基于蒙特卡罗法建立了多次散射随机模型，并利用该模型对雾环境下非视距大气散射光通信信道传输特性进行了模拟分析。由于大气对可见光波段或者红外光波段的信号光吸收损耗较小，且大气分子对传输信号光产生的瑞利散射作用可以忽略，同时，该波段信号光子与大气中的雾滴粒子等尺度较大的粒子间会发生较强的米氏散射作用，故在长距离散射光通信系统中一般采用该波段的信号光源。模拟时选择的光波长为620 nm，分析了在雾环境下通信距离条件不同时，信号光传输的损耗与能见度的关系。结果表明，在给定的通信距离以及给定的系统发送端发送仰角和发送光束束散角、接收端接收仰角和接收视场角等几何参数下，存在一个能见度使得在该能见度条件下信号光传输的损耗最小。

在弹道导弹防御系统中，群目标跟踪是目前较为困难的问题之一。这些目标不仅具有相似的运动特性，且相互邻近，又由于红外光学探测器的特性和分辨率的影响，使得它们在像平面不再是点目标而是簇状像斑。因此，“一个目标至多产生一个量测”的传统多目标跟踪方法不再适用。为了实现对该类目标的有效跟踪，提出了一种新型滤波算法。该算法视群目标为一个整体，用椭圆随机超曲面模型描述其扩散程度，并将其与扩展目标高斯混合概率假设密度(PHD)滤波器相结合，通过跟踪群质心和扩散程度实现对像平面群目标的跟踪。通过仿真对比，所提算法在质心状态和扩散程度的估计精度方面均明显优于基于随机矩阵的高斯逆韦氏分布的概率假设密度滤波器。

结合光纤光栅法布里珀罗干涉仪（FBG-FPI）和圆筒振子耦合技术设计高灵敏度传感器，应用于电力设备液体绝缘介质中声波信号检测。FBG-FPI采用反射率为50%的光纤布拉格光栅（FBG），中间处截断熔接20 mm长单模光纤SMF-28制备。为获得高灵敏度，根据弹性力学原理和有限元分析方法建立圆筒振子参数确定方法。为解决FBG-FPI受温度影响而造成静态工作点漂移的问题，提出了一种利用可调谐分布式反馈（DFB）激光器的温度补偿方法，并通过升降温实验验证了该方法的温度补偿效果。建立FBG-FPI传感器与RC6500T传感器对比实验系统，实验结果表明在1.1 kHz声波信号驱动下液体介质中的FBG-FPI与加速度传感器具有相近灵敏度。

可见光通信是一种工作在可见光光谱范围内的新兴高速短距离通信技术。将白光LED作为光源的光无线网络中，通常使用强度调制/直接检测方式，忽略了信号的频率和相位信息，导致光无线信道的空间相关性比传统无线信道大得多。分析了影响光多输入多输出(MIMO)信道相关性的因素，并通过仿真验证了在特定条件下各因素对信道相关性产生影响的方式。在特定的场景内，根据信噪比和信道相关性的共同影响获得了最佳的收发端参数设置，从而得到了最佳的误码率性能。

将CdSe/ZnS（核/壳）量子点掺入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），形成（CdSe/ZnS）/PMMA量子点掺杂光纤材料。测量了不同掺杂浓度下的（CdSe/ZnS）/PMMA的吸收谱、发射谱和折射率。与正己烷溶剂中的CdSe/ZnS量子点比较，PMMA基底不改变CdSe/ZnS量子点的吸收和发射峰值波长。在掺杂质量浓度范围0.013~0.130 mg·mL-1内，实验观测到了光致荧光(PL)峰值强度具有单峰并呈指数平方变化的规律。随掺杂浓度的增加，常温下折射率最大可提高0.0013，PL辐射峰波长出现红移并逐步增大，最大红移量受限于斯托克斯频移。红移产生的原因为量子点的二次吸收发射和掺杂浓度效应。

针对串行译码转发（DF）中继传输方式，研究多跳自由空间光通信（FSO）系统的性能。在研究自由光通信信道衰落模型中，主要考虑大气强湍流引起的衰落以及由未对准偏差和路径损耗共同作用引起的接收机光强度的抖动，并把它们建成一个统计模型。在给定天气状况和未对准条件的情形下，推导串行DF中继传输的多跳FSO的端到端中断概率，得到了端到端中断概率的闭合解析表达式。最终数值结果表明，串行DF多跳传输是一种提高FSO性能的十分有前景的技术。推导的解析表达式和仿真结果吻合得很好。

描述了基于数据抽运方案的光纤参量2R(再放大、再整形)再生器（FOPR）工作原理及其设计原则。从简并四波混频（FWM）抽运带宽、连续探测光波长设置以及功率转移函数（PTF）等方面对FOPR进行了仿真设计，指出FOPR中采用功率控制单元提升再生器性能的必要性。在此基础上，制作了一台全光2R再生器，并对其再生性能进行了实验测试，其PTF斜率约为1.7，消光比(ER)可提升约5 dB，实验结果与仿真设计一致。

