文章采用具有电子捕捉能力的橙红色磷光材料iridium(Ⅲ)bis(2-methyldibenzo-[f,h]quinoxaline)(acetylacetonate)(Ir(MDQ)2(acac))作为超薄发光层应用于有机发光二极管中。通过对其厚度的优化, 发现当发光层厚度为0.1 nm时, 器件性能最好, 最大电流效率达到了28.1 cd/A, 明显优于采用掺杂发光层的器件。分析了发光材料的载流子捕捉作用对器件载流子平衡及器件电流效率的影响, 发现超薄发光层结构几乎不改变器件的电学特性, 不会进一步破坏器件载流子平衡, 正因如此, 大多数磷光材料都可以采用超薄发光层获得很高的效率。

全无机钙钛矿量子点是非常具有发展潜力的发光材料, 其中CsPbX3(X为Cl、Br和I)因其具有非常窄的发光峰、较好的稳定性以及可以在溶液中制备等优点, 受到了研究人员的重点关注。 文章在室温下根据过饱和析出原理制备了不同卤族元素配比的全无机钙钛矿量子点, 该制备方法不需要惰性气氛保护和热注入, 量子点的合成可以在几秒内完成。通过光致发光光谱、吸收光谱、X射线衍射等分析方法研究了不同配比CsPbX3量子点的结构特征和光致发光特性。将CsPbX3量子点涂覆在蓝光发光二极管芯片表面实现了器件的白光发射, 并分析了其光谱特征。

双结深光电二极管包括一深一浅两个光电二极管, 深、浅pn结光电二极管的光电流比值I2/I1随入射光波长单调增加。文章基于0.5 μm CMOS工艺对双结深光电二极管深、浅结光电流进行了数学建模和Matlab仿真。设计了片上信号处理电路, 将双结深光电二极管深、浅结光电流比值转换成电压输出。仿真结果表明, 信号处理电路的输出与ln(I2/I1)具有良好的线性关系。单片集成的CMOS波长检测芯片可用于未知荧光的波长检测和特异性分析。

提出了一种新型结构的法布里-珀罗(F-P)腔光纤压力传感器。该传感器基于法布里-珀罗多光束干涉, 利用压力敏感膜的纵向挠度变化带动位移柱的横向位移运动来改变F-P腔的腔长变化。详细阐述了传感器新结构的设计方法及其工作原理, 分析了不同参数对传感器性能的影响。采用ANSYS软件仿真模拟了传感器压力敏感膜在压力作用下的挠度变化。结合现有的MEMS工艺, 可制作出工艺简单、温度系数低、灵敏度高, 且抗电磁干扰的MEMS光纤压力传感器。

为了探索光强均匀性对光电池组件整体光电转换效率的影响, 采用波长为808 nm、输出光强可调的半导体激光束照射两片单结砷化镓电池, 实验测量光电池在串联、并联组合方式下不同光功率密度激光照射时的输出特性, 结果表明, 当照射到两光电池上的激光功率密度相同时, 两种连接方式下组件的光电转换效率基本相同, 都在46%左右；当照射到两光电池上的激光功率密度不同时, 串联方式下组件的光电转换效率低于并联时的效率。该结果可由光电池的等效电路理论得到解释。因此, 在光强分布复杂的情况下, 对光电池的组合方式进行合理选择, 可以有效地保证光伏组件整体的光电转换效率。

设计了一种新型的在线光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器。该传感器的F-P腔为微椭球空气腔, 由光纤熔接机以特定的熔接参数熔接单模光纤和实芯光子晶体光纤而成。该传感器基于F-P干涉原理测量压力, 全石英结构, 制作工艺简单, 温度串扰小。分析了封闭的椭球形空气F-P腔中短轴直径(腔长)与长轴半径(敏感膜有效半径)的关系；利用高斯光束传输理论分析了空气F-P腔形状与腔内损耗的关系。分析了SiO2敏感膜受压后中心挠度与膜厚、有效半径的关系。建立了SiO2膜的压力敏感特性模型, 在施加均布载荷条件下对模型的挠度形变特性进行了数值解析和有限元仿真。仿真了传感器F-P干涉条纹波谷波长与压力的关系, 为设计制作光纤微压传感器提供了理论依据。

