为了满足空间光电系统对复合探测的需求, 本文针对一种波导栅极薄膜空间复合探测用微通道光电倍增结构展开制备工艺方法研究.从微通道板光电倍增和空间电子束分流调制的角度出发, 阐述波导栅极薄膜复合探测器件工作原理以及在制备过程中的约束条件;为了确定栅极结构的制备特性参数, 依据适用于低能电子在多元介质中发生散射的物理模型, 分别研究了栅极复合薄膜膜层厚度、入射电子能量对波导栅极薄膜中入射电子渡越轨迹的影响;通过汲水法获取自支撑有机隔离薄膜采用优化电阻热蒸发镀膜技术,实现了波导栅极薄膜的纳米尺度制备, 并利用可视化的手段对其复合膜层结构予以表征; 最后, 从复合探测功能角度在专用真空测试系统中验证了该栅极薄膜复合器件的可行性.

选取光电倍增结构探测器, 在聚(3-己基噻吩)(P3HT)∶［6,6］-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)中掺入小比例碳60(C60)作电子陷阱, 研究了在陷阱辅助作用下引入阴极空穴隧穿注入产生光电倍增的机理以及C60浓度对器件光电性能的影响.当电子陷阱C60浓度为1.5 wt.%时, －0.5 V偏压下探测器在波长为455 nm、光功率为0.21 mW·cm－2光照下外量子效率为436.4%, 响应度为1.62 A·W－1, 比探测率为2.21×1013 Jones, 线性动态范围约为100 dB.光照下部分光生电子被活性层中的陷阱俘获, 特别是在靠近阴极Al处的电子积累, 将诱导阴极空穴隧穿注入, 结合利用体异质结探测器低工作电压的优势, 可大幅提高光电流, 从而获得低工作电压、高比探测率的探测器.

针对恒虚警下雪崩光电二极管输出信号、噪声与倍增因子相互影响的问题, 分析了雪崩光电二极管自身噪声、背景辐射对其探测性能的影响及恒虚警补偿方式的原理, 建立了背景辐射与恒虚警下倍增因子的关系模型.对模型进行了实验验证, 并通过仿真分析了不同虚警概率、阈值电流、噪声电流下背景辐射与倍增因子的关系.结果表明：倍增因子会随背景辐射的增大而减小, 且减小速率逐渐减缓; 当背景辐射不变时, 虚警概率或阈值电流的增大都会使倍增因子增大; 热噪声与放大器噪声有效值之和对倍增因子影响较大, 而暗电流对倍增因子的影响较小.

针对在近地面场景下, 红外图像的背景杂波较难抑制、红外小目标检测率较低的问题, 提出了一种基于曲率的近地面红外小目标检测算法.将图像看作一张三维曲面, 分析目标与背景在曲面形状上的差异, 并使用曲率表征这种差异;利用Facet模型计算图像四个方向的一阶与二阶方向导数, 对于一阶方向导数搜索其过零点区域,并利用过零点区域的二阶方向导数构建方向曲率图;融合四个方向的方向曲率图, 得到最终的曲率图并进行自适应阈值分割实现目标检测.利用四组不同场景下的红外序列图像对算法进行验证, 实验结果表明, 本文提出的算法在信杂比与背景抑制因子方面都大于10, 均高于其他算法, 同时在低于6×10－4的虚警率下就能达到100%的探测率, 明显优于其他算法.

针对暗通道先验时间复杂度高的问题, 提出一种多局部模糊核融合的盲去模糊算法.该算法采用并行方式分块求解局部模糊核, 利用局部模糊核的形状相似性将其融合为一个全局模糊核(点扩散函数).对于初步融合的全局模糊核上出现的噪点, 利用其邻域的情况进行关联性调整, 进一步改善融合效果.实验和统计分析结果表明, 该算法在保证去模糊效果的情况下, 有效提升了图像去模糊的速度, 在部分真实模糊图像的局部细节还原上效果更佳, 并且可以很好地处理大尺寸的模糊图像.

采用超短激光脉冲对一台四通道超高速分幅相机曝光过程进行时间扫描, 测定超高速分幅相机时间响应特性.通过对四个通道的同时测定, 给出最短曝光时间下相机所有通道的时间响应特性曲线.由此曲线得到相机各通道的实际曝光时间、开/关门时间、曝光过程中的响应变化以及四个通道不同的响应特性等诸多信息.通过对相机时间响应特性的测定, 考核相机的实际工作性能与工作状态, 并为实验数据解读提供参考.超短激光脉冲扫描法可以作为高速摄影类设备时间响应特性测定的标准方法.

