阵列波导光栅的平坦化在实际应用中有很重要的意义.本文系统地研究了阵列波导光栅的平坦化.在输入波导、输出波导、阵列波导输入端与输出端上分别引入了指数型锥形波导.通过改变锥形波导的形状和尺寸来实现平坦化的优化.本文首先从理论上论述了引入指数型锥形波导的输出光谱特性, 给出了结构参量的关系表达式, 阐明了输入波导处的锥形波导是影响输出光谱平坦化的主要因素, 阵列波导和输出波导处的锥形波导对输出光谱的平坦化有一定的影响.其次采用数值模拟的方法模拟了输出光谱, 优化了结构参量, 总结出了指数型锥形波导对平坦化影响的趋势和规律.模拟结果显示, 输出光谱1 dB带宽大于通道间隔的50%, 插入损耗从5.2 dB减小到了4.0 dB, 串扰小于-30 dB.最后, 本文给出了实验结果, 插入损耗减小了0.87 dB, 串扰减小了3.67 dB, 1 dB带宽增加0.1 nm, 增加了54.7%.实验结果表明引入指数型锥形波导提高了阵列波导光栅器件的光谱性能.

利用时域有限差分方法研究了亚波长金属波导TE波的传播特性和基于异常透射现象的干涉特性.对各种参量对驻波特性的影响及两列波导间的耦合特性进行了分析.研究发现, TE波在波导中传播时存在截止宽度, 如果波导宽度小于截止宽度, TE波在波导中不能传播; 如果波导宽度大于截止宽度, TE波的传播距离将随波导宽度变大而突然增加.当波导宽度达到或大于半波长时, TE波可以在波导中正常传播.金属波导的截止宽度与金属的吸收系数成正比.此外, 由于光在亚波长金属波导透射时的异常透射现象, 在亚波长金属波导中产生了TE波的干涉现象, 能形成驻波.

以喇曼光谱和红外测温仪为表征手段, 研究了聚合物电致发光器件在施加不同电流密度的工作条件下器件内部热效应对器件老化的影响. 通过实验得到器件内发光层的斯托克斯喇曼信号和反斯托克斯喇曼信号强度的比值, 代入波尔兹曼方程计算得到该层对应的温度, 从而达到精确测量器件内部工作温度的目的. 通过对器件施加0~169 mA/cm2的电流密度, 发现器件内部工作温度逐渐升高, 最终达到有机层的玻璃化转变温度后, 发光层材料发生相变, 变成游离状的液态, 这种状态不稳定, 造成发光层材料的局部缺陷, 使得器件阴阳极短接导致器件短路, 从而发光失败. 实验表明喇曼光谱是一种探测薄膜器件内部工作层温度的有效手段.

利用双面金属包覆波导结构激发的高阶导模是导波层折射率的灵敏函数这一特性提出了一种测量非线性材料电光系数和压电系数的新方法. 该方法利用反射率曲线在不同电压下的移动参量可以直接计算出被测样品的电光系数和压电系数. 理论与实验研究表明, 该方法具有结构紧凑、插入损耗小、整个装置无运动部件、可靠性能高等诸多优点. 预计这一研究在应用压电效应和电光效应制备光电子器件的诸多领域中有极其广泛的应用前景.

采用一种以五次幂函数为基础所设计的1×4光波导功分器路径, 利用中心波长为800 nm、重复频率为75 MHz的飞秒脉冲激光为光源, 通过控制三位电动平移台, 在Z切割铌酸锂晶体进行横向扫描此路径, 在激光功率为270 mW和扫描速度为0.05 mm/s下, 制备出1×4光波导功分器, 分析了改变扫描速度和扫描次数对波导形成的影响, 以及波导形成的原因.实验结果表明: 在强激光的各种参量一定时, 扫描速度越小, 扫描次数越多, 波导线宽越大, 扫描速度在一定范围内时, 波导损耗较低.

