大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙, 小到光学显微镜探察细微的纳米世界, 光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色. 看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标. 传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统, 即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径（或数值孔径）决定的. 能否突破这个极限？能否不断提高光学系统的成像分辨率？围绕着这个问题, 本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术, 及其在空间探测和生物领域中的应用.

介绍了一种新型的空间望远镜，通过改变光学系统焦距，可以提高任意感兴趣视场的成像分辨率。光学系统有四个反射镜组成，包括两个静态非球面反射镜和两个面形动态可调非球面反射镜.通过改变两个可变形反射镜的面形，系统焦距可以在399 mm到558 mm范围内进行动态调整.和机械式变焦系统相比，此主动变焦系统避免了光学元件的精密移动，有效减少反应时间。分析了此系统的成像质量，给出了0°、0.51°、0.7°不同视场的弥散斑：1.6 μm、1.0 μm、1.7 μm，及传递函数：在68 lp/mm 时，MTF曲线值大于0.7.此新型成像技术还可以有效减少数据传输链带宽需求，在遥感领域具有广阔的应用前景.

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜，结合半导体激光器，可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射，扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压，频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下，镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转，扫描所得投影为李萨如图形.通过分析图形的形成原理并用Matlab仿真，选出了适用用于任意图案显示的扫描镜谐振频率组合（X轴2 400 Hz, Y轴2 425 Hz）.该组合可以形成194×192个像素点，刷新频率为25 Hz.在此基础上提出了一种通过调制激光开关来进行投影显示的方法.

有机电致发光器件的稳定性与其封装结构密切相关，封装技术的优劣直接影响有机电致发光二极管器件的寿命.本文采用热阻抗模型对三种常用有机电致发光二极管器件封装结构进行热阻抗分析，并利用ANSYS有限元分析软件的热分析模块对热特性进行研究，得出各种器件封装结构的温度场分布，根据温度场分布比较得出各种封装结构散热性能的差异.分析得出,传统后盖式封装结构与混合封装结构散热效果相差不大，Barix封装结构具有最好的散热性能.模拟仿真结果显示,当玻璃厚度从0.5 mm增加至0.9 mm时，传统封装结构的发光层温度升高了0.124℃，Barix封装结构的发光层温度升高了0.262℃，表明玻璃层厚度的增减对有机电致发光二极管器件的散热影响较小.改变器件表面空气流动速度，使对流系数从25W/(m2·K)变为85W/(m2·K)时，传统封装结构有机电致发光二极管发光层的温度由42.911℃递减到26.85℃，可见增大表面空气流动速度对降低有机电致发光二极管有源层的温度作用显著.

本文研究了外应力对Y波导器件尾纤消光比及其温度稳定性的影响机理.在对保偏光纤固定部分进行应力分析的基础上，研究了外应力的大小、方向对于光纤应力双折射及尾纤消光比的影响，并分析了消光比的全温稳定性.结果表明，外应力是影响消光比常温性能及全温稳定性的主要因素.当外应力的方向与光纤固有应力双折射的主轴不重合时，尾纤最大消光比会低于保偏光纤的固有消光比，并且耦合后波导芯片与光纤慢轴之间对轴失准.当温度变化时，外应力的变化将导致消光比随温度的波动.当外应力沿着保偏光纤固有双折射主轴方向时，能够确保尾纤在耦合过程中实现最大的消光比，并保证波导芯片偏振方向与光纤慢轴的严格对准,此时尾纤消光比具有最佳的温度稳定性.对V型槽和U型槽光纤固定块进行了尾纤消光比性能及其温度稳定性的比较分析，试验验证表明，V型槽方案相对于难以保证外应力方向与光纤慢轴重合的U型槽固定块设计方案而言，可以有效改善消光比性能及其全温温度稳定性.

基于主成分分析和概率神经网络，提出了一种有效识别高甘油三脂血清荧光光谱的新方法.研究测量了正常和高甘油三脂血清在290 nm和350 nm激发光下产生的荧光光谱，并分别以3种采样间隔（1 nm、2 nm和5 nm）提取荧光强度作为样品的初始特征; 利用主成分分析法对初始特征进行分析，以累积可信度大于95%的主成分作为样品特征; 构建了4层概率神经网络，并分析了平滑系数和采样间隔对识别效果的影响.实验结果表明，当采样间隔采用5 nm，平滑系数位于0.26~0.92区间时，正常和高甘油三脂血清样品的识别率可达到95%和100%.

