针对已搭建的非对称空间外差光谱仪开展地基风场模拟探测研究, 验证该仪器进行中高层大气风场的探测精度水平.介绍了非对称空间外差光谱技术进行风场探测的基本原理以及研制的光谱仪基本性能参数, 设计了风速模拟装置开展风场模拟探测实验, 并对风速模拟过程中电机转速、安装机械角度、转盘半径测量值、光线入射角度等不确定因素进行了分析和计算, 该装置模拟的理论风速误差不高于1.3%, 能够满足风场模拟探测验证要求.利用该风速模拟装置并通过调节不同电机转速实验, 获得了模拟风速在34.19~78.63 m/s内的24组测量数据, 模拟覆盖了中高层大气风速范围, 对测量数据进行误差修正及风速反演处理, 非对称空间外差光谱仪实测风速结果与理论模拟风速对比后得出了风速误差标准差3.28 m/s的风速探测精度, 有效验证了非对称空间外差光谱技术开展风场探测具有相位灵敏, 精度高等特点.

研究了多轴差分吸收光谱技术的气溶胶消光系数垂直廓线反演方法, 基于非线性最优估算法, 通过地基多轴差分吸收光谱仪观测的O4气体差分斜柱浓度, 结合大气辐射传输模型, 反演气溶胶消光廓线和光学厚度.2017年7月和8月在淮北地区开展了外场观测实验, 低仰角(小于15°)的O4差分斜柱浓度模拟结果和测量结果相关性高于0.9, 较好反演了对流层的气溶胶状态.研究表明淮北地区夏季气溶胶含量整体较低, 出现的两天高值天气(7月24日和8月12日)的光学厚度日均值为0.65和0.59, 分别为季节均值的1.6倍和1.4倍.通过气溶胶消光廓线时序图可知, 两天的气溶胶高值都位于0.5 km以下, 污染主要为本地积累产生.

为了研究Ag纳米线对单晶硅薄膜太阳能电池光吸收效率的影响, 设计了固定体积比例下具有三角形光栅和矩形光栅的单晶硅薄膜太阳能电池结构.在两种结构的Ag-Si交界处分别添加横向截面为圆形和矩形的Ag纳米线阵列, 利用有限时域差分法分别模拟计算了这两种结构的太阳能电池和对照组的吸收光谱.通过扫描优化得到两种光栅结构的最佳高度、纳米线横截面积以及分布密度, 并计算出最优条件下300~1 100 nm波段的光吸收效率.通过分析光吸收增强谱和电磁场强度分布图得出了含有纳米线模型在长波段的吸收增强机理.结果表明, 添加了Ag纳米线后的两种太阳能电池模型均比两种对照组模型具有更好的光捕获和吸收作用, 在矩形光栅模型中添加Ag纳米线后吸收效率的提升要比三角形光栅模型中更为明显.研究结果可为新型太阳能电池的结构参数设计提供参考.

采用分振幅双光束干涉法和“二步法”热处理工艺, 在光热敏折变微晶玻璃中制备了周期2.1 μm的透射型体布喇格光栅, 研究了不同曝光剂量与光栅衍射效率和角度选择性之间的关系.当曝光剂量逐渐增至为0.6 J/m2时, 光栅的衍射效率最高达80.02%; 随着曝光剂量的继续增加, 光栅的衍射效率逐渐下降, 并最终保持稳定.当曝光剂量达到1.5 J/cm2及以上时, 光栅对测试光的吸收变化小于5%, 此时光栅的衍射效率趋于稳定.曝光剂量的变化对光栅角度选择性没有明显的影响.分析结果表明随着曝光剂量增大, 光栅中的含银胶团对532 nm测试光的吸收加剧, 从而使透过的衍射光强减弱, 出现衍射效率降低的现象.

理论和实验研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性.数值计算表明, 在无衍射区域, 随着传输距离的增加, 光强分布基本保持不变; 对于零阶光束, 其偏振态一直保持径向偏振不变; 对于高阶光束, 其偏振态发生变化, 由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态.实验上, 利用径向偏振转换器、螺旋相位板和轴棱锥元件产生了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束, 探测了其通过不同偏振片后的光强分布.实验结果与理论结果基本相符合.该研究也提供了一种产生杂化偏振矢量光束的方法.

