太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性, 在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是, 太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测, 逐渐成为当前的研究热点, 并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术, 包括其基本原理和对应的研究进展, 并分析了存在的问题和发展趋势。

多光子成像技术是一种层析能力好、信噪比高的新型光学成像技术。在皮肤光学三维检测中, 多光子技术已经应用于无创在体成像, 且已得到产业化开发。本文将首先介绍多光子皮肤检测系统的若干核心技术, 即双光子自发荧光技术、二次谐波成像技术、荧光寿命成像技术、相干反斯托克斯-拉曼成像技术等, 然后简要介绍多光子成像系统在皮肤疾病成像检测上的应用, 最后分析该系统的优势和未来可能的发展趋势。

用微波高温固相法合成了Er3+单掺Lu2O3, Li+与Er3+共掺Lu2O3及Li+, Zn2+, Mg2+掺杂Lu2O3∶Er3+的荧光粉。实验表明金属离子Li+、Zn2+、Mg2+、Er3+掺杂Lu2O3, 不影响Lu2O3的立方晶相。扫描电子显微镜测量表明, Li+掺杂可以有效改善粉体的分散性和形貌, Li+, Zn2+, Mg2+共掺杂获得的粉体颗粒分布更加均匀, 粒径范围为80~100 nm。379 nm激发下, Li+与Er3+共掺样品发光较单掺Er3+样品在565 nm处的发光增强了45倍, 而Li+、Zn2+、Mg2+与Er3+共掺样品较其发光增强53倍。980 nm激发下, Li+与Er3+共掺样品, Li+、Zn2+、Mg2+与Er3+共掺样品的发光分别比单掺Er3+样品在565 nm处发光增强23倍与39倍, 在662 nm处发光强度分别增强20倍与43倍。379 nm激发下, 较单掺Er3+的样品, 掺杂Li+的样品和Li+, Zn2+, Mg2+和Er3+共掺的样品荧光寿命均有所增加, 而Zn2+、Er3+共掺及Mg2+、Er3+共掺样品的荧光寿命则有所缩短。

菲涅耳双棱镜干涉在相衬成像和全息显微术中有重要应用。为了促进其应用, 本文从信息光学角度研究双棱镜干涉, 首先利用光场与脉冲响应函数之间的关系, 理论导出了菲涅耳双棱镜干涉条纹强度公式, 分析并讨论了狭缝缝宽及狭缝到双棱镜距离对菲涅耳双棱镜干涉条纹的影响, 狭缝宽度大于01 mm时, 干涉条纹分辨率变差。接着给出了改变狭缝宽度(变化量为008 mm)和改变狭缝到双棱镜的距离(从8 cm变化到12 cm)的实验结果, 理论分析和实验结果一致。该结果有助于促进菲涅耳双棱镜干涉在相衬成像等领域的应用。

为了探索大随机相位误差条件下合成孔径雷达(SAL)成像特点和规律, 本文采用波长为1 550 nm 的线性调频激光器建立了能够产生大的共模随机相位误差的条带模式SAL成像实验装置。利用此装置获得了不同目标回波强度下条带模式SAL成像实验数据, 结合条带模式相位梯度自聚焦(PGA)多次迭代处理, 获得了高分辨率SAL图像。实验发现在［-645π,645π］范围的大随机相位误差下, 通过简单的距离压缩和方位匹配滤波, 无法实现SAL图像聚焦, 图像信噪比仅为3 dB。进一步采用PGA处理, 就能很好地校正相位误差, 得到聚焦良好的SAL图像, 图像信噪比达到43 dB。实验还发现, 当存在大共模随机相位误差时, PGA处理展现出非常强的鲁棒性, 在回波弱到10-15 W的情况下依然有效。在大相位误差存在的SAL系统(如机载SAL)中, PGA处理能有效消除相位误差, 实现图像聚焦; 另外, 增大探测激光功率以提高成像数据信噪比, 将有助于提升PGA处理效果。

