荧光显微成像技术是开展微观生命科学研究的重要手段和工具, 使用该技术可以观察生物体内的精细结构、动态追踪生物体内组织、细胞、细胞核、蛋白、小分子等不同尺度的生命活动过程。其中, 研究深层组织高时空分辨率荧光显微成像技术, 是当前成像领域一个前沿问题。应用自适应光学技术实时补偿经由不透明散射、非均匀生物组织传播而引入的复杂波前畸变已被证实是实现上述技术的一种有效途径。文中首先归纳了深层动态荧光显微成像的需求和特点, 随后分别介绍了自适应光学技术近几年在共聚焦显微成像、随机光学重构显微成像、光激活定位显微成像、受激辐射光淬灭显微成像、双光子/多光子激发显微成像中的相关应用, 并对今后的研究问题和发展方向提出展望。

针对红外偏振信息应用于目标探测识别的理论需求, 基于红外辐射基本理论, 详细分析和推导了红外反射、热辐射、红外散射等光波传输过程产生的偏振效应, 并对这三种偏振效应进行了详细的建模与实验验证, 其中利用菲涅耳反射定律对物体表面红外反射的偏振性进行了分析, 并得出确定的反射偏振度解析式; 结合物体表面模型利用菲涅耳折射机制对物体的热辐射进行了计算, 并利用文献中的数据重现了密立根关于金属铂和金属银的偏振性实验, 充分验证了红外辐射偏振性的存在; 分别利用瑞利散射和米氏散射理论对物体表面红外散射的偏振性进行了分析和计算, 计算结果充分体现了散射产生偏振的规律性。上述研究结论为更好地利用红外偏振信息实现目标探测识别提供了充分的理论依据。

由于红外干涉成像光谱仪结构的特殊性, 其非均匀性在线定标与校正是工程上一直没有得到有效解决的技术难题。通过对光谱仪结构的深入分析, 对空间调制红外干涉光谱仪研究出了一种有效的非均匀性在线定标与校正方法, 并建立了相应的仿真模型, 实验结果表明算法是正确的和有效的。研究成果为星载空间调制红外干涉成像光谱仪非均匀性的在轨定标与校正奠定了良好的技术基础。

一直以来条状表面等离子波导被认为是实现高集成光路的有效器件, 首先采用经典的Drude模型对条状波导中SPP激发与传播特性完成了分析。针对可见光到近红外入射波长的条件完成了条状SPP波导的模场分布的研究, 得出, 当金属的厚度不变宽度越大, 电磁场分布就越集中在条状波导的两侧; 当金属条状的宽度不变, 厚度越大时电磁场分布会越集中在金属内; 入射波长越长会使得金属条状周围电场的集中越小, 且还会导致信道间的干扰。利用得到的条状波导特性进而设计了一种新型的耦合器, 器件设计结果表明: 条状SPP波导在有限传输距离上能量完全转移只发生一次; 波长较长时, 场的集中度减小, 耦合增强; 条状SPP波导耦合器可以实现1 310 nm和1 550 nm的光波分复用。这一研究对光子器件的发展有一定的理论和实际意义。

金属材料由于传热快, 温度在短时间内容易达到热平衡。因此, 用红外热像仪测量金属模型转捩难度大。在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)Φ3.2 m低速风洞中, 采用在金属模型表面喷涂隔热涂料的方法, 用红外热像仪测量旋翼翼型的温度分布, 通过温度跃变判断转捩位置。一般情况下, 红外热像仪放置在试验段某个位置固定不动。模型改变攻角时, 需要转动模型支撑机构, 这样会造成红外图像中的模型位置发生改变, 不利于比较不同攻角下的转捩位置。为解决该问题, 在模型转动平台上设计了红外热像仪固定装置, 实现了红外热像仪与模型的同步转动, 解决了模型不同攻角状态下模型外形成像的差异问题。红外图像与实物坐标对应更为准确, 获得的模型转捩位置更为精准。

在高功率准分子激光系统中, 一般采用光学角多路技术来获得高能量窄脉冲输出。文中介绍了角多路技术原理, 提出了一种采用矩形阵列和空间层叠光路结构的连续分振幅两次编码方式, 并针对该实验室的XeCl高功率准分子激光系统进行了具体的编码光路设计, 给出了设计实例。该方法具有编码结构紧凑, 编码精度高, 与光路准直、激光参数测量系统等兼容性好, 便于加工制作和安装调节等优点, 目前已在系统中应用, 效果良好。

