全光取样示波器是研究与开发超高速光通信系统和光子交换网络的关键性测试仪器设备. 本文简介了我们自行设计和研制出的超宽带全光取样示波器设备的实验样机系统, 并报道了我们已取得的初步实验结果. 采用自主研发的高稳定性被动锁模飞秒光纤激光器作为该光学示波器的光脉冲取样源, 我们通过利用高度非线性光纤中的四波混频效应, 成功地实现了对脉宽为1.8ps、重复频率分别为10GHz和40GHz的光脉冲信号的全光取样. 然后通过数字信号处理和计算机图形处理, 得到了再现后的超短光脉冲信号波形, 并测出了其脉冲宽度值为2.3ps. 借助于该光学取样示波器实验样机, 我们还成功地完成了对脉宽为1.8ps、经过伪随机数据序列调制后的10Gbit/s和40Gbit/s光数据信号眼图的精确测量. 这是我国首次报道有关超宽带全光取样示波器设备的实际研制工作及其相应的实验测试结果. 所得到的有关超短光脉冲信号波形的测试结果也与用70GHz宽带电子示波器和超快光电探测器组成的常规光电测量系统所获得的结果进行了比较, 清楚地表明了我们研制出的全光取样示波器实验样机比后者具有更高的时间分辨率和更大的测量带宽.

对重构多信道光纤光栅的离散层析算法进行了优化.在各信道加入相移的基础上，运用非线性最小二乘法对耦合系数进行高斯曲线拟合，降低了折射率调制深度的最大值且可以将剧烈变化的折射率调制深度平滑化.仿真表明，较之改进前的折射率调制最大值(0.001 3)，利用新算法在折射率调制最大值为0.000 5时成功设计了一个8信道光纤光栅，极大地降低了对光纤光敏性的要求.同时，折射率调制曲线的平滑化降低了光栅的实际刻写难度.

为了研究掺镱双包层单频光纤放大器中受激布里渊散射产生的规律，从含有受激布理渊散射的速率方程和热传导方程出发，对光纤放大器中的热效应问题进行了理论分析.讨论了泵浦功率、包层半径和换热系数对受激布理渊散射的影响，所得结论为实验研究单频光纤放大器中受激布理渊散射的变化规律提供了理论依据.

从麦克斯韦波动方程出发，得到了包含氧分子吸附作用等非线性效应在内的光束传输方程.将光束成丝与粒子在势阱中的运动联系起来，分析了光束在空气中形成稳定光丝的初始条件.用数值模拟的方法，研究了氧分子吸附作用在光丝传输过程中对光束尺寸、能量及相位的影响.结论表明：氧分子吸附作用对能量的消耗较大，造成振荡过程中光束尺寸的减小；定性解释了光丝传输过程中能量变化与光束尺寸的对应关系.

本文利用简单模型综合考虑了带间跃迁、自由载流子吸收和带隙收缩对半导体激光器线宽展宽因子的影响，给出了半导体激光器线宽展宽因子的一种较为简便的计算方法.首先从理论上推导出线宽展宽因子的计算公式，分析并计算了GaAs半导体激光器的增益特性，并使用MATLAB软件中的Mupad工具包求解费米积分的数值解.然后根据得到的增益拟合曲线峰值的变化计算了带间跃迁对线宽展宽因子的影响.最后，分别讨论和计算了自由载流子吸收和带隙收缩对线宽展宽因子的影响.结果表明，带间跃迁和带隙收缩对线宽展宽因子的影响较大(α因子值分别为22.562，-6.853)，而自由载流子吸收对线宽展宽因子的影响较小(只有-0.605).

激光测距系统的最大测程是其主要技术指标和进行系统设计时的主要依据,它随探测目标的性质而发生变化.本文推导并给出了激光测距系统对点目标的实用探测方程.分析了激光远场光束分布对探测能力的影响,并利用所得探测方程对某星载激光测距机的探测能力进行了评估.结果表明由于受到光束质量分布的影响,其探测能力在15.05~20.6 km之间变化.对结果进行了分析和讨论,在不改变系统参量的前提下,如果光束质量为平顶分布,则系统整体探测能力可提高至18.9 km.

