Ring效应指大气中O₂和N₂分子对太阳光的转动拉曼散射导致太阳夫朗禾费线变浅(被填充)的现象。气溶胶能够改变光子在大气中的光程和大气散射性质，进而影响散射次数和转动拉曼散射几率，所以可以通过观测Ring效应强度获取气溶胶信息。研究了一种利用地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪器观测反演气溶胶信息的新方法，基于MAX-DOAS 仪器在晴朗天气下对大气Ring 效应进行观测，结合McArtim 大气辐射传输模型可以获取气溶胶消光廓线。将MAX-DOAS 反演气溶胶光学厚度结果和太阳光度计观测结果进行了对比，一致性较好。研究结果表明，基于地基MAX-DOAS观测大气Ring效应反演气溶胶消光廓线是可行的。

通常用大气能见度表征大气对可见光波段的视觉影响程度，但它并不适用于红外波段。鉴于大气能见度的直观特性和红外光电技术的迫切需求，参照可见光大气能见度的定义，依据红外系统对比度阈值，提出了红外大气能见度的概念。根据这里提出的定义和涉及的红外大气透射率的物理过程，分析了决定红外大气能见度的关键大气因素。一般情况下，这些因素是可见光大气能见度、水汽含量、气溶胶类型。建立了红外大气能见度与这些关键参数间的定量关系，计算了噪声等效温差(NETD)为0.05 K 对应的3个大气窗口(1.06、3~5、8~12 μm)的红外大气能见度。

以具有代表性的野外实测光谱数据作为端元，对水体遥感反射率进行线性混合光谱分解，基于分解得到的各组分丰度，构建了一种新的水体叶绿素a指数CSI（叶绿素a光谱指数）。以太湖、巢湖、滇池以及三峡水库水体的307 组实测叶绿素a 浓度及高光谱数据为基础，分析了CSI的特性。以该指数为自变量，构建了内陆浑浊二类水体叶绿素a 浓度估算模型，并分析了模型的抗噪性和传感器适应性。结果表明：1) CSI对水体叶绿素a 浓度大小有较好的指示作用，以f_CSI=0 为条件将实测光谱分为2 个类别，可以表征光谱特征的明显差异；2) CSI作为自变量的叶绿素a 浓度估算模型在实测高光谱数据集中的精度与三波段算法(TBA)相近(二者估算结果的平均相对误差分别为0.332和0.330，均方根误差分别为9.892和9.929)；3) 以CSI为自变量得到的估算模型对无偏移噪声和有偏移噪声都有较好的抗性，其中无偏移噪声几乎不影响算法的精度，而三波段算法对两种噪声同样敏感，随着噪声增加，估算结果出现较大误差；4) 新的估算算法对传感器波段设置不敏感，其优势在宽波段多光谱数据集中更加明显。相比于传统水体叶绿素半经验算法，CSI算法具有更高的稳定性和更强的应用潜力。

大气气溶胶粒子吸收虽然一般比较微弱，但对地球辐射收支平衡、高能激光在大气中的传输具有重要影响，因而该吸收特性的准确测量越来越受到重视。针对光热测量技术，通过分析气溶胶因吸收激励激光能量产生的温度分布和折射率变化，给出了光热干涉的相位变化量与有效吸收系数、作用时间的关系；阐述了利用相位载波(PGC)算法获得相位变化信息的方式；以强、中、弱3种吸收特性的气溶胶为例，说明了不同激励激光波长下的光热效应；通过仿真计算及误差分析，展示了PGC 算法在解调精度和抗噪上的优势；对解调算法进行了初步的实验验证。

光斑漂移是光束在湍流大气中传输时的一个重要效应。利用CCD 成像技术在烟台地区近海面进行了准直高斯光束传输实验，并在实测数据的基础上，分析得到了近海面准直高斯光束的漂移特性。研究结果表明：水平漂移幅度大于垂直漂移幅度，对于1.21 km 近海面路径而言，前者介于5.25~10.69 mm 之间，后者介于4.45~8.59 mm 之间，两者之比的平均数为1.33，小于其他环境下聚焦光束的比值，随着传输距离的增加，它们之间的差异逐渐缩小，夜间时段的比值大于白天时段的比值，并且近海面不同时段的光束漂移幅度差别较小。此外，还对测试期间的大气折射率结构常数进行了简要分析。

