采用溶液旋涂方法将单壁碳纳米管与有机红光材料结合并制作出红光探测器, 研究了单壁碳纳米管对PBDTTT-F∶PCBM本体异质结活性层薄膜的影响机理及其红光探测器的光电特性.利用原子力显微镜, 荧光光谱和紫外-可见吸收光谱等方法对器件进行性能表征及优化.当单壁碳纳米管为最优掺入比1.5 wt%时, 在－1 V偏置电压时, 红光光照下该探测器响应度为535 mA/W, 比探测率达到3.8×1012 Jones, 外量子效率达到104%.结果表明, 将单壁碳纳米管与有机红光材料结合, 有利于提高有机共轭聚合物的聚集以及结晶度, 增强光吸收, 可为活性层提供高迁移率的电荷传导通道, 优化薄膜互穿网络形貌.同时, 利用碳纳米管的多激子产生效应, 使得有机光电探测器的光电性能大大改善, 外量子效率超过100%, 为无机-有机光电探测器的进一步开发提供参考.

针对现有描述星点能量分布的高斯模型的局限性, 基于恒星辐射特性和星敏感器的成像特性, 提出了改进的偏正态分布恒星成像模型, 并确定其关键参数向量.根据星敏感器对恒星成像为平稳随机过程的特点, 设计了Kalman滤波器迭代估计星点像斑特征, 提取四个星点像斑特征量, 建立状态空间, 得到特征量在最小二乘意义下的最优估计值, 以此作为参考基准, 利用查表法实现星点成像模型参数寻优求解.地面观星实验结果表明, 基于Kalman滤波可以快速有效地对实测星点像斑特征量进行估计, 相对于高斯模型, 改进的偏高斯模型对星点像斑能量分布的仿真精度更高.

设计了用于谐振式光纤陀螺系统中两个半导体激光器相对频率噪声抑制的全光纤光路外差式光学锁相环, 建立并分析了陀螺精度需求和外差式光学锁相环关键参数的关系, 同时对外差式光学锁相环全数字反馈控制环路进行了设计和仿真.通过实验对设计的系统进行性能验证.结果表明两个主从激光器的中心频率实现了参考频率源频率的锁定, 且拍频激光中心频率相对于光纤环形谐振腔谐振频率偏离幅值减小了15 dB.

针对马赫曾德光纤干涉结构的信号解调, 理论分析了偏振衰落对3×3耦合器解调的影响, 发现椭圆拟合估计法解调的关键是准确获取信号李萨如图形的椭圆表达式, 从而提出了基于形态学滤波的偏振处理方法, 即利用腐蚀和膨胀滤除椭圆图形中的噪声点, 然后用边缘检测方法提取椭圆外轮廓, 再用最小二乘数值估计方法求解椭圆参数, 最后利用微分交叉相乘方法完成扰动信号的相位还原.仿真结果和现场实验数据证明该方法切实有效, 与传统偏振处理方法相比, 节省了硬件开支, 有效提高了信号解调的稳定性和精确度.

针对复杂场景图像由于背景边缘干扰和噪声导致弱小目标检测困难的问题, 提出了一种基于结构张量分析的弱小目标单帧检测方法.利用结构张量对不同局部结构的表示特性, 通过计算结构张量特征值矩阵和均值滤波得到点状和矩形状目标的结构张量响应图; 采用高斯差分带通滤波器计算灰度差分图; 通过归一化融合处理得到最终响应图; 采用自适应阈值分割得到目标位置.采用该方法对天空、海面等多种场景的红外图像和可见光图像进行实验, 并与典型方法对比, 结果表明该方法能够有效地抑制背景干扰和噪声、快速且准确地检测目标.

针对图像去雾算法在景深突变处出现光晕现象和远景区域去雾不足的问题, 提出了一种基于融合与高斯加权暗通道的单幅图像去雾算法.利用图像形态学梯度的特点, 将形态学梯度图像与暗通道图像线性融合获取融合暗通道, 构造自适应的高斯权重参数对融合的暗通道图像逐像素处理获取粗透射率, 在使用L1正则化优化透射率, 通过大气散射模型与修复的大气光值恢复无雾图像.仿真实验表明, 本文算法可以较好地恢复出图像的细节并抑制光晕现象, 与几种典型的图像去雾算法客观对比, 证实了本文算法的可行性.