二次谐波产生技术能有效扩展现有的激光波段, 被广泛应用于原子分子物理、光物理、生物医学等多个领域。倍频腔的长期锁定是倍频技术中的一项关键技术, 它直接关系到输出激光的功率稳定性和可靠性, 目前的商用二次谐波产生激光器都会存在不同程度上的失锁状态。提出了一种基于积分扫描来实现连续激光倍频器自锁定的方案, 能在没有人为调节的情况下连续工作, 不需要额外的功率监测和扫描信号, 失锁后可自动恢复锁定, 最终实现了长期稳定的二次谐波产生激光输出。

针对半导体激光器在工业领域的应用和光纤耦合可以实现柔性传输的特点, 设计了光纤耦合半导体激光模块。采用光束整形技术、空间合束、偏振合束和光纤耦合等技术, 将两组共10个整形后的半导体标准阵列进行合束, 扩束后耦合入芯径400 μm、数值孔径0.22的镀增透膜光纤。在工作电流70 A时, 光纤耦合前功率为545 W, 光纤耦合后功率为518 W, 光纤耦合效率高于95%, 得到很高的光纤耦合效率, 电光转换效率为43%, 为下一步千瓦级光纤耦合半导体激光器的制备奠定了基础。

为了研究激光对CMOS图像传感器的干扰效果, 利用632.8 nm连续激光开展了对CMOS相机的饱和干扰实验。随着入射激光功率的增加, 分别观察到未饱和、饱和、全屏饱和等现象, 并发现, 在全屏饱和前, 功率密度达到1.4 W/cm2后, 光斑强区中心区域出现了像素翻转效应。进一步加大光敏面激光功率密度到95.1 W/cm2, 激光作用停止后相机仍能正常成像, 证明像素翻转效应并非源自硬损伤。基于CMOS相机芯片的结构和数据采集处理过程进行了机理分析, 认为强光辐照产生的过量光生载流子使得光电二极管电容上原来充满的电荷被快速释放, 使得相关双采样中的两次采样所得信号Vreset与Vsignal逐渐接近, 是输出像素翻转的一种可能原因。

为有效应对红外成像制导**, 激光定向干扰技术在近年得到重点发展, 并有望成为未来红外对抗的主要方式。着眼于对激光干扰条件下红外系统成像特性的研究需求, 对机载激光定向干扰从发射、大气传输、光学系统传输以及探测器响应的全链路过程进行了分析建模, 构建了激光干扰条件下红外系统成像特性的仿真模型, 最后通过试验验证了文中方法和模型在对激光的红外成像灰度等级、成像光斑及灰度分布特性、成像饱和与致盲毁伤效果方面能够有效反映红外成像系统对激光的实际响应特性, 并取得与实测试验相近的仿真结果, 从而为后续深入研究激光定向干扰效能奠定基础。

运用非线性光学的和频理论推导出被动调Q腔内和频拉曼激光器速率方程理论中的和频项, 在被动调Q拉曼激光器速率方程的基础上, 推导被动调Q腔内和频拉曼激光器速率方程, 再将方程归一化, 得到八个综合参量。推导出和频脉冲峰值功率和单脉冲能量的归一化表达式。数值模拟观察各参量对和频脉冲峰值功率、单脉冲能量和脉冲宽度的影响。对各参量影响进行分析, 发现和频因子与归一化拉曼增益系数需要相互匹配才能实现高效率的和频光输出。同时, 比较了被动调Q腔内和频拉曼激光器与被动调Q腔内倍频拉曼激光器的数值模拟结果。

惯性约束聚变(ICF)背景下的激光靶耦合过程产生大量电磁脉冲, 对诊断设备的正常运行和测试数据的采集产生不良影响, 严重时甚至损害诊断装置。介绍了强激光与金属靶相互作用过程中受激辐射产生等离子体的数学模型, 模拟了盘锥脉冲天线的物理模型、三维增益等各项指标, 并对打靶过程进行测量, 得出电磁辐射电场值, 并推导出其频域分布。实验结果显示, 影响电磁辐射强度的因素有激光能量、激光打靶方式和入射方向等。对于平面靶, 相同靶型和靶材质情况下, 不同功率激光与平面靶相互作用发出的电磁脉冲具有相似的频谱和相同的特征频率。诊断结果为激光打靶产生电磁脉冲物理机制研究提供重要实验依据。

针对水下单光束扫描探测系统探测水中近场目标的需求, 为抑制海水后向散射干扰, 提高系统信噪比, 对系统光路参数进行了优化设计。通过推导系统盲区距离公式、水中目标回波和后向散射功率方程, 分析了系统探测区域和信噪比同光路参数的关系。在不同水质条件下, 基于粒子群算法(PSO)对光路参数进行了优化计算。结果表明: 对探测区域为6-10 m的系统, 当发射光束与接收视场平行, 接收视场半角为9 mrad, 收发间距为10.6 cm时, 系统信噪比达到最佳。为验证理论模型的正确性, 设计了水下激光探测光路模拟系统, 测试不同光路参数下系统信噪比, 实验结果与理论值一致。优化结果可为水下单光束扫描探测系统光路设计提供理论依据。

