以海洋一号C/D卫星中国水色水温扫描仪［COCTS （HY-1C/D）］的光学薄膜研制为例，介绍了海洋水色定量化遥感中应用的光学薄膜技术。在单片基片的不同通道区域依次镀制多块滤光膜以抑制杂散光的产生，充分研究了光束空间角频率分布带来的光谱及偏振影响，实现了5%带宽的定位精度，将通道滤光膜对偏振灵敏度的影响降到0.3%以下，采用双离子束溅射工艺来保证膜层的可靠性和光谱性能。此外，通过光学薄膜元件的偏振调控设计以及元件间的偏振补偿，实现了系统偏振灵敏度达到国际先进水平，0°扫描角时的平均偏振灵敏度小于1%。光学薄膜技术的应用有效提升了海洋水色的定量化遥感质量，结合大气校正，COCTS （HY-1C/D）获得的水色产品数据量化精度与美国的中分辨率成像光谱仪（MODIS）和可见光红外成像辐射仪（VIIRS）相当。

浸没光栅是星载温室气体监测成像光谱仪光学系统中的核心分光元件，能够实现更高的光谱分辨率和更紧凑的结构尺寸。推导了浸没光栅的色散率公式，并对比了采用浸没光栅和普通平面光栅时的光谱分辨率。针对温室气体O₂-A带的探测需求，利用有限元计算方法开展了浸没光栅槽形结构的优化设计，得到了兼有高衍射效率和低偏振灵敏度的全反射型浸没光栅槽形参数，并分析了光栅结构参数和等效介质层的制造公差。设计结果表明，在750~770 nm波段范围内，该浸没光栅-1级平均衍射效率高于92%，偏振灵敏度低于1%。

基于Fano共振超表面所具有的高品质因数Q以及电场局域特性设计了一种全介质超表面结构，探究了超表面结构参数与品质因数Q、调制深度之间的关系。通过改变结构实现了单重Fano共振至双重Fano共振的有效调控。对比同等参数下矩形柱与椭圆柱超表面结构的灵敏度，选择矩形柱结构并确定其最优参数。矩形柱超表面结构的品质因数Q最大可达3408，双重Fano共振峰的调制深度接近99%。通过仿真计算可知该结构对甲烷体积分数的测量灵敏度可以达到1.57nm/%（对应dip1）和1.66nm/%（对应dip2），对背景折射率的测量灵敏度为419.45nm/RIU和395.7nm/RIU，FOM（figure of merit）值分别为524.3RIU-1和542.8RIU-1。此外，入射光偏振角度对此传感结构的Fano共振透射光谱强度具有一定影响，这一特性为光学非对称传输、偏振角检测以及超表面多功能复用等提供了新思路。

非偏振分光棱镜（NPBS）的偏振相关性会对外差干涉仪、偏振干涉仪和激光干涉仪等干涉系统的非线性误差、偏振误差和测量精度等带来不可忽视的影响。首先对NPBS偏振敏感度的4个特征参数的测量原理进行介绍，接着基于NPBS偏振敏感度测量系统进行一系列实验并对实验结果进行分析。NPBS的s光与p光分量的透射比和反射比基于圆偏振光入射并同步测量透/反射光中s、p偏振方向的强度来实现，以抑制光源抖动及光电探测器响应不一致性对测量结果的影响。在相位偏振敏感度测量方面，基于偏振测量系统对透/反射光的斯托克斯分量S₂、S₃进行测量，获得NPBS的s光与p光的透/反射相位差。3个NPBS样品的重复性测试实验结果表明：上述非偏振分光棱镜的偏振敏感度测量方法对NPBS透射比和反射比的测量精度（最大偏差与测量平均值之比）为-0.08%~+0.08%，重复性优于0.1%，对NPBS透射相位差和反射相位差的测量精度为-0.84%~+0.84%，测量重复性优于1%。对NPBS样品在不同入射波长和入射角度下的偏振敏感度进行了测量，结果显示：在1540~1560 nm范围内，被测NPBS样品的透/反射比变化小于0.02，s光与p光的透/反射相位差随着波长增加而减小；随着入射角度从-5°增大到+5°，s光与p光之间的透/反射相位差减小。NPBS反射相位差的变化大于透射相位差的变化，对波长和入射角度的变化更敏感。

