为了研究多次散射效果下红外辐射在雾中的传输衰减特性, 基于Mie散射理论, 计算了1.064 μm、3.8 μm和10.6 μm激光在平流雾和辐射雾中的消光参量和多粒子散射相位函数.利用Monte Carlo法建立了辐射传输模型, 分析了多次散射效应下接收屏、能见度和传输距离对透过率的影响, 并与Lambert-Beer定律计算结果进行了比较.结果表明: 当能见度和传输距离均为1 km时, 1.064 μm激光在平流雾中的接收屏粒子数随接收屏边长的增加而显著增加; 相同的能见度和传输距离下, 激光在辐射雾中的衰减小于在平流雾中的衰减; 10.6 μm激光在平流雾中具有很好的传输性; 当粒子散射能力越强、前向散射概率越大时, 多次散射对透过率的贡献越明显; 激光在雾中的传输衰减特性不仅与消光系数有关, 还与散射系数密切相关; 能见度和传输距离存在最佳组合, 使得此传输条件下多次散射对透过率的贡献最大.

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应, 分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明, 在各向异性大气湍流中, 贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关, 仅一级圆环处强度值单调递减, 其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处, 贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小, 随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势, 该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关; 其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反, 这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况, 并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响, 当相对孔径为0.17时, 耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4 μm时, 两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%; 当轴向偏移量为125 μm时, 两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%; 当随机抖动幅度标准差为5 μm时, 两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.

基于表面等离子共振效应, 提出了三种不同非对称因素引入的金镀膜偏振相关滤波光子晶体光纤, 利用全矢量有限元法研究了光子晶体光纤偏振相关滤波传输特性.当非对称纤芯模单独作用时, 波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.58 dB/cm和461.58 dB/cm, 两偏振方向损耗比为83; 当非对称金属表面等离子模单独作用, 且镀膜厚度为55 nm时, 其谐振波长1.31 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为2.02 dB/cm和412.91 dB/cm, 两偏振方向损耗比高达204, 镀膜厚度19.5 nm时其谐振波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.29 dB/cm和536.25 dB/cm, 两偏振方向损耗比为101; 当纤芯模和表面等离子模同时引入非对称因素时, 通信波长1.55 μm处y偏振纤芯模谐振强度高达802.08 dB/cm, 而x偏振纤芯模损耗仅为5.57 dB/cm, 两偏振方向损耗比为144.数值比较可知, 在金属表面等离子模中或两种模式同时引入非对称因素, 可获得两偏振方向偏振损耗比更高的强偏振相关滤波传输特性的光子晶体光纤, 该研究对光子晶体光纤偏振相关滤波器及相关偏振器件的设计与应用具有一定参考意义.

提出了一种基于改进的光载波抑制调制方式的光学生成高倍频可调谐毫米波的方案.该方案利用均匀光纤光栅型声光可调谐滤波器选取光载波抑制信号中的两个边带分量进行拍频, 实现高倍频且倍频因子可调的毫米波信号的生成.为避免色散所致的码元时移效应, 将基带数据信号仅调制到光载波抑制信号的一个边带分量上.仿真验证了倍频因子分别为2,6,10,14,18和22的毫米波信号的生成.另外, 对22倍频下的光载无线电系统的链路性能进行了仿真分析, 毫米波信号在调制2 Gbit/s的非归零码型数据信号经50 km的光纤传输后, 系统的眼图仍保持良好的睁开度, 链路的功率代价仅为0.4 dB.系统具有良好的传输性能, 可以满足通信系统的需求.

利用光程倍增光纤陀螺的奇、偶时隙输出之间的相关性对陀螺零偏误差进行相关抵消处理。为了验证该方法的有效性, 将光程倍增光纤陀螺置于室温, 以100 s滑动平均, 其每秒输出的奇、偶零偏为-0.1°/h、0.08°/h, 利用相关抵消的方法处理后, 其零偏得以修正且零偏稳定性从0.008°/h提高至0.002°/h.该相关抵消的信号处理方法快速简便且有效, 为光程倍增光纤陀螺的精度优化提供了新思路.

针对动态观察活体细胞形态的数字全息显微应用, 提出了一种结合划线拟合和深度学习的自动相位像差补偿方法.首先在全息面提取中心十字线上的物光场相位值, 通过二次多项式数值拟合构建相位掩模完成相位像差初步补偿.然后在成像面运用卷积神经网络生成二值化图像掩膜, 提取物光场中无物体区域的相位值, 再次通过高阶多项式进行数字拟合构建相位掩模完成相位像差精确补偿.最后得到无相位像差的再现相位像.该方法通过在全息面划线取值和数字拟合有效补偿物光中的主要相位像差, 降低了成像面物光场的图像轮廓复杂性, 利用有限的训练数据集获得能够准确建立图像分割的深度学习模型, 从而实现了准确的无需人工干预的数字全息显微自动相位像差补偿.基于离轴数字全息显微成像系统对多种具有不同形态特征的活体细胞开展动态观察实验, 并进一步应用该方法进行子宫内膜癌细胞抗药性筛选.结果表明该方法可以很好地用于动态显微观察, 从而为生物学细胞动态研究提供实验依据.

