激光技术的不断发展对激光薄膜的光学性能、激光损伤阈值、机械性能等提出了越来越高的要求。具有低吸收损耗的激光薄膜在强激光、精密测量等领域有十分重要的应用。从电子束蒸发和离子束溅射沉积工艺、薄膜材料两个方面,对激光薄膜在吸收损耗控制方面的研究进展进行综述,详细介绍了制备过程中多个环节对薄膜吸收损耗的调控方法,以及单一材料和混合物薄膜的吸收机理、吸收调控方法。

色散傅里叶变换技术为研究被动锁模光纤激光器中孤子各种瞬时、复杂、非重复的非线性过程提供了一种强有力的实时测量手段。利用色散傅里叶变换技术研究了基于非线性偏振旋转技术的被动锁模光纤激光器中耗散孤子分裂的整个实时动态过程。研究发现,当泵浦功率为280 mW时耗散孤子发生分裂,耗散孤子分裂前首先由噪声背景脉冲产生单孤子脉冲。与泵浦功率为180 mW时的单孤子锁模状态不同的是,分裂前的单孤子的光谱上有新的光谱成分产生。这个新的频率成分会随着孤子脉冲在谐振腔中循环的圈数不断放大和展宽,并最终演化为一个新的耗散孤子脉冲。本研究对明确被动锁模光纤激光器中耗散孤子的产生和分裂机理有着重要的意义。

为获得较大展宽量的光纤器件,在相位掩模版刻写技术的基础上设计并制作了两种啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)展宽器。基于相位掩模版刻写技术的原理和CFBG的色散补偿理论,提出了两种展宽器的制作方法,并优化了刻写光路,获得了高反射率、大反射带宽的CFBG。通过拉力传感器控制CFBG的反射谐振波长,通过改进刻写方式制作了大色散量的CFBG级联展宽器和大反射带宽的CFBG串联展宽器。搭建了两种展宽器的测试光源,通过直接测量的方式得到CFBG级联展宽器所提供的展宽量约为345 ps,这与理论结果相符;通过正、反接的方式间接推算了CFBG串联展宽器所提供的展宽量约为278.7 ps,这小于理论结果。

根据高斯光束传输理论,分析了径向偏差、端面倾斜偏差和轴向偏差等对准误差对空间光-单模光纤(SMF)耦合效率的影响。数值计算和实验结果表明,当端面与径向之间的夹角Ω为90°和270°时,3种对准误差对耦合效率的影响相互独立,当夹角Ω=180°时,耦合效率有最大值。为更好地补偿对准误差对SMF耦合效率的影响,基于压电陶瓷设计了具有5自由度耦合装置的光纤耦合器,并结合变增益型随机并行梯度下降算法寻找空间光-SMF的最佳对准姿态。实验结果表明,5自由度光纤耦合器可以很好地实现不同对准误差的校正,系统闭环后SMF耦合效率达到53.2%。

为实现结构的长期安全监测,设计了一种杠杆原理与摆锤结构相结合的光纤光栅倾角传感器,并在此基础上进行了理论分析、数值计算和传感器性能测试。对比分析了数值计算和实验结果,发现二者具有较好的一致性。为增大传感器的灵敏度,对传感器的尺寸参数进行了设计。考虑到光纤光栅与金属材料之间的锚固效率和传感器的制作工艺要求,综合给出了效果最佳的组合值。实验结果表明,所提光纤光栅倾角传感器的有效监测范围为-5°~5°,传感器的灵敏度为359.04 pm/(°),线性相关度可达0.999,测量重复性误差为3.433%。此外,所提光纤光栅倾角传感器降低了温度对角度测量的影响,适用于温度变化较大且精度要求较高的工作环境,有良好的应用前景。