运用数字天顶仪进行定位是一种高精度的天文测量方法。在定位的过程中需要设定概略位置和进行局部星图识别。局部星图识别是在以概略位置为中心的一定范围内进行的。在进行局部星图识别时一般用数字天顶仪的视场角来确定局部星图识别的范围, 实际上这是不准确的。通过对数字天顶仪视场角的分析推导了局部星图识别时的经纬度范围, 并通过局部星图识别的范围对概略位置进行了研究。实验数据的分析结果表明, 在进行局部星图识别时选取的经纬度范围是要大于视场角的, 且随着概略位置的设定值逐渐接近测站点真实值, 识别的恒星数量也在逐渐增加。

激光跟踪仪是一种用于大尺寸空间精密几何坐标测量的重要光学测量仪器。PSD是激光跟踪仪实现对合作目标精密跟踪的脱靶量传感器件, 其探测精度直接影响跟踪测量性能。首先, 简要介绍了激光跟踪测量系统及基工作原理, 然后根据系统需求提出了脱靶量精密探测方案。重点讨论了I/V变换、信号放大、滤波、参数匹配等硬件设计方法以提高PSD输出微弱电流信号的稳定性, 研究提出了基于FPGA和有限状态机的去极值平均滤波算法和扩展除法运算算法分别用于降低噪声干扰与提高测量精度; 数据表明在4mm×4mm的区域内脱靶量探测稳定度优于±2μm。采用该方法实现激光跟踪仪对合作目标的动态跟踪, 很好地满足了激光跟踪仪的精密快速跟踪需要。

在微光成像中, 距离选通成像是一种获取目标三维信息的有效手段。对于静止目标而言, 可以通过对目标切片成像, 获得不同选通距离的目标图像, 进而通过二值化算法或质心算法获得目标的三维图像。而对于运动目标而言, 在切片成像的同时, 目标的空间位置会发生变化, 因此需要对不同选通距离的目标图像进行配准, 而后才能获得目标的三维图像。搭建了基于像增强电荷耦合器件(ICCD)的距离选通实验系统, 提出了一种基于像质评价的互信息配准算法配准激光图像目标的空间位置, 然后对配准后的激光图像通过互相关算法获得三维图像, 并在保证一定的三维精度基础上, 逐渐减少激光图像的像幅数, 最后与二值化算法和质心算法三维重构进行了实验对比, 实验结果表明, 互信息配准算法能够有效配准激光图像, 互相关三维成像算法精度高于二值化法和质心法, 最少采用2幅图像即可获得目标的三维点云图像, 大大降低了对运动目标三维成像的难度。

提出了一个基于偏振调制的最佳接收灵敏度ROF链路系统。其根本原理在于实现具有最佳光载波边带比(OCSR)的光单边带调制技术, 为此, 利用偏振调制和滤波技术, 线偏光首先经由一个特定偏振角α进入偏振调制器, 然后一个固定起偏角β的起偏器被用来合并偏振信息, 最后利用一个光滤波器实现光双边带调制到光单边带调制的转换。研究发现所获得的OCSR只与两个偏振角(α和β)有关, 通过仔细调节上述指标, 可以将OCSR调谐至最佳值0 dB。利用仿真验证了上述结论, 仿真发现通过将OCSR调谐至最佳值将大大提高ROF链路的接收灵敏度。

为了降低光纤陀螺(FOG)的随机噪声以及消除异常采样信号的干扰, 提出一种鲁棒平滑滤波算法。利用权重函数为FOG每个采样数据迭代加权, 给异常值分配较低权重给高质量数据分配较高权重, 有效提高了平滑滤波的鲁棒性。采用广义交叉验证估计平滑参数再利用离散余弦变换计算原始FOG数据的平滑值, 提高了平滑滤波的运算速度。软件仿真和实际实验结果表明, 相比传统最小二乘平滑滤波算法, 所提算法能够有效抑制FOG随机噪声和异常采样信号的干扰, 并且对时变的FOG信号具有较好的跟踪能力。

提出了正弦脉宽调制和相位编码结合的一种三维形貌测量方法。这种方法离焦投影编码的两种条纹到被测对象上, 使用相移算法, 由正弦脉冲宽度调制条纹得到截断相位, 由相位编码条纹解码得到条纹级次, 从而恢复测量对象的三维形貌。实验结果证明了该方法有两个优点: (1) 轻度离焦滤除了谐波从而能降低测量误差; (2) 基于相位的编码方式能测量表面反射率不一物体。

