利用恒星闪烁测等晕角是目前应用最广泛的等晕角测量方法。基于理论分析，引入了更准确的计算公式，通过公式推导、数值计算，得出最佳探测孔径直径与菲涅耳尺度相当，分析了复色光的闪烁等效波长及湍流路径长度变化范围的问题，讨论了等晕角与闪烁的比例系数C的计算问题。菲涅耳数在范围0.5~1.1时，比例系数随菲涅耳数的变化可用三次多项式进行拟合，比例系数不能简单地取波长位于500 nm时的固定值，需根据应用实际利用拟合的三次多项式来计算。

利用地基光学望远镜观测空间目标时，大气湍流是影响成像质量的主要因素。由于大气湍流引起成像波面的畸变，导致望远镜所获得的图像模糊。为了从模糊图像中复原出目标的原始图像，提出了一种基于大气相干长度的湍流点扩展函数估计方法，进行了理论推导，并利用Sobel方法对迭代相同次数后的盲卷积复原图进行像质评价，找出像质评价结果峰值处对应的大气相干长度；再将此值代入点扩展函数的估计公式中，得到点扩展函数更加准确的估计；然后利用此点扩展函数对湍流模糊图像进行盲卷积图像复原，最后得到目标的复原图像。从多种像质评价结果来看，该方法无需测量大气相干长度，且复原效果较理想。

为了提高全光纤差分吸收激光雷达的探测精度，研究近距离探测条件下使用光环形器的差分吸收激光雷达，这对提高气体探测精度具有重要的意义。分析了差分吸收激光雷达的探测精度与激光回波能量测量的关系，发现近距离条件下的气体探测精度将会受到环形器“串音”的影响，分析了不同探测高度下串音对探测精度的影响程度。结合CO2浓度探测的实例并通过仿真计算，得到了信噪比与探测相对误差随探测高度的变化曲线。结果表明，环形器中存在的“串音”会干扰激光回波信号，对探测信噪比与精度产生严重影响。该研究对设计与完善全光纤差分吸收激光雷达系统具有重要的借鉴意义。

研究了水云光学特性对大气偏振特性的影响，对水云条件下大气偏振模式进行了仿真。使用基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式，模拟350~700 nm波长下大气偏振特性随水云的光学厚度、有效半径的变化趋势。通过计算450 nm波长处不同太阳高度角下的全天空离散点的Stocks矢量，对水云下大气的偏振分布模式进行研究，并与晴朗大气下的天空光偏振度和偏振方位角模式进行分析比对。结果表明，波长越大，偏振度随水云光学厚度增大而减小的趋势越明显。随着有效半径的减小偏振度有一定程度的减小，但对短波波段影响较小。随着太阳高度角的增大，天空可探测区域整体偏振度下降。天空光的偏振度近0区域，会对其附近偏振方位角的准确性产生一定影响。水云天气下的大气偏振分布研究为偏振光导航传感器的实际应用提供了理论基础。

高亮度的激光钠信标有利于提高自适应光学波前探测的准确性和灵敏度，但是在激光与钠原子作用的过程中，反冲和下抽运限制了钠原子激发态概率的增长，减小了钠原子的自发辐射速率和回波光子数。通过对窄带/宽带激光与钠原子作用产生反冲和下抽运效应的研究，结果表明：对于低能量的连续激光与大气中间层钠层作用，窄带激光反冲和下抽运效应比宽带激光严重，但是自发辐射速率比宽带激光大很多，获得的回波光子数明显多于宽带激光；对于宽带激光，其激发的回波光子数较少，但是具有不易饱和、反冲效应小的优点。

采用密度泛函(DFT)B3P86方法优化得到了氨分子的基态稳定构型、红外光谱和拉曼光谱，利用对称匹配耦合簇组态相互作用(SAC/SAC-CI)方法在D95++基组水平上，研究了氨分子基态的激发特征。结果表明，氨分子基态的红外光谱频率和拉曼光谱频率移位是完全相符的，振动的红外光谱和拉曼光谱都是活性的，这与理论分析一致。二维垂直振动ν3,5的红外强度为0.206 km/mol，接近于零，这与氨分子的激发特征有关。基态氨分子是C3V群，激发态则变为D3h群，基态转变成激发态引起对称性增加和能量升高，这种变化不是Jahn-Teller效应，而是电子态与振动态相互作用的结果。从理论上分析了这种电子态与振动态相互作用，理论分析与计算结果一致。

针对传统的基于场景的红外焦平面阵列非均匀性校正算法收敛速度慢和校正精度不高的缺点，提出了一种基于扩展全变分的红外焦平面阵列非均匀性校正方法。在分析全变分算法的图像去噪性能的基础上，针对运动的红外图像序列，扩展了全变分的应用范围。通过最小化非均匀校正后图像的全变分，利用最陡下降法，得到计算增益量校正因子和偏移量校正因子的迭代公式。针对校正图像存在的鬼影现象，设计了一种自适应阈值控制的鬼影消除方法。实验表明：相较于目前已有的方法，该方法有效地去除了原始红外图像的固定图案噪声，较大程度地保留了图像细节信息，提高了图像质量。

