综述了国内外在纳米加工X射线衍射光学透镜方面的研究现状和最新进展。介绍了作者团队过去三年在这方面做的工作。针对衍射透镜关键技术，研发了具有大高宽比形貌的电子束光刻基础工艺; 结合金电镀，提出了纳米尺度波带片的制造技术，并将该工艺成功扩展于分辨率板(Siemens star)和集成光栅型会聚透镜的研制。运用蒙特卡罗模拟和显影动力学，探索了电子束光刻技术所能够实现的最大高宽比以及造成这种限制的物理根源; 成功研制了50~100 nm的波带片透镜(其中，100 nm波带片高宽比为16∶1)、50~300 nm的分辨率测试板(其中，300 nm测试板高宽比为10∶1)和200 nm的会聚透镜(高宽比为10∶1)。对所研制的光学部件在同步辐射光源进行了实验表征。结果表明，100 nm波带片聚焦斑尺寸为234 nm，测试板和会聚透镜的光学特性与国外同样光学部件到达同等水平; 会聚透镜辐照的均匀性为99%。最后，总结了近几年我国X射线衍射透镜的发展进度，指出了衍射光学部件光学性能发展的最大瓶颈是分辨率与衍射效率相互制约，提出了提高光学部件衍射效率的具体途径，给出了我国X射线衍射透镜技术的未来发展路线图。

针对增强型X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)项目中嵌套式聚焦成像望远镜对柱面镜片上W/Si多层膜的要求，在掠入射角为0.5°，工作波段为1~30 keV条件下，设计了非周期W/Si多层膜并优化了薄膜制备工艺。首先，利用分隔板和掩模板对溅射粒子进行准直，同时优化了本底真空度和溅射工作气压，提升了薄膜的成膜质量; 然后，通过调整分隔板间距和公转速率提升了在柱面基底上薄膜的沉积均匀性; 最后，利用幂指数算法设计了非周期多层膜， 并在北京同步辐射光源上进行了多能点反射率测试，得到了与理论设计基本吻合的测试结果。基于优化的制备工艺制备了周期数为80，周期为3.8 nm和W膜层厚度占比为0.47的W/Si周期多层膜，其界面粗糙度仅为0.29 nm，柱面镜薄膜厚度误差可控制在3%以内，基本满足了eXTP项目中嵌套式掠入射望远镜镜片用多层膜对于成膜质量、沉积厚度均匀性和能谱响应宽度的需求。

为得到同步辐射光源硬X射线波段(>2 keV)需要的高宽比高分辨率波带片，本文利用高加速电压(100 kV)电子束光刻配合Si3N4镂空薄膜直写来减少背散射的方法，对硬X射线波带片制作技术进行了蒙特卡洛模拟和电子束光刻实验。模拟结果显示: Si3N4镂空薄膜衬底可以有效降低电子在抗蚀剂中传播时的背散射，进而改善高密度大高宽比容易引起的结构倒塌和粘连问题。通过调整电子束的曝光剂量，在500 nm厚的镂空Si3N4薄膜衬底上制备出最外环宽度为150 nm、金吸收体的厚度为1.6 μm，高宽比大于10的硬X射线波带片。同时，引入随机支撑点结构，实现了波带片结构自支撑，提高了大高宽比波带片的稳定性。将利用该工艺制作的波带片在北京同步辐射装置X射线成像4W1A束线8 keV能量下进行了聚焦测试，得到清晰的聚焦结果。

