研究了基于里德堡原子电磁诱导透明效应的耦合光一维驻波场增强的微波电场传感。利用模式匹配反射光场，在高增透镀膜的铯原子气室中形成了里德堡原子三能级体系中耦合光的一维驻波场，并在此基础上进行了幅度调制微波电场测量。实验结果表明，在不额外增加耦合光激光器输出功率的情况下，一维耦合光驻波场导致了耦合光功率的相干增强，电磁诱导透明光谱强度和线宽都显著增加。详细比较了一维驻波场增强与直接增加耦合光功率在测量不同功率微波时的表现，结果表明在较低微波功率下一维驻波场增强测量微波频率信噪比提升约4 dB，瞬时带宽增加1.38倍，同时频率响应曲线更为平坦；在较高微波功率条件下，无驻波场存在的微波响应曲线呈现出明显的双峰形态，而一维驻波场的形成可有效消除双峰特征，表现为平坦响应特征。研究结果对实现低功耗、频率响应曲线平坦、自校准微波电场测量传感器具有重要的参考价值。

提出一种相位自校准的光纤微波频率相位传递方案。该方案使用声表面波滤波器的冲激响应的窄带信号作为时间信号，使其与频率信号可同时使用同一波长进行传输。为实现稳定的可重复相位差，利用时间信号的往返传输时延来确定频率信号的整数个周期，并在多次重启的情况下验证了系统相位的稳定性。在60 km实验室平台上对所提方案进行验证，频率传递的稳定度优于4×10-14@1s，5×10-17@10000s。系统多次重启的情况下，所获得的平均相位差最大不一致的峰峰值为0.008 rad，对应于整个周期的0.15%，可保证较高的相位一致性。

锂电池内部的应力和温度变化难以监测是影响电池安全运行的最大隐患，提出采用光纤布拉格光栅传感技术，在锂电池内部植入光栅对电池阳极的温度和应力变化信息进行实时采集，实现了对锂离子电池阳极的原位监测，建立了电信号与光学传感信号之间的联系。实验结果表明，锂电池工作循环中，锂离子的脱嵌和嵌入会引起温度变化，对应传感器波长偏移达100 pm，温度上升11.1 ℃；在排除温度因素的影响后，循环电流的跳变会引起阳极收缩，产生的应力使波长漂移达21.96 pm，约为18.3 με。此外，研究了不同充放电速率对电池的影响，10 mA电流比2.5 mA电流时温度提高了2.8倍，应力提高了4.4倍。所植入光栅监测系统既可以高精度地测量电化学反应引起的温度、应力变化，同时解调速度快，有利于实时、准确监测锂电池的热失控及形变鼓包故障，研究结果有望为锂电池的安全使用提供有效的实验依据。

针对传统计算全息法生成的贝塞尔光束阵列均匀性差，能量利用率低的问题，提出了两种计算全息法，分别可以生成高质量的平行、发散贝塞尔光束阵列。提出多轴锥透镜相位并行拼接法，通过提高窗口的“口径利用率”，有效降低了光场的背景噪声，提高了能量利用率，仿真结果表明，所产生的3×3平行贝塞尔光束阵列均匀性为98.94%，衍射效率为78.12%；提出多透镜和轴锥透镜相位叠加法，通过多个透镜和轴锥透镜相位叠加来调控贝塞尔光束的数量和位置，透镜相位对贝塞尔光束起到聚焦的作用，可以在透镜后焦面附近得到中心光斑直径缩小的贝塞尔光束阵列，仿真结果表明，所产生的3×3发散贝塞尔光束阵列均匀性为97.95%，衍射效率为79.23%。实验采集了贝塞尔光束阵列沿传输方向120 mm，130 mm，140 mm位置处的图像，与仿真结果高度一致。相比于传统方法，本文所提方法产生的平行、发散贝塞尔光束阵列均匀性分别提高了2.97%和4.70%，衍射效率分别提高了48.22%和54.75%。

针对在低信噪比、极少量回波光子环境下，三维场景重建能力会受噪声光子及空缺像素影响而下降的问题，提出一种基于深度范围选取的单光子计数激光雷达高光子效率图像重建算法。首先，通过成像场景深度范围选取，去除深度范围外的噪声；然后，采用自适应邻域补充极少回波光子造成的空缺像素以确保场景的连续；最后，使用全变分正则化去除深度范围内残余噪声。通过仿真数据和实验数据验证了所提算法在低信噪比和少光子（小于1）情况下仍能有效重建场景的三维图像。

