针对湍流扰动波前改正的天文自适应补偿成像系统由于等晕区存在而限制了观测视场内有效的补偿区域。这对通过自适应光学系统获取的天文实测数据的充分利用造成很大不便。通过对自适应光学系统空域统计特性的分析，得到空变点扩展函数的成像系统描述。在此基础上，依据大气光学统计理论，通过多相位屏分层大气湍流模型，提出一种利用数值模拟估计空变点扩展函数的方法。结合实际观测条件和自适应光学系统特性，给出运用该方法建立天文自适应成像系统空变点扩展函数估计模型的实例。并将所得模型用于对天文实测图像的重建，结果表明其对系统补偿残差和非等晕效应对成像结果造成的影响有明显改善，验证了该模型的有效性。

以受光阑限制的高斯光束在大气湍流中传输为例，用仿真程序数值模拟方法和实验方法对用Rytov相位结构函数二次近似和复高斯函数展开法得到的解析结果(如光强分布、二阶矩束宽、桶中功率和β参数)进行了比较验证。研究表明，解析结果与数值模拟结果和实验结果基本吻合。此外，对用不同研究方法所得结果的差异给出了合理的解释。

在大气激光通信中，大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响通信系统的性能，导致系统误码率的增加，多孔径接收是克服这种影响的有效方法。主要分析了3个孔径的接收性能，并对比了多个接收孔径的接收面积的大小及相互之间的位置关系对空间平滑因子的影响，对比了多孔径接收与单孔径接收的孔径平滑因子；利用Gamma-Gamma信道模型分别从弱至强湍流区光强起伏概率密度函数分析了多孔径接收系统的误码率特性。结果表明，多孔径接收系统可以更好地改善接收面的光强起伏，降低系统的误码率，并且随着接收孔径数目的增加，系统的孔径平滑因子和误码率会进一步降低。

基于电磁波的散射理论，研究了电磁平面波入射到准均匀各向异性介质的散射远场相干特性，得到了各向异性准均匀介质三维散射远场的光谱密度和光谱相干度的表达式。仿真结果表明，在各向异性准均匀介质散射势的每一个分量都是高斯相关的情况下，各向异性介质的光谱密度近似为对应的各向同性介质的光谱密度的平均，但是每个分量的权重不同，而且该权重是随着散射角度的变化而变化的。各向异性介质的光谱相干度与各向同性介质的光谱相干度则有非常大的差异，前者是分三个阶段振荡的，并且在某些散射角度范围内，呈现出与对应参量的后者几乎一致的现象。

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案。以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析，同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响。理论分析及数值模拟计算结果表明，逆达曼光栅可用于相干激光阵列合束，但误差对相干激光阵列合束效率有较大的影响。因此，在实验中乃至发展基于逆达曼光栅的高功率激光器系统时，需要减小相位补偿板的相位加工误差，精密调节逆达曼光栅的位置，以减小误差对于合束效率的影响。

利用导模共振(GMR)光栅阵列再现彩色图像，不同于传统的彩色油墨印刷中所采用的三色染料混合的方式，它是利用光栅的滤光特性直接从自然光中分离出红、绿、蓝三色光充当三基色来代替化学油墨。由于GMR光栅在偏振光入射下衍射曲线在特定波长处会呈现很强的共振峰，且旁带非常低，因此很容易得到高纯度的单色光。考虑到降低实际加工的难度，只通过改变光栅周期来移动共振峰的位置以获得所需的三种基元光栅结构，然后对这些基元光栅进行分布处理即可得到彩色图像。

现代精密光学系统的发展，对光学元件的加工和检测提出了非常严格的要求，达到纳米量级。相移式点衍射干涉仪是一种应用在纳米精度检测中的常用干涉仪，其参考波前由直径在几百纳米量级的小孔衍射产生，其衍射波前与理想波面的误差，决定了干涉仪的检测精度。基于有限元方法，计算了聚焦入射情况下，不同直径小孔的衍射波面。分析了聚焦斑发生对准误差和倾斜误差下，对衍射波面的影响。

详细分析了光子晶体光纤包层气孔塌缩对光纤传输特性的影响，建立了包层气孔塌缩结构模型，利用有限元法和局域耦合模理论对环形结构改变下形变区域的有效折射率分布和模式耦合系数进行了计算，得到了调制区域各模式的有效折射率和耦合系数分布。研究了基模和包层模的耦合规律，得到了纤芯基模(LP01)和包层模(LP11，LP02)耦合下的传输谱，探讨了此种结构性改变成栅方法的可能性。在此基础上进一步分析了结构性参数如周期长度、周期个数和塌缩深度对传输特性的影响，得到了谐振峰随这些参数变化的规律。研究结果表明，光子晶体光纤包层空气孔塌缩可以形成光栅，调整塌缩参数可以改变所成光栅传输特性。研究结论为结构性改变光子晶体光纤光栅的刻写和应用提供了理论依据。

