介绍了一套自行研制的双视场激光雷达系统的原理、结构、关键技术及其性能。该激光雷达系统采用两个独立的接收视场，一个采用离轴收发光学系统探测高空大气，另一个采用同轴收发光学系统探测低空尤其是大气边界层大气。激光雷达系统的数据采集单元对高空大气同时进行模拟数字信号探测和光子计数信号探测，有效地改善了激光雷达系统因回波信号的动态范围过大而无法兼顾高低空同时探测的缺点。对本系统接收的大气回波信号进行拼接和反演，结果表明，该系统能够有效获取大气气溶胶光学特性。通过与本地区另一台激光雷达信号进行对比验证了该系统探测信号的可靠性。

针对星光折射法间接敏感地平星敏感器视场内折射星数量不足的工程问题，对折射星数在星敏感器视场内的概率分布进行了研究。阐述了星光折射间接敏感地平的基本原理；推导了视场内平流层条带面积占视场面积的比例系数，并在视场内可观测星数概率分布模型基础上，得到了折射星数的概率分布模型。对星光折射解析定位新方法进行了可行性分析，给出了星敏感器视场、极限观测星等、轨道远地点距离与视场内折射星数分布之间的关系。折射星数概率分布曲线与用蒙特卡罗方法获得的概率分布曲线相似，泊松参数偏差为1.48，相对误差为12.8%。仿真结果表明了该模型的正确性和有效性，该模型对于间接敏感地平星敏感器参数设计具有指导作用。

气溶胶是城市污染的主要成分，也是气候评估中最大的不确定因子。利用2011年1月至2012年12月气溶胶观测资料，分析了新型超级城市深圳地区的气溶胶光学特性。深圳地区气溶胶表现出强吸收特征，散射、吸收系数的平均值（标准偏差）分别为(175.4±127.8)×10-6 m-1、(30.5±24.5)×10-6 m-1，单次散射反照率平均值为0.83，较北京、广州等国内城市观测值大，但小于国外城市的观测值。气溶胶光学特征呈明显的季节变化，散射、吸收系数和单次散射反照率均在冬季最大，夏季最小。气溶胶特征日变化不仅受边界层日变化影响，还与当地风向、污染源变化、光化学反应及夜间复杂的化学反应有关。利用轨迹模式聚类分析不同来源气溶胶的光学特征，结果表明当气溶胶来源于污染地区和城市人口密集区时，气溶胶的光学特征值都较高，尤其冬季。来自污染地区的气溶胶单次散射反照率不仅大于来自干净地区的气溶胶单次散射反照率值，且大于污染源地区的值。

为了深入认识利用差分像运动法测量大气相干长度的特性，对差分像运动监测仪(DIMM)进行了深入的研究。基于理论分析和数值计算，讨论了DIMM中的几个重要问题，并阐明了解决方法，主要包括计算公式、子瞳大小及间距，从而提高了DIMM的测量精度，降低了DIMM的结构要求，扩展了DIMM的适用范围。

为降低太阳能电池片表面的反射率，提出了一种基于SiO2/TiO2膜层的减反射光栅，该光栅由基底、浮雕结构和表面薄膜覆盖层组成。以加权平均反射率为评价函数，采用严格耦合波理论和遗传算法对光栅的槽深、周期、占空比、入射角和包覆层厚度等参数进行优化。所设计的太阳能电池用减反射光栅在入射波长为300~1100 nm，入射角度在±40°范围变化时加权平均反射率低于2.16%，最小加权平均反射率低于1.04%。数值分析表明设计的光栅具有优良的工艺容差。

介绍了一种基于光学原理存储和恢复多幅图像的方法。利用不同旋转角和槽型角的闪耀光栅分别对多幅灰度图像进行编码，将所有被调制图像叠加并存储到一个纯位相光学元件中。将该位相元件的位相分布经计算机输入到空间光调制器(SLM)上，用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换，光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤，再通过透镜恢复图像，由CCD记录恢复的图像。实验结果显示本方法可实现22幅图像信息的高质量存储和恢复，且具有图像存储信息量大、操作简便、易于加密等优点。

基于Kogelnik耦合波原理和矩阵光学，讨论了调节双层体光栅的穿插层厚度产生飞秒激光双脉冲的方法。推导了飞秒脉冲读出双层体光栅后的衍射场表达式，数值模拟了瞬时衍射光强分布随穿插层厚度变化的关系曲线。数值模拟结果表明当穿插层厚度在4~11 mm区间变化时，衍射脉冲变成双脉冲，且双脉冲间隔与穿插层厚度成正比，利用衍射理论及衍射场表达式对其进行了解释。利用周期性介质群时延讨论了衍射脉冲时延随穿插层厚度的变化，发现脉冲间隔随穿插层厚度变化的斜率是脉冲时延随穿插层厚度变化斜率的绝对值的2倍。