为了降低光谱仪的偏振敏感度,提出了一种在会聚光路中设计退偏器的方法。该方法首先将系统的望远镜和准直镜视为辅助光路,使得光束的偏振状态可以用Stocks矢量来表示;然后使用Mueller矩阵来表示元件的偏振特性,并推导出了基于Mueller矩阵的系统偏振敏感度模型;最后利用多重多元回归分析来提升Mueller矩阵的计算速度与精度。基于该方法设计了一款放置在会聚光路中的改进型退偏器,系统的偏振敏感度小于1%,像点分裂距离小于8 μm,该结果满足设计要求,验证了该方法在会聚光路中设计退偏器的有效性。

辐射传递链路的偏振灵敏度会影响中分辨率光谱成像仪(MERSI)遥感观测数据的精度及其后续应用,故需要对其偏振灵敏度进行反演、分析及定量去除以提高辐射定标的精度。针对在轨后的MERSI,选择洋面场景这一偏振度较大的区域,通过对卫星观测数据和环境数据进行预处理,基于海洋表面三维波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律来描述海表辐射状态,利用6SV辐射传输模拟工具来分析大气对偏振辐射状态的影响,将其与海表辐射状态耦合可得到大气顶偏振辐射状态,实现了对MERSI偏振辐射特性的反演。实验分析了MERSI在特定波段的偏振辐射特性,发现其偏振度随着卫星天顶角的变化呈现不对称分布,反射率误差随着卫星天顶角及偏振度的变化基本比较稳定;分析了MERSI在不同观测几何、风速风向下偏振敏感性的变化规律。

基于非平衡态格林函数-密度泛函理论, 采用第一性原理方法, 计算了VA族元素(N、P、As或 Sb) 掺杂单层WS2的光电效应, 并解释了掺杂提高光电效应的微观机理。结果表明: 在线性极化光照射下, 单层WS2中可以产生光电流。由于掺杂降低了单层WS2的空间反演对称性, 导致N、P、As或 Sb分别掺杂的单层WS2的光照中心区产生的光电流明显提升。其中N掺杂的效果最好, 掺杂后的单层WS2在光子能量3.1 eV时获得最大光电流(1.75), 并且偏振灵敏度达到最大(18.1), P、As、Sb分别掺杂的单层WS2在光子能量3.9 eV时取得较大的光电流, 并且有较高的偏振灵敏度。研究结果表明通过掺杂能够有效增强光电效应, 获得更高的偏振灵敏度, 揭示了掺杂单层WS2在光电子器件领域潜在的应用前景。

在先进遥感仪器的性能表征中,偏振灵敏度是很重要的性能指标之一,它在量化高精度遥感信息反演中非常重要。光学薄膜是仪器偏振灵敏度控制中非常重要的一种手段。基于薄膜光学的传输矩阵理论,根据偏振灵敏度控制要求开展了几类光学薄膜的设计、分析和研制工作,主要包括金属反射膜、介质-金属-介质分色膜、介质分色膜、增透膜和带通滤光膜等。给出了一些已研制光学薄膜的偏振灵敏度控制的实测结果和以此研制的遥感仪器的系统偏振灵敏度的控制情况。

建立了矩形光瞳下适用于双巴比涅型消偏器的消偏理论及数值计算模型，弥补了当前设计理论仅适用于圆形光瞳的不足。设计了一种适用于矩形光束口径且高度可靠的双巴比涅型消偏器。在确定最佳结构参数的基础上，分析了晶体折射率和中心厚度差的误差要求。结果表明，退偏器出射光的最大残余偏振度小于2%，四像最大间距约为27 μm，满足偏振灵敏度及像质要求。

高精度的大气探测光谱仪应用十分广泛, 但是由于太阳发出的自然光与大气作用后所产生的(部分)偏振光会影响设备的探测精度, 所以该类光谱仪通常需要去除入射光的偏振影响。 论文针对大气超光谱成像探测设备的消偏需求, 提出了一种新型的双H-V(horizontal-vertical)消偏器。 由于晶体的双折射结构在光学原理上可以产生消偏效应, 所以消偏器材料通常为双折射晶体, 但是该结构同时又会产生双像, 从而降低光谱仪的成像质量。 针对此问题, 结合该大气超光谱探测设备中空间维像元合并的特点提出了一种异型双H-V消偏器。 它不同于传统双H-V消偏器中两子H-V楔角相等的结构, 所提出的异型双H-V消偏器两个子H-V楔角不同, 从而使其在光谱维及空间维对应不同的双像距, 在满足退偏度要求的同时保证了成像质量, 很好的解决了高消偏度与高成像质量之间的矛盾。 论文详细阐述了消偏器的设计方案, 并针对消偏效果与成像质量进行了分析, 消偏器的退偏率优于98.8%, 并且在空间方向双像所占像元数仅为合并像元的8.7%。