以碲玻璃为基质材料, 设计了八边形双芯光子晶体光纤.应用全矢量有限元法和模式耦合基本理论分析了八边形双芯光子晶体光纤中结构参数对耦合长度特性的影响.计算结果表明: 在波长1.55 μm处, 减小孔间距可明显减小耦合长度, 但只略微改变相对耦合长度;增大空气孔及椭圆率可略微增大耦合长度, 但可明显增大相对耦合长度.当相对耦合长度为1时, 设计的偏振分束器性能较理想.在此基础上, 通过调节结构参数, 设计了一种较短传输长度、高带宽、高消光比的偏振分束器, 当光纤长度为139 μm时, X、Y方向偏振光即可实现分离, 消光比达到最小值-53.46 dB, 且在波长1.49 μm-1.61 μm, 即带宽为120 nm范围内, 消光比小于-20 dB, 与同类型的高消光比和极短长度双芯偏振分束器相比, 其综合性能比较突出.

基于喇曼散射和光时域反射原理, 分析后向散射光中反斯托克斯光和斯托克斯光光强比值, 研制了基于多模光纤的分布式喇曼温度传感系统.采用对低、高温段温度分别进行拟合的动态温度标定方案, 将测温精度提升至±1 ℃.分别对系统温度分辨率、测温精度、空间分辨率以及重复性进行了实验, 结果表明: 系统温度分辨率为1 ℃, 空间分辨率为1 m, 系统稳定性良好, 能够适应复杂环境变化.

基于导频辅助法,对相干光正交频分复用系统中采样时钟频率偏差进行估计和补偿, 并研究了导频的插入位置对该算法补偿效果的影响, 通过对五种不同的导频插入位置进行分析和比较, 得到最优导频插入位置.仿真结果表明: 本文算法即使在较大的频率偏移情况下也有较好的补偿效果, 并且采用该方法得到的光信噪比损耗不到1 dB, 可以有效地降低系统成本;不同导频插入位置对算法的补偿效果会产生影响, 在较小采样频率偏移范围内时, 导频平均插入方式为最优.如果采样频率偏移量较大, 在导频平均插入不能很好地补偿的情况下,导频应尽量插在低频位置.

在相位敏感光时域反射计识别入侵事件中, 基于传统算法研究了时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断、特征量峰值比例判断相互结合的算法, 并从算法的识别准确率、实时性、复杂性、定位稳定性等角度, 衡量算法的优劣.实验验证发现, 时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断结合的算法识别入侵事件准确率最高, 达100%, 且实时性满足性能要求, 算法简单, 定位稳定性好.该算法在不同频率下振动事件中适用性较强, 可为相位敏感光时域反射计应用于安防监测领域的信号处理部分提供参考.

光纤珐-珀非扫描式相关解调系统的解调速度是限制其应用的一个关键问题.本文提出了基于超辐射发光二极管的快速光纤珐-珀非扫描式相关解调系统, 分析了该系统的光学模型和信号特性, 设计了基于小波包络提取的信号稳定性算法.理论计算表明: 噪声使系统采用最大值解调时有4.33%的误差, 而采用小波提取包络最大值解调算法能使解调误差仅为0.33%.研制了快速光纤珐-珀非扫描式相关解调仪, 并验证了该算法的可行性.当实验系统解调频率为1.5 kHz时, 采用该算法解调, 解调的腔长误差仅为5 nm.实验结果表明: 该方法有效地提高了系统的稳定性和解调准确度, 为快速光纤珐-珀非扫描式相关解调法的稳定解调提供了一种有效的算法.

基于有限元法, 设计了一种六边形排列含CdSe/ZnS量子点薄膜结构的高双折射光子晶体光纤, 分析了具有不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的色散及损耗特性.结果表明, 含CdSe/ZnS量子点薄膜结构的光子晶体光纤在x和y方向均存在基模.当泵浦光波长逐渐增加时, 具有相同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的双折射值逐渐增大, x和y方向总色散先增大后减小且存在两个零色散点, 损耗逐渐增大并在可见光波段趋近于零;具有不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤随CdSe/ZnS量子点薄膜厚度的增加, 在相同泵浦光波长处, 双折射值逐渐减小, x和y方向总色散逐渐减小且两个零色散点逐渐靠近, 损耗逐渐增大.通过沉积不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜和选择合适泵浦光波长, 可有效控制光子晶体光纤的色散和损耗.

