以两种典型的吸湿性气溶胶组分(氯化钠和硫酸铵)为例，采用米氏散射程序，计算了粒子的吸收效率因子等光学参量，并分析了吸湿性气溶胶粒子加热的等效吸收系数随时间的变化规律，着重分析了忽略粒子自身吸收对等效吸收系数的影响，常规计算值与等效吸收系数在1 μs时相对误差可达到234.7%和255.2%。同时，就不同相对湿度、不同波长对等效吸收系数含时变化规律的影响进行了对比分析，并讨论了采用均匀混合模型计算结果的相对误差，在1 μs时实际值与计算值相对误差最大，分别小于3.62%和7.07%。

讨论了由大气湍流造成的望远镜导行误差，这一误差将给望远镜光电导行的精度带来较大影响。其中使用单点源目标的导行精度受限于大气相干长度和大气相干时间，而多点源目标及面源的导行精度还与湍流随高度的变化有关。通过分析和仿真（数值模拟）结果表明，现代天文观测必须考虑大气湍流对光电导行精度的影响。通过延长曝光时间可以有效降低湍流大气的影响，同时也降低了光电导行的反馈控制频率。当导行信标为多星或面源则可在一定程度上降低高层大气湍流带来的光电导行误差，从而可以适度减少光电导行曝光时间，提高其反馈控制频率。

根据球形粒子的Mie散射理论和平行平面大气中的辐射传输理论分析了作用于水云粒子的太阳辐射压力。结果表明，一般情况下当云滴半径不大于10 μm时，太阳辐射压力可达云滴重力的百分之几；云滴半径在0.3 μm附近时，太阳辐射压力达到极大值，约为云滴重力的百分之几十。因此在云物理研究中应考虑作用于云粒子的太阳辐射压力。

研究了时间延迟积分型面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器调制传递函数（MTF）速度失配特性，在分析累加级数、像素尺寸、镜头放大倍数、行周期及电机运动速度失配等影响因素的基础上，建立了MTF速度失配模型。基于现场可编程门阵列(FPGA)开发板，搭建面阵CMOS图像传感器实现线阵时间延时积分（TDI）的CMOS测试系统。实验结果表明，在光强为3 lx，速度失配M(ΔV/V)<2，8级时间延迟积分与面阵成像相比，MTF值提高50%；当累加级数为8级，速度失配满足M(ΔV/V)=2的速度失配容限时，奈奎斯特频率处的MTF值下降10%，当速度失配达到M(ΔV/V)=10时，MTF值下降35%。

基于CCD的微型平场全息凹面光栅光谱仪，以其简单紧凑的结构和快速高效的工作方式在光谱分析领域获得了广泛的应用。但是，由于受限于色散距离，单纯依靠优化光栅像差很难进一步使光谱分辨率获得大幅提高。提出一种双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪的设计方法，用两个使用结构相同的光栅代替传统的单光栅设计，给出一个光谱范围为400~1000 nm光谱仪的具体设计，计算显示光谱分辨率最大可提高为原来的2.5倍。通过对光栅衍射效率的计算分析，说明此方法能够显著改善仪器的通光效率。设计制作了原理样机，进行了装调测试，实验结果与理论计算相吻合。

报道了一种基于掺杂纳米银聚合物分散液晶（PDLC）材料的高衍射率全息电控光栅的制备及特性。通过在原有聚合物分散液晶材料体系中添加适量的纳米银颗粒以制备体全息光栅，实验研究了掺杂不同质量比的纳米银颗粒对全息聚合物分散液晶（H-PDLC）体光栅的衍射效率、驱动阈值电压、响应时间的影响。实验结果表明，通过掺杂纳米银材料，能够优化聚合物和液晶两相分离结构，使聚合物与液晶分离更加彻底，显著提高H-PDLC体光栅的一级衍射效率，同时能改善体光栅的电光特性，缩短响应时间。初步分析表明，由于纳米银颗粒的表面等离子体效应和体系折射率匹配的优化改善了H-PDLC光栅的特性。

