边界层是地面与自由大气的过渡带, 对人类活动有重要影响。由于边界层上部位置较高, 进行精细结构观测很难。在室内对流水槽(150 cm×150 cm×60 cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展。将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据, 对光斑图像数据进行频谱分析。根据光在湍流介质中的传输理论确定无标度区间得到边界层各高度处的标度指数。研究表明, 均匀下垫面标度指数在混合层基本在-8/3左右, 接近各向同性湍流的理论值。而夹卷层的标度指数, 实验初期严重偏离理论值, 但在实验后期, 由于对流剧烈也逐渐接近-8/3, 此时夹卷层也趋于混合均匀。夹卷层平均标度指数与对流Richardson数存在一定的关系。标度指数廓线随高度的变化特点与同时刻的热通量廓线和归一化光强方差廓线有比较一致的对应关系。

针对中国近海海域的水体大多是混浊水体和其上空有较多吸收性气溶胶的情况, 提出了适合反演该区域上空气溶胶光学特性的新算法。该算法利用多个查找表和基于经验得到下垫面为等效干净水体的晴空图像, 采用插值方法实现了对中国近海海域上空气溶胶光学特性的反演。经过在东山岛地区同地面同步观测多次实验对比, 结果发现该算法可行且具有较高的精度; 并以渤海湾地区为例, 进行了初步的反演应用研究。该算法不仅能为我国海洋和风云系列卫星资料的大气校正研究提供相关的技术基础, 还可以直接利用刚发射的FY-3卫星上的CMODIS数据来反演近海海域的气溶胶光学特性。

分析了大气散射和吸收特性, 并进一步研究了大气散射所引起的激光脉冲延迟效应, 定量分析了在不同能见度、不同脉冲传输距离、不同散射系数和单程散射反照率的条件下, 大气信道所产生激光脉冲传输延迟时间, 为探测误差的校正提供了理论依据。通过对仿真结果的分析可知, 在衰减系数不变的条件下, 大气信道的散射越严重, 散射所造成的路径延迟就越大, 激光脉冲传输延迟时间也就越长; 而大气的吸收效应越明显, 激光脉冲传输延迟时间越短。

针对机载激光雷达信号Fernald前向反演方法要求准确得到标定值的问题, 提出了一种新的定标方法：在机载激光雷达探测得到的各条大气回波信号廓线中, 使用一条已知其大气气溶胶后向散射系数垂直分布的廓线, 通过机载激光雷达方程来确定出其他各条回波信号廓线上的大气气溶胶后向散射系数标定值。模拟分析和实验验证了这种定标方法的可行性, 用其标定值反演出的大气气溶胶后向散射系数垂直廓线是较为合理准确的; 误差分析表明由该定标方法反演的大气气溶胶后向散射系数相对误差在20%以内。这种定标方法是可以运用于机载激光雷达信号Fernald前向反演的。

针对高散射特性的二类水体中难以测量的双向性函数Q, 利用HYDROLIGHT模拟观测角为太阳天底角下440 nm处的Q值, 并分析环境及水体光学特性对Q值的影响。结果表明,在高散射特性的近岸水体或内陆湖泊水体中, 由于散射次数的增加, 使得风速、散射相函数等影响因素对Q值影响相对减小, 单次散射反照率W0和太阳天顶角θ成为Q值的主要影响因素; 随着深度的增加,双向性函数Q受边界条件和光线入射状况影响的程度逐渐减少, 直至不受其影响, 而成为只与固有光学量相关的内秉光学量; 利用Q值的主要影响因素W0、θ和上行辐亮度的漫衰减系数KLu分别对Q值进行参数化, 得到Q值的2种参数表达式。

光纤光栅(FBG)应变传感器的光-力转换方程, 为其标准化设计、参数标定及精度分析的理论依据。基于Ansari光纤传感器的应变传递分析模型及弹性力学的基本理论, 建立了统一的埋入式光纤光栅应变传感器光-力转换的基本理论方程。方程的建立反映了传感器复合体内部及其与观测环境之间的力学耦合机制, 考虑了应变传递分析模型的各边界条件、变形协调条件, 以及传感器的所有几何尺寸。对传感器实例的实验研究表明, 这一理论方程基本可靠, 可成为光纤光栅应变传感器优化设计和性能分析的实用化理论工具。

提出了一种利用取样光栅周期的啁啾平衡切趾取样光栅单信道内直流分量的方法, 基于该方法的切趾光栅滤波器具有波长设计灵活不受限于模板周期和只需一次曝光过程、亚微米量级制作精度的优点。利用均匀光栅最大反射率测量模型和零点带宽测量模型得到了实验所使用的载氢光纤紫外光致折射率变化量与曝光时间的关系。在此基础上, 利用提出的新方法设计并实验制作了中心反射波长为1549.84 nm,3 dB带宽分别为75 pm和55 pm的两根升余弦切趾光栅滤波器, 实验制作与理论设计仿真结果非常接近, 成功消除了取样光栅-1级子光栅谱短波长方向处的法布里-珀罗共振现象, 得到的光栅滤波器反射谱和透射谱具有良好的对称性, 反射谱边带抑制度在20 dB以上。