本文提出一种只在一层高折射率介质层中掺杂Kerr介质的一维耦合腔光波导.利用一维传输矩阵理论和非线性传输矩阵方法研究了此结构的光学双稳态.根据一维传输矩阵理论分析了此结构的线性特性，包括低频带边模的偏移及场分布的特点，讨论了此结构实现双稳态的原理.研究发现:由于缺陷层中场分布与入射光方向密切相关，而缺陷层光场的局域，将激发Kerr介质的三阶非线性效应，从而改变了缺陷层的折射率，所以不同方向的入射光具有不同的双稳态阈值.利用非线性传输矩阵方法研究了光学双稳态特性.结果表明:由于缺陷层的位置导致缺陷模正方向(由左到右)入射的场分布大于反方向(由右到左)入射的场分布，正方向的阈值低于反方向的阈值，相差一倍.

选用价格低廉、介电性能良好、低传输损耗的聚二甲基硅氧烷作为波导的包层材料，旁链型分散红1键合聚甲基丙烯酸甲酯作为芯层，设计并制备了一种倒脊形聚合物波导马赫-曾德尔电光调制器及共面波导行波电极，获得了调制器的调制信号响应.针对SF6气体刻蚀聚二甲基硅氧烷的再淀积现象，提出了采用SF6和O2的混合气体对聚二甲基硅氧烷进行反应离子刻蚀的方法，发现当SF6∶O2流量比为50 sccm∶10 sccm时，刻蚀形成的凹槽侧壁陡直，底部平坦;实验制备的倒脊形马赫-曾德尔波导在1 550 nm波长下通光良好.

利用有限时域差分法模拟金属-绝缘体-金属布喇格反射腔的窄带滤波现象，发现在一维亚波长金属-绝缘体-金属波导的共振波长对应的电场振幅分布的波腹位置上打上直角型凹槽时，可以产生光子禁带和导带，本文主要研究其导带的成因及出现位置.其中光子导带对应的中心波长出现在共振波长附近；调节凹槽的几何结构，采用双重金属-绝缘体-金属布喇格反射腔组合的结构，可以达到很好的窄带滤波效果，使导带的中心波长位于上述共振波长附近，导带的半高宽度远小于中心波长的大小.利用这个方法，只需从最简单的一维金属-绝缘体-金属波导出发得到所需的金属-绝缘体-金属波导布喇格反射腔，就可以任意保留需要的波长透射峰，同时当其他入射波长入射时形成较好的光子禁带.

线宽增强因子是影响半导体激光器输出特性的一个重要参量，不同材料不同结构类型的半导体激光器的线宽增强因子有较大的差异.利用光注入半导体激光器的单模速率方程模型，数值研究了线宽增强因子对外光注入半导体激光器的非线性单周期振荡特性的影响.结果表明：外光注入半导体激光器的动态特性对线宽增强因子的变化极为敏感，随着线宽增强因子的增加，在负失谐注入范围内单周期振荡区域显著增大，同时注入锁定的稳态输出被大大抑制.分析了线宽增强因子对非线性单周期振荡光谱特性和振荡频率的影响，结果表明：随着半导体激光器线宽增强因子的增大，单周期振荡的频率越大；当线宽增强因子不变时，单周期振荡的频率随注入光强度和频率失谐的增加而增加.

合成了一种金属有机配合物［(C3H7)4N］［Au(C3S5)2］. 配制了浓度为1×10-3 mol/L的［(C3H7)4N］［Au(C3S5)2］/乙腈溶液，并用旋涂法制备了掺杂浓度质量比为1%的［(C3H7)4N］［Au(C3S5)2］/PMMA复合薄膜. 运用Z扫描方法, 分别研究了样品溶液和薄膜在波长为1 064 nm，脉宽为20 ps条件下的三阶非线性光学性质. 研究发现薄膜的三阶非线性极化率χ(3)比溶液高出三个数量级. 其中，薄膜的非线性折射率n2为-1.76×10-15 m2/W、三阶非线性极化率χ(3)为9.37×10-10 esu. 结果表明,该材料在全光开关方面具有潜在的应用价值.

为了研究开路条件下双光子光伏光折变材料中的灰光伏孤子族，建立了光伏孤子族的动态演化方程，给出了非相干耦合灰光伏孤子族的数值解.采用数值模拟的方法，求解孤子族的数值表达式.结果表明：这种孤子族是由多束偏振方向和波长都相同的互不相干光束耦合形成的.当孤子族只有两个分量时，灰光伏孤子族可以退化成灰-灰光伏孤子对；当孤子的灰度参量取零时，灰光伏孤子族退化成暗光伏孤子族，灰-灰光伏孤子对退化成暗-暗光伏孤子对.文中采用的光伏光折变材料是LiNbO3.

