半导体激光器体积小、效率高, 但单元输出功率低、光束质量差限制了其应用。介绍了提升半导体激光器功率及光束质量的最新进展, 对各种技术途径和实验结果进行了综述报道, 并具体介绍了中国科学院长春光学精密机械与物理研究所近年来在高亮度半导体激光器芯片及合束方面取得的进展。

针对高能物理、核物理等国家大科学装置对核心探测器件的需求, 研究不同于金属打拿极型倍增系统的大尺寸微通道板型光电倍增管。该光电倍增管最主要的特点是具有20 in(1 in=2.54 cm)的低本底玻壳和微通道板型倍增极结构, 使用Sb-K-Cs阴极作为光电转换阴极, 该阴极对350~450 nm波段光子的量子效率高, 倍增极采用两片微通道板, 在电压比较低的情况下可实现107的倍增能力, 从而提高了光电倍增管的探测效率和单光子探测能力。与传统的金属打拿极型光电倍增管相比, 20 in微通道板型光电倍增管是一种全新的产品结构, 具有单光子峰谷比高、本底低、响应时间快、后脉冲比例小等特点。

采用微加工工艺在Si衬底上制备了微柱和微锥阵列, 结合光学建模分析, 研究了结构参数对中长波(2.5~9 μm)红外光反射率的影响规律。使用严格耦合波分析方法(RCWA)计算的微结构反射光衍射效率与傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)测试的反射率结果吻合较好。研究结果表明, Si基微结构对TM及TE偏振光均有良好的红外光减反特性, 微锥结构具有更好的减反效果, 2.5~6.5 μm中红外偏振光的反射率低至2%, 同时表现出良好的宽谱与广角度减反特性。

针对雷达目标在**打击的重要战略地位, 提出了一种有罩雷达目标表面温度场求解方法。首先, 对雷达目标的结构特性进行分析, 在此基础上将有罩雷达目标简化为椭球目标; 其次, 对雷达目标三维温度场进行建模, 在球坐标系下建立瞬态热传导方程, 分析边界条件, 建立热平衡模型; 最后, 对雷达目标表面温度场模型及边界条件进行简化, 提出了基于降维有限差分的迭代法, 对目标表面温度场进行数值求解。利用文中算法得到的温度场分布及生成的红外仿真图像, 符合实际情况, 其温度变化规律与实际一致, 建立的温度场模型及求解方法切实可行, 为进一步研究目标红外辐射特性提供了基本参数和理论依据。

针对红外半实物仿真试验中DMD红外景象仿真设备存在的时序同步、高帧频显示、光学匹配等使用问题, 设计与研制了一套能够与常见被测红外凝视成像设备匹配使用的基于DMD的红外景象仿真设备。首先提出了合理可行的同步延时驱动方案和显示控制方案, 设计与研制了同步信号处理电路和驱动电路, 实现了仿真图像的时序同步和高帧频显示; 其次根据常见被测红外凝视成像设备的光学参数, 进行了光学系统设计与仿真, 研制了照明光学系统和投影光学系统, 实现了与常见被测红外凝视成像设备光学匹配。检测结果表明: 该设备能够与多种被测红外凝视成像设备在时序上保持同步, 并实现光学匹配, 输出的仿真图像帧频可达300 Hz、最大可模拟温度为160 ℃、最小可模拟温差为0.03 ℃、最大图像对比度为0.7、空间非均匀性优于1%, 已在红外半实物仿真试验中发挥了巨大作用。

针对传统的非均匀校正算法难以校正偏振成像的非均匀问题, 提出了一种新的矩阵校正算法。分析了偏振成像与非偏振成像的非均匀性的不同表现, 阐述了微偏振片阵列成像的非均匀产生机理, 指出了采用非偏振成像非均匀校正方法的失效原因。在构建偏振成像系统对入射偏振光源的响应模型基础上, 提出了矩阵校正法。实验部分给出了矩阵校正法对均匀偏振场本底图像和信息丰富场景图像的校正效果, 定量分析结果表明, 矩阵校正法将均匀本底图像的非均匀性降至校正前的10%左右。

