针对远距离激光测距，如地球同步卫星测距、激光测月，利用基于傅里叶变换的分步传播方法对测距光束在湍流大气中的上行传播进行数值仿真。根据大气结构常数廓线，采用等Rytov指数间隔法分布相位屏，与理论值比对的结果表明相位屏的分布合理。在此基础上，对光束的光斑漂移进行分析，得到光斑漂移量与准直测距光束束腰的定量关系，为测距激光倾斜修正系统的设计提供理论依据。通过对轴上点的闪烁指数分析，发现消除漂移效应后，存在使轴上闪烁指数最小的条件。

为了消除大气内观星时蒙的影响，提高载体定姿精度，提出了一种蒙气差补偿算法。首先给出了补偿过程涉及的姿态转移矩阵，并完成了相关矢量坐标映射变换；接着在星敏感器坐标系内，用两矢量内积法求得视天顶距；最后利用几何公式列出了以真星光矢量投影点估计位置为未知量的方程组，作为星敏感器任意姿态下蒙气差补偿算法模型。在没有任何误差的条件下对模型有效性进行了仿真，10-6 pixel量级的位置估计精度表明了算法的有效性。加入不同量级的陀螺漂移误差进行了仿真，给定的漂移误差对于蒙气差补偿模型的估计精度影响甚微，仿真结果表明在捷联载体存在一定姿态误差的前提下，蒙气差补偿模型也是适用的，补偿后的星像坐标用以实现星光姿态确定，并进一步对陀螺漂移完成补偿。

基于被动差分光学吸收光谱(DOAS)算法，使用车载被动DOAS技术在测量污染源排放通量时，由于云的多次散射影响，导致污染源排放通量的计算误差。特别对于像NO2这样的整层分布气体，由于低层云的出现造成多次散射增强使得NO2浓度显著升高，造成在计算污染源排放通量时产生较大误差。针对此问题，提出在车载DOAS污染源排放通量监测中利用O4及SO2的垂直柱浓度信息，在通量计算中对由于多次散射造成的NO2柱浓度增加进行修正。利用此方法反演了2010年10月9日上海某工业区的实验数据，修正后及修正前通量计算值分别为0.50 t/h和1.49 t/h。结果表明利用此方法能够修正污染源排放通量测量中多次散射引起的柱浓度显著升高影响，进一步促进了此技术在准确获取污染源排放通量上的发展及应用。

在珠江口海域海洋光学浮标实验中获取一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体光学数据和相应的生化数据。利用该数据，分析了赤潮生消过程中水体光谱吸收和后向散射等光学性质的时间序列变化。研究发现，在赤潮生消过程中，浮游植物色素、非藻类颗粒物以及黄色物质等水体组分吸收变化显著，赤潮爆发期各组分光谱吸收增强并达到最大值，赤潮消亡期各组分光谱吸收降低并至最小值；赤潮爆发期与赤潮发展和消亡期相比，浮游植物的光谱吸收贡献增加约16%，黄色物质的吸收贡献减小约18%，而非藻类颗粒物的吸收贡献变化不大；赤潮爆发期后向散射系数明显增大，日变化幅度大，赤潮发展期和赤潮消亡期后向散射系数较小，赤潮消亡期后向散射系数降至最低；颗粒物后向散射系数与叶绿素a浓度的相关性优于悬浮物浓度。有机颗粒物浓度虽然在总颗粒物浓度中占主导地位，但是颗粒物后向散射与无机颗粒物的相关性更高。

气溶胶光学模型参数在气溶胶遥感和气候强迫研究中都具有重要的作用。通过对全球近90个气溶胶自动观测网（AERONET）的海洋站点数据进行筛选、分类和分析，发现了气溶胶模型的中值半径及其标准偏差间的负相关性，并给出了经验关系。利用该关系对现行中分辩率成像光谱仪(MODIS)海洋气溶胶模型进行了评估，并指出了该模型存在的不足。

从米氏散射理论出发，利用单次散射理论模型研究了船舰尾流前向散射缪勒矩阵(FSMMBSW)的分布模式，以及矩阵元与气泡数密度、气泡半径之间的关系。研究表明，气泡米氏散射缪勒矩阵元m2和m4在前向90.

