结合光纤激光器、光纤放大器和非线性光学高效频率转换技术及准位相匹配材料, 服务于原子物理领域铯原子单光子跃迁里德堡激发的实际需求, 研究并掌握了产生3186 nm波长连续单频紫外激光的关键技术。采用1 5605 nm与1 0769 nm连续激光先通过单次穿过PPLN非线性晶体和频, 再经腔增强谐振倍频过程高效地产生了输出功率大于2 W的3186 nm紫外激光, 半小时内, 光功率的方均根起伏优于087%。采用电子学边带锁频方案, 实现了整个紫外激光系统在保持相对于高精细度超稳腔锁定条件下较大范围连续调谐, 其连续调谐范围大于4 GHz, 残余频率起伏约16 kHz。采用本文研制的高功率窄线宽可调谐3186 nm紫外激光系统, 在铯热原子气室中实现了6S1/2 →nP3/2(n=70~100)的单光子跃迁里德堡激发, 并对相关现象作了相关的理论分析与研究。采用纯光学探测方案观察到了3186 nm紫外激光对磁光阱中铯冷原子系综的单光子跃迁里德堡激发。

在利用干涉技术检测温度、压力、形貌等物理量时, 往往需要通过各种调制手段将这些物理量的信息加载到干涉条纹图样中, 并通过对其进行分析而得到被测信息。当实验条件不利于实验者实施移相、加载波等调制手段时, 探测器得到的往往是单幅闭合条纹, 此时常用的移相解调技术和频谱分析方法等不再适用。正则化相位跟随(Regularized Phase Tracking, RPT)技术可以对单幅闭合条纹进行相位恢复, 是目前针对单幅闭合条纹相位恢复最有效的方法。近年来研究者们从复杂干涉图处理能力、算法稳定性、相位恢复精度等方面对RPT技术进行了改进和发展, 使其逐渐走向实用化。本文介绍了RPT技术用于单幅干涉图相位恢复的基本原理, 总结了近年来RPT技术的相关改进与发展, 例举了采用RPT技术进行相位恢复的应用场合, 并适当推测RPT技术的未来发展方向。

光学相干层析成像(OCT)由于具有微米级高分辨率、非接触式成像以及瞬时性等特点, 成为临床医学领域的研究热点, 近些年得到迅速的发展, 取得诸多进展与突破。本文简述了OCT技术在眼科医学中的各类应用及发展现状, 分类讨论了OCT图像在空域和频域中的降噪方法, 并重点总结了OCT眼前节和视网膜图像中各层组织的精确定位分层方法。其中深入分析了基于灰度值搜索方法、活动轮廓模型、图论和模式识别等分层方法, 并针对现有分层方法的优缺点以及存在的问题展开深入讨论, 提出相应的解决方法和优化方案。对眼科相关疾病的临床诊断指标分析评价, 根据眼科临床医学需求和OCT图像处理现状, 对未来OCT图像处理的发展趋势和发展水平做进一步讨论和分析。

精密测量是精密机械加工的基础, 是制造行业中影响制造精度的决定性因素之一, 在当代精密机械制造领域应用广泛。基于光栅的精密位移测量系统以其对环境要求小, 测量分辨率高等优点, 在精密位移测量领域占据重要位置。基于光栅的精密位移测量系统包括光学测量系统、信号接收、电子学细分及整体装调几部分。本文主要针对光学测量光路部分进行综述介绍。首先介绍了经典光栅干涉位移测量原理; 其次, 综述了基于光栅的精密位移测量系统的关键技术现状; 再次, 对比分析了几种最具有代表性的测量技术, 总结其优缺点; 最后, 对基于光栅的精密位移测量技术进行展望, 揭示其高精度、高分辨力、高鲁棒性、微型化、多维化、多技术融合的发展趋势。

地基光学成像是对空间目标进行探测识别的重要手段。本文分析了近十几年间建立的用于天文观测的巨型望远镜设备不能对地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)目标进行高分辨率观测的主要原因: 除大气湍流对成像质量的影响和分辨率的限制外, 还有GEO目标尺寸和目标亮度昏暗问题。因此需要引入非传统成像技术解决上述问题。 本文研究了几种采用激光照明的非传统光学成像方法, 具体分析论证了稀疏孔径成像、强度相关成像、剪切光束成像和傅立叶望远术等光学成像技术, 阐述了各成像技术的优势与局限性, 分析了几种方法对GEO暗弱目标高分辨率成像的应用前景。