非对称型Y分支波导是用于实现分支波导光功率非均分输出的重要单元器件, 在集成光子器件中有广泛应用。基于全内反射原理, 提出了一种新型非对称Y分支波导, 通过将左右分支波导相对于输入波导在横向方向上进行偏移以实现特定分束比光输出, 并对其光学特性进行模拟分析。结果表明, 该波导结构不仅能实现任意特定分束比光输出, 在分支角达到14°条件下其输出损耗仅为0.417 dB, 而且偏振依赖性低、工艺制作难度小, 这种新型非对称Y分支波导在集成光子器件中具有重要应用意义。

提出了一种新型全光半减器组合逻辑方案。该方案基于两个半导体光放大器（SOA）和窄带光滤波器（NOBPF）。利用SOA的四波混频（FWM）和交叉增益调制（XGM）效应, 通过调整NOBPF的中心波长, 第一个SOA产生逻辑“·B”门, 提供半减器的“借位”, 同时该SOA产生“同或”逻辑; 第二个SOA产生“非”逻辑, 两个SOA级联后产生逻辑“异或”门, 提供半减器的“差”位。实验中, 实现了两路10 Gb/s伪随机归零（RZ）码信号间的全光半减逻辑运算。

稳定性高、低成本的窄脉冲光源、高性能编解码器和具有旁瓣/噪声抑制功能的接收机是光码分多址系统实用化的3个关键模块。实验中利用增益开关脉冲光源和63 chip等效相移超结构布拉格光纤光栅相位编解码器的半边带应用, 判决门限调整与宽带判决相结合的接收机实现了双用户、2.5 Gb/s 100 km传输。实验中测量了误码率与判决时刻和判决门限的关系曲线, 系统在10 ps的判决时刻容限内和17%的幅度判决容限内实现了无误码传输。

提出了一种利用单光源光电振荡器（OEO）结构实现多波长光脉冲输出的方案。通过一个直调光源和光谱切片技术在OEO腔内可以产生不同中心波长的光脉冲和电时钟信号。腔内多个波长通道自然形成的多环路结构可以有效地抑制信号边模。在5 GHz频率的实验演示中, 该系统产生了脉宽约10 ps, 抖动1 ps的单波长脉冲、20 GHz（4×5 GHz）的时分复用脉冲与波/时分复用脉冲。所得到电时钟信号的相位噪声在频偏10 kHz处为-113 dBc/Hz,边模抑制比为100 dBc/Hz。

由两根在空间呈X型放置的光波导组成的空间交叉波导结构是构成垂直耦合光分束器、垂直耦合光滤波器、垂直耦合光开关和垂直耦合上/下复用器等三维集成光学器件的基本结构单元。提出用一种等效模场匹配法分析空间交叉波导耦合特性, 将矩形波导的场分布看成是对圆对称光纤场分布的微扰, 解决了对角区场分布的表达, 从而计算空间交叉波导的耦合长度, 并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果。将两种方法所得的空间交叉波导耦合长度加以比较, 最大误差为1.2%, 平均误差为0.9%。结果表明该等效模场匹配法具有精度高、运算速度快等优点, 为基于空间交叉波导的三维集成光学器件的设计和分析提供理论基础。

在数字全息研究中, 为了充分利用CCD器件有限的空间带宽积, 常采用同轴全息记录。然而用同轴全息图再现时, 再现物光波和共轭物光波是混在一起无法分开的。有效消除同轴全息图再现光波场中的共轭像是数字全息应用中的一项关键技术。基于菲涅耳衍射运算和逆运算, 提出一种用同轴数字全息图重构物光波面的迭代算法。该方法利用同轴全息图再现时, 再现物光波和共轭物光波衍射特性的不同来剔除共轭物光波成分, 从而将再现物光波成分有效分离出, 实现单幅同轴全息图的物光波面数值重构。计算机模拟实验证明了该方法简单易行。

提出了一种基于Gabor小波变换的菲涅耳全息图的数值再现方法, 实现无需空间滤波处理, 即可对物光波进行数值再现。给出Gabor小波变换以及小波变换脊的定义, 并从理论上证明通过对全息图进行Gabor小波变换, 提取小波变换脊对应的小波变换系数, 包括幅值与相位信息, 即可直接获得与+1级频谱相对应的被测物光在全息面上的强度与相位分布, 并同时直接消除零级衍射像以及孪生像的影响。通过计算机模拟再现光波经全息图衍射后的传播规律实现数值再现, 得到清晰的再现像。通过计算机模拟一相位型物体以及实验证明该方法的有效性。

