望远镜接收的后向散射光场与单模光纤的耦合效率是影响全光纤拉曼测温激光雷达系统性能的重要参数之一。通过分析自由空间平面光场与单模光纤耦合的数学模型，阐明了同轴激光雷达接收望远镜中心遮挡对最佳耦合效率的影响，并对不同遮挡率时横向偏移、倾斜角度和离焦误差等安装误差对耦合效率的影响进行数值分析。然后以此为基础采用Zemax软件创建望远镜耦合系统优化设计的初始光学系统，增加并选择合适的透镜和微透镜及优化系统结构参数，使系统在遮挡率为0.288时总耦合效率从卡塞格林望远镜直接耦合的17%提高至50%。最后提供了两种微透镜阵列与单模光纤阵列结构来提高光信号耦合能量。结果表明，使用微透镜阵列与单模光纤阵列耦合的新型望远镜耦合系统可以提高拉曼激光雷达系统的耦合效率和能量。

光子晶体光纤（PFC）有着传统光纤无法比拟的优良特性，特别是具有极好的非线性效应和双折射效应；当输入抽运波偏振方向同双折射轴成45°时，通过引入拉曼增益的洛伦兹模型，研究了光子晶体光纤中在参变放大和拉曼散射共同作用下的增益谱特性。结果表明，由于参变放大和拉曼散射的相互作用，输入功率和群速度失配对光子晶体光纤的增益有重要影响。随着输入功率和群速度失配的增大，增益谱强度增强，宽度加宽。在反常色散区，输入功率较大并达到稳定时，斯托克斯波增益谱呈现多峰结构；在正常色散区，斯托克斯波增益大于反斯托克斯增益。当满足一定关系时，在光子晶体光纤中传播的抽运波可以分解为脉冲序列，由此分离和提取T频脉冲。

构建了一种用线性调频信号去调制激光振幅的激光相干雷达实验系统。系统使用窄线宽激光器、马赫曾德尔（M-Z）幅度调制器以及光纤零差光路，利用直接数字合成（DDS）技术所生成的啁啾信号对激光振幅进行调制，完成了对目标靶运动速度与距离的同时测量，对速度距离分辨率和误差进行了测试和分析，对信噪比(SNR)与系统探测能力的关系进行了研究。实验结果表明该系统可以达到毫米每秒的测速精度和厘米级的测距精度，探测灵敏度优于0.1 nW。

在光纤承载射频(RoF)系统中，针对普通单边带信号中光载波分量和光边带分量之间功率差较大的问题，提出了一种利用集成马赫曾德尔调制器(MZM)生成单边带信号的改进方法。通过调节该集成MZM中直流臂上的直流偏压，对于任意调制指数，单边带信号中两个分量的功率都能够平衡，即得到最优的0 dB载边比(CSR)。理论分析了集成MZM处于不同损耗状态时载边比的变化情况。仿真结果证实了在不同损耗状态下调节直流偏压可以使单边带信号中光载波和光边带的功率平衡。仿真结果还表明，当集成MZM中的直流偏压偏离最佳值时，如果将偏压漂移控制在5%范围内，RoF系统具有较好的稳定性。

提出了一种双包层单模光纤传感器结构，根据波导理论推导出了光纤中导模变为泄漏模时，外包层折射率与双包层结构参量之间的关系，获得了这种光强调制型传感器可测量的折射率变化范围。利用已知热光系数的材料制作的温度传感器，从实验上证实了理论分析结果，并由理论与实验结果的分析得到了传感器的工作原理是：导模变为泄漏模后，输出光强与外包层一定范围的折射率变化有准线性关系。获得了在55~105 ℃的温度范围内的具有准线性响应的温度传感器，光强变化范围达到了39 dB；提出了利用一种围栏结构在光纤上涂覆敏感材料的简便方法，用琼脂糖制作出了插入损耗仅0.5 dB、相对湿度（RH）在30%~100%范围具有准线性响应、光强变化范围接近9 dB的光纤湿度传感器。

提出了一种光照直接改变光纤布拉格光栅（FBG）直流折射率调制强度引入相移的方法。仿真和实验表明，利用该方法可以在FBG上产生任意相移量。对利用该方法设计的相移FBG和传统离散相移FBG的性能进行了比较，表明两者具有相近的反射谱特性。针对光码分多址应用，制作了7位、63位码片的时域相位编解码器，测试结果表明其具有良好的编解码性能，从而证明了该种方法可用于制作多相移光栅。该方法在FBG中引入相移时不需要相位掩模板、制作工艺精度低，因此在灵活性、简单性和制作成本方面有一定的优势。