提出了一种基于光纤三维微结构加工的磁场传感技术方案。利用波长为780 nm的飞秒激光脉冲在刻写有光纤布拉格光栅(FBG)的单模光纤包层上加工螺旋微结构，并采用磁控溅射方法在其上溅射磁致伸缩膜（TbDyFe），制备了一种新型光纤磁场传感器探头。微结构能改善光纤轴向伸缩性，增加薄膜沉积的表面积，从而提高探头的磁场敏感性。建立了螺旋微结构改善传感灵敏度的理论基础，介绍了光纤磁场传感探头的制备工艺方法与技巧，给出了不同参数传感探头的磁场测试结果。实验结果表明，螺距为50 μm时，对应的传感探头对磁场最为敏感；相比于无微结构的标准光纤探头，有微结构的光纤探头理想情况下灵敏度可提高近5倍。

提出了一种基于偏光干涉效应测量保偏光纤拍长的新方法。利用宽谱光源和两个宽带光纤圆起偏器，与被测保偏光纤组成了全光纤的测试系统。理论分析表明，相比于光纤线偏振器构成的偏光干涉测量系统，圆偏振器可以克服保偏光纤主轴之间的角度对输出干涉光对比度的影响。采用该方法对某熊猫型保偏光纤的拍长进行了验证性实验研究，实验结果和理论分析相吻合，保偏光纤拍长测量精度和重复性为0.1 mm，干涉信号对比度可达0.9以上。由于光纤器件间无需精确对轴，因此该方法光路结构简单，操作要求较低。

实验研究了基于包层腐蚀型单模光纤(SMF)声光滤波器(AOTF)在不同加载声波频率以及不同包层腐蚀深度下的滤波特性。在声光作用下，光纤中基模(LP01)与包层模(LP11)的耦合效率随着包层直径的减小而增大；同一包层直径条件下，AOTF谐振波长随着声波频率的增加而发生“蓝移”。数值模拟了AOTF谐振波长随声波频率变化的趋势，模拟结果与实验数据保持较高的一致性。实验还分析了外加轴向应力对光纤型AOTF滤波特性的影响。结果表明，AOTF的谐振波长随着轴向应力的递增发生“红移”，这样就可方便地实现轴向应力调谐滤波；调谐带宽随着包层直径的增加而下降；加载声光频率与调谐带宽成反比。在包层直径d=35 μm，声光频率fa=1 MHz时，获得了超过150 nm的调谐带宽。

通过理论推导证明了信号功率波形自相关函数中包含一个脉冲，利用该脉冲位置可以估计信道色散的大小。在此基础上，给出了用于相干接收系统的色散监测算法。搭建了112 Gb/s(28 GBaud)的偏分复用非归零四相相移键控（PDM-NRZ-QPSK）实验系统对此方法进行了验证。并利用OptiSystem和Matlab协同仿真，搭建了56 Gb/s的单偏振四相相移键控(QPSK)和112 Gb/s偏分复用四相相移键控(PDM-QPSK)仿真系统，分析了该方法对非归零(NRZ)、归零67(RZ67)、归零50(RZ50)、归零33(RZ33)等不同码型的适用性。实验和仿真结果与理论推导一致，证明了该方法的可行性。实验监测误差小于275 ps/nm，仿真监测误差小于185 ps/nm。

针对离轴自由曲面三镜反射系统，采用了基准传递技术和计算机辅助装调技术相结合的装调方法。基准传递过程中基于计算全息建立了一套完整、精确的空间基准来保证初装调质量；在此基础上，计算机辅助装调过程中采用自准干涉检验法获得多个视场干涉图，像差用方形域上正交修正泽尼克多项式系数表征，利用Zemax软件和方形域上正交修正泽尼克多项式得到系统的灵敏度矩阵，求解失调量；在多次迭代后得到系统平均波像差均方根值为0.1641λ（λ=632.8 nm），调制传递函数平均值为0.4534。

为提高波前传感器的波前探测速率，研究了基于全息术的无计算波前传感新方法。在薄全息图近似下，推导出基于快速傅里叶变换(FFT)算法的数值模型，并数值模拟了全息波前传感器对低8阶Zernike项像差的探测过程。结果表明，波前探测误差均方根值（RMS）为0.24 rad。搭建实验平台对数值模拟的结果进行了验证，波前探测误差RMS值达到0.29 rad。实验结果表明，基于全息术的无计算波前传感方法可以高效探测低阶Zernike像差。

自由曲面光学表面越来越广泛地应用于光学工程领域，传统的计算机辅助装调方法已难以指导含自由曲面的复杂光学系统装调。提出了一种新型人工神经网络计算方法，用以辅助光学系统装调。介绍了神经网络方法的数学模型，并提供了两个模拟装调实例以验证此方法的实用性。模拟装调结果表明，以系统出瞳波前的光程差分布和泽尼克多项式拟合系数作为像质指示参量，经由神经网络方法计算得到的失调量均方根误差小于7.04%；神经网络方法可用于指导自由曲面光学系统的精确装调。

