卷云对地气辐射收支平衡有重要影响。根据三波长激光雷达系统于2011年1月~2012年10月在合肥西郊的观测资料，对比分析了不同波长对卷云的探测能力，并研究了合肥地区卷云的云结构和光学厚度等特征。结果表明，在所用的三波长(355、532、1064 nm)中，激光雷达的波长越长，其对卷云的探测能力就越强。合肥地区卷云的云峰平均高度在8 km左右，冬季较低，夏季较高；卷云平均厚度在1~2 km之间。三个波长探测所得的卷云光学厚度基本一致，从而验证了卷云的消光系数与波长无关的理论。合肥地区的卷云以光学厚度小于0.3的薄卷云为主，平均光学厚度在0.12左右。

传统的激光导引星(LGS)由于激光发射与接收光路的限制，导致难以利用激光导引星来探测大气倾斜量变化。其中重要的一个解决方案就是利用辅助望远镜，从侧面对激光导引星进行探测，从观测到的激光导引星带状拖影中提取出大气倾斜信息。随着激光带拖影长度的增加，必然导致其出现非等晕现象。给出了激光导引星带状拖影上两球面波之间的Zernike多项式展开系数角度相关函数。从相关性的角度分析了导引星高度、大气湍流强度以及接收望远镜口径对激光导引星带状拖影的非等晕性的影响。此外，基于激光导引星倾斜探测方案的非等晕限制，给出了Na层激光导引星倾斜量探测方案中的辅助望远镜视场限制。

利用合肥郊区夏季三维超声风速计测量的虚温、风速和Li7500二氧化碳和水汽分析仪获得的水汽浓度资料，从两个方面研究湿度起伏对三维超声风速计测量可见光折射率结构常数C2n的影响。对超声虚温进行湿度修正后，得到真实温度，比较了由超声虚温和真实温度分别计算得到的温度结构常数C2T。另一方面，计算出温湿度相关项CTq和湿度结构常数C2q各自对C2n的贡献。结果显示真实温度计算得到的C2T与超声虚温计算得到的C2Ts有显著差别，很多时候两者的差异超过10%。CTq对C2n的贡献较大，可超过10%，不可忽略；而C2q对C2n的贡献很小，普遍低于5%，可以忽略。

提出了一种构建可囚禁与操控三种冷原子或冷分子样品的光学三阱组的新方案，该方案采用常用的液晶空间光调制器作为分光器件，分光调制函数类似于二元相位光栅；对提出的方案进行了模拟实验，并研究了从光学三阱到单阱的双向演化过程。该光学三阱的模拟实验结果与理论方案相符，三阱的操控性好，有利于三种不同的冷原子或冷分子样品的装载与操控等相关实验研究。

在红外探测系统对空中目标进行低空探测时，地面的各种景物也可能进入探测器视场内，地面景物的存在将对目标的探测产生影响。从红外成像的角度出发，主要对地面景物会降低系统探测能力的问题进行了研究，分析了这种影响形成的原因，并针对该问题，提出了通过灰度化探测器视场内特定信号区间的方法。该方法对目标和其所在背景的辐射进行估计，再根据二者辐射的范围对灰度化信号区间的长度和位置进行确定，并最终得到所需灰度化信号的范围。计算和实验结果表明，采用该方法可以充分利用探测器的分辨本领，提高在地面景物存在情况下系统的探测性能。

为完善轴锥镜衍射场分布描述与认识，根据积分渐进理论处理了含大数且稳相点不在积分域中的衍射场积分函数，获得了轴锥镜折射阴影区的近轴域衍射场的近似解析解，且发现了该衍射场分布服从泊松散射分布这一新奇的现象。实验结果表明：在其阴影近轴区域的光强分布很好地服从零阶贝塞尔函数，并且中心光斑直径正比于传播距离，但其强度随纵面传播而衰减。由于照射光束与衍射斑的直径都随传播距离线性增大，二者永远不会重叠，所以理论上这个泊松衍射可传播到无穷远。相对于传统的圆屏衍射实现方式，轴锥镜透镜为超远距离空间中泊松衍射斑的产生提供了一种新的、更便捷的方法。

为了扩展光学相控阵的角度扫描范围，设计了基于体全息光栅的放大级，研究了光栅结构参数及其制作误差对性能的影响规律，提出了容差优化方法。研究结果表明：光栅厚度和折射率调制度是影响衍射效率的主要参数，光栅周期和光栅厚度是影响角度选择性的主要参数。光栅出入射角由光栅周期和光栅矢量倾斜角决定，在保持角放大率不变时，可以通过在出入射面内旋转介质调节这两个参数。实际制作中，光栅周期误差和光栅矢量倾斜角误差会导致衍射角偏离设计值，读出光波长越长，光栅周期误差的影响越小；光栅后面介质折射率越高，光栅矢量倾斜角误差影响越小。增加光栅厚度设计值可以减小光栅厚度误差对衍射效率的影响，而减小光栅厚度设计值可以减小折射率调制度误差对衍射效率的影响，实际制备时，需结合系统需求进行综合设计。

扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期的测量误差是影响曝光过程中相位拼接的主要因素。为制作符合离子束刻蚀要求的高质量光栅掩模，建立了条纹周期测量误差与扫描曝光对比度关系的数学模型，利用光刻胶在显影过程中的非线性特性，建立了扫描干涉场曝光光栅的显影模型，给出了光栅掩模槽形随周期测量误差的变化规律，并进行了实验验证。结果表明：周期测量误差不仅会使掩模槽形变差，还会引起槽形在空间上的变化。在周期测量的相对误差一定时，相位拼接误差与相邻扫描间的步进间隔成正比，与干涉条纹周期成反比。在显影条件一定、曝光光束束腰半径1 mm、曝光步进间隔0.8 mm、曝光线密度1800 gr/mm 时，周期测量误差控制在139 ppm以内，理论上可以制作槽底洁净无残胶、槽形均匀的光栅掩模。

直接从电磁场的普遍原理共轭互易定理出发，针对无损折射率双缓变光纤，得到了双缓变光纤模耦合方程，推导出了互耦合系数、自耦合系数、干涉耦合系数和传播常数之间关系。在此基础上，对模耦合方程进行了求解，得到了相同双缓变光纤模耦合方程的近似解析解，讨论了耦合系数对光功率耦合的影响。

提出并分析验证了一种由光场往返调制实现的光域双环路光电振荡器(OEO)。系统中光信号往返两次通过马赫曾德尔调制器(MZM)后再进行反馈调制，使得环路中的光纤延时利用率加倍，并构成两个不同环长的光学环路。理论上对该结构的起振条件和双环选模原理进行了分析，经过与传统单环光电振荡器实验对比，此结构能有效提高边模抑制比，所测得的边模抑制比为48.33 dB，在频偏10 kHz时的单边带相位噪声为-97.35 dBc/Hz。该结构无需增加有源器件，降低了系统中光纤的使用量，简化了实验的控制参数。信号在两个环路中循环时相向传输，进而消除了随机干涉和拍噪声引入。

商用发光二极管（LED）调制带宽受限制约着可见光通信的传输速率，而灯具内通常有多个LED灯芯，为此提出了通过多个灯芯同时作为通信信源，利用交织分多址技术并行叠加，单一光电检测器（PD）接收的高速传输方案。由于LED驱动电压非负、PD只检测光强信息，为此提出了基于单载波开关键控（OOK）调制的发送传输结构、接收端多LED检测和重复码译码算法；研究了可见光OOK调制的信噪比（SNR）性能估计算法；仿真中，与等条件的多载波直流(DC)偏置光正交频分复用相比较，该方案在误码率（BER）、抗非线性等性能上更优。

提出了一种新型的、基于单个径向渐变折射率(GRIN)透镜的1×N光纤耦合方法，并基于水平入射以及垂直斜面入射光线的传播方程建立了用于求解点光源发出的光束在GRIN透镜斜面入射后的成像点的计算方法。通过将透镜前端面加工成多斜面棱镜，将输入光分为多束，光束聚焦位置可以通过系统参数来调整；被分割开的光束经会聚、优化像差后，实现1×N低损耗耦合，并进行了仿真研究；通过优化斜面倾角、物距等关键参数实现了光纤低损耗耦合。该设计方案结构简单，易于装配，为各类光子晶体光纤、多芯光纤、光纤组束和光纤合光提供了实用的耦合方法。

基于耦合模理论，研究了镀金属两层膜系长周期光纤光栅（LPFG）的模式转换及其折射率响应特性。从表面等离子体共振(SPR)的激励条件和模式转换发生条件出发，指出镀金属两层膜系LPFG中的SPR和模式转换不会同时发生，在此基础上分析了镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率随敏感薄膜厚度的变化，发现镀金属两层膜系LPFG的模式转换区域比镀膜LPFG的转换区域要宽，且模式转换区域内第一次转换时的有效折射率变化斜率比镀膜LPFG的大，意味着在该区域其对敏感膜层的变化有更高的响应。考察了金属薄膜厚度对镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率的影响，结果表明，随着金属薄膜厚度的增加，第一次转换时有效折射率的变化斜率逐渐增加。分析了第一次转换时镀金属两层膜系LPFG透射谱对敏感薄膜折射率变化的响应特性，结果表明，镀金属两层膜系LPFG传感器对敏感薄膜折射率的灵敏度明显高于镀膜LPFG，对敏感薄膜折射率的灵敏度的分辨率可达10-6。

