采用高精度从头算方法对 I+2 离子最小的四个 Ω 子 态 (X2Π3/2,g, X2Π1/2,g, A2Π3/2,u 和 A2Π1/2,u) 进行了研究, 并与实验获得的高分辨率吸收光谱进行了比较。首先利用多参考组态相互作用 (MRCI) 方法计算了四个 Ω 电子态的势能曲线, 求解了一维径向薛定谔方程, 并推导出各电子态的振动-转动能级。随后利用拟合获得的相应光谱参数和计算得到的跃迁偶极矩矩阵元, 计算了 A2Π3/2,u-X2Π3/2,g 系统的 υ'=11-19 和 υ''=1-5 的 45 个带的跃迁强度, 并计算了 A2Π3/2,u 态的 υ'=11-19 振动能级的辐射寿命。 最后, 计算给出了 I+2 的 A2Π1/2,u?Ω 子态的较高振动能级的预解离寿命, 并讨论了其预离解机理。

为提高激光诱导击穿光谱技术 (LIBS) 对水中重金属元素含量的检测精确度, 将 LIBS 技术分别与单变量定标 (SVCC) 和偏最小二乘法 (PLS) 分析方法相结合, 对 Cr、Mn、Ca 混合水溶液中的金属元素进行了定量分析。利用 PLS-LIBS 技术研究了样品中共存元素对分析元素的影响, 研究结果表明分析元素的检测精确度受共存元素的影响较大, 将共存元素与分析元素的分析线强度同时作为 PLS 模型的输入变量, 得到的分析元素浓度总预测相对误差明显减小。利用 SVCC-LIBS 方法检测 Cr、Mn、Ca 元素的浓度总预测相对误差分别为 14.3%、8.46%、6.35%, 而利用 PLS-LIBS 方法各相对误差分别改善至 2.30%、0.74%、0.03%, 其中 Mn 元素的浓度预测相关曲线线性度 R2 由 SVCC-LIBS 方法的 0.985 改善至 0.999, 表明 PLS-LIBS 技术能有效提高混合水溶液中微量金属元素的检测精确度。

玫瑰、蔷薇和月季三种花同属于蔷薇属植物, 这三种花外貌相似, 极易混淆。蔷薇属植物具有重要的观赏价值、药用价值等, 因此快速鉴别蔷薇属植物具有重要意义。利用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术对三种花进行原位在线检测, 可以识别三种花中的主要元素。通过植物中所含元素的差异以及同一元素对应谱线的相对强度的差异, 可以辨别玫瑰、蔷薇和月季。此外, 在蔷薇属植物光谱中还可以探测到 CN 自由基, 利用 LIFBASE 软件模拟光谱中的 CN, 计算 CN 的振动温度和转动温度, 得到的参数可以视为实验参数。在对比分析三种不同花的激光诱导击穿光谱后, 选择强度差异显著的特征谱线作为变量, 结合广义回归神经网络 (GRNN) 对花属进行预测, 正确率可达 93.3%。

海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体, 采用离轴积分腔输出光谱技术 (ICOS) 对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器, 并进行了理论分析和实验验证, 实验得到 CH4 的浓度 (体积比) 探测范围为 1.073×10-8～1×10-3, CO2 的浓度 (体积比) 探测范围 为 3.39×10-6～1×10-2, CH4 同位素丰度的测量精度为 1.2‰, CO2 同位素丰度的测量精度为 1.74‰ 。实验结果表明, 系统具有良好的灵敏度和稳定性, 可以实现深海连续走航观测。

非共振光声光谱技术可用于在线检测变压器油中溶解气体, 保障变压器安全运行。然而在室外环境下, 背景信号易受到环境温度、湿度的影响, 必须对这些因素进行校正, 以提高仪器在线检测的稳定性和可靠性。背景信号的温度和湿度校正因子一般通过实验室测量得到, 但测量过程中由于外部环境干扰, 采集样本会出现较大波动, 因此需要具有一定鲁棒性的回归算法计算校正因子。研究了基于支持向量回归的背景信号的温度和湿度校正方法, 选择乙炔作为研究对象, 在实验室内利用湿度发生器产生不同浓度水汽, 同时利用温度传感器测量光声池温度, 回归乙炔背景信号校正因子, 并采用体积分数分别为 0、5×10-6 和 2×10-5 的乙炔和空气混合气体进行了验证。研究结果表明, 对于体积分数为 5×10-6 和 2×10-5 的乙炔混合气体, 所提方法和最小二乘法校正结果趋势相同, 但最小二乘法校正信号存在趋势性偏离, 而所提方法对背景信号校正具有更好的重复性和稳定性, 优于最小二乘法。

