随着5G、物联网以及大数据等业务的发展, 光通信网作为数据传输的主干线, 扩展其系统容量、提高传输稳定性以及网络智能化势在必行。空分复用技术主要以多芯光纤、少模光纤以及少模-多芯光纤作为实现载体, 被认为是提升光通信网络系统容量、构建下一代光通信网络的关键。主要研究了空分复用光纤在光传输、高性能激光器、光纤传感等领域的应用, 结合已报道的实验结果, 充分说明空分复用光纤的研究是现代光纤通信系统的重要方向, 也是未来光通信领域研究和关注的热点。

迭代相位恢复是一种将算法优越性与成像系统相结合的计算成像技术, 它将有助于显微镜的小型化与低成本化。基于多距离相位恢复的无透镜成像技术因其高分辨、大视场以及无相差等特性成为计算成像领域的一个研究热点。多距离相位恢复可通过不同衍射距离下的多幅强度图样迭代重建出样品的完整波前信息。目前, 无透镜多距离成像系统存在倾斜照明、收敛迟滞、初始距离无法直接测量、真彩色成像疵病、分辨率受限等问题。文中系统地综述了国内外研究团队针对这些问题的解决措施以及最新研究进展, 并给出了相对应的实验验证。

量子级联激光器具有效率高、体积小、功耗低、波长可大范围选取的特点, 已经被广泛应用于定向红外对抗系统、自由空间光通信和痕量气体传感等领域。回顾了量子级联激光器近20年的进展。首先总结了量子级联激光器的总体发展历程和发光原理; 接着介绍了主要用于定向红外对抗的大功率量子级联激光器的几种典型有源区结构设计, 然后讨论了气体传感用的单模分布反馈量子级联激光器; 接着又论述了单片集成高亮度量子级联激光器相干阵列的研究情况; 此外, 还介绍了自由空间通信用的量子级联激光器的发展情况; 最后, 描述了近些年才出现中红外量子级联激光器光频梳的研究进展。

中红外半导体激光器体积小、效率高, 在环境检测、空间通讯及****等领域具有重要的应用前景。但是中红外半导体激光器单元器件输出功率低, 限制了其在以上领域的应用。激光合束技术是能够实现中红外半导体激光器功率提升的重要途径。文中详细介绍了几种用于中红外半导体激光器的合束方法及中红外半导体激光器合束方面的最新进展。

3~4 μm波段中红外激光器在工业气体检测、医学医疗和自由空间光通信等诸多领域具有十分重要的应用。目前锑化物半导体带间级联激光器是实现中红外3~4 μm波段的理想方案。带间级联激光器(Interband Cascade Laser,ICL)可以看做是通过电子和空穴复合产生光子的传统二极管激光器以及通过引入多个级联区来提高电子注入效率的子带间量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)的融合。文中概要介绍了带间级联激光器的基本工作原理, 阐述了国际上主要研究单位包括俄克拉荷马大学、美国海军实验室、德国伍兹堡大学等带间级联激光器的发展历史, 介绍了国内单位包括中国科学院半导体所研制成功带间级联激光器的性能, 分析了该类激光器设计制备技术难点和及性能进一步提升优化的技术方案。

GaSb基光泵浦半导体碟片激光器(OP-SDLs)可以获得高光束质量和高功率的红外激光输出, 是近年来新型中红外激光器件研究领域的热点。文中介绍了GaSb基光泵浦半导体碟片激光器增益芯片的外延结构和工作原理, 综述了2 μm波段GaSb基泵浦半导体碟片激光器的研究进展, 讨论了该类激光器的波长扩展、功率提升、实现窄线宽短脉冲发射和有效热管理关键问题, 评述了性能发展的主要技术方向和应用前景。

实漏、虚漏、出气和渗透等气体源引起封离真空杜瓦腔体压力升高, 活性气体H2、H2O、CO占的份额较大, H2的份额可达80%以上, NEG抽出活性气体获得和维持红外焦平面探测器杜瓦组件工作真空度。封离真空杜瓦寿命周期内产生的气体量与设计制造技术水平和真空获得工艺能力有关, 不正确使用St 172将导致NEG不能发挥最大效能。根据文献和工程实践经验, 分析探讨在特定使用工况下NEG的抽气性能参数和激活与再激活条件对真空维持性能的影响, 指出大多数用户不允许电再激活NEG修理、必须正确使用无颗粒St 172/NP和注意相关的问题。

大气对红外辐射传输的影响引起的红外成像灰度变化, 是红外目标跟踪应用需要应对的问题。对红外成像灰度变化规律进行李群建模, 对设计高效、鲁棒的目标跟踪算法具有重要意义。首先分析了红外辐射传输模型, 并结合红外成像机理, 得到红外成像灰度变化模型。进一步从理论上证明了大气影响下红外成像灰度变化规律符合李群结构, 提出了红外图像灰度动态变化的一种非欧数学表征。最后根据红外成像灰度变化模型对不同环境下采集到的外场实验数据进行拟合, 回归分析结果表明了该模型的准确性, 进而说明了对红外成像灰度变化规律进行李群表达的合理性。