通过调控纳米粒子表面形貌，研究了纳米粒子形貌与表面等离子体激元之间的关系. 采用水相化学合成法制备出粗糙表面“花朵”形银纳米粒子.通过自组装形成单层阵列，并进一步组装成复合结构超材料. 测试了其光学行为，并将实验结果与树枝形纳米粒子、光滑表面纳米粒子进行对比分析.结果表明：光滑表面纳米粒子不能出现超材料效应，当粗糙程度增加，纳米粒子呈类“花朵”形时，样品出现透射峰和平板聚焦行为，但强度不高；当粗糙程度继续增加，纳米粒子呈树枝状时，出现了较强的透射峰与平板聚焦行为. 研究证实通过改变纳米粒子表面形貌，可以调控表面等离子体激元与入射光的相互作用，从而实现对光传播的操控.

利用溶胶-凝胶法制备了硅烷偶联剂KH560修饰的有机/无机杂化电光材料，分析了KH560的水解缩合的反应机理.对制备好的电光薄膜进行了表面形貌、折射率和电光特性的表征，并用反射法测量得出了该材料的电光系数为3.5pm/V.针对这种材料柔韧的特性，设计了上加载条形电光波导，并利用Opti-BPM软件模拟了二维和三维光场.摸索了其制备的加工工艺，制备了该结构的光波导，最后得到了这种波导的近场输出.

运用矢量衍射理论, 分析了高度聚焦的圆偏振激光脉冲在具有逆法拉第效应的单轴晶体中产生的感应磁化分布. 详细研究了界面位置不同对磁化分布的影响, 比较了小双折射效应的单轴晶体中的磁化分布与均匀介质中的磁化分布. 计算结果发现：随着界面向透镜移动, 磁化强度的最大值和磁化斑的最小值位置沿着光轴方向移动. 在单轴晶体中的磁化强度大于在均匀介质中的磁化强度. 但是, 在单轴晶体中的磁化斑的大小比在均匀介质中的小. 描述单轴晶体各向异性的光磁常量与各向同性的光磁常量的比值愈大, 磁化强度愈大, 磁化斑愈小.

相对于普通的有机/无机杂化材料，侧链键合型有机/无机杂化材料能提高生色团的掺杂浓度，避免出现结晶、相分离等现象，同时生色团极化有序性的弛豫因生色团运动受阻而降低，具有较高的热稳定性.本文采用溶胶凝胶法合成了一种性能优良、稳定的侧链键合型有机/无机杂化材料，并将这种材料应用于电光调制器的电光层，利用传统的半导体工艺，采用加载条形波导结构，成功制备了马赫-曾德尔(Mach-Zehnder，M-Z)型电光调制器.测试得到电光调制器在1 550 nm波长下10 kHz的响应信号，为键合型杂化材料应用于光电器件的进一步研究打下了基础.

研究了散射测量在激光陀螺用石英基片表面检测中的应用.比较发现，收集物镜比积分球更有利于体散射的消除，更适用于直接检测超光滑石英基片表面的散射测试系统.用ZEMAX设计了散射光收集物镜，使其数值孔径达到了0.4，并完全消除了轴上距离大于1.5 mm的散射点的体散射；为了消除光电倍增管输出本身随时间长漂的问题，设计了特定的散射光收集系统的结构，将散射光和反射光分时打在同一个光电倍增管上.分析发现，这种设置能有效消除光电倍增管输出随时间趋势性漂移的问题，增强了系统长时间的稳定性，有效保障了其工程实用性.