长周期光纤光栅（LPFG）传感器具有非常广泛的应用价值，而有效解决物理量交叉敏感问题是其实用化的关键。基于LPFG对包层外介质折射率和厚度的敏感性，提出一种双段多层折射率横向分布结构的新型LPFG传感器的设计，并利用耦合模理论和传输矩阵方法分析了镀膜材料折射率、膜层厚度和镀层长度对新型LPFG传感器光谱特性的影响。软件仿真结果证明，这种LPFG由于结构设计上的特殊性，将使LPFG的谐振峰发生分裂，即一个透射峰分裂为两个。由于两个分裂峰对应力和温度的灵敏度不同，利用该结构的LPFG作为传感器，可以实现温度、应力等物理量的同步测量，从而解决LPFG传感器的交叉敏感问题。

提出了采用多个长光纤环实现高性能光电振荡器的方法，通过合理的长度设计，多个长光纤环能够降低光电振荡器的相位噪声，同时提高边模抑制比。理论分析了多个长光纤环实现高性能光电振荡器的可行性，并构建了实验系统。在实验中，利用3个大于4 km的长光纤环构建光电振荡器，实现了频率10 GHz的微波信号，其相位噪声在频偏10 kHz处达到了-130 dBc/Hz，边模抑制比达到了60 dBc。实验结果与理论分析一致，证明了该方法的正确性。

考虑到星间微波光子链路传输损耗大且多路微波信号之间交调干扰严重，利用前置光放大来提高链路的信号噪声失真比RSNDR。建立了两路输入前置光放大星间微波光子链路模型，推导出了RSNDR的解析表达式。通过优化马赫曾德尔调制器的直流偏置相移，使得在给定输入射频信号功率条件下RSNDR最大，并进一步分析了前置光放大器参数对最优直流偏置相移和RSNDR的影响。仿真结果表明，前置光放大改变了影响RSNDR的主要因素，使信号放大的倍数大于噪声和三阶交调（IM3）放大的倍数，从而提高了链路的RSNDR。当前置光放大器增益为20 dB、噪声系数为3 dB时，最优的RSNDR比不加前置光放大器时提高24 dB。前置光放大器增益和噪声系数对最优的RSNDR影响很大，而对最优的直流偏置相移几乎无影响。

光热折变体光栅是在光敏玻璃材料中利用光热折变效应记录的折射率型体全息光栅，具有波长和角度选择性好、衍射效率高、热稳定性好和抗损伤阈值高等特点，在激光器技术领域中具有独特的优势。在自行制备的光敏玻璃材料中，用325 nm波长的紫外光曝光记录透射型体全息光栅，基于变波长读出的原理设计实验，对热显影后的光热折变体光栅在532 nm波长的激光照射下的衍射读出特性以及其在恒定光功率密度的激光照射下的稳定性进行了实验研究。研究结果表明，热显影后的光热折变体光栅在激光辐照下具有光致饱和效应。根据实验结果定量计算出了光热折变体光栅的选择角和描述光致饱和效应的特征时间常数。

光学读出红外热成像系统中，焦平面阵列（FPA）反光板的初始弯曲降低了系统的光学检测灵敏度。针对FPA的设计制作，提出了两种降低其反光板初始弯曲的优化设计方案：减薄反光板上金层厚度和制作带加强筋的反光板。在理论分析的基础上，设计制作了单元尺寸为200 μm的反光板金层减薄FPA，其反光板曲率半径提高至原来金层未减薄FPA的4.71倍，系统光学检测灵敏度提高了5.2倍；单元尺寸为60 μm的反光板带加强筋FPA，其反光板曲率半径提高至原来没有加强筋FPA的4.29倍，系统光学检测灵敏度提高了1.18倍。实验验证了理论分析的结果。

利用光学微扫描技术，可在不改变探测器结构的情况下，提高显微热成像系统空间分辨率。但为了获得高质量过采样重构图像，微扫描位置需要标定。基于零点定标，提出一种各点自适应定标的微扫描位置标定方法。模拟实际系统在定标前后的欠采样图像，采用不同重构方法进行仿真对比验证；完成了实际采集的欠采样显微热图像序列的重构对比实验。实验结果表明该方法明显改善了显微热成像系统的过采样重构图像质量，提高了系统空间分辨率。此方法还可以应用在其他光电成像系统中。

