针对惯性约束聚变研究中高时间分辨测量的需求，详细分析并设计了一种新型的高时间分辨的全光扫描装置。该装置根据光生载流子效应、波导传输和棱镜色散原理，采用全光学元件，实现了全光器件的类条纹相机扫描功能。设计制作了具有棱镜结构和光偏转功能的全光扫描模块。以1053 nm激光为传输光，527 nm激光为泵浦光，完成了脉宽为8 ps的脉冲激光信号作用下的光偏转实验。从技术上验证了全光扫描技术的可行性。

在惯性约束聚变（ICF）研究中，为了更好地对点火前分解实验的精密时间过程进行高精度的测量，提出一种新型的高时间分辨的光扫描装置。该装置根据光生载流子效应、波导传输和棱镜色散原理，采用全光学元件避免了空间电荷效应的影响。同时，瞄准1 ps的时间分辨能力，对该装置的关键部件光扫描模块进行了计算设计与模拟分析，通过光路仿真进行验证。结果表明该扫描装置能够使信号光发生偏转效应得到时间空间转换，进而为下一步的模块制作和实验研究提供良好的理论依据。

XeF(C-A)蓝绿激光的增益系数较低, 仅为0.003 cm-1, 要获得高能量窄线宽激光输出有一定难度。利用色散元件棱镜开展了高单脉冲能量窄线宽激光输出实验研究, 结果表明: 采用凹面输出镜的情况下, 激光线宽可以压缩到约2.5 nm, 激光输出能量最大为3.47 J; 采用平面输出镜, 激光线宽压缩到约0.7 nm, 激光输出能量最大为2.93 J, 激光光谱调谐范围最大可达到60 nm, 在460～520 nm之间。

研究了左手材料棱镜的色散特性和左手材料平行平板的等倾干涉特性。对于左手材料棱镜而言，其色散时出射光偏离原来的传播方向与右手材料棱镜的色散规律恰好相反，且对于同一种单色光而言，当入射角相同时，左手材料棱镜的色散偏向角大于右手材料棱镜的色散偏向角。在研究左手材料平行平板的等倾干涉特性时，推导了反射光和透射光焦平面上的光强分布公式，分析了等倾干涉条纹的级数与亮、暗条纹的关系，讨论了光程差的影响因素及影响规律，推导了存在半波损失情况下的等倾圆环的亮环半径公式和暗环宽度公式。研究发现：对于左手材料平行平板的等倾干涉条纹而言，等倾干涉圆环中心处的干涉级数较小；偏离圆环中心越远，干涉条纹的级数越大。这一规律和右手材料平行平板的等倾干涉条纹规律不同。

为了研究棱镜色散成像光谱仪的谱线漂移特性， 介绍了成像光谱仪谱线漂移的影响因素及机理， 基于线性光学模型建立了描述谱线漂移特性的数学模型。 在Matlab环境下利用Code V的API函数对系统进行了光线追迹， 验证了数学模型的正确性， 分析了谱线漂移的灵敏度系数。 结果表明: 工作环境变化引起的镜面刚体位移是导致成像光谱仪谱线漂移的主要原因; 在偏心不大于0.2 mm、 倾斜不大于0.02°的小量级干扰下， 不同波长、 不同视场位置的谱线漂移量相等， 误差小于0.1个像元; 镜面刚体位移对谱线的影响是线性的、 相互独立的， 谱线漂移量是各刚体位移引起谱线漂移量的代数和。 基于线性光学模型建立的谱线漂移模型可用于描述成像光谱仪的谱线漂移特性， 对光谱定标、 复杂工况下的光谱特性分析和预测具有指导意义。

为了研究棱镜色散的非线性对短波红外(1.0-2.5 μm)成像光谱仪采集景物辐射能量和信噪比(SNR)的影响,首先推导出系统采集辐射能量和光谱采样计算表达式,并在短波红外光谱范围内进行了计算分析。结果表明,在相同的光谱通道数前提下,与等间隔光谱采样方法相比,单棱镜色散成像光谱仪探测器像元采集到的景物辐射能量,在1.0-1.85 μm光谱范围比较高,在1.85-2.5 μm光谱范围比较低,信噪比具有类似的特点;随着光谱采样通道数的增加,大气的弱吸收特征越来越明显地表现出来。

从透光率、光谱范围杂散光、可靠性、色散线性、光谱带宽、成本等多个方面分析了超光谱成像光谱仪采用棱镜或光栅色散分光的优缺点。分析显示,棱镜光谱仪透过率高达9524％(VNIR),而光栅的衍射效率仅为60%~70%。棱镜光谱仪的杂散光可达10-4,而光栅的杂散光为10-2。尽管光栅光谱仪的波长覆盖范围要比棱镜光谱仪好,但在04~25 μm,棱镜光谱仪相对光栅光谱仪有优越性。此外,光栅光谱仪的色散基本为线性,但棱镜光谱仪的短波非线性问题可通过复合棱镜进行补偿,而且,棱镜光谱仪的可靠性好于光栅光谱仪。另外,两种光谱仪的光谱带宽和成本基本接近。这些结果表明,棱镜更适于星载高分辨率超光谱成像仪的分光。

为了研究谱线弯曲对棱镜色散成像光谱仪光谱辐射信号采集的影响,结合复合棱镜的色散特性,在可见近红外光谱区(400～1 000 nm)内,分析了当光谱偏离量为0.01、0.1和0.5d(d为探测器像元尺寸)时系统采集到的辐射信号与没有谱线弯曲情况下采集到的辐射信号的偏差,以衡量谱线弯曲下系统辐射测量的变化。实验结果表明:谱线弯曲引起的探测器上的光谱偏离会导致系统辐射信号采集发生变化。与没有谱线弯曲的情况相比,采集到的景物辐射信号在大气吸收带的边缘出现明显的偏差,且信号的差值随光谱偏离量的增大而增大;当光谱分辨率提高时,一些较弱的吸收峰附近也会出现明显的信号偏差。对于光谱分辨率平均为10 nm的成像光谱仪,谱线弯曲引起的光谱偏离量应控制在0.3 nm以内。

本文对棱镜色散腔自动调谐的原理及实现方法以及计算机控制系统作了较为详细的阐述。该自动调谐系统适用于固体可调谐激光器,实验中该调谐方法用于Nd:YAG锁模激光(532～nm)泵浦的钛宝石激光器^［1］,能实现680～980～nm范围的波长自动调谐输出。