自1962年第一只半导体激光器成功问世以来，这种尺寸仅为毫米量级的芯片已经广泛应用于光纤通信、激光存储、激光制造、激光成像、激光打印、激光**等现代科学技术的各个方向，成为现代工业的变革性力量，是各国高科技领域竞争的制高点，是“新型基础设施建设”中的核心。在国家多个科技计划支持下，我国科研人员先后实现了波长覆盖600~1550 nm的GaAs和InP半导体激光器产业化，且随着宽禁带GaN材料外延技术的不断进步，又先后实现了蓝光和绿光波段激光器的室温激射，并正向紫外方向拓展。在长波方向，基于能带剪裁的量子级联激光器已经覆盖了3~25 μm和太赫兹波段，锑化物激光器在2~4 μm波段实现商用。Si基或Si上半导体激光器则有望成为高速低功耗片上光互连的光源。近年来，垂直腔面发射激光器在数据中心、人脸识别等新兴方向的广泛应用，带动了国内半导体光电器件的新一轮研发和产业发展热潮。相信在科技和产业的相互推动下，半导体激光器的性能还将不断提高，并在5G、人工智能等新兴高科技领域中发挥更加重要的作用。

半导体分布反馈(DFB)激光器以其卓越的光谱特性、调制特性以及低成本、可量产优势已经成为光纤通信、空间光通信中的重要光源,并将在5G、数据中心、激光雷达以及微波光子学等应用中发挥不可替代的作用。针对通信波段半导体DFB激光器的不同应用需求及特征展开综述,分别就直接调制DFB激光器、大功率DFB激光器以及低噪声(窄线宽及低相对强度噪声)DFB激光器的设计原理、优化方法及进展进行了整理、评述与展望。

随着数据中心、5G宽带无线通信的不断发展,短距宽带传输的需求大幅增长,极大地推动了高速光电器件的发展。在短距应用中,虽然直接调制激光器具有低成本、低功耗的优势,但其调制带宽和传输距离受到张弛振荡频率和频率啁啾的限制。电吸收调制激光器(EML)集成光源具有大调制带宽、低频率啁啾的特点,可以实现更高速率和更远距离的传输。介绍了EML集成光源的外延集成方案和器件结构,并介绍了国内外研究机构对高速率、大功率、低成本EML的主要研究进展,最后对EML的未来发展进行了展望。

随着通信行业的快速扩张以及光互联、片上实验室等技术的发展,人们对激光器等器件集成化、小型化的需求日益增长。半导体纳米线激光器由于其独特的一维结构与灵活的带隙调控性能等特点,在微纳激光器领域受到广泛研究。实现单模输出的半导体纳米线激光器,对光互联、传感、光谱学以及干涉测量等领域具有重要意义。综述了单模半导体纳米线激光器的基本技术与研究进展。介绍了半导体纳米线激光器的常用材料,并利用圆介质波导模型分析了其基本模式特性,详细阐述了半导体纳米线实现单模激光输出的主要方法以及发展现状,并对各方案面临的挑战进行了总结。

胶质量子点作为一种半导体纳米晶体,具有量子产率高(约为100%)、辐射波长可调、性质稳定、折射率较高、可溶液处理和制作成本低廉等优点,被广泛用作微纳激光器的增益材料。基于胶质量子点的纳米尺寸(2~20 nm)和可溶液处理的性质,胶质量子点可以通过自组装的方式密集堆积形成高折射率微纳结构。为此,从胶质量子点激光器谐振腔的制备方面,总结了三类常见的胶质量子点微纳激光器,并对各自的特点进行了详细的分析。此外,还介绍了胶质量子点激光器与波导的片上集成,并着重介绍了模板辅助填充法这一集成方法。最后对胶质量子点激光器及片上集成在集成光子回路领域的发展进行了展望。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有尺寸小、功耗低、效率高、调制带宽大、寿命长、圆形光束、在片测试、易于二维阵列排列等优点,广泛应用于数据通信、传感、激光雷达、材料加工等领域。这些应用通常要求VCSEL具有优异的模式、速率、能效、高温性能等。人们基于“分离”限制思路发展了多种单模新型氧化限制VCSEL。采用新型VCSEL结构、改善有源区性能、减小寄生效应和减小热效应等方法,VCSEL在速率、功耗、高温性能等方面取得了显著进展。光子超结构具有优异的性能,它为VCSEL控制模式和光场,以及其和平面光子回路的集成提供了新思路。