随着激光二极管技术的发展, 以及一些先进热管理方案和新型加工工艺的涌现, 固体激光器的输出功率已达到百千瓦量级, 而光束质量的控制问题却日益凸显。本文归纳了板条激光器的光束质量控制技术, 对当前已经实现了的几种技术路线进行了深入细致的分析, 包括静态相位校正技术、非线性光学校正技术、自适应光学校正技术、几何光学校正技术等, 并分别介绍了其工作原理、研究进展以及优缺点。

基于数字微滴图像检测法的数字聚合酶链式反应(PCR)在检测时获取的荧光微滴图像呈密集分布、具有低亮度、低对比度等特点, 导致其识别正确率较低。为了实现对密集分布的荧光微滴的正确识别, 本文提出一种基于改进的分水岭分割算法的荧光微滴识别方法, 首先利用直方图均衡化和高斯滤波对图像进行预处理, 然后使用局部自适应阈值分割从背景中提取目标, 降低对图像灰度信息的依赖, 最后结合微滴形状类圆、尺寸较均匀的特点定义微滴黏连度函数, 降低了分水岭分割中的错误分割比例。对比实验表明, 与传统的基于距离变换分水岭分割法相比较, 本文算法的正确率为9734%, 高于对照方法的859%, 验证了本文算法的优越性。

本文提出了一种基于多级微反射镜和栅格分束器的静态轻型傅立叶红外变换光谱仪, 通过两个多级微反射镜实现光程差的空间离散和干涉图的静态二维采样, 通过引入栅格分束器有效降低了系统的体积和重量。作为该光谱仪的核心光学器件, 多级微反射镜的阶梯高度一致性、面型平整度和结构精度是决定采样间隔、分辨率和噪声等仪器指标的主要因素。本文提出了基于MOEMS技术的厚度依次减半多层膜法, 制作了台阶高度为0625 μm, 阶梯数为32的低阶梯多级微反射镜。测得实际阶梯高度平均值为6269 nm, 表面粗糙度均方根值为172 nm。分析了阶梯高度误差对光谱复原的影响, 提出了两种阶梯高度误差校正方法, 分别为通过修正因子来减小膜厚监控误差, 和利用最小二乘余弦多项式算法对复原光谱进行校正。校正后的复原光谱误差(SCE)降低为234%, 满足系统对光谱复原的要求。最后, 将该低阶梯多级微反射镜置入光谱仪中, 得到乙腈样品的干涉图和复原光谱图。

当前反卫星激光**发展迅猛, 迫切需要研究和发展卫星的激光防护技术, 以增强卫星在空间的生存与防护能力。本文采用可见光-近红外透明和中波吸收的玻璃基底与线性激光防护薄膜相结合的设计方法, 在玻璃基板一面设计分光膜, 实现1315 μm波长的反射和05~08 μm、155 μm波段的增透, 在玻璃基板另一面设计双波段减反射膜, 实现05~08 μm和155 μm波段的增透。采用离子束溅射沉积技术, 实现了激光防护窗口薄膜的制备, 在05~08 μm的平均透过率大于96%, 155 μm的透过率大于98%, 1315 μm的透过率小于01%, 在27 μm的透过率为30%, 在38 μm的透过率为11%。实验结果表明, 该方法实现了可见光-近红外-中红外波段激光防护窗口的制备, 对于卫星平台防护激光**具有重要作用。

多波长掺铒光纤激光器在波分复用光学通信等领域具有广阔的应用前景, 引起了大量关注。为了满足不同场合的应用需求, 本文报道了一种结构紧凑、基于非线性放大光纤环镜的双波长连续运转掺铒光纤激光器。该激光器采用全保偏光纤结构。除了光纤外, 激光腔内只含有波分复用器、2×2光纤耦合器和光纤反射镜3个器件。非线性放大光纤环镜在腔内引入强度相关损耗, 当腔内损耗随着入射光强增加而增加时, 可以有效抑制腔内激光模式竞争。当强度相关损耗的抑制作用和激光模式竞争达到平衡时, 激光器即可实现稳定的多波长输出。在260 mW泵浦功率下, 激光器运转在双波长振荡状态, 输出波长分别为1 5605 nm和1 5632 nm, 边模抑制比达到468 dB。随着泵浦功率的提高, 激光器依次工作在单波长、双波长和三波长运转状态。该激光器结构简单, 操作方便, 具有很好的应用前景。

