近年来在光信息技术和计算机等技术的推动下，三维显示技术发展迅猛。全息技术由于能满足人眼各种视觉效应而备受关注。计算全息作为全息技术和计算机技术的结合体，能灵活地将存储于计算机内部的物体数据通过光学手段进行重现。然而，计算耗时、再现可视角过小成为了其发展的两大制约因素。通过证明夫琅禾费计算全息能应用于菲涅耳区域的三维显示，系统地介绍了自主开发的空域夫琅禾费计算全息方法，并以该算法为基础，进一步解决了面编码相息图中若干问题，如明暗、遮挡、纹理等。同时，利用等效弧形阵列原理，搭建了一套时空复用的4f光学系统，提高了空间带宽积，实现了宽视角全息三维成像。研究成果能直接移植到三维场景的计算和大型的数据源，为高分辨率动态全息三维显示发展提供了坚实的理论和实验基础。

为了研究类镍氪32.8 nm激光输出所需的等离子体状态，利用Cowan程序计算了类镍氪32.8 nm激光系统的有关原子参数。根据能级参数，建立并求解了准稳态近似下的有关能级速率方程，计算获得了激光上、下能级的相对粒子数密度和相对增益系数随电子温度和电子密度的变化规律，并分析了3d94p、3d94d和3d94f组态的能级对激光产生的影响。通过理论计算得到实现类镍氪32.8 nm激光输出所需的最佳等离子体状态。最佳电子温度约为75 eV，最佳电子密度约为1018 cm-3。计算结果为未来开展毛细管放电抽运类镍氪32.8 nm激光实验提供了理论依据。

在450 ps钛宝石（Ti:Sapphire） 激光激发下, 获得了C3H6O的受激拉曼散射（SRS），以钕玻璃为荧光增强介质，放大了1.053 μm的Stokes 辐射，能量转换效率达到17.5％, 一阶斯托克斯波带宽为25 nm，脉冲宽度为318 ps。讨论了皮秒脉冲激发的受激拉曼散射效应及荧光增强SRS机理及其潜在应用。

报道了一种采用开环互易式激光谐振腔形成动态全息光栅，半导体巴条侧面抽运自适应Nd:YVO4板条激光器。实验研究了互易式全息光栅激光器输出激光的平均功率、光光转换效率、纵模以及其它特性，并与类似结构传统激光振荡器输出的纵模进行对比。实验确定了开环互易式激光谐振腔内存在全息光栅，对激光输出横模和纵模进行了调制。基于互易式激光谐振腔，最终获得了平均功率18.25 W，光束质量M2<1.2，消光比大于10001，光光转换效率48%的高效率连续激光输出。

采用蒙特卡罗方法，研究了散射介质各向异性因子等参数对超短脉冲在散射介质中传播的时间和空间分布以及各散射阶次光子强度比例分布的影响。研究结果表明，当各向异性因子或吸收系数减小、散射系数或传播深度增大时，脉冲的时间展宽和空间扩散都随之增强，高散射阶次光子强度比例也随之增大。

高功率激光驱动器动态波前特征及其规律是激光驱动器光束波前质量控制关键研究内容之一。以神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器为研究平台，使用ANSYS和Matlab对激光驱动器瞬时动态波前进行了模拟计算，并利用哈特曼波前分析仪对驱动器氙灯抽运引入的瞬时动态像差和热恢复像差进行了实验研究，得到其时空特性和变化规律。理论模拟和实验结果具有一致性，单片片状放大器动态像差峰谷(PV)值约为0.12λ (波长λ=1053 nm)，驱动器总体瞬时动态像差PV值约为5λ ，呈“瓦片”形态。模拟计算和实验分析为神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器光束波前质量控制、激光发射顺利通过空间滤波器和片状放大器抽运均匀性优化等提供了重要的参考数据，提升了输出光束远场焦斑能量集中度，提高了驱动器激光发射的成功率和运行效率。

