远程拉曼光谱技术由显微拉曼光谱分析技术发展而来,是根据拉曼散射效应远距离探测某特定物质的技术。近年来随着对远距离爆炸物 探测和对行星探测需求的提升,远程拉曼技术成为研究热点。激光器和探测器技术的提升,为远程拉曼光谱系统的研究提供了新方法。阐述了远程拉曼光谱技术的主要研究方法, 介绍了该方法所使用的实验装置。在此基础上总结了近年来提出的一些新技术,讨论了各类技术方法的使用原因及其优缺点,以便探究如何针对不同的探测目的获得更良好 的探测结果。展望了未来远程拉曼光谱技术的研究发展方向。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术已经成为监测大气痕量气体成分的有效方法。使 用中国科学院安徽光学紧密机械研究所自主开发的动态自准直开放式FTIR系统对甘肃省庆阳市化工园区进行了连续监测, 并在同等条件下将其与国外开放式FTIR 仪器的监测数据进行对比分析和性能比较。结果表明,所采用开放式FTIR能够很好地 在线实时监测化工园区的污染气体组分,为环境污染治理监督提供了科学监测方法,且在信噪比等方面优于国外相应的开放式FTIR仪器。

基于拓展的惠更斯-菲涅尔原理,推导出了圆对称阵列光束在各项异性湍流大气中传输的束腰宽度和光束漂移解析表达式,并对此表达式进行了数值模拟。结果表明:圆对称阵列光束在各项异性湍流大气传输时,阵列光束的高斯光束个数对光束漂移的影响较小,而高斯阵列所围成圆环的半径对光束漂移的影响较大,半径越大,阵列光束的漂移越小;各项异性湍流大气的幂律参数和各项异性因子也是影响光束漂移的主要因素。在相同条件下,阵列光束受到各项异性湍流大气的扰动比高斯光束小。

凸非球面的面形检测是光学检验中的一大难题,提出了一种利用半反半透凹面自准单透镜检验凸非球面反射镜的方法。单透镜由凸、凹两个球面构成,凹面为半反半透自准面,使经非球面反射的光线可沿原路返回,从而实现补偿检验。该方法具有结构简单、检测能力强、无中心 遮拦等优点。基于三级像差理论推导了检验系统的初始结构计算公式,给出了不同凸非球面反射镜检验系统的关键参数关系曲线。以 r03=2000 mm 、 e2=－2.4 的凸非球面反射镜为例,求解相应初始结构参数,利用Zemax软件优化得到了系统残余波像差小于 0.05λ 。设计和仿真结果表明所提出的半反半透凹面自准单透镜的检验方法有利于检验各类凸非球面反射镜。

将半反半透透镜应用于非球面检验。半反半透面和待检验面作为透镜的两个面,空间上相互靠近。半反半透面实现光线自准,同时也对波前进行补偿。这样,既消除了中心遮挡,又可以减小光学系统的尺寸,同时也增强了检验的能力。根据三级像差理论对这一方法进行了推导,进而给出了从待检面的参数得到检验系统参数的方法。根据这一方法设计了一个口径300 mm, 焦 距1200 mm 凸反射镜的检验光路,通过光学设计软件ZEMAX进行优化,优化后系统的波像差小于1/(100 λ), 满足光学检验的要求。

通过两个步骤,构造了带强迫项的变系数耦合修正Korteweg-de Vries (VCmKdV) 方程组的复合型新解,并分析了解的相互作用。给出一种非线性常微分方程的几种新解。采用函数变换与一种非线性常微分方程相结合的方法,构造了带强迫项的VCmKdV方程组的由指数函数、 三角函数和有理函数组合的复合型新解,包括孤子解与周期解复合的解、双孤子解和双周期解。

超稳激光是将激光频率稳定在超稳定光学腔的谐振频率上产生的,为了研制可搬运光钟所需的超稳钟激光, 需要研制可搬运超稳定光学腔。通过光学腔的有限元分析,设计了一个振动敏感度低且结构稳健性好的可搬运光学腔,其腔长为30 cm, 是目前已知腔长最长的可搬运光学腔。光学腔沿三个正交方向的振动敏感度的测量结果分别为：沿光学腔腔轴方向(水平)为 1.4 × 10 －10 g －1 ; 垂直光学腔腔轴方向(水平)为1.5 × 10 －10 g －1 ; 垂直光学腔腔轴方向(竖直)为1.2 × 10 －10 g －1 。腔的振动敏感度略优于普通水平放置的光学腔,且腔具有更高的结构稳健性,可水平或者竖直安装。该光学腔设计可用于研制可搬运光钟。

