利用坐标旋转方法和Kogelnik耦合波理论，建立了光轴方向任意时单轴晶体中体光栅布拉格衍射的耦合波方程，分析了LiNbO3晶体的光轴方向对光折变体全息光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射性质的影响。模拟计算表明，在给定光栅的结构参量时，通过适当选择光轴方向角可以使得光折变体光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射的衍射效率达到最大，给出了相应类型的衍射效率取得最大值时晶体光轴的大致方向。这些理论分析为光折变体全息光学器件的优化设计和进一步广泛应用提供了很好的理论参考依据。

基于三包层长周期光纤光栅模型，研究了包层表面涂覆一层溶胶凝胶气敏薄膜的长周期光纤光栅化学传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参量(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参量(光栅周期、折变量和光栅长度)之间的关系。采用最优化数值方法，找到了获得高灵敏度所需的最佳膜层光学参量和光栅结构参量。理论计算表明，该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-8。实验上制作了对乙醇气体敏感的传感器，并证实了传感器结构优化的必要性。

在单级调制器产生非归零码(NRZ)基础上，分析了利用双级调制器产生归零码(RZ)以及载波抑制归零码(CSRZ)的方法和特点。对非归零码，归零码和载波抑制归零码在以掺铒光纤放大器(EDFA)为单一的功率放大、以啁啾光纤光栅(CFBG)为色散补偿器的10 Gb/s系统中的传输性能进行了计算机仿真并比较这三种调制码型的传输特性。同时在实际的2560 km G.652光纤链路上利用上述三种调制格式以点对点形式进行了8×10 Gb/s传输实验，通过适当控制线路的功率分配以及合理安排系统的色散补偿，实现了三种调制格式的无电中继条件下的零误码传输。计算机仿真和实际实验结果进一步表明，载波抑制归零码的采用有利于优化系统的传输性能，降低传输代价，载波抑制归零码在上述配置的实际传输系统中无误码传输2560 km功率代价仅为2.5 dB。

基于环境卫星多光谱图像特点的分析，提出了一种新的基于三维等级树集合划分算法(3D-SPIHT)和感兴趣区域(ROI)编码相结合的多光谱图像压缩算法。首先在谱间采用两种小波基相结合的三维离散小波变换(3D-DWT)，去除多光谱图像在空间和谱间的冗余信息，减少恢复光谱的误差值，然后采用部分三维等级树集合划分算法和小波系数提升的感兴趣区域编码相结合的方法。该方法对小波系数从空间方向树上按对恢复光谱信息的重要性不同进行合理的码率分配，使得恢复光谱具有更好的分辨率，并依据比特平面层中重要系数的统计概率来自适应地进行3种编码模式的选择，提高了编码效率。实验数据结果表明，该算法比传统算法更好地保护了多光谱图像中的光谱信息，在压缩比为8∶1的情况下，满足了环境卫星多光谱图像压缩系统的要求。

利用频域中傅里叶变换投影定理，提出一种新的离散脊波实现算法，应用于高速公路局部线性裂纹的检测取得较好效果。详细阐述了离散脊波的实现步骤以及对标准图像进行脊波变换的模拟结果，并提出拉东(Radon)变换重建原图像的基本条件。上述定理应用于复杂背景下的路面检测，结合直方图均衡化算法消除背景噪声;选用基于样本估计的阈值方法对脊波分解的各层系数进行处理去除随机噪声。选用不同的重构系数进行计算，得到脊波变换后重构图像的信噪比优于二维小波变换(低频大于20 dB)以及二维小波变换加魏纳滤波变换(平均大于3 dB)。通过图像的二值化处理提取局部线性裂纹，其分辨力极限达到2 mm精度。

像素级融合方法中常出现色彩突变或色彩失真现象。通过分类信息对融合进行约束可以部分消除目标地物边界的这些现象。然而传统的基于像素分类的影像融合方法由于分类中的“椒盐效应”，导致融合效果受到一定的影响和限制。采用面向对象分类约束的方法对该融合方法进行改进。首先采用面向对象分类方法进行影像分类，解决了基于像素分类中的“椒盐效应”问题;其次将分类结果作为影像融合的约束条件，利用色度饱和度明度(HSV)变换进行融合;最后将该方法的结果与多种融合方法的结果进行定量比较，发现该方法除在目视上取得很好的增强效果外，在信息熵、方差等指标上也取得了很好的效果。