提出了一种基于空间像自适应降噪的投影物镜波像差检测方法。通过对空间像进行统计分析，获取空间像的噪声模型和噪声标准差模型。以噪声标准差为权重因子，利用加权最小二乘法对空间像进行主成分分解，可以实现对空间像的自适应、无损降噪，从而得到更为精确的主成分系数和泽尼克系数。使用光刻仿真软件PROLITH的仿真结果表明，在相同的噪声水平下，0.1λ像差幅值内，与基于空间像主成分分析的波像差检测技术相比，精度提高30%以上。在使用光刻实验平台测量Z8调整量的实验中，该方法的精度更高。

从压缩感知的原理入手，阐述了基于压缩感知的三维物体成像方法。为解决压缩感知三维物体成像计算量大的问题，重点提出了一种三维信息计算的简单方法。此方法通过两次压缩感知计算就可得到位于多个距离处的物体的三维信息，大大减少了计算量。对此方法进行了数值模拟，并分析了采样率的提高对于距离计算精度的影响；建立实际的三维成像系统，实验结果证明了这种方法的可行性。

由于存在振动和导向误差，干涉仪移相器在移相过程中产生随机的平移误差和倾斜误差，会给测量结果带来影响。因此高精度测量中对环境的稳定性和移相器的性能要求很苛刻。为了降低此种要求，针对随机和倾斜移相下干涉图背景光强和调制度的不均匀会影响移相平面计算的问题，对采集得到的干涉图做归一化处理，并利用迭代最小二乘法对归一化的干涉图做相位求解。迭代过程中，将干涉图分块来求解移相值，并对各移相值做平面拟合得到移相平面。仿真结果表明，该方法消除了背景光强和调制度的不均匀对倾斜系数计算的耦合作用，能够有效补偿倾斜移相误差对面形相位的影响，与其他方法相比,具有收敛速度快、求解精度高的特点。实验结果进一步验证了该方法的有效性。

将相位测量偏折术应用于非球面反射镜面形检测，并对实验检测结果的中高频误差进行了分析研究。计算机产生正弦性条纹图，并且显示在薄膜场效应晶体管显示屏上。摄像机通过被测反射镜观察并拍摄显示屏上的条纹图。利用相移技术和相位展开技术计算得到相位分布。以相位信息为载体对光线进行追迹，并根据反射定律得到面形梯度分布，由数值积分重建面形分布。最后使用泽尼克多项式拟合分析了其中高频误差。

基于对汉字使用频率及其空间频谱的分析，设计了一种数码相机像质评测用的汉字靶板。通过对37台不同型号数码相机的空间频率响应(SFR)、主观质量因子(SQF)及汉字靶板测试结果的统计分析，获得了最小可识别汉字磅值分别与SFR、SQF之间的经验公式。另抽取10台数码相机验证，结果显示调制传递函数测试法获得的SFR、SQF值均落在汉字靶板测试法获得SFR、SQF的95%的置信区间内。这种汉字靶板测试法类似于判读视力表的方式，简化了测试设备，操作方法也简单。

波长移相干涉仪可用于大口径光学元件的测试。其移相量需经过标定方可采用定步长移相算法计算相位分布。在长腔长测试条件下，由于激光器的波长调谐驱动源的精度有限，采用定步长移相算法求解相位分布的精度不高。在分析干涉腔长和波面计算误差的基础上，提出了一种自适应相位筛选计算方法。根据电压相位标定曲线采集多组周期干涉图，对干涉图中的光强值进行均匀分布抽样后，对其进行随机移相计算，求取每帧干涉图精确的步进移相量，从中筛选出移相量为π/2的四帧干涉图，利用四步移相计算公式求得精确的相位分布。实验结果表明，在波长移相干涉仪中运用该方法，可以很好地解决长腔长测试条件下的相位计算问题，与未进行筛选的计算结果比较，其测试精度得到了显著提高。

