液晶空间光调制器(Liquid crystal spatial light modulator, LC-SLM)作为新型波前校正器具有驱动单元数目多、驱动电压低、控制灵活、价格低廉等优点。通过对LC-SLM时间-空间特性的研究, 讨论其在天文观测自适应光学系统中应用的可能性和局限性。利用LC-SLM和哈特曼波前传感器构成自适应光学系统, 对低频为主的静态波前像差实现闭环校正。闭环校正后的RMS 值和PV 值由闭环前的0.628λ、2.872λ 减小为0.031λ 、0.337λ, Strehl 比从0.04提高到近似衍射极限的0.81。利用衍射原理, 对LC-SLM的衍射效率进行了数值计算和实验测量。研究表明, LC-SLM能对大气湍流引入的光波畸变实现高精度校正; 然而响应速度慢、光能利用率低限制了它目前在实际自适应系统中的使用, 不能满足实时校正的要求、以及对微弱目标的应用。

用微脉冲激光雷达(MPL)研究了机动车限行措施对城市大气污染影响。2007年8月北京市车辆限行期间, 对近地面层气溶胶的光学特性进行连续立体监测, 在对激光雷达系统及其数据处理方法讨论的基础上, 反演了近地面层气溶胶消光系数、大气边界层高度以及颗粒物质量浓度的时空变化, 通过和未限车期间近似气象条件下观测数据的分析比较, 发现限车期间颗粒物质量浓度呈现下降趋势, 监测区域上空大气污染层厚度减小, 证明车辆限行减排是一项减轻城市大气污染的有效措施, 为我国城市空气污染治理提供了科学依据和参考。

差分光学吸收光谱法（DOAS）已经成为测量大气痕量气体含量的常用方法,该方法灵敏度高,可同时监测多种大气痕量气体。提出了应用差分吸收光谱方法监测大气痕量气体垂直分布,结合放置数套角反射器的近地层高塔,研制出扫描长光程差分吸收光谱（扫描LP-DOAS）系统。应用此系统于2007年夏季对北京城市重要大气污染物NO2的垂直分布进行了外场监测,准确获得了NO2沿各光路的积分浓度,确定了系统在各光路的检测限和系统总的测量误差。基于垂直廓线模型,成功反演了NO2的垂直廓线和垂直梯度。研究结果表明扫描LP-DOAS技术监测城市大气近地层痕量气体垂直分布的可行性。

分析了利用Shack-Hartmann波前传感器子孔径对之间光强信号的时间延迟交叉相关函数, 进行光传播路径上横向平均风速测量的基本原理, 给出了横向平均风速的计算公式, 并进行了水平1 km湍流大气实验测量。实验结果如下: 不同子孔径对同时测量的横向风速相关系数达0.988; 将多对子孔径对测量的结果取平均, 与接收端附近布置的风速计测量的横向风进行了对比, 发现两系统的测量结果在随时间的变化趋势上具有较好的一致性, 两次实验拟合的相关系数分别为0.848和0.820, 标准偏差分别为0.372和0.376。以上结果表明, 将Shack-Hartmann波前传感器用于横向平均风速的测量是可行的, 拓展了该传感器的使用功能。

利用光纤光栅的反射特性和光纤耦合器的耦合特性,研究基于光纤光栅辅助耦合波分复用(WDM)下话路器。满足国际电信联盟(ITU-T)建议波长的WDM光信号从耦合器输入端口进入,其中与光栅中心反射波长一致的激光信号从耦合器的下话路端口输出,而其他波长的激光信号从耦合器输出端口输出,实现特定波长信号的下话路。选择中心波长分别为1554.248 nm,1555.859 nm,消光比为57 dB的两路光信号进行试验,光纤光栅的中心反射波长为1555.86 nm,实验结果表明,上述两路光信号分别从不对称光纤耦合器的输出端口和下话路端口输出,且在下话路端口输出光信号的消光比为48 dB。

频谱分割是使用窄带光滤波器选择宽带光源光谱的一个切片的WDM技术,在波分复用无源光网络(WDM-PON)中采用波分复用器((MUX)进行频谱分割,能够实现光网络单元(ONU)的无色化。模型分析表明由于频谱分割的作用,使得波分复用器光通带外的频谱成分被过滤,减小了宽带光源的色散影响。在20 nm CWDM标准信道间隔下,能够以不超过1 dB的光功率代价支持155 Mb/s信号在20 km的G.652常规光纤上传输;在0.8 nm DWDM信道间隔下则能够支持2.5 Gb/s信号传输,色散引起的光功率代价低于0.5 dB。采用中心波长为1550 nm、谱宽70 nm、输出功率为-10 dBm的LED,研制了125 Mb/s速率信号直接调制的无色ONU。在信道间隔为20 nm、光纤长度为20 km的4波长WDM-PON系统上进行测试,色散等因素引起的光功率代价小于1 dB,系统光功率余量则超过5.6 dB。

