从序列图像重建目标三维结构是摄影测量学和计算机视觉的研究热点。针对传统算法中精度与计算量的矛盾,提出一种基于仿射近似的新算法,首先用仿射三线性张量合成序列图像中的缺失图像点,重新建立图像测量矩阵,然后用仿射矩阵分解从图像特征直接获得目标三维结构的初始值,最后用基于“R-T”模式的光束法平差进行优化。仿真数据和真实图像实验表明,新算法精度高、稳定性好,有效解决了传统算法中精度、算法复杂性与结果数值稳定性的矛盾,为序列图像三维解析中的关键技术问题提供了解决方案。算法可广泛应用于航空测绘、工业检测、虚拟现实、动画制作以及**侦察等领域。

提出一种新的基于信息光学的数字水印方法。该方法将水印信息隐藏于半色调编码的计算全息图之中。通过相位复原技术将需隐藏的水印信息编码为相位函数嵌入在复波前中,其振幅定义为宿主图像,通过计算全息记录复波前并对全息图进行半色调编码完成水印信息的嵌入。水印的提取过程只需对含有水印信息的半色调图像进行光学或数字的傅里叶变换即可完成。并给出了算法有效性的理论分析和仿真实验结果。结果证明这种水印技术对于各种数字图像处理操作具有很高的稳健性,且半色调编码图的二值特性使嵌入水印具有很强的抗打印、抗复印、抗扫描的能力。

提出了基于垂直层叠结构的双波段传感器,该结构为同时对可见波段和近红外波段进行成像提供了可能。它的基本原理是利用不同波长的光在硅材料中穿透深度的非线性分布,即:短波长的可见光主要在表面被吸收,长波长的近红外光则主要在更深的位置被吸收。通过垂直层叠结构,抽取不同深度的光生载流子,即可以得到相应波段的成像信息。数值仿真分析表明,结构参量为D1＝2 μm,D2＝18 μm的结构能在400～1200 nm波长范围得到响应峰值波长为550 nm和1000 nm的最佳可见/近红外响应。

简要分析了非扫描激光成像的技术优势,介绍了利用条纹管实现非扫描激光成像的工作原理,说明了图像空间分辨力与系统距离精度的对应关系。对影响图像空间分辨力的主要因素进行了理论分析,得到了系统总空间分辨力与各单元器件空间分辨力和放大倍率的对应关系,在此基础上,对现有条纹管成像系统进行了相应的计算,得到了空间分辨力的理论预期值；最后,提出了一种基于分辨力板成像的系统空间分辨力测试方法,设计了相应的验证实验,对实测图像进行了去噪处理和数据分析,得到了图像的衬比度传递函数(CTF)曲线,通过衬比度传递函数分析,计算出了成像系统的实际空间分辨力,并将实测的分辨力数据与理论值进行了对比分析。

为了补偿激光外差干涉纳米测量中的非线性误差,提出了一种减小非线性误差的一次谐波方法。基于全反射理论分析了镀膜实体角锥棱镜反射光偏振特性,并由此推导出角锥棱镜反射光偏振特性及测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转对激光外差干涉非线性误差一次谐波的影响模型。理论分析表明,测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波,当测量角锥棱镜轴向旋转97°时,可使非线性误差一次谐波达到最小,约为原有非线性误差一次谐波分量的1/20倍。当激光器出射的两束线偏振光存在6°非正交误差时,镀膜实体测量角锥棱镜轴向旋转角度从0°增加到97°,非线性误差一次谐波由5.30 nm减小到0.30 nm。

根据国际ISO10110-7的表面缺陷标准及惯性约束聚变(ICF)工程标准,提出了一种新颖的光学元件表面缺陷的光学显微散射成像及数字化评价系统,多束光纤冷光源呈环状分布并以一定角度斜入射到数毫米视场的被检表面,形成适合数字图像二值化处理的暗背景上的亮疵病图像。对X,Y两方向进行子孔径图像扫描成像,利用模板匹配原理对获得的子孔径图像进行拼接得到全孔径表面疵病图像信息。基于数学形态学建立了可用于大口径表面检测扫描的图像处理的模式识别软件体系,并应用二元光学制作了标准对比板,以获得疵病正确的评价依据。最终利用该变倍光学显微镜散射成像系统得到能分辨微米量级表面疵病的图像,其单个子孔径物方视场约为3 mm,对X,Y两方向进行5×5子孔径图像扫描成像,并给出了与标准比对的定量数据结果。实验结果表明,本系统完全可以实现光学元件表面缺陷的数字化评价。

