可见光大气传输系统面临的主要问题在于由大气湍流引起的光强闪烁和来自日光及其他照明设备的强背景光干扰，为了克服大气湍流造成的信道衰落效应及强背景光带来的噪声干扰问题，对室外可见光通信(VLC)强背景光大气湍流信道进行了建模。在接收端采用分集接收技术，在相同的发射功率下提高系统误码率(BER)性能。构建了在强背景光大气湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制(PPM)方式的室外长距离可见光分集接收系统模型，在几十微瓦功率背景光噪声下，实现了800 Mb/s PPM 信号的仿真系统传输。基于此系统分别研究对比了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)、选择性合并(SC)3 种分集合并方式的误码率性能。结果表明，在相同的发射功率下，误码率性能提升最大的是MRC，其次是EGC，SC 最差。以7%前向纠错码(FEC)误码门限作为参考，MRC 能显著降低对LED 发射功率的要求，并且随着分集支路个数的增多，分集效果越好。

涡旋光束在湍流大气中传输时，其振幅和相位会发生随机起伏，导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为例，利用激光大气传输四维程序数值模拟了不同条件下的涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展。由模拟结果可知，传输距离越长或湍流越强，涡旋光束在大气中传输时的束宽扩展受湍流的影响越大；涡旋光束的拓扑荷数越高、光束的束腰越小或光波的波长越长，其束宽扩展受大气湍流的影响越小。湍流的内尺度和外尺度也会影响涡旋光束的光束扩展，但影响程度相对较小。另外，通过计算仿真还比较了涡旋光束和普通高斯光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展的差异。

针对波前曲率传感自适应光学，对比分析了直接拟合法和拉普拉斯算子本征模式法两种闭环控制方法。简要分析了两种方法的基本原理，并建立了36 单元曲率型自适应光学仿真模型，进行了大气湍流波前畸变闭环校正数值仿真。结果表明，与直接拟合法相比，存在最佳模式数量使得拉普拉斯算子本征模式法具有更高的稳定性和精度；尤其是当波前畸变较大时，直接拟合法的稳定性和校正精度明显变差。

提出了将超导纳米线单光子探测器(SSPD)应用于空间碎片激光测距的构想，并通过理论分析和等效外场实验进行了可行性论证。根据SSPD 在门控时间内允许多次测量的特性，建立了信噪比随回波光子数的变化模型，并考察了激光器发射重复频率、天光背景噪声强度、探测器暗计数率等参数对信噪比的影响，结合回波光子数方程和噪声强度，以云南天文台激光测距系统为例，推算出该系统具备探测830 km 处米级大小空间碎片的能力。结合光纤耦合条件，设计了以太阳能板为目标的外场实验，通过改变光学系统透过率，获得了信噪比随回波光子数变化的实验曲线，验证了利用信噪比变化推测系统作用距离方法的有效性，理论和等效实验结果均表明超导纳米线探测器有望实现空间碎片激光测距。

针对机载光电系统理论与实际探测能力之间的较大差异及其作战能力发挥不充分等问题，分析得到了目标反射背景辐射的空间分布函数，并给出了具体量化方法，进而研究了目标本征辐射特性，建立了水平和俯仰面内的辐射强度包线模型；之后考虑各种作战因素，给出了机载光电系统角水平和角俯仰探测能力包线计算方程式；最后提出探测概率包线概念，得到了机载光电系统作用距离与探测概率关系，并定量分析了机载光电系统探测包线的概率特性。仿真结果表明，探测包线随目标速度、方位、俯仰的变化而实时变化；当满足一定的虚警概率和信噪比要求时，探测概率包线具有最佳探测点，这为充分发挥机载光电系统探测性能提供了理论参考。

分别采用800 nm 飞秒激光、244 nm 氩离子激光，基于相位掩模板法在载氢和非载氢光纤上制备了飞秒载氢、非载氢布拉格光栅及紫外载氢光纤布拉格光栅。对制作的3 种光栅进行高温热处理实验，均观察到光栅再生现象。对比了不同热处理温度下的光栅再生时间，建立了光栅再生过程模型以及处理温度-再生时间模型，并定义了光栅再生处理温度阈值。实验和模型研究表明，刻写的飞秒非载氢光栅、飞秒载氢光栅及紫外载氢光栅的再生处理温度阈值分别为888 ℃、780 ℃和770 ℃。载氢再生光栅在高温下有衰退现象，飞秒非载氢再生光栅具有良好的温度稳定性。

