针对合成波长方法动态范围较小的问题，提出一种用于相敏谱域光学相干层析（PSSD-OCT）的大动态范围合成波长相位解包裹方法，解决了传统合成波长方法的相位包裹限制问题，实现了大动态范围、快速及高灵敏度的PSSD-OCT成像。通过选取全长度干涉光谱和位于光谱仪中间的半长度干涉光谱，计算合成相位缺失的周期数；利用全长度干涉光谱及半长度干涉光谱解调结果的分段组合，消除易受噪声影响的相位周期数±1跳变问题。通过阶差规、硬币及电路板的成像实验，证明该方法可以用于大动态范围（毫米级）的高灵敏度位移解调。

基于Collins公式推导了扭曲椭圆高斯谢尔模光束在经过高斯吸收型障碍物后传输的场分布解析表达式，得到了一种有效增强光束自修复能力的基础扭曲光束模型，分析了光源各参数对光束自修复特性的影响，揭示了光束强度、相干度和轨道角动量通量密度在被障碍物部分遮挡后传输的规律以及三者之间的内在联系，解释了扭曲光束自修复特性的内在原理。研究表明，适当减小相干长度和扭曲因子可以在保留扭曲光束特性的同时增强光束的自修复能力。该研究结论有助于优化部分相干光在自由空间传输的整体性能，在自由空间光通信、激光雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。

相干激光通信具有高速率及传输距离长等优势，在星间激光通信中占有重要的地位。相干光通信系统充分利用了光的强度、相位、频率和偏振等信息，不仅能提高频带利用的效率，同时还能够延长光通信中继距离。四相相移键控（QPSK）调制与解调作为一种多进制调制方式，可以大幅度地提升频谱资源的利用率。本文针对相干光激光通信的QPSK调制与解调响应速率的问题，提出了一种改进型的科斯塔斯（Costas）环，实验验证了完整的QPSK调制与解调系统，同时验证了改进型Costas环的性能可行性。

激光散斑是阻碍激光投影显示技术发展的一大瓶颈。基于复合散斑衬比度分析法，对影响激光投影系统中复合散斑衬比度的参数进行了分析，即统计独立散斑图样个数N和探测器成像镜头在投影屏幕上的分辨基元面积内的散射光波的相干面元的数量M。可通过调节投影镜头和成像镜头的数值孔径、投影距离及观测距离等参数改变N和M，从而达到改善激光投影系统中散斑现象的目的。并在简化的投影系统中，就随机相位片上照射光斑面积、照明系统数值孔径对激光投影成像中散斑衬比度的影响进行了系统实验分析。实验结果表明，在投影镜头尺寸一定的基础上，适当增加照射在随机相位片上光斑的面积，可有效降低散射屏幕上二次散斑图样的衬比度，且投影镜头数值孔径的减小会增加散斑现象，这为激光投影系统的小型化提出了一大挑战。该结论可为以旋转随机相位片抑制激光投影成像中的散斑提供系统设计指导。

近年来，携带扭曲相位的部分相干光束因其独特的性质受到广泛关注。引入一种同时携带扭曲相位和具有特殊空间关联结构的部分相干矢量光束，即径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束，推导了该光束通过ABCD光学系统后的交叉光谱密度矩阵元解析表达式，并研究了它的归一化光强分布、光谱相干度和光谱偏振度的演化特性。研究结果表明，当无扭曲相位时，径向偏振矩形多高斯-谢尔模光束的光强由源平面的空心圆环轮廓逐渐演变成矩形平顶轮廓。相较而言，径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束所携带的扭曲相位不仅会引起光束光斑的旋转，还会引起传播过程中光束的相干度和偏振度的一系列变化。该研究结果为扭曲相位实现新型矢量结构光束的调控提供一定的理论指导，在光束整形、光学微操纵和自由空间光通信等领域有着潜在的应用。

合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。

量子图像传感器(QIS)在不同的过采样位深下信息冗余程度和动态范围(DR)不同,对于读出电路的要求也不同。研究了QIS成像过程中引入的读噪声,优化了QIS成像的数学模型。在动态范围和失调容限的约束下,得到了子像素过采样的最优位深。仿真结果表明,当QIS的成像位深为12 bit、等效满阱容量为4095 electron时,子像素过采样的最佳比特位深是3,为保证区间误码率小于千分之一,读出电路失调应低于0.22 electron。根据采样策略,设计了一种基于复用结构的flash型低噪声读出电路。相对于传统flash型模数变换器(ADC),所提ADC比较器的个数减少了4个,采样频率为10 MSa/s时,功耗降低了17.5%;采样频率为1 MSa/s时,ADC的功耗为116 nW,ADC的失调为0.196 electron。

本文推导径向偏振部分相干扭曲光束（RPPCTB）在各向异性大气湍流中传输因子和空间扩展的解析表达式，主要分析扭曲因子等光束参数及各向异性因子等大气湍流参数对光束传输特性的影响，通过相应的数值模拟计算分析初始相干长度、束腰宽度、波长、扭曲因子、各向异性因子、湍流内尺度、湍流外尺度和广义指数参数对光束传输质量的影响。仿真结果表明，通过减小光束的初始相干长度，增加束腰宽度和波长，可以提高光束的传输质量，而增大光束的扭曲因子，光束有更小的传输因子，这表明通过合理地调控光束的扭曲相位，可以有效提高光束的抗湍流能力。

为分析粗糙表面参数对激光散斑统计特性的影响规律,需研究激光散斑与目标材料间的映射关系。通过计算机模拟了具有不同均方根粗糙度、相关长度、偏度、峰度特性组合的随机粗糙表面,并基于激光散斑场的理论模型对由这些随机表面生成的激光散斑图案进行了分析与处理。结果表明,各项表面特征参数均会对激光散斑场统计特性产生影响,且不同表面参数组合下形成的激光散斑场表现出了极大的特异性。因此,所研究的激光散斑统计特征或可作为区分材料表面的有效信息在未来加以利用。

高浓度的CO₂会对H₂S的检测精度产生较大影响。本文提出了一种基于光纤放大增强型光声光谱的H₂S与CO₂检测技术方案,采用单个分布反馈式激光器串联高功率掺铒光纤放大器作为光声激励光源,实现了对H₂S与CO₂的同时高精度检测。分析了CO₂在所选H₂S吸收线处对H₂S检测产生的干扰,同时利用检测到的CO₂浓度对测量的H₂S浓度进行修正。实验结果表明,修正后的H₂S浓度偏差保持在-5%~5%以内。使用Allan方差分析对系统的检测极限进行了计算,当积分时间为1 s时,该系统对H₂S和CO₂的检测极限分别为656.3×10 ^-9和25.2×10 ^-6;当积分时间为100 s时,系统对H₂S和CO₂的检测极限分别为61×10 ^-9和2.6 ×10 ^-6。计算得到的对H₂S检测的归一化噪声等效吸收系数为5.5×10 ^-9 cm ^-1·W·Hz ^-1/2。本系统具有检测精度高和稳定性好的优点。