提出了一种光场相机波前传感器的成像模拟方法，该方法将微透镜阵列等效为一个相位掩膜，考虑了微透镜之间的干涉效应。数值模拟显示，不存在波前畸变时，光场相机的波前斜率输出不为零，降低了波前重构精度；光场相机波前传感器的线性度随着微透镜尺寸的减小而提高，然而存在一个与波前畸变程度有关的最优微透镜尺寸，使波前复原精度最高；与哈特曼波前传感器相比，在国内典型大气条件下，光场相机的波前重构精度略低。

目前我国大多数卫星在轨均采用推扫成像方式，成像过程中太阳高度角、太阳方位角及卫星观测角相对固定，相机入瞳辐亮度变化较小，同一次成像过程中，相机参数可不做调节。敏捷卫星具有强大的姿态机动能力，可实现多种成像模式，如多个点目标成像、立体成像以及条带拼接成像等。在敏捷卫星特殊的成像模式下，由于观测目标分布位置变化较大，卫星姿态变化较为剧烈，因此相机成像条件也会发生改变。针对多点目标成像模式以及立体成像模式，建模得到目标到达相机入瞳处的辐亮度，对敏捷模式下相机入瞳辐亮度的变化情况进行了仿真分析，提出敏捷成像模式下成像参数设置原则。

大气相干长度是大气光学研究领域中定量描述大气湍流介质的重要参量之一。分别介绍了大气相干长度的光强闪烁法和差分像运动测量法，并利用边界层闪烁仪和大气相干长度仪同时间同地点测量了戈壁某地近地面一公里传输路径上的大气相干长度，通过实验观测对比发现利用闪烁法测量的结果比利差分像运动法测量大气相干长度的值略小，但其量级和时间变化趋势基本一致。

讨论了基于Kolmogorov模型的大气湍流对于自由空间光通信轨道角动量（OAM）模式正交性、光束强度以及相位分布的影响。仿真研究了不同大气湍流强度对轨道角动量模式复用光通信系统中相邻模式之间的串扰。仿真结果表明，在弱大气湍流条件下，连续轨道角动量模式可以作为短距离自由空间光通信中的模式分配方案。在中等大气湍流条件下，轨道角动量模式间隔应该至少为3，才能保证信号串扰不至于影响到接收端的信号提取。

通过从路径损耗的理论模型中分离角散射强度变量，建立了描述散射角演化的条件概率矩阵，用以分析长距离非视距(NLOS)大气红外光散射通信中的路径损耗和角散射强度分布演化特性，得到了接收视场角(FOV)的选取原则，以使得接收光功率取得最大值。修正了路径损耗的理论仿真模型，提出平均散射相函数以使得理论仿真结果与实验数据更为吻合。通过实验数据与仿真结果的对比，验证了上述理论分析的合理性。文中的结论与波长相关，实验和仿真中信号光源波长为808 nm。

为了提高激光表面硬化的加工效率，可采用线状点阵分布光束取代原始单点高斯分布光束作为加工光源。利用均匀采样的Dammann光栅设计了线状点阵分布整形光束，对比了三种评价函数参数修订下的设计输出，其中一种修订方法得到较均匀输出，其他两种修订方法得到低零级的输出结果。设计并制作了一种非均匀线状多点阵分布整形光束用于实际表面硬化，得到的加工效果与设计要求相一致。

海洋溢油的油种鉴别是海洋环境监测的难点，如何区分不同油种是迫切需要解决的问题。研制了一种用于鉴别海洋溢油油种的新型微纳光纤环形腔(MRR)传感器，分别从理论和实验研究了海水和汽油的谐振光谱特性。根据Maxwell方程，数值计算了微纳光纤环形腔鉴别海水和汽油的灵敏度和自由谱域。研制了Knot型微纳光纤环形腔传感器，其微纳光纤直径为4.14 μm，谐振腔直径为480.31 μm，搭建了测量海水和汽油的实验系统，分别获得了海水与93号汽油的谐振光谱，谐振峰波长移动了2.79 nm，该结果与理论计算基本相同，灵敏度达到了34.86 nm/RIU，RIU为单位折射率。因此，该方法能够区分海水与汽油。

相比与L波段，掺铒光纤放大器(EDFA)在C波段的增益谱平坦必须借助光学滤波器实现。由于带宽非适配，传统的长周期光纤光栅(LPFG)无法有效压缩增益起伏。为改善EDFA的增益平坦度，将LPFG与弱反射率光纤布拉格光栅对(FBG-P)结合构成组合光栅增益平坦器，利用FBG-P的弱谐振特性进一步抑制EDFA的增益谱起伏。通过仿真分析优化了相关重要参数，并实验测试了对应方案的增益平坦特性。数值结果表明，所提方案将EDFA在1520~1560 nm区域内的增益起伏限制在±0.45 dB，与单LPFG结构相比，增益平坦改善达49.31%。

提出了一种基于光脉冲延迟的光纤长度测量新方法。该方法中，光源被调制后经光纤耦合器分成两路，分别经过被测光纤和参考光纤，调节调制信号的频率使两路信号重合，通过调制频率分析计算出被测光纤的光纤长度。该技术与传统的光时域反射计（OTDR）相比，测量精度由米级提高到厘米级；与光频域反射计（OFDR）、光相干域反射测量仪（OCDR）及基于频移不对称Sagnac干涉仪相比，其对光源的稳定性和相干性要求较低，系统易于实现。实验结果表明，基于光脉冲延迟的光纤长度测量方法不仅测量动态范围大而且测量精度也很高，850 nm波段和1300 nm波段测得的多模光纤最大长度分别为10 km和20 km，测量精度可以达到厘米级。

在无线光通信中，外界复杂的环境很容易造成光束的偏转，从而影响其光接收效率。针对这一问题，提出一种指数函数型特种光锥作为空间光信号光接收装置。它是由纯净玻璃材料制成的，母线形状将直接影响其光接收性能。研究并推导了特种光锥的母线方程，然后基于射线光学理论，分析了特种光锥内部光线轨迹和在小端面的出射光能量，并且搭建了实验装置，进行了耦合效率的测试，并对其误差进行了分析。实验结果表明，指数型特种光锥曲线与理论结果基本一致，其大端面接收范围可达6.8 mm，耦合效率最高可达57%，可用于无线光通信、光纤通信、光束耦合等场合的光信号接收。