研制了光发射电子显微镜(PEEM )高精度微聚焦系统，以实现上海光源软X射线PEEM光束线的高质量聚焦。根据上海光源PEEM光束线的概况，给出微聚焦系统光学元件的基本参数。基于Kirkpatrick-Baez(KB镜)两镜方案，设计了PEEM线微聚焦系统。介绍了KB镜姿态调整机构的设计方案，即利用三垂直线性驱动装置和两水平线性驱动装置相结合来实现五维调节，分析了姿态调节机构的原理与工作过程，给出了微聚焦系统的整体设计方案。测试了KB镜系统的机械性能，给出水平调节机构以及第一面镜子Pitch运动的测试结果，结果显示: 水平调节机构分辨率为0.6 μm，重复精度为0.85 μm，Pitch角度分辨率为0.4″，重复精度为0.5″，优于指标要求。其它参数的测试结果亦均优于指标要求。实验表明，微聚焦系统机械指标的实现保证了PEEM线光斑的高质量聚焦。

为提高硬X射线聚焦元件的聚焦性能，利用LIGA(Lithographie， Galvanoformung， Abformung)技术，制备了深度为60 μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质硬X射线组合Kinoform透镜(CKL)，并获得了良好的面形。制备的CKL以宽度为几个微米的细窄线条为主要结构，包括曲面和直角面形，线条最窄宽度为2 μm。为保证CKL良好的曲面及直角结构，样品制备分为三部分: 过渡掩模板的制备，LIGA掩模板的制备，以及最终样品的硬X射线曝光制备。在LIGA掩模板制备过程中，采用制备有纳米柱阵列的硅衬底有效解决了光刻胶脱胶的问题。在最终样品制备过程中，选用分子量较高的PMMA片作衬底，提高了PMMA刚度，有效缓解了细窄线条的倒塌黏连问题，保证了CKL的良好面形。在北京同步辐射光源(BSRF)成像站测试了CKL透镜的性能，结果显示其对于8 keV的X射线，聚焦焦斑的半高全宽(FWHM)为440 nm。

由于Al膜的保护层MgF2薄膜的光学常数对Al/MgF2高反射镜的性能有极大的影响， 本文研究了获取MgF2薄膜光学常数的方法。用热舟蒸发的方法在室温B270基底上镀制了3块不同MgF2厚度的Al/MgF2反射镜样品，通过掠入射X射线小角反射方法表征样品，获得了膜层厚度和粗糙度。在国家同步辐射实验中心计量站测试了入射角为5°时，样品在105~130 nm波段的反射率。在Al、MgF2膜层的厚度和Al的光学常数已知条件下，依据菲涅尔公式，得出了满足某波长处样品反射率的等值曲线，然后从三条曲线的交点得出了MgF2薄膜在108~128 nm波段的光学常数。对比和分析显示: 利用此方法得到的108~128 nm波段MgF2薄膜光学常数计算的反射率曲线和实际测试得到的反射率曲线吻合较好。

开展了轻气炮加载条件下材料动力学微观响应测量的实验研究。基于脉冲宽度约25 ns的商业化闪光X射线源，采用积分式记录设备，建立了轻气炮加载条件下的实时X射线衍射诊断系统。介绍了实时X射线衍射测量原理及系统，讨论了由于冲击过程持续时间短，且闪光源输出X射线脉冲时具有延时和抖动，X射线脉冲与冲击波到达样品被探测区域难以同步的问题。最后，提出了采用精细的多层靶结构设计和纳秒响应的压电探针实现探测X射线脉冲和冲击波精确同步的方法，并获得了轻气炮加载下LiF晶体峰值压缩状态的实时X射线衍射图像。实验结果显示: 加载压力为2.33 GPa时，LiF晶体的晶格形变量为1.73%。该实验技术为开展轻气炮加载下材料微观特性研究提供了一种有效技术途径。

针对极紫外(EUV)光刻机工作过程中，多层膜反射镜表面沉积碳污染造成的反射率下降问题展开研究，讨论了多层膜反射镜表面碳污染清洗方法。首先描述了在EUV曝光过程中多层膜表面的碳污染形成过程，简单阐述了碳污染对多层膜反射镜的危害。然后从清洗机理、速率以及效果等方面详细描述了多种EUV多层膜表面碳污染清洗方法，分析对比了各清洗技术在清洗速率和效果等方面的优缺点。分析表明: 离子体氧和活化氧清洗速率相差不多，可达到2 nm/min，但清洗过程中容易造成表面氧化; 等离子体氢和原子氢的清洗速率相对较慢，一般在0.37 nm/min左右，但清洗过程中不易产生氧化。最后针对不同方法应用于在线清洗EUV多层膜反射镜过程中将遇到的问题和难点进行了讨论。