针对当前军、民用领域对新型生物消光材料的需求, 将制备出的絮状颗粒等效为子弹玫瑰花型粒子, 将其作为单元颗粒构建不同结构的生物颗粒, 并对生物颗粒结构进行参数化表征, 采用离散偶极子近似法(DDA)计算生物颗粒远红外波段平均消光效率因子。结果表明: 生物颗粒远红外波段平均消光效率因子与尺度因子和孔隙率成正相关。在研究平均消光效率因子与尺度因子和孔隙率关系的基础上, 构建了生物颗粒远红外波段平均消光效率因子模型, 计算时间较DDA法缩短, 计算误差在10％以内。模型的构建将为生物消光材料发展以及形态控制提供理论基础。

处于3~5 μm波段的激光源在遥感、环境保护、医疗、通信和红外对抗等民用和军用领域都有广阔的应用前景。Fe2+:ZnSe晶体由于在材料特性和光学特性等方面都具有明显优势,是3~5 μm波段极具潜力的激光介质之一。在室温条件下利用自制非链式脉冲HF激光器作为泵浦光源, 对晶体直径为10 mm, 厚度1 mm, Fe2+离子掺杂浓度为3×1019/cm3的Fe2+:ZnSe晶体进行了研究, 获得了中心波长4 295 nm、最大输出能量78.8 mJ的中红外激光输出。输出激光能量相对于晶体吸收泵浦能量的转换效率为27.7%, 斜率效率达28.8%。采用小角度(3°)斜入射的方案很好地解决了Fe2+:ZnSe激光器谐振腔镜镀膜问题。

目前1.5 μm LD泵浦铒玻璃被动调Q微型激光器是**激光测距的研究热点, 获得较高的激光重复频率和单脉冲能量尤为重要。文中主要报道了一种应用于激光测距领域的铒镱共掺磷酸盐玻璃被动调Q微片激光器。激光器采用中心波长为940 nm的单管二极管为泵浦源, 铒镱共掺磷酸盐玻璃(Er3+, Yb3+:glass)作为增益介质, CO2+:MgAl2O4(CO:MALO)作为可饱和吸收体。通过分析泵浦光斑半径对模式匹配影响, 优化泵浦光斑半径, 实验分析可饱和吸收体初始透过率T0和输出镜反射率R对输出激光参数影响, 优化T0和R值。最终实验中采用增益预泵浦方式, 实现重频1 kHz, 单脉冲能量40 μJ, 脉宽5.09 ns, 峰值功率7.85 kW, 光束质量M2=1.4, 波长1 535 nm的稳定激光输出。

为了解决大功率半导体激光器的输出波长和功率的稳定性问题, 设计了一套大功率激光器恒流驱动电源及温控系统。利用深度负反馈电路实现对激光器驱动电流的恒流控制, 采用硬件比例-积分(Proportional-Integral, PI)温控电路结合恒流驱动, 控制半导体制冷器(Thermoelectric Cooler, TEC)的工作电流, 实现激光器工作温度的精确控制。所设计的驱动电源可实现输出电流0~12.5 A连续可调, 同时具有电流检测、过流保护、晶体管-晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic, TTL)信号调制等功能。所设计的温控系统的控制精度可达到±0.05 ℃, 同时设定温度连续可调, 温度可实时监测。实验结果表明该设计能够保证稳定的电流输出和温度控制, 满足大功率激光器的使用要求。

针对单频激光在放大过程中线宽展宽的问题, 对1 550 nm单频铒镱共掺光纤放大器(EYDFA)中种子光功率和温度对输出线宽的影响进行了实验研究。实验对比了不同种子光功率、增益光纤温度下, 放大后线宽的变化情况。实验结果表明, 获得相同输出功率时, 提高的种子光功率会增加输出信噪比(SNR), 并降低放大后线宽展宽的程度。当种子光功率确定时, 增益光纤温度也会影响输出线宽。在相同泵浦功率下, 增益光纤温度上升会提高放大器的效率和增加受激自发辐射(ASE)强度, 但会使输出线宽的展宽增加。同时, 分析了种子光功率和温度影响EYDFA输出线宽的原因, 认为ASE是影响线宽展宽特性的原因之一。

基于自制的双波长低反射率光纤光栅(FBG)作为分布式布拉格反射激光器(DBR)的输出端, 实现了掺Yb3+双频DBR光纤激光器。该FBG的双波长间隔为0.12 nm, 对应的频差为32 GHz。双频光纤激光器输出的两个波长分别为1 063.09 nm和1 063.21 nm, 光谱信噪比大于60 dB。每一个波长只包含一个纵模。两个纵模的拍频信号为32.014 GHz, 频谱信噪比大于35 dB。得益于光纤激光器本身具有结构紧凑, 抗干扰能力强等特点, 该型激光器有望作为高品质, 小型化的微波信号源, 用于微波传感和通信等领域。

