设计了高能激光自主自适应光学系统，利用高能激光的主动照明探测方式对目标进行探测。由于接收到的探测回波光场受散斑效应的影响，因此建立了探测系统的物理模型，具体分析散斑效应的影响。通过散斑光强自相关函数，理论上分析确定了散斑的平均尺度；通过部分相干理论，研究了该系统接收面散斑孔径积分场复相关函数并讨论了不同散斑天线尺度比情况下的积分场复相关函数宽度；分析了目标的成像放大率和理想分辨率，讨论了物像尺度与焦平面光斑尺度之间的关系；通过系统的数值仿真，分析了不同尺度散斑对焦平面光斑阵列的影响；叠加大气湍流，确定了散斑场对大气湍流探测的影响。结果表明散斑尺度介于阵列子孔径和大孔径尺度之间为最佳设计，此时较高的位移测量精度和整体探测率可以兼得。

在红外偏振遥感探测系统中，目标的红外偏振特性受到大气环境因素的影响，其反演场景偏振参量会出现误差，因此，提出基于红外偏振传输理论的红外光谱偏振参量校正算法模型。通过分析大气辐射和传输特性，建立了大气有效透射率模型，研究了不同波段范围、大气环境、传输路径、温度等因素对有效透射率的影响，依据大气有效透射率模型校正偏振参量。实验分析表明，该校正算法模型有效抑制了大气传输对探测目标的红外偏振参量测量的影响，使得偏振参量能更准确地反映场景偏振特性，提高了红外遥感偏振的探测识别能力。

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式，推导了双曲正弦-高斯光束通过像散透镜聚焦的场分布解析表达式，并用数值计算研究了双曲正弦-高斯光束在像散透镜焦平面上或焦平面附近的光强分布与相位特性。理论分析与数值计算结果表明，选择适当的光束参数与像散透镜结构参数，可以使双曲正弦-高斯光束经像散透镜后转换为具有涡旋的暗空心光束，其拓扑荷指数为1。此外，还对影响场强度分布与相位分布的光束参数与透镜参数进行了分析讨论。特别地，透镜的像散是双曲正弦-高斯光束经像散透镜聚焦产生暗空心涡旋光束的关键控制因素，利用合适的像散透镜可获得相当长度的理想暗空心光管。

提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器外调制的移频本地外差检测布里渊光时域反射系统，分析了系统提高光纤受激布里渊散射阈值和移频本地外差检测的原理；推导了系统信噪比的数学表达式，研究了布里渊叠加谱峰功率和谱宽、系统信噪比和频移测量精度与纵模数的关系，以及实现最优测量精度时纵模数与脉冲宽度的关系，得到了相应的拟合公式。结果表明，选用纵模间隔0.141 nm的多模激光器和单纵模峰值功率100 mW、脉冲宽度50 ns的入纤脉冲时，随着纵模数的增加，25 km光纤末端的系统信噪比、温度和应变测量精度均得到了明显提高，且纵模数为20时，系统信噪比相对于单纵模增加11.73 dB，温度和应变测量精度分别达到最佳值3.2 ℃和70.8 με；最佳频移测量精度随脉冲宽度的增大先快速提高，后趋近于恒定值2.9 MHz。

采用动态蒸馏提纯技术，配合优化的均化熔融和低温焠冷法技术，制备了高纯度的As40S60和As38S62硫系玻璃；通过高效挤压法制备出芯包结构的硫系光纤预制棒；在聚合物——聚醚砜树脂（PES）的保护下拉制出比例精确、离心率接近于0且损耗低的As40S60/As38S62芯包结构的硫系玻璃光纤。挤压过程可基本消除芯包界面的缺陷，从根本上降低了光纤的制备损耗。测试数据表明：经过有效提纯后,As40S60玻璃的红外透射率明显提高，绝大多数杂质吸收峰被消除。对芯包结构光纤输入端涂覆Ga层后，通过截断法进行了损耗测试，该光纤的传输背景损耗维持在0.2 dB/m，在4.8 μm处获得约为0.13 dB/m的最低损耗。

提出了一种基于信号相关性的自适应时域视频压缩感知重建方法，在超时间分辨率视频成像过程中自适应地判断物体的运动量并有针对性地重建信号。该方法将所观察到的图像分成不同运动量大小的区域，然后利用由视频样本训练得到的对应的字典重建这些区域；在视频重建阶段，将编码曝光图像快速分块重建，再计算各帧图像块之间的相关系数，通过相关系数估计局部图像运动量，根据估计的运动量选择训练字典并重建图像。仿真实验结果表明，该方法能准确地获得视频图像的运动分布信息，在降低重建时间的同时提高了重建质量。

