无机钙钛矿材料CsPbX3(X=Cl,Br,I)具有光吸收系数高、发射谱线宽度窄、发光效率高等优异的光电性能, 与目前在光伏领域大放异彩的有机无机杂化钙钛矿材料相比, 其在化学稳定性和热稳定性方面更胜一筹。文章就CsPbBr3晶体的低温制备方法及其在光电探测器、发光二极管、激光、高能射线探测等领域的应用研究进展进行了分析和总结。

设计了一款320×256元抗辐射日盲紫外焦平面阵列探测器, 重点针对探测器的读出电路版图、积分开关偏置点、探测器芯片外延结构及器件工艺开展了抗辐射加固设计。对加固样品开展了γ总剂量和中子辐照试验和测试, 试验结果表明样品的抗电离辐照总剂量达到150krad(Si), 抗中子辐照注量达到1×1013n/cm2(等效1MeV中子), 验证了抗辐射加固措施的有效性。

激光器是谐振式光纤陀螺(RFOG)的重要组成部分, 其光学噪声严重地限制了RFOG的输出精度。通过建立激光器偏振特性的数学模型, 分析了激光器的偏振消光比、对轴误差和偏振本征态相位差对RFOG性能的影响, 并通过实验验证了模型的正确性。此外, 提出一种基于强度调制基频解调信号的方案, 以补偿RFOG中非理想偏振态的振幅波动。实验表明, 利用该方案可将非理想偏振态下振幅波动引起的陀螺输出波动减小12dB以上。

基于标准0.18μm CMOS工艺设计了一种新型单光子雪崩二极管(SPAD)器件。该SPAD以pwell/nwell轻掺杂雪崩结作为器件的核心工作区域, 同时利用三个相邻n阱间的横向扩散在pn结边缘形成n-虚拟保护环以提高器件的性能。采用Silvaco软件对该器件的电场分布、响应度、击穿电压、光子探测效率和暗计数率等性能参数进行了仿真分析。仿真结果表明: 当SPAD器件的光窗口直径为20μm且n阱间隙宽度为1.4μm时, 其雪崩击穿电压为13V; 在过偏压为1V时, 其探测效率峰值和暗计数率分别为37%和0.82kHz; 在450~700nm波长范围器件的响应度较好, 且在500nm处达到峰值0.33A/W。

压电式微固体模态陀螺振子通过交变电压激振、传感电极感应出电荷。当激励电压频率为某阶振动模态谐振频率时, 感应电荷达到最大值。设计了谐振频率自动跟踪电路, 使陀螺稳定工作在谐振模态。使用现场可编程门阵列(FPGA)控制直接数字频率合成器(DDS)产生频率精确可调的激励电压, 驱动陀螺振子振动。检测谐振点对应的激励电压和感应信号间的相位差, 作为反馈信号调节激励电压频率。实验结果表明, 当相位差锁定区域处在98.48°~100.27°时, 振子感应电极输出信号最大, 振子处于谐振状态, 实现了振子谐振频率的跟踪锁定。该系统可用于以谐振器为核心器件的振子工作模态锁定与跟踪。

设计了一种基于光子晶体的结构紧凑、损耗低、频带宽的三端口三光路光环行器, 该环行器由Y型光子晶体波导及配置在中心位置的磁光材料星形柱构成。通过对结构参数进行优化, 该结构可以分别实现194~196GHz、198.2~199.4GHz和197~197.6GHz三个频段内稳定的顺时针单向环行传输, 隔离度分别大于24、15.21和14.5dB, 插入损耗分别小于0.18、0.11和0.38dB。该环行器结构简单, 特别适用于结构复杂的光子集成系统, 同时可提高光路的抗干扰性和稳定性等。

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上, 综合运用光学薄膜法布里珀罗腔(FabryPerot)干涉理论, 采用MATLAB 编程设计了纳米薄膜光纤法布里珀罗传感器的仿真分析程序, 模拟了薄膜型光纤法布里珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性, 分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重, 并进行了实验验证。验证结果表明, 传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致, 纳米薄膜光纤法布里珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系, 对传感探头的研制具有指导意义。