针对图像增强算法中普遍存在暗部区域细节丢失、亮部区域过度增强等问题，提出了基于自适应截断模拟曝光和深度融合的增强算法。对原始低照度图像进行模拟曝光，通过卷积网络学习曝光序列对应的权重图并在网络内部实现加权融合，获得增强结果。在生成模拟曝光序列的过程中，对图像进行亮暗区域分割，然后对其进行截断性自适应伽马校正，最后通过引导滤波降噪获得合适的曝光序列。获得多曝光序列后，通过基于空洞卷积的上下文聚合网络，实现快速灵活地加权融合，得到最终增强结果。收集了大量公开数据集，并使用微光夜视相机和三通道真彩色相机收集了实验室环境测试集，在不同数据集上和经典主流算法进行了对比实验。实验结果表明，本算法的NIQE、PSNR和SSIM指标都是最好的，其中NIQE降低了4.49%，PSNR提高了4.28%，SSIM提高了1.94%。此外，算法的色彩还原效果也很好，色差指标是所有算法中最小的，在8.71×10^-2 lx照度下，本算法色差减小了14.83%，在1.02×10^-2 lx下减小了3.05%。本文算法可以明显提高图像亮度和对比度，鲁棒性较好，不会产生过度增强现象，有效恢复图像细节的同时兼顾色彩信息，增强结果真实自然。

研究了在不同系统误差和不同目标算法下相干传递函数的重建质量，发现相干传递函数的重建比物体的重建更稳健。基于此，报道了一种用于傅里叶叠层显微成像术的子区域平移方法，以加速有限图像下的相干传递函数重构收敛速度，消除由周期性照明光源阵列引起的栅格噪声，实现图像的重聚焦，并使用相干传递函数去卷积提高图像的对比度。此外，研究了傅里叶叠层显微成像术的空域和频域数据冗余来恢复相干传递函数，发现至少需要大约40%的频谱交叠率来精确重建相干传递函数，比无像差条件下高出10%，为了相干传递函数的稳定性需要至少25张原始低分辨率图像。最后，讨论了稳定的相干传递函数重建所需的条件，并通过模拟和实验进行了验证。

针对微显示器分辨率、刷新率低，显示运动画面时产生动态假轮廓等成像问题，通过分析超像素技术的特性及驱动原理，结合数字驱动方式，提出数字驱动型超像素扫描策略。利用人眼的积分特性和视觉暂留特性，通过帧与帧之间在时间上切换，空间上偏移的方式，降低数据传输带宽，改善动态假轮廓现象，提升显示器成像效果。结合超像素技术设计一款数字驱动型超像素微显示控制器，并在分辨率为2 048×2 048的全彩硅基OLED微显示器上验证其可行性。仿真分析结果表明，基于超像素的数字驱动扫描策略在分辨率主观感知不变的条件下，数据传输带宽减少50%。利用最小可察觉失真积分法进行评估，超像素扫描策略动态假轮廓等于0和不超过8灰度的概率分别约为93.3%和99.3%，成像质量有较大提升。

开展了基于仿生曲面复眼相机的空间目标定位实验研究。采用CALibration Tag标定板结合MATLAB标定工具箱对自研仿生复眼相机进行内外参数的标定。针对目标的三维定位，从曲面复眼相机成像原理出发并利用相机定标参数，确定目标点在复眼相机中各子眼坐标系下坐标的线性关系并建立线性方程组，通过最小二乘法进行求解以获得目标点的准确空间定位。设计了光斑定位实验，实验结果表明，在至少4 m的工作距离内，仿生曲面复眼相机的定位误差可以控制在2%以内，该目标定位方法应用于仿生曲面复眼相机能实现较高精度的目标定位。在此基础上，采用尺度不变特征转变算法实现了两个子眼所拍摄子图像的特征点粗匹配，结合随机抽取一致算法去除错误匹配点，进而由特征点在子眼像素坐标系中的二维坐标反演出其在空间坐标系中的三维坐标，最后通过对所有点进行点云拼接获得完整的重构点云。实验结果表明，对距离相机约0.6 m处的边长为5.5 cm的正方体可以实现较好的三维立体重构。

