为分析死时间、暗计数等因素对单光子相干测速性能的影响，搭建了基于近红外单元单光子雪崩二极管探测器的外差相干测速实验系统，实验分析了探测器暗计数率和信号探测光子计数率对多普勒信息重建的影响，以及由探测器死时间决定的饱和计数率限制下的最优信号探测光子计数率。在1 μs探测器死时间、1 ms采集时间下，分别对1.8 kHz、52.4 kHz和194.4 kHz探测器暗计数率影响下的光子到达时间序列进行快速傅里叶变换，从频谱数据中提取拍频信号。实验结果表明，随着光子计数率的增加，相干拍频信号频谱信噪比逐渐增大而后趋于平稳，当接近饱和计数率时，在相干拍频信号频谱低频区域和拍频频率两侧出现了谐波分量，谐波频率间距与光子计数率数值基本相等，受谐波影响较小的最优光子计数率约为单光子探测器饱和计数率的90%。研究结果可为全光纤单光子多普勒测速雷达技术的发展和应用提供参考。

用于内窥成像的多芯光纤在弯曲条件下传输的光场相位容易出现复杂的随机扰动，为相干成像中的相位恢复带来极大挑战。本文提出了一种可以用于相干成像的螺旋多芯光纤设计，通过调控纤芯尺寸、纤芯间距和螺距来抑制弯曲等外界扰动对纤芯间群时延差和功率串扰的影响。本文建立了弯曲条件下螺旋多芯光纤纤芯光程的数学模型；根据变换光学基本原理，利用有限元仿真软件对螺旋多芯光纤的模式特性进行数值仿真计算。设计的螺旋多芯光纤具有20 μm的芯间距和20 π/m的扭转率，共有6层91个纤芯，不同层的纤芯尺寸不同。无弯曲时芯间群时延差小于6 fs/m；当弯曲半径大于5 cm时，芯间群时延差的变化小于32 fs/m，100 m长度上纤芯间串扰的仿真计算结果低于-550 dB。螺旋多芯光纤的芯间群时延差对弯曲不敏感，在相干成像中代替普通光纤束传递光场，有助于降低相干图像恢复方法的复杂度，可以广泛应用于光纤显微成像、超快激光成像等领域。

针对单波长Mirau干涉显微镜存在测量范围小和2π模糊等问题，提出了多波长Mirau偏振干涉显微镜，以实现微观轮廓的大动态范围测量的和表面粗糙度等显微结构的瞬态检测。系统利用R、G、B三个单色LED光源实现多波长干涉；利用彩色偏振相机获取瞬态相移干涉条纹图，降低实时瞬态检测中复杂的环境扰动影响；利用线栅偏振片调节条纹对比度，满足不同被测对象的反射率检测要求。为验证系统方案的可行性，经过系统误差补偿校准后测量标称值为1.993 9 μm的标准微米台阶，结果与标称值的偏差约为5.4 nm。利用该方法与Wyko干涉仪对金刚石车削凸面反射镜表面微观轮廓和表面粗糙度进行测量，表面粗糙度测量结果均方根值偏差为3.7 nm，验证了该系统可实现高精度的大动态范围测量。

结合MEMS激光雷达和红外相机的优势，设计了一种简单轻量、易于扩展、易于部署的可分离融合感知系统实现三维目标检测任务，将激光雷达和红外相机分别设置成独立的分支，两者不仅能独立工作也能融合工作，提升了模型的部署能力。模型使用鸟瞰图空间作为两种不同模态的统一表示，相机分支和雷达分支分别将二维空间和三维空间统一到鸟瞰图空间下，融合分支使用门控注意力融合机制将来自不同分支的特征进行融合。通过实际场景测试验证了算法的有效性。

提出了一种针对病理切片图像的端到端语义分割方法--边缘感知网络（BPNet），以提高病理图像分割精度。BPNet网络首先在解码器阶段增加边缘感知模块，改善网络对于病理图像边缘的特征信息提取能力。然后，采用自适应通道注意力模块弥补不同层次特征间的语义差距，进一步加强网络的特征聚合能力。在此基础上，设计了一种基于结构和边缘的联合损失函数，以实现最佳的病理图像分割结果。在GlaS和MoNuSeg两个公开病理数据集上的分割实验结果表明，所提方法的Dice系数得分在两个数据集上分别达到92.21%和81.18%，有效提升了病理图像的分割精度。