痕量气体垂直廓线的监测，对大气污染研究具有重要意义。介绍了被动多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术监测痕量气体垂直廓线的光学遥感方法。研究中MAX-DOAS测量多个角度的斜柱浓度、结合大气辐射传输模型，利用最优估算法反演出痕量气体垂直廓线，并对最优估算法参数选取和反演评估进行了详细描述。将该技术应用于合肥地区NO2垂直廓线的监测：通过与长光程差分吸收光谱仪的测量结果对比，相关系数达到0.80。该技术为大气环境立体监测提供了一种简便的方法。

以单轴应力作用下超晶格量子阱应变能带理论为基础，采用电子反射与干涉方法，研究了单轴应力对超晶格能带的影响，推导了单轴应力与超晶格导带子能级的定量关系。以GaAs-AlGaAs-GaAs为例，具体计算了导带中子能级对应力的依赖关系，进而给出了单轴应力对n型AlGaAs-GaAs量子阱红外探测器（QWIP）吸收波长的影响。计算结果表明，随着单轴压应力的增大，量子阱红外探测器的吸收波长表现出较明显的变化。当单轴压力增大到1.3 GPa，量子阱红外探测器的吸收峰值移动了将近1.1 μm,并且基本与应力呈线性关系。量子阱红外探测器吸收波长连续可调范围5.57~4.46 μm。

给出了平衡式相干探测系统的一般信噪比数学模型，对该数学模型和普通单源相干探测系统的信噪比模型进行了数值仿真对比研究。仿真结果表明，当平衡式相干探测系统中的光电探测器理想匹配时，其系统的信噪比以分束比系数等于0.5呈对称分布；而当光电探测器失配时，系统的最大信噪比所对应的最佳光束分束比发生偏离。最后搭建了2 μm平衡式相干探测实验系统，实验结果表明，在相同的输入光功率下，平衡式相干探测系统的最大信噪比比普通单源相干探测系统的信噪比高19 dB；平衡式相干探测系统的信噪比趋于饱和的范围比普通相干探测系统趋于饱和的范围宽大约0.2。

在高速光纤通信数字相干接收系统中，色散补偿模块的结构和性能将直接决定其是否具有实用价值。设计了比传统的有限脉冲响应（FIR）滤波器结构简单的偶对称型FIR滤波器，并通过数值仿真分析了FIR滤波器长度选取对补偿效果的影响。研究结果表明,在接收端光信噪比（OSNR）代价不高于1 dB的情况下，FIR滤波器长度折衷选取为最大值的65%，这样既能有效地补偿色散损伤，又可以降低FIR滤波器实现的复杂度。

针对基于三个2×2单模光纤耦合器的全光纤级联Mach-Zehnder干涉仪型(CMZI)不等带宽光学梳状滤波器在实际制作过程中存在的问题，提出了由一个2×2和两个3×3单模光纤耦合器级联组成的全光纤不等带宽光学梳状滤波器，并进行了详细的分析。通过对光纤耦合器分光比、干涉仪臂长差等结构参量的选择，详细分析了其传输特性，并选取了理论优化计算的一组数据进行实验。 数值分析和实验结果表明：该器件将50 GHz的输入信号分离成信道间隔为100 GHz的奇偶两路输出信号，一路信道用于10 Gb/s传输，另外一路信道用于40 Gb/s传输。与全光纤CMZI型不等带宽光学梳状滤波器相比，其最大的优点是在实际制作时可以对每个光纤耦合器的分光比进行准确的监视和控制，降低了全光纤不等带宽光学梳状滤波器的制作难度。最后进行了实验研究，实验所得结果与理论结果相吻合。

动态Allan方差(DAVAR)法是一种分析非平稳性信号的有效工具，但在辨识噪声时存在功率泄漏和定量表示单一的缺陷。为此，提出窗函数组合法和噪声量值的二维表示法对其加以改进，用于分析和定量描述光纤陀螺动态误差中的各种噪声项。窗函数组合法在光纤陀螺动态误差分解的基础上采用矩形窗和汉宁窗分别对其中的中低频噪声和高频噪声进行分析。噪声量值的二维表示法即根据DAVAR原理得到噪声量值随采样点数目增加的变化规律。实验结果证明窗函数组合法可以满足不同频段噪声的辨识要求，减小功率泄漏；噪声量值的二维表示法可以准确地反映出动态误差中各噪声项的变化特征。