红外焦平面阵列的非均匀性校正是其定量应用之前必须解决的关键难题之一。将矩匹配方法引入到红外图像非均匀性校正中，针对其改变图像中地物光谱分布，并可能产生新条带噪声的缺陷，通过比较标准矩匹配前后每个探测元的输出与其均值差异，提出了一种方差补偿的矩匹配改进方法。实验图像校正结果的定性与定量分析表明，方差补偿的矩匹配方法效果理想，在校正图像非均匀性的同时，更大程度上保留了不同地物本身光谱特征的差异。

从理论上计算了鬼成像系统的返回信号和目标之间的互信息,利用数值模拟研究了它与系统图像重建质量之间的关系。分析表明，该互信息同时依赖于系统所使用的散斑场和成像目标的类型。结果显示，对于给定类型的目标，存在特定的散斑场使得上述互信息取得极大值，且在同样的采样数条件下，使用该散斑场的鬼成像系统可以获得最佳的图像重建质量。在此基础上提出可以通过最大化互信息来设计、优化鬼成像系统。

从集成图像显示时再现的空间光学分布着手，研究了微透镜参数、记录/显示平面分辨率和成像系统空间分辨率的关系。研究结果表明成像系统的空间分辨率与微透镜的孔径和焦距大小有关。采用较小尺寸的微透镜，有助于提高成像系统的空间分辨率，但对记录/显示平面分辨率的要求随微透镜尺寸的减小以及物点深度的增加而提高。研究结果可用于集成成像系统的优化设计。

为了实现微小尺度目标的光谱成像分析，提出了一种基于像面干涉技术的高光谱显微成像方法。研究了由显微物镜、准直镜、横向剪切分束器、成像镜和探测器等组成的干涉成像光学系统。采用可调式实体横向剪切分束器,并通过旋转横向剪切分束器的方法获得目标的干涉信息。分析了该方法的成像原理、系统放大率、空间分辨率、光谱分辨率以及景深等。对蚕豆叶表皮切片进行了显微光谱成像实验，获得了可见光波段的光谱复原图像。实验结果表明，该方法具有光通量大、光谱分辨率高的优点，为显微光谱成像提供了一种新方法。

针对传统单通道被动太赫兹波成像系统的效率低、结构复杂的缺点，设计了一种基于曲柄摇杆机构的光机扫描太赫兹波成像系统。使用曲柄摇杆机构对行扫描镜实现快速驱动，同时配合场反射镜的运动完成对成像目标的二维扫描。通过使用390 mm口径的卡塞格林天线以及94 GHz太赫兹波辐射计完成对目标的快速成像。实验表明，系统单帧成像时间为20 s，成像视场角为30°×36°，角分辨率可达0.6°。在室内条件下，可以很好地对人体进行成像，并能有效地探测隐藏在衣物下的危险物品。该系统具有成本低、效率高、结构简单等特点，对实现被动太赫兹成像系统的小型化、快速化有较高的参考价值。

在压缩感知理论的基础上，分析了单点探测计算成像系统的整体结构、相关观测矩阵的设计和图像重构算法，并针对相关算法进行了Matlab仿真。仿真实验结果表明，压缩感知用于单点探测计算成像可以在减少采样的同时还能清晰复原图像。在实验室内搭建了远距离对外成像系统样机，并在室内利用平行光源进行了成像实验。实验结果表明，该成像系统具有较好的空间分辨率。还对单点探测计算成像进行了更进一步的扩展，通过在成像系统后面搭建色散光路，建立起了计算成像光谱仪的系统结构，分析了压缩感知用于计算成像光谱仪的可行性，并对计算成像光谱仪进行了理论分析。

在高精度光谱定标实验中，倾斜漫反射板光谱定标和直接照射光谱定标两种方法得到的定标结果存在微小差异。对光谱定标的能量传输过程进行分析，发现光通过倾斜的漫反射板照射到仪器的入射狭缝时，入射狭缝表面的辐射通量分布出现不对称现象，引起波长差异。以光栅双单色仪为例，将出射狭缝处不同波长偏差所对应的辐射通量曲线进行叠加，得到应用45°倾斜的漫反射板进行光谱定标时的波长差异为-0.0283 nm。最后以汞灯为光源，以296.7283 nm和365.0157 nm两个波长为定标波长，采用漫透射板垂直照射和45°倾斜的漫反射板照射两种方法对光栅双单色仪进行光谱定标，两种定标方法结果偏差分别为-0.029 nm和-0.0286 nm。证明倾斜漫反射板是引起波长差异的主要原因，并为漫反射板光谱定标提供数据。

研究了实时高精度激光光斑检测方法。利用高帧频、高灵敏度CCD采集14位激光光斑视频；分析了激光光斑的特征，在使用阈值分割出光斑区域后，通过上三邻域连续点计数算法检测了激光光斑区域；分析了激光光斑中余光斑存在的原因，利用平均阈值法滤除了余光斑，在剩余的主光斑中计算获得了更为精确的光斑中心(含质心与形心)，制定了以参考帧为基准的视频帧序列的操作序列法光斑检测流程，解决了传统相邻帧相减法无法检测逆光斑帧及光斑中心位置不同的连续相邻光斑帧的问题。实验结果表明，算法可实践用于在线实时与离线实时的高精度激光光斑检测。