使用液晶显示器屏幕作为参考平面，并利用相机阵列实现了基于多视点的高反射表面面形精确重建。首先利用各相机获取参考平面靶标在标准平面镜中的镜像，通过镜面标定获得参考平面与各相机的外参，再利用参考平面的唯一性对相机阵列进行全局标定。然后用显示屏向被测面投射相移条纹，并通过各相机采集反射后的受调制图像，获得参考平面上的点与各视点归一化成像平面上图像点之间的密集反射对应关系，据此求得待测面相对于各视点的绝对点云坐标，最后依据全局参数进行拼接，从而实现对更大尺寸、更大曲率高反射表面的面形测量。同时基于参考平面和标准平面镜的平面性，提出一种共平面约束来优化视点几何参数和全局参数，减小系统误差。通过对不同形状的标准镜面进行测量，验证了所提方法的有效性和准确性。

针对Pillar编码点云的三维目标检测算法中存在一定细粒度信息的丢失以及对点云特征提取能力不足等问题，基于PointPillars提出一种融合逐点空间注意力机制和跨阶段局部网络的三维目标检测算法。首先在支柱特征网络层中融入逐点空间注意力机制，增强网络对局部几何信息的提取并保留深层次信息，使得到的关键特征更适合检测任务；其次将对点云伪图像进行高维特征提取的降采样模块中的普通卷积替换为跨阶段局部网络，进一步提升网络的学习能力；最后算法在高速公路的应用场景下，以KITTI数据集中car类作为检测目标，与基准网络相比，在简单、中等和困难三种情况下的3D检测精度分别提高了2.23%、2.25%和2.30%。实验结果表明，所提算法在检测性能上有明显提升，同时检测速度达到实时检测水平，对自动驾驶技术的优化和完善具有一定的积极意义。

基于非线性光学频率变换技术的可调谐中红外激光器在光电对抗、气体检测、生物医学等应用领域有着重要价值。近红外激光，尤其是1 μm激光直接泵浦的可调谐中红外激光器具有结构紧凑、调谐范围宽、稳定性高的优势。从非线性光学频率变换技术的核心器件——非线性晶体出发，综述新型非氧化型晶体在可调谐中红外激光产生中的应用现状，介绍了不同晶体的光学特性及实现中红外产生的方法。针对可调谐中红外激光源的调谐范围、单脉冲能量、重复频率等关键参数，分析了不同晶体的中红外产生性能及其适用的中红外产生方法。最后对近红外激光器泵浦的可调谐中红外激光器进行了展望。

采用多级串联的主振荡放大技术，将SESAM锁模的种子光通过多级串联端泵Nd∶YVO₄晶体放大，产生平均功率为148.7 W、重复频率500 kHz~4 MHz、脉冲宽度8 ps的1 064 nm基频光，同时开展了LBO晶体高效率二倍频的研究。通过优化相位匹配，实现了平均功率为95 W的532 nm皮秒激光输出，光-光转换效率达65%，光束质量因子M_X²=1.27/M_Y²=1.42，6 h功率抖动均方根低于0.8%。该绿光皮秒激光系统具有平均功率高、转换效率高、光束质量好、稳定性高、重频可调等优点，可以被作为皮秒激光加工系统的光源，被应用于科学研究和工业加工领域。

设计研制了波长为1 064 nm的半导体激光器泵浦单频Nd∶YAG激光振荡及功率放大系统。仿真分析了激光晶体的端面温度分布，采用低掺杂浓度激光晶体和端面键合方式有效改善了晶体棒的端面热效应。激光振荡级采用环形腔内插入法拉第旋光器、偏振片、半波片和声光Q开关的方式，在重复频率25 Hz下获得了能量2.18 mJ、脉冲宽度63.2 ns的单向单频脉冲激光输出。经过一级放大后，最终获得了能量15.85 mJ、脉冲宽度62.7 ns的单频脉冲激光输出。

使用遗传算法合理地迭代与优化非局域超表面的材料分布，完成了一个一维二阶空间微分器的逆向设计。当入射角小于10°时，该微分器具有与目标函数高度吻合的传递函数。为证明该方法的通用性，采用相同的方式设计了一个拉普拉斯变换器。最后，分别验证了两个器件在实际制造中的可行性以及它们识别图像边缘的效果。