针对目前工业领域对激光熔覆、激光热处理的应用需求, 研制了10 kW级直接输出半导体激光熔覆光源。采用半导体激光叠阵为单元器件, 将偏振合成技术和波长合成技术相结合, 将2只915 nm和2只976 nm半导体激光叠阵进行合成, 当工作电流为122 A时, 最大输出功率达到10 120 W, 电-光转换效率为46%。实验中还对光源内部的易损光学元件的热效应进行了模拟分析并设计有效的散热结构, 使其最高温度从4422 K下降到320 K, 同时对应的热应力从754 MPa下降到14 MPa, 大幅提升了激光光源的可靠性。

本文提出了一种自研盛装器皿以提高液体折射率的测试精度。该器皿由金属框架与等厚玻璃窗口组成, 其制造工艺相对简单, 减少了透射反射面面型精度及窗口等光程因素带来的系统误差, 提高了测试精度。本文采用的测试方法为最小偏向角法。最小偏向角法主要用于固体折射率的测试, 较少应用于液体折射率的测试。主要因为需要制作特殊的盛装器皿, 制造工艺难度大, 难以控制面型精度及透射窗口的等光程, 对测试结果造成较大影响。经过理论分析可知, 采用本文设计的盛装器皿可以满足10-6数量级的液体折射率测试需求。采用02″高精度转台进行实验, 耦合器皿带来的系统误差和测试系统的理论测量精度达10-6数量级。对某离子液在54608 nm特征谱线下实际测量的标准差为142×10-6。自研器皿满足液体折射率的精密测试需求。

为了实现高效的微光探测以及满足量子通信的需求, 需要研发制备具有高增益、低噪声和高带宽的高性能红外探测器, 基于硅衬底材料的锗硅雪崩探测器(Avalanche Photodiode,APD)被认为是有希望实现近红外通信波段高效弱光探测的探测器件。本工作设计研究了一种横向收集结构的锗硅APD, 并对其结构参数对电场分布的影响进行了仿真模拟。发现该结构中硅倍增层的掺杂浓度、尺寸等对器件电场分布具有很重要的影响, 并且利用能带理论对其进行了解释说明。倍增层掺杂浓度提高后, 增强的结效应导致该器件中出现了有趣的双结结构, 横向的n+-n-结与纵向的p+-i-p--n-结共同作用于电场分布, 并且实现了纵向雪崩与横向载流子收集。在-30 dBm 1 310 nm光源正入射下, 新设计的横向吸收结构APD经过优化带宽可以达到20 GHz; 线性响应度07 A/W; 由于采用了键合方法, 其暗电流可以下降至10-12 A。基本满足近红外通信波段弱光探测的高速、低暗电流、探测能力强等要求。

为了得到不同海拔地区的大气透过率, 探索大气透过率随海拔高度的变化规律, 利用数值模拟、软件计算和实地测量方法分别对阿里(5 km)、德令哈(3 km)和怀柔(0 km)3个不同海拔地区在4605~4755 μm波段25 km以下的大气透过率进行了计算和测量。结果表明: 红外大气透过率随海拔高度增加而增加; 采用数值模拟计算得到3个地方的大气透过率分别为0709、0572和0555; 采用软件计算得到的透过率分别为0849、0766和0596; 采用实测方法得到的透过率分别为0805、0.766和0.673; 阿里地区海拔较高, 相对湿度较低, 能见度高, 大气透过率最好。该结论对国内天文红外观测及空间红外目标辐射特性测量具有重要的借鉴意义。

