针对激光二极管端面泵浦圆片Yb∶YAG晶体产生的热效应问题, 以实际工作特点为基础, 通过热传导理论分析了热效应。分析了不同泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体尺寸因素对变热导率圆片Yb∶YAG晶体温度场的影响。研究结果表明, 使用泵浦功率为60W、超高斯阶次为5、光斑半径为400μm的泵浦光对含质量分数为8%、晶体半径为4mm、厚度为0.5mm的圆片Yb∶YAG晶体进行泵浦, 在将晶体的热导率分别视为常量和变量时, 泵浦端面获得的最大温升分别为52.15℃和59.51℃。根据计算结果, 设计了适合的激光器热稳腔, 能充分抑制激光器产生的热效应问题。

针对在基因芯片光学扫描时产生的图像倾斜问题, 提出了一种基于像素灰度的芯片图像倾斜校正方法。结合基因芯片图像的结构特点, 基于行、列方向像素灰度定义芯片图像的校正指标。在角度检测范围内, 利用折半搜索方法, 基于校正指标来检测芯片图像的校正角度和芯片图像的校正位置。实验结果表明, 该方法能有效地检测多类基因芯片图像的倾斜角度, 具有较强的鲁棒性和实用性。

应用液晶空间光调制器加载螺旋相位片的方法可以高效地生成涡旋光束, 但由于液晶空间光调制器分辨率有限, 在加载高阶螺旋相位片时其中心会出现相位失真, 造成涡旋光束质量不高。通过在螺线相位片中心区域引入闪耀光栅的方法, 得到了光束质量较高的高阶单模涡旋光束和多模涡旋光束, 为生成高阶涡旋光束提供了一种很好的方法。

提出了一种无损检测眼镜镜片基底折射率的方法。该方法通过测量眼镜镜片在可见光区域内的反射比数据, 采用高斯牛顿迭代法拟合反射比曲线来检测镜片基底折射率, 并用Cauchy模型分析了镜片折射率的色散现象。检测结果表明, 镜片折射率的相对误差不超过2%, 可基本满足对镜片折射率区间的判定。

设计了一种基于场效应晶体管的量子点场效应单光子探测器(quantum dot field effect transistor, QDFET), 建立了二维电子气(two-dimensional electron gas, 2DEG )的薛定谔方程和泊松方程, 通过对薛定谔方程和泊松方程的自洽求解, 对2DEG的载流子浓度进行了模拟。模拟结果显示, AlGaAs的Al组分、δ掺杂层的掺杂浓度以及隔离层的厚度对于2DEG的载流子浓度均有影响。为了使2DEG具有较高的载流子浓度, AlGaAs的Al组分应为0.2~0.4, δ掺杂浓度应为6~8×1013/cm2, 隔离层厚度应在50nm以下。通过对2DEG的载流子浓度进行研究, 可以掌握2DEG载流子浓度的影响因素, 从而通过优化QDFET结构, 可提高2DEG的载流子浓度。这对于高灵敏度QDFET的制备具有重要的意义和应用价值。

对于体全息来说, 存储材料的体积与所能存储的信息容量有关。采用热致聚合方法制备了厚度分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm的菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(PQ/PMMA)光致聚合物材料。探测并分析了材料样品对不同波长的光吸收特性以及不同厚度材料的全息性能。实验结果表明, 厚度的变化对材料的光致双折射值影响较小, 而对衍射效率的影响较大。

基于Pockels效应的Sagnac型光学电压互感器的传感单元是由法拉第准直旋光器和BGO晶体构成, 其中由偏振串扰引入的非线性误差是影响互感器测量精度及稳定性的主要误差来源。为了抑制传感单元存在的非线性误差, 从主要光路器件及器件间的耦合点中分析产生偏振串扰的非理想耦合点及耦合机理, 并提取表征该耦合点的误差特征参量, 建立各非理想耦合点的传输模型, 由此推导由传感单元偏振串扰引入的非线性误差模型, 数值仿真并实验验证非理想偏振耦合对互感器性能的影响。在此基础上, 提出了由BGO晶体敏感环境振动、温度波动等产生的非线性误差的抑制方法, 实验结果验证了抑制方法的有效性。