在北京同步辐射光源上使用自由空气电离室绝对测量了同步辐射硬X射线光子通量。通过自由空气电离室复现空气比释动能率量值，根据在电离辐射量及其单位中定义的空气比释动能与注量及通量的关系，定量得到了光子通量。由于在测量期间，光子通量随时间变化，而测量需要一定的时间，因此，研究了配套的在线通量监测系统，监测带来的不确定度为0.03%。通过测量空气衰减修正因子及复合损失修正因子，结合在线通量监测，在能量为15 keV的同步辐射X射线上用自由空气电离室复现了空气比释动能率。在实际实验条件下复现的空气比释动能率为0.239 Gy/s，从而得到同步辐射X射线的光子通量为5.28×109 photons/s， 相对标准不确定度为0.68%。

为满足“神光Ⅱ”升级激光装置实验的激光等离子体高空间分辨和窄带宽的精密成像诊断需求，本文研究球面弯晶单色成像技术，并对其进行优化设计及实验验证。首先，使用光线追迹方法分析了成像像距、布拉格角、背光源尺寸等成像系统参数对球面弯晶成像性能的影响，分析了设计参数的变化对成像空间分辨能力的影响，并在X射线管上开展了测试验证实验。研究结果表明: 二维成像时，在等分辨成像像距处可以获得较好的成像结果，增大布拉格角可以抑制像差进而提高成像质量，更小的背光源尺寸也有助于提高成像的空间分辨率。测试实验获得了清晰的网格背光成像，成像结果与预期相符，空间分辨率优于14 μm。这一工作有助于球面弯晶成像系统的优化设计及其在激光等离子体精密诊断中的应用。

NiC/Ti中子超镜是一种高性能的中子多层膜光学元件，是提升中子导管、聚焦装置等中子光学系统的中子利用率的关键之一。为了提升NiC/Ti中子超镜的性能，本文面向具有不同厚度NiC膜层的NiC/Ti多层膜，分别采用X射线掠入射反射和X射线衍射的方法表征了NiC/Ti多层膜的膜层厚度、界面粗糙度和膜层晶向结构。研究结果表明: 随着NiC膜层厚度的增长，除了在较小尺度(≤2.5 nm)，NiC-on-Ti界面的粗糙度基本保持不变; 而Ti-on-NiC界面的粗糙度却呈现出较大的变化。具有不同厚度的NiC膜层的NiC/Ti多层膜的界面粗糙度呈现不对称性的变化，主要原因在于NiC膜层的微结构随着膜层厚度的增长而产生了变化。

根据CCD的工作特点，采用曝光控制和多帧图像叠合技术，研制了基于CCD和CsI闪烁体的硬X射线成像探测器，以提高对硬X射线的探测效率。 搭建了实验平台，以微加工技术制作的镍准直器为成像目标进行了实验验证。实验中，利用55Fe放射源对CCD进行直接成像; 然后利用241Am放射源同时对CCD和硬X射线成像探测器分别进行直接成像和间接成像。最后，对图像中出现的拖影、清晰度渐变和区域亮度不同等现象进行分析。分析结果表明: 相比CCD本身，这种技术不仅拓展了探测器的可响应能区，而且提高了的量子效率，并且在241Am放射源照射下，实现了对硬X射线的高分辨成像，其空间分辨优于50 μm。该器件可作为位置灵敏探测器应用于未来空间天文观测。