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料, 设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25～35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86%,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25～35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9%,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率, 本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型, 利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明, ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等), 对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型, 通过比较, LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近, 其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时, 通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析, 并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.

超光滑加工通常是在保证光学元件面型精度不劣化前提下提升其中高频精度.均匀去除是保证超光滑加工过程中光学元件面型精度不劣化的重要途径.本文以四轴三联动小磨头超光滑加工机床为基础, 结合Preston假设, 研究了四轴三联动超光滑加工机床对光学元件的材料去除特性, 发现当机床取某些特定的参量时, 通过等值的驻留时间规划即可实现光学元件表面材料的均匀去除.最后, 对这些特定的参量进行了对比实验.实验结果验证了理论分析的正确性.

基于对S型结构的理论分析, 将中心频率设置为60 GHz, 通过合理的改变单元结构中相应的尺寸以实现所需电谐振和磁谐振频率, 并且经过优化以实现负介电常量和负磁导率的重合频段尽可能理想. 运用反演参量提取方法进行电磁参量提取, 可以得到本设计在58.1~61.4 GHz频段内其ε和μ同时为负, 即左手频段. 分析散射参量的仿真结果, 在58~62 GHz频段内S21大于-3 dB,在59.8~60.4 GHz频段内, S11小于-20 dB, 因此该设计结果可以运用于60 GHz通信滤波器和天线等器件的研究与设计.

以光纤的机械可靠性为主线综述了光纤材料中固有裂纹的生长和传播所导致的光纤断裂机制.在该断裂力学的基础上推导了传统通信光纤在平直应用中的寿命预测模型.继而分析了处于弯曲构型中的传感环圈光纤表面的应力分布, 然后在与传统理论相同的基本断裂机理下, 类比于通信光纤可靠性模型的推导, 据此应力分析给出了评估这种环圈光纤的机械可靠性的一般模型.进而从工程应用的角度简化了所推导出的一般模型, 使之能够快速简单地给出环圈光纤失效概率的保守评估.在此简化模型的基础上, 数值计算了目前常见的几种传感环圈中的光纤在服役期间的累积失效概率; 其结果同时也显示了该环圈光纤的失效概率对光纤参量、环圈参量以及工艺参量的依赖关系.根据这一依赖关系, 不仅可以快速评估在各种服役应力条件下具有不同寿命要求的光纤环圈的失效概率, 同时也能对这些环圈的设计提供参考.

为了探测几十赫兹的低频水下声信号, 建立了水下低频声信号的光学探测系统, 得到了稳定、清晰的衍射图样.得到了衍射图样的宽度与声源距离的变化关系, 声源距离越小, 衍射图样越宽.当水下声波传至水表面后, 实验上得到了表面声波的衰减特性, 理论上得到了衍射图样的角宽度和液体表面波振幅的解析关系式.发现表面波振幅的衰减随距离是指数型衰减.并研究了衰减系数随频率的变化, 频率不同衰减系数也不同, 而且频率越大, 衰减系数越小.

从超短脉冲光束的傍轴传输方程出发, 运用傅里叶变换和相关数学算符的对易性, 得到了超短脉冲径向偏振光束的解析表达式.该解可适用于任意脉冲驱动的径向偏振光束. 基于该解析表达式并结合具体例子,讨论了超短脉冲径向偏振光束在自由空间中的传输性质. 结果表明, 在传输过程中时空耦合主要体现在光束边沿的脉冲延迟. 这一效应导致了脉冲不同时间位置处横向光强分布随传输的变化, 以及脉冲前后沿关于束腰的不对称性. 本文的方法同样适用于得到超短脉冲方位角偏振光束的解析解和传输性质.