针对水下湍流的复杂性和多变性对水下航行器性能和姿态控制产生的挑战，提出使用卷积神经网络来测量水下湍流的温差耗散率XT。首先，采用功率谱反演法和惠更斯-菲涅尔原理仿真生成了受水下湍流影响的散斑图像数据集。随后，利用卷积神经网络提取这些受湍流影响的散斑图像中的特征信息，并对温差耗散率XT进行估计。最后，通过现场实验数据集验证了所提出方法的可行性。实验结果表明，所提出的神经网络在实地实验数据集和模拟仿真数据集上表现出相似的分类精度和损失曲线，其测量准确率分别为98.8%和99.2%。这一研究为水下环境监测和资源勘探领域提供了重要的参考，对于光学图像处理和湍流研究等相关领域具有实际意义。

针对压缩机出口除油器效率性能评价，提出一种基于光闪烁法的润滑油油雾液滴浓度在线检测方法。基于颗粒系层模型和Lambert-Beer定律，以层测量体透过率作为泊松分布随机变量，推导了光闪烁法在长光程平行光束下的颗粒浓度检测模型。闪烁频率根据测量体大小、颗粒直径和颗粒速度确定，并通过影响闪烁信号的拟合方差影响检测精度。对于某型压缩机润滑油，通过光谱扫描和主成分分析法确定了在可见光波段，400 nm波长光束具有最佳的检测灵敏度和正相关性。实验结果表明，相较于光透射法，在0~50 mg·m^-3油雾浓度范围内基于光闪烁法检测标定结果误差小于10%，线性相关系数R²=0.989。

设计了镓黑体对海表测温辐射计进行定标。首先，介绍了该黑体的结构与工作原理，对黑体发射率进行仿真，并开展发射率的测量实验，讨论其不确定度的来源。然后，开展了电加热和水浴加热下镓的相变复现实验，讨论电加热功率对镓相变复现的影响。最后，通过红外海面温度自主辐射计实验对该黑体进行验证。结果表明：该黑体基于蒙特卡罗软件仿真的发射率优于0.998 8，实验测得的黑体辐射源发射率结果与仿真结果较为吻合，测量重复性（标准偏差）达0.1%；相变温度坪台的复现性均优于±0.03 K；相变温坪附近时，红外海面温度自主辐射计和FLUKE 1524测温仪测得的黑体腔附近温度的数据差值均在±0.15 K以内。设计的镓黑体可以应用到海表测温辐射计进行校准，为发展自主知识产权的海表测温设备提供校准源。

基于国产化的2倍迈克尔逊型干涉物镜组，优选配置0.5倍适配镜，对白光LED照明光源进行带通滤波参数的仿真估算和实验性能比较，构建了整套大视场白光干涉精密测量装置系统并进行了实验测试，通过白光干涉轴向响应实验曲线确定了中心波长。实验结果表明：通过光谱滤波获得了较为理想的白光干涉轴向响应曲线；系统的水平最大视场达到了14 mm；高度为2.04 μm和20.43 μm的标准台阶样品的测量结果分别为2.05 μm和20.47 μm，10次测量重复精度（标准差）分别为12 nm和16 nm。对粗糙度样板、微机电系统传感结构和半导体晶圆膜层进行了实测，表明所研制的系统装置在三维光学无损精密检测领域的应用具有可行性。

在GaAs基GaInP/AlGaInP单量子阱结构外延片上分别使用磁控溅射设备生长ZnO薄膜和等离子增强化学气相沉积设备生长SiO₂薄膜，以ZnO介质层作为Zn杂质诱导源，采用固态扩Zn的方式对激光器进行选择性区域诱导以制备非吸收窗口来提高器件的腔面光学灾变损伤阈值，从而提高半导体激光器的输出功率和长期可靠性。在580~680 ℃、20~60 min退火条件下对Zn杂质诱导量子阱混杂展开研究，实验发现，ZnO/SiO₂或ZnO/Si₃N₄复合介质层的采用比单一Zn介质层的杂质诱导蓝移量大，且在680 ℃、30 min的条件下获得了最大55 nm的蓝移量。分析结果表明，介质层所施加的压应变会将外延片表面GaAs层中Ga原子析出，促使Zn原子进入外延层中以诱导量子阱混杂。通过测量光致发光光谱发现发光强度并没有明显下降，可为后期器件制作提供借鉴。

