为了克服折射率测量过程中温度交叉敏感的影响, 提出并制备了一种少模光纤长周期光栅传感器.该传感器利用CO2激光器在少模光纤上先写入周期为654 μm、长度为30 mm的长周期光栅, 然后用旋转平台将光纤旋转180°, 再写入相同长度周期为819 μm的长周期光栅制作而成, 其传输光谱在1 487.2 nm和1 533.0 nm处出现两个由不同模式耦合形成的谐振峰, 通过监测两个谐振峰差值的变化减少温度串扰, 实现折射率的测量.实验结果表明：两个谐振峰差值在折射率1.333 3~1.376 6范围内的灵敏度为143 nm/RIU, 在温度20~70 ℃范围内的灵敏度为-0.002 5 nm/℃, 温度灵敏度远低于折射率灵敏度, 具有对温度不敏感的特性.与传统光纤传感器相比, 该传感器具有温度干扰小, 折射率灵敏度高等优势, 并且尺寸较小、结构紧凑, 可在工业、水利、医学等领域广泛应用.

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退, 为了评估其极限传感寿命, 从光纤光栅传感原理出发, 理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式, 以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值, 提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命, 以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值, 对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时, 2支传感器达到极限传感寿命, 1支传感器接近极限传感寿命, 即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明, 提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下, 光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.

基于800 nm飞秒激光脉冲对标准单模光纤采用非载氢技术刻写长周期光纤光栅的机理进行了研究.搭建了水平、垂直双CCD视频监控的飞秒激光脉冲逐点刻蚀长周期光纤光栅系统, 研究了光栅长度、激光脉冲能量和光栅占空比等参数对光栅光谱特性的影响.研究结果表明, 当光栅周期长度不变, 光栅周期数和激光脉冲能量的变化使光栅谐振峰强度发生变化, 光栅透射谱是单峰的; 光栅占空比的改变导致光栅谐振峰由单峰转变为多峰.在谐振波长1 540 nm处, 得带谐振峰强度达到15 dB、带外损耗不足2 dB, 在3 dB衰减处带宽为15 nm的谐振透射谱.

利用彩色数字全息系统获得哑铃形试件表面的三维形变场.通过试件线性区域的三维形变场计算得到的TC4钛合金材料的杨氏模量为90.79 GPa, 同时, 使用应变仪测量出该材料杨氏模量为99.05 GPa.实验结果与传统应变仪检测结果接近, 表明彩色数字全息测量材料杨氏模量的方法有效可行.该方法具有实时记录、全视场、非接触等特点, 可以适应高温环境下材料服役过程中的实时检测.

建立了数值与物理方法结合的参考透镜法, 对离轴数字全息显微系统进行畸变相位校正.对离轴全息图进行频谱分析, 通过频谱滤波、移位的数值方法对一次相位畸变进行校正.在参考光路中引入参考透镜, 根据频谱中心能量判别参考透镜的轴向最佳位置, 利用物理方法对多次相位畸变进行校正.在相位校正理论分析的基础上, 结合实验用参考透镜法验证其有效性和准确性.微台阶表面形貌测量结果表明, 参考透镜法能够准确校正相位畸变, 通过校正的相位可以获取44 nm标准微台阶形貌数据, 测量标准差能够达到0.8 nm, 且测量结果与轮廓仪测量结果一致.表明参考透镜法能够有效、准确地校正离轴数字全息显微系统的畸变相位.

针对高分辨率合成孔径雷达图像设计了一种舰船目标几何特征提取算法.通过视觉注意机制检测目标区域的算法, 通过频谱残差视觉显著计算模型求取显著图, 完成显著区域的检测以实现舰船目标的初步定位, 基于获得的视觉显著图采用最大熵算法完成阈值分割筛选出舰船区域.在提取的舰船切片的基础上, 采用针对几何特征的提取算法, 经图像预处理、方位角估计、旋转获取最佳表征舰船目标几何轮廓的外接矩形, 相对有效准确地提取几何特征; 最后, 采用典型的TerraSAR-X数据进行仿真实验.结果表明, 与传统方法相比, 本文提出的频谱残差视觉模型完成合成孔径雷达图像舰船切片的区域分割能够有效降低虚警率, 舰船目标的检测速度提高了25%~50%.该方法能够快速稳定地提取舰船目标的几何特征, 也更加符合实际高分辨率图像舰船目标检测的应用需求.