阈值分割是图像分割中广泛采用的一种简单有效的方法。将群智能中的人工鱼群算法应用到阈值分割算法中, 提出了二维Otsu阈值分割的人工鱼群算法。通过大量实验表明, 该算法能够准确的找到最佳阈值。同时将基于人工鱼群算法的二维Otsu 算法与基于基本遗传算法及最优保存策略遗传算法的二维Otsu 算法进行比较, 分别独立运行10次, 对10次得到的阈值以及均值、方差进行了比较, 并将收敛曲线作为算法复杂度的评价指标。统计结果显示, 该算法不仅能够对图像进行更准确的分割, 而且收敛的速度更快。

为解决多光谱图像打印输出问题, 提出一种用非线性优化技术实现光谱图像打印分色的方法, 以同时提高再现图像的光谱精度和色度精度。从分析打印系统成色机理及Neugebauer光谱模型入手, 比较了图像光谱特性和色度特性对打印效果的影响, 可知输出图像光谱误差和色度误差对打印质量均至关重要; 据此构造了图像光谱误差和色度误差目标函数, 分别反映再现图像的光谱精度和色度精度, 并根据实际打印过程对各打印基色的墨量控制值进行约束; 最后采用非线性优化方法, 逐点计算图像光谱对应的墨量控制值, 实现打印分色。实验表明, 该方法能同时兼顾再现图像的光谱精度和色度精度, 与仅考虑光谱误差的迭代分色方法相比, 再现色度精度能提高约3～10倍。

针对红外传感器成像信噪比低且易受噪声、背景杂波干扰的问题, 结合红外图像中点目标成像的特性, 充分利用目标、背景杂波及噪声在空间域中的分布特性, 进行空间匹配滤波器的优化设计。首先对红外点目标特性进行了分析, 在此基础上进行一维匹配滤波器的优化设计, 进而构建了优化设计的空间匹配滤波器。结合优化设计匹配滤波器、形态学背景抑制和自适应门限的红外弱小目标检测算法由于充分考虑了红外点目标的衍射效应和目标与背景的灰度差异, 使滤波过程智能地融入了目标和背景的特性, 极大地提高了红外弱小目标的检测性能。实测数据验证表明, 本检测算法对低信噪比(fSNR≤2)的红外图像, 在保证10-5虚警概率前提下, 检测概率不小于95%。

针对图像复原的病态反问题进行研究, 分析了图像复原的数学模型及其病态性, 提出了组合傅里叶变换与曲波变换的图像复原(ForCurIR)算法。算法利用傅里叶变换对色噪声和曲波变换对分片光滑图像的稀疏表示特性, 将图像复原问题转换成傅里叶变换域约束去卷积和曲波变换域约束去噪问题, 最后通过组合傅里叶变换域和曲波变换域收缩法实现去卷积和抑制噪声。实验结果表明：ForCurIR算法很好地再现了图像的边缘等细节信息, 复原出的图像在信噪比和视觉质量两方面都有显著的提高。

光学相干层析成像过程中产生的噪声恶化了其成像质量。提高图像的信噪比一直是光学相干层析系统研制中一个焦点问题。根据光学相干层析系统采集的原始图像的信号和噪声分布的特点, 对双变量收缩的小波去噪方法进行了改进, 增加噪声系数比较多的子带的死亡地带半径来去除图像的噪声。利用对比度噪声比率、信噪比和边缘保持参数等评价指标来评价图像的改善效果。结果表明该方法能有效地去除噪声并可保留光学相干层析原始图像的边缘特征。

相位变更(PD)方法是一种基于两个或多个不同离焦面图像来恢复光瞳畸变波前相位的光学波前传感技术。它使用相对简单的光学系统, 运用统计最优化计算方法, 借鉴图像处理中的一些技术手段, 在得到波前信息的同时, 还可以得到目标的清晰像。但当图像存在噪声时, 用于优化算法的误差函数会出现许多局部极值点, 这会影响算法的收敛速度, 甚至会导致算法陷入局部极值而得不到正确的估计解。为消除这些影响, 需对图像进行降噪处理。在实际光学系统中, 由于光瞳大小的限制, 实际得到图像的高频信息一般要远少于低频信息, 所以宜使用低通滤波器对图像进行滤波。仿真中通过比较各种滤波器性能, 针对含有加性高斯噪声的图像, 采用了对图像模糊影响较小的巴特沃思(Butterworth)低通滤波器。研究结果表明, 利用滤波器处理后的图像, 相位恢复结果的均方根误差(RMSE)比未使用滤波器有明显下降。

提出了一种新的结合非下采样Contourlet变换(NSCT)和斯坦无偏风险估计(SURE)的自适应图像去噪方法。通过NSCT对含噪图像进行分解, 根据斯坦无偏风险估计准则对分解后的噪声图像进行均方误差EMS估计, 并依据得到的EMS构造线性自适应阈值方程, 对含噪图像的每一个分解子带进行阈值去噪。对自适应阈值去噪后的图像分解子带进行重构, 得到去噪图像。实验结果表明, 该方法可以有效地消除标准图像和自然图像中的噪声, 在去噪图像峰值信噪比(PSNR)和边缘保持性能上都优于已有算法。