提出一种超材料太赫兹分束器, 其单元结构由顶层金属条带、中间介质层和底层金属板组成。利用4个旋转步进为45°的单元周期排列构成了4×4的相位梯度超表面。当太赫兹波垂直入射到阵列表面时, 电磁波被反射成四束能量相等但传播方向不同的波, 且不同频点的反射角不同。该分束器具有体积小、成本低的优点, 可应用于太赫兹隐身和太赫兹成像等方面。

提出并验证了一种宽调谐带宽的带通微波光子滤波器设计方案。该滤波器借助可调谐光纤光栅Sagnac环对宽带光源进行均匀切割, 产生波长间隔可调的连续光载波作为滤波器的抽头, 结合色散光纤环级联结构, 实现滤波器的可重构性。研究结果表明, 在光电调制器和光电探测器的频率带宽足够大的情况下, 当光纤光栅Sagnac环的臂长差在0.50~8.28mm内变化、可调谐光纤延迟线的最小变化步长为0.01mm时, 该方案能够实现滤波器中心频率在8.0506~1333.2000GHz内调谐, 调谐步长为161.01MHz, 边瓣抑制比达到27dB。

超材料的发展为太赫兹技术提供了良好的载体, 使太赫兹器件得到飞速发展。滤波器作为其中重要的功能器件, 实现了太赫兹波段的单频和多频滤波。文章提出了一种新型超材料太赫兹滤波器结构, 该结构可同时应用于LC谐振和偶极谐振, 实现了太赫兹滤波。重点对几何参数对器件滤波性能的影响规律进行了研究, 通过优化滤波器关键结构参数, 实现了良好的双频带和三频带太赫兹滤波。

通过在金属电介质金属(MIM)波导单侧引入正交的双谐振腔结构, 得到了实现等离激元诱导透明效应的结构模型。采用有限元法计算得到了该结构的透射谱曲线。仿真结果显示, 波导系统的谐振波长随着正交双谐振腔有效谐振长度(Leff)的增加而红移, 且当正交矩形腔为对称的T形结构时, 会出现传输禁带。在此基础上讨论了当正交矩形腔为非对称结构时, 在传输禁带处产生类电磁诱导透明峰的物理条件, 以及该透射峰的变换规律。类电磁诱导效应可改变光的群速度, 从而产生慢光效应。研究结果表明, 含正交矩形腔MIM的波导结构可以得到0.086ps的最大光时延,为光路延时以及光数据存储提供了理论参考。Rectangular Cavity in MIM WaveguideFENG Kaiqiang, GUAN Jianfei

目标散射光至单模光纤的高效耦合是光纤相干探测激光雷达系统研制的关键技术。为获得尽可能高的单模光纤耦合效率, 首先分析了Zernike初级像差对单模光纤耦合效率的影响, 在此基础上针对收发共光路单模光纤耦合光学系统在真空中使用的需求设计了带有真空补偿镜的耦合光学系统, 实测耦合效率为55.9%。最后对耦合系统在不同温度下的耦合效率进行了测试, 在(20.4±2)℃的温度范围内耦合效率最低为45.7%, 并通过基于角锥棱镜的焦面位置等效验证方案验证了真空状态下的耦合效率与地面测试状态下的耦合效率一致。

为了减弱InGaN/GaN量子阱内的压电极化场, 在蓝紫光InGaN/GaN多量子阱激光器结构中采用了预应变InGaN插入层, 通过变温电致发光和高分辨X射线衍射测量研究了预应变插入层对量子阱晶体质量和发光特性的影响。实验结果显示, 常温下有预应变层的量子阱电致发光谱积分强度显著提高。模拟计算进一步表明, 预应变层对量子阱内压电极化场有调制效果, 有利于量子阱中的应力弛豫, 可以有效减弱量子限制斯塔克效应, 有助于提高量子阱的发光效率。