提出了一种测定YBCO(YBa2Cu3O7-x)高温超导薄膜湿法腐蚀启动时长的红外热像新方法。该方法的实质是利用YBCO腐蚀时必然有化学热吸收或释放,从而引起YBCO表面液膜温度变化这一特点,通过红外热像实时监测系统,采集液膜温度变化过程的红外热像,从而判断反应启动时长。理论分析和实验结果均表明,YBCO表面2 mm宽线性液膜是较为理想的监测对象,因其同时具备温度变化信息和空间分布信息,可以将线性液膜中心作为理想的观测特征点；由滑动腐蚀液滴形成残留线性液膜具有温度变化灵敏度高的特点,YBCO(衬底为LaAlO3)竖直放置,可以表面避免液膜重力对启动时长的影响,获得更为准确的监测数据。由线性液膜的横向剖面灰度变化得到在本实验条件下YBCO薄膜与体积比H3PO4:H2O＝1:300腐蚀液的反应启动时长介于0.3～0.4 s之间。

根据石英晶体双折射率的色散特性,对石英波片的偏光干涉谱进行了理论分析和数值模拟,提出了一种石英波片延迟量和厚度的偏光干涉标定法。即由偏光干涉谱,可以得出石英波片在200～2000 nm宽光谱范围内的延迟量；通过对长波段的偏光干涉谱极值波长的精确判断,可以准确地计算出该石英波片的厚度。利用Lambda 900 紫外可见近红外分光光度计对一片石英波片的偏光干涉谱进行了测量。在波长精度为0.1 nm的情况下,测量的厚度精度为0.1 μm。误差分析结果表明,通过提高光谱的最小分辨力及选择较长的光谱波段进行测量计算,可以有效地降低误差。

研究一种用磁性流体薄片对高压电流进行光学测量的电流传感器。设计原理基于磁性流体的光透射率随垂直磁场强度的变化而变化的关系。磁性流体受到垂直外磁场作用,原先无序的磁性颗粒将凝聚在一起形成条条磁链,从而引起磁性流体的光透射率的变化。采用磁性流体作为传感媒介设计的传感结构避免了基于法拉第效应的光磁式电流互感器对环境干扰敏感造成信噪比不高和传统的电磁式电流互感器的高压绝缘的缺陷。通过改变磁性流体的浓度和基液,或者改变传感头的结构,来达到实际需要的传感灵敏度和响应时间。

为了把激光加热静止圆柱壳的实验测量结果应用到旋转圆柱壳的激光参量估计中,研究了旋转圆柱壳的激光加热效率。用积分变换法得到了旋转圆柱壳的温度分布,分析了最大温升点相对激光峰值强度点的滞后现象。基于静止圆柱壳和薄壳假设,导出了旋转圆柱壳激光加热效率及估计辐照时间的表达式。对于旋转金属圆柱壳,最大温升点相对激光峰值强度点的滞后角和激光加热效率取决于无量纲参量DR(柱壳半径R与束斑半径r0之比)、DL(横向热扩散尺度4ατL与束斑半径r0之比)及DM(加热时间τL与柱壳旋转频率fR的乘积)。达到相同的最大温升时,旋转圆柱壳的激光辐照时间和静止圆柱壳的激光辐照时间之间存在与激光功率无关的非线性关系,而激光功率决定了所需的绝对激光辐照时间。