为了实现稳定的、可以同时同步的多点混沌通信，提出一种基于光电反馈延迟的双向混沌通信模型和多点耦合的混沌同步模型。在双向混沌通信模型中引入了时间延迟和混沌调制信息加密技术，增加了系统的安全性。数值分析了系统的同步性能、安全性能和通信性能，研究结果表明，系统能够历经很短的时间实现高质量的、稳定的同时同步，实现双向通信。并且延迟时间、信息信号功率、激光器光信号功率、相位的改变在其他参数匹配的情况下,不会降低系统的同步性能,即系统的信息信号功率、光信号功率、延迟时间、相位均可作为系统的密钥,提高系统的安全性。这种双向混沌通信模型可以拓展为符合一定拓扑结构的多点耦合混沌通信模型，并且推测随着网络中节点数的增加，系统的复杂度增加。

相位误差的存在严重降低了光学合成孔径系统的成像质量。针对活塞误差和倾斜误差的不同特性，设计对应的量化指标，并以维纳滤波进行复原，利用相关系数进行评价。统计结果表明，只有活塞误差均值小于0.06λ，倾斜误差均值小于16 μrad时，才能保证相关系数大于0.98，近似实现无损复原。在此基础上，通过旋转阵列获取频谱不同的多帧图像共同参与复原，以减小或消除相位误差的影响。比较不同旋转角度和次数情况下的复原结果，最终确定最优方案。实验结果表明，该方法与直接成像相比，可以显著提高含相差系统的图像复原质量，而且将两种相位误差容限分别提高到0.12λ和35 μrad，降低了对光学设计和相差校正的精度要求。

为提高抛物槽式太阳能聚光器的聚光效率，需要对聚光器的整体面形进行检测和调整。提出采用吸热管反射成像法检测槽式聚光器各子镜的安装位置及倾斜角度，进而获得聚光器的整体面形信息。通过测量相机与被测聚光器的相对位置，可计算吸热管在待检测子镜中的成像位置及形状，并推导了吸热管在聚光器中的理论成像位置计算公式。进行了吸热管反射成像法检测槽式聚光器面形的实验。通过调整聚光器子镜的安装位置和倾斜角度，使吸热管在子镜中的实际成像位置与理论位置重合，验证了检测方法的正确性和可行性。

飞秒光学频率梳作为精密光学频率标尺，可以用来产生频率稳定度极高的单波长连续激光，利用其多个梳模制备理想的多波长光源用于绝对距离测量具有测量速度快、实时性强、非模糊度量程大、精度高等优点。以多波长测距的基本理论和光梳高频率稳定度为基础，提出了二次合成波长的方法，不仅扩展了非模糊度量程，同时为干涉信号的多波长解调创造了足够的波长间隔条件。结合光梳的波长特点，分析了基于光梳的多波长选择与非模糊度量程的关系，并阐述了具体的选择步骤及波长组合结构。利用小数重合解调算法，在0.01的小数相位测量精度条件下，仿真验证了四波长干涉测距的非模糊度量程为35.636 mm，五波长干涉系统可以达到几百毫米的非模糊度量程，后者相对分辨力的动态量程达到109量级。

对基于偏振态调制器的三级米勒矩阵测量方案进行了理论推导和证明，并对其进行了实验验证。通过建立三级系统方程，利用最小二乘的数值算法回归出多个待测器件的米勒矩阵。这种基于系统估值的方案不同于以往文献中提到的使用在线偏振测量仪测量输入/输出偏振态求解单个米勒矩阵的方法。三级串联光学子系统或光器件的米勒矩阵及其物理偏振参量可在一次测量中同时求得。实验测得的三个光学器件延迟量的标准差分别为0.0012、0.0018和0.0040。还针对测量系统的不确定性进行了仿真模拟，并着重讨论了串联系统中存在的误差累积效应，与实验数据进行了比较。

偏振分束组件是偏振探测系统的核心组成部分，组件中关键偏振光学元件的加工和装调误差直接影响偏振测量精度。通过分析入射光与组件中偏振光学元件相互作用，推导了组件中部分偏振分束器的最佳分束比，其理论值为78.9/21.1；在假定部分偏振分束器的分束比误差为±2%时，分析了入射光偏振测量误差随入射光偏振角的变化情况，求解了偏振分束组件中1/2波片及1/4波片的安装角度误差对入射光偏振探测精度的影响。理论分析表明，为满足±2%的偏振测量精度需求，部分偏振分束器的分束比误差应控制在±0.5%，1/2波片的安装角度误差应控制在±0.5°。1/4波片的安装角度误差在±2°时，对偏振测量精度的影响可被忽略。