为了正确表征X射线光源参数，本文利用单次全反射椭球单玻璃管X射线聚焦镜，设计了一种测量X射线光源焦斑尺寸和焦深的方法。该方法利用椭球单玻璃管X射线聚焦镜具有单次全反射成像能力的特点，对多个已知焦斑尺寸的多毛细管X光透镜模拟光源的焦斑成像尺寸和椭球聚焦镜的面形误差进行表征，从而确定光源焦斑尺寸和经过椭球聚焦镜后的焦斑成像尺寸以及椭球聚焦镜的面型误差之间的通用数学关系。然后，通过分析待测光源焦斑经过椭球聚焦镜所成像的尺寸来得到被测量光源的焦斑尺寸。利用该法也同样可以得到光源焦深的大小。为了验证设计方法的可行性，测量了实验室微焦斑X射线光源的焦斑和焦深参数。测试显示: 对于焦斑直径约为50 μm、焦深约为20 mm的光源，文中方法得到的算术平均值标准偏差分别为1.5 μm和0.7 mm。结果表明: 本文设计的光源参数表征方法可以实现对微焦斑源焦斑尺寸和焦深的同时测量，在X射线源的研制和应用领域具有潜在应用。

针对上海光源X射线吸收精细结构光谱仪对灵敏度和分辨率的要求，研制了三晶体多轴同步辐射X射线荧光光谱仪。其采用一台双晶单色器提供实验X射线，用3块凹面晶体构成系统主体色散结构，并在竖直平面内组成相交的罗兰圆实现荧光分析，可实现10°范围内的布拉格角变化。光谱仪通过高精度控制驱动设备使位移平台实现了3块晶体的4轴联动和总台的2轴联动， 其中对位移平台的各轴精度达到了单步长移动25nm，可以实现高分辨率的三维扫描工作。编写了探测器的驱动软件，提高了驱动器的测试灵敏度和分辨率。最后，利用国际通用的实验物理控制系统——EPICS(Experiment Physics and Industrial Control System)完成了整个系统软件的设计，实现了系统各部分的精确控制、自动测量、数据分析和结果显示与存储等功能，构成了一套完整的基于同步辐射光源的高精度高分辨率X射线荧光光谱分析系统。采用钴元素作为测试样品进行了分析实验，结果显示: 该光谱仪单次测量时间小于1.5 s，测试精度达到 0.4 eV，分辨率为0.1 eV。光谱仪可以完成对样品荧光的采集和分析，操作时间、精度、分辨率和重复性等性能指标均优于现有国内、外设备，目前已成功应用于上海光源XAFS线站的各项科学实验中。

对典型的光电跟踪系统进行结构分析，提出了改善机械结构谐振频率的方法， 以便提高光电跟踪系统的跟踪速度。研究了典型跟踪架的垂直轴系的结构， 认为单向止推轴系沿轴向的窜动限制了扭转刚度。提出了以双向止推密珠轴系结合定心轴系的结构形式设计垂直轴系，从而有效地提高了系统的刚度，改善了系统的机械谐振频率。对改进后的跟踪架进行了模态仿真分析，并通过振动及扫频试验获得了光电跟踪系统谐振频率特性曲线。实验结果表明，系统谐振频率达到114 Hz，为伺服系统实现高速跟踪时的稳定性和快速性提供了硬件基础。在舰面跟踪高速起降目标的试验中，该系统最大跟踪速度达到150(°)/s以上，加速度大于240( °)/s2，显示其光电跟踪能力显著提升。

对光子晶体光纤的端面研磨过程进行研究， 讨论了光子晶体光纤端面研磨损伤的特点。针对光子晶体光纤的结构特点，应用有限元法建立了数值仿真模型。通过单一磨粒切削孔壁的仿真实验， 分析了不同切削深度下裂纹损伤的产生情况以及不同磨粒直径对光纤孔壁结构造成的损伤。最后通过实际研磨实验验证了分析结果。结果表明: 有限元法能够很好地模拟光子晶体光纤的端面研磨过程; 研磨过程中，相对于非孔洞区域，孔壁边缘更容易出现损伤，呈现出沿圆周分布的崩塌区域; 边缘崩塌区域尺寸随磨粒直径的增加而增加。实验用光子晶体光纤孔壁边缘无崩塌的最大切削深度低于普通光纤脆塑转变的临界切削深度，使用0.02 μm的砂纸进行抛光可以有效地避免对光子晶体光纤孔壁造成损伤。

