传统光学系统由于受到衍射极限的制约, 难以实现远场超分辨聚焦与成像。基于超振荡原理的平面超透镜为这一难题提供了可能的解决途径, 其在传播过程中可不依赖倏逝波而实现远场超分辨聚焦。利用对各个衍射单元之间的衍射干涉效应进行精确调控, 可在焦平面上局部区域内获得高于系统最高空间频率的电场振荡, 从而实现对衍射焦点区域横向和轴向尺寸的可控调节。与传统光学透镜相比, 平面超振荡透镜具有光场可控性强、设计自由度大、便于集成等优点, 同时借助其远场超衍射极限的光场调控能力, 受到衍射光学和微纳光学等领域研究人员的广泛关注。本文主要从实际应用的角度出发, 对平面超振荡透镜的研究现状及其应用场景进行了分析和讨论, 最后对该类透镜目前面临的问题及对应的解决办法进行了阐述。

相比于传统的机械变焦镜头, 液体变焦镜头具有体积小、响应快、成本低和集成度高等特点, 被广泛应用于图像采集、目标追踪和特征识别等领域。焦距调节方式决定了液体镜头的性能和应用, 本文概括了基于液晶材料、介电泳、电化学、电润湿原理的物性控制式变焦镜头和基于静电力、电磁力、压力调节和环境响应的机械驱动式变焦镜头的研究现状, 介绍了液体变焦镜头在光流控芯片内的集成应用, 并指出当前面临的主要问题和解决方案。最后, 对液体变焦镜头的发展前景和研究方向进行了展望和总结。

椭圆偏振光谱测量技术通过测量线偏振光经材料表面反射后光的相对振幅与相位改变量计算得到椭偏参数, 再通过椭偏参数的拟合获取样品光学性质。由于其具有非接触、高灵敏度、非破坏性等优势, 广泛应用于物理、化学、材料科学和微电子等方面, 是一种不可或缺的光学测量手段。本文首先简要回顾了该技术的发展历程, 接着阐述了传统椭偏仪的基本原理, 按照测量原理的不同可将椭偏仪分为消光式和光度式。随后, 本文简单介绍了一些常用椭偏仪的基本架构、测量原理和相关应用, 并比较了他们的优缺点, 重点展示了复旦大学研制的双重傅立叶变换红外椭偏光谱系统。然后按照椭偏参数处理的基本步骤: 测量、建模与拟合3个方面, 阐述了其过程, 详细剖析了参数拟合所使用的各种光学色散模型, 同时通过应用实例介绍了各色散模型的应用情况。最后, 对未来椭偏技术的发展方向进行了展望。

连续监测血糖浓度是控制糖尿病及其并发症的前提, 无创伤性血糖浓度检测方法备受关注。近几十年来, 随着测量精度的不断提高, 基于光学的无创伤性血糖浓度检测方法呈现出巨大发展潜力, 有望在未来实现临床应用。本文详细介绍了偏振光旋光法、光学相干断层成像法、红外光谱法等主流光学无创血糖检测方法, 重点对其基本原理、测量优势、测量精度、存在问题与可能解决方法等进行了综述和分析, 对比发现红外光谱法在测量精度方面具有明显优势。最后指出未来还需从提高仪器信噪比、消除背景干扰以及建立更加普适的校正模型等方面展开研究。

远距离检测主要用于人类不宜或不易接触的物品检测, 紫外拉曼光谱法是一种比较有效的远距离危险物品检测方法, 在反恐、禁毒和食品安全等领域具有广泛的应用前景。本文在分析远程拉曼光谱检测技术基本原理的基础上, 总结了紫外拉曼光谱检测技术的优势, 对远程紫外拉曼光谱检测技术的现状进行综合分析。从激光器发射、光学接收系统、光谱接收、光谱处理等方面分析了不同模块关键技术及研究现状, 分析了远程紫外拉曼光谱检测技术的研究难点和发展趋势。

文章首先说明了星载激光通信较传统微波通信的先进性和重要性, 介绍了激光通信系统的基本组成, 简述了系统的工作过程。之后总结了国外的星载激光通信项目和发展计划, 重点介绍了日本、美国和欧洲近几年在星载激光通信领域的研究现状, 同时也简述了国内各高校以及研究所的研究进展。接着指出了目前星载激光通信的难点并且归纳了与之相关的关键技术。最后, 对星载激光通信的未来发展趋势进行了展望。