设计并研制了一种新型的波纹膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器，运用仿真软件对波纹膜片进行膜片参数的优化，完成了波纹膜片式法布里-珀罗压力传感器的结构设计与制备，同时用搭建的微压传感器测试系统对压力传感器进行了测试。实验结果表明，本传感器在0~0.1 MPa的压力范围内，线性度好，重复性好，灵敏度高。

提出并分析验证了一种利用有源环形滤波器对有理数谐波锁模激光器输出光脉冲幅度进行均衡的方案。方案中，光纤结构的有源环形滤波器被视为一个自由光谱范围可调谐的梳状滤波器，使有理数谐波锁模激光器输出光脉冲中的锁模分量通过而其他谐波分量和超模得到抑制，获得幅度均衡的光脉冲。理论上，对经过有源环形滤波器前后光脉冲的波形和频谱分别进行了仿真，结果表明有源环形滤波器能有效滤出所需的锁模频率，且Q 值越高，光脉冲的幅度均衡效果越佳。在7阶、11阶、14阶有理数谐波锁模条件下通过实验进行验证，均获得了良好的效果，模式抑制比可提高20 dB以上。

为提高光学认证技术的安全性及实用性，提出了基于三维空间正交偏振态复用的光学多级安全认证方法。用所设计的多衍射平面多信号窗口相位恢复算法，生成两个相位模板，使由认证图像分割得到的子块图像分布于其三维菲涅耳衍射场的特定位置。一个相位模板作为系统锁，另一个作为认证密钥。用正交偏振光分别照明两相位模板，实现了三维空间衍射场内不同位置强度分布和偏振态分布的控制。只有同时具备认证密钥和三维空间正交偏振态映射密钥，才能恢复认证图像，模拟及实验结果与认证图像的相关系数分别为0.93 和0.79，表明该系统结构紧凑、安全等级高,可以实现分级认证。

在经典Gerchberg-Saxton(GS)算法的基础上，提出一种改进的快速三维GS 算法获取目标场的全息图(CGH)并用于全息光镊系统中，从理论和实验上充分证明了该算法的快速性和有效性。实验搭建了一套基于纯相位液晶空间光调制器(SLM)的全息光镊系统，实现了对酵母菌细胞和二氧化硅小球等微粒的多光阱、多平面三维稳定捕获和动态操纵。实验上还产生了具有强度梯度的线状光阱和光学涡旋光阱，实现了对微粒的运输和旋转操纵。这种可以对微粒实现多光阱、多平面动态三维操纵的全息光镊系统为生物、胶体物理等研究提供了一种新的微操纵工具。

为研究具备不同偏振特性的目标对水下主动偏振成像系统分辨率的影响，设计了一套基于LED 辅助照明的偏振成像实验系统。该系统在LED 光源和成像设备前加入高偏振消光比的偏振光学元件，并使用两种不同表面偏振特性的目标，实现对水下环境的成像系统的特征图像获取。再利用倾斜刃边法处理实验图像，提取调制传递函数(MTF)。通过比较不同实验环境下，正交偏振成像和偏振差分成像的MTF 值，得出偏振技术有助于抑制水下主动成像系统的前向散射光，提高系统整体分辨率的结论。针对不同性质的目标，应使用恰当的处理方式来获得高分辨率的图像。同时，该结论对线偏振和圆偏振照明条件皆适用。