采取平场校正的方法消除薄型背照式电荷耦合器件(CCD)相机在对视网膜细胞成像时由于多光束干涉效应在输出图像上产生了干涉条纹。在分析CCD芯片多光束干涉效应产生机理的基础上，根据视网膜细胞成像的特点，提出将未进行像差补偿的视网膜图像作为平场校正的参考图像对像差补偿之后的图像进行校正，解决了标准反射率白板图像作为平场校正参考图像时残留有干涉条纹的问题。通过计算平场校正前后视网膜细胞图像的平均功率谱验证消除干涉条纹的效果，在空间频率70~90 lp/(°)范围内，校正之后图像的功率谱的平均值比校正之前提高了132.1%。实验结果表明，利用未进行像差补偿的眼底图像作为平场校正参考图像可以有效地消除视网膜细胞图像上的干涉条纹，提高视觉细胞的对比度，所获得的图像质量有了明显的改善。

为研究连续型相位光瞳滤波器对光学成像系统成像效果的影响，并实现对远场光学成像系统分辨率的提升，设计了一种多项式函数形式的相位型光瞳滤波器，证明其可以实现三维超分辨。给出了其与一种典型三区型相位光瞳滤波器的超分辨效果的对比。通过对比可以发现，在分辨效果的改善上，横向分辨率有明显提升，但施特雷尔比会有所下降。此外，由于此种形式光瞳滤波器可以通过提高多项式次数来增加可调参数，因此其对超分辨效果的提升还有一定的改善空间。关于多项式函数形式的相位光瞳滤波器的计算结果，对实际中制作连续相位型光瞳滤波器亦有一定的参考价值。

针对高光谱图像的非监督目标检测问题，提出了一种基于混沌粒子群优化（PSO）投影寻踪(PP)的检测方法。混沌PSO可加快PP过程，得到更精确的最佳投影方向。利用自适应波段选择方法进行高光谱图像降维。依据对异常分布敏感的偏度和峰度设计投影指标，并采用混沌PSO搜索最佳投影方向，由此可有效地将目标信息投影至低维空间。采用直方图分割的方法从投影图像中提取出目标。针对大量图像进行了实验及检测效果的定性与定量评价，并与遗传算法PP法、RX方法的检测结果作了比较。结果表明，能够更有效地检测出高光谱图像中的目标，且所需运行时间大为减少。

利用梯度法对激光雷达信号进行处理，检测出突变部分的幅度和位置，根据梯度信息计算相应的平移序列，加入到原始信号中，使所得信号中不包含突变信息。利用经验模态分解(EMD)方法对去突变信号进行分解和去噪就可以避免模态混叠和突变位置附近出现的局部振荡现象。将该方法应用于实际激光雷达数据去噪过程中，实验结果表明，该方法能消除由突变引起的重构信号局部振荡现象，对信号平稳部分的噪声能有效地滤除，又能较好地保留信号的突变信息。

从几何光学角度出发，分别对含有像散和彗差的波前编码系统成像特性进行了分析，推导了含有像散和彗差波前编码系统的光线像差，计算了光线像差的上下边界。通过光线像差及点列图分析了波前编码系统对像散和彗差的敏感程度。结果表明，当系统同时含有离焦像差和像散时，光线像差较仅含离焦像差的波前编码系统有所放大，点列图弥散程度增加，进而使系统调制传递函数(MTF)有较大程度的下降，影响中间图像的可复原能力，但其仍保持着较好的离焦不变特性。当系统同时含有离焦像差和彗差时，由于切向和径向的光线像差及点列图变化并不对称，彗差的存在对系统的离焦不变特性及图像的可复原性均产生影响，不仅使系统对中间图像的可复原能力降低，也使两方向的离焦不变特性有所不同。

由于传统的快速傅里叶变换（FFT）只适用于均匀采样的情况，对非均匀采样的干涉数据直接进行FFT会导致反演光谱的失真。针对该问题，国外的很多学者对非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）方法进行了研究，并形成了比较成熟的理论。将NUFFT方法应用到干涉数据的光谱反演中，对不同采样频率和不同非均匀程度下的光谱反演精度进行了分析仿真，可以看出，在部分欠采样情况下，采样频率是影响光谱反演精度的主要因素；在过采样情况下，光程差的非均匀采样程度是影响反演精度的主要因素。实际应用中，需要综合考虑数据量、采样频率和光程差的非均匀采样程度来确定最终的参数。为了保证光谱反演的精度，获取的干涉数据中不存在部分欠采样是最基本的原则。