为了提高波前探测过程中的波前采样频率, 提出了一种基于二元互补模式的波前重构方法.该方法利用二元互补调制模式下获得的远场焦点光强信息对光场实部进行重构, 进而通过光束的光强分布对光场虚部进行重构.该方法避免了额外调制模式的使用, 将波前重构过程中所使用的调制模式的数量缩减为原有方法的2/3, 提升了波前采样频率.通过数值仿真对光强分布不均匀的待测光束的波前进行了重构, 并利用实验对倾斜像差进行了测量重构, 验证了该方法的可行性.

以三次相位板为例, 基于菲涅尔积分法建立了相位板横向偏移量与成像系统离焦量之间的函数关系.由于解码图像中伪影现象的产生是由编码点扩散函数和解码点扩散函数的不一致引起的, 可将伪影现象作为成像系统离焦量的评判标准.结合相位板横向偏移量与离焦量的关系和产生伪影现象的物理内涵, 提出了大景深成像系统中物体离焦量的测定方法.该方法可同时获取目标的离焦像差图和大景深、无伪影的解码图像, 并对所提出的方法进行了实验验证.此外, 本文所提出的方法同样适用于其他奇对称型相位板, 这进一步拓展了奇对称型相位板景深延拓成像系统在实际应用中的范围.

在主动照明强度相干成像方法中, 考虑相干性变化对成像频谱模值的影响.建立上行链路光场空间相干性变化模型; 引入相干因子建立基于相干性变化的强度相干成像模型; 仿真相干性变化对强度相干成像频谱模值的影响; 最后设计实验验证模型的正确性, 分析所提模型和原模型恢复频谱模值与真实频谱模值的峰值信噪比.结果表明：在有激光主动照明时引入相干性因子是必要的,不同湍流相干长度下峰值信噪比较原模型提高了3.6%~6.2%.基于相干性变化建立的强度相干成像模型恢复的频谱模值质量更好.

针对目前航天光学相机在轨定标方法存在更新周期长、时效性不强的问题, 提出一种将光学自准直原理应用到星上监测的实时在轨定标方法.在卫星载荷系统内部加装准直光源、呈影面阵CCD和棱镜等器件, 将相机焦距、光轴夹角等参数的变化转化为光斑影像的变化, 提取并处理光斑影像位置的变化量, 求解出线阵相机参数的变化量, 实现快速、高效的在轨监测.通过搭建实验平台验证了本文方法的可行性, 俯仰和横滚方向参数的监测精度小于1″, 测量误差优于0.1″.

为适应微电子制造装备中精密位移反馈装置的要求, 提出并设计了一种新型宏微复合光栅尺测量系统.测量系统采用LabVIEW虚拟仪器系统高速采集图像数据, 通过图像处理算法对放大后的光栅栅纹进行边界处理, 将其细化为线再转化为像素点, 并补偿运动过程中的微量位移来提高精度.实验结果表明：电机速度为1 mm/s, 行程为100 mm内时, 该系统产生的位移误差可控制在1.5 μm内, 分辨率可达0.275 μm.与传统光栅尺测量中需对莫尔条纹进行电子细分相比, 本测量系统可以有效消除光栅尺破损、污染、倾斜、光源不稳定等干扰给测量带来的影响, 同时保持微米级别的测量精度, 特别适用于敞开式光栅尺长行程的测量领域.

针对自研的太阳光谱辐照度计入射光学系统的结构特征,分析了引入余弦误差的因素,研究了直、漫射辐照度以及漫射-总辐射比的余弦校正方法,开展了实验室余弦响应特性测量和多种仪器的敦煌外场比对试验.结果显示,余弦误差与积分球入口黑色阳极化内壁及结构有关,在入射角为60°时,440 nm、500 nm、670 nm和870 nm波段太阳光谱辐照度计的余弦误差为4.3%~9.1%;由太阳光谱辐照度计获取的直射辐照度反演得到的大气光学厚度受到余弦误差的严重影响,余弦校正前后与CE318太阳光度计反演结果相比,偏差分别为0.11~0.13和小于0.012;基于天空辐亮度各向同性分布假设, 余弦校正后四个波段漫射辐照度数值提升6.8%~10%.基于天空辐亮度分布数据,提出了一种漫射辐照度的精确校正方法,仿真结果显示,余弦校正后的漫射辐照度与理论数据一致,初步验证了该方法的可行性.

