冰晶是云滴谱的重要组成部分，其对全球辐射收支平衡、全球气候变化、水文循环、人工影响天气作业等具有重要的影响。目前2~100 μm的冰晶与液滴混合相态难以区分，且存在难以提供冰晶微物理参数的瓶颈问题。针对这两个问题，本文基于数字全息理论，利用全域数字图像融合方法、局部亮度梯度方差法和旋转卡壳法，结合固液相粒子圆度概念，实现了云中液滴和冰晶的混合相态识别，在特定圆度阈值下，液滴和冰晶的识别率大于93%；再结合光学图像识别技术，获得冰晶粒子的面积、周长、凸包和最小外接矩形数据；最终利用上述数据获得了冰晶微物理参数。通过在低温云室中的观测实验，获取了板状、枝状和六角冰晶的微物理参数，该方法解决了冰晶观测中的瓶颈问题。此外，通过冰晶采样间隔时间和不同时刻的质心三维坐标和等效直径，还可获得冰晶粒子的三维运动速度与轨迹。该方法对提升数值天气预报精确度，以及人工影响天气作业具有重大意义。

为了研究云滴谱的离散度与云微物理参量之间的相关性,提出了基于现场可编程门阵列的短脉冲调制激光、高分辨率显微光学系统和同轴数字全息干涉术相融合的观测技术,该技术探测云滴粒子的最小尺寸为2 μm,还可以获得完整的云滴谱谱宽数据。在膨胀云室中连续三天的不同气溶胶数浓度下,开展了生消过程中云滴粒子的三维位置与直径的观测,利用观测结果计算了云微物理参量。进一步分析了云滴谱的离散度与云微物理参量在生成与消散过程中的正相关关系。通过比对不同气溶胶数浓度条件下云滴谱离散度的分布情况,得到了随着云滴数浓度的增多,离散度的取值范围会逐渐减小,且离散度相对拟合线的离散性降低的结论。

为改善钛合金（TC4）零部件硬度低、耐磨性差等缺陷，利用激光熔覆技术在TC4表面制备碳化硼/钴基合金（B4C/Cobalt-based）复合涂层。通过有限元法对复合涂层的温度场进行数值模拟，结合复合涂层的表面形貌和显微硬度分析，研究激光功率对单道激光熔覆B4C/Cobalt-based复合涂层的影响。结果表明：随着激光功率的升高，熔池峰值温度升高，热影响区增大，熔池深度增加，宽度几乎无变化；当激光功率为1 600 W时，复合涂层的显微硬度达到最高值，为618.7 HV（2 N加载力），相较于TC4基底提升了79.2%，结合仿真和试验结果揭示了B4C的增强机理。

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一。本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红外吸收光谱仪以及原子力显微镜等对其进行了光学表征。采用自主搭建的高重复频率、窄脉宽飞秒Z扫描系统,重点研究了上述异质结薄膜在800 nm处的非线性光学特性,得到了其三阶非线性极化率虚部、品质因数等重要的非线性光学参数。结果表明:异质结的成功构建使得材料的非线性光学响应显著增强,超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜的品质因数是纯二硫化铼薄膜的3.5倍,纯石墨烯的1.6倍;超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜具有最高的反饱和吸收特性,其品质因数相较于粉末混合、离心后混合的异质结薄膜分别提高了44%和27%。本文为范德瓦耳斯异质结的制备提供了新思路,同时也为飞秒光限幅器件的研究打下了理论基础。

为满足瑞利高光谱激光雷达对脉冲激光发射单元频率稳定性的需求,提出基于分子吸收的脉冲激光锁频方法。基于碘分子吸收光谱原理,采用GHz量级峰值保持电路、比例积分微分(PID)(proportional integration differential控制算法和精度为±0.02 K的控温系统,构建一套脉冲激光锁频系统。首先,利用BBO(β-BaB2O4)晶体倍频的532 nm连续激光测量精确温控的碘分子吸收池,获得其1109线在不同温度下的吸收光谱,进而确定了鉴频曲线;其次,利用鉴频曲线的拟合方程获得通过碘分子吸收池后脉冲激光能量变化与频移量之间的定量关系及测量灵敏度;最后,利用PID控制算法对比频率设定值与频移量之间的差异,将该差异以电压形式反馈于种子激光器,通过种子激光器的频率改变补偿脉冲激光的频率漂移,继而实现脉冲激光的动态锁频。实验结果表明:在25 min内脉冲激光的频移小于±2.2 MHz,瑞利高光谱激光雷达测风误差小于±0.6 m/s,测温误差小于±0.5 K。