为了研究飞秒激光等离子体丝阵列对10 GHz微波传输特性的影响, 利用COMSOL软件构建了飞秒激光等离子体丝阵列与微波相互作用的数值仿真模型, 研究了等离子体丝阵列参数、等离子体特征参数、阵列层数对微波反射率和透射率的影响。数值结果表明: 当微波的电场方向垂直于等离子体丝轴向时, 无论微波相对于丝阵列的入射角如何变化, 丝阵列对微波完全没有影响。增加丝的直径或者电子数密度、减少阵列间距或者电子温度都可以使反射率增加, 透射率减小。光丝直径为500 μm, 阵列间距为1 mm的等离子体丝阵列对10 GHz微波反射率最大可达到0.88, 此时等离子体的特征参数为ne=1×1023 m-3, Te=0.3 eV。当增加丝阵列的层数时, 透射率减小, 最终趋近于0, 而反射率则保持不变。该研究结果对飞秒激光等离子体丝阵列屏蔽干扰微波具有重要意义。

以ICF系统应用为背景, 建立了四束超短啁啾高斯脉冲远场能量叠加分析模型, 分别对单束及多束超短啁啾高斯脉冲的空间异常特性进行了数值模拟和分析。结果表明: 脉宽是影响超短啁啾高斯脉冲叠加光束产生空间异常现象的主要因素。在利用指数函数复振幅包络的解析式进行分析时, 使用脉宽小于1个光振荡周期的超短啁啾高斯脉冲进行叠加应控制参数在合理的范围内, r<1w0时可有效避免空间异常现象。

通过试验研究了1.06 μm激光辐射在水雾环境中的衰减特性。定量测量了不同气象光学视程(MOR)的水雾对1.06 μm激光辐射的衰减程度, 计算了水雾环境下的1.06 μm激光辐射的等效“MOR”。分别采用试验数据和经验公式计算了1.06 μm激光辐射在不同能见度条件下的消光系数。通过对比发现由经验公式计算的消光系数存在明显偏差, 尤其是在低能见度条件下。基于试验数据, 推导了一种以可见光能见度为输入的消光系数计算公式, 对估计云雾环境下近红外光辐射的衰减特性具有重要参考价值。

为减小传统激光测距方法中复杂电路系统对脉冲计时或相位比较引起的测距误差, 针对偏振调制激光测距技术, 利用电光调制器中晶体折射率随施加电场线性变化的特性, 将待测物体反射的光脉冲调制成时间的函数, 通过所得偏振光两个垂直方向上的光强比值求解待测距离。在研究其测距原理、距离方程及误差分析的基础上, 推得文中测距方法所能达到理论测距精度的表达式,并分析调制过程中正弦、锯齿、指数三种调制函数对测距精度的影响, 在相同距离范围内, 锯齿函数具有更好的适用性, 正弦函数与指数函数的组合函数具有更高的测距精度。进一步分析正弦函数不同波段对测距精度的影响可知, 采用-?仔/6~?仔/6波段调制时其适用性及测距精度都有很大提高。研究结果对提高偏振调制激光测距精度具有重要意义。

激光制导**半实物仿真中通过对激光能量精确控制, 来逼真模拟战场环境下激光导引头接收到的激光能量。需要对激光能量模拟误差进行分析研究, 以保证半实物仿真的可信度。重点分析了半实物仿真中激光信号传输的全过程, 给出了激光信号传输各环节引起的能量控制不确定度; 提出了激光能量密度模拟误差模型和误差分析方法, 举例说明了该误差分析方法的具体应用, 并设计实验验证了模型准确性。根据误差分析模型, 可有效评估激光能量密度模拟误差, 优化仿真想定设计, 保证半实物仿真结果精度。

通过将水溶性石墨烯掺入至光引发剂2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)丁酮和季戊四醇三丙烯酸酯混合而成的光刻胶中, 利用飞秒激光双光子聚合技术制作一系列平面图案及三维立体结构。利用亲水角测试表征混合物的浸润性, 激光透过深度测试表征混合物的穿透性。实验结果证明, 掺杂有水溶性石墨烯的混合液与玻璃仍具有较强结合力和一定激光穿透性。最后利用拉曼成像与扫描电子显微镜表征平面图案及三维结构。证实使用去离子水作为分散液可以将水溶性石墨烯掺杂进微结构中, 并且掺杂有水溶性石墨烯的微结构在机械性能上比纯光刻胶微结构, 结构更稳定且形貌更统一。

