来实现对类TM0模损耗从最大到最小的调节, 而在另外一些沟槽宽度下, 类TM0模损耗对截面变化不敏感.研究结果可以简化波导加工并提高制作容差, 为该类型波导的设计与制作提供参考.

在金属板与电介质材料板基底间插入色散特异材料板形成三明治结构, 并对其Casimir作用力进行了研究. 基于Casimir-Lifshitz理论, 通过麦克斯韦应力张量计算了真空涨落的辐射压, 并对三明治结构利用电磁模式传输矩阵方法进行了数值计算分析. 计算结果表明, 原本两板结构中存在的Casimir吸引力, 在插入特异材料板后的三明治结构中将转变为斥力, 从而使轻薄的金属板产生量子悬浮效应。讨论了特异材料板的色散电磁响应特性以及电介质板基底的影响, 结果表明特异材料磁等离子频率越大、磁共振频率越小以及电介质板基底的介电常数越小时, 三明治结构中获得的斥力越大. 此外, 板间距增加到一定范围时, 三明治结构中将出现Casimir平衡回复力.特异材料填充因子越小、三明治结构中层距和层厚越大时, 三明治结构间的回复力会出现在较长距的位置. 三明治结构中的量子悬浮效应与平衡回复力可保证微纳米机械系统稳定性, 展现出基于真空辐射压的应用前景.

研究原子在金属结构中的自发辐射时引入单层石墨烯薄膜, 利用石墨烯特殊的光电特性来调控原子的自发辐射率.推导了局态密度与自发辐射率的格林函数表示形式, 并结合频域有限差分方法进行了数值模拟.分析结果表明: 随着化学势的增大, 自发辐射波峰出现蓝移现象, 且自发辐射率波峰得到增强, 理论上实现了原子自发辐射率峰值位置与幅度的调制.研究结果可以为新型纳米器件及光电子设备的制造和优化提供参考.