在保温领域中, SiO2气凝胶以其突出的性能而备受关注, 但有机硅源的制备成本高,限制了其推广和应用。为了降低生产成本, 研究人员将目光投向了无机硅源, 但无机硅源制备SiO2气凝胶时需要进行繁琐的溶剂置换。为解决溶剂置换的弊端, 本文以煤矸石为原料, 采用新型的液-液溶剂置换法并联合低温活化法来制备超疏水SiO2气凝胶。研究表明, 当活化温度为200 ℃、矸酸比为1.0∶1.0(固体质量和液体体积之比)、滤渣与NaOH溶液比值为1.0∶1.0(固体质量和液体体积之比)时活化条件最佳, 制备的SiO2气凝胶具有独特的三维网络结构、高比表面积(687.7 m2/g)、超疏水性(161.9°)和低密度(0.034 g/cm3)。此方法为无机硅源制备SiO2气凝胶提供了新思路, 并显著降低了制备SiO2气凝胶的成本。

激光反射层析成像技术作为一种新型远距离、高精度的空间目标探测方法，在信噪比足够时具有成像分辨率与探测距离、接收口径相对无关的优势，在远距离空间探测领域的应用前景非常广阔，使得作为激光反射层析成像核心的成像优化方法更是成为了众多研究者关注的焦点。本文提出了一种基于波形分解方法的激光反射层析成像优化方法，该方法旨在通过波形分解方法抑制激光反射层析成像重构图像中的伪影和噪声，实现对激光反射层析成像结果的优化。实验结果表明，在使用同一组投影数据的情况下，优化前后的峰值信噪比分别为16.5和17.8，基于波形分解的激光反射层析成像优化方法能够有效提升重构图像的质量，并能够较好地消除重构图像中绝大部分环状伪影和噪声所带来的影响。

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中，将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统，能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数，提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应，以及光子符合计数原理，本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能，利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标，结果表明，双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加，两种计数模式的信噪比能够相差2~3 dB。针对该方法，又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明，随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大，系统信噪比先增大后减小，在k_L=3附近时达到最大；背景噪声越大，饱和信号光子数越大，饱和信噪比越低；探测时长越长，饱和信噪比提高幅度越大；而在探测带宽之内，中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能，为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。

变速运动目标的中频信号特征频谱具有连续集中的多频分量，且具有一定的多普勒展宽，在背景噪声和暗计数的影响下，光子回波外差信号的信噪比较低时，使用传统的信号处理方法得到的中频信号频谱以及时频分析特性效果较差。为提高信噪比，本文提出了将稀疏度自适应压缩感知和密度聚类相结合的信号处理方法，并采用该方法对变速目标的光子回波外差信号进行处理。该信号处理方法解决了变速目标频谱稀疏度K无法提前确定的问题，而且只需要较少的观测数据就可以重构信噪比较高的中频频谱。此外，该方法结合密度聚类算法对中频频谱进行了第二重去噪，大幅度减少了噪声分量。研究结果表明，该信号处理方法能够将信噪比提高一定幅度且多普勒展宽精度误差在10%以内，可以得到较为完整的重构中频信号频谱，同时较好地解决了信号时频分辨率较差的问题以及单光子探测等间隔时间序列造成的时频图中的倍频现象，得到了更好的时频特性描述。

激光反射层析成像技术作为实现空间目标远距离、高精度探测的有效途径之一，其成像质量的优劣对目标的探测精度有着很大的影响。将调制传递函数引入到激光反射层析成像质量评价中，通过求解激光反射层析成像系统的调制传递函数，得到变量为距离分辨率的调制传递函数曲线，在无需先验图像的情况下实现了对激光反射层析成像质量的定量评价，并搭建实验系统进行了验证。实验结果表明，基于调制传递函数曲线得到的距离分辨率与实验系统距离分辨率的理论计算值基本一致，该评价方法能够准确直观地描述激光反射层析成像质量。

煤矸石作为固体废弃物虽然被用作发电燃料、煤矿填料与建筑材料，但其利用率仍然不高，如何提高煤矸石的高值化利用率成为了目前研究的热点。本文以山西煤矸石为原料，采用一步酸溶和溶胶-凝胶法，并经过常压干燥得到了Al2O3-SiO2气凝胶粉体。在溶剂置换与改性过程中引入超声波，研究了其对气凝胶的制备与性能的影响。采用BET、XRD、SEM、FT-IR、TG-DSC及接触角测试对所得Al2O3-SiO2气凝胶粉体的结构与性能进行表征。结果表明，超声波的引入加快了反应速率，缩短了气凝胶的制备周期，所制备的Al2O3-SiO2气凝胶是一种具有纳米三维网络结构的介孔材料，堆积密度低至0.120 g/cm3，比表面积为635 m2/g，高温下收缩性小于传统水玻璃制备的SiO2气凝胶，并具有较好的疏水性。

现有的辐射降温器件不具有自适应性,即只能降温不能升温。为了实现升温和降温的双重功能,并且能够随环境温度改变而自动切换,本文聚焦于一种基于二氧化钒的自适应温度调控器,系统地讨论其光热调控原理、技术瓶颈和实现途径。利用传输矩阵和遗传算法相结合的方法,设计和优化由谐振腔和滤波器集成的多层结构,获得太阳吸收比为0.1、高温发射率为0.76和发射率差值为0.7的优异光热调控性能。在此基础上,根据实际环境预测该优化结构的实时温度响应,从理论验证其自适应温度调控功能。该研究为基于二氧化钒的自适应温度调控提供一种可供选择的解决方案,为智能热控的技术发展提供了相应技术储备。

二维半导体具有独特的二维材料属性、新奇的谷电子能带结构和丰富的调控自由度,为凝聚态物理、光学等领域的研究带来了机遇。然而,这些研究依然存在许多根本问题,例如光的利用效率低、量子特性易受环境扰动等。将二维半导体和精密微纳光腔进行耦合不仅为这些问题的解决提供了合适的方案,还展现了前所未有的新颖光学效应,从而为二维半导体的基础物理研究和光电应用开拓了新的研究方向。对近10年来微纳光腔中二维半导体中的光与物质耦合的研究进展进行梳理,重点讨论了二维半导体的光学特性,以及二维半导体与微纳光腔的不同耦合区域的研究进展、调控机制及其在纳米激光光源、谷电子学、量子光学等方面的潜在应用,并对未来的发展方向和机遇进行展望。

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。