提出了一个简单的基于洛伦兹力的方法来测量电流的光纤传感器。将两个铜载流导线被平行固定在绝缘的螺旋弹簧上，将两根光纤分别垂直固定在该载流导线上，载流导线通上电流时，导线间就会存在洛伦兹力的作用，从而引起弹簧变形，也就导致了光纤端面间距的变化。根据当前光谱的变化测得电流的大小及其变化。利用该实验装置对电流范围为1~5 A的电流进行了传感测量，时间响应大约为0.1 s，分辨灵敏度为10 nm/A。采用的弹簧的倔强系数K=0.1 N/m时，该装置的可测量程约为155 A。结果表明该装置简单易行并在较高电流环境中具有很好的应用价值。

对相干光正交频分复用(CO-OFDM)光纤通信系统中的时序同步算法做了改进，并提出了一种新的定时度量函数模型，使定时度量函数在时域同步过程中保持较好的形状，受噪声的影响更小。通过在80 Gbit/s的CO-OFDM系统中对改进算法进行仿真验证，改进的定时度量函数应用在Schmidl算法和Minn算法上，在使用同样训练符号的情况下，仅以少量增加复杂度为代价，有效减小了噪声对时序同步的影响，提高了接收机的灵敏度。

为了提高面向网格服务的光网络资源描述的准确度，并尽可能地减少存储和洪泛的数据量，提出了一种光网络资源数据定义方式，利用光网络资源数据库描述包中的多维矩阵，准确、高效地描述了光网络资源中网络的连接关系、链路资源、节点资源以及目前占用情况等资源信息。计算表明该方式占用空间小，表示信息全面简单灵活，能够为资源自动发现、服务预约和资源分配提供准确的数据依据。

提出了一种空间激光通信系统的偏瞳天线系统，以克服传统卡塞格林两镜系统存在接收视场小、发射效率低等缺点。基于矢量波像差理论，提出了一种偏瞳天线光学系统的光学设计方法。作为实例，设计了一个通光孔径为200 mm，放大倍率为20，满足0.85、1.064、1.55 μm多个通信波段的光学天线系统。计算了初始结构参数，利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光学天线系统进行了光线追迹和优化设计，并对设计结果进行分析。分析结果表明，在整个工作波段（0.85、1.064、1.55 μm）内，点列图半径几何值小于35 μrad，实现了高放大倍率、宽波段像散同时校正，在宽波段内均达到衍射极限，满足高性能空间激光通信系统设计指标要求。该结果进一步证实了设计方法的可行性。

详细分析了隐蔽式无线光通信系统的特点，为提高对准精度，采用分光镜和光学透镜组设计实现了一种收发一体式光收发机，从而保证发射光束和接收光束光轴的重合；采用微变形镜和角锥反射器，设计了一种新的调制回复反射器。实验结果表明：系统的传输速率为120 kb/s，误码率为1.33×10-7，视场角为21°，符合实际应用的要求。

基于三只参数相近的半导体激光器及单一光纤信道仿真并实验实现了全双工混沌激光保密通信。当两端发送的数据速率均为1.25 Gb/s时，在一条标准单模光纤中全双工保密传输距离达25 km，正反向恢复数据的Q因子分别为2.1和2.0。该方案大幅度节省了光纤链路和设备、降低了实现成本，提高了数据传输的保密安全性。

提出了一种两阶段载波相位估计改进算法。该算法为降低计算的复杂度，选取差分相移键控(QPSK)分区法处理16阶正交振幅调制(16QAM)星座图中第一圈和第三圈的点；利用最大似然法对星座图中所有的点进行精确的处理。通过搭建640 km的224 Gb/s、三信道波分复用偏振复用16阶正交振幅调制(WDM-PM-16QAM)相干检测实验系统，对本文提出的改进算法和几种已有算法的误码率(BER)和幅度矢量误差(EVM)性能进行分析。实验结果显示，改进算法的误码率性能略优于传统的两阶段算法,矢量幅度误差性能几乎保持不变，但是计算复杂度降低为传统两阶段算法的一半。

在研究光纤应力对陀螺性能影响的基础上，提出了将布里渊光纤时域分析光纤传感技术用于光纤环质量的检测评估。通过对光纤环的在线检测和热应力检测，能及时发现并消除光纤绕制中的应力尖峰及换层现象，了解热应力作用对光纤环性能的影响。实验表明，对光纤环的检测可以有效地对光纤环进行质量评估和筛选，对提高光纤环良品率和后续高精度光纤陀螺的研制有一定的借鉴意义。

在太赫兹(THz)成像技术的发展中，太赫兹数字全息术是重要的的研究方向之一，受到人们的广泛关注。在参考光为点光源的条件下，以字母E作为研究目标，根据已有面阵探测器技术利用仿真实现了2.52 THz离轴傅里叶全息成像，并研究了其成像特性。仿真实验证明，在一定实验条件下，太赫兹离轴傅里叶全息成像能够再现出原始图像，对大小为124 pixel×124 pixel的傅里叶变换全息图截取，通过对截取后的全息图再现发现，横向和纵向截取大小为全息图本身的一半以上时，才能够再现出原图像，否则再现像模糊。中心截取的大小大于40 pixel×40 pixel时，可再现出原图像，否则再现像发生畸变。

采用关键基对为傅里叶小波基的压缩传感无透镜放大全息技术，研究全息层析重建问题。论述了压缩传感无透镜放大全息重建技术的基本原理；采用概率密度函数服从指数分布的采样模式，进行全息图的频域减采样，并且利用l1范数最小化开展物体重建工作；通过模拟实验和测试实验分析压缩传感无透镜放大全息技术。仿真结果显示，对于频域减采样25%的全息图，多层切平面的压缩传感重建比反衍射重建的平均质量指标提高了3倍。对两层透明样本的测试实验同样表明，压缩传感无透镜放大全息技术对频域减采样全息图重建的有效性。