车辙深度测量通常使用共梁式多路激光测距传感器测量路面多个离散点，由多个测量点组成的断面信息计算车辙深度，因横向采样点间距宽，导致测量误差较大。提出了一种新的激光车辙深度测量方法，采用线激光器和三维(3D)相机组合集成测量路面3D断面，通过3D断面解算车辙深度。3D相机以一定夹角采集激光器投射在路面的线结构光图像，获取路面的3D断面数据，对断面数据通过拉依达准则进行异常值剔除，再进行旋转、平移和模型识别，最终计算路面左右轮迹和最大车辙深度。实际证明，数据重复性和相关性都达到98%以上，与传统方法相比较，该方法采样间距小、测量精度高、成本低、通用性强，具有广阔的使用推广价值。

针对已有米勒矩阵测量方法的不足，提出了一种基于单光弹调制器的米勒矩阵测量技术，给出了米勒矩阵测量优化算法及系统参数两步校准法。该技术通过两步校准法对系统参数进行校准测量，利用优化算法计算得到待测样品的米勒矩阵。实验结果表明，待测1/4波片相位延迟量测量值为90.4185°，误差在标称偏差λ/300以内，快轴方位角测量值为0.2348°，误差在最大旋转误差0.4°以内。同快轴方位角为0°的1/4波片标准米勒矩阵相比，待测1/4波片米勒矩阵各元素最大相对误差的直接测量值和间接测量值分别为1.97%和0.83%，均小于最大相对误差的模拟仿真值2.11%。通过提高旋转台的读数精度和减小相位延迟量的标称偏差，可以进一步减小米勒矩阵各元素的最大相对误差。

针对太阳能热发电槽式抛物面聚光器单元镜面形测量的问题，采用条纹反射技术和时域相移解包裹技术相结合的方法，在三维轮廓测量系统模型的基础上，建立了一个结构简单、易操作的测量系统。在对系统设备无任何严格要求的前提下，利用投影仪向投影屏幕上投射正弦条纹，由相机拍摄记录单元镜反射产生的条纹，根据标定的系统参数及三维轮廓测量系统模型来计算单元镜表面面形。通过现场实验，获取了单元镜的面形分布情况，结论证明该测量方法的可行性。该测量系统的建立为以后的测量工作提供了一定的参考，并在太阳能热发电领域有很好的应用前景。

测量红外低温相机的系统调制传递函数(MTF)需要借助于低温平行光管。由于红外低温相机探测器在常温下无法正常工作，并且红外低温相机、低温平行光管离轴抛物镜以及模拟靶标三者是空间分离的，因此实验前需要将相机的视轴引出到平行光管的视轴方向，同时将模拟靶标调整到平行光管焦面位置且靶标中心处于平行光管的中心视场。借助于干涉仪，利用经纬仪分别将相机视轴和平行光管视轴引出到外基准立方镜a和b，通过两立方镜坐标系的方向余弦矩阵关系，将红外低温相机的视轴引出到低温平行光管的视轴方向。对视轴引出精度进行了分析，给出了实验采集的图像。实验结果表明，系统MTF满足要求，同时表明红外低温相机视轴引出方法合理可行。

在复合波长(波长分别为1053、527、351 nm)情况下，利用激光近场对熔石英样品进行损伤实验。设计了一种基于激光近场辐照的损伤阈值定义方法，并利用带有灰度抑制的分水岭标记算法对损伤图像进行损伤区域提取，通过对比损伤图像与相应光束近场能量分布，计算出损伤区域与非损伤区域临界处的光能量密度，即为熔石英样品的损伤阈值。实验结果表明，复合波长激光诱导熔石英损伤是3种波长激光共同作用的结果，但351 nm激光对损伤起主要作用，初始损伤阈值为8.22 J/cm2；在复合波长激光多次辐照样品的情况下，熔石英样品后表面的损伤成指数形式增长，损伤增长系数为0.59。

太阳光抽运激光器中，抽运系统提供的太阳抽运光与激活晶体之间的耦合决定了激光输出的总体效率。使用Tracepro软件，建立了菲涅耳透镜、锥形抽运腔二级抽运系统模型，并对该系统进行优化。通过分析菲涅耳透镜焦斑能量沿轴线的分布，得到了锥形腔入射窗口的口径和窗口距菲涅耳透镜的距离。通过改变锥形抽运腔的腔长和锥度，分析晶体棒轴向抽运功率密度分布，得到了锥形腔的最佳结构，并对镜面反射腔和陶瓷腔进行了详细的介绍。

