利用CCD激光雷达系统对合肥西郊近地面气溶胶消光系数进行了昼夜连续测量, 弥补了传统后向散射激光雷达近地面盲区和重叠区域的数据空白.比较夜间Mie散射气溶胶激光雷达和CCD激光雷达获得的气溶胶消光系数, 验证了CCD激光雷达系统的可靠性.CCD激光雷达系统的白天检测是可行的, 并获得了10~180 m高度的大气气溶胶消光系数, 空间分辨率最高可达1 cm.两种气溶胶消光系数分布表明, 气溶胶消光系数在垂直方向上不是单调递减, 且在一天中剧烈变化.CCD激光雷达检测到的气溶胶消光系数的时空演化图表明, 随着天色变黑, 整体气溶胶具有降低的趋势.CCD激光雷达的气溶胶消光系数曲线的日间检测是可以实现的.

为实现大动态范围信号的有效接收, 设计了一种三路并行的信号处理架构, 分别设置为低、中、高三种不同增益, 以实现不同水深下不同幅度的回波信号处理.同时利用数据拼接方法以及一种基于五角函数和高斯函数组合的拟合算法综合处理三路数据并进行水深评估.基于Wa-LID回波仿真模型得到回波数据, 验证多路并行处理架构的实用性.仿真结果表明, 本文提出的多通道处理技术可测信号的动态范围达86.9 dB, 对应的最大测深为26 m, 测量偏差为1.6 cm 至4.7 cm, 标准差小于1.1 cm.可有效应用于机载激光雷达测深系统.

采用扫描电容显微镜分析了平面型PIN In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/ In0.52Al0.48As短波红外探测器盲元产生的原因, 利用半导体器件仿真工具Sentaurus TCAD对探测器中的盲元特性进行了模拟, 并利用制备的Au/P-In0.52Al0.48As传输线结构芯片对P电极的欧姆接触进行优化.研究结果表明, P电极与扩散区外的N－-In0.52Al0.48As帽层形成导电通道导致了盲元的产生, 优化后Au与P-In0.52Al0.48As帽层之间具有更低的比接触电阻为3.52×10－4 Ω·cm－2, 同时Au在高温快速热退火过程中的流动被抑制, 从而降低了盲元产生的概率.

通过分子束外延生长和开管式Zn扩散方法, 制备了低暗电流、宽响应范围的In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管.在0.95倍雪崩击穿电压下, 器件暗电流小于10 nA; -5 V偏压下电容密度低至1.43×10-8 F/cm2.在1 310 nm红外光照及30 V反向偏置电压下, 雪崩光电二极管器件的响应范围为50 nW~20 mW, 响应度达到1.13 A/W.得到了电荷层掺杂浓度、倍增区厚度结构参数与击穿电压和贯穿电压的关系: 随着电荷层电荷密度的增加, 器件贯穿电压线性增加, 而击穿电压线性降低; 电荷层电荷面密度为4.8×1012 cm-2时, 随着倍增层厚度的增加, 贯穿电压线性增加, 击穿电压增加.通过对器件结构优化, 雪崩光电二极管探测器实现25 V的贯穿电压和57 V的击穿电压, 且具有低暗电流和宽响应范围等特性.

提出了一种基于腔内带有低增益低噪声掺铒光纤放大器的光纤环形腔衰荡光谱技术测量湿度的方法, 并进行了实验证明.比较分析了光纤环形腔中有无掺铒光纤放大器对衰荡脉冲数量的影响.在掺铒光纤放大器中使用长度为2 m的低增益和低噪声掺铒光纤来减少波形失真并补偿腔内噪声衰减.利用光纤环腔衰荡光谱技术对空气相对湿度进行测量, 记录分析环形腔中光脉冲的衰减时间τ得到相对湿度的变化.结果表明: 相对湿度和衰减时间τ在相对湿度30%~100%的范围内满足良好的线性关系, 并且光纤环腔衰荡系统的灵敏度和线性拟合度分别为3.826 79 μs/RH和0.994 77.采用腔内带有低增益低噪声掺铒光纤放大器的光纤腔衰荡技术在工业检测、环境检测以及医学诊断等领域进行湿度测量将具有良好的应用前景.