为了提高寻找光学遥感图像配准控制点的精确度，提出了一种基于二元函数拟合的遥感图像配准方法。利用基于模板的互信息法在可能区域上搜索同名点，与经典的利用区域的互信息最大值的坐标作为同名点坐标不同，对搜索过程中生成的测度矩阵进行二维高斯拟合，以高斯函数顶点位置作为配置控制点的同名点坐标值。利用配准控制点实现遥感图像的配准。分别利用该算法和传统互信息法对某地区的光学遥感图像进行配准，实验结果表明，该算法配准精度高于普通方法，配准误差小于0.1，精度达到亚像素级。基本满足光学遥感图像配准要求，为后续进一步融合、变化检测等应用提供必要的数据支持。

利用脉冲耦合神经网络(PCNN)模型融合点火像素点位置信息生成的二维条形码，实现镜像对称交通标志的分类识别。为了研究二维条形码的抗干扰性能，在待识别图像中加入椒盐噪声，并以不同分级数，采用R、G、B三个颜色空间进行处理，分析经过预处理前后形成的二维条形码抗干扰性能。针对国家标准道路交通标志图像库GB5768-1999中117个标志，其中45个黄色警告标志，43个红色禁令标志，29个蓝色指示标志进行实验，结果表明，二维条形码可以克服镜像对称标志无法区分的问题，并且抗干扰性能优于一维条形码，在R、G、B三个颜色空间分别处理时，1%的椒盐噪声影响下最高匹配率可达97%。

混合误差测度函数的建立是利用多尺度小波系数融合建立的边界误差测度函数和改进的K-means聚类法建立的区域误差测度函数。小波域多尺度信息通过二维离散小波变换方法得到，从空间域到小波域的变换为原来的二维图像提供了一种紧凑的多尺度表征形式。利用这一紧凑的表征形式从少数幅值较大的小波系数中捕获图像的关键特征。应用基于区域的直接二值搜索方法最小化初始图像和半色调图像的误差，得到最优数字半色调图像。实验结果表明，该算法与基于模型的数字半色调（LSMB）算法比较，半色调图像均方误差值（MSEv）值降低了0.127，峰值信噪比（PSNR）值提高了12.72 dB。对原图和半色调图像进行频域变换，通过分析半色调噪声频谱图发现，半色调噪声谱仅分布在中、高频段，无很强的周期分量，且局部的频谱分量从低到高逐步增加，人眼视觉不敏感。对4种不同像素尺度进行半色调后，该方法计算时间均小于LSMB算法，从这个角度来看，该算法具有较快的收敛速度。

激光主动成像雷达与被动红外成像器相比，显著优势是能提供三维几何距离像，可获知视场内多目标的空间位置信息，这极大降低了多建筑物复杂场景目标提取算法的复杂度。利用自研的条纹管激光成像雷达，获取多组复杂场景激光图像。利用三种不同的阈值分割算法对激光距离像进行目标提取，并计算了每种算法的误分率。对于单一目标，误分率可达1.1%；对于整个场景的目标，平均误分率可达7.9%。实验结果表明，阈值分割算法能有效解决复杂场景激光距离像的目标提取问题，其中改进直方图法的误分率最小,可以为激光成像雷达的图像处理方面的工作起到一定的借鉴作用。

微光成像技术的核心在于采用不同于传统电荷耦合器件(CCD)的、能够对低光照响应的增强CCD(ICCD)图像传感器来获取目标图像信息。然而，在微光成像时，较差的光照条件与极低的光辐射量将导致目标图像质量（对比度及信噪比等）与正常环境相比有较大程度的下降，从而严重限制了其应用。因此，在分析微光图像特点（低信噪比、低对比度）的基础上，为了改善微光图像的质量和分辨率，提出了一种综合的微光图像增强算法，并且通过室外成像实验证明了该算法的有效性。研究表明，当环境照度降低到0.7 lx以下水平时，该算法依然有效。

电子散斑干涉技术(ESPI)测量物体变形时，初始载荷下采集的散斑图像呈现出粗宽分布，提出了一种基于径向基函数的粗宽条纹图滤波方法。介绍了基于径向基函数平滑插值的滤波原理，分析了该滤波方法的参数选取问题。通过模拟散斑条纹图与典型的方向二阶偏微分方程(PDE)滤波模型、窗傅里叶滤波(WFF)模型进行比较，该滤波方法获得的峰值信噪比(PSNR)高于其他两种方法，对低质量粗宽条纹图滤波效果良好。进一步利用该方法对一幅实验获得的散斑条纹图进行了滤波。以上研究结果表明，基于径向基函数平滑插值的滤波方法能够有效地对电子散斑干涉粗条纹图进行滤波处理。

太赫兹双轴共焦扫描显微成像系统能够提高反射式共焦扫描显微系统的分辨率，为保证成像系统性能，需要合理选择离轴抛面镜组的直径、焦距和入射角等参数。提出了一种2.52 THz双轴共焦扫描显微成像实验方案，仿真研究了主要系统参数对成像系统分辨率的影响，并在所确定的系统参数条件下，计算分析了探测器位置偏移对系统轴向特性的影响。结果表明，当探测器轴向偏移在-1.73~1.73 mm范围内时，光强不小于探测器正好位于焦点处时光强最大值的80%；当探测器横向偏移范围在-0.03~0.03 mm范围内时，分辨率基本不变，响应峰值的微小偏移可以忽略。

由于高光谱图像的光谱分辨率已经达到了10 nm甚至更高，使其具有了辨识很多原本在其他遥感图像中无法识别出现的地物。但较高的光谱分辨率也带来了高维数据的处理难题。为了充分利用高光谱图像的高维数据信息，提高一类分类器性能，提出了一种基于集成学习的高光谱图像一类分类方法。该方法将训练样本生成多个随机子空间的低维训练样本集，在这些子空间训练集上训练支持向量数据描述(SVDD)，并对其进行精简处理，最后均值合并这些分类器为一个集成分类器。实验结果表明，与光谱角匹配、一类支持向量机(OC-SVM)和直接SVDD算法相比，该方法具有更高的分类精度，总体精度不低于90%。