采用新型超声喷雾共沉淀法技术，以Lu2O3、Eu2O3、Al(NO3)3·9H2O为原料，制备了不同浓度Eu3+离子掺杂的Lu3Al5O12纳米粉体.用X射线粉末衍射表征了获得纳米粉体的相，用扫描电镜观察了纳米粒子的形貌.测定了粉体的激发光谱、7F05D2声子边带谱与发射光谱.研究了不同高温烧结温度与Eu3+掺杂浓度对纳米粒子的发光强度与粒子形貌的影响规律.研究表明,当烧结温度高于900 ℃时，粉体发光强度明显增强，并且随着煅烧温度的增加，发光强度有所增强.Eu3+离子的最佳掺杂浓度为5~7 mol%.根据稀土离子Eu3+光学跃起矩阵元的特点，从发射光谱获得Eu3+光学跃起的JO参量Ω2与Ω4.在Eu3+掺杂浓度均为5 mol%时，其强度参量达最小，电声子耦合最强.然后随着掺杂浓度的进一步提高，强度参量略有增加，电声子耦合减弱.说明EuO键强增加,共价性增强，Eu3+的局域环境对称性降低.Ω2值低于Eu3+在玻璃与晶体基质中的情况，这是由于纳米粒子中存在着大量的缺陷以及晶体的结构畸变导致纳米粒子的对称性下降所致.

针对后向散射光谱粒径测量法对亚微米颗粒测量准确度较差的问题，提出了一种采用紫外光作为光源的测量方法.通过快速傅里叶变换计算了粒径为0.25~1 μm的聚苯乙烯亚微米颗粒的后向散射频谱，将频谱峰值对应的频率值与相应的颗粒粒径进行线性回归，各粒径值相对于回归直线的平均误差为±0.02 μm. 结果表明，本文提出的300~400 nm的紫外光适用于测量0.25~1 μm的亚微米颗粒，相比目前国外最新的采用可见光谱或红外光谱的方法准确度提高了一个数量级，同时该方法也适用于测量双峰分布亚微米颗粒系.

利用等离子增强化学气相沉积系统制备了本征非晶硅薄膜，并选用488 nm波长的连续激光进行晶化.采用喇曼测试技术对本征非晶硅薄膜在不同激光功率密度和扫描时间下的晶化状态进行了表征，并用514 nm波长与488 nm波长对样品的晶化效果进行了比较.测试结果显示：激光照射时间60 s, 激光功率密度在1.57×105 W/cm2时，能实现非晶硅向多晶硅的转变，在功率密度达到2.7 56×105 W/cm2时，有非晶开始向单晶转变，随着激光功率密度的继续增加，晶化结果仍为单晶; 在功率密度为2.362×105 W/cm2下，60 s照射时间晶化效果较好; 在功率密度为2.756×105 W/cm2和照射时间为60 s的条件下，用488 nm波长比514 nm波长的激光晶化本征非晶硅薄膜效果较好，并均为单晶态.

针对常见的两类量子交互干涉实验，Young 氏双缝干涉和超低强度长时间曝光量子交互结果显示出的明显波动统计分布特性,本文基于另一种经典概率测量模型Bayes统计依据的条件概率方法,提出条件概率变值测量模型，建立了测量模拟方法，给出了不同参量的测量公式，并对相关的重要条件进行描述.通过2个具体例子按每个函数形成四组16个直方图统计分布进行比较，对给定例子中的重要特性进行了分析.分析表明，在同步/异步、对称/反对称的作用下，条件概率测量模拟系统能针对左路、右路、双路粒子和双路波动交互作条件形成两类8种不同的统计分布.从不同的侧面显现了双路粒子同左/右路异步加算符信号之间的直接耦合关系，以及左/右路同步加算符信号与双路波动之间的干涉输出关系.在条件概率模型的条件下，单路/双路、粒子和波动的区别非常明晰,可以从中看到Feynman提炼的经典和量子统计之间的区别,统计判据直接从直方图分布中即可区分. 这类特性从基础层面显示了波/粒二重性的怪异特性，可以通过粒子性的模型完整描述.

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器，它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动，实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理，完成了相关实验，并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明，在量程为20 mm的时候，位移灵敏度为123 pm/mm，温度补偿前，温度对位移的影响是234.9 μm/℃; 温度补偿后，温度对位移的影响为17 μm/℃.本位移传感器量程大、线性好、准确度高，不易受恶劣环境影响.

利用布喇格光纤光栅传感器对应变和温度同时敏感的特性，根据应变和温度导致光栅中心波长变化趋势及规律的不同，在光纤光栅围栏入侵监测系统中，从信号时域、频域提取的多方位特征对周界入侵和火灾发生等威胁安全事件进行智能识别和报警.在光纤光栅围栏防入侵功能基础上，无需做任何硬件封装的改变，也无需另外增加温度敏感光缆和集成其他温度监测系统，即可同时达到火灾监测的目的，实现防火和防入侵的同步预警.处理结果验证了该方法的有效性.