利用光纤火焰熔融拉锥法, 制作了一种高灵敏微光纤氨气(NH3)传感器.该传感器将一段长度为10 mm的保偏光纤接入普通单模光纤中, 通过光纤火焰熔融拉锥机将保偏光纤熔融拉伸至直径为8.33 μm制作而成.该结构基于马赫-曾德干涉仪的原理, 利用保偏光纤纤芯模与包层模相互作用实现模间干涉.外界环境中NH3浓度变化时, 细锥区倏逝场发生变化, 通过检测透射谱中波长的漂移, 实现传感器对环境中NH3浓度的测量.实验结果表明, 当NH3 浓度由8 ppm~56 ppm变化时, 透射谱向长波方向移动约5 nm, 且NH3浓度与波长漂移成二次拟合.在NH3浓度为32 ppm~56 ppm变化时, 可将NH3浓度与波长漂移近似看成线性关系, 此时传感器的灵敏度为176.08 pm/ppm.该传感器具有体积小, 制作简单, 灵敏度高等优点, 可用于不同领域的NH3传感测量.

提出了一种有机聚合物敏感结合光波相位检测的光纤气体传感方法并进行了实验验证.利用不同浓度酸性气体作用下, 有机聚合物其折射率将发生改变的特性, 在光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)腔中填充有机聚合物薄膜, 通过分析光纤F-P腔输出的光谱特性, 实现对酸性气体浓度高精度测量.实验结果表明, 有机聚合物的折射率随被测气体浓度的增加而减小, 传感器的系统灵敏度为(0.726~1.006)×10－2 cm/%VOL, 相位灵敏度为1.276×10－2 rad/%VOL, 浓度分辨率为0.783 ppm, 可应用于石油化工领域二氧化碳、硫化氢等酸性气体的高精度测量.

在色散补偿光纤上刻写光栅, 形成全光纤复合传感结构, 将干涉结构和光栅结构集成在同一段光纤内.分析了干涉包层模式和布拉格谐振峰对纵向拉力以及温度的响应机理.通过监测包层模式和布拉格谐振峰的波长漂移量, 建立矩阵方程, 实现对纵向拉力和温度双参量的同时测量.实验结果表明, 包层模式和布拉格谐振峰对温度的响应灵敏度分别为49.4 pm/℃和11.0 pm/℃, 包层模式对纵向拉力的响应灵敏度为1.05 pm/με, 布拉格谐振模式对纵向拉力的响应灵敏度为0.651 pm/με, 且这四个参数均表现出良好的线性度.该传感器结构采用低阶包层模式和纤芯基模模式, 对外界环境折射率不敏感, 能较好地应用于纵向拉力和温度的同时测量中.

采用龙格库塔法和特征线法对光纤中受激布里渊散射耦合方程组进行数值求解, 研究斯托克斯脉冲的增益、能量和半高全宽对时延和脉冲展宽的影响.结果表明: 三角脉冲的增益、能量和宽度对时延和脉冲展宽都有影响, 最大时延随着脉冲能量的减小而增加.脉冲宽度越窄, 时延会越大.优化三角斯托克斯脉冲的增益、能量和宽度, 可以获得最大时延和小的脉冲形变.该研究可为光通信和传感器件设计提供参考.

基于Terfenol-D磁致伸缩材料和光纤光栅法布里珀罗腔, 提出了一种用于微弱静态磁场测量的光纤磁场传感器.为了提高传感器的分辨率, 采用钕铁硼永磁体提供偏置磁场, 同时, 采用Monel-400合金与光纤光栅法布里珀罗腔耦合的方式, 作为参考元件, 对传感器进行温度补偿.实验测得传感器的磁场灵敏度为1.7×10-3 pm/μT, 磁场分辨率为3.0 μT。实验结果表明, 本传感器对于静态磁场响应具有良好的线性度和指向性, 可用于微弱磁场测量.