设计了一种基于crossbar电光开关网络的偏振结构广义无阻塞自由空间全光路由器，利用电光晶体开关作为入射光束的偏振控制器，偏振分束棱镜作为分束元件，提出自由空间2×2和3×3全光路由器的基本结构，能够实现自由空间2×2和3×3全光路由器的任意通道的广义无阻塞连接，并可以实现N×N全光路由器的拓展。这种自由空间全光路由器具有结构简单、插入损耗低、响应速度快、无阻塞等优点，可以实现实时可编程控制，适用于空天全光路由组网。对自由空间2×2全光路由器进行了实验验证，实现了2×2光互连，消光比达到27 dB，最大插入损耗约为0.73 dB。

利用零色散波长在1020 nm附近的光子晶体光纤(PCF)，对光纤光参量放大器(OPA)进行了研究。为了在较短的光纤中产生足够的参量增益，搭建了锁模掺镱光纤激光器作为抽运种子源，采用其具有高峰值功率的脉冲进行抽运。该激光器产生的短脉冲被放大后注入到PCF进行抽运。当抽运脉冲的中心波长接近光纤的零色散波长时，观测到了显著的参量增益。研究了不同抽运功率以及不同抽运波长下参量增益的变化，最高获得了23 dB的参量增益。

设计了一种应用于星间相干激光通信系统的新型空间光混频器。基于传统的空间光混频器光学原理方案，加入一块相位补偿晶体，去掉了两片1/2波片，将两块偏振分光棱镜旋转一定角度，能消除1/2波片由于加工误差对相位延迟造成的影响。研究了相位补偿晶体旋转角度与相对相位差补偿量的关系，对相位补偿量的仿真曲线进行了分析。提出了一种空间光混频器相位检测方法，利用该检测方法搭建实验平台，通过实验数据验证了此方法对于相位补偿晶体的有效性。并针对新型空间光混频器光学结构进行了具体的机械结构设计。该装置可应用于空间相干接收系统。

在金属空芯光纤（MHF）内加介质膜是降低光纤传输损耗的有效方法。采用有限元法研究了介质膜对椭圆MHF在太赫兹波段传输特性的影响。分析结果表明，介质膜的干涉效应使得光纤传输特性随频率变化具有周期性。介质膜能够改变光纤传输模式，增加截止波长和单模传输带宽，提高光纤和光源的耦合效率并降低传输损耗。然而介质膜在低损耗窗口减小了模式双折射。分析结果为光纤结构选择、设计和制作提供了重要参考。

基于少模光纤(FMF)的模分复用（MDM）传输系统，模式差分群时延（MDGD）是影响系统设计的关键因素之一。考虑实际光纤制备工艺，数值分析了阶跃折射率(SI)光纤、渐变折射率(GI)光纤、带有外下陷包层的阶跃型光纤和带有外下陷包层的渐变型光纤中不同的MDGD特性。在支持四个导模条件下，优化设计得到两种不同折射率剖面分布的四模光纤，分别具有较大的MDGD(LP11，LP12，LP02与LP01的MDGD分别是4.65,10.02,11.73 ps/m)和较小的MDGD(LP11，LP12，LP02与LP01的MDGD分别是-0.049, -0.258, -0.168 ps/m)。制备了阶跃折射率分布的少模光纤，其实测基模的损耗为0.23 dB/km(1550 nm)和0.37 dB/km(1310 nm)测量及分析结果证明其能够支持MDM应用。

为了避免传统最小均方/最小二乘(LMS/LS)盲均衡方法的系数矩阵病态问题、减少最小均方(LMS)和最小二乘(LS)方法对数据长度的严重依赖，提出一种基于脊回归（RR）方法的光通信系统电域盲均衡算法。通过RR盲均衡代价函数的构建，盲均衡问题转化为求解无约束优化问题并完成求取均衡器的数学推演。分析了该算法的复杂度和脊参数对于代价函数及其性能的影响，构造批处理形式迭代算法求解该优化问题。该方法可将多进制相移键控(MPSK)和正交幅度调制(QAM)系统盲均衡问题纳入统一的框架。最后，通过仿真验证了新方法在性能上优于传统LMS/LS类盲均衡算法。