介绍了一种全面的金属表面反射模型，从理论上论证差动式视觉测量的可行性。在平行光照明下，测量不同级别粗糙度比较样块在入射面内的反射亮度，在大量数据的基础上总结分布规律，以寻求事实依据。搭建视觉测量系统，采集金属工件的明、暗域图像，并对图像差分融合，进行实验验证。结果表明，工件表面的缺陷信息得到了大幅增强，杂乱的背景信息被有效抑制。基于金属表面反射特性提出的差动式视觉测量系统，在提高图像对比度和增强边缘方面显示了其优越性。

采用新型超声喷雾法技术，把摩尔分数都为0.5%的Cu(NO3)2和Na2S水溶液分别作为初始反应溶液，调节溶液体系的pH值在6~8，把经过超声雾化后的Cu(NO3)2溶液逐步加入到处于强力搅拌的Na2S水溶液中，经陈化过滤后获得纳米半导体硫化铜(CuxS, 1≤x≤2)粉体。分析了不同热处理温度与原料配比对获得的硫化铜纳米颗粒化学成分的影响，用X射线粉末衍射仪表征了纳米硫化铜粒子的晶相与化学组成，并采用扫描电镜观察了相应化学组成的粒子晶相形貌, 测定了不同化学组分纳米硫化铜粒子从可见到近红外胶体状的吸收和透射光谱。研究表明不同化学组成的纳米硫化铜对近红外光都具有显著的吸收效应，这是由于电子在硫化铜半导体纳米粒子能带中的跃迁所致, 同时这些半导体粒子对可见光具有很高透过性，但其可见光透射率随着纳米粒子从Cu2S趋向CuS而略有下降。

采用时域有限差分法研究了二维八重准晶有机光子晶体的光传输特性，重点分析了光束在聚苯乙烯空气柱平板结构和聚苯乙烯介质柱结构中的透射特性与光局域特性。研究结果表明，即使在低折射率对比度的情况下，两种完整八重准晶平板结构中均出现了可见光波段的光子带隙和本征模，且光子带隙中心位置随着平板厚度的增大而红移。当在两种准晶结构中引入缺陷微腔时，带隙内的缺陷模产生位置和波长红移特性随着微腔结构的变化规律明显不同，这种差异性是由两种物理机制(即光子晶体缺陷能级变化与微腔所支持的驻波条件)共同作用的结果。这一研究结果将为实验制备有机准晶发光器件提供一定的理论基础。

采用有限元法，计算了二维三角晶格椭圆形格点空气孔型光子晶体的TE、TM模式的带隙结构。通过对椭圆形空气孔格点的大小、方向进行改变，研究了填充比、格点方向对带隙的影响。计算结果表明，在空气孔型光子晶体中TE模式更容易形成带隙；不同填充比情况下，格点方向对TE模式和TM模的带隙变化都具有不同影响；不论格点方向如何变化，均未出现完全带隙。

针对激光诱导生物组织温升预测问题提出了一种新的RC电路理论模型。根据基尔霍夫电压定律（KVL）推导了RC电路的系统函数和单位冲激响应，根据单位冲激响应和矩形输入信号的卷积得到RC电路的零状态响应模型，由激光照射下生物组织温度实验结果确定模型中的两个固定参数，提出了两种模型参数计算方法并进行模拟计算。理论计算与实验结果显示温度响应曲线一致，肝脏和肌肉组织峰值温度相对误差范围分别为-0.0557 ℃~-0.0025 ℃和0.0139 ℃～0.0641 ℃，温度曲线平均相对误差范围分别为0.55%～2.39%和0.38%～0.99%，这种方法较经典的Pennes生物热传输方程模型所需参数少，精度更高，为激光与生物组织光热效应研究提供了一种新方法。

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪主要用于观测高层大气中的远紫外辐射和实现对其内部中尺度现象成像的功能。目前我国该类的相关仪器研究基础还比较薄弱，针对这种情况，在光学系统设计的角度上给出了一种适用于130~180 nm波段探测的光学系统方案。该成像光谱仪光学系统以离轴抛物镜为物镜，串联Wadsworth结构为成像光谱系统；这种串联Wadsworth成像光谱系统采用离轴抛物镜做准直镜，分光器件为平面光栅和球面光栅串联，实现二次色散，同时球面光栅起到聚焦成像作用；在像差理论的基础上，对该结构的光程函数和各像差进行了分析，获得了改进结构的宽波段完善成像条件。针对低轨空间探测应用要求设计了相关改进型Wadsworth结构成像光谱仪光学系统，设计结果证明系统像差得到了充分校正，在奈奎斯特频率(20 lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值在0.6以上。该优化结构同时具备高空间分辨率和高光谱分辨率，性能优越。