针对大功率永磁同步电机驱动的光电跟踪转台, 提出了一种基于特征系统实现算法的控制模型辨识方法。首先, 根据永磁同步电机的矢量控制原理, 对白噪声测试系统进行了系统配置; 其次, 采用功率谱密度函数的分析方法对系统的输入和输出数据序列进行了分析, 得到了系统的频率响应函数; 最后, 通过特征系统实现算法对系统的马尔可夫参数进行了辨识, 获得了光电跟踪转台的控制模型。实验结果表明: 采用特征系统实现算法可以精确地辨识出光电跟踪转台的控制模型, 该控制模型能够较好地反映系统的动态特性, 为控制器算法的设计提供了理论依据, 具有较好的实用性。

获取精确的热电模块的热物性参数值是热电制冷系统性能分析的关键。制冷量是衡量热电制冷性能的参数, 根据厂商数据单以及半导体材料与温度相关的热物性经验公式, 绘制了采用常物性参数法、变物性参数法分析制冷量的性能曲线图, 并提出通过热电臂内热平衡的微分表达式获得不同工况下制冷量的准确值及标准性能曲线图; 通过数值对比分析发现, 常物性参数法在计算热电制冷量时有最大约6 W的绝对误差, 但可以通过改善常物性参数获取精度减小计算误差; 而变物性参数法最大绝对误差仅为1.5 W, 该热物性参数获取方法精度较高, 适用于分析热电制冷性能。

通过对光伏发电最大功率点跟踪系统的研究, 提出了PSO与电导增量法的双级最大功率跟踪(MPPT)控制算法。该算法能很好地解决传统电导增量法在采用较大跟踪步长时跟踪精度差, 采用较小跟踪步长时跟踪速度慢, 动态跟踪过程中功率震荡大的问题。所提出的算法包含最优占空比预测和最大功率点跟踪两个阶段。最优占空比预测阶段采用改进的PSO算法搜索最大功率点附近的工作电流和工作电压, 然后根据搜索到的电压和电流计算最大功率点附近的最优占空比, 该阶段能解决传统的电导增量法在采用较小步长时存在的跟踪速度慢、功率震荡大等问题; 在最大功率点跟踪阶段接收上一阶段所搜索到的最优占空比, 当电导增量法所产生的占空比接近最优占空比时, 采用电导增量法进行控制, 否则采用上一环节的最优占空比进行控制。仿真实验结果表明, PSO与电导增量法的双级MPPT控制算法跟踪速度快, 跟踪精度高, 功率震荡小, 能很好地实现最大功率点跟踪。

针对钣金零件轮廓尺寸高精度测量面临尺度增大造成的测量精度下降问题, 提出了准确获取零件上表面的边缘方法和厚度转换模型。首先, 结合光学成像理论分析了背光光源下不同厚度钣金零件的边缘特性, 提出厚度零件具有上下边缘特征, 然后根据平板零件图像的边缘分布特征, 采用Canny算子初定位边缘, 用多项式拟合算法实现亚像素边缘精确提取, 对含有上下边缘的轮廓提出平均距离法获得上表面边缘, 并针对厚度引入的误差提出了厚度转换模型进行边缘修正, 获取零件在标定平面上的真实边缘, 最终结合标定数据求取零件尺寸。实验结果表明, 在1×0.75 m2的视场内, 1~5 mm厚、500 mm×500 mm零件的测量精度达到了0.05 mm, 满足了钣金加工测量的需求。

自行搭建了气体采集系统, 根据井下的气体情况, 采集了包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷和二氧化碳五种气体的中红外光谱数据共236组, 其中校正集186组, 验证集50组。在对光谱数据进行预处理之后, 利用主成分分析技术将得到的主吸收峰区域的红外光谱数据进行降维处理, 通过特征提取得到3个特征值作为矿井气体光谱数据的输入量。该方法有效减少了模型的计算量, 加快了模型的收敛速度。然后, 利用改进支持向量机分别对这五种气体建立了定量分析模型。为提高该算法的预测精度, 利用遗传算法和粒子群优化算法分别对SVM参数进行参数寻优。最后, 选择优化效果更好的粒子群算法, 并通过验证集对这五种气体进行了浓度预测分析。实验结果表明: 五种气体浓度预测结果的平均误差均小于1.78%, 最大误差均小于4.98%, 且对于50组的气体预测耗时均小于103 s。表明所提出的改进的SVM算法能够准确、快速地预测矿井气体浓度, 对实现矿井气体检测有着积极的意义。

