激光通过大气湍流传输，光束扩展主要由空间衍射和大气湍流两个物理机制确定，而大气湍流对光束扩展的影响又与光束空间衍射特性相关。研究了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间问题，把光束扩展按传输距离划分为三个区间，造成这三个区间的光束扩展的主要物理机制依次是：空间衍射、空间衍射和大气湍流、大气湍流。详细研究了部分相干H-G 光束参数和大气湍流参数对这三个区间范围大小的影响，以及第一个光束扩展区间与光束瑞利区间的关系，并对主要结果给出了合理的物理解释。

望远镜等光学系统常常受到大气湍流以及内部像差扰动的影响，常规自适应光学系统被证明是消除外部大气湍流引起的像差的有效手段，然而当存在大幅度的内部像差扰动时，问题变得复杂。提出了一种嵌套双自适应光学系统结构，用内部独立嵌套自适应光学系统校正内部像差扰动，用常规自适应光学系统主要校正外部大气湍流扰动。进一步分析对比了它与常规自适应光学系统的校正能力，数值仿真了当同时存在上述两种像差时二者的校正效果。结果表明，合理设计嵌套双自适应光学系统的工作条件可使得在大多数情形下其校正效果优于常规单自适应光学系统，尤其在内部像差扰动相对较大时更加显著。

非Kolmogorov 大气湍流中的光传播及其对光电工程的影响已成为当前应用光学的研究热点之一。详细对比讨论了真实的非Kolmogorov大气湍流的光学特性和理论研究中的非Kolmogorov湍流谱模型；从一般光传播效应，各向异性湍流中的光传播效应，特殊光源、部分相干光、阵列光源的传播效应以及这些效应对光电工程的影响6 个方面分析了光波在非Kolmogorov 大气湍流中的传播效应及对光电工程影响研究的最新进展和存在的相关问题；从大气湍流测量技术、非Kolmogorov 大气湍流光传播的数值模拟及其与实际光传播实验的对比分析三个方面提出了对今后这个研究领域重点研究方向的建议。

如何有效校正随人群起伏很大的人眼像差，提高视网膜高分辨率成像技术的人群适用范围是临床应用面临的最大难题。现有的单一波前校正器无法同时清除高阶和低阶视觉像差。针对人眼高阶像差校正需求，研制成功了169单元3 mm 极间距分立式压电变形镜，并与大行程Bimorph变形镜组合，建立了一套双变形镜的人眼视网膜成像系统。系统可实现对离焦小于±4.5 D、散光小于±3.0 D 的低阶像差及前8阶Zernike像差的有效校正，极大地提高了系统的人群适用范围和成像质量。以低阶像差大小作为入选标准，进行小样本量人眼视网膜成像实验，获得了近衍射极限的视网膜图像。该系统适用范围明确，便于后续临床应用。

基于标准k-ε 两方程湍流模型和2.5 m 光学望远镜的4种典型天文圆顶，通过计算流体动力学软件Fluent进行数值风洞模拟实验。研究了在不同方向的恒定风作用下，圆顶打开时望远镜周围风速、湍流动能的分布状态和对天文观测的影响，以及圆顶关闭时风场对于圆顶外壁的压力情况。结果表明，封闭性较好的经典圆顶和球形圆顶对于不同方向风的阻隔效果明显，望远镜处于低速风环境，望远镜周围湍流动能较低，但视宁度较大；开放性更好的柱式和蚌壳折叠式圆顶所保护的望远镜则更多地处于高速风环境，视场方向的湍流动能相对较高，但视宁度相对较小；圆顶关闭时，顺风方向上，4种结构表面所受风压均呈现由正高压向负高压转化，最终接近于0的发展趋势。根据分析结果提出了不同天文圆顶的适用条件和不利因素，为今后不同气候环境下光学望远镜圆顶结构的设计提供了参考。

气溶胶是大气中污染物PM2.5 和灰霾的主要成分，近地面的气溶胶直接影响人们的生活和生产。利用电荷耦合器件(CCD）侧向散射激光雷达系统和相应的反演方法，对探测到的数据进行处理和分析。与后向散射激光雷达对比，验证了CCD 侧向散射激光雷达探测结果的正确性。分析了2014年4月合肥西区董铺岛3 km 高度范围内气溶胶后向散射系数的特点：随时间和高度变化；天气晴好时，地面上后向散射系数与地面站PM2.5质量浓度成正比；紧贴地面有一层较厚气溶胶。实验探测结果表明基于CCD 的侧向散射激光雷达是探测近地面气溶胶浓度的一种有效的新方法。

以高超声速乘波体为例，针对稀薄大气空间高超声速目标的红外可探测性能进行分析研究。采用工程算法计算了不同飞行条件下的飞行器驻点热流分布，由此得到其辐射平衡温度；采用小区间求和方法计算大气对红外辐射的传输衰减作用；考虑了目标与背景辐射强度差异、点目标成像的弥散现象对探测器作用距离的影响，建立了新的红外探测系统作用距离计算模型。仿真实验表明，弥散系数随着目标探测器间距离而变化；随着飞行器飞行速度的增加，系统对目标的探测距离增大，同时与长波波段相比，中短波波段时的探测距离更大。外场试验结果表明，与现有算法相比，本文方法具有较高精度。