差频光源用于大气分子稳定同位素丰度研究需要频率稳定的连续输出的空闲光。基于连续可调谐钛宝石激光器和单频连续NdYAG激光器建立差频系统，为了稳定差频系统产生的红外光源的波长，利用MgOPPLN作为倍频晶体，采用有多普勒展宽的碘分子吸收稳频方法，结合数字比例积分微分(PID)反馈控制技术，将NdYAG激光器的频率漂移量稳定在1.2 MHz/h内，稳定度为4.26×10－9。实验结果表明：增加对压电陶瓷(PZT)的调制电压时，NdYAG激光在1 h内的频率漂移量迅速减小，超过1 V后漂移量趋于稳定；改变对PZT调制频率没有获得较高的稳定度。将频率稳定后的NdYAG激光用于产生3.42 μm附近的差频光源，通过对低压下CH4气体分子吸收谱线的测量，去卷积运算得到差频系统的线宽约为6.9 MHz。实验结果既为该方法用于稳定激光频率提供了重要的参考，又为痕量气体探测提供了频率稳定的差频光源。

光纤大直径端帽熔接是千瓦级传能光纤封装的关键技术之一。为了实现光纤大直径端帽熔接，从理论上分析了光纤与大直径端帽熔接机理，设计并搭建了基于CO2激光的光纤大直径端帽熔接系统，掌握了光纤大直径端帽熔接方法和工艺，并利用熔接好的大直径端帽的光纤成功传输了千瓦级连续激光。

以Al和TiC的混合粉末为原材料对20#钢进行激光表面合金化，制备了TiC增强Fe3Al金属间化合物基体复合涂层。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等方法分析了涂层的相组成及显微组织结构，通过热力学计算确定了TiC的溶解热力学条件，并探讨了TiC的溶解及析出规律。结果表明：涂层主要组成相为Fe3Al和TiC；激光表面合金化过程中，当温度达到2000 K～2200 K时，作为粉末原材料的TiC颗粒在Fe-Al合金熔体中开始发生溶解，然后在合金熔池中重新凝固析出，以原位增强颗粒的形式呈网状分布于Fe3Al金属间化合物基体上。

分别建立了基于轮廓偏置、长光栅、短光栅三种沉积路径的Ti-6Al-4V合金T型缘条激光立体成形过程热/应力场有限元模型。结果表明熔池最大温度梯度沿竖直方向的分量GYmax比扫描方向的分量GXmax大得多，随成形高度的增加，二者都先下降后快速趋于稳定，最终稳定的GYmax约是GXmax的三倍。短光栅沉积时瞬时最大温度梯度GTmax呈现小幅度的振荡变化，且整体小于另外两种沉积路径。长光栅路径的应力增长速率略大于轮廓偏置路径，短光栅的最小。成形结束后，采用轮廓偏置路径的横、纵向缘条连接处的背面出现应力集中，长光栅沉积的缘条端部存在大范围的应力集中，而采用短光栅沉积的缘条整体应力分布最均匀。沉积结束后，三种沉积方式基板上各个方向的残余应力分布规律基本相同，但是，采用短光栅沉积的基板上应力值比其他两种路径小。

提出一种激光超声波成像技术对奥氏体不锈钢焊缝中的人工缺陷进行检测，利用NdYAG脉冲激光器对奥氏体不锈钢焊缝进行扫查，对接收到的超声波信号进行离散正弦/余弦变换(DST/DCT)和希尔伯特变换（HT）。常规的超声波成像方法不能有效检测焊缝边界及焊缝中的人工缺陷，采取离散正弦/余弦变换和希尔伯特变换相结合的激光超声波成像技术不仅能直观、高效地检测出焊缝边界，而且对焊缝中的缺陷位置、大小及形状等也能有效检测。离散正弦/余弦变换和希尔伯特变换的激光超声波成像技术为焊缝缺陷中的定量检测提供了基础。

激光辅助加热切削是解决陶瓷类硬脆材料难加工问题的有效方法。为研究工艺参数的选取对脉冲激光辅助切削陶瓷加工效果的影响，建立了脉冲激光加热辅助切削Al2O3陶瓷传热模型，求解不同参数组合下工件温度场分布。根据Al2O3陶瓷温度在1000 K以上时的软化层尺寸选取理论上合适的切削用量；采用激光参数和切削用量开展切削试验，统计试验切除率，检测加工表面粗糙度和表面形貌，探讨试验切除率与加工表面粗糙度之间的关系，结果发现采用温度场模拟获取的工艺参数能够获得较高的加工质量和切除效率。研究表明通过模拟温度场分布从而选取切削工艺参数，能有效保证脉冲激光辅助加热切削陶瓷类硬质脆性材料的工艺要求。