通过对飞秒激光在空气中产生的等离子体通道两端外加高压,来研究通道的寿命变化情况。实验得到,当在等离子体通道两端外加高压时(350 kV/m),等离子体通道寿命延长了近3倍。理论模拟和分析结果表明在外加电场条件下,碰撞电离得到增强,吸附作用相对减弱,解离复合系数随着电子平均能量的增加而下降的趋势更为剧烈,这进一步引起了等离子体通道寿命的延长。实验结果与理论分析共同表明了利用外加电场对空气中激光等离子体通道寿命进行延长的可行性。

采用高压脉冲电场极化,通过电光效应实时监控、倍频通光二维监控等手段的应用,制备出周期为9 μm、长为8 mm、宽为3 mm、厚为1 mm的周期极化KTiOPO4晶体(PPKTP)；倍频通光实验中,当波长1064 nm的基频光功率为1 W时,得到了功率为13.5 mW的532 nm连续倍频绿光输出,单通倍频转换效率为1.35％,归一化转换效率为1.69％/(W·cm),接近理论最大值。

由于硝酸钒锌二安替比林晶体[Zn(antipyrine)2(NO3)2:VO2+]中配体O2-的自旋轨道耦合参量ζ0p≈150 cm-1与中心过渡族3d1离子V4+的ζ0d≈248 cm-1相差不太大,故配体的自旋轨道耦合参量ζ0p对电子顺磁共振(EPR)谱和光吸收谱的贡献必须考虑。采用双自旋轨道耦合参量模型和相关的晶体场能级公式,计算了Zn(antipyrine)2(NO3)2:VO2+晶体的EPR谱和光吸收谱,所得理论结果与实验发现很好符合；确定了该晶体的局域对称结构沿C4轴的四角畸变约为0.45 nm；计算发现,较大的κ值说明VO2+中未配对的s电子对超精细结构常数有较大的贡献。并对上述这些结果的合理性进行了讨论。

竹红菌甲素(hypocrellin A,HA)具有丰富的激发态特性,有可能在新型光动力疗法(PDT)光敏剂、激光染料和新型光电器件方面有一定的应用前景。利用瞬态光栅技术研究了竹红菌甲素分别在不同极性和粘度溶剂中以及溶剂本身的瞬态光栅特性,把其瞬态光栅的超快过程归结为竹红菌甲素质子转移形成的过渡态TS*的衰减,得出过渡态TS*瞬态光栅的寿命为10.5 ps。竹红菌甲素分子的质子转移过渡态TS*瞬态光栅寿命不受溶剂极性和粘度的影响。

为了探讨用光镊技术进行细胞折射率的测量方法,用几何光线理论对可作为米氏粒子模型的生物细胞(半径a=10 μm,折射率n=1.35～1.70),在单光束梯度力光阱[激光波长λ=780 nm, 功率P=6 mW,焦斑半径w(0)=0.6 μm、0.8 μm和1.0 μm]中的轴向光阱刚度与细胞折射率关系进行了数值计算。结果表明,光阱刚度随折射率的变化关系与三次多项式曲线拟合得较好;用测量光阱刚度计算细胞的折射率时,需要用折射率已知的四种标准粒子对三次多项式曲线进行标定。

采用牛奶作为生物组织的模拟液,研究温度变化对生物组织光学特性的影响。应用双积分球技术对牛奶在光波波长为1100～1700 nm、温度25～40 ℃范围内的光学参量进行了测量,分析光学参量随温度的变化规律。结果表明, 温度对散射作用的影响比吸收作用更大,随温度的升高,约化散射系数具有明显减小的趋势。与25 ℃相比,40 ℃下的约化散射系数下降了约10%；而吸收率的变化趋势不明显且规律复杂。以上研究结果与公开发表的人体离体皮肤组织光学参量随温度变化的研究结果基本一致,从而为深入研究温度对生物组织光学测量的影响提供了理论和实践上的指导。

理论分析了周期性结构的LiNbO3晶体(PPLN)光波导在脉冲光抽运时的级联二阶非线性效应,并通过数值计算得到了抽运、倍频、信号及转换四个光脉冲的波形在波导中的演化。研究表明,使用脉冲光抽运时,由于抽运光脉冲与倍频光脉冲之间的群速度失配导致的走离,将使倍频光脉冲产生展宽；再通过差频转换使得转换光脉冲产生了波形畸变和峰值偏移。最后通过实验验证了转换光脉冲的波形畸变。

