为了克服密集波分复用系统中多个光源难以同步且成本高等缺点, 提出了一种平坦度好、子载波数多、频谱宽度大且频率间隔可调的多载波光源生成结构.系统结构由马赫增德尔调制器、电吸收调制器和相位调制器级联组成, 在单一正弦信号驱动下, 输出多个低平坦度、频率间隔可调的子载波.在驱动信号频率为9和12.5 GHz, 系统生成的子载波数量为31个的条件下, 平坦度可达到0.09 dB.当驱动信号频率在3 GHz~16 GHz范围变化时, 输出的子载波数量基本不变, 且在子载波数量为31个的条件下, 平坦度均小于0.15 dB.当驱动信号频率为16 GHz, 平坦度小于0.15 dB时, 系统输出的多载波光源频谱宽度可达480 GHz.此外, 分析了MZM的上、下臂偏置电压差、EAM的啁啾因子、调制指数对生成多载波光源的平坦度、子载波数以及频谱宽度的影响.

提出一种基于全相位滤波技术的光纤布喇格光栅降噪解调算法, 该算法根据信号的数字频率特征快速配置适应于该信号的滤波器系数, 由传感信号的数字截止频率控制滤波器边界, 有效滤除混杂在光纤布喇格光栅信号中的高频分量.推导了滤波器解析表达式, 结合光纤布喇格光栅信号的数字频率特征分析了滤波器幅频特性.实验结果表明, 该算法对不同采样间隔下的传感信号能够实现适应性降噪; 与高斯拟合法相比, 解调波长稳定性相近, 但平均解调时间缩短了10倍, 与质心法相比, 解调波长稳定性提高了30%.

设计了一种温度调控的液晶填充光子晶体光纤, 利用有限元法对光子晶体光纤的色散补偿特性进行数值模拟.从理论上分析了各结构参数对光子晶体光纤色散产生的影响, 并进行结构参数优化.通过调节液晶折射率, 将色散补偿位置精确调节至1 550 nm处, 负色散峰值为－426 000 ps·nm－1·km－1, 2 m长液晶填充光子晶体光纤可以补偿50 000 m的标准单模光纤(G652).模拟结果显示,色散补偿波长随填充液晶有效折射率指数发生变化, 通过温度调节可以实现1 533 nm~1 552 nm波长内的定量控制.

在紫外光传输模型的基础上, 基于米散射和瑞利散射理论, 分析了大气分子和气溶胶粒子对紫外光的吸收和散射特性.利用蒙特卡洛方法仿真分析了良好、严重雾霾、极严重雾霾三种天气条件下的紫外光通信系统路径损耗和误码率.使用波长为255 nm的“日盲”紫外LED及光电倍增管作为收发器件, 发射信号采用10 kHz和100 kHz的方波信号, 在三种不同天气情况下进行户外短距离紫外光通信实验.实验结果表明：在通信距离小于100 m条件下, 随着雾霾污染程度的加重, 紫外光直视通信路径损耗逐渐增大, 紫外光非直视通信路径损耗逐渐减小.在进行非直视紫外光通信时, 发射光功率为0.6 mW时, 收发端仰角小于20°, 通信距离小于40 m, 通信质量相对较好.

提出了磁场和温度场共同作用下光纤陀螺产生磁温耦合效应的理论, 建立了相应的数学模型, 并对该模型进行仿真分析和实验验证.理论、仿真和实验结果表明, 光纤陀螺产生的磁温交叉耦合度来自于磁场产生的非互易圆双折射、不同温度下光纤环上热应力导致的双折射、光纤固有双折射、弯曲双折射等的相互作用.在20℃~60℃的范围内, 保偏光纤直径为250 μm, 拍长为3 mm, 光纤长度为1 600 m, 光纤扭转率为1 rad/m, 光源波长为1 550 nm, 1 mT径向磁场产生的磁温交叉耦合度的最大值为6.796％.

提出面向成像系统的光学和数字图像处理联合优化设计.根据泽尼克多项式模型分析了每种像差对成像清晰度的影响; 在变分贝叶斯框架下, 提出了基于加权双向差分先验模型的像差数字校正算法; 将像差分为易于数字校正和不易于数字校正两类, 建立基于像差选择性校正策略的光学-数字处理联合设计方法.采用联合设计方法设计了三镜片大像差光学系统, 其奈奎斯特频率处的MTF值约为0.50, 采用传统方法设计的六镜片光学系统MTF值约为0.53, 两系统成像质量相当, 本文方法可降低系统复杂度.

