为了检测柴油煤油混合油的折射率特性, 利用耦合模理论分析长周期光纤光栅折射率传感特性, 建立长周期光纤光栅中心波长、透射谱峰值损耗与混合油品中柴油含量的关系.结果表明: 在混合油中, 随着柴油含量的增加, 长周期光纤光栅波长发生蓝移, 当柴油含量达到使混合油折射率等于包层折射率时, 中心波长漂移最大, 柴油含量每改变1%, 中心波长平均漂移0.622 7 nm; 柴油含量继续增加, 混合油折射率大于包层折射率时, 光栅中心波长基本保持不变, 但是峰值损耗逐渐增大,带宽减小, 之后柴油含量每增加1%, 峰值损耗线性增加0.154 6 dB.该方法在检测混合燃料各组分含量具有潜在的应用前景.

针对大容量光纤通信系统, 设计了一种实用化的椭圆纯硅芯少模光纤, 给出了光纤的设计原理与参考标准, 运用全矢量有限元法结合完美匹配层边界条件分析了光纤的传输特性.在1.4~1.65 μm波长处, 光纤处于稳定的HE11和HE21双模运转, 模式有效折射率差大于1.8×10-3, 避免了模间耦合和串扰; 在工作波长1.55 μm处, HE11和HE21模的色散系数分别为19.61和4.41 ps/(nm·km),色散斜率分别为0.048和0.002 ps/(nm2·km),模场面积分别为97.17和143.96 μm2,模式的衰减系数均小于0.21 dB/km.该光纤的传输特性基本符合G.652和G.655光纤标准, 可利用现有成熟的“预制棒拉丝工艺”制备, 同时与波分复用技术相结合可以成倍提升光网络的传输容量, 对于下一代通信网络带宽的提升具有重要意义.

为了适应矿井、大坝对渗压监测的需要, 提出一种活塞和菱形传压结构相结合的光纤布喇格光栅渗压传感器, 活塞把测试压力传递到菱形传压结构, 菱形传压结构拉动其上下对称连接的弹性钢片, 导致粘贴在弹性钢片上的光纤布喇格光栅中心波长产生变化.利用有限元方法在500 kPa的测试环境中对顶角分别为90°、110°、130°、150°情况下菱形传压结构的应力特性进行分析, 根据仿真参量研制了渗压传感器, 并对该传感器进行了压力标定试验和温度补偿试验.实验结果表明: 传感器对渗压的灵敏度为2.04 nm/MPa, 拟合度为0.997, 重复性为0.9%, 两个测压光栅温度灵敏度分别为0.023 33 nm/℃、0.021 68 nm/℃, 温补光栅为0.009 916 nm/℃.

为了解决流固耦合模态使水听器工作频带变窄的问题, 理论分析了流体对双膜片结构的分布反馈式光纤激光水听器固有频率的影响, 基于有限元软件对水听器加固封装前后在空气中和流体中的模态和频响性能进行仿真分析, 加工制作了水听器原型样品并开展了水声实验研究.实验结果表明, 在2 500～8 000 Hz的频率范围内, 未经加固封装的水听器由于在该频段内存在多个流固耦合固有频率造成响应曲线起伏较大, 而采取了加固措施封装后的水听器获得了-142.77±0.8 dB的平均声压灵敏度, 验证了流体对水听器频响性能的影响以及改善措施的有效性, 实验结果与理论及仿真结果吻合较好.

结合伪逆关联成像和迭代去噪关联成像, 提出了关联成像目标重构的伪逆迭代方法.该方法以伪逆关联成像重构结果为初始值, 选取合适的与噪声干扰相关的阈值, 通过迭代运算逼近实际的噪声干扰, 最终抑制噪声并提高重构图像的峰值信噪比.以峰值信噪比和相关系数为衡量标准, 将伪逆迭代关联成像的重构结果与差分关联成像、伪逆关联成像进行对比分析.仿真实验结果表明, 伪逆迭代方法的峰值信噪比较伪逆关联成像方法、差分关联成像方法分别高出约1.0 dB、3.1 dB, 同时其相关系数、视觉效果也有所改善, 验证了该方法的有效性.

为了快速检测出地球同步轨道带光学观测图像中的空间碎片, 提出了一种基于信噪比的分级检测方法.首先分析实测数据, 得出观测图像中不同信噪比碎片运动相似的特性.对于高信噪比碎片, 采取帧差法快速检测, 并利用多帧图像计算速度信息; 对于低信噪比碎片, 根据高信噪比碎片检测结果得到的速度信息, 采用改进的动态规划检测方法.实际图像检测结果表明: 当递归方程的搜索窗口为5 pixel×5 pixel时, 分级检测方法检测性能最好; 当累积帧数大于5帧时, 检测时间比传统动态规划方法减少了87%以上.分级检测方法具有检测率高、虚警率低、计算量小的优势, 适合地球同步轨道带光学观测图像中空间碎片的检测.