本文采用水热法在ITO衬底上制备了ZnO纳米棒阵列, 然后用化学水浴沉积法在纳米棒上制备CdS量子点。分别利用SEM和XRD对样品形貌和晶体结构进行表征。结果表明, 球状的CdS量子点均匀地包覆在ZnO纳米棒表面, 且结晶质量较好。基于ZnO纳米棒和ZnO纳米棒/CdS量子点制备的探测器对紫外光都具有很好的响应, 然而与ZnO纳米棒探测器相比, ZnO纳米棒/CdS量子点探测器在相同条件下的光电流提高了7倍, 为052 mA。此外, ZnO纳米棒/CdS量子点探测器对绿光和蓝光也表现出了很好的响应。

用高温固相法制备了Li+, Na+共掺(YxGdyLu1-x-y)2O3∶0.5%Pr3+荧光粉末。用XRD对样品进行结构表征, 用扫描电镜观测了样品的形貌, 测量了样品的激发光谱、发射光谱及发光衰减曲线。结果显示, Li+、Na+和Pr3+的掺杂没有引起(YxGdyLu1-x-y)2O3立方晶相结构的改变。在单一基质中掺杂的Li+、Na+可有效改善晶粒尺寸, 在复合基质中掺杂的Li+、Na+, 不仅可以有效改善晶粒尺寸, 还使得样品有陶瓷化的趋势。在272 nm激发下, 粉末样品在632 nm处均呈现较强的Pr3+红色发射。不同条件下, 1 000 ℃煅烧2 h获得的(Y0.05Gd0.05Lu0.9)2O3∶0.5%Pr3+, 2.5%Li+, 1%Na+荧光粉末的发光最强, 且荧光寿命较短。

激光诱导的稀土纳米粒子的上转换发光由于具有独特的光学效应, 多年来一直受到人们的广泛研究。其中, 溶剂对纳米粒子表面效应的影响是该类材料在实际应用中面临的一个普遍问题, 传统的分析方法对溶剂的作用难以给出定量化的分析结果。针对这一困难, 本文利用Monte Carlo计算模拟方法, 从离子-离子相互作用的微观层面上重构出宏观的上转换发光现象, 进而分别给出了纳米粒子表面效应在4种不同的水相溶剂: 水、甲醇、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的定量化分析结果。稳态和动力学光谱测试结果均表明, 溶剂水中的上转换纳米粒子表面猝灭速率最高, 甲醇和乙醇中次之, DMF中最低, 这可归因于溶剂中羟基基团及其活性对于上转换纳米粒子表面猝灭效应的影响。进一步, 通过计算模拟获得了NaYF4∶20%Yb, 2%Er上转换纳米粒子中, Yb3+激发态(2F5/2)表面猝灭速率的定量化数值, 分别为: 25×104 s-1(DMF)、1×105 s-1(甲醇和乙醇)、5×105 s-1(水)。

为优化用于冷原子装载的三维光晶格囚禁势阱, 提出一种一体式结构且具有腔增强效果的三维光晶格系统。基于激光与原子的相互作用理论, 对用于碱土金属88Sr冷原子囚禁的光晶格势阱进行研究, 通过对Lamb-Dicke参数η的讨论得到该势阱束缚能力对阱中原子的作用效果, 当η＜＜1时, 原子被强束缚, 与载波跃迁相关的拉比辐射值最大, 边带激发跃迁被抑制。通过使一束入射激光在多个特殊角度设置的反射镜之间传播, 实现3对激光之间相互正交的三维光晶格。研究结果表明, 在实现相等势阱深度的前提下, 该三维光晶格系统所需激光功率仅为传统晶格系统激光功率的1/15, 此时势阱深度最大值为86 μK, 对温度在几个或十几μK量级的锶冷原子囚禁是非常有效的, 并得到晶格轴向上的囚禁频率约为158 kHz, 相应的η为017。此外, 还表明晶格光场偏振态对该三维光晶格势阱的稳定性分布具有明显的影响, 可通过使各维度光束的偏振相互垂直, 消除干涉引入的负面影响。该一体式三维光晶格能够降低对原子本身的干扰, 有利于准确捕捉晶格势阱中, 被囚禁原子的内部信息。该研究为实现高效光晶格装载冷锶原子及其它碱土金属原子提供理论参考。

