为了提高大空间γ辐射场全局计算效率，开展了全局减方差（Global Variance Reduction，GVR）方法在大空间γ辐射场计算中的应用研究。针对计数栅元/网格体积差异造成的过度分裂问题，引入体积修正因子修改全空间权窗参数。体积修正后的基于通量的GVR方法计算的全局品质因子（FOM_G）比直接模拟提高约39倍。针对非计数区计算耗时问题，提出了非计数区修正方法，使得FOM_G因子进一步提高40%。在引入体积和非计数区修正的基础上，在大空间γ辐射场计算中与基于粒子误差、权重、径迹、数目、能量、碰撞和通量的7种GVR方法进行对比。结果表明：7种GVR方法计算的FOM_G因子比直接模拟提高2~3个量级，基于误差的标准差σ降低2~3个量级；而基于权重的GVR方法计算的FOM_G因子比直接模拟提高2 304倍，在所有GVR方法中减方差效果最好。在基于通量的GVR方法中引入光滑因子SI后，模拟计算的权窗下限随SI增加而减小，FOM_G因子随SI的增加先增加后减小。当SI=0.8时，该方法计算的FOM_G因子最大，比直接模拟提高3 246倍。

阐述了相干差分吸收激光雷达（CDIAL）探测大气二氧化碳（CO₂）的原理，设计了1.57 μm波段微脉冲相干探测系统，并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO₂体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示：当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 hPa、水汽体积分数测量不确定度为10%时，这些参数引起的总体误差为0.45%；在大气中CO₂的体积分数为4×10^-4时，微脉冲相干激光雷达探测CO₂体积分数的测量误差约为1.8×10^-6。

残余灰度场是变形前后数字体图像中对应体素点的灰度之差。在基于有限单元的全局数字体图像相关（DVC）方法中，残余灰度场作为计算区域各体素点匹配质量的目标函数，可直接计算获得，并可用于材料内部损伤演化或裂纹扩展的精细表征。然而，当前广泛使用的基于图像子体块的局部DVC只能获得计算区域内各离散计算点的位移、应变和相关系数信息，无法直接计算区域内各体素点的残余灰度。相较于相关系数和变形信息，残余灰度场可实现逐体素的匹配质量评价，在内部损伤或裂纹扩展的可视化观测和准确定位方面具有显著优势。为能在局部DVC中获得残余灰度场信息，提出一种简单有效的残余灰度场计算方法。该方法基于三维Delaunay四面体剖分算法，并利用有限元框架对局部DVC离散计算结果进行稠密插值，以获取逐体素连续位移场，并将其用于变形体图像校正。模拟和真实实验结果表明，基于局部DVC测量结果后处理计算获得的残余灰度场不仅可以实现精准的损伤定位，还能观测到裂纹形貌以及界面脱黏行为。所提方法弥补了当前局部DVC在精细化匹配质量评价方面的不足，有望拓展该方法在材料和结构内部损伤观测和定位中的应用。

植被日光诱导叶绿素荧光是一种可以表征植被光合生产力的重要衡量指标。为了实现对植被日光诱导叶绿素荧光的广域精准探测，设计并研制了一种叶绿素荧光高光谱成像探测仪。该成像探测仪使用了基于棱镜-体相位全息透射光栅的全透射式光学系统，在高数值孔径（0.25）的基础上实现了高光学性能：可在20°视场和670~780 nm（可扩展至650~800 nm）工作波段实现1 mrad的空间角分辨率、0.3 nm的光谱分辨率和优于100的信噪比。由系统设计结果、样机测试结果和应用数据分析结果可知，样机完全满足设计要求。本仪器可为农林监测和碳循环观测提供重要的科学数据，并可作为陆地植被光合作用中有效的新型观测手段。

为扩大体全息光栅波导的出瞳直径和视场，提出了二维扩瞳和视场扩展的两重体全息光栅波导设计方法。该波导结构的出耦合光栅由两个两重体全息光栅构成，用于实现二维扩瞳。将入射视场分为两条路径传播，每条路径负责一半的视场，最后将两部分视场拼接形成完整视场。该方法不仅扩大了出瞳直径，还有利于增大全息波导系统的视场角。介绍了二维扩瞳视场扩展的光学原理和设计方法，最终实现的系统水平视场为48°，垂直视场为27°，出瞳尺寸为16 mm×13 mm。实验结果验证了所提方法的可行性。该方法在扩瞳的同时有助于扩展视场角，为头戴近眼显示设备提供了具有前景的有效方案。

光栅外腔半导体激光器在冷原子精密操控等领域具有重要的应用价值。根据87Rb冷原子干涉仪干涉过程的应用需求, 利用光学锁相环技术, 重点开展了自制体布拉格光栅100 kHz外腔种子源的调谐和拍频锁频特性实验研究。进行了电流和温度调谐实验, 种子源输出激光频率的电流调谐系数和温度调谐系数分别为400 MHz/mA和16 GHz/℃; 实现了自制种子源激光频率的拍频锁定, 锁定后种子源的激光频率变化小于500 kHz(峰峰值, 10 s), 12 h功率稳定性优于0.1%(rms), 可满足87Rb冷原子干涉仪各物理过程, 特别是干涉过程的应用需求。

在国家积极推进碳达峰、碳中和目标背景下, 水泥行业减少碳排放势在必行。大掺量矿物掺合料混凝土使用了大量矿物掺合料, 大幅减少了水泥用量, 因此受到较大关注。本文重点综述了大掺量矿物掺合料混凝土的碳化行为、微观机理研究现状和常用矿物掺合料对混凝土抗碳化性能的影响; 总结了混凝土碳化的影响因素, 以及碳化行为的测试评价方法和优缺点; 最后, 提出了碳化可能存在的途径, 并指明了进一步的研究方向, 这对于改善大掺量矿物掺合料混凝土耐久性和降低建筑行业碳排放具有重要意义。

采用反射式体布拉格光栅（VBG）实现半导体激光锁频是激光技术应用中的关键技术之一，进一步压窄半导体激光的输出光谱线宽、提高外腔效率是研究重点。采用微通道水冷半导体激光模块，利用衍射效率为18%的VBG构建激光外腔，分析了前端面反射率分别为0.02%、0.20%、0.40%时的输出光谱与外腔效率。研究结果表明，半导体激光前端面反射率的降低能够进一步优化半导体激光器的输出光谱，提高外腔效率，压窄输出光谱线宽，实现大驱动电流范围的激光锁频。对于前端面反射率为0.02%的半导体激光器，激光输出中心波长锁定在779.8 nm处，光谱线宽压缩至0.08 nm，温漂系数为6.25 pm·℃^-1，电流漂移系数为0.9 pm·A^-1，外腔效率达到106%，连续输出功率达到127 W。