研究了在铝合金表面激光直接标刻DM(Data Matrix)码的识读质量、标刻时间与激光标刻参数之间的关系，并重点分析了激光参数对DM码对比度的影响。结果显示，最优参数域并非简单地分布在一个连通的实邻域之内，而是分布在若干个连通实邻域的并集之中。给出了基于识读质量的激光参数的约束空间，并获取了以识读质量、标刻时间综合最优为目标的激光标刻工艺参数组合。同时分析了优化参数所标刻DM码模块的扫描电镜图和能谱数据，从微观上解释了最优激光参数的分布问题。

激光辐照参数是研究激光对飞行靶目标毁伤效应的基础，主要包括辐照中心点位置、辐照面域和功率密度分布。以激光辐照水平匀速运动和抛物线运动的旋转圆柱体靶为背景，假定激光辐照飞行靶交汇场景，给出交汇目标参数，建立激光辐照交汇模型；推导出辐照中心点位置、辐照面域和功率密度分布等辐照参数的解析表达式。仿真结果表明：辐照参数是随靶目标飞行不断变化的量；激光功率密度分布为参数不断变化的三维椭圆形高斯函数；靶目标旋转会引起辐照中心点位置和辐照面域的变化，进而对温度场分布和激光毁伤效应产生一定的影响。解析求解结果为研究激光对飞行靶的辐照效应奠定了参数基础。

采用脉冲Nd:YAG激光对紫铜和316L不锈钢进行焊接，对不同搭接方式下的紫铜/不锈钢搭接接头的组织及界面进行研究分析，从而找到适合紫铜/不锈钢的搭接接头形式，并对其力学性能进行分析。实验中采用光学显微镜和能谱分析仪(EDS)对搭接界面进行观察。采用X射线衍射(XRD)对界面进行物相分析。采用扫描电镜(SEM)对端口形貌进行观察。采用维氏显微硬度机和拉伸试验机对焊接接头的机械性能进行测试。实验结果表明，因为铜和铁无限固溶所以紫铜与不锈钢焊接过程中没有金属间化合物生成，并且焊接接头采用紫铜在上，不锈钢在下的搭接方式能够获得良好的微观组织及力学性能。

为了满足聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微结构件的高效率和高质量成型加工，提出了激光融化成型新方法，设计和研制实验装置，采用CO2激光扫描辐照方式进行融化成型实验，依据热物理和能量守恒原理，理论计算和模拟分析试样在激光扫描过程中的温度场变化，并通过正交实验设计和实验，分析工艺参数对微结构复制精度的影响。结果表明：熔体温度是影响成型质量的主要因素，温度高则成型精度好；工艺参数对微结构复制精度的影响程度分别是：激光功率对提高复制精度起决定性作用，其次是扫描时间和模具温度，最后是成型压力。采用优化后的工艺参数进行实验，获得较好的微结构复制精度，表明了PMMA微结构件的激光融化成型具有可行性。

采用Ti+TiB2P、粗TiB2P与细TiB2P分别作为预置层，运用激光熔覆技术在Ti6Al4V表面原位合成TiB短纤维增强钛基复合涂层，并通过X射线衍射(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)分析TiB短纤维的体积分数与长径比。结果表明，涂层主要由TiB短纤维和TiB2P组成。当采用Ti+TiB2P作为预置层时，涂层中TiB短纤维的长径比随着Ti含量的增加而减小；当采用粗TiB2P作为预置层时，涂层中较难形成较大体积分数的TiB短纤维；当采用细TiB2P作为预置层时，涂层中可同时形成较高体积分数与较大长径比的TiB短纤维。结合涂层中TiB短纤维的变化规律，探讨了形成机理。