为解决稳像过程中局部运动分量导致的全局运动估计不准确问题, 提出了一种实时电子稳像方法.该方法提出基于最小生成树的特征点迭代筛选算法, 采用相邻帧图像特征点最小生成树的相似度衡量特征点匹配精度, 剔除错误匹配的特征点和局部运动前景上的特征点, 避免了局部运动分量的影响. 采用自适应加权法修正相邻帧之间的仿射变换矩阵, 解决由于运动前景遮挡造成的背景特征点数量稀少进而导致的稳像晃动问题. 针对相机跟拍与随机抖动分量混合问题, 提出基于运动矢量队列的双卡尔曼滤波器, 自适应地修正卡尔曼滤波器的测量噪声协方差, 动态调整滤波平滑性能, 有效处理同时包含相机跟拍运动与随机抖动分量的视频, 保留相机跟拍分量.实验表明, 该方法对于视频图像中包含局部前景运动和相机跟拍运动的情况, 对比其他3种方法, 仍可以保持良好的稳像效果; 在Intel Core i5 3.30 GHz CPU下, 对于640×360分辨率的彩色图像序列可达到40FPS的稳像帧率, 并且运算过程中无需利用下一帧图像信息, 具有实时稳像的优点.

为了提高激光3D投影校准系统的校准可靠性、获得最佳校准参数, 根据校准系统的基本原理, 提出了一种将激光3D投影观测值求解模型与校准参数求解模型结合的方式, 来建立激光3D投影校准模型的方法.该方法采用两个步骤进行激光3D投影校准系统的校准参数的求解.第一步是通过等距法建立激光3D投影观测值求解模型, 引入模型初值的求解, 这种初值的设计结果避免了该求解模型运用的牛顿迭代法呈现的弊端.第二步通过四元数法建立校准参数求解模型.仿真结果显示, 在H、V上施加服从正态分布的均值为0、标准差σ=0.5″的误差后, 该激光3D投影校准系统求解模型误差RMS在0.3 mm以内, 同时, 采用激光跟踪仪作为对比基准验证了本方法的可靠性及校准精度, 在3 m至5 m的定位空间范围内, 最大误差在0.4 mm以内, 满足激光3D投影系统的投影定位精度.即该校准模型可实现对激光3D投影校准系统校准参数的求解, 且校准精度高, 校准方法收敛速度快, 提高了系统校准工作速率, 为激光投影系统的研制提供了新的算法思路.

为了避免平行平晶测量时前后表面干涉的影响, 基于点源异位同步移相原理, 提出一种均匀性绝对测量方法.测量分为平行平晶前后表面干涉测量、平晶透射波前测量、干涉仪空腔测量三步.每步通过在同一时刻抓拍的四幅移相干涉图恢复波前, 最终由三次测量结果计算平行平晶的均匀性分布.在非抗振平台上测试了一块厚度为60mm的光学平行平晶, 被测样品均匀性偏差的峰谷值为ΔnPV=3.32×10－6, 均方根值为ΔnRMS=2.63×10－7.检测结果与波长调谐干涉仪测量结果的峰谷值偏差为ΔPV=5×10－7, 均方根值偏差为ΔRMS=－7×10－9, 具有较高的一致性.所提方法在环境振动条件下对平行平晶均匀性检测精度可达1×10－6.

