扩散光学成像技术在生物医学领域有着广泛的应用。相较于磁共振成像（MRI）、计算机X射线断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）和超声成像等成像方式，扩散光学成像利用经组织吸收和散射的扩散光进行成像，可无创、无标记、宽场、定量测量氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、血氧、水分、脂质、黑色素等成分浓度和组织功能信息，在安全性、特异性和系统成本等方面有明显优势。本文介绍了扩散光学成像的基本原理，包括光与组织的相互作用和光传播模型，并总结扩散光学成像的相关方法和应用，包括脉搏血氧术、漫射光谱、扩散光学层析成像、荧光分子层析成像和空间频域成像，并对它们的未来发展进行了展望。

在各向同性激光冷却原子实验中，光场分布是影响冷原子分布的重要因素，可以利用真空腔的结构和激光的注入方式的不同来调控腔内的冷原子分布。本文提出了一种扁平形漫反射腔体结构，并对冷却光的不同注入方式和不同尺寸的腔体结构形成的光场分布进行了仿真。仿真结果表明，与自由空间光入射相比，激光由光纤入射能够获得更均匀的准二维分布的光场，因此可以通过调节光纤的入射角度及光纤参数，实现对光场均匀度的优化。此外，随着腔体边长的等比放大，腔内光功率密度呈负指数幂衰减。扁平形漫反射腔形状接近二维，在准二维分布的光场和特殊的扁平形腔体结构的作用下，能够获得呈准二维分布的冷原子，在量子传感及量子精密测量领域具有重要的应用前景。

自2001年被发明以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）迅速成长为近红外波段的明星光子探测器，其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%，暗计数率低于1 cps（counts per second），时间抖动优于10 ps，探测速率高于1 GHz，并广泛应用在量子信息领域。近年来，研究人员开始将SNSPD引入到生物领域，以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。本文将介绍SNSPD的探测原理和性能指标，并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。

激光散斑会严重影响图像的质量，降低图像的对比度和分辨率，为了抑制激光投影散斑，基于人眼视觉暂留特性和漫散射体散斑抑制原理，搭建了一套基于运动循环胶质溶液的散斑抑制装置，该装置体积小，并能有效抑制散斑，实现散斑对比度低于人眼观测阈值 5%的抑制效果，光的透过率可达 65%以上，同时该装置比起振动扩散器，在降低噪声及价格上具有明显的优势，具有一定的实用推广价值。

在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。

应用紫外-可见(UV-Vis)漫反射、 拉曼(Raman)与光致发光(PL)光谱就当前市售的大小各异、 金色饱和度深浅不一的珍珠其致色属性予以对比分析。 结果表明: 基于珍珠UV-Vis漫反射光谱特征的差异将金黄色珍珠初分为两种类型: Ⅰ型珍珠其谱图在(360±5) nm处存在吸收带、 在(420±10) nm处存在较弱的吸收峰或肩, 该类珍珠为当前珍珠销售市场较为常见的自身致色珍珠; 除Ⅰ型珍珠外, 将其他金黄色系珍珠归属为Ⅱ型, 其对应的UV-Vis反射光谱主吸收峰可位于340～430 nm区间, 部分Ⅱ型样品在280～600 nm无明显吸收或仅存在较弱的吸收肩。 进一步就Ⅱ型珍珠予以Raman光谱检测, 在激发强度较低时经处理的Ⅱ型黄色珍珠在150～1 000 cm-1区间可产生较强的荧光峰, 且荧光峰的强度明显高于文石约1 086 cm-1处的特征峰。 同时, 上述经处理的Ⅱ型珍珠对应的PL光谱同样表明在500～600 nm区间的荧光强度显著增大。 此外, 部分经处理的珍珠其Raman 或PL光谱中可见与珍珠组成成分无关的特征峰位。 上述珍珠的Raman与PL光谱中出现的异常荧光与外来特征峰可作为珍珠经处理的佐证依据。 课题工作为当前金黄色珍珠颜色的形成属性及仿珍珠的鉴定提供理论与技术支撑, 同时对于Raman光谱在其他类宝玉石、 特别是有机宝石的检测鉴定中具有重要的借鉴意义。