基于两移动一转动三自由度平面并联机构构造了一种新型五自由度串并混联机器人并对其并联部分，一具有运动冗余和驱动冗余两种不同模式的平面并联机构(2PRR)2+R进行了运动学分析。首先，建立了三自由度平面并联机构的运动学模型，基于机构的运动学模型推导得到了冗余和非冗余驱动并联机构的刚度矩阵，并且通过求取并联机构各组成构件的等效质量，得到并联机构的质量矩阵; 然后，借助系统刚度矩阵和质量矩阵建立的并联机构动力学方程，求得了机构的固有频率方程; 最后，通过数值仿真对冗余和非冗余驱动并联机构的刚度及固有频率进行对比分析。结果显示: 冗余驱动分支对机构绕Z轴方向角刚度和系统的一阶固有频率均值影响最大，其增幅分别为88.46%和31.50%; 对X轴方向的线刚度和系统的二阶固有频率均值影响最小，其增幅分别为52.34%和1.90%。因此，冗余驱动分支有助于提高并联机构的整体刚度，改善机构的动态性能。

由于有阀压电泵内部阀体所受应力过大易导致阀体失效，本文提出了钹型开槽式截止阀来减小有阀压电泵内部阀体所受应力。基于钹型开槽式截止阀设计了有阀压电泵，分析了钹型开槽式阀压电泵的工作原理。对钹型开槽膜片进行了受力分析，研究了该压电泵的输出性能及耦合作用下的膜片应力。加工制作了钹型开槽式阀压电泵样机，建立了钹型开槽式阀压电泵的有限元模型，数值计算了流固耦合作用下的阀体应力值。计算结果表明: 在压电泵正常输出的驱动频率范围内，当驱动频率为418 Hz时，膜片所受应力的计算值也达到最大，为81.74 MPa。最后，进行了压电泵性能试验。试验结果显示: 该压电泵的输出流量最大值和振子振幅最大值均出现在低频段; 当驱动电压为160 V，驱动频率为5 Hz时，输出流量达到最大，为6.6 g/min; 驱动频率为4 Hz时，压电振子振幅达到最大，为165.8 μm。文中的研究验证了钹型开槽式阀体压电泵的有效性，并得出当钹型开槽式阀压电泵工作在低频段时，阀门所受应力远小于高频段时阀门的应力值。

针对大型空间红外相机对复杂支撑功能且重量小、刚度高框架的需求，本文设计了一个全部由桁架杆互相支撑形成的框架， 并通过结构分析、工艺试验和力学试验验证了框架的可行性和可靠性。该框架由58根碳纤维支撑杆和21个接头组合形成相机的主支撑结构，可支撑多个周向分布的光学组件，且满足框架总质量不超过55 kg的要求。介绍了框架的装调和胶接方法和步骤，进行了有限元分析和力学试验，验证了三角形封闭的桁架杆结构在黏接强度降低的情况下，仍能够在相机受力状态下具有足够的安全裕度。力学试验得到框架的一阶谐振频率为90.4 Hz，满足一阶谐振频率不低于60 Hz的要求，与有限元分析结果相符。

为了精确测量“高分二号”(GF-2)卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态，建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成，通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行标定，制定自动测量规划，然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时，可启动CCD相机对被测对象局部区域进行搜索识别，并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证，结果显示: 该系统姿态测量精度可以达到5″，与标准值比对最大偏差为4.1″; 该测量系统已用于GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中，重复标准差最大为3.5″，满足GF-2对机上设备安装姿态测量精度的需求。