因量子级联激光器的工作波长可覆盖红外到太赫兹波段,在大气污染检测、工业污染监控、医学诊断、毒品及生化危险品灵敏检测、自由空间通信等领域具有广泛的应用前景。从1994年问世到现在,量子级联激光器已经从最初的实验室原理器件发展到可实用化的红外波段最具发展前景的半导体激光器。本文从量子级联激光器设计思路的演进、工作波长范围的扩展、提高输出功率、实现单模的宽调谐、提高光束质量等方面依次介绍相应的研究进展,最后给出简要总结与展望。

二维过渡金属硫族化合物(TMDC)具有独特的优势,可以作为增益材料实现激光发射。TMDC材料固有的强库仑相互作用和弱的介电屏蔽效应使其具有大的激子结合能,从而有助于实现室温下稳定的激子发光,其高达6~7的折射率能够提高光约束能力,原子层表面没有悬空键,当与硅基半导体器件连接时,能够避免晶格失配。这些独特性质使其成为极具潜力的增益材料,可以与硅基微腔连接构成激光器件,原子级厚度和近红外的光谱辐射能使其与集成器件互联。本文从光学微腔的分类和激光原理,以及二维材料激光器等方面总结了近几年基于TMDC材料的激光器研究进展,并指出了当前存在的问题及展望了其发展前景。

量子级联激光器(QCL)是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器,激射频率位于中远红外以及太赫兹(THz)波段。在1~5 THz激射频率范围内,THz QCL是最有效的电泵浦THz辐射源,具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。本文首先对THz QCL的有源区结构、波导结构以及材料体系进行了简介,然后从有源区方面对极限激射频率、高工作温度、大输出功率等高性能THz QCL进行了梳理,接着从波导结构方面对一维光栅、二维光子结构、超表面结构等THz QCL光子工程研究进展进行了综述。另外对主动稳频THz光频梳、被动稳频THz光频梳、THz双光梳等THz QCL光频梳方面的最新研究成果进行了介绍。

激光技术的发展推动了现代科学与技术的进步,改变了人类的生活。其中微型化激光光源成为目前的研究热点之一。得益于金属等离激元的光场强局域化作用,等离激元纳米激光器不仅能够获得突破光学衍射极限的超小物理尺寸,而且可以实现大调制速度以及极小的激射阈值,从而受到广泛的关注。对国内外等离激元纳米激光器的近期进展进行了综述,从增益介质、金属种类和器件结构三个方面进行对比总结,最后对等离激元纳米激光器的未来发展潜力进行讨论和展望。

半导体微纳米线激光器可作为集成的相干光源,在光通信、光计算、传感器、生物学研究等领域有着广泛的应用前景。介绍了国内外在实现半导体微纳米线激光器波长可调谐及单模激射方面的研究进展。讨论了基于光子-激子强耦合效应的激子极化激元Bose-Einstein凝聚现象,为发展低激射阈值微纳米线激光器提供了新的途径。简述了基于激子极化激元的新型激光器的工作原理和新进展。

氮化镓(GaN)垂直腔面发射激光器(VCSEL)在近20年来获得了飞速发展,已成为下一代半导体激光器的研究热点。GaN是制造从紫外波段到绿色波段光电子器件的绝佳材料,而VCSEL具有阈值和发散角小、调制速率高,以及输出光束呈圆对称等特点。首先回顾了基于GaN的VCSEL的发展历史,简要介绍了它的主要应用方向;然后讨论了反射镜与谐振腔设计与制造中的关键问题;接着分析了三种不同结构的GaN VCSEL的散热机理,并分析讨论了优化散热的策略;最后介绍了基于GaN的蓝色、绿色和紫外VCSEL的研究进展及最新思路。

纳米光学是光子学与纳米技术交叉产生的一个新的前沿基础方向,可以使人们在纳米尺度上操控光与物质的相互作用以及探索新的物理现象。纳米激光器是一种新型光源,有关它的研究是纳米光学领域的一个重要分支。由于其尺度特性,并且对光有着很高的限制性,近年来关于纳米激光器的研究吸引着越来越多科研工作者的注意。从激光器的微型化角度出发,综述了该领域近年来取得的一些令人鼓舞的进展。首先,对近年来成功实现的各类新型激光器及其特点进行了简述;其次,对激光器在微纳尺度出现的新物理问题进行了分析,并阐述其最新进展;最后,对纳米激光器在实现应用过程中存在的一些技术挑战进行介绍和分析。