分析了照明系统中微透镜阵列的入射光线角度及系统像差对光学利用率的影响，提出了通过修正相关参数来优化照明系统的光学利用率以及照明均匀性的方法。通过改变用于光源聚光的自由曲面透镜的面型来缩小入射角度，从而减小了由于大角度扩散造成的效率损失。并且在微透镜阵列后采用两个球面透镜代替傅里叶透镜作为积分镜片，不仅成本低廉，而且在控制像差方面更为灵活。参数优化后，设计方案的光学利用率可达60.51%，均匀性可达94.24%，验证了理论分析的可行性和有效性。

双Amici棱镜为复合棱镜结构，作为成像光谱系统中的分光元件，避免了单棱镜色散结构存在的多种问题。双Amici棱镜的加工生产要对其各个角度提出生产指标，而角度误差对于光谱成像系统的色散性是有影响的。针对一种编码孔径成像光谱仪，设计了符合性能指标要求的双Amici棱镜，并从光线追迹的角度出发，计算得到双Amici棱镜色散的数学模型。针对给出的一特定光学系统中的棱镜结构推导了棱镜各个角度单独对线色散的影响，并分析给出各个角度构成的误差链对线色散的综合影响，最终给出了棱镜的生产指标。分析结果有助于指导系统中该棱镜的加工生产。

针对45 nm及以下节点光刻相关技术的研究需求，确定了实验型投影光刻物镜的结构型式及设计指标。依据像差理论在非同心小遮拦的Schwarzschild反射系统中添加折射补偿镜组来进一步减小系统的中心遮拦，扩大像方数值孔径。设计了一套小中心遮拦，数值孔径为1.20的Schwarzschild折反式投影光刻物镜。设计结果表明，该投影光刻物镜工作带宽为100 pm，像方视场为50 μm，线中心遮拦比为13%，光学分辨力为80 nm时（6240 lp/mm）的系统调制传递函数大于0.45，全视场最大畸变为6.5 nm，满足了45 nm深紫外（DUV）浸没光刻实验平台对投影光刻物镜的需求。

通过对粗糙表面散射情况的分析发现，普通金属材料的表面散射能量主要集中在10°散射角内。针对这种现象，提出了基于该散射特性的光学系统外遮光罩设计方法，该遮光罩的杂散光抑制角比基于反射理论计算的大5°，具有良好的散射杂散光的抑制作用。最后以Ritchey-Chirtien(R-C)光学系统为例，为其设计了合适的遮光罩，并在TracePro软件中对比性地建模、分析。结果证明了该模型的正确性，且该遮光罩对抑制杂散光起到了很好的效果，点源透射比(PST)相对较低。

提出了一种基于三角晶格二维光子晶体解波分复用器。该器件主体由线缺陷波导、环形谐振腔及点缺陷微腔构成。使用平面波展开法研究了线缺陷波导的特性，给出了线缺陷波导的能带图，对局部器件微调后进行大量的性能仿真以及对整体器件进行性能仿真，选择合适的器件参数，并使用时域有限差分法研究了不同波长的光在解波分复用器中的传输特性，并给出了电场分布图。仿真结果表明，该种结构可以实现波长分别为1271 nm和1291 nm两种光波的解波分复用。采用6个额外的介质柱，提高了环形腔的透射率；并通过在入射波导的入射口处增加三对介质柱，提高了波导的出射效率，从而整体上提高了双通道解波分复用器的输出效率。