设计了相同进出口面积、长度条件下的轴对称、矩形以及S弯三种收敛喷管, 在相同气动条件下进行对比试验研究, 测试其水平与垂直平面上的红外辐射强度特征分布, 分析不同探测面上轴对称喷管、矩形喷管与S弯喷管的红外抑制效果随方位角与高度角的变化规律。结果表明, 在水平探测面上, 三者变化规律相同, 红外辐射强度均随方位角增大而减小, S弯喷管红外抑制效果最好; 而在垂直探测面上, S弯喷管红外抑制效果依然最好, 在上方探测面, S弯喷管红外辐射强度随高度角先增大后减小, 在高度角为10°时红外辐射强度最大, 在喷管正后方, 相对轴对称喷管, 矩形喷管与S弯喷管红外抑制效果分别达到35.2%和80.2%;

利用自行设计的稳恒磁场装置以辅助激光熔覆工艺, 通过调节电流强度获得相应的稳恒磁场作用于激光熔池, 在45 钢基材表面制备了Fe55 合金涂层。借助扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)等表征手段分析了稳恒磁场作用下Fe55合金涂层的微观形貌、化学组成和物相结构。结果表明, Fe55合金涂层主要由γ-(Fe, Cr)和(Fe, Ni) 固溶体、(Cr, Fe)23C6碳化物及少量Cr9.1Si0.9组成。与未施加磁场相比, 稳恒磁场作用下的激光熔覆Fe55涂层, 枝晶间Cr元素含量更高, 枝晶内Fe元素含量也有所增加。稳恒磁场在一定程度上促进了激光熔池中的传质过程, 有助于Fe, Cr元素扩散和(Fe, Cr)固溶体的形成。当电流强度为4.0 A时, 外加磁场大大降低了熔池内固-液界面前沿的温度梯度, 增加了液态金属熔池的形核率, 涂层中大量柱状枝晶和树枝晶转变为方向各异的等轴晶, 涂层组织得到了明显优化。

基于Mie理论和热传导方程, 结合ICP-OES对熔石英亚表面杂质粒子的主要成分测量, 建立了计算吸收性杂质粒子诱导熔石英光学元件表面损伤概率的模型。通过该模型理论研究了不同种类的杂质粒子诱导损伤所需的临界能量密度随粒子尺寸的变化, 以及不同尺寸分布的杂质粒子诱导熔石英表面的损伤概率。通过损伤实验测试获得了不同光斑尺寸的355 nm激光辐照作用下熔石英表面的损伤概率, 与理论计算结果进行对比, 在相同粒子分布参数下, 分析了三种杂质粒子对损伤概率的贡献(Cu>Al>CeO2)。通过该模型能够分析光学基底或薄膜亚表面中不同潜在的杂质吸收性粒子对光学元件损伤概率的影响。

基于0.53 μm、1.06 μm激光双波长复合输出技术在**上的应用前景, 针对光电对抗双波长复合输出激光器的热效应, 利用泊松热传导理论, 考虑晶体与外界的热交换, 建立了更精确的边界条件, 仿真分析了三向泵浦、内腔倍频情况下激光晶体热透镜效应和倍频晶体热致相位失配的形成过程, 分析讨论了平凸腔补偿热透镜效应的有效性和一般规律。通过实验探究了热效应对双波长复合激光光束质量的影响, 验证了平凸腔对热效应的补偿效果, 发现平凸腔能增大基模模体积, 抑制高阶模增益, 改善复合激光光束质量, 热效应补偿效果会随着补偿平凸镜曲率半径的减小而增强。

为了改善内腔连续光参量振荡器(IC-OPO)输出功率不稳定, 弛豫振荡严重等问题, 对IC-OPO进行了改进: (1) 采用热透镜补偿设计, 改善模式匹配; (2) 使用光阑限模, 抑制高阶模振荡; (3) 在腔内加入KTP晶体, 利用二次谐波产生(SHG)过程的非线性损耗抑制弛豫振荡。通过改进, 获得了稳定的紧凑型2.2～4.2 μm的可调谐连续波中红外光源。输出功率波动标准偏差(RMS) 0.52%, 峰值波动范围1.8%, 光束质量因子M2=1.72, 弛豫振荡得到有效抑制。当腔内不加入KTP晶体时, 阈值(808 nm)仅为1.5 W。据笔者所知, 该阈值为国内相关工作报道中的最低值。