针对吊舱激光指示精度外场测试与数据计算的问题, 提出了一种基于瞄准轴坐标系的激光指示偏差角正弦算法。在激光指示偏差角正弦算法基础上, 构建了激光指示精度测试误差模型, 估算了各误差源对总误差的影响因子。计算结果表明, 当指示偏差角很小时, 正弦算法的误差低于余弦算法误差约三个数量级; 激光光斑位置测量误差是最大误差源, 提高激光光斑位置测量精度是减小激光指示精度测试误差的最佳途径。此外, 在同样测量条件下, 正弦算法显著减小了吊舱激光指示精度的计算误差约2～3个数量级(具体量化数值), 也为激光光斑测量系统的指标论证提供了依据。

静电四级透镜具有优越的电子光学聚焦成像性能, 单一静电四极透镜可实现电子束线聚焦, 组合静电四极透镜系统拥有点聚焦的能力。文中对实现点聚焦的双静电四极透镜系统相关参数进行了计算, 利用电子光学软件SIMION仿真发现, 静电四极透镜之间的畸变场与两端的边缘场引起的像差会严重影响系统聚焦成像质量。仿真分析了系统像差与发射电子初动能的关系。结果表明: 系统在保证点聚焦的情况下, 增加电子发射初动能可以有效减小系统像差; 当电子初动能增加至1×105 eV时, 最大发散角为2°的电子束在聚焦平面上的弥散斑减小至3.2 μm×28 μm。

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础, 通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量, 获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知: 离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在, 离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小, 且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差, 例如轴对称光学系统未校正球差, 对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差, 由于孔径偏移矢量的引入, 离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称, 有可能在轴外视场产生像差零点。

大通量冷原子源是实现高精度冷原子干涉仪的关键技术之一。为获得大通量冷原子源, 通常采用二维磁光阱(2D-MOT)和三维磁光阱(3D-MOT)的级联结构, 其中2D-MOT的磁场分布是影响其性能的重要因素。通过数学建模及有限元分析, 对2D-MOT中不同构造(长方形、跑道形、马鞍形)的反亥姆霍兹线圈进行数值计算, 分析了不同构造线圈的磁场分布及因在制造与装配过程中产生的偏心、线圈不对称、平行度及内径不对称误差造成的磁场零点漂移和磁场梯度变化。分析结果表明, 在偏心误差C<1.14 mm, 线圈不对称误差ΔI<0.016 A, 平行度误差θ<1.02°时, 马鞍形线圈产生的磁场梯度更有利于制备大通量冷原子源。该结果为冷原子干涉仪2D-MOT的磁场系统设计和加工提供了理论指导。

针对空间三维坐标的测量需求, 设计了3D激光雷达光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式, 以高斯光学为理论基础, 采用Zemax光学设计软件进行仿真。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰, 而且简化了系统结构、缩小仪器体积。系统采用扩束准直结构, 实现8倍扩束比。通过微小的调焦, 调整发射光学系统的第一片和第二片透镜之间距离在28.203～14.671 mm之间变化时, 实现了2～18 m的测量范围内, 测距精度0.02 mm+10 μm/m。

在高分辨力光学系统中, 光学元件偏心引起的光学系统初级像差特性已经成为系统设计和装调必须要考虑的因素, 文中拟从分析透镜横向失调量对像差影响的基础上, 提出了一种考虑像差特性影响的光学零件装调校正方法。在考虑光学元件偏心对像差的影响的情况下, 推导了光瞳中心位置和像面中心位置随透镜偏心程度的变化, 建立了光学系统失调校正量和像差增量之间的数学关系, 提出了一种基于像差理论的透射式光学系统横向失调校正方法, 可以弥补现有高斯光学校正方法的不足。以三透镜准直系统为例, 利用ZEMAX软件仿真验证了文中方法的有效性, 实验表明该方法所选择的调整方案在所有调整方案中引起的像差增量最小, 降低了校正过程中对光学系统成像质量的影响。

微透镜阵列的制备已经成为微光学领域的研究热点。利用两次X光移动光刻技术, 以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为正光刻胶, 在PMMA基板上制造了微透镜阵列, 并对其制作原理进行了详细说明。设计了制备微透镜阵列用的掩膜图形, 并通过掩膜图形模拟仿真, 预测了微透镜在两次移动曝光显影后的形状。第一次X光移动光刻后, 理论上会得到半圆柱状三维结构; 第一次光刻后将掩膜板旋转90°, 进行第二次移动曝光光刻, 最终在PMMA基板上制备了面积为10 mm×10 mm的30×30个微透镜阵列, 阵列中每个微透镜的直径约248 μm、厚度约82 μm。同时也研究了X光曝光量与PMMA刻蚀深度之间的关系。微透镜阵列形貌测试表明此种制备微透镜阵列的新方法是可行的。

