采用低相位噪声频率合成和锁相技术,为世界首台 85Rb喷泉钟研制了低相位噪声微波频率综合器,实现了低相位噪声的钟频信号输出。当该微波频率综合器的频率分辨率为0.7 μHz,输出频率为3.036 GHz时,在傅里叶频率1 Hz,100 Hz和10 kHz处的单边带相位噪声谱密度分别为-97 dBc·Hz -1,-127 dBc·Hz -1和-130 dBc·Hz -1,剩余相位噪声比本机振荡器绝对噪声低20 dB以上。研究了量子散弹噪声和Dick效应,发现在微波链路噪声为主要噪声的情况下, 85Rb喷泉钟的稳定度与目前 87Rb和 133Cs喷泉钟相当。微波系统对 85Rb喷泉钟稳定度的贡献为2.9×10 -13τ-1/2,其中频率综合器的剩余相位噪声贡献为1.2×10 -14τ-1/2(τ为积分时间)。利用该微波综合器,可以实现 85Rb喷泉钟的高稳定运行,并为其性能的提升打下基础。

研究了在Geiger模式下工作的单光子雪崩二极管的温度特性。结果表明,该雪崩二极管的雪崩电压随温度的降低呈线性减小,电压温度系数为0.42 V/K。当该雪崩二极管在13 V以上雪崩电压下工作时,暗计数率随着温度的降低呈指数下降趋势,温度每降低8.58 K,暗计数率减小一半,当温度从274 K降低到192 K时,该雪崩二极管的暗计数率从13900 Hz减小到了14 Hz。将工作温度为260 K,暗计数率为58 Hz的单光子雪崩二极管冷却到192 K,并且调整二极管两端的偏置电压,使其在波长为852 nm时的探测效率为50%,暗计数率降为0.064 Hz,后脉冲概率为6.7%,单光子探测器的性能得到显著提高。这种超低暗计数率单光子探测器在量子通讯、弱光探测等领域具有广阔的应用前景。

提出了一种极紫外光刻掩模多层膜相位型缺陷的形貌重建方法。采用表面与底部形貌参数表征相位型缺陷的三维形貌;采用原子力显微镜测量缺陷表面形貌参数;采用傅里叶叠层成像技术重建含缺陷的空白掩模空间像复振幅;采用卷积神经网络与多层感知器两种深度学习模型构建空间像振幅/相位与缺陷底部形貌参数之间的关系,建立缺陷底部形貌参数重建模型;利用训练后模型从空间像的振幅与相位信息中重建出缺陷底部形貌参数。仿真结果表明,训练后模型可准确重建相位型缺陷的底部形貌参数。凸起型与凹陷型缺陷的底部半峰全宽重建结果的均方根误差分别为0.51 nm和0.43 nm,底部高度重建结果的均方根误差分别为3.35 nm和1.73 nm。由于采用空间像作为信息载体,本方法不受沉积条件的影响。

提出一种基于偏振复用的无滤波24倍频毫米波发生器,该发生器采用三平行马赫-曾德尔调制器结构和单个马赫-曾德尔调制器级联的方式,结合偏振复用的结构滤除了所有的冗余光边带,只剩下12阶光边带信号,没有采用任何光/电滤波器就能生成24倍频的高质量毫米波信号。结合系统理论研究,通过仿真验证了该发生器的可行性,对系统进行了性能分析,讨论了非理想情况下调制深度、消光比、相位差、偏置电压以及激光器线宽对系统性能的影响。研究结果表明,光边带抑制比可达到40 dB,射频杂散抑制比可达到近30 dB,系统的传输距离为150 km时仍然有着较好的传输性能。该系统方案没有使用任何辅助滤波器,具有倍频因子高、频谱质量好等优点,对无滤波高倍频毫米波发生器的研究有一定参考价值。