基于弹光调制器和声光可调谐滤波器(AOTF)的新型光谱偏振成像系统部件多, AOTF入射角小,同一幅图中光谱分布不均。为此提出了一种前置光学系统由凸透镜、凹透镜和凸透镜构成的光学系统，压缩被测目标视场角，使其满足AOTF视场角要求，并将目标平行入射光变为平行光入射进AOTF，以便光谱修正。不同位置的目标以不同入射角依次进入光学系统和AOTF，在CCD上的成像位置也不同。AOTF的衍射光中心波长与入射角有关，可通过拟合测得衍射波长与入射角的关系，进而得到CCD像元与中心波长的关系，并对光谱修正方法进行了详细分析。实验结果表明，修正后的光谱测量误差比普通的AOTF光谱成像平均降低一个数量级，且成像清晰，提高了光谱偏振成像系统的光谱测量精度。

为了降低偏振光成像技术的使用要求，提出了一种环境光照明条件下研究材质分类的方法。根据菲涅耳反射定律，目标表面的反射光带有偏振成份，采用偏振成像探测偏振角得到探测器与反射面的方位角，对偏振片的4个方向强度进行补偿得到被测表面对应的水平与垂直偏振度,通过测量反射光的反射偏振度与反射率比可以分类出目标材质。对橡胶板和金属铝板两种不同材质目标的反射偏振度与反射率比进行了仿真模拟与实验研究，研究结果表明金属与非金属在一定观测角度范围内存在明显的反射率比差异，采用菲涅耳反射率比作为衡量依据可以更有效区分金属与非金属目标。

利用光学相干层析成像(OCT)获得视网膜图像并对其进行分层，进而获得各视网膜层的厚度，在许多眼科疾病的临床诊断中具有重要作用。高散斑噪声、低图像对比度、存在血管等复杂结构等因素使得对视网膜的精确分层难以实现。提出了一种视网膜OCT图像的自动分层方法，利用三维块匹配和均值滤波去噪对图像进行预处理，分两步对视网膜图像分层，在每个A扫描上设置可变阈值进行逐层分割作为初步分层结果，然后对各层的初步分层结果进行连续性和完整性判断和修正。对健康和患病视网膜的OCT图像进行分层以验证提出方法的有效性。实验结果显示该方法能够精确地分出9层视网膜层，平均层边界位置偏差为(1.34±0.24) pixel。该方法能够适应噪声高、对比度低的图像，对存在血管等复杂结构的图像同样能够实现较好的分层。

以往的背景杂波度量存在取固定经验性的权重值或忽略人眼视觉响应(HVS)等问题，无法准确度量背景杂波。提出一种新的杂波度量方法，这种方法引入最佳响应阈值模拟人眼对杂波响应的适应性，并利用该阈值研究背景的相似性对目标获取性能的影响，进而完成对杂波的度量。利用Search_2数据库验证该杂波度量方法的合理性。实验结果表明，基于该度量的目标获取性能预测与主观数据一致。目标探测概率的均方根误差为0.0835，相关系数分别为0.7124和0.7444；目标虚警概率的均方根误差为0.0691，相关系数分别为0.7874和0.6753；目标搜索时间的均方根误差为3.2321，相关系数分别为0.7630和0.7710。

高分辨率是光学显微技术发展至今不断追求的目标之一。然而随着当前显微镜系统功能与性能的不断革新，高分辨率与大视场难以同时兼顾的问题日益突出，这个问题极大地限制了其在许多领域的应用。傅里叶叠层显微成像技术(FPM)是近年来发展出的一种新型计算成像技术，其能通过同时恢复强度和相位分布来提供宽域高分辨率的成像能力。FPM虽然是在2013年才被提出，但是由于其融合了大视场、高分辨率、定量相位成像等诸多优点，近年来已经在光学显微、生物医学、生命科学等领域获得了大量研究和广泛关注。从基本原理、实验系统与成像模式、系统与算法的改进方法等几个方面对FPM的研究现状、应用领域和最新进展进行了综述，并讨论了现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。

针对大型特种载体位姿测量系统结构复杂、可靠性差、成本高的问题，基于光纤陀螺（FOG）捷联惯导系统（SINS），采用卫星、天文2级组合导航，提出了实现载体导航信息精密测量的新方法，给出了组合导航系统的滤波结构、误差方程、数学模型。数据分析与精度评估的结果表明，采用小型化、高可靠性、低成本的FOG SINS的组合导航方法能够实现载体速度、位姿的精密测量。基于FOG SINS的载体位姿的精密测量方法是实现导航低成本、高性能的一种有效途径。

Ptychography是一种基于扫描式相干衍射成像的相位恢复技术，实验装置简单，抗干扰能力强。将Ptychography技术用于投影物镜波像差的检测，并分析了检测不同数值孔径投影物镜波像差所采用的光场传播公式、离散化条件及实验架构。数值仿真与实验结果表明，Ptychography技术用于波像差检测时检测标记的通光率需要在45%~80%范围内；增加标记图案的复杂性并在计算过程中增加配准环节可提高收敛速度与检测精度；波像差检测精度在10-3λ以内。将Ptychography技术应用于极紫外光刻投影物镜波像差检测是可行的。