由于光学衍射效应，常规光学显微技术的分辨率无法满足100 nm以下形状和结构特征检测的需求。为了在二维单分子层石墨烯检测中用光学显微，弥补非光学检测技术如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等固有的过小的视场、过长的检测时间和过高的费用等诸多不足之处，报道了一种新的宽场偏振参数模式化非直观超显微成像(PIMI)方法。该方法通过在传统光学显微光路中增设偏振模式化装置，精确地调制入射光波的偏振状态，利用光波与物质的耦合作用变化和携带近场物质结构信息的远场光场变化，通过分析不同偏振条件下所得图像变化，反演计算得到近场光波参数图像和物质结构特征，实现对物质结构和形貌的50 nm级光学超分辨。利用该方法，通过针对石墨烯而开展的一系列对比验证实验，初步实现了对其颗粒边界、层厚、褶皱的分辨，在二维平面内实现了光学超显微分辨。

光学图像感染噪声是一种非常常见的现象，为了克服传统图像滤波方法不可避免带来的图像边缘模糊和奇异值影响，提出了一种基于阿尔法均值滤波算法和信息散度的图像自适应滤波算法。该算法充分利用了信息散度的特性和阿尔法均值滤波算法的优点，采用信息散度自适应的确定滤波窗口的加权系数值。实验结果表明，该算法可动态的确定滤波窗口内像素点的取值，具有较好的自适应性，同时与现有的中值滤波和均值滤波算法相比，对于受到高斯噪声、椒盐噪声以及混合噪声感染的图像，具有比较好的滤波效果，并可以很好地保护图像细节信息，具有提高图像清晰度的功能。

为了克服大口径大偏量非球面面形测量的困难，将光学干涉技术、零位补偿技术、哈特曼波前探测技术和子孔径拼接技术融合在一起，提出了大口径非球面复合检验技术。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究。当非球面研磨完成后，搭建零位补偿干涉光路，并使光路转折，利用动态范围很大的哈特曼波前传感器对大口径非球面反射镜进行多个子孔径相位数据的测定，并通过子孔径拼接算法求解得到非球面整个口径的面形误差分布。当非球面面形误差的峰谷(PV)值小于5λ（λ=632.8 nm）时，利用复合检测技术对一大口径非球面进行了检验，两种方法得到的全口径面形误差分布的PV值和均方根(RMS)误差值的偏差仅为0.11λ和0.004λ，根据复合测试结果指导非球面后续加工，最终非球面全口径面形误差的RMS值优于λ/50。

空间目标观测中，目标亮度直接影响着其跟踪能力及定位精度。激光技术作为主动测量技术，通过地面激光跟踪与测量系统向低照度空间目标主动发射激光，望远镜及CCD相机在接收目标反射的太阳光的同时亦接收激光信号，可提高目标星象在CCD上的亮度，有利于目标跟踪和测量。采用532 nm波长低功率激光作为地面光源，对带激光反射器卫星开展了激光主动增亮实验，验证技术方法可行性。根据太阳光谱辐照度理论、地面测量系统参数、激光测距雷达方程等，分析了激光主动增亮卫星前后视星等。利用星象灰度对比法，获得了实验中所测量卫星增亮前后视星等，并与理论计算结果进行了比较，验证了理论与实验方法的合理性，为进一步开展激光主动增亮技术的研究与应用奠定了基础。

针对目前光栅型光谱仪只注重波长的测试能力，而不能准确测试光谱辐射的现状，介绍了利用氘灯进行光谱辐射校准的方法，讨论了标准光源的选择，研究了扫描步进、积分时间、光电倍增管（PMT）供电电压、测试距离等因素对光辐射测量的影响。实验结果表明，通过设置PMT电压可实现不同光谱辐射强度光源的测试，并能得到较好的测试重复性，为光栅型光谱仪的光辐射测试及校准提供依据。

大型空间望远系统主镜口径已经达到4 m，因此要求具有加工检测到4 m量级非球面的能力。为了完成4 m量级反射镜研磨和粗抛光阶段的检测任务，提出了利用摆臂轮廓仪检测的方法。建立了检测的数学模型，再通过理论分析和计算机模拟，分别对臂长误差、气浮转台编码器误差、对心误差、倾角误差等系统误差进行分析与标定，并利用直径为1080 mm的球面反射镜，验证了数学模型的正确性。计算结果表明，限制摆臂轮廓仪检测精度的主要是对心误差和倾角误差，针对上述结果，给出了提高摆臂轮廓仪测量精度、减小测量误差的方法，对超大口径反射镜检测有一定的参考意义。

为了实现口径150 mm凸双曲面SiC反射镜的面形检测，分别设计了传统的Hindle球检测、Simpson Hindle式检测和非球面样板法检测。经过检测精度、公差等方面的比较，选取了检测精度高、公差宽松、支撑结构简单的Hindle球检测方案。经过研磨、抛光等加工过程，目前面形精度达到0.023λ(均方根值)。在检测光路的对准和几何量测量方案中，提出采用干涉仪和激光跟踪仪相结合的方法，利用干涉仪对靶标球球面干涉检测对准，分别测量得到干涉仪出射光会聚点和Hindle球心的空间坐标，这两点对应着被检测凸双曲面的两个几何焦点，进一步计算得到被检双曲面的几何参数。误差分析表明，采用这种方法顶点曲率半径R和二次常数K的测量精度分别达到0.053 mm和9.6×10-5。

空间推扫式时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机在曝光时间内，容易因为相机焦平面与观测目标的偏移而造成图像模糊。为了获得高质量的图像数据,需要对成像系统进行稳像,而稳像的关键技术在于抑制成像平台的震动以及实时地、高精度地获取载体的运动轨迹。高速而精确地获取成像过程中载体平台的运动矢量,已经成为高分辨率成像的重点发展方向。通常获取运动矢量的方法速度较慢,无法满足实时地、准确地获取目标运动轨迹的需求，在联合变换光学相关器的图像位移矢量探测技术研究的基础之上，设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的联合变换相关器系统，代替基于傅里叶光学变换的联合变换相关器系统，计算精度达到了0.1 pixel。

