微波光子学利用光子技术实现微波信号的产生、传输、处理及控制, 可突破传统微波技术在带宽、传输损耗和抗电磁干扰等方面的瓶颈, 提升雷达、电子战等信息系统的综合性能。激光器、电光调制器和光电探测器是微波光子技术中的三种核心光电子器件, 其性能对微波光子链路的噪声和动态等指标具有决定性的影响, 但基于分立器件的微波光子系统体积、重量较大, 难以满足雷达、电子战等系统的阵列化需求, 硅基异质集成技术以及高密度低损耗片上光传输互连技术是解决有源器件集成和无源器件集成的关键技术。文章介绍了用于微波光子的硅基激光器、电光调制器、光电探测器和波导的异质集成技术的发展现状, 并探讨了集成微波光子技术的发展趋势。

从高像素填充因子、低噪声、高帧频、高空间分辨率及柔性五个方面对近些年X射线平板探测器背板工艺的研究进展进行了综述。通过对研究过程中的材料选择、像素结构和读出电路优化的详细阐述, 分析了X射线平板探测器背板工艺的研究现状及改善方向。文章同时从新结构、新材料、电路设计及三维探测设计四个方面给出了X射线平板探测背板技术未来的发展趋势。

提出了一种反射型太赫兹超材料极化转换器。该极化转换器结构单元由典型的三层结构组成, 上、下两层为金属层, 中间为介质层, 顶层金属层由一个开口谐振环和一个镂空圆盘组成。研究结果表明: 该极化转换器能够将x极化波转换为y极化波, 在 0.5840~1.3520THz频带上极化转换率大于80%, 在0.6424、0.9364和1.3018THz处极化转换率接近100%。该极化转换器结构简单、便于加工, 且能实现宽频带极化转换, 在太赫兹波通信、成像等方面有广阔的应用前景。

利用溶胶凝胶法制备了Mg0.3Zn0.7O薄膜, 并制作了金属半导体金属结构的深紫外探测器。研究了高质量ZnO缓冲层的引入对Mg0.3Zn0.7O薄膜的吸收谱和结晶特性以及Mg0.3Zn0.7O紫外探测器响应参数的影响。实验结果表明: ZnO缓冲层的引入使Mg0.3Zn0.7O薄膜的紫外可见光吸收谱有轻微的红移, 但可以明显提高薄膜的结晶质量, 同时ZnO/Mg0.3Zn0.7O探测器的IV特性表明, ZnO缓冲层的引入可以显著提高器件的光电流, 改善其响应特性, 在20V偏压下将Mg0.3Zn0.7O探测器的响应度由0.035A/W提高至0.63A/W。

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的性能与阵列片内均匀性密切相关。阵列面元的主要结构参数有倍增区厚度、电荷层厚度和掺杂浓度、吸收区的厚度以及器件工作的过偏压。它们的不一致性不仅会造成器件本身性能的差异, 还为后续的读出电路带来了巨大的挑战。通过研究APD结构参数变化对其击穿电压(Vbreak)、暗计数率(DCR)和单光子探测效率(PDE)的影响, 将APD阵列面元间击穿电压波动控制在±1V以内, 使暗计数率和光探测效率的波动小于10%, 从而得到不同温度下各个结构参数的最大允许波动值,确定了每个温度下制约器件性能的主要因素,为大规模、高性能盖革模式雪崩光电二极管阵列的材料生长和工艺制备提供了理论依据。

采用C60/pentanece作为非掺杂电荷产生层, 并在其两边各插入Al和MoO3 薄层作为C60和pentanece的电子注入层和空穴注入层, 在此基础上制备了结构为ITO/NPB/mCP∶8wt% Ir(ppy)3/TPBi/Al/C60/pentanece/MoO3/NPB/mCP∶8wt% Ir(ppy)3/TPBi/Cs2CO3/Al的双发光单元叠层绿色磷光有机发光器件(OLED)。实验表明, 增加Al和MoO3电荷注入层, 可有效改善有机电荷产生层的电荷注入能力, 提高叠层OLED器件的发光亮度和电流效率。叠层器件的启亮电压明显低于单个器件的1/2, 但电流效率是单层器件的两倍以上。当Al/C60/pentanece/MoO3的厚度分别是3、15、25和1nm时, 叠层OLED器件具有最佳的光电性能, 其最大亮度和最大电流效率分别是7920.0cd/m2和16.4cd/A。