提出了一种激光驱动飞片微塑性温成形方法，采用波长1064 nm的YdYAG激光器进行了温成形实验，对T2紫铜成形件三维形貌进行观测，分析了温度（25 ℃，100 ℃，150 ℃，200 ℃）与激光能量（1020，1380，1690，1900 mJ）对成形深度的影响；使用纳米压痕仪研究了成形件成形区域硬度变化规律，并对成形机理进行了初步分析。结果表明，激光驱动飞片微塑性温成形方法可以获得较好的综合性能：不仅可以提高紫铜温成形能力，而且可以适当增强冲击区域硬度。分析认为，激光驱动飞片微塑性温成形是激光驱动飞片冲击强化机制与温度软化机制相互竞争的结果。

在金属表面激光熔覆陶瓷材料过程中，过大的温度梯度产生的热应力易使熔覆层开裂。降低激光熔覆陶瓷材料过程中的温度梯度，一定程度上能够降低热应力，抑制裂纹缺陷产生。通过模拟计算Ti6Al4V基板上双激光束熔覆Al2O3涂层过程温度场的分布规律，提出采用能量均匀的平顶辅助激光束为熔覆过程提供预热缓冷的方法，通过改变平顶辅助光束光斑大小及功率密度，研究平顶辅助光束预热缓冷对熔覆层温度分布及温度梯度大小的影响。计算结果表明，平顶辅助激光束使熔覆过程出现明显的预热缓冷特征，能够有效降低熔覆层温度梯度。熔覆过程中Al2O3陶瓷塑性点（1533 K）温度梯度随预热缓冷温度的升高而降低，但在预热缓冷温度升至塑性点附近温度时会引起塑性点温度梯度回升。实际加工中预热缓冷温度越高对加工过程越有利，但应避开塑性点附近温度。

研制了一套高速三维扫频光学相干层析(SS-OCT)成像系统。该系统基于快速扫频激光技术，轴向扫描速率可达50 KHz。为了缩短开发周期，系统软件部分采用LabVIEW和Matlab混合编程，实现了模块化设计，主要包括时序控制、数据采集、数据处理和图象重建，界面友好并方便维护。系统基于K线性时钟触发的数据采集模式，无须额外的光谱标定，可以实现实时等波数间隔的干涉光谱信号采样。实验测得系统的轴向分辨率为8.9 μm，灵敏度在整个成像深度范围保持在100 dB以上。系统可以实现二维OCT图像的实时显示和1.8 s内三维OCT图像的采集。利用研制的SS-OCT系统，成功获得了手指和苹果果皮的在体二维和三维图像。三维OCT图像可以显示出指纹特征，而在二维手指图像上很难看到。

在光学相干层析无创血糖检测中，由于人体皮肤各层组织物质分布并不均匀，且不同种类组织对于血糖变化的相关性也并不一致，因此如何正确地选择皮肤内部用于标定的组织相关区域，最大限度地排除来自皮肤其他层组织无关信号的干扰成为亟需解决的问题之一。通过研究皮肤内部不同深度区域的组织散射系数与血糖变化的相关性，提出一种相关性标定分析算法,利用此算法可以得到皮肤散射系数与血糖变化最相关的组织区域来进行标定，消减了背景噪声以及皮肤内与血糖无关组织层信号的干扰。此算法有利于提高血糖值的预测精度，对于光学相干层析无创血糖检测的研究具有一定的应用价值。

提出一种新颖的基于双波长布里渊光纤激光器产生微波信号源的结构，通过调节偏振控制器(PC)产生稳定输出的双波长光信号，利用输出的双波长产生10.75 GHz的微波信号。一段10 km长的普通单模光纤(SMF)作为布里渊增益介质，一段4 m长未抽运的保偏掺铒光纤(PM-EDF)和一个由2×2的3 dB耦合器组成的微环结构用来抑制边模，一个超窄线宽的分布反馈(DFB)激光器作为布里渊抽运(BP)源。产生的10.75 GHz的微波信号通过50 GHz带宽的光电探测器(PD)拍频并通过电频谱分析仪(ESA)观测，产生的微波信号线宽约为600 kHz。