对Si基PIN光电探测器的电场隔离结构进行了研究, 讨论了电场隔离结构的作用以及其与暗电流的关系, 并进行了仿真模拟与测试分析。电场隔离结构主要将有源区和边缘隔离从而降低暗电流, 结合仿真模拟结果和实验测试结果, 分析得到电场隔离结构主要降低与周长有关的暗电流, 对于小尺寸器件作用更明显。

提出了一种考虑温度影响的基于光子晶体的微压力传感器, 传感器由微压力传感和温度传感两部分构成, 其中微压力传感部分测量的是所处温度环境下的压力值。两部分传感器均利用波导和腔的耦合实现带阻滤波功能, 根据带阻滤波器的模式在所处温度下线性红移, 分别计算相应的温度值和该温度下的压力值, 并通过热光效应和热膨胀效应计算出温度对器件材料折射率的影响, 从而得到真实的微压力。文中对结构参数进行了优化设计, 实现了1.33 nm/μN的微压力灵敏度。

研究了基于Al2O3中间层的InP/SOI晶片键合技术。该方案利用原子层沉积技术在SOI晶片表面形成Al2O3作为InP/SOI键合中间层, 同时采用氧等离子体工艺对晶片表面进行活化处理。原子力显微镜和接触角测试结果表明, 氧等离子体处理使得晶片的表面特性更适于实现键合。透射电子显微镜和X射线能谱仪测试结果证实, 采用Al2O3中间层可以实现InP晶片与SOI晶片的可靠键合。

在常压条件下采用化学气相淀积(CVD)技术在有石墨烯插入层的衬底上生长GaN纳米线, 研究了生长温度、石墨烯插入层、催化剂等因素对GaN纳米线的形貌、光学特性以及结构的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、光致发光(PL)谱、拉曼(Raman)谱和透射电子显微镜(TEM)等表征手段对GaN纳米线的形貌、光学特性以及结构进行表征。结果表明, 在1 100 ℃条件下, 同时有石墨烯插层和催化剂的衬底表面能够获得低应力单晶GaN纳米线。石墨烯、催化剂对于获得低应力单晶GaN纳米线有重要的作用。

利用无掩模反应离子刻蚀法制备黑硅, 研究了黑硅微结构密度和高度对其光学特性的影响。采用场发射扫描电子显微镜和带积分球的紫外-可见-近红外分光光度计分别表征黑硅微结构形貌和光学特性。研究结果表明, 黑硅微结构密度增大和高度增加, 则黑硅吸收率增大, 高度较大的微结构更加有利于增强黑硅近红外光吸收。无掩模反应离子刻蚀法制备的黑硅的吸收率在高温退火过程中保持稳定。

利用电子束蒸镀技术在石英玻璃上沉积SnF2掺杂SnO2(FTO)薄膜。研究了不同退火温度对FTO薄膜结构和光电性能的影响。研究结果表明: 升高退火温度可促进FTO薄膜中晶粒逐渐变大, 结晶度变好, 同时薄膜在可见光范围内的透射率随着退火温度升高逐渐增加, 吸收边发生蓝移, 禁带宽度显著变宽, 这是由于载流子浓度增加导致的Moss-Burstein效应。升高温度时, 薄膜电学性能随着退火温度升高有了很大改善, 700 ℃退火处理后得到电阻率低至2.74×10-3 Ω·cm、载流子浓度为2.09×1020 cm-3、迁移率为9.93 cm2·V-1·s-1的FTO薄膜。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其低功耗、低阈值电流、高调制速率和易制作二维阵列器件等特点, 广泛应用于短距离光互连领域。湿法腐蚀和干法刻蚀作为高速VCSEL台面结构制备的两种工艺, 影响VCSEL氧化层的大小。文章研究了氧化层面积对寄生电容的影响, 并计算得到7 μm氧化孔径下采用干法刻蚀工艺的垂直腔面发射激光器, 相比较湿法腐蚀工艺, 氧化层电容由902.23 fF减小至581.32 fF, 谐振腔电容由320.72 fF减小至206.65 fF。通过对采用湿法腐蚀和干法刻蚀工艺制备的GaAs量子阱结构高速VCSEL进行小信号调制响应测试, 结果表明, 7 μm氧化孔径下干法刻蚀VCSEL小信号调制带宽提高至16.1 GHz。