以二维三角晶格光子晶体为研究对象，在该光子晶体中引入两行平行的单模线缺陷波导，以一行耦合介质柱为间距，通过调节部分耦合介质柱的折射率，构筑了光子晶体异质结耦合波导光开关结构。利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射光频率下，缺陷波导间耦合介质柱的折射率不同时的耦合长度，确定了合适的光子晶体异质结耦合波导光开关的结构参数。利用时域有限差分法研究了该光开关中耦合介质柱的折射率变化及异质结构介质柱的位置分布对光信号输出路径的影响。结果表明，通过改变该结构中耦合介质柱的折射率可以改变光的输出路径，可实现光的开关行为。并且异质结构介质柱位置的随机分布对该光开关的影响不大，有助于光子晶体新型滤波器、定向耦合器、波分复用器以及光开关等光子器件的研究。

利用时域有限差分方法，理论上研究了由正方形金属嵌入背景材料硅中组成的二维正方晶格和三角晶格光子晶体的亚波长成像特性。采用Drude模型描述金属银的色散特性，在近红外波段该模型可以很好地描述金属的实际介电常数。通过结构参数的设计，在上述两种结构中实现了波长在1550 nm附近的亚波长成像，并且发现金属对入射光的吸收使得成像位置处的光强稍有降低，但是对于光子晶体亚波长成像的质量并无影响。相对于通常的硅基空气孔型光子晶体亚波长成像器件，该种硅基金属型全固态光子晶体结构更加稳定，因而可以更好地在复杂全光集成回路中加以实际应用。

为了提高彩色大面阵航空测绘相机的成像分辨率和测绘精度，对其前向像移补偿的可行性进行了分析，并设计了前向像移补偿机构。根据航空成像的中心投影模型，研究了前向像移补偿下航空测绘相机内、外方位元素的变化对成像过程的影响，证明了前向像移补偿的可行性；设计了一套基于等径共轭凸轮机构的前向像移补偿机构，并分析了各种误差因素对测绘精度的影响；提出了基于仿射变换的误差纠正方法。实验结果表明，提出的前向像移补偿方法正确，机构引入误差的纠正精度可以达到0.001 mm。

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振（SPR）传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层，构成了性能独特的光电复合薄膜，起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用，进而控制共振效应，为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上，研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明，该传感器在1.335~1.392折射率范围内，随着待测液体折射率的增大，SPR共振光谱向长波方向偏移，且灵敏度达到2263.1 nm/RIU，与基于纤芯金膜环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍，能够更好地满足环境折射率检测的需求。

为获取高帧频、大动态范围、低数据量的精确视觉信息，提出了一种基于地址事件表达（AER）的实时视觉CMOS传感器实现方法。采用AER方式，多模式的行仲裁及实时时间标记，有效减小读出数据量，减小时域行间信息扭曲；利用像素级光强变化感知电路探测光强变化，双采样脉冲宽度调制(PWM)电路量化光强。仿真结果显示，在100 lx光强下，获得最小等效帧频1000 frame/s，10 lx光强下为100 frame/s，静态动态范围大于133 dB，视频动态范围48.16 dB，并可实现实时时间标记、多模式仲裁的功能，减小输出数据量11.61%~42.74%。结果表明，该方法可完成实时视觉信息的采集、处理、输出，适用于高速、高动态范围视觉领域。

采用Monte-Carlo方法，对气溶胶凝聚粒子进行了模拟，讨论了凝聚粒子的孔隙特性，分析了空间结构、原始粒子数目对凝聚粒子孔隙率和等效折射率的影响。结合物质的电结构，将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子，利用离散偶极子近似方法，数值计算了不同孔隙率气溶胶凝聚粒子的散射、吸收和消光截面各种取向的统计平均值。结果表明，气溶胶凝聚粒子的孔隙率明显取决于其空间形状和所含原始微粒的数目；气溶胶凝聚粒子的等效折射率、吸收、散射和消光截面则随孔隙率的增加而减小。研究结果可为全面理解气溶胶粒子光学特性提供参考；也可为某些涂层材料光学性能的改变提供参考，通过改变涂层材料中凝聚粒子的孔隙率来改变涂层材料的等效折射率，进而改变涂层材料对光的散射和吸收。