提出了一种以数字全息和离散余弦变换为基础的数字水印技术，实现了在原始图像中嵌入数字全息水印。考虑到数字全息图的不可撕毁性，使得数字全息水印本身就具有良好的抗剪切能力，并且与传统的二维灰度水印相比嵌入的信息更多。数字全息图通过傅里叶变换全息的方法获得，为了提高抗有损压缩能力，在数字全息水印嵌入过程中采用了基于(JPEG模型和分解离散余弦变换(DCT)系数的方法。实验表明，通过该算法获得的数字全息水印对JPEG有损压缩和剪切等图像处理操作均有很好的稳健性，并且采用密钥加强了水印的安全性。因此该算法能成为数字多媒体产品版权保护的有效方案。

景像匹配实时图模拟生成是导弹制导系统仿真和景像匹配算法验证的关键技术。研究了光照条件、气象条件、像增强型电荷耦合器(ICCD)相机特性以及地面光谱反射特性等因素对微光成像的影响，建立了微光视景像生成的数学模型，包括:地面反射特性模型、像增强型电荷耦合器相机特性模型、大气传输模型和噪声模型，研究了白天与夜间地面反射特性造成的日光图像与微光图像的衬比度差异，提出了微光景像匹配实时图仿真方案，并在此基础上研制了一个完整的蕴含LOWTRAN7计算内核和像增强型电荷耦合器后段仿真的微光景像匹配实时图生成系统。仿真实验结果说明了该方案的有效性。

利用叠栅层析具有的测量动态范围大，对震动环境不敏感的特点，从其偏折原理的本质出发，提出一种利用代数迭代法来重建三维流场的叠栅层析重建算法。在此基础上进行了双峰函数的模拟实验，分别进行了6方向，12方向以及叠加高斯噪声的12方向的数值重建，并在相同条件下与滤波反投影方法和对偏折投影数据积分的代数迭代算法这两种已有的叠栅层析重建算法进行了比较，同时用该新算法结合属性矩阵对包含遮挡物的模拟场进行重建。对比重建结果，本算法具有较强的抗噪声能力，并且对非完全数据下的层析重建也有较好的处理效果。

建立了一台基于新研制的高重复频率皮秒扫描相机的双光子激发荧光寿命显微成像系统,重点介绍所研制的高重复频率皮秒扫描相机。为了在高时间分辨力的同时扩大时间测量范围，实现大面积两维空间高时间分辨取样测量，从而提高采样速率和更有效地发挥扫描相机的作用，设计和研制了一种大面积、高时间分辨力扫描变像管和一种重复频率高达1MHz的斜坡电压扫描电路。基于上述关键部件所研制的扫描相机具有重复频率高、扫描速度可调、时间分辨力高、工作面积大、非线性低、触发晃动小等优点。用钛宝石飞秒激光器作为激光脉冲源，通过脉冲提取器将76 MHz的高重复频率降低为1 MHz，采用可调延时器和标准具对扫描相机的时间分辨力、扫描速度和非线性进行标定。该系统的时间分辨力达到6.5 ps，非线性为2.60%，可测量的时间范围从十几皮秒到几十纳秒。测量了若丹明6G和香豆素314两种标准荧光染料的荧光寿命，取得了与参考文献一致的实验结果。

利用椭偏测量术中的相位调制椭偏测量原理测量了1/4波片的延迟量。该方法预先对测量光束的偏振态进行调制，以生成随时间变化的光强信号，通过对信号中的谐变成分进行分析而获得待测波片的延迟量。测量了四个波片，其中三个波片的延迟量已经用电光调制法精确测量过，经对比测量的结果符合较好。观察到了和理论相符的云母波片延迟量的振荡现象。实验结果说明这种方法是一种有实际意义的方法。

提出的透过率起伏光谱分析法是一种新的颗粒测量方法。采用一细小光束照射匀速流动的颗粒系统，通过采集透射光起伏信号，经统计处理得到透过率的平均值与起伏谱。通过求解逆问题，从透过率的起伏谱中得到颗粒粒径分布信息，再结合透过率的平均值得到颗粒的体积分数信息。给出了关于单层颗粒透过率的平均值与起伏谱的理论表达式，并推广到三维单分散和多分散的颗粒系统。对粒径在32～425 μm内的稀薄颗粒系进行了部分实验测试和模拟计算，结果表明该方法可同时对颗粒粒径分布和体积分数进行有效测量。

提出一种基于激光多普勒技术和光学外差原理对高速回转机械进行扭振测量的新方法，分析了工作原理，推导出光路部分的数学模型，并通过实验分别验证了测量方法的可行性和准确性。高相干激光投射到转轴同一个截面上2点，反射光的多普勒频移正比于转轴转速，通过光学配置，使前后两个时刻的多普勒频移光信号在光探测器上发生光学混频，光电流拍差正比于转轴在两个时刻的速度差，控制两个时刻时间差很小，直接得到角加速度。与其他激光多普勒扭振测量方法相比，该方法直接测量转动角加速度，在保证测量精度的前提下，提高了扭转振动测量的实时性，极大地扩展了扭振测量的动态范围，对大型回转机械运行状态监测和故障诊断具有重要意义。