提出了光域隐藏通信的概念以及评价其性能的指标：隐藏性、可用性和稳健性,给出了基于现有光纤通信体制的三种光域隐藏通信方案及其对系统配置的要求。使用光纤通信系统仿真软件对所提出的方案进行了仿真研究,针对现有的光纤宿主信道的特点,提出了采用码移键控(CSK)平衡调制方式和基于等效相移超结构光纤光栅(EPS-SSFBG)双边带编/解码器的系统配置方案以提高系统的性能。结果表明,该方法各项性能指标良好。在信噪比为-13 dB,信号完全隐藏在信道噪声中的情况下,仍然能够以1.25 Gb/s的速率保持通信,能够抑制隐藏系统与宿主系统间的相互影响,是一种具有较高应用价值的光域隐藏通信方法。

利用保护间隔消除由色散引起的符号间干扰(ISI)对于光正交频分复用(OOFMD)系统是必不可少的。延时在不同的传输距离和传输环境下是不同的,采用固定保护长度的方式会硬响系统的功率和频谱利用率。提出了一种先进的自适应循环前缀（ACP）方法。对于多模光纤信道,循环前缀可以根据差分模延时（DMD）与传输距离确定其取值下限来消除ISI的影响。仿真实验验证,采取合适的保护间隔,在多模光纤传输10 Gb/s达1 km时,可达到与采用定长循环前缀时相同的传输性能。

给出了基于宽谱光源问讯的具有波长标定功能的多模光纤温度传感器理论分析,指出光谱中凹陷所对应的特征波长位置是由多模光纤中激励起的多个传输模式再次耦合到引出单模光纤中进行干涉决定;特征波长由多模光纤的芯径、长度、纤芯和包层折射率决定。利用提出理论对光源光谱ASE的光谱范围中出现的特征波长的个数进行了分析模拟,并优化设计了只出现一个特征波长的多模光纤温度传感器,制作了三个长度分别约为4 cm,5.5 cm和10 cm的只有一个特征波长的多模光纤温度传感头,利用毛细玻璃管进行了封装, 并利用分辨率为0.01 nm的光谱分析仪进行了温度测量实验,发现温度与特征波长漂移的线性关系约为13 pm/℃。

无衍射光是在自由空间传播过程中一定范围内横向强度分布保持不变的光场,具有方向性好以及传输距离远等特点,某些类型的无衍射光具有轨道角动量。分析了具有轨道角动量光束以及无衍射光在空间中的传输特点,以计算全息图作为反射式相位调制的空间光调制器（SLM）实现光学变换,并通过由锥形透镜构成的模式转换器,将携带信息的拉盖尔-高斯（L-G）光束转换成为具有相同拓扑荷的高阶Bessel无衍射光束,提出了一种通过具有轨道角动量的高阶Bessel无衍射光束来进行空间光信息传输的编码解码方法,在保证激光大气通信的安全保密性的同时,提高了信息传输的密度和准确率。

光纤布拉格光栅（FBG）传感器是智能金属结构首选的信息传输与传感的载体,埋入金属材料内部的FBG传感器必须要经过适当保护,金属镀层是最有效的保护方法之一。FBG经过镀前预处理,通过化学镀方法可获得均匀的金属保护镀层。针对金属保护镀层,应用弹性力学基本原理分析了由于镀层与FBG传感器的热膨胀系数不同而产生的热应力,建立了镀层厚度对FBG温度传感性能影响的数学模型。镀镍FBG的升温和降温传感实验表明,升温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.22%,降温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.75%。与裸FBG相比,化学镀镍后的FBG温度灵敏度系数提高1倍多。结果表明该温度模型从理论上解释了镀层金属热应力对FBG起到的温度增敏作用。

针对红外图像对比度低、噪声大等特点,提出一种基于Contourlet变换的红外图像非线性增强算法。Contourlet变换是一种有效的方向多尺度变换分析方法,能在任意尺度上实现任意方向的分解。首先采用Contourlet变换对图像进行多尺度、多方向分解,得到低频子带系数和各带通方向子带系数。引入非完全贝塔函数对低频子带系数进行处理,提升图像整体对比度;采用非线性增益函数对各带通方向子带系数进行处理,通过估计噪声水平设定阈值,抑制绝对值小于阈值的系数,增强大于阈值的系数。最后经Contourlet逆变换得到增强图像。实际实验结果表明,该方法可以有效地增强低对比度红外图像,无论是在视觉效果上还是在图像对比度评估值定量指标上均明显优于直方图均衡化、小波变换增强等方法,且能保持更多的图像轮廓特征,克服了这些方法对噪声增强过度和图像细节增强不足等缺点。

针对超音速飞行器在大气中飞行时所产生的湍流脉动气动光学效应进行了理论分析与计算,并对气动模糊图像进行了复原。首先根据计算流场时使用的湍流模型及其控制方程,计算脉动流场气动光学效应所对应的点扩散函数。计算结果表明,气动光学点扩散函数的幅度响应函数具有低通特征,使目标图像成像模糊。在相同飞行高度下,马赫数越高,图像模糊越严重。通过把气动光学效应传递函数应用于风洞实验吹风前图像,并将得到的气动模糊图像与吹风后实测图像的对比,验证了理论点扩展函数的正确性。最后,提出了一种改进的Landweber迭代图像复原方法对气动光学效应进行了校正。该方法在每一步迭代时对松弛因子进行修正,具有较快收敛速度和更好的复原效果。