针对分布式卫星光网络的动态路由特性，提出了一种基于两级偏移滤波的波长保持型全光再生方案。该方案利用半导体光放大器(SOA)和高非线性光纤(HNLF)中自相位调制(SPM)效应感应的频率啁啾具有相反符号的特点，对经过其中的信号分别进行红移滤波和蓝移滤波，从而不仅实现了对光信号的两级再生，而且有效抵消了各自滤波造成的频率偏移，实现了再生前后信号波长的连续性。同时该方案具有结构简单、体积小、重量轻等特点，能够满足星上应用对有效载荷的限制。研究结果表明：该方案能够将信号Q因子提高超过1.5 dB，且与一级再生结果相比较，可以使误码率(BER)进一步降低一个量级。

建立了基于单模多模单模光纤结构和磁流体的全光纤电流传感器，此传感器能够通过检测透射光谱的特征波长漂移和传输损耗变化两种方法来探测电流。对于第一种方法，得到电流灵敏度为1243.7 pm/A[77.9 pm/Oe,1 Oe=1/(4π)×103 A/m]；对于第二种方法，传感特性依赖于波长的选择，分析了不同波长条件下传感器传输损耗的变化特性。结果表明：选择单波长时，传感特性受波长的影响，且传输损耗变化小，从而灵敏度小；使用宽波长范围内的总传输损耗时，传输损耗变化大，电流检测灵敏度大大加强，所得灵敏度为506.2 dB/A(31.7 dB/Oe)，分别是单波长1529 nm和1611 nm下灵敏度的337倍和723倍。在自发辐射宽带光源入射条件下，利用探测器直接检测传感器输出光强的变化，得到26.8 V/A(1.7 V/Oe)的电流灵敏度。

采用波长为248 nm的KrF准分子激光烧蚀制备纯净的金核银壳复合纳米结构，通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及电子能谱(EDS)对其形貌结构和成分进行了表征。实验发现，控制银壳的厚度能够调节该纳米结构的表面等离共振吸收曲线峰位，采用Mie理论对金核银壳纳米结构在形成过程中的表面等离共振吸收曲线进行了模拟，模拟结果与实验结果一致。探讨了激光烧蚀法制备金核银壳纳米结构的机制。此外，实验结果表明准分子激光烧蚀法制备的金核银壳纳米结构具有优异的表面增强拉曼光谱(SERS)活性，可用于物质痕量检测领域。

通过对纳秒和飞秒高功率激光脉冲辐照下透明电光陶瓷掺镧锆钛酸铅(PLZT)的表面损伤形貌和物理形态的分析，调整辐照脉冲能量在线观测表面损伤几率，研究了不同能量等级的纳秒和飞秒高功率高斯光束辐照同一电光陶瓷表面的激光损伤，测得纳秒激光损伤阈值约为485 MW/cm2。还分析了辐照损伤斑直径随辐照能量的变化，辐照损伤的损伤深度随损伤直径变化，以及材料中的缺陷引起的损伤形貌。对比分析了纳秒激光和飞秒激光辐照下PLZT电光陶瓷表面损伤形貌的不同，并给出了一些可能的理论解释。

研究了SiO2薄膜的微结构与水吸收特性之间的内在联系,分别在Si、Al2O3和JGS3基底应用电子束蒸发沉积SiO2薄膜。实验用原位傅里叶红外漫反射光谱（in-situ DRIFTS）检测薄膜水吸收特性，并结合原子力显微镜（AFM）进行微结构分析。实验发现：常温吸附状态时，薄膜表面的孔隙数目越多，SiO2薄膜水吸收量越大；薄膜表面粗糙度影响薄膜水吸收特性；升温过程薄膜出现退吸附现象以及蓝移效应。

利用Z-扫描测试技术研究了低功率下Sb80 Bi20纳米薄膜的非线性光学特性，并利用椭圆偏振光谱仪测量了薄膜光学常数及椭偏参数。实验结果表明Sb80Bi20薄膜具有较大的饱和非线性光学吸收，非线性系数约为-0.018 m/W，而非线性折射率效应却不明显。Sb80Bi20纳米薄膜的超分辨效应主要在于具有大的非线性吸收系数。理论计算表明35 nm厚薄膜可使高斯光束半径缩小大约10%。因此Sb80Bi20薄膜有望用于近场超分辨结构。