单晶硅阶梯光栅闪耀面表面粗糙度会引起入射光的散射形成杂散光，为获得低杂散光的阶梯光栅槽形，减小单晶硅阶梯光栅闪耀面表面粗糙度显得尤为重要。在单晶硅湿法刻蚀工艺中，阶梯光栅闪耀面表面粗糙度较大的原因是反应生成的氢气易在硅片表面停留，形成虚掩模，阻碍反应的进一步进行。基于超声波空化作用及异丙醇(IPA)增加单晶硅表面润湿性的原理，在单晶硅湿法刻蚀制作阶梯光栅工艺过程中分别利用超声波震荡法及润湿性增强法对所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度进行改善。利用超声波震荡法所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度小于15 nm，利用润湿性增强法所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度小于7 nm。同时施以超声波震荡法和润湿性增强法，在异丙醇质量分数范围为5%~20%，超声波频率为100 kHz，功率范围为30~50 W时，所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度小于2 nm，而且当异丙醇质量分数为20%、超声波频率为100 kHz以及超声波功率为50 W时，所制中阶梯光栅闪耀面表面粗糙度达到1 nm。实验结果表明，同时施以超声波震荡法及润湿性增强法，并优化实验参数可以制备更低粗糙度的阶梯光栅。

提出了一种基于Sagnac环干涉结构的光梳状滤波器。该结构利用保偏光纤双折射效应产生梳状滤波响应，通过控制Sagnac环内相位调制器的驱动信号实现光学滤波器陷波深度与滤波波长的独立调谐。利用Jones矩阵对所提出的Sagnac环光滤波器的滤波响应函数进行研究，通过分析得到光滤波器的陷波深度和滤波波长分别与射频信号和直流偏压之间的关系。在此基础上构建实验链路，验证了系统的理论分析，实现了光滤波器陷波深度在0 dB~30 dB范围内的灵活控制；通过设置直流偏压在0~12 V范围内变化，实现了光滤波器滤波波长在一个自由光谱范围（0.5 nm）内的连续可调，波长调谐效率为0.043 nm/V。

各态遍历偏振态发生器(PSG)是偏振测量不可或缺的基本设备，偏振态和偏振器件的描述对于编写偏振态发生器的控制算法是至关重要的。采用四元数来描述和分析各态遍历偏振态发生器中偏振态与偏振控制器，导出了三级偏振控制器的四元数公式，得到了描述其旋转轴与旋转角度的公式。实验测量了单级偏振控制器的四元数，得到了普通单模光纤受挤压时对应的应力四元数公式以及改变电压时的四元数公式，利用该公式编制的算法，实现了各态遍历的偏振态发生器。

在建立了侧边抛磨光子晶体光纤D型光纤光学模型的基础上，采用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减、传输模场等与抛磨区几何参数（剩余半径、轴向旋转角、侧边抛磨区长度）的变化关系。结果表明，当剩余半径大于-1.5 μm时，侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径的减小而增大；光沿着光纤传输时，基模光传输到抛磨区光功率发生衰减，经过抛磨区后，基模光功率出现回升。沿不同的轴向旋转角方向侧边抛磨，剩余半径大于0.5 μm时，侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径变化的差别较小；剩余半径足够小时，光沿着光纤传输到抛磨区时，会产生高阶模，沿轴向旋转角θ=30°侧边抛磨时基模模场分布分散程度最大，且在抛磨区产生更多的高阶模。剩余半径大于1.5 μm时，抛磨光纤长度变化对输出光功率影响很小，剩余半径小于1.5 μm时，输出光功率透射率随着光纤抛磨长度的变化呈振荡变化。分析结果可为侧边抛磨光子晶体光纤的器件制作提供理论指导。

基于外调制器的光子毫米波生成技术具有频率调谐范围大、结构简单、稳定性强和信号频率纯度高等优点，被认为是实现高频宽带可调毫米波信号产生的有效解决方法。对基于一种双平行马赫曾德尔调制器（DPMZM）的光子倍频毫米波生成技术进行系统的理论分析，给出了实现四倍频、六倍频、八倍频毫米波产生的参数条件，在此基础上提出了一种不需要利用电相移器和光滤波器的四倍频毫米波产生方案，讨论了DPMZM消光比和调制深度对光子倍频毫米波生成的影响。

为研究光纤弯曲对干涉式光纤陀螺性能的影响，选取常用的单模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤及保偏光子晶体光纤为研究对象，建立了光纤弯曲与光纤陀螺性能的相关理论模型。以高精度光纤陀螺应用为背景，选取掺铒超荧光光纤光源，改变光纤弯曲半径，测出了经过光纤样品后的光功率、平均波长、光谱宽度的变化和平均波长波动，在此基础上分析了弯曲半径对光纤陀螺标度因数和随机游走系数的影响。理论分析和实验结果表明，采用光子晶体光纤时，光纤弯曲对光纤陀螺性能几乎没有影响，采用其他光纤时，需要严格控制光路中的光纤弯曲半径。