提出了利用双五棱镜扫描求解大口径非球面二次系数的方法。该方法采用一束平行光通过五棱镜扫描大口径非球面，通过非球面的反射光将聚焦在非球面的光轴附近，通过测量被测非球面焦平面上光斑质心偏移光轴的轨迹求解二次系数。建立了光斑质心偏移轨迹和二次系数关系的数学模型，并分离调整误差如离焦和倾斜。在上述算法的基础上对五棱镜扫描法求二次系数进行了误差源分解，在误差容限范围内通过分离调整误差和去除非相关像差的影响得到了较高的二次系数测量精度。

利用激光冲击强化技术，对金属钨进行改性处理，研究了不同方法条件下，材料显微硬度的变化情况，得到了最佳的冲击参数。结果表明，激光冲击区域会发生晶粒的滑移，并产生高密度的位错，经过多次激光的反复冲击使材料内晶粒细化，并且产生新的晶界。当激光输出能量为7 J、脉宽为12 ns、冲击3次，显微硬度的提升相对显著，当冲击次数增加，显微硬度有进一步增加的趋势。在相同实验环境和条件下，当冲击4次时，试样达到最优的显微硬度，但是冲击达到6次时，可见明显裂纹。

为保证分布反馈激光器在一氧化碳气体浓度检测中能满足长时间工作稳定性、输出波长随温度线性变化、温度调节快速响应等要求，设计并研制了一种分布反馈激光器温控系统。该系统采用数字信号处理器与数模转换芯片设定温度，利用热电制冷器控制芯片调节激光器温度，采用模拟比例积分微分(PID)算法完成激光器恒温控制。利用研制的温控系统，对用于红外一氧化碳气体检测、中心波长为1563.06 nm的分布反馈激光器开展了温度控制实验。结果表明，该控制系统控制精度优于±0.02 ℃，小幅度调温时响应时间小于8 s。在所研制的温控系统的作用下，激光器长时间工作时中心波长无漂移。

基于随机并行梯度下降（SPGD）算法的自适应光学（AO）系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿波前畸变。传统的全局耦合的SPGD算法能够明显提高AO系统的收敛速度，但会降低系统的波前校正效果。针对传统算法的不足提出了改进方法：收敛前后期采用不同的电压优化控制方式。建立了SPGD AO成像系统的仿真模型，结果表明，与传统全局耦合SPGD算法相比，改进算法在收敛速度基本与前者相同的情况下，波前校正后焦平面成像光斑的斯特列尔比（SR）提高了0.14。

基于T矩阵方法，建立了双光束光阱中米氏微粒的光阱力计算模型。分析了光束相干性对光阱力的影响，即当捕获光为相干光时，两束光产生干涉，形成驻波，虽然能增加光阱力的大小，但由于形成包络峰，使得光阱力线性区域大大减少，不利于对光阱力进行分析以及标定。研究了在非相干条件下，被捕获微粒尺寸、光束辐射角、相对折射率和捕获激光波长对光阱力的影响。通过仿真，得出知被捕获微粒半径为1~5 μm、捕获波长为980~1064 nm、光束辐射角为40°~60°时，双光束光阱的捕获效果最好，且随着相对折射率的增大，光阱阱深减小，捕获范围增加。

激光冲击微成形技术作为一种新颖的高能率微细加工技术，其利用脉冲激光诱导的冲击波压力使金属箔板塑性成形微结构件。由于微尺度效应的存在，激光冲击微成形件一定程度上受各向异性靶材的影响发生材料流动不均匀、塑性变形程度不一致和起皱现象。为了提高激光微成形件的成形性能，探究了温度辅助的激光冲击微成形工艺，以微凹模作为支撑，对厚度为50 μm的铜箔材进行了温热条件下激光冲击微拉深成形实验，利用形貌测量仪对获得的微拉深试样进行了三维形貌测试。结果表明：温热条件下激光冲击微拉深件的塑性变形均匀性得到显著改善，成形高度较室温下得到进一步提升，在微凹模孔径0.8 mm和130 ℃时微拉深件成形极限为208.9 μm。

为了研究激光驱动飞片加载软模微弯曲成形，提出的激光驱动飞片加载软模微弯曲成形方法是在脉冲激光冲击波压力下，利用软模作为柔性冲头作用于金属箔板使工件成形。实验中使用Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器作为激光源，聚氨酯橡胶薄膜作为软模，采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为115 μm的U型槽模具特征，在厚度为30 μm的铜箔板上冲击成形U型凹槽。对工艺参数（激光能量、软模厚度）对成形的影响进行了研究，以及对采用飞片和软模组合作用于工件与采用飞片直接作用于工件进行了对比实验。实验结果表明采用飞片和软模作用于工件能够增大工件的最大成形深度，而且能够提高该技术的成形能力和质量。

为研究大口径N31钕玻璃多程激光系统的储能与激光通量和损耗的关系，根据激光放大理论解析解阐述了理论上的最大抽取效率和影响因素；提出采用集中损耗近似方法分析钕玻璃多程激光放大系统的初始储能分配特性(抽取能量、体损耗和剩余储能)，数值模拟表明在目前的增益和损耗条件(小信号增益系数约为0.05 cm-1，动态吸收系数约为0.004 cm-1)下当输入激光通量约为3.5倍饱和通量时可获得最大抽取效率；以典型实验结果为例，利用经过实验考核的传输放大模型给出了大口径N31钕玻璃系统中各钕玻璃片的抽取能量/抽取效率，激光通量与饱和通量的定量关系：在19.5 kJ/5 ns/1053 nm输出点，单片最大抽取能量约为1.4 kJ，此时累计输入激光通量约为3.3倍饱和通量，系统输出效率约为51%(相对光束口径内储能)。

量子级联激光器(QCL)驱动电源在红外瓦斯检测系统中起着至关重要的作用，研制出具有高稳定性的QCL驱动电源具有十分重要的意义。井下环境温度变化会对用于红外气体检测的QCL的工作稳定性和稳健性产生影响。以温度为切入点，采用分段拟合的方法，研究了驱动电源中各集成芯片和阻性元件因温度变化对激光器驱动电流产生的影响，并在软件中进行相应补偿。利用该驱动电源,在可控温度范围为15 ℃~35 ℃的封闭箱中对中心波长为7.71 μm的QCL进行驱动测试。结果表明，在长时间（大于50 h）测试中，激光器工作稳定，温度引起的驱动电流最大偏差值为7 mA，稳健性能良好。

