量子精密测量在基础研究和原始创新中发挥了重要作用。激光与热碱金属原子系综的相互作用是量子精密测量领域的重要研究对象，在物理学的前沿探索和技术应用层次上都具有深刻意义，是科学研究的前沿热点之一。基于激光与原子相互作用原理，相关器件的超高精度、小型化、阵列化进程从原理与技术上获得了突破性的进展，形成了以无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计、相干布居数囚禁（CPT）原子钟、SERF原子自旋陀螺仪为代表的精密测量传感器件。本文结合近十几年来相关领域在磁场测量、时间测量、惯性测量方面的代表性成果和进展，从原理和应用两个角度总结了目前激光与热碱金属原子系综相互作用的研究状况，展望了基于激光与热碱金属原子系综相互作用原理的器件未来的发展方向。

准分子激光放大技术可将固体掺钛蓝宝石飞秒激光器通过频率转换后得到的小能量深紫外飞秒脉冲放大为大能量深紫外飞秒脉冲。为了满足准分子激光器与固体飞秒激光器之间同步工作的需要, 设计了一种准分子激光低抖动延时同步系统。该系统采用现场可编程门阵列 (FPGA) 数字延时和可编程延时芯片延时相结合的方法, 利用时间测量芯片实现对延时时间的闭环控制从而提高系统延时的稳定性, 最终实现对外触发脉冲信号的精确延时。验证实验表明，该系统在 1～100 Hz 频率下运行稳定, 输出触发脉冲信号延时范围为 56 ns～2.4 μs, 理论延时步进为 10 ps, 抖动在 ±1 ns 内, 完全满足飞秒激光器与准分子激光器同步工作的需要。

设计了一款用于激光雷达的CMOS单光子飞行时间图像传感器.该传感器集成了16个结构优化的单光子雪崩二极管像素和一个双计数器结构的13-bit时间数字转换器电路.每个像素单元包括一个新型的主动淬灭-恢复电路.该设计通过优化器件的保护环来降低器件的暗噪声; 带有反馈回路的主动淬灭-恢复电路用于降低死时间; 时间数字转换器采用双计数器结构来避免计数器的亚稳态导致的计数错误.基于CMOS 180 nm标准工艺制作了该传感器.测试结果表明：在1 V的过偏压下, 单光子雪崩二极管列阵的中值暗计数率为8 kHz; 在550 nm波长光照下探测效率最高, 为18%; 设计的主动淬灭-恢复电路将死时间有效降低至8 ns; 时间数字转换器的分辨率为416 ps, 帮助整个系统实现厘米级距离分辨率.该传感器在0.5 m距离下实现了空间分辨率为320×160的深度图像, 其测距的最大非线性误差为1.9%, 准确度为3.8%.

提出了一种基于光子到达时间测量的光子探测阵列信号时隙同步方法。通过测量每个支路不同光子的到达时间, 得到每个光子的到达时间相对于脉冲位置调制时隙位置的偏移量, 统计得到不同偏移量处的光子分布。在频偏存在的情况下, 光子分布更加平坦; 在初始相偏存在的情况下, 光子分布峰值会偏离中心位置。把均方误差或二阶矩作为不同频偏和初始相偏情况下同步程度的衡量标准, 利用搜索的方式实现时隙同步。仿真结果表明, 在计数时钟频率为时隙时钟频率两倍及以上的情况下, 所提方法能实现时隙同步。

设计了一种高精度、高线性度、轻小型激光脉冲飞行时间测量模块。结合TDC7201芯片在时间测量方面的优势, 将其作为时间测量核心部分, 并将STM32F103RET6微控制器作为主控芯片来控制整个模块的工作。实验结果表明, 该模块在12 ns~100 s时间间隔范围内的时间测量精度最高可达4.1 ps; 测量结果的线性拟合相关系数为1, 且能够测量激光脉冲主波与5个回波之间的时间间隔。该模块可满足基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)的脉冲式激光测距系统的高精度、高线性度、多回波、轻量化等实际应用需求。

针对常规弹药脉冲激光周向探测系统无法精确获取目标方位信息的问题, 设计了基于磁电检测的单光束激光引信全向方位角探测方案.对磁电检测系统进行建模, 建立圆柱形永磁体转动磁场模型, 推导出磁阻传感器所测位置磁场的解析式, 验证所测磁场为一正弦磁场信号.依据此正弦信号, 设计了上升沿阈值周期检测算法, 并运用FPGA与TDC-GP21对激光回波出现时间与电机转速信号周期进行高准确度时间间隔测量实现方位角的解算.依据方案设计原理样机并编写上位机程序, 进行方位角探测实验.实验结果表明: 磁电检测系统采用多重屏蔽方法, 能有效抑制电磁干扰; 并能实时监测电机转速, 实现方位角解算, 方位角解算误差在±2°以内.满足激光引信方位角测量的高准确度、抗干扰能力强等要求.

针对“双频双调制双本振(DFDMDL)”大测距动态范围高重频相干测距测速体制, 分析了该体制信号调制需要考虑的调频线性度、发射光和本振光信号的“幅-频”特性、对称三角线性调频(STLFM)信号的周期稳定性等因素, 通过参数的对比、仿真及实测, 提出了适合本系统的信号调制方案．实测结果表明, 采用声光移频器(AOFS)外调制提供高线性度STLFM信号, 直接数字频率合成(DDS)驱动AOFS, 通过DAC调节射频驱动源功率补偿AOFS非平坦的“幅-频”特性, 以及基于FPGA的高精度时间测量系统监测STLFM信号周期及测量多个STLFM周期间的时间差, 可以使该“双频双调制双本振”体制具有较高的距离测量精度, 并为通过脉冲积累减小发射能量的途径提供了可能．

脉冲激光测距系统在各个领域均有广泛应用，而时间测量 精度决定了距离测量精度。传统的时间测量方法都存在自身缺陷，难以实现精度高且 响应灵敏的脉冲时间间隔测量,因此详细介绍了一款时间数字转换芯片—— TDC-GP2芯片。该芯片利 用逻辑门延迟来实现高精度时间测量，其配合粗值计数器使用时的最大测量范围为4 ms。基于TDC-GP2芯片的 测量范围1可实现典型分辨率为50 ps (均方根值)、测量范围为0 ～ 1.8 s的 高精度时间间隔测量。该研究在各类测时方法中处于领先水平。

通过FPGA设计了基于恒比定时时刻鉴别直接实现机载激光雷达时间测量系统的方案。详细阐述了时刻鉴别尤其是恒比定时时刻鉴别的原理及性能特点，对传统恒比定时时刻鉴别误差进行了估算，并设计了恒比定时时刻鉴别的简易电路。最后给出了通过抽头延迟线法实现机载激光雷达时间测量的初步方案，对后期提高该时间测量系统的精度提出了改进意见。

针对2013 年9 月6 日美国宇航局(NASA)发射的月球大气与尘埃环境探测器飞船上进行的月球激光通信演示验证(LLCD)，从实验设计和后续发展方面进行综述。实验中，飞船上的LLCD 太空终端与主要的月球激光通信地面终端或与欧洲空间局的月球激光通信地面系统完成双向通信，而与美国喷气推进实验室的月球激光通信“光通信望远镜实验室”(OCTL)终端仅进行下行链路通信。LLCD 系统还进行了优于厘米精度测距的双向飞行时间测量。未来NASA 的激光通信中继演示验证任务将基于LLCD 系统的相关设计。最后对LLCD 的启示进行了讨论。