阐述了双色激光引信探测的原理, 提出采用双色探测, 利用海水对红外激光与蓝绿激光回波特性时域差异显著, 而舰船对二者的反射特性相近的特点, 区分目标与海面, 提出抗海浪干扰和判别目标的双色激光引信方案。双色激光引信利用激光发射系统同时发出红外和蓝绿窄脉冲激光, 激光接收系统采用两路探测器分别接收两种波长的回波信号, 信息处理系统对两路激光回波信号进行高速实时采集, 获得两路回波信号幅度、脉冲宽度、回波率等区分目标和海面。通过设计样机并进行海面试验, 试验结果表明, 双色激光引信抗海浪干扰效果良好。

为了了解激光声在液体中的传输特性, 理论分析了激光声的传输特性, 并采用高速照相机、光纤MEMS水听器对激光声进行了实验研究, 利用小波变换对采集的不同位置上的激光声信号各级频谱特性进行了分析。结果表明: 激光声属于一种脉动球源, 激光声信号传输过程中幅度与距离成反比关系; 激光声的分析频带内存在明显的优势频率, 峰值频率稳定在3.1 kHz, 带宽稳定在3 kHz; 低频信号的能量占总能量的70%以上, 高频部分主要是噪声; 从功率谱波形分析看, 低频信号的强度幅值随时间、距离变化衰减较慢, 而高频噪声随时间、距离变换衰减较快。

开展了变焦彩色CCD成像系统的激光外场干扰实验, 测得了半导体激光(750 nm)对变焦距(17~187 mm)彩色CCD相机的干扰效果; 同时利用典型的激光干扰CCD模型, 完成了对实验结果的验证与理论分析。理论与实验结果表明: 750 nm激光对彩色CCD成像系统的干扰效果明显, CCD靶面出现了明显的光饱和和串扰现象; 在激光辐照条件相同情况下, 光学系统焦距f越大, 被光阑截断的激光就越少, 到靶的激光功率密度就越高, CCD靶面的光饱和面积就越大; 光学系统焦距f为17 mm时, CCD靶面的光饱和面积为0.33 mm×0.29 mm, 而当光学系统焦距f增大至120 mm时, CCD靶面的光饱和面积为1.8 mm×1.2 mm。仿真结果与实验结果基本一致, 证明了理论模型的正确性。研究结果将对CCD器件的实际应用具有一定的指导意义。

考虑蒸发效应、等离子体屏蔽效应与脉冲间能量累积效应基础上, 建立脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮传热物理模型, 应用模型对脉冲光纤激光修锐青铜和整形金刚石分别进行传热数值计算, 依据数值仿真结果, 开展脉冲光纤激光烧蚀青铜轮和青铜金刚石砂轮的实验。理论研究和实验研究表明: 相关条件下, 当激光功率密度小于2.10×108 W/cm2时, 只能对青铜金刚石砂轮修锐; 当激光功率密度大于2.10×108 W/cm2小于2.52×108 W/cm2时, 能对青铜金刚石砂轮实现整形和修锐的合二为一; 当激光功率密度大于2.52×108 W/cm2时, 能对青铜金刚石砂轮实现大深度修锐, 但影响磨粒突出结合剂的高度和磨削性能, 以上研究为脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮研究提供理论指导与工艺优化, 同时实验结果与数值模拟结果一致, 也验证了传热模型的正确性。

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素, 对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器, 可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离, 从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下, 独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术, 开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果, 给出基于气溶胶光学参数的分类方法, 并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比, 参照建立的气溶胶分类查找表, 实现了对气溶胶的分类识别, 并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。

内混合气溶胶粒子的有效吸收对激光大气传输有着不利影响。以黑碳和氯化钠两种典型成分为例, 计算了密度和比热相同情况下, 均匀球和分层球模型粒子的有效吸收系数。研究结果表明: 有效吸收系数大小与粒子组分混合方式有关。在粒子吸收热量加热大气过程中, 黑碳为核的粒子在可见光和近红外波段有效吸收系数更大; 均匀球粒子在中红外波段和远红外波段(100 μs后)有效吸收系数更大, 而氯化钠为核的粒子在远红外波段(前100 μs)有效吸收系数最大。

