为实现大口径衍射光学系统宽波段成像，分析了传统衍射透镜基于Schupmann结构光路模型带宽增加带来的中继镜口径变大的问题，提出采用谐衍射透镜作为主镜构建大口径宽波段衍射光学系统，设计了口径为10 m谱段覆盖400~900 nm的大口径光学系统，中继镜的口径与传统设计相比减小了2.4 m。为验证该设计方法，设计一套口径为80 mm、光谱范围为400~900 nm的成像光学系统，并对该系统进行了成像实验，通过查看鉴别率靶图像无色差，验证了基于谐衍射透镜为主镜的宽波段成像设计方法，为大口径衍射光学系统设计提供了一种思路。

针对基于传统光学元件的成像光谱仪，在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题，在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论，分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系，通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面，设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400~2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测，来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后，通过分束器将工作波段分为可见近红外（400~1000 nm）和短波红外（1000~2500 nm），优化设计结果表明，光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm，成像质量良好，为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。

为满足具有连续变焦和昼夜合一功能的光电瞄具的轻小型要求，采用前固定组为调焦组的四组三联动结构的物镜，通过视场、作用距离和CCD探测器相关参数确定所需焦距范围，使用高斯括弧法对四组三联动变焦结构进行高斯光学分析，通过调焦一次实现可见光波段到红外波段的转换。最终设计的光学系统的工作波段为0.48~0.68 μm和0.80~0.90 μm，调焦量仅为0.26 mm，光圈为F5.0~F6.5，变焦范围为25~250 mm，满足短焦探测和长焦识别距离不小于2 km的要求。此外，该物镜的光学总长为199 mm，最大通光孔径为58.1 mm，镜片总质量为203.6 g，满足系统轻小型需求，并且在不同工作波段下变焦全程成像质量良好，从公差分析结果可以看出所设计系统具有优良的可实现性。

基于谐衍射光学元件的负色散和消热差特性，设计了一种工作波段为0.40~2.50 μm的宽波段光学成像系统。建立了双层衍射光学元件带宽积分平均衍射效率的数学模型。运用Matlab软件确定衍射元件的最佳设计波长。采用BaF₂、AL₂O₃、AL₂O₃-E、普通光学玻璃（KZFSN5、SF57）设计了折衍混合5片式光学结构，并通过合理分配光焦度实现了宽波段共光路共焦面集成。实验结果表明，该系统的有效焦距为100 mm，视场角为9.4°，F数为2.8，在-40~60 ℃范围内可实现无热化。在奈奎斯特频率50 lp/mm处，0.40~0.78 μm波段的调制传递函数（MTF）均大于0.6，0.78~2.50 μm波段的MTF均大于0.5。相比基于折射透镜的传统宽波段光学系统，该系统具有结构简单、尺寸小且成像质量接近衍射极限的优点。

针对宽波段吸光度直接反演温度的测温方法，数值仿真分析了300~2000 K温度范围内光谱噪声独立作用、光谱参数误差独立作用和二者综合作用对温度反演精度的影响。在光谱噪声单独作用下，以±0.005幅值噪声为一倍噪声，添加幅值从±0.005增加至±0.1的光谱噪声。当噪声幅值为±0.1时，温度的最大标准差为46.58 K@1700 K，为达到小于10 K的标准差，需将光谱噪声幅值控制在±0.02以内。在光谱参数误差单独作用下，分别对可标定的强吸收线和不可标定的弱吸收线的光谱参数添加1%和10%~50%的误差，温度最大标准差为7.77 K@1300 K（1%和40%的误差组合），其中线强误差对温度反演的影响较大，故应尽量将线强标定误差控制在1%以内。在光谱噪声和光谱参数误差的综合作用下，光谱噪声对测温精度的影响更大，在实际测量过程中获得信噪比较好的吸收信号可减小光谱噪声带来的影响。

Ge基光电探测器具有独特的通信带宽响应特性和良好的CMOS工艺兼容性，在光电探测方面具有广阔的应用前景。但目前商用探测器的响应波段普遍局限在某一波段，难以满足多波段融合、小型化的探测需求。因此，通过在多层石墨烯和N型Ge之间引入薄的SiO₂界面层，制备了基于石墨烯金属-绝缘层-半导体（MIS）结的光电探测器，分析了SiO₂的厚度以及石墨烯层数对MIS结器件性能的影响，并测试了器件的光谱响应范围、电流-电压曲线、响应度、开关比等光电特性。结果表明，该器件在254~2200 nm波段内均有响应，在980 nm处的响应度和开关比达到峰值，分别为78.36 mA/W和1.74×10³，上升时间和下降时间分别为1 ms和3 ms。