自旋角动量是基本粒子和场的一个基本的动力学物理量，它在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中，光的自旋角动量与圆极化密切相关，通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用产生了许多新颖有趣的光学现象和光学应用，并诞生了自旋光学这一新兴学科。过去的研究中，研究人员主要聚焦在与平均波矢方向平行的纵向光学自旋。近年来，科研人员通过研究限制场如聚焦波、导波和倏逝波等的自旋轨道耦合性质，发现了一类新型的光学自旋，这类自旋与平均波矢方向垂直，因此被称为光学横向自旋。横向自旋具有自旋动量绑定的性质，一经发现便受到研究人员的广泛关注。横向自旋的发现拓展了光学自旋轨道相互作用的内容，并在光学操纵、光学精密检测、手性量子光学和光学自旋拓扑态等领域具有广阔的应用前景。本文从理论、实验技术和应用3个方面详细介绍自旋光学的最新进展。自旋光学的理论概念和框架可为研究人员进一步开拓基于光学自旋在光学成像、光学探测、光通信和量子技术等领域的应用发挥巨大的作用，同时也可拓展到一般经典波场，比如流体波、声波和引力波等。

强对流天气是发生最频繁、影响最广泛的气象灾害，造成了巨大经济损失，严重威胁人民和社会安全，更是航空航天和信息通信等技术领域的重大威胁。闪电作为全球性强对流天气的典型要素，对强对流具有重要指示作用，因此闪电探测和强对流预警预报成为天基遥感的重要任务之一。系统地总结了闪电危害，闪电探测体系的发展历程和现状，天基闪电光学探测的技术难点、实现途径和发展现状；同时详细阐述了我国FY-4A闪电成像仪技术实现途径及在轨应用成果。FY-4A闪电成像仪利用时间滤波、空间滤波、超窄带光谱滤波、星上时空域多维融合点目标检测等多维技术实现了天基闪电光学探测载荷的研制与在轨应用，国内气象部门和众多科研院所利用FY-4A闪电成像仪的闪电探测结果实现了强对流灾害的精确预警预报，产生了重大经济效益与社会效益。最后，针对目前闪电探测体系存在的问题，分析了我国未来天基闪电探测系统的发展趋势，为我国后续闪电探测发展提供了参考。

针对跨海桥梁或沿海机场等场所需要实时测算获取移动船只目标绝对位置和高程的现实需要，文中介绍一种高精度光电船只目标定位系统设计与实现方案。通过将高清高精度光学探测组件集成于高精度云台设备内部，可实时解算出目标点的绝对位置信息和高程信息并上报监控系统。结合雷达系统引导可实现无人值守情况下自动测算过往船只经纬度坐标及高程功能。经实际运行测试，该系统展现出良好的可靠性，具有较好的测量精度和应用前景。

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术, 通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。 由于金刚石稳定性高, 抗干扰能力强, 可制成不同尺寸, NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径, 具有良好的应用前景。 实验测量中, 首先使用激光对色心进行电子自旋极化, 然后使用微波对电子自旋进行调控, 进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱, 对谱线进行拟合分析获得D值。 激光功率波动是重要的实验噪声来源之一, 为了获得较高的极化率, 需要足够的激光功率, 然而较大激光功率下, 光功率波动会影响电子自旋极化率, 从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性, 增加光谱的噪声, 最终增大数据测量的误差。 在常规测量中, 不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。 为降低激光功率波动产生的误差, 提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法, 可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值, 对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化, 从而输出归一化光谱。 在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验, 考虑对脉冲编码序列两个时间参数的优化, 确定了0.8 s的计数时间和0.001 s的准备时间。 在不同的激光功率下, 分别采用直接拟合法、 数学归一化法和脉冲编码归一化法测得三组D值。 数据分析结果表明, 相较于直接拟合法和数学归一化法, 脉冲编码归一化法将激光功率波动引入的噪声有效地抑制到了直接拟合法的62.5%, 得到D值的误差从直接拟合法的179 kHz和数学归一化法的165 kHz减小到了56.9 kHz。 该方法可为金刚石NV色心测温技术提供一种抑制激发激光功率影响的有效途径, 提高D值测量分辨力, 为金刚石NV色心测温技术的实用化发展奠定基础。

光学微透镜在光学成像、信号探测、生物传感等方面有重要的应用。针对现有固体微透镜难以变焦和生物不兼容的问题,提出将细胞内的叶绿体作为天然的微透镜,并研究了叶绿体微透镜的聚焦特性及其在光学成像和信号探测中的应用。研究结果表明,叶绿体微透镜对不同波长的入射光能产生聚焦效应。借助光镊产生的光力可实现叶绿体形状的可控变化,进而可实现对叶绿体微透镜焦距的调节,调节范围为15~45 μm。由于叶绿体微透镜具有光束聚焦特性,故其能够应用到亚波长结构的成像和荧光信号的增强中。在实验中,叶绿体微透镜实现了对线宽为200 nm的光栅结构和细胞内部肌动蛋白丝的光学成像,以及对量子点荧光信号的探测和增强。

热载荷是导致红外探测系统失效的主要原因之一，因此本文利用 ANSYS Workbench软件对某红外成像光学探测组件进行不同温度载荷下的热-结构耦合分析。首先观察光学镜头与探测器之间后截距在不同温度载荷下的响应；然后利用光学软件 ZEMAX得到后截距变化时理论上光学的成像质量；最后通过实验验证了理论计算模型，同时得到了不同温度载荷下光学探测系统的变形规律，发现探测器安装材料的热传导系数与热膨胀系数都会影响到探测系统的稳定性。本文的研究工作对红外成像光学探测系统的设计、优化以及可靠性方面具有重要的指导意义。

提出了一种结构简单、易准直、能探测单个微纳颗粒的激光自混合干涉(SMI)探测方法。建立了单个颗粒产生的激光SMI信号模型,理论分析了干涉信号的特征,搭建了微流控颗粒探测系统。采用自主开发的LabVIEW程序进行聚苯乙烯颗粒的探测实验和信号采集,并从时域和频域两方面分析了单个粒子的直径。结果表明,本方法能有效探测和区分直径为0.5~10 μm范围内的聚苯乙烯微球颗粒。