为了抑制激光在线测厚时入射角波动引起的误差, 根据几何光学分析了激光透射式和反射式测厚原理, 发现激光在特定入射角附近波动时, 两种方式的测厚误差一正一负, 具有互补性, 在此基础上提出基于透射和反射同时测量的互补式测厚方法, 该方法可将误差限定在透射式和反射式测量误差之间, 抑制在线测厚误差.对于有机玻璃平板, 理论计算表明, 当激光入射角在67.013°±4°波动时, 相对误差绝对值在1%以内, 误差抑制率均值大于90%; 当入射角为61.536°时, 误差抑制率为100%.利用线结构激光器和两个线阵CCD相机搭建互补式测厚实验系统, 测量了标称厚度为1~5 mm的有机玻璃平板, 与透射式和反射式测厚结果进行对照, 除厚度为1 mm的玻璃外, 互补式测厚误差被限制在透射式和反射式之间, 最大误差抑制率达61%.实验结果表明, 该互补式方法有效抑制了误差, 提高了在线厚度测量准确度, 解决了在线测量不可重复性导致的无法通过均值法减小误差的问题.

针对逆向工程中引导性曲面边界信息的快速获取问题, 系统地研究了共轴立体视觉测量方法, 建立该方法的数学模型, 详细分析了摄像机焦距、基线距等系统结构参数及被测点空间位置对测量精度的影响, 通过数学分析确定摄像机基线距的最佳取值范围, 研究共轴立体视觉测量系统特殊的极线几何关系.提出基于共轴立体视觉的曲面边界快速测量方法, 利用三坐标测量机的精密机械系统及精确的空间定位能力, 用单个摄像机以两次共轴定位摄取图像的方式实现共轴立体视觉测量功能, 然后利用共轴立体视觉外极线相互平行且通过各自像平面主点的特殊极线几何关系简化同源像点匹配过程, 从而快速获取被测曲面的边界信息.实验结果表明: 用基于三坐标测量机的单摄像机共轴立体视觉测量方法获取的曲面边界平均误差为0.268 mm, 基本满足逆向工程中对引导性曲面边界的测量精度要求.

以啁啾光纤光栅为例, 研究了激光拍频的产生机制, 并建立对啁啾光纤光栅色散的测量模型.详细阐述了系统结构和测量原理, 并对测量结果和理论值进行了分析与比较, 结果一致性较好.在频谱分析仪分辨率为2.5kHz的情况下, 色散测量准确度可以达到0.1ps,啁啾光纤光栅色散的实际测量也证实了该系统的可行性, 系统相对简单, 测量准确度高, 可为色散测量提供参考.

报道了Yb∶YAG双波长激光振荡阈值的理论结果,实验获得了连续双波长激光输出.实验中, 采用紧凑的平凹腔结构、940 nm光纤耦合LD端面泵浦方式, Yb∶YAG晶体作为激光晶体, 采用10%、15%和20%的输出耦合镜, 分别实现了单波长和双波长激光输出, 在最高泵浦功率为20 W时, 输出耦合率分别为10%、20%, 最高获得3.94W的1 050 nm激光和3.40 W的1 030 nm激光, 对应的光光转换效率分别为19.7%和17.0%; 当输出耦合率为15%、泵浦功率为11.7 W时, 获得0.79 W的双波长激光, 对应的光光转换效率为6.8%, 功率比为1∶1.3, 通过光栅光谱仪测量得到双波长谱线中心分别为1 030.31 nm和1 047.50 nm; 当1 030 nm激光功率为3.0 W时, 30 min内输出功率RMS稳定性优于0.18%.该实验结果与理论分析相吻合, 可应用于设计稳定可靠的掺Yb双波长激光器.

通过数值模拟的方法研究了H2+阈下谐波的取向效应. 数值模拟过程中, 主要关注波长为760 nm的阈下谐波, 通过逐次减去激发态贡献的方法, 研究共振相关谐波不同取向角下的变化规律.结果表明: 阈下平行、垂直谐波展示的复杂取向依赖与共振效应密切相关, 该现象主要由与基态共振的各激发态的轴对称性导致. 另外, 用包含跃迁偶极子的简单模型对取向效应进行了概括描述, 并以H2+第一激发态为演化初始态进行了验证. 本文结果可为阈下谐波取向效应的实验研究提供参考.