提出了一种结合极线约束和散斑相关的实时三维测量方法。该方法基于标准的三步相移法，向正弦条纹图像中嵌入额外的随机数字散斑，并结合左右相机之间的极限约束来确定每个像素点相位的周期数，最终利用3幅条纹图像实现无歧义的相位展开。实测结果表明，相比于传统信息嵌入法和多相机约束法，本文方法能够大幅提高绝对相位的求解正确率；同时，为了提高算法的运行效率，采用图形处理器并行计算架构对算法进行了优化；该系统成功实现了26 frame/s单幅测量点数为94,163的实时动态三维测量。

利用有限元软件对低温绝对辐射计热沉在测量过程中的动态响应进行了研究，分析了影响热沉平衡温度的关键因素和不同结构下热沉对应的温度变化，并对比了304号不锈钢、6061铝合金和无氧高导铜材料作为热链接时热沉的响应状态。结果表明，低比热容和低热导率的热链接材料是未来低温辐射计发展的首选。另外，对辐射计结构进行合理的调节可以实现对热沉平衡温度的有效控制。

计算全息图(CGH)在非球面、自由曲面等光学元件的高精度检测中发挥着重要作用。激光直写机床导轨的正交性误差会影响CGH 图案的绘制精度，进而在面形检测结果中引入像散误差。为定量研究激光直写机床导轨正交误差对CGH检测结果的影响，利用标量衍射理论，建立激光直写机床导轨角度误差模型，以CGH对准区域图案为例对机床导轨正交性误差的影响进行分析。实验结果表明在机床导轨正交性误差为800 μrad时的均方根（RMS）值、峰谷值（PV）值和Zernike像散系数与理论值分别相差2.26%、2.33%、1.72%，从而验证所建立误差模型的正确性。

考虑到激光加热过程中电子和晶格之间的不平衡传热特性，将格子波尔兹曼方法(LBM)和双温度模型结合起来，建立了1个两步LBM方程，并用此方法对纳米薄膜在短脉冲激光照射过程中的热响应特性进行了模拟研究。分析了照射过程中薄膜内温度随时间及空间的变化规律；探讨了激光强度以及薄膜厚度对金属薄膜热响应的影响。研究结果表明，在照射过程中晶格温度的改变相对于电子温度的变化有明显的滞后效应，并且计算得到的电子温度响应及破坏阈值和实验结果吻合较好，说明所提出的两步LBM方程能够较好地描述激光照射过程中电子和晶格的不平衡传热现象。通过研究还发现，随着激光能量的增强以及薄膜厚度的减小，薄膜表面电子和晶格温度都有明显的升高，且电子和晶格温度达到稳定的时间均有所延迟。

为实现工业机器人对目标对象的三维定位，提出了一种线结构光视觉引导的新型工业机器人定位系统。以工业相机、激光器和振镜组成的线结构光自扫描测量装置作为视觉传感器，借助振镜转动实现激光平面对目标对象的扫描，获取目标对象在相机坐标系下的三维位姿。为了将目标对象的三维位姿从相机坐标系转换至机器人工具坐标系，提出了机器人手眼关系与工具坐标系联合标定的方法，最终实现了工业机器人对随机位姿目标对象的三维定位。实验结果表明，系统具有较高的定位精度，其灵活性和稳定性满足工业现场的应用要求。

采用第一性原理，对Cu/Co掺杂前后FeS2的几何结构、电子结构和光学性质分别进行了计算与分析。分析结果表明，掺杂 FeS2晶格常数变大，禁带宽度减小，电导率增大。掺杂后介电函数虚部、吸收系数和能量损失谱的主峰均出现红移、峰值减小。共掺杂后FeS2的光跃迁强度明显增强，可见光区的光吸收系数和光电导率均增大，说明Cu-Co共掺杂显著增强了FeS2对光的吸收且提高了光电转换效率。

目前人们已经实现了很高的调制深度，但是缺少对如何实现调制深度可调的研究，不利于实现波整形。利用石墨烯的电调谐性以及石墨烯超材料的表面等离激元（SPP）共振特性，设计了一种能够在某一频率实现调制深度可调的调制器，且调制深度为极大值，便于取样及检测，并运用谐振子模型对透射规律进行了理论分析。基于三维电磁场仿真软件时域求解器仿真，得到了对应频率为11.85 THz的一系列的调制深度，其中最大调制深度可达到96%以上。这一系列的调制深度可以通过电压调节石墨烯的费米能级来进行调制转换，将极大地促进调制器在波整形中的应用，如生成正弦波、三角波及方波等。此外，这种结构可以实现类电磁感应透明（EIT）现象，不仅能够实现透射峰的频移和展宽，而且可以使展宽前后的中心频率保持一致。