红外图像具有对比度低和信噪比低等特点,实用中必须进行增强处理。将小波分析与模糊逻辑相结合,提出了一种基于二代小波变换的红外图像非线性增强算法。该算法首先利用二代小波变换对图像进行分解,提取图像的多尺度细节特征,然后,根据目标和背景噪声信号的差异,通过模糊非线性增强算子分别对各个分解层的高频子带进行非线性增强来改变目标特征的强度,抑制背景信号,最后利用小波反变换重构图像,以实现图像的对比度增强和背景抑制。与几种常用的图像增强算法实验结果相比,此算法能有效地抑制图像中的背景噪声,增强目标内容信息,取得了较好的增强效果。

研究发现, 图像经过Contourlet变换之后, 其变换系数在尺度内和尺度间都表现出很强的相关特性。基于此, 首先根据Contourlet系数在同一尺度内的邻域相关特性, 构造得到一个自适应阈值, 然后在采用阈值法进行自适应阈值去噪的同时, 利用Contourlet系数在相邻尺度间的相关性对系数进行进一步的取舍, 从而提出一种新的基于Contourlet变换系数特性的自适应阈值图像去噪算法。该算法不仅可以有效去除噪声, 而且可以很好地保留图像边缘信息。实验结果表明, 在相同条件下该算法的主客观去噪效果均优于现有同类方法。

在数字散斑干涉测量中,照明光的不均匀或被测试物反射光的不均匀,会导致条纹图像不均匀,严重时甚至会引起条纹的丢失。在分析剪切型散斑干涉原理的基础上,基于散斑相位差的主值在(-π,π］均匀分布的假设,提出了减模式下光强不均匀的校正方法,即通过构建一个新的强度分布函数,分区域消除背景光强,从而消去光强调制项,使干涉条纹图的显示强度变得均匀。将该方法应用于受到强烈冲撞的航空复合材料的剪切散板干涉测量中,将原来隐藏在光强较弱区域的条纹清晰地显示了出来。表明本文的方法能有效地降低光强不均匀性对散斑干涉条纹图的影响。

应用光电混合联合变换相关器对目标进行探测和识别时,由于实际拍摄的图像背景非常复杂,对比度较低,亮度不足等原因,使得相关峰很弱甚至根本得不到相关峰,不能达到探测和识别的目的。为此提出在光电混合联合变换相关器的功率谱面应用小波变换处理技术,有效地抑制了联合变换功率谱中的噪声干扰,提高了有用信息衍射光的能量,从而增强了应用光电混合联合变换相关器对复杂背景目标进行探测和识别的能力。实验证明利用经过小波变换处理后的联合变换功率谱所获得相关峰的对比度,较处理前由联合变换功率谱所获得相关峰的对比度能够达到百分之百的增强效果。作为实例文中给出了湖中小船处理前后的光学实验结果,从实验结果中可以明显看出此种处理方法的有效性。

精确高效的相位解码在非接触光学测量中有着重要的作用, 在总结传统算法的基础上,提出一种新的相移光解码算法。该算法是以四步相移为基础,对初始的包裹相位图使用残差检测理论,检测、提取、标志出残差点,然后使用一种新的相位质量图指导剩余残差点的检测,为了使质量图中残差点的检测达到最优,对质量图进行低通滤波、锐化残差编码点,尽量使残差点能完全检测出来,并进行残差平衡处理,最终选取一个种子点使用洪水算法实现整张编码图的解码。实验结果显示该相移光解码算法能自动避开不连续区域,得到较高质量的编码结果。

焦深是表征成像系统性能的重要参数。基于透镜相干成像的焦深判据,利用数值积分和计算机模拟的方法,分析和推导了菲涅耳数字全息成像系统的焦深,给出了相应的焦深表达式,并与利用理想成像四分之一波像差的判据得到的焦深进行了比较。结果表明：菲涅耳数字全息成像系统的焦深不同于透镜相干成像系统的焦深。在记录距离和CCD参数一定的条件下,离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深略大于同轴菲涅耳数字全息的焦深;离轴对称偏置情况下的焦深略大于非对称情况下的焦深。利用像强度判据得到的焦深,能够较好地表征数字全息成像系统的性能。

针对红外焦平面阵列探测单元响应的非线性对非均匀性校正的影响,利用探测器响应的非线性模型,对卡尔曼滤波非均匀性校正算法进行扩展和改进,以有效地克服响应非线性对校正精度的影响。该算法先对图像进行非线性压缩,转换为线性图像,再利用线性模型下的卡尔曼滤波算法实施非均匀校正,然后对其进行取指数操作,即得到原图非均匀校正后的图像。实验结果表明,该算法不仅继承了原算法利用场景信息来最优地更新校正参数的估计,解决了探测器偏置和增益漂移对校正影响,而且还在一定程度上解决了响应非线性对校正性能的影响,从而获得了较好的非均匀性校正效果。

用光线追迹的方法对圆柱面和圆锥面弯晶谱仪进行了理论计算,得到了谱仪的空间与色散坐标、线色散率、角色散率、光谱分辨力、空间和光谱放大率以及谱仪亮度等参数的解析计算公式,并对两类谱仪进行了具体的参数设计及性能比较。结果表明,圆锥面弯晶谱仪比同类型的传统圆柱面弯晶谱仪有着更为良好的聚焦性能,能够进一步改善谱仪的光子收集效率、谱仪亮度以及空间分辨力。这项工作为谱仪研制提供了理论基础和设计依据。