为了进一步提高测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统的传输距离和密钥率, 将脉冲位置调制(PPM)技术引入到MDI-QKD中, 利用弱光源中的空脉冲和高维编码技术, 提出了一种高效的测量设备无关量子密钥分发, 即PPM-MDI-QKD协议.协议中, 通信双方首先将M个连续的弱脉冲构建成一个PPM帧, 然后利用BB84极化编码和PPM编码方案实现高维编码, 最后根据合法PPM帧、成功贝尔态测量结果以及匹配基筛选出安全密钥.数值计算结果表明, 当光源平均光强小于0.13时, PPM-MDI-QKD协议的性能优于MDI-QKD协议; 与迄今为止报道的最远404 km的MDI-QKD协议相比, 在相同条件下, 本协议最远传输距离能够达到480 km, 在404 km传输距离上的密钥率可达5.4×10－4 bps.

针对有缝拼接合成孔径同轴数字全息图的再现问题, 通过对接缝处预先进行灰度均值填充, 利用基于角谱理论的 Gerchberg-Saxton(GS) 加权改进相位恢复算法恢复相位, 获得全息图记录面上的完整复振幅信息.仿真模拟了该方法对粒子场的检测, 获得的再现像与模拟粒子靶的相关系数较传统方法得到的结果提高1倍以上, 并可以有效抑制接缝处信息丢失对合成孔径同轴数字全息图再现像的影响, 实现有缝拼接合成孔径同轴数字全息图的高质量再现.

提出了一种利用刚性连接于光学系统的微机械陀螺仪的光学图像拼接加速算法.该方法基于相机投影模型和坐标变换关系建立相机运动与像素坐标移动的关系; 根据陀螺仪数据计算拍摄前后两幅待拼接图像期间相机的旋转角度, 确定两幅待拼接图中特征点搜索窗口大小; 然后基于SURF特征提取算法, 提取待拼接两幅图片中的特征点, 在搜索窗口内寻找匹配特征点对, 避免了全局搜索从而减小计算量, 加快匹配速度.实验搭建了硬件平台以验证算法可行性, 与传统全局搜索匹配相比, 运行时间减少了31%.

针对高光谱遥感图像中存在高度混合无纯像元的现象, 提出了端元整体包容度约束, 并将其加入非负矩阵分解的目标函数.在满足端元非负性与和为一约束的同时, 利用数据在特征空间的几何特性, 要求端元构成的单形体所容纳的像元尽可能多.该算法不需对原始数据降维, 不损害数据的物理意义, 在迭代过程中使用乘性规则, 避免了传统梯度优化过程中常见的整体步长难以控制现象.对模拟图像和真实图像进行实验评测并比较了提取端元精准度、鲁棒性以及执行效率, 结果表明, 本文算法可有效分析高光谱遥感图像混合像元.

采用CCD相机采集物体变形前后的散斑图片, 利用一维经验小波变换对散斑图片进行逐行分解, 获得一系列的固有分量. 根据分解后分量的核概率密度函数提出基于核概率密度的自适应降噪法, 去除噪声干扰, 提取跟变形信息相关的分量并重构, 利用重构后的每一行获得变形前后重构散斑图. 采用Hilbert法计算重构后散斑图的相位, 对变形前后散斑图相位进行相减, 根据相位差进行解包裹获得物体表面变形信息.实验结果表明该方法能够有效地对物体表面变形进行测量, 且测量精度较经验模态分解提高4倍.

设计了一种适合微小卫星平台应用的紧凑型空间外差成像光谱仪, 该系统利用两套干涉结构将干涉条纹定域于系统外部, 并将前置透镜的成像面与系统干涉面重合以获取目标的空间位置信息和光谱信息.根据系统轴上光表达式和奈奎斯特采样定律, 给出了系统光谱分辨率和光谱范围与元件参数的匹配关系.通过光线追迹的方式, 理论证明了干涉图定域位置, 并推导了普适仪器函数表达式.针对氧原子气辉(O[1D]630 nm)星载测量, 完成了该紧凑型空间外差成像光谱仪的系统设计和仿真, 系统光谱采样间隔为0.762 3 cm－1, 光谱范围为601.674 9~631.324 6 nm.最后通过搭建实验装置获取632.8 nm激光光源的目标图像和复原光谱.仿真和实验结果表明: 系统光谱采样间隔达到设计要求, 且光谱分辨能力为20 822(@630 nm); λ/4波长和线偏振器的装调误差(±1°)对系统干涉图调制度影响很小.该系统具有成像能力和光谱探测能力, 可作为一种时空联合型干涉光谱仪使用.