针对多域光网络环境下传统的多点对多点(MP2MP)组播路由和波长分配(RWA)算法未考虑最优化组播域序列选择的问题，以及所导致的网络资源占用量过高和难以满足实时业务服务质量(QoS)要求的问题，提出了一种面向多域光网络、计算可并行化、基于时延和最小代价约束的多核点共享树RWA 启发式算法(MSTDC)。该算法通过构造虚拓扑的方式将多域的问题转化到单域中求解，从而实现了多核点共享树最小化核心点的个数及其所在域的准确计算。在多域间并行地将源和目的节点按照特定的QoS选择策略和算法加入到不同的共享树中。仿真验证了在网络节点数为50个且均匀地分布在9个域内的多域光网络环境下，MSTDC 算法与传统组播树算法相比波长资源占用率降低可达51.1%，路由成功率提高可达24.8%，算法执行时间降低可达64.6%。

提出了一种基于锥形光子晶体光纤(TPCF)马赫-曾德尔干涉的曲率传感器。它是通过将光子晶体光纤(PCF)两端与普通单模光纤(SMF)电弧熔接，并对PCF 进行拉锥构成的SMF-TPCF-SMF 结构，总长度为20 mm。在传感器制备过程中，通过调节熔接机的相关参数，使得熔接点处PCF 空气孔完全塌陷，以便更好地激发包层模式，同时通过选择合适的PCF 长度和拉锥长度使得传感器具有较高的曲率灵敏度。实验结果表明，随着传感器曲率的不断增大，其传输光谱出现明显蓝移现象。在0~1.16 m-1的曲率范围内，其曲率灵敏度为-5.39297 nm/m-1，且具有较好的线性度。该传感器具有结构简单、易于制造、灵敏度高等优点，且与其他结构传感器相比，能够消除温度的交叉敏感问题，可用于桥梁、建筑、道路等曲率传感领域。

给出了由于偏振演化引起的偏向角与量子误码率(QBER)关系，仿真了不同波长的单参考光和同一偏振态(SOP)的双参考光在不同距离上对单SOP 的信号光进行补偿时的偏向角分布，对于偏振编码的量子密钥分发(QKD)系统，提出了使用SOPs非正交的双参考光并通过在庞加莱球上跟踪双参考光的中间SOP对光量子进行偏振补偿的具体策略，最后仿真验证了该策略的可行性。

提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统。实验制备了一系列不同长度的双芯光纤滤波器，并测量分析了其自由光谱范围与双芯光纤长度的关系，结果与理论基本一致。实验发现双芯光纤及布拉格光栅对施加应力与环境温度的变化具有不同的光谱响应。利用光谱分析仪实时监测双芯光纤透射光谱波谷处波长及光纤光栅透射谱的波长漂移量，方便地实现了温度与应力的解耦双测量。多次测试发现该传感器对应力与温度响应特性具有良好的重复性，波长误差低于实验所用光谱仪分辨率。对于0.01 nm波长分辨率的光谱仪，提出的全光纤型传感器可以分别实现4.3048 με 及0.4562 ℃的应力与温度传感测量分辨率。

对光栅刻划机的进给导轨直线度误差做了系统的研究，推导了直线度误差对光栅衍射波面和杂散光的影响的计算公式，并且定义了干涉仪测量轴线到刻线始端这段距离为定位臂。得出以下结论：定位臂会放大进给导轨的直线度误差；光栅的衍射波前和杂散光强度主要受定位臂和导轨直线度大小的影响，若定位臂为50 mm，则水平方向直线度误差必须小于0.15″ ，若定位臂为10 mm，则水平方向直线度误差必须小于0.74″ ；与竖直方向的直线度相比，刻划机对进给导轨水平方向的直线度要求更高。理论推算与实验结果相符。

理论推导了光纤链路双向时延差(TDEV)的稳定度与温度、双向时间间隔、波长间隔，以及距离的关系，并分析了温度对双向时分复用(TDM)光纤时间传递精度的影响。结果表明，随着温度变化幅度、双向时间间隔、以及传输距离的增加，双向TDM 光纤链路时延差的稳定度逐渐变差。典型温度变化情况下，时间间隔小于100 ms时，3000 km 双向TDM 光纤链路时延差的稳定度优于1 ps/d。相同温度变化和距离的情况下，时间间隔小于100 ms的双向TDM 光纤链路时延差的稳定度优于波长间隔为0.1 nm的双向波分复用(WDM)光纤链路。在实验室内，进行了双向TDM 光纤时间传递实验。实验结果表明：室温环境下双向TDM 光纤时间传递系统不对称偏差的均值随光纤长度(2 m~100 km)的变化小于29 ps，接近时间间隔测量仪器的噪底。100 km 光纤双向TDM 光纤时间传递的稳定度优于30 ps/s和20 ps/d。

针对在任意阶正交幅度调制(M-QAM)的相干光通信系统中发射激光器与本振激光器之间存在频率偏差的问题，提出了一种基于幅度比值的低复杂度频偏估计算法。该算法先对接收信号做快速傅里叶变换(FFT)，再利用所获得的离散谱中主峰值与次峰值的关系进行频率插值，从而对频偏进行精确估计，大幅减少了运算复杂度。仿真了算法在20 Gbaud 16QAM 的单偏振传输系统中的性能，并与梯度下降法(GD)和调频Z 变换(CZT)的频偏估计算法进行了对比，仿真结果显示，基于幅度比值的频偏估计算法性能不随被估计信号的频率分布而产生波动，而且与3次迭代的GD 算法和CZT算法精度相当，但硬件复杂度降低了约75%。