对基于彩虹现象的光学颗粒测量进行研究,提出了一种新的参数反演模型和算法,可同时测量颗粒的粒径和折射率。新算法基于经验模态分解的去噪技术,并采用一种特征点提取技术和基于Debye理论的反演最优点搜索算法,能较精确的迅速找到反演最优点。数值模拟结果表明,当信噪比降至5 dB时,直径反演最大误差小于10％,折射率反演最大误差小于0.1％。对不同温度下自由下落的水滴进行实验研究,水滴由波长532 nm功率14 mW的连续激光源照射, 产生的彩虹光线经大口径透镜收集,被位于透镜焦平面的CCD相机接收。实验结果同样表明此测量方法具有较好的精度和可靠性。

温度和发射率是热红外遥感中的两个最重要的参数。提出了一种基于维恩近似修正和阿尔法获得法(ADE)的温度和发射率的反演方法。对维恩近似从基本原理上进行修正,利用ADE计算光谱大致形状以确定发射率最大最小的波段,推导出了在修正维恩近似后各个波段发射率的关系,再利用这个关系以及最大最小值差(MMD)模型计算实际的发射率。在MMD模型的选择上,比较了两种模型的精度,选择了精度较高的模型应用到算法中。从算法的计算精度以及与别的方法的比较中可见,算法的精度和稳定性都比较好,温度的反演误差在1 K以内,发射率反演误差在0.015以内。

为使数字图像相关方法适用于大变形测量,提出一种变形初值估计方法。通过在变形前图像中第一个计算点附近选择三个或更多特征点并在变形后图像中选择其对应点,利用坐标对应关系获得该点可靠的变形估计值作为Newton-Rapshon方法的迭代初值。该方法可对被测物体存在任意刚体转动或大变形情况下的表面变形进行准确测量,克服了通常的基于整像素位移相关搜索再进行亚像素位移测量的数字图像相关方法在被测物面存在稍大转角或大变形情况下即不能使用的缺点。对存在相对刚体转动图像的位移场和聚丙烯泡沫塑料压缩实验的大变形进行了测量,结果充分显示本文方法的有效性。

分析了计数法颗粒物质量测量的一般数学模型,结果表明颗粒群总质量能表示成各通道计数值的线性迭加。在此基础上以光散射球形颗粒群质量测量为例,以颗粒物的同质量子集Ni为出发点,依据统计理论推导出计数通道的散射光通量与颗粒群的平均体积之间存在分形关系φ=Lβ,由此得出计数通道平均质量j与计数通道特征参数φ的一般函数关系(φj )≡ρj=ρL-ηφηj ,η为光散射等效截面分形维数,且0<η<3。并将其推广到非球形颗粒的测量之中,由此建立起光散射计数法颗粒群质量测量的完整的数学模型,为实现计数器在线测量颗粒群的质量浓度提供了一种可行途径。

建立高精度的相位-高度映射关系是结构光测量技术中的关键技术之一。在精确建立相机图像和投影仪图像对应关系的基础上,使用三层反向传播神经网络训练来建立图像坐标与被测物体三维坐标之间的映射关系。使用带有圆形标志点的平面标定板进行神经网络的样本采集与训练。为了验证本文算法的测量精度,使用训练好的网络对一个标准球和石膏头像进行了测量。实验结果表明,本文算法可以测量具有复杂自由曲面的物体,测量精度可达0.095 mm。

提出了一种新型的基于相位测量轮廓术(PMP)的在线三维检测方法。只需要使投射的条纹相移方向与物体移动方向垂直,尽管由于物体运动使CCD采集变形条纹中物体坐标不一致,但通过像素匹配,可以使各帧图像物点坐标一一对应,得到与传统静态PMP等效的相移条纹图,即可重构出物体,实现在线三维测量。对一实平面进行了在线与静态PMP测试对比实验。结果显示该在线PMP方法与传统静态PMP方法的均方差之差仅为0.007 mm,表明该在线PMP方法具有高精度性;对一实物进行了在线测试实验,很好地重构出了被测物体的三维轮廓,从而验证了该方法的可行性和有效性。

以粒子光学方法为基础,利用适当步长的四阶Runge-Kutta算法模拟研究了准直铬原子束经过波长为425.55 nm,功率分别为3.93 mW和40 mW的一维高斯激光驻波场汇聚作用后所沉积的一维条纹情况。在以上两种激光功率下,沉积条纹沿ox方向的结构质量的周期性相同,而沿着oy方向的结构质量却存在很大的差异：在3.93 mW时,每一根沉积条纹在oy方向上都非常清晰,并且半高宽在[-0.5,0.5](以激光束腰半径为单位)的区域内具有较好的一致性,对比度在[-0.2,0.2]区域内有较好一致性;在40 mW时,每一根沉积条纹呈现出较为复杂的结构,在激光束的中轴区域附近[-1.08, 1.08]内,原本在3.93 mW时的一根条纹分裂成三根。另外,3.93 mW时y=0的平面内条纹情况和40 mW时y=±1.08平面内情况对应性很好,即平均间距为212.78 nm,半高宽为21.65 nm,对比度为24.78。分析结果表明,较好地沉积条纹与适当激光功率有关。