为了在复杂天空背景下检测出低空慢速小目标, 本文研究了“低小慢”目标的视觉显著性区域特征, 融合扫描线填充算法, 提出了一种动态背景下“低小慢”目标自适应实时检测技术。首先, 根据图像的亮度对比度获取显著性图。接着, 使用形态学梯度提取显著性特征, 通过三帧差分算法得到种子点。然后, 使用扫描线填充算法进行生长, 结合提出的自适应双高斯算法分割出前景。最后, 根据候选目标的面积占比变化、质心距离变化、宽高比差异剔除虚假目标, 完成检测。为了验证算法的有效性, 本文选取了7组复杂天空背景的视频序列进行测试, 并与其他优秀检测算法进行了对比。结果表明, 本文提出的算法对运动目标检测的平均运行时间为0040 9 s, 平均检测准确率为8997%, 相比于其他算法的平均运算时间减少了035 s, 检测的平均准确率提高了245%。算法在复杂背景下具有较好的稳定性和较强的鲁棒性。

为实现对大尺寸光学材料及系统元件的高精度对准测试, 设计了一种新型Φ200 mm口径长焦距准直干涉测试装置。该装置以球面标准镜作为参考镜, 结合斐索型透射式干涉机制和长焦距准直测试原理对凹球面大曲率半径光学元件进行面形精度检测, 最大测试口径为Φ226.67 mm, 且球面标准镜和球面标准反射镜同轴共球心, 大幅度减小了测试空腔距离。结果表明, 该系统空腔测试精度PV值为0097λ@6328 nm, RMS值为0013λ@6328 nm, 系统重复稳定性优于λ/500@6328 nm, 可实现曲率半径为7 500~8 500 mm测试, 且大曲率半径测试误差小于1/1 000。

ZnO/ZnS核壳纳米结构因具有优异的光电特性, 在光电子领域极具应用前景, 其依靠核壳结构界面处载流子的束缚效应可更加有效地控制载流子的产生、传输和复合过程。为讨论ZnO/ZnS核壳结构界面状态及其相应的光学特性, 生长了不同程度硫粉硫化的ZnO/ZnS核壳纳米线, 再利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及光致发光光谱(PL)等测试表征手段, 分析并讨论经过不同程度硫粉硫化后的ZnO/ZnS核壳纳米线界面处的结构及其光学性质的变化。通过分析ZnO/ZnS核壳结构形貌发现, ZnS成功包覆ZnO纳米线。随着硫化程度的增加, ZnO核结构被破坏, 并在核壳界面处引入缺陷, 导致形成具有不同结晶质量的ZnO/ZnS核壳纳米线结构, 从而会影响ZnO/ZnS核壳纳米线的光学性质。结果表明, ZnO/ZnS核壳界面处缺陷较少时, 对载流子的产生和传输具有一定的束缚作用, 可以抑制非辐射复合效应, 提高材料光学性能; 当界面缺陷增加时, 形成的缺陷能级则会降低材料的光学性能。

仿生复眼系统是一种多子眼拼接的大视场高分辨率成像系统, 由一级同心物镜和二级子眼镜头阵列组成。为实现大视场无缝隙拼接成像, 必须严格保证所有子眼镜头的光轴与同心物镜球心的对准误差在光学设计允许的公差范围内。首先, 基于PSM(point source microscope)定位仪的自准直原理确定PSM的基准参考零位, 然后通过转接器将PSM分别固定在所有子眼镜头安装孔中, 计算经同心物镜反射后像点质心位置与子眼安装孔轴线对准误差的几何关系式, 最后用Lighttools软件仿真检测光路并对所有安装孔对准误差进行检测。实验结果表明: 所有安装孔轴线与同心物镜球心的对准误差均小于30 μm。满足光学设计中子眼镜头光轴与同心物镜球心对准误差小于50 μm的公差要求, 从而保证了仿生复眼成像系统大视场高分辨率无缝拼接影像的获取。