为了改进微机电系统中的传感器应用范围和特性参数, 采用微纳光纤制作了环形谐振腔结构, 设计的结构具有尺寸小、损耗低, 品质因素高等优点。理论上分析了微纳光纤的光传输模式特性, 通过电场的传数矩阵推导了谐振腔中的速度变化与光强变化间的关系, 得到了加速度作用下微环谐振腔的谐振波长、周长、有效折射率的变化值间的函数关系。仿真结果分析表明: 设计的微环波导电场波动明显, 耦合效率较好; 光谱强度和3 dB带宽变化较小, Q值达到104; 在质量块每增加10 g时, 输出光谱图约向右漂移3 nm; 加速度与谐振波长漂移量基本呈线性关系, 可以通过谐振波长的漂移量来实现对加速度的测量。研究结果能够为全光网络和微机电系统提供实现多种功能的光波导器件。

在集成光学领域, 光波长分裂器对于光信号重新分配具有重要作用。设计了一种光波长分离器, 这种器件可以把波长为1.31 μm和1.55 μm光的TE模式分裂开。该器件基于两个平行铌酸锂光子线的定向耦合器的工作原理, 并且可以用有限元法设计和仿真。计算稳态场分布表明, 波长为1.31 μm与1.55 μm的光波在空间上可以分离开。并且, 1.31 μm波的透射率可以达到91%, 1.55 μm波的透射率可以达到86%。该器件的尺寸只有26.2 μm×10.1 μm。

材料表面抗反射性能在太阳能利用、光电子产品、红外传感和成像、**隐身、以及航空航天等领域均具有重要应用价值。文中对材料表面抗反射特性的重要用途、人工实现路径、表面抗反射结构的研究现状及存在的问题等做了详细的论述。目前, 国内外学者已经利用碳纳米管涂层和硅表面针状纳米结构实现了优异的超宽波谱抗反射性能。但迄今为止, 金属表面微纳米结构的抗反射能力仍有很大的改善空间。作者所在的清华大学材料学院激光加工研究团队运用新一代高功率高频率超快激光, 在金属表面制备出多种类型的特征微纳米结构, 对其抗反射性能进行系统研究, 实现了紫外-可见、紫外-近红外、紫外-中红外与紫外-远红外分别为2%、6%、5%和8%的超宽光谱超低反射率, 并且在0~60°入射角度范围内无明显变化。进一步在微纳米结构基础上发展了“宏-微纳-纳米线”多级多尺度复合结构, 在16～17 μm波长处的总反射率低至0.6%, 在14～18 μm波长处总反射率不超过3%。上述优异超宽光谱抗反射性能预期具有良好应用前景。

基于核(金属)/壳(介质)微球的单光束梯度阱模型, 计算了外面包覆较厚聚苯乙烯的铜微球在聚焦光场中的轴向散射力、梯度力以及合力, 分析了表面被高度氧化的铜微球的轴向捕获力。不同于纯金属米氏粒子, 外层包覆较厚介质材料的金属粒子在聚焦光场中容易被捕获但不能被捕获在聚焦光束的高强度区域。光学微操作实验显示: 高度氧化的铜微球能被聚焦的高斯光束捕获并可以在平面内移动。理论和实验结果便于研究核壳结构金属微粒的光学特性, 进一步拓展了光镊技术的应用范围。

CdS窗口层光谱透射率的提高对CdTe-HgCdTe叠层太阳电池有效利用入射太阳光并增大电池的短路电流密度有重要的影响。通过研究化学水浴法、近空间升华法和磁控溅射法制备的CdS薄膜在CdCl2退火前后的光谱平均透过率和短路电流密度损失表明: 在光谱区520~820 nm, 化学水浴法制备的CdS薄膜在退火前后具有最高的光谱平均透过率, 对应的CdTe顶电池有最小的短路电流密度损失; 在光谱区820~1 150和520~1 150 nm, 磁控溅射法制备的CdS薄膜在退火前后均具有最高的光谱平均透过率, 对应的HgCdTe底电池和CdTe-HgCdTe叠层太阳电池有最小的短路电流密度损失。在光谱区520~820、820~1 150和520~1 150 nm, CdCl2退火可以显著增大CdS薄膜的光谱平均透过率, 降低对应CdTe顶电池、HgCdTe底电池和CdTe-HgCdTe叠层电池的短路电流密度损失。

由于激光烧蚀靶材形成的等离子体羽辉呈高斯分布, 导致沉积的大面积薄膜尤其是球面衬底上的薄膜极不均匀, 严重限制了脉冲激光沉积法的应用。设计构建了旋转与变速摆动相结合的三维衬底机构, 实现对半球面不同区域的连续沉积, 保证了膜层的均匀性; 建立膜厚分布的数学模型, 模拟分析了运动参数对膜厚分布的影响; 首次利用脉冲激光沉积技术制备出口径200 mm大尺寸半球面衬底上的均匀类金刚石膜, 顶角80°范围内膜厚不均匀性≤±5%。脉冲激光沉积法在大口径半球面衬底上制备均匀类金刚石膜在空间观测等领域均具有巨大的应用前景。