提出无衍射贝塞尔光束的互补光束概念.基于惠更斯-菲涅尔原理和光场的相干叠加性, 给出了其频谱的一般形式.利用遗传算法搜索频谱相位分布的最优解, 使得扫描互补光束光片场的强度分布与贝塞尔光片旁瓣强度分布几乎一致, 二者相减可消除旁瓣的影响, 从而获得大视场均匀的理想薄光片.将其应用在光片荧光显微成像中, 可有效去除离焦背景噪声, 提高成像质量.

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论, 拓展双级无衍射光束的应用范围, 根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析; 基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台, 获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布, 探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明: 双极无衍射出射光场由四个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性, 其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响, 光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析, 对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.

提出利用交叉谱密度函数描述焦散光束, 将焦散光束的研究范围从相干光拓展到部分相干光领域.结合菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式, 导出焦散光束在自由空间中的传输表达式.理论分析了光束射入不同倾斜角度轴棱锥引起的像散对焦散光束的影响, 并设计相关实验进行了验证, 实验结果与数值模拟相吻合.进一步研究入射光场相干性对焦散光束的影响, 发现随着入射光场空间相干长度的降低, 焦散光强的明暗分布会慢慢变模糊, 光束中心的光点阵列逐渐消失.

为了有效缓解海量高光谱数据存储与传输压力并快速精确检测异常目标, 提出一种以滑动阵列窗像元为局部背景的高光谱图像非因果实时RXD异常检测方法.利用随数据逐像元接收而滑动的阵列窗确定局部背景像元, 运用Woodbury引理, 通过矩阵与向量的乘法和矩阵的加减实现局部背景协方差矩阵的求逆运算, 在逐像元接收数据的同时实现阵列窗口中心像元的异常检测.模拟和真实高光谱图像实验结果表明, 与现有实时检测方法相比, 所提方法在检测性能或运行效率上有所提升; 相比非实时的滑动阵列RXD异常检测, 所提方法时间复杂度更低, 处理大小为200×200含189波段的图像, 其加速比达到近26倍.实验结果验证了该方法能在不降低检测精度的同时满足低运算量和低存储空间的实时性要求.

为了校正长波红外探测器辐射响应非均匀性, 提出了一种基于相邻像素统计一致性的非均匀性校正方法.首先, 对探测器辐射响应非均匀性建模; 然后, 利用均值算子估计相邻像素之间的比值, 并递推求解校正系数; 最后, 搭建了原理样机对多种不同场景成像.实验结果表明: 与基于黑体的标定方法相比, 利用本文方法校正后的图像粗糙度由1.27×10－2降低至1.13×10－2, 局部标准差峰值由10.5降低至3.5, 可以有效降低红外探测器非均匀性噪声.

介绍了一种介孔硅与纳米二氧化钛的复合方法, 制备了兼具高吸附性与高光催化活性的纳米二氧化钛-介孔硅复合材料.在此基础上, 以365 nm波长的紫外LED为光源、特制的半泄露聚合物光纤为导光介质制造了一种新型的光催化毒气过滤器.实验结果表明: 当LED光功率为540 mW, 复合材料装填量为350 g时, 该过滤器对甲醛气体的吸附量大于3 mg; 当过滤器达吸附饱和后, 输入甲醛气流量为2 L/min、浓度为0.7 mg/m3, 实时分解甲醛的速率达72 μg/h, 输出气体中甲醛浓度降至0.09 mg/m3, 低于国家卫生标准中的室内甲醛浓度的安全阈值.纳米二氧化钛-介孔硅复合光催化剂的吸附特性为光催化分解提供了充分的反应时间, 有利于提高光催化分解效率, 可以长时间循环工作, 有望用于家庭空气净化, 甚至取代现有的活性炭过滤器, 用在长效的防毒面具等装置中.