针对分布式卫星网络中由于多跳转发导致光信号严重损伤的问题，提出了一种基于级联半导体光放大器(SOA)结合两级偏移滤波结构的波长保持型全光再生方案。该方案利用光脉冲经过不同载流子恢复时间的SOA 时频谱展宽方向不同的特点，通过在两个级联的SOA 之后分别进行红移滤波和蓝移滤波，不仅实现了对光信号的两级再生，而且两次偏移滤波产生的波长偏移相互抵消，使再生前后信号的波长保持不变。研究结果表明：再生方案能够有效地抑制信号幅度噪声和功率起伏，信号Q 因子改善最高可达到8 dB。

为了实现对动态目标场景的偏振成像，设计了双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统。该系统将分振幅与分孔径相结合，在两个探测器上同时获得四幅偏振分量图像，实现动态场景的偏振成像。在简述系统设计原理的基础上，重点介绍系统光学系统、核心器件以及系统光机结构的设计，并分析系统的偏振成像实验。实验结果表明：系统偏振分光性能较好，四幅8 bit偏振消光图像的残留灰度均在15以下；外触发信号同步控制透射和反射光路，系统最高帧频可达90 Hz，在帧频为25 Hz时同步采集了动态场景的偏振图像，并分析了场景的偏振度和偏振方位角信息，实现了动态场景的偏振成像；系统能够对最近成像距离以外的任意距离的目标清晰成像，系统分辨率达到76.9 cyc/mrad。

基于线阵时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)机动成像原理，分析了灵巧卫星在姿态机动过程中动态成像的几何畸变问题。由于地球曲率及姿态机动因素导致像面空间几何映射形状不断改变，通过光线追迹逐点匹配算法推导出了机动成像方式下的空间成像几何关系数学解析表达式。利用小卫星姿态控制系统物理仿真平台对TDI CCD 相机机动成像快速几何校正算法进行实验验证，姿态角确定精度与姿态稳定度优于0.05°、0.005°/s。结果表明，在卫星最大扫描角为45°时，所设计的算法能够解决机动成像几何畸变问题，提高成像质量。

由于采用电子卷帘式快门，大面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)航空相机在高速成像时不仅会产生像移，还会引入由卷帘快门(RS)效应带来的几何畸变。传统的将两种图像退化因素分开进行处理的方法，过程繁复，计算复杂度高。针对航空前向飞行带来的线性像移和RS 畸变，通过分析各自的数学模型，推导出了二者之间的紧密联系，提出了基于线性像移参数估计的双重退化图像恢复方法。随后设计了航空前向飞行模拟实验，通过直线位移平台控制CMOS 相机以不同速度对目标景物成像。实验结果表明，RS 效应对像移参数的估计没有任何影响，最终恢复图像帧间变换保真度能提高到27 dB 左右。相比分步处理的方法，该方法在获得同样恢复效果的情况下，速度能提高3.5倍以上。

传统成像的必要条件是相机对着物体。由于障碍物的遮挡，传统成像在很多时候都不能得到目标物体理想的像，但在关联成像机制下，借助一些障碍物的漫反射，适当调整反射的角度，可以实现相机在镜头不对着物体正面的情况下对目标正面成像，这在传统成像中，一般只能通过镜面反射才能做到。利用数字微镜器件(DMD)调制普通光源，可以改进传统的关联成像，省去参考光路的测量。而且，数字微镜器件使得例如发光二极管这种普通的光源也可以用来实现关联成像, 对工程实现有重要意义。

光学相干层析成像（OCT）是基于迈克尔孙干涉仪，可对物体内部微观结构进行无损、非接触检测的断层成像技术。考古文物的珍贵和不可再得性要求采用无损检测技术，光学相干层析成像的无损分析特点使它适用于对壁画等文物进行大范围检测。除了可对壁画表面颜料层成像，OCT 系统也可同时对其下地仗层进行断层成像，从而弥补现有技术不能对表面下内部结构进行高分辨率成像的缺点。对光学相干层析成像技术进行介绍，并针对唐墓壁画《高髻持如意仕女图》进行了成像实验，验证频域OCT 对壁画颜料层和地仗层的断层成像效果。实验表明，OCT 图像能够同时提供壁画表面颜料层及其下地仗层的信息，以及壁画存在的病害信息。OCT 可在壁画研究及修复中提供有效信息，并成为壁画等考古工作者的有力工具。

在进行激光(单)三角测量时，投影光束轴线的偏摆或投影光束在物面反射率不均匀处反射光斑重心的偏移会造成物面轮廓高度的测量误差。提出了采用双三角光路修正投影光束轴线偏摆和投影反射光斑重心偏移的方法，推导了修正公式；通过对物面反射率突变处轮廓高度的测量实验，验证了修正方法及公式的正确性；对灰度条模板表面轮廓进行双三角测量，轮廓高度均方根偏差小于0.07 mm。