反向条纹投影技术是一种应用于在线或批量、快速而稳定的光学三维面形检测技术，近年来得到广泛关注和应用。提出了一种反向条纹生成的新方法，利用了正向映射变换方法传递坐标以及摄像机坐标系中同名点所在的水平和垂直方向两条等相位线，求解它们的交点就可以得到投影器对应像素点在摄像机坐标系中的位置，再生成待投影的反向条纹。在分析了两条等相位线特点的基础上，提出了求解等相位线交点的优化算法剪枝优化算法。该算法逐步缩小两条等相位线上有效像素点的规模，直至找到交点周围邻近的4个整像素点，再拟合出两直线方程，联立方程精确解出亚像素精度的交点坐标。并将本剪枝优化算法与文献[10]的主要方法进行了对比分析，计算机模拟实验得到了相位标准差，分别为0.000798 rad和0.0046 rad；实物实验得到的相位标准差分别为0.0431 rad和0.0292 rad。对比结果表明：该优化算法有效提高了反向条纹生成的精度，并且能以较快的速度精确搜索到交点周围4个像素点，减小了反向条纹生成的时间。

利用保偏光纤布拉格光栅（PM-FBG）和高反射率的双色镜构成激光谐振腔，以单模保偏双包层掺镱光纤为增益介质，实现了输出功率为1 W的稳定的双波长激光输出，该激光信噪比为48 dB，斜率效率为34%。利用拱梁调谐方法对输出光栅进行了拉伸和压缩调谐实验,实现的激光调谐范围为8 nm，且调谐过程中双波长的波长间隔变化很小。以格兰汤姆孙棱镜验证了该激光的偏振特性。

利用偏振控制板实现惯性约束聚变（ICF）驱动器靶面光束消相干叠加，以达到进一步改善靶面辐照均匀性的目的。通过分析偏振控制板对改变光束内部偏振态的作用，建立了偏振控制板透射函数模型。在此基础上，数值模拟和分析了偏振控制板对焦斑特性的影响，并采用焦斑偏振度的期望和标准差来描述焦斑的消偏振特性，使用光通量对比度评价焦斑强度均匀性。通过讨论偏振控制板单元数、光束带宽和积分时间等参数对焦斑消偏振特性及辐照均匀性的影响，得到利用偏振控制板能较好地实现焦斑消偏振，并改善靶面辐照均匀性的结论。

针对单一的谱特征表示的局限性，提出了一种基于多谱特征表示的点模式匹配算法。利用图的不同矩阵的特征值序列作为特征点的描述子；借助多谱嵌入技术求解获得局部结构描述子的相似性；结合几何相容性，使用概率松弛的方法实现点模式匹配问题的求解。模拟数据和真实图像上的比较实验验证了该算法的有效性和稳健性。

标定是结构光三维立体视觉测量系统中的关键一步，标定的准确性对测量系统至关重要。基于镜头的畸变规律，提出了一种新型的系统标定方法，即以光轴为中心分隔同心圆环，形成多个子标定区域，通过反向投影标定法一一进行标定。此法充分考虑到了大视场和透镜光学单元畸变不一的影响，提高了局部和全局标定精度。实验结果表明，在扩大视场约为1050 mm×750 mm时，分为两区域的投影仪标定精度提高了72.8%，系统测量精度达到28.9 μm，展示了对畸变更好的处理效果。该方法不依赖任何特殊的标定设备，操作简单，准确易行，可同时满足大视场和高精度的测量要求，并增强了系统实时性。

以石墨烯和钛酸丁酯为前驱体，在200 ℃下水热合成二氧化钛/石墨烯纳米复合颗粒，通过丝网印刷分别将其制备在掺氟SnO2透明导电玻璃(FTO)及氧化钛阵列上，应用扫描电子显微镜(SEM)和电池光电性能测试等方法来表征和测试。结果表明：在氧化钛阵列上复合二氧化钛/石墨烯纳米颗粒，以“颗粒+阵列”双层结构制备染料敏化太阳能电池光阳极，这种复合结构可提高电极对染料的吸附性并增强对紫外可见光的吸收。用这种复合结构做光阳极的电池比单纯的二氧化钛/石墨烯薄膜电池光电转化效率提高了35%，达到3.53%。

在红外微纳结构吸收材料的研究中，对其等效光学常数的估计有助于理解材料的吸收、反射及辐射特性。常用的方法是依据等效介质理论将微纳结构等效为匀质材料，采用Smith于2002年提出的S参数法进行估计,而该方法没有直接反映微纳结构材料特性及几何结构与等效光学常数之间的关系。采用Drude-Lorentz模型描述红外微纳结构材料吸收性能的色散关系，根据有效电子数浓度理论和等效电路理论，以矩形结构吸收材料为代表，建立了红外微纳结构吸收材料的几何结构参数与Drude-Lorentz模型参数之间的函数关系。该模型建立了微纳材料的结构、材料参数与其光学常数之间的量化关系，为红外微纳结构吸收材料的设计提供了理论依据。