提出一种基于线性相位插值(LPI)的增强型载波相位估计(CPE)算法，并对其在112 Gb/s偏振复用16进制正交幅度调制（DP-16QAM）系统中的性能进行了仿真和实验研究。该算法在基于数据块平均的CPE算法基础上，通过对其获得的估计相位噪声进行LPI，实现相位噪声估计准确度的大幅提升。仿真结果显示，基于CPE的增强型CPE算法的相位估计误差的方差比基于数据块平均的算法降低了26%。同时，其线宽容忍度是基于数据块平均算法的2倍。在112 Gb/s DP-16QAM实验系统中对增强型算法进行了测试。实验结果表明，在误码率(BER)为3.8×10-3处，采用增强型算法时所需光信噪比(OSNR)比基于数据块平均算法降低了0.7 dB。仿真与实验结果显示，基于LPI的CPE算法性能与基于窗口扫描算法相当，但增强型算法的硬件复杂度降低了99.2%。

数值仿真半导体光放大器(SOA)延迟干涉仪(DI)光判决门的功率传输曲线，给出在40 Gb/s速率以下SOA-DI光开关的再生特性，进行了10~40 Gb/s恶化信号的再生实验验证。由于SOA的交叉增益调制（XGM）极度依赖于载流子的恢复时间，在高速时，基于SOA的XGM效应的反逻辑信号存在明显的码型效应，提出基于SOA的瞬时交叉相位调制效应结合交叉增益压缩（XGC）效应的全光2R(再放大、再整形)再生方案，实现了100 Gb/s的归零（RZ）信号的全光2R再生。

利用干涉理论对无衍射贝塞尔光束经轴棱锥线聚焦后产生的周期局域空心光束进行描述。计算了产生的局域空心光束的最大无衍射距离。采用几何光学理论和干涉理论对轴棱锥聚焦无衍射光束进行分析，并利用MathCAD软件对沿传输距离变化的光强分布和一个周期内光强的演变情况及对应的光斑图进行数值模拟。实验中采用一个底角为1°的轴棱锥来产生无衍射贝塞尔光束，再经第二个底角为2°的轴棱锥对无衍射贝塞尔光束进行聚焦，通过显微镜和CCD照相机系统对光束进行观察和拍摄，实验和模拟结果相吻合。

提出了一种产生栅型结构光的新型光学系统，该系统由两个不同底角的双棱镜和一个柱面透镜组合而成。解决了单个双棱镜产生栅型结构光的有效区域小，无法应用于全场测量的问题。采用几何光学理论详细分析了产生栅型结构光的物理过程，给出了光束相关参数的计算公式。应用光学分析软件Zemax模拟了新型光学系统后不同位置处的光强分布及其随系统参数（光学元件的结构参数、元件之间的相对位置等）的变化；模拟结果与几何光学分析的结果基本一致。研究表明：平面波通过新型光学系统能够产生一种具有测量区域宽、发散度低、参数调节灵活等特点的栅型结构光。

为了提高全息光学系统的光学效率，提出用分光棱镜和光栅对图像进行出瞳扩展，并通过双光栅设计改善光学系统的成像质量。通过光学系统建模，分析了光学系统成像质量并进行仿真。光学系统的视场为20°×20°，出瞳大小为20 mm×20 mm，剩余波像差为0.075λ，畸变小于0.01%，调制传递函数(MTF)接近衍射限。对于零视场光学系统的出瞳具有完全均匀辐照度分布，光能利用率约5%~6%。而对于20°视场系统出瞳辐照度均匀性略有下降，光能利用率为3%~4%。结果表明，该全息波导系统显著提高了全息波导头盔显示系统的光能利用率。并且棱镜波导系统具有高度可行性，可以应用于新一代头盔显示技术。

在高成像质量的光学系统的集成制造中，受元件的面形和材料的均匀性误差的影响很难满足极限的成像质量要求，必须采用多种像质补偿措施，元件的旋转补偿是其中必要的像质补偿措施之一。提出了一种光学系统光学元件旋转补偿优化方法，该方法可以用于获取元件的最佳旋转角度。实验验证了该方法的可行性，证实了旋转补偿对系统波前像差具有较强的补偿能力。通过研究旋转补偿的机理总结出可用于评估光学系统旋转补偿能力的多边形原则，并以此作为光学材料筛选的原则之一。最后提出了一种针对球面多视场系统的旋转补偿优化方法，并得到了光学设计软件的分析验证。旋转补偿是高精密光学系统制造和集成中经济有效的像质补偿措施，对进一步提升光学系统的性能具有重大的意义。

针对强度关联成像遥感探测中存在的成像速度受到参考臂图像采集速度限制的问题，研究了一种基于随机相位板扫描的可重复赝热光源。通过产生可重复使用的散斑，省去成像过程中参考臂的实时采集。建立了散斑重复性评价函数，并数值模拟分析了使用可重复散斑对关联成像质量的影响，给出了在不影响成像质量的情况下所允许的激光强度抖动和扫描定位精度。实验分析了此可重复赝热光源的性能指标。实验结果表明，在发射速率为4000 frames/s时，赝热光源的激光强度抖动及扫描定位精度均满足要求，散斑相关系数可达到0.97以上，成像分辨率可达到衍射极限，证实了此可重复赝热光源的可行性。