X 射线成像技术在空间探测中的应用日渐广泛，为了提高孔径利用率和系统有效面积，通常采用Wolter-Ⅰ型嵌套望远镜对空间X 射线源进行会聚成像。由于传统的光学设计软件在分析掠入射系统方面存在一定的缺陷，因此使用MT_RAYOR 工具库自编程对X 射线望远镜进行成像质量分析。MT_RAYOR 用于Wolter-Ⅰ型嵌套结构望远镜系统的分析，具有全面、准确和快捷的优势。基于MT_RAYOR，对用于0.2~20 keV 波段成像的嵌套型双锥结构望远镜进行了系统设计，从有效面积、点扩展函数、能量集中度等方面进行了成像质量分析。该结构在10 keV 以内保持500 cm2 以上的稳定有效面积，在硬X 射线波段的有效面积也可达到250 cm2 以上，系统工作波段跨度大、稳定性高。分析了辐条和反射面的面形误差对系统在实验中成像质量的影响，对望远镜系统的优化和装调具有指导作用。

提出了一种新的快速获取物体三维形貌和纹理信息的方法。利用数字投影仪将2幅彩色编码的正弦相移光栅图投影到被测物体表面，彩色相机捕捉经物体调制后的变形条纹图。提取RGB三基色，可获得包含物体高度信息及纹理信息的条纹图和背景光。对包含物体高度信息的条纹图用改进的2+1相移算法重构物体的三维形貌。物体纹理信息则通过对背景光进行彩色编码获得，利用纹理映射技术恢复物体纹理。计算机模拟和实验结果验证了该方法的有效性和可行性。

双光束干涉仪的相位调制解调通常会用到椭圆拟合的方法来计算相应的解调参数，提出了一种用于评价这类参数的计算精度的方法。根据自适应的蒙特卡罗法，计算不同噪声水平下椭圆拟合估算的参数的最大偏差；根据实验测得的干涉信号噪声本底的大小，判断拟合的参数的精度。以基于3×3 耦合器的光纤水听器的两路输出方案为例，该方案为提高水听器的解调性能，需研究参数的数值随器件性能的变化规律，因此首先要判定实验中通过椭圆拟合所求得的参数的准确性。将该精度评定方法运用在水听器测量实验中，测量的干涉信号在20 Hz~4 kHz处的噪声本底接近-70 dB·V²/Hz，根据自适应的蒙特卡罗法，得到参数的偏差不超过0.06%和0.08°。

为进一步提高激光多普勒测振仪(LDV)的测量分辨率，实现物体表面微小振动的测量，设计了一种以双频环形激光器作为光源的LDV，介绍了该系统的光源及光路结构，推导了测振原理，并通过实验验证了该系统的可行性和准确性。在该系统中，利用四频差动激光陀螺频差稳定和谱线窄的优点，将四频差动激光陀螺改进为双频环形激光器，产生两束具有一定夹角和固定频差的线偏振光，结合光栅技术可实现对物体表面横向微小振动的测量。与其他LDV 相比，该系统光路简单且分辨率较高，在实验室环境下振幅分辨率最大噪声不超过0.012 μm·Hz^{1/ 2} 。

针对遥感偏振探测过程中获取的偏振信息与目标真实偏振信息存在差异的问题，探讨了遥感偏振成像系统的3类系统误差源对偏振二向反射分布函数、偏振度和偏振相角测量精度的影响，建立了遥感偏振探测误差分析模型。分析了起偏器角度定位误差对斯托克斯参量测量的影响，通过数值模拟研究了起偏器角度定位对偏振探测精度的影响；依据遥感偏振探测的地物空间间隔和成像CCD 分辨率分析了空间视场重合误差对偏振二向分布函数分量的影响；分析了成像系统的光子噪声等固有系统误差对偏振探测结果的影响；根据误差的传递原则对3类误差源导致的测量误差进行了合成，进一步推导出线偏振度和偏振相角总误差模型。实验分析表明，该遥感偏振探测误差模型能真实反映偏振探测系统误差源对偏振二向反射分布函数测量精度的影响。