为了进一步提高双频投影条纹的相位精度，提出以双频投影条纹的条纹级数为坐标建立级数坐标系的分析方法，使得条纹级数(或相位)及其误差的描述变得非常直观。在条纹级数坐标系内，利用贝叶斯估计的方法对相移法求解的条纹相位进行修正，使条纹相位精度得到进一步提高。仿真实验和真实实验证明了此方法的有效性。其中实际实验在利用本修正法修正后，相位均方误差从0.014 rad下降为0.009 rad，高度均方误差从0.058 mm下降为0.041 mm。

套刻性能是现代高精度步进扫描投影光刻机的重要性能指标之一。提出了一种基于镜像焦面检测对准标记(简称“镜像焦面检测对准标记”)的光刻机套刻性能原位测量技术。该技术通过对曝光在硅片上的镜像焦面检测对准标记图形进行光学对准，利用标记图形对准位置与理想位置偏差实现套刻性能的原位检测。实验结果表明该技术在进行套刻误差的精确测量的同时还可以全面、定量地计算影响光刻机单机套刻误差的场内参量及场间参量。与目前套刻性能原位测量技术相比，该技术有效地避免了测量精度对轴向像质限制的依赖，简化了光刻机整机性能检测的过程。

以提高光刻机应用性能为目的，提出了一种高性能硅片曝光场分布优化算法。由芯片尺寸计算得到最佳曝光场尺寸，使其最接近于光刻机提供的曝光场最大尺寸，提高了曝光系统的利用率;引入曝光场交错分布，减少了硅片边缘曝光场的交叠，提高了光刻产率;建立产率优先和良率优先两种优化方案，实现了产率和良率的共优。以实际芯片产品的参量为例，将本算法用于曝光过程，采用产率优先标准，曝光场数量减少了10%，而内场数量基本不变，提高了光刻的产率也确保了良率;采用良率优先标准，内场数量增长了10%，总的场数也有所减少，提高了光刻良率的可靠性也确保了产率。

分析了激光陀螺在经历外部环境温度变化时光强和性能发生变化的原因，提出了利用新型腔长角度控制镜(光路程长控制镜)的角度控制元件作为驱动器件，应用类似小抖动稳频的原理对激光陀螺环形光路进行闭环控制，并通过对各光路控制单元采取分时控制的办法解决了光路稳定过程中的调制信号的冲突，使激光陀螺在环境变化时始终保持其光程长和光路相对位置的稳定从而保证其性能的稳定。实验结果表明，对原来在全使用温区(-40 ℃～+60 ℃)光强变化达30%甚至只要有光的，通过光路稳定措施可将光强稳定在±3%以内，对于有些在高低温时不能出光的，也可以达到可使用的光强稳定水平。较好地解决了许多激光陀螺难以克服的耐高、低温冲击问题。

采用侧面环绕均匀排布的紧凑型抽运结构，实现了激光二极管阵列侧向抽运Nd∶YAG陶瓷激光器高效率激光输出。理论计算得到谐振腔输出镜的最佳输出耦合透射率为22.2％，并在输出耦合镜透射率为22%的条件下，用掺杂原子数分数为1%，尺寸为5 mm×75 mm的Nd∶YAG陶瓷棒，获得了平均功率大于230 W的准连续1064 nm激光输出，其光光效率和斜率效率分别高达52.4%和61%。并测得输出激光脉冲宽度为160 μs，光谱线宽略小于0.8 nm，光束发散角为16 mrad。实验结果显示，Nd∶YAG陶瓷激光器输出功率Nd∶YAG单晶激光器相当。

采用斯托克斯(Stokes)矢量形式，推导出当无限窄的连续光束垂直入射到混浊介质表面时，后向单次漫散射米勒(Mueller)矩阵的解析表达式。基于米氏(Mie)散射模式，详细分析了单次散射米勒矩阵元素的分布模式，以及与介质粒子数密度，粒子尺寸参量之间的关系。研究表明:单次散射米勒矩阵的方位变化随粒子数密度的增加，逐渐消失，而矩阵元素m22,m33,m23,m32随粒子数密度的变化，具有更显著的方位变化特征。矩阵元素m22，m33在方位角=45°时的值随尺寸参量的变化有一定的规律性，当尺寸参量小于某一特征参量时，其值呈下降趋势，反之则呈波动上升趋势。当介质粒子数密度以及粒子尺寸参量改变时，米勒矩阵元素强度的径向分布模式不变，即在任何方位，强度随径向距离都近似成指数规律衰减，方位变化呈周期性。