在采用磁光阱实现单个铯原子俘获的实验中, 运用无调制偏振光谱方法将光栅外腔半导体激光器(提供冷却/俘获光)的频率锁定在铯原子6S1/2 F=4→6P3/2 F′=5的超精细跃迁线上。采用偏振光谱技术得到的类色散曲线作为鉴频信号, 并同时对光栅外腔半导体激光器的电流调制端口和光栅外腔的压电陶瓷电压调制端口进行反馈, 以拓展反馈环路的带宽, 实现激光器的频率锁定。与通常的饱和吸收光谱稳频技术相比, 激光频率锁定之后的频率稳定度得到了明显改善。在取样时间τ=300 s时, 阿仑方差σy(τ)=4.6×10-12。

对利用随机并行梯度下降(SPGD)算法对多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,并进行了两路瓦级光纤放大器相干合成的实验。实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.57倍;并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从27.7%提升到了70.3%。取得了较为明显的相干合成效果。对算法用于多路高功率光纤放大器相干合成的可行性进行了探讨。

窄线宽激光器随机发生的跳模现象,是影响光学系统稳定的重要因素。激光器线宽窄往往意味着较长的谐振腔和较小的模间隔,从而给跳模的监测带来了难度。本文提出一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽光源跳模测试方法,该方法将激光器跳模的频率变化转变为干涉仪的相位变化,并通过相位产生载波（PGC）调制解调技术来检测相位信息,从而实现对跳模过程的监测。该方法灵敏度高,能够长时间连续监控,测试效果优于Fabry-Pérot干涉仪,还可在kHz量级上测量窄线宽激光器的线宽,为单纵模窄线宽激光器研究提供有效的测试手段。

当外磁场强度比较小时,液晶不会发生Freedericksz转变。利用介电张量分析了扭曲型向列液晶在弱磁场中的旋光效应。通过理论分析表明,线性偏振光经过磁场中的扭曲型向列液晶,会产生左右两束椭圆偏振光。这两束椭圆偏振光在该液晶中的传播速度不同,导致光经过液晶盒后光电场振动面发生偏转。进一步分析表明,对于同一种波长的光,磁场强度越大,其电场振动面旋转角度越大。在相同的磁场强度下,光波长越短,其电场振动面旋转角度越大。如果加上高的偏置电压,使向列型液晶分子长轴方向与外磁场方向平行,线性偏振光经过磁场中的该扭曲型向列液晶,其振动面会也发生偏转。

基于第一性原理的赝势平面波方法计算了完整YTaO4和LuTaO4晶体的电子结构、介电函数、折射率、吸收光谱。计算结果表明,二者价带的贡献都主要来源于O2p态。导带分为两部分,下导带都主要由Ta5d态组成,YTaO4上导带主要由Y4d态组成。而LuTaO4上导带的贡献主要来源于Lu5d态。在ω=0时,YTaO4和LuTaO4晶体的介电常数和折射率都非常接近;介电函数虚部的低能特征峰(小于10.0 eV)归因于TaO3-4基团的电子跃迁,对应电子从O2p价带到Ta5d导带的跃迁;10.0～15.0 eV之间的特征峰对应于电子从价带到上导带的跃迁;大于15.0 eV的特征峰则归因于O2s态的内层电子到导带的跃迁。两种晶体在紫外区的吸收带宽而强,此吸收带归属于从氧(2p)到钽d0离子的电荷转移跃迁。

通过研究激光与牙齿组织相互作用机理及组织再发射光谱与组织光学特性之间的关系,提出了一种将后向散射光,反射光以及自体感生荧光三者相结合的新型荧光光谱龋齿诊断方法。激光与龋齿相互作用过程中,不仅产生反射光,还会产生自体荧光和后向散射光,而这些后向散射光和自体荧光含有有关龋齿组分、结构、空间构象等的大量信息。为了获得三种信息和龋损状态的关系,实验建立了离体龋齿的组织光谱诊断装置,该装置以频率与细菌特征频率相近的He-Ne激光为激励源,激光器的功率为(2.0±0.1) mW,在不采用滤光片的情况下获得了104个离体样本的荧光光谱,以瑞利散射为特征光谱的标准化参数,定义了表征组织形态变化的反斯托克斯散射归一化系数C1和表征牙组织病理变化的斯托克斯荧光归一化系数C2,结合两者对离体龋齿的龋损状态进行表征。实验结果表明,该方法克服了现有的激光龋齿诊断方法的不足,能够准确表征离体龋齿的龋损状态,并且对早期的白点龋,填充的牙齿和牙结石的诊断更敏感。

建立了同时测定利福平片、异烟肼片、吡嗪酰胺片、异福片和异福酰胺片5种抗结核药物中的利福平（RMP）、异烟肼（INH）和吡嗪酰胺（PZA）含量的新方法,应用径向基神经网络（RBFNN）建立5种抗结核片剂药物样品的近红外光谱（NIRS）与其中RMP、INH和PZA含量间相关模型。模型以交互验证均方根误差（RMSECV）为评价标准,选择最有效光谱区域、对网络结构参数和扩展常数进行优化,得到最优定量分析模型。最优模型的RMSECV分别为0.0127、0.0104、0.0078,应用最优模型对预测集样品中RMP、INH和PZA含量进行预测,预测均方根误差（RMSEP）分别为0.0125、0.0109、0.0103。内部交互验证和外部验证均表明,该方法具有较高的准确度,能够满足5 种抗结核药物生产中RMP、INH和PZA的同时检测精度要求。