利用光学传输矩阵, 结合广义惠更斯-菲涅耳光学衍射公式, 研究了艾里高斯涡旋光束在正负折射率交替变化周期平板介质中传输时, 其输出横截面光强分布规律和侧面传输光强的演变图景。结论显示: 当右手材料折射率nr和双负材料折射率nl绝对值正好相等, 并且右手单元长度R: 双负单元长度L=1:1时, 可以实现输出面光强的完美还原; 当双负材料折射率绝对值abs(nl)≠nr, 但R=L时, 两类周期介质输出表面的光束质量都很差, 此时, 若要实现输出光强的完美还原, 较大的abs(nl)需要较长的双负单元长度L来进行补偿, 反之则反; 进一步探究了准周期平板介质中双负材料单元长度和负折射率的定量关系。期望相关结论可以对含特异材质周期和准周期结构中艾里高斯涡旋光束的调控和通信传输提供重要的参考价值。

精准的距离测量对于卫星编队飞行、行星空间定位、大型结构形状测量、微小位移测量以及工业制造测量等方面具有重要意义。近年来, 基于飞秒激光频率梳的测距技术以其测量速度快、准确度高等优点成为国际研究热点。在简要阐述飞秒激光频率梳原理特性基础上, 分析了目前国内外主要的飞秒激光频率梳测距的原理及测距结果, 包括飞行时间法、多波长干涉法、双频率梳法、空间色散干涉法、实时色散傅里叶变换法以及多技术综合测距法。简要介绍了在测量过程中对空气折射率修正和色散补偿方法, 对各类测距方法进行了对比总结, 着重介绍了基于飞秒激光频率梳的测距最新研究进展。

提出了一种利用激光跟踪仪进行镜面准直和姿态测量的方法, 分析了测量精度。分别利用高精度电子经纬仪与激光跟踪仪对单个立方镜和双立方镜进行准直和姿态测量, 计算固定立方镜相邻镜面夹角和双立方镜坐标系间的转换参数, 对比新方法的测量精度。同时比较测量效率、测量环境要求。实验结果显示: 比于传统镜面拟合法低于0.5′的准直测量精度, 新方法精度达到10″量级, 与主流的经纬仪方法相当; 同时, 新方法在测量效率上较经纬仪方法提高1倍以上, 对测量环境的要求也较为宽松, 在实际生产中可以代替经纬仪进行准直与姿态测量工作。

对不同偏置状态下的国产科学级0.18 μm工艺掩埋型4T-CMOS有源像素图像传感器进行钴-60γ射线辐照和退火实验, 研究总剂量效应对图像传感器的性能影响, 并观察是否存在总剂量偏置效应。着重分析暗电流、满阱容量等参数随累积剂量的变化规律。实验结果表明随着辐照总剂量累加, 暗电流前期缓慢增长, 之后退化明显加剧, 这主要是由于辐照致界面态和氧化物陷阱电荷密度增加。4T-CMOS图像传感器的暗电流主要由来源于STI界面, 而辐照导致耗尽区展宽与STI接触使得暗电流增长加剧, 同时, 辐照导致的耗尽区展宽也引起满阱容量的下降。并且在4T-CMOS图像传感器的实验中没有发现明显的总剂量偏置效应。

介绍了一种新型透射式能见度测量系统, 积分球在光源能量监控和光信号接收中起到重要作用。光源采用白色 LED, 外部高频脉冲调制, 信号测量端同步解调, 有效消除外界光干扰。积分球分光实时监控光源发射能量的变化, 消除光源自身不稳定带来的误差。准直和扩束透镜组将光源发散角控制在 1 mrad。反射镜组反射光路实现了有限空间光程的增加, 同时增加了采样体积, 缩短了透射系统的安装基线。积分球配合望远镜接收光束减小了光路调节的压力。系统研制完成后开展了实验室内模拟能见度测量实验, 与现有测量大气散射系数的设备积分浊度计进行对比分析,通过积分浊度计传递定标参数。结果表明: 两个系统在1.7~20 km 测试区间相对偏差小于 4%。

角度权重估计是多角度动态光散射测量技术的重要环节, 其方法可依赖于光强均值或光强自相关函数基线。角度误差对颗粒粒度分布测量准确性的影响在很大程度上取决于角度权重系数的估计。通过对模拟和实测动态光散射数据的反演, 研究了角度误差对基线值法和光强均值法进行权重估计对粒度分布反演的影响。结果表明: 采用两种方法进行角度加权, 无角度误差时反演结果无显著差异。存在角度误差时, 误差对光强均值法反演结果的影响大于基线值法, 并且对大颗粒的影响显著大于对小颗粒的影响。导致这一结果的原因在于, 当散射角存在误差时, 基于Mie理论的光强均值法得到的权重系数为理论值, 与实测的光强自相关数据所对应的权重系数存在偏差。而且随着颗粒粒径的增大, Mie散射光强随散射角变化呈现出更为剧烈的波动, 致使这种偏差加大。因此, 采用基于Mie散射理论的光强均值法进行角度加权, 对多角度光散射测量装置应提出较高的精度要求。