通过在长周期光纤光栅的某一位置引入一段调制结构形成积累相移，提出了一种新的相移长周期光纤光栅结构的设计方法。基于光纤光栅相位匹配原理，给出了在引入的调制结构为均匀短周期光纤光栅，其折射率调制深度与原光纤光栅一致时，调制结构的参数(光栅周期和长度)与所引起相移大小的关系式，并采用传输矩阵法和CO2激光单面曝光的方法从仿真和实验方面对所提出的结构进行了分析和验证。研究表明：在长周期光纤光栅某点引入一段均匀短周期光栅调制结构能够形成相移长周期光纤光栅，并且当其折射率调制深度与原长周期光纤光栅一致时，形成的相移长周期光纤光栅光谱只与调制结构的长度有关。

高功率单频拉曼光纤放大器(SF-RFA)的性能往往会由于受激布里渊散射(SBS)的出现而受到限制。数值模拟结果表明单级SF-RFA的输出功率较低，且所需的抽运功率远高于实际器件所能承受的水平。采用多级放大结构可使SF-RFA的输出功率和效率均有较大幅度的提升；各级放大器应选择适当类型的光纤，在波分复用器（WDM）所能提供的抽运功率范围内，可得到较高的放大光输出。以二级放大系统为例，第一级放大器使用100 m、纤芯有效直径为6 μm的标准单模光纤，通过在光纤中施加应力梯度来抑制SBS，在抽运功率为32 W时，得到约3 W的输出；以此为第二级放大器的种子信号光，使用70 m、纤芯有效直径为15 μm的光纤，同样通过施加应力梯度抑制SBS，在抽运功率为105 W和130 W时可分别得到20 W和30 W的放大光输出。

为了提高受激布里渊散射慢光的延时和抑制脉冲展宽，通过四阶Runge-Kutta法和特征线法对基于光纤的受激布里渊散射耦合方程组进行数值求解，计算了斯托克斯脉冲边沿陡峭程度、功率、宽度对延迟时间以及脉冲展宽因子的影响，提出了在低频范围内适当提高斯托克斯脉冲的边沿陡峭程度, 可以优化延时和脉冲展宽因子的方法。该方法可以获得与高斯脉冲近似相等的延时和很小的脉冲展宽因子。基于波形能量差异的理论分析也证实了提高边沿陡峭程度对抑制脉冲展宽有明显的影响。

传统成像光学系统的点扩展函数（PSF）峰值位置在其光轴上，斯特雷尔比(SR)定义为有无像差轴向PSF强度之比，而波前编码系统在光瞳处相位变化为非旋转对称式，其PSF在像面上将产生偏移，利用PSF的轴向强度计算光学系统斯特雷尔比将不再适用。分析了三次相位掩模板PSF的位置偏移量，其是以焦面为对称轴的抛物线族。并在此基础上提出了适用于评价波前编码系统的非轴向斯特雷尔比(SRWC)，分析了非轴向斯特雷尔比的变化特性，其幅值与相位板参量成反比。并利用非轴向斯特雷尔比研究了PSF的一致性及可恢复性问题，阐述了影响PSF一致性和可恢复性的因素。最后，提出了基于非轴向斯特雷尔比相位板参量的优化方法，该方法给出了相位板参量与系统一致性和可恢复性之间的定量关系。

设计了应用于神光-Ⅲ装置的汤姆孙散射光收集系统。采用折反式双卡塞格林结构，实现了在有限口径内长距离的像传递，解决了紫外透射材料选择困难的问题。通过纠正镜的优化设计，使超长焦距透镜的加工、检测简化。通过选择适当的中间像面的放大倍率，降低了次反射镜的遮光比。通过在一次像面附近增设透射光学元件，实现了两组光学系统的有效耦合。在中间像面设置十字分划板方便了系统安装瞄准操作。系统总长5 m，最大元件口径190 mm，视场范围2 mm，放大倍率为1.5，物方F数为10，物方分辨率优于20 μm。

锥形多模干涉耦合器克服了传统多模干涉(MMI)耦合器结构尺寸大的缺点，满足当前集成光器件高集成度的要求，其成像特性对设计基于它的集成光器件至关重要。根据多模干涉耦合器的自映像原理，对锥形多模干涉耦合器成像特性进行分析，发现成像特性与输入场位置、位置数、多模波导初始宽度及渐变率等参量密切相关，得到成像位置的解析表达式并总结出规律。最后采用导模传输分析法进行数值模拟和有限差分束传输法（FDBPM）进行仿真，验证了理论分析的正确性。根据成像位置表达式和规律，得到锥形多模干涉耦合器的一般成像特性，为用锥形多模干涉耦合器设计集成光器件的研究提供了理论依据和设计参考。