利用临床采集的人眼波前像差、角膜地形图和眼轴数据, 在光学软件Zemax中构建了60只个性化眼模型, 得出在瞳孔直径为6 mm和3 mm时的入射波前像差和出射波前像差.在6 mm瞳孔下, 入射波前像差大小为3.753 μm, 出射波前像差大小为3.074 μm, 差异有统计学意义(显著性值<0.05).其中, 入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为1.131 μm, 约占总差异的82%.入射波前像差和出射波前像差的球差项差异大小为0.185 μm, 约占总体差异的13%.6 mm瞳孔下, 除去高阶像差项, 出射波前像差和入射波前像差的离焦项、像散项、彗差项和球差项均具有统计学差异性.而在3 mm瞳孔下, 入射波前像差为0.804 μm, 出射波前像差为0.732 μm, 两者具有统计学差异性(显著性值<0.05).入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为0.133 μm, 约占总体差异的80%.除去像散项, 出射波前像差和入射波前像差的离焦项、彗差项、球差项和高阶像差项均具有统计学差异性.研究表明, 无论在大瞳孔还是在小瞳孔下, 人眼的入射波前像差和出射波前像差均具有统计学差异性.

将传统的反射光线与入射光线求交问题转化为反射光线与入射光线所在平面的求交问题并构建线面模型.使用点光源替代传统连续面光源, 通过检测入射光线上两点或多点光源的投射光线确定入射光平面, 通过反射光线和入射光平面求交确定镜面三维点.基于镜面位姿标定方法提出线面偏折术系统的标定方法, 只需一次标定即可用于镜面测量.仿真分析了位姿关系标定结果对系统重建精度的影响.系统测量最大误差为0.25 mm, 误差均方根值为0.073 mm.实验验证了所提方法的可行性, 实验结果表明该方法具有较高的测量精度.

针对航空发动机叶片型面的高精度检测需要, 阐述了基于激光扫描点云的叶片型面三维重构技术, 并对型面重构误差进行了深入分析.该技术对测量数据进行点→线→面数学模型处理, 先由点云采用端点一阶导矢连续法拟合出光顺曲线, 再基于截面曲线的非均匀有理B样条曲面拟合, 依据曲面网格线光顺法重构出曲面, 然后根据空间测点到曲面的最小距离对重构误差进行分析.最后通过叶片型面激光测量装置对算法进行了验证.实验结果表明,重构误差小于0.019 mm, 满足对叶片型面质量的评价要求.

利用数字全息测量方法结合变采样间距的衍射传输算法实现双焦点光子筛器件焦距及焦斑的同时精细测量.给出了双焦点光子筛器件及其理论焦斑分布,采用双曝光的离轴全息方法得到了CCD接收面处光场的复振幅分布, 基于此光场通过变采样间距的衍射传输算法获得具有较高分辨率的双焦点光子筛的聚焦场特征, 与CCD直接测量结果相比, 焦斑分辨率提高了10倍, 双焦点光子筛的焦距等于自动对焦算法及强度最大值扫描方式分别求得的两段距离之和.实验结果表明测得的双焦距与设计焦距偏差分别为0.53%和0.37%, 得到的两个焦斑半值全宽与设计值相比, 其偏差分别为2.86%和1.86%.本文提出的测量方法除了应用于光子筛类器件的性能检测以外, 还能够广泛应用于其它类衍射透镜聚焦特性的测量与性能分析.

研制了一种基于铌酸锂(LN)电光调Q的高重复频率窄脉宽短腔激光器.通过测量激光穿过置于正交偏振镜间的电光晶体后, 透射强度随晶体上施加的脉冲高压的变化情况, 探究了不同尺寸LN晶体中的压电振铃效应, 并与磷酸钛氧铷(RTP)晶体中的压电振铃效应进行了比较.实验发现, 块状LN晶体中的压电振铃效应严重, 而小尺寸LN晶体中的压电振铃效应和RTP晶体中的相似, 基本可以忽略.结合压电效应理论得出, 压电振铃效应的强弱与外加电压大小及晶体固有的压电共振频率有关, 电压越低, 压电共振频率越大, 压电振铃效应越弱.在此基础上, 制备了可高重频应用的尺寸为1.2 mm×9 mm×9.4 mm的LN调Q开关, 并实现了LN晶体的高重频调Q运转.激光增益介质采用具有较大受激发射截面和较短荧光寿命的Nd∶YVO4晶体, 其一端镀有1.064 μm的全反膜, 另一端沿布儒斯特角切割, 从而省去了全反镜和偏振镜, 缩短了腔长。泵浦源采用中心波长为808 nm的光纤耦合激光二极管.设计的激光器谐振腔长度仅为20 mm。在退压式电光调Q运转下, 获得了最大重复频率为15 kHz、脉宽为5.4 ns、峰值功率为2.94 kW的稳定的激光输出.