映射法是一种非常经典、有效而且非常成熟的一种求解非线性演化方程的方法,其最大的特点是可以有无穷多个不同形式的设解,使得最终求得的解丰富多彩。传统的方法是在行波约化的前提下,即在常微分方程下进行映射。将这种方法进行扩展,推广成变系数的非行波约化下的映射,取得了成功,并利用改进的里卡蒂(Riccati)方程映射法,得到了联立薛定谔方程(负KdV方程)新的精确解。根据所得到的解模拟出了联立薛定谔方程的不传播光孤子(时间光孤子和亮暗脉冲光孤子)和传播光孤子,以及光孤子的中和现象。

在兼顾图像恢复能力的基础上,将不同物距下点扩展函数相似性的评价函数费希尔信息量(Fisher Information,FI)应用到波前编码实际光学系统相位板的优化设计中。在焦距和孔径之比为3、有效焦距为100 mm的无穷远成像的双胶合系统的基础上,设计得到了双胶合－波前编码系统。通过解码前后的点扩展函数模拟和实验结果表明,该系统在5 m到无穷远的物距范围内很好地调制了系统的点扩展函数,使得它对物距不敏感。最后通过对位于5 m,10 m和15 m的三人分别进行传统双胶合成像和双胶合波前编码系统的成像实验对比,有力地证明了双胶合系统的清晰成像的物距范围从10 m到无穷远扩展到5 m到无穷远,这使得光学系统景深得到很大的延拓。

利用拉普拉斯变换,将多波导定向耦合器的耦合模方程组变换为三对角线性方程组,并采用追赶法求出了该方程组的通解；进一步,给定初始条件,进行拉普拉斯变换反演,即可严格地求出该耦合模方程组的解。采用该方法研究了5波导定向耦合器光从一个波导入射和等光强从5个波导入射时的耦合特性,求出了耦合模方程组解的解析表达式,给出了每个波导中光功率变化规律曲线。利用该方法,可很方便地求出任意有限数目波导组成的定向耦合器在任意入射条件下耦合模方程组的解,因此对于多波导定向耦合器结构的合理设计,具有非常重要的意义。

介绍了相位型全息聚合物分散液晶(PDLC)材料全息透镜,在电场作用下液晶微滴折射率逐渐与聚合物折射率匹配,实现透镜电控变焦。研究了微米尺寸和纳米尺寸液晶微滴聚合物分散液晶材料配方特性和微观结构。采用优化纳米尺寸材料配方制作5～6μm聚合物分散液晶盒,采用离轴式平面波和球面波干涉全息写入光路,成功制作电控变焦聚合物分散液晶全息透镜样品。该透镜样品焦距为20 mm,能够正一级衍射放大成像。实现“0”,“1”变焦的驱动电压阈值为60 V。并进一步提出了基于聚合物分散液晶电控变焦元件集成叠加技术实现电控变焦光学成像系统的技术思路。

熔锥型保偏耦合器的传输特性决定了其光学原理与功能的实现。为了从理论上分析各参量对保偏耦合器传输特性的影响,基于热结构电磁多物理场耦合理论,建立了熔锥型熊猫光纤耦合器双锥模型,应用有限元法,分析了各参量对熊猫光纤耦合器传输特性的影响。结果表明应力区与包层折射率差影响耦合区纵向电磁场的分布,折射率差越大,纵向电磁场分布的变形也越大；HEx11模和HEy11模的传播常量对偏振主轴角度差不敏感,偏振主轴角度差是通过耦合系数进而影响保偏光纤耦合器的消光比的；HEx11模的传播常量对熔锥的熔锥区横截面椭圆率比较敏感,横截面椭圆率变化6.67%时Δβx11变化0.14%,计算结果表明当熔锥区横截面椭圆率为0.56时可获得较高性能的耦合器。