介绍了基于阵列波导光栅（AWG）的单纤三向波分复用器的设计、仿真、制作与测试。利用阵列波导光栅的频谱周期性，采用越级衍射方法可在无需改变AWG布局，无需额外元件的情况下覆盖三向波分复用器的整个工作波段（1310~1550 nm）。器件的芯层采用较高折射率的SU-8聚合物，下包层是二氧化硅，并用空气作为覆盖层，制作流程简单，只需要紫外光刻，成本低。仿真结果显示三个工作通道3 dB带宽都大于11 nm，偏振波长漂移不超过0.65 nm。器件测试结果验证了越级衍射设计的正确性，在TM偏振态下的第二和第三波长通道的额外损耗是3 dB左右，第一波长通道的额外损耗是7 dB左右，串扰在-15 dB左右。整个器件大小仅1.3 mm×0.402 mm。

可调谐光纤激光器可广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光光谱、精密测量和激光加工等诸多领域。针对目前可调谐激光器在调谐性、灵活性、稳定性和多波长功率均衡性等方面的不足，提出一类新型的基于数字微镜器件（DMD）的多波长宽带可调谐光纤激光器。该激光器利用关键器件DMD作为波长调谐器，掺铒光纤作为激光增益介质，通过巧妙的光学设计，实现仅利用一块DMD芯片独立、灵活、稳定调谐多波长激光输出的目的。该激光器具有3个输出通道，各通道之间独立开关控制，每个通道均可实现波长在1530~1560 nm之间的连续可调谐输出，波长调谐精度0.055 nm/pixel，边模抑制比大于55 dB，激光输出功率最大值为10 mW，2 h内的中心波长漂移小于0.02 nm。

散斑抑制是阻碍以激光为光源的显示技术发展的技术瓶颈。通过实验分析了散射片的发散角、级联散射片的数量和它们之间的间距对散射光束相关面积宽度的影响。在级联散射片和光通管构成的散射体的基础上，利用多重散射理论解释了级联散射片减弱激光相干性的现象。基于积分散斑的统计学理论，推导了CCD积分时间T内捕获的散斑图样的强度自协方差函数与散斑对比度之间的关系，并明确了级联散射片对运动散射片位移的影响，从而达到抑制散斑的目的。实验结果表明，将散射体与运动散射片相结合不仅提高了整体光能利用率，在检测器积分时间1/30 s内还能将散斑对比度从0.753降低到0.069。

针对激光冲击强化铝合金焊缝过程中存在多场耦合导致残余应力变化幅度大、实时表征难的问题，采用ABAQUS非线性有限元软件建立了激光冲击强化7075-T6铝合金板材焊接件的有限元模型，模拟计算焊缝在激光冲击强化前后的残余应力场分布，重点分析了激光冲击强化对焊缝的横、纵向残余应力场的影响规律，并对焊缝的激光冲击强化工艺参数进行优化。研究结果表明，焊缝表面为残余拉应力场并且分布不均，激光冲击强化使得焊缝的拉应力状态转变为高幅压应力状态；优化激光冲击强化工艺参数(如激光能量、激光光斑尺寸、搭接率)，可以明显改善焊缝区域和热影响区的残余应力分布；当激光光斑搭接率为50%至70%时，残余应力分布趋于均匀，可以有效消除“残余应力洞”现象。

为了准确提取图像中目标特征，结合靶标的尺寸和特征信息提出了一种基于全局信息的方法。利用霍夫变换(HT)确定图像中包含靶标的目标区域；在目标区域中提取靶标上不同特征区域的中心；利用提取的中心拟合靶标在图像中所占区域的圆心和半径；完成图像上各区域与靶标上对应区域的匹配。实验证明该方法能够有效、准确的提取图像中靶标的特征，实验室内实验中靶标上特征区域中心提取精度为0.09 pixel，实验室外提取精度为0.12 pixel。在序列图像处理时,利用前一帧图像的结果可以有效降低计算量，提高提取精度。

提出一种基于单目视觉的致密场景重建方法，以实现对环境快速，准确地三维立体化建模。该方法针对自由式手持单目相机，在并行跟踪与地图创建(PTAM)算法框架下准确地实现相机的自定位。在此基础上，选取关键帧处图像序列，构造变分模式下深度估计模型；运用离散空间采样法获取初始深度图，借助于原始对偶算法实现该深度模型的优化，并结合相机投影模型估计待求解场景的三维模型。在统一计算设备架构(CUDA)下，利用图形处理器(GPU)进一步实现了深度估计算法的并行优化，显著提高了算法处理的实时性。真实场景下实验结果验证了所提算法的有效性与可行性。