报道了一种基于电光-可饱和吸收主被动双调Q技术的窄脉冲宽度、高峰值功率946 nm全固态激光器.该激光器采用808 nm 脉冲半导体激光侧面泵浦长尺寸Nd∶YAG 晶体棒抽运方式和双凹型折叠谐振腔结构, 并将横向加压式的双45°角切割掺氧化镁铌酸锂晶体电光调Q与单层二硒化钼被动可饱和吸收调Q相结合, 通过优化设计谐振腔结构, 在脉冲重复频率550 Hz时, 获得了最大单脉冲能量3.15 mJ、脉冲宽度9.1 ns、峰值功率高达346 kW的946 nm主被动双调Q脉冲激光的稳定输出, 脉冲宽度和能量的峰峰值不稳定度分别达到±2.87%和±3.42%, 光束质量因子分别为Ｍ2x＝3.851和Ｍ2y＝3.870.

通过对行波放大器储能及小信号增益进行理论计算, 模拟出输出激光特性, 即随着放大器泵浦电流的增加, 放大器增益介质内储存能量和小信号增益系数快速增长,提取效率达到76%以上.输出能量随放大器泵浦电流的增加, 呈线性增长趋势, 在泵浦电流为80 A时, 输出光能量逐渐饱和, 最大输出能量为798 mJ.实验中, 放大器入射光源采用脉冲能量为350 mJ、重复频率为10 Hz、脉宽为10 ns的脉冲激光, 放大器中的Nd∶YAG晶体棒尺寸为Φ7.5 mm×134 mm, Nd3+的掺杂浓度为1.1%, 泵浦功率最大24 kW,使用三个最大功率为66 W的半导体制冷器进行半导体热电制冷,在重复频率为10 Hz, 泵浦电流为80 A, 泵浦脉冲宽度为200 μs时, 获得了最大脉冲能量为700 mJ、脉冲宽度为10 ns的激光输出,通过光束质量诊断仪M-200S测得输出光束在水平和垂直两个方向的光束质量分别是7.9和12.4.

实验研究了一种由一个分布反馈半导体激光器、一个相位控制部分和一个半导体光放大器组成的三段式单片集成半导体激光器的动力学特性. 采用常规的动力学分析方法, 对不同相位控制电流下激光器输出的光谱、时间序列、相图及功率谱进行了分析, 考察了其进入混沌的路径及阵发混沌的特性。研究结果表明, 在适当的运行参数下, 单片集成半导体激光器可呈现混沌态与稳定态随机交替出现的阵发混沌状态输出.在固定分布反馈半导体激光器电流和半导体光放大器电流不变的情况下, 连续地增大相位区的电流IP, 单片集成半导体激光器将先后经历稳定态、单周期态、阵发混沌态, 最后再回到稳定态的过程.在确定了激光器处于阵发混沌态时相位区电流IP的取值范围之后, 进一步的分析结果表明, 随着相位区电流IP的增加, 平均层流时间先减小, 达到一个极小值后再迅速增大.

利用啁啾光纤光栅的温度可调谐效应, 提出了一种新型的色散补偿方法.该方法使啁啾光纤光栅处于一个连续的线性温度梯度场中, 通过调节啁啾光纤光栅两端的温度差, 改变其色散量, 实现在以啁啾光纤光栅为展宽器和以体光栅为压缩器的超快激光系统中对输出脉宽的连续精密调节, 并通过实验验证这一方法的可行性.实验结果表明：沿着啁啾光纤光栅应用连续的温度梯度场, 当温差从0℃到50℃变化时, 可以连续地调节啁啾光纤光栅的色散参数.展宽器和压缩器之间的色散失配可以通过调节线性温度场的温度梯度得到补偿, 避免了繁琐的脉宽优化步骤.本文是以啁啾体光栅为压缩器的光纤啁啾脉冲放大系统中通过调节施加在展宽器上的连续线性温度场的梯度, 实现对啁啾脉冲系统中的色散失配进行精密调制的技术方案.