数字重建是数字全息技术的关键步骤。传统的重建算法存在共轭像、聚焦物体与背景离焦物体相互干扰等问题。应用新兴的压缩感知技术，研究了全息图像的稀疏重建。基于衍射的线性运算，导出了利用压缩感知重建数字同轴全息三维空间的算法。利用该算法对颗粒的模拟全息图和数字显微全息实验全息图进行了重建，并将重建结果与传统的卷积重建结果进行了对比。结果表明，压缩感知技术能有效提高数字全息重建截面图像质量，利用25%全息图数据也能实现较好的重建，且具有较好的聚焦和抗噪声干扰能力。

根据可变放大率物光波前重建过程中球面波照射下数字全息图频谱的分析，提出在重建波照射前对全息图进行高通滤波消零级衍射干扰的方法。对物体表面为散射及非散射面情况的波前重建进行理论模拟及实验研究。结果表明，当物体表面是散射面时，可以获得有效消除干扰的重建图像，但是，当物体表面是光学平滑表面时，为得到完整的重建图像，要求将更为严格。

实际用于中子半影成像重建的方法都是线性方法，而计算机断层重建是一种能够用于中子半影成像重建的新方法。介绍了中子半影成像的断层重建原理，将半影成像的诊断图像沿径向等角度提取、微分后就可以使用断层重建方法重建。给出了使用卷积反投影方法重建不同噪声诊断图像的结果，并分析了断层重建的优缺点。重建结果表明，断层重建方法能够重建出源分布，且诊断图像的信噪比越高，重建效果越好。断层重建方法不需全仿真模拟系统点扩展函数，能够自动挑选探测图像有用的半影区数据，删除探测图像中无用的亮区和本底区数据，避免了无用数据的强干扰。

提出一种相位级次自编码技术的相位测量方法。与传统的相位测量技术不同，该方法利用截断相位的微分值作为编码通道，完成对各条纹级次的编码。构造的代码序列总长度为投影条纹的周期数，每个周期作为一个码元，由相邻若干码元构成一个代码子序列。相位计算后，根据截断相位的微分信息，可以提取出各周期及其码元值，通过在设计的代码序列中进行代码子序列匹配，即可确定各周期的序号，从而引导相位展开，获得绝对相位分布。采用希尔伯特变换对因编码引起的局部相位误差进行了有效修正。该方法通过将编码信息加载于截断相位分布中，在计算截断相位的同时获得相位级次信息，不需要投影额外的编码图像，测量速度快，尤其适用于孤立物体的三维面形测量。

将分数域滤波同光学成像相结合，提出了一种基于Lohmann I型的带有滤波孔径的两级联分数傅里叶变换光学成像系统。根据分数傅里叶变换和菲涅耳衍射之间的关系以及分数傅里叶变换的分数阶可加性，结合分数域滤波分析了分数傅里叶变换光学成像的基本理论。以点扩散函数和调制传递函数作为评价成像质量的准则，详细分析了不同分数阶光学系统对遥远物体的成像性能以及滤波孔径和光瞳的相对大小对成像质量的影响，并将其同传统的傅里叶光学成像进行比较。结果表明，某些分数域滤波的分数傅里叶变换光学成像系统成像性能优于传统的傅里叶光学成像，可以获得更高的分辨率。

调制传递函数(MTF)是设计和评价光电成像系统的重要参数，在证明了边缘图像的边缘扩展函数与累积直方图逆函数存在着线性关系的基础上，提出了一种基于统计直方图的MTF测量方法，设计了包括光学系统和探测器的仿真实验，搭建了包括积分球、靶标、平行光管和数字摄像机等装置的物理实验平台，以光电成像系统的设计参数和理论模型得到的理论曲线为参考依据，通过仿真实验和物理实验验证了该方法的有效性。实验结果表明，与传统MTF测量方法相比，该方法克服了成像探测器欠采样引起的相位效应，对刀口倾斜角度变化和噪声具有稳健性，可测量超过采样频率的响应特性。

为了提高使用长程轮廓仪对筒状超光滑非球面进行面型测量的精度，研究并总结了测量过程中常见的误差源及校正方法。针对测量过程中对结果影响较大的转台转轴与待测筒状镜光轴之间的倾斜和偏心误差做了详细的分析，提出利用数据处理校正这部分误差的方法。编写了相应的数据处理程序，通过数值模拟实验对该程序进行了验证。实验结果表明，该程序能够有效去除转台转轴与待测镜之间倾斜和偏心产生的系统误差，提高长程轮廓仪用于筒状镜面型测量时的测量精度。在转台转轴与待测镜之间具有5 μm的偏心和大约1′的倾斜时，使用该程序还原50 nm量级的面型轮廓，还原精度为均方根值(RMS)2.8 nm，峰谷值(PV)18.5 nm。