为了研究硅光电倍增器(SiPM)在低温下能否正常工作, 选取了两种典型的SiPM, 通过液氮制冷方式, 对SiPM在不同温度下的反向伏安特性进行了研究。结果显示, 不同SiPM的过偏压范围(VB~Vb)随温度的变化差别很大, 并且微量水蒸气凝结仅对未封装的SiPM伏安特性的Vb~VB段有明显影响。分析实验结果得出, SiPM正常工作电压的范围在很大程度上受到衬底材料中缺陷和陷阱浓度的影响。在低温下工作的SiPM, 要求其衬底材料中缺陷和陷阱的浓度更低。在进行SiPM的低温应用和测量时, 应密切监视偏压加在Vb~VB区间时, 器件的电流是否有变化, 而不能只观察击穿之前SiPM的漏电情况。

随着CMOS图像传感器(CIS)的广泛应用, 低功耗、高集成化、高稳定性成为其发展趋势, 低压差线性稳压器(LDO)因体积小、功耗低、噪声低及电源抑制比高等优点而满足芯片供电需求。为了避免传统电源在芯片异常时仍持续工作致使功耗增加或芯片烧毁, 设计了一种可应用于CMOS图像传感器的LDO电路, 并加入了LDO的保护电路结构。该保护电路具有欠压保护与过流保护的功能, 并能够通过数字电路对LDO进行使能控制。基于0.11μm CMOS工艺平台对LDO及其保护电路进行仿真与分析, 完成了该工艺下电路版图的绘制和验证。

针对大功率隧道结半导体激光器因光学灾变损伤(COD)而导致输出光功率无法进 一步提高的问题,通过优化器件材料结构,提高了其COD阈 值.采用标准的半导体 激光器制作工艺,制作了发光区条宽为２００μm、腔长为９００μm的单隧道结半导体激光器. 在脉冲宽度为 ２００ns、重复频率为５kHz的室温下进行 测 试,器 件 峰 值 功 率 超 过 ７０ W,并 且 无 明 显 COD 现 象 发 生. 在 ２０A 工作电流下,器件峰值波长为９０７nm,光谱宽度为７nm,斜率效率为１．８８,接近相同工作电流下单有源层激光器的两倍.

设计了一种由封闭在光纤内的纺锤型空气腔和其周围的SiO2构成的三明治结构全光纤马赫曾德尔干涉仪, 并将其用于应变传感。纺锤型空气腔利用光子晶体光纤和普通单模光纤熔接后再拉锥形成。由于干涉仪的两个干涉臂介质为空气和SiO2, 因此超短的干涉臂长使光传输损耗大大降低, 构成了超紧凑马赫曾德尔干涉仪。该干涉仪用于应变传感可大大减小弯曲带来的串扰, 提高系统的稳定性。建立了超紧凑马赫曾德尔干涉仪模型, 基于FDTD算法对干涉仪输出的干涉条纹以及各部分的电场分布进行了仿真, 得到了应变传感器干涉条纹波谷波长与应变的关系, 为设计制作超紧凑全光纤马赫曾德尔应变传感器提供了理论依据。

采用磁控溅射方法, 在多晶硅薄膜太阳电池表面沉积了不同粒径大小的Au纳米粒子, 利用粒径大小可调控的Au纳米粒子的局域表面等离激元共振增强效应(LSPR), 对入射光中的可见光区域实现“光俘获”; 采用UVvis吸收光谱对LSPR进行了研究, 结果表明, LSPR能够有效拓展Au纳米粒子的光谱响应范围(400~800nm), 并且, 随着Au纳米粒子粒径的增大, LSPR共振吸收峰呈现出明显“红移”; 同时, 通过SERS表征, 证实LSPR能够有效增强Au纳米粒子周围的局域电磁场强度; 最后, 多晶硅太阳电池的JV特性曲线表明, 当Au纳米粒子溅射时间为50s时, 多晶硅太阳电池光电转换效率(η)最高为14.8%, 比未修饰Au纳米粒子的电池η提高了42.3%。

针对人眼中间视觉生理特征, 研究了LED道路照明光源显色性评价方法。通过构建人眼中间视觉下的光视光效模型, 获得了相应的光谱光视效率曲线和人眼敏感波长范围, 给出了基于中间视觉的LED道路照明光源显色性评价及计算方法, 建立了综合显色指数与光源主波长的函数关系式, 并采用主观实验法和客观清晰度计算法进行了验证。计算与实验结果均表明, 在满足道路照明亮度的条件下, 当道路照明光源的主波长为548.5nm时, 光源的综合显色指数最大, 显色性能最佳。