设计了一种金属/介质/金属复合光栅与梯度超表面相结合的多功能器件。通过复合光栅的非对称结构实现光的非对称传输，当调制后的波矢量与表面等离极化激元的波矢量相匹配时，金属光栅激发的表面等离极化激元产生单波段光传输；通过梯度超表面实现光的异常反射。当x偏振态光波入射时，不同入射方向可在不同波段激发表面等离极化激元，由于上下光栅的不同周期和非对称的介质环境，光栅可分别在1 128 nm和1 550 nm处实现高透射率；另外在反向入射方向，该器件在1 300~1 400 nm整个波段表现为零吸收，反射率大于90%，可作为反射器。当y偏振态光波入射时，在反向入射方向器件通过相位梯度超表面实现异常反射。该结构可为各种偏振相关的多功能器件和集成光学元件提供参考。

为了加速光子晶体性能分析和全光逻辑门的设计，提出了利用神经网络设计基于带隙传输的光子晶体全光逻辑门。使用逆向神经网络，根据需要的群折射率、光子带隙和工作频率等光学性质，成功逆向预测光子晶体逻辑门的结构参数。仿真结果表明：该逻辑门能在时域实现AND和NOT运算；对比输入和运算输出的脉冲宽度，AND运算脉宽仅变化3.6%，实现稳定的包络和精确的“数字”逻辑运算。

基于空芯反谐振光纤设计搭建了光纤增强拉曼光谱检测平台，实现了95%的激光耦合效率；提出CCD和小孔协同降噪方法，使信噪比提高约6倍；相比于未使用光纤时，信噪比提高约270倍。基于单一标准浓度气体分析，确定了用于气体定性的特征拉曼谱峰及标定模型并建立了过程气体定量分析模型，实现了CH₄裂解制备C₂H₂过程气体现场样本的同时检测分析，主要成分包含H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₆和C₂H₄。各气体同时最小检出限分别达到6.3、26.6、1.2、2.2、4.2、3.9、9.1 μL/L?bar，各气体含量分别为560 588.51 μL/L、230 678.21 μL/L、33 107.65 μL/L、56 086.77 μL/L、77 945.56 μL/L、1 307.19 μL/L、1 823.55 μL/L，各气体浓度与色谱仪标定值相符，检测误差低于4.95%。该方法为CH₄裂解制备C₂H₂控制提供了重要的途径。

采用基于线性阵列光纤束的同轴光学结构，在真空环境下利用波长1 064 nm、脉宽5 ns、功率密度6.3 GW/cm²的脉冲激光烧蚀铝锂合金靶材，对铝锂合金等离子体发射光谱分别进行时空积分和时空分辨测量。评估了等离子体发光时间~1 μs，发光区域大小~1 cm。进一步研究了激光烧蚀等离子体连续辐射、离子谱线和原子谱线的时空演化行为，给出了激光烧蚀等离子体不同辐射机制的辐射时间尺度。谱线的空间分辨测量发现，Al、Li元素对应原子及离子的空间分布均有所不同，即真空中激光烧蚀铝锂合金等离子体在横向扩张过程中发生了元素“空间分离”的现象。物种的横向扩张速度研究结果表明，同种元素的离子速度大于其原子速度（Al III>Al II>Al I，Li II>Li I）。此外，对同种电荷态不同元素的原子（离子）速度的差异进行了讨论，并归因于元素的“质量分离”效应和较快的离子复合效应。

基于空间位移拉曼光谱原理，搭建了一套可以实现微小空间位移的装置，确定了最优的空间位移距离为300 μm，用于穿透皮肤表层，减少皮肤表面水份、油脂等污染物的干扰，最终采集到皮肤内层的水份拉曼信号。该装置采用拉曼波数在3 390 cm^-1（水拉曼峰）和2 935 cm^-1（蛋白峰）处的强度之比确定组织中的水-蛋白比例，采用便携式光谱仪使设备便于移动，探头和光谱仪以光纤相连使探头可灵活操作，设计满足临床使用要求。实验中检测了7个人、每人10个共70个不同位置的皮肤光谱，将光谱进行去背景算法处理，然后得到精确的拉曼峰强度。以电学法皮肤水份测试仪测试结果作为对比，以组内相关系数作为一致性分析指标，由单个测量组内相关系数为0.889可以看出，基于空间位移拉曼光谱法的人体活体皮肤含水量检测具有较高可行性。