针对复杂光照条件下非凸表面完全重构问题, 提出了一种基于两步策略的多目重构新方法。把立体匹配过程转化为颜色方差最小化问题, 利用颜色方差阈值来平衡采样点数与采样噪声之间的矛盾, 同时回避了立体匹配算法的二义性。采用水平集方法建立曲面运动方程, 通过符号距离函数的演化过程逼近目标表面; 通过弹性势能的最小化过程滤除采样噪声, 增强对遮挡、光照条件的稳键性。实验结果表明, 该方法能够在复杂光照条件下推断出非凸目标形状, 且与Jin的算法比较, 表现了更好的准确性, 节省31%~39%的重构时间。

传统的虹膜定位方法是在人眼图像上把虹膜轮廓当作理想圆来提取。针对虹膜内边界不是理想圆, 外边界边缘模糊等问题, 提出一种新的虹膜轮廓提取方法。先利用极坐标变换将包含全部虹膜区域的某个范围展开成矩形形状, 然后在此矩形区域上根据灰度的阶跃进行虹膜真实内边界的查找, 最后在矩形区域上利用直线定位虹膜外边界代替在人眼图像上利用圆定位外边界。该方法不仅解决了内边界不是理想圆造成的瞳孔遗留或纹理损失问题, 而且以点、线检测代替圆检测显著降低了虹膜定位时间。通过对CASIA-IrisV3虹膜图像库进行定位测试结果表明, 该方法平均定位时间0.172 s, 定位准确率99.35%。

声光可调谐滤光器(AOTF)的谱线半峰全宽（FWHM）以及换能器结构的不理想导致图像退化, 空间分辨率降低。为了提高光谱数据的空间分辨率, 将计算机断层图像复原中的期望值最大化（EM）算法应用到降质图像预处理中, 可在对图像模糊降质程度估计不准确时进行运算, 利用迭代求解逐次逼近最终收缩于原始目标。实验结果表明, 该算法不依赖于数字图像周期拼接的假设, 因而有效避免了传统的去卷积复原算法中产生的边界振铃现象, 提高了图像的空间分辨率, 图像质量得到改善。该算法对改善AOTF高光谱成像质量有较大意义。

Flynn最小不连续相位展开算法能成功展开多种类型的包裹相位数据, 但该算法在整个包裹相位图像中循环搜寻相位不连续区域, 使整个图像的相位不连续最小, 计算量大, 效率较低。为了克服该缺点, 将禁忌搜索的思想应用于最小不连续相位展开算法中, 利用包裹相位图的质量图, 按照质量从劣到优把所有节点划分到不同的等级, 将高质量区域的节点暂时禁忌。这种禁忌搜索策略, 优先在低质量区域搜索相位不连续, 确保搜索区域从不连续概率最高的区域开始, 因此最大可能地减少了无用的搜索过程, 加快了算法的收敛速度, 提高了相位展开算法的运行效率。

为改善已研制光学微扫描显微热成像系统的空间分辩力, 微扫描零点需要确定。基于几何原理, 研究提出了一种利用数字图像处理技术进行零点定标的方法。给出了微扫描零点的定义、详细分析了零点定标原理及方法, 完成了实际显微热成像系统的微扫描零点定标。针对红外热图像, 模拟零点定标前后的实际系统, 采用不同重构方法进行了仿真研究, 给出了评价参数; 利用零点定标后的光学微扫描显微热成像系统采集低分辨力显微热图像序列进行过采样重构研究, 仿真和实验结果表明了该方法的有效性, 从而得到了高分辨力光学微扫描显微热成像系统, 可应用于需要显微热分析的场合。

针对目前双目视觉立体匹配算法计算量过大、实时性不强的问题, 提出了一种平行配置系统的快速立体匹配算法。利用两幅视图的差异将视图分为特征点和非特征点, 然后对特征点采用WTA (winner-take-all)方法进行匹配, 而对非特征点只进行简单的验证, 最后得出致密的视差图。该算法利用视差的分段连续性, 大大减少了运算量。实验结果表明, 该算法提取的特征点集中于视差不连续区, 与目前其它基于区域的匹配算法相比, 该算法得到的误匹配像素百分比与其它算法相当, 而计算速度却提高了一个数量级, 并且边缘特征较好, 是一种有效可行的高实时性立体匹配算法。

研究了水体的前后向散射光和目标反射光的传输特性, 运用脉冲激光器和增益型CCD(ICCD)搭建了距离选通激光水下成像实验系统, 建立了计算距离选通激光水下成像系统光信号的数学模型, 分析了图像对比度传递系数与门控信号的关系。编制计算机程序, 根据所搭建实验系统参数计算并绘制了距离选通激光水下成像系统门控信号与图像对比度传递系数的关系曲线, 提出了距离选通激光水下成像系统最佳门控策略。数值计算和实验结果表明：在ICCD未饱和的情况下, 精确开门得到的图像质量最高, 不论是滞后开门或是提前开门都会使图像分辨率有所下降, 但滞后开门比提前开门较为有利, 并且选通门开启的持续时间则应取激光脉宽的1～3倍。