光子晶体面发射激光器(PCSEL)是一种可以实现极低发散角(小于1°)、高功率激光输出的新型半导体激光器,在激光雷达、空间通讯、传感和激光加工等领域有着重要的应用前景。由于产生谐振的方式不同,其可分为缺陷模式和带边模式两种类型,其中带边模式光子晶体面发射激光器具有更好的单模特性且易于二维集成等优点。鉴于此,简述带边模式光子晶体面发射激光器的基本原理与研究进展,在理论推导和几个实例的基础上,对如何提高带边模式光子晶体面发射激光器的输出功率进行论述,并提出一种新的功率增强方法,最后对带边模式光子晶体面发射激光器的发展趋势进行展望。

与贵金属纳米颗粒相比,全介质纳米颗粒因支持光频段低损耗的米氏共振而受到广泛关注,成为纳米光子学中增强光与物质间相互作用的重要材料。高折射率半导体纳米颗粒是重要的全介质纳米颗粒,其同时支持电和磁谐振,可在光频段构建低损耗超材料和超表面。结合近年来国内外关于高折射率半导体材料亚波长颗粒的研究,重点介绍了基于米氏共振实现半导体微纳颗粒荧光调控的相关工作及应用,并对该领域的发展进行了展望。

由于半导体量子点具有很强的三维量子限制效应,量子点(QD)激光器展现出低阈值电流、高调制速率、高温度稳定、低线宽增强因子和高抗反射等优异性能,有望在未来高速光通信及高速光互连等领域有重要的应用。同时,量子点结构具有对位错不敏感的特性,使得量子点激光器成为实现硅光集成所迫切需求的高效光源强有力候选者。先简要综述1.3 μm半导体量子点激光器的研究进展,再着重介绍GaAs基量子点激光器在阈值电流密度、温度稳定性、调制速率和抗反射特性等方面展示出的优异特性,最后对在切斜Si衬底和Si(001)衬底上直接外延生长的量子点激光器进行介绍。

理论分析并制备了1.31 μm正方形-Fabry-Perot(FP)耦合腔半导体激光器,其中正方形腔作为FP腔的一个反射端面,其反射率可以通过改变注入正方形腔的电流调节。正方形模式和FP模式之间的模式耦合能够抑制其他边模,易于实现单模激射。实验获得的单模激射边模抑制比最高为38 dB,其波长调谐范围为6 nm,估算的器件特征温度T0为46 K。

详细研究了n型AlGaN限制层与InGaN上波导对GaN基绿光激光器光场分布与电学特性的影响,结果表明:增加n型AlGaN限制层厚度或提高InGaN上波导中的铟组分可以明显抑制GaN基绿光激光器的光场泄漏,改善光场分布;相比In0.02Ga0.98N上波导,采用更高铟组分的In0.05Ga0.95N上波导可增加光场限制因子,改善绿光激光器的性能。综合调控n型限制层和上波导才能有效改善GaN基绿光激光器的光场分布,提高激光器的性能。

提出了一种新型单片集成大范围可调谐半导体激光器——多通道干涉(MCI)激光器,采用多臂干涉进行选模,制作简单且容差大。基于电光效应调谐的MCI激光器波长调谐范围大于40 nm,在整个调谐范围内的边模抑制比(SMSR)大于40 dB,且激光器与半导体光放大器集成的器件出纤功率大于13 dBm。基于热光效应调谐的MCI激光器波长调谐范围大于45 nm,在整个调谐范围内的SMSR大于48 dB,线宽小于250 kHz,总的热调谐功耗低于50 mW。具体阐述了器件的理论设计、器件制作以及器件的测试。

1160 nm波段垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)是医用橙黄激光的基频光源,但是其发光区的高应变InGaAs量子阱会引起严重的应变积累效应,限制高功率输出。提出一种在单个发光区内采用GaAsP材料对高应变InGaAs量子阱进行二次补偿的方法,保证发光区内的光学吸收层具有高的材料生长质量。提出含Al吸收层的结构,以降低GaAsP势垒引起的能带阻挡效应,提高了发光区光生载流子的注入效率。所制备的VECSEL器件激光波长为1160 nm,输出功率达1.02 W,并获得圆形对称的输出光斑形貌,光斑在正交方向上的发散角分别为10.5°和11.9°。

