针对梯度掺杂晶体和均匀掺杂晶体，采用数值模拟的方式分析了泵浦光束腰半径、光束质量因子（M2）与束腰位置对模式匹配效率的影响，并通过实验验证了不同束腰位置对激光器输出功率的影响。由计算结果得到，在不同的泵浦光参数下，与均匀掺杂晶体相比，梯度掺杂晶体均具有更稳定的模式匹配；当泵浦光M2为10和50，束腰半径为0.5 mm时，对于任意位置的束腰，梯度掺杂晶体的模式匹配效率都高于均匀掺杂晶体。在实验上对比分析了泵浦光不同束腰位置的输出功率，结果表明，梯度掺杂晶体的模式匹配效率受泵浦光束腰位置的影响较小。当晶体位于谐振腔中心时，在高于70 W的泵浦条件下，梯度掺杂晶体的输出功率高于均匀掺杂晶体，最高输出功率为44.8 W，与均匀掺杂晶体相比，提高了4.67%；当晶体紧贴输入镜时，梯度掺杂晶体的最高输出功率为34.0 W，与均匀掺杂晶体相比，提高了11.84%。因此，梯度掺杂晶体更适用于高功率泵浦。

对比了波长调制和腔长调制两种方式实现模式匹配的性能特点，通过测量空腔衰荡时间并进行Allan方差分析，得到两种调制方式的衰荡时间分别为(5.239±0.077) μs和(5.252±0.058) μs，该系统的吸收系数检测限为10^-10量级。对于甲烷气体浓度，通过步进式改变入射激光的波长，描绘了甲烷气体的吸收谱线，其检测限可达10^-9量级。利用波长调制和腔长调制方式得到环境中甲烷气体的浓度分别为1.868×10^-6和1.870×10^-6。实验结果表明，虽然波长调制和腔长调制均能实现模式匹配，完成痕量甲烷气体的测量，但是通过对比可知：腔长调制方式具有更高的测量精度和更低的浓度检测限；波长调制方式发挥了可调谐激光器的优势，结构相对简单，无需压电陶瓷等附加的机械结构。因此，在实际应用中可根据需求在测量性能和装置复杂度及成本之间进行取舍。

模式匹配分析法是计算亚波长光栅衍射效应的一种高效方法。对于亚波长层叠光栅,相邻的不同介质层边界处电磁场切向分量连续,每层中电磁场的各个波导模式对该层中电磁场的贡献与相邻层中电磁场切向分量的贡献相等,相邻层间模式匹配,故可将模式匹配分析法应用于亚波长层叠光栅中。通过具体实例比较了由模式匹配分析法与严格耦合波分析法计算得到的光栅衍射效率和电磁场强度分布,对比结果表明模式匹配分析法在分析亚波长层叠介质光栅方面相较于严格耦合波分析法更为高效,在收敛性以及计算速度方面有着独特的优势,且对于深刻理解层叠光栅对电磁波的衍射效应以及结合优化方法设计新型亚波长光栅、新型超表面方面具有重要意义。

为了有效减小光腔衰荡光谱仪中光腔的体积,设计了一种Z型折叠腔结构,其外部尺寸仅为26.4 cm×8.5 cm×4.5 cm,展开的光腔长度为73.8 cm。采用傍轴高斯光束传输方程对实验光路进行仿真,通过调节两个凸透镜的焦距和位置,实现了光腔内激光模式与光腔模式的完美匹配,确保激光在腔内以横基模TEM00模式存在。实验中,采用数字延迟脉冲发生器触发声光调制器,开断激光,并高速采集衰荡信号,验证了所设计的折叠腔在光腔衰荡光谱仪上应用的可行性。对实验数据进行指数拟合,所得最大残差不超过0.004 μW,衰荡时间为0.852 μs,与理论计算结果相符。所设计的Z型折叠腔结构紧凑,可用于商业化小型光腔衰荡光谱仪。

基于Sentinel-1遥感数据,采用有效的预处理方法,得到较为准确的数据集,并提出一种基于三角剖分的特征跟踪与模式匹配结合算法,通过建立三角形网络并有效结合两者的优势,既提高了算法效率,又使海冰漂移矢量具有更均匀的空间分布。同时,研究了HH极化及其数据强噪声区域下该算法的适用性。不同极化数据的实验结果显示,本文算法所得海冰漂移矢量不仅有更高的覆盖率,而且均方根误差降低了约10%,提高了检测精度。面对噪声稳健性的增强,即使在条带噪声的干扰下,检测准确率仍可高达98%,可见该算法对两种极化方式具有普适性,从而证明该方法能够有效地应用于海冰漂移监测。

基于微小卫星组网编队技术, 气象预报工作在时间和空间分辨率方面得到大幅提升.为了完成微小卫星大气微波探测仪射频部分的频率分离功能, 采用体积小、插损小的波导双工器来实现.采用等效电路法和模式匹配法优化参数, 设计了一款166/183 GHz双工器.考虑到实际加工情况, 仿真过程中具体分析了膜片陡直度和膜片厚度对双工器性能的影响.加工过程中, 通过对器件分割方式和加工缺陷的分析, 不断优化加工方案, 最终得到满意的加工样品.经测试, 166/183 GHz双工器的带内插损小于1.5 dB, 回波损耗大于15 dB, 带外抑制高于27 dB以上, 仿真结果与实测结果相吻合, 证明了双工器设计方法的可行性.

利用微小卫星组网进行对地观测, 实现微波器件小型化已成为目前空间遥感的发展趋势之一.针对微小卫星大气微波探测仪, 设计了两款高性能的太赫兹波导双工器.利用模式匹配法分析双工器中不连续单元并进行双工器参数优化.在89 GHz滤波器部分采用改变谐振腔宽度的方法来提高带外抑制.仿真结果表明, 两款双工器具有良好的插损、带外抑制、回波损耗等性能, 证明了模式匹配法对太赫兹器件设计的有效性.

目前1.5 μm LD泵浦铒玻璃被动调Q微型激光器是**激光测距的研究热点, 获得较高的激光重复频率和单脉冲能量尤为重要。文中主要报道了一种应用于激光测距领域的铒镱共掺磷酸盐玻璃被动调Q微片激光器。激光器采用中心波长为940 nm的单管二极管为泵浦源, 铒镱共掺磷酸盐玻璃(Er3+, Yb3+:glass)作为增益介质, CO2+:MgAl2O4(CO:MALO)作为可饱和吸收体。通过分析泵浦光斑半径对模式匹配影响, 优化泵浦光斑半径, 实验分析可饱和吸收体初始透过率T0和输出镜反射率R对输出激光参数影响, 优化T0和R值。最终实验中采用增益预泵浦方式, 实现重频1 kHz, 单脉冲能量40 μJ, 脉宽5.09 ns, 峰值功率7.85 kW, 光束质量M2=1.4, 波长1 535 nm的稳定激光输出。

研究了高压缩度压缩态光场制备中高斯光束的空间模式匹配问题。研究结果表明, 对于较小的目标腰斑, 注入光的腰斑位置和大小的允许偏移范围较小, 且模式匹配效率受腰斑位置偏离度的影响大, 而对于大腰斑, 情况则相反。此外, 激光光斑的椭圆率和像散、非线性晶体的热效应均会导致模式匹配效率下降。非对称结构的腔型可以扩大与光学参量腔匹配的激光束腰斑位置所允许的偏移范围, 更易实现高的模式匹配效率。