为了深入研究可行的中高轨成像技术, 本文从探测能力角度(用最低发射激光功率表示)深入分析和比较3种主动干涉合成孔径成像技术--傅立叶望远镜(又称为相干场成像或条纹场扫描成像)、成像相关术(又称为强度相关成像)和剪切光束成像。本文利用光电倍增管的信噪比模型和激光作用距离方程, 较为细致地分析每种技术在满足单次信噪比(SNR=5)条件下的极限探测能力。通过仿真分析得出：傅立叶望远镜、成像相关术和剪切光束成像所需的最低单光束单脉冲能量分别为114 J、073 MJ和31 MJ。最终得出傅立叶望远镜是上述3种主动成像技术中在目前技术水平下最适合中高轨目标(约36 000 km)高分辨成像的可用技术的结论。

为了充分利用LAMOST望远镜, 实现对银河系不同星族的分布与整体性研究, 以及极端贫金属星元素丰度测定等科学目标, 研制了LAMOST高分辨率光谱仪, 光谱分辨率R≥30 000, 光谱覆盖范围380~740 nm。在充分考虑台址因素与现有条件后, 采用中继倍率07倍的准白瞳设计方案, 使用大芯径光纤、拼接大光栅、棱栅组合式横向色散器、缝前像切分器等措施来满足性能要求。进行了效率估算与杂散光分析, 光谱仪本体效率峰值大于30%, 杂散光照度占CCD总照度的255%, 信噪比为1601 dB。试运行阶段实测了太阳光谱, 温度稳定性达到±003 ℃, 光谱仪效率峰值约为335%, 满足稳定、高效的运行要求。

本文提出了光码多分址(CDMA)和光密集波分复用(DWDM)的混合系统, 全面研究了四波混频(FWM)的影响。在这个系统中, 主要存在两个四波混频问题：包括多址干扰(MAI)和码间干扰(ISI)的帧间四波混频和信道内四波混频。结果表明, 综合考虑信道间和信道内四波混频的影响, 最佳发射功率可选为18 dBm。当发射功率大于18 dBm时, 混合系统的误码率(BER)将增加。基于此, 本文提出了一种电光相位调制器(EOPM)模块, 将其放置在波分复用器之后, 通过抑制信道内四波混频的影响, 同时调制所有波长信号的相位, 从而增加混合系统的非线性容限, 这极大地改善了基于OOK传输的光学CDMA-DWDM混合系统的性能。此外, 由于多对角线(MD)结构具有零互相关特性, 通过使用多对角线识别序列码可以减少多址干扰的影响。结果还表明, CDMA技术与色散相结合有助于降低信道间四波混频的影响。此外, 识别序列码间隔在减轻码间干扰中起着至关重要的作用, 如结果所示, 当识别序列码间隔压缩至比特持续时间的25％时, 可以避免码间干扰, 此时所提出的混合系统的性能最佳。

采用发射波长约为976 nm的半导体激光器作为泵浦源, Yb3+掺杂浓度为15at.%、通光长度为2 mm的Yb∶CaYAlO4晶体作为增益介质, 本文提出了一种基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动调Q的激光二极管泵浦Yb∶CaYAlO4以获取稳定脉冲输出的方案。通过合理设计谐振腔, 实现了稳定的被动调Q激光脉冲输出, 并分析了泵浦功率的大小对输出脉冲的重复频率、脉冲宽度、单脉冲能量以及脉冲峰值功率的影响。

硅基紫外成像探测技术具有可靠性好、集成度高、容易大面阵化、成本低等优势,成为探测领域的重要研究方向。随着硅半导体工艺的持续进步以及纳米科学的发展,利用半导体技术、荧光转换材料或者低维纳米结构来增强硅基探测器的紫外响应取得了长足的进步。本文综述了国内外硅基紫外增强成像探测器件、系统应用的进展,通过回顾器件发展的历史和对研究现状的分析, 并结合紫外探测技术在天文物理、生化分析、电晕检测等领域的应用进展, 探讨了硅基紫外成像探测技术发展的趋势和挑战。