根据瞳面相位差波前传感器的特点，提出把模式分解和随机并行梯度下降算法结合起来实现波前相位的恢复。以32单元变形镜的初始面形和Roddier提出的相位生成方法随机产生的一帧相屏为研究对象，分析所提出的相位恢复算法的性能。结果表明，两种情况下的畸变波前都得到了很好的恢复。当像差仅含有低阶成分时，使用模式分解法就可获得令人满意的效果。高阶成分较多时，各阶之间的耦合使得模式分解法的误差增大。采用模式分解法得到初始解，在初始解的基础上继续采用随机并行优化算法进行优化，可以得到精确解。对噪声情况下的相位恢复结果表明，该相位恢复算法具有较强的抗噪能力。

S变换是短时傅里叶变换和小波变换的延伸和推广，是一种无损可逆的非平稳信号时频分析方法。它不仅具有线性、多分辨性和逆变换唯一性等特点，而且其反变换与傅里叶变换保持着直接的联系。在S变换中，以简谐波作为基波，以可以同时进行伸缩和平移的高斯函数作为窗函数。同短时傅里叶变换相比，S变换的时频分辨率可以同时达到最佳，同小波变换相比，S变换谱同傅里叶变换谱保持着直接联系。讨论了S变换在受到非线性因素影响下的变形条纹解相中的应用，推导了相应的条纹图的S变换公式；分别研究了S变换“脊”分析方法和S变换滤波分析方法在非线性因素影响下的变形条纹解相中的应用，完成了相应的计算机模拟和实验验证，并将S变换三维重建效果与傅里叶变换和小波变换的结果进行对比，由此表明了S变换具有更好的恢复效果。

菲佐干涉仪中如存在多光束干涉现象，干涉光强将不再是严格的余弦分布形式。在导出菲佐干涉仪中多光束干涉光强公式的基础上，给出了将其近似为理想多光束干涉光强公式的条件。推导了对多光束相移干涉图用四幅算法求解的相位计算误差，并据此提出了基于π/4相移平均的多光束干涉相位提取算法：通过采集相移间隔π/4的两组干涉图序列，将两次计算得到的相位值平均来抑制由多光束干涉引入的误差。在存在相移随机误差的条件下，模拟了参考面具有不同反射系数时的相位计算误差。用菲佐干涉仪检测反射系数较高的反射镜，采集22幅相移干涉图计算波面数据，结果表明：常规相移算法计算得到的波面数据中存在明显的4倍条纹周期的波纹误差，而采用基于重叠四步平均法的π/4相移平均方法可以有效地抑制多光束干涉造成的波纹误差影响。

针对移相干涉术易受振动、气流等扰动影响的问题，提出一种时频域双重分析法的抗干扰移相干涉测量方法。采集一系列连续移相的干涉图，通过对干涉图上各点时序光强进行频谱的宽带滤波提取到干涉图采集过程中真实的相位变化，对时序的相位变化信息进行线性统计得到各点初始相位的计算值。在干涉图帧数足够多的情况下，线性统计后随机噪声的影响趋于零，环境振动等非随机性扰动的影响被归结为一个与像素坐标无关的值从而不影响波面形状，因此不影响面形测量精度。通过仿真实验验证了该方法的可行性。将该方法应用在普通实验室条件下的机械式移相干涉测量系统中进行实际的测量，结果与同一个被测件在FISBA干涉仪中的测量结果很好地吻合，验证了该方法的抗干扰能力。

二频机抖陀螺具有较高的精度，但在每个抖动周期需要两次通过锁区，会丢失部分信息，从而带来了过锁误差。噪声注入只能将误差随机化，并不能从根本上消除误差。根据锁区方程阐述了锁区对机抖陀螺精度的影响。对二频机抖陀螺的锁区补偿方案进行了理论研究。采用零速率点恒加速近似得到了过锁误差的信号表征方法。数值分析表明该锁区补偿方法在各种外界输入转速下都是有效的。