采用水热合成方法制备出水溶性巯基乙胺（CA）稳定的CdTe(CA-CdTe)量子点，并研究了该量子点对不同金属离子的荧光响应情况。基于Cu2+对该量子点具有选择性荧光猝灭，选择粒径大小分别为3.27 nm和3.60 nm的CA-CdTe量子点对Cu2+进行荧光响应分析，实现对Cu2+的定量分析与荧光检测。研究结果表明，Cu2+对CA-CdTe量子点的荧光猝灭过程可以很好地用Stern-Volmer荧光猝灭方程来描述，当Cu2+浓度分别在4×10-6～44×10-6 mol·L-1和1.6×10-6～40×10-6 mol·L-1范围内时，两种粒径大小的CA-CdTe量子点的荧光强度F0/F与Cu2+浓度之间具有较好的线性关系，线性相关系数分别为0.9876和0.9964，检测限分别为8.30×10-7 mol·L-1和5.08×10-7 mol·L-1，并且CA-CdTe量子点粒径大小的不同不会影响其对金属Cu2+的检测分析。该量子点荧光分析方法简便快速、灵敏度高、选择性好，能够应用于实际水样中Cu2+的分析与检测。

利用标量波近似方法对三维光子晶体进行光学特性模拟，主要对标量波近似方法进行优化及改进。阐述了标量波近似方法的基本思想以及该方法的计算步骤，对该方法进行了优化及改进，重点研究了光子带隙。采用流动控制垂直沉积方法制备多层三维光子晶体并测量其透射光谱，实验结果表明标量波近似方法可以较好地模拟三维光子晶体的光学行为。

混浊介质的光学参数提取在光动力学疗法及光学无创诊断中有着重要意义。提出了一种实数遗传算法，结合逆蒙特卡罗方法及图形处理单元加速技术，从蒙特卡罗模拟得到的介质表面漫反射光的空间分布中提取光学参数。设计了差值平方和适应值函数、随机竞争选择算子、带扩展半径的均匀随机交叉算子、均匀变异算子、冠军变异算子，保证了算法的收敛性和种群的多样性。在0≤μa≤100 cm-1和0≤μs≤1000 cm-1范围内μa和μs提取的平均相对误差分别为0.25%和0.58%，均方根误差(RMSE)分别为0.32 cm-1和1.68 cm-1，表明实数遗传算法提取混浊介质光学参数是可行和准确的。

依据拉曼效应下光子晶体光纤所满足的非线性相干耦合薛定谔方程，在两偏振方向输入不同频率激光脉冲时，导出了增益的表达式。通过数值模拟，其结果表明与不考虑拉曼效应时相比，增益谱的对称性遭到破坏。当两偏振模同处于正常色散区和反常色散区时高阶色散的增加会造成增益谱展宽，峰值降低。而当两偏振模处于不同的色散区时，高阶色散的影响并不明显。同时模拟结果表明两偏振模的色散系数主要对斯托克斯部分和反斯托克斯部分的增益谱产生影响。

基于非线性耦合波方程分析了神光II升级系统中束匀滑技术对三次谐波转换过程的影响。模拟结果显示：400 μm焦斑所采用的连续相位板将引起1.4%左右的效率下降，近场对比度增加量约为0.02，均在可接受范围内；但当焦斑达到800 μm时将会引起 6%左右的效率下降，并导致近场对比度增加近0.05，无法兼容目前系统设计，必须进一步优化连续相位板设计方案；而谱色散匀滑技术引入光谱展宽达到60 GHz时将引起5%左右的效率下降，且会引发明显的时间纹波扰动；但是谱色散匀滑引入的空间角谱扫描并不会明显影响谐波转换效率，因此在高通量运行时，需要适当减小调制带宽以提高谐波转换效率和系统的稳定性。

为满足星载高光谱成像的需要，通过分析实际星载成像光谱仪应用需求，确定了光学设计的指标。设计中，使用方形孔径代替圆形孔径，采用双胶合棱镜和单棱镜作为分光元件分别设计可见近红外(VNIR）和短波红外(SWIR)光谱仪，并利用远心离轴三反结构设计望远物镜；分析了双胶合棱镜校正色散非线性的原理，利用光学软件Zemax分别设计了望远物镜和光谱仪系统，并采用沿轨方向视场分离的方法实现了SWIR和VNIR的分别成像。对光学系统的整体分析结果表明，该系统能够满足光谱分辨率和地面分辨率指标的要求，方形尺寸不仅可减小成像光谱仪的纵向尺寸，更有助于对像差的校正，利于实际工程应用。对VNIR波段色散结果的分析表明胶合棱镜能够很好地校正棱镜色散非线性。