针对立体图像舒适度难以有效地进行客观评价的问题, 结合人眼视觉注意机制, 提出了基于区域对比度的舒适度评价模型.根据显著图与视差图提取感兴趣区域作为前景区域; 量化前景和后景区域颜色空间, 估计空间加权区域对比度, 计算前景区域视差角、宽度角; 根据主观评价值利用最小二乘法拟合曲线得出客观评价模型.对比视差+宽度模型可知, 模型预测值与主观评价值的Pearson相关系数、Kendall相关系数较原模型分别提高了8.1%、3.9%, 且平均绝对值误差减小了13%, 均方根误差减小了22.1%.本文模型的普适性更优, 结果更接近主观评价值.

针对干涉合成孔径雷达干涉图由于局部噪声、阴影或条纹断裂等原因导致残差点集中、产生不可靠数据点噪声斑块, 从而引起相位解缠困难的情况, 提出基于掩膜滤波的质量图引导权值的四向加权最小二乘相位解缠迭代算法.首先对噪声斑块区域进行掩膜滤波处理, 有效保留该区域真实相位信息, 防止大误差传播.再结合最大相位梯度和相位导数变化的质量图法来定义权值, 构造新的四项最小二乘迭代法, 并用其对掩膜区域进行填充, 抑制误差传递、提高运算速度、改善过度平滑作用.模拟及真实数据实验表明, 该方法解缠精度高, 能真实还原干涉合成孔径雷达干涉图局部噪声斑块的原始相位.与传统最小二乘法相比, 其差分方程矩阵带宽变大, 填充效果更好, 迭代次数更少, 精确度更高, 解决了因噪声集中导致干涉合成孔径雷达图像解缠难度大的问题.

提出了一种基于法布里-珀罗干涉的方法用于原子力显微镜微悬臂偏移量的检测.设计了一个球面反射镜与微悬臂组成的半球面布里-珀罗腔, 并利用高单色性的激光器作为光源, 激光光束在半球面布里-珀罗腔中多次反射并原路返回形成干涉.根据多光束干涉原理确定干涉光强与腔长之间的关系, 利用强度解调的方法计算微悬臂的偏移量并反馈给原子力显微镜系统.最后根据该方案搭建一套微悬臂偏移检测系统, 实验获得30 nm的工作范围内99.9%的线性拟合度, 微悬臂最小位移分辨力为0.26 nm, 实验结果和理论分析一致, 证明了该系统的实用性.

介绍了一种在光纤远端复现超窄线宽激光的方法.将两段50 km的光纤线路通过中继站级联在一起.用锁相跟踪法将中继站中的激光器频率锁定在50 km光纤远端传输光信号上, 跟踪精度达到3.5×10－19.为了保持高光谱纯度, 两个光纤噪声补偿模块独立工作, 用于补偿每段50 km光纤引入的相位噪声.这种级联方案能够确保噪声补偿具有较大的动态范围.经补偿后, 100 km光纤引入的频率不稳定度达到5.9×10－17(1 s平均时间), 10 000 s后达到6.8×10－19.实现了在100 km光纤远端复现超窄线宽激光, 附加线宽低至1 mHz.

为获得氮稀释剂燃烧驱动连续波DF激光器输出光谱特性, 利用傅里叶红外光谱仪对Z型折叠非稳定光学谐振腔DF激光器的外传输光路高反射镜散射激光进行了光谱分析.结果表明: 采用N2稀释剂的DF激光输出谱线向长波偏移, 有效输出波长大于4.0 μm的3P10～3P13谱线, 且各振动能级跃迁谱线为更高转动量子数跃迁谱线.各支谱线存在谱带间和谱带内竞争, 且在一定程度上体现级联效应.改变燃烧室反应氧化剂过量系数, 能够在一定程度上调节DF激光输出谱线分布.过量的副燃料主要为满足气动性能需求, 在合适范围内变化的副燃料比对输出谱线及分布影响较小.研究结果可为燃烧驱动连续波DF激光技术研究及应用提供参考.

为了解决飞秒激光加工硬质材料所带来的表面质量差的问题, 提出了离子束刻蚀与飞秒激光复合加工技术.利用飞秒激光加工技术在碳化硅表面制备微纳结构图形, 然后通过离子束刻蚀技术对碳化硅微纳结构进行刻蚀, 以调控结构的线宽和深度, 使结构表面粗糙度由约106 nm降低到11.8 nm.研究表明, 利用该技术制备的碳化硅菲涅尔波带片展现出良好的聚焦和成像效果.

