设计了一种Nd∶YAG平面波导皮秒激光放大器。光纤激光器提供重复频率可调的皮秒种子源，Nd∶YAG平面波导激光放大器采用后端抽运方式，其抽运源工作模式为连续模式。当种子光的重复频率为24.46 MHz、脉宽为11.7 ps、注入功率为0.48 W时，输出功率为228 W，单脉冲能量为9.3 μJ，光-光转换效率达到20.2%，导波方向和非导波方向的光束质量（M²）分别为1.4和4.6。当种子光的重复频率降低至25 kHz时，输出平均功率为24.2 W，单脉冲能量提升至0.97 mJ，单脉冲能量放大倍率为4.9×10⁴，表明放大系统具有较强的放大能力。根据理论计算，分析了进一步提高光-光转换效率和输出功率、抑制放大自发辐射（ASE）的方法。

针对目前手持拉曼的微型光谱仪的光谱范围较窄, 光谱分辨率较差, 体积较大等技术短板, 提出一种用于手持拉曼的宽谱段高分辨分光系统设计方法。在综合考虑安装调试及性能基础上, 创新性采用楔形柱面镜消除像散, 既保证了信号强度又便于机械安装。在约束不同波长经过光栅衍射后, 出射光束口径变化的前提下, 利用交叉式非对称Czerny-Turner光路结构的像差特性, 实现全谱范围内的慧差矫正。基于ZEMAX软件对光谱仪结构进行仿真和优化, 并完成了样机研制, 样机尺寸为72mm×43mm×62mm。采用氦-氖灯对其性能进行了测试, 结果表明: 分辨率优于6cm-1、拉曼光谱范围150~4000cm-1,验证了该微型光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。

由于棱镜具有色散不均匀的特点,中阶梯光栅光谱仪的二维谱图在长波波段不可避免地存在相邻衍射级次间相互干扰的情况。为了克服这一缺点,同时充分利用探测器像面,设计了一种小型分段式的中阶梯光栅光谱仪。通过对中阶梯光栅和棱镜色散原理的详细分析,确定了二者参数与探测器之间的关系,结合双缝间隔设计方法,采用双狭缝切换的方式,给出分段式中阶梯光栅光谱仪的设计方法。利用此方法将系统的波段范围165~800 nm分为165~230 nm和210~800 nm两部分,焦距设计为200 mm,分别采集双波段的二维谱图。使用光学设计软件对光学系统进行仿真,结果表明,200 nm处的实际光谱分辨率可达0.015 nm,满足设计指标的要求。

设计了一种新型高功率直接液冷固体薄片激光器,由数十至数百片透射薄片密集堆叠构成分布式增益系统,使特种激光冷却液在增益介质间的平板微流道内流动以实现薄片直接冷却,有效解决了传统高功率固体激光器中增益介质焊接于热沉引入的热致应力、焊接面变形等问题。对该激光器的腔内损耗、腔内像差等参数进行了优化设计。分析了影响光-光转换效率的关键因素,根据像差特点给出了光束质量控制方法。将20片薄片以特别角度密集堆叠构成增益模块,利用两个增益模块在稳腔和非稳腔中均实现了功率大于9 kW的准连续波(QCW)偏振激光输出,且这一实验室光源的体积小于0.4 m ³。

多路径效应对伪距测量的影响一直是制约卫星系统完好性监测的重要因素, 相位平滑伪距算法可以有效抑制多路径对伪距测量的影响。针对北斗卫星系统伪距测量易受多路径影响的特点, 提出一种改进的Hatch滤波算法。基于输出方差最小原则, 建立起滤波器参数θ与输出伪距方差的关系表达式, 通过对方差表达式求导, 选取了新的滤波器参数。实验证明, 改进的Hatch滤波提高了伪距测量精度, 减小了B值的偏差和波动范围, 提高了北斗卫星系统多基准一致性检测的能力。