基于Zernike多项式波前拟合法, 提出计算离焦位置任意波长透射波前Zernike系数的算法, 在聚焦位置Zernike系数基础上补偿离焦距离内Zernike系数变化量.以典型的消色差望远物镜为例, 根据设计波长及权重优化其工作位置, 计算不同波长的聚焦位置与工作位置的离焦量, 使用该算法验证消色差系统工作位置任意波长Zernike系数.与在工作位置直接使用Conrady-Zernike公式对比表明, 该算法对于与位置有关的Zernike系数计算效果明显, Z1的绝对误差由6.78降低到了1.41, Z4的绝对误差由6.83降低到了1.45.

为了提高微机电系统(MEMS)陀螺的测量精度, 提出了一种基于遗忘因子递推最小二乘估计的时变自回归滑动平均(ARMA)模型补偿方法.针对实测MEMS陀螺去除趋势项后的随机漂移信号, 采用分段检验方式进行了平稳性分析, 选取合适的基函数以及子空间维数进行时变ARMA模型建模.采用遗忘因子递推最小二乘估计的方式进行模型参数估计, 通过设置遗忘因子, 使得更新后的模型参数能够反映信号的动态变化.针对存在轻微波动的时变参数, 采用5阶多项式对时变模型参数进行拟合, 并提出一种解析法进行参数寻优, 从而建立最优随机漂移模型.将建模结果应用于卡尔曼滤波, 进行随机漂移补偿, 将补偿结果与时不变ARMA模型建模补偿方式的补偿结果进行对比发现, 所提方法补偿后的残差方差比时不变ARMA模型补偿后的残差方差降低了近40%, 有效提高了MEMS陀螺随机漂移的补偿精度.

为了解决平板型太阳能聚光器因受力不均匀导致的聚光效率下降的问题, 提出了以9块阵列透镜作为聚光模组的装配方式.设定聚光模组阵列与光波导板之间的空气间隙为2 mm, 通过ANSYS软件对聚光器进行线性静力分析和模态分析.设定风速为18 m/s, 高于指标等级14 m/s, 聚光器的模态分析基频为0.038 s, 满足结构刚度无需考虑动态影响的条件.讨论了结构组件在受到极限静风载的情况下, 聚光模组与光波导板结构之间的位移变化和对应的前6阶的模态系数.结果表明: 静力分析情况下聚光模组结构与光波导板之间的空气间隙最大位移为0.049 mm, 满足设计精度要求; 在5种角度工况下, 前6阶模态振型与施加预应力的模态振型相差在1%以内, 且对应振型图形态类似, 证明风载荷对于振型无影响.

实验研究了蓝色飞秒激光(1 kHz, 50 fs, 400 nm)在105 Pa(标准气压)和10－3 Pa两种不同气压环境下, 在单晶硅衬底的金属铬膜表面形成亚波长(~250 nm)一维周期性条纹结构的情况, 分析比较了入射激光能流、样品扫描速度、样品薄膜厚度等参数对表面条纹结构的影响.结果表明, 10－3 Pa的真空环境可以有效改善铬膜表面亚波长条纹结构的形成质量; 随着铬膜厚度的减小(100 ~25 nm),表面条纹质量逐渐提高, 但当铬膜太薄(≤ 25 nm)时材料表面易出现烧蚀不均匀现象; 另外, 随着飞秒激光能流密度的降低或扫描速度的增大, 条纹结构的空间周期将会减小, 此时条纹之间的沟槽内逐渐出现纳米线分布.