为了探索金刚线切割多晶硅片的表面制绒新技术, 采用常规酸制绒、添加剂酸制绒和酸蒸气制绒三种方法对金刚线切割多晶硅片表面进行制绒处理, 并用扫描电镜和光谱仪分析了三种制绒方法处理后多晶硅片的表面形貌和反射率比变化。结果表明, 酸蒸气制绒能够更加有效地去除线锯切割产生的平行纹, 降低表面反射率。通过调节蒸气源蒸发的温度, 可以有效改善多晶硅的表面形貌, 大幅降低入射光在多晶硅表面的反射率, 300~1100nm波长范围内多晶硅样品的最低平均反射率达11.6%, 有望用于制作高效多晶硅太阳电池。

提出了一种基于H形金属狭缝阵列的新型结构。利用该结构形成的法布里珀罗腔(FabryPerot, FP)来加强表面等离激元的耦合作用, 以获得一种双共振反射现象; 同时研究了基于该现象的折射率传感特性。采用时域有限差分法研究了该结构中狭缝长度、宽度、金膜厚度等参数对双共振反射现象的影响。研究发现, 双共振谷波长可由以上主要参数有效调控, 当竖直狭缝长度为150nm、水平狭缝长度为200nm、狭缝宽度为50nm、金膜厚度为300nm时, 该结构具有较好的双共振反射现象, 其灵敏度分别为590和1199nm/RIU。该发现为新一代高性能表面等离子共振传感器设计提供了理论参考。

利用负温度系数(NTC)热敏电阻和LTC2983模数转换芯片搭建了温度测量系统, 基于此系统提出了一种温度残差补偿热敏电阻经验公式的标定方法。实验结果表明, 多个热敏电阻的标定温度拟合残差绝对值小于0.10K, 基本能够满足科研及工程领域对热敏电阻检测精度的要求。该系统在黑龙江漠河北极村段进行了安装和采集实验, 通过温度数据获知了河流冰层变化的基本情况, 证实了所提热敏电阻标定方法具有实际应用价值。

采用磁控溅射和湿法涂布技术制备了一种ITO/Ag/AgNW结构的新型复合透明导电薄膜。研究其光学、电学等性能发现: ITO/Ag/AgNW薄膜在400~700nm的平均透过率高于ITO/Ag/ITO薄膜, 且方块电阻远小于ITO/Ag/ITO薄膜, 达到6.9Ω/□; 耐弯折性能测试后, 其方块电阻约增加62%, 达11.2Ω/□。研究结果表明, 这种新型的复合透明导电薄膜具有低阻、高透及耐弯折良好的特性, 在柔性显示领域具有一定的应用潜力。

采用溶胶凝胶旋涂法在FTO玻璃衬底上制备得到了不同Al掺杂浓度的ZnO薄膜(AZO)。利用XRD、FESEM、UVvis和PL等测试手段对样品结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明, 合成的AZO薄膜均为六方纤锌矿结构且峰强随掺杂浓度的升高而减弱; 同时, 颗粒形貌由不规则向规则球形转变且尺寸逐渐减小; PL谱中的近紫外发射峰和晶格缺陷峰值随掺杂浓度的升高先增大后降低; 由UVvis吸收光谱可知, AZO薄膜在设定波长内的光吸收处于波动状态, 且当Al掺杂浓度为3%时, 光吸收强度最高, 禁带宽度减小到3.12eV。

以硝酸镥、硝酸铝和硝酸铈为初始原料, 采用溶剂热均匀沉淀煅烧法合成了铈掺杂镥铝石榴石(Lu3Al5O12∶Ce, LuAG∶Ce)纳米粉体。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)、光致发光谱(PL)及荧光寿命等分析测试手段对所合成样品进行表征, 并计算了其CIE色坐标。结果表明, Ce3+的掺入并未改变LuAG基质的晶格结构, 且粉体结晶很好, 近球形, 颗粒尺寸约为20nm; 荧光光谱显示了Ce3+的5d→4f特征发射, CIE色坐标表明LuAG∶Ce荧光粉呈现出亮绿光; 荧光寿命曲线遵循单指数衰减, 其荧光寿命值为51ns。