为了有效消除光源抖动及系统不稳定因素给光纤传感器带来的噪音干扰，提高光纤传感器的准确度，本文提出了一种基于光子晶体光纤长周期光栅的差分算法.利用光子晶体光纤长周期光栅良好的温度稳定性及宽光谱滤波特性，同时监测位于光子晶体光纤长周期光栅透射谱正负斜率线性区域内的两个信号功率变化.这两个信号是经同一路径到监测设备的，包含光源抖动以及系统其它不稳定因素带来的噪音干扰，对这两个信号进行差分处理即可有效消除噪音干扰,并将其应用于光纤环镜温度传感器.结果表明:通过基于光子晶体光纤长周期光栅的差分处理，在光源功率变化±10%的情况下，差分值基本保持不变，由此获得的温度测量值与真实值相对误差分别为0.04和0.03；与未引入差分算法相比，传感器准确度从约76%提高到约97%.本文提出的基于光子晶体光纤长周期光栅的差分算法可以有效消除光纤传感器内功率抖动所带来的噪音干扰，大大提高系统的准确度.

采用全矢量有限元方法和完美匹配层条件,研究了一种在光纤包层中引入矩形孔的光子晶体光纤,提出一种实现高双折射光子晶体光纤的方法.模拟结果表明矩形孔光子晶体光纤具有椭圆孔光子晶体光纤类似的高双折射特性,其双折射高达0.01的量级,两种光子晶体光纤的模场、双折射、约束损耗等特性基本类似.

分析了推扫型干涉成像光谱仪的结构特点和工作原理,指出了由于加工误差导致入射狭缝的宽度不均匀,使干涉图像沿狭缝方向存在亮度差异,复原后的光谱立方体图像上出现平行于推扫方向的非均匀性条带,影响了光谱立方体的图像质量和光谱精确度.采取校正系数法去除条带,讨论了获取校正系数的方法,并使用仪器的定标干涉数据提取成像面上沿狭缝方向的不均匀特性,获得了校正系数,对干涉图像进行处理以消除条带.结果表明:校正系数法能够去除大部分条带.根据处理后残余条带的情况,在没有在轨定标数据的情况下,使用均匀景物的光谱立方体数据提取不均匀特性,修改了校正系数,有效地消除了残余条带.

介绍了一种基于Czerny-Turner光路结构并采用谐波电机直接驱动光栅的小型快速近红外光谱仪的设计、仿真及初步测试结果.为了减小多次反射及衍射产生的杂散光，运用Cary理论进行光路布局与设计，使用光学软件TracePro进行了仿真，结果显示改进之后的结构有效抑制了系统的杂散光.为了减小体积并提高扫描光谱速度，采用谐波电机直接驱动光栅代替传统的电机传动正弦丝杆再驱动光栅的结构，在近红外光波段对样机性能进行了初步测试，并对葡萄糖水溶液进行了定性测量.初步测试结果显示：波长范围800~1 500 nm，扫描速度达到75 nm/s,光谱分辨率6 nm,波长准确性±0.5 nm,重复性≤1 nm,信噪比为1 000∶3,吸光度重复性≤0.008 AU,基线稳定性0.000 5 A/h,简单葡萄糖水溶液的定性测试结果比较清晰地反映了样品的特性.

针对新一代红外凝视成像传感器，依据红外辐射能量传递和转换的物理过程，完成了对传感器各组成单元的物理效应建模.不同于以往成像模型的定性仿真，该模型实现了对系统各模块成像特性的定量描述，综合考虑了传感器的信号传递特性、空间传递特性、空间采样特性和时空噪音特性，构建了较为完善的高仿真度红外成像仿真模型.为验证仿真模型的有效性，搭建了有效性实验验证平台，获取了真实热像仪的性能曲线和输出图像.通过计算和比较仿真模型和真实热像仪性能曲线和输出图像相似程度，定量化评价了模型的仿真度，验证了仿真模型的有效性.

研究人工光源对地面目标表面温度的影响对目标红外特性的研究以及红外特征的模拟有重要的意义.以自然环境下人工光源照射地面目标的物理模型为基础，通过建立导热微分方程和改变目标的外边界辐射能量，建立起人工光源照射目标时目标表面温度的计算模型，结合目标表面温度的计算与目标所处的地理环境与方位有关，本文以合肥某建筑物正东方位表面为例，对在不同时间段、不同光照参量时目标的表面温度进行了仿真计算与分析.结果表明：改变目标的外边界条件即给目标表面采用人工光源照射时，目标的表面温度将发生改变，改变的程度取决于光源的照射功率、照射距离以及光源的入射角，一般情况下，晚上照射时表面温度变化明显，白天照射变化不太明显.

