在微纳光学中,利用具有独特光学性质的微纳结构来实现荧光物质的发光增强是一种较为普遍的方法。 为了提高量子点(QDs)的发光效率,提出了一种由两个尺寸不同的硅纳米球组成的二聚体结构。通过时域有限差分法(FDTD),从量子产率增强和 荧光激发率增强方面研究了硅纳米球二聚体对荧光的增强作用。结果表明,尺寸不同的两个硅纳米球组成的二聚体可以较大 地提高CdSe量子点的发光强度。当两个硅纳米球具有较小的直径以及较小的间隔时,量子点的量子产率和荧光激发率都可以得 到更大的增强。特别地,当两个硅纳米球的直径都是100 nm, 间隔为10 nm时, CdSe量子点的荧光强度可以得到大约209倍的增强。 研究结果对高性能量子点光致发光器件的设计和开发有一定的指导意义。

为了满足城市管网日常维护中对甲烷(CH4)泄漏检测的需求, 研制了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的吸入便携式CH4探测仪,其重量仅为1.4 kg, 体积为22 cm×10 cm×10 cm。仪器内部采用中心波长为1654 nm的分布反馈式激光器作为光源, 集成了物理基长8.5 cm、有效光程2.25 m的光学多通池。系统基于STM32F405单片机控制激光器产生稳定的调制 激光,配合信号采集处理单元实现对吸收信号的采集,并利用数字锁相放大器提取信号中的二次谐波分量,反演 得到待测气体浓度。对探测仪进行标定和稳定性实验,结果表明二次谐波信号幅值与气体浓度有良好的线性关系, 系统测量精 度为±3.05%, 仪器的最小可探测极限为0.88 ppm, 其精度与便携性满足实际检测需求。

常温地球红外能量巨大,但因其频段带宽宽、强度低且易传导,无法得到有效利用。 将带宽较宽的地球常温红外辐射(8～15μm), 转换为带宽相对比较窄(9.56～10.02μm)、温度相对稳定 的水媒介质所储存的能量,水媒介质经过毛细管网向外辐射红外长波,再通过长波天线接收实现能量的转换。结果表明水媒介质单位时间 内流过单位面积毛细管网的辐射能量及能量密度巨大。计算了长波接收天线及天线阵重要参数。如果以16 °C水媒介 质考虑,可实现毛细管网红外辐射能转换率达94%。

基于亚波长纳米单元(超原子)的超表面结构革新并极大丰富了光场调控技术,从理论 上研究并设计具有独特性质和功能的超表面结构在光场调控研究中具有重要价值。利用极化率张量理论计算了对称和非对称 金属-介质-金属(MDM)正三棱柱超原子的诱导电响应、磁响应、磁电响应和电磁响应,设计出偏振无关的周期性MDM正三棱柱 超表面,分别通过时域有限差 分(FDTD)仿真模拟和理论计算的方法得到MDM超表面的透射谱和反射谱,两者能符合得很好。并发现对称超表面结构的反射谱 对入射光传播方向不敏感,而非对称超表面结构的反射谱在共振频率附近对入射光传播方向有依赖。研究结果对利用不对称超 原子设计具有任意反射系数的超表面具有指导作用。

为简化系统结构,将激光发射系统与成像接收光学系统合二为一,设计了一种可变远距离收发共用的折射式光学系统。该系统使用分光镜将1064 nm激光和可见光分离,通过调节成像系统焦面及发射系统前透镜位置,可对300～2000 m 范围内物体进行激光发射及成像接收,结合两种功能于一体,采用发射接收共光路的方式,实现了激光光学系统的小型化与轻量化。根据PW法分别设计了主光路前后组镜头初始结构,并使用Zemax软件对初始结构进行优化分析,大大提升了接收系统的成像质量和发射激光能量集中度。最终设计结果满足设计要求,在300～2000 m物距范围内系统发射光斑大小合理并能清晰成像。