通过引入两个变形镜来实现三反射离轴变焦系统的焦距改变，应用矩阵光学分析光学系统一阶属性得到控制反射镜面光焦度的方程。结合三反离轴变焦系统结构特点并应用平面对称光学像差理论推出变焦过程中消球差、零阶像散、零阶彗差的条件；同时根据Scheimpflug条件消除物像面倾斜引入的拱形畸变；最后阐述了一种新的全反射离轴变焦物镜的设计, 结果表明最大均方根弥散斑半径变化范围为5.4791~11.117 μm时，满足变焦物镜技术要求，设计原理和方法为进一步应用变形镜设计变焦系统提供了有益的探索。

自由曲面光学元件因具有良好的消像差能力，又能简化系统的结构，已成为新一代理想光学元件。但由于面形的“自由”以及表面的大梯度变化，使得面形高精度检测缺乏有效方法，是该类元件制造和应用的瓶颈。提出了利用点源阵列给测试波前预载倾斜量来补偿被检自由曲面表面梯度的非零位干涉自由曲面面形测量方法。针对自由曲面非旋转对称的特点，提出了基于“黑匣子”思想的逆向光路设计方法，设计出了适合自由曲面面形测量的非零位干涉光路。根据设计方案，加工并制作了该干涉装置，对自由曲面眼镜片进行了实际的干涉图采样，验证了系统的可行性。

辐照面的均匀性是太阳模拟器的重要指标。椭球面聚光镜是太阳模拟器的重要组成部分，它能够将光源发出的光能收集并会聚在第二焦面上，并在第二焦面上形成中间强边缘弱的高斯能量分布，该能量分布直接影响辐照面的均匀性。从椭球面方程泰勒展开后得到的高阶方程中演变得到了一种变形的椭球面，这种变形椭球面聚光镜能够改善第二焦面上的能量分布，使第二焦面上光能量的强弱对比减弱，从而提高太阳模拟器辐照面的均匀性。将某项目中的椭球面聚光镜进行了变形，并在Matlab中进行了数值计算，获得了变形椭球面曲线，最后通过LightTools仿真分析证明该变形椭球面聚光镜有利于第二焦面上能量分布均匀性的提高。

提出了一种利用蓝光半导体激光器(405 nm)进行激光诱导化学镀铜制备超材料太赫兹器件的方法。此法加工的金属结构线宽可调，最小为5 μm，厚度可由镀铜时间来调节。使用太赫兹时域光谱系统对加工的太赫兹带阻滤波器进行了测试，测试结果与时域有限差分仿真计算基本相符，器件加工质量符合设计要求。使用半导体激光器进行激光诱导化学镀制备超材料太赫兹器件具有能耗低、设备成本低、性价比高等优点。

提出了基于琼斯矩阵的矢量涡旋光偏振态的庞加莱球表示方法。应用琼斯矩阵法建立了基于圆偏振涡旋基矢的矢量涡旋光束的电场矢量分布模型。分析了光束的拓扑荷和方位角对矢量涡旋光束偏振态的影响，给出了不同拓扑荷的矢量涡旋光束偏振态的庞加莱球表示方法。与传统的利用斯托克斯参量建立的高阶庞加莱球表示方法相比，矢量涡旋光束描述方法的物理意义更加清晰明了。求解电场矢量的亥姆霍兹方程，发现该光束电场矢量的振幅服从贝塞尔高斯分布。

主要研究处于压缩真空中的Λ型三能级原子的荧光光子关联行为。利用约化密度矩阵方程和量子回归理论，理论计算并数值模拟了荧光场强度关联随时间的演化。结果表明，系统荧光光子的关联行为受到压缩真空的显著调制。当与原子相互耦合的场很弱时，压缩真空不改变荧光光子的关联行为，但缩短了反关联演化时间，并改变了原子的布居分布；然而，在强场耦合作用下，压缩真空破坏了系统的相干布居捕获条件，压缩真空和原子相干导致荧光光子的关联行为从强关联回到正常水平。

考虑混态光场与一个二能级原子相互作用，运用量子约化熵理论和数值计算方法，研究光场频率随时间作正弦变化和脉冲调制两种情况对场和原子的量子约化熵变化的影响。结果表明：正弦调制时，增大频率变化的幅值，场和原子的约化熵增量演化呈现周期性的崩塌与回复现象。在脉冲调制的情况下，随着脉冲强度的增大，场和原子熵交换的程度明显减弱。两种调制时，场和原子的约化熵始终处于完全交换状态。

研究二能级原子与双模腔场相互作用系统，考虑双模间存在耦合的情况。采用Negativity熵度量两体系统间的纠缠，具体计算了场模间的耦合系数取不同值时系统中原子熵、原子与场模间纠缠和两场模间纠缠的演化。讨论了场模间的耦合强度变化对纠缠特性的影响。结果表明：原子与场模间纠缠和两场模间纠缠均呈现出周期性演化规律，并且其演化周期随场模间耦合的增强而减小；原子和场模间的纠缠与模间耦合系数之间存在非线性关系，但两场模间纠缠随模间耦合系数增大而减弱。