面向微型光纤陀螺(FOG)应用需求,提出并优化设计了一种微型掺铒超荧光光源。该超荧光光源结构尺寸 为 Φ 50 mm × 15 mm, 通过采取优化的光路设计、光谱平坦滤波技术、 抽运激光器及光源精密温度控制技术等,得到高稳定性的超荧光光源,其输出功率大于13 dBm, 光谱带宽大于35 nm, 功率变化小于1%, 中心波长变化率小于 5×10－6 。采用实验方式对超荧光光源光谱的温度和时间稳定性、 输出功率的温度和时间稳定性进行了细致的测试。实验结果表明微型超荧光光源光谱和输出功率都能够承受严苛的温度冲击实验,满足指标要求。

为了降低主振荡放大激光器(Master oscillator power amplifier, MOPA)光纤激光器驱动系统的热耗散、 提高其电光效率和单脉冲输出能量,提出了一种风冷恒温运行技术和智能程控电源方法。基于驱动电源的总体设计目标,从制冷方式、 制冷器件的选择等方面进行了研究,实现了对整个激光器系统温度的精确控制,系统运行温度误差为±0.5 ℃。研究了放大抽运源激光输出能量、 输入电压随输入电流的关系,实现了抽运源恒流驱动电流大于 10 A,脉冲驱动电流大于20 A的设计要求。实验结果对MOPA 光纤激光器的优化设计具有重要的参考作用。

随着光纤耦合激光器的应用需求不断增大,对光纤与激光器的耦合效率要求也随之增大。不同波长激光的聚焦点位置存在差异, 激光聚焦点位置是影响耦合效率的重要因素之一,对激光聚焦点的精准定位具有一定的实用性。设计一个聚焦组合透镜组聚焦激光器光束,采用CCD相机采集激光聚焦点焦前、 焦后位置图像,通过MATLAB软件处理采集的图像,圆拟合光斑并计算光斑直径,直径最小位置即是聚焦点位置。结果表明,不同波长激光聚焦点位置不同且焦距相对误差分别 为0.59%和0.73%,测量的焦点位置和大小均可精确到0.001 mm。该方法设计简单,具有自动性和精确性,对不可见激光聚焦位置的判断更显优越。

相位共轭技术能够矫正激光系统光学辐射的波前畸变,基于亥姆霍兹方程建立了激光 辐射波前像差矫正模型的常规相位共轭反射方程组。应用李群分析方法,推导出系统偏微分方程组的多组允许无穷小对称性以 及群不变解,给出了它们详细的解析表达式和性质讨论。所得结果为考虑边界和初始条件的自适应激光传播精确解 析解提供了有效途径,可揭示激光波前像差矫正的内在原理,也为非线性光波动方程数值算法提供了验证。

量子密钥分发(QKD)是一种新型对称密钥分发技术,其经典信道上的交互数据要求采用安全的认证协议保护。目前高速QKD技术不断发展,对认证协议的处理带宽提出了更高的要求。详细梳理了QKD系统认证协议的设计需求,并设计实现了基于线性反馈移位寄存器(LFSR)的Toeplitz矩 阵高速QKD系统认证方案。该方案采用FPGA硬件平台实现,利用FPGA并行处理能力以及流水线数据处理方案,实现最高10 Gbps量级的数据处理带宽,能够为未来超高速QKD系统的研制提供帮助。

针对经典-量子信号共纤同传的两种方案-同波段同传和较远波段同传, 分别推导了影响量子信号的主要噪声源-自发拉曼散射噪声计数率计算公式。在此基础上,分析了经典信号入射功率和传 输距离对量子密钥分发性能的影响。仿真结果表明：在同等经典信号入射功率条件下,同波段同传方案的自发拉曼散射噪声 计数率的数值大于较远波段同传方案；当经典信号入射功率上升时,同波段同传方案的自发拉曼散射噪声计数率随之上升的斜 率远大于较远波段同传方案；两种方案量子密钥分发性能同时受到经典信号入射功率和传输距离影响,当经典信号入射功率较大、 传输距离较近时,采用较远波段同传方案更合适,反之,当经典信号入射功率较小、传输距离较远时,同波段同传方案成为更优选择。

量子密钥分配协议的无条件安全性建立在理想的量子设备、经典设备和随机数的假设下。实际系统与理想协议存在一定的差异性,这种差异性可能被窃听者利用,从而导致系统的不安全。利用分束器的分束比具有波长相关特性, 窃听者可以采取波长攻击控制接收端测量基矢的选择。基于基矢选择的随机性偏差参数,给出分束器波长相关性的定量刻画方法。进一步利用纠缠提纯安全性分析技术,分析了量子密钥分配系统在波长攻击下的安全性,给出了不同随机性偏差参数下的安全密钥率公式。

