提高红外探测器的工作温度对于减小红外系统的尺寸、重量和功耗至关重要，进而实现结构紧凑和成本低廉的红外系统。昆明物理研究所多年来对掺铟和砷离子注入技术的HgCdTe p-on-n技术进行了优化，实现了性能优异的中波红外探测器的研制。本文报道了高工作温度中波1024×768@10 μm红外焦平面阵列探测器的最新结果，并介绍了在150 K工作温度下的器件性能。结果标明，器件在150 K下截止波长为4.97 μm，并测得了不同工作温度下的NETD、暗电流和有效像元率。此外，还展示了在150 K的工作温度下焦平面器件的红外图像，并呈现了99.4%的有效像元率。

带间级联红外探测器可以利用多级吸收区级联的方式实现高的工作温度，但不同的吸收区厚度设计方式会使得器件在不同级数吸收区中出现光生载流子的不匹配现象，从而对器件量子效率造成影响。为更好地理解带间级联探测器的级数和吸收区厚度对量子效率的影响，对基于InAs/GaSb II类超晶格的带间级联探测器进行了变温测试，并基于多级光电流的“平均效应”建立了工作在反向偏置电压的量子效率计算模型，通过与实际测试的量子效率对比，发现在低温条件下实验数据和计算结果拟合一致性较好，验证了多级带间级联探测器中基于内增益机制的光电流平均效应。但在高温条件下，实际的光电流低于“平均效应”的理论计算结果，这可能是由于高温下少数载流子寿命变短，在吸收区和弛豫区界面处存在光生载流子的复合机制。

本文对基于带间级联结构和谐振腔结构的中红外发光二极管进行了仿真和设计。在传统带间级联发光二极管的基础上，从器件外部引入分布布拉格反射镜（DBR）谐振腔结构，形成谐振腔带间级联发光二极管。对谐振腔参数进行仿真优化，包括DBR周期数、谐振腔的腔长、有源区在谐振腔中的位置等。结果表明，使用单周期ZnS/Ge DBR作为谐振腔上反射镜的器件输出功率最大，有源区置于谐振腔内部电场强度波峰处时，器件的输出功率最大，三级谐振腔带间级联LED器件的输出功率与55级无谐振腔器件输出功率相当，其光束发散角的半峰全宽可以从92度减小到52度。结合已生长的5级带间级联LED器件的测试结果，增加谐振腔结构后的仿真结果表明，峰值波长的辐射强度增强11.7倍，积分辐射强度增强5.43倍，光谱的半峰宽变窄6.45倍。

稀Bi半导体InPBi的光致发光（Photoluminescence，PL）主要来自缺陷能级跃迁过程，具有红外长波长、大线宽和高辐射强度等特点，因而引发广泛兴趣。针对InPBi的红外发光效率问题，本文研究了不同Bi组分InPBi的激发功率依赖红外PL光谱演化规律。实验发现，随着Bi组分增大，PL线型发生显著变化，导致发光波长总体红移；同时激发功率依赖的PL积分强度演化分析表明，发光效率随Bi组分先增大然后下降，在0.5%组分时发光效率达到峰值。发光效率增大一方面归因于Bi捕获空穴降低非辐射复合，另一方面来自Bi的表面活性剂效应；而高Bi组分引入过多缺陷从而抑制了Bi的优势，导致发光效率下降。这些结果或有助于理解InPBi的红外发射性能，表明InPBi具有红外光电子应用前景。

低维材料嵌入微腔已经广泛应用于纳米激光器和探测器等。为了实现增益材料和光学微腔之间的有效耦合，需要深入研究嵌埋材料对腔共振模式的影响。本文主要讨论了嵌埋材料的厚度、位置、腔层厚度以及分布式布拉格反射镜的对数对腔供着模式的影响。结果表明，腔共振模式随嵌埋材料位置的不同呈现周期性变化并且在λ/2光程周期内存在最大峰位移。最大峰位移随腔层厚度增加而减小，但与嵌埋材料的厚度成正比。分布式布拉格反射镜的对数不影响腔共振模式。这些结果为光学器件的设计和实验现象的分析提供了指导，并且可以应用于不同波长分布式布拉格反射腔结构。