利用数字微镜器件（DMD）的可控性，搭建了一种基于数字微镜器件幅度调制的单臂鬼成像实验平台,利用数字微镜器件调幅预置生成不同均值和标准差的准高斯随机测量矩阵，从实验角度分析了不同均值和标准差的准高斯随机测量矩阵以及目标稀疏度对基于稀疏限制的鬼成像（GISC）图像重建质量的影响。数值模拟和实验结果均表明：随着均值u的减小或者标准差σ的增大（即准高斯随机测量矩阵A的调幅大小δ=σ/u的增大），基于稀疏限制的鬼成像图像重建质量的失真度正比于准高斯随机测量矩阵的调幅大小δ－1/2，同时基于稀疏限制的鬼成像的图像重建质量的失真度与目标的稀疏度β成线性关系。

共形光学导引头中采用了大量的二次曲面和非球面，共形光学系统不具备点对称特性，导致导引头随目标视场的变化而产生瞄视误差。分析了共形光学系统瞄视误差的产生机理，利用光线追迹法，得到了0°~20°的目标视场中瞄视误差的仿真结果，计算出瞄视误差与目标视场的相关系数为0.9932。利用模板相关匹配法测试了共形红外导引头的瞄视误差，拟合了导引头瞄视误差的二次曲线，对比得到仿真数据的相对误差为5.02%。利用一元非线性回归分析法建立了误差修正公式，误差修正后的导引头的瞄视误差小于30 μm，跟踪精度提高至±1 pixel，可以满足导引头伺服控制系统的精度要求。实验结果为共形光学系统的设计和优化提供了部分依据。

百千赫兹量级测量重复频率和亚厘米量级测量精度的脉冲激光测距系统是激光测距领域的研究热点之一。分析研究了基于皮秒脉冲激光器的激光测距系统的实现原理和方法，针对激光脉宽极窄的特点，使用双阈值前沿时刻鉴别法和电压比较器输出数字信号的脉宽控制方法，并配合TDC-GPX高精度时间数字转换芯片，达到了设计要求。实验结果表明：测距系统工作稳定可靠，测量重复频率达到500 kHz，单次测距精度范围为[4 mm, 10 mm]。

剪切散斑干涉技术在表面形变测量中发挥着重要的作用，用于动态形变测量的空间相移技术使得散斑干涉技术更实用化。研究了一种基于菲涅耳双棱镜的空间载频产生方法，该方法与散斑剪切干涉结合可以实时地对变形梯度进行测量。应用菲涅耳双棱镜获得空间载频散斑干涉场并分析了双棱镜产生的剪切量和载频；采用单缝与菲涅耳双棱镜配合可以在一个散斑尺寸内产生空间载频；采用傅里叶分析方法进行了载频的标定，利用正弦拟合相移算法得到被测物的动态形变导数。实验结果证明采用菲涅耳双棱镜可以方便地实现散斑剪切干涉的空间相移测量，适合于动态形变检测。

拼接干涉仪存在机械定位误差，各子孔径间存在相对定位误差，给拼接结果带来影响，需要通过子孔径拼接算法进行补偿。为了提高子孔径拼接算法的补偿能力，提出了有别于基于原始图像计算补偿量的子孔径拼接新算法。将待拼接的图像变换成利于计算补偿量的图像，用变换后的图像进行计算并得到子孔径的相对位置关系，利用得到的相对位置关系将原图像拼好。针对拼接干涉仪机械定位精度较高的情况，设计了一种将原图变换成其梯度的幅值图和方向图，用幅值图作为权重，通过将方向图吻合计算补偿量的新算法。仿真结果表明，该算法相比于用原图计算补偿量的算法，更好地补偿了机械定位误差的影响。以全口径直接测量结果为标准，实验结果进一步验证了这个算法的有效性。说明了根据实际情况选取恰当的变换，基于变换的子孔径拼接算法能提高拼接精度。

波片相位延迟量误差、快轴角度误差和检偏器透光轴角度误差是影响基于旋转波片法的偏振检测装置测量精度的主要因素。通过对波片和检偏器参数进行校准，可有效提高检测装置测量精度。针对现有校准方法操作复杂的不足，提出一种偏振检测装置器件参数校准新方法。该方法以水平线偏振光[1,1,0,0]T作为标准参考光，分别在检偏器方位角为0°和45°时，对标准参考光各进行一次测量，计算得出器件参数误差，从而实现偏振检测装置器件参数校准。实验结果表明，通过器件参数校准，偏振检测装置测量误差由原来的3%降低至0.87%以内。