提出一种变分模态分解-排列熵的去噪方法,分析并设定排列熵中关键参数和阈值,进而通过排列熵来确定变分模态分解的分解层数值,将分解的各模态进行重构以实现对振动信号的去噪。通过仿真测试来验证该方法在正交性、完备性、信噪比和效率方面的优越性,最后对系统采集的实际振动信号进行去噪处理。实验结果表明,与现有的经验模态分解-相关系数和完全经验模态分解-相关系数方法相比,所提方法对触网、车轮碾压和雨淋三种振动信号具有最优的去噪信噪比(含噪信号与降噪值之比),分别为32.5358 dB、30.5546 dB和29.3435 dB,耗时也较少,分别为1.4432,1.6320,1.2349 s,信号模式识别准确率最高,均在99%以上。

对于少模光纤的理论模型分析尚未完善,采用光纤段的位移和旋转理论建立了少模光纤信道模型,该模型综合考虑了模式串扰和差分模时延等因素。为了提高系统性能,研究了采用概率成形和交织编码对信号传输性能的影响。仿真结果表明,16阶QAM(Quadrature Amplitude Modul)信号经过长为50 km的少模光纤传输后,在前向纠错极限为3.8×10 ^-3的情况下,光信噪比需求降低了3 dB,而且有效提升了传输距离。

同步模块作为正交频分复用(OFDM)系统中的关键模块,是数据解调和信道估计的基本前提。由于基于OFDM的可见光通信(VLC)系统对同步误差敏感,符号定时偏移(STO)估计的准确性直接影响系统性能。针对直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)系统,提出了一种基于奇偶对称性的符号定时偏移估计方法。该方法通过设计具有奇偶对称结构的训练符号,使其能够产生理想的类脉冲定时度量,从而实现出色的符号定时估计精度。通过计算机仿真测量定时偏移估计的均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和误码率(BER),以评估所提方法的性能,并与两个基线方法(Park方法和Guerra方法)进行比较。仿真结果表明,这种新的符号定时同步方法在加性高斯白噪声(AWGN)信道和多径衰落信道上均优于上述方法,这验证了该方法在DCO-OFDM系统中的有效性。

为了提高光纤宏弯温度传感器的性能,提出了一种基于聚酰亚胺(PI)涂覆的新颖光纤宏弯温度传感器。利用基于纤芯-包层-无限涂覆层结构的光纤弯曲损耗-温度测量方法确定了传感器的光纤弯曲半径,将PI薄膜涂覆在1060-XP光纤包层外获得了新型的光纤宏弯温度传感器。该传感器的温度传感实验结果表明,PI涂覆不仅能提升光纤的机械性能和耐热性,还可实现温度灵敏度和温度测量分辨能力的显著提高。该新颖的光纤宏弯温度传感器可实现-20~100 ℃的宽温测量范围,温度灵敏度为0.072 dB/℃,分辨能力为0.14 ℃。与其他光纤宏弯温度传感器相比,所设计的传感器的温度传感性能显著提高。

针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推导工作面上的光强分布数学函数。利用Zemax软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用LightTools软件仿真变曲率光学积分器与等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升56%,Φ100 mm辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm辐照面内优于±1%。

基于聚合物分散液晶薄膜提出了一种新型高分辨率光场显示方法。首先,搭建虚拟相机阵列,用来对目标物体的光场信息进行采集,从而获得其元素图像阵列;然后,根据聚合物分散液晶的光电特性,通过调节聚合物分散液晶薄膜的外加电压以及利用人眼的暂留/余晖效应,可获得高分辨率的光场显示结果。实验结果表明,相较于传统方法,所提出的方法较为简便,并拥有较高的显示质量,所呈现图像的峰值信噪比提高了约11%。另外,所提出方法搭建的系统难度小,实用性强。

作为光伏电站的主要组成部分,光伏电池中存在隐裂、划痕、热点和断栅等缺陷,这些缺陷影响着电池的性能和电站的运行状况,因此开展光伏电池的缺陷检测是至关重要的。建立脉冲电致红外热成像(PEIT)实验系统,使用该系统开展含有不同类型缺陷的光伏电池的检测实验并采集红外热图像序列。采用线性判别分析(LDA)和二次判别分析(QDA)两种监督学习算法来处理热图像序列,并与主成分分析(PCA)和多项式拟合相关系数(FCC)两种传统处理算法进行比较。实验结果表明,PEIT算法可以对光伏电池的缺陷进行有效检测,QDA算法在信噪比、信息熵和均方误差三个指标上均优于LDA、PCA和FCC算法,可以实现对光伏电池各类缺陷的有效识别。