使用自主研发的钨系统中频感应加热炉对AlN粉料进行了烧结提纯处理实验, 并用XRD、SEM、IGA和GDMS等表征方法分析了烧结后的样品。实验发现, 高温(2 250 ℃)长时间(50 h)烧结提纯工艺效果显著, 但AlN粉料损耗高达47.37%；而低温(小于2 000 ℃)分段式短时间(每段10 h)烧结提纯工艺粉料损耗低于2%, 但是提纯效果一般。通过对实验结果的综合分析, 提出了一种AlN粉料烧结提纯的改进工艺, 最终得到了氧含量仅238 ppm、碳含量135 ppm的高质量AlN单晶生长原料, 并且显著增加了原料的利用率。

采用溶液生成法制备了有机铅卤化钙钛矿(CH3NH3PbI3)晶体粉末, 并以过量的PbI2对其进行掺杂, 采用X射线衍射谱(XRD)技术研究了掺杂前后样品的晶体结构变化。表面光电压谱(SPS)和相位谱(PS)显示掺杂前后的CH3NH3PbI3均为p型半导体, 但后者有更强的光伏响应。场诱导表面光电压谱(FISPS)表明: 当加正电场时, 掺杂前后的CH3NH3PbI3均表现为p型半导体的载流子特性, 当加负偏压时掺杂后的CH3NH3PbI3易形成反型层, 出现光伏反转, 且外加负偏压越大, 光伏反转区域越大, 表现出双极导电特性。

为有效分割精密光学微透镜及微透镜阵列的表面不同特征区域, 结合具有良好平移不变性、多尺度多方向分解能力的非下采样轮廓波变换(NSCT)和数学形态学运算, 提出了一种微透镜表面特征边缘提取方法。采用非下采样轮廓波变换分解微透镜表面, 得到粗尺度系数和精细尺度系数。粗尺度系数采用数学形态学处理, 获得近似特征边缘；精细尺度系数根据变换域系数模值、硬阈值处理后得到细节边缘。融合粗尺度和精细尺度边缘作为微透镜表面的边缘。实验表明, 该方法可准确识别透镜表面的特征边缘, 比传统的边缘算子更为有效。

针对准循环低密度奇偶校验(Quasi-Cyclic Low-Density Parity Check, QC-LDPC)码中存在编码复杂度高且码率码长选择不灵活等问题, 基于完备循环差集(Perfect Cyclic Difference Sets, PCDS)提出了一种确定性的构造方法。基矩阵(Base Matrix, BM)中的移位次数可由完备循环差集经过简单的加减运算获得, 特殊结构的基矩阵和完备循环差集结合, 节省了存储空间, 降低了硬件实现的复杂度, 其围长至少为6, 且码长码率可灵活选择。仿真结果表明: 在加性高斯白噪声(Additive White Gauss Noise, AWGN)信道下采用和积算法(Sum-Product Algorithm, SPA)迭代译码, 码率为0.5、误码率为10-6时, 构造的基于完备循环差集的非规则PCDS-QC-LDPC(2680,1340)码比基于PEG-QC-LDPC(2680,1340)码和掩模的离散数组AD-MASK-QC-LDPC(2680,1340)码的净编码增益(Net Coding Gain, NCG)分别提高了0.13和0.32 dB。

针对可见光通信中MIMO系统的信道干扰问题, 采用自适应空间调制技术, 即发送端任一时刻只有一个发光LED处于工作状态来传输数据, 接收端采用最大似然算法恢复原始信号, 同时为优化误码率性能, 加入自适应Fischer算法, 发送端能够根据信道状态信息对各个子载波分配不同的比特, 降低误码率。实验结果表明: 在传输速率和发送功率一定的情况下, 结合Fischer算法的空间调制技术能有效降低系统误码率, 改善可见光通信系统的通信性能。

对室内VLC-WiFi异构网络进行研究, 提出了基本的组网结构及改进的切换策略。根据室内VLC-WiFi异构网络的特点, 确定了上下行传输方案, 即上行数据使用WiFi链路传输, 下行数据使用VLC和WiFi链路传输。当下行VLC链路不可用时, 提出了一种基于切换间隔和运动趋势的动态驻留时间算法。仿真结果表明, 提出的切换算法与传统算法相比, 在不增加乒乓效应的前提下提高了系统的命中率。