高功率800 nm波段半导体激光器是远距离照明的优选光源之一,但受光束质量及亮度限制,难以远距离传输,提升高功率800 nm半导体激光器的光束质量及亮度是关键。光谱合束方法在保持激光单元的光束质量时,提高了激光功率和亮度。基于光谱合束方法,结合芯片增益光谱来优化合束谱宽和结构,耦合10个800 nm激光线阵,研制出连续功率为363.5 W,光束质量为4.17 mm·mrad,亮度为212 MW/(cm 2·sr)的激光源,电光转换效率为40%。通过进一步结构优化及偏振合束,有望获得千瓦级的高功率800 nm半导体激光,为远距离激光照明提供高性能光源。

提出了基于正交光注入增益开关850 nm垂直腔面发射激光器(850 nm-VCSEL)获取梳距可调双路宽带光学频率梳(OFC)的方案,通过数值仿真研究了系统参量对OFC性能的影响。在该方案中,首先采用大信号电流调制850 nm-VCSEL使其呈增益开关状态,此时Y偏振分量激射并呈周期脉冲状态,而X偏振分量被抑制,可以获得一路偏振沿Y方向的OFC(Y-OFC);进一步引入偏振方向沿X方向的注入光(即正交光注入),在合适的注入参数条件下,增益开关850 nm-VCSEL中的X偏振分量被激射并呈周期脉冲动力学状态,且输出的X偏振分量具有与Y偏振分量强度相当的光谱分布,从而可以获得两路正交的OFC。数值仿真的结果表明:受到调制频率fm=4.2 GHz、调制深度m=0.75的大信号电流调制的850 nm-VCSEL,在频率失谐Δv=10.0 GHz的正交光注入下,通过选取合适的注入光场振幅Einj可使激光器输出带宽(功率变化在10 dB范围内)超过105.0 GHz的双路宽带OFC。借助于正交光注入下增益开关850 nm-VCSEL输出的X偏振分量和Y偏振分量的光谱分布,确定了获得双路OFC所需的Einj和Δv的范围。最后,通过分析其他调制频率下所获取的OFC性能,论证了该方案产生双路宽带OFC梳距的可调谐性。

湿法氧化工艺是垂直腔面发射激光器(VCSEL) 制备过程中极为关键的技术,但目前氧化工艺的稳定性和可控性仍有待完善。针对氧化过程中的核心因素——氧化温度进行深入研究,通过设置对照实验,探究了氧化温度对氧化速率及氧化孔形状的作用规律,这对精确控制氧化孔的尺寸和形貌并改善器件的电光特性具有重要意义。同时根据AlGaAs氧化反应机理,优化设计了氧化温控曲线,实验结果表明,通过该氧化温控氧化的样品具有非常良好的热稳定性,整体结构可靠性高。

通过在CsPbBr3纳米晶体中加入油胺铟(In(OAm)3)和支化三(二乙胺)膦(TDP)配体,在减缓晶体生长速度的同时促进取向生长,获得了CsPbBr3钙钛矿纳米棒材料。通过透射电子显微镜、X射线衍射系统、紫外-可见分光光度计、光致发光光谱仪对所制备的CsPbBr3钙钛矿纳米棒晶体特性进行表征,结果表明该纳米棒具有质量好、缺陷密度低、发光性能较好的优点;利用可变条纹长度和变功率PL光谱测得了样品的增益系数(860 cm -1)和阈值功率(17.5 μJ/cm 2);同时测量了样品在极端老化的双八五(温度85 ℃和相对湿度85%)条件下的发光稳定性,发现稳定性得到了提升。为实现高稳定性钙钛矿激光器提供了实验基础和材料支撑。

高功率氮化镓基蓝光激光器在激光显示、激光照明和材料加工等领域具有很大的应用前景。通过优化蓝光激光器p-AlGaN限制层的生长温度,抑制了量子阱热退化,通过优化量子阱结构,改善了载流子分布,研制出了高功率蓝光激光器。利用变腔面反射率法获得蓝光激光器的内部光学损耗为6.8 cm -1,载流子注入效率为90%。在脉冲工作条件下,蓝光激光器的阈值电流密度为1 kA/cm 2,斜率效率为1.65 W/A,预计在6 kA/cm 2电流密度下,输出光功率能达到4 W;在连续工作条件下,激光器的阈值电流密度为1 kA/cm 2,由于封装散热性能不佳,斜率效率下降为1 W/A,预计在6 kA/cm 2的电流密度下,输出光功率为2.2 W。