折射率是反映物质信息的重要物理量，在化学、生物、医药等领域中，经常需要将样品制成低浓度溶液进行化学或物理反应，通过对其折射率微小变化的检测来测定样品的各种性质及参数。为此，提出了一种利用表面等离子体共振传感原理测量液体介质折射率的激光相位测量方法，采用Kretschmann 结构并建立模型。理论分析表明，在1.333~1.336 的折射率变化范围内，反射光p、s 分量相位差的变化与折射率变化呈近似线性关系，并由此得到测量公式。设计并搭建了基于双频激光外差干涉光路的折射率测量系统，系统具有良好的共光路结构，抗干扰能力强，信号处理采用相位调制方法，光路结构简单，测量精度较高。通过甘油溶液折射率测量实验表明其与理论分析结果一致，且与其他方法的结果吻合，两者的相互误差小于2.0×10-5。该方法可广泛应用于生物检测、化学分析、环境污染研究、医学诊断、食品卫生检测等领域。

为了实现编码器测角精度的高精度测量，介绍了应用多面棱体和自准直仪组合测量编码器测角精度的原理和方法，建立了多面棱体坐标系和自准直仪测量坐标系，利用坐标变换的方法推导了塔差对测角精度测试结果影响的精确模型。结果表明，编码器转轴的倾斜角度和倾斜方向会影响编码器测角精度的测量结果。测量误差随编码器的倾斜角度的增大而增大，且近似成平方关系。测量误差随随编码器的倾斜方向改变，倾斜方向角为0°或180°时，测量误差最小；倾斜方向角为90°或270°时，测量误差最大。当倾斜角度为5′时，引入的测量误差为0.11″～0.48″，这对于Ⅰ~Ⅲ级编码器的测试是不能忽略的。根据被测编码器的精度等级将塔差控制在恰当的范围内，给出了不同精度等级编码器测试时塔差的控制要求。

在基于脉冲计数的外差干涉信号处理中，提出了一种零相位差跳变补偿的大小数相位结合处理方法，可实现外差干涉信号处理中大小数的准确结合。大数测量采用对两路干涉信号进行脉冲计数同步对减的方法实现，小数测量采用混频降频方法来提高测量分辨率，并采用锁相环对拍频信号跟踪产生用于混频降频的动态基准信号，解决外差信号拍频变化的问题，以提高小数测量分辨率的稳定性。基于信号发生器对实现的外差干涉信号处理方法进行了验证，包括测量精度、大数计数、小数相位测量。构建了双通外差干涉位移测量光路，通过对精密导轨位移的测量来验证大小数结合处理方法的有效性和信号处理方法在外差干涉位移测量应用中的可行性。

针对长跨度大尺度零部件空间坐标的精确测量过程中，常因空间阻隔、遮挡、被测点凹陷等因素导致隐藏特征区难以甚至无法直接进行光学测量的问题；将具有定心精度高、无离焦、无畸变和抗背景干扰能力强等特性的无衍射光，引入到探针法姿态测量系统中，提出了一种能与全站仪构成组合测量系统的无衍射光测量探针；建立了空间坐标测量系统的模型，研制了测量样机，分析了空间位置测量的不确定度，并进行了相关的对比测量实验；结果表明，基于无衍射光姿态测量探针具有1 mrad 的空间姿态测量精度，与全站仪构成组合测量系统在大尺度空间坐标的测量中具有毫米级的测量精度和良好的柔性。

为了消除速度测量中的方向模糊以及减小测量不确定度，建立了一套基于空时滤波器的新型空间滤波测速仪。设计了一种基于高速互补金属氧化物半导体(CMOS)线阵图像传感器的空时滤波器，并从理论上分析了该类型空时滤波器的滤波特性。采用了快速傅里叶变换法分析输出信号的频谱，并通过能量重心法对频谱进行校正，减小了频率测量不确定度。使用这种新型测速仪对传送带的平移速度进行了测量。实验验证了该空时滤波器对运动方向辨别的可行性。同时，通过实验还分析了速度测量相对标准不确定度。实验结果表明使用空时滤波器的空间滤波测速仪可以使速度测量相对标准不确定度在频率测量相对标准不确定度的基础上大大降低。降低后的速度测量相对标准不确定度小于0.24%，该值还可以通过合理选择空时滤波器的参数来进一步减小。

基于微环构成的滤波器，因其具有较大曲率半径以及窄带宽等缺陷，提出一种马赫-曾德尔结构结合矩形环谐振腔的高效紧凑光滤波器。器件结构均由基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳光子耦合器和基于全内反射原理的90°弯曲波导构成。采用状态空间表示法和时域有限差分法对器件的品质因数、传输特性等参数进行了计算和仿真。状态空间表示法对比了不同耦合系数及损耗系数对滤波特性的影响；利用时域有限差分法仿真得到在反射系数接近穿透系数时，呈现出的通带和阻带带宽不等的非对称波长交错滤波效果，在反射系数远大于穿透系数时，滤波器品质因子约为3120，并获得在25 μm × 8 μm 面积下自由光谱范围高达50.6 nm 的特性。该器件提高了在单片光子集成回路中的集成度且具备二维方向布局配置及扩展的能力。