为了更好地评价与研究受视宁影响的观测系统, 引入了基于功率谱的分析方法.使用不同截止频率以及衰减系数的卡曼谱来反演系统的中高频误差, 同时使用Zernike 多项式来表征系统低阶起伏, 结合这两种误差, 得到了系统误差的数值模型.最后, 通过分析实际波前叠加数值模拟大气扰动前后的功率谱, 验证了本方法评价受视宁影响的大口径系统的可行性.

依据Lambert-Beer定律, 推导出检测气体浓度的数学模型, 得出了测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式, 表达式中的二个常数的数值取决于气室长度、气体吸收系数、探测器的电压探测率, 经零点和满量程标准气样的标定, 可确定这二个常数的数值, 实现对仪器的标定.根据仪器零点随温度变化的关系, 得到零点与温度函数表达式, 用于零点温度补偿以及对零点温度补偿系数的计算;量程温度补偿方法是通过引入量程温度补偿因子, 对测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式进行修正, 修正后的函数表达式用于量程温度补偿, 也能对量程温度补偿因子中的补偿系数进行计算.矿用红外甲烷传感器采用本文的标定方法和温度补偿方法, 在不同的环境温度下, 对标准气样进行检测, 其检测结果符合红外甲烷传感器标准所规定的基本误差.

为了实现对高压电气设备的非接触温度监控, 设计了中远距离(0-1.5 m)非接触荧光光纤测温系统.该系统利用稀土荧光材料的荧光温度特性, 通过测量物体表面荧光物质的受激荧光寿命获得物体的温度信息;通过增加聚光透镜和聚光锥罩, 提高探测器接收到的光能量.实验获得荧光强度曲线及被测对象温度, 实现了对温度的非接触实时测量, 测量误差低于1℃, 满足高压电气设备的非接触温度监控要求.

基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术原理,结合种子注入Nd∶YAG脉冲激光器、ICCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗干涉仪, 建立了一套干涉瑞利散射速度测量系统, 系统的速度测量准确度为10 m/s.对拉瓦尔喷管产生的超声速自由射流开展干涉瑞利散射速度测量, 得到气流的流动速度为366 m/s.在不需要外加任何示踪粒子的条件下, 利用流场气体分子本身的瑞利散射, 实现了对超声速流场速度的非接触测量.

针对两节独立反相集总电极聚合物Y型耦合器电光开关响应速度慢的问题, 通过对该器件两节电光区的波导进行推挽极化, 设计了一种无偏置行波电极高速电光开关.为了获得低的驱动电压、良好的阻抗匹配和光波与微波间较小的折射率失配, 对电极参数做了设计和优化.通过对施加的方波开关信号做傅里叶变换并结合行波传输线理论, 给出了一种用于建模和表征器件高频响应的解析分析法.对该器件的数值计算结果表明, 在1 550 nm中心工作波长下, 其3 dB状态电压为0 V, 开关电压为2.68 V, 上分支状态电压和下分支状态电压分别为-1.34 V 和 +1.34 V,器件的插入损耗和串扰分别小于3.55和 -30 dB, 10%-90%上升时间和下降时间均为3.90 ps, 截止开关频率可达128.2 GHz.