搭建了共焦布里渊显微镜装置，采用532 nm的单模激光器激发样品布里渊散射光，显微物镜放大倍数为100倍，数值孔径为0.8，采用串联扫描式多通道法布里-珀罗（F-P）干涉仪收集布里渊光。从实验中测得了装置的共焦光强响应曲线，以及二氧化硅玻璃、硅胶和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）3种样品的布里渊光谱。采用全新的光子数组分权值数据处理方法仿真分析了此装置的轴向成像分辨力，以及测试样品为二氧化硅玻璃-硅胶-PMMA多层样品时，样品的频移、轴向声速和纵向弹性模量3种参量的轴向成像特性,并对此方法获得的3种参量的轴向成像特性曲线进行了误差分析。仿真结果显示，光子数组分权值数据处理方法可使装置的轴向成像分辨力提高至约2 μm。在信噪比高于1.46 dB时，通过误差关系曲线可获得精确的布里渊频移值、轴向声速和纵向弹性模量。

开展了双光束中红外光学参量振荡器（OPO）的偏振合成实验研究，数值分析讨论了偏振合成过程中单元光束束腰半径和系统低阶像差对合成光光束质量的影响。在此基础上，最终实现了10 W 3.78 μm中红外激光的稳定输出。与此同时，利用刀口法对偏振合成前后单元光束及合成光束的光束质量分别进行了测量。结果表明：合成光光束质量达到1.2。

对于红外输出图像的非均匀性，通常可采用两点校正法和神经网络法进行改善。但两点校正法不能有效地克服环境温度漂移的影响；神经网络法收敛缓慢，使静止图像逐渐融入背景，导致运动目标出现伪像。提出一种多本底采样自适应非均匀校正算法，在不同的环境温度点采集多组高低温本底，根据最小二乘法拟合计算得到非均匀校正系数和环境温度的关系，根据环境温度的改变自适应完成非均匀校正。测试结果表明，该方法简单可行，能够较好地克服环境温度漂移的影响。

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足，提出了一种复合方法校正像散，即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时，加入柱镜，利用柱镜的相反像散变化趋势，进一步补偿光学系统的剩余像散，推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法，设计了1个近红外900~1700 nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明，全波段全视场均方根（RMS）值均小于14 μm，调制传递函数(MTF)达到0.7以上，全波段的光谱分辨率为1.5 nm。保证了在高光谱分辨率的情况下，实现了近红外800 nm宽波段像散的同时校正，避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计，对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。

针对光线在大角度偏转时菲涅耳损耗大、光强均匀性差等问题，提出了基于最优双偏转能量映射和贝塞尔曲线多参数优化的双自由曲面透镜设计算法，并利用该算法设计了基于板上芯片型（COB）发光二极管（LED）的双自由曲面透镜，该透镜可应用于可见光通信系统的光学发射端。以大面积发光面的COB LED作为光源，通过控制自由曲面透镜内外两个表面上的入射光线偏转角的比例关系（即偏转系数），可降低菲涅耳损耗。构建了出光角分别为180°和260°的大角度均匀光强分布的双自由曲面透镜，其光强均匀度分别为0.92和0.90，其光能利用率分别为89.4%和85.9%。将单自由曲面透镜和双自由曲面透镜的光学性能作对比，结果表明，单自由曲面透镜可实现出光角范围为120°~180°、光强均匀度超过0.85以及光能利用率超过85%的光分布，双自由曲面透镜在达到同样的光强均匀度和光能利用率时，可实现出光角范围为100°~260°之间的均匀光强分布。因此，利用双自由曲面透镜能够实现更大范围出光角的均匀光强分布，从而满足可见光通信系统的光学发射端的光分布要求。

采用分子束外延技术制备了具有相同的均匀掺杂或指数掺杂的反射式(r-mode)和透射式(t-mode)GaAs光电阴极样品。利用在线光谱响应测试系统测试了它们的光谱响应，并对实验曲线进行拟合，得到了电子扩散长度和积分灵敏度。结果表明，经工艺处理后的t-mode样品，在均匀掺杂情况下其电子扩散长度的减小量是指数掺杂情况的两倍，积分灵敏度的降低量后者比前者少3%，因此指数掺杂方式有利于降低组件制备工艺对阴极材料发射层的影响。

PIN是电光调制器中常见的一种调制结构，该结构工作时产生的热光效应直接影响着电光调制器的性能。为了缓解这种热光效应对调制器的影响，从PIN调制原理出发，在绝缘体上硅薄膜（SOI）材料的基础上提出了一种波状PIN调制结构，并将该结构与普通PIN调制结构进行对比，定量分析了波状PIN结构对温度、折射率以及调制区载流子浓度的影响，通过仿真得出2 V调制电压下，波状PIN结构的温度降低了11.6%，抑制热光效应使得折射率漂移减小了28%，调制区注入载流子浓度提高了26.7%。通过实验，分别制作了波状PIN结构和普通PIN结构的微环电光调制器，经过测试发现波状PIN结构具有更大的谐振峰蓝移值，该结构有效抑制了热光效应的影响，证明了该新型结构的优越性及理论分析的正确性。