设计制备了GaSb基I型InGaAsSb量子阱激光器,其激射波长为2。75 μm。五元势垒材料AlGaInAsSb有效降低了势垒的价带能级并提高了价带带阶,使量子阱发光波长红移至2。75 μm波段。通过优化分子束外延生长参数,得到了高发光效率的量子阱激光器外延材料,在此基础上设计并制备了腔长为1。5 mm、脊宽为50 μm、中心波长为2。75 μm的法布里-珀罗腔结构的激光器;所设计激光器可以实现室温连续激射,其最大输出功率为60 mW,阈值电流密度为533 A·cm -2。

目前与互补金属氧化物半导体工艺兼容且具有高发光效率的硅基光源的制作技术尚不成熟,针对这一问题,研究了一种新型多晶硅发光器件。首先研究了该结构在反偏电压下可能存在的各种雪崩模式(带间跃迁、轫致辐射、空穴在轻和重质量带之间的带内跃迁、高场条件下的电离和间接带间重组),对不同雪崩模式下的发光机理进行了理论分析;然后研究了器件内部的空穴和电子在反偏电压下的漂移及扩散情况,指出载流子注入增加了参与雪崩倍增过程的载流子数量,进而使碰撞电离率提高;最后对器件的电场、光谱、电流与光强等数据进行分析,对量子效率和光电转换效率进行计算,验证了所研究结构通过载流子注入实现了碰撞电离率的提高,进而实现了发光效率的提高,其中量子效率为5.9×10 -5,光电转换效率为4.3×10 -6。

对974 nm双光纤光栅激光器的温度特性进行理论分析与实验研究,理论模拟了双光纤光栅的栅距对反射率的影响。先在室温(25 ℃)下测试器件的光谱,与未加双光纤光栅器件的光谱相比,双光纤光栅激光器的光谱中的次峰得到明显抑制,测试得到峰值波长(974.07 nm)锁定在光栅的中心波长974 nm附近。对器件的功率电流电压特性进行测试,当工作电流达到400 mA时,尾纤输出功率大于253 mW。再分别测试器件在全温范围下的波长变化率和功率变化率,得到波长变化率小于8.2×10 -3 nm/℃。最后测试器件的微分结构函数曲线并分析热阻分布,通过优化热沉的烧结工艺使器件功率变化率小于1.06%。

针对熔焊条件下液态镁和铝易反应生成脆性Mg-Al化合物进而恶化镁合金/铝合金接头性能的难题,提出了镁合金在上铝合金在下且添加Ni夹层的激光熔焊技术,并采用该技术对AZ31镁合金和6061铝合金进行了焊接;基于热力学性能和力学性质的计算选择夹层元素,并研究了Ni夹层对激光熔焊接头组织和剪切性能的影响。结果表明:在激光功率为1450 W、焊接速度为1200 mm/min、激光头偏转20°、离焦量为0 mm、采用氩气作为保护气体进行侧吹和背面保护的工艺条件下,添加Ni箔夹层的焊缝表面呈规则的鱼鳞状,焊缝表面均匀,焊缝成形良好,接头的剪切强度(线载荷) 最高,为78.92 N/mm;Ni箔夹层可以起到阻隔作用,限制下层铝合金熔体中的Al向上扩散进入上层的镁合金熔池中,减少Al、Mg反应生成脆性Mg-Al化合物的量;此外,接头熔池区域中的Ni、Al反应生成了延性化合物AlNi和Al3Ni,其结构稳定性优于Mg-Al化合物,可以降低接头的脆性。上述的协同作用是添加Ni夹层改善镁合金/铝合金焊接接头剪切性能的重要原因。