针对空谱信息中普遍存在的异常干扰现象, 提出了基于空谱联合聚类的自适应核协同表示高光谱异常目标探测算法.算法充分发挥了基于密度的聚类算子(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN)对于异常点的筛选特性, 在DBSCAN聚类去除异常波谱的基础上, 采用分波段子集随机投影变换对数据降维处理, 以减少谱噪声和谱冗余, 并采用DBSCAN聚类消除了局部背景像元中的杂乱点对协同探测算法结果的干扰.研究了背景离散度对核参选择的影响, 比较了不同的核估计方法, 并提出基于平均差的自适应核协同算法.采用该方法对AVIRIS和ROSIS的三组数据进行仿真实验并与现有算法进行了对比, 结果表明该算法表现出较好的探测性能.

针对已有红外和可见光图像融合算法存在的复杂度高、实时性差、输入参量多和融合模型受先验知识影响等问题, 提出了红外和可见光图像泊松融合算法.算法采用绝对值最大规则融合源图像的梯度得到泊松融合图像的期望梯度, 将平均融合图像分解, 分别作为迭代的初始值和边界条件, 利用雅可比迭代求解泊松方程重建泊松融合图像.通过实验分别确定了最佳迭代次数以满足高质量和高实时性两种融合需求.与经典融合算法相比, 该算法在质量优先或速度优先的图像融合应用方面性能更优.

采用分离式光学补偿方式对传统连续变焦中波红外光学系统进行改进, 将变倍组和补偿组分开独立, 使系统同时满足超长焦距(916.2 mm)、超大视场(36°)、小型化的需求.变倍过程中变倍补偿曲线平滑、无拐点、像面稳定, 光学系统外形包络在335 mm×118 mm(局部169 mm)×100 mm(局部Φ168 mm)范围内, 系统结构紧凑, 像质评价结果表明光学系统像质良好, 能满足热像仪整机使用要求

根据多角度偏振成像仪光学系统特点, 分析了仪器的鬼像分布特性, 结合光学设计软件CodeV与ZEMAX确定了产生严重鬼像的光学工作面, 并对实验测得的鬼像图像进行了标记.在此基础上, 利用鬼像畸变与视场的关系, 采用多项式拟合的方法得到仪器全视场鬼像位置和形变, 并通过实测图像确定了原像和鬼像图像之间的能量衰减比, 建立了仪器全视场的鬼像校正模型.最后分别对未饱和及过饱和图像进行了校正, 结果表明, 此校正方法可以消除至少90%的鬼像杂光.

为避免小周期高宽比吸收光栅的制作, 提出了由泰伯-劳干涉仪和逆泰伯-劳干涉仪组成的级联光栅X射线相衬成像装置, 该装置利用泰伯-劳干涉仪的自成像作为逆泰伯-劳干涉仪的源.通过实验验证了该方法的有效性, 得到了成像系统的莫尔条纹和强度振荡曲线.条纹最高对比度为17.4％, 随着吸收光栅偏离零点位置, 条纹对比度逐渐降低, 但是在其位置跨越从-17 mm到12 mm的范围内, 条纹对比度仍保持在10％以上.实验讨论了样品位置对成像灵敏度的影响, 结果表明当样品位置靠近相位光栅两侧时, 其成像灵敏度最高.本文的研究可应用于生物医学成像的大视场X射线相衬成像系统的设计.

简述了强度相干成像原理, 分析了照明激光散斑效应, 并仿真了散斑效应对频谱模值的影响, 利用数字微镜阵列设计实验, 根据自适应望远镜测得的波前数据设置数字微镜阵列翻转状态, 对不同目标采集光强涨落信息, 利用基于先验信息的迭代算法进行图像恢复.结果表明：目标散斑光场强度涨落服从负指数分布; 散斑光场使得目标频谱模值高频部分出现误差; 利用基于先验信息的迭代算法能较好地恢复目标图像, 目标恢复图像峰值信噪比最高可达29.87 dB.

基于热传导理论, 构建了相对运动情况下脉冲激光辐照HgCdTe探测器的理论模型, 利用有限元法分析比较了不同重频、不同移动速度下探测器的热效应.结果表明, 在相对静止情况下, 重频脉冲激光辐照HgCdTe探测器时, 激光能量主要被HgCdTe光敏层吸收, 温度场高温区主要分布在HgCdTe层与CdZnTe层交界面附近; 重频为1 kHz、10 kHz时几乎没有温度累积效应, 当重频为100 kHz时, 随着脉冲数的增多, 峰值温度不断增加, 有明显的温度累积效应.在相对运动情况下, 随着激光光斑的移动, 温度峰值所在的位置逐渐向速度矢量方向偏移.从损伤的角度考虑, 当每个温度峰值都大于HgCdTe熔融温度时便能达到损伤的空间区域累积效应, 实现对多个探测像元的损伤.定性分析了汇聚到探测器焦平面单脉冲激光光斑在不同移动速度下的热效应, 结果表明移动速度越快, 脉冲结束时刻峰值温度越低, 温升曲线的斜率越小, 上升越慢.