大气色散会影响高分辨率成像、测光和光谱观测的质量。利用国家天文台兴隆观测基地80 cm望远镜获得了四个波长范围和五个天顶距的大气色散实测值, 波段范围为360~440 nm、360~550 nm、360~640 nm和360~790 nm, 天顶距分别为59.8°、57.6°、48.1°、47.8°和36.4°。讨论了实验过程中的四种主要误差来源, 测量精度约为0.6″。根据观测时的天顶距、温度、湿度和气压等数据, 结合大气折射模型计算了观测当时的理论大气色散值, 与实测值进行了对比分析, 结果基本吻合。对大气色散的影响因素和大气色散对高精度天文观测的影响进行了探讨, 为大口径高精度天文观测提供了减小大气色散影响的方法。大气色散实测和理论计算结果表明: 该方法可获得较高精度的大气色散值; 大气色散对大口径望远镜的高精度天文观测影响较大, 需要根据观测目的采用辅助设备来减小大气色散的影响。

单圈绝对式编码器相比于增量式编码器及传统的绝对式编码器有独特的优势, 其关键技术在于译码系统的设计及译码算法的研究。为了提高单圈绝对式编码器集成度、响应速度及精度, 设计了译码系统, 该系统采用线阵CCD作为码盘图像光电转换装置, 并利用FPGA实现电路控制及译码算法。同时提出了新的译码算法, 该算法一方面将CCD输出信号二值化后的电平信号高电平计数, 判断组合得到粗码信息; 另一方面应用质心法进行细分定位, 通过计算条纹质心与虚拟中心的偏差得到细分角度值。最后, 通过两者结合得到角度信息。基于该系统研制的经纬仪样机精度达到2″。

适应现代光电检测技术对微弱光电信号测量精度的进一步追求, 提出并验证双光路互参考高精度AOTF衍射效率测试方法。该方法利用光路可切换器件实现光路互参考检测, 从而达到降低光源不稳定性、探测器响应差异性及光电干扰的目的, 有效提高测试精度。首先对双光路互参考高精度AOTF测试方法的原理进行具体阐述, 然后说明建立的针对AOTF衍射效率测量的双光路互参考探测实验装置并对其进行实验验证。分析及试验结果表明: 采用互参考技术可使衍射效率测量方法数据精确度平均提高50%, 有效降低光源不稳定性、探测器响应差异性的影响, 实现提高测试精度的目的, 最后对方法的适用范围及参考意义进行了分析及讨论。

近20年, 太赫兹科学技术发展迅速, 太赫兹波与物质之间的相互作用成为研究热点。理论推导并实验验证了一种提高太赫兹波段材料折射率、吸收系数等参数测量精度的方法。以两种厚度的高密度聚乙烯板(3.5 mm、5.0 mm)为样品, 将不等光程测量法与常规太赫兹时域光谱测量方法进行比较, 分别获得了0.5~2.5 THz频率范围的高密度聚乙烯的折射率和吸收系数, 结果显示两种方法测量样品的折射率和吸收系数有较大的差异。常规法和不等光程法得到的折射率分别为1.505和1.483。常规法在1.465 THz附近出现一个峰值, 而不等光程法得到的吸收系数在1.166 THz和2.431 THz出现特征吸收峰。证明不等光程法能更加精确提取材料光学参数, 并可以揭示常规方法无法测得的材料特征吸收峰, 为太赫兹波段精确测量材料光学参数提供了新的方法。

基于扩展卡尔曼滤波器, 提出一种捷联导引头刻度尺参数辨识方法。首先, 简化了在比例导引制导律作用下捷联导引头系统的非线性模型。之后, 根据该非线性模型, 推导扩展卡尔曼滤波方程组, 并在参数估计处利用泰勒展式将其线性化。最后, 在以上条件下对制导系统的稳定性进行理论分析与研究。通过数学仿真对该刻度尺参数辨识方法加以验证, 仿真结果表明: 应用该方法, 可以快速、准确的估计捷联导引头刻度尺参数, 并且有效提高了在稳定性方面制导系统对导引头刻度尺系数误差的容忍度, 使系统更具鲁棒性。

