拍瓦激光系统中剩余的高阶色散导致了脉冲波形的振荡，影响了拍瓦激光的信噪比。为了进一步优化拍瓦激光的信噪比特性，满足激光加速电子、质子等粒子的效率提升需求，本文提出了一种基于双折射晶体的新型超短脉冲的三阶色散主动调控方法，用于信噪比的主动调控。通过数值分析模拟了双折射晶体引入的二阶色散、三阶色散，针对中心波长为1053 nm的拍瓦激光系统，选择适当的晶体厚度，可以通过调节双折射晶体的面内旋转角改变系统剩余三阶色散。同时，基于神光Ⅱ第九路拍瓦激光系统光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）预压缩的信噪比测量值，对比了不同量级剩余三阶色散对脉冲信噪比的影响，得出通过改变拍瓦激光系统中剩余三阶色散量，可实现不同量级信噪比的主动调控的结论。该研究结果对于高能激光系统剩余三阶色散的补偿以及信噪比的优化具有重要意义。

激光光源具有单色性好、 亮度高、 方向性强和相干性强等优势, 所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。 在重力方法探测过程中, 因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小, 通常为纳米级, 所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。 然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。 相比较而言, 光学干涉法具备抗电磁干扰、 环境适应性强等优点, 且精度不亚于电容法。 传统干涉系统光路复杂、 难于集成, 对重力仪的小型化与集成化不利。 所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。 基于可变相位延迟的激光干涉式方法, 能够实现亚纳米级微位移测量, 较传统干涉系统具备结构紧凑、 易于集成的优势。 本微位移测量系统由半导体激光器、 起偏器、 检偏器、 楔形双折射晶体组和光谱仪组成。 研究从以下方面展开: 首先是确定测量系统方案, 提出了偏振光干涉双路结构, 以楔形双折射晶体组作为核心器件, 将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟, 并对激光光谱进行积分, 进而将位移变化转变为合成光强的变化; 其次是建立测量位移物理模型, 根据设计的双折射晶体组几何结构、 位移过程与光路, 确定光强变化与待测位移量之间的关系; 第三是系统参数优化, 为了使系统的测量误差和量程满足实际需求, 利用已建立的物理模型, 将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、 激光器激射波长λ建立函数关系。 根据应用需求, 确定适当的误差和量程取值范围, 进而得到角度α和波长λ取值范围; 最后加工晶体、 搭建系统并进行测试。 具体即以α和λ为调控参量, 联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。 同样, 联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”, 并利用“系统最大位移量”(与量程有关) 对系统测量误差进行优化仿真。 最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°, 激光器激射波长λ为635 nm。 实验中, 以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试, 包括: 系统的线性标定、 系统量程和测量误差测试。 另外, 在保持待测位置不变的条件下, 利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量, 并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。 实验结果表明, 位移量程范围大于150 nm, 位移测量误差约0.5 nm, 位移探测下限为0.32 nm@23 s, 探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。 综上所述, 以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统, 可作为重力探测中的质量块位移测量单元。 与电容法相比具有更强的环境适应性; 与传统干涉系统相比具有结构简易、 光路紧凑等优点, 便于重力仪的小型化与集成化。

提出一种基于双折射晶体劈的偏振态实时测量方法, 并将该方法用于扭曲向列型液晶透射光的偏振态分析, 实现了液晶分子平均指向矢的动态测量.利用基于晶体劈的偏光干涉法将待测光的偏振参量编码为两组干涉条纹, 通过对干涉条纹定位实现偏振态的实时测量; 再根据液晶指向矢的倾角、扭转角与透射光偏振态之间的关系, 推算出液晶分子平均指向矢的动态信息.本实验测量液晶指向矢的速度为每秒5次, 液晶平均指向矢的倾角、扭转角的测量准确度达到0.2°.本文研究为液晶分子平均指向矢的动态测量提供了一种有效途径.