尘埃颗粒上不断有电子流和离子流的出入以及二次电离、光电离等因素,所以尘埃颗粒上的带电量不是一个常量而是随着时间和空间变化的,因此尘埃电荷成为尘埃等离子体中的一个新的动力学变量,研究其对等离子体中各类非线性过程的作用成为尘埃等离子体物理中的一个重要课题。当今对于非均匀尘埃等离子中非线性波的研究大多数都集中于一维,对于三维非线性波的研究非常少。基于这种情况,在考虑非均匀性、尘埃颗粒绝热电荷扰动以及外部磁场等物理因素的情况下,运用约化摄动方法得出描述三维孤波的变系数的Korteweg-de Vries(KdV)方程。由结果可以看出,非均匀性、电荷扰动、外部磁场、斜向传播、尘埃温度对三维非线性波的传播有着极大的影响。利用适当的变换,得到了变系数方程的近似解。

基于非线性耦合波理论,对比分析了超短脉冲三倍频过程中不同的特殊群速度组合模式下的谐波转换特性（转换效率和带宽等）。利用分步傅里叶变换和四阶Runge-Kutta积分算法,对脉宽150 fs左右的超短脉冲在KDP晶体中的I类混频过程进行数值模拟,结果表明：三波包“不等速匹配”模式下的综合谐波转换性能（转换效率达到50%和转换带宽达到2 nm）整体要优于其他特殊群速度匹配模式;“三波包不等速”模式更有利于三波包间能量之间的耦合及转换。这一结论为进一步提高超短脉冲三倍频的转换效率及带宽具有理论指导意义。

提出了一种在原子力显微镜(AFM)基础上设计的探针诱导表面等离子体共振纳米光刻(PSPRN)系统。此系统不但实现了探针的精确控制,而且由于系统本身具有AFM的全部功能,因此可以实时检测样品表面的形貌以及光刻效果。系统采用改进的Kretschmann型共振耦合器件,在棱镜和样品基板之间注入匹配折射率油,使样品更方便更换;利用声光调制器与AFM配合实现了等离子体激发光照射时间的精确控制。通过初步实验,在银(Ag)膜表面获得了直径100 nm左右的光刻点,验证了PSPRN的可行性。研究了光照时间、激光功率、激光入射角、材料厚度等因素对光刻点大小、深度的影响,为实现更小的光刻点提供了参考。

针对长波用320×240元非制冷焦平面阵列探测器,设计了8～12 μm波段折射/衍射混合红外连续变焦光学系统,其相对孔径大,F数为1.3,系统变焦倍率为8。变焦系统采用锗和硫化锌两种材料,通过引入二元面和非球面校正系统色差和轴外像差,在空间频率18 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数(MTF)均在0.5以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5 μm的探测器敏感元内,能量透过率大于78%,表明该变焦系统具有良好的成像质量。

建立了空间太阳电池的热电联供系统在槽式聚光条件下的热电性能模型, 并与实验进行了对比。理论计算与实验结果吻合较好, 最大误差在5.1%以内, 证明了该数学模型的正确性。通过此数学模型, 从聚光镜面的光学效率与焦线宽度、导热胶的导热系数、金属平板光照面的吸收率等内部特性参数及风速、太阳直辐射等外部特性参数出发, 对所设计制造的空间太阳电池槽式聚光热电联供系统进行分析。较为全面而系统地分析了这些参数的改变对其系统的热电效率、总效率及火用效率等性能指标的影响, 其中聚光镜面的光学效率影响最大, 光学效率从0.5增加至0.95, 系统的总效率和火用效率分别增加0.9倍和0.5倍, 其余参数对性能也有较强影响。研究结果为新一轮系统装置的制作提供了优化设计基础。

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统。该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像。在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60 μm×60 μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K。优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差。

研究了光致电离在高增益本征砷化镓(GaAs)光导开关(PCSS)中的效应。在高增益本征砷化镓光导开关中,各级流注发展由三个过程组成：光致电离、畴电子崩(DEA)和载流子碰撞电离雪崩生长。光致电离在本征砷化镓绝缘区中产生局部高载流子密度区域,提供了允许畴存在的局域环境。光致电离包括激光触发和流注的复合辐射两种情形。分析了光导开关的最优触发激光条件。通过计算机数值模拟,计算了在距离流注表面y≤30 μm的范围内,平均光生载流子密度n(t=0)乘以该局域的特征尺度满足偶极畴成核条件：n(t=0)·y>1012 cm-2;探讨了流注的复合辐射在流注周围产生非平衡载流子的规律;发现了触发区域沿电场方向的长度阈值LEC,触发区域的特征长度LE必须满足条件：LE≥LEC。

