纳米技术的发展为在纳米尺度上对材料的光、电、离子传输、化学、机械性能的合理设计提供了机遇。从基本科学原理出发,给出一些具体的实例,讲述了如何设计合适的纳米材料以满足其在高性能的能量存储器件和环境净化中的应用。主要包括: 纳米材料在太阳能电池和透明电极中的设计和应用;便携式储能器件和电动汽车用纳米电极材料的设计; 纳米材料在生物、水净化和空气净化领域的设计和应用。

基于在光学旋涡领域的多年工作基础,分别介绍了:轨道角动量在大容量光通信中的创新应用,通过设计新型光学元器件,解决大批量轨道角动量并行独立探测的技术瓶颈;光学旋涡光束在普通光学显微镜结构下调控表面等离子激元,构建了新一代表面等离子激元显微术,该系统集超分辨宽场成像、超高灵敏度传感、超高增强拉曼光谱为一体,为生物活体细胞和分子的无标记、原位、多模式检测提供新的技术途径。

采用数值模拟的方法分析了不同离轴角距离、不同大气湍流强度及激光出光口径下,信标的纯角度非等晕误差对激光发射自适应光学系统(AO)校正效果的影响。同时针对离轴点信标,提出了一种去除整体倾斜的准直方法。数值模拟结果表明,在其他条件不变的情况下,信标离轴角距离越大,口径越大湍流强度越强,点信标离轴引起的纯角度非等晕误差越大,但较(θ/θ0)5/3偏小,与理论分析符合较好。通过数据拟合得出,当出光口径一定时,纯角度非等晕误差仅与θ/θ0有关。给出了纯角度非等晕误差与θ/θ0的定量关系,为快速评价角度非等晕误差提供了模型支持。

激光超声振动是在纳米级的微振动,受环境噪声的影响比较大,且使用传统方法得到的探测信号强度太低,不利于检测。针对这个问题,使用组合双凸透镜对激光进行聚焦,提高探测信号的强度,并设计了具有较高灵敏度的双光路差分干涉系统,将参考信号与探测信号的强度差控制在理想范围内。实验结果表明,探测信号的强度可达到648 mV,与传统方法相比有10倍左右的提升,解调出的振动信号失真度较小,信噪比可达32.1 dB,提升了近5倍。与传统方法相比,各项性能有了较大提升。

为了满足在恶劣环境下工作的大功率激光器各项参数的综合测试需求,采用各种光电传感器件设计了一套综合参数测试系统,着重介绍了系统的硬件构成和功能实现方法。使用系统进行了激光平均功率、脉冲宽度和光斑能量分布的测试实验,实验结果表明,设计达到了预期效果,可完成某型装备中引偏用大功率激光器的测试任务。

某星载高光谱大气探测仪采用1553B作为外部总线以及RS422作为内部总线,针对此类卫星载荷的多总线测试要求,设计了一种用于地面试验的多总线测试平台。该平台通过将1553B端口与RS422端口同时接入卫星载荷,配置两种总线的相关终端特性,开发人机交互平台进行内外部指令的注入与监视,实现了对卫星载荷的完整监控、通讯测试、故障检测和数据记录。通过实验证明该系统能够更高效、全面地对具备多总线的卫星载荷进行地面测试,并完善相关测试方法,提高了针对卫星载荷的地面测试能力。

导引头对目标视线角速度的准确测量是导弹实现比例导引律的前提条件。对于速率陀螺稳定平台式导引头,由于速率陀螺固有的高频电噪声以及搭载平台的随机扰动,会导致导引头输出信号存在大幅随机噪声,无法实现视线角速度的准确测量。通过实验研究了一种搭载飞艇使用的电视导引头测量数据的滤波方法。基于对导引头原始输出数据的分析,获得随机扰动的特征频率,采用相应截止频率的低通滤波器对导引头输出数据进行数字滤波,有效滤除了陀螺高频电噪声和源自搭载平台的低频噪声,实现了对视线角速度的准确测量。