遮挡问题是现有多摄像机测量网络在进行空间交会测量时存在的一个重要问题。当测量过程中有遮挡发生时，某些特征点可能仅能被一个像机观测到，传统的前方交会测量方法将不再可行。为了解决这一问题，通过特征点的几何约束来求解特征点位在全局坐标系下的粗略位置作为进一步迭代优化的初值，并根据可用的特征点（可以是能被所有像机观测到，也可以是仅被部分像机观测到）的多光线约束来建立最优化目标函数，通过迭代算法最终解算得出被测目标可靠的位置姿态。实验结果表明，该方法在解决实际应用中遮挡问题的同时，也能提供较高的测量精度。

磁流变液是一种分散体系，通过对分散体系稳定性的研究，并结合磁流变抛光的实际需求，确定了磁流变抛光液添加组分，配制出了适合于光学加工的水基磁流变抛光液。所配制的磁流变液初始粘度仅为0.2 Pa·s，利用磁流变仪检测所配制磁流变液在剪切率为1 s-1，磁场强度为0.35 T时，剪切应力达42.5 kPa。利用所配制的磁流变抛光液分别对K9玻璃和Si材料进行抛光，经过2 h持续抛光，K9玻璃和Si材料去除函数的峰值去除量相对变化率分别为0.15%和0.22%，体积去除量相对变化率分别为1%和0.88%，去除函数的峰值去除率分别达到4.83 μm/min和1.376 μm/min。结果验证了所配制的抛光液具有极好的稳定性以及较高的去除效率，能够保证抛光材料的快速去除和高效收敛。

采用第一性原理赝势平面波方法，对V-Al共掺杂CrSi2的几何结构、电子结构和光学性质进行了理论计算，并与未掺杂、V、Al单掺杂CrSi2的光电性能进行了比较。结果表明：V-Al共掺杂会增大CrSi2的晶格常数a和b，体积相应增大。V-Al: CrSi2是p型间接带隙半导体，带隙宽度为0.256 eV，介于V、Al单掺杂CrSi2之间；费米能级附近的电子态密度主要由Cr-3d、V-3d、Si-3p、Al-3p轨道杂化构成。与未掺杂的CrSi2相比，V-Al:CrSi2的静态介电常数和折射率增大，εi(ω)在低能区有一个新的跃迁峰。在光子能量为5 eV附近，εi(ω)的跃迁峰强度大幅减弱，吸收系数和光电导率明显降低，吸收边略有红移，平均反射效应减弱。V的掺入会削弱Al单掺杂的电子跃迁，V-Al共掺杂可以对CrSi2的能带结构和光学性质进行更精细的调节。

毫米波通信是当前研究热点之一，并受到了广泛的关注。提出了一种可用于毫米波通信的具有双频带的左手材料，该结构单元由上下两环不对称的S型结构反向印制在介质基板的两侧组成。通过合理选择单元的结构参数并对尺寸进行优化，该结构可获得在50 GHz和60 GHz附近具有两个透射峰的S参数，经反演法电磁参数提取，验证了在48.2～52.2 GHz和58.7～60.8 GHz这两个频带范围内磁导率和介电常数同时为负，表现出典型的左手特征。本研究对多频带左手材料设计及其在毫米波通信中的应用具有一定的参考意义。

采用共沉淀法成功制备了新型黄绿色荧光粉Ca1-xWO4xPr3+(摩尔分数x=0.1%, 0.3%, 0.5%, 0.7%)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和荧光光谱等测试手段进行了结构、形貌和光致发光研究。结果表明：黄绿色荧光粉CaWO4:Pr3+具有四角白钨矿类结构,空间群为I41/a，其表面形貌较规则、粉粒大小为5～20 μm。CaWO4:Pr3+可被487 nm蓝光有效激发，其发射光谱由一系列锐谱组成，分别位于530 nm(3P1→3H5)、547 nm、555 nm(3P0→3H5)、602 nm(1D2→3H4)、618 nm、637 nm (3P0→3H6)和648 nm(3P0→3F2)。当摩尔分数达到0.5%时样品光致发光最强。样品的色坐标为（x=0.39，y=0.55），表明所发光为黄绿光。为了更好的理解CaWO4:Pr3+的荧光谱，建立了包括4f2电子组态的自由离子和晶体场相互作用的91×91阶能量哈密顿量矩阵，在理论上合理地解释了Pr3+离子在CaWO4晶体中四角(S4)Ca2+晶位的光谱数据，所得理论值与实验结果吻合较好。