利用矢量衍射理论, 研究了高数值孔径下高斯光束的超分辨特性, 对可以实现超分辨的二环和三环相位结构进行了优化求解, 分析了环带半径和相位变化对超分辨性能的影响规律, 给出了优化方法和优化结果.研究结果表明: 当和平面波照明具有相同的旁瓣比时, 使用高斯光束照明仍然可以实现光学超分辨; 采用二环相位结构时, 内环半径的控制比较关键, 相位的微小改变对超分辨性能的影响不大, 二环相位结构具有加工容差大的优点; 三环相位结构在相同旁瓣比的情况下能够达到较大的压缩比和较小的主瓣峰值强度, 三环结构的半径和相位的改变对超分辨性能的影响较大, 其加工容差要小于二环相位结构; 无论二环或三环相位结构, 若提高压缩比, 必然会引起主瓣峰值强度降低和旁瓣比增大.该研究为高数值孔径下, 高斯光束照明时, 超分辨光瞳滤波器的优化设计提供了一种新方法.

为了解决傅里叶望远镜高功率短脉宽激光只能包含部分周期信号的难题, 本文提出多脉冲拼接技术并对其基本原理和应用范围进行深入研究.首先介绍高功率短脉宽激光与声光移频器移频带宽之间的矛盾, 进而引出利用傅里叶望远镜传统时间解调公式进行部分周期信号解调存在的困难.然后给出多脉冲拼接技术的基本理论, 推导出理想情况下移频频率、脉冲重复率和脉宽满足的拼接条件.进而详细分析移频频率稳定性和脉冲重复率稳定性对多脉冲拼接成像结果的影响, 并通过计算机仿真研究一般情况下脉宽变化对多脉冲拼接成像结果的影响.最后得出移频频率和脉冲重复率对成像无影响, 激光脉宽变化小于25%仍可识别目标轮廓的结论.

利用Zernike多项式对用Zygo干涉仪测得的离散材料折射率数据进行了拟合, 再使用光线光学的方法评价了系统的成像质量. 由于材料折射率分布的无规则性, 在对包含非均匀介质的实际光学系统的模拟仿真和优化时, 需要考虑选取材料不同部位加工成的透镜会对系统成像质量有不同的影响, 而且加工好的透镜在装配过程中, 绕着光轴旋转不同的角度同样会影响成像质量. 通过计算机模拟的方法预先选取材料的最佳部位以及找到最好的装配位置, 从而提高了光学系统的性能.

为满足空间遥感的迫切需求, 设计并研制了一个星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪样机.该仪器通过利用光阑像差产生的有效像差渐晕提高像面照度的均匀性, 解决了广角系统中像面照度不均匀的问题.合理选择结构型式校正了畸变, 并且采用全球面光学系统, 易于加工和检测.广角气溶胶探测仪的中心波长为670 nm, 带宽20 nm, 全视场72°, 相对孔径1/3.6, 焦距20 mm.实验结果表明: 研制的星载广角气溶胶探测仪镜头其入瞳大小5.6 mm, 边缘视场的相对照度达到95.6%, 在36 lp/mm处, 轴上视场的调制传递函数值大于0.61, 轴外视场的调制传递函数值高于0.58, 最大畸变量为-1.95%, 完全满足设计指标要求, 体积小, 适合空间遥感应用.

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响, 利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合, 利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力, 降低导弹头部气动加热效应, 利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3~5 μm, 系统F/#为2, 视场角为±90°; 凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm, 为制冷型探测器留有足够的空间; 冷光阑效率为100%; 在-40℃~60℃温度变化范围内, 15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4, 满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求, 保证了系统的轻小型设计.

针对传统太阳模拟器普遍存在辐照均匀度较低的缺陷, 改进设计了一种可以有效提高太阳模拟器辐照均匀度的光学积分器.介绍了该光学积分器的组成和工作原理; 阐述了光学系统的优化设计技术; 对其光机结构进行合理化设计, 并使用ansys软件对光机结构进行热分析.最后, 利用lightTools软件对太阳模拟器系统进行模拟仿真.结果表明: 使用所设计的光学积分器后, 太阳模拟器辐照不均匀度明显降低, 在Φ60 mm范围内小于±1%, 在Φ(60~200)mm范围内小于±2%.该结果与实际检测结果一致, 能够满足高准确度的使用要求.