基于激光多边法的坐标测量系统的测量精度受到其布局方式的影响。前期研究中通过对无目标点自标定模型误差传递规律的理论分析，将系统的布局方式优化为直角三棱锥布局。在此基础上，通过对线性化后的系统测量模型进行误差分析，发现当该测量模型系数矩阵的条件数取得最小值时，得到系统的最佳布局方式为直角正三棱锥布局。仿真结果表明，直角正三棱锥布局可有效保证系统的测量精度。

利用电荷耦合器件(CCD)在一定范围内与光照度成线性响应的特性，提出了一种通过双帧图像融合的方法，进行脉冲激光束散角的检测，并通过Matlab数学仿真和实验验证了其可行性和准确性。该方法扩大了光照度适用范围；弥补了CCD动态响应范围不宽的缺陷，很好的解决了脉冲激光束散角测量精度不高的问题。实验结果显示，该方法的测量精度为2%。

当聚焦激光束在焦平面上的光强分布为高斯分布时，理论推导了激光能量与激光在样品表面所烧蚀的坑洞半径的关系。以铝箔、铝反射镜和热敏相纸为样品，用显微镜测量出不同能量的脉冲激光在样品表面烧蚀的坑洞半径并通过数值拟合来实现对聚焦激光束的焦点光斑尺寸和样品剥离阈值的同时测量。对于脉宽为15 ns、波长为532 nm的激光，测得铝和热敏相纸的剥离阈值分别为2.5 J/cm2和0.25 J/cm2。光斑尺寸和剥离阈值两个参量的测量误差均约为±10%。该技术能够同时且简便地测量出聚焦激光束焦点的光斑尺寸和样品的剥离阈值，对研究固体与激光相互作用以及评价激光束聚焦的特性有一定的应用价值。

香烟烟叶的切丝宽度对卷烟的物理指标和感官质量具有重要影响。针对烟丝形状狭长、姿态各异、宽度不一的特点，提出了一种自适应烟丝宽度测量方法。该方法采用大像元数量的线阵电荷耦合器件(CCD)扫描获取烟丝高清晰数字图像。经过图像二值化处理、图像分割、去杂质、图像细化、去毛刺、边缘提取以及矩阵翻转等一系列步骤测量烟丝宽度。通过对实际烟丝进行测量，发现利用该方法计算烟丝宽度对烟丝复杂形态具有良好的自适应能力。通过对电子束直写光刻机制作的标准样板的测量值与实际值的对比分析，验证了该方法具有很高的测量精度。

利用连续小波变换实现三维重建过程中，其重建效果往往取决于小波函数的选择。小波函数在空域和频域的表现，决定着数据处理的效率和效果。不同的小波函数自身具有不同的表现，其频域部分往往有不同的旁瓣产生。讨论了复Gauss系列小波频域旁瓣对三维面形重建的影响，计算得到复Gauss小波随微分阶数增加其旁瓣有变小的趋势，理论分析和实验结果均得到其局部分析能力呈趋好的规律。通过引入复Morlet小波和Mexican hat小波函数，进一步验证了频域旁瓣对重建效果的规律性影响，实验结果与理论分析吻合较好。

将研磨加工中磨粒与工件表面作用过程近似为受法向载荷和切向载荷共同作用下移动的尖锐压头对表面的作用过程，基于压痕断裂力学理论，分析了移动磨粒作用下材料的应力状态、中位裂纹的成核位置和扩展方向。综合考虑弹性应力场、残余应力场及切向载荷对中位裂纹扩展的影响，给出了中位裂纹扩展长度计算公式。建立了亚表面损伤深度与表面粗糙度之间的理论模型。使用磁流变抛光斑点技术测量了微晶玻璃研磨亚表面损伤层深度。将模型预测理论值与实验测量值进行对比，结果表明两者之间的误差控制在5.56%以内，吻合较好。利用该模型可以实现光学材料研磨亚表面损伤深度的快速、简便和准确预测。

旋转法是一种用于获得被测面旋转非对称面形的绝对检测技术。旋转平均补偿算法是在N次等间隔旋转的基础上增加一次不同角度的旋转测量，称为N+1次旋转法。通过附加的一次旋转测量，采用泽尼克多项式拟合求解旋转平均法的丢失面形。推导了理论计算公式，仿真分析了存在旋转角度和偏心误差时，补偿算法的有效性以及附加旋转角度对补偿面形计算精度的影响。验证实验的结果与仿真相符，表明在选择合适的附加角度之后，该算法可有效补偿丢失信息。与旋转平均法相比，只需增加一次旋转，就能得到更完整的面形，极大地提高了检测效率和精度，实验中补偿率达到61%，检测精度提高了约1倍。