研制了一套单线羟基(OH)分子标记示踪流场速度测量系统, OH分子标记线由193 nm波长脉冲氟化氩(ArF)准分子激光束解离流场中的水分子产生, 利用脉冲染料激光倍频的约282 nm激光片显示OH分子荧光图像, 由获得的两个时间关联的OH分子标记线位置图像计算流场的速度分布。研究了空气和火焰中193 nm波长激光解离水产生的OH分子寿命, 实现了常温空气流场和高温超音速流场速度分布的测量, 并对测量结果进行了分析讨论。

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子体闪光、空泡脉动、冲击波辐射、空泡溃灭发光等综合效应,将高速摄影技术应用于液体激光击穿研究。采用高功率激光聚焦击穿水、酒精、甘油、硅油等粘性液体, 观测到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭、空泡溃灭发光及冲击波辐射。通过对激光空泡图像序列的分析, 得到了不同液体介质中激光空泡的脉动特征、冲击波辐射等特性。研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀、能源相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持。

提出了一种用可见-近红外透射光谱技术快速鉴别机油品种的新方法, 应用可见-近红外光谱仪测定三种机油的光谱曲线, 然后用主成分分析法对不同品种的机油样本进行聚类分析, 并获取机油可见-近红外光谱的特征信息, 再结合多类判别分析技术建立机油品种鉴别的模型,对经过预处理的光谱数据进行主成分分析。结果表明, 以样本在第一主成分和第二主成分上的得分做出的二维散点图, 对不同种类机油具有很好的聚类, 能定性区分不同种类机油; 经过主成分分析得到的前8个主成分的累积可信度已达95.38%, 说明这8个变量能够代表绝大部分原始光谱的信息。从180个样本中随机抽取150个样本用于建立多类判别分析品种鉴别模型, 余下的30个样本用于验证。对未知的30个样本进行品种预测, 准确率为100%。证明本方法具有明显的分类和鉴别作用, 为不同品种的机油鉴别提供了一种新方法。

建立了反射式随机表面的光散射特性实验测量系统, 利用多幅平均及叠加连接的方法, 得出入射角在45°～85°之间不同值时的光散射轮廓。结果表明, 随着表面入射角的增加, 光散射轮廓的半峰全宽逐渐减小。并且当入射角的增加到一定值时, 光散射轮廓出现中央亮斑。由数学上的对称下降函数, 推导出光散射轮廓的半峰全宽随散射光波矢的变化关系, 从实验测得角分辩的的光散射轮廓中提取了自仿射分形随机表面的粗糙指数。与原子力显微镜测量得到的粗糙指数进行比较, 两者符合得很好。

对等离子体温度的测量能间接诊断瞬态物理场的瞬时温度变化。使用望远光学系统对准等离子体并收集其光谱。光栅分光系统高精度地（Δλ<0.1 nm）分离提取出测量所需的等离子体四通道特征光谱信号。光纤将光谱信号导入高灵敏度、快速响应的光电倍增管（PMTs,采集时间小于1 μs）, 达到瞬态测试的要求。用四通道数据拟合Boltzmann直线提高了计算激发温度的精度（优于2%）, 同时从黑体辐射理论推导出等离子体辐射温度的计算模型。只需用一次测量得到的光强就可以同时得到等离子体的激发温度和辐射温度。利用标准温度灯对系统的光谱响应系数进行了标定, 通过实验表明系统测温的精度优于3％。

微流控光学检测系统的微型化和集成化是微流控技术的发展趋势, 微量液体物质的旋光检测也是微流控光学技术的重要研究课题之一。分析了内含磁致旋光介质的旋光反射腔的偏光特性, 理论预言这种旋光反射腔具有旋光增强效应, 在此基础上提出了微量样品的旋光增强检测方法和器件设计原理。研究结果表明, 该方法可以在小光程限制条件下显著提高磁旋光介质的检测灵敏度。在不考虑样品吸收的情况下, 旋光增强法与普通消光法的检测灵敏度之比的极限约为78.5。该方法可以应用于微流控系统的旋光检测以及实现磁旋光仪器的小型化和微型化。

对主振荡功率放大器(MOPA)方式脉冲抽运双包层掺镱脉冲光纤放大器进行了理论研究, 分析了放大中抽运脉冲、激光脉冲和拉曼斯托克斯光脉冲的相互作用过程。对增益光纤中上能级粒子数密度随抽运时间的变化进行了分析, 求出了最佳抽运脉冲宽度。随着抽运功率的增加, 放大过程中出现的受激拉曼效应(SRS)将抑制激光脉冲能量的增加, 当采用最佳抽运功率时激光脉冲的能量可达到最大值。分析了光纤长度、纤芯直径对最佳抽运功率、激光脉冲和一级斯托克斯光脉冲的影响。结果表明, 当最佳抽运功率时, 采用纤芯较粗、长度较短的增益光纤, 可以抑制受激拉曼效应, 提高激光脉冲的能量与峰值功率。