菲涅耳望远镜全孔径合成成像激光雷达（简称菲涅耳望远镜）是一种新的高分辨率激光成像技术。在菲涅耳望远镜一维扫描工作模式中，目标和扫描光束的相对运动使得时间空间变换后的采样信号呈不规则非均匀分布，影响匹配滤波算法中快速傅里叶变换的使用。提出基于重采样插值的菲涅耳望远镜算法，包括时间空间变换、重采样插值和匹配滤波等主要步骤，其中利用重采样插值将不规则分布的原采样信号转换为正交规则分布的重采样信号。对三种重采样插值方法进行比较，并获得了点目标和面目标的计算机仿真重建图像，证明了算法的有效性。该算法对于菲涅耳望远镜具有实际意义。

为了实现对孔类零件特别是深孔零件的孔深测量及底面的表面形貌测量，设计了一种激光三角法内孔测距传感器。对该传感器所使用的机械光学设计、系统成像特性及基于Zemax的像差分析与评价等进行了研究。首先，利用聚焦透镜将激光器发出的光线聚焦到待测面上，使光斑足够小。接着，利用梯形棱镜的全反射特性将所需散射光线限制在一个狭小的范围内。最后，利用成像透镜将光线聚焦在CCD靶面上，根据CCD上光斑的位置和待测孔深的几何关系，求出内孔的深度和底面的表面形貌。实验结果表明，系统在0~1.6 mm范围内测量精度为1 μm，该设计可以很好的解决测量内孔时物理空间受限的问题，同时结合三角测量原理，使该系统能够满足工业生产线上的结构简单、稳定性好、调试和维护方便、精度高以及速度快等要求。

在较低温度下测量辐射温度计辐射源尺寸效应（SSE）时必须考虑背景辐射对测量的影响，其计算模型涉及无限大辐射源条件下的辐射温度计探测器输出。基于辐射温度计探测器温度对测温模型和SSE测量模型的影响分析，提出了利用与背景辐射平衡的虚拟探测器温度的SSE计算模型，避免了已有测量方法中对无限大辐射源的需要或因此引入的近似。推导了基于温度数字显示辐射温度计示值的SSE计算公式。提出了优化SSE测量结果的源温度、分辨力和仪表发射率设置等测量条件。

合成孔径激光成像雷达系统中可调谐激光器的非线性啁啾，引起回波信号傅里叶频谱的展宽和相位的误差，影响距离向和方位向分辨率。实际测量了激光器的频率非线性，利用光纤法布里珀罗干涉仪，测量激光器频率随时间的变化，得到高阶非线性项，给出了实验结果。以此为依据，研究了点目标回波外差信号的傅里叶频谱。通过改变分析信号的时间采样窗口宽度，压缩频谱宽度和相位误差，降低了非线性影响。在保证相位精度π/4时，得到了优化的时间采样窗口宽度。

射线源焦点投影坐标是影响三维CT重建精度的重要几何参数，而在实际的三维CT成像系统中该参数不能直接精确测量得到。提出了一种改进的射线源焦点投影坐标精确测量方法。对单圆球目标体在锥束射线场不同位置进行多次成像，对相关联的数字化X射线摄影（DR）图像进行分组，提取每组两个圆球目标体DR投影的质心坐标，然后构造超定方程组，从而求解出射线源焦点投影坐标。实验结果表明，该方法回避了现有方法对投影椭圆度的要求，具有更高的测量精度，并且实现简单、具有较强的抗噪能力。

光电探测器量子效率的准确测定对光辐射计量具有重要意义。基于低温辐射计，在氦氖、氩氪离子以及钛蓝宝石激光器的10个波长上测量了无窗型硅光电探测器的外量子效率。根据光电探测器表面反射比和二氧化硅层厚度的关系，基于在3个激光波长上光电探测器表面反射比的测量结果，通过最小二乘法得到光电探测器表面二氧化硅层的厚度，并由此得到光电探测器表面的光谱反射比。根据表面反射比和激光波长上探测器外量子效率结果得到相应波长的内量子效率。进行了光谱量子效率拟合。在488~900 nm光谱范围内量子效率模型拟合结果与在相应激光波长上测定的量子效率结果的偏差在1.5×10-4之内。

彩虹技术是一种可同时测量液柱折射率和粒径的实时、非接触方法。建立了定量描述彩虹信号的低频分量与德拜理论(p=2)模拟信号重合程度的目标函数，在此基础上提出一种基于德拜理论(p=2)的液柱参数彩虹技术反演算法。反演算法以经验公式的计算值为初始值，根据目标函数不断寻优获得优化结果，并通过米氏散射理论进一步优化得到反演结果。在折射率变化范围为1.32~1.56、半径变化范围为50~500 μm时，进行数值模拟和实验研究。结果表明，半径的相对误差在8%以内，折射率误差绝对值小于5×10-4，半径的测量下限为60 μm。