利用随机相位板复用提出了一种基于干涉原理的光学多二值图像加密系统。该系统加密过程采用数字方法，解密过程既可以采用数字方法也可以采用光学方法。利用该方法可将多幅图像信息解析地隐藏于两个纯相位板中。解密时，通过分束镜将两个随机相位板的衍射场进行相干叠加形成干涉场，利用专用密钥对此干涉场进行调制，即可在输出平面上恢复出与该专用密钥对应的原始图像，此图像可以采用CCD等图像传感器件直接记录。该方法加密过程无需迭代，非常省时，且解密系统易于物理实现。利用相关系数评估了系统的加密容量，计算机模拟结果证实了该方法的有效性。

提出了一种基于压缩感知的光学数字图像加密方案，利用压缩感知理论及特点，借助双随机相位编码技术，实现了对数字图像的多重加密。通过压缩感知使用随机测量矩阵作为密钥对原始图像加密，然后对加密图像利用Arnold变换置乱二次加密，并通过4f光学系统进行双随机相位编码再次对图像加密，从而实现了对图像的多次加密。考虑实际应用中传输过程的安全性，将加密图像融合于载体图像。在接收端，对加密图像进行解密重构。实验结果表明，该加密方案能够有效降低采样数据量，具有高稳健性，对密钥响应敏感并可以抵御较强的攻击。

从标量衍射理论出发, 对基于阵列抽样的相干衍射成像中物波抽样针孔大小和图像传感器有效记录孔径对重现物波的影响进行了理论分析, 给出了描述抽样孔径和记录孔径对波前再现像影响的数学公式。理论分析表明, 在抽样波前的重现过程中记录孔径的有限大小会导致相邻抽样孔径间发生串扰; 这种串扰效应是产生波前重现误差及由此引起的成像噪声的主要来源。通过数值分析串扰次函数极大幅度随记录孔径的变化情况，发现这种串扰效应随着记录孔径的增大振荡减弱。基于该理论分析，给出了最佳记录孔径的定义及其计算公式。并通过一个实验测量实例进一步验证了当记录孔径大小等于最佳记录孔径时得到的衍射像的信噪比最大。

基于一种固体马赫曾德尔(Mach-Zehnder)成像光谱仪，从理论上严格推导了其光谱反演模型，通过该光谱反演模型着重分析了反射面平移误差对系统光谱反演带来的影响。运用Zemax软件建立了成像光谱仪的仿真模型，并运用该仿真模型对固体马赫曾德尔成像光谱系统光谱反演及平移误差推导结果进行了仿真验算。理论推导及仿真结果表明，固体马赫曾德尔成像光谱仪中反射面的平移误差将对系统的光谱反演结果带来影响，并且光谱的反演误差与两路剪切分光光路中反射面平移误差的总和相关。因此，在固体马赫曾德尔成像光谱仪的研制过程中，需要严格控制两路平移误差的总和，或通过适当的补偿遏制其对测量结果的影响，提高系统的光谱测量精度。

相位提取的精度直接影响相移干涉测量的精度。在变频相移干涉测量中，相移量由干涉腔长和波长变化量决定，必须对测试系统进行相位标定，但常因相位标定不精确而引入相移误差，影响相位提取的精度。运用一种基于迭代的相位求解算法，该算法无需对测试系统进行相位标定，可以在被测相位和相移量均未知的情况下，通过交替迭代法求解出被测相位。通过仿真比较了传统四步相移和基于迭代的相位求解算法的相位提取精度，结果表明，基于迭代的相位求解算法的相位提取精度优于传统四步相移算法的精度。

光谱椭偏仪是常用的测量薄膜厚度及材料光学性质的仪器，其准确性主要由系统的校准过程确定。提出一种新的利用标准样品校准光谱椭偏仪的方法。该方法通过对多个已知厚度和已知材料特性的薄膜样品进行测量，利用测量得到的多个样品的傅里叶系数光谱与包含未知校准参数的理论光谱之间进行对比，通过最小二乘法拟合，回归求解出整个系统的未知校准参数，包括偏振器方位角，波片延迟，波片方位角和系统入射角等。将该方法的应用领域扩展到200~1000 nm的宽光谱区域，并通过测量3~13 nm的SiO2/Si薄膜样品，实验验证了该方法的有效性，准确性达到0.194 nm。该方法相对于传统校准方法更加简单、快速。

