采用双光束干涉曝光法制作大尺寸全息光栅时, 由于温度变化、空气流动、振动等因素的干扰, 曝光条纹相对于光栅基板存在平移和周期变化, 从而造成光栅对比度下降。分析了大尺寸光栅曝光过程中条纹的动态变化情况, 结果表明：3 h内条纹平移和周期变化的均方根值分别为1.87、1.20个条纹周期, 对比度的数值模拟结果分别为12.83%、67.37%.构建了由三组条纹监视系统、计算控制系统和两组压电位移台组成的曝光条纹锁定系统, 实现了条纹平移和周期的同时锁定.锁定之后得到的光栅槽型和对比度明显优于未锁定时的情形, 锁定精度为：平移3σ值为0.009个条纹周期, 对比度为99.99%, 周期变化均方根值为0.017个条纹周期, 对比度为99.77%, 满足大尺寸光栅曝光对条纹稳定性的要求.

以理想坐标面为参考面, 建立了大口径薄膜衍射主镜面形误差与波前误差的关系模型.首先建立了子镜面形误差模型; 其次根据导出的子镜波前误差与大口径薄膜衍射主镜波前误差关系式, 分别讨论了边缘褶皱面形和球面面形两种形变情况下不同区域子镜的形变允许范围; 最终通过全体子镜的波前误差反向拟合Zernike多项式, 得到了不同形变情况下主镜的低阶像差类型.研究结果可为成像系统的像差校正提供理论依据, 对大口径薄膜衍射主镜的夹持装配有参考意义.

提出并实现了一种片式光阱传感单元.利用基片上的V型槽保证双光纤光阱的对准, 利用压电元件振动使微球与基片脱离, 实现了空气环境中对10 μm微球的捕获, 捕获后的微球位置稳定性达到0.12 μm.在此基础上, 设计制作了可预置少量微球的封闭微型腔, 实现了光阱传感结构的微型化和集成化, 解决了光阱中单微球的高效可重复起振难题, 为实现实用化的光阱传感器奠定了基础.

通过光纤频移干涉技术测量了超声在光纤中产生的多普勒频移, 提出一种光纤超声传感方法.将缠绕在压电陶瓷上的光纤环接入到频移干涉萨格拉克干涉仪中, 以压电陶瓷作为超声波信号源, 调节声光调制器使得干涉信号偏置在零点, 达到系统灵敏度最高, 通过干涉信号的频率和幅值测量到了超声引起光纤环中发生的多普勒频移, 进而获得了作用在光纤环上的超声波信号.实验结果表明, 用该方法测量超声频率的相对误差为0.001%, 频响在所测量的20~200 kHz范围内具有良好的线性.该方法在管道健康监测、固体内部裂缝监测、大型机械装备结构损伤监测等方面具有应用前景.

为了复原雾天退化图像, 提出了一种自适应暗原色的单幅图像去雾算法.针对暗原色先验理论在估计图像透射率时不够准确、容易引起Halo效应的问题, 采用自适应暗原色概念, 即在暗原色的获取过程中引入自适应阈值, 减小景深变化对暗原色获取的影响, 进而正确求取透射率.此过程不需导向滤波的细化, 也就避免了导向滤波引起的效率低和去雾不彻底的问题.主观及客观两方面将本文去雾算法与现有算法进行对比, 结果表明, 本文算法能够有效消除Halo效应, 获得高对比度、高色彩饱和度以及丰富细节信息的去雾结果, 同时也提高了图像去雾效率.

为了最大限度地保留多光谱图像的光谱特性和全色图像的空间细节, 提出基于最小Hausdorff距离和非下采样剪切波变换(NSST)的遥感图像融合方法.首先, 将原多光谱图像进行主成分分析(PCA)获得其第一主分量, 选择NSST对第一主分量和全色图像分别进行分解, 得到相应的低频子带系数和高频子带系数.其次, 对低频子带系数采用基于稀疏表示的融合策略, 稀疏系数与区域空间频率相结合, 根据区域空间频率选择权值, 对稀疏系数进行加权; 对于高频子带系数充分考虑其邻域系数相关性, 提出采用最小Hausdorff距离表征相应区域相关性, 根据相关性不同采用不同的融合策略.最后, 对融合系数进行NSST逆变换得到融合后的第一主分量, 再将新的第一主分量与其他高阶主分量进行PCA逆变换得到融合图像.选择三组QuickBird卫星图像和一组SPOT卫星图像进行测试, 与传统的融合策略算法相比, 本文方法获得的融合结果客观评价指标更优, 且主观视觉效果更好.