为了简化相位测量偏折术的系统标定，并减少系统标定和图像噪声对测量精度的影响，提出在相位测量偏折术中引入自由参考系，并在自由参考系内对测量结果进行光束法平差。 由于基于梯度恢复面形的相位测量偏折术缺少绝对高度信息，因而不能直接进行光束法平差，自由参考系使入射光线和反射光线处于同一个坐标系内，通过光线三角交会计算自由参考系下的待测点三维坐标。根据待测点与其对应入射光线共线的几何约束，采用约束光束法平差对摄像机内外参数和面形三维坐标同时进行优化，使重投影误差最小。数值模拟和实验结果表明，光束法平差可以提高相位测量偏折术的测量精度。

高精度的重复性是保证检测精度的前提，也是精密检测中最重要的指标之一。在Fizeau干涉仪中，干涉腔对环境特别是温度的变化非常敏感，温度的变化和非均匀性是测量的主要误差来源，也是影响测量重复性的主要因素之一。通过研究光在空气中的传播原理，利用Edlen公式建立了Fizeau干涉仪干涉腔的理论模型，并给出了腔长、温度变化大小与干涉仪重复精度的定量关系。理论分析表明，干涉仪重复精度主要跟温度变化大小和干涉仪腔长有关。利用ZYGO公司的干涉仪，通过实验给出了在不同环境中、不同腔长下干涉仪测量重复精度的变化，并与理论计算进行了比较和分析。

垂直耦合结构纳米微环谐振器是光子集成电路的重要组成单元。主要研究了与其实际制作相关的工艺失准问题。针对高折射率差波导材料垂直耦合结构纳米微环谐振器，先用耦合模理论解析方法研究了耦合系数与直波导和微环波导耦合层厚度d以及横向偏移量Δ之间的关系，为三维时域有限差分法（3D-FDTD）的精确数值计算确定了模拟范围。之后结合解析方法和3D-FDTD数值计算研究了Δ和d的制作工艺容差。研究发现，当d=30 nm，偏移量Δ在130~265 nm之间变化时，耦合系数始终保持在较高值，为垂直耦合结构纳米微环谐振器的工艺制造提供了很大容差，对其实际制作较有意义。

采用真空镀膜技术在石英基板上制备了纯As2S8 以及掺杂As2S8平面波导，通过棱镜耦合技术观察了光阻断效应。结合S和As的外层电子构型，分析了样品内部的化学键结构，利用电子能带结构理论和杂化轨道理论，建立了光阻断效应的动力学方程，并对切断过程进行了数值分析，分析结果与实验数据十分符合，得出该模型能很好地解释光阻断效应的实验现象，并揭示了光阻断效应切断过程的内在机理。

完善了由缺陷吸收引起温升导致材料破坏的激光损伤模型。从热传导方程入手，该模型在单杂质缺陷模型基础上，利用米氏散射理论计算杂质缺陷的吸收截面，根据材料基质和杂质缺陷的热物性能参数，计算了杂质相互之间的有效作用距离，即材料的热扩散长度范围。结果表明，考虑周围杂质的影响，基质材料损伤阈值更接近实际情况，同时基质表面的损伤阈值与实验上所得的时间标尺F∝t0.5非常吻合。

自适应光学系统内光路像差的校正对获得好的光束质量至关重要。实际中采用的校正方案是常规共轭式自适应光学。然而系统菲涅耳数较小时，激光在传输过程中的衍射效应严重影响着系统内光路像差的校正效果。基于随机并行梯度下降算法模拟了不同程度衍射效应（以菲涅耳数表征）下的校正效果，模拟结果表明，像差校正效果随着菲涅耳数的变小而变差。同时在此基础上提出了改进方案，并基于双液晶空间光调制器进行了实验研究。模拟和实验结果均表明，同等条件下改进方案的校正效果明显优于常规共轭式自适应光学校正方案的校正效果，且前者像差校正效果几乎不受衍射效应的影响。

报道了一种可以被动式产生高峰值功率亚纳秒脉冲的全光纤化的新型Yb光纤激光器。通过在 15 m长度的Yb增益光纤和一对光纤光栅对组成的线性谐振腔内直接熔接一段特殊掺杂的Bi/Cr共掺石英光纤，在975 nm的半导体激光器连续抽运下，实现了高重复频率的高峰值功率亚纳秒短脉冲激光输出。实验结果表明，输出激光的重复频率与吸收的抽运光功率呈线性关系，脉冲激光峰值功率超过30 kW，在吸收抽运功率为8.2 W时，光纤激光器获得了重复频率最高为50.2 kHz、平均功率为2 W的亚纳秒脉冲激光输出。分析实验现象可以发现，在亚纳秒脉冲激光的产生过程中受激布里渊散射起着关键的作用。此外，观测光谱发现在Bi/Cr共掺石英光纤端有非常平坦的红外超连续谱输出，光谱覆盖范围超过1000 nm, 光谱平坦度小于5 dB。