针对C3v和C4v对称构型金属纳米多颗粒-薄膜系统的Fano共振光谱低谷的产生机理，运用群论的方法给出了详细的推导。在前期研究成果的基础上，分析证实了当线偏振光电场沿多颗粒所在平面入射时，Cnv对称构型多颗粒-薄膜系统共有4个满足相同不可约表示的E模式：在多颗粒所在平面内只有3个局域表面等离激元电偶极矩共振对称模式，其中2个模式位于外围环形多颗粒中，中心颗粒单独具有1个模式，这与Dnh对称构型多颗粒系统的电偶极矩分布完全相同；另外1个模式虽满足对称性相同的要求，但其电偶极矩的方向垂直于多颗粒所在的平面。Cnv点群和Dnh点群虽然具有相同的光谱线型，但是薄膜基底的存在会使光谱谷(峰)产生一定的红移或蓝移，这就为设计金属纳米多颗粒-薄膜系统的光学性质及其广泛应用提供了一定的参考。

近年来，随着人们对激光认识的不断深入和激光技术应用的迅速扩展，相继提出并实现了多种振幅、相位、偏振态及相干结构等具有特殊空间分布的新型光场，例如具有螺旋相位的涡旋光场，偏振态依赖空间分布的矢量光场，具有横向自加速效应的艾里（Airy）光场，具有无衍射传输特性的贝塞尔（Bessel）光场，具有非傍轴自弯曲效应的马丢（Mathieu）光场，可沿任意轨迹传输的类贝塞尔光场，以及具有非高斯空间相干结构的部分相干光场等。这些空间结构光场展现了一系列新颖的物理效应和现象，如光子轨道角动量、超衍射极限紧聚焦、无衍射自弯曲传播、自分裂自整形等。这些新颖的物理效应和现象进一步拓展了激光技术的工程应用领域，如光学涡旋日冕观察仪、基于角动量的超大容量量子和经典光通信、灵巧光操控、光学超分辨成像等，也大大激发了人们深入认识和探索各种新颖空间结构光场的兴趣，并使之成为当前光学及相关学科领域的一个前沿研究热点。

光场的偏振态作为光场调控的一个新自由度，逐渐成为研究者们关注的热点。对光场偏振态的非均匀调制可以实现光子自旋-轨道相互耦合，从而发掘很多新的光学现象，其中Pancharatnam-Berry(PB)相位扮演了至关重要的角色。在偏振转换中，光场的不同偏振分量得到不同的PB相位。利用PB相位对光场偏振分量进行波前整形，以控制光场偏振分量的传输，从而在光场传输过程中实现偏振转换、角动量转化、能流控制等。光场偏振调制的相关研究在自旋选择成像、微粒操控、激光微加工、信息传输与修复中具有潜在的应用价值。分析了偏振调制光场的传输和控制原理，总结了近年来国内外的相关研究工作进展。

回顾了光场相干性的基本理论以及发展历程，介绍了激光相干度大小和相干函数的调控方法，以及激光相干性的测量方法，对激光相干性调控引发的物理效应及其基础应用作了介绍。激光相干性调控不但丰富了光场调控理论，而且推动了激光技术的发展。

光镊技术具有无机械接触与高精度操纵微小尺度粒子的优点，自发明以来已逐渐成为生命科学和胶体物理学等领域中强有力的研究工具。随着研究的深入，传统的单光阱光镊已难以满足更高级的应用需求。近年来，空间光场调控技术通过对光场的振幅、相位和偏振态分布的调制，极大地丰富和增强了光学微操纵技术的功能，促进了包括激光微纳加工、微粒分选与输运、胶体粒子物理特性研究等方面的发展。从光场的振幅、相位和偏振态调制技术出发，综述近年来空间光场调控技术的发展及其在光学微操纵中的应用，重点介绍全息光镊、特殊模式光束微操纵、矢量光场微操纵等光学微操纵技术的研究进展。

光镊是捕获与操纵微纳颗粒的重要技术手段，其基本原理为光与物质之间动量传递的力学效应，具有非接触、操纵精度高等优点，广泛应用于物理、化学、生物及医学等科学前沿领域。近年来，表面等离激元因具有突破衍射极限和近场能量增强两大特性，为光镊技术的发展带来了新的突破口，成为国际上一个重要和前沿的研究方向。基于表面等离激元的新型光镊技术主要分为两类：结构型表面等离激元光镊技术和全光调控型表面等离激元光镊技术，它们在颗粒捕获精度、捕获范围、操纵动态性与操纵自由度等方面各有特色，吸引了国际上众多研究人员进行大量的理论研究和实验探索。表面等离激元光镊技术在纳米颗粒、金属颗粒捕获以及近场电磁场增强与调控方面展现了独特优势，在生物传感、表面增强拉曼散射等领域具有广阔的应用前景。

由于特种光束的独特性质和丰富应用，光场调控技术近年来得到了越来越广泛的关注。设计特定结构调控普通高斯光束的振幅、相位或偏振方向，可以得到一系列特殊光场。利用一种偏振敏感的光取向材料，基于动态缩微投影曝光系统的液晶光控取向技术，可实现精确、任意和可重构的液晶方位角的取向控制。基于该项技术制备了二值或渐变的液晶微结构元件，对入射光场的各个参量维度进行调控，产生了高品质、高效率的涡旋光束、矢量光束和艾里光束。利用该项技术制备的器件具有成本低廉、轻便集成、电光可调、偏振可控和宽波段适用等特点。综述了本课题组近期在该领域的系列研究工作，或将为光场调控技术带来全新的可能，为液晶光学器件带来更广泛的应用。