以随机相位屏构造光束波前畸变模型，运用不同阶数的Zernike多项式对其进行拟合。通过对比分析原始波前及拟合波前的功率谱密度，明确了波面拟合过程中Zernike 多项式对波前中高频成分拟合存在的不足，进而提出了基于Zernike多项式的分块拟合方式加以改进。研究结果表明：在常规的拟合方式下，随着拟合阶数的增加，能准确反映的波前相位空间频率逐渐向高频范围扩展，但其扩展幅度并不大；此外，即使采用较高的拟合阶数，Zernike多项式也难以准确反映波前空间频率中的高频成分；而采用分块拟合方式后，Zernike多项式的拟合效果明显提升，并能有效反映畸变波前空间频率中的高频成分；在提高波面拟合精度上，增加分块数的效果明显优于增加Zernike多项式拟合阶数；对于分块拟合方式，当分块数一定时，增大子区域拟合所使用的Zernike阶数的拟合效果明显优于增大整体拟合所使用的Zernike阶数。

为获得高亮度均匀白光束，基于复眼透镜光束匀化原理，设计了一套以三基色半导体激光器为光源的双复眼透镜光束匀化合成光学系统。该系统包含两套复眼透镜模组，第一套模组将分立三基色激光束聚焦合成均匀白光斑，第二套模组将白光斑转换为空间均匀白光束。对系统进行仿真，并对空间不同位置处的光分布进行照度和色度均匀性分析，结果表明所得光束为均匀白光束，理论上验证了该光学系统的可行性。搭建了实验光路，分别在距离系统1、2、5 m 处对合成白光束进行测量，结果表明合成光束照度均匀性均大于90%，色坐标标准差均小于0.0027。该光学系统合成的白光束具有亮度高、色坐标和强度分布均匀等优势，有望在医用光疗、显示、车用照明等领域得到广泛应用。

针对水下非平行双目成像系统图像匹配时无法进行平行校正，并且不再满足空气中的极线约束条件这一问题，推导出一种适用于水下的极线约束模型。根据摄像机和防水罩间相对位置关系的不同，把水下双目成像方式分为平行成像、共用折射面成像和独立折射面成像三种情况，并推导了后两种情况的极线约束模型。对摄像机进行标定，利用尺度不变特征变换(SIFT)进行立体匹配，推导了参考图上特征点在待匹配图上所对应的曲线，根据待匹配图上特征点是否在曲线上，剔除误匹配点，提高匹配精度。实验结果表明，利用所推导出的水下曲线约束模型，可以有效地剔除误匹配点，降低误匹配率。

用沉淀法制备(Eu_0.045Li_3xLu_y)₂O₃纳米晶，通过测量样品的X 射线衍射谱、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜图像和透射电子显微镜图像分析其微观结构与形貌，测量样品的激发谱、发射谱及发光衰减曲线来分析发光特性。研究合成条件中沉淀剂、助熔剂、温度、退火条件等因素对(Eu_0.045Li_3xLu_y)₂O₃ 纳米晶微结构、发光特性、荧光衰减及能级寿命的影响。实验表明，氨水沉淀下，合成前驱粉中加入碳酸锂，1000 ℃活性炭中退火获得的(Eu_0.045Li_3x=0.015Lu_y=0.94)₂O₃纳米晶，比相同条件不加碳酸锂的样品发光强度提高约2倍；比800 ℃空气中退火的(Eu_0.045Lu_0.955)₂O₃纳米晶发光强度提高约4倍。

利用纳米发光材料的X 射线发光断层成像(XLCT)作为一种新型的成像模态，能够同时进行功能成像以及分子成像。在XLCT 中，光子在组织中的散射效应使得纳米发光目标的重建具有不适定性，因此如何快速、精确地重建目标成为一个难题。针对此问题，选择扩散近似模型描述组织中的光子传输过程，采用基于L1 正则化的分割增广拉格朗日收缩方法进行重建。在数值实验和物理实验中，将其与初始增广拉格朗日方法对比，验证其可行性。实验结果表明，该算法得到的重建结果无论在质量方面还是在收敛速度方面都具有一定优势。

利用功能性近红外光谱(fNIRs)技术实现了对不同情绪状态的识别。采集了15名受试者在6种情绪种类图片刺激下的fNIRs信号以及唤醒度、愉悦度评价数据。为了实现对受试者情绪状态的分类评估，采用支持向量机(SVM)和基于支持向量机的递归特征筛选(SVM-RFE)算法来筛选参数并设计情绪状态的分类器。结果表明在多种情绪种类图片刺激下，受试者出现了显著的功能响应曲线，并且在唤醒度、愉悦度和情绪种类三个分类目标上分别实现了81%、78.78%和68%的平均分类正确率。同时发现唤醒度和愉悦度的敏感特征主要出现在眶额叶皮层和背外侧皮层，且近似熵是反映情绪状态变化的有效指标。因此采用fNIRs能够基本实现对人体情绪状态的识别。