针对静态背景和缓动背景下的多目标跟踪,提出一种基于HOG与粒子采样定位的单目标和多目标跟踪方法。从背景建模与更新策略出发,采用方向梯度HOG特征与朴素贝叶斯分类学习方法对检测的可疑目标进行判别,识别出兴趣目标。同时提出粒子采样定位算法,在初步确定的目标位置附近,利用一定分布特性的粒子对目标的位置状态进行逼近。对多场景多实例的跟踪仿真实验结果表明:该方法能够自动检测并判别兴趣目标,可以稳定跟踪单个或多个目标,并具有较高的定位精度。该方法可应用于静态背景和缓动背景下的单目标和多目标跟踪。

快速可靠的星图识别算法是星敏感器确定姿态的关键部分。综合当前多种星图识别算法,设计了实用快速的全天星图识别算法。根据星敏感器视场筛选导航星,构建最小星库;选择星对角距为识别特征,根据多星结构重复性选择星形识别算法;考虑误差,将星对角距离散化成数组,特征匹配无需搜索,直接查找表定位。实验证明本算法是一种速度快(首次捕获＜1 s)、存储空间小(＜1 MByte)、识别正确率高(＞99.99%)、抗假目标干扰强的全天星图识别算法,方便在嵌入式芯片上运行。

介绍了量子物理学的发展以及科学家在探索、构建与控制单量子系统方面的努力与成就。同时结合2012年诺贝尔物理学奖的工作,对量子物理学的研究在未来量子技术的开拓,包括量子通信、量子计算机、原子干涉仪与陀螺仪、量子计量学等方面的内容进行系统阐述。

为满足实时、高效、高精度的便携式三维测量要求,提出了一种基于十字激光线的三维测量方法。综合线结构光和双目立体视觉两种测量原理的优点,设计了新颖的融合式测量模型,解决了局部线激光数据到全局面数据的转换;创新性的十字激光线结构光模式,相比于传统的一字激光线测量效率提升2倍;提出的基于GPU加速的自适应阈值的激光线提取方法,实现了激光线中心的亚像素精确、实时提取和三维测量;设计的匹配能量法稳定、精确地解决了便携式测量过程中的数据拼接,实现了局部坐标系到全局坐标系的数据统一;最后利用搭建的软硬件平台进行了测量性能参数验证,结果表明满足实时高精度测量应用的需求。

固定翼飞机尾焰的红外辐射特性研究对红外探测、跟踪、制导等具有重要意义。利用MODTRAN软件计算大气透过率和程辐射,用8~14 μm长波红外测量设备对某型固定翼飞机非加力状态尾焰红外辐射亮度进行了测量。测量结果表明,非加力状态尾焰辐射亮度具有明显的方向性,迎头方向较弱,从50°到150°逐渐增强,150°方向平均辐射亮度为50°的5.2倍;90°方向尾焰辐射沿发动机喷管轴向呈对称性包络分布,随着与喷管轴向距离的增加逐渐减弱,辐射主要集中在发动机喷管出口附近的轴线两侧。150°方向尾焰辐射主要集中在发动机喷管出口附近,尾焰辐射亮度为喷管中心辐射亮度的15.4%。180°方向尾焰及喷管辐射亮度呈环形分布，从中心区域向外，尾焰辐射亮度分布的对称性和一致性逐渐下降。测量结果为尾焰红外辐射研究提供了重要的数据支持。

根据洛伦兹电子理论、比尔定律以及朗伯定律,提出了溶液在一定浓度范围内与折射率线性关系的理论模型,并以光纤液体传感器为基础,引入“压差比”的概念,根据菲涅尔公式,从理论上得出溶液折射率与压差比的对应关系。通过偏振光调制法测量在不同浓度的Na2CO3溶液作用下的“压差比”,从而实时、准确地测量液体浓度。采用光电探测器对偏振光信号进行探测,经光电变换后利用信号调理电路实现信号采集,模数转换后运用单片机实现信息的处理。实验结果表明,该方法的测量精度为5‰,与传统方法相比有较大提升。