以海藻酸钠溶液为研究对象, 利用激光诱导前向转移技术诱导溶液转移, 探讨激光脉冲能量、光斑直径、钛层厚度以及海藻酸钠溶液质量分数对液滴的直径和表面形貌的影响.实验结果表明, 当光斑直径为100 μm时, 液滴的直径更小, 且表面致密均匀且形貌清晰.极差分析显示海藻酸钠溶液质量分数、激光脉冲能量、光斑直径、钛层厚度对液滴直径影响的重要性递减.同时利用高速摄影仪拍摄激光诱导海藻酸钠溶液转移的过程, 发现激光诱导液体靶材转移过程中伴随着流体多相动力学行为.

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源, 频率探测及控制单元, 光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器, 重复频率为196.5 MHz, 中心波长为1 572 nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率, 获得信噪比约为40 dB的信号(分辨率带宽300 kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2; 通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520~1 607 nm扩展到671 nm, 获得了单模功率为208 nW的光信号.与671 nm单频激光拍频产生约为60 dB(分辨率带宽1 Hz)信号, 满足Li原子D1线频率测量实验的需求.

通过建立数值模型, 分析了垂直腔面发射激光器相干耦合阵列单元数量、单元间距、单元间相位差对光束质量及偏转角度的影响.仿真结果表明, 单元数量越多, 发散角越小; 单元间距越小, 旁瓣强度越小; 单元间相位差越大, 偏转角度越大.因此, 设计相干阵列时, 需要尽量减小单元间距, 增大阵列规模, 实现单元间大相位差的控制.实验制备了3单元相干耦合阵列, 通过分离电极实现了单元注入电流的独立控制以及单元间相位差的控制, 最终实现二维方向上的光束操控.

基于光栅层控制光波传播耦合波方程, 设计了能够实现共振波长可调谐的亚波长光栅导模共振滤波器.通过调谐空气层的厚度, 滤波器可以实现波长75 nm的调谐, 线宽均小于或等于1 nm.将共振波长可调谐滤波器与中心波长为1.55 μm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成, 形成了激射波长可调谐VCSEL.研究发现激射波长调谐范围与共振波长可调谐滤波器相同, 而且在相同空气层厚度下, 激射波长可调谐VCSEL的激射波长和共振波长可调谐滤波器的共振波长相同.该VCSEL不仅可以选择激射波长还可对输出横向模式进行选择.

为了实现对3~5 μm中红外光的完美吸收, 仿真设计了一种基于W/VO2周期性纳米盘阵列的可调中红外宽频吸收器, 利用时域有限差分法模拟计算了结构参数对吸收器性能的影响.在最佳结构参数条件下, 吸收器表现出偏振无关和广角吸收的特性, 在3.1~3.6 μm范围内吸收率达99%以上, 峰值吸收率为99.99%.低温时入射光的磁场被束缚在各单元VO2介质层的中心并得到完美吸收; 高温时VO2发生相变表现为金属相, 抑制吸收, 高低温的吸收率差值可达78.8%.该吸收器有效弥补了传统吸收器吸收频带窄、吸收率不可调的缺陷, 对中红外光电器件的应用有参考价值.

运用光波导的模式理论设计了多层集成光波导干涉芯片, 对芯片的光波导结构和材料参数进行优化, 并制作了集成干涉芯片.借助集成芯片的波导双通道, 通过干涉获得了高对比度的远场干涉条纹.在实验误差范围内, 当外界环境条件发生微小变化时, 干涉条纹发生移动, 符合杨氏双缝干涉理论的预期.芯片对水汽、酒精的探测灵敏度约为100 ppm, 并具有足够的温度稳定性.该集成干涉芯片具有低浓度环境气体检测的应用前景, 可为集成高灵敏气体传感器的开发提供发展平台.

对张应变GaInP量子阱激光器材料结构开展变温光致发光特性的研究, 实验中激光器有源区为9 nm Ga0.575In0.425P量子阱结构, 采用N离子注入并结合730℃下的快速热退火处理来诱导有源区发生量子阱混杂.变温(10 K~300 K)光致发光特性研究表明：300 K时, 只进行快速热退火或者N离子注入的样品不发生峰值波长蓝移, N离子注入后样品在退火时发生波长蓝移, 且蓝移量随退火时间的增加而增加; 低温条件时, 不同样品的光致发光特性差别较大, 光致发光谱既有单峰, 也有双峰, 分析认为双峰中的短波长发光峰为本征激子的复合, 长波长发光峰是由于有序区域中的电子与无序区域中的空穴复合引起.本研究可为半导体激光器长期工作可靠性和材料低温特性的相互关系提供一种新的研究思路.