针对大坝安全监测的技术要求, 设计并研制了一套基于铅垂线原理的大坝水平位移测量系统。该系统以光栅尺、激光发射和接收器、减速电机为主要运动部件, 以性能强大的ARM内核芯片为主控制器, 采用大屏幕LCD为人机交互界面, 实现对大坝水平横向和纵向的精确测量。该系统还具有人工手动实时测量、定时自动测量的功能, 可以通过485总线上传测试结果到总控制中心进行显示和分析。实验结果表明, 该系统具有精度高、成本低、误差小的优点。

针对传统的圆心算法过程复杂、定位精度受初始边缘提取效果影响较大等问题, 提出了一种基于邻域贡献权值细化的圆心亚像素定位算法。首先引入邻域贡献权值系数, 改进传统非极大值抑制法, 细化边缘;然后在边缘点的梯度方向对灰度值进行高斯拟合, 确定亚像素边缘位置；最后针对边缘突变点提出了基于随机抽样一致的最小二乘法来拟合圆心。实验结果表明, 该算法具有较好的精度和稳定性, 圆心的提取精度可以达到0.1个像素。

为了实现大口径光学元件表面轮廓的高精度测量, 提出了一种大承载气浮回转工作台的调心技术, 并研制了一套具有偏心自动调整功能的测控系统。该系统主要由精密气浮回转轴、台达PLC、数显千分表和轮廓仪工作台组成。利用VC++的PLC串口通讯和偏心调整软件的控制, 实现了轮廓仪的自动调心功能。

为了测量数字相机传感器的光谱灵敏度, 提出了一种数字图像测量方法。在自然日光下, 用被测相机采集一副标准色卡的图像, 在对图像进行均匀性和线性校正后, 从标准色卡图像各色块的相机响应中计算出光谱灵敏度, 并在不同的照明光源下, 用成像方法验证数字图像测量方法与传统的单色仪测量方法的结果, 比较了两种测量方法的优缺点和精确度。实验结果表明, 两种测量方法均能获得较高精度的光谱灵敏度。

为了有效地提高鱼苗尺寸测量的效率及精度, 搭建了平行式双目立体视觉系统。根据双目视觉原理, 首先基于改进后的由多组同心圆构成的标定板对双目视觉测量系统进行定标；然后利用Harris角点提取算法获取鱼苗图像的关键特征点, 并基于归一化互相关(Normalized Cross Correlation ,NCC)立体匹配算法对关键特征点进行匹配, 提取坐标数据；最后根据坐标数据进行计算, 得到鱼苗的空间坐标, 实现对鱼苗尺寸的精确测量。结果表明, 由所搭建的平行式双目立体视觉系统测量的相对误差在8%以内, 为双目视觉应用于鱼类养殖业的可行性提供了依据。

针对全彩LED显示屏亮度均匀性问题, 介绍了一种基于CCD相机的全彩LED显示屏亮度检测和校正算法。首先利用CCD相机获取显示中的图像, 通过数学形态学和大津法对图像进行去噪和阈值分割处理, 确定LED灯点的中心位置, 然后使用最佳包含圆方法统计分析各个灯点的相对亮度值, 并计算出其三色校正系数矩阵。实验证明, 该算法检测速度快, 校正效果较好, 从而改善了显示的质量, 延长了显示屏的使用寿命。

对于电力设备的红外图像自动检测系统, 图像去噪是非常关键的。针对传统的小波硬、软阈值函数在去噪时存在的不足, 在传统小波硬、软阈值函数的基础上对其进行了改进。改进的阈值函数克服了硬阈值函数不连续的缺陷, 改善了软阈值函数具有恒定偏差的不足, 并引入了两个变量, 具有一定的灵活性。同时还使用了一种新的分层阈值选择函数代替统一阈值方法, 以改善实际应用的效果。实验结果表明: 改进的小波阈值去噪方法在视觉效果、峰值信噪比和均方误差方面都优于传统的硬、软阈值去噪方法；改进的小波阈值去噪方法可以运用到红外图像自动检测系统中, 使系统具有更好的去噪效果。