研制了一套以数字信号处理 (DSP)芯片为控制器的一维纳米定位控制系统。该系统主要由驱动平台、微型迈克尔逊干涉仪、DSP控制器等三个模块组成。其中驱动平台模块由线性滑轨、超声波马达HR4和驱动器AB2组成。HR4配合其专用驱动器AB2利用摩擦力来驱动侧面贴有陶瓷片的线性滑轨, 微型迈克尔逊干涉仪用来感测滑轨的位移。基于BP神经网络的PID控制算法和迈克尔逊干涉仪的信号处理运算全部由DSP控制器完成。实验结果表明, 该定位系统行程为20 mm, 定位精度优于10 nm, 重复定位标准偏差为7 nm。该定位系统具有系统架构简单, 定位精度高等优点, 可用于大行程高精度定位应用场合。

为了增大光学系统的视场, 针对含有自由曲面的离轴反射式光学系统设计, 提出了一种面型优化策略和视场优化策略相结合的优化设计方法。该方法从小视场出发, 以表征光学系统波像差的Zernike标准多项式各项系数为评价依据, 确定像差分量优化顺序, 有针对性地选取和优化XY多项式项系数; 计算各视场波像差在全视场波像差的占比, 据此调整各视场的优化权重。在小视场范围内优化获得满足光学系统性能指标的结构参数后, 逐步拓展视场范围, 交替使用面型和视场优化策略, 实现全视场范围内光学系统的优化设计。应用该方法设计焦距1 200 mm、F数为12、视场30°×3°的含有自由曲面的离轴三反光学系统, 仅通过优化15项XY多项式系数表征自由曲面, 设计结果接近衍射极限, 且有利于指导更宽视场的自由曲面光学系统设计。

设计了一种改进型激光三角测头, 在传统直射式激光三角测距方法的基础上, 提出了一种新型单透镜设计理念。以普通直射式激光三角法为基础, 对该光路进行改进, 在光学系统中使用一个分束镜来取代传统激光三角测头的聚焦透镜和成像透镜, 令其与聚光透镜和光电探测器共轴, 使系统的结构更加紧凑, 并推导了满足该结构的Scheimpflug条件。同时利用Zemax光学设计软件仿真光学系统, 系统入瞳直径4 mm, 焦距20 mm, 总长20.5 mm, 满足测量系统的小型化。当与合适的光源和探测器配合使用时, 能够在保证较高测量精度的前提下获得更大的工作范围, 提高测量系统的环境适应性, 可广泛应用于工业实时在线检测以及**领域。

横向压电驱动变形镜在自适应光学系统中应用广泛, 其利用了压电陶瓷的横向逆压电效应驱动镜片实现变形。在高电场强度下变形镜迟滞曲线存在特殊的“蝴蝶形”, 增加了控制难度, 且变形镜无法正常工作。针对这一问题利用压电陶瓷极化及铁电材料的电滞回线理论进行了分析, 明确了蝶形曲线产生的原因。通过实验确定了变形镜矫顽场强度在-500~-400 V/mm之间, 迟滞曲线回归一般的“柳叶”形状。根据迟滞曲线的特点设计了静态的PID闭环校正系统, 并进行了校正实验。结果表明, 闭环校正后线性度得到明显提升, 迟滞率可降低至1.8%。

可靠准确的参考光检测是提高直接测距型激光主动成像系统测距精度的关键因素之一, 对基于PIN探测器的参考光检测电路设计进行了深入研究。首先, 对比分析了雪崩光电二极管(APD)和PIN光电二极管性能及其供电电路的难度。综合考虑参考光功率稳定特性及参考光光路设计难度, 选择PIN探测器进行激光雷达参考光检测。详细分析了高压集成芯片LT3482作为常规电源和利用电流监测模式驱动PIN探测器时的差别。选择高增益带宽积跨阻放大器OPA657N实现PIN探测器电流电压转换, 对其关键外围元件参数的选取进行了详细分析。同时介绍了超高速比较器MAX9601的应用注意事项。最后, 设计了电路板并进行实验验证。结果表明: 对脉冲为10 ns的激光光源, 当PIN探测器施加89.449 V的偏置电压时, 其输出电流信号经跨阻放大器后电压幅值达到-3.7 V, 可保证起始信号可靠检出, 但脉冲展宽为15 ns。整个模块可有效给出参考光对应的计时起始信号。基于集成高压芯片驱动的PIN探测器配合恒定阈值时刻鉴别方法在直接测距型激光主动成像系统参考光检测中是切实可行的。

为了研究高功率连续激光辐照过程中快反镜的热性能变化问题, 文中利用多物理场仿真分析软件建立了融凝石英(fused silica)、微晶(zerodur)、碳化硅(SiC)三种材料制作的快反镜传热学和结构力学耦合非稳态模型, 通过泽尼克多项式算法对高功率激光辐照快反镜热应力下的光学波前进行拟合。研究结果表明: 在同等激光功率辐照条件下, 微晶材料制作的快反镜温升最小, 形变最小。根据仿真结果优选微晶作为快反镜镜体材料, 基于泽尼克多项式对快反镜波前热畸变进行仿真分析, 计算得到波前热像差以活塞、球差、离焦等为主导, 可为波前校正工程应用提供理论参考。