AlN晶体中的氧杂质会严重影响晶体性能。因此, 氧含量的控制一直是AlN晶体生长工艺中的热点和难点。为了减少AlN晶体中的氧杂质含量, 通常在长晶之前使用粉料高温烧结工艺去除大部分的氧杂质。使用XRD及EGA等检测方法, 对不同烧结工艺下AlN烧结过程中坩埚盖处的氧杂质沉积行为及其规律进行了对比研究。研究发现, 使用低温(900~1100℃)真空保温与1500℃的氮气保护下保温相结合的方法可以极大促进氧杂质在坩埚盖处的前期沉积。在氮气保护环境下进一步提升烧结温度至2000~2100℃并经过一段时间的保温后, 坩埚盖沉积物表面会出现黄褐色AlN结晶层, 相应的检测结果表明此阶段坩埚盖处的氧杂质大量挥发, 沉积过程已经基本结束。

空芯光子带隙光纤拥有优越的环境适应性, 但光纤中的高阶模使其在多种场合下的应用受到制约。利用光子带隙内高阶模式在小于截止波长时被强烈抑制, 而基模在该波段可以稳定存在的特性, 提出了实现单模传输的方法, 并通过实验验证了该方法的可行性。在此基础上仿真分析了包层参数对单模传输波段的影响, 计算结果表明, 单模传输波段的带宽随材料折射率的增加而增加, 折射率由1.445提高到2时, 带宽增加2.9倍; 相对倒角由0.2提高到0.8时, 单模传输波段的工作波长移动310nm以上。

基于采用退火质子交换工艺制备的铌酸锂光波导器件的保偏尾纤具有高偏振消光比这一特性, 提出了一种通过偏振消光比测试仪测定器件保偏尾纤的偏振轴并实现与保偏连接头定位键高精度对准的方法。工艺实验证明, 采用该方法制作的保偏尾纤连接头偏振轴向对准精度优于0.8°, 显著优于显微成像定轴方法制作的保偏尾纤接头。

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了本征Mg2Si及钴(Co)掺杂Mg2Si体系的晶体结构、自旋态密度、磁性和光学性质。结果表明, Co替Mg(CoMg)缺陷的形成能为负, 可以形成稳定的缺陷。从自旋态密度可以看出, 本征Mg2Si为无磁性半导体; 向Mg2Si体系掺入Co后, 体系的磁矩由于Co3d态和Si3p态杂化(pd杂化)诱导产生, 且体系呈明显的半金属特性。超胞中Co的磁矩为0.53μB。从吸收光谱可以看出, Co掺杂Mg2Si的主吸收峰强度略小于本征Mg2Si, 但吸收跨度则明显大于本征Mg2Si。本征Mg2Si对于能量小于1.55eV(对应波长为800nm)的光子几乎不吸收, 而掺杂体系还存在着较大的吸收, 说明Co元素的掺杂显著地改善了Mg2Si对低能(红外)光子的吸收。计算结果为Mg2Si基自旋电子器件和光电子器件的设计和应用提供了理论依据。

利用Fourier展开, 将应变超晶格中的粒子运动问题转化为多频激励的摆方程问题。用Melnikov方法和Lyapunov方法讨论了系统的稳定性, 并对双频激励和单频激励进行了具体分析。结果表明, 多频激励系统可通过奇阶次谐分叉进入混沌; 当阻尼系数比较大或激励强度比较弱时系统是稳定的。

首先, 将AlN陶瓷表面金属化后分别切割成10mm×10mm×1.0mm、12mm×12mm×1.0mm及15mm×15mm×1.0mm的方块, 嵌入环氧树脂中制备成FR4/AlN复合材料; 然后, 利用SMT工艺将同款LED灯珠与上述内置三种不同尺寸AlN的复合基板材料组装成LED模组; 最后, 利用结温测试仪与半导体制冷温控台对三种LED模组分别进行了结温测试。同时, 结合热仿真手段对复合材料水平面的温度分布情况进行了模拟研究。结果表明: 上述三种尺寸陶瓷片对应LED的结温分别为96.95、92.94与91.81℃。热仿真结果显示, 陶瓷片尺寸通过界面热阻对扩散热阻产生影响, 增大陶瓷片尺寸有助于降低扩散热阻, 进而改善FR4/AlN复合材料的整体散热性能。