通过对不同直径大小、不同金色深浅的天然金色海水养殖珍珠的紫外可见(UV-Vis)吸收光谱、珍珠层微纳米结构的扫描电子显微镜(SEM)与高分辨透射电镜(HR-TEM)分析及珍珠层厚度进行对比性研究，并探究了金珠颜色的深浅与珍珠层厚度间的联系及金珠独特的UV-Vis谱图成因。结果表明：金珠的颜色越深，对应的UV-Vis特征吸收峰的强度越大，但金珠珍珠层的厚度与金珠金色的深浅不存在正相关性；在同一颗金珠中不同区域的珍珠层的厚度、珍珠层表面的“叠瓦状”结构的疏密程度存在显著差异，推测上述差异可能是导致金珠的UV-Vis吸收光谱存在区域差异性的影响因素；此外，在珍珠层中存在典型的准一维光子带隙结构，该结构应与金珠的呈色或呈色深浅有密切的关联。

采用提拉法成功生长出了高光学质量的Tm,Ho:LuAG(Lu3Al5O12)激光晶体，对其光谱性能进行了研究。测量了晶体320~3000 nm范围内的吸收光谱，在784 nm附近有较宽的吸收带,半峰全宽约为12 nm。用784 nm半导体激光器(LD)作激发源，测量了晶体2800~3000 nm范围内的稳态荧光光谱，并用光参量振荡(OPO)脉冲激光激发，测量了晶体的瞬态荧光光谱，对数据曲线进行指数衰减拟合，获得了晶体2.9 μm附近波长激光上下能级5I6和5I7的寿命,分别为51 μs和7.5 ms。与Tm,HoYAG（Y3Al5O12）晶体的光谱参数进行了比较，结果表明，Tm,Ho:LuAG是一种相对容易获得2.911 μm中红外激光输出的激光晶体。

基于自适应光学设计了一款可诱导人眼自动调焦的眼底相机，包括视度调节系统、照明系统和自适应成像系统。在视度调节系统中，通过设置视标诱导人眼自动调焦，校正人眼初级像差，将人眼残余像差控制在自适应成像系统的校正范围内。在照明系统中，采用轴锥镜组产生环形光照明人眼，消除人眼角膜的强反射光，通过调节轴锥镜之间的距离使环形光束内径连续变化以适应不同的人眼。在自适应成像系统中，使用哈特曼夏克波前传感器作为波前探测器，使用变形镜作为波前校正器，校正人眼的高阶像差。仿真结果表明，眼底照明均匀度可达95%，自适应成像系统在截止频率76 lp/mm处，各视场调制传递函数(MTF)值均大于0.36。系统畸变小于1%，能够对在-6D～+8D(D表示屈光度数)之间的人眼眼底清晰成像。

随着宽谱段高分辨率光谱仪在海洋空间遥感领域的广泛应用，其前置消偏器的设计要求越来越高。为满足成像光谱仪的要求，利用矩阵光学的原理，对应用最为广泛的Lyot消偏器，从残余偏振度的公式出发，对其与晶体楔角和厚度的关系进行数值分析，结合残余偏振度和光学系统分辨率的要求提出了用于宽谱段光谱仪消偏器参数的设计方法。运用该设计方法对400~950 nm宽谱段成像光栅光谱仪消偏器进行设计，在全波段范围内，光谱分辨率为4 nm时，对任意偏振态的线偏光，消偏器的出射光的残余偏振度均小于2%。

为降低支撑控制难度和节约制造成本，同时又保证在线光学加工检测所需的支撑精度，提出超大口径反射镜的支撑布局优化方法。研究支撑状态下的反射镜面形精度，解决面形拟合和优化目标提取的问题；以斜率均方根(SlopeRMS)为目标建立非圆形口径的超薄反射镜加工支点布局优化模型，使其具备自适应有限元分析的功能；针对工程中大量使用的轻量化反射镜，设计出适应其几何变化的支撑转换结构，并展开以面形均方根(RMS)误差为目标的支点位置的优化设计；通过30 m口径望远镜(TMT)第三镜和某2 m口径反射镜的支撑布局优化，验证了所采用方法的效果。算例结果表明，所提方法具有较好的几何适应性，布局优化后支撑系统的精度满足超大口径反射镜的光学制造要求。

为了更好地利用区域结构函数评价大口径反射镜表面面形，引入了Randon变换作为区域结构函数坍陷的工具。对于使用Randon变换进行区域结构函数坍陷的具体实现方法进行了讨论；之后考虑到 Zernike多项式可以很好地模拟系统的低阶波像差，故利用此方法对于Zernike多项式的区域结构函数进行坍陷；然后将此方法应用于米级口径的反射镜表面面形检测数据以及30 m望远镜(TMT)三镜面形仿真数据，验证了理论的正确性与方法的可行性。对于大口径反射系统的设计、检测与加工都有较好的指导意义，同时为30 m望远镜三镜项目的最终完成提供助力。