应用带保护气进行烧结的方法, 制作了一种双半导体底层碳纳米管薄膜阴极.利用烧结的银浆形成条形银电极, 在条形银电极表面制作了具有相同宽度且平行排列的ZnO掺杂底层和TiO2掺杂底层, 在掺杂底层上面制备了碳纳米管膜层.由于保护气的防氧化屏蔽, 碳纳米管膜层中的碳纳米管未受损害, ZnO粒子和TiO2粒子也在烧结过程中得到了很好地保护, 双半导体底层碳纳米管薄膜阴极获得更优的电子发射特性, 且电子发射稳定性也得到有效增强.与普通条形银电极碳纳米管阴极相比, 双半导体底层碳纳米管薄膜阴极能够将开启电场从2.09 V/μm降低到1.91 V/μm, 将最大电子发射电流从1 653.5 μA提高到2 672.9 μA.在2.69 V/μm电场作用下, 普通条形银电极碳纳米管阴极的电子发射电流仅为421.1 μA, 而双半导体底层碳纳米管薄膜阴极的电子发射电流能够达到723.5 μA.从发射电流稳定性实验曲线可以看出, 双半导体底层碳纳米管薄膜阴极实现了稳定的电子发射, 表明ZnO掺杂底层和TiO2掺杂底层能够应用于真空环境.利用数码相机获得了具有良好质量的发射图像, 验证了双半导体底层碳纳米管薄膜阴极制作的可行性和适用性.

为表征物体表面偏振散射特性对目标偏振信息提取的影响, 基于微面元散射模型结合Kubel-Munk理论, 综合考虑镜面散射和漫散射, 构建一种改进的偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型, 得到物体表面散射光的偏振度与材料复折射率、方位角、探测角和入射波长等因素的数学模型, 并利用该模型对基础材料的复折射率进行反演.结合实际应用利用FD-1665偏振成像仪在不同影响因子条件下对目标表面进行了一系列偏振探测实验.最后将数值模拟结果和实测数据进行比较, 其材料偏振特性曲线与实测数据吻合, 表明修正后的模型有较高的精确度, 该模型可以为后续的偏振监测和目标识别工作提供理论支持.

为了探究轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响, 建立了三种相对理想锥镜母线的偏离模型, 即母线向内侧凹陷、外侧凸出、顶点呈双曲线分布的轴棱锥透镜.推导了各偏离锥镜的振幅透过率函数, 并基于菲涅耳衍射理论对平面波经三种母线偏离锥镜的出射光场及光强分布进行了理论分析与数值模拟.结果表明：锥镜母线内凹时, 光场强度变小, 焦深延长, 纵截面光场逐渐发散, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变大; 锥镜母线外凸时, 光场强度激增, 焦深变短, 纵截面光场逐渐汇聚, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变小; 锥镜顶点呈双曲线分布时, 光场振荡加剧, 场强和焦深几乎不变, 纵截面光场发散后逐渐恢复至均匀分布状.研究结果可为分析轴棱锥透镜锥面加工误差对无衍射光束传播特性的影响、进一步完善无衍射光束衍射场理论, 以及拓宽其工程应用范围等提供参考.

利用时域有限差分法设计并分析了基于多孔氧化铝与纳米银颗粒的AAO/Ag NPs光吸收器模型, 采用物理气相沉积方法制备了AAO/Ag NPs复合体系样品, 表征并测试了不同实验参数下样品的光吸收特性.测试结果表明制备的AAO/Ag NPs复合体系样品在400~2 500 nm波段的光吸收率高达98%, 且高的光吸收率几乎不受银纳米颗粒氧化的影响.理论计算与测试分析表明多孔氧化铝孔内壁沉积的颗粒越多, 沉积深度越深, 沉积的银颗粒尺寸范围越大, 光吸收率越高, 而多孔结构有效降低了入射光的反射率, 其表面的银膜有效降低了出射光的透射率.

针对大口径光学元件溅射沉积膜厚不均匀的问题, 采用离子束溅射平坦化层来改善光学元件表面粗糙度.利用膜厚检测仪测出光学元件沉积面上的中心区域以及各边缘区域的膜厚值, 计算离子束在光学元件中心与边缘驻留时间比, 并通过MATLAB拟合驻留时间分布规律, 根据所得的数据进行逐级修正.实验结果表明, 当驻留时间比优化为-26.6%时, 可以实现在直径300~600 mm大口径的光学元件上均匀镀膜, 以熔石英表面上镀硅膜为例, 溅射沉积6 h, 表面膜厚为212.4±0.3 nm, 薄膜均匀性达到0.4%.