过渡金属硫族化合物（TMD）薄层仅改变几何形状（如层厚）就可调节带隙、电子亲和势和费米能级，使器件设计更灵活。但因缺乏费米能级排列信息，TMD同质/异质结器件常因未知的能带弯曲而偏离预期。利用扫描开尔文探针显微镜（SKPM）表征了TMD同质/异质结，结果显示，MoS₂和MoTe₂同质结的费米能级随层厚增加向本征费米能级移动（背景掺杂浓度降低），而MoTe₂/MoS₂异质结中探测到宽耗尽区和强光响应，同时给出表面污染（分子尺度）对单层TMD表面电势的影响。上述发现将在器件设计中帮助精准堆叠范德华（vdW）层。

针对太赫兹波段固态大功率应用需求，基于氮化镓功率放大器单片集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC），采用功率合成技术实现了太赫兹波段瓦级功率输出。通过太赫兹波段微带/波导转换结构和键合金丝补偿技术，结合E面T型结二路合成功率分配/合成器，将两片MMIC封装成最大输出功率为160 mW的功率单元模块。在此基础上，采用八路E面合成器设计了频率覆盖180～238 GHz的十六路功率合成放大器。在漏极电压为+10 V时，带内输出功率大于300 mW，189 GHz输出功率达到了1.03 W。

氮掺杂金刚石（N-D）是最重要的碳基电子材料之一，由于氮相关色心的存在，其具有许多有趣而独特的物理特征。文章中研究了等离子体化学气相沉积法生长的N-D样品的太赫兹（THz）磁光特性。应用偏振THz时域光谱（THz TDS）技术，在0~8 T磁场和80 K温度条件下，测量了N-D样品在法拉第几何结构下的THz透射光谱，得到了N-D材料的法拉第旋转角和椭偏率、复横向（或霍尔）磁光电导率以及复左、右旋介电常数随磁场的变化规律。结果表明，N-D材料具有优良的THz磁光法拉第旋光效应，可应用于THz旋光器件。

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）是依赖电子在量子阱子带间跃迁辐射出光子而发生激射的单极型半导体激光器。大量的理论与实验研究已经证明轻微的外部扰动（如光反馈、光注入）或内部足够强的非线性模式耦合能够引起半导体激光器的非线性输出。QCL作为新型半导体器件，具有腔内强度高、子带间光学非线性强以及电子弛豫时间快等特点，激发了学者研究其非线性动力学的兴趣。本文详细综述了QCL的非线性动态特性研究进展情况，探究了QCL非线性动力学性质的产生机理，总结了QCL非线性特性的应用场景。

文章提出了一种基于集成互作用单元的高效谐振电路，以改善注波互作用，将Ka波段速调管的峰值功率提高到200 kW。被集成的单元电路设计是基于矩形间隙波导中级联的场结构，通过特定边界条件的融合，将两个或多个单注-波互作用单元横向连接在一起（每个单元通常用于传统的单注速调管）。针对输入腔，通过优化注加载参数和腔体参数将两个互作用单元有效地整合在一起，以获得~35 GHz恒定输入功率下的最佳吸收效率。输出腔1）设计有两个输出端口，以平衡功率提取对集成互作用电路的影响；2）通过优化两个预调制的电子束得到200-kW的峰值功率。在注电压为45 kV、单个注电流为5.6 A的条件下，通过粒子模拟（PIC），所设计的Ka波段速调管的整体互作用电路能够产生202.9-kW的峰值功率，效率为40.2%，增益最大达到47 dB。

本文基于瞬态光电流模型和多色谐波脉冲叠加形成的类锯齿形电场，研究了频率比为1：2：m（m为正整数）的飞秒三色谐波脉冲诱导空气等离子体产生太赫兹波的情况。结果表明，在空气被饱和电离且电子密度达到相同最大值的情况下，对于相同数量的谐波脉冲，当合成脉冲包络中的电场形状更接近锯齿形且更不对称时，太赫兹波的转换效率并不总是更高。此外，研究了采用频率比为1：2：3和1：2：4的飞秒三色谐波脉冲的特定波长组合方案增强太赫兹波的产生。对于这些特定的波长组合方案，可以在常用频率比为1：2的双色光脉冲方案基础上仅添加一组光参量放大器就能实现。我们的研究将有助于获得强太赫兹波源，并为实验操作提供指导。