为解除现有非均匀条纹解相位方法对系统测量精度的限制, 提出一种非均匀条纹的二值时空编码解相位方法。由标准非均匀条纹的截断相位反求截断相位分界线, 对分界线进行二值编码与解码。采用四步相移法, 只需三幅辅助编码图像即可准确获得非均匀条纹的绝对连续相位。建立非完全约束系统, 利用二次多项式拟合绝对相位与物体深度关系, 通过仿真实验与现有方法比较, 拱桥形物体各对称点高度差值的均值和均方差分别降低了65%和51%; 长方体测量误差的均值和均方差分别降低了95%和90%; 同时, 利用该方法对实际长方形物体表面进行测量, 与三坐标测量仪的测量结果比较, 平均误差仅为0.64%。实验结果表明: 所述方法可提高非均匀条纹相位展开质量, 在减少投影图像幅数的情况下, 提高测量精度。

对现有折射率的测量技术进行分析, 提出了一种测量两种透明介质间微小折射率差的新方法。首先, 介绍了微小折射率差干涉测量方法的原理, 并对该测量原理利用Zemax光学仿真软件进行了理论模拟论证。该实验中首先, 采用热键合技术制备包含两种被测量材料的组合平板; 其次, 利用干涉测量仪及外光路测量样件界面区域不同入射角下的光程差; 再者, 利用几何光学中的折射定律, 推导折射率分布与干涉光程差的关系式。最后, 通过二次曲线拟合获得正入射时的光程差微小变化值、换算得到样件两种材料的折射率差值。实验测量了1 at.%Yb3+: :YAG晶体与YAG晶体的热键合样品的折射率差, 测量值为5.41×10-5, 测量系统精度10-7量级。结果表明: 该测量方法原理简单、操作简便, 测量精度高。

卫星雷达波散射特征是对其进行监测、识别及打击的重要依据, 其特征控制同时也是卫星总体设计的重要内容。针对光电传感器侦察卫星的载荷搭载特点和面临的威胁, 确定侦察卫星构型约束条件, 分析卫星散射结构组成, 对不同雷达波散射特性仿真方法进行分析, 提出红外侦察卫星结构的RCS仿真方法。以美国DSP卫星为例, 对卫星结构剖分, 构建电磁仿真模型, 采用射线追踪法、物理光学近似法及等效边缘电流法, 对DSP卫星进行目标散射特性提取, 从入射频率、极化形式等方面分析散射特点, 提出光电侦察卫星的散射亮点部位及隐身改进建议, 可用于对光电侦察类卫星的监测、识别及打击和指导该类卫星雷达波隐身总体设计。

随着科技的发展, 高速度飞行器对成像质量的要求越来越高。研究了含共形整流罩系统在超音速飞行时由于摩擦生热对其产生的光机性能影响, 设计了应用长径比为1的共形整流罩的共形光学系统, 系统采用楔形镜进行视场扫描, 瞬时视场2?棕=4°, 扫描视场2?棕=60°, 完成了速度为3Ma、攻角为0°共形整流罩空气动力学仿真实验, 得到了共形整流罩在超音速飞行情况下的表面温度分布值, 通过流固耦合, 计算出整流罩在高速飞行时不同时间段的面型变化量。通过拟合, 将热形变量以Zernike系数的形式施加到共形光学系统中, 观察其对成像质量的影响。结果表明: 共形整流罩在飞行中所引入的动态像差会对光学系统的成像质量产生影响。为保证系统精度, 文中通过采用空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)对不同时刻的像差进行校正, 校正后系统成像质量接近衍射极限, 实现了对共形光学系统在高速飞行下所产生的动态热像差进行校正, 对高精度飞行器有着重要科学意义。