投影仪散焦技术克服了实时光栅投影三维测量中的投影仪非线性问题，但散焦产生的高次谐波会大大降低散焦光栅的正弦性，带来明显的测量误差。提出了采用“S”形扫描Sierra Lite抖动算法生成二值抖动光栅，较大地改善了散焦后光栅的正弦性，将该抖动技术生成的散焦光栅用于传统的相移算法，基于投影仪散焦投影，得到用于三维测量的绝对相位信息。仿真结果验证了该方法的有效性，改善了散焦光栅的正弦性，提高了相位质量。实际测量实验与仿真结果相一致。与已有的Bayer有序抖动和Floyd-Steinberg抖动生成的光栅相比，所提算法运算速度快，生成光栅正弦性较好，更加适用于散焦投影测量。

提出了一种基于单固体法布里珀罗(F-P)标准具和可调谐半导体激光器的高精度鉴频新技术双频率四边缘技术。导出了F-P标准具反射谱和透射谱函数表达式，分析了双频率四边缘技术的鉴频原理；根据鉴频原理，给出了鉴频系统结构及相应的探测信号分析处理方法；进一步分析了噪声引起的测量误差，导出了具体的误差公式；与传统的基于F-P标准具双边缘鉴频技术的探测性能做了对比分析。结果表明，该技术通过对F-P标准具的透射和反射信号同时探测，鉴频精度将提高2.82~3.03倍，而且由于采用的是单固体F-P标准具，光路简单且系统成本低。

提出了一种测量微光学元件的折射率分布及面形的方法。该方法基于双波长数字全息术，将微光学元件浸入折射率匹配液降低通过微光学元件的透射光波频率，获取微光学元件在两个不同波长照明光波下的数字全息图，并根据两个波长下的相位分布，计算出微光学元件的折射率分布，利用得到的折射率分布获取微光学元件的面形。理论分析及实验结果证明了所提方法的可行性。

构建了一种五端口聚合物光路由器，由于四种不同半径的交叉耦合双环谐振器的谐振作用，该器件可完成二维平面内对四个信道波长的定点路由功能。由于聚合物材料和左右覆层材料具有较大的折射率差，四种微环的半径可小至14 μm，波导模式振幅弯曲损耗小于10-4 dB/cm。当不同信道波长沿不同端口输入时，得到了波长与路由链路的关系。计算结果表明，各信道波长沿各路由链路的插入损耗为0.03~0.62 dB，各路由链路on端口和其他off端口的最大串扰小于-39 dB，器件的尺寸约为626 μm×495 μm。与已报道的硅光路由器相比，该聚合物器件具有相似的微环半径和封装尺寸，且由于零静态功耗、低串扰、低损耗和处理工艺简单、价格低廉等优势，该器件在光片上网络中具有潜在的应用价值。

为了提高惯性约束聚变（ICF）激光装置中连续相位板（CPP）的焦斑性能，建立了波前畸变下连续相位板焦斑的理论计算和分析模型，并根据CPP使用条件搭建了三倍频大口径CPP远场离线测试系统。对加工330 mm×330 mm 口径的CPP和波前畸变元件进行了理论计算和离线测试实验的对比研究。理论计算和实测的焦斑形貌、参数数值均非常一致，验证了计算模型的正确性和实验系统的可靠性。理论和实验结果一致表明，波前畸变对CPP焦斑性能的影响非常严重，当弥散斑为0.5倍CPP焦斑时，畸变量已对CPP焦斑形貌产生了很大影响，能量利用率下降值大于4%，焦斑半径增大超过20 μm，陡边阶数下降1.3阶，不均匀性均方根(RMS)值下降6%，旁瓣份额增长超过0.5%。

建立了包括非热稳定热力学模型、光学传输模型、能量转换模型及非稳腔模型的综合理论分析平台。理论分析得到以下主要结论：谐振腔长度变化对光束质量及光光效率的影响不大，对于给定的增益，激光最佳效率和光束质量分别对应不同的非稳腔放大率。提出非稳腔腔内相位板补偿介质静态畸变提高光束质量的技术措施，并开展实验验证，光束质量由补偿前的5.48倍衍射极限提升到补偿后的2.46倍，输出功率为12.1 kW。

基于耦合的Ginzburg-Landau方程和各器件的琼斯矩阵，建立了全正色散锁模光纤激光器的数值模型，计算了腔内各点脉冲不同部分的偏振态。计算结果表明，当线性双折射较强时，光纤中脉冲的偏振态近似以拍长为周期变化，一个拍长内的演化过程为右旋椭圆偏振光线偏振光左旋椭圆偏振光线偏振光右旋椭圆偏振光。与一般的饱和吸收体不同，非线性偏振旋转等效饱和吸收体的调制深度随波片角度变化。计算了波片方位角改变时，调制深度的变化情况。相比于偏振分束器之前的1/2波片及1/4波片，偏振分束器之后的波片对调制深度的影响更大。

