采用双次通过声光调制器和“猫眼”结构, 消除频率调制带来的光路偏转并增大激光频率的调谐范围, 使用射频驱动功率反馈调节法实现了激光功率的稳定.理论计算和实验验证表明, 选择焦距为40 mm透镜方案, 激光频率调谐在160 MHz时, 系统整体光纤耦合效率达到了56.8%.在保证系统光利用率大于15%时, 系统的有效频率调谐范围为100 MHz.通过功率稳定系统, 在频率调谐60 MHz的变化范围内, 输出光功率波动控制在±0.07%以内并能保持长期稳定工作.

针对空间粒子环境对X射线通信系统的影响, 分析了空间带电粒子, 尤其是高能电子与X射线通信的收发天线--多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用产生荧光X射线的过程；使用蒙特卡洛软件MCNP仿真了电子与聚焦光学相互作用, 产生荧光X射线光子的量子效率；建立了电子枪与多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用的数学模型并搭建相关实验平台, 使用具有高能量分辨率的硅漂移探测器实测了荧光X射线的数量和能量分布, 计算了荧光X射线光子对X射线通信系统信噪比的影响.实验与计算结果表明: 在入射电子流量为1×108 cps/cm2/s量级, 能量1~20 keV时, X射线通信系统的信噪比优于15.1 dB.多层嵌套式X聚焦光学可以有效地滤除空间电子对X射线通信的干扰, 提高信号增益.

为了改善光纤电流互感器温度性能, 设计了引入保温腔体的光纤环传感头结构.在光纤环受温度扰动引起的热致相位差基础上, 推导并建立了光纤电流互感器系统输出误差离散化数学模型, 利用有限元分析软件分别建立了光纤环自身和光纤环配合保温腔体的有限元模型, 仿真分析了在不同温度载荷下, 保温腔体的热性能和采用设计的传感头光纤电流互感器的温度性能.仿真实验结果表明: 所设计的保温腔体能有效控制光纤环中各匝光纤的温度变化范围, 减缓光纤的温变速率, 均化光纤环温度场；采用设计的传感头的光纤电流互感器系统输出误差范围明显减小, 有效提高了系统测量精度.这对高精度的光纤电流互感器的制作和应用具有重要意义.

提出了一种基于光切法的曲面划痕测量方法, 相对传统光切法, 能有效地提高划痕测量的精度.对传统光切法测量存在的不足进行分析, 对曲面上划痕的测量误差进行分析建模及仿真.结果表明, 传统光切法对曲面上划痕的测量误差会随着曲率半径和划痕宽度的变化而变化.实验选取不同曲率半径的精密零部件, 对其表面的划痕进行测量.发现当曲率半径越小, 划痕宽度越大, 传统光切法对划痕深度测量的误差越大, 而用本文所提方法测量的结果精度越高, 当曲率半径小于10 mm, 划痕宽度大于283 μm时, 利用该方法能减小超过1 μm的测量误差.

为了能够精确地测量线性渐变滤光片的光谱特征参数, 提出一种线性渐变滤光片的透过率检测方法.该方法在测量时, 用光谱仪分别采集滤光前和滤光后的光信号, 计算得到测量点的光谱透过率.调节微动位移平台, 对滤光片样品进行多点扫描测量, 数据处理后, 得到线性渐变滤光片的光谱特征参数.推导了测试光谱透过率的理论公式, 仿真结果表明该方法的测量精度随着线性色散系数的增大而减小, 在线性色散系数小于1.5 nm·mm-1时, 该方法测量的中心透过率和带宽的误差小于0.4%.根据该测量方法设计了相应的检测系统, 实际测量了线性渐变滤光片的光谱特征参数.

为测量红外模拟探测器量子效率, 搭建了基于参量下转换效应的测量系统.利用光学参量振荡器调谐输出的2 576.5 nm波长连续激光束作为泵浦源、ZnGeP2晶体作为非线性晶体, 获取了3.42 μm和10.4 μm的相关光子对.实验中通过将采集到的两个通道的光电流/电压信号转换为等效光子计数, 并利用两光路平衡测量的方法对每个模式的平均光子计数进行校正, 实现了碲镉汞红外模拟探测器在10.4 μm处的绝对功率响应度定标, 得到了相对合成不确定度优于4.53%的定标结果.