利用非线性放大环镜作为人工可饱和吸收体, 在铥钬共掺光纤激光器中研究了多孤子脉冲现象.在同一泵浦功率不同偏振状态下, 实验不仅获得了稳定的单个孤子脉冲, 还观察到由单个孤子脉冲演化为2至4个孤子的锁模脉冲现象; 在保偏光运行条件下增加泵浦功率, 获得了孤子能量量化的演化过程.所得结果主要源于腔内弱的双折射效应等效的滤波器具有限制增益带宽和诱导多脉冲产生的作用.而调节偏振控制器对腔内增益的改变, 是不同类型多脉冲现象出现的主要原因.研究结果对2 μm波段非线性放大环镜光纤激光器多孤子锁模脉冲动力学特性的研究具有一定参考价值.

实验研究了弱谐振腔法布里-珀罗激光器在受到光注入扰动时的非线性动力学特性．通过测定“－3模”、“0模”、“13模”三个纵模输出的时间序列, 功率谱和光谱分布, 对其非线性动力学状态进行了判定．研究结果表明: 引入光注入后, 通过改变注入强度及频率失谐, 这三个纵模均可呈现出四波混频、单周期态、准周期态、混沌态以及稳定的光注入锁定态等非线性动力学特性, 其动力学演化路径为经准周期分岔进入混沌态．此外, 为实现对动力学状态的精确控制, 绘制了这三个纵模在光注入强度0 μW到450 μW和频率失谐－16 GHz到16 GHz构成的参量空间的动力学状态分布图．结果显示: “0模”与“13模”在正、负频率失谐均可观察到混沌区域, 而“－3模”在负频率失谐没有出现混沌区域; “0模”存在两个分离的稳定的光注入锁定态区, 而在“－3模”和“13模”仅观测到一个稳定的光注入锁定态区.

为了提高915 nm半导体激光器腔面抗光学灾变的能力, 采用基于SiO2薄膜无杂质诱导量子阱混合法制备符合915 nm半导体激光器AlGaInAs单量子阱的非吸收窗口.研究了无杂质空位诱导量子阱混合理论及不同退火温度、不同退火时间、SiO2薄膜厚度、SiO2薄膜折射率、不同盖片等试验参数对制备非吸窗口的影响, 并且讨论了SiO2薄膜介质膜的多孔性对无杂质诱导量子阱混合的影响.实验制备出蓝移波长为53 nm的非吸收窗口, 最佳制备非吸收窗口条件为退火温度为875℃, 退火时间为90s, SiO2薄膜折射率为1.447, 厚度为200 nm, 使用GaAs盖片.

利用等离子体增强原子层沉积系统, 使用氮等离子体对Te掺杂GaSb的表面进行刻蚀, 改善样品的发光特性.在室温下(300 K), 发光强度提高了4倍.在低温光谱测试中, 发现了由Te掺杂导致的TeSb施主缺陷相关的发光峰, 峰位位置在0.743 eV处; 此外, 带边发光峰位随温度变化从0.796 eV移动到0.723 eV.对比室温和低温光谱, 发现当N等离子体刻蚀功率为100 W时, Te掺杂GaSb的最佳刻蚀周期是200周期; 并且氮钝化没有改变Te掺杂GaSb的发光机制, 只是提高了样品的辐射复合效率.

采用原位还原法制备了还原石墨烯/纳米铜复合材料, 对其进行表征分析.测量该材料的中远红外波段的复折射率, 计算其吸收系数和大气窗口内的法向光谱发射率并进行实验验证, 进而分析其在中远红外波段的吸收和辐射性能.结果表明, 纳米铜吸附在还原石墨烯表面, 粒径集中在15~25 nm; 不同尺寸的纳米铜、还原石墨烯及其表面缺陷和官能团等的吸收特性, 使该复合材料在8~9.2 μm、6~6.5 μm、2~3 μm波段内的吸收较强, 且在远红外波段吸收最强; 其在3~5 μm的法向发射率在0.65~0.68范围内, 法向发射率在8~9.5 μm内有最小值0.53, 而后稳定在0.58左右, 其总法向发射率分别为0.66和0.59, 且与测量值相符.该复合材料可用于红外吸收、消光材料和隐身涂料等方面.