采用离子注入法在GaN薄膜中实现了Er3+和Eu3+离子的共掺杂.以阴极荧光光谱仪为主要表征手段, 研究样品的光学特性和能量传递机理.在300 K温度下, Er3+和Eu3+共掺杂GaN薄膜能够实现绿光和红光的同时发射.随着Er3+离子掺杂剂量的增加, Eu3+离子相关发光峰的强度减弱, Er3+离子对应的两个相关发光峰强度比值减小, 表明Er3+和Eu3+离子之间发生了能量传递, 能量传递的方向为Eu3+→Er3+.变温阴极荧光光谱显示, Er3+离子的2H11/2和4S3/2两个能态相关的跃迁峰相对强度比值随着温度升高而降低, 主要是由两个能级之间的热耦合导致.改变Er3+离子的掺杂剂量, 能够调控GaN: Er3+/Eu3+样品的光学色度坐标和色温, 表明此材料可用于发光器件.

将石墨烯薄膜置于不同环境气氛中, 探究其在不同波长和功率密度可见光辐照下的导电特性.结果表明, 石墨烯薄膜在不同条件光照下电阻缓慢上升, 光照停止后电阻缓慢下降.氮气环境下石墨烯导电性能最稳定,真空下变化最大, 在相同功率密度红光辐照下, 样品在氮气、大气和真空下相对电阻变化分别为0.09%、0.22%、0.4%.相同环境下, 波长越短, 光子能量越大, 对样品影响越大, 在大气环境下, 相同功率密度的蓝光、绿光和红光对样品相对电阻的影响分别为20%、3%、0.22%.

为获得高性能的柔性透明导电薄膜, 采用磁控溅射技术在柔性PC衬底上制备出了STO (30 nm)/Ag/STO (30 nm)复合结构透明导电薄膜.分别对不同中间Ag层厚度薄膜的结构、光学和电学性质进行了研究.研究发现：随着中间Ag层厚度的增加, 可见光区的平均透过率先增大后减小, 电阻率和方块电阻持续减小; 当中间Ag层厚度为11 nm时, 复合结构透明导电薄膜具有最佳的品质因子为14.23×10－3 Ω－1, 此时, 其可见光区平均透过率为82%, 方块电阻为9.2 Ω/sq..

基于结构性能定量关系研究思路, 把理化性质参量折射率和密度与物质结构参量摩尔折射度以及成分参量掺硼量联系起来, 构建了反映物质结构、成分与性质之间关系的数学模型, 模拟计算掺硼应力棒中掺硼量.通过实验数据计算出了B2O3和SiO2在掺硼应力棒中的摩尔折射度分别为10.546 13和7.373 32.对该数学模型和计算结果进行了验证, 掺硼量计算值与实测值的相对误差在0.5%以内, 表明该数学模型的精度高, 能够满足生产实践中掺硼应力棒中掺硼量的估算.

基于太赫兹时域光谱系统和德鲁德模型, 测量并分析了少层石墨烯在600 nm CW红光和两种衬底下的透过率及电导率.结果发现, 高阻硅衬底的石墨烯样品在光场激励下对太赫兹信号的吸收显著增强, 而PET(Polyethylene terephthalate)衬底的石墨烯样品在光场激励下对太赫兹信号的吸收则有微弱减少.相较于无激励光场条件, 在0.5 THz处, 高阻硅衬底石墨烯的电导率提升了7倍, PET衬底石墨烯的电导率下降了23%.同时实验也验证了在太赫兹波段少层石墨烯的电导为各层石墨烯电导的线性叠加.

利用时域有限差分法研究了Au纳米天线对GaSb纳米线的消光增强.通过分析不同形状Au纳米阵列的电场特性和光学特性, 发现三角形为最优结构, 并具有高强度共振吸收峰和高的电场增强倍数.分别对三角形尺寸和纳米线的间距进行调节, 结果表明：随着尺寸由70 nm增加到210 nm, 消光峰位从783 nm单调增加到1 638 nm, 峰位强度和电场增强倍数逐渐增加, 尺寸为210 nm时的增强倍数为70 nm时的6倍; 随着间距由80 nm增加到130 nm, 消光峰位从1 655 nm减小到1 460 nm, 峰位强度和电场增强倍数略微减小.因此可通过先调节间距再调节尺寸的方法来设计Au纳米天线结构.

通过测量平面型InGaAs/InP雪崩光电二极管闭管扩散器件帽层InP中Zn杂质的分布, 拟合出掺杂浓度随扩散深度的变化函数, 并且利用离化积分研究不同倍增层厚度下的最佳刻蚀坑深度和最佳刻蚀方法.结果表明在帽层深度不变的情况下, 最佳刻蚀坑深度会随着倍增层厚度而变化, 当倍增层厚度为1 μm左右时刻蚀坑深度在0.1~0.3 μm之间.采取反应离子刻蚀可以获得良好的刻蚀坑形貌, 有利于边缘击穿的抑制.