基于ANSYS有限元分析软件建立了温度场的三维有限元模型，分析了激光铣削加工参数，如激光功率，扫描速度，光斑直径和重叠率对温度场和陶瓷表面质量的影响规律。分析结果表明，激光功率和扫描速度对材料的去除率具有重要的影响，铣削深度随着激光功率的增加而增加，随着扫描速度的增加而降低。但是，激光扫描速度和重叠率对铣削质量的影响更大，降低扫描速度及加大重叠率可以提高铣削层的质量。利用NdYAG脉冲激光器对Al2O3陶瓷样品进行了激光铣削实验，并将实验获得的深度和宽度值与模拟后获得的数值进行了对比。结果表明,数值模拟获得的宽度值和深度值与实验获得数值非常接近。数值模拟可以用来预测激光铣削深度和宽度，为陶瓷材料的激光铣削提供了一种有效的控制方法。

为了提高980 nm半导体激光器的出光功率，在外延结构中加入了扩展波导，并优化了激光器的垒层厚度和波导层组分，将光场以有源区为中心的对称分布转化为以扩展波导和有源区同为中心的对称分布，降低了有源区限制因子，提高了输出功率，同时增加了出光面积，降低了器件腔面的光功率密度，避免器件出现光学灾变损伤。

提出一种新型的多频段负折射材料结构，单元结构由介质基板两侧的金属线和三个开口谐振环构成。利用参数反演法得到材料的电磁参数表明：该材料可以在微波C波段到Ku波段出现多个负折射频带。另外，数值模拟发现，几个主要结构参数如金属线的长度和宽度、开口谐振环的宽度和中间开口谐振环内外环间距对材料负折射频带有不同程度的影响。同时这些结果也表明该材料的多频段负折射特性在一定的参数取值范围内是稳定存在的。

将硅溶胶用于纤维素膜的改性，采用共混方式添加后，提高了纤维素膜热稳定性，改善了其透光性。利用纤维素作为原料，采用氢氧化钠/尿素/硫脲作为溶解体系，制备了纤维素溶液。然后，将硅溶胶添加到纤维素溶液中，通过浸入凝胶法制备了一系列复合膜。采用红外光谱对其结构进行了表征，分析了纤维素和硅溶胶的特征峰。采用紫外-可见光谱仪对其透明度进行了研究结果表明，硅溶胶对纤维素膜的吸光性有较大影响，尤其是在紫外区更为明显。通过热重分析研究了复合膜的热性能，研究发现硅溶胶改性后的纤维素膜的热性能有大大提高，热分解温度和烧蚀剩余率都有较大幅度的增大。

为了实现紫外成像仪的紫外可见的光谱转化，并满足其在分辨率、能量转换效率和稳定性等方面的特殊要求，基于稀土配合物的发光机理，提出利用稀土铕配合物制备高分辨率紫外可见光转换膜。结合紫外成像仪的应用要求，对其分辨率、能量转换效率和稳定性进行了实验测试，实验结果表明，由稀土铕配合物制备的紫外可见光转换膜，分辨率优于100 lp/mm，有效能量转换效率高，性质比较稳定，是一种具有高分辨率的紫外可见光转换膜。

定量相位成像可对透明均质的样品成像获得其定量相位数据和物理厚度信息，但是难以直接获得样品的三维形态分布。对此，提出一种简单的方法，从两个相互垂直的方向对样品进行定量相位成像，根据相位数据进行解包，应用Canny方法从解包相位中提取投影面的轮廓线并拟合，确定轮廓线的中心轴与旋转轴后，利用曲线180°旋转操作，可快速重构样品的三维表面。对均质淋巴细胞和红细胞模型应用本方法开展数值仿真实验，成功地重建了模型的三维表面，从而证实了本方法的准确性和可行性。

为了进一步提高反射率差分型生物传感器的检测灵敏度，提出通过双入射角度的方法来实现反射率差分检测。该方法将入射光束调至能够使单位生物膜层厚度反射率差分量最大的两个角度去照射实验样品，通过接收端测得的反射率差分量计算出生物分子层的厚度。通过仿真计算，当入射角度为30.6°和61.7°时，生物分子层的厚度增加1 nm，获得的反射率差分量为1.22%，当入射角度都增加1°时，反射率差分量减少了0.08%，当入射波长增加1 nm时，反射率差分量减少了0.33%。仿真结果表明，该方法的灵敏度相比其他类型反射率差分型生物传感器有了较大提高，而且对微小入射角度变化和波长漂移不敏感。

为提高太赫兹（THz）波的产生效率，研究了飞秒激光与铌酸锂晶体的相互作用。分析了块状铌酸锂晶体中抽运光与THz波间的相位匹配，结果显示抽运光的群折射率曲线与THz波的折射率曲线不存在交点，表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在。设计了4种不同尺寸的波导结构，根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz波段的折射率。研究结果表明，铌酸锂波导结构能够有效增大飞秒激光与THz波的相位匹配程度，甚至实现二者间的完全相位匹配，从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz波的产生效率。另外，还对晶体中THz波的传输距离进行了分析。研究对飞秒激光与非线性晶体耦合过程中的相位匹配增强作用提供了理论依据。

根据考虑拉曼效应的非线性薛定谔方程，在忽略光纤损耗情况下，利用基于Matlab的分步傅里叶数值算法，在考虑拉曼效应与不考虑拉曼效应下，仿真模拟了基态光孤子在光纤中传输时的演变。结果表明拉曼效应可破坏孤子的传输稳定性，导致孤子在光纤中传输时迅速衰减，其影响程度不仅与输入孤子的脉冲峰值功率大小有关，还与二阶色散系数和非线性系数的改变有关。

随着光纤通信系统容量的增加和信道间隔的降低,非线性噪声必然成为限制光传输系统发展的重要因素。提出了一种比较准确的仿真模型用来估计把非线性噪声当作加性高斯处理的高斯噪声(GN)模型的适用范围，同时对该模型进行了大量的仿真验证，包括不同的光纤类型和不同的调制格式。仿真结果证明,GN模型的非线性噪声功率谱密度理论解析式在预色散的系统中是非常准确、可靠的。同时，表明在没有预色散的系统中，非线性噪声与调制格式有关，但是预色散能够消除调制格式对非线性噪声的影响。