在导电玻璃上水热生长TiO2纳米线, 随后利用电沉积技术涂覆MoO3薄膜, 制备出TiO2/MoO3复合薄膜.通过X射线衍射、扫描电子显微镜表征证实了TiO2/MoO3复合薄膜的形成.利用电化学测试方法, 在LiClO4/PC溶液中对Li+的注入/抽出进行了研究, 采用紫外可见分光光度计对薄膜着色、退色状态的光透过率进行测试.得到了切换时间、循环可逆性、光调制和着色效率等参数.对其电致变色性能进行分析, 分析表明, 与单一TiO2和MoO3薄膜的电致变色性能相比, 复合薄膜的电致变色性能有明显增强.同时研究了不同厚度MoO3薄膜对复合薄膜变色性能的影响, 研究表明沉积6个循环MoO3薄膜的TiO2/MoO3复合薄膜具有最佳的电致变色性能.

采用射频磁控溅射技术在RB-SiC表面沉积Si平坦化层, 通过正交试验研究了射频功率、Ar流量和工作气压三个因素对薄膜表面质量和形貌的影响规律, 以获取最佳的薄膜沉积参数.射频功率120 W、工作气压1.2 Pa和Ar流量40 sccm条件下获得了最佳质量的平坦化样品, 利用电感耦合等离子体对平坦化膜层进行刻蚀抛光, 通过Lambda950分光光度计测试不同工艺阶段样品表面的反射率.结果表明, 相比于未处理的RB-SiC初始样品, 经过平坦化和等离子体刻蚀的样品表面粗糙度标准差值由1.819 nm减小至0.919 nm, 样品表面反射率相应地提高了2%.由此说明射频磁控溅射平坦化沉积与电感耦合等离子体刻蚀的组合工艺可实现RB-SiC表面的高质量加工.

为实现频率选择表面(FSS)谐振频率的光电可调控特性, 提出一种光电可调控频率选择表面.利用光电导薄膜光照导电特性控制金属FSS结构尺寸变化, 实现FSS的主动可调.理论阐述了光电导及FSS选频特性原理, 采用CST软件分别仿真了“Y”形带通型、“圆”形带通型和“Y”形带阻型三种FSS在光照时的频选特性.结果表明: 随着结构尺寸变化, FSS的中心谐振频率分别从18 GHz、25 GHz、20.5 GHz变为20.5 GHz、29 GHz、16.5 GHz.采用镀膜、刻蚀及电子束蒸发等技术分别制作了单元结构尺寸变化前的金属FSS, 以及变化后的金属与光电导薄膜结合的FSS, 并对样件进行测试, 结果表明: 中心谐振频率分别从18 GHz、24 GHz、20 GHz变为20 GHz、28 GHz、17 GHz, 与仿真变化趋势基本一致.采用该方法既可实现FSS中心谐振频率的可调控, 也可从结构上实现FSS带通型和带阻型的转变.

研究了金属和自散焦周期性介质界面表面间隙孤子的形成及其稳定性.这种表面间隙孤子只存在于超过格子深度临界值的有限间隙内, 在第一间隙和第二间隙内间隙孤子存在区域包括稳定区域和不稳定区域, 第二间隙内格子深度的临界值远大于第一间隙内格子深度的临界值.在第一间隙内, 对给定的格子深度, 当传播常数增大时, 表面间隙孤子的能流变小, 格子区域内表面间隙孤子振荡拖尾变短.对给定的传播常数, 表面间隙孤子的能流随格子深度的增加而增大, 增大格子深度能把表面间隙孤子由不稳定态转为稳定态.不稳定表面间隙孤子在传输中向横轴正向偏转, 偏转角度随格子深度的增加而变小, 其主瓣传播轨迹是一条锯齿形曲线.在第二间隙内, 表面间隙孤子有较多的拖尾振荡, 不稳定区域靠近存在区域的上限, 并且随着传播常数增加而逐渐减小.