光场相机通过一次曝光可以获取空间目标的位置和方向信息, 具有重聚焦和多视角的特性, 利用光场的这些特性可以进行视觉测量.本文对光场极平面图像视觉测量、重聚焦视觉测量、双目视觉以及多目视觉测量方法的测量原理和误差影响因素进行了理论分析, 并通过实验验证了光场视觉测量误差跟不同视角基线长度, 主透镜焦距大小, 目标离相机的实际距离等结构参量的关系；理论分析和实验结果表明, 由于相机基线较短, 远距离测量误差较大, 近距离测量具有较高的精度；在光场微透镜阵列大小有限条件下, 采用多个视角组合的测量方法具有更高的测量精度.

为了提高小范围回转轴系测角误差的测量精度, 用自准直经纬仪测量测角误差的原理和方法, 对影响测量结果的误差源进行了分析, 仿真结果表明被测轴系轴线倾斜角度是最主要的误差源.基于误差模型提出了利用最小二乘估计辨识失调参数进而分离引入误差的方法, 以实现测角误差的高精度测量.以精度为2″的单轴位置转台为受检对象进行实验验证, 相比常规方法的测试结果－309.1″~428.6″, 本文方法的测试结果为－0.89″~1.01″和－1.01″~0.93″, 测试误差为0.70″和0.78″, 消除了设备失调引入的测试误差.该方法具有设备简单、操作便捷, 可实现小范围回转轴系测角误差的高精度测试, 解决小范围回转轴系工程测试难题.

为实现玻璃折射率快速、高精度测量需求, 提出一种基于机器视觉的玻璃折射率测量方法.推导了玻璃折射率测量数学模型, 采用自准直平行光管实现传统V棱镜平行光管的功能, 同时对V槽的装卡倾角进行正交性校准；双CCD结合棱镜分光实现大视场拼接, 运用图像处理技术直接测量折射光线的偏折角.搭建试验样机, 并与传统V棱镜折射仪和数字化V棱镜折射仪进行对比.结果表明测量精度优于±2×10-6, 测量速度少于10 s.测量精度和测量时间都优于前两者, 对实现快速、高精度光学玻璃折射率测量具有实际意义.

设计了由负轴棱锥、折射率匹配液、正轴棱锥组成的浸液式组合轴棱锥.理论分析表明: 浸液式组合轴棱锥系统与传统轴正棱锥等效, 同时可有效提高最大无衍射传输距离；系统产生的最大无衍射距离与负轴棱锥的底角、折射率, 匹配液的折射率, 正轴棱锥的底角和折射率这五个量有关, 极大地增加了系统设计的灵活性, 拓展了光学材料的选择范围, 降低了光学元件的加工难度.

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求, 提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法, 并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时, 利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法, 求出椭圆光斑长短轴的轴长, 通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状, 直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值, 将差值转为闭环控制的步进电机调整步数, 实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中, 结果表明, 远场指向精度优于0.033″, 优于目前高功率激光准直系统准直效果, 提高了激光光束的指向性精度.

利用单层六方BN材料(hexagonal BN:hBN)作为成核层, 用金属有机物化学气相沉积法生长AlN薄膜, 得到应力小裂纹少的外延材料。实验中, 对hBN材料进行人为表面化学修饰, 以增加hBN的缺陷和后续AlN生长的成核中心。对比分析了有无hBN成核层时生长的AlN薄膜质量, 证实了hBN有助于减少AlN外延层中的裂纹, 空气孔隙及应力。研究了V/III生长参数对AlN薄膜表面形貌、晶体质量和应力的影响, 得到合适的生长窗口, 获得完全无应力的氮化铝外延层, 且其位错密度与蓝宝石上生长的氮化铝相当.

结合反应离子刻蚀法和掩膜法在n型硅片表面制备出圆锥状结构黑硅, 利用湿法氧化法在硅片表面氧化出一层超薄SiOx, 采用磁控溅射法在其表面沉积一层掺锡氧化铟(IndiumTinOxide, ITO)薄膜, 在黑硅衬底上制备出ITO/SiOx/n-Si太阳电池。通过硅片表面纳米结构, 增加光吸收, 进而提高电池转化效率。研究结果表明, 在不同衬底温度下沉积ITO时, 薄膜都呈现出了良好的光学和电学性能.250 ℃时, ITO薄膜性能最优, 在400~1 000 nm波长范围内, 平均透过率达到93.1%, 并展现出优异的电学性能.通过优化H2O2预处理时间, 减小了SiOx层中氧空位缺陷, SIS电池短路电流得到明显提高, 从未处理前的26.84 mA/cm2提升到经H2O2处理15 min后的34.31 mA/cm2.此时, 电池性能最优, 转化效率达到3.61%.