通过CCD相机成像模型讨论了成像链路各个环节对系统传递函数的影响, 分析了滤波器品质因数的增强效果、品质因数对信噪比的影响, 品质因数对多个像元影响, 分析表明：当相机光学部件及传感器确定之后, 可以通过设置合理的后端滤波电路品质因数来增强系统传递函数; 当滤波器的最佳品质因数设置值为1时, 成像系统在Nyquist空间频率处的传递函数能够提高32%.利用黑白条纹靶进行相机传递函数测试及信噪比测试, 试验结果表明, 调制传递函数增强滤波器在品质因数为1时可提高CCD成像相机的成像性能, 提高传递函数30%; 电路噪声抑制能力与通带内最平坦滤波器相当.

光学传递函数是评价像质的重要指标, 是光学系统设计的重要辅助参数.基于背景纹影技术获取光线通过折射率场的位移场数据, 结合马吕斯定理, 获取了对应的波前梯度数据.结合光学传递函数计算方法, 实现对光学传递函数的获取.利用上述思路完成了对某平凸透镜光学传递函数的测量, 并将其与ZEMAX计算得到的光学传递函数进行比较.对比了低频处的实验结果和理论结果, 其误差不超过4.0%.分析了误差产生原因并验证了基于背景纹影技术对低通系统进行光学传递函数测量的可行性和有效性.

利用Monte Carlo方法、有限元法和有限差分法建立了时间展宽X射线分幅相机的理论模型, 对相机静态空间分辨特性进行了理论研究。当光电阴极的电压为-3 kV, 采用三个磁透镜, 成像倍率为21时, 相机的静态空间分辨率优于110 μm.研究了空间分辨率与发射位置、阴极电压、磁聚焦透镜数量的关系.模拟结果表明, 发射位置离中心越近, 阴极电压越高, 磁聚焦透镜个数越多, 空间分辨率越好.此外, 平面的光电阴极经磁聚焦透镜成像后, 像面不是一个平面而是一个曲面.

根据大气偏振模式形成机理, 提出了利用多偏振敏感器测量太阳矢量(矢量方向)的方法.介绍了大气偏振模式的形成, 设计了由两组偏振单元组成的偏振敏感器, 论证了偏振单元之间的最佳设计角度, 分析了利用偏振敏感器从大气偏振模式中提取太阳方位信息的方法, 进而提出了利用多偏振敏感器测量并结合最小二乘法解算太阳矢量的方法, 针对该算法进行了实验验证, 并与双偏振敏感器测量太阳矢量方向的方法进行了对比分析.分析结果表明, 利用多偏振敏感器测量不仅可以得到高精度的太阳矢量方向, 太阳矢量的方位角误差和高度角误差分别为0.2°和1.0°, 还解决了双偏振敏感器测量太阳矢量方向时由于最大偏振方向平行引发的突变问题.实验结果验证了利用多偏振敏感器(≥3)测量太阳矢量的方法是可行的.

为解决传统相位解包裹法不能够用于非连续表面的动态变形测量的缺点, 在详细阐述基于时空三维相位解包裹技术的数字散斑干涉术的工作原理和测量步骤基础上, 应用数字散斑干涉术和时空三维相位解包裹测量非连续表面动态变形.实验证明, 当采用每秒70帧的普通相机拍照时, 可实现最快形变速率为25.12 μm/s的非连续表面动态变形测量.本文所提方法扩展了数字散斑干涉术的测量范围, 增强其应用能力.

针对拼接型天文望远镜主镜的共相检测问题, 对宽窄带夏克哈特曼检测法在拼接主镜各子镜间平移误差的测量进行了理论与仿真分析, 并搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统, 其中拼接镜是由4块对边长为100 mm、曲率半径为2 000 mm的正六边形球面反射镜组成.首先, 利用夏克波前探测器进行了拼接镜的精共焦误差的检测, 通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器, 实现了拼接镜的精共焦的调节; 然后通过宽带共相检测实现了粗共相的检测; 最后, 通过窄带共相检测实现了精共相的检测, 并通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器, 实现了共相的调节.实验表明：宽窄带夏克哈特曼检测法对拼接子镜平移误差测量量程达到几十微米, 共相检测精度达到15 nm, 满足拼接镜对平移误差的测量要求.

