研究光腔内导引光的往返振荡物理过程与传播特性有助于理解、判断光腔的准直失调状态。离轴非稳腔作为一种兼具高提取效率与高光束质量的混合非稳腔，调腔导引光在离轴非稳腔中的振荡物理过程研究鲜有报道。通过理论计算与实验研究了导引光在离轴非稳腔内的多光束干涉过程及其远场传播特征，在实验中搭建了离轴非稳腔（X方向为平凹稳定腔，Y方向为共焦非稳腔）导引光研究装置，通过凹球面镜小孔注入波长为632.8 nm的基模高斯光束，开展了光腔准直与导引光远场图样研究，实验结果与计算结果吻合较好。计算与实验结果表明：离轴非稳腔的干涉图样与传统共焦非稳腔/稳定腔不同，调腔导引光在腔镜小孔注入处出现椭圆“水滴”状干涉图样，该图样亮度较高，可以用于判断光腔的准直状态。输出导引光的远场光斑在Y方向上是不同振荡阶次的亮核光斑，其中高阶次亮核光斑可用于指示红外激光的远场光斑位置。

设计了一种改进的电平移位电路。该电路采用交叉耦合结构, 在不明显增加电路复杂度的情况下, 显著提高了高压栅极驱动集成电路(HVIC)的噪声免疫能力。整个驱动器基于035 μm 600 V BCD工艺设计。仿真结果表明, 设计的HVIC可以实现高达125 V/ns的dV/dt噪声免疫能力, 并在15 V电源电压下允许VS负电压过冲达到-96 V。此外, 从理论上分析了改进电平移位电路的本级传输延时。同传统HVIC相比, 设计的HVIC整体的传输延时得到了优化, 降低到54 ns左右。

基于惠更斯-菲涅耳衍射理论进行数值计算,发现柱面望远镜整形系统的柱面镜旋转失调不仅会导致平行光束远场焦斑旋转倾斜,还会导致其在倾斜方向上出现拉长、离焦现象,该像差来源于柱面镜旋转导致的像散与离焦的叠加,上述结果说明远场焦斑的离焦也可以出现在旋转失调的柱面镜整形系统中。此外,定量给出包含激光中心波长、整形光束尺寸、柱面镜间距、放大率的归一化相位系数与远场焦斑形态的相关关系,该系数可以用于评判柱面整形系统对柱面镜旋转失调的敏感度。最后搭建了相应的实验装置进行验证,实验结果与计算结果较好地吻合。

CCD像元响应特性的差异是制约MAI成像质量及其数据定量化应用的主要因素之一。 为了提高MAI数据质量, 本文基于全量程多段分析与校正法, 利用2016年9月至2018年3月期间共104403帧观测数据, 分别对MAI偏振通道和非偏振通道的像元响应特性的不一致性开展了在轨分析与校正, 并利用GOME-2和MODIS数据产品对校正结果进行了验证。 首先, 假定观测样本足够多, 即每个CCD像元观测的样本具有相同的遍历性, 则各CCD像元对应的所有样本的平均DN值可以代表CCD各像元的响应特性; 其次, 利用104 403帧观测数据构建各个通道的参考图像, 并利用MAI中心5×5像元给出各参考图像对应的标准DN值; 在此基础上分别对MAI偏振通道和非偏振通道开展了像元响应特性的分析, 结果表明, MAI各通道均存在CCD像元响应特性不一致的问题, 各通道的不一致性大约在4%～10%之间, 对偏振通道而言, 同一偏振波段的三个偏振通道之间像元响应特性的不一致性有一定的相似性, 像元响应特性不一致性的差异基本在1%以内。 然后, 将MAI近两年的观测数据分为前后两个时间段进行对比分析。 结果表明: 前后两个时间段偏振通道和非偏振通道的图像均具有很好的一致性, 即CCD像元响应特性未随时间发生显著变化, 这也进一步验证了前面MAI数据量充足的假定。 因此, 可以利用全量程多段校正法逐通道逐像元开展CCD像元响应特性不一致性的校正。 基于该方法校正后, MAI图像质量得到显著改善, 图像四周响应偏低的区域明显改善, 基本和周围像元的响应达到了同一水平; 图像更加平滑, 颗粒感基本消除; 部分区域的场景发生了变化, 特别是碎云等反射率介于中低反射率之间的目标。 基于GOME-2的交叉对比结果表明, MAI 565, 670和763 nm波段反射率与GOME-2的参考反射率之间的平均绝对偏差分别由校正前的1.6%, 4.2%和2.2%减小至校正后的0.5%, 2.6%和0.4%; 此外, 基于多通道云识别方法开展的云检测表明, 校正后的MAI云检测结果与MODIS云检测产品一致性更好。 因此, 全量程多段校正方法可以有效解决MAI CCD像元响应特性的不一致性, 显著提高MAI在轨观测的质量, 且该方法也可以应用于其他CCD仪器的在轨校正。