提出一种针对单相机、斜光轴测量条件下，基于摄影测量校正的二维数字图像相关法(DIC)。变形前，在被测物表面粘贴不少于3个控制点（圆形标志点），通过摄影测量技术得到控制点的三维坐标，利用控制点的三维坐标及其在图像上对应的二维坐标，通过空间后方交会法得到斜光轴相机的三维空间方位，拟合控制点的三维坐标得到控制面。变形过程中，对于数字图像匹配得到的每一个相关图像点，通过其投影射线与控制面相交得到其对应的三维点坐标。该方法不仅可以校正由于相机光轴倾斜引入的测量误差，而且可以直接、准确得到三维空间位移而不是像素级位移。通过与已有的三维DIC对比，该方法的位移测量精度优于0.04 mm，应变测量精度优于0.5%。

调制偏振光可以作为方位信息的载体，实现方位角度信息的传递，在**、航天和生物医药等领域有广泛的应用前景。阐述了基于磁光调制偏振光的方位失调角测量原理，分析了现有测量原理中的误差来源。为了从理论方法上提高测量精度，提出了直接计算的方法，将磁光调制后的光强信号直接进行取极值点处理，建立了失调角与极值点之间的方程，详细分析了方程解的取舍情况，最终得出了失调角的计算公式。同时引入二倍角公式，扩大了失调角的测量范围。将仿真计算的方式与现有的测量方法进行对比，结果表明，提出的方法测量精度高、测量范围广，为实现空间方位失调角高精度测量提供了一种新方案。

针对太阳辐照度测量仪器高性能及微型化的要求，研究了一种绝对辐射计的关键器件——微机电系统（MEMS）微型红外辐射探测芯片。该芯片以在红外宽光谱范围内具备高吸收率的镍磷黑膜层吸收辐射，以高机械性能、高热导率且绝缘的金刚石材料作为基片，利用集成的薄膜电阻丝进行电加热等效。制备的镍磷黑红外吸收膜层的表面具有较多无规则微孔，其直径分布在50 nm~10 μm，形成一个布满微孔特征的表面。镍磷黑红外吸收膜层的反射率在1.5~16 μm光谱范围为0.4%以下，其红外透射比在1.5~15 μm波段为0.15%以下，从而有效吸收率达到0.99以上。选择电学性能稳定的康铜材料作为薄膜电阻丝材料，采用MEMS工艺制备薄膜电阻丝。薄膜电阻丝的电阻稳定在50.3 kΩ，能够满足红外辐射探测芯片的设计要求。

基于光栅衍射的转角法无需转动光管，与传统的转角法相比具有较高的测量效率。而微透镜阵列元件子单元数众多，利用该方法进行测量时，光栅的各级衍射斑可能发生干扰，影响测量精度甚至无法进行测量。利用Matlab软件模拟分析测量过程中子单元光栅0级和±1级衍射光斑间的干扰，通过分析测量光源波长、光栅周期、微透镜阵列的子孔径和焦距，选取合理的测量光源和光栅避免干扰，从而完成对微透镜阵列焦距的测量。测量结果表明，该方法具有较高的测量精度和测量效率，可用于单元数较多、F数较小的微透镜阵列焦距测量。

提出并实验了一种采用倒置输入的结构来测定Y分支LiNbO3波导相位调制器的多模截止波长的新方法，模式耦合分析表明，倒置输入的Y分支波导的多模传输的输出功率具有随波长变动发生振荡的特征，该特征可用于定量判定多模截止波长。方法的有效性得到了波束传播法(BPM)仿真和样品实验两方面的验证。

采用近共振激光驻波场会聚铬原子沉积技术制作的原子光栅可以作为纳米级长度计量标准。基于粒子光学模型，综合考虑横向发散角、纵向速度分布以及同位素等影响因素，采用蒙特卡罗方法确定原子运动的初始条件，对激光驻波会聚原子的三维特性进行了研究。获得了不同激光功率下沉积条纹的三维结构，分析了纵向高斯激光分布和椭圆高斯激光截面对沉积条纹的影响。模拟结果表明，当激光功率为40 mW时，可观测的纳米光栅图案能在基板87%区域内出现，对应于高斯光束中心处条纹半峰全宽为31 nm。当高斯激光束截面为圆形时，沉积质量较好。

研究了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统在实际大气环境中的传输。从光纤激光阵列、激光在大气中的传输、目标和优化算法四个方面，建立了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统的理论模型。在不同强度大气湍流下，对系统补偿大气湍流影响的效果进行了研究，并对系统控制参数优化进行了简单探讨。结果表明，目标在回路闭环控制结构能够有效补偿大气湍流引起的能量扩散，使目标靶面能量集中度提高，在强湍流情况下，可使目标光斑的平均半径收敛9%；该结构的传输性能受大气湍流强度的影响，大气湍流强度增强，系统的控制效果减弱；控制算法收敛速率受参数设置的影响，实际应用中需进行优化；探测器的信噪比(SNR)对于系统的闭环控制性能也有一定影响。