通过数值模拟研究了基模高斯光场(HG00)和高阶厄米-高斯光场(HG10)与 亚波长单金属狭缝之间的相互作用。发现在相同的错位耦合下, HG10光场可以获得明显的表面等离子体(SPP)非对称激发。 在此基础上提出了亚波长金属狭缝对结构。数值模拟显示, HG10模场与亚波长金属狭缝对在适当的错位耦合下可以获得更加 显著的SPP非对称激发效应。通过优化双狭缝间距和入射光波长,最大分束比达到2.6。设计优化过程中采用时域有限差分法进行 数值模拟。金属狭缝结构简单易制备,且SPP的非对称激发具有动态可调的特性,在微纳光子集成和纳米测量方面具有潜在 的应用价值。

含时受迫谐振子系统与许多实际物理问题有密切联系。 用SU(1,1)李代数的方法求解了具有SU(1,1)h(3)含时受迫谐振子的量子系统。 首先求解哈密顿量H^0(t)的时间演化算符,再求解相互作用V^(t)的时间演化算符, 最后得到系统总的时间演化算符。用一个实例证实了此方法的正确性。

以波长分别为633 nm和1319 nm的激光为例研究了激光耦合共焦系统。 为满足两种波长的激光合束聚焦后的会聚角小于10°的设计要求, 提出了两种解决思路:一是用反射镜和二向色镜 使双波长激光实现共光路,然后经离轴抛物面反射实现共焦;二是用透镜组耦合的方法把双波长激光分别耦合进二 合一合束器,合束器采用单模光纤,其芯径为9 μm, 数值孔径(NA)为0.14, 根据光纤和激光器参数设计耦合透镜组。 综合考虑采用第二种方法进行实验,给出实验方法及测量结果,并计算出两种波长激光各自的耦合效率。实验结果 表明:光纤耦合器耦合法能实现双波长激光合束,并且耦合效率较高,输入波长为633 nm、1319 nm时系统的耦合效率分别大于40%、30%, 实验结果满足设计要求,达到了预期效果。

研究了压缩真空态和数态输入下腔光力系统的动力学演化特性, 分析了系统参数对系统线性熵和Wigner函数的调控作用。数值计算表明:调节压缩因子r可以改变机械 模Wigner函数分布特性,当r取较大值时,可使腔模与机械模间的纠缠显著增强;增大机械模参数k的取值, 将减小腔模Wigner函数负值深度和范围。

在基于两个耦合悬臂梁的光力系统中通过光学调控的方法实现了振动在悬臂梁间的传递。 利用光学囚禁作用调谐其中一个悬臂梁的本征频率,构造了一个可调谐两模光力系统。通过周期性调节囚禁光功率对系统施加一个 参量驱动场,实现了悬臂梁间的参量耦合,并进一步在实验上完成了振动在悬臂梁间的相干传递。该方法有助于构造基于耦合微机械 振子阵列的相干声子器件。

对于不同的三节点垂直腔面发射激光器(VCSEL)网络,利用主稳态函数(MSF)提出了 一个新的所有节点激光器之间达到全局完全混沌同步(GCCS)的判定方法。发现当由常行和与两个横断特征值所确定的 两点在稳定性区域 内(MLE为负),并且MLE作为常行和以及特征值(与同步流形内的扰动有关)的函数是正的,那么这个任意给定的三节点VCSEL网 络能够达到GCCS。该判定方法可以推广到多节点(四节点以上)VCSEL网络中。基于理论判定和同步误差理论,进一步探索 了具有环形拓扑结构的三节点VCSEL网络的同步性质。结果显示,理论判定和数值结果完全吻合,这表明理论判定是有效可行的。

为了解决Concatenated GHZ(C-GHZ)态制备复杂的问题,提出了一种基 于弱交叉克尔非线性产生C-GHZ态的改进方案。结合零差探测技术和经典的前置反馈作用,用封装的光学元件 模块和HWP 22.5°半波片,经反复操作,由简单的C-GHZ态推导出nm-GHZ态,最后得出C-GHZ态制备规律,得 出所需辅助单光子数nm, 模块数nm－1和HWP22.5°半波片 数n。进行了成功率模拟和可行性分析,结果表明增大相干态|α〉 的振幅强 度和减少光子传输的损耗可以提高C-GHZ态制备的成功率。