针对自动焊接过程中焊缝跟踪因受弧光、飞溅等噪声干扰而导致跟踪精度低的问题,提出了一种基于方向梯度直方图(Hog)粒子滤波的V型焊缝跟踪算法。Hog具有良好的几何和光学形变不变性,所提算法用它来描述焊缝激光条纹在拐点处的方向性特征。本算法首先通过提取焊缝目标区域的Hog建立目标模板,然后利用焊缝序列图像位置信息的连续性预测焊缝的候选状态,再通过粒子采样计算候选状态下的Hog特征,并将其与目标模板进行相似度计算,得到最优的焊缝位置,实现焊缝的跟踪。对典型的V型焊缝图像进行了跟踪实验,实验结果显示:所提算法在有强烈弧光、飞溅等噪声干扰的环境下,能够准确定位焊缝的目标位置,跟踪误差小于0.24 mm。

完美涡旋光束的涡旋半径与拓扑荷数无关,且携带有轨道角动量,这使得完美涡旋光束在光学通信、量子光学以及激光制造等领域被广泛应用。利用双光子聚合的激光直写技术制备出了可产生完美涡旋光束的径向相移螺旋型波带片。通过改变波带片的径向相移控制参数,实现了对完美涡旋光束涡旋半径的调控。同时,通过干涉图样验证了涡旋光束携带的轨道角动量与设计的拓扑荷数相吻合。本工作可为光子芯片集成的快速设计制造提供一定参考。

对不同尺寸的熔滴填充进入熔池后的匙孔三维形貌和熔池金属流动特性进行相应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:熔滴在匙孔上方下落后填充进入熔池,该过程对匙孔的形态波动影响较大,熔滴尺寸较大时,匙孔深度的波动幅度较大。半径为0.9 mm的熔滴进入熔池后,匙孔前壁的液态金属由熔池上方向熔池下方流动的趋势更强烈,匙孔底部出现向下的流动趋势,该流动趋势与熔滴未滴入前的流动趋势截然相反;半径为0.6 mm的熔滴进入熔池后,匙孔前壁的液态金属流动趋势较为复杂,匙孔前壁上部出现由熔池表面向熔池下方流动的趋势,匙孔前壁中部出现由左向右的流动趋势,匙孔底部出现由熔池底部向上方流动的趋势。

为在激光显示中实现白场色温的实时控制,根据CIE1931和CIE1964标准色度系统计算了激光显示三基色光源(R 638 nm,G 520/532 nm,B 450 nm)形成5500~7500 K色温的混合白光时的光功率配比,探讨了三基色光源的光功率比例、中心波长以及光谱宽度对混合白光色温、色品坐标和光通量的影响。设计了基于AS73211颜色传感器的实时光反馈色温控制系统,并在模拟激光显示装置中于5500~7500 K范围内实现了误差小于±50 K的色温控制精度。

设计并制备了一种基于非对称定向耦合结构的聚合物波导热光模式开关。该器件由一个单模波导和一个双模波导组成。在双模波导上制作金属加热器,通过向加热器提供驱动电压,可以实现单模波导中的LP01模与双模波导中的LP11a模的转换。选用硅作为衬底,聚合物EpoClad和SU-8分别作为波导的包层与芯层材料,采用传统的半导体微加工工艺制备了热光模式开关器件。当工作波长为1550 nm时,热光模式开关的消光比可以达到14.6 dB,驱动功率为29.6 mW,模式开关的上升时间和下降时间分别为660 μs和480 μs。该器件在可重构模分复用系统中具有广阔的应用前景。

针对目前室内定位精度低及部署成本高的问题,提出了一种基于智能手机的可见光通信与改进的行人航迹推算(VLC/IPDR)粒子滤波融合室内定位方法。该方法首先对智能手机CMOS摄像头拍摄的发光二极管(LED)光源图像信息进行解码,确定待定位点所属的LED区域。然后根据光照度模型及手机陀螺仪获得的方向角推算具体位置信息。最后将VLC获取的位置坐标作为观测值,将IPDR作为粒子滤波的状态转移方程,用粒子滤波将二者融合后进行联合定位。实验结果表明,在3 m×3 m×3 m的小空间、单光源条件下,该方法的平均定位误差小于6 cm,在120 m与45 m垂直相交路径上的多运动模式定位测试中,平均定位误差小于0.2 m。