受激布里渊散射(SBS)是制约窄线宽光纤激光器功率和系统稳定性提升的重要因素,后向传输的斯托克斯(Stokes)光可能会损坏种子和前级放大系统,如何有效抑制SBS或滤除SBS产生的后向Stokes光是高功率窄线宽激光系统必须解决的关键问题。根据光纤激光器的工作波长和SBS频移特性,设计并采用紫外激光加相位掩模板法制备了单模光纤倾斜光纤Bragg光栅(TFBG),搭建系统,开展了SBS信号滤除验证实验。实验结果表明,TFBG对后向SBS信号的平均滤除率大于16 dB,可以很好地保护前级系统,有助于系统稳定工作。

通过分析光纤布拉格光栅(FBG)光谱响应和指数衰荡的动态变化,探究内置FBG光纤环形衰荡腔的温度传感系统性能。建立FBG环形衰荡腔的理论模型,研究FBG透射谱中心波长与指数衰荡时间随温度的变化及其动态的演变过程,搭建1551.13 nm脉冲激光的FBG环形衰荡腔温度传感系统对其进行了实验验证,数值模拟结果与实验结果相吻合。实验结果表明,所提系统在低温环境-40 ℃下有良好的重复性、稳定性,测量分辨率高达0.05 ℃,温度灵敏度为0.02501/(μs?℃),FBG中心波长的灵敏度为0.00248/(μs·pm)。

针对正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)中静态密钥产生的风险,提出一种以信道相位信息作为动态密钥的物理层混沌加密方案。通信双方在相干时间内估计上下行信道相位,得到混沌密钥初值;利用一维混沌系统生成的混沌密钥流对下行数据进行异或(XOR)加密和解密。该方案所得到的动态密钥随着时间的改变而不断更新,因此物理层的安全性能得到提升。实验结果表明,速率为3.625 Gb/s的16QAM的光OFDM信号经长度为25 km标准单模光纤(SSMF)传输后,通信双方的密钥具有良好的一致性,密钥空间达到10 15,系统传输的安全性得到有效增强,可成功阻止非法用户对传输数据的窃听。

针对视网膜图像中血管细小而导致其分割精度低等问题,通过在U-Net网络中引入Inception、空洞卷积与注意力机制等模块,提出一种改进U-Net视网膜血管图像的分割算法。首先,在编码阶段增加Inception模块,采用不同尺度的卷积核对图像进行特征提取,以获得其多尺度信息;然后,在U-Net网络的底部增加级联空洞卷积模块,以在不增加网络参数的情况下扩大卷积操作的感受野;最后,在解码阶段为反卷积操作设计了注意力机制,将注意力机制与跳跃连接方式相结合,聚焦目标特征,以解决权重分散等问题。基于标准图像集DRIVE的实验结果表明,所提算法的平均准确率、灵敏度与特异性较之U-Net算法分别提高1.15%,6.15%与0.67%,也优于其他传统分割算法。

信号串扰会对焦平面通道的观测图像产生显著的条纹影响。基于地、月观测数据,对FY-3D核心载荷中分辨率成像光谱仪(MERSI-II)所有通道的串扰效应进行在轨检测并开展了初步的订正实验。检测发现,MERSI-II部分焦平面存在显著的通道信号串扰现象,其中短波红外焦平面通道5,6以及中长波红外焦平面通道20,21,22,23最为显著,分别表现为探元间串扰、通道间串扰两种特征。基于月球点光源成像特性,采用线性近似订正算法计算了串扰系数,并以通道20为例对订正算法进行了初步验证。结果表明,串扰订正可有效移除月球图像的串扰信号并能够显著改善地球观测图像的条纹现象,说明算法具有很好的适用性。