为了实现聚焦光学系统中元件公差的自动分配, 在实验室自主研发的OTS实际光线追迹软件平台构建公差分析模块, 并据此完成元件公差的优化.依据光学矩阵理论, 以公差的线性模型为基础, 从评价函数、元件公差分配和反馈系数三个方面研究公差优化问题, 结合蒙特卡罗方法和数值分析, 有效的为各光学元件制定了合理的加工公差.采用结合元件敏感度的公差分配方式, 根据现存的问题提出自适应优化法, 并给出了相应实现方法.搭建了多元件双通光学系统验证实际情况中公差模型的正确性.实例计算表明, 该方式使优化平均迭代次数下降了两轮, 相比Zemax分析过程, 在结果差异不大的情况下总运行时间下降了40%, 表明了算法的合理性.整个分析流程对实际的光学系统加工装配具有一定参考价值.

为了进一步提高超分辨卫星载荷光学系统的空间分辨能力, 需对系统杂散光进行抑制, 以得到准确的原始图像.通过光线追迹方式, 分析了系统杂散光, 确认了杂散光的来源.通过Tracepro定量化分析和结构有限元分析, 在限制范围内, 不断优化、改进遮光罩尺寸及挡光环位置, 得到光学系统视场外点源透射比均在10-3以下, 验证了该杂散光抑制方案的有效性, 为卡塞格林光学系统的工程应用提供参考.

提出了一种基于瑞利-索末菲衍射理论的设计方法, 用于近场大衍射角衍射光学元件的设计.研究在大衍射角条件下, 衍射光学元件面和输出面采样点之间应满足的空间位置关系.采用无远场和傍轴近似的正、逆向衍射计算方法对传统盖师贝格-撒克斯通算法进行改进, 得到近场大衍射角衍射光学元件的设计方法.以“田”字形目标光强为例, 将传统设计方法、现有大衍射角衍射光学元件设计方法和本文提出的设计方法进行对比, 结果表明: 在近场区域, 本文方法可以准确重构出大衍射角衍射光学元件的目标光场, 其他两种方法则会导致重构光场产生明显的畸变或者模糊化.

根据双波段消热差理论设计了大视场消热差红外双波段光学系统.系统为4片式反远结构, 包括一个衍射面和一个非球面, 设计波长为3.5~4.8 μｍ/8~12 μｍ, 焦距为8 mm, 全视场80.2°, F/#为2, 系统出瞳与冷光阑严格匹配, 满足100%冷光阑效率.根据消热差条件和波段间消色差条件, 得出4片分离薄透镜光焦度分配的解, 进一步建立了三维投影消热差图, 据此合理选择光学材料.根据环境温度要求, 利用光学被动式消热差的方法实现了系统在－40~60℃的温度变化范围内的消热差设计.结果表明, 系统在环境温度变化范围内成像质量良好, 实现了光学系统无热化.

太阳模拟器是利用人工光源模拟太阳光辐照的设备, 滤光片作为太阳模拟器中的重要元件, 对其光谱精度要求也越来越高.本文通过建立数学模型, 引入新的评价函数, 设计了0.4~1.1 μm波段五个不同分光要求的阶梯式补偿滤光膜.并在薄膜制备过程中, 应用最小二乘法原理对实验数据进行拟合, 找到了残余蒸镀量与膜层厚度之间的关系, 解决了残余蒸镀对薄膜的光谱影响, 最终制备出的薄膜符合使用要求.

设计了一种采用锥形渐变不对称耦合结构的模式复用/解复用器, 并利用商用的0.18 μm互补金属氧化物半导体兼容工艺进行制备.通过控制锥形波导的宽度, 基于模式有效折射率匹配原则, 实现锥形波导中的基模与多模波导中的高阶模式相互转化.测试结果表明: 当器件用于TE0、TE1和TE2三个模式复用与解复用时, 在1 530 nm到1 570 nm波长范围内, 串扰低于-8.05 dB；而当器件复用与解复用TE0和TE2时, 串扰低于-16.43 dB.