实验研究了平行光注入下多横模1 550 nm垂直腔面发射激光器(1 550 nm-VCSEL)输出的非线性动力学特性．对于一个在自由运行时腔内同时存在基横模和一阶横模(高阶模)的1 550 nm-VCSEL, 其两横模的主激射模均为Y偏振模式(Y-LP), 当受到偏振方向沿自由运行时主激射模式偏振方向的外部光注入(即平行注入)时, 实验研究结果表明: 当平行注入光的频率νinj更临近基横模Y-LP频率νfy时(此时频率失谐Δνf定义为Δνf=νinj－νfy), 在注入光强度Pinj增加的过程中, 基横模Y-LP呈现多种动力学状态, 而高阶模Y-LP出现的动力学状态相对较少, 且能量逐渐减小．当Pinj增加到一定值时, 高阶模Y-LP完全被抑制, 此时1 550 nm-VCSEL处于单模工作状态, 即实现了基横模Y-LP的模式选择．随Δνf的逐渐增加, 实现基横模Y-LP模式选择所需的最小注入光强度Pinj, min先减小, 达到一个最小值后再逐渐增加; 在给定的Δνf条件下, Pinj, min随偏置电流I增加而增大．当平行注入光的频率νinj更靠近高阶模Y-LP的频率νhy时(此时频率失谐Δνh定义为Δνh=νinj－νhy), 在Pinj增加的过程中, 高阶模Y-LP和基横模Y-LP均呈现出多种非线性动力学状态, 但实验过程中未观察到基横模Y-LP完全被抑制的现象, 即未实现高阶模Y-LP的模式选择.

针对红外超广角系统成像畸变大、衍射明显, 传统标定方法精度不高的问题, 提出了一种基于高阶奇次多项式模型的红外超广角图像中心标定方法.以超广角镜头高阶奇次多项式模型为基础, 对微小圆形目标成像的径向与切向放大率进行分析, 设计了标定方法.利用椭圆方程对目标成像进行拟合, 然后以椭圆长短轴比值作为目标函数进行二维高斯曲面拟合, 最终将高斯曲面中心作为畸变中心.实验结果表明, 本文提出的红外超广角图像中心标定方法对实验畸变图像横纵方向的标定精度分别为0.77 pixels、1.02 pixels, 并以此标定结果对畸变图像进行校正, 校正图像中直线最大均方根误差为1.56 pixels.实验验证了本文提出的红外超广角图像中心标定方法的准确性, 能够满足红外超广角图像畸变中心标定要求.

分析了光学系统离焦状态对基于正弦光栅的结构光相位的影响.基于正弦结构光相位与相机对焦状态无关的性质, 提出了一种利用相移法正弦结构光编码显示面板对离焦相机进行标定的方法.使用Floyd-Steinberg Dithering算法消除了显示面板gamma变换带来的结构光相位计算误差.实现了相机在离焦状态下对标定物特征点的准确提取.标定结果重投影误差为0.17 pixels.相机焦距的标定误差在0.39%以内.与传统方法相比提高了标定精度, 为具有特殊成像范围的相机的标定提供了一种解决方案.

基于密度泛函理论下的广义梯度近似结合平面波赝势方法计算得到LuPO4晶体的缺陷形成能, 对带电缺陷与其镜像之间周期性库伦作用进行修正, 得到比较精确的不同带电态的氧空位缺陷形成能, 并利用杂化泛函方法修正带隙和带边.考虑电子声子耦合作用结合缺陷形成能构建光谱.对比LuPO4∶Nd的实验结果与计算结果, 发现F心的吸收峰与Nd3+的5d—4f发射峰重叠(位于189 nm), 表明LuPO4∶Nd中光产额较低的原因与F心的存在有密切关系.

以谷胱甘肽和柠檬酸钠为配体, 通过水热法制备了水溶性AgInS2量子点.采用X射线衍射、透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱研究了阳离子浓度、配体添加量和pH值对AgInS2量子点物相、形貌以及荧光性能的影响.结果表明, 随着阳离子浓度的提高, AgInS2量子点的粒径逐渐增大, 导致其发光峰位由614.7 nm红移至675.6 nm.同时伴随发生了少量In3+取代Ag+反应, 造成量子点中Ag+含量略微下降, 形成的InAg缺陷作为量子点中激子的辐射复合通道, 有利于提高其荧光发射效率, 当阳离子浓度为0.7 mmol/L时, AgInS2量子点的荧光强度达到最大值.配体的添加可有效地钝化量子点的表面态, 有利于提高量子点的荧光性能, 在谷胱甘肽/Ag+=20、柠檬酸钠/In3+=7的条件下, AgInS2量子点的荧光强度达到最大值.当溶液的pH值调节为9时, 配体对量子点表面缺陷的钝化效果最佳, 最大量子产率达到10.1%, 而过高的pH值干扰了配体和量子点间的结合, 造成量子点表面形成大量的非辐射复合缺陷, 导致其量子产率出现下降.红外光谱分析结果表明谷胱甘肽和柠檬酸钠主要通过-SH、-NHR和-COO-与量子点配位.此外, 量子点表面带有大量的负电荷, 说明AgInS2量子点具有很好的分散性和优异的化学稳定性, 显示其在生物成像领域具有广阔的应用前景.

