基于压电换能器技术设计了一种应用于光学相干层析成像的新型内窥式二维光纤扫描探头，即利用两片压电陶瓷片和一片薄导电基片驱动光纤探头.该探头利用光纤悬臂的共振特性，通过对压电陶瓷施加等于光纤共振频率的混频信号，能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动，可以实现光纤悬臂的二维扫描.建立了理论模型并进行了有限元仿真分析，最后搭建了实验系统，验证并获得了扫描图样.实验结果实现了光纤悬臂的二维扫描，扫描范围达到(500×500)μm，调节驱动信号振幅幅值可以调节扫描范围.实验结果与理论分析和仿真相吻合，验证了方案的可行性.

为了改善增量式光电编码器的莫尔条纹光电信号质量，降低主计数信号中高次谐频的影响，提高信噪比达到输出稳定的正弦波形,本文深入地研究了莫尔条纹光电信号中的高频信号和噪音信号产生的原因及其相关自适应滤除方法.从宏观和微观两个方案分析光栅副的屏函数，研究莫尔条纹光电信号输出波形的不确定原因，并且提出采用相关自适应滤波方法将高频信号滤除保留原有基频信号.从相关自适应滤波的数学模型论证和推导该相关自适应滤波过程并讨论其自适应性.指出在设计该自适应滤波电路时需要重视的几个关键指标及其影响效果，完成相关自适应滤波的有效性分析.相关自适应滤波效果等价于一个中心频率为基频的窄带带通滤波器，当基频随机变化时其通带也会随之改变.通过相关自适应滤波技术较好地滤除计数信号中除基频外所有高频分量和放大电路所引入的加性高斯白噪音.实验证明：莫尔条纹光电信号的失真度被降低8倍相关自适应滤波方法能使莫尔条纹光电输出波形趋近于标准正弦波，获得更高的信噪比.

利用785 nm波长激光作为激发源，测量了超二代微光像增强器Na2KSb(Cs)多碱光电阴极的荧光谱.试验中发现该荧光谱不是一条光滑的高斯型曲线，而是一条在高斯型荧光谱上叠加了一定频率间隔小锯齿峰的曲线.经实验验证和理论分析证明该荧光谱上的小锯齿峰是一种干涉条纹，与超二代微光像增强器的结构有关.干涉条纹之间的间距与相邻两干涉峰波长的乘积成正比，与超二代微光像增强器的近贴聚焦距离成反比.干涉条纹调制度大小与Na2KSb(Cs)多碱光电阴极的厚度成反比.通过测量超二代微光像增强器Na2KSb(Cs)多碱光电阴极荧光谱上两相邻干涉条纹的间距和调制度，就可以测量或比较出不同超二代微光像增强器Na2KSb(Cs)多碱光电阴极的膜厚、近贴聚焦距离.研究结果对提高超二代微光像增强器阴极灵敏度和分辨力提供了一个有效的分析手段.

从理论上分析了电光双稳态系统的稳定性，通过图解方式研究了各不动点的稳定性.用数值求解的方法，确定了分岔点的具体位置，分析了该系统是经过倍周期分岔和阵发混沌途径产生混沌.数值模拟由系统状态随参量变化的分岔图和最大李雅普诺夫指数随参量的变化关系，表明本文的理论分析结果是完全自洽的.

利用弱非线性的交叉克尔介质和对强相干探测场的动量积分零拍探测，呈现了一个关于制备六光子最大纠缠态的方案，如实现制备Dicke态和W态.在本方案中，只要相干探测光场的强度足够大时，对交叉克尔介质的非线性强度要求可以较弱，因而当前实验技术条件上均能满足本方案的要求.考虑到目前实验上实现单光子很是相对困难的，在信号模上仅用弱的相干光替代单光子源，从而进一步增强了本方案的实验可行性.