在自由空间激光通信(FSO)系统中, 瞄准误差和大气湍流严重影响系统通信链路, 是链路性能恶化的两大主要因素。通过对联合信道的理论分析, 建立了信道模型, 并利用Meijer G函数推导出了直接探测系统和相干探测系统平均信道容量的表达式。通过在Matlab中的仿真结果可知, 在给定瞄准误差和大气湍流的条件下, 信号光的光束束散角并非越小越好, 而是存在最优束散角, 该束散角不仅可以保证系统性能良好, 而且使得发射系统功率取得最小值, 并且采用相干探测系统可以抑制大气湍流对系统的影响, 有效提高系统的性能。

高精度室内定位在很多场合的实用性和必要性日趋显著, 其应用前景广阔, 已成为研究前沿。基于微惯导技术的室内定位, 是目前最为精确和有效的一项定位技术, 但由于微惯导测量组件存在不可避免的漂移现象, 使其无法长时间独立用于目标的定位。在此背景下, 提出了一种基于微惯导(Micro-Inertial Navigation System, Micro-INS)与可见光通信(VLC)系统相结合的定位方法。在该方法中, 首先通过微惯导测量组件进行航位推算, 然后利用获取的VLC信号对微惯导系统的位置信息进行校准, 补偿微惯导系统的定位累积误差。定位实验结果表明, 文章所提出的方法可有效地提高系统定位精度, 实现室内的长时间精确定位。

通过采用可调谐激光器作为输入光源, 提出一种基于碲基光纤的可调谐拉曼波长转换器, 其改善了普通波长转换器若想实现一段带宽范围内的波长转换需要多个连续探测激光器的缺陷。基于受激拉曼散射效应建立理论模型, 通过理论模型计算可调谐范围, 并对其进行仿真验证,同时分析了可调谐范围的影响因素。结果表明, 所设计的波长转换器可达到73 nm的可调谐范围, 通过仿真得出的可调谐范围与理论分析基本一致, 证明了此方案的可行性。

以光纤陀螺(FOG)某电路板为例, 扫描分析了其磁场分布规律, 并利用矩阵光学和光传输理论, 建立了柱面非均匀磁场中Faraday非互易相位差理论模型, 进而仿真分析了实际电路板的辐射磁场对光纤陀螺的影响。分析结果表明: 1)柱面非均匀磁场与光纤环距离越小, FOG磁敏感相位误差越大；2)柱面非均匀磁场对FOG所产生的磁敏感误差与角度之间呈倾斜正弦曲线, 且倾斜度随磁场与光纤环间距减小而加剧；3)当R＜5r(磁场源位于光纤环外部, r为光纤环半径, R为磁场源与光纤环左侧边缘的距离)或R＜0.5r(磁场源位于光纤环内部)时, 非均匀磁场均大于同量级均匀磁场对FOG的影响；4)非均匀场的存在影响FOG偏离固有磁轴方向；5)对于距离FOG较近的一些辐射强度非常小的普通电路板, 也会导致FOG输出的不稳定和方向相关性。上述结果对于理解和分析实际磁场对FOG的影响, 具有实际指导意义。

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱, 该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响, 进行了干涉图切趾处理, 但这会降低复原光谱的光谱分辨率。为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度, 文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法。该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵, 对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱。利用多种物质的光谱进行仿真实验, 测试两种光谱复原方法的光谱复原精度, 结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1%~3%, 而傅里叶变换法的复原误差在3%~7%的范围内。因此, 和傅里叶变换光谱复原方法相比, 基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高。

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题, 提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案。运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究, 针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题, 设计了非球面准直透镜, 准直后发散角为0.403 mrad；针对光束尺寸与光纤的匹配问题, 进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计。实验结果表明, 合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm, GEO点尺寸为290.071 μm, 光束中95%以上的能量集中在300 μm以内, 实现了多束LED光源与光纤的高效耦合。

针对常用特征点匹配算法在低对比度图像中存在特征点少、匹配精度低的问题, 将图像自相似性用于图像特征点提取, 并改进特征点匹配过程, 提出了自相似性与改进归一化互相关相结合的方法。该方法首先根据像素点自对称值提取出图像特征点, 然后通过特征点的尺度信息构建自适应相关窗口来改进互相关匹配, 最后由阈值筛选和随机抽样一致性算法优化匹配结果, 从而完成低对比度图像特征点的提取和匹配。实验结果表明, 该方法在匹配低对比度图像特征点时相比常用算法具有较高的效率, 且对图像尺度和旋转变换具有较强的鲁棒性。