针对一般光纤荧光传感器收集荧光能力不足的缺陷，设计了一种在微结构聚合物光纤的空气孔内填充掺有机染料高折射率液体的荧光传感器.使用可调节边界条件傅里叶分解法计算了这种微结构光纤的模场分布，分析了光纤结构参量和液体折射率对荧光捕获分数的影响，结果表明，使用小纤芯半径和高于纤芯折射率的液体可以增强激发光的吸收效率，增大荧光捕获分数，提高光纤荧光传感器的灵敏度.

光强调谐曲线是激光陀螺工作模式选取和稳频的依据，而陀螺的增损比将直接决定光强调谐曲线的形式.为了提高陀螺准确度，本文对双同位素综合展宽情况下二频激光陀螺出光带宽与增损比之间的关系进行了分析计算,结果表明，激光陀螺的出光带宽与增损比之间存在单调递增的变化关系.数值仿真了不同增损比情况下陀螺的光强调谐曲线，结果表明，根据激光陀螺出光带宽与相邻纵横间隔相对大小的不同，其光强调谐曲线的形状可分三种，仿真与试验结果非常吻合.分析并试验验证了增损比选取不当对激光陀螺工程化应用可能产生的影响，给出了不同腔长情况下激光陀螺增损比合理选取的参考值，即应保证陀螺的出光带宽约等于其相邻纵横间隔.

利用相位生成载波解调技术精确测量光纤水听器的光相移量，在20 Hz～10 kHz频率范围实现了光纤水听器探头相移灵敏度的校准.20 Hz～1.25 kHz频段采用驻波管比较法进行校准，1.25 kHz～10 kHz频段采用自由场脉冲比较法进行校准.利用本文建立的校准系统，对TMD 35#光纤水听器的相移灵敏度进行校准，校准结果表明，两种方法测得的相移灵敏度具有很好的一致性，在1.25 kHz频率点的相移灵敏度值偏差为0.8 dB.不确定度分析表明，该校准系统的扩展不确定度(k=2)为0.9 dB.

针对相位敏感光时域反射计型分布式光纤围栏入侵监测系统对外界干扰敏感、误报率高的问题进行了深入研究，比较了多种小波提取入侵信号突变特征方法，并提出一种基于多个小波分解结果进行综合判决来降低分布式光纤围栏误报率的方法.实验结果表明，多种小波分解可以分别提取不同层次的突变细节信息，为综合决策提供更完备的信息和条件，比单一判决能更有效降低系统误报率，室外长期测试可达到01次/24h，大大提高了分布式光纤围栏报警系统的稳定性和置信度水平.

采用双色正弦条纹投影的傅里叶变换轮廓术中零频分量的扩展对有用基频分量有影响，为此提出一种新型的基于强度调制的零频消除方法提高测量准确度和范围.通过采集一帧变形彩色条纹图并分离颜色通道获得两幅相位差为π的条纹图，对变形条纹做强度调制校正，进而消除零频分量，实现高度解析.理论模拟和实验测试均验证了此方法的有效性.相比传统的相移消除零频分量的方法，此方法具有显著的速度优势，适合于三维物体的实时测量.

提出了一种适用于伪随机序列投影三维测量技术的子序列匹配快速算法.首先根据源序列的内容及子串长度构造由多层子表组成的表格;然后根据子序列的内容，从首字符开始从左到右，依次从首层表格开始向下查找;最后得到子序列在源序列中的位置.即根据首字符在首层表格中查到对应的第二层表格地址，再在第二层表格中根据第二个字符，查找第三层表格地址.以此类推，查出最后一层表格的地址.在最后一层表格中，根据末字符查找到该子序列在源序列中的位置.给出了理论分析并进行了实验验证，结果表明,在目前主流的计算机上，对于典型场景采用查表法的子序列匹配速度较常用算法快60倍以上.

提出了一种真实场景三维视频采集及彩色显示的方法.设计了一种采用条纹投影的实时三维成像系统及采用液晶空间光调制器的实时全息彩色三维显示系统.在三维成像系统中采用π相移正弦条纹与编码图案结合实现绝对相位测量，从而可以测量孤立物体.同时对采用数字微镜的投影仪进行改造，实现高速投影，并与高速摄像机配合实现三维视频采集.首先利用实时三维成像系统同时获取三维场景的彩色强度像和距离像; 然后根据这些三维成像数据, 设计和制作计算菲涅耳全息图; 最后在实时全息彩色三维显示系统中再现.三维信息的采集和显示速度达到了60帧每秒.