在保证光学元件极高面形精度和极高调节精度的同时，为了实现更大的调节行程，采用柔性环片结构，设计了一种光学元件轴向精密调节机构。建立了调节机构的有限元分析模型，分析了主要设计参数对调节机构的调节行程、应力值、固有频率、光学元件上下表面面形均方根(RMS)值等性能指标的影响。结果表明：轴向调节机构可实现299.2 μm的调节行程，且机构的最大应力值为141.3 MPa，固有频率值为95.3 Hz，光学元件上下表面的面形RMS值在1.3 nm以内，满足光刻投影物镜对轴向调节光学元件的使用需求。

提出了一种单色面阵均匀光源定标的方法。针对目前单色面阵均匀光源的定标需求，改进了传统的每台设备定标的方法，搭建了单色面阵均匀光源的定标系统,并对系统各参数的不确定度进行了评定。通过对单色面阵均匀光源输出稳定性、均匀性、输出功率、输出波长的定标，可以更加完善地评价单色面阵均匀光源的整体性能，试验结果表明：单色面阵均匀光源在300~1100 nm波长范围内，稳定性为0.47%，非均匀性为0.9%，输出波长定标系数a=1.0016,b=-1.6755。根据定标数据分析可知，该定标系统完全可以满足目前单色面阵均匀光源的定标需求,对大面阵成像器件测试具有一定的意义。

星敏感器测量精确、漂移小，在当代航天器中得到广泛采用；高质量的星敏感器同时具备高灵敏、宽谱段、小体积、轻重量等优点。为了提高星敏感器的性能指标，需要星敏感器光学系统具有更大的相对口径、更宽的谱段范围和更好的成像质量。衍射光学元件具有特殊的色散和光焦度特性，可以更好地校正光学系统的色差、简化结构和提高成像质量。设计的星敏感器折衍混合光学系统相对口径达到1/1，具有450~900 nm的超宽谱段和小于0.03%的相对畸变。光学系统加工、装调后，对成像质量和畸变进行实测，光学系统最低实验室静态传递函数为0.302（奈奎斯特），最大相对畸变为-0.021%，成像弥散圆直径在14 μm内。光学系统各视场成像质量一致性较好，满足各项技术指标要求。

通过有限时域差分和有限元方法，对锥状GaAs纳米线阵列太阳能电池的光伏特性进行了仿真。利用有限时域差分仿真研究了形貌和分布特性对GaAs纳米线光谱吸收效率的影响。结果表明与柱状纳米线相比，锥状纳米线具有更高的吸收率和更低的透射反射率。且在某特定坡度的情况下，纳米线的吸收效果最佳。纳米线的吸收效率随直径/周期比增加呈现出先上升后下降的趋势。将有限时域差分仿真获得的光子吸收率分布数据，导入有限元仿真器进行了纳米线太阳能电池的光伏特性仿真，在最佳形貌和直径/周期比的情况下，太阳能电池的光电转换效率可以达到13.8%。

量子效率是电荷耦合器件(CCD)最主要的参数之一，针对目前CCD器件量子效率定标需求，提出了一种均匀光辐射法测量CCD器件量子效率方法，并对系统的不确定度进行了评定，得到系统的扩展不确定度为3.6%。同时选用CCD器件对系统扩展不确定度进行验证。实验结果表明，在300~1100 nm波长范围内，选用的三个波长点最大的重复性为0.42%，因此说明系统的不确定度分析是合理的。该系统完全可以满足目前CCD器件量子效率测量需求,对生产厂家及使用单位具有重要的使用意义。

基于方形孔径平面微透镜阵列对匹配微图形的叠栅显示效应，对其叠栅显示效应进行了理论和实验研究。以一维光栅叠栅条纹理论为基础，建立叠栅条纹的二维模型，模拟了二维叠栅条纹的形成过程，分析了二维叠栅条纹的节距和放大倍率的变化规律，并进行实验研究。通过比较可知，二维叠栅条纹的节距和放大倍率的变化规律实验与理论结果一致性很好，研究结果具有重要的理论意义和实践价值。

提出一种利用马赫曾德尔(MZ)电光调制器(EOM)产生多波长光源的方案。深入分析了EOM在单频微波信号调制下的扩频特性，仿真了其频域产生光边带的情况，得出在调制度C=1.84时可实现等频率间隔、边模抑制比(SMSR)为15 dB的五阶等幅光频梳(OFC)输出的结论。并提出一种基于虚拟仪器及微扰谐波响应的闭环反馈工作点控制方案，可自动锁定EOM的工作点于传输曲线上任意点。应用该控制方案实现了稳定的五阶等幅光频梳输出，1 h内输出功率的漂移小于其平均值的0.3%，光频梳平坦度小于0.4 dB，中心五阶光边带功率起伏的标准差小于0.15 dB/h。

提出了一种基于三角晶格的1550 nm波段的光子晶体结构。为了使带隙最大，选取占空比（半径和光子晶体晶格常数的比值）为0.3,采取点缺陷和线缺陷相结合的直接耦合结构。基于Rsoft软件的时域有限差分方法(FDTD)方法仿真计算，对缺陷模、透射谱和时域稳态响应图进行了分析。计算了光开关的插入损耗、消光比和响应时间。结果表明，插入损耗为0.3957 dB，消光比为56.699 dB，响应时间为102.14 ps。该光开关结构的性能较好，可以完全满足现代应用的需求。

由于石墨烯与电介质交界面所产生的表面等离子体效应，双层石墨烯波导器件尺寸可以压缩到纳米量级，同时由于石墨烯的电可调特性，可以利用外电压实现波导传输特性的灵活调控。基于这些特性，提出一种可调谐双层石墨烯波导布拉格光栅滤波器。时域有限差分法仿真结果证明，通过改变石墨烯的化学势可以实现滤波器阻带位置的调整。