为了提高成像光谱仪的光谱定标精度,降低定标过程的复杂度, 本文基于单色仪扫描定标法的原理,提出了交互光谱定标的思想,设计了适用于单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标系统。分别对单色仪与成像光谱仪进行了光谱定标实验,并对定标数据进行了处理分析。结果显示：单色仪光谱定标精度优于±0.1 nm;成像光谱仪的光谱区大于400~800 nm,光谱分辨率优于3 nm。该交互光谱定标系统避免了对单色仪和成像光谱仪分别定标需要两个探测器的弊端,定标过程中只需切换定标模式,简化了定标过程,能够同时保证单色仪与成像光谱仪的定标精度,具有复杂度低、通用性强、适用范围广及较高的定标精度等优点,可满足实际使用要求。

受探测器发展水平的限制, 以中阶梯光栅光谱仪为分光模块的ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)难以实现宽波段内多元素的同时测量。本文对现有中阶梯光栅光谱仪进行了改进, 设计出一种适用于ICP-AES多元素同时测量的分波段式中阶梯光栅光谱仪。通过改变棱镜的入射角度, 将系统波长扩展为200~900 nm, 光谱分辨率为25 000, 突破了现有探测器尺寸的限制, 实现了宽波段范围内的多元素快速测量。将中阶梯光栅光谱仪与固态ICP光源组合, 进行了系统波长标定与化学试样测试。实验结果表明: 波长测试误差小于0.01 nm, 满足化学元素精确判读要求; 分波段式中阶梯光栅光谱仪在保持原有仪器性能的前提下, 增宽了仪器的有效光谱探测范围, 为多元素的同时测量提供了有效手段。

为了进一步提高平面光栅衍射效率测试仪的测量精度, 分析了影响平面光栅衍射效率测量值的主要因素。根据平面光栅相对衍射效率测量原理, 提出光束截面因子的概念并推导出了平面光栅光束截面因子k(θ)的解析表达式。进一步分析了影响衍射效率测量值的因素(光谱宽度与光束截面因子), 并结合衍射效率测量值定义了两个用于回归分析的自变量。针对作为因变量的理论值与所定义自变量之间存在的非线性关系, 提出了采用二次完全式回归分析的数学方法, 进而建立了提高衍射效率测量精度的修正公式。结果表明: 对平面光栅衍射效率测量值进行修正后, 修正值与理论值之间的误差可控制在±0.5%以内, 提高了衍射效率的测量精度, 改进了衍射效率测试仪的整机性能。

为了提高高光谱图像空间维的图像分辨力, 针对航空遥感器成像时由前向像移造成的图像模糊提出了像移补偿方法。分析了航空遥感器前向像移造成图像模糊的退化机制, 对运动模糊图像进行了预处理; 估计了点扩散函数和噪声功率, 使用改进的维纳滤波算法对图像进行复原并以绝对平均误差、峰值信噪比作为评价标准进行了实验。在估计出模糊图像点扩散函数和噪声功率的情况下得到的结果显示: 与传统的维纳滤波复原算法相比, 改进的维纳滤波复原算法的图像绝对平均误差降低了931%, 峰值信噪比提高了1398%, 表明提出的算法能够有效改善高光谱图像的像质。

通过仪器获得的凹面光栅的衍射效率是相对值, 其测量值的精度受测量过程和补偿方法的影响。 为使效率测量值的测量精度得到进一步提高, 有必要对测量值产生影响的主要因素进行深入研究。 该文进一步考察了影响衍射效率测量精度的主要因素, 针对待测凹面光栅根据待测波长的测试要求进行旋转造成光束截面变化而产生的问题, 适当补充原理性方案, 并在此基础上推导出了适用于凹面光栅的光束截面变化因子k(θ)的解析表达式。 基于影响测量精度因素与理论值之间的非线性关系, 提出采用二次非线性回归分析的方法对测量结果进行补偿, 给出了提高衍射效率测量精度的补偿公式。 实验结果表明, 对光栅衍射效率的测量值进行进一步补偿后, 使得补偿值与理论值之间的整体误差范围由±2.5%缩小为±0.3%以内, 与线性回归分析方法相比, 显著缩小了补偿值与理论值之间的差距, 进一步保证了衍射效率的准确测量。 将补偿过程嵌入测量程序, 该方法能够实时补偿测量结果, 满足仪器准确测量的要求。