用由HTP-2型温度脉动仪和WXT520气象传感器组成的近地面参数测量系统以及大气相干长度仪的两年观测数据分析了西北高原地区近地面湍流。近地面参数测量系统分两层分别搭建在6 m 和2 m 高度上。温度脉动仪测量折射率结构常数，气象传感器测量常规气象参数，大气相干长度仪测量大气相干长度。分析结果表明：不同高度的折射率结构常数随高度按幂指数规律变化，白天幂指数平均值为-0.8，夜间为-0.3。用相干长度比评估近地面湍流层对整层湍流的贡献，结果表明：相干长度比有明显的日变化特征，白天小而夜间大；不同月份相干长度比日变化趋势和大小均不同。讨论了近地面局地视宁度与局地温差的关系，结果表明：局地视宁度和局地温差白天正相关，夜间负相关。

基于390 nm 紫光诱导的光致原子解吸附效应，实现了大磁场梯度磁光阱中少数原子快速和高概率的装载。实验中通过开启390 nm 紫光使吸附在真空气室内壁上的原子解吸附，从而有效地增加了背景铯原子数密度，降低了大磁场梯度磁光阱中原子的装载时间，同时研究了磁光阱中装载的原子数目对紫光参数的依赖关系。利用这种全光学控制的方法，最终获得了磁光阱中装载一个原子、两个原子、三个原子的概率分别为98.0%，95.0%，80.1%，这对于下一步利用光学手段实现远失谐光学偶极阱中单原子高概率快速的装载以及利用空间光调制器扩展偶极阱阵列，实现偶极阱阵列中每个阱中单原子快速高概率装载具有重要意义。

以光纤布拉格光栅检测动态应变为基础，分析了匹配型光纤布拉格光栅波长移动解调方案的基本原理。利用匹配光栅法检测的高灵敏性及光纤光栅传感器本身的优点，将其与超声波检测相结合，创新性地用于研究超声波在冰样中的传播速度随温度的变化关系，通过光纤布拉格光栅检测冰样中纵波、横波传播速度与温度的关系，利用Matlab 对数据进行拟合及计算，得到了冰样的声学参数随温度变化的规律：温度越低，超声波在冰样中的传播速度越高。并将所测数据与超声波系统所测数据进行对比，结果表明，光纤布拉格光栅所测数据正确可靠，证明了光纤布拉格光栅可用于检测冰的声学性能。

以噪声性质存在的微振动信号是造成干扰和影响机械加工精度的主要因素之一，消除干扰的前提是对微振源的准确测量和定位。针对现有基于光纤的定位系统存在的不足，设计了一种基于全光纤微振传感器的微振源定位系统，该系统要求最少4 个微振传感器，通过同时测量3 个传感器相对于另一个传感器的振动信号到达时间差(TDOA)来计算微振源的位置。通过实验对传感器和定位系统的性能进行验证，相对定位误差低于0.56%，且系统稳定可靠。

结合单色频率绝对相位算法仿真分析了空间低相干干涉条纹信噪比对解调中干涉级次和绝对相位的影响，仿真结果显示，当条纹信噪比大于18 dB时，可避免干涉级次跳变问题，此时解调得到的绝对相位标准差随信噪比的增加呈线性减小趋势，在25 dB信噪比下其值可达到0.023 rad。通过改变光源强度进行了不同信噪比对解调影响的实验研究，实验结果与仿真分析结果基本一致。另外，压力解调实验结果显示，解调误差随信噪比增加而降低，在24.79 dB信噪比下压力解调误差为0.044 kPa，相比18.10 dB信噪比降低了2.84倍。实验结果表明，在5~150 kPa压力范围内，为保证0.05%F.S.( F.S.表示全量程)的解调精度，则信噪比应大于22 dB。

为了方便地对可见光镜头进行调制传递函数的测试以及打破国外的垄断，研制了一套体积小重量轻的便携式调制传递函数测试仪。该测试仪以圆孔作为目标物，它发出的光经平行光管准直后，再经过被测镜头，并在被测镜头像面上形成圆孔像，该像经显微物镜放大后被电荷耦合器件(CCD)接收并传入计算机，计算机对图像进行处理和计算，得到调制传递函数值。介绍了图像处理的过程，详细给出了调制传递函数的算法，对测试系统各组件的影响进行了分析与校正，并提出了误差和噪声的抑制方法。将该测试仪的测试结果与光学设计的理论值进行了比较，得到该测试仪的绝对精度为0.018，满足0.03的要求，达到了研制目的。