蓝紫激光和中红外激光在基础研究和**工程中有重要的应用前景。单光子吸收的碱金属蒸气激光器具有量子效率高、受激发射截面大和热管理性能好等优点, 近些年来已成为激光领域中研究热点之一, 目前已实现kW量级的输出。双光子吸收的碱金属蒸气激光器可实现蓝紫激光和中红外激光级联输出的特性, 也引起越来越多的关注。本文从碱金属原子密度、泵浦光功率、偏振和频率失调量以及调控激光等几种影响因素出发, 综述了双光子吸收碱金属蒸气激光的研究进展, 在此基础上分析了影响激光输出特性的原因, 最后对双光子吸收碱金属蒸气激光器的发展趋势进行了展望。

锥形半导体激光器具有高功率、高光束质量等特点, 因此受到广泛关注并成为研究热点。从3种结构(传统结构、分布式布拉格反射(DBR)结构、侧向光栅条纹结构)的锥形半导体激光器出发, 对国内外近十年具有代表性研究成果进行综述, 介绍其理论研究和实验进展, 并对锥形半导体激光器的未来发展进行展望。

当前微流控表面增强拉曼散射(SERS)检测领域常用的贵金属纳米颗粒溶胶单位体积内热点区域数量有限且热点区域范围较小, 而贵金属纳米三维阵列结构加工时间长, 成本高昂并存在“记忆效应”。本文提出了集成到微流道的复合Ag/SiO2正弦光栅SERS基底结构, 可以利用激光干涉光刻技术进行制备, 无需预制掩膜版, 可实现大面积、低成本SERS基底简易快速制备。利用严格耦合波分析方法(RCWA)建立了复合正弦光栅表面电场增强数学评估模型, 推导了表面等离子体共振(SPP)耦合吸收率数学模型, 分析了入射光、复合正弦光栅结构与外界环境介电常数的优化匹配关系, 得到了入射光785 nm条件下的最佳复合正弦光栅结构。通过制备加工并实验验证了复合正弦光栅的SERS性能, SERS增强因子(EF)能够达到104。

为了实现对飞秒激光器产生的超短脉冲的进一步压缩, 对近年来出现的一种新型负曲率空芯光纤展开了研究, 并基于该光纤对800 nm飞秒激光进行了压缩实验。首先介绍了一种圆形玻璃管包层结构的负曲率空芯光纤, 通过有限元方法对光纤的损耗特性进行计算, 并与实验测试结果进行对比。然后利用广义非线性薛定谔方程对脉冲在光纤中的传输进行了模拟仿真。最后利用该光纤进行了超短脉冲压缩实验, 将脉冲宽度为160 fs的钛宝石飞秒激光耦合进一段充高压氩气的圆形玻璃管包层结构的负曲率空芯光纤, 通过光纤内反常色散和自相位调制的共同作用, 得到84 fs的输出, 实现脉冲的压缩, 实验结果与仿真计算一致。这种新型的负曲率空芯光纤损伤阈值高、色散、非线性系数小且灵活可调, 非常适用于超快领域研究。

为满足便携式投影仪的市场需求, 设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元, 利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构, 全视场角为80°, 焦距为8 mm, 属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处, 该物镜的调制传递函数大于085, 畸变小于2%, 符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小, 结构简单, 投影效果好, 易加工等诸多优势, 可为第三代投影技术的发展提供参考。

眼底成像技术可检测临床视网膜组织状态, 其检测结果已成为多种眼底疾病诊断的重要依据。然而, 传统的眼底成像系统需要专业医护人员操作, 且具有体积大、价格昂贵等缺点。随着智能手机的图像采集、存储、数据传输等功能的不断提升, 基于智能手机的眼底成像系统可有效弥补传统眼底成像系统的上述缺陷。在本研究中, 我们设计了照明和成像光路并利用3D打印技术将其小型化, 通过与智能手机相结合实现了对人眼视网膜图像的采集。结果表明, 基于智能手机的眼底相机距离模拟眼的工作距离约为17 mm, 安置于体积仅为88 mm×79 mm×42 mm(长×宽×高)的手机外设配件中。随后, 利用Zemax对系统光学参数进行了进一步优化。经优化后的成像系统, 畸变保持在02%范围内, 场曲小于10 μm。该系统具有便携性良好、无创、价格低廉等优点, 未来可用于多种眼底疾病的社区筛查工作。