针对立式大口径平面干涉仪, 采用结合Zernike多项式的三平面互检面形检测方法, 研究参考平面在装夹情况下的自重变形对绝对面形检测结果的影响.运用ANSYS有限元分析方法研究了不同参数下的装夹和自重变形情况, 得到了最优的装夹参数为环带宽度15 mm、平面厚度90 mm, 此时的变形量峰谷值为0.023λ(λ=632.8 nm).通过参考平面装夹自重变形对测量结果影响的模拟检测试验和对比分析, 发现参考平面装夹自重变形不仅影响其自身的面形, 而且对未变形大口径平面的绝对面形检测结果也有较大影响, 面形残差峰谷值基本都在0.011λ, 尤其在高精度干涉测量中该影响不可忽略.研究结果可为高精度测量的变形补偿提供参考.

研究了2 μm掺Tm耗散孤子光纤激光器在大能量下产生的调制不稳定性, 通过计算耗散孤子锁模的动力学过程, 分析高峰值功率条件下非线性效应对光脉冲特性的影响.通过在环形腔内引入色散补偿光纤和增大模场半径的方式增大腔内净正色散、减小腔内自相位调制效应.针对输出光脉冲线性啁啾较大的特点, 采用46.83 m的大模场光纤对输出光脉冲进行腔外压缩, 最终得到了峰值功率为17.1 kW、脉冲宽度为169 fs的稳定光脉冲输出.

对激光二极管端面抽运NdYAG/Cr4+∶YAG/YAG键合晶体的1 064 nm被动调Q激光性能进行了研究.对比分析了Cr4+∶YAG晶体初始透过率分别为84.9%和90.6%的调Q激光输出特性, 以及不同耦合输出镜透过率对调Q性能的影响.结果表明, 在特定抽运功率下, 各输出特性参数的优化(高输出功率, 高重复频率, 窄脉冲宽度)分别对应一个最佳的输出镜透过率; 随着抽运功率增加, 对应最佳的输出镜透过率越大.对比两种初始透过率的Cr4+∶YAG晶体对应的激光输出特性, 84.9%初始透过率的晶体获得相对较低的平均输出功率, 但相应的重复频率较小, 脉冲宽度窄, 使得调Q激光的峰值功率明显提高.采用30%透过率的耦合输出镜和10.4 W入射抽运功率下, 获得了3.2 W平均输出功率、9.7 ns脉冲宽度和52 kHz重复频率的激光输出, 经计算可知峰值功率达6.3 kW.

基于四层等离子激元结构 (硅金硅二氧化硅), 通过在金属层中构造不同的椭球孔阵列,提出了两种不同结构的光学漏波天线, 分别为一维对称锥形结构和二维对称锥形结构. 基于天线理论和有限元方法, 对天线的物理特性进行数值研究。研究结果表明：当工作波长为1 550 nm时, 这两种光学漏波天线带宽都为80 THz(包含了S+L+波段); 当在天线端口处分别填充空气和氮化硅的时候,天线有较低的回波损耗和插入损耗, 但对于两种不同的填充物, 天线的特性表现出一些差异, 例如, 在一维对称结构中, 天线端口处填充氮化硅时, 天线有更少的回波损耗和插入损耗, 更低的旁瓣电平, 以及更好的方向性. 该天线可用于光学集成互连、高度集成的光束控制和空间光通信中.

为提高单层石墨烯薄膜电控太赫兹调制器的调制深度, 提出一种臂型金属网格微结构与石墨烯结合的太赫兹波透射调制器件.通过臂型金属网格结构激发的共振耦合场增强石墨烯与太赫兹波的相互作用, 使石墨烯在外加电压调制下对太赫兹波透射幅度的调制深度获得大幅提升.通过有限元仿真分析了金属结构参数对石墨烯与太赫兹波相互作用增强规律的影响, 理论结果表明, 臂型网格结构使石墨烯对太赫兹波透射幅度调制深度从7.7%提升到了28.2%.在理论结果的基础上, 基于光刻工艺完成了器件的结构制作, 实验测试中获得了24%的太赫兹幅度调制深度, 且调制深度曲线与理论仿真规律基本一致.

以无机绿色和红色荧光粉及有机硅胶为原料, 采用高温模压法制备单层和叠层远程荧光薄膜, 并结合蓝光板上多芯片光源封装出三种结构的白光LED发光器件(单层型, 绿红叠层型, 红绿叠层型).通过荧光分光光度系统、双积分球系统、可见光光谱系统和光谱照度仪等仪器测试了远程荧光薄膜中荧光粉的光谱重吸收特性和所封装白光LED器件的光色性能, 并对机理进行了相应的分析.研究结果表明：远程荧光薄膜中红色荧光粉对绿光光谱产生明显重吸收效应, 且透射红光光谱色度坐标移动满足线性关系y=－0.881 6x+0.922 5, R2=0.998 6; 叠层远程荧光薄膜可以明显提高所封装白光LED器件的空间色温均匀性, 其中绿红叠层型、红绿叠层型和单层型白光LED器件空间色温差值分别为485 K、487 K和799 K, 空间各处色温的标准偏差和相对标准偏差分别为173.1、172.3、284.6和0.0373、0.052、0.066, 同时绿红叠层型白光LED器件的辐射发光效率达到三种结构中最高的301.1 lm·W－1(@350 mA, 9.2 V).