2016年9月15日发射的TG-2空间实验室上搭载的MAI是我国首个在轨运行的多角度偏振成像仪, 主要用于获取云和气溶胶等大气环境信息。 星载遥感仪器的定标是观测资料定量应用的关键前提且贯穿仪器的整个寿命期。 MAI发射前已经进行了实验室定标, 且精度较高。 为了监测MAI发射后的在轨运行情况, 针对其未配置在轨定标装置的问题, 利用Metop-B/GOME-2可见光波段的高光谱分辨率和较高探测精度的优势, 提出了基于GOME-2对MAI 565, 670以及763 nm通道进行在轨监测及交叉定标的方法。 该方法首先通过时空匹配、 视线几何匹配等获取MAI与GOME-2相近时刻、 相近视线几何条件下的同目标观测数据, 再将GOME-2反射率按照MAI可见光通道光谱响应函数进行卷积, 得到各通道的参考反射率, 与MAI反射率进行对比分析, 从而实现对MAI的定标。 利用不同反照率特性目标的匹配观测数据, 该方法能够实现仪器的高、 中、 低端观测的全覆盖定标。 定标过程主要包括: （1）对2016年12月到2017年2月期间TG-2和Metop-B的运行轨道进行预报, 获取二者交叉观测的整轨数据; 设置观测时间差为900 s, 初步匹配得到8组MAI与GOME-2交叉观测样例, 包含2 455组匹配像元; （2）对匹配像元空间位置进行检验, 保留单个GOME-2像元覆盖的MAI像元数超过338的交叉样本, 以确保单个GOME-2像元尽可能被MAI观测充满; （3）给定GOME-2观测天顶角小于30°的限制条件, 同时设置视线几何检验条件为两仪器观测天顶角余弦的比值接近于1, 且相差不超过0.05, 并充分利用MAI的多角度观测优势, 对每一个MAI像元采用最多14个方向的视线几何进行匹配, 从而选择最优的视线匹配方向; （4）设置观测目标均匀性检验条件为一个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率的标准差和均值之比小于0.5, 对匹配像元进行检验, 得到469个匹配的GOME-2像元。 （5）将以上GOME-2像元对应的各个波长的反射率按照MAI可见光通道的光谱响应函数进行积分, 即可得到MAI各通道对应的GOME-2参考反射率。 （6）利用GOME-2像元空间分辨率显著大于MAI分辨率的特征, 对每个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率进行平均作为MAI反射率, 显著降低了定标结果对观测目标均匀性的依赖程度。 （7）将GOME-2参考反射率与MAI反射率进行回归分析, 得到定标系数, 实现对MAI的在轨交叉定标。 为了分析各匹配条件对定标结果的影响, 利用单一变量法对像元匹配过程中各检验条件阈值进行调整并开展了分析试验。 结果表明, 当进一步严格匹配筛选条件时, 定标结果不会产生显著变化。 基于该方法对MAI三个通道反射率和GOME-2参考反射率进行对比分析, 结果表明二者之间存在显著地线性关系, 且相关系数均优于0.97, 对比差异的均值分别为1.6%, 4.2%和2.3%, 标准差分别为3.1%, 4.1%和2.4%。 总体来看, 利用在轨交叉定标方法能够实现MAI可见光波段的在轨监测及定标, 为MAI数据的定量应用奠定了基础。

