红外光谱仪内部背景辐射在长波红外波段(8~12 μm)影响比较显著, 会严重降低光学系统的分辨率和信噪比。利用TracePro光学分析软件, 对基于交叉非对称Czerny-Turner(C-T)型平板波导红外光谱仪进行了背景辐射分析, 包括机械构件表面发射率以及光学元件表面温度对背景辐射的影响。引入了杂光系数作为评价指标, 根据仿真分析结果, 在高低温箱中, 对该红外光谱仪的背景辐射影响采取抑制措施并进行了实验测量, 实验结果证明: 采取背景辐射抑制措施后, C-T型平板波导光谱仪系统的杂光系数在常温下(298 K)能达到5%以下。

旋翼翼型设计是直升机旋翼设计的基础, 准确计算翼型气动特性是设计工程实用翼型的关键。在翼型的气动特性设计过程中, 使用红外成像非接触测量转捩实验技术在大型?3.2 m低速风洞中测试了OA309旋翼翼型的自由转捩位置, 采用Michel模型计算了自由转捩位置以及自由转捩对气动力的影响。通过OA309旋翼翼型的计算与实验结果对比可以看出, 计算捕捉到的转捩位置与实验结果基本一致。红外成像非接触测量转捩技术与Michel模型的联合应用提高了旋翼翼型的阻力计算精度, 为翼型多目标设计奠定了基础。

介绍了一种双波段红外探测器叠层结构微透镜阵列的设计, 从实际光线角度进行建模, 考虑微透镜加工线宽的要求, 利用光学非成像理论的原理优化。并根据微透镜的衍射效率进行量化, 分析了影响占空比因素的计算方法等,并对其进行了详细说明。该设计方法从实际入射光线建模, 思路新颖, 该方法经加工微透镜与探测器耦合后验证可行。给微透镜阵列的设计者一些启发, 可用于其他多种叠层结构探测器的微透镜阵列设计。

地表热辐射时序变化模拟是红外场景仿真的核心环节。利用地表热传导差分计算地表热辐射是物理上较严谨的模拟方法, 但受限于差分方程边界条件的不确定性, 在红外场景仿真中未得到广泛应用。提出一种基于光照、气温、湿度等环境参数的地表热辐射时序变化计算方法。重点根据地质热环境变化规律设计闭环迭代过程, 自动修正初始和下边界热辐射值, 解决了边界条件的不确定问题, 提高了地表热传导计算精度和算法适应性。野外实验结果表明: 该算法计算温度与实测温度绝对误差小于2 K, 等效黑体辐射度相对误差小于3%, 为准确模拟红外动态场景提供基础。此外, 利用该方法对山区地表的热辐射分布时序变化进行了模拟, 显示了其在红外场景仿真方面的初步应用效果。

为了提高强激光系统中输出光束的光束质量, 提出了一种利用三光斑来探测离焦的方法, 该方法能够在探测器上横向探测光束轴向上三处位置的光斑尺寸, 通过三光斑间的尺寸关系可计算出光束的离焦量, 进而根据离焦量进行闭环校正。实验中通过调节整形系统对光束的离焦量进行离焦补偿, 使得光束离焦量从(4.9±0.2) mm校正至(0.3±0.1) mm。实验结果表明, 该方法结构简单, 能够测量各种因素引起的强激光的发散会聚度, 给出了离焦补偿的可靠判据, 为解决强激光热效应造成的光束发散提供了一种新方法。

传统激光熔覆增材制造方法一般采用等线宽扫描, 难以实现单道连续变宽成形。设计了变壁厚扭曲叶片模型, 利用光内送粉喷头直接变焦法变化光斑直径, 采用层高控制系统测量不同宽度处的实际堆积高度。设计PI控制器, 通过变化扫描速度, 控制不同宽度处的熔道堆积层高一致, 保证成形精度。通过连续变焦与闭环控制算法, 实现了变壁厚扭曲叶片激光熔覆连续变宽扫描成形。结果表明: 扭曲叶片在壁厚2.52~6.18 mm范围内均匀变化, 最大壁厚误差为-0.58 mm; 各段高度大致相同, 最大高度误差为-0.22 mm; 不同壁厚处的显微组织较为致密均匀。