在核反应时间过程测量系统中，闪烁体主要用于将中子转换为便于记录的可见光。EJ-232塑料闪烁体的主要特点是响应快、衰减时间短，利用其进行中子光转换可提高系统的时间分辨。利用波长为263 nm的激光激发闪烁体对其时间特性进行了测量，闪烁体尺寸为Φ6 mm×1 mm和Φ6 mm×2 mm。测量结果表明，EJ-232塑料闪烁体的发光上升时间小于30 ps，光致激发荧光衰减常数分别为0.6 ns和1.1 ns。中子激发闪烁体的衰减时间常数比光致激发荧光的衰减常数更长。

先后采用电化学腐蚀法和化学酸腐蚀法腐蚀多晶硅，用于制备高效率多晶硅太阳电池。首先将多晶硅片在HF和CH3CH2OH体积比为12的溶液中进行电化学预腐蚀，具体研究不同电流密度对多晶硅绒面形貌的影响；然后采用化学酸腐蚀法进行二次腐蚀，去除多晶硅表面的疏松结构，得到高性能的多晶硅绒面。使用扫描电镜观察多晶硅表面腐蚀形貌。实验结果表明，当电流密度为30 mA/cm2、腐蚀时间为300 s时，多晶硅表面形成带孔洞的疏松结构；预腐蚀后多晶硅片在HF和H2O2体积比为41的化学腐蚀溶液中，在室温超声腐蚀60 s后，腐蚀坑平均孔径为2~4 μm，坑深为1.5~2 μm，能达到良好的光陷阱作用和减反射效果，可以提高多晶硅太阳电池的光电转换效率。

研制了一种用于体内成像诊断和光动力学治疗的荧光显微内窥术，可根据探测的荧光信号强度，采用反馈算法快速调节不同成像区域的激发光强度，获取高信噪比、大动态范围的荧光图像, 实现交互式荧光诊断与光动力学治疗分析。根据反馈的治疗效果，自适应地连续实时调整光剂量，获得最佳的光动力学治疗结果。激发光强度的动态调整由计算机控制数字微镜器件的开关状态及驻留时间来实现。荧光显微内窥镜的外径尺寸为8 mm，工作长度为250.3 mm，可装配在腹腔镜管鞘中，适用于体内病灶的显微成像诊断。实验结果表明，显微成像视场为600 μm，光学分辨率优于2.2 μm，图像动态范围可增强200倍以上，有效改善了荧光微弱区域和荧光饱和区域的图像细节和信噪比，提高了诊断准确性。此技术可进一步扩展为共焦三维成像，实现在体组织细胞学分析。

基于光折变自弯曲相继四波混频多作用区理论，利用类电子学观点建立了多作用区互抽运相位共轭效应(MPPC)输出特性的理论计算模型。根据此模型数值模拟了作用区之间振幅传输系数对MPPC阈值耦合强度以及反射率的影响,发现振幅传输系数越低，MPPC所需要的阈值耦合强度越高，且在相同的耦合强度下，其输出反射率越低。实验研究了鸟翼式互抽运相位共轭器的输出特性，获得了器件反射率随入射位置变化的曲线，并建立了四作用区鸟翼式互抽运相位共轭器输出特性的理论模型，数值模拟与实验结果基本一致。

为满足高亮度发光二极管(LED)的准直照明要求，克服传统LED准直镜径长比过大、结构厚重的缺点，设计了小径长比、结构紧凑以及高度准直的LED准直系统。准直镜设计基于LED为理想点光源，光线在准直镜内部经历了两次反射，根据几何光学的等光程原理和折、反射定律，通过数值求解等光程方程组获得准直镜各个面型的轮廓曲线，系统径长比为0.1。利用TracePro软件对所设计的准直系统进行光线追迹模拟，结果表明，光源为理想点光源时，在Φ50 mm的出光口径处，光线经准直镜出射的光束发散角（光强半值角）为5.4°；光源采用实际高亮度白光LED时，光线经准直镜出射的光束发散角变为6°，在距准直镜1 m处接受屏上，Φ60 mm光斑照度均匀性为92%，光效为52.11%，适用于高亮度LED准直照明领域。系统设计实现了结构紧凑，准直性能高的设计目标，系统公差满足装配要求，为大功率高亮度LED准直照明系统的小型化、简单化提供了一种有效的解决途径。

针对目前室内照明用发光二极管(LED)灯显色性的不足，提出一种解决方案，采用3种不同类型的LED共同构成LED灯的发光模块。通过程序计算3种LED各自使用不同数目时的LED发光模块的色温、显色指数和光效。分析了每种LED使用数目的变化对结果的影响，同时以色温为3800 K和4800 K的结果为例对优化组合的选择加以说明，并从大量的结果中优选了不同色温下(3400 K~5600 K)显色指数(均在90左右)和光效都较为理想的组合结果。与其他提高白光LED显色指数的方法相比，本方案更易于实现，且更适用于室内照明灯具。该研究结果为LED灯在满足优质照明对显色性的要求方面提供了一个发展方向。