为了验证束匀滑的物理效果并获得充气黑腔的辐射源特性，在神光Ⅲ原型装置上利用背向散射测量系统对束匀滑和充气条件下的散射光能量份额及光谱进行了测量。散射光能量测量结果表明：当前实验条件下，束匀滑可有效抑制背向散射光份额，散射光份额由无束匀滑时的25%~35%降为2%~4%，充气黑腔中受激拉曼散射光份额明显增加，由真空腔的2%~4%增大至10%~13%。光谱测量结果表明：束匀滑后等离子体状态更均匀，充气黑腔的受激拉曼散射在激光作用前期就开始显著产生，而在真空黑腔中主要产生于激光作用的后期。

零闭锁激光陀螺(ZLG)增益曲线不对称导致左、右旋陀螺的比例因子修正系数不相等，使得当陀螺稳频工作点与磁不敏感点存在频率差时，陀螺零偏对外界磁场变化敏感，降低了陀螺的精度并限制了使用环境。利用兰姆半经典理论分析计算了比例因子修正系数与增损比的关系，并得到了陀螺的磁不敏感点与放电电流的关系，从信号处理系统中排除放电电流变化对控制信号的影响，并进行了实验验证。理论计算和实验结果均表明，线性地改变陀螺放电电流，陀螺磁不敏感点位置会因增益曲线的增损比变化而发生相应线性改变，进而能够通过控制放电电流降低陀螺的磁灵敏度。

针对空间扩展目标成像纹理特征少，背景单一，以及目标旋转、平移、形变等运动特征所导致的目标定位跟踪困难的问题，研究了基于惯量椭圆位姿补偿的目标定位跟踪方法（TTBPC）。通过惯量椭圆测姿法获取目标准确俯仰角姿态，将目标位置、姿态补偿到统一的坐标系下，结合最近距离特征点匹配原则，最终实现对空间扩展目标的精确跟踪定位。通过仿真图像和实际图像对TTBPC方法的有效性进行了验证，平移目标定位误差小于0.26 pixel，旋转目标定位误差小于0.28 pixel，实际空间扩展目标定位误差小于0.3 pixel，这表明该方法应用于空间扩展目标定位的有效性和准确性。

针对自动视觉检测系统中，难以获得具有重复纹理特征的大面积物体的高精度图像问题，提出了一种二维图像光栅的亚像素级定位拼接新方法。采用光栅尺记录物体的位置信息，引入圆盘格标定板对二维运动平台X、Y轴与相机X、Y轴之间的夹角进行准确标定，并建立基于全局物理直角坐标系的二维拼接模型完成图像的拼接。实验结果表明，该方法的标定重复精度可以达到10-4 rad量级，拼接的物理误差为8 μm，拼接精度比校正前提高了近8倍，比已见报道提高1倍以上。该方法已成功应用于导航卫星接收天线电路的在线检测设备，并可广泛推广至检测精度要求达到亚像素级的机器视觉自动化检测领域。

以聚乙二醇(PEG)和异氰酸酯为单体，添加由1,4丁内酯溶解(C4H9)4NI/I2配制的液态电解质，形成一系列的聚醚型聚氨酯凝胶电解质。通过动态机械热分析(DMTA)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射(XRD)等方法对聚氨酯凝胶电解质结构进行表征，测试结果表明此类电解质具有良好的热稳定性和非晶相结构。同时，研究了PEG分子量、异氰酸酯单体的改变对聚氨酯凝胶电解质电导率的影响，发现PEG分子量的增大使聚氨酯凝胶电解质的电导率先增加后降低，当PEG分子量为10000时，所合成凝胶电解质的电导率达到最大，为6.13 mS/cm，而异氰酸酯单体的改变对电解质的电导率影响不大。扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明这可能与聚氨酯中形成的不同网状结构有关。在100 mW/cm2的入射光强下，不同分子量PEG制备的聚氨酯凝胶电解质组装的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的光电性能不同，其中PEG分子量为10000合成的聚氨酯凝胶电解质组装的电池的光电转化效率最高，为4.29%。

运用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法，在6-311G (d)基组的水平上对Mg2Sin(n=1~9)团簇的多种可能几何构型进行了结构优化，获得了各个尺寸下团簇的最低能量结构，随后对最低能量构型的稳定性、红外光谱与拉曼光谱性质进行了理论研究。结果发现：当n≥3时，Mg2Sin团簇的基态构型均为立体结构；Mg原子的掺入提高了体系的化学活性；Mg2Si4与Mg2Si6是幻数结构；在相同的观察频段内，Mg2Si4团簇的红外光谱只有一个强振动峰，拉曼光谱强振动峰的个数较多且位于高频段内，其拉曼活性较强，与之相反，Mg2Si6团簇的红外光谱强振动峰个数较多，而拉曼光谱强振动峰则只有一个，表明其红外活性较强。