量子密码是量子理论和密钥学相结合的产物,是量子保密通信的重要组成部分。量子秘密共 享(Quantum secret sharing, QSS) 是量子密码的核心内容之一,它可以在不完全信任的通信双方间传递密钥,引起了国内外研究人员的高度关注。提出了一种基于诱骗态的BB84协议的量子秘密共享方案。Alice先产生一系列的弱相干脉冲串,并对该脉冲串进行偏振调制,然后通过分束 器分成两束,再分别对这两束脉冲通过诱骗态调制器进行强度调制后,分别发送给Bob和Charlie; Bob和Charlie 分别对发送过的脉冲进行测量并公 布结果,随后三方通过经典信道进行对基,通过协商和私密放大获得最终的安全的密钥。方案减少了量子比特产生器和测量器的数量,降低了 量子通信的费用,为量子秘密共享实用化提供了一种可参考的方法。

研究了一种基于数字微镜器件 (DMD)的数字掩模投影光刻 (DMPL)技术,以400 nm飞秒激光作为光源, 结合高缩放比投影系统,来缩小光刻胶与光子束的反应区域,通过调控不同DMD像素投影光场强度分布,将投影光刻的线宽分辨率推进至亚微米 尺度,实现了具有跨尺度加工能力(单次曝光面积在百微米以上,曝光精度在百纳米)的DMPL技术,同时详细对比分析了DMPL 中存在的几何和 物理光学模型,阐明了像素个数与加工结构尺寸的关系,并进一步基于物理光学模型分析了DMPL中极限分辨率的关键科学问题。

光通讯网络监控系统中的分光探测器用于检测光信号的流量,在通信和信号检测领域具有非常广泛的应用。为满足器件使用需求,采用离子束辅助沉积(Ion beam aided deposit, IBAD)技术,对在1260 ～ 1620 nm波长范围内透射、反射能量分光比为50:50 的分光探测器薄膜进行了研制。主要分析并解决了镀膜材料光学常数计算的问题,通过建立误差函数,优化并降低镀膜材料光学常数计算的误差。在设计分光探测器薄膜时,通过增加虚设层来平滑光谱曲线,同时降低膜厚的敏感度,也降低了制备工艺的难度。制备的分光探测器薄膜在1260 ～ 1620 nm波 长范围内透射、反射分光比小于 50:50(±0.5%), 满足分光探测器指标参数要求。

利用LLP幺正变换与线性组合算符相结合的方法研究了单层石墨烯(MG)中弱耦合极化子的性质。得出了单层石墨烯中弱耦合极化子的基态能量、第一激发态能量和跃迁能与振动频率、声子的德拜截止波数之间的依赖关系。结果表明,单层石墨烯中极化子的基态能量、第一激发态能量和跃迁能均为德拜截止波数的增函数；当振动频率增大时,基态能量随之增加,第一激发态能量先增加后减小再增加,直到趋于稳定的值,跃迁能量先增加后减小。

基于密度泛函理论方法分析研究了一种低自旋反铁磁状态Co基层状复合氧化物Ca 2 Co 2 O 5 的电子学性质。结果表明,其能带中均包括5个子带,其中费米能级附近的能带中的能级数量较多,具有较宽的分布。向上自旋的电子形成半导体型能带,带宽为0.0112 eV, 向下自旋的电子形成金属型能带。在费米能级附近, s、p、d电子对其态密度的贡献程度逐渐提高。CaCoO层对总态密度贡献较大, CoO层对总态密度贡献较小。Ca中电子主要在远离费米能的位置形成能带, Co中电子主要在费米能附近形成能带, O中电子主要在 －19 eV和费米能形成能带, Co d电子和O p电子 贡献这种反铁磁状态层状Co基复合氧化物Ca 2 Co 2 O 5 的电子学性质。

为测量光纤的机械强度,设计了光纤拉力测试机及专用夹具,并用其测试了常温 和经硫化环境处理的光纤的机械强度,实验测得常温环境下,康宁900光纤的平均最大拉力为61.4 N, SMF-28裸光纤的 最大拉力为49.3 N;经硫化环境处理后,两种光纤的平均最大拉力分别为57.3 N和47.6 N。用断裂模型分析法,采用扫描 电子显微镜(SEM)对常温光纤和经硫化处理的光纤断面进行观察检测,比较两者断面的差异。用X射线光电子能谱仪(XPS) 进行进一步检测,证明了经硫化处理的光纤中硫的存在,解释了经硫化环境处理的光纤机械强度减小的原因。