在高功率连续激光辐照下，变形镜(DM)表面产生的热形变会对入射激光引入附加相位畸变，进而降低光束质量。利用有限元分析软件ANSYS 建立了变形镜模型，分析比较了变形镜与高反镜热形变的特点，并讨论了变形镜结构参数对入射激光相位特性的影响。研究结果表明：与高反镜相比，变形镜的热形变更为明显；变形镜极头间距越小，热形变带来的高频相位畸变越多；极头长度对高频成分的影响较大，极头长度越短，热形变带来的高频成分越多，因而适当增加极头长度能够降低热形变带来的高频相位畸变；增大极头直径能使高频畸变所占比例有所降低，但会减弱变形镜的校正能力，因而在实际设计时应综合考虑。计算结果可为变形镜的参数优化设计提供一定参考价值。

激光光幕靶是弹丸测速的主要设备之一，针对阵列式点状激光靶的测速要求，研究了系统调试和测量过程中的影响因素。根据阵列式点状激光靶的测速原理，通过实验分析了负载电阻、光照距离、光照角度、发射角等因素对单路接收信号(负载电压)的影响；根据弹丸过靶时遮挡激光光束对光强变化情况，建立了相应的数学模型，并以此得到了不同压差下计时的相对误差，分析了光幕均匀性对整个测速系统的影响。理论建模和实验分析为阵列式点状激光靶的结构设计和在测速系统中的应用提供了理论依据和参考。

利用半导体光放大器(SOA)实现了一种脉宽可调谐的暗脉冲光纤激光器。将基于SOA 的光纤激光器的一部分输出反馈注入SOA，由于SOA 的非线性偏振旋转效应，输出脉冲经历不同的偏振演化，从而得到暗脉冲输出。通过改变反馈腔长度可以实现暗脉冲的脉宽调谐。分析了半导体光放大器的非线性偏振效应及暗脉冲的产生机理。并在实验中观察到了脉宽可调谐的暗脉冲输出。通过改变反馈腔长，在重复频率不变(11.31 MHz)的条件下，得到了脉宽为5.91~22.34 ns可调的暗脉冲。

提出一种基于光流反馈的单目视觉三维(3D)重建方法，实现对场景快速、准确的3D 立体化建模。由帧间光流场建立更为稳健的同名像点匹配关系，同时运用五点算法估计摄像机的相对位姿，以构建稀疏点云和初始网格。从运动视觉分析的角度寻求多视重构的求解方法，将重建模型反馈至重建过程，用各视图像的偏差驱动模型变形。将粗略、不准确的原始网格曲面经过致密的非刚性变形，调整至精确的曲面。在统一计算设备架构下，利用图形处理器对光流算法进行并行加速，显著提高了重构算法运行的实时性。室内真实场景下的重建结果证明了所提算法的可行性与准确性。

提出了一种基于单目视觉的移动机器人定位算法。该方法根据地平面假设，采用基于KLT 的角点检测与跟踪方法，运用基于平面的单应性关系，建立移动机器人位姿估计模型。在随机抽样一致性算法框架下，求解上述模型，实现移动机器人的初定位。在此基础上，引入角点特征的三角形结构估算平面参数差异，结合M-estimation 算法，有效地去除了非地面特征信息，提高了移动机器人的定位精度。室内环境下实验结果验证了所提算法的有效性与可行性。

点云配准是光学三维(3D)轮廓测量术的关键技术之一。无标志点的点云配准大多由迭代最近点(ICP)算法实现。为提高ICP 算法的性能，提出了一种基于点云单应性的迭代最近点配准算法。描述了该算法中单应性点对的建立方法，并推导了点云之间的坐标变换。用一种手持式三维轮廓扫描仪对一个同时具备高频轮廓和低频轮廓的石膏像进行扫描，共得到92帧点云。利用改进ICP算法，82帧点云被成功配准。同时也利用三种具有代表性的ICP算法对这92 帧点云进行配准实验以作比较。实验表明，该算法具有稳健性强、收敛速度快、收敛精度高的优点，有助于三维模型的快速重建。

采用高温固相法制备了Lu3Ga5O12:Tb3+体系荧光粉，研究了Y3+、Gd3+和Al3+离子分别取代Lu3+和Ga3+离子后对荧光粉晶体结构和发光性能的影响。结果表明，Lu3Ga5O12∶Tb3+具有石榴石结构，激发光谱由A、B 两个宽激发带及一些窄谱峰构成，分别归属于Tb3+的4f8→4f75d1 和4f8→4f8 的电子跃迁。紫外激发下的发射光谱对应于Tb3+ 5D4→7FJ 和5D3→7FJ跃迁。对于(Lu,Y)3Ga5O12∶Tb3+ 体系，随着Y3+浓度的增加，晶格膨胀，A、B 宽带红移，带间距缩小，激发与发射强度提高。对于(Lu,Gd)3Ga5O12∶Tb3+ 体系，当Gd3+浓度低于0.75 时，随着Gd3+浓度的增加,荧光粉性能变化与引入Y3+时情况相似，并更为显著；实验中观察到Gd3+→Tb3+能量传递现象。对于Lu3(Ga,Al)5O12∶Tb3+ 体系，随着Al3+含量的增加，晶格收缩，A、B 宽带红移，带间距扩大，激发与发射强度提高。阳离子的半径差异及其引起的Tb3+晶场环境的变化是影响荧光粉性能的主要原因。