介绍了随机并行梯度下降(SPGD)算法用于相干合成的基本理论, 利用数值模拟的方法对实际相干合成实验中涉及到的算法评价函数、扰动电压分布等参数进行优化选取, 确定了实验中应选择的最佳评价函数、扰动电压分布和扰动方式。利用数字信号处理器(DSP)执行SPGD算法, 实时控制各路光束的相位, 实现了三路瓦量级保偏光纤放大器输出光束的相干合成。实验结果表明, SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位, 系统闭环将合成光束目标圆孔内的能量提高了2.62倍, 合成效率达到了理想情形的87%, 远场光斑对比度为85%。

半导体激光器抽运耦合系统是固体激光器的重要组成部分。非成像系统空心透镜导管构成的耦合系统非常适用于大功率的半导体抽运阵列。为了给出透镜导管耦合系统的最佳结构, 需要研究抽运光束在耦合系统内及输出面的分布。利用几何光学理论, 在三维空间内, 建立了空心透镜导管中抽运光束传播的数学模型, 推导了光束传播的三维轨迹方程; 在全三维光线追迹的理论分析基础上, 开发了模拟透镜导管耦合系统传输光线的3D计算机仿真软件; 通过该软件可以自动获得全部抽运光线在透镜导管耦合系统中的真实传输路径及在耦合系统输出端面的分布。最后探讨了抽运光束通过空心透镜导管耦合系统后的能量转换效率。计算结果表明, 空心透镜导管的能量转换效率可以达到96.08%以上。

实验研究了大模面积光子晶体光纤飞秒激光器在近零色散点展宽脉冲锁模的束缚态运转。获得了双脉冲束缚态锁模, 以及脉冲间隔不相等的多脉冲束缚态锁模, 实验发现束缚态的子脉冲间距具有随机性。通过建立光纤锁模激光器的数值模型, 分析了激光器束缚态锁模建立的动力学过程, 在一定抽运强度下, 激光器存在多个稳态, 或者单脉冲运转, 或者子脉冲间隔不相等的束缚态运转, 这取决于锁模建立阶段半导体可饱和吸收镜(SESAM)对噪声信号的随机提取。并提出了抑制束缚态的方法, 模拟得出此项技术可直接获得的最大单脉冲能量为19.6 nJ, 考虑到40%左右的压缩损耗, 可得到压缩至76 fs的最短脉冲, 单脉冲能量为11.8 nJ。数值模拟结果能很好的与实验相符合。

在光纤激光相干组束中, 受到各种因素的影响, 各个单元激光器出射激光的相位、振幅和偏振态不能保持一致, 并随着时间而变化, 均会降低相干组束后的光束质量、减弱光束中心的峰值光强和中心区域内的功率。针对光纤激光相干组束中每个单元光束的出射时的相位、振幅和偏振方向扰动对相干组束远场光强分布的影响进行了理论分析, 并给出数值计算结果。结果表明远场光强分布的图形、峰值光强度和中心区域内的功率, 受到各因素的影响, 都会不同程度的变差或减弱。

为避免传统光强差稳频方式的缺陷, 提出了四频差动激光陀螺小抖动稳频方法。从四频陀螺工作原理出发, 分析了小抖动稳频的特性和难点, 如鉴频灵敏度较低、陀螺参量不当时工作点有严重偏移、工作模式不易判别、陀螺零漂受稳频精度影响大。针对每一难点提出了解决办法, 特别是极低噪声电路的设计技术是提高四频陀螺小抖动稳频精度的关键。提出的解决方案为进一步实验研究提供了理论指导。

利用荧光光纤传感器来检测癌症必须弄清楚肝癌细胞与正常肝细胞是否具有不同的荧光特征。在体外培养了SMMC-7721肝癌细胞和HL-7702正常肝细胞, 然后用荧光光谱仪对它们的自体荧光进行检测。结果表明, 两种细胞的自体荧光发射光谱在550～720 nm范围内发射峰的数目和峰位均相同(602 nm和691 nm), 只是主峰的波形略有差异。在720～800 nm范围内, 肝癌细胞有一特征荧光峰, 峰位置在734 nm附近, 而正常肝细胞则无此峰。通过对多代培养的细胞进行荧光光谱测试, 发现两种细胞的荧光光谱特征在细胞传代的过程中保持不变, 说明细胞中的荧光特征在传代过程中保持稳定。这两方面的实验为利用荧光光纤传感器来检测癌症提供了一定的参考。

理论研究了基于双光子异构非线性的非相干耦合孤子族的存在性。发现非相干耦合灰孤子族及暗孤子族可以在具有双光子异构非线性的块状聚合物中存在。若各分量成分具有相同的偏振和波长但彼此互不相干, 可能形成这种孤子族。用数值方法详细地研究了这种非相干耦合灰孤子族及暗孤子族的存在条件及其特性。非相干耦合孤子族的每一个分量成分具有相同的半高全宽。当这一非相干耦合灰孤子族或暗孤子族在具有双光子光致异构非线性的聚合物中传播时, 各分量成分光束都能稳定传播。研究表明, 灰孤子族各分量成分具有横向运动速度, 但暗孤子族不会在横向上发生移动。当这种非相干耦合孤子族只有两个分量成分时, 它们自动退化成灰孤子对或暗孤子对。