基于电信号调谐的声光可调滤波器具有宽光谱、快速调谐、大孔径角以及窄滤波线宽等特点。在考虑了二氧化碲晶体的旋光性的基础上，设计了一种非共线型声光滤波器。实验研究了该滤波器调谐关系以及不同中心波长的滤波线宽等性能。该滤波器的性能与理论预期符合较好。另外，结合倒置光学显微镜系统，搭建了超光谱显微成像实验系统，并进行了初步的超光谱显微成像实验研究，在可见光范围内获得了较好的超光谱成像结果。

理论和实验研究了一种由开口谐振环（SR）和双金属线（CW）组合的具有类电磁诱导透明(EIT)效应的SR/CW太赫兹谐振器。分别对由单侧开口和双侧开口谐振环的SR/CW谐振器特性进行了仿真，并分析了开口环在结构单元中位置的变化对谐振峰强度和品质因子Q的影响。结果表明，两个谐振器在0.7 THz附近的谐振峰是由开口环LC谐振和双金属线偶极谐振干涉相消引起的。开口环位置变化对单侧开口环的SR/CW结构谐振峰强度和Q值影响较大，而对双侧开口环的SR/CW谐振器的影响很小。利用激光诱导与化学镀铜技术制备了SR/CW谐振器样品，并利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)对样品进行了透射性能测试，测试结果与仿真分析基本相符。

根据菲涅耳衍射积分和拉盖尔高斯光束场强分布，对拉盖高斯光束中的圆孔衍射、单缝衍射和方孔衍射进行了研究，并分析了拉盖高斯光束的相位结构对光束衍射后场分布的影响。拉盖高斯光束的相位奇点落在衍射孔中心时，由螺旋谱计算出拉盖高斯光束通过单缝和方孔衍射后的轨道角动量的弥散程度，从理论上证明了拉盖尔高斯光束通过圆孔衍射后，轨道角动量不发生弥散。

分析了用级联的两个I类倍频腔产生的三色三组份纠缠光源纠缠特性，结果表明：第一个腔的反射抽运场，第二个腔的反射抽运场和第二个腔的输出倍频场之间是关联的，并给出了纠缠度随各种实验参数的变化关系,为多色纠缠光束的产生及其在量子测量与量子通信中的应用提供了参考。

利用锗酸铋（BGO）晶体的弹光双折射与电光双折射可以相互补偿的特性，设计并研究了一种新型光学应力传感器。折射率椭球分析结果表明，在垂直于BGO晶体的(111)晶面方向上同时施加应力和电场，晶体的弹光双折射能够被电光双折射所补偿，因而可以实现应力的闭环光学测量。光学传感单元主要包括两个棱镜偏振器和一块平行四边形的BGO晶体，该晶体自身能够通过对光波的两次全反射产生0.5π的光学相位偏置，因而不需要附加四分之一波片。实验测量了30 kPa以内的压缩应力，被测压缩应力与补偿电压之间具有较好的线性关系，且每1 kPa压缩应力所需要的补偿电压约为4.26 V。

设计并研制了一种新型光纤法布里珀罗压力传感器，通过光刻、硅片刻蚀、阳极键合等微机电系统技术制作而成，适合恶劣环境下、狭小空间内的微压环境压力测量。详细阐述了传感器的结构设计和制作方式。该设计巧妙地利用了光纤法兰盘，保证了光纤端面与敏感膜的平行，从而形成高质量的法布里珀罗干涉腔。该结构也有利于初始腔长的稳定，减小了传感器误差。建立了实验解调系统，对其压力、温度等特性进行了详细的测试。实验结果表明，在0~0.1 MPa的压力范围内，传感器线性度好，重复性高，灵敏度达到了61.6 μm/MPa。

通过氩气和空气中交流针板介质阻挡放电的光谱，研究了在外加电压正半周流注放电的等离子发光强度、谱线宽度、电场强度在放电通道内从针到板的空间分布情况，分析了介质板的存在对等离子参量空间分布的影响。通过对氩气放电光谱中763 nm和772 nm两条谱线强度研究发现，沿着放电通道从针到板等离子发光强度在针尖附近先增大后减小，在平板电极附近又迅速增大。通过研究氩气放电中696.54 nm谱线的展宽发现，谱线宽度在平板电极附近最大。通过空气放电光谱中氮分子离子线（391.4 nm）和氮分子谱线（394 nm）的强度比，计算了放电通道中电场强度的分布，发现沿着放电通道从针到板电场强度先减小后增大。研究发现，介质板的存在对于放电等离子参数的空间分布有着重要影响。