巨型科学可控反射镜(GSSM)缩比模型(GSSMP)的子孔径拼接误差的分析可以指导GSSM的面形检测工作.GSSMP子孔径拼误差包括子孔径刚体位移误差以及中频扰动.对子孔径刚体位移误差而言, 合理的靶标布置以及最小二乘算法的使用, 可将误差量级降低到计算机可分辨的最低程度, 即不引入算法误差; 同时也降低了对测试执行部件的精度要求.对中频扰动误差而言, 可结合标准平面镜与干涉仪对实验环境中大气湍流的影响进行估计.除此之外, 对子孔径拼接顺序带来的误差进行分析.最后, 基于三十米望远镜的面形评价方法, 即斜率均方根对上述误差进行换算表征.算法修正后, 子孔径对准误差为 10－6 μrad、子孔径平移误差为10－6 μrad、子孔径倾斜误差为10－6 μrad以及大气扰动误差为0.04 μrad.利用信噪比来表征拼接顺序所带来的影响, 使用一个子孔径作为基准进行拼接的情况下, 拼接顺序带来的影响小于2%.本文的拼接算法, 可以在较低的机械精度下, 利用靶标对准与合理的拼接顺序, 达到较高的拼接精度.

利用啁啾光纤布拉格光栅作为光谱滤波器和色散控制元件来控制掺镱保偏锁模光纤激光的光谱形状和腔内色散.实验装置采用线性腔设计, 利用半导体饱和吸收镜作为锁模器件, 实现掺镱保偏光纤激光器的被动锁模激光输出.当泵浦功率为52 mW时, 获得了脉冲宽度为4.26 ps, 重复频率为15.7 MHz, 平均功率为9.8 mW 的稳定锁模脉冲激光输出.输出激光中心波长为1 030 nm, 3dB谱宽为7.2 nm, 对应理想傅里叶变换极限脉宽约为150 fs.

研制了一款小型化的激光诱导击穿光谱系统.光源采用低能量、高重频的二极管泵浦固体Nd: YAG激光器, 分析了激光重频和激光能量对光谱信号的影响.激光器工作在重频4 kHz、单脉冲能量为745 μJ、脉宽为17ns时, 得到了7条铅元素的特征谱线.与单脉冲激光诱导击穿光谱系统相比, 不仅特征谱线数量增加, 光谱的信噪比也提高了73%。简化的系统设置和低的激光能量使得激光诱导击穿光谱技术能够应用于更多领域.

结合光注入半导体激光器的单周期动力学态与光电环路, 提出了一种可获得频率大范围可调、窄线宽的光子微波信号的方案并进行了实验研究.结果表明, 光注入半导体激光器在一定条件下能够实现单周期振荡, 且光子微波信号的频率在8~67 GHz范围内连续可调; 在合适的注入参数下, 获得了频率为24.3 GHz且光谱具有单边带结构的光子微波信号; 通过引入光电环路结构, 能够有效地将该光子微波的线宽由8.6 MHz压缩至30 kHz, 并获得了40 dB以上的信噪比.

为了保证微型空间相机的超轻反射镜的面形精度和稳定性, 提出一种串联双轴片式柔性支撑结构.以多工况下超轻反射镜面形为目标, 应用集成优化方法对该支撑结构进行优化设计, 并对优化后的结构进行重力和温度工况下的静力学分析, 各工况下反射镜面形均方根值均在3.5 nm以内, 远优于设计指标.对研制的反射镜组件粘接强度进行校核, 并对其动力学性能进行有限元分析和试验验证.结果表明, 柔性支撑结构与反射镜粘接面积为1 138 mm2,反射镜组件的X、Y、Z三向的一阶频率都在500 Hz以上.有限元分析结果与试验结果的相对误差均在6.5%以内, 验证了有限元分析模型的正确性, 表明该串联双轴片式柔性支撑结构设计合理, 集成优化方法可靠.