针对动态压力传感器校准中, 压力无法直接准确溯源的问题, 一种利用激光干涉法测量水介质折射率的方法用于正弦压力校准。压力腔内充满水介质并产生动态压力, 以周期型的正弦压力为例, 通过激光干涉测量正弦压力下水介质折射率的改变, 得到介质动态压力的大小。为了对正弦压力进行精确测量, 建立数学模型并进行实验验证, 研制专门的解调系统, 通过硬件和软件的配合来实现正弦压力的精确测量。通过静态和动态试验验证了基于激光干涉测量压力的数学模型, 激光干涉方法来测量动态压力切实可行, 实现动态压力的量值溯源到时间、长度等基本量上。

激光主动清除空间碎片已经成为国际上的研究热点。碎片靶材在高能脉冲激光作用下的冲量耦合效应研究是实现碎片清除的基础和关键。基于单摆法模型的高速摄影测量法分别研究了ns和ms两种不同脉宽制式激光对铝合金小球的冲量耦合系数的变化规律, 并从机理上分析了两种制式激光产生冲量耦合系数特性的不同。重点指出ms激光能够产生的单位面积冲量远大于ns激光, 可用于清扫空间碎片。提出采用ns与ms的复合激光能够有效提高激光的能量利用率, 从而获得更大的冲量耦合系数。为激光清扫空间碎片的研究提供了一条新的思路, 具有很强的指导意义。

利用毫秒激光损伤测试平台, 通过改变焦距和聚焦位置, 研究了K9玻璃前后表面附近的损伤概率和损伤形貌。结果表明, 焦平面位于前表面时以热熔损伤为主, 焦平面位于后表面时则以应力损伤为主, 且尺寸明显大于前表面。建立二维热力学模型并对温度场和热应力场进行计算, 结果显示, 径向应力和环向应力是导致材料产生应力损伤的主要因素。激光辐照过程中在前表面产生的燃烧波能够增强激光能量耦合效率, 是材料前表面产生熔融损伤的原因之一。此外, 实验发现,焦距较短时, 损伤概率随焦平面与样品表面距离的增大迅速下降, 焦距较长时, 易在样品前后表面同时产生损伤, 这与透镜的焦深有关。

采用激光吸收光谱法可实现气体同位素丰度的探测, 由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响, 将直接影响气体同位素检测系统的精准度和稳定度, 文中设计并研制了一种高精度的多通池温度控制系统。硬件方面, 采用高精度PT1000铂电阻温度采集电路与聚酰亚胺电热膜加热装置, 构成了一个完整的闭环温度控制结构。软件方面, 采用Ziegier-Nichols工程整定方法对比例、积分、微分三个系数完成整定。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题, 采用积分分离比例-积分-微分控制算法, 使温度控制快速且无超调。利用该系统进行温度控制实验, 实验表明: 温度控制范围为18～42 ℃, 温度控制精度达到±0.08 ℃, 稳定时间位15 s,该系统具有精度高、响应快速、无超调的优点, 为激光气体同位素探测提供了可靠保障。

激光雷达是对空间目标进行远距离高精度探测、跟踪监视的重要技术手段之一, 基于距离分辨的激光雷达探测系统相比于传统的成像系统, 具有整体结构简单、受大气干扰小等特点。国内外研究机构对该技术领域开展了大量研究, 主要介绍了高分辨率回波探测及反射断层成像激光雷达的发展现状, 总结和比较了国内外在理论算法、仿真分析、实验测试及实际应用等方面的进展, 分析了二者的技术特点, 展望了其发展前景。

地空链路无线光通信链路上, 云层是影响激光传输散射特性的主要因素之一, 主要是由水滴、冰水或者具有其他混合的核壳结构冰晶粒子等组成。建立了考虑晶核以及中间混合层结构的2、8和39个球形核壳结构团聚冰晶粒子模型, 分析了晶核尺寸对于理想团聚形核壳结构冰晶粒子消光、吸收和散射系数的影响; 且通过对均匀混合层折射率的计算, 对比了纯冰晶、理想核壳和考虑中间混合层的核壳三种多球团聚形冰晶粒子散射强度随散射角度的变化情况。数值结果表明: 理想核壳结构和中间混合层的核壳结构对冰晶粒子的散射特性影响较大; 相同条件下, 三种不同团聚形核壳结构冰晶粒子消光、吸收和散射系数存在显著差异。该研究结果对冰晶粒子的散射特性研究结果更为精确, 为开展无线光信号在随机分布冰云中的传输分析奠定理论基础。