本文提出了一种基于电荷电容分割位置分辨原理的光子位置读出阳极, 能够大幅提高该类探测器的空间分辨率和光子计数率。首先, 介绍了影响现有光子计数成像探测器成像性能的关键因素, 分析了采用电容分割位置分辨方法的优势; 其次, 对电荷电容分割原理展开了理论推导, 分析了光子位置与阳极读出信号变化的空间位置的相关性; 再次, 在理论推导的基础上, 分析了电容分割读出阳极相关物理参数对其空间位置分辨能力的影响; 然后, 提出了电容分割位置分辨阳极的优化设计原则, 并设计了一种新型的基于电容分割的二维光子位置读出阳极。最后, 利用有限元仿真工具COMSOL建立了该电容阳极的模型, 进行了位置分辨原理仿真, 并评估了空间分辨的准确性。仿真结果表明: 阳极的位置分辨误差小于50 μm, 中心区域的位置分辨误差小于5 μm, 阳极的位置分辨性能优良。

基于传统暗原色先验原理的图像去雾算法存在的“halo”效应, 且图像中明亮区域存在颜色失真现象, 针对此问题, 本文提出了多尺度窗口的自适应透射率修复交通图像去雾方法。首先, 利用新的8方向边缘检测算子求取图像中景深突变区域, 根据暗通道先验理论和前一步求得的景深突变区域, 在景深变化较大区域使用5×5的窗口, 景深变化较小区域则使用15×15的窗口得到暗原色估计图。同时, 针对暗通道先验原理对近景部分存在白色区域时透射率估计不准确的问题, 引入了自适应透射率修复方法, 通过引导滤波器得到边缘增强后的暗原色图像, 并利用其与原暗原色图像的纹理差对近景区域的透射率进行修正, 完成图像去雾。实验结果表明: 双边滤波和梯度双边滤波两种算法均存在halo现象, 并且在包含白色物体的明亮区域色彩失真严重, 客观评价指标失去意义; 相比于引导滤波, 本文去雾算法的各项指标均有所提高, 其中平均梯度平均提高了8305%, PSNR平均提高了12455%, 边缘强度因子平均提高了777%。本文算法有效解决了复原图像中“halo”效应现象和明亮区域颜色失真现象, 去雾效果最优。

为了提高表面放电光泵浦源的寿命, 以Al2O3陶瓷作为放电基板, 研制了分段表面放电光泵浦源。基于放电电压和电流波形, 详细研究了泵浦源的放电周期, 放电通道电阻, 能量沉积效率和等离子体功率密度。发现泵浦源的放电周期、放电通道电阻和能量沉积效率均随放电间隙长度和混合气体气压的增大而变大, 随充电电压的增加而减小; 而等离子体功率密度主要取决于充电电压和放电间隙长度, 基本不随混合气体气压的改变而变化。在充电电压为268 kV, 气压为100 kPa, 放电间隙长8 cm的条件下, 泵浦源的能量沉积效率约为82％, 等离子体功率密度达到了936 MW/cm。实验研究表明: Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源具有良好的放电特性, 较同等条件下聚四氟乙烯表面放电光泵浦源的等离子体功率密度更高, 可产生更强的真空紫外辐射, 辐射亮度温度大于23 kK。Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源适用于光泵浦XeF2气体形成大功率XeF(C-A)蓝绿激光。

数字图像相关测量中, 相关计算前会人工选取散斑区域进行区域限定。随着工业自动化的发展, 面对散斑区域形状越来越复杂以及大量散斑图片的测量需求, 找到一种散斑区域自动提取方法至关重要。本文根据散斑的特征, 对比多种常规边缘检测方法, 提出了一种基于二阶梯度熵函数的散斑区域自动提取判定函数, 并通过分析不同的散斑图片, 确定了最佳子区熵尺寸区间以及在不同散斑图中的自适应阈值区间, 最终通过连通区域分割完成对散斑区域的自动提取。文中采用实际拍摄的散斑图对该方法进行验证, 实验结果表明: 子区熵尺寸取10 pixel以上, 该算法对散斑区域表现敏感; 自适应阈值取图中最大梯度熵值的Q-1.25至Q范围内时, 可以将散斑区域与背景区域有效分割。基本能完成对散斑区域的自动提取, 达到了相关计算前散斑区域选择的目的。