设计了一种端面泵浦扭转模腔双频Nd∶YAG激光器系统, 该激光器以偏振分光棱镜作为偏振元件, Nd∶YAG晶体的两端各放置一个四分之一波片, 在垂直于腔轴的平面内旋转其中一个波片, 输出连续可调谐双频激光, 最大调谐范围为一个激光谐振腔纵模间隔.采用琼斯矩阵进行了理论分析, 得出频率分裂量与波片转角成正比关系.实验研究了扭转模腔选模特性、纵模分裂特性和偏振特性.结果表明：两个四分之一波片正交时, 激光器输出线偏振单纵模激光, 扭转模腔失谐时, 单纵模分裂为两个正交的线偏振模, 实验获得的最大频率分裂量为3 GHz.实验结果与理论分析一致.该连续可调谐双频Nd∶YAG激光器结构简单, 可用于激光干涉测量和微波光电子等领域.

基于新型可饱和吸收体二硫化钨在Yb∶GdYSiO5晶体中实现了双波长调Q激光的输出.将二硫化钨纳米薄片溶液涂覆在具有高反射率的BK7玻璃基底上, 制成二硫化钨可饱和吸收镜用于启动调Q.采用光纤耦合输出的二极管激光器作为泵浦源, 其发射激光的中心波长约为976 nm.通过调节谐振腔以及选择合适的泵浦功率, 在波长为1 051 nm和1 091 nm附近同时实现了稳定调Q激光输出.调Q激光脉冲宽度为8.4 μs, 重复频率为2.9 kHz, 平均输出功率为125 mW.

基于两个弱谐振腔法布里-珀罗激光器, 提出并实验研究了一种获取中心波长可调谐、混沌带宽可控的混沌信号产生方案.该方案是通过一个可调谐光纤布喇格光栅反馈弱谐振腔法布里-珀罗激光器(定义为主弱谐振腔法布里-珀罗激光器)输出的混沌光单向注入到另一个弱谐振腔法布里-珀罗激光器 (定义为副弱谐振腔法布里-珀罗激光器)来实现的.研究结果表明：通过改变可调谐光纤布喇格光栅滤波器的中心波长以及反馈回路的反馈强度, 主弱谐振腔法布里-珀罗激光器可输出中心波长在可调谐光纤布喇格光栅滤波器可调谐范围调谐的混沌信号; 把主弱谐振腔法布里-珀罗激光器输出的混沌信号进一步注入到副弱谐振腔法布里-珀罗激光器中, 通过改变注入强度和频率失谐, 可产生中心波长可调谐、带宽可大范围调节的混沌信号.

提出一种基于多子光束干涉的时空域水印融合制导系统, 将空域“水印密钥”干涉编码与传统时域编码相结合, 形成时空域相融合的水印编码信号; 设计一种多子光束相干发射系统, 将来自于同一激光器的激光光束等功率的分为N个子光束, 子光束在空域内形成编码可控的水印干涉图样.结果表明, 干涉图样具有特定的明暗相间识别特性,时空域融合编码信号具有作用距离远, 抗干扰性强的突出优势.在多子光束相干发射系统中, 当分束镜的位置偏移小于0.1 λ(λ为激光波长), 角度偏离小于0.1θ0(θ0为光束发散角)时, 发射系统机械振动对水印制导系统的影响可忽略不计.

提出一种新型可变焦非球面人工复眼结构,该结构将曲面复眼划分为三个扇形区域, 不同区域内的微透镜焦距不同, 使得人工复眼能够在一定范围内实现焦距调节.通过计算及仿真分析, 对各级微透镜结构进行非球面优化, 优化后各级微透镜的球差值为优化前的1/1000, 提高了曲面复眼的边缘成像质量.采用模压成型工艺制备得到子眼个数为61,基底直径为8.66 mm的变焦距非球面人工复眼样品, 并标定各子眼的相互位置, 建立多个子眼同时识别目标的定位数学模型.搭建了人工复眼成像性能测试及目标定位测试平台进行实验验证, 实验表明人工复眼相机能够捕获清晰的圆形和十字型光斑图像, 各扇形区域内采集的图像尺寸不同, 能够实现一定范围内变焦成像.通过多个微透镜捕捉目标,利用入射角度与像点重心之间的关系解出目标点坐标, 实验结果的定位误差值在10%以内.

借助全数控光频梳生成技术, 提出了一种基于受激布里渊散射效应的可编程微波光子滤波方案.对该方案的原理和结构进行分析并建立了可编程滤波模型, 通过实验进行验证, 获得了滤波带宽0.1~1 GHz范围内可调、顶部通带响应相对平坦、可重构、中心频率可在4~24 GHz大范围内连续调谐的微波光子滤波器.该滤波方案与已有的模拟控制的微波光子滤波方案相比, 具有全数控可编程的优良特性.