为了使光纤激光器同时运转在不同的工作状态, 搭建了非线性偏振旋转(NPR)技术和碳纳米管可饱和吸收体(CNT-SA)混合的掺铒光纤激光器。其中, 基于NPR效应的腔内双折射引入的梳状滤波器可以实现双波长输出, NPR和CNT-SA的可饱和吸收效应共同作用可以获得调Q或调Q锁模脉冲, 因此在该激光器中通过调节参数可以使光纤激光器同时获得双波长调Q和调Q锁模脉冲输出。该双波长脉冲经滤波处理后, 观察到1531.23 nm处的波长对应调Q脉冲, 其重复率为45.62 kHz, 1557.18 nm处的波长对应调Q锁模, 调Q包络重复率也为45.62 kHz, 包络内锁模脉冲的重复率为18.18 MHz, 与激光器腔长相符。该实验结果增强了光纤激光器工作的灵活性, 有望进一步拓展其在相关领域的应用。

针对半导体激光二极管由束散角大(14°~46°)导致的激光功率密度在传播过程中不断衰减的问题, 提出了一种提高激光功率密度的光束整形方法。首先以X型柱面平凸透镜和Y型柱面平凸透镜对激光二极管输出光束慢轴和快轴方向进行准直, 然后通过一对平凸透镜组合进行扩束, 进一步提高光束平行度, 最后由单片平凸透镜将光束聚焦为高功率密度的光点。采用Light Tools软件仿真光路、优化光学元件参数, 对光学元件进行实际选型后安装并调试光束整形系统。测试结果表明: 半导体激光二极管输出光束的67%激光能量汇聚于直径1 mm圆内, 激光功率密度优于30 W/cm2。

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS), 基于吸收光谱的多普勒展宽原理, 对D2/NF3燃烧驱动的HBr化学激光器, 进行了光腔和扩压段的气体温度测量实验研究。为了有效地测量TDLAS吸收光谱, 选用了主气流中吸收系数较大的HF分子(2-0)振动谱带的R2谱线作为研究对象。实验中利用一台中心波长1 273 nm的分布反馈式(DFB)二极管激光器, 搭建了一套基于直接吸收法TDLAS的HBr化学激光器气体温度测量系统。通过对HF分子的吸收谱线进行Voigt线型拟合, 获得了多普勒展宽宽度, 从而给出了光腔和扩压段气体温度。在进行时域频域变换时, 使用了一台自由光谱范围(FSR)为1.5 GHz的F-P标准具用于频率校准。实验测量结果表明, 光腔温度约为280 K, 扩压段温度约为400 K。实验过程中的碰撞展宽和多普勒展宽的比值小于0.1, 表明多普勒展宽为主, 能够方便地用HF吸收光谱的展宽来监测光腔和扩压段的气体温度。

利用大涡模拟方法对受周期性控制的超声速混合层进行数值模拟, 揭示出受控涡结构的特性; 使用光线追踪方法计算光束穿越受控混合层流场产生的气动光学波前畸变。通过对受控涡结构特性的分析, 提出了一种气动光学效应校正方法, 并以不同控制周期下的超声速混合层为例, 对设计的校正方法进行检验。结果表明: 对于受周期性控制的超声速混合层, 按照校正方法获取的波前补偿信号能够使气动光学波前畸变的幅值降低50%以上; 指出混合层流场中涡结构的规整程度是影响畸变波前校正效果的关键因素。

根据海盐粒子在不同相对湿度条件下的不同形态, 分别建立了低湿度(RH=0%)、中湿度(RH=50%)和高湿度(RH=95%)三种条件下海盐立方体和球形粒子模型。利用离散偶极子近似法(DDA)、Mie散射理论研究了相对湿度和粒子形态对海盐散射的特性影响, 采用离散坐标法(DISORT)研究了相对湿度和粒子形态对海盐特性的影响。结果表明: 相对湿度和粒子形态对海盐散射特性影响较大, 不同相对湿度条件下, 海盐气溶胶粒子由于相态不同, 呈现出不同的特性。中湿度条件下, 粒子形状因子对海盐散射辐射特性的影响更强。当光学厚度较小时, 球形-立方体海盐气溶胶的双向反射分布函数(BRDF)相对差异超过15%, 在研究海盐气溶胶散射辐射特性时, 需同时考虑相对湿度和粒子形态的影响; 当光学厚度较大时, 相对差异不超过5%, 一定精度范围内, 可采用等效球方法进行模拟计算。研究结果对于大气气溶胶散射和辐射传输理论及应用研究具有重要的参考价值。