基于压缩感知及深度学习理论的光谱观测编码方案存在滤光器件设计与光谱重建过程复杂、设计光谱透过率难以硬件实现等问题,因此从简化光谱观测系统的思路出发,考虑常见干涉滤光器件的制造难度,提出基于对称三对角Toeplitz矩阵的光谱透过率观测编码方案;采用矩阵理论讨论光谱观测矩阵的适定性,并采用数值仿真方法研究其容差能力。理论分析结果表明,随着光谱观测矩阵规模的增大,对称三对角矩阵的条件数增长较慢,上限可控。数值仿真结果表明,采用非负最小二乘算法进行光谱重建,并在保证特定约束的情况下,增加观测矩阵的规模对对称三对角矩阵光谱观测编码方案适定性的影响较小,仍然可以保证很高的光谱测量重建准确度。

提出了一种用90°扭曲向列相液晶盒代替偏振片的液晶透镜成像方法。液晶透镜对焦后,在90°扭曲向列相液晶盒工作于0°旋光状态和90°旋光状态时分别获取两幅图像。通过将这两幅图像相加并减去液晶透镜未工作时获得的离焦图像,减少了未调制光引入的非理想低频分量,增强了图像对比度,降低了原来无偏振片成像处理产生的噪声。实验验证了该方法的有效性,不需要任何偏振器就可以获得清晰对焦的图像。

在先进制造中要求对加工的部组件进行在线质量检测,条纹投影三维测量技术因符合在线、非接触的要求而被采用。然而,金属材质表面反射率差异较大会导致拍摄结构光图像过曝和欠曝光,这会造成最终测量数据的缺失或出错。针对该问题,以直接测量得到的不完整点云数据和由计算机辅助设计(CAD)得到的元件设计数据进行迭代最近点(ICP)点云配准,进而得到相机坐标系下的被测物体估算面形的点云数据。将该数据作为预估面形,结合系统标定参数,可建立投影与成像间同名点的图像强度对应关系。利用相机对待测元件上每一点的光强成像响应曲线计算出投影灰度范围和最低投影灰度。最后,利用生成的非等值系数投影光栅进行高反光元件的三维形貌测量。实验结果表明,所提方法在不改变测量系统结构参数和不增加测量系统结构复杂性的情况下,可以更完整地实现高反光元件的三维面形测量。

在彩色相位测量轮廓术中,光电器件多个光通道之间的颜色串扰、强度响应不均等因素的影响,使得所获取的相移条纹图像失真,因此采用传统的相位技术求解相位会产生极大的相位误差。从彩色条纹图像的数学模型出发,分析了彩色成像器件所获取的红绿蓝三通道条纹图像特性,提出一种两步校正方法:第一步是基于三通道均值及标准差实现对各颜色通道图像强度的归一化处理;第二步是使用概率密度函数曲线搜索失真后的实际相移量,抑制相移量不准确对测量结果的影响。所提方法不需要对系统的耦合系数和相移偏移量进行预校正,可实现简便、快速的相位误差补偿。模拟及实验结果验证了该方法的有效性。

针对工业检测中对表面缺陷的高精度检测和定位需求,提出了一种缺陷特征重建方法。通过在基于双目光栅投影的三维重构系统上附加纹理相机,实现对于重构点云模型的纹理映射,并结合纹理相机图像中提取到的特征区域,完成表面特征的三维重构。针对待测物体需要进行多视角重建的情况,引入精密转台,利用旋转轴标定方法获取不同旋转位置下纹理图像与点云数据的映射关系,并利用基于距离判据的判断方法实现了对遮挡部分点云的剔除。采用四象限临近点搜索和基于距离加权平均的线性插值方法对纹理图像中像素坐标进行三维测量。实验完成了对于图像中标注缺陷轮廓内像素点的重建,实现了对于表面特征的精确尺寸计算和定位,通过对重建的缺陷尺寸和位置进行计算并与影像测量仪测得结果进行对比,可得本文方案对缺陷三维尺寸和位置的测量误差不超过0.2 mm,且能更准确地计算缺陷面积。