传统的漫射方程均假设生物组织在纵向上是半无限厚的，横向上是无限大的。针对某些在横向上不是无限大的生物组织(如前臂和手指)，建立了一个任意多层矩形生物组织漫射模型，该模型假设生物组织在纵向上是半无限厚的、多层的，在横向上是个矩形。在矩形边界条件下，根据光在生物介质中传播的漫射方程，结合外推边界条件，建立并给出了光在半无限厚稳态多层矩形介质中的漫射方程的精确解，利用建立的模型计算了空间分辨漫反射，同时编写相应的蒙特卡罗模拟程序，验证方程的正确性。建立的方程不但能解决横向上是矩形的介质问题，还能解决横向上无限大、纵向上半无限厚的介质问题，更能解决在横向上x 或y 轴之一是无限大、另一个轴是有限大小的组织问题。

采用波长为2 μm、脉冲宽度为50 ns的掺铥光纤调Q 激光器作为抽运光源，纤芯掺锗浓度为75%的石英光纤为非线性介质，进行了中红外超连续谱产生的研究。实验过程中在掺锗石英光纤的抽运光输入端熔接一截100~200 μm 长的多模光纤以提高光纤的空间耦合效率和损毁阈值，通过优化掺锗石英光纤的长度，最终在1.9 μm(受光谱仪测量范围限制)~2.9 μm 范围内获得了较平坦的超连续谱输出，10 dB 带宽和20 dB 带宽分别达到950 nm 和980 nm，而且其长波限接近目前报道的基于同类光纤的超连续谱的最大长波限。

提出了一种利用高能光电子的非对称角分布来确定少周期激光载波包络相位(CEP)的方法。通过二级强场近似方法研究了隧穿电离区域氦原子在少周期激光驱动下阈上电离高能光电子角分布随载波相位的依赖关系，选择合适能量范围的光电子分布，能够给出非对称参数随激光CEP 的变化。研究结果表明，通过这种高能光电子得到的非对称参数和由数值求解含时薛定谔方程(TDSE)得到的非对称参数随CEP 的变化趋势符合得很好。由数值求解TDSE 获得的非对称参数包含了低能光电子的贡献，而二级强场近似的方法仅通过高能光电子得到，从而该方法为实验测定激光的载波相位提供了方便。

为了满足空间遥感器对光学系统大幅宽、低畸变、小体积的要求，采用三维构建法设计了一个大视场离轴四反自由曲面光学系统，成像全视场为60°，相对孔径为D/f′ = 1/14 。阐述了三维构建法的设计思路，并采用该方法直接由二次非球面系统设计得到自由曲面光学系统，作为初始结构进一步优化。优化之后，光学系统的平均传递函数优于0.5(25 lp/mm)，最大相对畸变为0.54%。研究结果表明，三维构建法有效、快捷，极大地提高了自由曲面光学系统的设计效率。同时，基于三维构建法设计的大视场自由曲面光学系统，系统畸变显著减小，解决了大视场反射式光学系统传递函数(MTF)与畸变无法平衡的难题，满足空间遥感的未来发展需求。

基于复合波片消色差设计方法，结合矢量光场衍射受限的大数值孔径聚焦理论，以600 nm 为中心波长，提出了一种适用于宽波带的全晶体型光瞳滤波器。该滤波器由三片具有同心分区环带的复合延迟波片构成，每分区波片具有各自的方位角及环带参数，且相邻环带光轴垂直。在轴对称偏振矢量光场入射下，通过调节光瞳滤波器的方位角，经聚焦后，在550~650 nm 波长范围内，均可获得轴向焦深的扩展、横向压缩的光针场以及衍射受限的三维光管场。研究结果表明，该光瞳滤波器在100 nm 波段内实现了宽波带矢量光场的调控，这种光瞳滤波器的设计对发展矢量光场的聚焦理论和拓展矢量光在宽波带光场应用方面有重要意义。