结构光三维测量中，光条中心点的提取是极其重要的步骤。现有方法对结构光条中心点提取都仅仅是标志中心点的位置，而中心点位置的可信与否，并未提及。对于一些特殊场合应用，例如室外复杂情况的测量，需要确定测量结果的可信程度。如何评价光条提取的中心点的可信程度成为亟待解决的关键问题。针对这一问题，对光条模型进行实际分析，给出了更为合理的高斯模型为光条模型。在此基础上以光条截面归一化高斯模型能量和为信度评价依据，提出了结构光条中心点信度评价方案，同时进行了实验验证。结果表明，此评价结果可以有效地评价区分各种情况的光条中心点的可信程度，更加符合实际评价需求。

研究了Li+和Er3+共掺Y2O3纳米晶体粉末的上转换发光特性，并重点分析了Li+的掺杂浓度对粉末晶形结构和发光强度的影响。结果表明，采用燃烧法制备出来的样品在Li+掺杂浓度较高的情况下仍能保持良好的晶型，随着Li+共掺浓度的增大，Er3+Y2O3纳米晶体在绿光和红光波段的上转换发光强度有了显著的提高。造成发光增强的原因是Li+的引入改变了Er3+Y2O3的晶格对称性，从而提高了Er3+中4f组态内层电子的跃迁几率。

采用Stober工艺合成含SiO2微球的前驱体溶液，以其为原料合成了白光发光二极管（LED）用的荧光粉Sr2SiO4:Eu2+。利用粉末X射线衍射（XRD）、能谱仪（EDS）和场发射扫描电镜(FE-SEM)对样品的结构和形貌进行了分析，发现这种方法合成出的Sr2SiO4:Eu2+荧光粉具有一维纳米棒结构。同时还对影响此荧光粉发光性能的重要因素，包括煅烧温度、时间、激活剂浓度及助熔剂等相关参数进行了研究，在加入适量的助熔剂H3BO3和1300 ℃的还原气氛煅烧3 h，:Eu2+原子数分数为1.0%时得到的荧光粉且有最佳发光强度。同时发现:Eu2+在α′-Sr2SiO4结构中占据两个不同的Sr格位，随浓度增加其发射峰有红移趋势，且不同格位的:Eu2+之间存在共振型能量传递。

采用熔融淬冷法制备了新型远红外Te基硫系玻璃Ge20-xTe65Se15Snx (x=0，2，4)。在Ge-Te-Se玻璃的基础上，通过引入重金属Sn,研究其对玻璃组成、结构和性能的影响。测试了样品的中红外热成像、X射线衍射（XRD）图谱、差热分析曲线(DSC)、可见/近红外吸收光谱、红外透射光谱。利用经典的Tauc方程计算了样品的光学带隙，根据金属标准和能量带隙理论讨论了玻璃光学带隙与组分变化的关系。分析结果表明，Ge-Te-Se-Sn玻璃具有良好的热稳定性，随着Sn的引入，玻璃的光学带隙减小，短波吸收截止边发生红移，但玻璃的红外截止波长基本不变。 此外Sn可以有效减弱Ge-O杂质吸收峰的强度，提高玻璃红外透射性能。

通过微波辅助法快速合成NaGdF4:Yb,Er上转换发光材料，合成时间仅25 min。利用X射线衍射 (XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和能谱仪(EDS)对合成的样品进行了表征，并研究了样品的上转换发光性能。结果表明，材料的晶体结构为六方晶系；颗粒形貌为球形，分散性好，粒径约为200 nm；980 nm激光二极管激发下，发出红光和绿光，均为双光子发射且红光强度远远大于绿光，此独特的发光特性使该样品在固体激光器和彩色显示器方面具有潜在的应用价值。

为了减少近红外漫射光内窥式成像设备的造价和图像重构时间，提出了有效探测区域检测方法和相应的内窥式图像重构算法，用于实现对吸收系数和约化散射系数的同时重构。首先采用蒙特卡罗模拟研究了某源点激励下的有效探测区域；其次发展了基于有效探测区域的图像重构算法；最后讨论了有效探测区域内测量点数对重构结果的影响，并用模拟数据验证了所发展的算法。结果表明：基于有效探测区域进行重构的算法具有较好的重构精度，吸收系数和约化散射系数的保真度分别可达60%和80%以上，目标尺度方位基本准确，且重构时间可减少一半。基于有效探测区域的检测方法和重构算法可用于对宫颈等管状器官的漫射成像。

