自旋角动量是基本粒子和场的一个基本的动力学物理量，它在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中，光的自旋角动量与圆极化密切相关，通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用产生了许多新颖有趣的光学现象和光学应用，并诞生了自旋光学这一新兴学科。过去的研究中，研究人员主要聚焦在与平均波矢方向平行的纵向光学自旋。近年来，科研人员通过研究限制场如聚焦波、导波和倏逝波等的自旋轨道耦合性质，发现了一类新型的光学自旋，这类自旋与平均波矢方向垂直，因此被称为光学横向自旋。横向自旋具有自旋动量绑定的性质，一经发现便受到研究人员的广泛关注。横向自旋的发现拓展了光学自旋轨道相互作用的内容，并在光学操纵、光学精密检测、手性量子光学和光学自旋拓扑态等领域具有广阔的应用前景。本文从理论、实验技术和应用3个方面详细介绍自旋光学的最新进展。自旋光学的理论概念和框架可为研究人员进一步开拓基于光学自旋在光学成像、光学探测、光通信和量子技术等领域的应用发挥巨大的作用，同时也可拓展到一般经典波场，比如流体波、声波和引力波等。

应用激光雷达技术探测近地面大气无组织颗粒物具有重要的理论和应用价值。 将激光雷达技术应用于探测城市建筑工地扬尘，利用建筑外墙进行激光雷达信号的相对标定，然后根据激光雷达方程求解沿光学路径的扬尘颗粒物消光系数，通过程控扫描台获取多条路径上的消光系数分布，并结合质量消光效率因子得到二维质量浓度分布情况。结果表明，基于扫描平台的微脉冲雷达系统可以快速获取建筑扬尘二维分布和随时间变化情况，结合粒径谱和风速风向信息进一步得到重型车和小型施工车辆的PM10 排放因子分别为8.99×103 g/km和1.75×103 g/km； 重型车和小型施工车辆的PM2.5排放因子分别为4.57×102 g/km和8.91×101 g/km。该方法为城市扬尘快速实时监测提供了一种新思路。

通过对分布式相位板和光谱色散匀滑技术联用的模拟计算，分析了联用实验中焦斑的变化，论证了非设计采样点光强的不可控性对焦斑匀滑质量的损害。模拟结果证实了光谱色散匀滑技术对色散方向上的焦斑均匀性的改善，焦斑不均匀性由58.30%降为19.50%。通过分析焦斑不均匀性与光谱色散匀滑积分时间的关系，发现5~6个光谱色散匀滑调制周期时得到最优匀滑效果。对焦斑频谱的分析显示，光谱色散匀滑技术可以有效抑制由非设计采样点光强引入的高频成分，26.3 μm内的光强调制被平滑，同时很好地保持了由分布式相位板决定的焦斑低频包络，在实验与模拟中均得到很好验证。为进一步的分布式相位板与光谱色散匀滑技术联用设计提供了理论依据。

利用扫描长程DOAS(差分吸收光谱技术)系统结合气象高塔于2009年7月28日至8月13日开展了测量大气污染物廓线的外场实验, 对北京市大气中的SO2, NO2, O3, HCHO, HONO五种痕量气体进行实时监测, 获得了HCHO等污染物的浓度时间序列及垂直梯度时间序列。 通过分析HCHO气体的垂直分布频率特征, 并结合其他气体及气象数据讨论了大气中HCHO主要来源问题, 监测站点附近大气HCHO的来源中交通排放的一次来源占了很大的比重, 而光化学反应产生的二次来源在每天的特定时段(中午左右的几个小时)对环境HCHO的浓度有较大的贡献。

介绍了一种基于被动差分光学吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术探测城市上空污染气体分布的光学遥测方法。 采用安装在汽车上的被动DOAS系统对所测城区进行连续测量, 通过DOAS拟合方法处理采集的太阳散射光谱, 获得测量点上的污染气体柱密度。 同时利用此车载DOAS技术对深圳城区进行了连续六天的观测实验, 得到了深圳市上空SO2, NO2的空间分布信息。 从观测结果发现, 深圳市西边的污染较东边严重, SO2西边浓度均值约是东边的2.0倍, NO2约为3.6倍。 并把在坝光点测量的车载DOAS结果与此站点的点式仪器测量结果对比, 两种仪器的测量结果具有相关性, SO2的相关系数R2=0.86, NO2的相关系数R2=0.57。 实验结果表明车载DOAS的光学遥测方法为城市污染气体分布快速测量提供了一种有效的手段。

NO3自由基在夜间大气环境化学中有重要作用。以月亮直射光作为光源，使用CCD光栅光谱仪采集合肥地区的直射月光谱，并结合自动寻星赤道仪对月亮进行跟踪。应用被动差分吸收光谱技术探测夜间大气中NO3自由基柱含量。分析了影响光谱反演的主要因素，并采用逐线积分方法计算了特定水汽含量和温度条件下的水汽吸收截面参与反演，减少了水汽对NO3自由基反演的干扰。使用大气质量因子将斜柱浓度转换成了垂直柱浓度，最终得到合肥地区实验期间NO3自由基垂直柱浓度不高于1.7×1014 molecule/cm2，接近黎明时，探测到大气中NO3自由基的柱浓度迅速下降。

HCHO是城市大气污染物中的重要组分。采用多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)于2008年夏季对北京上空对流 层HCHO斜柱浓度进行了测量,研究了HCHO差分吸收光谱处理算法,考虑了温度和I0效应对气体吸收截 面的影响,并对大气Ring效应进行了校正。采用几何近似的方法计算了对流层大气质量因子,并将 HCHO斜柱浓度转换成垂直柱浓度,得到了实验期间对流层HCHO的垂直柱浓度时间序列,并且HCHO垂 直柱浓度早晚比较低,约在中午最高。MAX-DOAS HCHO垂直柱浓度与GOME-2卫星和SCIAMACHY卫星结果具有较好的相关性。

提出了一种基于双透镜系统的衍射光学元件(DOE)设计方法。在双透镜系统中,光束的传输和聚焦需要用两次菲涅耳衍射来表示,为了加快计算速度,将菲涅耳公式转化为包含快速傅里叶变换的形式来使传统的迭代算法满足不同的设计环境需求。用此设计方法,在理论上得到了超过90%的衍射效率,并对由此方法设计出的元件进行了加工制作和实验测试,测试结果显示,达到了预期的光束整形效果,对于更加复杂系统的DOE设计有一定的参考价值,对高功率激光系统可能存在潜在功用。

利用长程差分吸收光谱技术于2008年10月15日至11月19日对珠三角地区江门市大气中的HCHO、O3、NO2等污染物 进行了实时监测,结合气象数据,分析了江门地区主要污染物HCHO、O3、NO2的日变化特征;同时,对江门 市的主要污染来源进行了分析。对比了HCHO和其他各类污染物浓度数据的相关性分析及变化趋势,结果表明江门 地区的HCHO主要来源于二次污染。利用多元线性回归分析,进一步证明了该结论。

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。