从部分相干光的传输理论出发,研究了高斯谢尔模型光束通过光阑像散透镜聚焦的光谱异变和光谱开关。研究表明,在考虑像散的情况下,聚焦场轴上也会出现光谱异变和光谱开关。光谱异变和光谱开关不仅与空间相关性、截断参量、菲涅耳数和源光谱谱宽有关,透镜像散对光谱异变和光谱开关也会产生影响。通过数值计算结果,重点对透镜像散对光谱移动和光谱开关的影响进行了分析。与无像散情况相比,像散会使出现光谱开关的临界位置发生变化,当像散较大时出现光谱开关的临界位置明显向几何焦面移动,特别是当像散增加到一定数值时,光谱开关会消失。

考虑双模纠缠相干光场,将其中一束光场注入腔中与一个二能级原子发生共振相互作用,总系统在腔量子电动力学演化过程中,对原子作选择性的测量,通过操纵参加相互作用的时间以及选择适当的光场参量可控制未参加相互作用光场的量子统计性质,在一定条件下可产生反聚束、压缩态等非经典光场,并且通过适当的控制和调整这些参量可以改变未参加相互作用光场的反聚束和压缩特性的强弱。这样,通过利用腔与原子之间简单的共振相互作用和相干光场之间的纠缠关联,实现了远程的、无直接量子测量的控制或改变相干光场的非经典性质这一目的。

采用电子束蒸发方式制备了两种不同材料组合的分光膜,分别对其在波长1064 nm激光辐照下的损伤阈值进行了测试,用Alpha-Step 500台阶仪对破斑进行了深度测量。实验结果表明,破斑呈现出表面层的剥落和深坑破坏两种形态。表面层的剥落深度在一定范围内不随能量密度的变化而变化；深坑破坏深浅不一,是膜内缺陷融化、汽化及喷发的综合作用的结果,是损伤阈值降低的主要原因。

为了实现扫描仪精确的色度特征化,详细研究了多种不同项数、不同变换类型多项式回归模型,多项式的项数分别为3,5,9,11,18和20,变换类型包括扫描仪RGB空间到CIEXYZ或CIELAB空间的多种变换。以ANSI IT8.7/2标准色卡为色靶,对同一台扫描仪进行了色度特征化。实验结果表明,多项式项数小于11时,不同类型模型间的精度差异大,且线性化RGB能提高模型精度；项数大于11时,模型间精度差异缩小,而线性化RGB反而会降低模型精度。实验中,多项式项数为20时的RGB到CIEXYZ变换模型特征化精度最好,平均色差和最大色差分别为0.832和2.988 CIELAB色差单位。

为了研究人眼在辨色阈值水平上的颜色视觉特性,在阴极射线管(CRT)显示器上显示颜色刺激,采用交叉阶梯法进行心理物理实验,在CIE1976 a*-b*平面上分别测得3名色觉正常的观察者在5个CIE基本颜色中心区域的辨色阈值。采用性能因子PF/3讨论观察者的测试精度,并以色度椭圆表示辨色阈值实验结果。通过对实验数据的详细处理和分析表明,在等明度的a*-b*平面上各色区及各颜色方向上人眼的辨色特性是各向异性的,即CIE1976 a*-b*平面为非视觉均匀；人眼在5个CIE基本颜色中心区域上红绿方向的视觉色差尺度均小于黄蓝方向。本文的实验结果可为均匀颜色空间及其色差公式的改进和发展提供原始数据和参考依据。

在AML-2车载测污激光雷达中,对装有不同气体的拉曼管进行拉曼激发获得相应的强、弱吸收关波长。针对差分雷达激光发射光路转换的特点及提高雷达监测的实时性能要求,基于激光偏振调制原理提出了激光雷达光路分束设计的新方法,对该方法可行性进行了理论分析,并对改进光路的能量损失进行了估算,模拟结果显示改进后的系统延长了仪器的使用寿命,提高了测量的实时性。为提高差分激光雷达实时监测性能提供了一种新方法。