光学相干层析成像系统在扫描成像时,会不可避免地引入附加像差。此时,图像细节信息丢失,无法满足医学成像的高清晰度要求。为此,提出一种基于粒子群优化算法的像差校正方法。将像差校正过程以滤波形式建模,由泽尼克多项式的线性组合构成滤波器,通过选定图像信息熵或图像清晰度作为优化指标,利用粒子群优化算法进行迭代估计多项式的最佳系数值,最终得到清晰图像。以分辨率板为仿真目标图像分别加载离焦及低阶混合波前像差,以图像信息熵和清晰度分别作为评价函数,复原结果误差均方根误差(RMS)值均小于0.1λ,得以清晰成像;实验采集洋葱细胞图像,以信息熵作为评价指标,校正像差后其下降18%;采集葡萄组织图像,以清晰度作为评价指标,校正像差后其上升36%;细胞和组织轮廓信息均得以分辨。

提出了一种基于T形光栅的新型史密斯-珀塞尔自由电子激光器。并利用理论分析和粒子(Particle-in-Cell,PIC)模拟的方法研究了光栅形状对史密斯-珀塞尔自由电子激光器输出特性的影响。理论分析发现,基于T形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器的注-波互作用较强,电子束的群聚特性较强,相应地有较强的注-波转换效率,进而有较高的输出功率。PIC模拟发现,基于T形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器能够提高辐射功率。在电子束能量E=50 keV、电子束电流i=10 A、光栅周期D=0.3 mm的情况下:基于T形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器可以得到0.753949 THz、峰值输出功率约为2 kW的连续太赫兹辐射;而基于矩形光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器只能得到0.723397 THz、峰值输出功率约为0.3 kW的连续太赫兹辐射。

激光相干偏振合成(CPBC)是获得高亮度线偏振激光输出的有效方法。基于此,提出一种光相位调制技术,将两路光相位差转变为幅度调制,进行光外差偏振相位探测和线性锁相控制,实现了两路同频率激光光束的相干偏振合成。理论上详细分析了光外差偏振相位探测的理论模型和线性锁相控制环路的数学模型,用于优化系统参数。锁相控制后,合成光束的输出功率为352.4 mW,偏振消光比高达17.67 dB,系统的控制带宽约为66.1 kHz,剩余相位噪声为1×10 -4 rad·Hz -1/2(1 Hz)和3×10 -6 rad·Hz -1/2(>100 Hz)。相比于其他CPBC的锁相方法,该方法对偏振消光比以及控制带宽都有明显的提升,有效地抑制了相位噪声。

在研究自适应光学(AO)视网膜成像系统的光辐射安全时,通常未考虑成像光与信标光的光谱带宽和双光束叠加效应。根据ICNIRP标准提出了一种光辐射安全分析方法。首先确定宽光谱光束照射视网膜时的辐亮度计算方法,然后分析双光束照射视网膜时的最大允许照射量(MPE),最后根据视网膜辐亮度和MPE制定了激光安全分析流程。将满足各种人眼视网膜成像系统照明条件的AO扫频光学相干层析成像系统作为实例,分析辐亮度和辐亮度极限,并与其他方法相比较来检验所提方法的正确性。所提方法适用于结合和未结合AO技术的各种人眼视网膜成像系统,可为人眼激光安全分析计算提供参考。

为了提高激光并行加工中多焦点阵列的均匀度及可操控性,基于物镜聚焦系统的矢量傅里叶变换特性,设计了一种矢量迭代优化相位算法。基于此算法,可以制备具有高均匀度的多焦点阵列,且阵列中每个焦点的空间位置可精确调控。数值模拟与实验结果表明,优化出的相位可以用来制备具有高均匀度的多焦点阵列。利用自主搭建的基于空间光调制器的飞秒激光加工系统,以金膜为例,验证了激光并行加工的可行性。实验结果表明,利用所提算法,可以实现具有任意排列结构的多焦点阵列的并行激光加工。利用动态加载相位图的方式,可以实现动态扫描加工。