为了获得较大的尖锐度, 提升微环传感器的灵敏度, 提出利用眼型谐振腔结构在下路端输出的非对称Fano谐振光谱, 眼型谐振腔由一个外环和内环构成, 外环与总线波导耦合, 内环与外环耦合.利用传输矩阵法对下路端输出光谱进行了数值计算, 在不同剩余电场比例系数下, 发现非对称Fano谐振峰的尖锐度随电场剩余比例系数的增大而增大;改变外环与总线波导间的场强耦合系数和内环与外环之间的场强耦合系数, 其尖锐度的最大值随外环和内环场强耦合系数变化缓慢增大, 尖锐度最大值处谐振点传输系数值在不同电场剩余比例系数和内外环场强耦合系数下稳定在－6 dB附近.因此利用眼型谐振腔结构下路端的Fano谐振峰, 可获得对耦合系数不敏感的尖锐度和谐振点传输系数, 降低器件对耦合区加工准确度的要求.

基于面积分方程的矩量法及其快速算法研究了复杂含核粒子对任意入射贝塞尔波束的散射特性. 将零阶贝塞尔束的矢量解和坐标系旋转理论相结合, 推导出任意入射贝塞尔波束电磁场分量的数学表达式. 根据等效原理, 建立了求解具有任意形状和复杂内部结构含核粒子散射问题的面积分方程. 对贝塞尔波束任意入射下一些复杂含核粒子的散射进行了数值模拟, 结果表明: 贝塞尔波束入射时的微分散射截面要小于平面波入射时的微分散射截面, 且随着半锥角的减小而增大;当波束中心的位置远离粒子中心时, 微分散射截面会减小;微分散射截面对波束的入射角非常敏感. 这为激光对微粒的探测、诊断以及操纵技术提供有益帮助.

为获得较好的谐波信号, 完成不同测量目的, 以DFB-760.77 nm波长处氧气监测为例, 通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值, 讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明: Sinmulink模拟值和实验值相关性较高, 当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.

为了改善980nm半导体激光器的输出光谱特性, 采用传输矩阵分析法推导了双布喇格光纤光栅谐振腔的传输表达式, 对布喇格光纤光栅长度和谐振腔腔长对输出光谱的影响进行模拟仿真, 结果表明布喇格光纤光栅长度对输出光谱的影响大于谐振腔腔长对输出光谱的影响, 加长布喇格光纤光栅长度能压缩输出光谱线宽.在980 nm半导体激光器尾纤上写入不同布喇格光纤光栅长度的双布喇格光纤光栅谐振腔, 验证了引入双布喇格光纤光栅谐振腔在压缩980 nm半导体激光器输出光谱线宽的同时改善了其输出光谱的稳定性.当环境温度在0-75℃范围内变化时, 980 nm半导体激光器输出中心波长仅变化0.06 nm.

在有效质量近似下, 计算了盘形量子点中离子施主束缚激子的结合能、光跃迁能、振子强度及辐射寿命.设盘形量子点由有限长的柱形ZnO材料组成, 四周被MgxZn1－xO包围, 离子施主局域在盘轴.考虑了由于自发极化和压电极化引起的内建电场效应, 并在有限深约束势下采用合适的变分波函数进行.计算结果表明, 量子盘结构参数(盘高度及垒中Mg组分)和离子施主的位置对离子施主束缚激子的结合能、光跃迁能、振子强度及辐射寿命有强烈的影响.随着盘高度的增加, 结合能、光跃迁能和振子强度减小, 而辐射寿命增加.对含Mg量较高的盘形量子点, 盘高度对结合能、光跃迁能、振子强度及辐射寿命的影响更显著.当施主杂质位于量子点的左界面附近时结合能(光跃迁能)有极大(极小)值, 而当施主杂质位于量子点的右界面附近时结合能(光跃迁能)有极小(极大)值.

采用气相刻蚀制绒法研究金刚石线锯切割多晶硅片制绒.加热体积比1: 3、总体积400 mL的HF-HNO3酸混合溶液到90 ℃, 使酸混合溶液受热产生气相, 利用气相对金刚石线锯切割多晶硅片表面进行制绒.结果表明, 制绒15 min之后, 硅片表面的切割纹被完全去除;小腐蚀坑密布硅片表面, 尺寸小于1 μ m, 而传统湿法酸制绒所形成的腐蚀坑尺寸大于10 μ m.气相刻蚀后的金刚石线锯切割多晶硅片表面的微观粗糙度比传统酸混液制绒后的金刚石线锯切割多晶硅片表面的微观粗糙度高3倍多.气相制绒效果明显, 并仅有12.11%的低反射率.