星载气辉成像干涉仪采用临边观测模式, 可以获取全球范围内大气风场的空间分布信息及时间演化信息, 是国际卫星遥感领域的研究热点。基于O3辐射源的Michelson星载成像干涉仪在红外波段工作, 能够全天时探测平流层区域的大气风场, 却存在更为复杂的测风不确定度。鉴于此, 在临边观测正演仿真的基础上, 开展了仪器热背景辐射研究及测量噪声分析, 给出了大气信号测量噪声及仪器热背景噪声引起的大气风场速度误差数值, 并通过表观量仿真及信噪比分析, 得到了视向风的误差廓线。不确定度分析表明, 基于O3辐射源的Michelson成像干涉仪在星载条件下可全天时探测15~45 km范围内的大气风场, 反演精度优于1~2 m/s。该研究为基于红外辐射源的大气风场测量提供了重要的理论指导。同时对红外Michelson成像干涉仪的研制具有重大的工程意义和实践价值。

光电二极管是一种体积小、成本低的感光传感器, 由至少三个配合可实现太阳矢量的测量, 从而可以作为低精度的太阳敏感器。为了尽可能实现在360°视场空间任意方位求解太阳矢量, 如何选择光电二极管数量并确定其布局方式是一个难点。文中首先将360°视场空间等表面积离散化, 将无限的传感器的布局优化问题转换为有限的组合优化(NP问题难)。然后, 通过建立覆盖度和均匀度的多目标优化函数, 并结合量子遗传算法求解最优方案。实验分析了不同光电二极管数量和视场范围的布局效果, 对多光电二极管的布局优化提供了理论性依据。实验结果显示, 选择12~14个光电二极管可以基本实现无覆盖风险和均匀风险的布局。

提出了一种基于哈特曼原理子口径斜率扫描再重构波面的检测方式, 研究了一种解决大口径光学系统不同俯仰角下的像质评价的方法。该方法无需同等口径标准镜, 通过扫描方式获取波面信息。采用光学软件与数学分析软件通过DDE接口连接进行计算机联合仿真的方式进行探究, 仿真光学系统采用主镜Φ720 mm, 次镜Φ100 mm的卡塞-格林系统来验证该方法的可行性, 利用随机误差注入及多次扫描平均的方法进行了该检测方式中重构波面精度的研究; 系统探究了光斑中心提取误差、子口径定位误差、子口径倾斜误差对于该检测方法重构波面精度的影响。给出了该方法仿真结果与光学软件仿真结果的对比, 并获取了误差注入时各误差与重构波面精度的物理模型。

拼接镜共相检测技术是拼接过程和维持镜面质量关键技术之一, 定量测量平移误差(piston)是指导拼接确定性调整的依据, 也是拼接镜面成像质量、望远镜角分辨率的根本保证。为了实现拼接镜平移误差的大量程、高精度检测, 提出了新型双波长共相检测算法, 并基于圆孔衍射与双波长检测理论, 推导得到了双波检测理论量程与波长之间的关系式以及选取模板间隔的最大值与波长之间关系式。在双波长检测中, 针对两半圆间远场图案存在偏心、间隙误差和相机噪声等拼接误差, 理论和仿真分析了间隙误差、偏心误差和相机噪声对双波长检测精度的影响。得到了间隙误差需小于0.2r, 偏心误差需小于0.2r, 信噪比需大于30时, 双波长检测才不会出现误检测。该分析为以后双波长检测实验中误差的选取提供了借鉴。

为了准确检测油田伴生气中微量H2S气体的含量, 设计一种模拟油田伴生气中微量杂质气体H2S的在线实时分析系统, 能够为油田伴生气回收利用工艺的改进和制定提供依据。该系统基于可调谐激光吸收光谱技术和波长调制技术, 利用可调谐的分布反馈式激光器、锁相放大器, 结合改进新型Herriot气室、InGaAs探测器, 实现了模拟油田伴生气中微量气体H2S的实时在线监测。为消除背景气体CH4以及其他杂质气体的干扰, 开展RBF和经典BP神经网络的对比实验。通过模拟混合气站配备多种不同浓度的H2S标准气体测试系统, 实验结果表明, 在强大背景气体的干扰下, 该系统可达到的H2S检测下限为1.2 ppm; 在抗干扰方面, 与经典BP神经网络相比, RBF神经网络具有很强的优势, 其预测误差小于10-10。另外, 该系统还具有较高的检测精度和强鲁棒性, 在油田伴生气中微量气体的检测领域具有很强的适用价值。