提出基于棱镜-空气-石墨烯-石英-硅结构, 通过外加电场改变石墨烯的介电常数, 引起太赫兹波反射率的变化, 并利用等离子体共振机理对反射太赫兹波强度控制以实现太赫兹波开关功能.研究了空气隙对太赫兹波反射率的影响,结果表明: 当空气隙为20 μm时, 太赫兹波反射率最小值为68.79%, 当空气隙为56 μm时, 太赫兹波反射率最小值降至0.04%, 此时的空气隙达到最佳值.分析确定了石墨烯化学势对太赫兹波反射率的影响, 结果表明: 当石墨烯化学势从0 eV增加到0.2 eV, 太赫兹波的反射率从零增加到95.89%, 从零反射变成全反射, 表明该结构具有优异的反射太赫兹波强度控制性能, 开关的消光比达到33 dB.

利用二维时域有限差分方法研究了非对称纳米金属双缝结构在薄隔层情况下对光波的异常透射特性, 以及狭缝长度、狭缝数目和入射角度对透射特性的影响.研究发现, 该双缝结构中传导的表面等离激元波通过渗透中间隔层材料产生交叉耦合作用, 形成对称和反对称耦合模式, 导致其透射谱在特定波长位置处形成双共振峰传输和一个透射率为零的透射抑制现象; 双缝结构中表面等离激元波交叉耦合作用的本质是其横向电场分量渗入中间隔层材料产生的相互干涉作用, 而横向电场分量的初始相位差决定双缝结构中形成的表面等离激元波耦合模式的类型.由于双缝结构的透射极值与各狭缝腔内的法布里-珀罗共振效应密切相关, 因此狭缝长度决定透射极值的波长位置, 而狭缝数目和入射角度只影响透射峰的传输效率.该双缝结构具备光学滤波和空间分光功能, 在新型纳米光子器件领域具有潜在的应用价值.

利用全息技术, 采用二元相位处理后的离散型艾里涡旋相位, 制作了一种双复合离散型艾里涡旋加速光.理论模拟和实验探究了该加速光的传输特性, 以及线性因子(s)、径向层数(N)和拓扑荷梯度(ΔL)对光场的调控机制.结果表明, 双加速光在传输过程中, 由于离散和旋转效应, 逐渐分离为多个类艾里光; 通过调节传输距离及ΔL, 可实现二维类艾里光至一维类艾里光之间的演化.此外, N和s可分别调节双加速光的强度分布及其在初始截面(z=0处的x-y平面)中的位置分布; ΔL也可调节分离的类艾里光之间的强度分布.

为了制备高质量涡旋光, 对基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法进行了理论分析、改进设计和实验验证.介绍了高斯光束叠加和附加相位差π产生的原理, 在分析干涉回路对横向剪切量影响的基础上, 搭建了基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备装置, 给出了搭建实验平台的相关注意事项, 并利用本方法分别制备出拓扑荷数为＋1、－1的涡旋光.涡旋光在不同传播距离下拓扑荷数始终保持为＋1或－1.基于光斑可调的改进实验装置可有效提高涡旋光质量.

对火星沙尘气溶胶粒子进行分析, 利用对数正态分布拟合了火星沙尘的尺寸分布.分别用Mie理论和Monte Carlo方法研究了不同波长的激光在火星沙尘条件下的传输特性, 分析了火星上沙尘条件下的传输衰减、透射率和能见度随粒子质量浓度的变化关系, 给出了波长为0.55 μm时能见度随粒子质量浓度的变化曲线, 并将两种方法的计算结果进行了比较.结果表明: 随着粒子质量浓度的增加, 能见度先迅速降低后再缓慢降低并趋于2 km左右, 粒子浓度越高多次散射现象越明显, 利用Monte Carlo方法计算的能见度比Mie理论计算的结果更高.在选择的几个波长中, 沙尘条件下7.46 μm的激光传输衰减最小, 因此更适合火星无线激光通信.