为了提高随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速度，提出了分段随机扰动幅值的改进方法。从理论上分析了固定增益系数时，随机扰动幅值对SPGD 算法收敛速度的影响；提出了分段随机扰动幅值的改进方法；基于61单元变形镜，建立无波前探测自适应光学系统模型，对前65阶Zernike多项式模拟的满足Kolmogorov谱的大气湍流畸变波前进行校正。结果表明，采用分段随机扰动幅值的SPGD算法比固定最佳随机扰动幅值时传统SPGD算法的收敛速度提高了近1.6倍，证明了该改进算法的可行性。

借助一套全新的地面高精度光电探测器强光感生噪声检测平台，建立了强光感生噪声精细结构扣除模型，同多通道信号接收技术相结合，改进了一台用于中高层大气温度探测的子午工程双波长三通道瑞利散射激光雷达数据的处理方法。处理后数据反演的大气温度廓线与TIMED卫星结果相比较，得到了很好的吻合。在35～85 km高度范围内二者反映了较一致的温度分布特征，30~55 km温度误差小于±5 K,55~75km温度误差小于±10 K。

理论分析表明,双边缘瑞利测风激光雷达技术中，信号通道分光精度影响风速测量精度。因此，在风速误差计算上，需考虑分光比误差，且尽量选择分光稳定性好的仪器。在激光雷达中，常常利用光纤分束器与分束片进行分光。分束片的分光受大气退偏振效应影响，分光不稳定；而光纤分束器分光比需测量，存在测量误差。分析可得，在纯分子散射环境下，由于退偏振效应引起分光片的相对变化为0.07%～0.63%；实验测得多模光纤分束器分光比均值为1.018，标准偏差为0.4%，分析比较后选用分光稳定较好的光纤分束器。最后，进行了瑞利多普勒激光雷达与探空气球的联合测风实验，实验结果表明两者风场分布吻合得较好。

利用波长为1064 nm的NdYAG脉冲激光器作为激发光源，以高分辨率、宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和增强型电荷耦合器件为谱线分离器件和探测器件，研究了含铅污泥中铅的激光诱导击穿光谱特性。选取铅的特征谱线PbⅠ405.78 nm为分析线，分别测量了PbⅠ405.78 nm的谱线强度与信噪比随延时和门宽的变化关系，确定了最佳延时td=2.5 μs，最佳门宽tg=3.0 μs。在局部热力学平衡近似下，选取铁在360~441 nm波长范围内的13条特征谱线，利用玻尔兹曼图，计算得出等离子体温度为6934 K；对PbⅠ405.78 nm其进行洛伦兹拟合,得到等离子体的电子密度为8.3×1016 cm-3。这些参数为进一步实现对含铅污泥的快速定量分析提供方法和技术支持。

利用激光诱导击穿光谱（LIBS）结合标准加入法对土壤中的Cr进行定量检测。以Cr 425.435 nm谱线为特征谱线，以Fe为内标元素，建立了土壤中Cr的定标曲线，确定在Cr质量分数低于250×10-6时，其特征谱线强度与其质量分数成线性关系，并由此求出土壤中Cr检测限为9.69×10-6，确定了标准加入法的检测范围。研究了5个外推点和单外推点的标准加入法，五点标准加入法对土壤中Cr的检测结果相对误差小于7%，单点标准加入法检测结果相对误差小于10%。基于单点标准加入法对同一土样进行5次检测，所得Cr质量分数的相对标准偏差（RSD）为4.66%，稳定性较好。实验结果证明LIBS结合标准加入法可以对土壤中的Cr进行较好的定量检测。