利用光学近场激发与局域理论, 通过光学仿真软件建立银/金方阵微纳结构理论模型, 使用高分辨率光刻技术构建基于完美吸收体的聚合物/富勒烯太阳能电池结构, 实现活性层对太阳光谱从紫外到近红外全波段光谱的完美吸收, 提高了聚合物电池能量转换效率.设计和制备了结构上类似、彼此具备良好的“相容性”、在吸收光谱上互补的新型给体材料.与富勒烯受体材料混合制作三元体系的太阳能电池, 以最大程度地匹配太阳光谱, 该方法可以有效地提高器件对太阳光的响应能力, 产生大量的光生载流子, 大幅度地提高短路电流密度和开路电压.本文研究有望为获得新一代高效率、高稳定性的聚合物光伏器件提供参考.

提出并设计了一种用于真空中操控亚波长微粒的可调控渐变狭缝光子晶体波导结构.该结构利用光力将微粒捕获到狭缝中, 使其沿光传输方向传输, 并通过外加折射率调控的方式, 将微粒输运到所需位置.分析了狭缝光子晶体波导的带隙结构、传输特性与微粒的受力情况, 计算了热调控光子晶体波导的功耗与温度分布.结果表明, 利用狭缝宽度渐变的硅基光子晶体波导, 通过热调控改变硅折射率, 可以实现光波截止位置从出射端到入射端的移动; 对于总长度18 μm的狭缝光子晶体波导, 从入射端到出射端狭缝缩窄4 nm时, 控制微粒位置所需的折射率变化为0.012, 而改变折射率所需的加热功率不高于13.7 mW.这一结构将为微粒操控提供一种可能的实现方案.

条纹空间分辨率从中心到边缘逐渐降低, 为了改善条纹管像面的边缘空间分辨率, 构造了一个基于压缩感知的条纹相机成像重构模型.压缩感知目标函数采用正交匹配法实现, 并对重构参数进行了优化.原成像结果与重构结果对比表明：压缩感知重构图的对比度比原图提高了5%, 极限分辨率比原图提高了2 lp/mm, 并且离轴远区的改善效果好于中心区的改善效果.压缩感知重构方法可以改善像面边缘的成像对比度从而提高条纹相机成像的静态空间分辨率.

研制了一种六角密排多迭层碳纳米管阴极.在这种结构中, 衬底银电极由烧结的银浆制作在透明锡铟氧化物电极上, 且具有六角形边缘, 相邻衬底银电极交错排列于阴极面板上.用ZnO和SnO2颗粒作为掺杂材料, 在衬底银电极和单一碳纳米管层之间制作了底部混杂层; 单一碳纳米管层中的碳纳米管主要被用于发射阴极电子.给出了六角密排多迭层碳纳米管阴极的制作工艺, 并研究了六角密排多迭层碳纳米管阴极用于电子源的可行性.将氮气作为保护气体, 采用烧结方法除掉制备浆料中的有机粘合剂及其它有机杂质.将六角密排多迭层碳纳米管阴极真空密封进三极场发射显示器中, 能够形成稳定的电子发射电流.测试结果表明, 与普通碳纳米管阴极相比, 六角密排多迭层碳纳米管阴极具有更优的电子发射特性, 其开启电场为1.83 V/μm, 最大电子发射电流为2 718.6 μA; 且其具有良好的电子发射曲线趋势, 当电场强度从2.17 V/μm增强到3.06 V/μm时, 电子发射电流的增幅约为1 410.3 μA.对电子发射电流随时间的波动变化进行了测试, 测试结果显示六角密排多迭层碳纳米管阴极具有可靠且稳定的电子发射电流.绿色发射图像表明六角密排多迭层碳纳米管阴极具有良好的电子发射均匀性及高的电子发射亮度.鉴于其简单的制作结构和制作工艺, 六角密排多迭层碳纳米管阴极具有一定的实际应用性.

提出一种集成线性渐变滤光片和InGaAs焦平面的微型近红外光谱模组.作为核心分光元件, 线性渐变滤光片被紧密耦合在光敏芯片表面.相比于光栅分光方式, 模组具有紧凑的光学结构和稳定的光学特性.对此光谱模组进行波长定标实验, 并给出了标定准确性评价.实验结果表明, 该光谱模组的波长范围为900~1 700 nm, 波长准确性优于1.3 nm, 光谱分辨率小于通道中心波长的1.25%.基于此光谱模组的波长定标方法准确、可行, 可以被用于微型近红外仪等在线光谱分析领域.