为了对光刻物镜的像差进行补偿，设计了一种主动液体透镜，并分析了该主动液体透镜变形过程中的像差变化特性。用去离子水、氟化锂设计了一种主动液体透镜，在考虑重力及静水压力的情况下，分别计算了一点至六点均布、各点均匀施加载荷作用下镜片的变形；然后对变形镜片的挠度进行了Zernike多项式拟合，得到了各标准Zernike多项式系数所表示的像差与机械挤压力之间的函数关系。计算表明：主动液体透镜的各标准Zernike多项式系数值随受力大小呈强线性关系；除一点受力变形外，在多点受力变形情况下主动液体透镜像差的前三项均为piston，defocus及n-foil；主动液体透镜对piston项及defocus项这两种像差的调节能力随受力点的增加有增强趋势，而对其他类型像差的调节能力则呈下降趋势。

设计了一种新型的散射元圆弓形散射元。以此散射元为基础，在硅片上制作出多种介质柱和空气孔型光子晶体波导。测量表明：圆弓形介质柱结构，较空气孔结构更有利于带隙的形成，而且随着参数e的改变，会引起光子禁带大小和位置的改变。对于同一介质柱结构，随着入射光与长轴夹角的增大，其反射谱中禁带的位置产生明显蓝移，反映出这一结构的各向异性特征。

随着环境科学、气象监测和空间探测等前沿基础研究领域的发展，可便携、实时监测的光谱仪器的需求变得更加迫切。以多级微反射镜为关键器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪体积小、无可动部件，可实现实时检测与在线监测。模拟分析了多级微反射镜的台阶高度及表面粗糙度对复原光谱的影响，得到多级微反射镜的台阶高度允许的最大误差为±0.18 μm，反射面表面粗糙度的最大容限为150 nm和200 nm。根据实验研究及对比分析，选用多次光刻电镀方法制作了多级微反射镜。测试表明，以此方法制作的多级微反射镜表面粗糙度均方根(RMS)值为90.23 nm，台阶高度误差值为±0.1 μm，基本满足系统的设计要求。

介绍了一种可实现高变倍比变焦的结构形式，该结构形式由变焦物镜组和变焦二次成像组两部分组成，系统的变倍比是前后两组变焦系统变倍比的乘积。系统中间像面处像面高度和数值孔径在变焦过程中可变，在短焦位置，中间像面高度大，数值孔径小；在长焦位置，中间像面高度小，数值孔径大，这种结构形式有利于系统的像差校正。与传统变焦距系统相比，该变焦距结构形式较容易实现高变倍比变焦。利用该结构形式设计了一套80倍制冷型长波红外变焦距系统，系统全焦距范围内调制传递函数(MTF)设计值在空间频率14 lp/mm处大于0.26，表明该结构形式可用于实现高变倍比变焦距系统。

利用表面等离子体激元（SPP）的局域能量增强效应可提高现有光学光刻的分辨率。背向曝光SPP干涉光刻技术可以大面积制备低成本的纳米周期性结构。理论分析了SPP在背向曝光系统中的共振透射特性，提出了背向曝光SPP干涉光刻系统核心元件银层超透镜的优化设计方法，并利用时域有限差分法和理论解析式模拟计算了背向曝光SPP干涉光场分布，通过优化设计银层超透镜厚度和共振角，实验获得了较好的周期性光刻线条。

基于一维亚波长金属光栅结构的双折射效应，将等效介质理论(EMT)推广到二维亚波长结构，对一种特定的金属矩形光栅结构进行了分析，实现输入线偏振到输出任意偏振态的控制。利用时域有限差分（FDTD）算法对输出光偏振态及其透射特性进行了仿真。仿真结果表明：通过空间角调制的方法，得到输出光的偏振态理论上可实现全庞加莱球覆盖，并具有较高的透射率。

应用彩色滤光膜硅覆液晶（CF-LCoS）微显示器件的三维光学模型对CF-LCoS的性能进行优化。通过改变像素排列结构、液晶取向层的摩擦结构以及液晶器件模式等条件优化侧向电场效应，抑制彩色漏光现象。通过优化，像素尺寸为15 μm的CF-LCoS微显示器件，其色纯度可以达到美国国家电舰系统委员会(NTSC)色域范围的63%。结果表明，基于三维光学模型的CF-LCoS微显示器件的性能优化可以有效抑制侧向电场效应诱导产生的彩色漏光现象，大幅提升器件的色纯度参数。