光子晶体是以介电常数呈周期性排布且在光波长量级构建的人工微结构,利用其具有光子禁带这一特性可实现对光子的控制。引入线缺陷可形成光子晶体波导。以1.55 μm 的TE 偏振光作为光源，用时域有限差分法计算并分析了二维正方晶格光子晶体三光波导方向耦合器在不同波导间距下的耦合长度及耦合效率分别与介质柱折射率和介质柱半径的变化关系。研究结果为1.55 μm 耦合器的结构设计及制备提供一定的理论指导。

针对目前白光发光二极管(LED)照明灯具显色性不高的问题，基于测色法研究了LED 合成白光显色指数的计算模型，根据参与合成的LED 光源光谱及其数量，软件编程计算得出合成光源的色温、显色指数等参数。采用优化的遍历范围，将实验测量得到的冷、暖白光及单色LED 的光谱导入程序进行模拟计算，得到不同色温下合成光源的显色指数最大值以及所对应的各种LED 配比数量。结果表明，暖白光LED 与红、绿、蓝LED 合成可以获得色温T_c介于3500 K~12300 K、显色指数R_a介于92.0~97.7的白光；与红、绿、青LED 合成可以获得R_a介于95.0~97.8的低色温白光(3500 K~4500 K)。冷白光LED 与红、绿、青LED 合成可以获得R_a介于90.9~98.4 的高色温白光(8200 K~13000 K)。对理论计算的T_c=7803 K、R_a=97.29的LED 配比进行实际制作，实验测量得到T_c=7992 K，R_a=97.1，理论计算结果与实验结果吻合。

提出在非晶硅薄膜太阳电池吸收层的上下表面采用亚元对称光栅来提高薄膜电池吸收率。采用严格耦合波分析法研究发现，对于厚度为400 nm 的非晶硅薄膜，在600~750 nm 波长范围内，这种新型光栅能有效地减少从上表面反射的入射光和从下表面透射的泄漏光，并增强吸收层的吸收率。仅在上表面采用亚元对称光栅，优化后的吸收率可以增强71%；仅在下表面采用光栅，吸收率增强24%；在上下表面同时采用光栅，太阳电池的吸收率可以增强81%。本研究为设计易于制作的具有高吸收率的薄膜太阳电池提供了新的思路。

为了进一步理解弹光调制器(PEM)的静态双折射和圆二色性，深入研究了PEM 偏振特性。运用Muller矩阵分别描述弹光调制、静态双折射和圆二色性的偏振特性，建立了同时考虑静态双折射和圆二色性的PEM 偏振特性模型；对该模型进行理论分析和仿真分析；搭建实验装置并进行了偏振调制实验。实验结果表明理论分析正确合理，PEM 的偏振特性应为微小静态双折射、弹光调制和微弱圆二色性效应的组合。此外，还精细测量了其中一个PEM样品的圆二色性值为2.755 × 10^-2 ，静态双折射的相位延迟值b = 5.73 × 10^-2 rad 和方向角α = 3.96° 。较全面地给出了PEM 偏振特性的一般Muller矩阵描述，扩充了弹光偏振调制方面的知识。

柱坐标下的径向偏振矢量光束在被高数值孔径透镜聚焦时，在紧聚焦条件下相比线偏振和圆偏振光束通过透镜后能获得较小的聚焦斑。在聚焦透镜前加上椭圆环光阑后能强化在聚焦区域内的光场轴向分量，能在单一方向上进一步缩小聚焦斑的尺寸。研究了径向偏振矢量光束经过椭圆环形光阑后的聚焦特性，在聚焦区域径向偏振分量形成两个聚焦瓣，而轴向分量形成椭圆形的聚焦斑,并做了相应的物理解释。当增加椭圆环形光阑内环半径时，径向偏振分量的聚焦瓣和轴向分量的聚焦斑单一方向聚焦尺寸均可小于光波长的三分之一，当进一步提高椭圆环形光阑内环半径时，由于通光量减少和衍射效应，不能得到更小的聚焦尺寸。研究结果对于提高激光扫描显微镜的单向分辨率具有重要意义。