系统研究了基于周期性极化铌酸锂(PPLN)的Solc型平顶滤波器的温度与电场调谐特性，并给出两种调谐方式的调谐率与优缺点。研究了占空比为0.5的PPLN Solc型平顶滤波器的透射谱对温度的依赖关系，发现透射谱的平顶状并没有因为温度改变而破坏，同时最大透射率也没有衰减，当温度从268 K~328 K变化时，中心透过波长从1570~1528 nm连续变化。进一步研究基于占空比为0.75的PPLN滤波器的电场调谐特性，发现Solc型滤波器透射谱在外加电场作用下依然保持平顶状，且中心波长随外电场变化成线性关系。由于电场调谐源于电光效应，其响应速度可达亚纳秒，拥有温度调谐方式无法比拟的快速响应速度，但受限于击穿电压的限制，其调谐范围比温度调谐要小。

激光扫描技术是以激光扫描仪为核心发展迅速的一种新型空间数据获取手段。利用低成本的二维激光扫描仪实现针对目标物体的三维重建，为此对基于二维激光扫描技术的三维重建过程中所涉及的相关技术进行了研究分析，为后续开展三维重建的实验研究奠定理论基础。同时在构建基于二维激光扫描仪（LMS291）的三维重建实验系统的基础上，研究分析了LMS291在平动和转动两种不同工作模式下的工作特点并通过Matlab编写程序进行数据处理，利用Matlab和Fledermaus软件生成三维重建效果图，得出并分析了重建结果。通过以上内容验证了构建的模型和所用方法的可行性及工作系统的可靠性，对进一步展开相关研究具有一定意义。

对不同信噪比条件下条纹原理的阵列探测器获得的激光雷达回波实验信号的测绘误差进行了分析并获得了激光回波信噪比对激光雷达测绘精度影响的实验规律，并对该种探测系统的背景噪声特性进行了研究，在此基础上建立了条纹原理的阵列探测体制激光成像雷达测绘仿真系统。通过该仿真系统对实验过程进行了模拟，获得了与实验结果相同的激光回波信噪比对激光雷达测绘精度影响变化规律曲线。利用该仿真系统可以根据测绘精度的要求对条纹原理的阵列探测体制激光成像雷达进行设计。

偏振光谱成像技术是成像光谱技术和偏振成像技术的有机融合，能够同时探测到目标的二维空间信息、光谱信息和偏振信息，在光学遥感中具有广泛的应用前景。静态偏振光谱成像仪具有高通量、多通道、无运动部件、体积小、易于集成等优点。阐述了偏振光谱成像技术的基本原理，同时利用光学元件构建了静态偏振光谱成像仪系统模型，推导了入射光斯托克斯矢量光谱调制干涉光强的数据公式和该矢量的解调公式，并对整个过程进行了数值仿真分析，理论分析及模拟结果证明了偏振光谱成像技术理论正确，技术可行，可实现目标图像、光谱、偏振信息同时获取，为新型光学遥感技术的开发和研究奠定了理论基础。

二氧化硅(SiO2)是一种重要的光学薄膜材料，通常采用电子束蒸发辅以离子束轰击的方式沉积，但在某些情况下，不能借用氧离子束的轰击。着重研究了不同沉积温度下无离子源辅助制备的二氧化硅薄膜的光学特性。通过直接在线的光学监控方式，获得薄膜生长过程的透射率曲线，并得到薄膜在真空中的折射率。采用真空在线光谱扫描和大气中离线的光谱扫描，结合光度法拟合得到薄膜折射率。结果表明由于基片温度的变化，二氧化硅薄膜的折射率会随着薄膜的厚度而改变，随着沉积温度的升高而变大，折射率值在1.34~1.41之间。

在很多研究中，退火是提高ZnO薄膜晶体质量和改善其发光性能的有效方法。研究了脉冲激光沉积法(PLD)方法制备的ZnO薄膜退火后的发光特性，发现高温下和低温下生长的ZnO薄膜具有不同的发光特性。高温下生长的样品退火后以蓝光发射为主，而低温下生长的样品退火后以绿光发射为主。这主要是由于高温和低温下生长的样品具有不同的吸氧机理，并形成了不同的晶体缺陷，例如氧空位、锌间隙、代位氧、代位锌等。研究同时表明，PLD方法在生长过程中已经吸收了足够的氧原子并形成了致密的晶体结构，退火的方法并不总是改善薄膜的晶体质量和发光特性。这一点与其他方式形成的薄膜完全不同。

通过模拟艾里脉冲在克尔介质中的传输，对色散及初始啁啾对脉冲传输的影响以及传输过程中的一些特性进行了初步研究，并对艾里光束和高斯光束的传输特性进行了对比。对于脉宽为飞秒尺度的超短脉冲，三阶色散效应会导致传输波形发生畸变，使光脉冲的传输质量下降，因此不可忽略。进一步研究了艾里光束在二阶和三阶色散共同存在的情况下脉冲随传输距离的变化，并讨论了初始啁啾对脉冲传输变化的影响。理论研究结果表明，当三阶色散和传输距离为某一定值时，脉冲光强极大增强。

在给定的照明和观察条件下，由普通商业数码相机的信号值重建物体表面的光谱反射率是当前颜色科学工程领域的重要研究课题。选用佳能EOS 400D数码相机分别配合蓝色、绿色滤光片来采集物体表面的RGB信号，分别采用R矩阵法和主成分分析法（PCA）进行色卡和国画中指定色块的光谱反射率重建研究。实验结果表明，R矩阵法的色度精度和光谱精度均优于PCA。利用R矩阵法重建国画中参考色块光谱反射率，结果表明该算法能满足高精度艺术品再现的需要，具有较高的应用价值和现实意义，在颜色复制、颜色质量评估和数字典藏等领域拥有广阔的应用前景。

研究了对显示器色域及色域覆盖率参数的校准方法，分析了现有校准方法的不足，提出了一种对彩色分析仪相关色度参数的校准方法。建立了一套色域校准装置，装置主要由色域光源传递标准和分光辐射亮度计组成。色域光源传递标准由标准积分球光源和滤光片组合构成，可以校准彩色分析仪的色域相关参数。通过实验对此色域校准方法进行了验证，并得到了某发光二极管(LED)显示器的色域覆盖率测量结果。实验结果显示本校准方法能够对不同类型显示器的色域覆盖率进行测量。校准方法的色域覆盖率测量范围可达完整色域的71.0%，保证了对相关色度参数进行准确的量值传递。