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求, 为精确监测太阳光谱辐照度, 研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成, 其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构, 是保障仪器测量精度的关键。为此, 设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置, 采用定时器主从方式控制电机旋转, 并利用 STM32 驱动线阵 CCD 工作, 结合 CCD 检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制, 闭环控制精度小于 2 个像元宽度。最后, 对线阵 CCD 的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试, 测试结果表明 CCD 质心位置检测的标准差为 0.0693, 最大偏差不超过 0.3 像元宽度, 系统运行时闭环精度小于 2 个像元宽度, 满足波长扫描的重复性和稳定性要求。

针对苹果酸度可见-近红外无损测定, 设计了一套优化的偏最小 二乘 (PLS) 定量预测模型。首先, 采用 Savitzky-Golay 平滑结合小波变换对光谱数据进行预处理, 再通过连续投影法 (SPA) 生成建模集, 同时通过竞争自适应重加权采样法 (CARS) 和 SPA 生成建模备选集。随后从建模备选集中以优胜劣汰的方式逐次追加波长变量至建模集, 并根据建模集构建预测模型, 直至决定系数的变化趋于稳定。实验结果表明: 利用优化的 PLS 模型进行苹果酸度预测时, 其决定系数与相对分析误差分别达到 0.9776 与 6.6812, 且选取的波长变量数由 129 项降至 36 项, 明显优于 SPA 和 CARS 法。本方法在保证模型精度的同时降低了其复杂程度, 为苹果酸度在线无损测定模型的建立提供了重要参考。

基于自由电子气体模型, 利用线性响应理论结合格林函数方法求解了单层原子体系的等离激元频率, 得出了可适用于高电子密度短波情形的等离激元色散关系的解析解。研究结果表明: 原子层的厚度会降低等离激元的频率, 原子层越厚, 等离激元频率越小, 这种变小在波矢越大时表现得越明显。当单层原子的厚度趋于零时, 其等离激元的色散关系趋近于纯二维等离激元的色散关系。此外, 在单层原子体系等离激元频率的一阶近似中, 发现长波近似下等离激元频率的相对修正与波矢以及原子层的厚度都呈线性关系。

关联成像受限于成像机制, 其空间分辨率与时间分辨率相互制约。成像空间分辨率越高, 所需的调制散斑越多, 对应的采集时间越长。针对此瓶颈, 提出采用多个低空间分辨率散斑同时对高空间分辨率物体调制的关联成像方法, 利用单像素探测器接收被调制物体信号, 并基于迭代算法与压缩感知算法重构高空间分辨率成像物体图像。利用数值仿真验证了所提方法的有效性。研究结果表明, 所实现的高空间分辨率关联成像技术大幅降低了调制散斑数量, 减少了在线采样时间, 在生物医学等要求高空间分辨率且对采样时间苛刻的领域具有重要的应用价值。

传统的光子层析方法难以适用于含有大量重金属遮挡物的对象中。本研究拟从光子层析的视觉特征出发, 通过针对层析投影开展基于无监督学习的像素预测, 构建了基于金属遮挡物周边信息的编码器, 以生成受遮挡区域结构。同时, 在生成对抗网络架构的基础上, 将编码器作为生成网络, 并构建判别器用于编码器的训练。研究表明, 基于像素预测的重构方法能够实现金属结构覆盖区域内光子层析信息的再合成, 并且合成结果能够准确反映真实的物体的内部细节。这表明基于像素预测的重构方法能够有效降低物体内金属结构对层析结果的影响。

在啁啾脉冲放大 (CPA) 系统中, 时域展宽器与压缩器的匹配是获得高对比度飞秒脉冲的关键。相比较常规的 Martinez 和 ffner 结构的展宽器, 基于同心结构的展宽器由于物与像完全重合, 可以消除像差带来的高阶色散的影响, 进而采用光栅对压缩器以获得更好的压缩效果。透射光栅对和凹面反射镜组合实现的同心展宽器具有结构紧凑的优点, 将该展宽器替代原有的 Martinez 型展宽器, 在重复频率为 1 kHz、泵浦功率为 11.4 W 的泵浦条件下, 展宽后的啁啾脉冲经环形腔钛宝石再生放大器进行能量放大, 再由光栅对进行压缩, 可获得脉冲宽度为 47.5 fs 的压缩结果, 接近于光谱带宽 22.1 nm 的傅里叶变换极限。该结果表明基于透射光栅的同心展宽器可以获得较好的飞秒脉冲压缩效果。