生物样品图像边缘增强与提取是医学图像处理的关键技术之一, 是进行生物样品形态分析的基础。图像边缘增强通常是通过计算机编程对原始图像进行后期处理来实现的, 然而, 这里应用共焦空间微分显微镜系统, 实现了在获得样品共焦显微图像的同时直接获取对应的边缘增强显微图像, 且图像分辨率与对比度较高。实验不仅获取了掩膜板与标准分辨率板RTA-07的边缘增强图像, 说明系统分辨率达到1.5 μm, 而且实现了生物细胞的边缘增强图像的获取, 如血红细胞与口腔上皮细胞, 图像可用于样品尺度与面积等形态的分析与计算, 在生物医学研究中有实际应用意义。

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾，采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理，分析了光学系统像差校正方法。在设计中，尝试了一种方法来快速地确定优化起点，分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°，出瞳大小为15 mm，出瞳距为50 mm。在奈奎斯特频率处，全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56 mm×128 mm，重量136 g。优化设计结果表明，该全息头盔显示光学系统像差小，可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好，体积小重量轻，可以应用于新一代机载头盔显示技术。

在LED双面平板照明灯具中，为实现侧入式近场均匀照明，研究了一种LED柱面透镜阵列自由曲面投射器。根据非成像光学理论中的边缘光线原理，采用直接法和重叠法设计投射器的表面形状，利用反射旋转面和折射旋转面以及柱面透镜阵列将LED光源发出的朗伯光重新分配。建立侧面近场均匀照明的柱面透镜阵列自由曲面投射器模型，用TracePro软件对所设计的模型进行光线追迹仿真，结果表明，当不考虑反射损耗时投射器的出光效率达到96.03%，在投射器侧面的面板上面积为240 mm×360 mm的照度均匀度达到95.6%。

为实现光学系统计算机辅助装调工程化应用，达到根据失调量的计算值对光学元件进行空间位置误差校正的目的，提出了失调量的计算值和调整机构调整量之间的过渡方法，利用坐标变换和最小二乘优化算法建立了失调量调整量的关系模型，完成了两者坐标基准过渡。仿真结果表明，根据此方法自编程序计算出的平移调整量精度可达10-6 mm量级，角度调整量精度可达0.02″量级，计算精度远高于光学系统的装调要求。在模拟装调过程中，与直接采用失调量计算值对元件调整的结果相比，此方法的调整结果明显好于前者。对于不同的光学元件装卡方式和调整机构，可对此算法的相关参量进行赋值，灵活运用于不同的工况，为计算机辅助装调的实际工程化应用提供理论依据。

波前编码系统是一种新型的光学数字混合成像系统。利用光阑处放置优化设计的三次相位板对波前的调制作用，可以实现在像面附近相当范围内系统的点扩展函数一致；进一步通过数字图像去卷积算法可以得到相当景深范围内清晰的成像，从而实现景深延拓。根据传统显微系统的特点，提出了一种基于传统显微物镜系统的波前编码显微系统设计思路，设计并加工了一套10×，40×波前编码显微成像系统。基于传统显微系统的波前编码显微系统可以有效地延拓传统显微物镜系统的景深，提高系统的成像质量。

随着航天遥感需求的不断提高，光学遥感器的口径越来越大，光学元件的支撑和重力变形对光学系统的影响难以消除，因此需要在轨调整光学元件位置变量，来补偿主镜面形误差引起的系统光学性能的下降。以一个大口径同轴三反射式光学系统为例，在理论上分析了次镜的倾斜、偏心和轴向位置引起的初级像差的变化，得出次镜的在轨补偿能力。利用Zernike多项式模拟主镜面形误差，通过调整次镜的位置自由度，分别补偿主镜的球差、彗差和像散，给出了仿真结果，并进行了工程可实现性分析。结果表明，次镜的位置自由度调整能够补偿主镜的彗差，并能够补偿一定量的像散，但是只能补偿小量球差。

为提高长程轮廓仪（LTP）面型检测的精度，提出一种使用波面型等光程多光束分束器的LTP。该分束结构可将入射光束分成若干束等光强等光程的相干光。在理论上分析计算了傅里叶变换（FT）透镜焦平面上干涉条纹的位置和强度分布，探究了零级干涉主极大条纹宽度、振幅和±1级干涉主极大条纹振幅与多光束分束器各结构参数之间的关系。通过选取合适的参数设计了基于多光束干涉原理的新型分束器，并与传统分束器进行了仿真实验比较，设计了测量系统中的准直镜和FT透镜，在Zemax软件中建立了完整的光学系统模型，并对该模型进行了实验验证。结果表明多光束干涉长程轮廓仪可以实现对被测表面斜率的测量，其在探测面上的干涉条纹宽度比传统双光束干涉窄，光强也更加集中，可以提高LTP的测量精度。

大功率白光LED作为新一代照明光源的优势越来越明显，但其光衰机制综合了YAG荧光粉、LED芯片以及封装散热多重因素，衰减机理复杂。为研究LED芯片与荧光胶的相互热影响，基于蓝光LED器件基板温度可控实现蓝光LED器件温度稳定，并通过外部加热（以此作为LED热量作用于荧光胶）的方式控制荧光胶、荧光粉、硅胶的温度。重点研究了温度从27 ℃升高到220 ℃对三者光衰、主波长特性的影响。对荧光胶与LED芯片的近距离相互热影响进行了测试，结果表明荧光粉涂覆量会引起光功率的降低，而且随着光功率的降低，LED芯片结温呈现指数升高。实验证明荧光胶层与LED芯片是一个相互影响的复合热源模型。