以传统的干涉法全息技术为基础, 本文提出了一种纯光学的三维显示全息技术。利用空间光调制器实现真实物体的物光波前重现, 在不同平面上呈现物体的层析像。首先, 利用波前传感器采集真实物体的波前信息。接着, 运用单次快速傅立叶变换算法对光路中成像透镜的传递函数进行模拟, 制成含有该物光经透镜后的波前信息, 分别得到了实验所需的强度和相位灰度图片。然后, 通过两台空间光调制器对入射平行光场进行调制, 从而实现对物光经透镜后的光场进行波前重现。最后, 根据透镜的成像原理, 把CCD分别放置在物体前后两个成像面上即可得到层析的成像图。实验中分别在距离空间光调制器后2985 mm和3376 mm处观察所探测到的物体前后两个成像面的立体层析像。实验结果表明: 在模拟透镜的焦距为150 mm、计算衍射距离为150 mm的情况下, 前后两个成像面在x、y轴方向上的横向放大率分别为(11, 108)和(134, 109), 与利用透镜成像公式计算得到的横向放大率(1, 12)相比, 相对误差分别为(106%, 8%)和(117%, 8%)。角扩散度分别为295°和261°, 其相对误差分别为26%和07%, 低于5%, 基本符合实验原理。实验结果证明了该方法的可行性, 为后续开展的三维显示与新的全息技术提供了有效的技术支撑。

在目标检测中, 通常使用候选区域提高目标的检测效率。为解决当前候选区域质量较低的问题, 本文将卷积边缘特征、显著性及目标位置信息引入到候选区域算法中。首先, 利用卷积神经网络将待检测图像生成更富有语义信息的边缘特征, 并通过边缘点聚合及边缘组相似性策略, 获取每个滑动窗口的边缘信息得分; 其次, 利用显著性目标的局部特征, 统计每个滑动窗口中的目标显著性得分; 第三, 根据目标可能出现的位置, 计算每个滑动窗口中的目标位置信息得分; 最后, 利用边缘信息、显著性及位置信息的分数确定候选区域。在PASCAL VOC 2007验证集上进行实验, 给定10 000个候选区域, 交并比取0.7时, 所提算法的召回率为9050%, 较Edge Boxes算法提高了3%。每张图像的运行时间大约为076 s。结果表明, 本文算法可快速产生较高质量的候选区域。

针对空-水量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD), 综合考虑海风影响、泡沫覆盖的不规则海面、空-水信道复杂多变性和量子偏振态多重散射过程, 建立了非均匀空-水信道复合模型。据此完善了空-水QKD系统量子误码率理论模型, 并采用偏振矢量蒙特卡罗算法模拟, 详细分析了不同海洋环境下非均匀空-水信道光量子传输性能, 及空-水QKD整体传输性能。结果表明: 清澈海水条件下的非均匀空-水信道可实现水下百米量级的密钥分发, 但风速和传输距离的增大都会导致光子退偏比增大, 保真度减小, 偏振误码率增加; 同时风速和泡沫层厚度的增大也会造成空-水QKD系统量子误码率上升, 密钥生成率和传输距离下降, 且随信号波长的增加这两者也会增加, 在波长为532 nm, 信道由最佳(无风无泡沫)变至最差(暴风且泡沫层为6 cm)时, 水下传输距离由1208 m缩减至85 m, 基本能保障水下航行器百米级的安全潜深, 而采用拖拽浮标等措施又可进一步增加空-水QKD的安全距离。由此验证了泡沫覆盖不规则海面下非均匀空-水信道诱骗态QKD的可行性, 对未来空-水一体量子通信链路的实现具有参考价值。

采用电子波包干涉方法研究了长程库仑势以及再散射电子对氢原子在少周期强激光场中阈上电离的影响。首先, 利用强场近似及Coulomb-Volkov近似结合时间窗函数, 模拟了氢原子在波长为800 nm且脉宽为5 fs的线性极化激光场中单电离的周期内干涉及周期间干涉图像, 发现在长程库仑势作用下周期内干涉及周期间干涉共同作用形成了二维动量谱中的部分扇形结构条纹, 其余部分扇形条纹的形成与再散射电子有关。然后, 通过数值求解含时薛定谔方程计算了深度隧穿电离机制下氢原子的二维动量谱, 在二维动量谱中出现了明显的径向条纹。研究结果表明, 该径向条纹的产生与长程库仑势无关, 是再散射电子波包干涉形成的。