温度场的精密测量对机械、航空航天、生物医学、食品化工、电力、能源和环境等诸多行业都有重要意义。提出了一种基于多步相移法和偏振干涉光学层析光路的三维温度场测量方法。首先,结合马赫-曾德尔干涉光路结构与光学层析技术设计偏振干涉光学层析测量系统,并利用偏振器件的旋转实现多步相移以实现高精度信号检测。然后,通过指数型滤波反投影算法还原得到被测介质的三维折射率分布,进而获得三维温度场分布。最后,推导了测量公式并搭建了实验系统。误差分析表明,现有实验条件下的系统测量不确定度约为0.8 ℃。测量实验和比对结果表明,所测得的温度场与实际情况吻合,与铂电阻温度计的标定温度比对结果小于2 ℃。

强度关联干涉测量利用光场的高阶关联特性获取星体空间角度信息,有望实现脉冲星角位置的高精度测量。然而常规的强度关联测量需要满足相干探测条件,这对探测器的时间分辨提出了极高的要求。提出基于空间调制的星体观测张角强度关联干涉测量方法,在探测器前放置调制屏以对光场进行空间调制,通过旋转调制屏获取二阶干涉条纹。理论推导了当两条光路的调制屏存在角度差时二阶关联函数的表达式,并基于理论推导结果设计双反射镜实验方案并进行相关可见光实验验证,所得实验结果与理论分析结果相符。该方法大幅降低了探测器的时间分辨要求,对于我国未来实现航天器的自主导航具有重要意义。

光纤与平面光波导高效耦合是光波导器件互联设计中的重要环节,常用的倒锥波导已经解决了光纤与波导芯片之间的模式不匹配问题。然而,高折射率差波导与光纤耦合时通常需要较小的尖端尺寸(<180 nm),加工复杂且波导易坍塌。设计了一种宽波段(可见光和近红外波段)光纤-波导水平耦合器,通过引入聚合物SU-8锥形结构,提高了三端口分支波导的线宽,实现了850 nm波段超过300 nm的1 dB有效带宽。

在离轴泵浦激光器中,离轴热透镜效应会引起激光器出现厄米-高斯(HG)模式的跳模现象,即随着泵浦功率升高,激光器先由单一的HG模式转变为混合模式,进而跳模到相邻的低阶HG模式。这是由离轴泵浦时离轴的热透镜使谐振腔光轴发生偏移,从而使有效的离轴量减小引起的。激光器所处的模式阶数越高,发生跳模对应的泵浦功率越低。实际中可以通过对离轴量增加一个修正量,使激光器重新恢复到跳模前的模式,泵浦功率越高,需要的修正量越大。实验产生了HG_1,0~HG_16,0 16个模式的高峰值功率脉冲光束,在10 kHz重复频率下,HG_1,0光束的脉冲宽度为32 ns,峰值功率为4.1 kW;HG_16,0光束的脉冲宽度为79 ns,峰值功率为0.7 kW。

数值模拟了基于级联振荡产生4.3 μm高功率连续激光的Dy∶PGS激光器。模拟了级联振荡Dy∶PGS激光器实现稳定连续输出的全过程,计算给出了激光功率和粒子数密度在谐振腔内的空间分布,分析了泵浦光功率、晶体长度和输出镜反射率对4.3 μm激光输出的影响。计算结果表明:级联振荡能有效去除Dy∶PGS晶体的自终止效应,获得高功率、高效率的4.3 μm激光输出;当1.7 μm泵浦光功率为10 W时,4.3 μm激光的输出功率可达2.535 W,斜率效率为29%;晶体最佳长度区间为12~24 mm,闲频光输出镜反射率越高越好,信号光输出镜反射率最佳区间为0.8~0.9。