利用非相干理论和传输矩阵法研究了非相干光束在一维含缺陷层的光子晶体中的传输，分析了光束的非相干性和入射角度对缺陷模式透射位移和光子晶体反射面上位移的影响。结果表明，光束相干性越强，透射和反射位移量越大；入射角度增大，透射和反射位移量也都增大。并与不含缺陷结构的光子晶体的通带频率光束相比较，发现缺陷层的引入会使透射位移量增大，在不同相干条件下，缺陷模式的透射位移量要更大些。

为实现海上沙尘的全天时自动监测，分析了大量MTSAT卫星观测数据，表明海上沙尘样本区在11 μm和12 μm的热红外亮温差为负，可见光反射率一般高于晴空海面而低于云区，11 μm通道的亮温高于云区而低于晴空海区；同时运用Libradtran辐射传输程序包模拟不同水汽含量和不同下垫面温度时沙尘区热红外通道亮温差，表明在水汽含量相对较高的海面，沙尘区热红外通道亮温差仍为负值，这一特性可作为海上沙尘识别的重要指标。在沙尘辐射特性分析和模拟的基础上，通过红外亮温差判断，在白天结合可见光通道的反射率与3 pixel×3 pixel标准偏差；在夜间利用上一时相的沙尘区设定亮温阈值，提出一种简单有效的海上沙尘全天时自动监测算法。以2008年3月1~2日、2010年3月19~21日两次沙尘过程的MTSAT卫星数据为例进行我国海上沙尘的监测试验，结果表明，利用该算法能够有效提取出海上沙尘区的分布范围，客观反映沙尘的运移过程，监测结果利于反演沙尘气溶胶光学厚度、估算海上沙尘沉降通量等问题。

研究了激光雷达远距离探测时信号光的空间相干特性和接收口径尺寸对外差探测的归一化载噪比RnCN和视场角Ωf的影响。采用激光雷达远距离探测模型，给出部分相干光探测时RnCN的一般表达式和相应的接收理论。进一步数值模拟分析显示：当高斯型本振光斑尺寸大于接收口径大小时，RnCN达到饱和状态；空间相干长度和口径半径的增加都能提高RnCN，但会导致Ωf的降低。在理论和数值模拟的基础上，提出RnCN和Ωf的乘积正比于λ2，且此关系不受回波信号相干特性的影响。最后给出Hufnagel-Valley 5/7湍流模型下探测高度和地面距离对RnCN的影响。

针对非线性混合的高光谱图像目标检测问题，在核信号空间正交投影法（KSSP）的基础上，提出了一种光谱和空间信息结合的组合核信号空间正交投影方法（CKSSP）。分别基于边缘序和像元距离为序尺度函数的导出序将灰度形态变换扩展到多值图像空间中的形态变换，利用多结构元素组合的扩展数学形态学方法提取高光谱图像的空间信息。根据核函数定义，结合光谱信息和空间信息构造出组合核函数并加以证明，通过组合核信号空间正交投影实现目标检测。该方法在充分利用光谱信息的同时，合理利用了空间信息。仿真数据实验结果表明CKSSP的均方根误差比KSSP小0.03，真实高光谱图像数据实验和ROC曲线均表明CKSSP目标检测结果优于KSSP。

选用4种不同形态碳元素样品（石墨、碳酸钙、无水对氨基苯磺酸和煤）进行激光诱导击穿光谱(LIBS)实验。通过改变激发环境氛围（大气、氮气和氩气），分析激发环境氛围对不同形态碳元素的原子发射光谱和分子发射光谱激发机制的影响，进而实现对不同形态碳元素的LIBS特性研究。研究结果表明，不同形态碳元素原子发射光谱C I的变化规律为在氩气中最强，在大气中次之，在氮气中最弱。而不同激发环境中，分子光谱C2和CN的变化规律与原子光谱C I的变化规律存在差异，这主要取决于样品本身的结构差异和等离子体与周围环境的相互作用机制。

以对工业废水或污水溶液中Cr元素的实时、定量检测为目标，实验研究了重铬酸钾（K2Cr2O7）水溶液中金属元素Cr的单脉冲激光诱导击穿光谱（LIBS）。研究了Cr元素LIBS信号的时间演化特性及脉冲激光能量对Cr元素LIBS信号的影响。通过测定Cr元素浓度(物质的量分数)在5×10-5~4×10-3区域内变化时425.44 nm谱线处的强度，得到了Cr元素浓度与谱线强度的定标曲线。实验结果表明，本实验的最佳探测延时为1.28 μs，最优脉冲激光能量值为120 mJ。由定标曲线拟合结果得到Cr元素的检测限为6×10-6。研究结果表明，应用LIBS技术能够实时、定量检测水溶液中的重金属Cr元素，并且能够达到较好的检测限。