研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理, 籍此计算了不同偏置以及不同尺寸LED的光棒尺寸, 再将计算所得的光棒与前端成像透镜、中间像面偏振复用系统、后端积分透镜及偏振分束器等进行综合优化设计, 然后根据所得中间像确定不同情况下的偏振复用系统具体结构, 确保LED发散角范围内光能的偏振复用, 并实现对滤色片式硅基液晶芯片的均匀照明.最后设计了一款以白光LED为光源的滤色片式硅基液晶芯片微型投影光引擎, 在1W LED功耗下实现12.8 lm投射亮度(114 lm/W), 均匀性达93%.对比没有应用偏振光复用的微型投影光引擎, 在保证均匀性的前提下, 提升了微型投影系统的光效率, 丰富了光棒偏振复用的内容.

为了研究低透过率下隧道照明亮度对能见度的影响, 为低透过率条件下隧道照明亮度的调节提供依据, 分别以两种不同光谱特性的摄像机作为观测装置获得了透过率、照明亮度、目标/背景对比度三者之间的变化关系.实验结果表明: 目标/背景对比度随照明亮度的增加而增加, 两者呈非线性关系; 透过率限定了目标/背景对比度所能达到的最大值; 在一定的亮度范围内, 提高亮度增加目标/背景对比度可以有效改善能见度.当照明亮度较高时, 提高照明亮度对能见度影响不大; 当照明亮度较低时, 提高照明亮度对能见度提高的效果明显.因此, 根据透过率按比例调节照明亮度能保证能见度和行车安全.

基于特定的轻量化形式和支撑结构, 采用有限元方法研究了口径为500 mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响, 确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23, 指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状, 当重力沿径向作用时, 增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明, 柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素, 要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求; 背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小, 且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感; 支撑长度主要影响结构的动态刚度, 减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750 mm, 对口径小于750 mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.

针对大F数(大于10)微透镜阵列难以制备的现状, 提出了一种制备大F数微透镜阵列的方法.首先采用传统光刻胶热熔法及刻蚀技术制作出成形的微透镜阵列, 再将一层具有较高粘滞系数的光刻胶均匀地涂覆在该微透镜阵列上, 在光刻胶的粘滞作用以及烘烤过程中光刻胶自身表面张力的共同作用下, 微透镜阵列的F数得到提高.采用该方法制备的二氧化硅微透镜阵列的F数达40, 与传统大F数微透镜阵列的加工方法相比, 该方法简便易行、制备的微透镜阵列面形良好, 且只需调节光刻胶的粘滞系数, 即可获得F数不同的微透镜阵列.

采用相关光子法定标单光子探测器的量子效率对提高光学载荷的辐射定标准确度具有重要意义.利用355 nm连续激光泵浦BBO晶体产生Ⅰ类自发参量下转换, 在共线和非共线两种相位匹配模式下分别测量了单光子探测器雪崩光电二极管在736 nm波段的量子效率.结果表明, 共线和非共线两种模式测量结果的合成不确定度分别为0.71%和0.39%, 相对偏差均优于0.4%, 这两种模式都可以定标探测器量子效率, 且具有很好的一致性.最后比较了两种模式定标探测器量子效率的优缺点, 该研究为以后利用相关光子法对遥感器进行辐射定标提供了晶体相位匹配模式选择的依据.

利用常规材料构造了Fibonacci序列准周期结构, 运用传输矩阵法研究了该结构的空间传输特性, 并基于该结构优良的空间传输特性设计了小角度低通空间滤波器.数值模拟结果表明, 该小角度空间滤波器的角域带宽可通过改变序列的结构类型和序列数来调谐, 其调谐规律为: 随着Fibonacci 序列F(m,1)中m值的增加, 对应空间滤波器的角域带宽减小; 随着序列数的增大, 对应角域带宽也减小.在调谐的基础上, 还可通过改变构成准周期结构的介质折射率参量来精确调节其角域带宽.相比于基于超材料的小角度空间滤波器而言, 基于Fibonacci序列的小角度空间滤波器制备更简单, 且有望应用于新一代的高功率激光系统中.

采用在聚(3,4-乙撑二氧噻吩)∶聚苯乙烯磺酸(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)∶Poly(styrenesulfonate), PEDOT∶PSS)阳极界面层上直接旋涂二甲基亚砜(Dimethyl Sulfoxide, DMSO)的方法, 对PEDOT∶PSS薄膜进行修饰, 以提高所制得的钙钛矿太阳能电池器件性能.在5000 rpm转速条件下旋涂DMSO后, 器件的能量转换效率达到11.43%, 与PEDOT∶PSS阳极界面层未做任何修饰的器件相比, 效率提高了29.15%.测试表征了修饰前后PEDOT∶PSS薄膜的透光性、表面形貌、电导率、器件的外量子效率曲线以及器件在光照和暗态下的J-V特性曲线, 分析了器件性能提高的原因.结果表明: 经过修饰的PEDOT∶PSS薄膜导电性显著增强, 从而更加有利于器件阳极对空穴的抽取和收集; 较未修饰时, 器件的短路电流密度得到了大幅度提升, 进而使得器件获得更高的能量转换效率.