光源掩膜协同优化是45 nm节点以下浸没式光刻提高分辨率的重要途径之一，为了重构其优化后输出的像素级光源，提出了一种基于可寻址二维微反射镜阵列的新型照明模式变换系统设计方法。分析了减少重构光源所需微反射镜数量的原理，结合成像与非成像光学，利用柱面复眼透镜，获得了入射到微反射镜阵列上的非均匀的特定光强分布，基于此光强分布对微及射镜二维偏转角度进行了模拟及优化，并对该照明模式变换系统进行仿真，结果表明，光瞳重构精度小于2.5%，X，Y 方向光瞳极平衡性小于0.5%，Prolith中重构光源的曝光性能仿真结果满足要求。与类似的系统相比，该系统仅用不足4000个镜单元即可达到设计要求，适用于集成度高的下一代浸没式光刻系统。

对采用分块拼接式主镜的大口径空间望远镜，有必要研究适合在轨应用的共相位误差校正方法。以像清晰度函数作为评价函数，通过仿真分析了单色光和白光照明2种情况下分块镜共相位误差与评价函数的变化关系。仿真结果表明：采用单色光照明时，分块镜平移误差校正的动态范围小于0.5 λ；采用白光照明时，评价函数存在局部极值，必须采用全局最优化算法。仿真结果表明，当平移误差大于0.5 λ时，采用随机并行梯度下降(SPGD)算法易陷入局部极值，而采用遗传算法(GA)可以搜索到全局最优解，但迭代速度较慢。提出了采用基于SPGD算法和遗传算法的混合优化算法校正分块镜共相位误差。当平移误差在[-λ, +λ]范围内时，混合优化算法的校正精度可优于10 nm。

利用三维数字图像相关(DIC)技术对薄壁球壳受刚性球面压缩的连续变形及失稳过程进行实验研究。实验中，由于乒乓球具有理想的弹塑性材料特性以及薄且均匀的壁厚，所以采用乒乓球作为压缩对象，以透明石英玻璃球作为刚性球面，通过配制与玻璃球折射率一致的折射液来消除因玻璃球折射导致的图像畸变影响，从而解决被测表面因遮挡而不可见的问题。利用三维DIC 技术对与刚性球面接触的乒乓球表面在压缩过程中的连续变形进行直接测量。实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明，通过三维DIC 测量得到的乒乓球表面受刚性球面压缩产生的塑性环半径与理论结果非常吻合。

用计算全息图(CGH)检测非球面时，除了设计零位补偿CGH 外，还往往设计辅助调节CGH，从而可以利用干涉图来精确调节CGH 的位置。针对这种同时具有零位补偿和辅助调节功能的CGH，提出零位补偿CGH 和辅助调节CGH 之间具有相互补偿效应。针对一高次非球面，设计了四种不同的CGH 配置方案，而后逐一分析了零位补偿CGH 和辅助调节CGH 之间的补偿效应。分析结果表明，在相同的基板误差的条件下，具有自补偿效应的配置方案的Power 项误差小于其他方案的1/40，而球差和高阶球差则小于其他方案的1/70。利用具有自补偿效应的配置方案加工制作了CGH，用此CGH 完成了对非球面的加工检测迭代，非球面面形的收敛精度均方根(RMS)达到0.48 nm。

为了实现微流体流场中多点速度测量，提出基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒速度计研究。理论分析基于双芯光子晶体光纤的相干特性和控制体特征。计算结果表明纤芯间距为7.4 μm，在控制体内可产生5 条干涉明纹，与实验结果保持一致。但由于噪声的存在，实验所得各级条纹的强度比值比理论计算结果小。增大纤芯间距，可增加控制体内的干涉条纹数量，从而提高速度测量精度。从双芯光子晶体光纤出射的光斑至相干过程的成像结果表明，速度计的工作距离约30 μm。分析基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒多点速度测量原理，并进行单点、两点和三点速度测试。单点测量时，粒子平均速度为0.980 m/s，相对不确定度为0.5%；两点测量时，粒子平均速度分别为1.761 m/s、1.769 m/s；三点测量时，粒子平均速度分别为2.106、2.084、2.097 m/s。实验结果表明，基于双芯光子晶体光纤的激光多普勒速度计可进行多点速度测量，而且具有探头微型化、系统简单的特点，因此可嵌入微系统进行流场的多点速度测量。