硅光电倍增器(SiPM)是近年来迅速发展起来的新型固态弱光探测器, 有望取代传统的光电倍增器(PMT)用于拉曼检测中。为了解决拉曼检测中的荧光干扰以及SiPM的高暗计数率的缺陷, 建立了基于SiPM为光探测器的时间分辨拉曼光谱测量系统。以三硝基甲苯(TNT)为样品, 重点研究了其拉曼峰的峰本比(PBR)随选通时间的变化规律。结果表明: 随着选通时间增大, 拉曼峰的PBR 呈现先增大后减小的趋势, 最后变化缓慢。当选通时间为400 ps时, 该方法所测得拉曼峰的PBR要优于商业拉曼谱仪和参考文献[12]采用的门控方法的结果, 并且此时系统所记录的SiPM暗计数水平与PMT相当。该方法在很大程度上实现了对样品荧光和SiPM高暗计数率的抑制, 显著提高了拉曼谱的PBR。

针对当前紫外光通信中气体灯与激光光源调制速率慢、体积较大, 光电倍增管工作电压过高等问题, 提出了一种基于现场可编程门阵列技术的日盲紫外LED实时视频传输系统, 其发射光源采用波长为265 nm的单紫外LED, 探测器采用紫外PIN; 通过电路和逻辑模块设计搭建了视频传输系统, 研究了系统的光功率密度与通信距离之间的关系; 基于二进制开关键控调制方式, 实现日盲紫外LED实时视频传输系统最大传输速率为2.88 Mbit/s, 当通信距离为4 m时, 传输速率达到1.92 Mbit/s。

无线紫外光通信具有高速率高可靠性的特点, 可以满足复杂环境下的通信。通过直升机助降的过程提出近似直视通信方式, 并研究了无线紫外光MIMO系统的ALOS通信链路模型, 同时计算了弱湍流条件下ALOS链路中MIMO系统的误码性能, 并仿真分析其信噪比、发射功率、发射(接收仰角)以及通信距离对误码率的影响。计算分析当发射(接收)仰角小于35°时, 误码率随着发射(接收)仰角的增大, 其增长趋势比较明显, 当大于35°时, 误码率随着发射(接收)仰角的增大, 其增长趋势变缓。结果表明, 在无线紫外光ALOS链路中, 采用天线阵列和多探测器的MIMO技术能够较好地降低误码率和抑制大气湍流, 并提高抗衰弱能力。

在无线光正交频分复用(FSO-OFDM)系统中, 因需要加入循环前缀而消耗近20%的带宽, 降低了数据传输效率。为了进一步减少带宽损耗, 改善系统性能, 采用小波包变换代替FSO-OFDM中的傅里叶变换, 设计了一种基于小波变换的无线光正交频分复用(FSO-WOFDM)系统。该系统无需加入循环前缀, 利用小波基函数的正交性来抑制子载波间的干扰。根据FSO-WOFDM系统原理, 研究了信道估计方法、湍流强度、小波基对FSO-WOFDM系统误码率的影响, 对比分析了FSO-WOFDM与FSO-OFDM的系统性能, 并通过实验验证了FSO-WOFDM系统的可行性及其优良的抗混合噪声干扰能力。

基于多模光纤的多模干涉原理以及图像处理算法, 对多模光纤输出端面光斑图像相位谱的灰度共生矩阵特征值进行提取, 提出一种新型光斑图样处理算法, 并且将其应用于微位移传感。详细分析了以阶跃型多模光纤为基础的单模-多模光纤结构在两光纤径向产生微位移时, 位移量与端面光斑图像相位谱特征值之间的关系。对多种结构参数光斑图样的分析表明, 两光纤径向微位移与相关性及一致性两特征值成近似线性关系, 可以用光斑图像处理的方法进行微位移测量, 从而实现传感。实验结果表明与目前常用的计算光斑图像归一化强度内积处理算法相比, 多模光纤芯径较小时, 线性度、动态范围比较接近; 芯径较大时, 线性度提高的同时动态范围扩大约一倍。因此所提出的算法稳定性更好, 适用范围更广。

在利用飞秒激光器产生太赫兹波的过程中, 等离子体本身会对太赫兹波能量进行吸收, 其吸收特性在太赫兹波雷达探测、等离子体隐身、电磁干扰研究等方面有着广泛的应用前景。结合理论分析设计了一种等离子体吸收太赫兹波的测量系统, 提出等离子体粒子间相互碰撞吸收是导致等离子体吸收太赫兹波的主要原因, 并在实验测量研究中发现等离子体密度大小、光学透镜焦距长短以及入射飞秒激光与倍频晶体晶轴角度是影响吸收程度的主要因素, 这些研究为等离子体吸收应用提供了更加全面的理论支撑, 有助于推动太赫兹波技术在**及民用领域的快速发展。