以B3PyPPM作为电子传输层, 分别以TCTA和mCP为母体, 制备A、B两组结构为ITO/HATCN(5 nm)/TAPC(45 nm)/TCTA∶FIrpic(15%,15 nm)/B3PyPPM(X nm)/B3PyPPM∶Cs(15%,10 nm)/Al, ITO/HATCN(5 nm)/TAPC(45 nm)/mCP(5 nm)/mCP∶FIrpic(15%,15 nm)/B3PyPPM(X nm)/B3PyPPM∶Cs(15%,10 nm)/Al的蓝色磷光器件, 其中X的值分别为40 nm、45 nm、50 nm、55 nm.实验证明, mCP作为母体的器件最大亮度和最大电流效率分别达到14 930 cd/m2、9.9 cd/A, 亮度从500 cd/m2上升到3 000 cd/m2时, 外量子效率滚降仅仅只有10.1%, 远优于以TCTA为母体器件的效率滚降特性, 由于B3PyMPM能够改善电子的注入特性, 两组器件的开启电压分别为2.3 V和2.8 V, 低于采用其他电子传输层材料制备的Firpic蓝色磷光器件.在30 mA/cm2电流密度下, 器件光谱有一个波长在474 nm的主峰和496 nm的振动峰, 随着电子传输层厚度的增加, 振动峰的强度增强, 这是由微腔效应引起的, 通过光学模拟详细地研究了器件中存在的微腔现象.

为了探究石墨烯/硅太阳能电池的铝/硅背接触特性, 采用连续蒸镀的方法在铝/硅背接触间插入一层氧化镁介质层, 对比测试具有不同厚度氧化镁层的电池的电流-电压特性、外量子效应、电池的串联电阻以及背接触电阻。 研究表明: 随着氧化镁厚度的增加, 电池的光电转换效率、串联电阻以及背接触电阻存在先增大后降低的趋势, 当氧化镁的厚度为1 nm时的光电转化效率最优, 达到5.53%, 厚度为0 nm时, 光电转换效率为2.90%; 当氧化镁的厚度为0 nm和1 nm时, 相应的串联电阻(背接触电阻)分别为4.1 Ω(9.6 Ω)和1.8 Ω(3.2 Ω).

建立了各向异性聚焦大动态条纹变像管电子光学模型, 通过求解整个系统的电场分布对可能的高压打火点进行了分析, 研究了电四极透镜对条纹管放大倍率以及静态和动态像质的影响, 并计算了该管型的时间畸变.结果表明, 在20 mm长狭缝的情况下, 时间畸变为15 ps, 在这15 ps内, 偏转器所施加的扫描电压的变化范围仅为3.06 V, 因此由时间畸变导致狭缝像弯曲的现象几乎可以忽略.实验测试得该条纹相机的时间分辨可达1.8 ps, 在时间分辨为8 ps时, 动态范围超过1 000∶1.

基于空间外差光谱特性, 针对传统傅里叶变换算法在光谱复原中的局限性, 引入现代谱估计的多重信号分类MUSIC算法进行空间外差信号光谱复原, 采用自回归传递函数准则(CAT)对影响谱估计效果的信号空间维数值进行估计.测试结果显示CAT准则直接定维值与最佳结果存在偏差, 将CAT准则直接定维值减数值3作为改进后的新准则重新应用于实测数据光谱复原.改进的CAT准则与MUSIC算法配合能够很好地适用于空间外差干涉数据, 光谱复原效果优于直接傅里叶变换结果.以光谱角度匹配和均方误差作为改进CAT准则的MUSIC算法谱估计效果评价指标, 与理想光谱相比, MUSIC算法对钾盐双谱峰信号处理后复原光谱相似度达到0.764, 均方误差为0.040, 对氖灯多谱峰信号和处理结果分别为0.806和0.046.复色光结果分别为0.988和0.089.采用改进的CAT准则进行自适应定维的MUSIC算法对空间外差光谱复原具有一定优势, 提高了功率谱复原效果.

基于Ag包覆聚苯乙烯球(PS@Ag)纳米探针和Ag覆盖硅金字塔结构(Si@Ag)阵列基底构建“三明治”免疫结构, 开展表面增强拉曼散射(SERS)特性研究, 实现了肝癌肿瘤标志物甲胎蛋白(AFP)的高灵敏、高特异性的检测.通过硝酸银原位还原生成PS@Ag纳米粒子, 再依次链接4-巯基苯甲酸(4-MBA)及甲胎蛋白抗体(Anti-AFP) 制备得到PS@Ag免疫探针.采用Langmiur-Bloggt膜技术、等离子体刻蚀和湿法刻蚀技术, 以PS球阵列为模版, 刻蚀大面积硅金字塔结构, 再依次沉积Ag膜和链接Anti-AFP制备得到免疫基底.结果表明, 基于“三明治”免疫结构的SERS检测方案具有高灵敏度(检测极限为1.75 fg·mL－1)和宽的动态范围(2 fg·mL－1~200 ng·mL－1).此外, 对临床人体血清样品进行SERS免疫检测, 得到了与化学免疫发光法一致的结果, 而且具有更高的灵敏度, 可应用于肝癌的早期检测与诊断.