发光二极管（LED）作为一种新型光源，应用于差分吸收光谱技术（DOAS）中具有较大潜力。但一些LED灯谱中的法布里珀罗标准具结构影响DOAS的反演。分析了一种蓝光LED（Luxeon, LXHL-LR3C）灯谱中出现标准具结构的原因，研究了这些结构与入射角度之间的关系。通过改变LED的入射角度，可以使LED灯谱变得平滑，达到去除LED标准具结构的目的。在长光程DOAS上进行了四种不同入射角度下测量大气NO2的实验，并与传统的氙弧灯长光程DOAS测量结果进行了比较。结果显示，当LED倾斜30°入射时，两者的测量结果有很好的一致性，系统的探测极限也只有正入射时的13%左右。说明只要选择合适的入射角度，使LED谱平滑，就可以有效去除LED标准具结构对DOAS反演的影响。

采用真空蒸镀的方式制备了电致变色氧化钨薄膜，采用直流磁控溅射方法镀制了银层，采用电子束蒸发以插入层及共生的方式对氧化钨薄膜进行二氧化钛掺杂。使用UV757CRT紫外可见分光光度计测量了各样品随时间变化的透射率光谱。在CHI604C电化学工作站上进行了电化学测试，致色过程中进行了原位的光谱测量。使用原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)观察了复合氧化钨薄膜的形貌。实验结果表明共生复合薄膜具有良好的环境稳定性，掺有银纳米层的复合薄膜与基底附着紧密，结构稳定，致色效率相对单层氧化钨薄膜平均提高了52.85%，漂白态和着色态的透射率差值达到了87.64%(λ=600 nm，致色时间20 s)。

超分辨近场结构光存储技术(Super-RENS)是一种利用功能薄膜结构实现突破光学衍射极限的信息点记录和读取的新技术，作为超分辨光盘结构的掩膜材料是决定其性能的关键。利用透射电子显微镜研究了可作为超分辨光盘掩膜层Sb2Te3薄膜的晶态结构、表面形貌；利用光谱仪和椭偏仪分析了其光学性质随膜厚的变化。结果表明，沉积态Sb2Te3薄膜呈弱晶状态，在一定厚度范围内，其光学性质随膜厚的不同有较大变化。当膜较薄时，其消光系数和折射率随膜厚的增加而减小；当膜厚达到一定值时，其光学常数随膜厚的增加逐渐趋于稳定，即存在膜厚影响临界值。消光系数和折射率的膜厚影响临界值分别在80 nm和50 nm左右。薄膜的光学性质与膜厚的关系可以用薄膜结构的连续性来解释。

基于诱导反射原理设计了一种可见光波段金属介质薄膜结构的反射型彩色滤光片。高吸收铬和高反射铝的应用使它既能获得高反射率又有很高的宽波段截止度，通过改变介质匹配层的厚度实现适当的导纳匹配，得到了反射率大于72%、较高色饱和度的红绿蓝三色滤光片。实验制作了样品，测试结果与设计相吻合。基于半色调技术，采用光刻和剥离工艺制备了不同面积占空比的滤光片阵列，实现了高分辨率、介于红绿蓝三色之间中间色的光学反射单元。

为研究普通彩色喷墨打印机的颜色特性化，分析了打印过程中的两个主要步骤，即墨水分色过程和介质上的呈色过程，并提出较为精确的光谱预测模型。呈色过程采用基于简单点增益的(YNSN)模型和基于复杂点增益的改进型YNSN模型。为解决打印机的墨水分色无法直接控制的问题，构造了色度误差目标函数，利用非线性优化求解图像红绿蓝数值对应的青、品红、黄、黑(CMYK)喷墨量，并建立两者间的多项式回归关系。实验结果表明，进行非线性分色处理的模型能较好地预测打印的光谱和色度，相对于简单分色模型，其色度精度有明显提高。

从色光加色混合的基本特性出发，对两台专业级液晶显示器(LCD)进行了光谱辐亮度测量。对测量结果进行计算表明，显示色与三原色光谱辐亮度函数之间存在线性叠加关系，不同数字驱动值下相同波长的三原色光谱辐亮度函数满足三次多项式的关系。利用这两个关系提出了一种根据数字驱动值和对应的三原色光谱辐亮度函数计算任意显示色的算法。实验验证结果表明，这种计算方法的准确度很高，可以作为LCD颜色特征化的方法。

利用高速一维LED阵列和圆柱形视差光栅构建了一套360°可视的空间三维显示系统。为了提高它的显示效果，分析了这种系统的成像原理，推导了系统的分辨率、刷新率、显示空间等主要显示参数与系统结构参数之间的关系，并提出了一种提高分辨率的方法。根据分析结果制作了原理样机，同时设计了基于FPGA与并行处理技术的图像传输与分发系统。图像分辨率达到了周视1380 pixel，垂直480 pixel，并在383 mm×480 mm的柱形显示空间内达到了233 pixel×480 pixel的单视角分辨率。