针对大视场下气瓶阀门的自动化操作,提出一种基于对称性投影的三维定位算法。采用级联分类器对阀门进行初定位与分割,通过随机采样一致性(RANSAC)算法提取阀门平面法向,利用规则刚体结构的对称性,以一种轴向投影与自适应阈值相结合的方式获取阀门平面的边缘点对,并结合空间直线方程计算出最终所需的中心坐标,实验结果表明:在690 mm×520 mm的视场范围内,坐标及位姿的均方根误差分别为0.352 mm,0.0145 rad。与常规边缘提取方式相比,该算法能更好地应对噪声与点云的缺失,实现了大视场下阀门中心的精确定位。

针对无人机(UAV)航拍图像中目标占比较小、拍摄角度和高度多变等问题,提出了一种基于多尺度特征融合的自适应无人机目标检测算法。利用深度可分离卷积结合残差学习的优点,建立了轻量化特征提取网络。构建多尺度自适应候选区域生成网络,将空间尺寸一致的特征图按照通道维度进行加权融合操作,增强了特征对目标的表达能力,并利用语义特征指导网络在多尺度特征图上自适应生成与真实目标更加匹配的目标候选框。仿真实验表明,该算法有效提升了无人机航拍目标检测精度,具有较好的鲁棒性。

为了使白内障患者在术后获得良好的视觉效果,提出一种扩展焦深的双区域非球面衍射人工晶状体(IOL)设计。在Zemax软件中基于无晶状体眼模型对其进行了优化和分析。分析结果表明,在±4°的视场内,从0.75 m到无穷远的物距,佩戴此人工晶体的人眼模型在550 nm波长、2.5 mm瞳孔直径的条件下调制传递函数(MTF)值在空间频率为50 cycles·mm -1时保持在0.30以上。对角膜非球面系数的变化进行了蒙特卡罗分析,结果表明,当角膜非球面系数在-0.70~0.60的范围内变化时,从0.75 m到无穷远的物距,空间频率为50 cycles·mm -1处约有90%的MTF大于0.29。此外,理论分析表明,所设计的人工晶体在不同瞳孔和白光照明的情况下,其成像性能基本保持稳定。

对集成Ag基反射镜的垂直结构GaN基发光二极管(LED)薄膜芯片施加ESD(electro-static discharge)冲击,观察其静电失效的现象并对失效演变的过程进行研究。结果表明,LED芯片经过ESD冲击后,内部会随机出现ESD黑点。随着ESD电压逐渐增大,此ESD黑点逐渐演变成为静电孔。通过聚焦离子束刻蚀等手段,得出ESD黑点产生的原因,即静电击穿产生的瞬间高温将LED芯片中的p-GaN及Ag基反射镜熔化,从而使得Ag反射镜的反射率降低。在LED薄膜芯片静电失效的演变过程中,ESD黑点周围的GaN粗化面的六角锥结构出现形状变小、密度增大的现象,该现象与静电击穿发生的程度相关。因此,认为静电击穿过程中内部产生的瞬间高温对表面GaN材料的晶体质量产生较大影响。

从光学多维信息获取器件的小、简洁、易集成化的设计角度出发,对超透镜偏振、相位调控的原理进行分析,基于传输相位和几何相位设计了硅基正交圆偏振光同时聚焦的超透镜(工作波长为800 nm),该器件可同时获取目标的两个正交圆偏振光强度信息。利用x偏振光矩形结构和y偏振光矩形结构的相似性简化设计流程,缩短了设计时间;选择深宽比较小和尺寸容差较大的基元结构,降低了加工工艺要求。使用有限时域差分(FDTD)软件仿真验证了器件的偏振分光和聚焦成像功能,超透镜在数值孔径为0.45时的聚焦效率为56.2%。

以南京市为例,利用陆地卫星和夜间灯光卫星的光学遥感信息并结合地理信息,构建了气象观测站局地(周边2 km缓冲区)探测环境表征参数:人为活动影响参数(人口密度和人为热通量)、几何参数(土地利用类型的面积占比和海拔)和物理光学参数(不透水表面面积占比和植被指数),研究了它们对气温观测的影响。结果表明,在相同的天气背景下,当不透水表面面积占比和建成区面积占比减少,植被指数和水体面积占比增加时,气温下降。建立了气象观测站局地的植被指数、不透水表面面积占比和水体面积占比与气温关系的定量回归模型,该模型通过了99.9%的置信度检验。所提方法可用于定量评估某一区域高空间分辨率气温的分布。