设计了一种非球面变焦光学系统, 解决了NA 1.35浸没式光刻照明技术中内外相干因子调节、能量利用率不足、模块使用寿命短的问题, 所设计的非球面变焦系统包括三个镜组、光阑面和像面.系统入瞳直径42 mm, 视场角1.89°, 实现焦距范围700 mm~1 830 mm, 变倍比2.61, 共使用七片透镜, 并在三个凹面表面采用了非球面设计.设计结果表明, 该系统成像质量优良, 点列图均方根直径均小于40 μm, 畸变均小于0.5%, 设计结果满足浸没式光刻照明系统的使用要求.

提出了一种基于自相位锁定技术提升光电振荡器稳定性的方法.通过监测光电振荡器环路中自身相位的变化来反馈控制光可调延迟线, 提升光电振荡器输出频率稳定性.采用噪声模型进行了理论分析, 并进行了实验验证.结果表明, 带有反馈控制回路的自相位锁定光电振荡器在4 000 s内的频率漂移量小于0.9 ppm, 其稳定性较自由运行的光电振荡器有了大幅度的提升.

采用解析表达式的方法对一种一维光子晶体结构模型进行理论分析, 通过三维时域有限差分数值计算仿真孔洞型一维光子晶体各结构参量对其带隙特性的影响.仿真结果表明孔洞周期和半径、InGaAsP波导宽度、下包层折射率以及填充系数等参量的变化都会对其带隙带宽和中心频率产生较大影响.设计具有特定谐振波长的一维光子晶体纳米梁腔实例, 得到的谐振波长为1 561.7 nm、品质因子达104 量级.带隙特性的研究对于由一维光子晶体构成的光子集成器件如激光器、调制器等具有重要的指导意义.

建立了亚表面损伤深度与抛光参数的关系模型, 探究集群磁流变抛光后单晶蓝宝石亚表面损伤深度与集群磁流变抛光参数的关系, 研究了抛光参数对亚表面损伤深度的影响规律, 运用正交实验验证了模型的合理性.实验中使用白光干涉仪作为测量工具, α-Al2O3抛光液作为抛光液, 每个实验因素选择三个水平, 结果表明：集群磁流变抛光中, 单晶蓝宝石亚表面损伤深度与磨粒粒径和抛光压力有关, 亚表面损伤深度随着抛光压力和磨粒粒径的增大而增大, 抛光压力对亚表面损伤深度的影响远大于磨粒粒径.当抛光压力和磨粒粒径分别为25 kg和280 nm时, 经过100 min抛光, 亚表面损伤深度最小值达到0.9 nm.在集群磁流变抛光中抛光压力是影响亚表面损伤深度的主要因素, 当抛光压力为25 kg时, 集群磁流变抛光可快速去除亚表面损伤.

基于表面等离子激元理论提出一个由金属-介质-金属波导和半环切口组成的波导结构,应用时域有限差分法研究了该结构的透射特性.仿真结果表明：透射光谱中产生一个类似法诺共振线形的共振谷, 该法诺共振由半环切口中连续态与离散态的相互干涉所致, 其共振波长可以通过改变半环切口的结构参量进行调节, 该结构灵敏度约为575 nm/RIU, 品质因数可达5 671.添加一个矩形谐振腔于该结构上可产生多重法诺共振, 品质因数为6 555, 此特征能为波导结构的设计提供极大的灵活性,有望在光学集成回路、纳米传感器方面得到比较广泛的应用.

基于深亚微米CMOS工艺, 设计了一种采用非接触式P阱保护环来抑制边缘击穿的单光子雪崩二极管结构.采用器件仿真软件Silvaco Atlas分析了保护环间距对器件的电场分布和雪崩触发概率等特性的影响, 结合物理模型计算了所设计器件的暗计数概率和光子探测效率.仿真和计算结果表明, 保护环间距d=0.6 μm时器件性能最优, 此时击穿电压为13.5 V, 暗电流为10－11A.在过偏压为2.5 V时, 门控模式下的暗计数概率仅为0.38%, 器件在400~700 nm之间具有良好的光学响应, 500 nm时的峰值探测效率可达39%.