为了填补我国学术界和产业界在压贴三棱镜的国产化设计、制作以及测试等方面工作的空白, 研究了压贴三棱镜镜片结构设计理论, 并推导了压贴三棱镜镜片透过率以及畸变的计算公式, 数值模拟了不同材料、不同棱镜度数的压贴三棱镜的透过率以及压贴三棱镜的畸变情况.数值模拟结果表明: 与现有PVC材料相比, PMMA材料具有更大的阿贝系数和更小的材料吸收率, 是一种制作低成本压贴三棱镜的理想材料.利用金刚石切割工艺制作出精密的压贴三棱镜模版, 模版的表面光洁度达到14级, 并采用热压工艺, 在温度为180 ℃压力为130 kg/cm2的工艺参数下制作出不同棱镜度数的压贴三棱镜样片, 验证了以PMMA材料为基材、采用热压工艺制作压贴三棱镜的可行性.为了测试压贴三棱镜样片的实际棱镜度(Δ), 自主设计并搭建了压贴三棱镜棱镜度测量系统.实验结果表明: 对低(10Δ)、中(20Δ)、高(30Δ)三组压贴三棱镜样片的棱镜度测试结果与理论值的偏差分别为0.01Δ、0.04Δ和0.02Δ.所有样品的棱镜度偏差均符合国家医用棱镜的标准.因此, 所制作的压贴三棱镜样片具有较高的光线偏折精度, 为治疗儿童斜视疾病提供了一种高质量、低成本的产品方案.

为了解决像增强器在高重频下的成像应用问题, 建立了像增强器高重频特性成像实验平台, 并开展了ICCD相机双帧成像与曝光时间、双帧延迟时间之间关系的实验研究.实验结果表明ICCD相机第二帧成像问题是由第一帧曝光时像增强器饱和造成的, 增大CCD的AD采样增益可避免灰度值反转现象和“浮雕”效应.本文研究可为像增强器在高重频条件下的成像应用提供理论和实验依据.

当基于微通道板(MCP)的光电探测器受到强辐射干扰时, MCP的饱和将导致探测器的时间分辨率和空间分辨率发生改变.本文建立了饱和工作状态下MCP电子云运动仿真模型, 与常规的线性工作状态的不同之处在于, 该模型考虑了MCP通道壁上累积的正电荷对通道内电子云运动特性的影响.仿真结果表明, 当MCP工作在线性状态, 电极浸入深度的不同对通道电子云能量分布有很大差异, 而工作在饱和状态, 通道电子云能量分布趋于一致.电子能量分布曲线与相关文献的实验数据拟合良好, 验证了模型的正确性.

提出一种基于多个并行Sagnac环梳状滤波器实现波长编码的方法, 可用于孤子自频移全光模数转换的光学编码.仿真结果表明: 该方法在1 601 nm~1 707 nm孤子自频移波段成功实现了5 bits的光学编码, 最大微分线性误差和积分线性误差分别为0.088LSB和0.482LSB.与其他波长编码方式相比, 该方法结构简单、工作波长范围宽, 并且具有非常好的编码位数扩展性.

对不同氧化孔径尺寸的高速, 低能耗的垂直腔面发射激光器(VCSEL)进行了相对强度噪声(RIN)分析.小氧化物尺寸孔径的VCSELs器件更适用于低能耗数据传输, 且RIN特性与低能耗性能没有冲突.实验结果表明, 适合低能耗、高温度稳定性工作的小氧化孔径VCSELs器件同时表现出较好的噪声性能.高速低能耗VCSEL能够满足32GFC光纤通道标准的RIN要求, 在将来的高性能计算机应用中具有巨大优势.

建立了单载流子传输双异质结光敏晶体管的小信号等效电路模型.分析了单载流子传输双异质结光敏晶体管光生电流的产生机制, 并将其作为基极电流的一部分, 引入到小信号等效电路中.分析了单载流子传输双异质结光敏晶体管中单载流子传输的输运方式对光跨导、发射结电阻、发射结结电容和集电结结电容的影响.基于所建模型, 研究了InP基单载流子传输双异质结光敏晶体管的光特征频率和光电流增益受光窗口面积和入射光功率的影响.结果表明, 在同样入射光功率下, 存在一个最佳的光窗口面积使得光特征频率获得最大值, 最佳光窗口面积随入射光功率的增加在一定面积范围内发生偏移.在固定光窗口面积(8×8 μm2)条件下, 随着输入光功率的增加, 光特征频率先增大后减小, 在280 μW时达到最高值150 GHz, 光短路电流增益也随着光功率的增加而逐渐增加, 在入射光功率750 μW时达到饱和, 饱和增益为82 dB.