采用高温固相法合成Li2BaSiO4:Sm3+荧光粉，X-射线衍射(XRD)结果表明，850 ℃高温制备的Li2BaSiO4∶Sm3+为六方晶系结构，随着Sm3+掺入量增加，衍射峰向大角度方向偏移，晶格畸变增加。该材料在330~500 nm 处有很强的吸收，能被近紫外光和蓝光发光二极管(LED)有效激发，当Sm3+质量分数为1.5%时发光强度最大，且I650/I607 比值最小，表明Sm3+优先进入Li2BaSiO4对称格位。在402 nm 激发时，发出518、563、607、650和707 nm 发射峰，其中518 nm来源于Li2BaSiO4∶Sm3+缺陷发光，其他4 个峰来源于Sm3+的4G5/2→6HJ (J=5/2，7/2，9/2，11/2)发光。由于缺陷发光，Li2BaSiO4∶Sm3+的色坐标位于黄光区域，并分析了缺陷发光机理。

为了明确热处理温度对熔融法制备PbSe 量子点玻璃光电特性中介电函数的影响，实验上在不同核化时间、晶化温度条件下制备了多种样品。通过对样品透射电子显微镜的观测，确认样品在不同条件下都有一定量的晶体形成。由于晶化程度、晶体大小及浓度有所不同，导致其吸收光谱有一定差异。利用各个样品的吸收光谱，结合米氏散射理论和克拉默斯-克勒尼希关系，通过多次迭代运算，从吸收光谱中分离出相应的介电函数的实部和虚部，最终获得材料的吸收系数和折射率。分析表明退火温度对量子点玻璃的吸收系数和折射率分布有明显的影响，为了获得具有优良光电性能的量子点材料，退火时间和退火温度的合适选择至关重要。

采用高温熔融法，经过两步退火热处理，在钠硼铝硅酸盐玻璃基底中成功合成了晶粒尺寸为3.63~4.33 nm、掺杂体积分数为2%的PbSe 量子点。用高温差热分析仪确定了最佳的热处理温度，用X 射线衍射仪和透射电镜分析了玻璃中PbSe 量子点的结晶、尺寸和粒子分布情况。用分光光度仪和荧光光谱仪，观测了量子点玻璃的吸收谱和荧光发射谱。结果表明，第一次热处理时间在3~5 h 之间,温度为500 °C，玻璃才有荧光辐射，其辐射峰的半峰全宽为200 nm，峰值波长位于1220~1279 nm。第二次热处理的最佳时间为10 h，温度为540 °C。给出了量子点尺寸关于第一次热处理时间的经验公式。提供的制备PbSe 量子点玻璃的方法和工艺数据，将为量子点玻璃拉制成光纤，制成高增益或宽带宽的新型光纤提供依据。

针对太赫兹(1 THz=1012 Hz)电容器件发展的需求，研究了呈现巨介电和不呈现巨介电两种状态CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷在THz波段的介电响应特性。在微波波段，小颗粒(Φ<2 μm)CCTO 的介电常数εr＜700，无巨介电特征，而大颗粒(Φ>10 μm)CCTO 的εr＞2000，呈现巨介电特征；两组CCTO 陶瓷的介电损耗值Tan δ在0.1~0.6之间。然而，在THz波段，两种颗粒度CCTO 的介电常数几乎完全相等(εr=72±3)，且损耗不超过0.18。实验结果表明，CCTO 陶瓷组分的离子极化率主导了在THz波段的介电常数εr，而大颗粒CCTO 对THz电磁波的散射超过小颗粒CCTO，导致介电损耗值Tan δ上升。因此，在THz波段，降低CCTO 颗粒大小不会影响介电常数，反而能够降低介电损耗。这一结果表明CCTO 陶瓷是制备THz波段电容的理想介电材料。

报道了一套具有活体光学断层成像能力的全场相干层析系统(FF-OCT)。该系统基于Linnik白光干涉显微结构，使用非相干光卤钨灯照明，参考臂与样品臂采用完全相同数值孔径的显微物镜成像，实验测得的轴向分辨率为1.3 μm ，横向分辨率为0.89 μm , 640 pixel × 480 pixel 的CCD采集干涉信号得到的成像深度为80 μm 。描述了基于单片机控制的相位调制方式，采用该方法可提高成像速度(从60 s/frame提高到1 s/frame断层图)和图像信噪比(SNR)，并用所获得的洋葱表皮细胞的断层图(SNR 从18.36 dB提高到23.30 dB)和三维图像验证其有效性。探究了由于大数值孔径显微物镜和折射率不匹配产生球差的原因并给出补偿方法，实验结果表明，补偿后的断层图像呈现了更多的细节(SNR 从25.41 dB提高到29.54 dB)。利用该系统还实现了人体手指皮肤在体细胞水平的细微结构断层成像。对人体肝组织进行成像表明，所研制的FF-OCT系统有分辨正常组织与肝癌组织的能力，从而证明了研制的全场光学相干层析系统在癌症诊断领域的价值。该系统的研制为取代冰冻切片检测的快速辅助诊断手段奠定基础。