研究了Fabry-Perot光学腔中包含一个光学参量放大器来增强腔场与机械振子之间的耦合的光机械动力学行为.在解析边带机制下用量子郞之万方程具体研究了振子的涨落光谱、光学多稳态行为、机械阻尼与修正共振频移和基态冷却.通过数值解讨论了辐射压力诱导机械振子和腔场的稳态振幅所展现的光学多稳态行为，同时也分析了辐射压力引起的修正共振频移和机械阻尼与参量增益、输入激光功率和参量相位这三个因素的关系.此外，随着调节泵浦场的参量相位，振子的涨落光谱呈现简正模式分裂.通过精确求解最终有效声子数论证了基态冷却.结果表明，机械振子的冷却由初始浴温度、机械品质因数和参量相位这个三个因素控制.参量相提供一个新的方法来操控非线性光机械动力学.

为探讨分析转镜运转可靠性的数值方法，运用Monte Carlo理论并结合ANSYS参量化设计语言，根据小样本原理和可靠性理论建立了转镜运转可靠性分析数学模型.对转镜运转可靠性进行了数值分析，并对数值分析结果进行了实验验证.数值分析结果表明:转镜的功能函数值远大于零，最大应力与转镜转速的线性相关系数达0.9，镜体密度的相关系数值为0.15，最大应力、应变、位移的偏斜度和峭度值均为正值，统计结果服从正态分布呈右偏态，在95%的置信度水平下，转镜可靠度为0.999.这说明在理想状态下转镜的运转可靠性满足要求，转镜的最大应力值取决于转镜转速，并且镜体的密度对转镜最大应力有较大影响.转镜运转可靠性试验中没有转镜出现破坏，表明转镜运转可靠性数值分析方法是正确的，为转镜的运转可靠性分析提供一种可行、高效的数值分析手段.

利用逐点写入法在耐高温光纤中用红外飞秒激光直接写入了长周期光纤光栅，研究了光栅的高温温度特性，并做了理论分析.通过对含耐高温涂覆层的长周期光纤光栅进行20 ℃~300 ℃的温度传感实验,结果表明：在高温段光栅的谐振波长漂移量与温度之间仍能保持大的灵敏度(0.060 5 nm/℃)和好的线性度，且光纤耐高温涂覆层不受破坏，光纤耐高温涂覆在高温下不会出现碳化现象，光栅传感性能良好.实验证明该方法制作的光栅适合于长期在高温环境下使用，应用价值巨大.

详细分析了土壤背景偏振光谱二向反射分布函数与探测角及探测方位角之间关系.提出了基于最小二乘支持向量机回归的偏振光谱二向反射分布函数建模，将有限实验观测条件下测量得到的少数偏振光谱二向反射分布函数扩展到2π空间范围内任意入射及观测条件.通过模型结果和实验结果分析比较，表明该模型能很好地满足准确度要求.

利用三维同步荧光光谱技术研究了不同浓度的血浆溶液在紫外光波段的同步荧光光谱.实验结果表明：血浆蛋白的主要的激发峰主要有三个，分别在257 nm、274 nm和280 nm附近，同步荧光光谱峰值大小随着血浆的浓度的变化而有所不同.通过改变Δλ值而获得的同步荧光光谱，表明血浆存在三个同步荧光峰，其Δλ值分别为90 nm、72 nm和44 nm，根据实验数据计算，表明血浆的各个内源荧光团之间存在着荧光共振能量转移以及二次光吸收现象.

在普通碱液中添加一种特殊的添加剂，在不同时间下对单晶硅表面进行刻蚀.用扫描电子显微镜观察样品表面形貌，结果显示：单晶硅片放入加入添加剂2 mL的刻蚀液中，经过10 min刻蚀后晶体表面零星出现大小不一的金字塔，并有大面积的平滑区；刻蚀15 min后金字塔大小趋向一致，平滑区面积缩小；刻蚀20 min硅片表面形成平均尺寸为2～4 μm金字塔绒面结构，并且均匀性好、覆盖率高；刻蚀25 min后，进入过腐蚀阶段，金字塔出现变大的现象.研究表明：与传统碱腐蚀相比，添加剂可以缩短单晶硅刻蚀时间，并获得较为理想的绒面结构，在工业上应用可以降低生产成本和生产时间，提高生产率.