考虑多波段图像的融合识别可以扩展识别系统的应用范围，本文探索并设计了一种基于卷积神经网络的融合识别方法。该方法以AlexNet网络模型为基础，同时对可见光、中波红外和长波红外三波段图像进行特征提取; 然后，利用互信息的方法对串联的三波段特征向量进行特征选择，依据重要性排序的方式选定固定长度的特征向量; 最后，依据特征提取层级的不同，分别以早期融合、中期融合和后期融合3种融合方式来验证算法的有效性。采用自建的三波段舰船图像数据库进行了模型的训练和测试，共包含6类目标，5 000余张图像。实验结果显示，采用的3种融合识别方法中，中间层融合的识别准确率最高，达到84.5%，比早期融合和后期融合分别高5%和7%左右。另外，在本文的应用场景下，无论何种融合方式，其融合识别的准确率均明显高于其他单波段识别的准确率。

由于现有的动作识别方法不能直接用于人体微反应动作识别， 本文基于人体下肢微反应动作特点，构建了一种时空金字塔韦伯局部描述子并设计了基于字典学习的人体下肢微反应自动识别算法。 该方法利用时空金字塔韦伯局部描述子提取每一类人体下肢微反应动作特征，使用主成分分析法对特征降维; 然后，建立每一类动作子字典并将子字典串联形成总的动作字典; 最后，通过实验分析了金字塔级数L，降维后每类动作特征维数dPCA，每类动作子字典原子个数nAtom，以及稀疏阈值C等参数对识别结果的影响，并确定最优参数值L=3，dPCA=30，nAtom=40，C=10。 实验结果表明，提出的算法对10种人体下肢微反应动作的识别率均在0.83~0.91之间，平均识别率达到0.86，高于其他动作识别算法。设计的算法更适用于人体下肢微反应动作分类，并可有效提高分类识别率。

为了实现基于点云的空间目标相对位姿快速估计，提出一种旋转投影二进制描述符(BRoPH)。该描述符首先建立特征点处的局部参考坐标系，然后通过旋转投影局部点云生成不同视角下的密度图像块和深度图像块，最后根据图像块生成特征点的多尺度二进制字符串。针对位姿估计对实时性的要求，在分析BRoPH Hamming距离分布的基础上，提出了基于Hamming距离阈值的特征匹配策略，用于剔除潜在的错误配对，加快位姿估计收敛速度。最后，在基于局部特征描述符位姿估计框架下分别与SHOT描述符和FPFH描述符进行了比较。结果表明: BRoPH描述符在仅需要SHOT和FPFH平均内存1/80的基础上，得到了远高于SHOT和FPFH的平均位姿估计精度，其平均姿态误差小于01°，平均位置误差小于1/180 R。此外，基于Hamming距离阈值的特征匹配策略使得BRoPH的位姿粗估计速度加快了7倍，总体位姿估计频率超过7 Hz，比SHOT和FPFH分别快3~6.8倍。该方法具有占用内存小、计算速度快、位姿估计精度高和抗干扰能力强等优点，满足基于点云的空间目标位姿估计实时性要求。

目前多数水印算法将伪随机数列作为水印，算法设计时多偏重于提高水印隐蔽性和鲁棒性，但忽略了水印自身的安全。本文提出了一种基于量子密钥真随机性的，可进行篡改定位的、面向安全通信的空域水印算法来提高水印的安全性。该算法使用基于BB84协议原理、通过量子密钥分发机制生成的具有真随机性和绝对安全性的量子密钥制备二值图像水印， 并结合首次提出的量子密钥矩阵模型与8-邻域随机定位理念，将量子水印动态随机地嵌入到载体图像中。 传输完成后，接收方可以快速提取水印信息，精确判断水印图像完整性及传输过程安全性，并能够对篡改进行定位。对算法进行了隐蔽性、鲁棒性以及篡改定位测试，结果表明: 提出的算法简单，具有高安全性和隐蔽性，同时兼顾鲁棒性，篡改定位精度达3 pixel×3 pixel， 可以广泛应用于数字图像的安全传输中。