天然橡胶制品的老化是其使用中普遍存在的现象, 老化的本质是材料本身存在缺陷而容易被外部因素影响。介电谱是表征电介质对电磁波频率或温度的依赖关系, 是微观极化的一种宏观体现。参照橡胶热空气老化标准GB/T3512-2014, 对天然硫化橡胶在100 ℃实验箱中进行了1 000余小时热氧实验, 研究样品的太赫兹介电谱随老化时间的变化关系。通过跟踪测试, 获取了橡胶每24 h在0.2~1.2 THz的复介电常数和损耗角正切值有效数据, 根据复介电常数数值可以推导橡胶的极化特点和统计性的微观运动类型, 进而分析用太赫兹介电谱表征的天然硫化胶热氧老化过程中分子结构变化和相互的对应关系。由于材料老化的相通性, 该结果对研究其他高分子材料的老化也能起到积极的意义。

分析导弹尾焰可知, 影响其光谱变化的主要因素包括发动机、燃料等, 故根据尾焰光谱可以达到导弹型号识别的目的。为保证识别效率, 用特征光谱代表尾焰特征, 可大大缩减数据量。首先根据光谱差模型计算出各波长处的辐射差, 通过设定阈值将辐射差分段, 高于阈值的波段即为所选的特征波段。改变积分步长和阈值可获得几组不同数据。分别采用光谱角匹配算法(Spectral Angle Matching algorithm, SAM)和模糊算法对不同精度和不同特征波段的数据进行处理, 得到识别结果。以识别结果的正确率和待识别样本与各型光谱的相似度距离为衡量标准, 模糊算法识别效果可与SAM相当, 但其在算法复杂度方面优于SAM。

传统去噪去混叠算法大多针对单波段图像, 针对于高光谱影像的特点以及噪声、混叠对于图像的影响, 提出了一种结合张量与倒易晶胞的多维滤波算法, 并将其应用在高光谱影像的去噪和去混叠中。该方法引入张量, 将高光谱影像数据视为三阶的张量表达, 以倒易晶胞获取影像混叠和噪声较小的频谱覆盖, 从最小均方误差的角度交替迭代求解三个方向的滤波器, 最终完成影像滤波, 在保证影像空间和光谱信息一致性的前提下, 有效地减少影像混叠和噪声, 提高图像的质量。通过与二维维纳滤波算法、张量多维去噪算法的多组高光谱数据对比实验, 证明了文中算法的有效性。

光强传输方程作为典型的相位恢复技术, 在已知待测面光强分布与光强轴向微分时, 可以通过求解该方程直接得到待测面的相位分布。强度微分可以通过采集沿传播方向的不同散焦面的光强信息以计算强度差分来估计, 由此, 散焦面的适当选择变得尤为重要。将光强传输方程与图像插值法相结合, 在几何光学模型下描述采集的散焦面光强分布与聚焦面光强分布之间的关系, 再利用图像插值法计算出模糊参数不同的散焦面的光强分布, 由新得到的散焦图和采集的聚焦图代入光强传输方程以计算出相位。该方法只需要采集三幅强度图像, 即可计算获得其他位置的强度图像, 避免了采集设备的多次移动, 也为某些特殊情况下无法获取适合位置的强度图像提供了一种解决途径。实验中搭建了一个实际的光强图像获取系统, 所得结果验证了所提算法的有效性。

针对动态场景下图像序列中运动目标检测问题, 首先采用基于分块投影匹配的全局运动参数估计方法, 然后利用估计得到的运动参数补偿背景的全局运动以稳定图像序列, 最后在稳定后的图像序列上采用背景减除法提取运动目标。实验表明, 分块投影匹配的运动目标检测能有效地提取动态背景下的运动目标。

提出了一种直视合成孔径激光雷达的高速空间相位调制方法。将一束空间偏振光束分为两束同轴同心且正交偏振的光束。在交轨向, 将两个光束调制成随时间正弦变化且变化方向相反的空间相位; 在顺轨向, 将两束光调制成具有符号相反曲率半径的相位, 在慢时间轴上产生与目标顺轨向位置有关的空间二次项相位历程。此种调制方法, 在顺轨向具有自动补偿抖动的功能, 可以有效地防止平台抖动对成像的影响。

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化氮浓度的有效途径。介绍了差分吸收激光雷达原理及系统结构, 基于可调谐固体激光吸收技术, 以0.01 nm为步长, 测量了二氧化氮在3.410~3.435 μm吸收光谱, 实验结果表明, 在1.0 atm(1 atm=1.013×105 Pa)、25 ℃情况下, 所测吸收光谱与模拟计算吸收光谱相关系数为92.01%, 基于实测吸收光谱分析确定了二氧化氮测量激光波长对为on-line 3.424 μm、off-line 3.414 μm。并研究了差分吸收激光雷达二氧化氮测量信号预处理方法和去噪算法, 仿真计算结果表明, 采用信号预处理结合多重自相关检测法, 可有效将1 km内模拟探测所得二氧化氮浓度反演结果误差降为±0.1 mg/m3。