针对二极式场致发射显示器(field emission display, FED)驱动电压过高的问题, 设计制作了前栅极式三极结构纳米ZnO场致发射显示器, 并进行了场致发射实验, 验证这种结构的可行性。前栅极结构采用喷砂工艺结合光刻技术, 制作出微细的栅孔结构, 实现了较低电压的控制。同时对影响场致发射性能的栅极电压、栅孔开口尺寸和介质层厚度进行了分析讨论。实验结果表明：采用三极结构四针状纳米ZnO场致发射显示器具有良好的发射性能, 是一种有前途的场致发射显示器。

硅材料是半导体微细加工工艺中的常用材料,属于m3m对称点群,通常无法实现二次谐波产生,导致光子系统芯片中的非线性组件集成困难。提出一种在硅材料中可以实现二次谐波产生光子晶体波导结构。首先给出该波导结构的组成及其基本原理,然后讨论谐波产生的计算模型和计算方法,最后给出针对10.6 μm波长而设计的全硅二维光子晶体波导具体结构参数,以有限时域差分算法为基础,计算分析了谐波产生情况。研究结果表明：该结构利用光子晶体带隙边缘效应增强了硅材料的电四极极化强度从而实现二次谐波产生,在完全相位匹配条件下,当抽运波强度为1.3 MW/mm2时,转换效率为0.2％。最后,对影响谐波转换效率的因素进行了初步分析。

提出了一种利用传统电弧熔接机实现光子晶体光纤(PCF)与单模光纤(SMF)低损耗熔接的新方案。方案结合实验测量与理论计算,首先通过改变熔接时间、熔接电流等参量,考察了不同熔接功率对PCF端面气孔结构的影响。由此计算了PCF端面模场分布的相应变化,并根据两光纤端面模场的重叠积分计算了相应的熔接损耗,从而确定出对应低熔接损耗的熔接功率区间。综合考虑熔接强度等要求,反向选取了合理的熔接参量范围,实现了PCF-SMF之间低损耗、高强度的熔接。提出的熔接方案使熔接过程中PCF包层气孔的收缩变化、该变化对两光纤接合匹配度的影响等问题清晰化,克服了以往PCF-SMF熔接中难以设定合理熔接参量的问题,有效地提高了熔接效率和熔接质量。

光学涡旋具有独特的相位奇点和螺旋相位结构, 多个涡旋光场之间的干涉呈现出新颖的强度和相位分布特征。通过在平面波背景中嵌入涡旋相位产生平面涡旋光场, 采用数值模拟方法研究了多个平面涡旋光场之间的干涉, 并分析了两个平面涡旋光场的中心间距及拓扑荷值对涡旋产生和湮灭的影响。进一步数值研究了对称分布的多个点涡旋光之间的干涉, 结果表明通过改变涡旋光束数目或者拓扑荷值, 可获得不同分布的对称涡旋阵列光场。利用计算全息并通过空间光调制器, 实验上实现了具有不同拓扑荷值的多个对称点涡旋光场的干涉, 其干涉图样与模拟结果吻合。实验结果不仅证实了数值模拟结果, 也为实验研究复杂涡旋光场的干涉提供了一种有效方法。

陷俘在一维光晶格势中的玻色凝聚气体,将形成许多小的子凝聚原子云。将这些子凝聚原子云视作相干的物质波波源,求出其宏观波函数,然后对物质波干涉图样的演化特性,如粒子数密度、粒子流密度、干涉峰的运动速度以及宏观波函数的相位性质等进行研究,并讨论了当相邻子凝聚原子云间存在相对相位差时,对物质波干涉图样的影响。研究表明,物质波干涉峰是一个以一定速度运动的波包,其波长由德布如意关系式确定,波包的相位特点类似于平面波。

利用不同的微场分布函数研究了其对Stark加宽光谱线型的影响。根据Stark加宽理论,考虑到等离子体中的离子碰撞,Stark加宽本质上是一种非对称的光谱线型,其中微场分布函数对光谱线型起着非常关键的作用。研究结果表明,总体上Holtsmark分布和Nearest-Neighbor场分布下的Stark光谱线型差别不太大,但是Mayer模型对Stark加宽光谱线型影响较大。并且随着离子加宽参数的减小,三种不同的微场分布函数对Stark光谱线型的影响逐渐减小;随着电子加宽参数的减小,不同的微场分布函数对Stark光谱线型的影响也逐渐减小;同时发现,当离子加宽参数减小到一定程度时,不同微场分布函数对整个光谱线型的影响基本相似,这也正说明离子间碰撞剧烈时对光谱线型的影响很大。

采用光学方法针对四种茶叶及其四种主要组份在800～3800 cm-1中红外“指纹”特征区域的光谱进行系统研究,采集了不同产地的碧螺春和铁观音以及决定茶叶品质的主要成份中咖啡因、谷氨酸和表儿茶素和花青素类物质的中红外光谱。通过建立模型对各特征光谱进行主成份拟合分析了茶叶品种、产地差异与各主要成份含量的关系。结果表明,不同茶叶之间的差异可表现在其主成份相对含量上:对于不同种类茶叶的碧螺春和铁观音,差异主要表现在茶叶有效成份的含量不同,前者中的各组份含量相对较低;对于不同产地的同种茶叶,差异主要表现在咖啡因和表儿茶素的相对含量不同,其中原产地茶叶中含量相对较高。此研究为利用光学方法对茶叶的种类和品质实现快速检测提供重要参考。