用偶极子耦合系统来模拟近场干涉测量中的探针样品关系，并利用各电场分量之间的组合方程组精确计算出其可能探测到的强度和相位像。结果显示，近场干涉所测量到的近场像的分辨力和探测器的方位及参考光的偏振方向之间有较强的依赖关系，随着探测器位置不同或者参考光偏振方向的变化，同一样品在同一照明条件下所得到的图像也会发生明显的改变。 在倏逝波照明的情况下，近场像的精确度随着探测器相对于样品视角的增大而改善，且在不同偏振方向的近场像中，只有偏振方向垂直于样品表面的像能真实反映样品的细节分布，且同时具有足够的强度分布。

介绍了三种类型的光电混合神经网络系统，重点研究了衍射引起的误差对系统输出的影响。根据衍射、光学信息处理和神经网络理论，采用实验中的参量和输入数据，对衍射造成的输出误差做了仿真分析。分析表明，近场衍射造成较大的输出误差。近场与远场衍射综合作用时，误差因输入图像模式不同而差异较大;其中，当输入较小的简单图像时相对误差较大;而对实验中实际采用的复杂图像，相对误差较小。利用线性回归方法对输出数据做了校正，并分析了其可行性，校正后的数据误差降低一个量级。衍射误差对实验中识别率的影响可以控制在较小的范围内，识别率可以保持在97.7%以上。

提出了用联合变换相关器(JTC)来实现证据理论概率分配函数正交和的光学计算，在理论上对于如何用联合变像相关器实现证据理论分配函数正交和作了详细的讨论，并作了相应的仿真测试，结果显示该方法是可行的。与John Caulfield提出的用声光器件矢量外积实现的正交和计算相比，在该结构中由于采用二进制编码的数值计算，因此其计算精度得到了提高，同时对联合变换相关器输入端二进制编码的数值空间位置的适当调整可以直接得到所需要的证据理论正交和矢量，在处理步骤上得到了简化。

双光子吸收三维光信息存储是实现高密度光存储的重要方法。三维数据写入过程中光束需经过两层不同的介质(如空气和存储材料)，对像差和存储效果产生很大的影响，因此在理论和实验上分析系统各项光学参量对折射率失配引起的像差和存储效果的影响具有很大的意义。首先建立光学存储系统模型，在平行平板条件下，利用波像差函数推导展开，获得五项初级(赛德耳)像差，即球差﹑彗差﹑像散﹑场曲﹑畸变，然后对于存储材料在水平和倾斜两种情况下对初级像差进行模拟计算与分析，理论模拟与实验表明:物镜的数值孔径越大，像差随着存储深度增加而增大的速度就越快。

将电子散斑干涉场的载波调制引入到大剪切电子散斑干涉中，通过对参考物的微小偏转引入载波条纹;利用傅里叶变换法，解调出了变形场的相位，从而实现了物体变形场的精确测量。讨论了大剪切载频的调制机理，理论分析表明，调制条纹的空间频率与参考面偏转的角度成正比;因此，控制参考面的偏转角度可实现不同位移量系统的调制。利用中心加载周边固定圆盘进行了典型实验，实验结果证明在大剪切电子散斑干涉技术中可以通过参考面的旋转高质量地实现电子散斑干涉条纹的调制，求解位移场。该系统具有系统简单，不需要专门引入参考光，条纹质量好等优点。该技术可扩展电子散斑干涉的应用范围，有一定的实际应用价值。

采用共焦法布里珀罗腔(CFP)作为桥梁，可以实现不在原子、分子跃迁线附近的单频激光器相对于原子、分子跃迁线的锁定，从而可以有效地抑制激光频率的漂移。在实验中通过射频频率调制光谱技术结合饱和吸收光谱(SAS)将自制852nm光栅外腔反馈半导体激光器锁定到铯6S1/2 Fg=4-6P3/2 Fe=4、5交叉线上，通过Pound-Drever-Hall(PDH)射频边带技术将作为桥梁的共焦法布里珀罗腔锁定在852 nm激光频率上。再通过PDH方法将830 nm和908 nm两台远离铯原子D2线的外腔半导体激光器同时锁定在作为桥梁的共焦法布里珀罗腔上，实现了830 nm和908 nm两台激光器相对于铯原子跃迁线的锁定。由锁定后的误差信号估算，20 s内852 nm激光器相对于铯原子Fg=4-Fe=4、5交叉线的频率起伏小于±540 kHz，830 nm、908 nm激光器相对于共焦法布里珀罗腔的频率起伏分别小于±340 kHz和±60 kHz，共焦法布里珀罗腔相对于852 nm激光的频率起伏小于±550 kHz。