提出一种保偏光纤环和Y 波导调制器直接耦合偏振轴测量方法。设计并搭建了偏振轴在线检测系统，通过将检测光路插入到直接耦合工艺过程中，使空间中平行的Y 波导和光纤组件端面同时清晰成像于CCD 像面；通过图像处理判断两端面边缘相互平行关系获取两者偏振轴的角度偏差。实验结果表明，搭建的系统用于Y 波导和保偏光纤偏振轴对准时，系统实测值与理论值能较好地吻合，且系统测量精度在1°之内，对应于偏振轴角度误差产生的尾纤输出串音优于-35 dB，证明了方法的可行性。

针对隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密测量需求，设计了一种组合式位姿测量系统。系统把单目视觉和激光标靶相结合，在利用激光标靶和全站仪完成掘进机后盾体位姿测量基础上，通过所设计的光学特征点空间分布模型，实现特征点的准确识别，根据特征点之间已知的几何约束关系和摄像机的透视投影模型，进行实时的图像处理和位姿解算，实现掘进机前盾体相对后盾体位姿的非接触式测量。系统建立了光学特征点、智能视觉传感器、激光标靶和全站仪之间的坐标转换关系，搭建了模拟双护盾硬岩隧道掘进机位姿变化的实验平台，并利用全站仪进行精度验证，最终完成掘进机全方位的实时位姿测量。实验结果表明：在30 m×3 m测量范围内，系统测量精度优于5 mm。测量系统具有精度高、抗噪声能力强和实时性好等优点，可满足隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密自动测量要求。

提出一种基于波数分辨的低相干干涉台阶高度测量系统。由宽带光源发出的光通过光纤迈克耳孙干涉仪获取被测量信息，色散光栅将宽谱干涉光束色散成波长在空间连续分布的光片，由线阵CCD 探测。将线阵CCD 的各个像元探测到的各个波长干涉信号转换成对应的波数干涉信号。对于波数干涉信号，相邻两个干涉信号峰值之间的波数变化量与干涉仪光程差的绝对值呈正比。因此，利用此测量系统可实现对台阶高度等物理量的绝对测量。利用缩短测量系统中光纤迈克耳孙干涉仪的两个干涉臂的长度减小环境干扰对测量系统的影响，获得高测量精度。本测量系统的测量分辨率为6.03 nm。对一个高度为50 μm 的台阶重复10次测量，测量结果的标准差为6.8 nm。

光学自由曲面元件如离轴非球面等在现代光学系统中起到了越来越重要的作用。计算全息元件(CGH)可产生任意形状的波前，能够很好地应用在光学自由曲面的零位补偿干涉测量中。针对一离轴椭球面为测量样品，以光学计量领域比较成熟的Offner补偿器法，测量离轴非球面母镜的面形偏差，进而获得离轴椭球面的面形偏差；再将离轴椭球面通过旋转平移，作为自由曲面元件，在平面基板上设计CGH对其进行零位补偿测量，研究零位补偿CGH的误差传递数据。通过主要原理误差分析与计算，在光学熔石英平面基底上制作零位补偿CGH，测量不确定度达到λ/10[峰谷(PV)值, λ=0 .6328 μm]，满足光学自由曲面元件的高精度检测要求。

相移干涉中，采用内像素椭圆拟合方法进行相移步长估计是一种有效的方法。提高这种方法的精度关键在于从干涉图中找到两组相差π/2的像素。通过对干涉序列图中局部区域灰度均值零、极点的位置计算，选定两幅相差π/2干涉序列图。运用这两幅干涉序列图，在对每个像素点采用四种灰度判别方法的基础上，提出了一种全视场范围内最大限度寻找相位相差π/2两组像素的方法。实验表明，这种方法比传统的方法具有更高的精度与普适性。