设计了一种基于四孔单元的光子晶体光纤, 它可以满足光通信系统中高双折射率、负色散和低限制损耗的要求,比起通常的三角结构光纤有着更高的双折射率, 并且结构制作也较简单。采用全矢量有限元法和各项异性完美匹配层法对所设计的光纤进行了仿真研究。仿真结果表明: 该光纤在1.55μm波长处可获得10-2数量级的双折射率, 在较宽广的波段范围具有大的负色散, 限制损耗低于10-9dB/m；该光纤在保偏光纤、单极化单模光纤、色散补偿光纤等方面具有重要的应用。

散斑图质量对数字图像相关(DIC)方法的测量精度具有重要的影响。以平均灰度梯度这一传统的散斑图质量评价参数作为基础, 提出了一种新的评价参数--平均一阶及二阶灰度梯度商, 该参数同时考虑了一阶和二阶灰度梯度。从整体上来说, 一阶灰度梯度的曲面比较光滑, 而一阶及二阶灰度梯度商的曲面比较粗糙。采用Zhou等人提出的方法制作了80张模拟散斑图, 对这些模拟散斑图的传统参数和提出参数进行了计算。结果表明: 当散斑半径相同时, 随着散斑数量的增加, 两种参数均先增加, 后减小；当散斑数量一定时, 二者均有一个峰值;散斑半径越大, 提出参数的峰值越大, 而传统参数的峰值越小。对提出参数的峰值所对应的4张散斑图进行了多次连续平动, 并使用DIC方法测量了测点的水平位移。结果表明, 在提出参数越大的散斑图上测点的水平位移误差越小, 在一定程度上验证了提出参数的正确性。

针对分布式光纤温度传感系统(Distributed Optical Fiber Temperature Sensing System,DTS)在线测温精度不高的问题, 提出了使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)解调仪对DTS进行温度补偿。对不带温度补偿的DTS进行了温度测量和数据分析, 证明了进行温度补偿的必要性。设计了带温度补偿的DTS并进行了温度测试。实验结果表明, 在使用FBG解调仪对DTS进行温度补偿后, DTS的温度精确度可以达到0.3℃。

利用单光子计数技术对微弱光进行探测具有与其他模拟法相比的多个优势, 如有好的抗漂移性、高的信噪比、较宽的线性区等。线性性能是探测器的基本性能之一, 利用叠加法和距离平方反比法测量单光子计数探测系统的线性范围, 当非线性因子为0.05时, 利用叠加法实验测得系统线性响应计数率为3.9×105Counts/s, 利用距离平方反比法实验测得系统线性响应计数率为5×105Counts/s。结果表明, 两种方法测得响应线性度一致性较好。分析了电子学系统的漏计误差对探测器系统线性范围的影响。实验表明, 通过缩短电子学系统中甄别器的死区时间(td)可以提高系统的线性范围。

光电极值法是光学薄膜厚度监测的常用方法, 该方法在镀膜前引用块状材料的折射率设计膜系。而在实际镀制过程中, 用于镀制光学薄膜的材料折射率会发生改变, 从而给膜厚的监控带来误差。为了避免折射率变化的影响, 采用外差干涉法测量折射率, 将实际测得的薄膜折射率应用光电极值法监控薄膜的设计, 从而减少了因材料折射率的变化引起的误差。以750nm截止滤光片的镀制为被测对象进行了实验, 对制备的滤光片透射率光谱曲线进行了比较。结果表明, 实际的透射率曲线与设计的透射率曲线吻合较好, 两次实验曲线平均吻合度均在98%以上, 系统稳定性很好, 从而说明结合外差干涉法的光电极值监控法可以很好地克服折射率变化引起的误差。

基于Jaynes-Cummings模型和原子-腔光力学系统, 研究了该系统中原子与机械模之间的纠缠交换机制, 讨论了两个原子的相干角和腔场与机械模之间的耦合系数对原子与机械模之间纠缠的影响。一个原子与机械模之间的最大纠缠随着该原子相干角的增大而减小, 另一个原子与机械模之间的纠缠存在突然产生和突然死亡现象, 并且最大纠缠随该原子相干角的增大而增大。根据这一结果可以制备原子与机械模之间的最大纠缠态, 这为纠缠调控提供了一种新的方式。