研究了化学气相沉积多晶膜的宏观性能(颜色和透光性)与微观性能(结晶质量、相纯度和氢杂质含量)之间的关系，喇曼谱与金刚石膜中氢杂质含量(红外光谱测得)的关联性.给出了根据颜色和透明度来区分样本膜质量的实验依据，颜色较深的膜的结晶质量差、相纯度低、氢杂质含量高，1 332 cm－1金刚石特征喇曼峰强度低，半峰宽大.由于多晶膜生长不均匀性、多晶以及粗糙度的影响，生长面的微喇曼光谱随采样点变化会产生较大的偏差，而光滑生长界面的喇曼光谱随采样点的变化偏差较小，因此生长界面的喇曼光谱更能反映化学气相沉积法制备金刚石膜的整体质量.

为满足二氧化碳探测仪平面光栅高精度面形要求，对光栅及其支撑结构进行了设计和分析.首先，对光栅结构组件各材料的选取和支撑结构形式进行了研究；然后，以坐标变换法和最小二乘法为理论依据，对镜面刚体位移和畸变的计算求解进行了探讨;接着，采用有限元法对光栅结构组件在不同热力耦合状态下的面形精度和结构强度进行仿真分析.运用有限元软件本身提供的二次开发功能，开发了能内部调用MATLAB编写的面形误差计算程序.经计算，各工况下面形误差PV≤63 nm，RMS≤12.6 nm.最后，为了验证结构组件的动态特性，进行了模态分析和谐响应分析，三个方向的基频分别达到1 046.3 Hz,1 640 Hz，1 147.5 Hz.这些结果表明，光栅结构组件设计合理可行，能够满足各项设计要求.

针对红外成像系统性能测试与评估的应用需求，设计了一套基于数字微镜器件的消热差的中波红外景象投影光学系统. 探讨了红外视景仿真用投影光学系统的像差特性和设计方法，并对投影系统的无热化进行了分析. 采用分光板和补偿板方案，解决了大相对孔径条件下投影系统的远心照明分光和像差平衡问题，提高了分辨率和均匀性，增大了视场. 系统由远心投影光学系统和像面倾斜的柯勒照明光学系统组成，使用光学被动消热差，提高了系统的稳定性. 系统焦距为255 mm，F/#为2.6，视场5.1°，出瞳距200 mm，在空间频率17 lp/mm处，在－20 ℃～60 ℃全温度范围内MTF>0.6，接近衍射极限. 本文所设计的投影光学系统具有分辨率高、均匀性好、结构紧凑等优点.

采用有限元方法对高精度物镜波纹管致动器的几何非线性变形进行了分析，并引入线性度对波纹管致动器的性能进行了评估.通过有限元方法分析了常见的U型、S型、C型、方型及三角型波纹管的几何非线性变形，并结合最小二乘法，得到了上述各种波纹管致动器的行程及线性度.计算结果表明：在设计大行程波纹管致动器时，S型波纹管的线性度最好，为0.161%；而在设计小行程波纹管致动器时，三角形波纹管的线性度最好，为0.135%.

利用3×3耦合器和法拉第旋转镜等光学元件,构造了一个基于迈克尔逊干涉系统的光纤振动传感器.使用外调制的方法对传输光进行相位生成载波调制，并将该光纤振动传感器应用于长距离的安全监测中.通过对该传感器的干涉输出信号进行贝塞尔展开分析，发现干涉输出信号中含有与外调制所使用的载波频率相同的信号成分.因此，使用一个中心频率为载波频率且通带很窄的带通滤波器，可以同步地提取载波信号.同步提取的载波信号用于干涉输出信号的相位生成载波被动零差解调，可以得到作用于光纤振动传感器上的外界振动信号.本文提出了从输出信号中同步提取载波的方法，通过理论推导得出了该方法的可行性，并且通过软件仿真和实验验证了该理论的正确性.文中还对提取的载波受低频信号干扰，造成其幅度不稳定的现象进行分析并提出了解决方法.研究表明,同步载波提取法适用于相位调制器与干涉信号输出端距离较远，相位生成载波解调需要的同源载波获取较困难的情况.