为了提高氧化锌光致发光强度, 以磁控溅射氧化锌/银复合薄膜为研究对象, 系统地研究了氧化锌薄膜的光学性质。实验中首先在硅衬底上用射频磁控溅射的方法沉积氧化锌/银复合薄膜, 作为对比, 同时沉积了一层氧化锌薄膜。通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对样品的形貌及成份进行表征, 并且在室温下测试样品在300~800 nm波长范围内的光致发光光谱。实验结果表明: 所制得样品为均匀分布的氧化锌纳米薄膜, 纯氧化锌光致发光光谱结果显示有波长位于378 nm 左右的紫光、470 nm 左右的蓝色发光峰存在, 加入银薄膜后, 氧化锌可见光区和紫外光区的光致发光光谱强度均有所增强, 而且紫外光峰位出现了红移。实验结果结合样品吸收谱对光致发光机理的分析作了进一步的分析。

以直线形光纤马赫曾德尔干涉仪作为滤波器件, 掺铒光纤作为增益介质的环行腔光纤激光器实现位移传感。构成该马赫曾德尔干涉仪的扩径光纤锥由光纤熔接机制作而成。随着两个应力调节支架距离的减小, 干涉仪发生弯曲, 输出的波峰向短波长方向移动, 最大敏感度为4.49 nm/mm, 消光比大于50 dB。扩径光纤锥的引入使得光纤在弯曲时能够保持基本一致的弯曲度, 并且相比其他结构强度更高, 不容易发生断裂。同时, 该结构的制作所需材料便宜, 制作过程简便, 有利于工程应用。

应用严格耦合波分析方法(RCWA), 在本征硅片衬底表面设计并制作了一种圆柱形抗反射微结构元件。通过MATLAB软件模拟仿真确定其最优参数组合, 使反射率设计值为3%。应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术制作了单面和双面的圆柱形微结构, 根据结果得到射频功率、气体流量及工作气压对微结构侧壁陡直度及形貌具有很大影响。还分析比较了形状(t为实际柱顶面直径与底面直径之比)与反射率的关系。采用热场发射扫描电子显微镜对该结构进行形貌表征, 综合显微成像红外光谱仪对反射率进行测量。实验结果: 制作了单面、双面微结构与无结构本征硅片反射率做比较双面圆柱形微结构的抗反射效果最好, 反射率达8%左右, 基本达到抗反射设计要求。

空时网格码具有编码增益与频谱利用率高的特点, 针对强度调制直接检测(Intensity modulation/direct detection, IM/DD)方式, 提出了一种适合于大气激光通信的空时网格编码方案。该方案运用快速傅里叶逆变换(IFFT)的对称性以及加直流分量的方法解决了空时网格编码信号无法直接用于IM/DD链路传输MPSK信号的问题。之后, 通过蒙特卡洛方法分析了该方案在不同大气闪烁条件下的误码性能, 并对调制阶数和天线数对系统误码性能的影响进行了分析。结果表明: 所提方案能够有效抵御大气湍流所产生的闪烁效应, 其性能随天线数的增加而得到明显的改善, 并且在强湍流条件下表现出了更好的性能。

BGO晶体的固有线性双折射及其温度特性严重制约着光学电压互感器(OVT)的实用化进程, 对其进行定量研究有助于提高和改进OVT的性能。文中提出了一种晶体劈干涉条纹图像法, 通过测量干涉条纹的移动实现对BGO晶体内部固有线性双折射及其温度特性的准确测量。文中采用琼斯矩阵对测量原理进行了推导, 并给出了测量实例和验证结果。结果表明, 单位长度的BGO晶体固有线性双折射会给OVT带来约1.0%的测量误差; 考虑温度特性, 误差约为1.2%, 对于OVT必须具备0.2%的测量准确度是一个严重挑战。文中提出的方法与传统的光强法比较, 不受光源功率波动的影响, 在测量过程中无需调节光学元件, 不会引入额外的误差, 测量准确度提高了约一个数量级。

针对φ-OTDR光纤分布式扰动传感器偏振衰落导致漏报的问题, 提出了一种基于空间域差分的定位方法。在不增加光路器件的情况下, 在空间域对探测光强进行差分处理, 与现有时域定位方法相结合, 通过在时域和空间域分别设置报警阈值, 可以有效抑制偏振衰落导致的漏报。对提出的定位方法进行了实验验证, 在空间分辨率为50 m、光纤长度为25.05 km的条件下进行多次实验测试, 与现有单一时域定位方法相比, 漏报率从18.5%降低到2%, 报警准确率从76%提高至89%。该研究工作可以为优化和提高φ-OTDR光纤分布式扰动传感器在实际应用中的技术性能提供理论指导和技术参考。