提出一种基于四波前剪切干涉的显微定量相位成像方法, 使用棋盘型位相光栅获得生物样品的干涉图, 采用快速傅里叶法解得相位信息.实验测量可变形镜产生的随机波前, 与ZYGO干涉仪的对照结果表明相位测量误差不超过3%, 验证了四波前剪切干涉仪的相位探测精度.建立了一套基于四波前剪切干涉技术的显微定量相位成像系统, 以小鼠肝癌活体细胞为样品, 获得了清晰的强度图像和相位图像.实验结果表明基于四波前剪切干涉技术的系统可以实现高精度的定量相位成像, 适用于生物活体细胞的相位显微成像研究.

为了检测全息光镊的捕获能力, 将基于视觉原理的光学测量系统用于全息光镊三维光阱刚度的测量.光学系统采用对称分布的双光源照射样品池, 形成两个像点, 通过跟踪像点位移获取被全息光镊捕获微球的三维位移信息.结合流体力学法测出本光学系统中单、双光阱的三维光阱刚度.实验结果表明: 单光阱中, 沿X、Y水平方向光阱刚度相差不大, 而轴向光阱刚度落在水平方向的1/3~1/4范围; 双光阱中, 离光轴(即衍射中心)近的光阱其三维刚度要比距离光轴稍远的光阱要大, 说明越靠近衍射中心, 光的衍射效率越高, 产生的光阱捕获能力也越强.

在传统直射式激光三角测距方法的基础上, 设计了一种基于位置敏感探测器的单透镜激光三角测头.引入一枚分束镜, 将聚焦透镜和成像透镜合并为一枚.在空间布局上, 令分束镜、探测器、聚光透镜三者共轴, 使系统的结构更加紧凑, 并推导了满足该结构的Scheimpflug条件.利用Zemax光学设计软件仿真光学系统, 系统焦距20 mm, 入瞳直径4 mm, 总长20.5 mm, 可实现测量系统的小型化.同时, 对位置敏感探测器进行非线性校正以及相关信号处理, 保证在较高测量精度的前提下获得更大的工作范围, 并提高系统对测量环境适应性, 可广泛应用于工业实时在线检测等领域.

在地面环境检测的空间反射镜面形主要是镜面加工残差和重力支撑变形等耦合的结果.为实现1.2 m轻量化空间反射镜的重力支撑变形分离, 通过测量镜面在等梯度支撑力下的面形, 由镜面力学响应得到镜面畸变和支撑力变化的关系, 以此作为界定有限元分析结果和优化有限元模型的依据.将由修正模型得到的重力支撑面形畸变从反射镜面形检测结果中移除, 即可得到反射镜加工残差.研究表明, 修正后的模型对100 N支撑力变化引起的面形畸变与实测结果误差≤0.001λ, 面形检测为1/30λ的空间反射镜, 其无重力和支撑影响的加工残差优于1/40λ.该结果不仅能指导反射镜面形的高精度抛光, 还可提高最终系统装调精度.

根据传统同轴反射式次镜支撑结构特点, 建立了以传统次镜支撑结构外包络为基础的次镜支撑待优化模型, 并采用变密度拓扑优化方法对该模型进行优化设计.根据拓扑优化结果设计了遮拦比为0.085的同轴反射式次镜支撑结构.有限元仿真结果表明: 在结构遮拦比、质量相同的情况下, 优化后同轴反射式次镜支撑结构的结构基频和结构刚度相较于传统三翼和四翼结构均有显著提高.加工了优化后的次镜支撑结构, 并进行了随机振动试验.试验结果表明: 优化后的次镜支撑结构基频为470 Hz, 与有限元仿真结果477 Hz的相对误差在2%以内, 验证了有限元计算模型的可靠性和真实性.该次镜支撑结构适用于需要较低遮拦比和较高刚度的同轴反射式光学系统中.