LED 光源自身物理模型的准确测量和建模对光学设计和计算机软件仿真模拟结果至关重要。分析了常用光源模型的特性，对白光LED 与理想点光源的偏差和原因进行了研究，比较分析了在直下式背光源透镜光学系统中由于LED 实际光源特性偏离理想点光源和简单面光源而造成的设计偏差，并以白光LED 光源近场测量的光线文件为基础，采用反馈修正逐次逼近的方法，优化设计了背光系统距高为5.5 的内外折射曲面光学透镜，在实际发光面积为1.7 mm×1.7 mm 的条件下，光斑均匀性为0.83。

针对导光板(LGP)网点分布设计进行了研究，提出了以导光板网点最佳平均密度(BANDD)范围的定义来阐述导光板网点的最优化设计。根据导光板导光理论建立背光源模组(BLM)的光学模型，并仿真了模型在不同均匀网点密度(NDD)下性能的变化，结果表明在0.1~0.4 之间的网点密度其出光效率与均匀性达到相对平衡。进一步对0.1~0.4范围内的网点密度进行网点排布优化以提高其均匀性，仿真结果表明网点密度在0.2~0.35范围内的网点可以达到设计阶段对均匀性指标的要求。加工了相应的实验样品，验证了导光板最佳平均网点密度范围在0.25 左右，与理论相符合。该研究结果对于实际开发具有一定的指导意义，将有助于加快背光源模组的开发进度，减少开发版次，并降低背光源模组的开发成本。

为了解决微镜头阵列在球面上的排布问题，提出了一种通用的基于正二十面体阵列点微移动排布方法。采用与排布球面同心正二十面体点阵投射方法获取微镜头中心点在球面上的初始排布。以弦长率和填充率为评价函数，采用点阵微移动法对此初始结构进行优化。完成方法通用性测试并和一种基于局部球面的经纬线排布法进行对比。实验结果表明，在排布球冠面立体角较大、微相机数量较多的情况下，采用该方法可以获得弦长率低于0.17，填充率达到75%以上的排布表现，同时其良好的排布对称性有效提高了微镜头阵列的成像性能。

设计了一种采用层叠阵列波导结构的紧凑型穿透式视频眼镜光学系统。光学系统由层叠阵列波导系统、照明系统、目镜系统组成。层叠阵列波导是一种具有角度选择膜系实现穿透式显示的全新光学组合器，可以消除半透半反面波导的鬼像效应；照明系统为LCOS 微显示器提供均匀照明，均匀性为92.3%；目镜系统负责光束的准直，对其调制传递函数、点列图、场曲、畸变和色差等参数进行了分析，结果表明获得了良好的光学性能。该穿透式视频眼镜分辨率为825 pixel×480 pixel，系统总重135 g，在20 mm 出瞳距离和8 mm×8 mm 眼动范围下，实现30°视场，在驱动电路功耗为1 W 的情况下，系统亮度为3000 nit。

提出了多孔硅表面缺陷光子晶体结构，引入多孔硅敏感层及吸收介质层形成表面缺陷腔，利用多孔硅高效的承载机制，将其作为待测样本的传感区域；由于吸收介质ZnS对谐振波长的吸收，可在反射光谱中获得与谐振波长对应的缺陷峰。以多孔硅的厚度为被优化变量，利用反向传播神经网络进行结构参数优化获得多孔硅的厚度最优值。由Goos-Hanchen位移建立待测样本浓度与缺陷峰波长的关系模型，进而对该结构进行传感特性分析。结果表明，优化结构参数后，缺陷峰对应的反射率由31.23%下降到0.00129%，其Q 值可达1537.37。在传感特性研究中，每1%质量分数的灵敏度为2.5 nm。该表面缺陷光子晶体传感结构可为样本浓度、组分等信息的监测提供一定的理论参考。

大尺寸矩形反射镜结构支撑是离轴三反消像散(TMA)光学遥感器研制过程中的关键技术难点之一。以某临近空间光学遥感器的760 mm×320 mm 三镜为研究对象，系统分析了环境温度对反射镜面型影响的本质原因，得出了温度适应范围与热膨胀系数差(反射镜与支撑结构)、反射镜接口承载能力、柔性支撑刚度之间的关系，形成了一套大口径光学反射镜结构支撑设计思路。提出了一种基于圆切口柔性铰的两轴正交反射镜柔性支撑结构，利用有限元对反射镜组件的光学面型和模态频率进行了仿真分析，通过正弦扫频实验对反射镜组件的结构频率进行了实际验证。在1g重力和10 ℃温度载荷的共同作用下，反射镜光学面型的最大均方根差(RMS)为13.4 nm，满足所提出的λ 45 ( λ = 632 nm)指标要求。反射镜组件最低阶模态频率的分析值和实验值分别为128.67 Hz和124.1 Hz，满足所提出的不低于100 Hz指标要求。

提出通过调制光场的所有空间分布参数产生任意矢量光束的方法，即用两个反射型纯相位液晶空间光调制器可以对光的相位、振幅和偏振(包括偏振旋转和椭偏度)等参量进行全光调制或全光控制。在理论上给出了全光控制的琼斯矩阵方程，再计算要加载在空间调制器上的灰度图，从而产生目标矢量光场。实验上，通过调制两个或三个光场的空间分布参数产生了不同的矢量光场图样，从而验证了全光控制产生矢量光场方法的可行性。