直视合成孔径激光成像雷达（SAIL）中，在发射端主镜的后焦面，两个同轴反向扫描正交偏振发射光束需要具有空间抛物波前相位波前差。采用自差接收探测和相位复数化处理，在交轨向产生与目标点横向位置成正比的线性项调制，在顺轨向产生与目标点纵向位置成中心的二次项相位历程，成像原理分别采用傅里叶变换和匹配滤波聚焦成像。提出了一种新的双面反射镜旋转发射结构，实现了同轴正交偏振的双光束，在交轨向对远场目标反向扫描且速率相同，同时通过柱面镜控制顺轨向光束相位变化。基于傅里叶光学理论和数学近似，理论分析和公式推导双面反射镜的放置位置对内发射光场分布的影响。建立了物理模型，数值模拟正交偏振双光束在发射端衍射到内发射场物理过程，给出光场强度和相位分布，并且和解析分析结果作对比，给出误差分析和结论。

提出使用128×128元液晶微透镜阵列取代传统固定焦距的微透镜阵列，实现了一种可电控自适应调节的夏克哈特曼波前传感器。该传感器克服了传统波前传感器无法兼顾测量范围与测量精度的缺点，可工作在大测量范围/短焦距与高测量精度/长焦距两种模式下，并可自由切换。通过实验测量，该波前传感器调至短焦距工作模式时其焦距调谐范围为86~400 μm，调至长焦距工作模式时其调制传递函数在0.46以上。并通过对焦点落于CCD有效区域外的极端情况进行实验验证，表明该波前传感器具有一定电控自适应调节能力，在自适应光学系统中具有较大的应用潜力。

理论分析了微管回音壁谐振模(WGM)不同径向模式下的光场分布对传感灵敏度的影响。通过改变入射光角度，利用棱镜耦合的方法在微管中激发出不同的径向模式，利用不同质量分数的乙醇水溶液进行传感实验，分别获得了不同径向模式的传感灵敏度。结果表明传感灵敏度受径向模式数影响较大，由28阶WGM径向模式下的2.725 nm/RIU(折射率单元)提高到38阶径向模时的24.464 nm/RIU，实验结果与理论分析基本一致。

合成孔径激光雷达(SAL)由于信号波长短，造成波束光斑脚印较小，限制了成像场景的幅宽。针对该问题，将合成孔径雷达(SAR)中常用的宽场景测绘TOPS模式推广应用到SAL中，并针对SAL的信号特性，提出了一种可行的成像算法：采用基于谱分析的方位预滤波方法，消除由于波束转动导致的方位信号模糊，获得信号无模糊的二维频谱；利用改进的频率变标算法(FSA)完成距离压缩及距离徙动校正，并校正平台连续运动引入的多普勒频移；结合去斜技术将信号聚焦在方位频域，获得无模糊的SAL图像。仿真结果验证了该算法的有效性。

动态光散射是测量纳米颗粒大小的有效方法，但使用线性累积分析法反演的颗粒直径受数据点长度的影响较大，数据点长度不同，拟合结果也不同。针对线性累积分析法的缺点，对比分析了线性和非线性累积分析法，并结合两者的优点提出最优拟合累积分析法。此算法由一阶曲线拟合反演颗粒的直径，并与一阶多项式拟合结果对比，获得光强自相关函数的最优线性拟合长度，然后由二阶多项式拟合反演颗粒的多分散系数。理论分析与实验数据表明：最优拟合累积分析法反演的颗粒直径相对误差和重复性均小于2%，多分散系数相对误差小于6%，因此利用最优拟合累积分析法可获得稳定、可靠的颗粒直径及其多分散系数。

铜绿微囊藻是我国内陆富营养化湖泊蓝藻水华的主要藻种。将铜绿微囊藻抽象为由细胞质和叶绿体构成的两层球形模型，通过循环迭代的方式确定两层球形模型中叶绿体的体积比例及其折射率的中心值，结合Kramers-Kronig关系最终确定两层球形模型细胞质及叶绿体的复折射率，通过Aden-Kerker理论结合粒径分布情况模拟出其吸收和散射效率光谱。对比模拟结果与实验结果发现：该模型估算得到的散射光谱与实验的散射光谱之间误差为3.4%，吸收效率误差为4.3%，在后向散射模拟实验中，相比均匀球形模型，两层球形模型表现出较好的优越性。

利用基于可调谐半导体激光器的免标定波长调制光谱技术，通过迭代求解实现了温度和组分浓度的测量。通过测量7185.60 cm-1和7454.45 cm-1两条H2O吸收谱线的激光调制参数，得到了实验和仿真所需的参数。采用频分复用技术，对温度分布在600 K~1000 K范围内的气体温度场进行了温度和组分浓度的测量验证。结果表明，基于免标定波长调制光谱技术测得的气体温度和组分浓度与预测值基本符合，与热电偶测得的温度和直接吸收光谱方法测得的组分浓度的最大相对偏差分别在4%和5%以内。