分析了粒子碰撞噪声检测(PIND)中多余物碰撞的动量损失过程, 得到多余物碰撞次数或波形中尖峰数分布按概率与碰撞的弹性程度正相关的推测。制作试验样品并进行PIND试验, 对采集的波形按尖峰数进行分类对比, 结果表明, 在一定的样本空间下, 抵消掉多余物运动方向、碰撞角度等随机因素后, 推测成立, 且不受多余物质量、管壳腔内薄壁结构等因素的影响; 同时得出硬度高且不易变形多余物的τ值高于硬度低或易变形多余物τ值的规律, 据此可通过波形分析评估多余物的特性。

为了对光催化反应器的结构进行优化, 提高光催化反应器的效率和降低能耗, 获得影响紫外线光子利用率的主要因素及其之间的相互关系, 以通道截面为六边形的蜂窝结构单体为研究对象, 建立了紫外光辐射场模型, 运用高斯勒让德求积法对模型进行了求解。设计了光催化反应器实验系统和方法, 通过实验对模型进行了验证。模型分析和实验结果表明: 紫外线光子强度主要由通道纵横比和内壁反射率决定, 纵横比越小, 光子强度越大; 在一定范围内反射率越高, 光子强度越均匀; 单位面积内六边形通道数量对紫外线光子强度影响不大。

在微纳器件测试与计量标定领域, 很多问题都涉及到对微观台阶的高精度测量。白光干涉垂直扫描法具有非接触、精度高、速度快等优点, 基于此搭建了白光干涉微观检测系统。利用相移干涉理论, 解算出被测微观台阶的空间相对高度信息。通过中值滤波加间隔差分取极值的方法, 有效识别出台阶的左右两个边缘, 减小了脉冲等噪声带来的干扰。以C#语言编写了WPF形式的检测软件系统, 并对标准的微观台阶进行了多次实验。实验结果表明, 该方案测量的平均偏差稳定在2nm以内, 重复性精度优于0.5%。

为了提高星图识别算法的抗噪性能, 提出一种基于逆向传播(Back Propagation, BP)网络的识别算法。该算法通过将星图转换成“0”、“1”和“2”的网格矩阵, 提取行列数值和星数形成匹配向量, 利用多个BP识别子网进行训练完成匹配识别。通过仿真试验得出以下结论: 对星等位置和星等添加噪声, 当位置噪声标准偏差为2像素时, BP网络算法的识别率和识别时间相对传统栅格算法分别提高2%和60ms, 对噪声有较强抗干扰能力, 表明BP网络算法具有更快的识别速度。

针对高精度立体测绘任务对星相机的使用要求, 提出了一种基于光斑高斯拟合的星相机焦面定焦方法。首先, 搭建了基于星点靶标和平行光管的定焦系统, 通过移动靶标在中心和边缘视场获取多幅不同程度的离焦图像; 其次, 采用基于平方加权的质心定位算法计算各视场靶标点像的精确位置用于像面拟合; 然后, 采用Gibbs采样/马尔可夫蒙特卡洛法对每个光斑进行高斯曲面拟合, 获取星点的高斯半径, 通过对各视场的最佳焦面位置进行最小二乘拟合, 得到最佳像面。对上述定焦方法进行了试验验证, 结果表明星相机在各视场的能量集中度测量值与设计值符合, 星相机在轨拍摄的星点图像满足要求。

小型机器人传统视觉方法对环境适应性差。提出了一种基于双目超大视场红外相机的环境感知方法。利用大视场镜头高阶奇次多项式模型, 建立了超大视场红外双目立体成像的水平和垂直视差数字模型。以视差模型为基础建立超大视场红外双目视觉模型, 研究了超大视场红外双目系统立体视觉范围和阈值。搭建了视场为170°×128°的超大视场红外立体视觉系统, 分析了立体视觉范围及阈值应用于小型机器人视觉的可行性。同时, 针对照度不均、雾霾等条件下的场景开展超大视场红外双目立体视觉实验研究, 构建了双目图像标准视差图, 结果表明, 超大视场红外双目立体视觉系统对复杂场景具有良好的适应性, 基本能够满足小型机器人视觉系统需求。