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布, 提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究, 即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向, 在垂直方向将其分为无穷多层, 令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀, 结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数, 计算激光在每层气溶胶中的透过率, 最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明, 与Kim经验公式及Mie理论模型相比, 由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值, 其平均相对误差降低了一个数量级, 仅为3.5%, 表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式, 利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真, 发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上, 高轨卫星的探测成功率仅为15%, 可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能, 为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.

以标准球作为测量基准, 以线扫描激光传感器作为测量手段获取透平叶片的全数据测量点云.测量设备采用四坐标测量机搭载激光线扫描传感器的方式, 以保证叶片的测量效率, 并兼顾测量机的控制准确度.通过测量机获得透平叶片的点云数据, 并对获得的截面点云数据进行误差补偿、去噪、简化等预处理操作, 利用非均匀有理B样条曲线拟合算法得到叶片特征曲线.实验结果证明该方法可以有效地提高叶片前后缘的重构准确度, 并为叶片的三维建模提供更为准确的原始数据.

报道了一种采用中红外室温连续带间级联激光器(ICL)的高精度大气甲烷检测系统.使用的ICL激光器的发光波数范围为2 998.4~2 999.6 cm-1, 覆盖甲烷在2 999.06 cm-1处的较强吸收峰.为增强气体吸收, 采用容积为220 mL、吸收光程为54.6 m多通池作为气体吸收池.采用LabVIEW平台和数据采集卡, 产生激光器扫描及调制信号, 同时获取探测器信号并采用数字运算提取二次谐波.实验结果显示, 当传感器系统的平均采样时间为3.3 s时, 传感器系统的阿伦方差为11.2 ppbv.采用该系统对实验室内外空气中甲烷浓度进行了长时间的测量, 证实该传感器系统具有较强的工程实用价值.

复合染色方法可以解决传统宫颈癌联合筛查无法在同一张涂片上实现的问题。针对复合染色带来的DNA吸光度干扰和色彩还原失真等问题, 本文建立了一套多波段光源的显微光谱成像系统.组合光源的设计兼顾彩色图像的还原和吸光度模型的建立, 采用多元线性回归法建立多光谱剥离模型, 利用该模型从混叠的多光谱图像中剥离出福尔根染料的真实吸光度用于DNA定量分析, 同时合成符合医生诊断习惯和要求的伪彩色图像. 实验结果表明: 选用的四个波段的光源的带宽为12 nm/12 nm/14 nm/19 nm, 是符合要求的窄带单色光；以显微测微尺为标尺, 以原光源测量参数为标准, 测得组合光源的光斑偏移量最大不超过3个刻度, 其平行度和同轴度满足成像系统要求；合成的伪彩色图像颜色明亮饱满、背景干净, 不会对阅片医生诊断造成干扰和障碍；吸光度剥离模型可以成功将福尔根染料真实吸光度剥离出, 能够准确计算DNA含量.选用小鼠肝脏涂片作为测量标本, 测量计算的DI值符合肝细胞多倍体性的特点；选择宫颈阳性样本进行对比实验, 两种方法测得的二倍体细胞和四倍体细胞DI值相吻合.本系统具有较高的准确性和可靠性.

基于水质中石油类污染物的强荧光特性, 构建了荧光检测实验系统, 分别以50种不同浓度的汽油、柴油、煤油和机油的水溶液为测量样本, 分析了其荧光特性.由于四者荧光峰位置相似, 很难直接识别, 提出了一种运用神经网络进行模式识别的新方法, 将主成分分析法(PCA)和可拓神经网络(ENN)相结合对输入矢量进行降维并进行分类识别.结果表明, 该方法与ENN和PCA-BP算法相比, 迭代数由265降低到60；识别离差平方和由0.236 5降到0.014 5；识别效率由72.50%提升到96.25%；识别精度可达10-6级别.PCA-ENN算法具有较高的识别精度和识别效率, 同时也可用于水质中其它痕量有机物质的光谱识别.