研究了双环级联谐振腔传感器透射谱线包络的拟合方法, 用不同拟合函数拟合双环透射谱包络, 并利用单环和游标效应分析其拟合误差.理论计算表明, 将探测极限提高10倍时, 对包络作高斯拟合得到的传感器探测误差仅为0.41%.实验结果表明用波长探测方式, 未拟合时传感器探测误差高达14.96%, 而通过对包络作高斯拟合得到的传感器探测误差只有0.45%.仿真和实验结果均验证了高斯函数的拟合效果最好, 可在游标效应增大灵敏度的基础上, 进一步提高传感器的探测极限和探测精度.

研究了两能级发射体与振动石墨烯薄膜相互作用系统中熵压缩性质, 讨论了相干角, 两能级发射体与振动石墨烯薄膜之间的耦合系数和两能级发射体的跃迁频率与驱动场频率的失谐量以及相干性对两能级发射体熵压缩的影响, 结果表明：通过调节相干角, 两能级发射体与机械振子的耦合系数和两能级发射体的跃迁频率与驱动场频率的失谐量可以制备两能级发射体最佳熵压缩态.理论上提供了一种调控两能级发射体耦合石墨烯机械振子系统中熵压缩的方式.

采用高温固相法制备了Zn0.97Ce0.03S光学气敏材料, 搭建了一套由Zn0.97Ce0.03S气敏薄膜、简易气室、光纤光谱仪及配套软件构成的气体传感器用以检测H2S气体.实验结果表明：该H2S气体传感器的检测限为4.28 ppm, 稳定性好、灵敏度高、抗干扰能力强.采用荧光猝灭的Stern-Volmer方程分析发现, H2S气体浓度与敏感元件荧光猝灭信号呈良好的线性对应关系, 且整个传感器制作简单、响应迅速, 可实现对低浓度H2S气体的高灵敏检测.

利用半解析蒙特卡罗方法建立了侧向散射激光雷达的理论模型.根据理论模型研究了多次散射条件下, 大气气溶胶对激光雷达光束的侧向散射机制.通过对理论模型的仿真, 得到了侧向散射光子的空间分布规律, 获得了侧向散射光强和散射系数曲线.比对了能见度分别为5.7 km, 8.0 km, 10.2 km的实验大气条件下仿真与实验获取的散射系数曲线, 发现当模型中大气平均散射因子和非对称因子(μs, g)分别为(0.7, 0.65), (0.45, 0.45)和(0.2, 0.35)时, 仿真与实验的拟合优度优于95%.

为了探究在脉冲激光辐照VO2薄膜过程中, 影响薄膜相变响应时间的因素, 基于COMSOL对辐照过程进行仿真计算.建立辐照VO2薄膜的物理模型, 并设置模型的边界条件, 利用红外脉冲激光辐照三组通过分子束外延法制备的VO2薄膜, 间接得到了薄膜平均吸收率, 并将吸收率实验数据带入计算模型中.在仿真计算中, 考虑了激光的功率密度.薄膜基底厚度和薄膜初始温度等因素对仿真结果的影响.实验结果表明：增大激光功率密度和初始温度.减小基底厚度均可缩短薄膜辐照中心相变时间, 并且相变时间和激光功率密度呈指数衰减趋势.5 000 W/mm2的激光辐照基底厚度分别为0.15 mm、0.3 mm、0.5 mm的三组VO2薄膜, 达到相变的时间分别为157 ns、250 ns、455 ns, 相变时间随薄膜初始温度升高线性减小.在入射激光功率不明确时, 可以通过给VO2薄膜施加一个接近相变点的偏置温度,适当控制薄膜基底厚度等来缩短相变时间, 这对VO2薄膜防护激光干扰中相变响应时间的相关研究具有一定的借鉴意义.

选取Al2O3、AlF3两种材料, 采用双面拆分法在JGS1基底上完成了深紫外波段高反射, 近紫外到可见光波段高透射的全介质滤光膜的设计.研究了稳定控制AlF3蒸发速率的制备方法, 验证了离子源辅助沉积技术对镀膜材料在紫外波段吸收的影响, 建立了膜层厚度与电子束蒸发特性的函数关系, 借助软件模拟了误差的影响, 并结合工艺技术的改进, 有效提高了紫外光的利用率, 最终研制的滤光膜在200～270 nm平均反射率为77.96%, 在290～700 nm平均透过率为96.29%, 满足使用需求.

为提高光谱探测器响应灵敏度, 减少宽光谱光束入射时产生的光能损失, 研制了超短紫外到近红外宽波段增透膜.依据增透膜设计理论, 采用隧道方法与自动优化相结合的膜系设计方法, 综合考虑膜厚影响因素, 建立了评价函数.通过优化沉积工艺, 提高了增透膜透射率.光谱测试结果表明, 200~900 nm宽波段范围的增透膜的平均透射率为95.7%, 满足光谱探测的要求.