利用Ket-Bra纠缠态方法, 求解了原子与热库相互作用系统中的密度矩阵主方程, 得到了密度矩阵的演化表达式.考虑三个二能级原子独立与热库相互作用的情况, 利用负本征值度量三体纠缠, 研究了系统中原子间的三体纠缠特性.采用数值计算方法, 讨论了热库平均光子数和原子自发辐射率对原子间三体纠缠特性的影响.研究结果表明: 随原子自发辐射率和热库平均光子数的增大, 原子间的三体纠缠衰减加快.

采用多角度动态光散射和加权正则化反演方法, 对4组模拟的双峰分布颗粒体系(100/600 nm, 200/600 nm, 300/600 nm和350/600 nm)分别选取1、3、6和10个散射角进行测量.粒度反演结果表明, 采用加权正则化方法反演双峰颗粒体系的多角度动态光散射测量数据, 可获得峰值位置比小于2∶1且含有大粒径(>350 nm)颗粒的双峰颗粒粒度分布.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行实测的结果验证了这一结论.得到含大粒径颗粒的双峰粒度分布反演结果的原因在于, 多角度动态光散射能提供更多的大粒径颗粒的粒度信息, 加权正则化反演方法能减少测量数据中的噪声, 因而多角度动态光散射测量数据的加权反演能实现峰值位置比小于2∶1且含有大粒径颗粒的双峰颗粒体系的测量.

为了实现用于校准能见度仪的标准散射体的快速高精度定标, 依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理, 建立定标系统中光学系统的误差分析方法.分析标准散射体定标系统的工作原理, 结合其光学系统、机械结构的加工及装调偏差, 建立了标准散射体定标系统的光学系统模型并设计实验证明其正确性.分析影响定标系统中光学系统精度的主要误差, 得到标准散射体定标系统中光学系统的误差传递模型.通过对畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的分析, 提出了一种系统综合误差分析的方法并建立了综合偏差模型, 对每个偏差单独分析, 得出畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的偏差范围依次为0.024 mm, 0.399 mm, 0.02 mm, 0.28 rad和0.392 mm.该研究为提高用于校准能见度仪的标准散射体定标系统的精度以及校准时误差的来源分析与补偿提供理论依据.

针对气体扩张激光诱导荧光测量低浓度OH自由基系统中短寿命低强度荧光的检测需求, 提出了一种共振荧光的门控光子计数测量方法, 通过光电倍增管的快速门控电路设计, 实现纳秒级时序内荧光的选择性测量.使用一个13级高增益端窗光电倍增管进行荧光探测, 通过改变光电倍增管打拿极上的加载电压来实现光电倍增管的快速门控.电路可获得稳定的调制电压, 开关延迟时间为168 ns, 上升沿时间约20 ns.对门控电路进行器件优化及匹配参量后, 采用调制打拿极d1d3d5的方式, 开关引起的光电倍增管噪声降至210 ns以内, 调制开关比优于105.将门控系统应用于气体扩张激光诱导荧光系统OH自由基的荧光探测, 有效获得自由基荧光信号.对307.8 ~308.2 nm波段内的OH自由基激发谱线进行了测量, 实验结果表明, 门控电路能有效抑制激光杂散光的影响, 实现低浓度OH自由基共振荧光信号测量.

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的光谱分析仪测量天然气中硫化氢浓度的过程中, 各种轻烃和二氧化碳等背景成分对光谱产生干扰, 导致多个吸收峰叠加, 对提取吸收光谱真实特征造成影响.应用偏最小二乘法消除背景成分的干扰, 设计了检测天然气中硫化氢气体的可调谐二极管激光吸收光谱实验系统, 采用偏最小二乘法和最小二乘法模型, 分别检测了天然气中0~50 ppm硫化氢成分的直测光谱和差分光谱.偏最小二乘法算法的测量结果均优于最小二乘法算法, 且偏最小二乘法算法对于直测谱的测量误差保持在±1 ppm范围内, 满足分析仪器2%的准确度要求.利用偏最小二乘法算法避免了最小二乘法所必须的大量参考光谱数据的存储, 分析仪可省掉复杂的差分光谱系统, 从而达到降低成本、提高系统鲁棒性和实时性的效果.