利用自行研制的双向反射分布函数(BRDF)测量装置测量了可见光波段紫铜表面的面内光谱BRDF。分析了波长、入射天顶角、表面粗糙度等因素对测量结果的影响。结果表明: (1)BRDF随波长的变化主要受样品表面颜色的影响, 与入射和反射角度无关; (2)入射天顶角对测量结果有明显的影响, 主要归结于角度因子和反射强度随入射天顶角的变化; (3)粗糙度对测量结果也有明显的影响, 随着粗糙度的增加, 样品在镜面反射方向的反射减弱, 在其它方向的反射增强。另外, 分别采用不同的分布函数对测量结果进行了拟合, 结果表明, 采用Lorentz分布能够得到更好的拟合结果。

大口径衍射望远系统由于使用透射式的薄膜衍射光学元件作为主镜, 不仅质量密度低(表面质量密度可以达到01 kg/m2), 同时面形精度要求宽松, 发射成本低。本文阐述了衍射望远系统的基本成像原理, 并推导出任意大口径系统的初始结构计算公式, 给出了口径为300 mm、系统焦距为2 m, 工作波段为058 μm到068 μm的系统设计实例并研制了原理验证系统, 进行了星点像以及分辨率板实验。成像结果接近衍射极限, 与设计结果相符。本文所做工作为大口径衍射望远系统的设计提供了良好的理论基础和初始模型结构, 能够极大地缩短设计周期, 提高成像质量。

在谐振式集成光学陀螺系统中, 相位调制技术被广泛用于检测陀螺旋转信号。本文详细介绍了近几年来国内外学者为提高陀螺精度、抑制陀螺噪声所提出的相位调制技术。文章首先从理论上分析了谐振环中的背散射噪声, 发现载波抑制是抑制背散射噪声的关键因素。然后, 详细介绍了近几年来为提高陀螺精度而提出的两类相位调制技术, 分别是单相位调制技术和双相位调制技术, 并分析比较了其技术原理、噪声抑制能力以及系统的鲁棒性和复杂度。新型的边带锁定技术可以有效抑制陀螺中的背散射噪声。最后通过总结这些相位调制技术的优缺点发现, 在陀螺系统中除了需要借助于相位调制技术抑制背反射噪声外, 提高对其他类型噪声的抑制是集成光学陀螺性能进一步提高的关键。

为了准确获取简单光学系统的点扩散函数(PSF), 提升图像复原质量, 本文提出了一种基于PSF测量的宽光谱PSF估计方法。首先, 测量了光学系统的窄带PSF, 并结合图像匹配算法, 标定了实际光学系统中的探测器位置和光轴中心偏移。然后, 模拟实际光学系统各波长、各视场的PSF, 再结合目标反射光谱和探测器光谱敏感信息计算实际目标的宽光谱PSF。实验结果表明: 本文提出的PSF估计方法明显优于窄带PSF估计和盲估计方法, 复原图片质量和稳定性均有明显提升, 能够准确估计实际光学成像系统的PSF。

顶发射结构可实现100%的开口率, 对高品质有机发光器件(OLED)显示具有重要意义。但目前OLED显示的传统制作方法难度较大, 且器件的光谱稳定性较差。为了降低OLED显示的制作难度并进一步提高器件的光谱稳定性, 本文将CdSe/ZnS量子点与聚甲基丙烯酸甲酯溶液相混合, 并通过压印法制备了具有微结构阵列的红光与绿光量子点下转换膜, 将其与高效顶发射蓝光OLED和彩色滤光片相结合, 实现了红(R)、绿(G)、蓝(B)三色顶发射OLED。RGB器件的最大电流效率分别为36、219和106 cd/A, 色坐标分别为(070, 030)、(024, 062)和(010, 020)。此外, 器件的光谱与色坐标几乎不随电压变化, 且同时具有优良的光谱角度稳定性。这种实现OLED彩色化的方法具有制作简单、成本较低等优点, 具有广阔的发展前景。