对AlGaInAs多量子阱FP TO-56半导体激光器在不同环境温度、相同发热量下测量出光波长的变化来分析器件波长温度变化系数; 并对器件在室温、不同发热功率下的出光波长变化进行测量, 分析计算得到器件热阻为183K/W.接着对器件进行不同高温应力试验, 结果显示：环境温度从120℃增加至220℃时, 器件峰值波长发生缓慢蓝移; 当环境温度达到225℃时, 器件波长发生明显蓝移, 从试验前1 297 nm蓝移至1 265 nm; 温度继续增加至235℃, 波长蓝移至1 258 nm, 同时光谱模式间隔从试验前0.92 nm降低至0.84nm, 即模式有效折射率从3.66增加至3.77; 温度继续增加至240℃, 器件失效无光.其主要原因可能为：高温应力下, 激光器外延材料中波导层、量子阱量子垒中的Al、Ga、In金属元素往有源区方向迁移使得量子阱有效禁带宽度以及有源区波导折射率增大.该试验结果为进一步分析器件高温下器件的失效机理以及改善器件高温性能提供试验基础.

反射型量子点半导体光放大器(R-QDSOA)相较于传统RSOA具有皮秒级的载流子恢复速率和几十GHz的调制带宽, 将其应用在高速的波分复用无源光网络(WDM-PON)中具有巨大的潜力. 根据R-QDOSA的载流子速率方程和光场传输方程, 建立了R-QDSOA的仿真模型, 对其在增益饱和情况下的高通特性进行研究. 研究结果表明: 通过增加输入光功率、最大模式增益、有源区长度和减小注入电流, 可提高最大信号增益和3 dB截止频率; 通过合理的参数设置, R-QDSOA的3 dB截止频率可高达10GHz以上. 该研究在无色WDM-PON的再调制方面展现了巨大的优势, 并对提高R-QDSOA调制带宽具有理论指导意义.

为了提高空间振幅调制光谱偏振测量系统中光谱偏振数据和图像的采样精度, 对偏振调制模块-双复合光楔调制器的消色差特性进行了研究.根据双复合光楔的消色差原理及其结构形式, 分析了不同双折射晶体材料构成的双复合光楔调制器相位延迟量的一阶导数与晶体材料双折射率、楔角的关系, 并利用Matlab软件数值模拟寻找最优组合.基于理论分析, 采用KDP-石英组合与石英-石英组合进行对比实验, 结果表明：KDP-石英组合一级亮条纹相位延迟量对波长的一阶导数数值小于石英-石英组合, 证明了KDP-石英组合消色差特性优于石英-石英组合, 其结果与理论分析一致.

提出了一种基于Pancharatnam-Berry(PB)相位调控产生混合偏振矢量光束的方法.按照光轴随空间坐标变化的规律, 用相位延迟为π的PB相位元件对PB相位进行操控, 获得局域偏振为线偏振的矢量光束, 将此矢量光束入射到四分之一波片, 产生混合偏振矢量光束.通过测定斯托克斯参数重构输出光场的偏振分布, 实验结果表明：当以θ0=0的线偏振光入射时, 输出光场包含庞加莱球上垂直于S3轴经线圆上所有偏振态的混合矢量光场; 当以θ0=π/2的线偏振光入射时, 输出光场包含庞加莱球上垂直于S1轴经线圆上所有偏振态的混合矢量光场.

多峰颗粒体系粒度及其分布的测量是动态光散射技术的难点, 本文在Tikhonov正则化方法的目标函数中加入具有平坦约束功能的惩罚项, 增强对解的约束提高对多峰颗粒体系的反演性能.190/443 nm、282/953 nm、457/553 nm双峰分布颗粒体系、564 nm单峰分布颗粒体系和292/591/889 nm三峰颗粒体系的模拟数据, 以及306/974 nm、300/502 nm双峰颗粒体系的实测数据的反演表明, 在正则化反演中增加具有平坦约束功能的惩罚项, 可有效消除反演的颗粒粒度分布中出现的毛刺与虚假峰, 提高算法的峰值分辨能力和抗噪能力.该研究在发挥多角度动态光散射技术测量中、大超细颗粒时具有信息量多的优势, 实现宽范围的双峰及多峰分布颗粒体系的准确测量.