基于表面等离子体波的传播特性提出了一种由方形凹环与波导管耦合而成的MIM结构滤波器, 运用有限元法数值计算获得了该滤波结构的磁场分布、透射谱和共振波长分布曲线.研究结果表明, 其阻带透射率最小透射比可低至0.01, 通带最大透射比则高达0.96, 并且顶部分布平滑.在增大滤波器波导结构参数I、H时, 相应的透射谱线会有明显的红移, 且不同模式阻带的透射比也会随之改变, 此外共振波长与结构参数的变化呈现线性关系.在增大结构参数D时, 模式1的透射率从之前的0.63增加到0.80, 模式1最终消失, 其余模式几乎不变, 同时共振波长分布与参数D的变化无关.通过结构参数的优化, 可以使波导结构的品质因数从14.82提升到17.07, 通频带亦有所增加.该MIM结构滤波器具有封装尺寸小、多模式、阻带较窄、通带平滑、良好的品质因数以及可调节性, 在微纳集成光学器件尤其是波分复用系统中有着良好的应用前景.

为了调控艾里光束的传播, 提出一种广义艾里光束.在传统立方相位基础上引入两个可变旋转角因子θ1和θ2,形成新改进的可调谐相位, 加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后可以产生广义艾里光束.基于衍射突变理论, 分析讨论了该光束的双曲抛物线传播行为. 重点研究了当旋转角θ1=π/3和θ2=7π/6时, 该光束在传播距离0、3、6、10cm处的无衍射传播特性; 以及旋转因子θ1=3π/2和θ2=π/4时, 该光束在传播距离0、3、6、10cm处的自愈特性.理论研究表明该光束并非傍轴波动方程的特解, 但数值模拟及实验证实其在一定程度上拥有无衍射及自愈特性. 该光束不仅可沿任意指定的抛物线轨迹传播, 同时还具有与传统艾里光束明显不同的空间强度分布, 使其在光学操纵与生物医学等方面有潜在的应用.

基于傅里叶变换下的菲涅尔衍射理论, 对部分相干光产生Mathieu光束进行了理论和实验研究, 并利用抽样理论和色散公式推导出Mathieu光束的光强分布表达式.数值模拟了不同传播距离处Mathieu光束的截面光强分布, 并设计了实验对模拟结论进行验证.实验采用多波长蓝光LED为光源, 利用带有椭圆形孔径的菲林片及轴棱锥得到Mathieu光束.模拟和实验结果均证明部分相干光可以产生Mathieu光束.研究结果对拓展Mathieu光束的应用范围提供了理论依据.

为了提升国产光学遥感卫星载荷的定标频次, 提出了一种基于国内多场地的高频次定标方法, 实现了高分一号(GF-1)宽视场成像仪(WFV)的高频次绝对辐射定标.介绍了基于多场地的高频次定标原理, 针对GF-1 WFV的工作参数和工作特点, 提出了国内定标场的优选原则, 并分析了定标场地表特性的时间稳定性.利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表和大气产品替代场地定标的现场观测数据, 增加了定标可用的数据量, 同时用实测数据对MODIS地表产品进行真实性检验.实现了GF-1 WFV的多场地高频次定标, 并将定标系数结果与官方定标结果进行比对验证.结果表明：基于国内多场地的高频次定标方法可以获得GF-1 WFV的时间序列定标系数, GF-1 WFV相机4的定标结果与官方定标结果具有较好的一致性, 各波段与官方定标结果的相对偏差分别为-0.49%、1.33%、-1.01%和3.86%.基于多场地的高频次定标方法可有效地提高国产卫星载荷的定标频次, 及时跟踪载荷的辐射特性变化.

