长波红外量子级联激光器（QCL）具有波长设计灵活、体积小、寿命长等优点。目前单横模QCL较低的输出功率（1~3 W）是限制其应用的主要因素。光纤功率合束技术是提升输出功率的有效手段。然而由于长波红外波段缺少低传输损耗的玻璃光纤，使得高效率长波红外光纤功率合束的实现难度很大。本文研究了基于低损耗单模空芯光纤的长波红外激光功率合束技术。针对基横模长波红外QCL有源区尺寸大、发散角大的特点，设计了大数值孔径扩展光源双非球面准直镜，有效提高了单模光纤耦合效率。设计制备了无端面损耗的长波红外单模光纤束，光纤传输效率高达91.2%，实现了7.6~7.8 μm波段QCL的高效率合束。当4个长波红外QCL的输出总功率为2.27 W时，采用所设计的光纤耦合光学系统及制备的4×1单模空芯光纤合束器获得了1.5 W的连续输出，总合束效率为66%。此外，测量得到单根单模长波红外光纤耦合输出光的光束质量因子M²为1.2，光强分布和光束质量因子均优于QCL的直接输出激光，说明空芯单模光纤具有一定的非高斯光束模式净化作用。合束光束的传输质量因子为2.6，依然具有较好的光束质量。本文所研究的光纤合束方式对QCL的输出波长、偏振态均不敏感，且具有良好的可扩展性。实验结果表明，此方式可有效解决长波红外QCL单元器件输出功率偏低的问题。

太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器都是基于子带间电子跃迁的半导体器件，具有体积小、频率可调、响应速度快等优点。其工作波长位于微波波长和红外波长之间，其光谱涵盖了众多气体分子、化合物以及凝聚态物质的频谱特征，在天文观测、公共安全、生物医药等领域中有重大应用前景。近年来，太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的性能有了显著提高，其应用也受到关注。回顾了太赫兹量子级联激光器和量子阱探测器的发展历程，简述了其工作原理和器件结构，介绍了器件性能在工作温度、光谱范围等方面的最新进展及其在高分辨光谱、太赫兹成像、无线宽带通信等方面的应用，并在此基础上分析了目前存在的问题和研究热点，对其未来发展进行了展望。

量子纠缠态经级联环境中演化的量子非局域关联检验研究具有重要的现实意义。基于Hardy-type佯谬检验方案, 本文分别以两比特量子纯态和混合态为研究对象, 研究了其在级联环境中演化后的量子非局域关联检验情况。分析了纠缠态和腔的耦合强度、腔和库的耦合强度比值κ/γ以及马尔科夫环境和非马尔科夫环境对量子非局域关联检验的影响情况。结果表明, 在马尔科夫环境中, 且κ/γ越小, 成功进行量子非局域关联检验的演化时间越长。进一步给出了量子混合态能够成功进行量子非局域关联检验的混合度参数m的范围, 并给出了量子混合态经级联环境演化后, 可成功进行量子非局域关联检验的演化时间范围。

为了实现低成本微惯性测量单元(MIMU)的自对准功能、提高自对准精度, 提出了一种基于级联卡尔曼滤波(KCF)的动基座GPS单天线辅助MIMU自对准方法。首先, 对GPS单天线测得的速度矢量随机误差进行了总平均经验模态分解(MEEMD), 信号重构后使用卡尔曼滤波对其降噪解算得到航向角测量; 其次,以基座姿态角和陀螺常值漂移为状态量建立了系统的状态方程, 并融合加速度计和GPS单天线测量信息, 建立了系统的观测方程; 然后, 使用自适应无迹卡尔曼滤波进行信息融合, 实现了基座姿态角的最优估计。经仿真验证对比, 所提算法有效提高了自对准精度。仿真结果验证了所提算法在GPS单天线辅助MIMU自对准中的优越性。

针对压控振荡器(VCO)阵列注入锁定电路复杂和规模受限问题，提出一种 S波段 VCO阵列级联的新方法。通过在多个 VCO之间加入耦合网络，将传统的单级注入改进为级联注入锁定，并通过网络级联方式实现级联级数的扩展。各级 VCO之间通过耦合网络实现级联，首级 VCO通过信号源参考信号进行锁定，次级 VCO耦合前级 VCO射频输出端信号进行锁定，每级均通过 VCO电压调谐端进行注入。注入信号可锁定 VCO输出频率，改善每级 VCO输出相位噪声。通过级间耦合的形式，实现了一个微波源锁定多个 VCO的输出。设计加工了 2种级联注入 VCO阵列， VCO的输出频率与注入信号频率相同，各级 VCO相噪保持一致，当源相噪为-107.28 dBc/Hz时，各级 VCO的输出相噪保持一致，为 -105 dBc/Hz。该注入锁定方式电路简洁且成本低，未来有望应用在相控阵中。

量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。