基于垂直腔面发射激光器(VCSELs)的自旋反转模型(SFM),理论研究了连续可变偏振光注入VCSEL所产生的偏振开关及双稳特性。研究结果表明,在合适的注入参数设置下,通过连续正向扫描和反向扫描注入光偏振角,VCSEL的偏振分量可产生由偏振角度诱导产生的偏振开关(PS)及偏振双稳(PB)效应,且正反向PS点位置随扫描周期的变化而发生偏移,进而导致PB区域宽度发生改变。当注入强度一定时,正反向PS点位置随扫描周期的增大呈现相反的变化趋势,且更小的扫描周期和更大的频率失谐均有助于增加PB区域的宽度;对于频率失谐给定的情形,注入光强度的变化对PS和PB宽度也有着较大的影响,较小的注入强度及扫描周期更易于PB宽度的扩展。当给定注入强度和频率失谐时,正反向PS点所对应的偏振角度随偏置电流的增强均呈现近似增大的趋势,而PB区域宽度则表现出较大的起伏,且扫描周期越大,对应的PB宽度越小。此外,自旋反转速率也会影响VCSEL输出偏振分量的PS和PB特性,当注入参数一定时,较小的自旋反转速率更易于产生较大的PB宽度。

单晶硅是一种重要的半导体材料。通常,铸锭切片后的单晶硅表面易产生较深的沟槽、凹坑和裂纹等缺陷。针对这一问题,提出了一种双步激光辐射的方法,其在修复表面缺陷的同时,可以降低表面粗糙度。首先,通过有限元法模拟对不同激光参数下可修复的缺陷深度进行预测。然后,在0.50 J/cm ²的较高能量密度下,利用较深的表面层熔化修复各种深度的表面缺陷。然而,由于高能量密度下引发的热毛细管流易造成高频特征残留在表面上,故会导致表面粗糙度增加。接着,使用一个0.20 J/cm ²的低能量密度再次辐射同一表面,可有效消除残留的高频特征。最终,原始表面粗糙度为1.057 μm的表面经过双步激光辐射后可获得一个表面粗糙度为26 nm的无缺陷光滑表面。

目前我国存在较多外购发动机的情况,外购发动机存在只有实物及安装尺寸等信息,而没有三维数字化模型的问题,这给飞机与发动机的装配协调设计带来较大困难,因此飞机设计部门对快速重构航空发动机的外形几何模型提出了迫切需求。为了使重建出的发动机外形几何模型尽可能地保留准确的结构特征,提出了一种基于深度学习的航空发动机外形点云特征分割方法,该方法将整体点云分割成特征数据与非特征数据,这有利于后续采用不同的方法重建出各种复杂的结构特征。设计了一种迭代密度均衡算法用于构建特征分割数据集,该算法为特征分割网络的训练、测试和性能评估提供基础;设计了一种特征分割网络,从多尺度局部表面片中收集形状结构和局部邻域信息,用于判断其中心是否是特征点。将训练好的特征分割网络模型应用于发动机外形点云,验证结果表明,特征分割精度达到95.16%,所提算法实现了高精度语义分割。

激光散斑衬比成像(LSCI)技术广泛应用于大视场的组织表层血流成像,当需要实时在体监测生物体深层组织或腔内组织的血流分布及变化时,将LSCI与内镜成像技术结合是解决LSCI成像深度问题的有效途径。为此,搭建了商用腹腔镜LSCI成像系统,并对微流体仿体和兔子大肠进行成像。实验结果表明,所搭建的系统可以校正静态散射以及消除系统噪声对散斑衬比度的影响,利用单次曝光下的散斑衬比测量值可以实现血流的定量监测,该商用腹腔镜LSCI成像系统将具有重要的临床应用潜力。

为提高压缩感知鬼成像的实用性,解决场景中采样数据丢失且无法重复采样而引起关联成像失败的问题,提出了一种基于鬼成像丢包数据的分组扩充方法。首先,分析了不同形式丢包数据对成像性能的影响。然后,通过对待采样数据进行分组并对存在丢失现象的采样结果进行扩充的方式提高了成像质量。仿真和实验结果均表明,与传统方法相比,分组扩充法可以降低丢包数据对成像质量的影响,有利于进一步推动鬼成像的实用化。