为监测燃煤电厂低浓度SO2排放, 达到国家超低排放标准, 提出一种短光程下测量低浓度SO2的方法.在已知温度压强条件下, 利用差分吸收光谱法, 由不同浓度的标准气体构建SO2差分吸收截面数据集; 根据数据集标准差及均值, 结合浓度反演结果, 将测量区间由200~400 nm逐步缩小到294~308 nm.对该区间内137个波长采样点, 用统计学方法, 借助标准差及均值表征差分吸收截面精度, 同时剔除误差较大的采样点, 得到该环境下最优采样点集和差分吸收截面最优数据集.在同等温度压强条件下, 利用该最优数据集和差分吸收光谱法, 能够以较高精度计算出烟气中SO2浓度.实验采用420 cm光程, 气室容积0.5 L, 气室内温度299.05 K, 压强101.33 kPa, 测量范围2~30 μL/L.实验结果表明该方法相对误差低于1.7%, 满量程误差低于1.3%, 零漂0.09 μL/L, 72 h内重复性良好.在420 cm光程条件下, 该方法能够高精度测量30 μL/L内的SO2气体, 解决差分吸收光谱法中浓度与光程之间的冲突, 适用于燃煤电厂超低排放监测仪器的研制.

利用一个波长为3.291 μm的室温连续、带间级联激光器和一个有效光程长为54.6 m的多通池, 研究了用于中红外甲烷检测的压强测量及补偿技术。通过对测得的甲烷直接吸收光谱信号进行洛伦兹吸收线型拟合, 测量了吸收池内气体压强并补偿了压强变化对甲烷浓度的影响。利用浓度为2.1×10-6的甲烷气体样品, 在1.33×104~10.64×104 Pa的范围内进行了压强标定; 对压强为9.31×104 Pa、浓度为2.1×10-6甲烷气体样品的压强测量结果进行阿仑方差分析, 结果表明, 当积分时间为2.2 s时, 压强的测量精度约为219.5 Pa。在1.33×104、3.99×104和6.65 ×104 Pa三种不同压强条件下, 对浓度分别为1.0×10-6、1.2×10-6、1.4×10-6、1.6×10-6、2.1×10-6甲烷气体样品的浓度和压强做了15组测量, 验证了所给出的压强测量和补偿技术的可行性。

对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)高分子聚合物材料包裹钙钛矿量子点进行了研究.利用一步包裹法制备了高质量的钙钛矿量子点薄膜, 在连续365 nm紫外激发下和LED远程封装时, PMMA钙钛矿薄膜衰减率分别约是SEBS薄膜的4倍和6倍, 证明了SEBS包裹的钙钛矿量子点薄膜稳定性优于PMMA.进一步对SEBS钙钛矿薄膜分别在空气、水等环境下的稳定性进行研究, 相比钙钛矿量子点溶液4 h衰退约18%, SEBS钙钛矿薄膜在空气中和水中衰退约18%延长至约55 h和240 h, 说明SEBS包裹之后增强了钙钛矿量子点的稳定性, 对钙钛矿量子点封装应用有着重要的意义.

采用热蒸发沉积技术制备了钛酸镧(H4)薄膜, 研究了1 064 nm和532 nm波长激光诱导辐照处理后的薄膜折射率、消光系数、激光损伤阈值和损伤过程变迁.结果表明：采用不同波长的激光辐照H4薄膜后, 会使其折射率升高, 但升高的幅度不大.用1 064 nm的激光辐照处理, 可将H4膜的激光损伤阈值从10.2 J/cm2提高到 15.7 J/cm2(5脉冲辐照), 而532 nm激光辐照对样品损伤阈值的提高效果不明显.同一样片, 1 064 nm激光的损伤阈值远远高于532 nm的激光损伤阈值.1064 nm激光辐照下, H4薄膜经历了轻微损伤、轻度损伤、重度损伤和极度损伤四个缓慢演变的阶段.而532 nm激光辐照下, H4薄膜从未损伤到损伤是一个突变的过程, 经历了重度损伤和极度损伤的演变阶段.

基于多靶射频磁控溅射技术, 结合快速光热退火后处理制备了Sb掺杂Si3N4基Si量子点(Si-QDs)薄膜。采用透射电镜、掠入射X射线衍射、拉曼光谱和光致发光光谱等手段对薄膜的微结构和发光特性进行了研究, 分析了Sb掺杂对Si-QDs薄膜的微结构和发光特性的影响规律.结果表明, Sb掺杂表现出明显的诱导晶化作用.掺杂的Sb有助于Si原子在Si3N4基质中的扩散并形成Si-QDs.随着Sb掺杂量的增加, Si-QDs的尺寸逐渐增大, 薄膜的结晶率Xc有效提高, 其PL谱峰随之增强, 谱峰的半高峰宽逐渐变窄; 由于Si-QDs尺寸的增加还导致PL发光谱峰位产生红移.