在太阳模拟器中,聚光系统是提高氙灯光源光能利用率的关键部件。根据氙灯光源的发光特性,通常采用椭球面反射式聚光镜作为模拟器的聚光系统。以用于中小型太阳模拟器的椭球镜为研究对象,基于椭球镜与光学积分器相对孔径匹配一致的设计思路,提出了椭球镜外形尺寸选型和光学参数计算的分析思路和具体方法,给出了有效的经验公式。结合具体实例通过ASAP软件对氙灯光源和椭球镜进行仿真建模,利用蒙特卡洛光路追迹方法模拟出实际光照效果,对椭球镜第二焦面上辐照度分布情况进行了仿真分析,仿真结果表明,基于该设计方法的椭球面聚光镜的有效取光比达到50%以上。验证了这种设计思路和计算方法的合理性,为太阳模拟器高效聚光椭球镜的设计提供了借鉴。

为了满足电视跟踪中对目标探测识别的需求,设计了一种基于1/2英寸CCD的10倍可见光连续变焦电视镜头。该连续变焦电视镜头的焦距为40~400 mm,F#为3.5,视场角为11.48°~1.15°。该系统采用负透镜组变倍和正透镜组补偿的方式实现连续变焦,系统的变焦曲线连续且平滑,图像在连续变焦过程中可一直保持清晰,短焦时可快速跟踪目标,长焦时可清晰识别大小为2 m的物体,该电视镜头能够对12.5 m~25 km内的目标清晰成像,从而对其进行跟踪识别。系统连接变焦过程中成像质量较好，无拐点，满足电视跟踪系统的需求。

为使用大面积均匀分布的微球掩模制作纳米柱LED,对胶体微球单层薄膜的自组装技术进行了研究。采用旋涂法、滴定法和气液界面法,对2 μm和455 nm两种粒径的胶体微球进行自组装实验,并使用扫描电子显微镜进行观察和比较,分析了三种方法的优缺点。实验结果表明,旋涂法在制备过程中容易出现多层堆积现象;滴定法容易形成单层薄膜,但胶体微球较为稀疏;气液界面法可以实现较大面积的单层薄膜,胶体微球均匀分布,而且适用于各种基片,是一种简单有效的自组装方法。优选气液界面法,在GaN基LED外延片上制备了均匀分布的纳米柱结构,验证了这种方法用于纳米柱LED芯片制备的可行性。

为了满足透明导电薄膜轻便、可折叠、高分辨率及快速响应的需求,在AZO单层透明导电薄膜研究基础上,尝试在柔性PET衬底上制备AZO/Ag/AZO三层透明导电薄膜。先利用光学薄膜设计软件对膜系进行设计优化,再参照此优化值制备研究不同AZO、Ag层对AZO/Ag/AZO薄膜光电性能的影响。通过合理的实验设计与对比,发现在柔性PET衬底上制备的三层AZO薄膜与在硬质衬底上制备的薄膜光电性能相当,且当三层AZO/Ag/AZO薄膜中AZO层厚度在40~45 nm,Ag层厚度8 nm时,在可见光波段的透过率高达到92%,电阻率低至4.0×10-5Ω·cm,透明导电薄膜的品质因子最高为12.6×10-2Ω-1。得到的AZO/Ag/AZO三层透明导电薄膜具有与常见的ITO薄膜相比拟的性能。

舰用光电探测装备在现代海战中具有十分重要的作用。介绍了舰用光电探测装备的发展现状,指出影响舰用光电探测技术发展的外因与内因,初步归纳了舰用光电探测装备发展演变的基本规律,推演了舰用光电探测装备的未来发展趋势,并介绍了相关关键技术的发展方向。

理解疾病成因、识别早期疾病、靶向疾病治疗、预测治疗反应以及成功治疗疾病是现代生物医学的几项基本愿景。在过去的几年中,随着光学与光子学的发展,人们见证了光学与光子学具备迎接这些挑战的潜力。在这种情况下,如拉曼光谱等方法尤其值得关注。介绍了无损线性和非线性拉曼光谱方法在临床诊断中的应用。展现了一种基于芯片的细菌分离技术,用于快速识别病原并探测其对抗生素的抵抗力,这对病人的生存至关重要。并报告了这一技术如何应用于识别血液循环中的肿瘤细胞并同时监测其治疗药物。此外,还介绍了光谱方法在体外和体内的组织病理学中的应用,以对癌症进行早期诊断。