卡塞格林光学遥感系统相当于一个望远系统和环形光阑的组合，无穷远物的夫琅禾费衍射谱是圆孔衍射和圆屏衍射共同作用的结果。由于系统次镜中心遮拦的影响，损失了一部分衍射谱，造成了系统调制传递函数（MTF）在中频段的下降，影响了成像质量。设计了一个2 m焦距的改进型卡塞格林光学系统。为了弥补系统成像质量的损失，运用调制传递函数补偿（MTFC）技术，通过倾斜刃边法提取卡塞格林系统所拍摄图像的点扩展函数（PSF），对退化图像进行复原，并利用多种客观图像质量评价函数对复原效果进行了评价。实验结果表明，该方法对于卡塞格林系统成像质量的提高具有良好效果。

分别分析了红外焦平面阵列(IRFPA)基于定标的非均匀性校正(NUC)算法和基于场景的NUC算法的优势和问题。在此基础上提出了联合NUC算法，其中利用基于定标的两点校正法来初步消除探测器的非均匀性，然后再采用基于场景的时域高通校正法和新型自适应滤波校正法来抑制探测器非均匀性参数漂移的影响，同时减弱系统噪声对成像质量的破坏。实验结果表明，与两点法、时域高通法以及传统自适应滤波法等具有较大工程应用价值的NUC算法相比，联合NUC算法具有稳定而且性能更为优良的校正效果。

通过引入接触线摩擦力，建立了基于双液体变焦透镜内壁的液液固三相系统接触线的力学物理模型，重新对非理想状态下液液固三相系统接触线进行了受力分析。在此基础上，对杨氏方程进行了改进，合理地解释了双液体变焦透镜的变焦迟滞现象。通过对疏水介电层厚度为2 μm的双液体变焦透镜进行加电压变焦实验，给出了双液体透镜的焦距与电压之间的迟滞曲线，该实验结果与理论分析是一致的。

散装物料大型堆场三维形貌参数的准确快速测量是现代物流管理、装卸工程机械智能化作业的重要工作。由于堆场形貌复杂、纹理特征贫乏和材质反射效率低等特性，非接触方式中的激光扫描、摄影测量难以准确有效测量，传统光刀法也很难做好大型堆场测量工作。提出了激光投线仪扫描辅助下的双目摄影测量方法，并从影像梯度与核线关系解决立体影像同名点匹配、同名点交会平差获得轮廓边缘三维点集、基于投影轮廓线空间特征重建三维轮廓线的模型算法。通过该方法，双目相机在不同工作测站均可对堆场进行扫描与局部三维形貌重建。实验证明该方法具有速度快、精度高、自动化程度高和工作稳定可靠的特点。

针对高精度点衍射球面检测系统中金属反射介质的偏振效应，分析了不同偏振态光束在不同孔径角范围情况下所引入的斜反射波前像差。通过数值仿真，对金属反射介质所引入的斜反射相移曲线特征进行了分析，并以此为基础，提出了相应的斜反射波前像差校正方法。利用高精度球面检测中点衍射干涉仪对所提出的校正方法进行了实验验证，并给出了相关实验结果。结果表明，干涉检测系统中选择不同光束偏振态时，金属反射介质会引入不同的影响，而利用该校正方法可有效减小其斜反射波前像差，校正实验中可将波面面形偏差峰谷(PV)值和均方根(RMS)值分别由0.0452λ和0.0075λ降至0.0194λ和0.0021λ(λ为光波长)。

针对彩色编码条纹投影轮廓术中，被测物体表面颜色易与投影条纹颜色发生干扰的问题，提出了一种新的基于互补色编码条纹投影的三维测量方法。先后向被测物体投影一幅主彩色编码正弦条纹图和一幅与前者包含的彩色编码条纹颜色互为补色的彩色条纹图。利用两者颜色互补的特点，判断两幅图像中对应像素点的颜色状态来确定其在主彩色编码正弦条纹图中所属条纹的正确颜色，解决物体表面颜色干扰导致的条纹颜色误判问题，得到准确的彩色编码信息。采用傅里叶变换法获取主彩色编码正弦条纹图中包含的正弦条纹的包裹相位，基于彩色编码信息展开相位。实验表明，提出的方法能有效降低被测物体表面颜色对投影条纹颜色的干扰，可靠地实现物体的三维测量。

数字体图像相关方法通过分析两幅以体素为单位的三维体图像获得物体内部的三维变形信息。在利用数字体图像相关方法测量物体内部变形的过程中，整体素的位移场可以通过简单的空域搜索获得，因此如何计算亚体素位移是提高该方法位移测量精度的关键。介绍了一种基于空间灰度梯度的亚体素位移测量算法，并用计算机模拟生成的可精确控制位移的三维散斑体图像和真实的激光扫描共焦显微镜三维体图像测试了该算法的计算精度和计算效率。结果表明，基于梯度的亚体素位移测量算法原理简单，计算效率高，可用于实际物体内部变形的高精度测量。