非临界相位匹配条件下, 为保证大口径倍频晶体具有较高的温度稳定性与一致性, 在全口径范围内实现最优的倍频转换效率, 设计了一种采用电加热方法进行高精度温度控制的装置。在装置设计中, 充分考虑倍频晶体导热系数小、形状薄而大的特点, 通过热传导加热倍频晶体, 并同时加热装置其他部分, 形成自然对流, 均衡晶体温度。通过仿真和实验得到该装置温度分布的整体规律, 得到在不同加热长度下, 晶体稳定温度及稳定所需时长随晶体材料导热系数变化的规律。实验和仿真均表明: 该装置能加热Φ80 mm口径的倍频晶体至目标温度, 并将其温度一致性控制在±0.15°C范围内。

采用高倍光学显微镜和焦平面探测器测试系统对焦平面探测器相连缺陷元进行了测试分析, 研究了焦平面探测器相连缺陷元的成因。研究结果表明: 借助高倍光学显微镜很难识别相连缺陷元; 采用焦平面探测器响应测试系统进行测试时, 相连缺陷元的响应电压与正常元基本相同, 相连缺陷元无法被识别; 采用焦平面探测器串音测试系统进行测试时, 相连缺陷元之间串音为100%, 明显不同于正常元, 此时两元相连缺陷元响应电压是正常元响应电压的二分之一, 相连缺陷元可以被有效识别。光刻腐蚀引入的台面或电极相连, 以及光刻剥离引入的铟柱相连导致了缺陷元的产生; 通过光刻腐蚀、剥离工艺优化, 可以有效减少焦平面探测器相连缺陷元。

设计加工了一种太赫兹超材料微流体传感器件, 利用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)对其在太赫兹波段的传输、谐振及传感特性进行数值模拟。采用太赫兹时域光谱系统实验研究了偏振方向对传感器灵敏度的影响。实验结果表明, 当超材料谐振环开口方向与入射太赫兹波的偏振方向平行和垂直时, 折射率传感灵敏度可分别达到39.29 GHz/RIU和74.43 GHz/RIU。通过等效电路模型对该超材料器件的传输和谐振特性做了分析, 并进一步明确了其传感机制。该超材料器件可对微量液体(5 μl/mm2)实现芯片式的折射率传感, 具有较高的传感灵敏度, 在化学生物传感器的设计和制造领域具有潜在的应用前景。

研究了一种基于石英基片的0.1 THz频段的鳍线单平衡混频电路, 混频电路的射频和本振信号分别从WR10标准波导端口通过波导单面鳍线微带过渡和波导微带探针过渡输入, 中频信号通过本振中频双工器输出。这是一种新型的混频电路形式, 与传统的W波段混频器相比, 混频电路可以省略一个复杂的W波段滤波器, 具有电路设计简单、安装方便的特点。该电路使用两只肖特基二极管通过倒装焊工艺粘结在厚度为75 μm的石英基片上, 石英基片相对传统基板, 可以极大提高电路加工精度。在固定50 MHz中频信号时, 射频90~110 GHz范围内, 0.1 THz混频器单边带变频损耗小于9 dB。

为了分析大视场高空间分辨率红外多光谱扫描仪系统误差的影响, 为检校方案的确定提供依据, 通过利用严格成像模型对机载摆扫红外扫描仪进行成像仿真分析。针对红外扫描仪摆扫系统中相机投影中心与稳定平台回转中心不重合的设计特点, 重点研究相机安置误差与POS系统安置误差的相关关系。仿真实验表明: 相机安置误差与POS系统安置误差对定位精度影响规律基本一致, 两者存在较强相关性但随着摆扫角度增大而减小; 在摆扫幅度小于20 °时, 相机安置误差可合并到POS系统安置误差。该结论可为后期的检校方案设计提供参考。

研究了光学元件装调加工误差引起的光斑尺寸和光轴偏转对空间光混频器混频效率的影响。推导了高斯模型下的光混频效率表达式, 得到当光斑尺寸与靶面尺寸的比例为0.64时, 混频效率最高。在此基础上推导了光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率的表达式。并进行仿真分析, 得到光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率变化曲线。当混频效率大于10%时, 光斑尺寸偏差范围为-42~250 μm, 光轴偏转范围为203 μrad。通过计算光斑尺寸偏差和光轴偏转综合误差发现, 调整光斑尺寸偏差可以改善光轴偏转带来的混频效率恶化。进一步搭建空间光混频器影响因素实验平台, 进行了三种光斑尺寸偏差下光混频效率随光轴偏转变化的实验。实验所测曲线与仿真结果趋势一致, 受实验器件插入损耗的影响, 实验值略低于仿真值。所得影响规律为空间光混频器设计、装调和加工提供了一定参考。