针对传统量子密钥分配协议安全密钥传输距离较短，难以实现长距离量子保密网的问题，提出了基于量子存储和纠缠光源(EPS)的测量设备无关量子密钥分配协议及其网络模型。比较了直接预报量子存储、非直接预报量子存储与基于EPS 的量子存储的优劣，分析了基于量子存储和EPS 的测量设备无关量子密钥分配系统中密钥生成率与安全传输距离、存储器量子态保持时间的关系。仿真结果表明，基于EPS 的量子存储方案弥补了直接预报量子存储方案需要预报存储器的不足，安全传输距离远高于非直接预报量子存储方案，且当存储器的量子态保持时间T1 大于1 ms时，量子密钥生成率基本不再随T1 增大而增大。实验中采用双信道两用户网络模型，实际中可通过时分复用器和快速光开关实现单信道多用户的量子密钥分配网络。

研究了如何在不需要量子态重构的前提下直接测量一个两比特任意纯态的纠缠concurrence。设计了一个concurrence的直接测量量子线路，即通过对待测纠缠粒子对的两个全同拷贝实施σz 操作、单比特R旋转操作以及奇偶宇称校验检测，使得concurrence被编码在最后获得某些状态的概率中，从而实现对concurrence的直接测量。在给出concurrence直接测量的量子线路的基础上，基于光学系统设计了一个直接测量光子偏振纠缠concurrence的物理方案，实现两比特耦合的奇偶宇称校验检测操作只出现一次，大大降低了方案的复杂度。另外，该方案可实现远程纠缠态的纠缠直接测量。

在量子高斯密钥分发实验中，后处理是提升数据协调效率和保证安全密钥提取的关键技术之一。通过分层纠错协议给出一种具体后处理的数据协调方案，并采用准循环低密度奇偶校验码与传统低密度奇偶校验码相级联的方式对信息进行压缩编码。结合零拍探测下的连续变量量子密钥分发，分析了个体攻击和集体攻击下采用正向协调和逆向协调的实验方案中密钥提取的安全性。实验结果表明:在码长为2 × 10₅ ,三、四级码率为0.3 0.95 的数据协调方案中协调效率可达91.2% 。采用最优攻击下可提取安全密钥量为3.98 kbit/s ，而传输距离达30 km 左右，证明了所提协调方案的安全性，能够满足城域网络的通信要求。

设计并制备了一种太赫兹波段的类电磁诱导透明(EIT)超材料谐振器，用于链霉亲和素-琼脂糖的特异性传感。利用有限差分法设计两个正方形开口谐振环嵌套构成的超材料谐振器实现类EIT 高Q 谐振，并对其传感特性进行了仿真分析。将生物素和十八硫醇固化在制备的超材料表面形成特异性膜对不同浓度链霉亲和素-琼脂糖进行传感实验，利用基于返波振荡器(BWO)的高分辨太赫兹谱进行了谐振特性测量。结果表明设计的类EIT 超材料传感器Q 值为34，灵敏度为24.7 GHz/RIU，链霉亲和素-琼脂糖单位质量浓度变化引起的频移量为0.65 GHz，为太赫兹器件应用于生物化学领域的无标记微量检测提供一定的参考。

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用氧气在760 nm 波段的吸收谱线对氧气浓度进行实时在线测量。研制了基于TDLAS直接吸收技术的氧气检测系统，采用压控放大器设计了自动增益控制模块，实现了对光谱信号幅度的精确控制，解决了现场测量中信号幅度波动的问题；采用归一化洛伦兹函数实现Voigt函数的近似计算，并结合Levenberg-Marquardt非线性拟合算法实现了对光谱吸光度曲线的快速Voigt线型拟合，以适应实时在线检测需要。实验结果表明，该算法可以实现吸光度曲线的Voigt线型拟合，对固定浓度的氧气进行连续测量得到系统的最低检测限为523×10^-6 m，系统的标准偏差为1.75%。检测系统稳定可靠，满足实时在线氧气浓度检测应用。