铌酸锂行波相位调制器在光纤通信和相位编码光纤量子密钥分发等领域有着广泛的应用，其半波电压参数的测量会受到一系列因素的影响而带来误差，该误差直接影响了所应用系统的整体性能。针对行波相位调制器在相位编码量子密钥分发系统中的应用模型，提出了一种基于萨尼亚克光纤干涉环的相位调制器半波电压的测量方法，由于测量装置采用了和应用模型相同的调制方式，所以测量数据具有较高的可靠性。实验针对住友公司的行波相位调制器实现了10 mV精度的半波电压测量，将之应用于差分相位编码量子密钥分发系统，得到了比采用传统的极值法测量得到的半波电压更低的误码率，为量子密钥分发系统中相位调制器半波电压的准确测量和相位电压的准确加载提供了一种有参考价值的实验方法。

非球面可以由其法线汇来表征，即可以由法线距和法线角的关系来描述。提出了一种基于相位测量偏折术(PMD)的非球面反射镜法线向量检测方法。在PMD测量系统中，将待测镜沿光轴方向作相对移动。在移动过程中，由CCD相机扫描待测镜，观察并记录下随待测镜移动而发生变化的条纹图，通过相位分布计算得到非球面法线距和法线角的关系，即非球面的法线汇，再由法线汇计算得到非球面面形直角坐标分布。在该方法中，可以用法线汇来描述非球面的面形，同时也可以通过几何计算转换到直角坐标系进行评价。

用光谱辐照度标准灯的光谱辐照度标定内部照明的积分球开口光谱辐亮度，这一技术目前已比较成熟，通过两种方式推导出的传递仪器光谱辐亮度响应度之比随波长而变化。针对这一现象，构建了基于标准探测器的绝对辐亮度计和绝对辐照度计。用所构建的绝对辐射计在4个波长处标定光谱辐照度标准灯及标准漫反射板的变化情况，得出标准灯实际光谱辐照度值比自身标定值大，漫反射板实际双向反射分布函数(BRDF)比自身标定BRDF小的结论。将实际光谱辐照度及BRDF分别修正到积分球光谱辐亮度及传递仪器光谱辐亮度响应度中，修正后的传递仪器光谱辐亮度响应度之比随波长变化而趋于常数1。不确定度分析表明，在4个波长处光谱辐亮度定标中合成标准不确定度为0.884%~1.217%，光谱辐照度定标中合成标准不确定度为0.768%~1.136%。

对应用于光控相控阵系统的级联微环集成波导光延时线进行了研究，重点分析了波导微环耦合系数在过耦合和欠耦合状态下对其延时响应的影响。以三环级联光延时线结构为例，研究了无限制耦合条件和过耦合条件下得到的优化结构参数以及获得的延时性能。结果表明，在小的延时量目标下，无限制耦合条件比过耦合条件更有利于实现带内平坦的延时响应和幅度响应，对集成波导微环光延时线的设计与实现具有良好的参考价值。

对基于周期极化钽酸锂(PPLT)晶体的光参变振荡器（OPO）技术进行了理论分析和实验研究，通过三波混频耦合波方程组，计算了PPLT-OPO的波长调谐曲线。分别研究了信号光单谐振结构（SSRO）和闲频光单谐振结构（ISRO）下，PPLT-OPO的中红外激光输出特性。当NdYAG激光器输出的1.064 μm激光抽运功率为48 W，重复频率为5 kHz时，SSRO和ISRO输出的3.9 μm中红外激光功率分别为5.78 W和5.07 W，相应的转换效率分别为12%和10.6%，ISRO输出的3.9 μm激光的近场光斑分布和光束质量优于SSRO的输出结果。

报道了一种傅里叶域锁模（FDML）的扫频激光光源。扫频激光光源由激光谐振腔和光功率增强单元组成，激光谐振腔主要包含增益介质、调谐滤波器和延迟线。增益介质采用了两个串联的半导体光放大器，调谐滤波器则采用了基于利特罗结构的光栅旋转多面镜。研制的FDML扫频激光光源的中心波长为1290 nm，扫频速度为14.8 kHz，扫频范围为108 nm，半峰全宽为61 nm，输出平均功率达3 mW。扫频光源是光学频域成像系统的关键部件，该扫频光源的研制将有力推动光学频域实时成像技术的发展。