为了获得纳米晶之间以及单个纳米晶内部本体态至缺陷态两种能量转移在不同温度下对发光强度的影响, 测量了碲化镉纳米晶层发光光谱随温度(78～300 K)的变化情况.碲化镉纳米晶层发光光谱显示: 碲化镉纳米晶层在低温下有明显的本体(约520 nm) 和缺陷(约605 nm) 发光, 且发光强度随温度的改变呈现出不同的变化规律.在温度变化的第一阶段(78～140 K), 大尺寸碲化镉纳米晶发光效率高、表面缺陷少, 小尺寸纳米晶至大尺寸纳米晶间的能量转移使得纳米晶本体发光强度逐渐升高、缺陷发光强度迅速降低.在温度变化的第二阶段(140～300 K), 随着温度的升高, 无辐射跃迁几率的增大使得碲化镉纳米晶缺陷态和本体态发光强度均逐渐降低.因此, 能量转移仅在温度变化的第一阶段对发光强度的影响起主要作用, 在第二阶段起次要作用.为了进一步验证能量转移对发光强度的影响, 将碲化镉纳米晶用聚乙二醇包裹以减少纳米晶间的能量转移;将纳米晶层的干燥过程放在近真空环境下进行以减少单个纳米晶内部本体至缺陷态的能量转移.光谱结果显示在温度变化的第一阶段, 这两种方式下得到的纳米晶层发光强度均逐渐降低, 能量转移对发光强度的影响不再起主要作用.证实了能量转移对发光强度的影响规律的合理性.

实验采用高温熔融法制备了一系列Dy3+离子、Tb3+离子单掺或共掺氟氧碲酸盐玻璃样品.测试了不同摩尔含量的Dy3+离子和Tb3+离子的氟氧碲酸盐玻璃样品的密度, 分析了紫外-可见透射光谱、激发光谱、发射光谱、发光衰减曲线, 研究了不同摩尔含量的Dy3+离子和Tb3+离子的氟氧碲酸盐玻璃样品光谱性能及Dy3+离子到Tb3+离子能量传递机理.结果表明: Dy3+离子、Tb3+离子单掺或共掺氟氧碲酸盐玻璃样品的密度均大于5 g·cm－3, 最大可达6.09 g·cm－3;Dy3+离子可以敏化Tb3+离子, 促进其发光, 但当Dy3+离子超过一定浓度后, 会发生离子间浓度猝灭效应, Tb3+离子的发光反而降低.试验测得, Dy3+离子的最佳掺杂浓度为1.0 mol%, 此时, Tb3+离子掺杂浓度为6.0 mol%, Tb3+离子发光效果最强.依据Dexter能量传输理论, 并对Dy3+离子和Tb3+离子的能级图及能级间的跃迁进行分析, 可知Dy3+离子和Tb3+离子间的能量传递方式为非辐射共振传递.

人眼波前像差随时间涨落会引起人眼光学性能和视觉功能的改变.采用改进的Hartmann-Shack波前传感器人眼像差仪对10只屈光度为0 D-－5.0 D、直径为3 mm和6 mm的人眼瞳孔的波前像差进行测量, 其中每只人眼在5 s内连续测量125次, 测量频率为25 Hz.为确定测量过程中是否引入人为像差, 对人造眼3 mm和6 mm瞳孔的动态波前像差进行测量比对.结果表明: 所测量的10只人眼3 mm和6 mm瞳孔总的Zernike波前像差均方根涨落幅度的平均值分别为0.087 μm和0.105 μm, 均大于Marechal衍射极限;Zernike第3阶到第7阶波前像差均方根涨落幅度随像差阶数的递增而下降, 涨落幅度为0.06-0.02 μm;人眼波前像差的涨落频率达6 Hz.