鉴于激光点云和影像数据成像机理的差异以及现有配准基元的可获取性特点，通常采用基于特征的配准算法修正两者之间的转换关系，其中建筑物的边缘及角点为最常用的特征。针对城区建筑物分布密集、形状相似的问题，提出了一种基于道路线的机载激光雷达数据和高分辨率航空影像自动配准方法。该方法充分利用点云数据提供的高程与强度信息，提取出高精度的规则化道路矢量线；根据初始外方位元素建立点云数据和航空影像的近似变换关系，以道路矢量线在航空影像的投影位置为先验知识，采用改进的道路矩形整体匹配算法得到影像中的道路中心线，获取同名线特征；以同名道路线段的首末端点作为控制信息，利用基于欧拉角的空间后方交会算法解算新的影像外方位元素，实现航空影像和激光雷达数据的配准。实验结果表明，该方法利用道路特征实现航空影像与激光雷达点云的配准，提取特征少且配准精度较高，大大提高了工作效率。

提出了一种新的基于图像相关处理的图像动态光散射纳米颗粒粒度测量方法。该方法采用图像法测量纳米颗粒动态光散射空间分布信号，以很短时间间隔拍摄两幅动态光散射信号空间分布图，再用二维相关算法对这两幅图像进行处理，获得对应衰减时刻的相关系数，根据相应衰减时刻的粒径-相关系数曲线求得纳米颗粒的粒度。与传统动态光散射测量方法相比，将测量时间从百秒级缩短到微秒级，数据处理时间也缩短到毫秒级。对79、482和948 nm 三种不同粒径的标准颗粒进行实验，测量结果误差小于7％，可以实现纳米颗粒粒度测量的实时在线。

研究带电粒子对电磁波的散射，对认识电磁场规律及云层探测、雷电预警等具有重要意义；根据带电粒子的米氏散射理论，对散射系数进行简化，得到了带电粒子在瑞利散射条件下，散射系数与面电导率和电磁阻抗系数的关系；计算了瑞利散射条件下，不同面电导率的粒子的电磁波散射系数，在粒子尺度较小时，瑞利散射公式与米氏散射公式计算结果一致。粒子表面所带电荷改变了面电导率，当面电荷使面电导率达到毫西门子量级时，就会使散射系数有明显增加，随着面电导率的增加，散射系数会有较大变化；对尺度系数较小的粒子，散射系数较小，但带电后散射系数与中性时的散射系数之比较大，并随着电导率的增加趋于一个恒定值，大小与粒子的介电系数有关，对球形水滴这一恒定值约为24。

研究了热退火对飞秒激光脉冲在空气中微构造的黑硅材料的光致发光(PL)时间分辨光谱和发光强度衰减性质的影响，分析了退火后黑硅材料内光生载流子的运动和缺陷的性质。通过应用双指数函数拟合PL的强度衰减曲线，得到退火导致黑硅材料光谱变化的可能机理。采用热扩散理论说明退火造成氧缺陷的增加和非平衡载流子辐射复合率的增大，导致退火黑硅的PL强度随着退火温度的升高而增大。退火后时间常数增大且慢衰减过程比重增大，说明退火消除并修复了微构造表面及内部的一些缺陷，增加表面束缚态，减小非辐射复合中心的密度，从而增大了辐射复合所占的比重，导致退火黑硅的PL谱强度增大。黑硅发光的最佳退火条件是800 ℃真空退火30 min。

为了设计发光效率高，空穴传输能力好，同时电子和空穴传输平衡性好的蓝光材料，用吡咯、噻吩、呋喃、咪唑、噁唑代替烯醇式氧化荧光素中苯并噻唑部分的噻唑环，设计了一系列氧化荧光素相似物。用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法对这些化合物进行了一系列光电性质的研究。计算结果表明，吡咯、噻吩、呋喃和咪唑基团的引入改善了这类物质的空穴传输能力。通过比较空穴和电子重组能发现，这些化合物的空穴和电子注入的平衡性很好。烯醇式吡咯基氧化荧光素(EIN)、烯醇式噻吩基氧化荧光素(ETH)、烯醇式呋喃基氧化荧光素(EFU)、烯醇式咪唑基氧化荧光素(EIM)、烯醇式噁唑基氧化荧光素(EOX)均可作为蓝光材料。

提出并设计了一个应用数字微镜(DMD)的哈达玛变换近红外光谱仪。以光栅为分光元件，用DMD 代替传统的机械式哈达玛编码模板进行光学调制，用InGaAs单点光电二极管探测调制后的光谱信号。综合考虑分辨率、能量利用率、像差和体积等因素，合理选择狭缝长和宽、光栅入射角及透镜焦距，采用光路分段优化法进行光学设计，通过DMD 面阵上的狭缝像和探测器上的点斑尺寸等分析设计结果。模拟分辨率优于4 nm，探测器上点斑尺寸小于3 mm,光学系统尺寸为75 mm×25 mm×85 mm。为提高光谱仪对弱光谱信号的探测能力，在系统前加入了一种集光结构，使从光纤出射的光能的利用率理论值提高24.2%。实验结果表明，该光谱仪的光谱分辨率优于6 nm，通过添加集光结构可以大大提高光谱仪的能量利用效率。该光谱仪具有分辨率高、能量利用率高、体积小、成本低等优点，有广阔的应用前景。