针对相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)分布式光纤扰动传感系统对扰动事件进行有效判别和识别的问题, 提出一种基于支持向量机(SVM)的扰动判别和扰动模式识别的方法。通过提取信号时域和频域的平均值、方差、均方差以及信号功率特征, 利用二叉树结构建立基于SVM算法的分类器, 对扰动进行判别并对扰动模式进行识别。根据传感信号的特征, 通过分类器I在对有无扰动信号进行判别的基础上, 进一步对有扰动信号利用分类器对扰动事件的模式进行识别。通过实验对所提出的方法进行验证, 对600组实验数据进行扰动判别和模式识别, 正确的扰动判别率在96%以上, 漏报率和误报率在4%以下; 正确的模式识别率均在94%以上。

针对海洋激光通信信道复杂多变的问题, 利用理论分析和蒙特卡洛模拟方法详细研究了水下光通信链路的信道特性。采用波长为532 nm的蓝绿激光, 分析了典型海水中的信道脉冲响应, 研究了接收光强与海水类型、衰减长度、发散角、波束宽度、接收视角及孔径等重要参数的关系, 并通过蒙特卡洛仿真实验进行验证。理论分析与仿真结果表明: 清澈海域中, 传输距离<40 m时, 可认为无码间干扰信道, 接收端不需要复杂的信号处理算法; 但在海港浑浊海域, 时延扩展随着接收视角和发散角的增大而增大, 从而降低信道的传输效率。当衰减长度小于等于漫射长度时, 接收光强随接收孔径的增大而减小; 但当衰减长度大于漫射长度时, 接收光强随着接收视角的增大呈现先增后恒的趋势。因此, 研究结果将对建立准确的水下无线光通信信道模型具有重要的参考价值。

弹光调制傅里叶变换干涉信号是高速、连续非线性变化。为了实现等时间采样干涉信号的准确光谱重建, 有必要对弹光调制干涉信号的预处理技术和相位校正方法进行研究。为了从连续的干涉数据中获取一幅完整的干涉图, 文中利用干涉图零光程差点的幅值最大特性, 获取一幅完整的干涉图。同时, 为了克服干涉图的非对称性, 提出将改进的Mertz相位校正方法与非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)相结合, 提高重建光谱的速度和准确度。在实验中, 通过仿真产生300 K红外黑体的非对称弹光调制干涉图, 采用该数据处理方法提高了重建光谱的精度, 并以大气窗口为被测对象, 比较准确地重建了大气光谱曲线, 实现了气体成分的定性分析。

将双目传感器和线结构光有机地结合到一起, 设计了一套能够对大尺寸被测物进行无导轨三维扫描的测量系统。通过标定实现双目传感器与结构光传感器坐标系的统一。提出了一种双线投影模型, 实现了双目标记点的立体匹配和标记点传感器坐标的测量。设计了基于线面约束的结构光测量模型, 实现了物体表面光条三维信息的获取。采用空间几何相对不变性原则实现标记点传感器坐标和世界坐标的全局匹配, 进而确定在测量位置处传感器坐标系与世界坐标系的转换关系。最终将传感器实时扫描测量的物体表面的三维点云数据转换到世界坐标系下, 实现对被测物三维的扫描测量, 工作距离下扫描测量精度优于0.08 mm。

随着光学操控技术的迅速发展, 测量与重建径向偏振光束（RPB）成为迫切任务之一。利用一套石英旋光片组合, 首先产生了RPB。借助计算机控制的CCD, 对RPB的斯托克斯矢量场分布进行了测量, 并获得其偏振态分布。结果表明: 所产生的RPB归一化功率偏差为0.054 8, 偏振偏差为0.004 4。利用干涉仪, 获得了RPB的相位分布, 相邻断面间平均相位差为1.471。最后, 通过偏振和相位信息的数据处理, 成功重建了RPB的矢量场分布, 并发现其拓扑荷在3左右。这些结论为实现精密量子调控与测量铺平了道路。