时间延迟积分(TDI)CCD是一种类似面阵结构的线阵输出CCD,由于TDI CCD光电荷转移具有一定的方向性，TDI CCD在安装时其积分方向必须与地物在像面上的像移方向一致。给出了经纬仪测量原理，建立经纬仪测量坐标系。分析了对称视场和不对称视场TDI CCD线阵水平的测量原理和调整方法，推导了TDI CCD线阵方向的计算公式。给出的实例表明：TDI CCD线阵水平的测量与计算方法合理可行。

研制了一套分幅面成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)用于飞片完整性、速度分散性和平面性的诊断。在线成像VISAR基础上，用更小的条纹常数实现更高的速度分辨，同时用光电分幅相机取代扫描相机记录干涉条纹图像，实现多个时刻全场速度的测量。所研制的面成像VISAR具有5 μm的空间分辨和15 m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铜膜或铝膜飞片的速度场，给出了多个时刻的全场速度分布，从中可以清晰看出飞片的演化发展过程。实验结果表明，分幅面成像VISAR技术可以为激光驱动飞片平面性的理论研究和数值模拟提供有效实验数据。

为了考察真空环境对太阳辐照度绝对辐射计辐射测量值及其对世界辐射基准修正系数的影响，提高在轨辐射测量值向世界辐射基准的溯源精度，改善不同仪器在轨辐射量值的一致性，进行了真空环境中太阳辐照度绝对辐射计腔温响应变化及其影响的测量和评估。真空环境中，由于缺少了空气对流这一传热途径，使得在相同的加热功率下，辐射计腔温响应的时间常数变长，并且平衡温度升高，导致辐射计黑体腔响应度明显降低。在真空和空气中,对相同的测量目标进行辐射测量，结果表明由于真空中黑体腔时间常数和响应度的变化，导致测量的辐射功率有0.15%的相对偏差，进而造成真空环境中的辐射测量值向世界辐射基准的修正系数发生0.15%的相对变化。

可调谐半导体激光吸收光谱技术作为一种稳健的非接触测量技术，在燃烧和推进等恶劣流场的诊断中具有广泛的应用。开发了一种基于水吸收的可调谐半导体激光传感器，用于同时测量超声速地面测试设备的温度和速度，应用扫描波长吸收谱和免标定的波长调制谱可实现绝对测量。传感器在2.5 kg/s质量流量的直连式超燃试验台上开展了工程试验研究，试验马赫数为2.0，总压为5.3~5.7 atm(1 atm=1.01325×105 Pa)，总温为1100 K~1700 K，速度和温度的测量结果与模型预测值具有较好的一致性，验证了传感器设计的有效性，为工程应用提供了有力的技术支撑。

以PbSe量子点作为激活增益介质，在由量子点掺杂光纤、波分复用器、光纤光栅等组成的全光纤环形谐振腔中，实验首次观测到了波长为1550 nm、稳定连续的激光振荡。在980 nm激光二极管(LD)抽运下，发现了明显的抽运激励阈值。低于激励阈值时，没有激光；高于激励阈值时，激光输出功率随激励功率线性增大。激光输出为多模，通过光纤弯绕方式可选出单模输出。对于50 μm纤芯直径的多模量子点光纤，当入纤抽运功率为68 mW时，实测激光输出功率为19.2 mW（多模）和6.31 mW（单模），激光的3 dB线宽小于0.1 nm，抽运效率分别为28%和9.3%。

采用最小偏向角法在40 ℃ ~160 ℃范围内分别测量了0.194、0.254、0.404、1.53、2.325 μm等9个波长下非线性光学晶体YAl3(BO3)4(YAB)的折射率，通过最小二乘法拟合得到不同温度下折射率的Sellmeier方程及折射率温度系数随波长变化的函数表达式。在此基础上计算出YAB晶体I类相位匹配实现266 nm紫外光输出时的温度带宽为6.9 ℃·cm。实验与计算结果表明，YAB晶体具有较好的热稳定性，有利于实现高功率、高稳定性的266 nm激光输出。

研究了空气/金属介质超晶格结构界面处的表面等离极化激元。采用传输矩阵法，得到了金属介质层状超晶格结构的能带分布以及表面等离极化激元色散曲线，发现通过调节界面处金属层厚度可以有效地调控表面电磁模式分布。若在金属层中外加静磁场，破坏了系统的时间反演对称性，表面等离极化激元表现出非倒易的特性。尤其在一定频率区间，会出现单方向传播的表面等离极化激元。

提出了具有高探测灵敏度的微腔光声探测技术。采用微腔耦合技术，将细胞内产生的光声信号，通过微通道传导到耦合腔，被麦克风接收，成功研制出微腔光声探测器。在相同的温度变化情况下，密闭腔内气压变化量与腔的体积成反比，腔的体积越小，气压变化量越大，探测器对压力的响应度就越高，对于微弱光声信号就越灵敏。因此，设计出的高灵敏度微腔光声探测器，能够探测到连续调制光激发出的微弱光声信号，重建出免标记的细胞水平的光声显微图像。从已获得的分辨率板、洋葱表皮细胞和血红细胞等样品的光声显微图像可以说明这个光声微腔探测器的灵敏度高，分辨率达到1.25 μm。