将线状电极置于飞秒激光聚焦点处,使激光电离空气产生的等离子体处于线状电极产生的偏置直流电场中,观察等离子体辐射太赫兹波的特性。通过扫描电极并观察太赫兹波强度,得到了增强太赫兹波幅值的最佳位置,并且发现随着激光功率的增大,最佳位置沿光传播方向移动。该研究不仅探讨了线状电极调制下等离子体产生太赫兹波的特征,还揭示了等离子体的物理特性。

针对土壤含水率对X射线荧光光谱(XRF)法检测结果存在严重干扰的问题,提出了一种基于灰狼优化(GWO)算法的支持向量回归(SVR)校正预测模型。完成光谱数据预处理之后,基于GWO-SVR建立净峰面积、含水率与镉元素含量之间的定量分析模型,并将GWO-SVR模型与其他模型对比。结果表明:SVR非线性模型比线性回归模型有更好的决定系数、更小的误差,在GWO下,各个模型指标均得到提升;与其他优化算法相比,GWO-SVR迭代次数更少,拟合效果更好,预测误差更小。所提模型也可为土壤中其他重金属含量的预测及含水率校正提供有效的参考。

提出了一种通过制作面内微结构来提高红外场景生成芯片空间分辨率的方法。通过建立简化的二维热传导模型,计算了具有周期性微结构的芯片空间分辨率。通过分析微结构接触面积比及填充因子对红外场景生成芯片空间分辨率的影响,实现了周期性微结构的优化设计。理论计算表明,空间分辨率随微结构接触面积比的减小而增大,随填充因子的增大而增大。考虑到制备精度,当微结构的接触面积比为0.18、填充因子为0.52时,芯片在对比度调制传递函数(MTF)值为0.3时的空间分辨率为10.3 lp·mm -1,是无微结构芯片的两倍。实验制备了两种具有不同接触面积比和填充因子的红外场景生成芯片,芯片直径为7.62 cm,厚度约为800 nm。采用非接触式稳态热成像法对所制作的转换芯片的空间分辨率进行了测量。测量结果表明,接触面积比为0.20和0.46的两个微结构芯片在MTF值为0.3时的空间分辨率分别为11.2 lp·mm -1和6.6 lp·mm -1。实验结果与理论计算吻合较好,说明所提方法是一种实用、有效的空间分辨率优化方法。

Mo/Si多层膜镀膜工艺是极紫外光刻的关键技术之一,为了优化并提升Mo/Si多层膜的镀膜工艺,研究了气压、靶-基底间距这两个工艺参数对Mo/Si多层膜表面粗糙度的影响。根据磁控溅射物理过程,建立了一个原子沉积的物理模型,分析了原子沉积到基底时的入射角度和入射能量分布对气压、靶-基底间距的影响。此外,利用直流磁控溅射镀膜机,制备了Mo/Si多层膜样片,并测量了膜表面粗糙度和功率谱密度,研究了膜表面粗糙度和功率谱密度随气压和靶-基底间距的演化规律。理论和实验的结论一致,所提模型从理论上解释了实验测量结果。

研制了一种脉冲展宽型X射线光电二极管,并利用飞秒激光进行了验证。在光电阴极加载随时间变化的斜坡脉冲,使阴极与栅网之间产生一个随时间变化的电场,变化的电场赋予光电子轴向的速度色散,使较早产生的电子的移动速度快于较晚出现的电子。光电子进入漂移区,在到达微通道板(MCP)前被展宽,放大后的信号由示波器读出。应用脉冲展宽技术后,探测器的响应时间可提高约11倍。