拉曼光谱仪是一种常用的光学分析手段, 目前国内市场上存在许多小型的便携式拉曼光谱仪, 虽然操作简单, 但光谱分辨率及探测范围有限。文章设计并搭建了一台具有显微原位测温功能的大型拉曼光谱仪系统, 测试结果表明, 系统能够探测的波数范围为-6 000~325 cm-1、275~6 000 cm-1, 光谱分辨率可达到0.7 cm-1。将其与已经商业化的便携式拉曼光纤探头对比, 对标准样品硅片及其他样品的测试结果表明: 该系统具有更高的信噪比及灵敏度, 对激发光、杂散光的滤除效果更优, 能够探测到样品的反斯托克斯拉曼信号, 具有原位探测样品表面温度的能力。

在高强度超声聚焦(HIFU)治疗中, 图像自动导航是整个治疗过程的关键步骤。针对超声肿瘤图像分割提出了两种算法, 分别为梯度阈值法和区域合并法。其中梯度阈值法针对分水岭过分割的缺陷, 选取小于设定的梯度阈值的点作为分水岭变换的种子点, 从而很好地抑制了过分割现象；区域合并法首先通过分水岭变换将图像过分割成许多具有区域均质性的超像素, 然后基于最小描述(MDL)原则进行合并, 将拥有相似纹理特征的小区域聚类在一起, 达到抑制过分割的目的。实验结果表明这两种算法有效地解决了分水岭变换过分割的问题, 同时能够很好地应用到超声肿瘤图像分割中。

暗原色先验规律在天空区域的不适用, 将会导致去雾后图像中的天空区域产生明显的噪声放大和色彩失真, 为此提出基于天空区域分割的改进暗原色先验去雾算法。 首先, 采用将K均值聚类与增强边缘提取相结合的方法来进行天空区域分割, 之后对有雾图像中天空区域的透射率进行修正, 以得到改进的去雾后图像。该方法在天空区域分割的准确性上较好, 去雾后图像不仅天空区域失真与噪声等显著减弱,还保证了远景清晰度。实验表明, 该方法明显改善了去雾后图像天空区域的视觉效果并保留了远景清晰度, 使去雾后图像显得清晰的同时表现得更加自然。

为了解决现有目标跟踪系统难以小型化和跟踪速度慢的问题, 设计了一种以型号为STM32F103ZET6的32位ARM处理器为主控芯片的二维运动目标跟踪系统。系统包括搭载了高清网络摄像机的二维跟踪云台和以STM32为核心的超声电机双路驱动器。系统通过上位机图像处理识别目标, 控制下位机超声电机双路驱动器驱动二维云台跟踪目标。实验结果表明, 该系统响应速度快、结构简单且跟踪精度高, 云台可实现水平方向0°~360°、竖直方向0°~180°旋转。

介绍了一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法。系统由一系列硬件和软件组成, 硬件包括通用GPS接收设备、信号接收整理模块和外同步信号相机电平匹配化模块；软件包括设计在可编程逻辑电路中的外同步信号频率生成与调整模块及外同步信号误差分析与调整模块、外同步信号生成模块及外同步信号相机逻辑匹配化模块。GPS接收设备接收卫星信号并实时输出时间B码, 信号接收整理模块将时间B码整理成可编程逻辑器件可以接收的电平信号, 可编程逻辑器件通过一系列处理模块生成目标相机的外同步信号, 随后外同步信号相机电平匹配化模块将外同步信号整理成相机匹配的电平信号来控制相机曝光。实践证明所提方法可以在不添加额外器件的情况下实现相机曝光时间的实时精确控制, 将连续成像的图像序列在时间上的精度从通常的数十微秒级提高到单微秒级。

基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统(BOTDA)因为单端入射的特性而有广泛的应用前景。研究了应用提升小波变换对传感信号进行降噪, 与传统小波变换相比, 提升小波变换结构简单, 运算速度快, 易于硬件实现。分别利用累加平均法、传统小波变换和提升小波变换对瑞利BOTDA系统传感信号进行降噪, 通过信噪比、均方误差和计算时间对三种方法的降噪效果进行比较。结果表明, 累加平均法将信噪比提高了约14 dB, 传统小波变换将信噪比提高了约18 dB, 计算速度是累加平均法的3.26倍。提升小波变换将信噪比提高了约19 dB, 计算时间仅为传统小波变换的约60%。结果表明, 提升小波变换适用于瑞利BOTDA系统实时降噪处理。