多角度偏振成像仪(MAI)采用背照式面阵CCD探测器, 用于定量获取云与气溶胶参数。暗电流是影响面阵CCD探测器数据质量及其定量应用的主要因素之一。为了分析CCD暗电流特征及其通道依赖性, 并改进CCD成像质量, 在分析MAI 0级数据特征的基础上, 提出基于夜间场景对MAI各通道暗电流特征进行分析的方法, 并于2018年2月2日—16日开展了MAI夜间场景观测实验。通过对比MAI挡光通道白天和夜间的观测结果可知, 白天和夜间观测到的暗电流特征无明显差异。故基于夜间观测数据对MAI 13个通道的暗电流特征开展分析, 结果表明：各通道暗电流分布均存在一定程度的非均匀性及“坏点”, 且单个通道的分布具有较好的稳定性, 但各通道之间存在显著差异。基于图像法对“坏点”进行校正, 基于线性、非性线关系对像元间的不均匀分布进行校正后, 暗电流图像的标准差由12.1%降至6.9%。以晴空洋面观测值为参考, 暗电流及“坏点”对像元观测的最大相对误差由9.1%降至3.0%。分析结果表明：相对于设置暗电流监测通道, 基于夜间观测的暗电流监测不仅可以监测各通道的暗电流特征, 还可以处理暗电流的通道依赖性问题。因此, 在后续的星载观测仪器设计中, 无需单独设置暗电流监测通道就可以直接利用CCD夜间观测对各通道暗电流进行在轨监测与校正。

在NaYF4纳米晶表面修饰不饱和基团, 与甲基丙烯酸甲酯单体共聚, 制备了NaYF4-PMMA发光纳米复合聚合物。采用共价键将纳米晶镶嵌在聚合物基质中, 可实现纳米粒子均匀、稳定、高浓度的掺杂。所使用的纳米发光材料为NaYF4∶20%Yb,2%Er和NaYF4∶20%Yb,1.5%Tm。NaYF4∶20%Yb,2%Er纳米晶的尺寸为9~14 nm, NaYF4∶20%Yb,1.5%Tm纳米晶的尺寸为11~15 nm。在980 nm红外光的激发下, NaYF4∶20%Yb,2%Er-PMMA发出明亮的黄光, NaYF4∶20%Yb,1.5%Tm-PMMA发出明亮的蓝光, 分别与其对应的发光纳米晶的发射光谱完全一致。实验结果表明: NaYF4-PMMA材料透明性良好, 稳定性高, 上转换发光强度大。这种上转换发光纳米复合聚合物在显示领域, 特别是在真三维显示方面具有潜在的应用前景。

光波经过光学位移反射器后，由于全反射的存在，入射光的s偏振分量和p 偏振分量在相位上将产生一个额外的常量差值，这将导致出射光相对于入射光的偏振状态发生变化。通过分析高反膜的反射机理及其结构特征，同时结合直角棱镜的几何结构，提出了基于高反膜膜系结构的直角棱镜保偏膜设计方法，该方法通过将设计膜系镀制到直角棱镜的两直角面上，使光束经过直角棱镜平行反射后，偏振状态保持不变。同时，对该方法进行了可行性研究和误差分析。结果表明，该方法结合目前成熟的高反膜制作工艺，理论可行，易于实现商业化应用；对于光波的小角度入射误差而言，方案所述镀膜直角棱镜的保偏特性表现出良好的稳定性。

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题, 研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS)。该传感器基于差动共焦原理, 利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位, 并结合物镜微位移驱动技术, 实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量。该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响, 显著提高了系统的抗干扰能力。将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合, 实现了对被测样品的精确瞄准。初步实验与理论分析表明：当测量物镜的数值孔径NA为0.65时, LDCS的轴向分辨力优于5 nm, 信噪比优于1 160, 过零点的标准偏差为10 nm。该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径。

针对激光惯性约束聚变装置中靶丸装配误差检测困难、要求精度高的特点，研制了一套用于微靶装配参数检测的测量系统。提出了一种基于激光与CCD的复合式测量方法，建立了二者数据融合的数学模型，通过标定空间位置关系有效地把二者的测量数据融合到同一个坐标系中，从而实现了高精度三维测量。分两种情况讨论了靶丸装配误差的检测方法。实验结果验证了这两种方法的可行性，并比较了两种方法的测量精度，其极限测量误差均不超过3 μm。