提出在阵列波导光栅(AWG)中采用光学非对称平板波导,以消除嵌入半波片的阵列波导光栅中残留偏振敏感性的解决方案。利用传输函数分析在阵列波导中间插入半波片的偏振模式转换过程；以工艺误差使半波片位置不能居中的情形为实例，利用材料的热光效应，调节输入、输出平板波导的双折射率，形成光学非对称平板波导，从而消除了残留的偏振敏感性。针对聚合物材料AWG 的模拟结果显示，当输入、输出平板波导的温度差为24 °C 时，已可消除32.43 pm 的残留偏振敏感性。进一步研究发现，当输入与输出平板波导温度改变量相等但符号相反时，能够很好地避免因温度改变而引起的中心波长漂移。该方法具有结构简单、温控可调等优点，而且还可弥补其他因素造成的因嵌入半波片产生的残留偏振敏感性。

基于光学薄膜的偏振效应和多光束干涉效应设计了由多层二氧化钛(TiO2)-二氧化硅(SiO2)薄膜结构组成的偏振分束片，提出了在聚合物光波导中混合集成的方案，并采用时域有限差分(FDTD)数值法优化了方案中的结构设计。在聚合物材料基底上制备了TiO2-SiO2 多层薄膜偏振分束片，并将此薄膜偏振分束片嵌入聚合物光波导的沟槽中，从而实现了结构紧凑的偏振分束器。而后对此混合集成偏振分束器进行了实验表征，实验表明该器件在C波段上的插入损耗低于2.5 dB，偏振消光比大于25 dB。这样混合集成的偏振分束器不仅可用于现有的偏振控制光学系统中，而且充分发挥了薄膜偏振分束片的优势，可为实现小型化、高度集成的偏振分束器提供新方案和更多的自由度。

在亚波长光学集成中，波导中表面等离子体传输模式的激发是一个重要的问题。利用表面全息法设计结构，并对表面等离子体波进行整形。将平面等离子体波匹配到双线波导中的对称和反对称模式，从而实现波导中两种模式的有效激发。利用时域有限差分法对设计结构进行验证，发现双线波导中两种模式能够有效激发。对结构参数进行优化，对称与反对称模式的激发效率分别达到8.7%和10.8%。

温度敏感性是影响波导微环光学生化传感器性能的重要因素。从微环谐振方程出发分析了微环传感器温度敏感性产生的机理，研究了以SU8-NOA61-SU8 三明治结构聚合物衬底代替传统硅衬底，利用衬底的热膨胀效应抵消波导的热光效应，来消除聚合物波导微环光学生化传感器的温度敏感性。采用ANSYS软件对三明治衬底的厚度进行了仿真设计，得到了温度不敏感条件下的衬底厚度参数。对SU8 和NOA61 旋涂成膜工艺进行了实验研究，得到SU8和NOA61的膜厚控制精度分别为0.07 μm@20 r/min 和0.34 μm@20 r/min。分析得到三明治聚合物衬底波导微环传感器的温度敏感性和探测极限值，达到了带有温控装置的硅衬底聚合物波导微环传感器的性能。

研究二维ZnO随机散射粒子中2个对称的圆形区域间光波的耦合特性。利用时域有限差分法(FDTD)数值模拟了二维随机散射系统中2个对称圆形区域间的距离D 变化时的光场分布及模式频谱图，并对D 不同时的情况进行对比分析。分析出射激光的强度和中心波长与D的关系，得到D=0.8 μm时为最佳情况。此时，出射激光中心波长为380.57 nm ，强度为4.81×10⁴。通过观察理想情况下散射系统在仿真过程中的光场分布图表明，2个圆形区域之间的电场强度经过耦合得到放大，且随着圆形区域之间距离D 的增大，出射激光的强度增强，光谱线宽度减小，模式数量减少。

半导体激光器光栅-外腔光谱合束是一种实现高亮度半导体激光(DL)输出的有效方法。本文采用mini-bar叠阵作为合束光源，有效减小了“smile”效应对合束效率的影响，匀化了合束后的快慢轴光束质量，便于进一步的光纤耦合输出。采用柱面镜作为外腔镜，有效抑制了合束中的互锁定现象，从而取代了传统的空间滤波，减小了系统规模。在工作电流为75A 时得到了159W 的高亮度DL 输出，合束光谱宽度为11.97 nm，电光效率为47.35%。当工作电流为60A 时，合束光的快慢轴光束质量分别为3.145 mm·mrad与3.554 mm·mrad。