超快激光再生放大过程具有复杂的动力学行为, 需要建立模型进行求解和迭代计算。基于改进的 Frantz-Nodvik 方程计算了 Yb:KGW 晶体再生放大器的输出性质, 研究了泵浦强度、晶体长度和泵浦脉宽对放大器输出性能的影响, 同时对不同重复频率再生放大器的输出行为进行了分析。在此基础上设计了再生放大器, 得到了重复频率 1 kHz、单脉冲能量 1 mJ 的激光放大结果, 与理论分析结果符合得较好。该改进的 Frantz-Nodvik 方程对于设计高重复频率、大能量且性能稳定的激光放大器具有参考价值。

为有效降低深紫外激光二极管 (DUV-LD) 在 n 型区的空穴泄露, 优化其工作性能, 提出了一种新颖的 M 形空穴阻挡层 (HBL) 结构。使用 Crosslight 软件对矩形、N 形和 M 形三种空穴阻挡层结构进行仿真研究和对比, 发现 M 形空穴阻挡层结构能够更有效地降低 n 型区的空穴泄露, 增加量子阱内的辐射复合率, 同时降低激光二极管的阈值电压与阈值电流, 提升激光二极管的电光转换效率与输出功率, 表明 M 形空穴阻挡层结构能够有效降低 DUV-LD 在 n 型区的空穴泄露并优化其工作性能。

实验研究了基于光纤布拉格光栅 (FBG) 的直接输出 1570 nm 单波长光纤激光器, 采用光纤耦合器搭建塞格纳克宽带反射器并与部分反射光纤光栅构建直腔激光器, 通过优化光栅反射率和输出方向实现了最高谐振效率为 24.42%、最大输出功率为 2.8 W、边模抑制比为 65 dB 的 1570 nm 光纤激光直接输出。通过增大腔长增加激光器谐振纵模数量, 从而基于纵模间的平均效应实现了 1570 nm 单波长光纤激光器的稳定无拍频输出, 进而利用该激光器作为掺铥光纤的泵浦源实现了 2 μm 波段光纤激光器被动锁模输出。

利用原子-腔超强耦合光力系统, 通过调制光力耦合, 开展了力学振子的宏观量子叠加态的制备与特性研究。首先利用 Wei-Norm 方法给出了演化算符的计算过程, 并针对任意原子-腔初始态情况, 给出了整个系统演化波函数的解析形式, 结果表明假设对原子—腔子系统进行测量, 在一定条件下, 振子将处于宏观量子叠加态。进一步给出了力学振子宏观量子叠加态的 Wigner 函数的解析表达式, 并对影响宏观量子态量子性的可能因素进行了理论计算和分析。最后讨论了原子-腔不同的初始态对宏观量子相干性强弱的影响, 并给出宏观量子相干性最强的初态参数; 还讨论了原子-腔耦合强度对宏观量子叠加态的量子相干性的影响, 发现耦合强度越强, 宏观量子叠加态的量子相干性就越强。

为探究二维层状过渡金属硫化物的激子效应, 尤其是上转换过程, 以层状 WS2 样品为例开展了研究。利用 532 nm 连续激光和显微拉曼技术, 探究了 WS2 晶体中 X0、X- 激子态物理起源和基本物理性质。利用 633 nm 连续激光, 实现了 WS2 晶体的单光子上转换荧光增强, 证实了其背后的双共振物理机制, 即入射光与 X- 激子态共振, 在光学 声子 A1g、E12g 的辅助下跃迁至高能级 X0 激子态, 最后自发辐射上转换荧光。此外, 进一步对双共振上转换荧光的影响因素进行了分析, 包括曝光时间、温度和激发功率。拟合结果表明适当增加曝光时间、减小环境温度和增加激发功率, WS2 的上转换荧光效率会得到提升。

利用溶剂热法可控制备了具有不同质量比的还原氧化石墨烯/CuInS2 量子点 (rGO/CuInS2-QDs) 杂化材料。将 rGO/CuInS2-QDs 杂化材料与聚 (2-甲氧基-5-(2- 乙基己氧基)-1, 4-苯撑乙烯基) (MEH-PPV) 共混作为光活性层, 制备了石墨烯基杂化聚合物太阳能电池, 研 究了 rGO/CuInS2-QDs 杂化受体材料中 rGO 与 CuInS2-QDs 的质量比 (x) 以及聚合物给体材料 MEH-PPV 与 rGO/CuInS2-QDs 杂化受体材料的质量比 (w) 对器件性能的影响。结果表明, 光活性层复合膜中 rGO/CuInS2?(x=0.25) 杂化受体材料含量由 10% (w=9) 增加 到 17% (w=5) 时, 器件的电子收集效率 (ηc) 由 0.61 提高到 0.78, 使得器件的光电转换效率得到提高。