利用计算机视觉进行位姿测量的方法广泛应用于机器人系统、运动体控制系统和精密检测系统。研究和设计了一种基于固定靶标的单目视觉定位系统和方法, 用最少硬件资源实现精密定位。首先, 利用图像匹配的方法检测出平面靶标在图像中的坐标, 图像匹配采用SIFT算法和映射匹配方法, 之后利用固定靶标的特性求取中心点。实验利用多幅图像样本验证了图像匹配的准确性和鲁棒性。然后, 针对呈矩形分布的PnP问题, 提出了一种新的求解方法, 以靶标控制点的图像坐标和空间坐标作为输入, 得到了移动物体与摄像机的三维相对位姿。实验利用五维精密位移台移动目标物体并拍摄多副图像, 结果表明位姿测量系统在800 mm范围内达到mm级精度, 可以满足应用需求。

对单一图像进行运动模糊复原, 存在模糊点扩散函数(PSF)难以估计以及图像反卷积的病态性问题。利用多个PSF具有联合可逆性的特点, 针对运动目标观测, 提出采用参数相同的多个成像设备共同对同一视场进行拍摄, 来获取背景相同、曝光时间不同、目标模糊程度不同的观测图像; 然后利用同一设备获取的序列图像进行目标的模糊PSF估计; 并根据目标背景的运动模糊叠加特征, 分别从观测图像中提取出完整的模糊目标图像; 最后, 对这些具有不同PSF的同一目标图像进行空间域迭代复原算式的联立求解。实验表明: 该方法设计的目标获取装置对硬件条件要求较低, 获取的图像更便于采用多点扩散函数联合进行图像复原, 复原效果良好。

针对飞行器未知环境下自主地形跟随问题, 提出了基于前视序列图像天地线的地形跟随方法, 并利用适应角法设计了制导律, 该方法利用被动成像实时探测飞行前方地形信息, 降低了对数字地图保障及高精度导航的需求。六自由度非线性数学仿真结果表明 : 基于前视序列图像天地线的方法较传统基于数字地图的方法, 地形跟随平均离地高度可降低35%以上, 可大幅提高飞行器超低空突防性能。

采用重复性及生物兼容性较好的二维纳米银膜作为氧合血红蛋白表面增强拉曼散射光谱的(SERS)基底, 利用具有较好匹配的近红外激光作为激发光源, 通过引起共振拉曼效应分别对健康女性和女性乳腺癌患者的氧合血红蛋白进行SERS光谱研究。比较两组氧合血红蛋白平均SERS光谱, 发现存在差异。利用SPSS软件的主成分分析(PCA)方法和独立变量T检验统计分析方法, 发现两组光谱在659、813和1 122 cm-1拉曼频移处的谱峰有着极显著的区别。对主成分进行归属分析, 女性乳腺癌患者氧合血红蛋白分子中, 吡咯环的反对称变形振动、对称变形振动以及吡咯环的呼吸振动的强度、相对于健康女性显著减少, 从而造成图谱谱峰有明显差异。除此以外, SERS技术结合SPSS统计分析方法能够较好地区分健康女性和乳腺癌患者的氧合血红蛋白, 从而有望发展成为一种新型的乳腺癌临床诊断技术。

针对现有多模光纤数字扫描成像方法, 形成扫描聚焦光斑计算量大、速度慢的问题, 提出了一种基于自适应并行坐标(Adaptive Parallel Coordinate, APC)算法的单根多模光纤数字扫描成像方法, 通过控制多模光纤输入端的光场, 在单根多模光纤出射端实现光斑的聚焦和扫描。建立了单根多模光纤数字扫描成像数学模型; 采用自适应并行坐标算法对空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)加载相位进行优化, 有效缩短了扫描聚焦光斑的形成时间, 提高了成像速度。实际生成30×30个聚焦光斑, 对50 μm×50 μm范围的分辨率板进行扫描成像。实验证明, 该方法实现了单根多模光纤对距离光纤端面60 μm处平面内的目标成像, 分辨率达到2.46 μm。