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点，分析了定标原理及要求，确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法，搭建了定标系统，实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标，并对定标的不确定度进行了分析，得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015 cm-1，辐射定标不确定度为4.02%，满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证，结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确，辐射亮度吻合理想，为CO2的定量反演奠定了基础。

氧气是发动机燃烧过程的必需成分，在飞行器进气道进行氧气监测需求迫切。针对飞行器上的工程要求和应用特点，设计了一种波长线性扫描可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)短光程系统结合有限冲击响应(FIR)滤波二阶导数谱算法的方案完成了氧气吸收微弱信号的提取和浓度反演。根据TDLAS工作原理和吸收信号特征，对二阶导数谱用于气体浓度反演的理论依据进行了推导，在此基础上提出一种基于FIR的数字滤波方案来完成吸收信号的噪声滤除和二阶导数谱的提取。实验结果证明，该方案简单易行，提高了检测信噪比，降低了检测限，浓度反演结果准确、线性良好。

光学薄膜的光学特性是薄膜设计与制备的基础。硅材料是红外光学薄膜中一种重要的高折射率材料。研究了在不同沉积温度下非晶硅光学薄膜的折射率和消光系数的变化。结果表明，在200 ℃时，硅薄膜折射率最大，消光系数随温度升高而减小。

利用光散射与导模共振的理论，设计了一种薄膜太阳能电池的陷光结构，对硫属化合物薄膜太阳能电池进行了优化设计，选择多孔氧化铝薄膜（PAA）作为散射层，模型结构层厚度为：窗口层（AZO）320 nm，缓冲层（In2S3）65 nm，吸收层（SnS）660 nm。研究结果表明，光散射与导模共振相结合的薄膜太阳能电池结构能够提高自身的光吸收率，其中由光散射结构提高的全光谱吸收率约为3%。本设计可以优化薄膜太阳能电池的吸收光谱，提高其对近红外波段的光吸收能力，在波长950 nm位置的吸收率达到85%，增强了薄膜太阳能电池的光利用率。

实验证实飞秒激光在透明材料内部诱导的周期性纳米条纹具有特殊的光学特性。采用时域有限差分方法（FDTD）分别对单元纳米光栅和纳米光栅阵列的散射特性进行研究，分析结果显示纳米光栅的散射对入射激光的偏振方向敏感；散射强度与入射激光波长相关，波长越长、散射越弱。对于纳米光栅阵列，平行于纳米光栅的散射强度比垂直于纳米光栅的散射强度小两万倍。最后从理论上验证了Ⅱ类波导和纳米光栅偏振导光是由纳米光栅的散射引起的而不是双折射效应。

飞秒激光光刻是一种灵活的三维光子器件制作方法。由于铽镓石榴石具有法拉第效应，具有广泛的应用，利用中心波长为800 nm，重复频率为1 kHz的飞秒激光，在磁致旋光晶体铽镓石榴石中刻写了双线型和压低圆包层两种光波导，重构了激光诱导折射率改变的分布和测试了光波导的传输损耗。双线型波导具有偏振依赖的导光特性，圆包层波导则不存在偏振依赖的导光特性。对于双线型波导，横电(TE)模和横磁(TM)模相位完全失配，在外加磁场下，导模的偏振面不会发生旋转，光刻的圆包层波导的导模的偏振面能够发生磁致旋转。铽镓石榴石中的双线型和圆包层波导可以作为波导偏振器和磁旋光器件，在集成光学上有潜在的应用价值。

利用重复频率为1 kHz，中心波长为800 nm，脉冲宽度为120 fs的飞秒激光在掺Yb3+磷酸盐玻璃中刻写光波导，测试了不同参数下刻写的波导的导光模式，研究了写入速度和写入脉冲能量对模场直径、波导折射率的影响，给出了波导形成的写入窗口范围，对比测试了激光作用区域和未作用区域的荧光光谱特性。实验结果表明，在采用20×显微物镜，写入速度为20 μm/s，写入脉冲能量为1.8 μJ时，所得到的光波导在976 nm波段模场直径为20 μm，波导区域折射率改变为2.7×10-4，飞秒激光作用区域的荧光光谱与基质的荧光光谱几乎完全重合，荧光特性在飞秒激光作用后保持良好。利用双色镜和2% 的输出耦合镜构成了法布里珀罗(F-P)腔掺Yb3+波导激光器，获得了波长为1031 nm的连续激光输出，激光功率为2.9 mW。