提出一种利用可见-近红外反射光谱技术快速无损鉴别葡萄品种的新方法。采用主成分分析法对三个葡萄品种的光谱进行聚类分析。结果表明, 黑提葡萄能够被区分。进一步采用人工神经网络技术对马奶子和木拉格两种葡萄进行品种鉴别。以前10个主成分作为神经网络的输入, 品种类型作为神经网络的输出, 建立三层BP神经网络模型。结果显示, 这两个品种的识别准确率达到98.28 %, 结果优于簇类独立软模式(SIMCA)。同时提出葡萄品种鉴别的四个敏感波段: 452、493、542和668 nm。基于敏感波段光谱的BP神经网络预测准确率为97.41%。说明采用可见-近红外光谱分析技术结合主成分分析和人工神经网络的方法能够快速无损鉴别葡萄的品种, 为葡萄品种的鉴别提供了一种新方法。

应用近红外光谱结合不同化学计量学方法对同仁乌鸡白凤丸原料、辅料、半成品、制剂进行定性和定量分析。建立原料药材的近红外标准光谱库, 利用质量控制(QC) 比较检索方法鉴别未知样品。采用主成分分析-马式距离法鉴别乌鸡。建立半成品标准光谱库, 用相似度匹配算法筛查阴性(缺味)半成品。采用偏最小二乘法对主要原辅料、半成品和制剂进行了定量分析。采用近红外混合过程分析仪结合移动块标准偏差法在线判断同仁乌鸡白凤丸半成品混合终点。所建立的定性分析模型能够对样品做出准确的分类;定量分析方法结果准确可靠。方法准确、可靠、快速、简便、环保, 可通过在线或旁线方式用于工业现场的原位检测。

提出一种基于双光纤光栅(FBG)差分光谱吸收技术的乙炔测量系统。以光纤光栅反射出的窄带光作为探测光, 基于红外吸收理论实现乙炔浓度的检测。通过引入参考光栅, 有效抑制了光路噪声、暗电流等干扰因素, 实现了大背景信号下微弱信号的测量;利用数字滤波技术, 消除了系统响应信号中的低频干扰, 提高了系统的稳定性和可靠性。实验结果证明系统具有良好的测试重复性和较高的测试灵敏度, 最低检测限约为25×10-6。本文的研究成果对进一步研究实现多组分混合气体的测试具有重要的意义。

成功引入芳胺基给体,使用溶胶-凝胶(sol-gel)技术制备出键连型杂化薄膜(F-TPA),并用原子力显微镜(AFM)研究了F-TPA极化前后的表面形貌。原位光学二次谐波测量表明,此类芳胺基给体型二阶非线性光学杂化薄膜具有良好的非线性光学性能(d33为14.1 pm/V)和较高的取向热稳定性(d33值在115 ℃仍然能保持稳定,半衰温度达到145℃左右)。结果接近实用要求,充分显示了其在器件实用化进程中的优势。ITO玻璃表面薄膜样品的极化效果远优于普通玻璃片表面的样品。在不使用平面栅网、单针极化的情况下,仍然能在ITO玻璃表面的薄膜获得均匀、饱和的d33分布。

以锆酸丙酯[Zr(OPr)4]、正硅酸乙酯(TEOS)为原料, 用溶胶-凝胶(sol-gel)提拉法涂膜, 制备高透过的λ/ 4～λ/ 4型ZrO2/SiO2双层减反膜。该减反膜的表面均匀, 均方根(RMS)粗糙度为1.038 nm, 平均粗糙度(RA)为0.812 nm。制备的双层减反膜具有很好的减反效果, 在石英玻璃基片二面涂膜, 在激光三倍频波长351 nm处透射比达到99.41％, 比未涂膜石英玻璃基片的透射比提高了6.14％;在基频波长1053 nm处透射比达到99.63％, 比未涂膜K9光学玻璃基片的透射比提高了7.67％。膜层具有较高的激光损伤阈值, 在激光波长为1053 nm, 脉冲宽度为1 ns时, 薄膜的激光损伤阈值达到16.8 J/cm2。膜层具有良好的耐擦除性能。

采用Nd∶YAG三倍频激光对光学薄膜进行了预处理。实验发现三倍频激光预处理对薄膜的抗激光损伤能力有明显的影响,影响规律比较复杂,归纳得出合适激光预处理能量密度与测试激光能量密度有关。理论上借助杂质诱导薄膜损伤的概率统计模型,从激光预处理引起的激光微区退火以及形成微尺寸损伤两个主要方面着手,很好地解释了复杂的实验现象。总体上看,预处理激光能量密度低于激光退火所需临界能量密度时,预处理效果以负作用为主;预处理激光能量密度高于激光退火所需临界能量密度,且低于激光诱导薄膜微损伤所需临界能量密度时,预处理效果以改善薄膜抗激光损伤能力为主,预处理激光能量密度要尽量选在这个范围内;预处理激光能量密度高于激光诱导薄膜微损伤所需临界能量密度时,预处理效果同样以负作用为主。

在尺度缩小的合成孔径激光成像雷达实验室装置上,实现了一个点目标的同时方位向和距离向的二维成像,实验结果符合预想的设计。