为有效地预防、控制海上溢油事件对经济和海洋生态环境造成的严重影响, 针对不易被早期发现的小面积溢油, 结合表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感技术的实时性、灵敏度高、样品消耗少等特点, 提出了一种新颖的小型海上溢油监测系统。具体而言, 根据所采用的非扫描角度调制模式下的四层Kretschmann型棱镜耦合传感结构和原油样品折射率变化范围, 通过MATLAB仿真确定传感装置中各元件最优参数和相对固定位置, 得到理论检测灵敏度为6.094×10-5 RIU。依仿真结果搭建实验装置, 对蔗糖溶液和原油样品进行了实验分析。实验表明: 蔗糖溶液检测灵敏度与理论仿真灵敏度同数量级, 达到9.017×10-5 RIU, 证实实验装置有效, 原油检测结果符合SPR响应趋势, 验证了该系统方案的可行性。

基于某2 m轻量化SiC主镜, 设计了一种新型主动调节侧支撑机构。先分析常用的侧向支撑机构的结构形式和特点; 再设计由位移促动器、柔性铰链结构和嵌入杠杆系统等部件组成的主动调节支撑机构; 最后, 对机构的支撑力和移动量进行有限元分析, 并且搭建实验平台, 对其进行刚度和调节能力测试。试验结果表明: 当支撑力为562.55 N时, 杠杆结构中位移促动器承受的力为97.57 N, 大大降低了位移促动器的刚度、强度要求; 位移促动器行程为0.065 mm, 是支撑杆中的22倍, 大大降低了位移促动器分辨率要求; 试验测得刚度为1 225 N/mm, 达到了设计要求, 表明这种柔性杠杆支撑系统具有很好的工程应用能力。

高分辨率需求牵引极紫外光刻(EUVL)投影物镜向高数值孔径(NA)、自由曲面设计形式发展。传统的非球面EUVL物镜设计难以在高数值孔径下兼顾校正像差的需求, 往往造成遮拦, 破坏成像对比度。提出了一种高NA无遮拦自由曲面EUVL物镜设计方法。依据物镜形态参数判别引入自由曲面的最佳位置, 能够有效校正系统像差, 在不影响成像性能的情况下增大系统NA。应用该方法设计了一套高NA自由曲面EUVL投影物镜(PO)。与初始非球面物镜相比, 通过增加四面自由曲面, 将物镜数值孔径从0.3增大至0.35, 波像差均方根(RMS)值从1 nm减小至0.4 nm, 整个系统光路无遮拦。设计结果表明: 该方法有效提高了自由曲面EUVL物镜设计效率, 在不产生遮拦的情况下, 不但增大了系统NA且减小了系统波像差, 提高了物镜整体性能。

为了解决CFRP(carbon fiber reinforced polymer)平面反射镜在加工成型后的面形存在像散像差的问题, 建立相关的理论模型以对其产生机理进行解释, 并设计实验对模型进行验证。首先基于经典层合板的热效应理论, 考虑到CFRP平面反射镜制造过程中存在铺层角度误差及温度变化等因素, 推导了相关公式以说明当对称均衡铺层CFRP反射镜存在铺层角度误差时, 在热效应的影响下会产生马鞍形的变形, 即会导致面形出现像散像差。设计了相关实验, 制备了两组铺层角度分别为[0° 90° 45° -45°]2s和[(0° 90° 45° -45°)s]2的反射镜样片, 并利用Zygo长波红外干涉仪(λ=10.6 μm)对样片总体面形及像散像差进行检测。实验数据显示: 第一组样片像散像差的RMS值平均为0.034λ, 第二组样片像散像差的RMS值平均为0.510λ。证明了铺层角度误差是使反射镜产生像散像差的主要原因之一, 而且像差大小会随着反射镜弯曲刚度准各向同性的提高而减小。

针对环境温度、电压、入射角等因素变化对基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter, AOTF)和液晶可变延迟器(Liquid crystal variable retarder, LCVR)的光谱偏振成像测量精度影响大, 且整个系统实现复杂等缺点; 考虑到超消色差波片对温度和波长依赖小, 结合AOTF高光谱成像的优点, 提出了基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像新方法。详细分析了该方法的工作原理, 并结合可购买到的最好超消色差1/4波片中相位延迟和快轴随波长的微小波动, 进而分析了该波动对偏振测量的影响, 并针对这些影响研究了修正策略。搭建了原理样机, 对450~950 nm波段进行了偏振测量, 修正后偏振度测量误差≤1%, 对偏振方向的测量偏差≤1.8°, 以633 nm为例, 对其全Stokes参量图像进行了具体原理及修正测量验证实验, 结果表明, 该新技术原理正确, 修正策略可行。该研究可为复杂条件下高精度、高光谱全偏振成像技术提供新的理论和实现方案。