超强少周期激光脉冲与气体等离子体作用可以产生强的宽带太赫兹脉冲辐射。本文以数值计算为主要工具研究了少周期激光脉冲与气体等离子体成丝作用产生的等离子体电流及对应的太赫兹辐射特性。该过程中的等离子体电离处于多光子电离和隧道电离的过渡阶段。结果显示，该机制能够产生从太赫兹到中红外的超宽带辐射，且辐射的电场振幅是少周期激光脉冲载波相位的周期函数。太赫兹脉冲由激光脉冲脉宽和等离子体电离的时间演化确定，而不是由等离子体密度决定。本文为基于少周期激光脉冲与气体等离子体作用产生超宽带太赫兹辐射的实验提供了一定的理论参考。

常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。

太赫兹天线是未来第六代移动通信（6G）的重要组成部分，其中太赫兹透镜天线因其高增益、稳定的辐射特性、低成本等优点，受到广泛关注。太赫兹透镜天线不存在馈源遮挡的问题，能够实现多种波束控制功能，其聚焦功能可应用于成像系统，也可在测试装置中起波束准直的作用。太赫兹制作工艺的进步使太赫兹透镜天线的加工精度更高、效果更好，也进一步促进太赫兹透镜天线的发展。本篇综述总结了近五年报道的太赫兹透镜天线，综合其功能、制作工艺、形态、应用场景等特点对它们进行介绍。

土壤中红外（MIR）光谱能快速、无污染、低成本地估算土壤有机碳等理化属性。随着各种尺度土壤光谱库的建立，使用其进行快速土壤分析引起广泛关注，但光谱库的通用模型在局部尺度上的预测效果不理想。开发“局部化”光谱建模方法是提高土壤光谱库性能的有效途径。本文提出了一种新的方法，通过光谱相似度计算和建模子集构建，旨在从库中快速建立最优局部建模集以提高预测精度。比较了欧氏、马氏、余弦三种距离算法衡量待测样本与库样本之间的相似度并生成距离矩阵；使用连续统去除法从距离矩阵中提取库容曲线中的特征点。利用偏最小二乘回归建立土壤MIR光谱与有机碳含量间的定量关系。结果表明，三种距离算法结合连续统去除得到的第一特征点均可得到较佳的预测精度。马氏距离不仅模型精度最高（R² = 0.764，RMSE = 1.021%）而且用到的库样本数最少（14%库容）。本方法可改善MIR光谱分析的成本效率并能提高局部尺度的预测能力。

针对高光谱影像分类方法精度不足的问题，提出一种基于空间-频谱变换（Spectral-Spatial Transformer，SST）网络的高光谱影像分类方法。首先，将高光谱影像预处理为一维特征向量。然后，设计了具有光谱-空间注意力模块和池化残差模块的SST高光谱影像分类网络。本文所提出的分类方法在Indian Pines数据集和Pavia University数据集上的总体分类精度分别为98.67%和99.87%，表明此方法具有较高的分类精度，为高光谱影像分类及应用提供了一种新方案。

FY-3E/HIRAS-II作为世界上第一个晨昏轨道的星载红外高光谱仪器，评估其观测资料质量对提高资料同化分析场和全球数值天气预报精度具有十分重要的作用。本文基于2021年12月-2022年1月及2022年3月共35天的HIRAS-II观测，采用新息增量法检验了其在轨辐射观测资料质量，按陆地和洋面分别统计了O-B偏差和标准差的分布特征；进一步匹配相同时间段、相同区域的MetOp-B/IASI观测资料，使用双重差异的O-B法分析了HIRAS-II观测资料质量，可消除偏差中辐射传输模式模拟的影响。结果表明，不论海洋还是陆地，HIRAS-II长波与中波大部分通道的O-B平均偏差均小于0.5 K、标准差在1 K以内，陆地上标准差比洋面偏大（尤其是窗区通道）。664~665 cm^-1 CO₂吸收带和1 300~1 680 cm^-1 水汽吸收带，由于再分析资料的偏差引起RTTOV模拟的辐射值存在系统性误差，使得偏差较大；980~1 080 cm^-1 O₃吸收带和1 300 cm^-1 CH₄吸收带附近较大的偏差是由于辐射传输模式RTTOV中吸收气体浓度采用固定的气候廓线值造成的，这些波段与MetOp-B/IASI相比的double O-B偏差均趋近于0 K，说明O-B偏差主要是由于辐射传输模式模拟误差造成的，而不是仪器观测的质量低。短波大部分通道的O-B平均偏差在-2 K~2 K之间，标准差在2 K以内。1 920 cm^-1附近通道由于是仪器中波与短波的交界处，采用的探测器不同造成较大的O-B偏差。2 267~2 380 cm^-1较大的偏差是由于RTTOV模拟亮温时没有考虑非局地热力平衡NLTE效应的影响。波数大于2 400 cm^-1的短波波段由于太阳污染使得偏差和标准差都逐渐增大。HIRAS-II O-B偏差随扫描角存在不对称现象，使用时需要进行扫描角偏差订正。

