长波红外量子级联激光器（QCL）具有波长设计灵活、体积小、寿命长等优点。目前单横模QCL较低的输出功率（1~3 W）是限制其应用的主要因素。光纤功率合束技术是提升输出功率的有效手段。然而由于长波红外波段缺少低传输损耗的玻璃光纤，使得高效率长波红外光纤功率合束的实现难度很大。本文研究了基于低损耗单模空芯光纤的长波红外激光功率合束技术。针对基横模长波红外QCL有源区尺寸大、发散角大的特点，设计了大数值孔径扩展光源双非球面准直镜，有效提高了单模光纤耦合效率。设计制备了无端面损耗的长波红外单模光纤束，光纤传输效率高达91.2%，实现了7.6~7.8 μm波段QCL的高效率合束。当4个长波红外QCL的输出总功率为2.27 W时，采用所设计的光纤耦合光学系统及制备的4×1单模空芯光纤合束器获得了1.5 W的连续输出，总合束效率为66%。此外，测量得到单根单模长波红外光纤耦合输出光的光束质量因子M²为1.2，光强分布和光束质量因子均优于QCL的直接输出激光，说明空芯单模光纤具有一定的非高斯光束模式净化作用。合束光束的传输质量因子为2.6，依然具有较好的光束质量。本文所研究的光纤合束方式对QCL的输出波长、偏振态均不敏感，且具有良好的可扩展性。实验结果表明，此方式可有效解决长波红外QCL单元器件输出功率偏低的问题。

结构色在光学伪装等领域具有重要的应用前景，但其存在严重的角度依赖性。提出利用随机微扰表面降低反射光谱角度依赖性的方法；研究了不同微扰特征的粗糙表面结构在不同入射角下的反射光谱；通过有限元法计算了横电波、横磁波的反射光谱特性和能量传播特性，并据此获得了等效自然光的反射光谱和角度依赖规律。分析发现在0°~40°入射角度范围内，平整表面结构的反射光谱峰值移动了34.0 nm，随机微扰表面结构的反射光谱峰值仅移动了10.0 nm，角度依赖特性降低了70.6%，结果表明微扰表面结构对于降低角度依赖性具有显著作用。

为了实现高效的太阳光泵浦系统,有必要设计一种兼具低热冲击和高聚光量的泵浦腔。利用TracePro软件建立菲涅耳透镜、瓶形泵浦腔二级系统,通过优化确定了最佳入窗口径、入窗位置、出窗口径、瓶腰直径、瓶腰位置、晶体棒长。通过理论计算得出了长度为60 mm晶体棒的泵浦阈值功率为4.568 W/m ²,最佳系统结构的输出功率为18.21 W,热透镜焦距为31.0 cm。在与锥形腔的比较中计算得出两种腔形下晶体棒的轴向温度分布曲线,通过对比表明,瓶形腔在减少热冲击和提高抽运光均匀性上具有明显的优势。本文的优化设计为后续实验提供了新思路。

基于铁电材料的介电可调特性,提出一种新颖的基于黑色层纳米薄膜的可重构可见光滤波器,并比较了它与一维光子晶体滤波器反射光谱的可重构特性。实验结果表明,利用黑色层吸收非相干散射光可显著提高反射颜色对比度。当钛酸钡(BTO)薄膜的厚度从100 nm变为140 nm时,反射光谱的峰值波长由383.7 nm移动至501.2 nm,纳米薄膜的反射颜色从紫色变为蓝绿色。反射光谱的测试结果与有限元的模拟结果一致性良好。计算结果表明,当BTO薄膜的厚度为170 nm时,在21.8 V直流驱动电压下,其折射率由2.4变化至2.0,反射峰值波长由595.3 nm移动至513.9 nm。

基于三维场景构建和激光散射原理的激光雷达回波场景生成,可被用于模拟真实场景的激光回波特性,是激光阵列探测器性能测试的重要手段。为了高效地生成具有高仿真精度的动态场景,构建了由激光回波场景仿真相似度和场景计算耗时组成的采纳度并将其作为评价函数,实现了对激光回波场景空间网格划分数的优化。针对阵列单元为128×128的面阵探测器,利用所提方法对材质不同、距离不同的两种实验场景的激光回波的空间网格划分数进行了优化。当探测器单像元细分数为3×3,空间网格总划分数为384×384×L(L为距离精度决定的细分数)时,采纳度达到最大值。每帧场景的平均生成耗时均小于8 ms,实现了帧频为125 Hz的高帧频、高逼真度的动态场景生成。理论及实验结果均表明,在计算资源有限的情况下,所提方法可实现生成回波场景相似度和计算资源消耗间的平衡,是一种实用的三维激光回波场景生成优化方法。

空间红外探测设备的地面实验中,需要利用红外场景模拟器在实验室条件下生成模拟空间目标红外特征的红外图像,并通过投影光学系统将红外图像投影到待测设备上。因此,设计了一种可在100~300 K温度范围内工作的投影光学系统。该系统采用同轴卡塞格林结构,工作波段为3.7~5.5 μm,焦距为638 mm,视场为3.4°×3.4°,出瞳直径为102 mm,出瞳距离为660 mm。利用Zenike多项式对镜面的热致形变数据进行了拟合,利用ZEMAX软件对系统的成像质量进行了评价。仿真结果表明,该投影系统在不同温度下的调制传递函数均达到了设计要求,且该投影系统已成功应用于某空间红外探测设备的地面低温实验中。

超快成像技术可用于研究爆炸、高压放电等超快现象,其中,全光分幅成像技术可克服光电转换的时间限制,具有很大的发展前景。利用衍射光学元件和窄带滤波片搭建了全光空间分幅成像系统,成功实现阵列分幅成像,并分析了不同波段的成像效果。实验结果表明,所设计的全光空间分幅成像系统,可在不同波段内实现4×4阵列的16分幅成像;且图像幅间的非均匀性相对标准偏差为7.4%,幅内非均匀性均值为2.83%,全光分幅成像系统在分辨率为35 lp/mm时的调制传递函数为0.991。

模拟了调制脉冲激光雷达在水下的探测信号,利用快速独立元分析方法(FastICA)的迭代算法将探测信号中的目标与后向散射信号分离,恢复出浑浊水域被强后向散射淹没的弱目标反射回波信号,极大地提升了信噪比。将解调信号设置为调制频率及三倍调制频率余弦函数之和,目标回波信号只需一次相干解调即可获得,其峰值位置与目标和探测器之间的延时相对应。经过独立元分析方法(ICA)迭代分离后,水下激光探测距离可以提高4~5个衰减长度。