研究了800 nm飞秒激光照射下45°高反膜ZrO2\|SiO2的破坏及其超快动力学过程。利用原子力显微镜和扫描电镜观察了材料的烧蚀形貌，测量了破坏阈值与脉冲宽度、烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系。随着脉冲宽度从50 fs增加到900 fs，其烧蚀阈值从0.35 J/cm2增加到1.78 J/cm2。烧蚀深度与激光能流密度近似成对数关系。当激光强度略高于烧蚀阈值时，材料很快被烧蚀到几百纳米，烧蚀深度表现出明显的层状特性。同时，利用建立的抽运探针实验系统，测量了高强度抽运脉冲作用下材料对探针光的反射率随延迟时间的变化，揭示了薄膜烧蚀的超快动力学过程。实验结果表明高反膜表层的材料对烧蚀特性有重要影响。

用常压金属化学气相沉积法(MOCVD)在Si(111)衬底上制备了马赛克结构ZnO单晶薄膜。引入低温AlN缓冲层以阻止衬底氧化、缓解热失配和晶格失配。薄膜双晶X射线衍射2θ/ω联动扫描只出现了Si(111)、ZnO(000l)及AlN(000l)的衍射峰。ZnO/AlN/Si(111) 薄膜C方向晶格常量为0.5195 nm，表明在面方向处于张应力状态;其对称(0002)面和斜对称(1012)面的双晶X射线衍ω摇摆曲线半峰全宽分别为460″和1105″;干涉显微镜观察其表面有微裂纹，裂纹密度为20 cm-1;3 μm×3 μm范围的原子力显微镜均方根粗糙度为1.5 nm;激光实时监测曲线表明薄膜为准二维生长,生长速率4.3 μm/h。低温10 K光致发光光谱观察到了薄膜的自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线。所有结果表明，采用金属化学气相沉积法并引入AlN为缓冲层能有效提高Si(111)衬底上ZnO薄膜的质量。

利用10倍的显微物镜将近红外飞秒激光脉冲汇聚到宽带隙半导体材料6H SiC的前表面，研究样品的烧蚀及诱导微细结构。用扫描电镜(Scanning electron microscope, SEM)及光学显微镜测量烧蚀斑。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的关系确定SiC的烧蚀阈值。给出了SiC样品的烧蚀阈值与飞秒激光波长的依赖关系。实验结果表明，可见光区随波长增加，烧蚀阈值从0.29 J/cm2增加到0.67 J/cm2;而在近红外区，SiC的烧蚀阈值为0.70 J/cm2左右，基本上不随激光波长变化而改变。结合计算结果，可以认为在飞秒激光烧蚀SiC的过程中，在近红外区，光致电离和碰撞电离均起到了重要的作用;而在可见光区，光致电离的作用相对大一些。

实验研究了线偏振和圆偏振状态下的飞秒强激光脉冲在块状材料中的传输过程。不同偏振的激光脉冲在传输过程中得到了不同程度的光谱展宽，经色散补偿后，脉冲时域宽度均得到了压缩。详细分析了压缩脉冲的脉宽以及啁啾情况与入射激光脉冲能量之间的关系，比较了飞秒激光在线偏振及圆偏振情况下的不同压缩效果。在线偏振入射光情况下得到了最短21 fs的压缩脉冲宽度，在圆偏振情况下得到的最短脉冲宽度为22 fs。实验结果表明，这种光谱展宽与色散补偿方式对圆偏振光同样适用，而且圆偏振的入射激光将更有利于对更高能量的脉冲进行压缩。在色散补偿量相同的情况下，压缩效果随入射脉冲能量变化的规律符合理论估计。

采用Franz-Nodvik模型，通过模拟计算，系统地分析了啁啾脉冲放大(CPA)过程中抽运光和信号光能量密度以及晶体参量对放大器输出能量和转换效率的影响。将理论模拟与实验结果进行比较，证明了理论分析的有效性。计算结果表明:在啁啾脉冲放大系统中,存在一个抽运光最佳能量密度。合理选择抽运光的能量密度可以有效提高系统的能量转换效率和稳定性，而且还可以大大降低系统对注入信号光能量的要求以及由于信号光能量抖动所造成的输出不稳定性。