针对同时兼顾大范围搜索和精确识别目标的迫切需求，研制了一种大变倍比红外变焦成像系统，设计两片独立运动的变倍镜及一片补偿镜，通过两个变倍镜级联的方式获得大变倍比。结合系统运动镜片多及变焦曲线复杂的特点，采用直线运动机构实现镜片变焦运动，使用集成编码器及螺纹丝杆的直线电机作为驱动。通过有限元仿真开展了系统力学分析，所设计镜片最大位移为3.04×10^-3 mm。成像系统适用于中波红外制冷式640×512焦平面阵列探测器，变倍比达到55倍。实验室成像及外场实景成像的结果表明，系统在焦距由6 mm至330 mm连续变化的过程中成像清晰、像质良好，验证了系统的连续变焦成像性能，该设计合理可靠。研究成果在搜索、跟踪、侦察、监视等方面有广阔的应用前景。

外视场拼接是实现机载高光谱成像系统同时具有大视场与宽光谱采样范围的有效方式。由于各个成像单机独立安装，对应的可见近红外模块单机与短波红外模块单机之间的视轴角会在设备长时间运行后产生变化，视轴角的变化会对可见/短波红外的数据融合效果产生负面影响。而视场重叠使基于对极几何和平面单应性的校正方法不能有效地解算出对应可见/短波红外单机之间的视轴角，因此无法对视轴角偏差导致的图像失配进行修正。针对使用外视场拼接来扩大总视场和总响应带宽特点的机载高光谱成像系统，本文提出了一种视轴角和焦距校正算法。通过使用多级特征筛选方法，结合最小化重投影误差，实现了可见近红外/短波红外对应单机之间视轴角与相对焦距的自校正，提高了图像配准精度。该算法已经应用于AMMIS机载大视场高光谱成像仪。实验结果表明，该方法最大平均误差小于0.2像素，且对倾斜放置的相机也具有很好的适应性。

硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）具有极高的探测灵敏度和响应速度，且在多光子条件下具有较高的动态范围以及线性响应的特性，在光子计数激光雷达应用中有独特的优势。然而，由于SiPM多像元、单时间通道的工作模式，其输出电压信号相较于其他单光子探测器更大概率出现脉冲堆叠现象，不同鉴别阈值条件下的SiPM探测过程更为复杂。针对该问题，本文建立了SiPM光子事件响应模型，以此为基础分析了由脉冲堆叠引发的屏蔽效应和触发效应两种特殊情况的时域分布，最终建立了SiPM半解析的探测概率与虚警概率模型。同时，搭建了基于SiPM探测器的光子计数雷达系统，通过观察实测输出电压波形以及光子点云分布与理论模型相符（R²>0.95）。通过查全率与查准率对不同鉴别阈值的SiPM光子点云分布进行定量评价，并给出最优鉴别阈值区间，这对基于SiPM的光子计数激光雷达系统硬件参数的优化设计以及探测性能的定量分析具有重要的指导意义。

为实现传统红外成像系统与红外偏振成像系统探测能力的比较，基于系统的最小可分辨温差和最小可分辨偏振度差，分别建立了二者的作用距离模型，讨论了非理想探测器的参数对系统探测能力的影响，并设计了相应实验，验证了建立模型的可靠性，为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供了参考。