基于微腔理论和薄膜光学传输矩阵模型, 设计并制备了孔径不同的谐振腔发光二极管.通过对外延结构的设计和对器件的制备与测试, 详细研究了微腔结构、腔谱失谐以及有效辐射面积对器件发光效率、峰值波长和半波全宽等性能的影响, 最终降低了器件的启亮电流并且提升了器件的外量子效率.制备的器件能够在100 μA偏置电流下产生肉眼清晰可见的微瓦级光强, 在1 mA电流下达到0.16 mW的光功率和7%的外量子效率.器件的峰值波长为650 nm, 并且在0.1~7 mA范围内不随电流改变而发生变化.远场分布为均匀对称的圆形光斑, 水平和竖直发散角分别为46°和48°.与普通发光二极管相比, 该器件具有更高的发光效率和更好的单色性、方向性、波长稳定性, 研究成果为实现微小电流驱动的高亮度发光器件提供了基础元件, 并为谐振腔发光二极管在微电流下的光电特性研究提供参考与借鉴.

利用等效LC谐振电路, 分析了开口环的谐振频率与等效电路电参数之间的关系. 区别于传统微带传输线及附属开口环结构, 本文设计了两种以开口环作为传输媒介的结构.对两种结构仿真和实验测试,实现了带宽分别为300MHz和200MHz的带通滤波器的设计,并在开口谐振环外环一侧加载变容二极管及偏置电路实现通带频率的连续可调. 从表面电流密度分别分析了两种结构的传输特性, 在通带内, 方环的传输系数比圆环高3dB,其中结构之间的等效间距是影响传输效率的一个重要因素.

采用微控制电路加载技术控制超材料的等效介电常数和等效磁导率在不同时间的空间分布形式, 实现空间滤波器中心频率的可调.设计了一种方环缝隙结构超材料滤波器, 单元结构尺寸为18.5 mm×18.5 mm, 通过在单元结构上加载变容二极管实现X波段内的连续可调.当变容二极管电容值从0.15 pF增大到0.70 pF时, 仿真结果表明滤波器的中心频率从11.8 GHz逐渐减小到10.5 GHz, 工作带宽为16.3% (10.2~12.0 GHz), 通带内的回波损耗最小值为22 dB, 插入损耗最大值为0.6 dB.测试结果表明滤波器的中心频率从11.7 GHz逐渐减小到10.3 GHz, 工作带宽为17.2% (10.1~12.0 GHz), 且通带内的回波损耗最小值为25 dB, 插入损耗最大值为0.5 dB.

针对截断奇异值分解方法进行动态光散射反演存在的颗粒粒度信息丢失问题, 本文在分析自相关函数不同衰减时段粒度信息分布差异的基础上, 提出利用每一角度核矩阵与对应角度下粒度信息在自相关函数不同延迟时刻的分布构建扩展矩阵的扩展截断奇异值分解方法.该方法通过用自相关函数中每一延迟时刻的粒度信息, 调节同一时刻原核矩阵数据对信噪比的贡献, 进而保留了更多的有效奇异值, 减少了由于奇异值截断引起的信息丢失, 在保证抗噪性的基础上, 提高了自相关函数的信息利用率.在1×10－3噪声水平下, 对一组单峰宽分布(260 nm)和三组双峰颗粒分布(250/750 nm)、(270/800 nm)以及(306/974 nm)的模拟动态光散射数据, 进行了单角度、3角度和6角度反演.结果表明, 与截断奇异值分解方法相比, 采用扩展截断奇异值分解方法反演得到的峰值粒度误差和分布误差均明显减小.对306/974 nm颗粒体系的6角度实测数据的反演表明, 采用扩展截断奇异值分解法得到的颗粒峰值粒度误差由非扩展方法的0.032/0.016降至0.029/0.006, 且得到的峰值比更接近真实值.