对提出的两种复周期Kerr非线性调制光晶格中的孤子开关特性进行了研究, 并与单周期余弦型调制晶格的情形进行了比较。通过数值模拟, 分析了3种不同模型对孤子脉冲能量的保持情况, 以及注入相同孤子脉冲时, 脉冲被晶格俘获前可穿越的晶格通道的数量。研究发现, 当注入脉冲的能量范围相同时, 3种模型中孤子的开关通道数有较大差别; 而在穿越通道数相同的情况下, 开关效应的响应时间却不相同。

介绍了经典Wolter I型掠入射成像光学系统的基本结构, 推导了由系统的口径和焦距表示的掠入射系统的参数方程组。通过此方程组可得到掠入射光学系统详细的初始设计参数。此外, 针对掠入射系统不能直接使用常规商业光学设计软件进行优化的问题, 以Zemax软件为例, 介绍了怎样利用其宏语言构造优化函数用于掠入射系统的分析和优化。并且进行了一组实例的设计和优化, 优化后系统由经典Wolter I型的抛物面-双曲面结构变为具有相同口径和焦距的双曲面-双曲面结构。最后, 对上述两种掠入射系统的成像性能进行了对比分析。分析结果表明, 双曲面-双曲面的结构提高了掠入射系统大视场的分辨率, 能够满足对太阳进行全日面高分辨率观测的要求。

基于微机电系统(MEMS)光栅光调制器在静电压驱动下可改变其衍射效果, 并在光学4f系统中实现光信息处理, 从而应用于投影显示。在典型4f光学系统基础上, 优化设计了基于MEMS光栅光调制器的投影显示系统, 根据菲涅耳衍射分析了该系统; 分别利用两种光栅光调制器实验样品在设计的光学系统中进行了显示实验研究。结果表明, 该系统可实现投影显示; 配以驱动电路可实现动态显示, 并可进行工作电压、吸合电压、响应频率等特性测试。

对平板单晶硅太阳能电池板和槽式聚光太阳能热电联供(PV/T)系统进行实验对比, 从系统热、电性能方面进行比较, 并用“净现值”法对两套系统经济性进行分析。结果表明, 槽式聚光PV/T系统的最大输出电功率是传统平板式PV系统的7～10倍, 且通过回收电池的余热, 全年可产热2929.433 MJ。在20年的寿命周期中, 槽式聚光PV/T系统可获得更多盈余, 能较早收回投资成本。用聚光装置进行太阳能发电, 可有效提高太阳能的综合利用率, 减少投资成本。

以小型化、高效率为目的, 提出了利用全反射原理, 采用复合棱镜结构, 通过适当选配光学材料, 实现在主被动复合成像雷达接收光学系统中对主、被动光束进行高效率分光的方案。根据技术指标要求完成了分光系统的设计, 该系统可以对主动成像光波波长850 nm, 全视场角3.5°, 被动成像光波中心波长9.7 μm, 全视场角6.9°的两束光进行高效率的分光, 计算结果表明, 对主被动光波分光效率的理论值都可以达到98%以上, 该方案还兼具结构稳定, 工艺简单, 易于工程实现的优点。该设计方案, 可以在主被动复合成像激光雷达接收系统中实现主被动共用孔径, 从而实现系统的小型化。

针对发光二极管(LED)光源的发光特点, 根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程, 实现了在特定目标面上的均匀照明, 进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真, 结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%, 不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%。该设计方案采用单一反射器实现均匀照明, 为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径。

背向反射是谐振式光学陀螺（ROG）中的主要噪声之一。通过光波场叠加的方法, 建立了环形谐振腔内的单点反射模型, 得到系统中背向反射噪声引起的系统标度因子误差与环形谐振腔内反射参数的解析表达式。利用该表达式, 通过Matlab进行数值拟合, 分别对谐振式光纤陀螺系统（R-FOG）和谐振式微光学陀螺系统（R-MOG）中的背向反射噪声进行理论分析和比较。实验中, 通过一定的措施抑制了系统中的背向反射噪声, 分别得到R-FOG和R-MOG系统的开环输出信号。通过理论分析和实验验证背向反射噪声在R-MOG中的影响较大。为ROG中背向反射噪声的抑制及ROG系统的搭建提供了理论和实验依据。

为了研究准分形结构光子晶体滤波器制作过程中引入的层厚误差微扰对其性能的影响, 并得出准分形结构光子晶体滤波器的层厚误差容限,通过向正负折射率介质层加入不同的层厚微扰, 分析了含负材料准分形结构光子晶体滤波器制作过程中的层厚微扰对其性能的影响。得到透射峰移动随介质折射率、介质层层数和层厚微扰大小的变化规律。对每层加入随机几何层厚微扰的情况进行了仿真, 得到透射峰移动位置的统计图, 并分析了透射峰位置统计数字特征随随机微扰的变化趋势。总结出含负材料准分形结构光子晶体滤波器在密集波分复用(DWDM)通信系统中的随机几何层厚误差容限为0.01 nm。