光波经介质散射后的远场光学特性，包括光谱强度、光谱相干度以及光谱偏振度等，与散射介质的结构特征密切相关。近年来，光波弱散射现象的研究取得了较大进展，一方面，研究人员将散射体推广到各种介质，包括各向异性介质、半软边介质、椭球形介质等；另一方面，研究人员将入射光波推广到各种常见的光束，如随机电磁光波、平面波脉冲光束、非匀幅光束等。介绍了关于光波弱散射问题的主要研究成果，包括光波散射过程中的光谱变化现象、相干性变化现象、等价理论、互易关系以及光波散射逆问题等。

通过对激光脉冲频谱的相位、振幅或偏振进行调制，可以获得不同时域分布的激光脉冲。这些特性不同的激光脉冲在物理过程和光学器件研究中具有重要的应用。随着光发射电子显微镜、超灵敏探测光谱仪、扫描近场显微等技术的发展，激光脉冲整形技术在微纳米光学中的应用日益深入。总结了近年来激光脉冲整形与测量技术的发展，综述了激光脉冲整形在近场光学、光发射电子显微镜、单分子光谱中的应用研究进展。

光学涡旋是一类围绕光轴具有螺旋相位项的圆柱光学模式。近年来，光学涡旋因其在光学和光子学的许多领域具有重要潜在应用而引起了广泛关注，其可能应用范围包括光通信、光信息处理、成像传感和量子信息等。与基于自由空间光学的方法相比，集成光子学的发展为操纵光学涡旋提供了更为有效的方法。对使用集成光子器件操纵光学涡旋的理论框架和最新技术进展进行了全面综述。

实现自弯曲光乃至自回旋光一直是人们的梦想与科幻的题材。近年来，艾里光束以及推广的自加速光束因其无衍射、自弯曲传输以及自愈等奇异特性引起了人们极大的研究兴趣。这些光束的构想不仅得到了实验证实，而且具有广泛的应用前景，包括操控微纳颗粒、等离子体通道和表面等离子体激元、电子加速、精密成像、湍流传输、引导放电等，这些应用前景使得自加速光倍受青睐，成为一个广泛关注和激动人心的前沿热点课题。本文简单综述了基于相位调制的自加速光束的研究进展，包括自加速光束的产生和传输特性，以及其在空域和时域的推广与调控，并着重介绍自加速光在若干领域的新奇应用。

光学整流效应是产生宽带太赫兹波最有效的手段之一，基于光学整流效应产生太赫兹波的方法主要依靠抽运光与非线性晶体之间的相互作用。分别以5 mm的磷化镓（GaP）块状晶体和6 mm的GaP波导结构作为太赫兹波发射晶体，对具有相同功率的贝塞尔光束中心光斑和高斯光束的光学整流效率进行了对比研究。实验结果表明，在GaP块状晶体中，贝塞尔光束的光学整流效率是高斯光束的2.04倍；波导的特殊结构可以使抽运光和太赫兹波之间实现严格的相位匹配，贝塞尔光束的相对效率增加为3.46倍。两种抽运光产生的太赫兹波场均具有高斯分布特性，且贝塞尔光束产生的太赫兹波频谱具有明显的红移特征。贝塞尔光束能够提高光学整流效率，有助于实现高功率、紧凑型的太赫兹源，对推广太赫兹波的应用有显著意义。

对光强闪烁激光雷达在湍流大气中的双程光路传输路径进行了研究，分别得到了单站和双站情况下接收端获取的残余闪烁指数的表达形式。在大孔径条件下，双程光路的残余闪烁指数为发射光路湍流效应引起的球面波闪烁指数。通过光强闪烁激光雷达与闪烁仪的水平对比实验，理论结果得到了验证。

2 kW射频板条CO2激光器光束整形系统中空间滤波器具有消除旁瓣、提升光束质量的作用，研究其失调对输出光束的影响具有现实意义。通过理论和实验研究了空间滤波器失调对光强分布的影响，理论分析与实验结果基本一致。数值模拟了失调对输出功率的影响。结果表明，空间滤波器非稳方向横向位移失调对输出功率的影响不是线性的，输出功率损耗随着横向位移的增加急剧增大；对整形光束光强分布的影响很大，失调量大于0.2 mm时就会使整形光束非稳方向出现明显的旁瓣。空间滤波器轴向位移失调对功率影响较小，但对光斑形状有比较明显的影响，失调量达到10 mm时，整形光束两个方向的直径差可达3 mm。空间滤波器旋转失调角度在10°以下时，对整形光束非稳方向光束的影响可以忽略，主要影响波导方向光束，旋转失调会使模式变差。旋转失调对功率也有较大的影响，失调角度为10°时，功率损耗增加到25%。