针对星载紫外成像光谱仪展开研究，设计了一种用于监测大气环境污染变化的光谱仪结构组件。在初始结构基础上，采用变密度拓扑优化方法，确定重要部件材料的最佳分布。在此基础上分析了关键尺寸参数对系统性能的灵敏度，建立以第二代非支配排序遗传算法为优化算法的多目标优化模型，完成光谱仪结构组件的尺寸优化设计。优化后，结构重量降低58.7%。对设计后的结构进行了静、热分析及杂散光分析，分析结果均满足光学系统要求。动力学分析分析结果与试验结果最大误差为4.72%，力学试验前后结果对比得到光谱特性测试的最大变化为0.4个像素，证明了提出的紫外成像光谱仪结构组件设计的合理性和可靠性。

共混纤维素纳米晶和粒径呈多分散分布的二氧化硅，采用浇注自组装法制备复合薄膜，探究了分散剂聚乙烯吡咯烷酮和成膜剂聚乙烯醇对复合薄膜结构色的影响。研究发现，聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇均使纤维素纳米晶结构色红移，使二氧化硅虹彩色更加绚丽，且聚乙烯醇用量的增加有助于改进成膜性，但薄膜柔韧性随聚乙烯吡咯烷酮用量的增加而变差。当0.3%（w/w）二氧化硅分散液与2%（w/w）纤维素纳米晶分散液二者质量比为1∶4，聚乙烯吡咯烷酮用量为1.2%，聚乙烯醇用量为20%时，薄膜成膜性能较好且呈现双重光学特性。本文制备的薄膜同时具备纤维素纳米晶手性向列相结构和二氧化硅光子晶体结构，实现结构色相互叠加，拓宽了其在光学防伪、光学加密等领域的应用。

飞秒磁场脉冲对研究超快磁化、超快退磁、超快磁存储和自旋超快动力学等过程具有重要意义。传统的脉冲磁场受限于脉冲电源性能无法获得毫秒量级以下的超短脉冲磁场，无法研究飞秒尺度的磁动力学过程。利用超短脉冲激光驱动等离子体产生旋转电流是目前产生飞秒磁场脉冲的有效方法。本文利用质点网格法模拟圆偏振拉盖尔高斯光束驱动等离子体中的电子运动从而产生光电流以及飞秒磁脉冲的过程，模拟产生了特斯拉量级的飞秒超短磁脉冲，并系统讨论了驱动激光强度与等离子体密度对磁脉冲的影响。结果表明，脉冲磁场的脉宽与驱动光一致，其强度随着激光场强度、等离子体密度增加而增加。通过本文研究寻找产生飞秒磁脉冲的优化实验参数，有望将超快磁动力学研究推进到飞秒时间尺度。

针对行波选通分幅相机超宽画幅驱动需求，基于宽带多节威尔金森脉冲功率合成方法，设计了一款高压驱动脉冲源。基于有限元分析方法，采用仿真软件对脉冲功率合成电路进行了仿真，系统分析了端口驻波比、插入损耗、端口隔离度、幅相一致性等参数。根据仿真分析完成了脉冲功率合成电路研制，验证系统最终能够利用8路峰值电压为1.3 kV左右、脉冲宽度为3.5 ns左右、脉冲前沿在600 ps左右的单路脉冲合成峰值电压超过3.2 kV的高压脉冲，脉冲宽度在3 ns以内，脉冲前沿在600 ps以内。脉冲频谱范围在300 MHz到3 GHz范围内的两路合成效率为83.5%，特定频率下为88%，八路脉冲合成效率为58%，特定频率下可以达到68%。通过该电路合成的高压脉冲可用于驱动宽20 mm、长95 mm、等效阻抗6 Ω左右的微通道板实现选通成像，验证了基于宽带多节威尔金森电路实现脉冲功率合成，提高分幅相机驱动脉冲功率的可行性。目前基于该技术的高压驱动脉冲源已应用于I-MCP1.0型分幅相机。