利用MPB软件和MEEP软件对一维光子晶体带隙结构及透射谱进行了仿真与实验研究。讨论了不同介质填充比和介质相对介电常数对光子晶体带隙结构的影响。仿真结果表明, 当高相对介电常数介质的填充比增大时, 或高相对介电常数增大时, 光子晶体带隙的中心频率缓慢减小, 带隙宽度呈先增大后减小的趋势, 存在一极大值点。采用高相对介电常数介质薄板［钛酸钡（BaTiO3）粉末混合聚二甲基硅氧烷（PDMS）胶体］和泡沫薄板周期性排列组成一维光子晶体。实验上制得了高低介质相对介电常数分别为4.5和1, 填充比为1∶1, 晶格常数为10 mm, 周期数为5的光子晶体, 并测量出该光子晶体的微波透射谱。测量结果表明, 在8~12 GHz的微波频段, 该光子晶体的带隙中心频率为9.3 GHz,带隙宽度为500 MHz。

提出了一种能够实现负折射的准周期光子晶体(QPC)。该准晶光子晶体具有十二重对称性, 由介质背景下空气孔的准周期阵列组成。用时域有限差分方法研究了电磁波通过该十二重准晶后的传播行为。对劈形准晶样品的研究表明, 电磁波在该准晶结构中发生了负折射现象。进一步利用该准晶制成平行平板, 研究了平板的表面截面对电磁波传播的影响。发现改变平板的表面截面, 可以调节电磁场在板后的分布。在合适的界面条件下, 准晶平板对电磁波实现了会聚。因此, 在实际应用中应仔细选择适当的界面参数。

根据光波在介质内的散射、折射特点, 分析了脉冲链在参与性介质内经界面反射和介质散射后的叠加机理。导出了脉冲链入射非散射性半透明平板时透射比和反射率的解析解。利用间断有限元法和时间平移叠加法计算了脉冲链在一维散射性介质平板内传输的透射比和反射率。结果表明由于介质内部入射光与介质的相互影响, 脉冲链受界面的反射和内部介质的散射, 分裂成一系列时滞不同的子光波。经过不同的光学行程后, 子光波叠加成离开平板的反射光波和透射光波。叠加效果随介质散射系数、脉冲宽度和脉冲时间间距发生变化。通过调节脉冲链的脉冲宽度和脉冲时间间距可得到不同波形的反射波和透射波。

研究了合成孔径激光成像雷达成像过程中激光散斑效应对于光学外差探测的影响, 考虑了光学天线孔径对于散斑的空间平滑效应, 特别是提出了时间变化的散斑统计特性并进行了数学分析, 因为线性调频激光在一次激光曝光时间过程中激光散斑的花样是变化的。最终给出了考虑时空散斑效应的光子受限外差探测信噪比。

从理论和应用两方面对光学薄膜吸收缺陷的检测方法进行了研究。基于CCD摄像机的图像锁相技术, 提出了不同于传统逐点扫描方法的多通道薄膜吸收检测方法。基于逐点扫描法和图像检测法, 分别计算了大区域内薄膜单点缺陷所对应的吸收分布, 结果证明了图像法应用于较大口径薄膜元件吸收检测的可行性。计算和实验表明：相对于逐点法, 图像法测量薄膜速度可以提高上百倍, 避免了逐点扫描法中耗时长、效率低的不足, 扩展了光热技术在大口径镀膜光学元件中的应用。

讨论了基于薄膜-光栅混合结构的导模共振滤光片中的古斯-亨兴位移与光束形变现象。模拟结果表明, 这种结构可以产生入射光波长300倍量级的横向位移量, 同时位移最大的波长上反射率也最大, 因而便于实验观测与在实际应用中提高能量利用率。分别采用经典的稳态位相法以及基于高斯光束角谱展开的数值计算方法, 计算了有限大小光束入射到薄膜-光栅结构后所产生的古斯-亨兴位移效应以及相伴的光束变形效应, 着重讨论了入射光束腰斑大小对位移量的影响, 这些数值模拟可为下一阶段的实验打下理论基础。

采用抽运-探测反射技术, 研究了室温下本征CdTe晶体的光致非平衡载流子布局与光子能量和抽运光强的关系。根据实验结果, 发现随着抽运光光子能量的提高, 快过程在载流子弛豫过程中所占的比例增大; 随着抽运光功率的提高, 反射率随之增大, 快过程时间常数也随之增大。通过建立简单的本征半导体受激载流子弛豫过程模型, 讨论了载流子散射、载流子-声子相互作用和载流子复合等的贡献。在抽运光光子能量为1.49 eV(比CdTe的禁带宽度约高20 meV)时, 通过双指数函数拟合, 得到了本征CdTe中载流子弛豫过程的快、慢时间常数, 分别为2.8 ps和158.3 ps。