石墨烯具有特殊的二维柔性结构,可调控费米能级特性和优异的光学、电学性能。利用有限元法，对覆石墨烯微纳光纤光场调控进行理论分析，通过改变石墨烯与缓冲层结构覆微纳光纤的角度，破坏光纤的对称性结构，使光纤具有双折射特性，双折射度大小与石墨烯覆盖角度有关；通过外加电压的方法改变石墨烯的化学势，可对光纤进行开关调控，由此设计出一种包覆石墨烯的微纳光纤电吸收型调制器并进行性能分析。通过数值分析可发现当覆盖光纤角度为270°时，1550 nm处双折射度可达1.23×10-3；电吸收调制器工作在1550 nm时，器件长度为18 μm，消光比为7 dB，3 dB带宽可达到927 MHz，插入损耗为0.58 dB。

比较研究了海洋湍流与大气湍流中长曝光调制传递函数的差异，讨论了海洋湍流中短曝光调制传递函数（SEMTF）的适用性，并且详细研究了海洋湍流参数对系统分辨率的影响。研究表明：海洋湍流中温度起伏占主导地位比盐度起伏占主导地位时的成像质量更高, 即包含更多原图像的高频细节。虽然用Fried短曝光理论研究SEMTF时在高频区存在缺陷，但随着透镜直径与空间相干长度之比以及光传输距离的增大，SEMTF在高频区的适用性增强。此外，随着海水功率谱温度与盐度的比率和海水温度方差耗散率的增大，海水单位质量湍流动能耗散率的减小，海洋湍流中光学系统的分辨率减小, 即成像质量变差。

数值模拟了拉盖尔-高斯涡旋光束在湍流大气中传输时的光强分布和光学涡旋的漂移。由模拟结果可知，当涡旋光束在湍流大气中传输时，光强分布由最初的环形结构变为平顶结构，最终在远场演化为高斯分布；光强廓线的演变过程与传输距离、湍流强度、湍流外尺度、涡旋光束拓扑荷数、束腰宽度以及光波长有关，与湍流内尺度无关。光学涡旋在接收面的不同位置处出现的频次满足高斯分布；随着传输距离的增加、湍流的增强或涡旋光束拓扑荷数的增加，光学涡旋的漂移范围增大且在不同位置处出现的频次偏离高斯分布；适当选择涡旋光束的束腰宽度会减小光学涡旋的漂移。

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和粗糙面散射理论，考虑发射机到目标和目标到接收机双程路径中大气湍流对光束传输的影响，研究了脉冲波束经漫射目标散射后的二阶统计特性。推导了接收机处双点双频互相干函数(MCF)的表达式，计算得到平均强度以及复相干度因子，并对此进行数值模拟。结果表明，相位结构函数占优情况下，接收面的脉冲平均强度与大气湍流水平无关；但脉冲相干带宽与湍流强度、中心频率、湍流外尺度、观察处两点间距离、频差有关。

物体和探测器中间存在的散射介质会对传统光学成像造成严重影响，计算关联成像是能够降低散射影响的有效方法之一。本文分析了光源发射路径和接收路径存在的散射介质，建立了存在散射介质的计算关联成像（CGI）模型，对比分析了不同路径段的散射介质对CGI和传统直接成像（TDI）的影响。从理论分析得出，CGI中发射路径的散射介质会引起重建图像质量的衰减，而接收路径中的散射介质几乎不会影响最终的成像结果。实验分析证实，CGI可以降低散射光对成像造成的干扰。实验结果表明，在发射路径和接收路径同时存在散射干扰时，CGI和TDI的衬噪比分别为2.98和2.72。CGI能够降低云、烟、雾或生物组织等介质的散射干扰。

利用涡旋光束与锥透镜透射率函数设计相位掩模板，采用平面光照射写入相位掩模板的空间光调制器(SLM)，则在SLM的傅里叶平面上产生了完美涡旋光束，解决了傅里叶平面0级和±1级光谱重叠的问题。提出了一种完美涡旋光束的空间自由调控技术，通过实验分析，明确了空间调控位移与调控因子间的函数关系，调控精度达到了2.25 μm。通过在线调节锥透镜的锥角参数，实现了完美涡旋光束中心亮环半径的自由调控，并得到光束中心亮环半径与锥角的二次函数关系。将波长为532 nm和632.8 nm入射光产生的完美涡旋光束作对比，结果表明，当入射波长较长时，仍可得到较小半径的完美涡旋光束。该研究为完美涡旋光束在微粒操纵、光学信息编码、光学测量及基于轨道角动量的光纤通信等领域的应用提供了新思路。

从理论和实验两方面研究了调控抽运脉冲的时、空啁啾特性对于波面倾斜法产生太赫兹波输出效率的影响。实验和数值模拟证明：对于附加时间啁啾情况，当附加正时间啁啾时，太赫兹波输出效率与附加啁啾量呈非线性关系，并具有最佳值；当附加负时间啁啾时，太赫兹输出效率与附加啁啾量呈线性反比关系。对于附加空间啁啾情况，不论附加空间啁啾的大小和符号如何，都会降低太赫兹波的输出效率，并且随着空间啁啾量的增加而快速下降。这些结果对基于波面倾斜法产生超快太赫兹波系统的优化和调控具有指导意义。