采用高温固相还原反应合成了新型单相荧光粉Ca9NaZn(PO4)7∶Ce3+, Mn2+，并对Ce、Mn单、双掺荧光粉的发光性能和能量传递进行分析。在303 nm紫外光激发下，Ce3+，Mn2+双掺体系发射光谱中位于374 nm和650 nm两处的宽带发射峰分别来自于Ce3+的5d→4f和Mn2+的4T1(4G)→6A1(6S)能级跃迁。在该体系中，发现Ce3+和Mn2+之间存在有效能量传递，使得Mn2+的红光发射强度明显增强，能量传递的临界距离Rc=1.385，并被证实属于偶极子-四极子共振能量传递。最终，从CIE色度坐标可以看出，通过对共掺离子浓度相对大小的调节可实现从蓝紫光到红光的颜色调控。

研究了具有二重旋转对称性的椭圆介质柱光子晶体的宽带全角准直色散特性及其在分束器方面的应用。利用平面波展开法计算其色散关系，发现该类结构的TE 偏振模式在较宽的带宽内存在跨越整个第一布里渊区的平直等频线，利用这些平直等频线实现了宽带全角超准直光传输。在此基础上设计了一种Y 型能量分束器，时域有限差分(FDTD)仿真结果表明，该分束器对内置二维点光源和高斯光源均具有很好的分束性能。以上研究在光子器件集成、定向耦合等领域具有潜在的应用价值。

在经典的双温模型中引入电子激发、载流子吸收等电离过程，建立了飞秒激光和晶体材料相互作用的理论模型。采用有限差分法数值模拟了在飞秒激光作用下，不同掺杂摩尔分数的MgO∶LiNbO3晶体内电子、晶格温度随飞秒激光脉宽、激光能量密度的变化规律。并定量分析了不同掺杂摩尔分数的MgO∶LiNbO3晶体材料的损伤阈值随脉宽的变化规律，以及掺杂浓度对晶体损伤阈值的影响。结果表明，在LiNbO3晶体中掺入适量的MgO 将使载流子迁移率发生变化，进而会影响晶体的损伤阈值。在适当掺杂范围内，掺MgO 的摩尔分数越高，载流子迁移率越大，晶体的损伤阈值越高。因此，实际应用中可通过在LiNbO3晶体中掺入适量的MgO来提高晶体的抗损伤能力。

搭建了一台手持式扫频光学相干层析(SSOCT)系统对人体皮肤进行在体成像。对该系统的性能进行了详细的分析和讨论，并与实验室内现有的传统结构谱域光学相干层析(SDOCT)系统进行了对比，其中手持式SSOCT 系统的灵敏度为101 dB，SDOCT 系统的灵敏度为94 dB。通过一次样本模拟实验和两次人体不同位置皮肤成像的结果证明了手持式SSOCT 系统的信噪比和成像深度都优于SDOCT 系统。利用手持式SSOCT 系统对人体胳膊内侧成像，体现了手持式SSOCT 系统能够对任意位置皮肤成像的优越性。所有实验结果证明搭建的手持式SSOCT 系统除了具有使用方便的优点外，还能够提供高质量的人体皮肤微观结构图像。

基于自适应光学(AO)像差校正技术的激光共聚焦扫描检眼镜是当前研究的热点，为眼底疾病早期诊断提供有力的支持。利用可连续变形镜和夏克-哈特曼探测器为核心器件搭建了一套高帧频紧凑型自适应光学扫描激光检眼镜(AOSLO)系统，系统物理尺寸为350 mm×400 mm，图像采集帧频为40 fps，分别进行了系统分辨率测试与人眼视网膜成像初步实验。结果表明，系统人眼视网膜面上的分辨率可达到2.50 μm，达到极限分辨率(2.32 μm)，可实现细胞量级高分辨率成像，自适应光学系统能够校正人眼像差，校正前后图像质量有明显的提高，能清楚地观察到人眼视网膜视盘附近的血管以及黄斑区细胞图像。