为了实现对四唑类化合物的快速非接触识别和分类, 本文搭建了激光诱导击穿光谱和拉曼光谱集成测试系统。首先采集了4种四唑类化合物在1 064 nm激发波长下的拉曼光谱, 包括四氮唑、5-氨基四氮唑、1, 5-二氨基四氮唑和1-甲基-5-氨基四氮唑。通过对特定官能团拉曼峰位的分析, 成功地将它们鉴别出来。然后基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术, 采集各个样本的等离子体辐射光谱。选取140组光谱数据进行训练, 建立分类模型, 剩余60组数据对所得的类型区域的准确性进行验证。本文基于主成分分析(PCA)与支持向量机(SVM)相结合的算法, 建立了两个分类模型。一是将全谱进行主成分分析, 选取前64个主成分, 利用支持向量机(SVM)算法建立模型。二是通过对比光谱差异, 选取10个特征波长进行主成分分析, 选取前3个主成分建立模型。发现前者平均预测准确度只有883%, 而后者60个光谱样本点全部落在其对应的标准样品类型区域内, 分类准确度达到100%。实验结果表明, 将激光诱导击穿光谱和拉曼光谱联合使用, 可以准确地鉴别四唑类化合物。

星载激光测高仪接收系统通过收集地表反射的回波信号, 反演卫星与地表的高度。本文提出一种回波模拟光源方法, 产生延时量可调的激光主波和回波周期脉冲信号作为接收系统的检校输入源, 对星载激光测高仪距离参数进行地面标定。首先, 采用主波与回波光电探测器互换的测量方法, 利用频率计数器对回波模拟光源的延时量设定值进行精确测量, 测量方法误差为113 ps。然后, 通过比对回波模拟光源调制的延时量设定值和接收系统测试获取的延时量实测值, 实现对测高误差的标定和校正。研制了一套回波模拟光源系统, 通过3 335 6409~3 669 2050 ns的延时量调制, 实现对500~550 km高度的精确模拟, 模拟延时信号的抖动量为345 ps, 延时偏差小于118 ps, 为百千米级星载激光测高仪提供了高程误差优于6 cm的地面检校能力。

为了提高推扫式航天遥感相机的动态范围, 对TDI-CCD(Time Delay Integration-Charge Coupled Device)的全色谱段和多光谱谱段积分级数的特殊设置方法、相应图像的插值与融合方法进行研究。首先, 介绍了常见的TDI-CCD的像元尺寸和谱段构成等参数, 以及现有高分辨率多谱段融合图像的获取方法, 分析了常规的积分级数设置规律。接着, 提出在提高全色谱段的积分级数, 降低多光谱谱段积分级数的情形下, 分别获取各个谱段的灰度数据, 为提高相机的动态范围提供原始数据。最后, 针对性地提出了图像的融合、插值算法, 可以得到高动态范围、高分辨率的全色图像。实验和计算结果表明: 该方法能够有效提高相机的动态范围, 当P谱段积分级数提高2倍, 全色谱段降低为原来的1/4时, 最终获取的融合图像动态范围可以提高1806 dB。基本满足应用单排TDI CCD提高推扫式航天遥感相机动态范围的要求。

本文研究了强激光辐照下漫反射金膜在近红外波段的反射特性, 建立了漫反射金膜表面反射率在线测试系统, 得到了不同激光参数辐照下膜层表面反射率变化曲线。检测了金膜表面氧化产物的主要成分, 给出了氧化产物的生成机理。根据氧化理论和单层膜反射理论建立了金膜表面反射率变化计算模型, 并基于该模型分析了膜层氧化对激光辐照温升的影响。结果表明: 强激光辐照下漫反射金膜表面生成了一层光学薄膜, 组分为NiO, 生成速率满足对数定律; NiO薄膜对入射激光的吸收是金膜表面反射率下降的主要原因, 而且辐照光强越强膜层氧化越快。

为了提高大口径平面镜面形检测的精度和效率, 提出了一种新的五棱镜扫描法。该方法采用径向扫描的方式, 使用一个扫描的五棱镜和一台自准直仪来测量表面倾斜角的差值, 然后将被测平面镜的面形表示为Zernike多项式的线性组合, 再利用表面倾斜角的差值建立方程组, 最后采用最小二乘法计算得到被测平面镜的面形。在检测过程中, 该方法还可以对五棱镜在扫描过程中的倾斜变化量进行自动监视和调整, 减小了检测误差。误差分析表明, 该方法的面形检测精度为76 nm rms(均方根误差)。采用该方法对一块15 m口径的平面镜进行了面形检测, 并与Ritchey-Common法的检测结果进行了对比, 两种方法面形结果的差异为71 nm rms, 小于五棱镜扫描法的面形检测精度。证明了利用该五棱镜扫描法检测大口径平面镜面形的正确性。