目前中国科学技术大学车载激光雷达已经实现了对于15~60 km中性大气风场的夜间连续观测, 鉴于白天观测的信噪比受到背景光的限制, 因此, 设计了一种利用现有干涉滤光片结合固态FP 标准具的超窄带滤光器, 用于实现背景噪声的降低。提出了一种结合鉴频器参数确定FP最佳参数的方法, 得出了 FP 标准具的参数, 实现了带宽为8.4 pm、中心波长为354.73 nm、自由光谱间距为150 pm、峰值透过率高于0.67的滤光器, 将背景噪声降低到原来的十八分之一。 该滤光器有效提高了系统信噪比, 减小了风速误差, 同时计算了温度、角度变化对滤光器带宽、中心波长和透过率的影响, 设计了一种角度调谐的方法。实验结果与理论值具有较高的一致性。

给出了针对吸气式高超声速飞行器(ABHV)的飞推一体化参考轨迹, 分析了其对星光导航成像影响。基于吸气式高超声速飞行器强耦合特性, 结合星光成像导航技术特点, 以飞推耦合度最小为优化指标, 考虑ABHV的攻角、燃油当量比、攻角变化率和隔离段激波串位置等多约束特性, 采用一种多约束最优化方法, 得到了适合星光导航应用的参考轨迹, 并分析了该轨迹下星光成像性能退化情况, 进一步挖掘了发动机稳定工作和飞行器高精度打击等具有核心竞争力的总体性能指标的潜力。以某型ABHV为例, 在精确的仿真模型基础上, 进行了仿真分析, 仿真结果表明, 该方法有效、可靠。

近年来, 关联成像成为光学成像领域的前沿和热点研究之一,它是一种新型的成像技术, 具有广泛的应用价值和前景。偏振探测技术可以提升系统探测识别能力, 且具有对不同材质物体的分类能力。将关联成像技术与偏振探测技术相结合, 固定探测端偏振配置, 使用Hadamard模式照明散斑, 对照明散斑进行分时偏振调制, 搭建了前向调制偏振关联成像系统。利用该系统对含有多材质物体的场景进行了偏振探测成像实验, 利用探测信号与照明散斑计算出了场景的强度和偏振信息。使用演化压缩采样复原技术, 在不同采样率下对场景信息进行了复原, 在12.5%的采样率下获取了场景清晰的强度和偏振信息。

关联成像是一种通过单像素探测器以成像时间换取空间分辨率的新颖成像方案, 然而, 其存在重建质量低、数据采集时间长的问题。Hadamard编码调制计算关联成像能够实现高效率的成像, 显著提高了关联成像方案的适用性, 但是其独特的图像噪声集中现象是影响其实用化亟待解决的难题。通过分析Hadamard矩阵作为测量矩阵计算关联成像重建结果的噪声特点, 基于图像分割理论, 提出了一种利用阈值处理和形态学图像增强的Hadamard编码调制关联成像噪声压制方案, 并通过实验验证了该方案的可行性, 获得接近8 dB的光学图像增强。该方案对二值图像和灰度图像都有比较好的效果, 其工作促进了关联成像技术的实用化。

皮肤反射式共聚焦显微镜是一种重要的皮肤影像学诊断工具, 其采用共振型振镜扫描成像会带来非线性畸变, 为校正这种畸变, 提出一种像素值反正弦过采样信号重建的RCM图像畸变校正方法, 对间距为20 μm的矩形光栅扫描成像实验表明, 在校正畸变前光栅图像间距的标准差为7.78 μm, 图像的畸变率达到38.9%, 经过像素值反正弦过采样信号重建后, 光栅图像间距的标准差缩小为0.85 μm, 畸变率缩小到4.2%。结合分辨率板和实际人皮肤成像情况, 表明文中提出的畸变校正方法能够较好地校正共振型振镜引起的图像畸变, 满足人皮肤实时无创影像学诊断要求。

TOF三维成像技术具有帧内并行主动探测、获取景物信息的实时性好、环境光影响小、测量精度高、抗运动干扰性强、平均功耗低等优势, 在三维智能感知、工业检测、SLAM等领域有着广泛的应用前景, 特别是在自主导航,驾驶控制与智能系统中作为获取实时三维成像信息的传感器得到了迅速发展。研究了两类TOF成像的原理及特点, 论述了其系统组成, 并将TOF成像原理与其他主流三维成像技术进行了对比, 对其主要误差来源和类型进行了归类和分析, 研究了测量误差模型。TOF成像作为新一代三维成像技术仍处于发展阶段, 可以有效提升智能系统的成像感知能力和测量水平, 推动了相关领域的技术进步。