激光线宽对光学相干探测系统的探测范围、精度和噪声特性都有重要影响。为精确测量半导体激光器的线宽值, 提出了通过解调短延时自外差的干涉谱来实现高精度窄激光线宽测量的新方法。搭建短延时的自外差干涉测量系统, 得到半导体激光器的干涉谱, 通过设计算法对干涉谱的相干包络进行解调, 最终获得了严格的洛伦兹线型谱和相应的谱线宽度, 通过理论分析、仿真和实验验证了该方法的可行性。该方法可以忽略因1/f频率噪声产生高斯展宽带来的影响, 与传统线宽测量方法相比, 该方法的测量结果更加精确。

PCR芯片作为即时检测技术的一种核心生化分析器件, 在疾病快速现场检测、便携式分析中有着广泛应用。温度快速精密控制对提高PCR芯片的扩增效率和准确性极为重要。相较于聚合物材料, 玻璃材料具备优良的生物兼容性、导热性和密封性。设计并制作了一种全玻璃结构的PCR芯片, 以PT100温度传感器和恒流源组成温度检测电路, 将温度值线性转换成电压值。采用STM32控制器作为核心处理器, 完成电压值的数字化采集。结合积分分离PID算法, 对加热电极和风扇施加驱动电流和控制电压, 实现对PCR芯片的快速精密温度控制。实验结果表明, 该PCR芯片可获得6℃/s的升温速率以及3℃/s的降温速率, 控温精度为0.4℃, 优于当前市场上大多数PCR仪的性能。生物扩增实验验证了PCR芯片DNA扩增的有效性。

基于55nm CMOS工艺, 设计了一种具有宽动态范围的2.5Gb/s光接收机模拟前端电路。作为光接收机的输入级电路, 为了获得低噪声和高灵敏度性能, 跨阻放大器(TIA)基于三级反相器级联结构, 同时采用双自动增益控制(DAGC)电路来扩大输入信号的动态范围。为了提高增益, 引入后置放大器, 包括电平转换电路和三级差分放大电路, 同时利用电容简并的方法来进一步拓展带宽, 最后进行缓冲器输出。测试结果表明, 在误码率为10-12的情况下, 光接收机的输入灵敏度为-26dBm, 过载光功率为3dBm, 动态范围达到29dBm。光接收机在3.3V供电电压下, 电流功耗为36mA, 整体芯片面积为1176μm×985μm。

针对激光器的相位噪声会严重影响相干光正交频分复用(COOFDM)系统的性能问题, 提出了一种将迫零算法与自消除算法相结合的新颖相位噪声补偿算法。该算法利用导频信息, 通过迫零算法将每个OFDM符号的相位噪声补偿到较小的范围内, 再通过自消除算法进一步补偿相位噪声。仿真结果表明, 与迫零算法相比, 该补偿算法不但能有效补偿相位噪声, 也能补偿部分加性高斯白噪声, 改善系统的误码性能, 降低系统对激光器线宽的要求。

针对星相机在轨因卫星运动和曝光时间设定的动态条件引起的星点模糊导致星点提取精度下降的问题, 提出一种动态星点坐标确定误差补偿方法, 利用在星相机光学系统入瞳前加入阶梯玻璃的手段实现了提高星相机摄星指向精度的目的。地面标定和在轨测试表明, 星相机指向精度优于1″, 验证了该方法的有效性, 具有一定的应用价值。

窄线宽半导体激光器日益广泛的应用对其驱动和温控电路提出了更高的要求。为获得窄线宽、稳定功率并实时可调的激光输出, 利用ATLWS200MA103驱动模块和TECA1系列温控模块搭建半导体激光器的驱动和温控电路, 对激光器输出的各项性能指标进行测试, 验证了在该驱动下, 激光器线宽可达到5kHz, 光功率稳定性达到0.1%。并利用波导谐振腔进行扫频实验, 得出驱动电流变化量与激光器中心频率变化量之间的关系表达式。

分布式光纤测温系统中不仅有白噪声干扰, 还有周期性噪声干扰, 而传统的采样累加平均方法仅能消除白噪声干扰。提出一种在采样累加过程中对采样周期内各点累加的方法, 判断和滤除采样周期内的周期性信号。测温实验结果表明, 通过在累加过程中设置判据消除周期性噪声, 分布式光纤测温系统的精度得到了大幅提高。