非均匀非线性波导中光脉冲的传播由(2+1)维变系数非线性薛定谔方程描述。通过引进相似变换，构建出非均匀非线性波导中的准确的二维一阶、二阶线光学畸形波解；深入讨论了它们在周期色散介质中的传播特性；给出了操控它们传播的控制条件。研究发现一阶、二阶光学畸形波解在平面上看具有类似于KP(Kadomfsov-Pefrishvili)方程中线孤子解的特征，因此引进了线光学畸形波的概念。

研究了光学表面中频误差对杂散光的影响规律，提出使用功率谱密度函数描述表面中频误差，并通过该描述方法进行杂散光分析；同时利用等效光瞳空间频率对表面中频误差进行公差分析。利用以上方法，对工作波长为193 nm、数值孔径为0.75的光刻物镜进行元件表面中频公差分析，当要求在2~10 μm范围内的杂散光强度占比小于0.5%时，中低频等效光瞳空间频率界限为16，中高频等效光瞳空间频率界限为78。当元件表面功率谱曲线指数取1.5时，功率谱密度系数小于0.06的元件表面满足杂散光要求。结果表明该方法可以有效分析光学系统杂散光和元件表面中频公差。

研究了棱镜色散型光谱仪的特点及分光原理，提出一种新型的小入射角棱镜分光光谱仪的设计方法。该光谱仪采用了全反射光路，不需要加入校正透镜，避免因色差引起的像差，成像质量好，可以有效地校正光谱弯曲。给出了成像光谱仪系统设计实例，运用光学设计软件Zemax对成像光谱仪光学系统的成像质量进行了分析。结果表明，光学系统在各个谱段的光学传递函数均接近衍射极限，光谱弯曲很小，完全满足设计指标要求。

使用微波回旋共振离子源，研究了低能Ar+束在不同入射角度下对旋转单晶硅（100）表面的刻蚀效果及其光学性能。结果表明：样品旋转、离子束能量为1000 eV、束流密度为265 μA/cm2、刻蚀时间为60 min时，在不同入射角度下，刻蚀后的样品表面可形成均匀的自组装点状结构。入射角度为0°～25°时，随着角度增加，样品表面粗糙度增大，点状结构有序性更强，光学透射率提高；继续增加入射角度，样品表面粗糙度及点状结构尺寸开始减小，光学透射率降低；增加入射角度到45°时，自组装点状结构消失，粗糙度和平均光学透射率达到最小值分别为0.83 nm和55.05%；进一步增加入射角度，样品表面再次出现自组织装点状结构，表面粗糙度急剧增大，入射角度在65°时，平均光学透射率达到极大值64.59%；此后，随着离子束入射角度的增加，表面粗糙度缓慢减小，光学透射率降低。自组织结构变化是溅射粗糙化和表面弛豫机制相互作用的结果。

微晶玻璃是制造大型空间望远镜、激光陀螺仪的重要材料，但微晶玻璃在超精密加工的过程中，工件内部会产生亚表层损伤，制约了微晶玻璃的光学性能。利用压痕法研究微晶玻璃产生裂纹脆塑转变临界条件，并在此基础上利用循环纳米压痕实验，研究了加工疲劳对材料脆塑转变的影响规律，以及疲劳状态下微晶玻璃临界压力的变化规律和疲劳因素对临界磨削深度的影响。研究结果表明，磨削循环过程使工件表面产生累积的机械损伤，致使微晶玻璃材料断裂韧性减小，导致塑性域降低；微晶玻璃材料表面产生裂纹的临界压力载荷与循环次数有关，循环次数越多，临界压力载荷越小。在此理论基础上确定了脆塑转变临界磨削条件。研究结果为改善光学元件的表面质量提供了一定的参考。

极紫外光刻是16~22 nm光刻技术节点的候选技术之一，其投影物镜设计需在满足像质和分辨率要求的前提下，兼顾工程可实现性。在考虑加工、检测和制造约束的情况下，设计了像方数值孔径分别为0.3和0.32、曝光视场为26 mm×1.5 mm的极紫外光刻投影物镜。详细分析和比较了两套物镜的光学性能和可制造性。结果表明，两套物镜结合分辨率增强技术可分别满足22 nm和16 nm光刻技术节点的性能要求。

小型化、低成本和低噪声的激光器有助于实用化非经典光源的实现。掺镱光子晶体光纤锁模激光器与钛宝石激光器相比，具有系统结构简单、体积小和价格低的优点，但其噪声特性还有待深入研究。采用一套适用于测量脉冲激光器噪声的自零拍探测系统，对掺镱光子晶体光纤飞秒激光器的噪声进行了测量分析。结果表明掺镱光子晶体光纤飞秒激光器的振幅噪声显著高于其散粒噪声基准，说明该激光器的输出不是理想的相干态光场，其噪声特性有待进一步提高。