由于超透镜在光场相位调控、多功能复合、微纳集成等方面具备传统透镜无法比拟的优势,故其在许多领域具备极大的应用潜力。但是,超透镜的设计需要专业人员具备专业知识及丰富的经验,这使得非专业人员无法快速掌握,为此阻碍了超透镜的规模化制备。通过MATLAB和时域有限差分法(FDTD)的混合编程,研究了不依赖于预设物理模型的超透镜的设计过程,实现了介质超透镜的自动化设计。通过在MATLAB编写的软件界面上输入所需的超透镜参数,后台调用FDTD设计仿真程序来构建纳米结构,可以计算出结构的尺寸与相位和透过率的关系。根据所需的相位分布来构建超透镜,最后对超透镜进行数值模拟仿真及性能评估。所述的设计流程及软件能极大地方便非专业人员进行超透镜的设计。

体全息波导显示系统的视场角受限于光栅衍射响应带宽,无法满足人们对大视场显示的需求。为扩展波导显示视场角,基于严格耦合波理论模型分析了波导显示视场角的影响因素,进一步提出了一种可有效扩展衍射响应带宽的双重体光栅波导结构,通过变角度分次曝光法完成光栅制备,并搭建全息波导显示系统。成像结果表明,该显示系统的水平和竖直视场角可分别扩展至33.4°和22.6°,对角线视场角为40.3°。

以4T PPD(4个晶体管的钳位光电二极管)型CMOS图像传感器为研究对象,开展注量为1×10 ¹¹,3×10 ¹¹,5×10 ¹¹,7×10 ¹¹,1×10 ¹² neutron/cm ²的中子辐照下损伤模拟的研究,建立CMOS图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型;采用相关双采样技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点(FD)的输出值,建立测量电荷转移损失(CTI)的模拟方法;获得CTI随中子辐照注量的变化关系,分析CTI随中子累积注量的变化规律,结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发CTI退化的理论模拟计算结果的有效性。研究结果表明,CMOS图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域,中子辐照后会在空间电荷区中引入位移损伤缺陷,这些缺陷通过不断俘获和发射载流子,使信号电荷不能快速转移到FD中,造成电荷转移损失;电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大,二者在一定范围内呈线性关系。

由于场景的光谱信息受到不同照明条件的影响,故在照明不可控场景下拍摄的多光谱图像的光谱反射比重构需要进行照明光谱估计。因此,提出了一种基于单幅多光谱图像的通用方法来准确预测场景的照明光谱。首先,通过分析每个像素的响应特性设计并计算色度权重图,以寻找包含更多照明信息的像素。然后,对加权后的图像进行成分分析,以在通道域中提取光源响应特征。最后,得益于创新性引入的基于照明光谱库训练的字典学习方法,可估计出场景光源的相对光谱功率分布。所提方法在模拟数据和真实数据上的照明光谱估计平均角度误差分别为0.29和3.42,与现有的同类方法相比,表现出更优的准确性和鲁棒性。

针对硬X射线自由电子激光(HXFEL)对偏移镜组提出的初步要求(压弯前、夹持后子午面形误差小于0.5 μrad),传统机械压弯难以满足且实时修正,因此采用压电片侧放式双压电片反射镜(PBM)结构。反射镜水平放置,通过奇异值分解(SVD)法计算修正自重所引起的低频面形误差所需的电压值,并辅以有限元分析法验证方案的可行性;针对不同的压弯面形进行求解分析,然后加入热分析法解决由局部辐射引起的面形突变。仿真结果表明,在自重的情况下,反射镜的初始斜率误差为242.43 nrad (均方根, RMS),在压电压弯修正后其斜率误差可以大幅降低至7.743 nrad (RMS);对目标面形进行调节,实际压弯面形与目标面形间的斜率误差仅为0.0024 nrad (RMS)。