光路系统的偏振误差极大地制约着准互易反射式光学电压互感器的准确度.借助琼斯矩阵，建立了分立光学器件及光纤熔接点的传输模型，推导出完整的电压互感器光路系统的数学模型.以此模型为基础，对电压互感器中的偏振误差进行了仿真分析.结果表明：光源偏振度、起偏器消光比及起偏器与相位调制器的对轴角度主要影响系统的检测灵敏度；法拉第准直旋光器的旋光角度、法拉第准直旋光器与BGO晶体的对轴角度误差是主要的偏振误差源，影响系统的测量准确度及稳定性；根据电子式电压互感器IEC60044-7 0.2S级标准，法拉第旋光角度误差应该小于1.6°，旋光器与BGO晶体对轴角度误差小于1.85°.该研究对准互易反射式光学电压互感器光路设计和误差抑制具有一定的参考价值和指导意义.

本文提出了一种利用三维景物的二维视角投影图像合成计算全息图，并重构出彩色再现三维影像的方法.该方法基于利用视角投影图像获取景物的三维傅里叶频谱的理论，采用电荷耦合器件记录三维景物在白光照明条件下横、纵两正交方向的一系列视角投影图像，并利用这些视角投影图像合成计算全息图，从而重构出三维再现像.通过采用在频谱面上的容余采样方法，提高了图像频谱信息的利用率，通过实验论证，证明了该方法的可行性.利用该方法使得视角投影图像的记录过程更加简单，节省了采样时间，提高了程序运行速度；能够在利用同等数量的视角投影图像的条件下，提高合成全息图的质量，使得重构的彩色再现三维影像更加清晰.

数字视频质量评价在视频压缩、处理以及视频通信领域中有着十分重要的作用.本文在现有视频质量评价方法以及对人类视觉特性研究的基础上，提出了一种基于梯度和运动估计的视频质量评估方法.该方法充分考虑了视频图像的边缘特性、各帧之间的时间相关性以及画面中场景的变化对视频质量的影响等因素.实验结果表明，该方法对基于H.264编码的失真视频有更好的评价效果，与人类视觉的主观评价结果一致.

非采样Contourlet变换是一种新的多尺度多分辨率分析工具.本文提出了一种基于非采样Contourlet变换的彩色图像无监督分割算法.首先利用非采样Contourlet变换的平移不变性在其变换域应用梯度向量法提取图像多尺度边缘;然后在Contourlet变换域的低频子带和高频子带中分别提取局部低频能量纹理特征与高频多尺度Zernike矩纹理特征，并将二种纹理特征融合.最后在边缘图像中映射种子像素点，利用纹理和颜色特征欧氏距离，对彩色图像采用区域生长和区域合并的方法进行分割.实验结果证明:该算法将图像空间域的颜色特征与非采样Contourlet变换域的多尺度边缘和纹理特征恰当结合在一起实现彩色图像无监督自动分割，与传统算法相比有更高的准确性和鲁棒性.

一般的边缘加权Hausdorff算法，由于单尺度边缘检测算子本身对噪音敏感，会造成真实和虚假边缘显著性差异小，从而加权后对噪音鲁棒性改善有限.为此,提出了一种基于多尺度边缘测度融合加权的Hausdorff景象匹配算法.对图像提取多尺度边缘测度后，引入证据推理理论，提出一种双向指数基本置信指派构造方法，并构造出多尺度边缘测度的基本置信指派函数，然后采用冲突再分配DSmT组合规则进行融合.为了进一步区别真实边缘与高频噪音，对加权Hausdorff公式进行了一些改进，给出了更为有效利用融和后边缘测度的加权Hausdorff公式.对可见光和SAR景象的匹配实验证明:本文算法所提取边缘在抑制噪音的同时保留了大量景象细节信息,并通过横向对比验证本文算法提高了噪音鲁棒性.

为了从直接测量的强度图像中计算出相位信息，研究了基于强度传输方程的相位检索技术.设计了一个实用的相位检索系统，包含经典傅里叶相位检索和基于整体变分的相位检索算法.通过测量聚焦平面和前后散焦平面光波场的空间强度，求解二阶微分方程得到相位.与迭代相位检索技术相比克服了其迭代不确定性、收敛速度慢等缺点.实验表明,利用强度传输方程检索相位的方法可以有效快速地从强度图像中计算出相位;整体变分算法相比傅里叶算法，在恢复相位的同时可以保持良好的边缘.