研究了一种在近红外波段具备良好成像能力的双凹面光栅成像光谱仪系统。对这种串联光栅系统中存在的主要像差像散和彗差进行了分析, 并计算获得了该系统的最优成像条件: 两个光栅和柱面透镜的最优摆放位置。这种改进型的Wadsworth系统可以在全波段近似消除彗差和像散, 具备良好的光学成像质量, 并仅通过刻线密度较低的光栅即可实现高光谱分辨率。设计了一个工作于780~1 100 nm波段的成像光谱仪系统, 其光谱采样达到0.92 nm/pixel, 全视场调制传递函数在17 lp/mm的奈奎斯特频率下高于0.45, 系统像差得到充分校正, 且加工和装调公差比较宽松。研究结果分析证明了设计理论的正确性。

为提高小口径非球面硫系玻璃镜片热压成型质量, 避免成型缺陷, 通过热压过程的有限元分析, 提出了一种新的非等温热压成型法。在上模仁和上加热板之间设置加热间隙, 对上、下加热板设置不同的加热温度, 以实现玻璃预形体的非等温加热。首先, 根据硫系玻璃高温粘弹性本构模型和热传递模型, 结合相关参数建立了镜片热压过程的有限元模型; 接着, 采用所建立的模型, 分析了非等温温差对玻璃预形体内部的温度分布、成型镜片最大残余应力分布及轮廓偏移量的影响, 以确定最佳的温差值; 最后, 进行了镜片的非等温热压成型实验, 并将仿真和实验结果进行了对比研究, 以验证仿真模型和结果的有效性。仿真与实验结果均表明, 最佳的非等温温差值为10 ℃。该条件下, 仿真获得的玻璃预形体内部温度差仅为2.6 ℃, 成型镜片最大残余应力可减至3.375 MPa, 成型镜片ASP1和ASP2的轮廓偏移量最大值分别为0.562 μm和0.615 μm; 实验获得的成型镜片ASP1和ASP2的PV值分别为118.2、194.0 nm, Ra值分别为17.0、37.8 nm, 轮廓偏移量最大值分别为0.583、0.644 μm, 均满足精度要求。仿真与实验结果具有较好的一致性, 采用合理的温差值进行镜片的非等温热压成型, 可有效降低玻璃预形体内部温度差及成型镜片最大残余应力, 避免粘连、气泡等成型缺陷, 提高成型镜片的精度。

利用传输矩阵理论和等效原理, 从能级的角度研究对称结构光子晶体表面光学Tamm态, 结果表明: 当光子晶体的排列周期无限大时, 入射介质与光子晶体间不满足阻抗匹配条件, 从而不出现表面光学Tamm态; 当光子晶体被截断成有限周期时, 其表面可支持表面光学Tamm态的存在, 且轴向传播时通带中出现TM和TE偏振的能级简并现象, 离轴传播时从通带边缘分离出来的非简并能级被局域于光子晶体表面而形成了表面光学Tamm态; 当光子晶体截断参数与最外层高折射率介质匹配时, 容易形成束缚性较强的表面光学Tamm态, 与最外层低折射率介质匹配时, 则难以实现表面光学Tamm态; 通过ATR全反射技术对光子晶体表面态进行激发可观察到被激发的耦合共振吸收现象。对称结构光子晶体表面光学Tamm态的特性可为光子晶体光波导和表面波传感器的研究和设计提供指导。

搭建了可以连续控制基频光、倍频光偏振夹角的实验平台, 并实现了一系列锗硅玻璃样品的全光极化。极化效果和极化方向由内建电场的大小和方向所决定, 研究了两者与极化光束偏振态以及强度之间的关系。所获得的实验结果基本与经典模型及其推论相一致, 但同时也发现了两者在定量方面的差异, 包括局部变化趋势、角度大小等, 这进一步说明了全光极化过程的复杂性。实验发现, 当基频光与倍频光平行偏振时, 极化过程效果最优; 同时, 极化过程对极化光束的强度也非常敏感。

针对卫星光通信粗跟踪系统中机械轴存在空回、轴系摩擦、轴间隙的不足的问题, 提出采用柔性轴支撑光端机的方案。首先介绍了采用柔性轴卫星光通信的原理; 然后分析了柔铰工作方向的柔度、最小切割处应力特性; 从关键点挠度出发推导了回转误差角表达式, 并分析了回转误差角对捕获性能的影响; 在柔性轴特性研究的基础上, 采用遗传算法对柔性铰链进行了优化设计。设计结果为: 柔性铰链工作方向柔度0.768 rad/N·m, 最小切割处应力1.768e+8 Pa, 回转误差角343 μrad; 最后采用有限元法对设计结果进行了验证, 三项指标的相对误差均小于3.5%, 证明设计是可靠的。研究内容可为采用柔性轴的卫星光通信系统设计提供一定参考。