采用具有高重复频率的连续变量脉冲量子态进行量子通信，不仅可利用单个脉冲编码信息，还可进行波分复用和时分复用，因而有助于提高量子通信系统的速度和容量。为了消除脉冲光重复频率信号对探测系统的饱和效应，设计制作了一种适用于测量脉冲光正交分量或强度噪声起伏的差分探测系统。对于利用变压器耦合的两个光电二极管的差分光电流交流分量，在采用低噪声放大器放大之前，先利用高隔离度的低通滤波器抑制脉冲光重复频率的拍频。该探测系统共模抑制比可达54 dB。入射的总光功率约为0.32 mW时，测得的光电流散粒噪声比电子噪声基底高8.7 dB。通过平衡零拍探测对散粒噪声基准进行标定，结果说明该系统适于测量脉冲光的量子噪声。

实验演示了一台全光纤量子关联光子对源。该量子光源的全部器件均集成在一个3U标准机盒中，其脉冲抽运光的重复频率约为20 MHz, 输出的信号与闲置光子波长均在1550 nm通信波段，且带宽均约为0.55 nm。输出光子对的亮度最高可达每秒4×105对，当光子对的亮度约为每秒104对时，其符合计数与随机符合计数之比为10，说明信号和闲置光子之间存在很强的量子关联。该量子光源空间模式纯净，工作位置便于移动，可以低损耗地与现有的光纤通信网络耦合。

为确保工作在高空复杂环境下的光学遥感器获得高分辨率、高质量的目标图像，对透射式高空光学遥感器的热控制技术进行了研究。分析了光学遥感器的结构特点及航摄时的外界热环境，建立了光学遥感器的热交换模型，详细计算了传导换热、对流换热系数、气动热等热边界条件。针对该光学遥感器的热控指标，详细阐述了热设计方案。利用IDEAS-TMG软件进行了瞬态热仿真分析，并进行了热平衡试验和热光学试验。分析与试验结果表明，在模拟的高空低温低压环境下，2 h内透镜组温度水平为20 ℃±1.5 ℃，轴向温差不大于3.1 ℃，径向温差不大于1.9 ℃，CCD组件温度范围为20 ℃～29.4 ℃，均满足热控指标要求；照相分辨率为51.5 lp/mm，满足设计指标要求。分析与试验结果证实了设计方案的合理性与有效性。该研究方法和技术路线可为其他高空光学遥感器热控设计提供一定的参考。

红外光学遥感器的杂散辐射源分为外部辐射源和内部辐射源，其杂散光分析与抑制原理均与可见光谱段的遥感器有较大差别。在红外光学遥感器杂散光抑制设计中，外杂散光和内杂散光的抑制措施通常相互矛盾，但又必须采取最优措施以达到对二者同时抑制的效果。通过研究同一抑制措施在不同状态时外杂散光和内杂散光的变化趋势，提出红外光学遥感器杂散辐射的综合抑制思想。对某红外预警相机的杂散辐射进行了实例分析，通过研究抑制措施输入值改变时内杂散光和外杂散光的变化趋势，并分析关键表面的特性，最终找出抑制措施的最优输入，分析结果满足内杂散光和外杂散光的综合抑制要求。

活体浮游植物的叶绿素荧光发射特性与激发光源的波长和强度密切相关，实验选取普通小球藻和铜绿微囊藻作为测试对象，获取了中心波长为450、525、590、620 nm 4个波段LED激发下的叶绿素荧光诱导特性。研究表明，当对应波段上的激发光强分别低于2.8、4.6、3.8、4.3 μmol/(m2·s)时，荧光诱导曲线始终保持在稳定水平本底荧光(Fo)；分别记录同一信号增益下上述4个波段激发时的Fo和激发光光合有效辐射(PAR)，通过拟合可以得到一个粗略的四点离散激发光谱，并结合对应波长处的吸收率数据分析了波长对荧光发射的影响；对经浓度为0.4 μmol/L的二氯苯基二甲脲(DCMU)处理并由90%的乙醇提取叶绿素后的样品和活体浮游植物样本进行对比分析，获得了有显著差异的荧光诱导曲线。实验结果为浮游植物光合作用活性原位测量提供了理论基础和数据支持。

分析了改进后的共面插指电极在高场强下的电场分布，验证了插指电极结构用于制作电光聚合物薄膜器件的可行性。基于插指电极薄膜器件在极化过程中电场分布的不均匀性，建立了关于电极间距、聚合物厚度、电场分布的三维模型，得到了不同极化电压下的平均场强。为了测试插指电极薄膜器件的电光系数，对三明治结构器件的椭偏透射测量电光系数方法做了改进。在相同电场下，对比了共面插指电极薄膜器件与三明治结构薄膜器件的电光系数，结果表明薄膜器件结构的变化不会引起薄膜本身电光系数的改变。