利用甲烷分子在中红外3.31 μm波段的吸收特性，设计并研制了一种便携式甲烷检测仪。为了研究仪器的稳定性，对其在体积分数为0×10-6气体下的输出电压信号做了长时间测试，结果显示，由于环境温度发生变化，半导体电子元件和光学元件参数以及甲烷分子吸收系数均发生漂移，使检测仪输出电压信号的相对漂移达1%。为了抑制温度变化对仪器检测性能的影响，进一步实验研究了仪器输出电压随温度的变化关系，并根据这一关系，对温度漂移造成的信号偏差进行了补偿。引入温度补偿后的实验结果显示，针对体积分数为0×10-6的样品气体，仪器输出电压每周相对波动从1%降至0.46%，体积分数波动范围从86×10-6降至37×10-6。针对体积分数为3250×10-6的样品气体，计算了仪器的阿伦方差曲线，当采样时间大于500 s时，阿伦方差几乎趋于定值，其标准差小于10×10-6。因此，通过温度补偿，在一定程度上消除了环境温度的影响，从而改善了仪器的稳定性。

非简并光学参量放大器产生的纠缠态光场是连续变量量子信息科学研究的重要资源。随着量子网络及量子计算的发展，需要更多组份纠缠态光场来完成对更复杂的量子信息的研究。一般的多组份纠缠态光场是将多个压缩态光场或者Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）纠缠态光场通过不同的分束器阵列耦合而成，需要同时制备多个经典相干的EPR纠缠态光场。采用带楔角的非线性晶体，使非简并光学参量放大器的振荡阈值从原来的250 mW降低至45 mW，当注入腔内抽运光功率为23 mW时，依然可以得到正交振幅及相位分量关联噪声分别低于量子噪声极限5.5 dB的EPR纠缠态光场。在此基础上，可以使用一台激光器同时抽运多个非简并光学参量放大器来获得所希望的多组份纠缠态光场。

空间相机摄影过程中，通常采用较小的固定增益以避免图像饱和，导致获取的图像存在整体偏暗、图像层次不丰富等问题。提出一种基于光照条件的空间相机增益在轨自动调整方法，根据当前的航天器位置和时间等实时计算星下点处的太阳天顶角，通过非线性拟合建立太阳天顶角与对目标最大反射率对应的地物成像时相机入瞳辐亮度之间的函数关系，进而完成对增益的实时计算和调整。与卫星工具包(STK)仿真和MODTRAN计算结果的对比实验表明，在太阳天顶角取[20°，70°]时辐亮度拟合误差小于等于0.3 W/(m2·sr)，相对误差小于等于2.2%。计算和仿真得到太阳天顶角之差约为0.39°(3σ)。在轨成像实验结果表明，太阳天顶角为62.5°时增益调整后图像灰度层次从98提高到183，信息熵提高约19.2%，图像灰度层次更加丰富，使目标更容易辨识。

合成孔径激光成像雷达（SAIL）时空散斑效应严重影响了成像质量。在时空散斑效应基础上，分析了合成孔径激光成像雷达中的散斑天线接收特性，建立了光学接收天线散斑孔径积分场的物理模型，模拟了目标分辨单元光学接收天线散斑孔径积分场距离向时间变化、方位向空间变化的二维分布。分析了不同接收天线散斑尺度比、不同天线积分起始位置对接收天线散斑孔径积分场的影响，并根据其统计性质得到散斑效应影响较小的接收天线尺寸和接收天线积分范围，为合理设计散斑效应较小的接收天线尺寸提供了参考，对进一步分析时空散斑效应如何影响SAIL目标成像有直接意义。

对于噪声干扰严重、非线性、非平稳、多奇异点的微弱雷达生命信号而言，去噪是对有用信号进行分析前的必要手段。基于多普勒效应原理和雷达噪声的统计特性，建立了雷达生命信号的模型，分别用传统小波变换和提升小波变换对强噪声干扰下的生命雷达信号进行了去噪处理，结果表明被强噪声污染的雷达生命信号可以用传统小波变换的方法和提升小波变换法对其有效去噪，提升小波变换去噪效果优于传统小波变换去噪效果，其信噪比（SNR）和均方误差（MSE）两个性能指标均高于传统小波去噪。对雷达生命信号进行去噪处理时，使用的小波基函数是sym8，分解层数为3层。