通过测量外加电压下电光晶体的相位延迟来获取半波电压.基于双折射晶体劈的偏光干涉法, 将通过电光晶体后的偏振光相位延迟量转化为干涉条纹的平移, 通过定位暗纹位置进行精密的线性测量.实验结果表明: 偏光干涉法测量铌酸锂晶体相位延迟的测量准确度为4.4×10－3 rad, 所测量铌酸锂晶体的半波电压为480.0 V, 其测量误差为0.10%, 远小于极值法0.96%的测量误差.偏光干涉法光路结构简单、测量准确度高、测量结果不受光功率波动的影响, 且电光晶体相位延迟量的测量范围不受限制.

为了分析双折射晶体相位延迟片(即波片)的延迟量色散性质, 由晶体已知的折射率数据, 拟合得出光线垂直入射不同双折射晶体波片的相位延迟与波长的关系式。在此基础上针对几个常用设计波长和选定级数的波片, 利用MATLAB软件拟合, 得到入射光波长与波片相位延迟量的变化关系曲线。结果表明, 不同双折射晶体波片其消色差特性具有很好的一致性, 其原因在于晶体双折射率色散的一致性; 同一设计波长的波片, 其消色差效果随着波片级数的增加而变差; 而对于相同的级数, 设计波长越长其波片的消色差效果越好, 且随波长增加, 波片的消色差效果变好具有线性关系。

提出了一种基于双偏光干涉滤波器的激光波长测量方法，该方法克服了传统偏光干涉装置测量波长时分辨率存在盲区的缺点，通过把粗测和精测两个子系统结合可解决测量的周期性问题。实验结果表明，采用长度为1cm的YVO4晶体作为滤波器，可实现误差小于0.01nm的测量。与基于迈克尔逊干涉仪的波长测量方法相比，所提出的方法无需机械运动部件和参考光源，测量精度满足DWDM光纤通信系统测试的要求。

研究了基于双折射晶体的非“三明治”结构的分区光瞳滤波器在低数值孔径聚焦系统中的光学特性。以内区为玻璃和外区为双折射晶体的两区光瞳滤波器为例，给出了此类光瞳滤波器光瞳函数的精确表达式。结合标量衍射理论，数值模拟了其光学特性。结果表明，通过旋转光瞳滤波器可以实现系统焦平面上横向光学超分辨的连续调节，同时可以扩展焦深。这种滤波器较现有的基于双折射晶体的光瞳滤波器具有更高的光能利用率，并且其可调性更方便于实际应用。

设计和制作了基于晶体双折射的自由空间90°光学桥接器，用于在空间相干激光通信接收机中实现信号光束和本机振荡光束的混合并产生90°相移四通道合成光束输出，实现空间2×4 90°桥接，以进一步进行光电变换及信号解调和锁相。研制的晶体双折射2×4 90°光学桥接器由四块结构相同的双折射平板，一块相位延迟平板和一块检偏双折射平板组成。外差测量证明晶体双折射2×4 90°光学桥接器运行准确有效，性能稳定可靠，并给出了相位补偿和进一步的优化方案。晶体双折射自由空间光学桥接器适用于自由空间相干激光通信，对于未来星载激光通信终端实现小型化、轻量化、低功耗和高码率具有实际意义。

为满足波面剪切干涉和双细光束干涉曲反射表面非接触精密测量、台阶高度测量以及其他平行分光需要，利用双折射晶体特性，研究并设计了一种单一平板激光平行分束器。当一束激光入射到双折射晶体时，它的2个相互正交的的偏振分量将有不同的折射特性，因此特定晶轴方向和厚度的晶体平行平板可以实现入射光束的平行分束。描述了双折射晶体平行平板的分束原理，推导了分束距离与光轴方向、晶体厚度、入射角的关系，分析了分束距离随主要设计参数的变化规律。采用设计的晶体激光分束器进行了实验测试，验证了分析与实测结果的一致性。