现代探测系统由单一工作模式到复合工作模式的转变,对伪装材料的光谱特性提出了某些特殊要求。作为一种新型人工结构功能材料，光子晶体基于光子禁带的高反射特性可以实现热红外伪装。设计了一种基于一维掺杂光子晶体的远红外与激光兼容伪装材料，利用薄膜光学理论的特征矩阵法计算了透射光谱。制备的样品经测试，与理论曲线相吻合。结果表明，利用一维掺杂光子晶体可以实现远红外与激光兼容伪装。

运用反射相位法和高斯光束峰值位移判断法研究了由电单负材料(ENM)和磁单负材料(MNM)组成的双层结构的古斯亨兴位移现象。首先利用传输矩阵计算结构的反射系数，通过对反射系数的相位分析，发现对于单层的电单负材料和单层的磁单负材料，反射高斯光束的古斯亨兴位移方向相反，同时位移的大小与材料厚度存在一定的联系。进一步对双层材料传输矩阵进行解析分析，发现由电磁参数互为相反数的电单负材料和磁单负材料组合而成的双层材料，可以便捷地通过改变某一层材料的厚度来调控古斯亨兴位移的大小和方向。

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，对不同Co含量的β-FeSi2的能带结构，态密度、分态密度和光学性质进行了计算和比较。几何结构和电子结构的计算结果表明，Co掺杂使得β-FeSi2的晶格常数a增大，b和c变化不大，晶格体积增大。Fe1-xCoxSi2的能带结构变为直接带隙，禁带宽度从0.74 eV减小到0.07 eV，Co的掺入削弱了Fe的3d态电子，但费米能级附近的电子态密度仍主要由Fe的3d态电子贡献。此外，Co掺杂导致β-FeSi2的晶格体积增大，这对掺杂后β-FeSi2的带隙变窄起到一定的调制作用。光学性质的计算表明，Co掺入后介电函数虚部ε2(ω)向低能方向偏移，且光学跃迁强度明显减弱，吸收边发生了红移，光学带隙随Co含量增加而减小。计算结果为β-FeSi2光电材料的设计和应用提供了理论依据。

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA)方法，利用第一性原理计算了不同压强下CdS晶体闪锌矿结构，得到其晶格常数、总能量、电子态密度分布、能带结构、光反射与吸收系数等性质，通过比较能带结构的变化行为，得出CdS在116.8 GPa附近还存在等结构相变，即由直接带隙结构变为间接带隙结构。结合电子结构系统分析了压力效应对CdS的光学性质的影响。

通过本体聚合法，制备出以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基底的PbSe量子点光纤材料PbSe/PMMA。用透射电镜（TEM）观测了PMMA中PbSe量子点的形貌特征，用紫外可见近红外分光光度仪和荧光光谱仪分析了吸收谱和荧光发射(PL)谱。结果表明，PbSe/PMMA材料中生成的PbSe量子点为近似球形、边界明晰、分布均匀和内部晶相结构明显。量子点尺寸主要与PbO与Se之间的反应温度有关，且随反应温度的增高而增大。在1064 nm激发光照射下，观测到有强的荧光辐射，其辐射峰的半峰全宽为100~300 nm，峰值波长1431~2365 nm。峰值波长与量子点尺寸密切相关，辐射与吸收波长峰值存在15~72 nm的斯托克斯频移。

连续无创血糖检测能够更好地实现对糖尿病的管理和治疗。提出一种利用调频连续波（FMCW）激光雷达技术实现无创血糖测量的方案，通过检测皮肤散射系数的改变来测量血糖浓度的变化。与传统的光学相干层析成像血糖检测法相比，结构更简单，利于实现仪器的小型化、便携化。FMCW激光雷达无创血糖测量系统采用差分干涉的方法，将时域的信号转移到频域，通过分析频域信号斜率来获得被测物体的散射系数。分析了频率调制信号为锯齿波的情况，建立了系统工作过程的数学模型，并讨论了激光器性能对系统分辨率的影响。利用蒙特卡罗方法对类人体组织液进行仿真，分析了不同葡萄糖浓度时信号斜率的变化。仿真结果表明，当葡萄糖浓度增大20 mmol/L时，系统信号斜率下降35%，与米氏散射理论计算值相符。最后介绍了以二氧化硅小球悬浊液作为检测样品的原理验证性实验。从实验的结果可以看出，系统信号斜率与样品散射系数成正比，初步验证了该方法的可行性。

利用矢量衍射理论设计了适用于共焦显微等大数值孔径系统的三区二元相位型超分辨光瞳滤波器。数值模拟了等效数值孔径为1.4的共焦显微系统焦点附近的光强分布，根据系统所需要的斯特雷尔比和轴向分辨率，采用优化搜索算法求解了能够实现光学超分辨的三区二元相位型光瞳滤波器结构。结果表明，利用所设计的三区二元相位型光瞳滤波器可以在较低旁瓣能量的前提下实现共焦显微系统及其它大数值孔径系统的轴向超分辨率。