连续背景光谱是影响水体重金属多元素激光诱导击穿光谱(LIBS)定量测量的重要因素，依据背景光谱变化缓慢和特征谱线半峰全宽窄的特性，研究了滑动窗口积分斜率算法去除连续背景的方法。设置合适的窗口宽度和变化率阈值识别背景光谱和特征峰位，对窗口内的背景进行赋值操作，完成整个背景光谱的提取。实验结果表明，Pb、Cu元素特征信号的信背比是背景去除前的5.7倍和1.95倍，特征信号的相对标准偏差分别降低了2%和2.5%。滑动窗口积分斜率算法是一种稳定有效的LIBS光谱背景去除方法，为其他光谱分析技术中连续背景的去除提供了参考。

介绍了基于87Rb原子5S1/2-5P3/2-4D5/2阶梯型能级系统中的双光子偏振光谱。与其他跃迁相比，循环跃迁的信噪比最好。研究了双光子偏振光谱循环跃迁线信号强度随抽运光光强的变化情况。利用双光子偏振光谱，将1529 nm半导体激光器的频率锁定于87Rb原子的5P3/2(F′=3)-4D5/2(F″=4)跃迁线上，当取样时间τ=100 s时阿仑方差最小,为σy(τ)=1.3×10-11。与自由运转相比，该方法显著地改善了1529 nm激光器长期频率稳定度。

晶体拼接技术能够克服光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程中非线性晶体口径受限问题，从而有效地提高放大器的输出能力。针对晶体拼接中相位匹配角的精确控制和晶体加工误差补偿问题，提出了“独立调整+误差补偿”的OPCPA晶体拼接技术方案，研制了2×2晶体拼接调整机构及2×2能动反射镜，每块子晶体可以进行3个自由度旋转以达到初始拼接角和相位匹配的目的，纳米精度的压电致动器驱动的2×2能动反射镜对晶体加工误差进行补偿。利用透射式元件对晶体拼接系统进行了可行性和稳定性验证，取得了较好的实验结果，证明该拼接调整方案是可行的。

为了提高可探测极限星等能力，观测到更多较暗较远恒星作为深空探测飞船导航定姿的参考星，设计了采用改进的卡塞格林结构与三片球面补偿镜组相结合的折反式星敏感器光学系统。其中，改进的卡塞格林结构有利于轴外消球差及彗差，同时生成系统焦距及大尺寸入瞳；靠近像面的补偿镜组校正反射结构的残余像差，同时补偿镜组像方远心的设计保证了系统全视场照度的均匀性，也降低了系统离焦对像面安装的敏感性。本系统焦距180 mm，像方F数2，全视场2ω为3°×3°，有效入瞳面积5106 mm2，在450~800 nm的宽光谱范围内质心偏差优于2.5 μm、垂轴色差小于3.5 μm，80%弥散斑能量集中在3×3 pixel内，传递函数接近衍射极限。采用主次反射镜遮光罩及两级外镜筒遮光设计，并在Lighttools软件中对光机系统杂散光模拟分析，设计结果表明在2°~40°杂光源成像视场范围内，点源透过率在10-6~10-4量级，该系统设计方案及结果可为用于深空任务的星敏感器系统的参考依据。

针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求，设计了一种硅基液晶(LCOS)型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度，提出了LCOS的光学拼接方法，详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价；为同时满足显示器件的照明条件和-1～7等星的准确模拟，对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法，通过实验测试，动态星模拟器的星间角距误差优于12″，精确模拟-1～7等星，满足当前对高精度星敏感器的检测需要。

针对深紫外光刻投影物镜的像质补偿要求，对偏心调节时的透镜进行受力分析，基于柔度矩阵法设计了一种柔性多弹片透镜支撑结构，研究了透镜面形随调节力的变化规律，采用有限元法分析了调节力与透镜面形峰谷(PV)值、均方根(RMS)值和Fringe Zernike多项式系数之间的关系。计算结果表明：调节时通过降低调节力的大小，可以控制面形劣化程度。采用具有吸收调节力功能的柔性支撑结构后，在50 N的驱动力偏心调节时，透镜上表面面形PV值和RMS值分别为2.704 nm和0.528 nm，透镜下表面面形PV值和RMS值分别为2.984 nm和0.571 nm。透镜面形的PV值、RMS值及Fringe Zernike多项式系数随调节力线性变化，但是调节力不会改变各种像差的性质，它引入的透镜像差主要为像散。