应用勒让德变换反演任意弯曲目标曲线对应的相位函数，通过该相位函数与不同级数凹槽阵列相位间满足的关系，确定凹槽阵列位置；再利用凹槽阵列将金属表面等离极化激元转换为空间任意弯曲光束。研究了目标曲线常数和结构参数对空间弯曲光束的影响。结果发现，空间弯曲光束的强度、弯曲形状以及传播距离依赖于弯曲曲线常数、槽深和槽宽。

基于统计相似理论，利用完全相干所隐含的两点处光场分量间的关系，分别对Wolf和Setl定义下完全相干所对应的偏振特性进行研究。分析完全相干所包含的光场偏振度特性以及偏振部分的偏振态分布特征，并找出光场分量间的线性特性与椭圆率和方位角之间的关联形式，最后进行了模拟仿真实验。结果表明，基于Wolf定义的完全相干，两点处光场的偏振度可以是任意的，但是这两点处的偏振度以及交叉偏振度绝对相等，且两点光场完全偏振部分的偏振态也完全一致；基于Setl定义的完全相干，对应着两点处的光场均是完全偏振的，但是这两点光场的偏振态并不一致，而且它们的椭圆率以及方位角之间并无特定联系。

提出了轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光束产生空心光束的方法。应用交叉谱密度函数模拟了贝塞尔-谢尔模型光束通过轴棱锥后的光强分布。结果表明，空心光束的尺寸随着传播距离的增加逐渐增大。使用Tracepro软件模拟验证了该空心光束的自重建特性。设计相关实验进行验证，且理论分析、数值模拟与实验结果相吻合。此研究结果对于光镊等的实际应用具有重要的参考价值。

在实际测量过程中由于各种条件的限制，如非理想的5050分束器、本底光与信号光的干涉效率和探测器有限的共模抑制比，都将造成实际测量的结果不能如实反映压缩态的水平。基于平衡零拍探测(BHD)的理论背景，结合干涉效率对压缩度的影响，定量分析了非理想平衡零拍探测系统对测量压缩度的影响，构建了压缩度测量偏差、实际压缩度、5050分束器的分束比、本底光与信号光的干涉效率和平衡零拍探测器的共模抑制比(CMRR)的关系。该分析结果对于量化压缩度的测量误差、估算压缩光产生系统的实际压缩度有重要意义。

为了实现近地面、多波长气溶胶时空探测，克服激光波长可选择性不足的问题，利用LED丰富的光谱特性，设计了一种新型发光二极管(LED)光源雷达。LED能量小且发散角大，其出光能量、发散角、接收视场角和几何重叠因子都会对LED光源雷达探测距离产生影响。针对共轴LED光源雷达系统的特点，分析了几何重叠因子的特征和计算方法，详细讨论了光源发散角和接收视场角对几何重叠因子的影响。结合LED光源的特点，利用美国标准大气模型对雷达系统的探测能力进行了仿真，优化了光源发散角和接收视场角，在LED能量一定的情况下获得了最大的探测距离。搭建了LED光源雷达系统并完成了初步实验观测，结果表明该雷达夜晚能够接收到240 m远处的大气回波，验证了雷达探测低层大气气溶胶的能力。

建筑物提取在建筑物重建和城市管理中起着重要的作用。利用基于植被指数限制的分水岭算法分割机载激光雷达点云，并利用一定的规则识别建筑物区域。对激光点云进行内插生成网格数据；利用植被指数限制的分水岭分割算法分割激光点云生成的数字表面模型数据,在分水岭淹没过程中引入植被指数可以较好地区分建筑物和植被区域；在区域相邻关系的基础上，利用一些准则(高程差值、尺寸和植被指数)识别建筑物区域。利用国际摄影测量与遥感学会基准数据中法伊英根测试区域对建筑提取结果进行评价，在像元级别，平均完整度、正确度和质量分别为89.2%、94.3%和84.7%；在对象级别，平均完整度、正确度和质量分别为81.8%、93.1%和76.9%；在物体面积大于50 m2的对象级别，平均完整度、正确度和质量可以达到99.1%、100%和99.1%。

提出了两种基于Gabor特征与局部保护降维的高光谱图像分类算法。该算法利用嵌入主成分分析的Gabor变换对高光谱图像进行特征提取。为了保护相邻特征的局部信息，利用局部Fisher判别分析或局部保护非负矩阵分离对Gabor特征进行降维，并采用高斯混合模型分类器对降维后的特征进行分类。两组高光谱数据的实验结果表明，本文算法不但能充分挖掘高光谱图像的谱间-空间特征，而且有效保护了高光谱图像的局部特征信息与多模型结构。与现有的几种算法相比，本文算法能得到更高的分类精度和Kappa系数，在高斯噪声环境中也具有更强的稳健性。