为了研究近红外光在皮肤组织中的传播, 建立了人体皮肤组织模型, 包括不同入射波长下表皮、真皮、皮下组织的吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子.结合皮肤组织的光学性质, 采用蒙特卡罗方法分析了1 000~1 900 nm范围内, 光源-探测距离不同时近红外光在皮肤组织中的传播过程和分布特点.结果表明：光子运动路径长度和穿透深度均随光源-探测距离的增加而变大, 而漫反射归一化能量随光源-探测距离的增加而变小.选取光源-探测距离为0.45 mm, 当入射波长为1 550 nm时, 光子运动路径长度为1.806 mm, 穿透深度为0.467 mm, 漫反射光归一化能量为0.001 85.根据蒙特卡罗模拟结果, 分析和设计了一种光纤探测结构, 这种分叉光纤束由18根光源光纤和4根探测光纤构成, 每根光纤间距均为0.45 mm并且刚好紧凑相邻.最后, 仿真计算了光纤收集到的漫反射光能量及照度分布.假设入射光功率为1 W, 则探测器接收的漫反射光功率为0.598 mW, 这为便携式检测光谱仪器的设计提供了参考.

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量, 采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布, 以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布, 根据总光强分布反演液滴折射率和粒径, 讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000 μm区间的液滴, 高斯光束位于中心入射时, 反演折射率的误差小于2.38×10-4, 粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比, 采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区, 较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响, 又可以提高信号强度.

卫星的光度数据与卫星的姿态、材质、观测角度等多种因素有关, 仿真计算往往无法获取这些因素, 导致仿真计算结果无法与实测进行对比.针对仿真结果无法通过实测进行验证的问题, 结合卫星工具箱中卫星运动场景, 分别通过实验测量与仿真计算获取卫星光学散射特性的时序数据.实验测量中, 在实验室内模拟太空光学环境, 实现实验过程中卫星模型姿态与卫星工具箱中卫星姿态的并行分析, 保证了测量的准确性.仿真计算中, 采用基于前期空间目标常用材质双向反射分布函数实测数据拟合出的双向反射分布函数模型, 且考虑卫星表面材料褶皱对空间目标光学散射特性的影响, 提高仿真精度.此外, 设计了一个轨道参数为：半长轴a=7 716.14 km, 偏心率e=0.001, 轨道倾角i=58°, 近日点幅角ω=36°, 升交点赤经Ω=345°, 平近点角M=231.1°, 相位角变化范围为38°～98°的三轴稳定卫星运动场景, 通过实验测量与仿真计算获取该场景下卫星的光度数据, 发现二者趋势相同, 幅值相近, 相关系数为0.69.

结合视觉注意机制, 通过大量主观实验定量地对影响立体图像视觉舒适度的色度因素进行了研究.首先, 结合视差图和平面显著图获得立体显著度图, 再利用模糊隶属度和掩膜对其优化得出最终的显著立体图像, 并采用眼动仪对所得显著立体图像的合理性进行验证; 然后, 采用由粗到细的逐级逼近法获得实验数据, 利用视觉感知正常的被试者进行主观实验, 得到不同场景显著立体图像的舒适色度匹配图和差异图.实验结果表明, 左右视图舒适色度区间会随着不同场景而不同, 双目视图舒适色度差异值平均最大可为122.5°, 即左右视图色度差异不能过大.所得舒适色度范围很好地反映了立体图像的舒适度, 不仅为立体信息的质量评价提供了评判依据而且为立体内容的制作提供了更有力的技术支撑.