采用非相干光时延四波混频（TDFWM-IL）实验装置，在7 K温度下，利用波长为800 nm的飞秒脉冲激光，观测到掺Er3+玻璃的光子回波效应，发现信号随延时变化的拍频调制结构。根据TDFWM-IL多能级理论，运用其非均匀加宽占主导时的公式拟合实验结果，从最佳拟合获得的退相时间T2=300 fs，这与由相干控制实验测得的相一致。并且研究了调制参数c对相干拍频调制结构的影响。发现样品光子回波拍频调制结构的出现是在低温下，受体系多个激发态子能级相干效应影响。当样品温度逐渐升高，相干拍频调制结构消失，此时样品的光子回波图像特征类似于TDFWM-IL二能级系统。从而为研究低温下稀土材料的相干瞬态光谱提供了一个新的理论依据。

利用Snyder-Mitchell模型讨论了笛卡儿坐标系下(1+1)维和(1+2)维光束的传输过程，得到了强非局域非线性介质中传输光束的复宗量厄米高斯型解。该解为抛物线柱函数对高斯光束的调制。给出了复宗量厄米高斯光束共线传输情况。在一定条件下共线传输的复宗量厄米高斯型光束演化为涡旋光束。给出了单束复宗量和涡旋复宗量厄米高斯光束在临界功率下的传输过程，发现它们在传输过程中光束截面和光斑尺寸呈现周期性的呼吸变化，即为呼吸子或旋转涡旋呼吸子。

提出一种可以从时域和空域两个方面更准确地表征光束指向稳定性的动态方法，解决大型光学系统中光学器件微振动对光学系统的影响的描述问题。基于实际应用中机械结构的模态分析及微振动对光束的影响，将机械模态和光学系统有机地结合起来，建立了光学器件微振动模型。然后以神光Ⅱ装置中的空间滤波器为研究对象，分析了空间滤波器出射光角度的时间分布和空间分布。

光学系统设计是星敏感器设计的关键，光学系统参数决定将影响星敏感器的性能指标，而参数的选择需要考虑天空背景辐射、图像传感器参数等多种因素。采用Modtran软件仿真分析了不同情况下的天空背景辐射。在此基础上，通过引入能量集中度以及传感器噪声，推导出更精确的可探测极限星等公式，并深入分析了星敏感器可探测极限星等、探测概率以及探测精度与各影响因素的关系。对典型设计参数的可行性进行了分析，分析结果可为全天时星敏感器光学系统设计提供参考。

采用远心离轴三反成像系统的空间遥感仪器前有光束限制装置时，要求系统具有实入瞳与之匹配。为了满足这一需要，研究了孔径光阑位于主镜前与系统物方焦平面重合的离轴三反系统的设计问题，推导了主镜和三镜共面时离轴三反系统结构参数计算式及物方焦点与主镜间隔表达式，确定了实现系统物方焦点为实焦点的条件及其解法。据此，针对光谱范围为1.0～2.5 μm、F数为4、有效焦距为360 mm、视场为5°的设计要求，设计出整个波段全视场像质接近衍射极限的具有实入瞳的远心离轴三反系统，系统非球面最高次数为4次。设计结果表明，这种设计方法可用于实入瞳远心离轴三反成像系统的设计。

为满足严格的套刻需求，双远心结构的投影光刻物镜需要选择恰当的元件移动来进行倍率的补偿和调节。提出了一种简单而实用的方法来进行倍率的公差分析。该方法利用商业优化设计软件和有限差分算法计算了多项公差对物镜倍率的敏感程度，同时结合公差对系统波像差的敏感度选择最佳的倍率补偿元件。利用以上方法，对一台双远心、工作波长193 nm以及数值孔径0.75的投影光刻物镜进行了倍率的公差分析和补偿器优选。结果显示，系统较好地实现了±50×10-6的倍率调节功能，而系统波像差劣化程度均方根值小于1.5 nm。