光学量子纠缠系统是实现量子信息处理的重要系统之一。纠缠系统与量子噪声 不可避免的耦合作用会导致量子信息处理过程的失败,因此研究量子噪声对纠缠系统的影响并得到相应的实验规律非常 重要。理论上给出了光学典型量子噪声的性质及物理算符表示,实验上采用不同的光学器件或器件组合成功模拟实现了 各种典型的光量子噪声,以量子比特翻转噪声为例研究了噪声对两比特纠缠系统的影响。结果表明对于两比特纠缠系统, 当纠缠源的纠缠度相同时,比特翻转噪声相对于相移噪声更易破坏纠缠相干性,而比特位相翻转噪声破坏纠缠特性的 能力介于前两者之间。

研究了一个二能级原子与多个玻色热库耦合的物理模型,得到了该模型量子速度极限的解析表达式。分析表明,只要热库的数量满足一定的条件,不管是强耦合还是弱耦合,系统都会表现为非马尔科夫效应;数值模拟表明,系统的非马尔可夫效应会随着热库数增加呈现不断增加的趋势。进一步研究表明,非马尔科夫效应越强,量子系统的演化加速得越快。

近年来月球辐照度的地基观测实验不断增加,为了满足地基对月球辐射高精度、高频次的观测,需要设计高精度的月球自动跟踪系统进行跟踪实验。所设计跟踪系统通过月球位置算法获得月球的天顶角和方位角进行视月跟踪,然后采用以四象限探测器为核心器件的光电跟踪来精确跟踪月球。经外场跟踪实验验证,视月跟踪和光电跟踪相结合具有高精度的跟踪效果,跟踪精度在±0.2°以内,表明跟踪系统具有较高的准确性和可靠性。

研制了一款具有太阳跟踪和全天空扫描功能、基于直流无刷力矩电机的两维伺服转台, 该转台能在水平360°、俯仰180°两个自由度上达到10′′ 的定位精度,可满足全自动跟星观测 的跟踪精度要求。转台使用适用于低温环境的力矩电机及其他相应低温器件,可在－40～50?°C环境下正常工作,以满 足野外应用的需求。紧凑和轻量化设计使转台具有便携性。转台的控制系统采用基于ARM9架构的宽温开发板,板内移植了Linux 内核,内核支持多种功能模块的添加,有利于转台后期的功能完善和改进。转台既能在上位机软件控制下运转,也能在自身内部程 序引导下单独工作,搭载微型光纤光谱仪探测组件可用于天光背景辐射的光谱扫描测量。

为了实现地表反射率长期自动化观测,提高场地定标频次, 提出了一种基于比值辐射测量的地表反射率测量方法。利用场地反射率监测辐射仪和野外光谱辐照度仪进行同步观测, 获取同一时间的地表辐亮度和大气总照度,通过比值法即可直接获得地表反射率参数。设计了基于标准辐射源的实验室辐射定标, 分别获取辐射计和照度仪的定标系数,进而获得基于比值法测量地表反射率的输入系统参数。在室外开展了标准板测量比对实验, 在可见-近红外波段比值辐射测量结果与实验室定标后参考板方向反射率数值的相对偏差在3%以内,验证了该测量系统的有效性。

鉴于大气能见度的直观特性和红外光电技术的迫切需求, 提出了一种大气红外能见度的计算与测量方法,并研制了一套大气红外能见度测量仪器,该仪器以1064 nm 波长激光作为光源,以Xenics红外相机为探测器测量红外能见度。暗场处理时利用传统的背景扣除方法和 移位相减法进行对比实验,能见度反演过程中用斜率法和Klett积分法同时对测量结果进行处理, 结果表明该系统测量出的红外能见度与Belfort能见度仪测量结果基本一致,相关系数达80%以上, 表明红外能见度的计算和测量结果是可靠的。

由于经典电磁理论对散射光强表征不足,提出并推导了基于自发拉曼散射的量子模型。将物质系统和电磁波分开处理,并将它们之间的相互作用作为微扰处理。通过对光纤纤芯中散射现象的分析,研究了光纤量子传感理论,建立了基于拉曼散射的光纤量子温度传感模型。在此基础上,研究了基于拉曼散射的分布式量子温度传感器的工作原理,提出了分布式光纤量子传感器的系统结构,搭建了基于拉曼散射的分布式光纤量子传感实验系统。测量了分布式量子温度传感实验系统的技术参数,并验证了系统性能。实验结果表明此系统可以对监测点进行精确定位,温度测量精度较高。