采用全量子理论方法，研究了处于耗散腔中的双原子与单模相干光场相互作用系统，分析了双原子与光场之间以及两原子之间的纠缠演化特性，讨论了腔场的衰减以及原子与光场间的失谐量对双原子与光场之间以及两原子之间纠缠演化特性的影响.结果表明，当腔场存在损耗时，原子与光场之间可出现纠缠，但在长时极限下，纠缠逐渐消灭；而失谐量对原子与光场间的纠缠存在着显著影响；初始处于最大纠缠的两原子之间的纠缠，由于光场的衰变而逐渐减弱，但原子-光场之间的失谐可抑制这一衰减.

研究了Kerr介质中相干态光场与耦合V型三能级原子相互作用过程中场的量子性质.利用量子光学中光场与原子相互作用的耦合Tavis-Cummings模型,对系统的动力学过程进行了求解.讨论了系统初始状态、失谐量、原子间偶极相互作用强度及Kerr系数对光场量子性质随时间演化的影响.数值计算结果表明: 初态中场的平均光子数比较小时,光场能够展现出明显的量子效应;初始时刻原子激发态概率幅从小变大时,光场的反聚束效应变得越明显,而光场的压缩深度会先增大后减小;失谐量的变化对场的量子性质的影响不大,只是改变光场二阶相关函数和压缩参量振荡的周期;原子间耦合强度的增大使光场的反聚束效应减弱和光场的压缩深度变浅;Kerr系数的增大会增强光场的反聚束效应,而使光场的压缩深度变浅.

提出采用两个量子比特(四维空间的qudit)作为分离的中间媒介实现高效的纠缠分发方案。首先，两个中间媒介量子比特与两个不同站点的量子比特(定义为a和b)形成四个量子比特非锁定束缚纠缠态，也称为Smolin态.然后，对两个附属量子比特在贝尔基矢上进行联合投影测量，测量结果传送给a和b，基于测量结果，量子比特a和b将可以转换为EPR纠缠态.在整个过程，两个附属量子比特始终与量子比特a和b保持分离.该方案提供了一种利用分离态实现最大纠缠态分发的高效方法，并且给出了公式来描述和理解该过程.

在临床实际应用中，X射线源是一个具有有限尺寸的多色光源.基于Fresnel-Kirchhoff衍射理论，考虑空间相干的影响，新的类同轴X射线相衬成像公式被导出.分别代表吸收效应与相位效应的吸收衬度传递函数和相位衬度传递函数从新公式得到.吸收衬度传递函数和相位衬度传递函数的曲线由Matlab给出，不同源半径的最佳成像位置也被计算.理论分析结果如下：1)当光源半径足够大时空间相干效应须被考虑，减小源半径可以增强相位效应；2)源半径与最佳成像位置间有确定关系，并在本文中给出；3)源尺寸效应对相位效应影响不是无限的；4)减小入射X射线光子能量将会显著增强相位效应，但不会对最佳成像位置有影响，因此，上述结论可以被拓展到多色光情况.为了验证理论结果，本文给出了对一个表面破损的光学玻璃微聚焦相衬成像的实验结果.其中一些实验结果与理论分析符合很好，但也有一些实验未达到预期，相关的解释文中也已给出.

为了克服光照、表情变化等因素对人脸识别的影响，本文提出了一种自适应的Gabor图像特征抽取和权重选择的人脸识别方法.该方法首先把每幅人脸图像经过Gabor小波变换后得到的40个不同尺度和方向下的图像都看作是独立的样本，再把不同人脸中的同一尺度和方向的变换结果进行特征重组，得到40个独立地新特征矩阵.为了增强对光照、表情变化的鲁棒性，每一新特征矩阵的识别贡献被本文所提出的自适应权重方法计算得到.其次，对每一新特征矩阵采用离散余弦变化进行降维，并采用了鉴别力量分析方法来选取最有鉴别力的离散余弦变换系数作为特征向量.最后，抽取线性鉴别分析特征进行识别.大量的实验证明了本文所提方法的有效性.

由于多尺度Retinex算法增强后图像存在细节信息减弱和颜色失真等不足，本文提出了一种色调恒定的图像增强算法.在原图像中去掉用多尺度高斯函数估计的光照分量，结合参量自适应的非线性函数调整亮度，依据色调恒定的理论保持增强后图像的颜色.与多尺度Retinex比较的实验结果表明，本文算法更有效，增强后的图像不仅细节清晰，而且色彩自然、不失真且运行速度快.