研究了绿色硫细菌中捕光天线复合物Fenna-Matthews-Olson的一个子单元和反应中心的能量传递.通过细菌叶绿素分子的能量和耦合强度, 构建了包含反应中心的哈密顿量及约化模型.通过级联运动方程研究了不同分子间和反应中心的激子布居演化.计算了Fenna-Matthews-Olson及其约化模型的二维三阶光子回波谱, 获得能量传输过程中不同激子态间的相干性.结果表明在能量捕获过程中, Fenna-Matthews-Olson复合物存在冗余结构.

以咔唑为电子供体, 苯并噻唑为电子受体, 合成了两种新型咔唑-苯并噻唑衍生物3-(2-苯并噻唑-2-基乙烯基)-N-乙基咔唑和3,6-二(2-苯并噻唑-2-基乙烯基)-N-乙基咔唑, 通过核磁共振和分光光度计对其结构进行表征.利用刮刀法制备质量分数为4%的衍生物/聚酰亚胺的复合薄膜.采用透射光谱法和单光束Z-扫描技术分别测试了衍生物的线性和三阶非线性光学特性. Z扫描实验结果表明3-(2-苯并噻唑-2-基乙烯基)-N-乙基咔唑薄膜的非线性吸收系数和非线性折射系数分别为β1=－2.118 9×10－10 cm/W、r1=2.285 2×10－14 cm2/W, 具有反饱和吸收特性和自聚焦效应;同时3,6-二(2-苯并噻唑-2-基乙烯基)-N-乙基咔唑薄膜的非线性吸收系数与非线性折射系数分别为β2=－1.275 6×10－9 cm/W、r2=－7.039 9×10－14 cm2/W, 具有反饱和吸收特性和自散焦效应.

针对孤子串在传输过程中发生周期性碰撞, 导致信息串扰的问题, 提出采用准确度较高的辛普森公式近似地改进对称分步傅里叶变换, 对孤子串的传输特性及传输过程进行数值模拟.实验结果表明, 当初始半间距为2.5时, 对于孤子对、三孤子、四孤子、五孤子和六孤子而言, 只考虑自陡峭效应且自陡峭系数都为0.02时, 或者只考虑自频移效应且自频移系数分别为1、1、3、2、1.5时, 都能有效地减少孤子间的碰撞, 增加孤子碰撞前的独立传输距离, 当同时考虑自陡峭效应和自频移效应时, 自频移效应占主导作用.

设计了一种宽谱段、大视场、轻小型成像光学系统.系统焦距为35 mm, 相对孔径为1∶7.5, 工作谱段为0.4-0.9 μm, 全视场为2ω=60°, 采用复杂化双高斯结构, 透镜面形均采用球面设计, 实现系统总长115 mm, 在70 lp/mm处, 最低光学传递函数大于0.45.利用负畸变法、像差渐晕法改善广角系统像面照度均匀性, 使像面边缘视场照度达到中心视场的80%.像面照度不均匀性为8%, 系统热光学性能良好, 在0-40℃范围内均有较好的像质, 满足深空探测需求.

针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题, 基于边缘光线理论和网格划分法, 设计了内曲面为椭圆型, 外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散, 外曲面对出射光线方向进行控制, 实现大角度均匀照明, 并减少全反射损失, 提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真, 并利用反馈优化法对外曲面进行优化, 提高近场的照度均匀性.研究表明: 在相同近场距离条件下, 出光角度为143°、151.8°时, 单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40, 出光效率为92.0%和80%, 而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85, 出光效率为98.8%和95.0%, 照明效果明显改善.

为解决光伏电池双二极管五参数模型中参数辨识准确度低的问题, 提出了一种人工蜂群算法.该方法采用曲线拟合来求取参数, 用求出的电流计算值来比较标准化的均方根误差百分比.采用变量替换法, 使双二极管模型方程中指数因子只含一个变量, 通过编程求解电流的计算值.运用蜂群算法和牛顿-拉夫逊法求得标准化的均方根误差百分比为0.011 7%和6.35%.实验及分析表明蜂群算法的优化准确度明显优于牛顿-拉夫逊解析法、遗传算法、模式搜索算法和模拟退火算法, 为光伏电池参数辨识提供了一种新的思路.