用磁控溅射法制备了K9基片/非晶态InSb/ZnS-SiO2样品。利用椭圆偏振光谱仪对非晶态InSb薄膜的光学常数进行了测量，利用傅里叶变换红外光谱仪得到光学带隙为0.26 eV。采用改进的Z-扫描装置对405 nm波长的非线性吸收和非线性折射进行了测量。结果表明非晶态InSb薄膜表现出饱和吸收和自聚焦特性，有效非线性吸收系数为-3.73×10-2 m/W，非线性折射率为6.64×10-9 m2/W。根据非线性吸收系数，计算了非线性吸收截面的面积，与相关文献的报道非常接近。基于对非晶态InSb薄膜在405 nm波长的变温椭偏测试，讨论了热效应对非线性的贡献。分析表明非线性饱和吸收特性主要来源于纳秒脉冲激光作用下的热效应，而非线性折射特性是电子受激跃迁过程导致的。对饱和吸收特性诱导的超分辨效应进行了模拟，结果表明InSb薄膜的非线性吸收特性可以有效减小透射光斑的大小。

根据多光束干涉原理，基于迭代算法，设计出用于异质结太阳能电池的异型分布布拉格反射（IDBR）结构。通过优化设计S1（500 nm+800 nm）、S2（500 nm+900 nm）、S3（500 nm+1000 nm）、S4（500 nm+800 nm+1000 nm）4种不同中心波长组合的异型布拉格背反射结构，发现S3具有最佳宽频带高反射效果，该异质结由两对非晶硅(32 nm)/氮化硅(61.78 nm)分布式布拉格反射（DBR）结构与三对非晶硅(64 nm)/氮化硅(123.57 nm) DBR结构组成。借助等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在异质结太阳能电池背面生长出具有五对α-SiH/SiN结构的异型布拉格反射镜，并测试其反射光谱曲线。实验证明该异型布拉格反射镜在730～1155 nm的光谱范围内反射率达到90%，在750~1110 nm波长范围内的反射率高达95％，从而具有显著提高太阳能电池的宽谱吸收效率的潜力，可以对1000~1155 nm范围内的红外光进行有效反射，增强电池对红外波段的吸收。

将散斑场的研究拓展到超快激光领域, 进而引入了超快散斑的概念。首先在理论上研究了超快脉冲照明随机粗糙表面在菲涅耳衍射区域形成的超快散斑光场及其自相关函数，然后利用光场的自相关、强度系综平均和强度自相关等统计函数导出散斑强度自相关函数。发现超快散斑的强度相关随着时间的推迟逐渐呈现出周期性振荡的特征，且振荡频率依次增大。利用对菲涅耳衍射区超快散斑场的计算模拟，发现了诸如散斑颗粒随时间逐渐增大、颗粒中出现频率越来越大的干涉条纹以及干涉条纹由观察面两侧向中心方向依次消失等一系列全新的动态演化规律。

彩色数字设备颜色特性化是图像复制色彩管理流程中颜色转换的基础。为了让普通用户也可以实现照相机特性化，在研究白天自然光和夜晚日光灯2种办公照明环境下使用仪器特性化的基础上，提出一种自然光办公照明环境下不使用专业仪器的特性化方案，该方案只需要用户拥有一张ColorChecker 24色色卡。对特性化精度实验研究结果表明：在普通办公室环境下采用专业仪器测量，日光灯和自然光照明环境下的特性化精度平均在3.5~3.9个CMC(11)色差单位；在自然光照明环境下，不使用仪器测量的特性化精度是3.75个CMC(11)色差单位，与使用仪器测量的3.48个CMC(11)色差单位相比增加非常小；晴朗白天1200~1500，自然光照度变化和色温变化条件下，不使用仪器测量的特性化精度变化在0.5个CMC(11)色差单位，说明了该方案具有实用性。

提出用纳米光学透镜替代传统光镊装置中的大数值孔径几何光学透镜来捕获瑞利粒子的设想，基于电磁场时域有限差分方法计算了平面波经过纳米透镜后的衍射光场，并结合点偶极子近似计算了瑞利粒子在透镜衍射光场中的受力。研究结果表明，与传统光镊最好的情况（焦斑接近衍射极限）相比，本方案的捕获效率、稳定捕获区长度和光镊的品质因子都有很大程度的改善，尤其是出现在纳米透镜两侧的捕获区，对瑞利粒子的捕获效率和品质因子可提高2～3个量级，而且捕获粒子的受力具有强偏振相关性（不同于传统光镊），可用来实现粒子的旋转操作。