针对共振荧光测风雷达的探测需求，设计和研制了种子注入的Nd∶YAG电光调Q单频1 116 nm脉冲激光器，采用带偏置电压反馈的扫描-触发谐振探测技术，建立了1 116 nm单纵模振荡，并对中心频率稳定性进行分析。最终实现输出1 116 nm激光单脉冲能量6.48 mJ，重复频率60 Hz，输出线宽为33.2 MHZ，脉冲宽度为75.7 ns。通过波长计测量输出光波长，波长稳定在1 116.297 9 nm附近。利用外差拍频，测定120 min中心频率稳定性（均方根）为818.3 kHz。该激光器输出光通过三倍频可变换至372 nm，作为铁共振荧光多普勒测风激光雷达的发射光源，频率抖动量对应的风速测量误差小于1 m/s。

1 550 nm垂直腔面发射激光器具有良好的人眼安全性和透射性，但实现其高效率和高功率输出一直是难以解决的问题。以1 550 nm氧化限制型垂直腔面发射激光器为研究目标，对不同结构、不同氧化孔径与输出特性关系进行仿真分析。随着氧化孔径增加，垂直腔面发射激光器芯片的激射波长发生红移现象，但氧化孔径从14 μm继续增大时，激射波长几乎不红移。对两种不同氧化限制结构的芯片进行仿真，输出功率和转换效率对比结果表明单氧化层结构性能更好。在设计多结垂直腔面发射激光器时考虑有源区之间是否增加氧化层，最终发现两种氧化限制结构均在9 μm孔径时具有较高的输出功率，单层结构100 mA时的输出功率约为177.55 mW，同时斜率效率也高达1.79 W/A，最大功率转换效率为10 μm孔径时的37.7 %，多层结构斜率效率更高达2.36 W/A。氧化限制型结构在多结垂直腔面发射激光器基础上进一步提升功率、效率等参数，可为高功率1 550 nm垂直腔面发射激光器的输出特性优化提供参考。

提出一种基于同位素原子饱和吸收谱稳频的拉曼激光方案，并应用于原子干涉仪激光系统的小型化。该方案使用同位素原子吸收泡代替现有拉曼光方案中的移频或调制光学器件，以实现拉曼激光的稳频和失谐，使光路和电路同时简化。针对⁸⁵Rb原子干涉仪，⁸⁷Rb原子D₂线的饱和吸收谱被用于对拉曼激光进行稳频，稳频后的拉曼激光红失谐在GHz量级，线宽约为80 kHz。将该拉曼激光用于原子干涉仪获得了对比度为20%的干涉条纹，重力测量的灵敏度为345 μGal/Hz^1/2。连续24 h重力测量数据的阿伦方差显示原子干涉仪的分辨率约为2×10^-8g@7 500 s。该拉曼激光的频率噪声引起的单次重力测量噪声优于1 μGal，完全可以满足μGal量级的重力测量需求。该拉曼激光方案有助于推动原子干涉仪激光系统的小型化、轻量化和实用化。

为了解决相位生成载波解调方案应用于激光测振技术时，系统中存在的非线性失真问题，提出一种改进相位生成载波解调算法。该算法采用低频、大幅值的相位调制和迭代重加权椭圆特殊拟合对两路含有非线性误差的正交信号进行校正以抑制非线性失真。其中，低频相位调制由三角波信号驱动压电换能器生成，确保小信号情况下椭圆拟合结果的准确性。迭代重加权椭圆特殊拟合可以减小离群数据的影响并避免拟合结果退化为双曲线，具有精度高、鲁棒性好和计算效率高的优点。实验结果表明改进相位生成载波解调算法可以有效抑制激光测振实验系统的非线性失真，在不同相位调制深度（0.8~3.4 rad）下解调信号的信纳比和总谐波失真稳定，对应的标准差分别为0.55 dB和0.03%。系统的响应线性度优于99.99%，动态范围可达103.9 dB @ 500 Hz，总谐波失真为1%且工作频宽为20~8 000 Hz。与传统相位生成载波解调方案相比，该算法不仅显著抑制了非线性失真，还克服了椭圆拟合算法在小信号下无法工作的缺点。

为实现空间目标的探测与精确识别，设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统，实现了短焦大视场探测，长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂（RC）结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式，使用两片反射镜压缩光路，系统工作于450~850 nm的光谱范围内，焦距为700~3 500 mm；探测端焦距为700 mm，F数为2.5，视场角为0.5°×0.5°；成像端焦距为1 400~3 500 mm，F数为5~12.5，视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。