针对准循环低密度奇偶校验(QuasiCyclic LowDensity ParityCheck, QCLDPC)码存在码长码率不能灵活选择的问题, 提出了一种基于大衍数列构造多码率的原模图QCLDPC码的新颖方法, 该方法利用计算机搜索算法得到原模图基矩阵, 然后基于大衍数列的循环移位矩阵对原模图基矩阵进行循环扩展, 以此得到校验矩阵。该方法构造的校验矩阵围长至少为6, 只需要简单的移位寄存器就可以实现编码, 并且具有良好的纠错性能。仿真结果表明, 在误码率(Bit Error Rate, BER)为10-6时, 所构造的码率为0.5的PDYQCLDPC(4000,2000)码和码率为0.75的PDYQCLDPC(4000,3000)码与同码率近似码长的其他码型相比较, 其净编码增益均有一定提高。

介绍了一种基于光纤传感技术的等截面悬臂梁固有频率的测量方法, 并采用理论计算和软件仿真对其进行了验证。首先, 理论推导了粘贴于悬臂梁表面的光栅中心波长与其所在位置处挠度的关系; 然后, 根据分析结果, 搭建了实验测量系统, 该实验采用高温火焰烧断连接线的方法产生一个初始的阶跃信号, 测量结果为20.093Hz; 接着, 采用里兹法对梁固有频率进行理论计算, 结果为20.311Hz; 最后, 利用ANSYS软件对悬臂梁进行模态分析, 得到梁的一阶模态为20.44Hz。实验测量结果与理论计算、有限元仿真结果十分接近, 证明了该方法是正确、可行的, 为悬臂梁固有频率的获取提供了新思路。

利用光纤中的背向瑞利散射通过光频域反射原理实现整段光纤上的分布式应变测量。对应变解调算法进行了改进, 采用二次互相关的方法实现了光纤的波长分辨率为5pm, 空间分辨率为2cm。搭建了一套基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感系统, 对应变系数进行了标定, 并实现了5m长光纤上的分布式应变测量, 应变测量范围为50~500με, 应变分辨率为4.2με。改进后的算法克服了传统算法中波长分辨率和空间分辨率相互制约的缺点, 能在保证波长分辨率的前提下提高空间分辨率, 对该应变传感技术的后续研究具有一定借鉴意义。

针对扩展目标在跟踪过程中存在的因旋转、尺度变化和目标部分区域离开视场时引起的漂移等问题, 提出了一种在特征点匹配的基础上结合广义Hough变换的扩展目标跟踪方法。采用ORB特征处理相邻两帧图像, 得到初始匹配特征点, 然后再用随机采样一致处理筛选出匹配正确率高的特征点作为基础特征点, 利用这些基础特征点进行广义Hough变换, 提取出一个相对位置固定的跟踪点对目标进行跟踪。实验表明, 该方法具有能保持跟踪点的相对位置固定的特性。

目前常用的宫颈癌细胞筛查方法有TBS分类法和细胞DNA定量分析法, TBS分类法主要是观察细胞形态是否发生异常改变; 而DNA定量分析法是统计细胞核内的DNA含量是否发生增值, 两种方法需要在两张不同的细胞涂片上分别展开。针对此, 设计了一种在复合染色的环境下利用多光谱成像技术的宫颈细胞实时筛查系统。该系统实现了在一张细胞涂片上同时使用TBS分类法和DNA定量分析法进行宫颈癌细胞的筛查。其主要评价参数是细胞核内的DNA含量(即DI指数), 同时可以观察细胞形态。该系统可以测量各个细胞核的DI值并且获得整个细胞的彩色图像, 从而辅助医生对DI值大于2.5的异常细胞进行定位筛查。实验表明, 该系统具有快速、准确和高效的特点, 敏感性超过95%, 克服了涂片质量差、判断阳性率低的缺点。

为了满足自准直系统的高精度要求, 同时扩展其适用范围, 以便更好地应用于科学研究, 在光学自准直原理的基础上, 针对大口径细光束的自准直系统进行研究, 并对其误差源做了深入分析。对入射光束发散度引入的误差、CCD离焦误差、光学元件姿态引入的误差、反射镜平面度误差、准直系统瞄准误差以及原理误差这六种主要的误差源做了定量分析, 同时对外界环境条件引入的误差进行了定性分析。通过对上述误差的定量与定性分析, 可以直观地观察各误差源对系统精度产生的影响, 为后续大口径细光束自准直系统的设计提供了重要的理论支持。