对于基于脉冲位置调制(PPM)的光子探测阵列接收的深空光通信系统, 提出了一种直接预测频偏和初始相偏的PPM时隙同步方法。该方法首先测量每个支路各个光子的到达时间, 进而得到每个光子到达时间相对于PPM时隙位置的偏移量, 统计得到不同偏移量处的光子分布。然后利用前、后半帧数据光子分布峰值点对应时隙位置差值即半帧数据频偏累积值的原理对频偏进行估计; 根据频率估计值修正光子达到时间数据后, 再根据修正后一帧数据光子分布统计图峰值位置相对于理想同步位置的偏移量大小估计出初始相偏。仿真结果表明, 在计数时钟频率大于等于四倍时隙时钟频率情况下, 该方法均能实现时隙同步。

提出了一种基于二氧化钛薄膜包覆无芯光纤的硫化氢气体传感器。该传感器将两段不同长度的无芯光纤熔接在单模光纤两端, 构建由两段单模光纤-无芯光纤-单模光纤结构组成的干涉仪。由于光从单模光纤进入无芯光纤中激发出不同阶模式, 形成基于多模干涉的干涉仪, 通过在无芯光纤外表面构造的二氧化钛薄膜对硫化氢气体的吸附, 将气体浓度与干涉光谱的偏移联系起来, 实现对硫化氢的检测。实验表明:在0~60 ppm的范围内获得了18.93 pm/ppm的灵敏度和良好的线性关系, 且随着硫化氢浓度的增加, 干涉谱呈现红移, 响应和恢复时间分别约为80 s和110 s。该传感器具有结构简单、灵敏度高、制造方便等优点, 在硫化氢气体的安全监测领域有潜在的应用价值。

波分复用/解复用器与可调光衰减器的是光通信系统中的重要元器件。为了得到制备工艺简单、响应速度快的二者的单片集成芯片, 并且考虑到其与其他不同光器件的集成可能性, 在绝缘体上硅材料制作了16通道、信道间隔200 GHz的阵列波导光栅复用/解复用器与电吸收型可调光衰减器的单片集成。该器件的片上损耗小于7 dB, 串扰小于-22 dB。电吸收型VOA在20 dB的衰减量下的功耗为572 mW(106 mA, 5.4 V)。此外, 该器件可以实现光功率的快速衰减, 在0~5 V的外加方波电压下, VOA上升及下降时间分别为50.5 ns和48 ns。

同型半胱氨酸是一种含硫氨基酸, 为蛋氨酸和半胱氨酸代谢过程中产生的重要中间产物, 它在人体血液或尿液中浓度含量过高时会大幅增加心血管疾病、老年痴呆、骨折等疾病的发病风险。基于太赫兹时域光谱系统, 针对液体状态下同型半胱氨酸的检测提出了浓缩富集再烘干的处理方法, 有效测量了不同浓度下同型半胱氨酸的太赫兹吸收光谱。经过与拉曼光谱方法的结果比对, 证明太赫兹检测的精度比拉曼光谱检测的精度提升了3倍。该结果对临床医学中同型半胱氨酸相关疾病的准确、快速诊断具有重要意义。

菲涅耳非相干相关全息术(Fresnel Incoherent Correlation Holography, FINCH)属于同轴全息系统, 需要通过相移技术去除零级像和共轭像。通过对FINCH系统记录及再现过程的理论分析, 根据系统点扩散函数推导出了n步相移数学计算公式, 模拟仿真了相移步数n对FINCH系统成像质量的影响, 并搭建了非相干光反射式数字全息记录系统, 对模拟结果进行了实验验证。模拟仿真及实验结果表明: 通过增加相移步数不能显著提高再现像质量; 二步相移能够提高记录速度, 通过去除原始图像和小波分解的方法可以抑制零级像, 提高再现像质量; 通过对三步相移每个相移全息图拍摄多次求平均值后得到的再现像与拍摄一次得到的再现像对比发现, 随着拍摄次数的增加, 得到的再现像质量越来越好, 背景噪声大大减弱, 再现像强度越来越大, 为FINCH系统再现像质量的改善提供了新的思路和新的实验基础。