提取骨架是计算机断层扫描(CT)三维(3D)血管图像定量分析中的关键步骤，通常耗费数小时，直接制约了图像分析的定量研究。分析串行骨架细化算法各步骤中包含的可并行化操作，对其进行并行化设计，提出的算法通过OpenMP多线程技术实现，并采用不同大小的三维CT血管图像进行分析和测试。根据测试结果，改进后的算法获取到的骨架准确可靠，对于1.95 GB大小的三维血管图像，使用16个线程进行并行运算时，可将运算时间由176 min缩短到13 min，时间消耗上降低了一个数量级。因此，提出的方法可实现大型血管骨架的准确、高效提取，解决了大型三维图像分析问题中运算效率低这一瓶颈问题。

大口径凸非球面镜在现代光学系统的应用日渐广泛，尤其在离轴三反光学系统中，它往往作为次镜使用。出于力学特性和热学特性考虑，一般采用不透明的SiC材料来制作此类非球面镜面，而且对于离轴系统，次镜的全口径均参与成像。口径大、加工材料不透明且无中心遮拦，使得传统的检测方法已经无法实现对此类非球面的检测。为解决此问题，提出一种计算机再现全息(CGH)与辅助球面镜混合补偿的凸非球面检测方法，构建了基于CGH辅助功能区域的检测对准方案，并以此方法对一口径为φ120 mm的SiC凸非球面反射镜进行了混合补偿检测，其检测结果与子孔径拼接检测结果在均方根(RMS)值为1/50 λ精度下一致，验证了该方法的可行性与正确性。

在以多级微反射镜为核心器件的静态傅里叶变换红外光谱仪中，基于传统单孔径透镜组结构的缩束系统由于口径较大、透镜数量较多和整体尺寸较长等原因，其体积和重量在整个光谱仪中占有很大的比重，严重制约了光谱仪的微小型化和轻量化进程。而复眼系统以其结构紧凑、体积小、重量轻等优点有助于解决这一问题。根据三维矩阵光学理论计算了由3个微透镜阵列组成的复眼缩束系统的初始结构参数，设计了消杂光光阑阵列，并使用光学设计软件对初始结构进行了优化。最后，借助光学分析软件，对光谱仪系统进行了干涉图和光谱复原理论分析，结果显示所设计的复眼缩束系统能满足光谱仪系统的应用要求。

基于倏逝波理论和光学谐振原理，研究了倏逝波在光子晶体中的存在形式及空气栅光子晶体F-P 腔的折射率传感机理，并建立谐振波长与待测气体折射率的关系模型。当入射光以大于全反射临界角的角度入射到光子晶体中，由于倏逝波的作用，在中心介质层形成F-P 腔并产生谐振，电磁场被局部增强，与待测气体充分作用，从而使该传感结构对待测气体的折射率具有较高的敏感性。利用传输矩阵理论进行数值模拟，结果表明，折射率传感的Q值可达3447.0，灵敏度可达1260.0 nm/RIU，证明该光子晶体F-P 腔折射率传感结构具有很好的传感特性，可为高精度气体折射率传感器的设计与应用提供一定的理论参考。

设计了一种由涂覆了单层石墨烯的双椭圆电介质纳米并行线构成的表面等离子体光波导，采用有限元方法对其传输特性、电磁参数以及结构参数之间的依赖关系进行了研究。结果表明：随着椭圆的中心距离的增大，有效折射率的实部逐渐减小，传播距离先增大后减小，模式面积逐渐增大；椭圆的半短轴对有效折射率、传播距离和模式面积有微调作用；通过优化计算，减小并行线之间的距离，增加并行线的半短轴的长度，可以达到更好的传输效果；工作频率越高，有效折射率的实部越小，传输距离越短，模式面积越大；温度越高，有效折射率的实部越大，传输距离越短，模式面积越小。研究结果为基于石墨烯材料的表面等离子激元光波导的设计、制作和应用提供了理论基础。

发光二极管(LED)已经成为头盔显示器液晶像源主流背光源。LED 发散角较大，大量的光线无法得到有效利用而造成能量的浪费，故需要对LED 进行二次光学设计以有效提高光效。背光包括由若干个LED 组成的阵列。对单个LED 设计了双曲面透镜，形成了8 mm 直径的均匀圆形光斑。对单个透镜进行切割，以形成矩形光斑。但由于切割面的全反射，矩形面积内存在亮斑。对透镜进行了优化设计，获得了亮度均匀的矩形光斑。4个矩形透镜拼接成透镜阵列。为消除杂散光斑，对透镜再次进行了优化设计。根据设计结果加工了透镜阵列并对背光进行了实际测试。测试结果表明：和传统背光结构相比，采用两层扩散膜和透镜阵列后，背光亮度提高了96.4%，非均匀性由23.8%略提高到23.1%，半亮度视角由39°降低到23°。满足头盔显示器液晶像源背光的要求。