分析了多路频分复用并行显微荧光探测的基本原理，即把激发光分成多束，对每一束进行不同频率调制，聚焦到生物样品的不同位置，激发产生相应频率的荧光信号，再对光电倍增管（PMT）接收的荧光信号进行分频解调，实现实时、并行和高分辨率的探测技术。搭建了激发光源为405 nm近紫外激光的双路方波调制荧光显微探测系统，实验探测了老鼠神经细胞显微形态，分析解调了双点荧光能量随时间变化的曲线。并研究了荧光显微成像系统放大率、时间分辨率等技术参数，还通过数值分析给出了避免各通道间信号串扰的条件。

理论研究了均匀照明的无偏压光伏晶体中非相干耦合亮暗光伏孤子对的存在性。发现在共同的光伏光折变效应作用下，具有相同偏振和波长但彼此互不相干的两光束可以形成非相干耦合亮暗光伏孤子对。推导了亮、暗光场分量及其半峰全宽(FWHM)的表达式，并以CuKNSBN为例讨论了光强分布特性及半峰全宽与孤子光强的变化关系。结果表明，在形成非相干耦合亮暗孤子对时，暗孤子FWHM要比亮孤子FWHM小得多，从而对折射率改变的贡献较小。并用数值模拟的方法研究了其传播特性，发现非相干耦合亮暗孤子对可以在光伏晶体中稳定传播。当暗孤子光束不存在时，亮孤子光束仍能在晶体中呈呼吸状传播；然而，当亮孤子光束不存在时，暗孤子光束迅速塌陷。

利用标量衍射理论和角谱方法，针对超分辨近场结构光盘存储系统建立了简单物理模型，并提出了超分辨近场结构光盘的读出信号仿真计算方法。通过对比实际测试信号与模拟信号，证明了该读出信号计算方法的可行性。此外，针对超分辨掩膜层对不同功率入射激光响应不同的特性，分别分析了单轨道和三轨道记录符在高、低功率两束激光读出下的差分信号。数值模拟发现，与传统读出信号相比，差分读出方法能够减小来自邻道的串扰，而且利用差分读出方法获得的信号质量更高。

设计并制备了一个新型类贝塞尔调制螺旋相位片，该相位结构是由类贝塞尔函数表示的振幅信息加载到螺旋相位上构成的，通过选择合适的调制参数，使得透射率在相位结构边缘处为零，能够大幅度消除再现光学旋涡光束的旁瓣。采用在纯相位型元件上调制复振幅的编码方法，实现振幅型到纯相位型的转换。通过优化多灰阶激光直写工艺，对每一个像素高度进行调制，直接将该相位片加工在基底是玻璃的光刻胶上。搭建光路验证了光束强度分布，并取得了与理论预期高度一致的结果，为产生高质量旋涡光束提供了一个简便、可靠和低成本的微光学元件手段。

用部分补偿法检测非球面时，部分补偿透镜的优化设计是关键技术之一。针对这一难点，提出了一种以剩余波前斜率作为优化目标的基于Zemax的部分补偿透镜设计方法，分析了剩余波前斜率与干涉条纹密度以及弥散圆之间的关系，得到了弥散圆可以定量表征剩余波前斜率的结论，并将弥散圆半径作为优化函数。针对3种不同参数的非球面进行了部分补偿透镜的优化设计，设计结果表明，该方法可在保证干涉条纹可探测的前提下，简单、快速、全面直观地实现部分补偿透镜的优化设计，减小剩余波前斜率，降低干涉条纹密度，从而扩大干涉仪可测非球面面形误差的测量范围，提高可测的空间频率。

充分考虑航空CCD相机工作环境和成像特点，设计了一款具有5000万像素的航空CCD数码相机光学系统，焦距75 mm，F数为4，畸变小于0.1%，工作温度-40 ℃～60 ℃。通过重点研究环境温度变化对数码相机光学系统成像质量的影响，提出通过无热优化的方法，保证相机在宽温度范围内具有良好的温度适应性。这种方法既能有效减小光学系统在不同温度下像面的热离焦，又有利于航空相机小型化、轻量化设计。

为了满足宽视场成像光谱仪发展的需求，研究了远心、宽视场和大相对孔径的离轴三反系统的光学设计问题，推导出平像场远心三反系统初始结构尺寸参数和三级像差表达式。针对光谱范围0.4～2.5 μm、F数为4、有效焦距720 mm和视场10°的设计要求，采用视场角离轴的方法，设计出次镜为凸球面镜、主镜和三镜共面且都为凹二次曲面镜以及三个反射镜共轴的平像场远心离轴三反成像系统。设计结果表明，该系统在整个波段和全视场内像质接近衍射极限。