通过对相干光通信平衡探测器原理及关键技术进行分析,设计了一套高速平衡探测系统,并在室内构建了相干光通信测试平台.测试实验发现: 该平衡探测器可以实现不同速率的相干探测,可为相干光通信提供有利的条件.在2.5 Gbps通信速率下直接探测时,单管灵敏度可以达到-26 dBm,动态范围为-26-3 dBm;在本振光为3 dBm时,相干探测的灵敏度可以达到-46.5 dBm,动态范围为-46.5-3 dBm.

盖革模式工作的雪崩光电二极管, 以其灵敏度高著称, 广泛应用于天文观测、粒子物理学、激光雷达以及通信领域.但是由于雪崩光电二极管易受到噪音的影响, 特别是在背景光较亮的白天, 背景噪音对探测有很大影响.本文针对白天大气背景噪音的情况, 建立了盖革模式雪崩光电二极管的探测统计模型, 通过设定不同探测器阈值和噪音值进行仿真计算, 分析了探测阈值与噪音对虚警率的影响, 给出了提高最远探测距离的途经与方法.通过限制滤光片带宽、减小探测器开启时间等方法可以将背景噪音光子数减小到2, 在900 km处的探测成功率为96.6%.对雷达散射截面为1 m2的非合作目标, 探测成功率为70%.

根据广义惠更斯-菲涅尔原理和Collins公式, 基于复高斯函数展开法, 推导出椭圆偏振的高斯-谢尔模型光束经过矩形光阑衍射后的交叉谱密度公式, 结合斯托克斯矢量理论推导了椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在接收平面的光强、偏振度、方位角和椭圆度的表达式, 数值分析了光阑的孔径遮拦比对光强、偏振度及方位角和椭圆度的影响.结果表明, 光阑的孔径遮拦比在近场区对经过光阑后椭圆偏振高斯-谢尔模型光束的光强和偏振特性有显著影响;随着传输距离的增大, 光强和偏振特性受孔径遮拦比的影响减小, 光强和偏振特性变化平稳.

将谱单元法与精细积分法相结合求解各向异性介质的波导不连续问题.从矢量波动方程的单变量变分形式出发, 采用基于Gauss-Lobatto-Legendre多项式零点作为插值结点的谱单元, 对含有各向异性介质波导的横截面进行离散, 然后将问题导入哈密顿体系利用精细积分法进行求解.由于采用了谱单元法, 在单元网格数较少时, 可获得高准确度的计算结果;又由于利用了精细积分法, 结构的纵向长度可以任意设定, 克服了当人工边界设置在离介质块较远处时, 计算量不断增加的缺点.研究表明半解析谱单元法可有效地应用于各向异性介质的波导不连续问题, 在提高准确度的同时可大量节省计算时间.

提出了一种多参量调控角向偏振光束焦场强度和横向能流的方法.基于矢量衍射积分理论, 数值模拟了非均匀螺旋相位和旋转对称振幅挡板调制下角向偏振光束的聚焦特性, 讨论了螺旋相位结构和对称振幅挡板联合调制下, 角向偏振光束焦场横向能流和偏振态的分布.结果表明: 非均匀螺旋相位的引入改变了光场的聚焦特性, 导致聚焦场重心产生了偏移;在偶数重旋转对称振幅挡板的联合调制下, 焦场中出现了局部的椭圆偏振态和圆偏振态, 且焦平面上出现了横向能流;通过调节螺旋相位, 不仅可以实现焦场重心的特殊控制, 还能进一步丰富焦场偏振态和横向能流分布.这种基于多参量调控焦场强度和能流分布的方法为实现操控特定区域的粒子提供了新的思路.

受近期Gawhary和Severini在Opt.Lett.33,1360(2008)一文中引入的光束近轴度的启发, 定义了一个独立于光束近轴度的衍射度参数来描述单色光束的衍射扩散程度, 所定义的衍射度只依赖于光束的角谱分布, 并可以定量比较不同光束的衍射扩散程度.