受激辐射损耗显微成像(STED)是一种超分辨荧光显微成像技术, 它能够突破传统光学衍射极限的限制, 把远场光学分辨率提高到百纳米以内, 被广泛应用于生物医学等领域, 是目前光学显微成像领域研究的热点之一。采用了一种基于超连续谱皮秒脉冲白激光光源的STED显微系统, 实现超分辨成像。并从精密合束、脉冲延迟和损耗光残留光强几个方面探讨系统优化, 从而获得最佳的成像效果。对直径约25 nm荧光微球成像实验的数据表明: 该系统成像分辨率可达约60 nm, 分辨能力远远高于衍射极限。另外, 系统成功实现了对核孔复合物、微管和微丝等一系列生物样品的超分辨成像, 共聚焦成像中某些模糊不清的结构在STED成像中清晰可辨。

作为辐射传输方程的高阶近似, 简化球谐近似模型成为近年光学分子成像研究的重点, 但计算效率低限制了它的广泛应用, 为此提出一种基于图形处理器的并行加速策略, 采用NVIDIA 公司推出的统一计算设备架构,对求解过程中耗时最多的两个模块——有限元刚度矩阵的生成和线性方程组的求解进行基于图形处理器的并行加速; 根据统一计算设备架构的特点, 进行计算任务的分配、存储器的合理使用以及数据的预处理三方面的优化; 仿体及数字鼠仿真实验对比刚度矩阵生成时间以及平均迭代时间, 以评价所提出方法的加速效果。实验结果表明, 该方法可使求解速度提高30倍左右, 展示了该方法在光学分子成像中的优势及潜力。

太赫兹技术是信息科学领域迅速发展起来的新兴科技, 太赫兹波与物质之间的相互作用机理有待深入挖掘。在太赫兹光谱测量前需对样品进行预处理, 为利用太赫兹技术进行土壤样品的理化参数研究, 开展了用于太赫兹时域光谱测量的土壤样品压片法制备研究, 分析了压片制备过程中存在的问题, 优化了制备工艺, 并以样品质量(130 mg、180 mg、220 mg、280 mg、330 mg、400 mg)和外界压力(0.5~5 t每隔0.5 t一个压力, 1 t=1 000 kg)为变量进行了适合于太赫兹光谱测量的土壤样品压片制备参数选择的实验探索, 确立了以220 mg/片, 2.5 t压力为土壤样品压片的最佳制备参数。该研究为土壤样品理化参数采用压片法进行后续太赫兹测试实验提供了有效的原始数据, 为其他固体样本制备和太赫兹光谱数据测量提供了科学的方法参考。

积分比例导引制导是适用于全捷联半主动激光导引头的一种典型制导方案。为解决该制导方案下的命中精度分析问题, 提出了一种基于伴随法的精度分析方法。首先, 建立了积分比例导引制导律模型, 并给出了一种具有较强工程实用性的积分比例导引制导律实现方法; 其次, 在分析制导回路各项误差源特性的基础上, 利用伴随法得到了各误差源对脱靶量的影响。分析结果表明, 制导精度与比例导引导航比、自动驾驶仪的动态特性密切相关。得到的结论可以为工程上利用全捷联半主动激光导引头进行制导提供重要参考。

mueller矩阵偏振成像可用于获取生物组织的浅表层生理学信息, 在疾病早期诊断与预防中具有重要意义。而在偏振成像系统中直接使用商用面阵CMOS相机不能得到用于解算mueller矩阵的正确图像信息, 限制了其在小型化内窥领域上的应用。对商用面阵CMOS的研究表明其光信号输入输出呈非线性映射关系。综合考虑到传感器固有的成像噪声, 提出一种基于校正的方法对CMOS的输出数据进行映射以获取正确的组织偏振信息值。实验结果表明校正后的偏振信息可以解算得到正确的mueller矩阵值, 误差可以控制在3%以内, 对蚕丝样品的测试也证明了该方法的有效性。上述结果使得内窥探头上应用小型化的商用面阵CMOS图像传感器进行体内生物组织mueller矩阵测量成为可能。

超颖表面是近些年刚发展起来的一个有着重要应用潜力的新兴前沿领域。文中在对超颖表面研究现状的分析基础上, 提出并研究一种基于棒形纳米天线阵列的超颖表面, 在手性圆偏振光场作用下产生无色散的表面相位突变, 从而对出射光波前相位进行调控, 并在此基础上研究若干新颖功能应用, 包括依赖于手性的广义折/反射定律, 双极性可控平板透镜, 宽带涡旋光束生成, 手性选择性表面等离激元定向激发, 三维纳米全息等。