管道滤波算法提出了从时域角度解决弱小目标检测问题的思路, 对于红外强起伏天空背景中弱点目标的检测问题, 管道内强噪音的干扰以及低信噪比的条件会导致检测概率降低的情况出现.本文提出了一种运动方向估计的管道滤波算法, 分析了红外弱点目标的运动特性, 依据弱点目标在相邻帧间位置具有连贯性的特征, 建立了弱点目标的运动方向估计模型.在模型中利用弱点目标逐帧检测的先验位置信息, 估计弱点目标的运动方向和轨迹, 根据估计结果去除管道内噪音对弱点目标的干扰.仿真结果表明, 该方法能够很好地抑制管道内噪音的影响, 提高弱点目标的检测概率, 增强弱点目标抗管道内噪音干扰的能力.

针对两点温度定标算法在应用过程中曝露的问题, 提出了基于变积分时间的红外焦平面非均匀性校正算法.该算法先对图像进行非线性压缩, 转换为线性图像, 再利用红外焦平面阵列探测元的响应特性与积分时间之间的关系, 采用改变积分时间的方法拟合红外焦平面探测器的平均响应特性曲线, 进行两点校正, 然后对结果进行取指数操作, 即得到原图非均匀校正后的图像.分别利用两点温度定标法和变积分法对航拍红外图像进行校正效果验证, 同时进行了不同校正算法的非均匀性适应性评价实验.实验结果表明新算法计算量小, 校正准确度高, 反应速度快, 并在一定程度上解决了大动态范围下响应非线性对校正性能的影响, 具有很好的工程应用价值.

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响, 建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先, 使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场, 其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算; 然后, 使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量; 最后, 使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan IIIB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性, 证明了该模型的正确性.最后, 利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响, 结果表明, 复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度, 在2.5~3.0 μm和4.2~4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8%和28.3%, 所以, 在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时, 需要考虑复燃的影响.

提出一种实时校正方法, 在非均匀性校正的过程中根据当前场景信息自适应调整积分时间.首先获取不同积分时间下的背景噪音并进行存储, 根据特定的阈值控制积分时间的切换; 进而将探测器输出减去相应积分时间下的背景噪音后作为神经网络的输入, 从而不断地更新校正参量.这样既能有效弥补神经网络校正算法在低频噪音占优时的不足, 降低由于积分时间改变引起的非均匀性, 又能够补偿系统的温漂.对真实的红外图像序列实验表明, 文中提出的算法在积分时间切换的同时可以得到合适的校正参量, 并保证校正后的图像质量, 能够实现实时校正.

为了避免基于有限更新率的连续域信号采样涉及复杂的运算问题, 认真研究分段线性序列特点, 提出一种在离散域进行信号参量提取的方法, 称之为序列重采样.给出了有限长序列更新率定义, 总结出一种适合简单分段线性序列的参量提取算法——试探法, 将之推广到一般分段线性序列.不需要事先知道更新率的数量, 也不需要在连续域进行运算, 从采样后的序列中直接检测信号更新点和更新参量, 从而实现信号采样.对所提出的算法进行了仿真, 结果表明该算法是有效的.

针对传统基于多尺度变换的图像融合方法存在的缺点, 提出了一种基于平移不变剪切波变换域的自适应图像融合新方法.首先, 使用平移不变剪切波变换对源图像进行分解, 得到低频子带及方向带通子带系数.然后, 对于低频子带系数采用梯度域奇异值分解方法估计图像的局部结构信息, 提出了基于提取的特征与S函数的可变加权融合策略; 对于各方向带通子带系数, 提出了一种基于改进的拉普拉斯能量和匹配的“加权平均”和选择相结合的系数选择策略.最后, 对得到的融合系数进行逆变换得到融合图像.通过实验可以发现相比于传统的图像融合方法, 本文方法得到了更高的客观指标, 融合图像视觉效果更好.