针对基于端面成像的偏振轴检测方法光照鲁棒性不强、无法同时检测多根保偏光纤偏振轴的问题, 提出一种基于Faster RCNN的检测方法。训练Faster RCNN神经网络模型, 通过参数调优增强了应力区识别的鲁棒性, 采用基于Zernike矩算法对应力区边缘点进行亚像素级定位以提高测量精度, 分析了测量精度与误差的关系。仿真与实验表明, 该方法的测量精度达到±0.1°, 在增强光照鲁棒性的同时实现了对多根保偏光纤偏振轴的检测。

在激光作为能量载体给远程移动设备如无人机充电的过程中, 为确保接收端能精准接收到从发射端发射来的激光束, 设计了一套基于四象限探测器的激光束二维扫描跟踪系统。该系统通过实时测量入射激光的光斑中心相对于四象限探测器中心的偏移量, 利用监控和控制计算机、控制柜以及二轴转台构建闭环控制系统, 可实现激光对移动目标的实时跟踪。测试结果表明, 当移动目标在距离激光束发射端高1m、横向宽度30cm的区域内以不大于5cm/s的速度移动时, 该跟踪扫描系统可较准确、实时地跟踪移动目标。

基于Mie散射原理, 提出了一种光度计与颗粒计数相结合的PM2.5颗粒质量浓度检测方法, 一定程度上减少了等效直径大于2.5μm的颗粒所产生的干扰。该方法利用655nm的激光器对悬浮颗粒物进行照射, 通过光电二极管接收Mie散射光强度, 并利用质心法统计分析出现概率最大的光强数据作为PM2.5颗粒所产生的真实散射光强度, 从而推断出PM2.5的质量浓度分布。最后, 将基于该方法与TSI公司生产的PM2.5检测仪在同一环境下进行对比, 发现测量误差显著降低, 在高浓度下测量误差仅±5μg/cm3。

基于琼斯偏振理论, 对通信系统光端机和大气传输信道进行了偏振建模, 定量分析了传输过程中二者对信号光的偏振改变作用, 并推导出信号光和本振光的偏振失配与混频效率之间的关系。在此基础上, 利用偏振调控反馈算法和PCDM02型压电陶瓷式偏振控制器(PCD), 提出了一种自动反馈式偏振调控补偿装置, 能够有效避免偏振失配现象的发生, 保证了较高的混频效率, 进而提高了空间相干光通信系统的整体性能。

采用扫描电子显微镜(SEM)观察不同工艺参数下飞秒激光加工镍基单晶合金DD6气膜孔的形貌, 主要考虑不同离焦量、不同单脉冲能量下气膜孔的孔径、锥度和圆度误差。实验结果表明: 当离焦量由零转为正或负时, 上孔径和锥度会增大, 而下孔径则会减小; 当离焦量由负变正时, 圆度误差变大; 当单脉冲能量逐渐增大, 孔直径越大, 锥度则会减小, 圆度误差逐渐增大。当加工时间为30min, 离焦量为0, 单脉冲能量为100μJ时, 孔锥度达到最佳值。

基于时空上下文(SpatialTemporal Context, STC)的跟踪算法与大部分传统算法相比, 在实时性方面具有明显的优势。通过实验发现, STC算法存在由变形和遮挡引起的跟踪精度下降问题。针对该问题, 提出了一种改进方法, 该方法在原STC算法的基础上引入局部二值模式(Local Binary Pattern, LBP)和遮挡检测机制, 利用LBP特征来代替灰度特征, 当跟踪器检测出目标发生遮挡时, 停止分类器参数的更新。对于满足线性运动的目标, 利用卡尔曼滤波器对其进行位置预测以解决目标发生遮挡后的定位问题。实验证明, 所提出的改进算法能有效提升目标跟踪精度, 针对遮挡情况下的目标也展现出较高的鲁棒性。

利用传统的洛伦兹线型拟合来进行布里渊散射谱特征提取是一种普遍使用的方法, 其测量结果的准确度容易受噪声含量、扫频谱型和拟合算法的影响。不仅如此, 这种方法需要反复迭代求出参数向量的最小二乘解, 实时性较差。针对该情况提出的互相关卷积与高阶质心结合算法能有效提取布里渊频移, 具有极短的测量时间, 但扫频数据服从洛伦兹分布的程度直接影响了计算结果的准确度, 因此提出了二维小波阈值去噪方案, 并运用综合评价指标计算与拐点定位进行最优参量选取, 得到了一组最佳的降噪参量, 如此能有效提高测量结果的精准性。