基于离轴四反的方案设计，从同轴反射系统的理论出发，结合高倍率，低波前畸变，以及高杂散光抑制比等特点对天琴望远镜的原理系统进行了优化设计。实现了在捕获±200 μrad视场内系统百倍的压缩倍率，其入瞳直径300 mm，波前误差优于λ/80。提高三四镜之间光线转折角度进行杂散光抑制，在保证高质量波前的条件下，其三镜的偏角优化结果为5.5°，且三镜为平面镜的引入，降低了后期加工装调的难度。为了对原理系统的加工装调以及杂散光抑制能力进行验证，建立了该系统下0.5倍的缩比系统，实现了缩比系统的波前误差优于λ/175。经公差分析，原理系统有90%的累积概率其波前误差优于λ/40，满足引力波望远镜的指标要求。

离轴反射系统设计的关键环节是确定适用初始结构并进行优化，一般从同轴结构或者专利库中寻找相似的结构开始优化，这往往需要耗费大量的时间。以Seidel像差理论为依据，研究了一种获取离轴四反系统初始结构的设计方法。在设计之初引入视场偏置，通过追迹近轴光线给出五种单色像差的初级Seidel像差表示。以Seidel像差绝对值最小化作为目标函数，同时加入对光学和系统结构上的限制条件构建含有约束条件的单目标非线性优化模型，并通过粒子群优化算法进行求解。在此基础上，通过MATLAB调用CODE V API接口，判断此视场偏置情况下是否满足无遮拦的条件，并从中挑选出满足条件的初始结构。设计了一款焦距为1 200 mm，视场1.2°×20°，F数为6的离轴四反光学系统，系统结构布局紧凑，成像质量良好，各项指标均满足设计要求。

结合相变材料与马赫-曾德尔干涉仪调制器结构，设计了一种包含ITO微加热器的非易失性光子多值器件，通过对相变材料的结构参数进行仿真，优化了器件的调制窗口。同时对ITO微加热器的结构进行仿真设计，使微加热器的效率更高，更容易实现器件的多值调制。测试表明，该器件在施加电脉冲的过程中实现了超过32个状态（5 bit）的多值调制。这种电调制的非易失性光子多值器件为大规模的非易失性可配置光子硬件神经网络提供了基础的单元。

基于多光束干涉光谱成像原理，研究一种高空间分辨率甲烷气体点源探测方法。首先，介绍了甲烷气体探测仪的工作原理和探测方案，详细设计法布里-珀罗干涉仪的系统参数，并建立甲烷气体探测正演模型。然后，分析了干涉信号和甲烷浓度之间的对应关系，以及仪器参数对探测灵敏度的影响。最终，迭代优化得到各光学结构参数的最优取值。结果表明，在甲烷探测波段为1 630~1 675 nm，自由光谱范围为12.5 nm，光谱分辨率为0.1 nm，法布里-珀罗标准具腔长为0.08 mm，腔内反射率为97.5%，截止滤光片范围为（1 630±4）nm~（1 675±4）nm时，探测源25%浓度变化对应的干涉信号相对变化量范围为［0.65%，4.30%］，探测灵敏度较好。研究结果可为高精度碳监测提供理论依据和技术支撑。

针对常规工业气体泄漏检测装置需泄漏扩散到一定范围并与传感器接触时才能响应的不足，提出一种融合结构重参数化变换的红外非接触式检测网络模型GRNet。GRNet模型采用Mosaic-Gamma变换的预处理方法增加泄漏样本数量并提高图像对比度以增强模型的鲁棒性；通过K-means聚类分析出适用于气体泄漏红外检测的候选框以预置模型参数；优化定位损失函数以提高模型对泄漏区域的定位准确性；采用改进后的轻量化网络RepVGG模块重构特征提取网络增强模型的特征提取能力，以实现轻量化并提高检测精度。实验结果表明，GRNet模型对氨气泄漏的平均检测精度达到94.90%，单张图像平均检测时间达到3.40 ms。采用伪色彩映射实现泄漏浓度的视觉感知效果，采用PyQt5将GRNet模型进行封装实现气体泄漏红外检测系统界面的可视化并在Jetson Nano B01嵌入式实验平台部署该模型，验证了实际工程应用的可行性和有效性，为开发气体泄漏非接触探测装置以保障涉气企业的安全生产和稳定运行提供一种有效的检测算法。

基于荧光内窥镜的实际应用确定陷波滤光片的技术指标，以光学薄膜理论为基础设计陷波滤光片结构，采用Essential Macleod软件辅助进行膜系设计，分析膜层敏感度，选择合适镀膜设备、工艺控制方法制备陷波滤光片。制备的滤光片通带透射率均值达到97%以上，截止背景达到OD6以上，透射波前畸变低于λ/4 @632.8 nm，满足医疗健康微创精准手术的应用需求。