在曝光线宽为90 nm的投影光刻机中，准分子激光光源发出的矩形截面光束，需要进行一维扩束，以获得光束整形单元所需的正方形截面分布。现有的这类扩束单元分别存在严重的相干散斑效应和严格的装调公差等不足。基于此，提出了多组元平行反射扩束镜组。通过求解各组元透射率值的线性方程组，得到若干种扩束单元结构，其中的四组元扩束单元每个组元只有一种透射率，有效降低了镀膜的工艺成本。分别从公差分析、系统透射率和出射光束均匀性等方面对各类扩束单元结构进行综合比较，并通过建模仿真，验证了设计的四组元扩束单元的散斑效应和装调公差灵敏度都明显降低，而且出射光束较均匀，有利于提高照明均匀性。

采用差分偏振光谱法在3~5 μm波段对水面溢油污染物进行被动遥感时，所测差分偏振光谱是含有强大气吸收光谱信号与油污染物目标弱光谱信号的混合谱，这给油污染物光谱特征识别带来了困难。另外，受环境因素以及油膜自身张力影响，水面油膜厚度分布以及油膜表面粗糙度在测量过程中发生变化，从而使得连续测量的差分偏振光谱中油污染物光谱信息含量存在不同。利用这一特点，基于固定点迭代的快速主成分分析算法FastPCA设计了水面溢油污染物差分偏振光谱信号预处理算法。实验结果表明，该算法可以有效地将水面油污染物目标光谱特征信息从具有强大气吸收的混合差分偏振光谱信号中提取出来，通过光谱重构得到油污染物光谱特征信号，可用于进一步的定性、定量分析。

空间面阵相机在轨运动会产生运动模糊，影响自动对焦准确率。为解决该问题，提出行间转移面阵CCD的时间延时积分(TDI)模式实现去运动模糊。选取行间转移面阵CCD KAI-1003作为成像器件，利用可编程逻辑器件(PLD)控制时序信号，匹配CCD的行转移速度与目标运动速度，实现去运动模糊。实验表明该成像系统不仅能去运动模糊而且还大幅提高图像信噪比。去运动模糊后，根据较短时间间隔内空间相机拍摄的图像有重叠区域的特点提出一种空间相机自动对焦方法。通过配准算法找出序列图像间的重叠区域，并计算重叠区域的清晰度评价值，然后根据传递特性将评价值映射到同一个评价体系中，最后找到最佳对焦位置。实验表明该成像系统对高速运动的目标能够实现自动对焦。

以激光烧蚀快脉冲放电激发土壤为例，研究了激光烧蚀快脉冲放电等离子体技术产生的土壤等离子体的电子数密度和温度。根据实验测得的Si原子和离子谱线的强度和萨哈玻尔兹曼方程，计算了等离子体的电子温度，并从分析Si I 250.69 nm谱线的斯塔克展宽中导出了等离子体的电子数密度。与使用同样激光能量激发的激光等离子体相比，激光烧蚀快脉冲放电激发等离子体的电子数密度和温度都明显增加，与观察到的光谱信号强度是一致的。

为了获得光学性质均匀的大面积软X射线多层膜，必须控制好周期结构中单层膜的厚度均匀性。为此建立了磁控溅射薄膜沉积技术中单层膜厚度均匀性的分析和控制模型，解释了基底变速转动法可用来获得膜厚均匀的多层膜，并根据理论分析获得了基底的变速路径。将其应用于基底公转速度变速法来制备均匀性可控的大面积Mo/Si软X射线多层膜。小角X射线衍射测试结果表明，采用优化后的变速路径制备的多层膜，样品不同位置的各级次衍射峰位都能很好吻合，说明多层膜的周期厚度基本一致。计算表明该方法在直径200 mm范围内可将周期结构中Mo层的不均匀性从20.6%修正到1.1%，Si层的不均匀性从27.0%修正到1.6%。

大角度倾斜入射时，光学薄膜表现出强烈的偏振效应。这一现象在大部分应用场合会带来系统光学性能的劣变，然而控制偏振效应的光学薄膜设计是困难的。分析了产生偏振效应的内在原因，采用由三种全介质材料构成的四层膜堆和等效层结构膜堆组合得到初始膜系，结合单纯形法和共轭梯度法的多级优化，设计了1300~1330 nm和1535~1565 nm两个波段范围内分光比都为11的近红外双波段消偏振分光膜。结果显示，在45°入射时，在两个工作波段的s分量和p分量的反射率曲线偏振分离小，反射和透射引起的相位变化也控制在很小范围。