以激光信号在传输介质中的布里渊散射频移量模型为基础,依据相关大气数据建立基于布里渊散射信号检测的大气探测模型。该模型中布里渊频移量只与大气高度相关,详细描述了低空大气范围内布里渊频移量的连续分布状态。结果表明在0～86 km的海拔高度范围内,大气的布里渊散射频移量分布在1.0～1.3 GHz之间。与有关数据相比,该模型与实际情况非常符合,同时具有很好的连续性和普适性。

从G倾斜功率谱和倾斜跟踪残余误差两个方面分析了大气湍流外尺度对倾斜跟踪系统跟踪精度的影响。详细推导了G倾斜功率谱以及倾斜跟踪残差与大气湍流外尺度的函数关系式。数值计算结果表明大气湍流外尺度对G倾斜功率谱以及倾斜跟踪残余误差的低频段影响较大,而对高频段的影响可以忽略不计。

推导并验证了非啁啾取样光纤布拉格光栅(SFBG)反射谱中反射峰值波长的表达式。基于种子光栅中心波长对应的折射率调制深度和取样光纤布拉格光栅折射率调制函数的傅里叶级数展开式,提炼出取样光纤布拉格光栅的折射率调制深度和各阶光栅周期,从而导出其反射峰值波长的表达式。由于考虑了占空比、取样周期等取样光纤布拉格光栅的结构参量,因而表达式能够描述反射峰的分布。仿真实验中,不同占空比或取样周期下计算出的反射峰值波长、信道间隔符合数值反射谱。该表达式既适用于均匀取样光纤布拉格光栅,也适用于交流切趾和交直流切趾取样光纤布拉格光栅。

采用折射率调制特性为上凸型和下凹型的调制曲线,提出了线性化求解非线性记录全息图耦合波方程的方法。以反射相位型全息光栅为例,用耦合波理论分析计算了记录介质折射率调制为上凸型和下凹型调制曲线的体全息图的衍射光谱特性。计算结果表明, 折射率调制类型对光栅衍射光谱的带宽有较大影响,对次峰峰值也有影响,而对主峰峰值和峰值位置影响不大。这些结果可以解释实验测得的全息光栅衍射光谱带宽较宽和光栅衍射光谱的多样性。

用变分法对离子交换法制备的掺铒光波导的传播特性进行了分析,推导出了适用于掩埋型离子交换玻璃沟道光波导中场分布传播常量的变分表达式,构建了场分布的厄米高斯型试探解,在两种不同实验条件下,采用变分法确定了试探解中的待定参量,获得光波导中的场分布,利用传播常量的变分公式和已确定的场分布计算得到了传播常量和有效折射率。计算数据表明:导波区域的有效折射率稍稍地大于限制层的折射率,说明离子交换法制备的波导器件是弱波导；高的辅助退火电场强度和适当的退火时间下,所制备的光波导可以支持更多光模式的传输。该方法计算过程简洁、快速,计算结果与实验结果吻合。

利用半导体光放大器(SOA)的增益饱和特性、自相位调制(SPM)效应和啁啾光纤光栅(CFBG)的滤波和啁啾特性共同作用实现了10 Gbit/s非归零码(NRZ)信号的时钟分量增强。经过该结构的非归零光谱的时钟分量增强后,其时钟数据抑制比提高了12.9 dB。时钟分量增强后的信号经基于受激布里渊效应(SBS)的时钟提取结构后实现了对非归零信号的全光时钟提取。这种新型非归零全光时钟提取结构具有对数据速率及数据格式透明,低抖动,不受码型效应的影响等优点。

提出了一种新型的光纤光栅压力增敏封装技术——边孔封装技术,它通过改变封装体的几何结构实现了高倍数的压力增敏效果,较大程度减小了压力增敏倍数对聚合物材料参量的依赖性。采用有限元理论建立了边孔封装结构的压力传感模型,分析了封装体几何结构变化对封装后压力灵敏度的影响。采用聚合物材料进行了封装制作实验,测量结果表明封装后光纤光栅的压力灵敏度为5251 pm/MPa,是封装前压力灵敏度的1750倍,并将交叉敏感问题改善了近三个数量级,可满足高精度水下压力测量的应用要求。

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。