为快速准确根据测得的梯度场重建表面面形, 针对基于最小二乘全局积分的重建技术, 采用紧致差分算子建立全局最优化的代价函数以提高重建精度, 将代价函数表示为Sylvester方程, 利用Hessenberg-Schur算法求解, 将常用最小二乘全局积分技术的空间和时间复杂度分别从O(N2)和O(N3)降低到O(N)和O(N3/2)。实验结果表明: 采用四阶精度的紧致差分算子时, 文中算法重建精度比高阶截断误差最小二乘积分法(HFLI)和全局最小二乘法(GLS)提高了一个数量级, 采用六阶精度的紧致差分算子时重建精度比基于样条的最小二乘积分法(SLI)提高了一个数量级; 鲁棒性优于GLS, 弱于HFLI和SLI; 重建速度显著优于HFLI和SLI, 略优于GLS。

将非相似成像理论引入到立体视觉理论中, 探索了一种非相似立体视觉机制, 建立了空间目标三维定位模型和深度精度模型。根据流行的非相似等距投影理论, 对非相似立体视觉三维定位方程进行了数理推导, 并实验验证了所建模型的有效性。结果表明: 利用三维定位模型可以准确地获取大空域场景中不同深度的多个目标位置信息, 定位误差随着目标深度的增大而缓慢变大, 在30 m深度处的定位误差达到1.32 m, 误差变化规律与深度精度模型结果吻合良好, 且误差值远小于相似立体视觉模型的定位误差。所建模型的优势是无需对非相似畸变图像进行校正, 便可较好地得到空间目标的三维坐标, 研究工作对于拓展非相似成像理论在大空域态势感知、目标侦察等领域的应用具有重要意义。

X射线光栅相衬成像对弱吸收物质成像能够获得较高的图像衬度, 然而使用高分辨探测器, 成像时间长。此外, 受光栅工艺限制, 成像能量通常在30 keV左右。文中基于投影成像原理, 大大放宽了对光栅工艺的要求, 提高了成像能量。同时, 利用医用CT球管以及医用探测器, 基于周步进扫描模式, 实现了快速相衬CT成像。在国家同步辐射实验室搭建的成像系统上, 完成了80 kV管电压(等效能量约48 keV)180 mA管电流, 物体80 s曝光的二维和三维成像实验。针对实验结果, 进一步探讨了提高密度分辨率的方法和途径。

斜模成像是一种从采样模式上提高影像空间分辨率的方法, 斜模成像角度的大小与成像质量密切相关。着重分析了斜模超分成像角度与斜模影像的有效分辨率、混叠、模糊以及噪声的关系, 并确定斜模超分辨率最佳成像角度。首先, 模拟分析了成像角度为1°~90°的混叠指数、视场幅宽以及有效分辨率, 并提出了用交叉复原方法对影像的分辨率、混叠、模糊以及噪声进行定量评估; 然后, 利用调制传递函数(MTF)结合倒易晶胞的方法对斜模影像复原, 最终确定了最佳成像角度为72°; 最后, 用实际实验验证分析结果表明, 当斜模成像角度为72°时影像的分辨率提升约1.41倍。

深度图像作为Kinect传感器的重要组成部分, 其获得的深度图像往往伴随着不可避免和无法预知的阴影噪声, 这也极大地影响并制约其在三维可视化等方面的应用及研究。因此, 针对深度图像提出了一种基于分数阶微分的阴影检测方法。在研究分数阶微分定义的Tiansi模板基础上, 设计并实现了一种非线性拉伸算子。该算子在0.6阶次可以增强阴影区域边界信息的同时实现阴影的有效检测。通过分析比较发现, 该方法在F测度的评价体系中可以达到0.971, 而其他传统的检测方法均小于0.7。实验结果证明文中提出方法可以有效实现深度图像的阴影检测。

虾蛄眼具有强大的视觉系统, 具有多光谱和偏振探测能力。以虾蛄眼微绒毛阵列结构为基础, 进行仿生研究。针对偏振探测中的能量利用率以及空间分辨率的问题, 仿生虾蛄眼微绒毛阵列结构, 研究了孔阵列光子晶体结构, 实现偏振滤波与光谱滤波的集成; 根据虾蛄眼微绒毛具有光谱滤波及光信号吸收特性, 以纳米线栅为仿生结构基础, 实现偏振、光谱吸收特性的集成; 依据虾蛄眼双向微绒毛阵列结构, 以正交纳米线栅为仿生结构基础, 实现单位像元的双向偏振吸收。