针对长焦距、折反射式连续变焦望远系统的设计，提出了一种新的光学结构形式。该结构形式将可变光阑放置于球面主反射镜附近，避免了在变焦部分中使用浮动的可变光阑；然后利用二次成像结构和场镜减小变焦组元的径向尺寸，系统变焦部分仅包含变倍组与补偿组，无需前固定组与后固定组，同时无需使用特种光学材料校正二级光谱，极大降低了系统变焦部分的复杂程度。利用该光学结构形式对一台焦距600~3000 mm、最大口径300 mm、工作在可见光波段的变焦望远系统进行优化设计，该系统在60 lp/mm的调制传递函数（MTF）设计值在所有焦距和视场内均大于0.3。设计结果表明该系统像质良好、制造成本低，适用于工作在可见光波段的长焦距、变焦成像光学系统。

为弥补因太阳模拟器光线发散角大、测试口径小不适用于光伏聚光系统测试的缺陷，设计了大口径、高平行度的室内聚光测试系统。另外还提出了一种新的聚光测试方法：分立光谱局部测量法。首先选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象，利用单色光局部测量法测试该聚光系统的聚光效率，然后利用各种单色光的权重与聚光效率计算聚光系统的平均聚光效率，最后将实验结果与模拟结果进行对比分析。二阶菲涅耳聚光系统模拟聚光效率为88.623%，聚光测试系统测得聚光效率为85.45%，二者的聚光效率相差3.173%，透射比和光斑照度的均匀性均比较接近。聚光效率的差异主要来源于聚光系统的加工制作误差和测量误差。通过实验数据分析，验证了室内聚光测试系统的科学性与可行性。室内聚光测试系统光线发散角为0.267°，与太阳光发散角相匹配，出光口径为145 mm，可实现大口径聚光系统的性能测试。该系统结构简单、成本低，在太阳能聚光领域内有广阔的应用前景。

利用时域有限差分方法(FDTD)研究了由十二重准周期光子晶体(PQ)局部结构组成的复合二维(2D)光子晶体(PC)及其点缺陷的光学特性。结果表明，由于准周期光子晶体局部结构平移对称性缺失，该复合光子晶体可以通过改变缺陷位置来调节缺陷模的特性，由此具有比周期光子晶体更为丰富的缺陷模式及更灵活的调节方式。同时，研究表明，缺陷模频率与所去除介质柱之间的相互影响强弱具有关联性。通过不同点缺陷腔的组合可以进一步获得灵活多样的缺陷模式。

以衍射光学元件相位延迟表达式为理论基础，采用光学材料的折射率柯西色散近似公式，研究并得到了多层衍射光学元件的相位延迟与材料的关系，以及衍射效率与设计波长的关系。在400~700 nm可见光波段，以聚甲基丙烯酸酯和聚碳酸酯为基底材料，由柯西色散近似公式设计的多层衍射光学元件的最大带宽积分平均衍射效率为99.62%，相应的设计波长为440.5 nm和605.5 nm。用该组设计波长和不同设计方法确定的设计波长，对多层衍射光学元件的衍射效率和带宽积分平均衍射效率进行了分析，得到了相应的衍射效率分布误差，进一步揭示了多层衍射光学元件的衍射效率与材料无关，只与设计波长有关。

从原理上阐述了圆双折射光纤光栅中的传输特性和偏振特性。通过坐标变换，得到圆双折射光栅的琼斯矩阵，并基于此详细分析了磁场大小、传输距离和入射光偏振态对透射光传输特性和偏振特性的影响。结果表明，一定大小的磁致圆双折射将使透射谱产生分裂，透射光偏振态随磁场和波长变化。同时偏振相关损耗和第三斯托克斯参量与外加磁场大小在一定范围内呈单调变化关系，可由此实现对磁场的监测。测量范围和灵敏度由光栅材料和结构决定，给出了由Bi-YIG和YIG材料作为传感媒质可实现的动态范围。

建立了混浊物质中低相干干涉系统的蒙特卡罗模型，结合相干面光强的高斯分布和低相干光源的相干条件，对干涉信号进行了数值分析。提出在蒙特卡罗计算的基线数据基础上快速模拟其他参数条件下干涉信号的方法。快速模拟结果与蒙特卡罗计算结果进行了比较，结果显示在满足前向散射条件下，两种方法所得模拟信号强度基本吻合。当各向异性因子g=0.9时，平均相对误差为2.37%，在g=0.5时，平均相对误差为4.69%。在深度相关干涉信号的模拟中，两种方法对浅表层干涉信号的模拟取得了一致的结果。实验中使用低相干干涉系统对不同浓度的脂肪悬乳注射剂与印度墨水混合液中深度为0~1 mm的漫反射光信号进行了干涉测量，并利用基线数据和快速蒙特卡罗模拟方法成功对实验数据进行了数值拟合。