研究了在1-on-1情况下，采用不同激光能量对HfO2薄膜进行预处理后，薄膜的光学特性、损伤阈值以及损伤形貌变化的机理。实验采用阈值能量的10%、30%、50%、70%对薄膜进行1-on-1预处理，经过预处理后的薄膜表面粗糙度平均从2.62 nm降低到2.41 nm。随着能量阶的提升，激光预处理后薄膜在1064 nm处的透射率与预处理前相比均有所增大。激光损伤阈值先增后降，30%能量预处理的薄膜损伤阈值最高，达到了26.86 J/cm2，增幅为56%。对比预处理前后的损伤形貌可知，30%能量预处理后薄膜在140 mJ能量下，损伤深度由预处理前的98 nm减小到了30 nm，损伤斑个数由预处理前的5个减少到了预处理后的1个。实验结果表明：膜内杂质缺陷是导致HfO2薄膜阈值降低的因素，低能量的激光预处理薄膜有消除杂质缺陷，平整、固化膜层的作用，因而可以有效地提高薄膜的激光损伤阈值。

为了解决VO2薄膜掺杂后相变温度高，相变前后红外透射率差值减小等问题，利用磁控共溅射的方法，在普通玻璃基底上溅射沉积钨钒薄膜，再在常压氮氧混合气氛中退火，制备了性能良好的掺钨VO2薄膜。分析对比了不同混合气氛中氧化生成的钨掺杂VO2薄膜的组分和结构，发现VO2有明显的(011)和(200)生长取向，并且随着混合气氛中氧含量的增加，薄膜颗粒大小从50 nm增大到80 nm。钨掺杂VO2薄膜的相变温度下降到31 ℃，相变前后红外透射率差值为41%。结果表明通过高效的钨掺杂可以降低VO2薄膜的相变温度，改善红外区域的透射光谱特性，减小钨掺杂带来的透射率损失。

氧化铟锡(ITO)半导体薄膜为典型的宽禁带半导体材料，具有短波高透射、长波高反射以及超宽的反射带等特性，满足热光伏(TPV)系统对滤波器的要求。以载流子浓度N和迁移率μ以及膜层厚度d为参数，对ITO薄膜的光学性质进行了仿真，给出了在不同参数下滤波器的光谱曲线。通过磁控溅射薄膜沉积系统制备了ITO薄膜，对退火处理后的滤波器进行了光学性能测试，最终得到可用于热光伏系统的ITO薄膜滤波器。制备的与GaSb电池匹配的滤波器截止波长为2 μm，短波平均透射率接近70%，长波平均反射率接近70%，而且超宽的长波反射带延伸至10 μm，可大大提高TPV系统的效率。

为了更准确、客观地评价快门眼镜式立体显示技术中的闪烁现象，提出了一种基于时变光信号测量的闪烁程度客观评价方法。利用瞬态亮度响应测量系统实现对显示器时变亮度信号的准确记录，然后在阴极射线管(CRT)显示的临界闪烁频率(CFF)估计模型基础上，结合基于快门眼镜式立体显示的视觉感知实验，建立了快门眼镜式立体显示的闪烁程度估计模型。估计模型的估算结果与视觉感知实验结果的相关系数达到0.97。该瞬态亮度测量系统以及提出的闪烁程度估计模型实现了对快门眼镜式立体显示闪烁程度的客观量化，同时对视觉舒适度的优化也起到了积极的推动作用。

为有效评估和预测在极紫外光辐照下，极紫外光刻机中残留的碳氢化合物气体在多层膜光学元件表面造成的碳污染状况，建立了光学元件表面碳沉积的复杂理论模型，描述了残留碳氢化合物在光学表面的传输，在极紫外光子和二次电子激发下引起的分子分解，并在光学表面形成碳沉积层的过程。模型预测结果和实验数据吻合得很好。理论分析表明引起碳氢化合物分解的主要原因是光子分解而不是二次电子分解。碳层的增长依赖于碳氢化合物气体偏压和极紫外光强，具有较轻分子量的碳氢化合物（<～100 amu）对污染的贡献很小。同时当基底温度适度增加时（～30 ℃），能够加速表面碳氢化合物分子的解吸附，可有效减少碳污染。

将同步辐射X射线同轴相衬显微层析(PPCT)方法应用在野山参特征结构的原位无损成像研究，并利用相位吸收二重性Paganin算法(PAD-PA)实现了同步辐射X射线PPCT实验数据的相位重建和优化处理，获得了野山参草酸钙簇晶的三维显微结构、体积大小、空间分布和数量分布等定量信息。研究结果表明，PPCT方法与相位恢复算法结合可用于如野山参草酸钙簇晶这类中药材显微结构的定量研究。