大阵列BIB探测器由于其高量子效率和低暗电流而成为广泛的研究对象，特别是在空间应用方向。如2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜，它已经进行了许多重要的天文观测。一个稳定、高效、轻量化的液氦温区低温系统对BIB探测器的运行至关重要。氦节流制冷机可取代传统的大容积液氦杜瓦，能满足空间液氦温区的制冷要求。为了同时提高4.2 K的制冷量并减轻重量，提出了一种0.3 W@4.2 K的大冷量轻量化的4.2 K低温制冷系统。并且在现有0.1 W@4.1 K制冷量的低温系统上进行实验，验证了该系统的设计方法。在不同的冷却温度区采用不同的冷却方法，以实现冷却的高效性和轻便性。开发了一个新的集成斯特林制冷机，在80 K时提供高效的一级预冷，制冷量为15 W，重量仅为4.5 kg；二级预冷采用主动活塞调相的15 K脉管制冷机，制冷量为0.9 W。此多级低温制冷系统通过耦合氦气JT循环，可以在4.2 K时提供0.3 W的制冷量，输入功低于1.8 kW。此系统将为正在快速发展的红外天文观测所需的空间BIB探测器提供保障。

近红外荧光成像是外科手术中实现术中导航的关键技术之一。近些年随着近红外二区（NIR-II，900~1 700 nm）光学生物成像理论的日趋成熟，NIR-II荧光成像技术成为临床手术导航领域的一大研究热点。本文基于NIR-II光学生物成像理论，简要介绍了NIR-II荧光探针及成像系统的发展现状，就NIR-II荧光成像技术在活体小动物手术与人体临床手术中的研究展开综述，讨论了该技术在未来临床手术中的发展潜力以及临床转化中需要面临的难点。

从热红外图像对比度低、细节信息不足等特点出发，提出了一种面向热红外图像的景深估计方法。首先，设计了一种红外特征聚合模块，提高了对目标物边缘和小目标的全方位深度信息获取能力；其次，在特征融合模块中引入了通道注意力机制，进一步融合通道间的交互信息；在此基础上，建立了一种深度估计网络，实现热红外图像的像素级景深估计。消融实验与对比实验的结果表明，该方法在热红外图像像素级景深估计中性能优于其他代表性方法。

在**空中目标识别领域，由于样本数量缺失，现有人工智能算法无法完成准确识别。文章利用已有足量辅助域图像辅助少样本应用域进行跨域目标识别，解决因标签缺失与样本稀疏导致的识别模型泛化能力不强及性能不佳问题。文章提出一种基于深层-浅层双流学习图模型（D-SLGM）的跨域目标识别算法。首先，提出一种深层-浅层双流特征提取算法，解决无监督少样本条件下特征表示困难的问题；同时，提出一种基于图模型的特征融合算法，实现特征间高精度融合；基于融合后的特征训练识别模型，提升算法的泛化能力。使用自建空中目标数据集，设计三种应用场景。实验结果表明，D-SLGM平均识别准确率均值达到78.2%，优于对比方法，在实际空中目标识别应用中具有较大潜力。

针对极轨气象卫星FY-3C载荷可见光扫描辐射计（VIRR）在轨红外定标时存在温度反演不一致的现象展开分析，提出了一种全链路自动化仿真分析方法，将仪器结构与卫星轨道参数和卫星平台环境相结合，通过对光机模型的高精度光线追迹来得到杂散光影响的定量化结果。仿真模拟了在轨红外定标和太阳光入射两种情况，确定了太阳杂散光的入射路径，解释了温度反演不一致的原因。将仿真结果与卫星在轨数据进行比对，验证了仿真方法的有效性。该方法可用于同类型载荷的在轨杂散光分析仿真工作，同时也为历史数据的再定标修正提供参考。

由于紫外光在硅中的穿透深度有限，以及多晶硅栅极对紫外光的吸收，导致传统的硅基CMOS图像传感器在紫外光波段的响应不高。在此，本文选择一种低成本的下转换法来提升CMOS图像传感器的紫外响应能力，采用真空热蒸发法分别在石英衬底和CMOS图像传感器的像敏面上蒸镀了晕苯薄膜，并对薄膜的光学性能、红外光谱、光稳定性和热稳定性进行了研究。实验结果表明，晕苯薄膜能吸收紫外光并发射出500 nm的绿色荧光，可以与CMOS图像传感器的光谱响应峰值很好地匹配；同时，发现晕苯红外吸收光谱的实验值和计算值基本吻合；薄膜在200 ℃温度下退火20 min后，其发射峰的荧光强度保持在原来的95.7%；在280 nm激发波长照射大约60 min后，发光强度呈指数衰减至初始值的64%。采用CMOS单色相机在可见光（400~780 nm）和紫外光（365 nm）下定性分析了薄膜的紫外增强效果，发现蒸镀晕苯薄膜后的CMOS单色相机可以提高对紫外光的灵敏度。