混凝土计算机断层成像试验图像细观研究多集中在二维横切面上，而混凝土计算机断层成像三维重建研究非常少，使混凝土计算机断层成像试验图像细观研究受到了局限，不利于全面分析在各个应力情况下混凝土的受力情况.本文提出一种可视化平台下基于改进光线投射法的混凝土计算机断层成像图像三维重构新技术，并进行可视化系统的实现.结果表明：本文提出的混凝土计算机断层成像图像三维重构方法快速、真实，为建立准确的混凝土材料数值细观模型提供了一种有效辅助方法，具有重要的应用意义.

针对现有许多图像水印算法无法抵抗亮度和对比度调整，提出了一种抗亮度和对比度调整的盲鲁棒量化水印算法.对原始图像进行离散小波变换，将低频子带分成互不重叠的子块，对每个子块进行离散余弦变换，在每个子块的离散余弦变换低频系数奇偶量化嵌入水印.检测端先对攻击后的含水印图像进行抗亮度和对比度调整修正，然后通过奇偶判断盲提取出水印.实验结果表明:该算法在抵抗亮度和对比度调整上表现出较强的鲁棒性，而且在抵抗添加高斯噪音、添加椒盐噪音、剪切、中值滤波、高斯低通滤波和JPEG压缩也表现出较强的鲁棒性.

以液体中光击穿所激发声场为研究对象，在等离子体椭球模型的基础上，为方便理论计算，简化等离子体椭球模型，提出了等离子体椭圆盘模型，对光击穿所激发声场进行了理论研究.得到了等离子体椭圆盘辐射声场的声压规律，并利用椭圆坐标变换，依据马修函数特性和模态的正交性，求得了等离子体椭圆盘振动位移的解析表达式.

基于Fournier Forand体积散射函数，建立了一种水中激光脉冲后向散射仿真模型.运用该模型可用Monte Carlo方法模拟光子在水中的传播过程,并得到光波后向散射的冲击响应.将初始激光脉冲与冲击响应进行卷积并求其傅里叶谱，即可得到激光脉冲后向散射信号的时域和频域特征.利用该模型分析了入射为高斯型激光脉冲时，水中散射体的尺度分布、散射体与纯水的相对折射率以及水体衰减系数对激光脉冲后向散射特性的影响.结果表明：随着小尺度散射体相对数量的增多、散射体与纯水相对折射率的增加、水体衰减系数的增大，激光脉冲后向散射信号能量增强，宽度增加，低频分量显著增大.

利用双面金属包覆波导在导模共振激发时对古斯-汉欣位移具有极大的增强效应来实现激光波长微小变化的监测.双面金属包覆波导由上层金膜、导波层和下层金膜组成.当导波层厚度为亚毫米尺度时，应用自由空间耦合技术使入射的激光以小角度入射，在满足相位匹配的条件下激发超高阶导模.理论研究表明，当波导的辐射损耗等于本征损耗时，反射光的侧向位移可达到数百微米，并且此时激发的超高阶导模对波长具有极强的色散能力.通过测量反射光的侧向位移可实现对激光波长变化的实时探测，且具有很高的灵敏度.同时,实验中探测信号只与光束位置相关，可有效避免因光源输出光强的波动带来的干扰.实验测量结果表明对激光波长在859nm附近的分辨率可达到0.2 pm.

利用激光二极管作为光源，对红外触摸屏的原始结构加以改进，用激光和导光管的组合来取代单排发光二极管，设计了一种具有微结构的导光管.导光管采用PMMA材料，其折射率n2=1.49，在全反射的条件下，导光管微结构的几何参量通过解方程的方式获取.分别建立了导光管的光学和机械模型,建模结果表明，本文所提出的触摸屏的设计方法能够改善传统红外触摸屏存在的分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，同时彻底改善了原始红外触摸屏的性能,从而克服技术和物理规律限制，满足红外触摸屏的提高分辨率和实现大尺寸的要求.

硅基长波红外集成光电子器件是集成光学发展的一个新兴领域.阐述了利用等比例放大原理设计该波段下的slot波导的思路，分析了波导的限制因子、偏振特性等性质，并提出了工作波长为10.6 μm的偏振无关slot波导定向耦合器.