以艾比湖流域为研究区域，典型盐渍土为研究对象，引入分数阶微分，以0.2 为微分阶数间隔，将0~2 细分为11 阶微分，对原始光谱反射率及其常用的均方根、倒数等数学变换进行微分计算，结合实验室实测的土壤含盐量，从相关系数、标准差及信息熵三个角度探讨分数阶微分算法对土壤高光谱数据的影响。结果表明：随着微分阶数的增加，相关系数通过0.01显著性检验的波段数量总体上呈逐渐减少的趋势，且1 lg R 提升相关性的效果优于其他三种数学变换；高光谱数据总体分布变得相对集中，样本差异性逐渐降低；信息熵逐渐减小，信息无序度变小，有效信息量增加。分数阶微分能够细化相关系数、标准差及信息熵的变化趋势，丰富高光谱数据的预处理方法，可从光谱维的角度深层挖掘光谱信息，为深度利用高光谱数据提供崭新的视角，同时也可为特征波段选择、地表参数反演等高光谱数据的应用提供参考依据。

由于系统装调与器件定位精度的限制，空间调制傅里叶变换光谱仪中的两个多级微反射镜在对准过程中会产生相对位置的平移和旋转。为了明确对准误差对系统产生的影响，利用线性系统理论与标量衍射理论分别建立了平移误差与旋转误差对应的干涉图像与复原光谱的模型。通过对计算结果的分析，平移误差与旋转误差均会对边缘的干涉图元进行剪裁，从而在复原光谱中引入伴线，带来光谱噪声。根据平移误差与旋转误差对干涉图像的作用特点，提出一种对干涉图像进行区域补偿的方法，通过扩展多级微反射镜的阶梯级数扩大干涉区域，然后利用干涉图像内部有效的干涉图元进行光谱反演；计算表明该方法可以有效抑制对准误差给系统带来的影响，从而降低多级微反射镜的定位精度要求。

电子束蒸发的单层光学薄膜具有明显的柱状结构，薄膜内部折射率的变化较大，由此引起的体散射现象也较明显。基于一阶电磁微扰理论，建立了单层光学薄膜的体散射理论模型，分析了膜层厚度、入射光偏振态、柱状结构因子、非均质性对体散射的影响。研究了纯柱状结构下，电子束蒸发的单层二氧化铪(HfO2)薄膜体散射的角分布散射值(ARS)随着膜层厚度的变化规律，结果表明纯柱状结构HfO2 薄膜体散射的ARS 量级与表面散射完全非相关模型的ARS值相近，并且在特定的膜厚范围内，体散射的ARS值随着膜厚的增大而增大。对于非均质性薄膜，当非均质性一定时，体散射的ARS值随着膜厚的增大而增大；当膜层厚度一定时，体散射的ARS值随着非均质性绝对值的增大而减小。

针对光谱反射率空间并不是一个有效的基色色料线性混合空间的缺点，提出了建立基色色料线性混合空间的三项原则。根据不同原稿色料光学特性的不同，将原稿分为透明色料连续调原稿、不透明色料连续调原稿、半色调原稿(半透明色料)，并针对这三类原稿分别构建能真实反应原稿色料真实物理维度的光谱线性空间，以不透明色料原稿为例进行实验验证。实验结果表明，根据原稿色料光学特性建立的色料线性混合空间是一个有效的线性混合空间，在其上的光谱预测能真实反映原稿基色色料的数量和近似得到基色色料的光谱形状。

X 射线光栅微分相衬成像技术对由轻元素构成的物质的内部探测具有传统吸收成像无法比拟的优势,在材料领域、安检领域以及医疗领域具有广阔的应用前景。吸收光栅是系统中的关键光学器件，其制作难度大、成本高，并且吸收光栅不能完全吸收高能X 射线而导致图像衬度和检测灵敏度下降，限制了该技术的发展应用。针对上述问题，基于自主研制的低成本铋材料源光栅和能够克服高能X 射线限制的具有分析光栅功能的结构化转换屏，提出了低成本、高效率的X 射线光栅微分相衬成像方法，在实验上获得了高质量的相衬图像。