激光雷达作为大气探测的有效手段之一, 逐渐向小型化、轻量化的趋势发展。针对激光雷达的功能专用性, 基于现场可编程门阵列 (FPGA) 对探测、采集系统进行了集成优化设计。逻辑中各模块之间通过握手协议和同步有限状态机有序配合完成数据链路的构建和传递。系统以 FIFO 作 为 ADC 的数据存储器, 通过 AXI 总线协议配合 Xilinx MIG IP 有序将 FIFO 的数据突发缓存到 DDR 中, 并且通过千兆以太网完成对采集数据的传输。该激光雷达数据采集卡集成光电倍增管增益控制和回波信号采集功能, 并采用兼容性硬件和逻辑设计, 具有集成度高、增益调节便捷且精度高、采集快速方便以及快速适配等诸多优点。

基于介电连续模型, 推导和分析了具有等边三角形截面的纤锌矿 GaN 纳米线结构中的极化 光学声子模。研究发现该纳米线结构中存在的精确受限 (EC) 声子模频率为 GaN 材料自由 z- 方向上的纵光学声子特征频 率 ωz,L, 由于受限情况不同, 这明显不同于 GaN-基量子阱中的情况。进而采用非分离变量法, 求解了该纳米线结构中EC声子模静电势的 Laplace 方程, 得到了 EC 声子模的精确解析的声子态, 并导出了系统中的极化本征矢量及其正交关系, 自由声子场 及相应的 Frohlich 电子-声子相互作用哈密顿。最后以 GaN 为例开展了数值计算, 绘 制了电子-声子耦合函数空间分析情况, 对电子-声子耦合函数的对称性、耦合强度等性 质进行了讨论, 并获得了有意义的结果。

以 Mg2Si 烧结靶为靶材, 采用磁控溅射法在Si、石英和 Al2O3 衬底上先沉积一层 Mg2Si 非晶薄膜, 再进行退火处理, 研究了衬底类型、退火温度及退火时间对 Mg2Si 多晶薄膜结构的影响。结果表明: Si、石英、Al2O3 三种衬底上 Mg2Si 薄膜的最优退火温度和退火时间均为 350 °C 和 1 h。Al2O3 衬底上的 Mg2Si 薄膜结晶质量最佳, Si 衬底上的薄膜次之, 石英衬底上的薄膜结晶质量最不理想, 分析表明这种差异主要源于衬底与薄膜之间的热失配不同。

设计了一种具有偏振滤波特性和保偏特性的空芯负曲率光纤 (HC-NCF), 并对其特性进行了分析。通过引入内包层管破坏常规 HC-NCF 的对称性, 使两个正交方向的基模和内包层玻璃管模式进行耦合, 从而增加两个偏振方向的折射率和损耗差异。进而对光纤双折射特性和损耗的影响因素进行分析, 包括内包层管的壁厚、内包层管的内直径和纤芯直径。结果表明, 当光纤纤芯直径和外包层管环内直径为 30 μm, 外包层和内包层管环壁厚分别为 1.116 μm 和 1.56 μm, 内包层管的内直径为 9 μm 时, 在 1.55 μm 波长处双折射达到 1.33×10-4，基模 x 偏振和 y 偏振方向的偏振消光比达到 4723 (36.7 dB)，并且偏振消光比大于 100 的带宽为 7 nm。 此外, 1.55 μm 波长处的最低损耗约为 0.03 dB/m。这种保偏 HC-NCF 可应用于对偏振敏感的光纤器件。

表面等离子共振 (SPR) 传感器开环系统的弊端, 对全局搜索粒子群算法 (PSO) 的早熟收敛问题进行改进, 提出了一种动态信息调整且速度可控的改进型合作粒子群算法 (ICPSO)。该方法通过在粒子飞行状态控制的迭代方程中引入子群最优信息, 较好地保持了粒子多样性, 有效地避免寻优飞行中粒子的早熟收敛。进一步将该算法作为 BP 神经网络的训练算法, 建立了更为优化的 ICPSO-BP 神经网络。最后, 利用 ICPSO-BP 神经网络对光纤 SPR 开环系统的内部非线性模型进行辨识补偿, 分别建立单输入、双输入、三输入的 ICPSO-BP 神经网络补偿模型，实验及仿真结果表明新算法在测试线性精度和速度上均具有较好的表现, 从而保证了光纤 SPR 良好的线性测试效果, 为光纤 SPR 传感器进一步应用打下一定基础。