根据刑侦、物证等领域的应用要求，研制了一种工作波段为254~380 nm的大孔径傅里叶变换成像光谱仪。该系统采用具有高光通量的时间空间调制型结构以解决现有系统能量不足的问题。系统采用像平面式干涉仪与全反射式Offner成像镜相配合的方案，可实现干涉图上光程差近似线性分布。其在紫外波段最大可获得光程差与空间调制型干涉结构相同，理论最大波数分辨率为80 cm-1。系统前置物镜、分光立方体为熔石英材质，成像镜为全反射系统，在全工作波段内具有较高透射率。实验结果表明，系统可获取工作波段短波端附近的原始干涉图，能正确采集及重构目标的紫外波段光谱数据立方体；在使用汞灯照明时，可正确识别365 nm处发射峰。

利用空间外差光谱仪理论模型对由两臂分束器、光楔隔片、光楔、光栅隔片及光栅组成的十胶合干涉仪组件各元件容差进行模拟，采用非序列仿真获取干涉图，经傅里叶变换后得到仪器入射光谱曲线，分析干涉仪组件中元件容差对系统性能指标产生的影响，指出了空间外差干涉仪各元件的加工和胶合容差。各元件的角度容差、中心厚度容差、光栅刻线密度、光栅刻线方向转角容差以及光谱仪两臂的一致性都会对系统性能指标产生影响。同时，根据上述容差约束制造的空间外差光谱仪样机经定标获取的系统性能指标与其理论设计一致性很好，满足系统的容差范围。

选用珠光体耐热合金钢12Cr1MoV作为研究对象，通过不同的热处理过程制备了金相组织为珠光体+铁素体、板条状回火马氏体+少量残余奥氏体、回火马氏体和回火索氏体的样品，对比分析了激光诱导击穿光谱（LIBS）的谱线强度、等离子体温度、电子密度以及Fe元素离子线和原子线谱线强度比与金相组织之间的关系。研究结果表明：回火马氏体的光谱强度最强，珠光体+铁素体和板条状回火马氏体+少量残余奥氏体的光谱强度接近，回火索氏体的光谱强度最弱；各样品的等离子体温度基本一致；回火马氏体的电子密度最大，其余样品电子密度基本一致；Fe元素离子线和原子线强度比与金相组织存在一定的关联性，说明LIBS技术具有分析锅炉受热面金相组织变化的潜在能力。

实验研究了硫酸铵溶液的拉曼光谱特征，得到了硫酸铵溶液中SO2-4的几种典型拉曼特征峰，发现SO2-4浓度和对应的拉曼峰强度间存在线性关系，根据实验结果建立了拉曼光谱参数与离子浓度间的关系数据库。理论上通过Gaussian 03和Hartree-Fock方法（从头计算）对SO2-4的几何结构进行优化并计算出该离子的振动基频，将得到的理论振动基频与实验结果进行比较，发现实验与理论计算结果吻合较好。研究结果证实了利用拉曼光谱技术对硫酸铵进行定量分析的可行性，对工业上鉴别铵盐类别、精确测量不同铵盐含量、生产铵盐等均具有一定的参考价值。

以纳秒Nd:YAG脉冲激光器三倍频(355 nm)激光抽运的染料激光器为激发光源，在484~520 nm波长范围内，采用共振增强多光子离化光谱（REMPI）方法，对H2S分子里德堡序列的能级特性进行了实验研究，得到了谱峰间隔随激光波长增长而呈近二倍变化的两套谱峰序列嵌套而成的规则序列。该谱峰序列对应于H2S分子的里德堡序列激发。依据H2S分子低位激发电子态及里德堡序列的势能高度，可将离化过程确定为五光子4+1离化过程。并将所得到强谱峰序列归属为集结于态的np（n=5,6,7,8）里德堡序列，将弱谱峰序列归属为集结于态的ns（n=6,7,8）里德堡序列。两套序列的量子亏损分别为δ1=0.92和δ2=1.52。所得结果对H2S分子的光学检测及光谱特性研究具有重要意义。

针对多碱光电阴极进行了理论建模和性能模拟，采用层状模型：Na2KSb+K2CsSb+Sb·Cs偶极层，讨论了各层厚度、掺杂离子浓度对多碱阴极能带以及光谱响应特性的影响，结果显示表面K2CsSb和Sb·Cs两层的n型掺杂较高时，能够有效降低表面亲和势，有利于光电子的输运以及逸出。Na2KSb的掺杂离子浓度并非越高越好，主要原因是掺杂离子浓度影响着内建电场强度与范围，内建电场增大使电子扩散距离增加，有更高的几率到达阴极表面，在掺杂离子浓度为1016 cm-3左右时可获得最高灵敏度。分析了厚度对阴极灵敏度的影响，对于特定波长入射光，存在最佳厚度使对应波长的灵敏度最高，且由于内建电场的影响，不同掺杂离子浓度会使最佳厚度有所不同，当内建电场较强时，阴极的最佳厚度增大。对700 nm入射光，在掺杂离子浓度为1017 cm-3以及1016 cm-3时，最佳厚度分别为80 nm和200 nm。