在轨辐射定标是极轨气象卫星光谱成像仪定标的重要组成部分，是实现高定量化遥感的重要技术手段。星上定标器以太阳作为长期稳定的参考光源，以定标器漫透射板作为基准传递媒介，漫透射板的标定精度直接决定了星上定标精度。根据风云三号E星轨道特点和光谱成像仪工作模式，星上定标器采用了漫透射板这一特殊形式。针对星上定标器的高精度性能测试技术开展研究，提出了一种基于标准光谱仪的外场漫透射板标定方法，以解决漫透射板双向透射分布函数（BTDF）所需的大口径、高亮度均匀测试光源以及高精度自动控制覆盖测试角度矩阵等标定难题。所提方法以外场太阳作为参考光源，标准光谱仪作溯源传递，秒级高精度自动跟踪转台作角度变换，获得漫透射板的BTDF。结果表明，该方法能获得准确的漫透射板BTDF，标定精度优于2.5%，满足星上定标器的在轨定标精度要求。仪器在轨测试阶段的星上定标系数与同类载荷交叉定标的偏差优于2%。

为了降低贡梨自身尺寸差异造成其可溶性固形物含量预测模型的精度不高问题,采用近红外漫反射光谱技术和偏最小二乘回归算法,建立近红外光谱模型和尺寸通用模型,进行了理论分析和实验验证,取得了小果、中果、大果3个尺寸等级的局部尺寸模型和尺寸通用模型,预测了不同尺寸等级贡梨可溶性固形物含量的数据。结果表明,局部尺寸模型预测自身等级的贡梨可溶性固形物含量的效果好,预测其它等级的效果差; 通用模型预测小果、中果、大果的预测相关系数分别为0.892、0.937、0.889,预测均方根误差分别为0.524 、0.417、0.551,通用模型无论预测哪一个尺寸等级的贡梨都有较好的结果。尺寸通用模型能够减小尺寸差异带来的不良影响,适用于检测不同尺寸等级的贡梨可溶性固形物含量。

利用漫反射表面全息图记录原理，结合声波扫频激励方式，针对壁画文物表面及亚表面存在的裂纹、空鼓等缺陷检测需求，本团队研制了便携式数字全息形变检测系统；采用基于高斯1σ准则和直方图分割消除声波振动引入的背景相位，实现缺陷与背景信息的剥离，并将研制的系统应用于北京故宫博物院内壁画文物的原位检测与分析。结果表明：声波激励可以有效激励表面或亚表面微观缺陷形成异常干涉条纹；基于所提出的背景相位消除算法能有效提取缺陷的位置和轮廓特征，实现被测壁画表面微观裂纹或亚表面空鼓、异常结构的检测与分析，为壁画健康诊断、修复和保护提供可量化的参考依据。

双向反射分布函数（BRDF）是星载遥感器进行场地替代定标中的重要参量，随着技术的进步，低空自旋翼无人机已经成为了获取场地BRDF的便捷高效手段，通过现场测量准不变定标场的无人机多角度观测光谱数据，建立更加准确的BRDF模型还能进一步挖掘潜力。提出一种基于地-空双光谱仪联合观测加漫射板观测并消除漫射光影响的BRDF建模方法。使用无人机搭载光谱仪进行场地光谱的低空测量，获取半球空间内多角度下的场地光谱数据，同时开展地基光谱仪联合同步测量漫射参考板，连续记录照明光场的变化以及漫射光照明下的场地光谱数据。联合空地双光谱仪对目标和参考板实测的辐亮度数据，结合太阳及观察角度之间的几何观测，计算场地的多角度反射率。基于Ross-Li核驱动半经验模型对多角度反射率数据进行拟合，采用最小二乘法对模型系数进行拟合，以得到最优的场地BRDF模型，并对模型进行漫射光校正。实验证明，经漫射光校正后的BRDF模型各波段的相对偏差均值都在5%以内，相对偏差标准差在3%以内，有效消除了场地BRDF建模在漫射光照射下的干扰，提高了BRDF建模的准确性。