在现有拉曼光纤放大器优化设计中，对拉曼散射耦合模型的求解是制约各种优化算法求解效率的瓶颈。提出运用最小二乘支持向量回归机，建立多抽运拉曼光纤放大器的输入输出回归模型，并利用该模型直接替代对拉曼散射耦合模型的求解，实现了优化速率数量级的提升。采用该方法对C 波段的多波长反向抽运拉曼光纤放大器进行了优化实验，仅使用2 个抽运源就可以迅速得到增益波动小于±0.5 dB 的优化设计，并且其平均开关增益可以直接使用该模型进行快速调节。实验结果表明，相比传统的打靶法和平均功率法，通过该拉曼光纤放大器回归模型可以直接得到输出增益，极大地提高了设计的时效性，具有一定的参考价值。

在静态傅里叶变换光谱仪中，由于系统装调精度的限制，补偿板相对于分束板会产生一定角度的旋转。补偿板的旋转在横向会导致干涉图像发生错位，在纵向则会导致光程差的改变，致使干涉图像失真。通过对光束在补偿板中传播路径的计算，得到干涉图像的错位量和光程差的变化量与补偿板旋转角之间的函数关系，并根据函数关系计算和分析了补偿板的旋转导致的不同波长干涉图像的混叠和光谱的失真。对于补偿板旋转引入的相位误差，提出离散光谱序列解线性方程组的方法，有效实现了误差光谱的良好校正。

对转炉炼钢过程中炉口火焰温度的非接触式在线测量进行了研究。采用无需假设发射率模型的基于最小二乘法的多光谱测温法，利用海洋光学的微型光谱仪USB4000 作为分光器件，构建了相应的炉口火焰辐射信息采集系统。采用与炉口火焰温度相近的炉内铁水作为辐射源对系统进行标定，获得其响应系数。选取不同波段的光谱数据,分别将改进的标定方式以及利用卤钨灯进行标定的方式应用于倒炉铁水温度的测量，测温结果表明，波长区间为600~740 nm 时，采用改进的方式取得的结果最优。将该方法应用于冶炼过程中炉口火焰温度的在线测量,得到炉口火焰温度在整个吹炼过程中的变化趋势。结果表明，采用所提出的测温方法不仅可以在线反映转炉操作对炉口火焰温度的影响，同时也为炉口操作工人判断炉内铁水的温度提供了有效的依据。

为提高飞秒条纹相机的性能，设计了一种新型加速结构的条纹相机，它具有加速栅网和加速狭缝通道，平行平板电极结构。考虑实际惯性约束核聚变(ICF)实验中X 射线入射CsI光阴极，光电子能量弥散较大和空间电荷效应作用下，用蒙特卡罗方法抽样2000个光电子能量角度分布值，用四阶龙格-库塔法计算了电子在条纹相机中的飞行轨迹。在成像面上统计电子时空分布得到该条纹相机的时间和空间分辨特性，结果显示使用该加速结构的飞秒条纹相机空间分辨率达到21l lp/mm,时间分辨率达到508.4 fs，对比传统平行平板相机，分别提高了90%和29%左右，性能提高明显。该新型条纹相机加速结构简单，具有实用性。

提出了一种新型的调控高能X 射线的光学器件—圆柱形钨/玻璃复合光学元件，该光学元件是用金属钨在圆柱形玻璃体表面镀膜。用Matlab 语言编写程序，对金属Cu 以及钨/玻璃复合光学元件的线吸收系数进行了理论计算。金属Cu 线吸收系数的计算结果与常用数据吻合较好，吸收限位置的线吸收系数的突变证明该程序的高精度。钨/玻璃复合光学元件线吸收系数的计算结果与实验测量数据具有较好的一致性，同时证明钨/玻璃复合光学元件对低能X 射线的滤波作用。