利用干涉成像光谱仪对目标进行窄带高光谱成像探测具有高光通量、高光谱分辨率和高目标分辨率等优点。按照尼奎斯特定理对窄带光谱干涉信息进行采样存在较大的数据冗余，增加了后期傅里叶变换的数据处理量，影响光谱的复原效率。在分析窄带光谱傅里叶变换特性的基础上，提出了基于滤光片光谱透射率函数的窄带光谱压缩采样方法。引入滤光片参数和混叠参数，可以复原不同精度的窄带光谱信息。配以符合要求的多带通窄带滤光片，可对目标进行压缩采样获取多个谱段的窄带光谱信息，从而避免了逐个谱段探测，提高了探测效率。对该方法进行了仿真分析和实验验证，得到了与目标光谱相吻合的复原窄带光谱。

采用蓝色发光二极管(LED)作为非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统光源，测量了436~470 nm波段内NO2样气的吸收，验证IBBCEAS的高探测灵敏度。通过氮气和氦气两者瑞利散射截面的差异标定了镜片在430~490 nm波段内的反射率，并利用纯氧中氧气二聚体(O2-O2)在477 nm处的吸收验证了镜片反射率标定的准确性。镜片反射率在461 nm处最大且为0.99937，光学腔长度为73.5 cm时的最大有效光程为1.17 km。当光谱采集时间为20 s时，NO2的探测灵敏度(1σ)达到了0.25×10-9。进行了开放光路下环境大气中NO2和O2-O2在454~486 nm波段内的吸收测量，结果表明大气中气溶胶等颗粒物的Mie散射消光降低了IBBCEAS仪器的探测灵敏度 (1.04×10-9)。大气中O2-O2的测量为IBBCEAS吸收光程的在线标定提供了一种可行的途径。

用电子束蒸发沉积在K9玻璃基底上镀制HfO2薄膜，沉积温度为200 ℃，蒸发速率为0.03 nm/s。由X射线衍射谱可知薄膜出现明显结晶，且为单斜相和正交相混合结构，其中单斜相占明显优势。用Jade5软件分析得到单斜相HfO2的晶格常数a,b,c以及晶格矢量a和c之间的夹角β。基于得到的晶格常数建立了单斜相HfO2薄膜的晶体结构模型。同时建立固态单斜相HfO2的晶体结构模型进行对比。通过密度泛函理论（DFT）框架下的平面超软赝势法，采用两种不同的交换关联函数：局域密度近似(LDA)中的CA-PZ和广义梯度近似(GGA)中的质子平衡方程(PBE)，计算了薄膜态和固态单斜晶相HfO2的弹性刚度系数矩阵Cij和弹性柔度系数矩阵Sij，Reuss模型、Voigt模型和Hill理论下的体积模量和剪切模量，材料平均杨氏模量和泊松比。此外还计算得到薄膜态和固态单斜晶相HfO2 在不同方向上的杨氏模量。

元件的像差和加工装配误差会影响通过其中的超短脉冲的时空特性。在不考虑介质的非线性作用时，基于傅里叶频谱理论并结合光线追迹和衍射理论，发展了一种有效的数值方法仿真超短脉冲通过光学系统的时空传输特性。以一个引入实际误差的2片式聚焦透镜组为例，分析了入射中心波长为800 nm，脉冲宽度为30 fs的高斯型超短脉冲通过该系统的传输过程，并通过实验测量了该系统在焦点处的脉冲时间宽度和焦斑大小，并与仿真结果进行了比对。结果表明，该方法不仅可以很好地仿真分析实际光学系统中超短脉冲的时空传输效应，也使得超短脉冲系统的优化设计成为可能，同时也为提出加工要求和合理的公差分配提供了指导意义。

基于高斯谢尔光束的相干模式分解理论和波动光学，建立了部分相干同步辐射硬X射线光束通过光学器件的传播模型。模拟了微聚焦X射线光束照射下光栅的分数塔尔博特效应，得到了聚焦光束的光强分布和相干特性变化，并分析了散焦光束入射下的光栅自成像。然后通过模拟准直光束入射下的光栅塔尔博特效应，得到了不同传播距离处自成像条纹的变化情况，分析了影响光栅自成像条纹形状的因素。通过光栅衍射条纹测量同步辐射相干度，发现对矩形相位光栅来说，应该对衍射图样进行傅里叶分解，求出各级傅里叶系数随传播距离的变化曲线，从而得到入射光束相干特性。