高分辨率三反射式空间光学系统的三个镜子之间的相对位置误差会影响整个系统的性能，需要进行空间在轨调校。提出一种新的无波前传感综合校正方法，将随机并行梯度下降算法、相位变更法和灵敏度矩阵反演法相结合，既保留了灵敏度矩阵反演法的校正精度，又大大提高了可校正误差的动态范围。该方法无须使用波前传感器，系统简单，实现容易。对一个典型的三反射式空间光学系统进行了大动态范围位置误差在轨综合校正的计算机仿真，结果表明，该方法大大提高了可校正误差范围，同时实现了很高的校正精度。

基于一种新型、高效、生物兼容性近红外表面增强拉曼散射（NIR-SERS）基底，采用便携式近红外拉曼光谱仪分别对健康人和肝癌病患者的血清进行了NIR-SERS光谱研究。实验发现，健康人与肝癌患者的血清NIR-SERS光谱存在显著差异：1）健康人血清NIR-SERS 光谱中位于630、720、812和1578 cm-1附近的谱峰在肝癌患者血清NIR-SERS 光谱中变得很弱，甚至消失；2）健康人血清NIR-SERS光谱中位于1130 cm-1和1204 cm-1附近的谱峰在肝癌患者血清NIR-SERS 光谱中分别蓝移到1135 cm-1和1269 cm-1附近，同时在558 cm-1附近出现一新的较强拉曼峰；3）对健康人和肝癌患者血清NIR-SERS光谱中位于300、630、1130和1578 cm-1等处的拉曼峰相对峰强度比研究发现，相对峰强度比I630/I300，I1130/I300和I1578/I300可以作为较好的区分健康人和肝癌患者的NIR-SERS光谱诊断指标，这为基于SERS光谱技术进行肝癌光谱诊断提供了初步的实验依据。

应用拉曼光镊对人的单个血小板细胞(Plt)进行拉曼光谱收集与分析。拉曼信号显示，人类血液成分中，血小板的类胡萝卜素浓度最高。虽然类胡萝卜素在人类血小板中普遍存在，但是单个血小板之间差异极显著，且与血小板的脂类物质、蛋白质含量没有相关性。血小板激活过程引起蛋白质拉曼光谱的变化，而类胡萝卜素基本没有变化；常温（25 ℃）保存的血小板会导致类胡萝卜素光谱信号降低，脂类物质的相对拉曼信号强度基本没有变化，但经低温（4 ℃）12 d保存的血小板则相反。

以锗基红外宽带增透膜(AR)为例，基于Matlab最优化工具箱，研究了多种局部优化算法在多层膜设计中的性能和反向工程算法开发中的可行性，并就数值实验中出现多解性问题的成因、分析及解决方案进行了探讨。结果表明，Matlab最优化工具箱中的导数算法在多层膜局部优化设计上具有更好的局部极值搜索性能和收敛速度；非导数算法性能较差且收敛时间较长，但具有更多的搜索路径，较适用于设计初期开拓搜索方向。在多层膜反演中，导数算法中的非线性最小二乘估计指令lsqnonlin和非线性方程求解指令fsolve的性能出色，建议作为多层膜反向工程问题的主要算法。无约束优化指令fminunc性能次之，约束优化指令fmincon再次之，可作为备用反演算法。而多目标优化指令fminimax和其余非导数算法由于算法的性能不足和自身内在多解性的原因，不利于多层膜的反演，容易得到错误的结果，不建议作为反演算法使用，仅可作为可选算法以供对比参考。

采用传输矩阵法及Matlab软件模拟以聚合物MEH-PPV为发光材料的顶发射聚合物发光二极管（TEPLED）出光率，探讨了阳极材料、阴极材料、折射率匹配层以及发光角度等对器件出光率的影响。从仿真结果可知以传统分布布拉格反射器（DBR）为衬底的器件与以Ag膜为反射阳极的器件相比，表现出更高的出光率，达到47.43%。针对半透明金属阴极对光线的吸收和反射问题，设计了以透明材料为阴极的器件，提高了TEPLED出光率，达到67.11%，与以Ag膜为阴极的器件相比，出光率高出10%。分析了DBR对器件出光角度的影响，结果表明，器件在较小出光角度范围（30°）内DBR结构对整个TEPLED出光率影响较小；当角度大于30°时，器件出光率受DBR的反射特征影响较大。DBR的应用为TEPLED出光率的优化设计提供了理论依据。