对激光雷达距离探测中的回波信号建模, 提出一种窗宽自适应形心修正算法, 根据窗宽与饱和度的关系建立窗宽自适应模型以获取形心, 并采用中位数修正, 实现高精度饱和波形时刻提取.利用Matlab进行仿真分析, 结果表明当信噪比为10 dB时, 窗宽自适应形心修正算法精度为0.3 ns, 相比于传统形心算法提高92%, 可有效解决形心漂移问题.利用板级系统实测波形验证算法, 并针对实测波形的微小畸变修正该算法, 结果表明在饱和波形下该算法时间精度可达0.5 ns, 可实现7.5 cm的测距精度, 有效增大测距动态范围, 降低系统复杂度.

以硫粉末和MoO3粉末作为原料, 通过化学气相沉积法制备出MoS2薄膜, 用光学显微镜、原子力显微镜、喇曼光谱以及X射线衍射谱对所制备的MoS2薄膜进行表征。结果表明: 制备得到的二维MoS2, 其晶体形貌为三角形, 尺寸约为60 μm, 薄膜厚度约为0.7 nm; 二维MoS2可以作为理想的表面增强喇曼散射衬底, 促进与有机小分子的电子转移, 因此两者的喇曼光谱强度均增强。在MoS2薄膜上沉积有机小分子pentacene制备出具有良好整流特性的有机-无机pentacene/MoS2异质结, 通过分析ln(I/V2)-1/V曲线, 发现该异质结存在Fowler-Nordheim 隧穿现象, logI-logV曲线显示当电压在0~1 V时, 电荷传导为欧姆导电, 当电压高于1 V时, 电荷传导由空间电荷限制电流机制主导.研究结果可为单层MoS2与有机小分子pentacene结合应用于光电领域提供基础.

用泵浦探针法实验研究了红外激光辐照二氧化钒薄膜的相变特性.首先利用氧源-分子束外延法制备了薄膜厚度分别为20 nm、40 nm、60 nm的三组VO2单晶外延薄膜, 并且以10.6 μm的CO2连续激光作为泵浦光, 分别以1 064 nm和3 459 nm的纳秒脉冲激光作为探针光, 对这三组薄膜分别进行了辐照实验.实验发现三组薄膜相变后对1 064 nm探针光的透过率降低量平均值分别为5.26%、6.2%、8.92%, 反射率降低量分别为3.09%、6.56%、4.93%; 对3 459 nm探针光透过率降低量平均值分别为28.4%、47.78%、55.13%, 反射率升高量平均值分别为6.65%、17.87%、7.49%.结果表明: 利用分子束外延法制备的纳米级VO2薄膜相变前后对入射激光为镜面反射; 薄膜对3 459 nm探针光的相变特性比对1 064 nm探针光相变特性显著; 薄膜厚度的增加会降低相变前透过率, 但是对相变后透过率降低更为明显; 薄膜对10.6 μm CO2连续激光相变前后始终保持几乎不透.研究结果可为薄膜的应用提供参考.

采用等离子体化学气相沉积法在硅基底上沉积氧化硅薄膜, 研究在不同工艺条件下薄膜的应力变化情况和折射率分布规律.利用应力测试仪测定晶圆在镀膜前后的形变量进而获得应力值, 并用棱镜耦合仪测试薄膜折射率.在其他条件相同的情况下, SiH4与N2O的流量比分别设为24、27.6和30时, 在1 539 nm波长下薄膜平均折射率分别为1.466 7、1.459 2和1.455 7, 对应的晶圆应力向着压应力增加, 分别为-50 MPa、-200 MPa和-430 MPa.掺入8.3×10-7 m3/s GeH4后, SiH4与N2O的流量比分别设为22.6、24和27.6时, 薄膜平均折射率分别为1.475 8、1.471 4和1.463 3, 对应的晶圆应力分别为25 MPa、-210 MPa和-270 MPa, 是从拉应力向压应力变化的过程.结果表明, SiH4与N2O的流量比相同时, 掺入GeH4后折射率和对应的压应力明显增加.因此, 通过对工艺条件的合理选择, 可制备出折射率稳定的氧化硅波导薄膜, 从而提高器件在整个晶片上的成品率.