提出了一种基于耦合射频(RF)信号和单个马赫-曾德尔调制器(MZM)的可调光学频率梳(OFC)产生方案,采用低成本的耦合射频信号替代高成本的高频信号源,降低了产生装置的成本。同时建立了不同耦合射频信号驱动MZM产生OFC的理论模型,对方案进行了理论分析,并利用软件OptiSystem 13.0仿真研究了MZM的上、下支臂调制电压、射频信号源输出频率和耦合方式对OFC的梳线数目、功率平坦度及频率间隔的影响。仿真结果表明,当射频信号源输出频率为5 GHz、乘法耦合次数为4时,可得到频率间隔为10 GHz、梳线数目为7、功率平坦度为1.88 dB的OFC。与基于单个MZM的同频率间隔OFC产生方案相比较,本方案产生的频率分量数目较多、平坦度较高且成本低,对低成本、高性能光学频率梳的产生具有一定的指导意义。

通过广义非线性薛定谔方程,数值模拟了fs量级的双高斯脉冲束缚态和双艾里脉冲束缚态在高非线性单模光纤中传输产生的超连续谱特性。模拟结果表明,由于艾里脉冲具有自愈特性,双艾里脉冲束缚态产生的超连续谱要比双高斯脉冲束缚态产生的超连续谱更宽、更平坦。研究了双脉冲束缚态中子脉冲间隔对超连续谱的影响,发现当子脉冲间隔增大时,产生的超连续谱先变宽,再变窄,最后基本保持不变。表明存在一个最佳子脉冲间隔,使产生的超连续谱最宽,这对选择合适的双脉冲束缚态子脉冲间隔、优化超连续谱具有重要意义。

局部几何结构Fisher分析通过数据的邻域和邻域的重构来表征高光谱数据的内在流形,可以提升高光谱图像的分类效果。但是该方法使用原始样本点与重构点一起构图,在低维空间上不能有效保持流形的整体结构。针对上述问题,提出了一种局部重构Fisher分析方法;该方法首先使用类内近邻样本重构原始样本,以保持流形的整体结构,然后利用重构点构造本征图和惩罚图。在低维空间中,通过减小类内样本间的距离,增大非同类样本的距离,提高了同类地物的紧凑性和不同类地物的离散性,获得了更好的鉴别特征,有效改善了高光谱图像的分类性能。在Pavia University数据集和Urban数据集上的实验结果表明,相比其他流形学习方法,所提法获得了更高的分类精度。在Pavia University数据集和Urban数据集中随机选取1%的训练样本时,所提方法的总体分类精度相比局部几何结构Fisher分析分别提升了7.84个百分点和1.27个百分点,总体分类精度达到了86.07%和83.77%。

针对合成孔径雷达(SAR)海浪有效波高反演方法开展研究,提出了基于超限学习机(ELM)模型的SAR海浪有效波高经验反演方法。通过对ENVISAT ASAR波模式数据和ECMWF再分析数据进行数据时空匹配得到SAR图像与海浪有效波高的匹配数据集,分别在大匹配数据集和小匹配数据集两种情况下对SAR海洋有效波高反演算法进行经验建模,并与业务化CWAVE算法进行了对比验证。结果表明:大匹配数据集下,所提经验模型的精度为0.87,反演精度总体略逊于CWAVE算法(0.91),但在模型训练效率方面,所提经验算法(0.022 s)要优于CWAVE算法(0.514 s);在小匹配数据集下,所提经验算法反演精度为0.59,模型效率为0.008 s,均远优于CWAVE算法(-0.38和0.318 s)。基于ELM模型可以实现小匹配数据集下SAR海浪有效波高的较高精度反演。

高光谱分辨率激光雷达能够在无需假设激光雷达比的情况下,实现气溶胶光学参数的高精度定量观测。研制了一台用于气溶胶光学特性观测的机载高光谱分辨率激光雷达,并将其用于机载观测试验。针对气溶胶光学参数反演算法进行相应改进,选取不同飞行区域和不同飞行架次的试验数据进行反演,结合太阳光度计、大气污染物输送扩散轨迹模型HYSPLIT和卫星数据等对气溶胶特性进行分析。分析结果表明,不同区域的气溶胶光学参数有明显差异:在城镇、工厂等人类活动频繁的区域,气溶胶的消光系数最高超过1.2 km -1,激光雷达比随高度变化较大,最大可达60 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.7~1;山区和海洋区域气溶胶的消光系数集中在0.2~0.8 km -1,激光雷达比随高度变化较小,数值集中在5~30 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.3~0.7。气溶胶的分布受风、天气、污染过程等气象条件的影响,不同日期同一区域的气溶胶光学特性也受大气污染物输送扩散等因素的影响。