基于霍夫变换及线性啁啾变换，提出在空域及频域中分析数字全息图中颗粒粒径大小的方法.在对粒子全息图进行降噪滤波、边缘提取等预处理后，利用弦中点霍夫变换检测粒子的圆心位置，然后以圆心为起点径向扫描出归一化光强分布曲线，求出空域第一个极小值位置.对光强信号做傅里叶变换，结合线性啁啾变换做局部频谱细化，求出频域第一个极小值位置.利用所得极小值位置，代入公式，即可求解颗粒粒径大小.数值计算结果表明，对于粒子间距较大的粒子全息图，该方法误差在2.5%以内.

运用像散原理和理想光源成像原理，讨论了半导体激光器消像散设计.提出了一种基于消像散的高亮度半导体激光器光纤耦合系统的设计方法.以波长为808 nm，输出功率为10 W的半导体激光器的光纤耦合为例,给出了详细的计算方法和设计步骤.结果表明:采用该方法将半导体激光器光束耦合入数值孔径为0.22，芯径为50 μm的光纤中，耦合后输出功率为9.712 W，耦合效率为97.12%，功率密度为1.1224×106 W/cm2.该方法不仅原理简单，而且设计的耦合系统耦合效率高、体积小，具有较强的实用价值.

本文构建了含有电光材料LiNbO3的一维对称广义Fibonacci光子晶体结构，提出并设计了一种基于该结构的可调谐滤波器，并利用传输矩阵法对设计的滤波器的可调谐滤波特性进行了理论研究.数据模拟结果表明：保持对称广义Fibonacci光子晶体的几何结构不变，通过改变电极所在处施加在电光介质（LiNbO3）层上的外加电场，即可实现滤波器的滤波通道波长的调节，滤波通道波长的改变与外加电压呈线性关系，随着外加电压的增加，滤波通道波长向短波长方向移动.此外，电压一定时，通道波长随光的入射角的增加向短波长方向移动;光的入射角一定时，外加正电压下，通道波长随电压增加发生蓝移，而外加负电压下，通道波长随反向电压的增加发生红移.最后，讨论了双电场作用下的多通道波长滤波器的结构极其特性.以上结果对于新型光子晶体器件的设计具有重要的参考价值.

设计了一种新型高双折射光子晶体光纤，即其包层引入椭圆形空气孔，且以三角晶格方式周期排列，纤芯引入亚波长尺寸（～0.16 μm）的微型双孔结构阵列.采用全矢量有限元法和各向异性完美匹配层边界条件分析了该型光子晶体光纤的双折射特性和色散特性，详细介绍了该光子晶体光纤在不同的椭圆率、椭圆归一化面积、微型双孔孔径、两小孔之间间距的情况下双折射和限制损耗随波长的变化曲线.模拟结果表明，通过同时在包层和纤芯引入非对称性，获得了较高的双折射（～10－3量级）和极低（～10－4 dB/km）的限制损耗.提供了一种新的光子晶体光纤设计方法，即通过同时在包层和纤芯引入新结构来同时获得高双折射和低损耗.

为了得到二氧化钛反蛋白石光子晶体中影响光子定域化的规律，基于Mie散射理论和低浓度近似，对光子定域化参量进行了数值计算与理论分析，发现在该氧化物的剩余射线区内，入射波长和散射体大小对光子定域化有明显的影响.结果表明，在散射体浓度为10%，相对折射率大于3.8时，在中红外区13.3~15.3 μm范围内出现了光子定域化现象，并随着散射体半径的增大，定域化区向长波方向移动; 同时，定域化参量先增大后减小.研究结果为实验上在该类光子晶体中实现光子定域化现象提供了理论参考.

基于ZnO纳米柱制备及发光实验，建立了ZnO纳米柱的位置和大小都是无序的二维介质结构模型.通过构建增益模型，用时域有限差分法数值模拟了无序介质中频谱特性以及ZnO增益频谱范围内的某一个共振峰对应的波源在无序介质中的光场分布情况，发现了局域模的存在.分四种情况讨论了此局域模的受激辐射与泵浦面积的关系：改变泵浦功率，从左到右依次增加两层ZnO纳米柱泵浦和单独泵浦一个局域区域; 泵浦功率一定时，增加泵浦局域区域和非局域区域中ZnO纳米柱个数.结果表明：存在一个临界泵浦功率，当泵浦功率小于临界泵浦功率时，无论泵浦面积多大都不能激发局域模; 当泵浦功率大于临界泵浦功率时，对于不同的泵浦功率，局域模被激发所需的临界泵浦面积不同; 随着泵浦功率的增加，当泵浦面积一定时,光场相对强度呈递增趋势，当泵浦功率超过临界功率时，光场相对强度急剧上升.

基于德拜矢量积分理论，研究了随机电磁涡旋光束经过大数值孔径透镜之后的聚焦特性及透镜的数值孔径、入射光束的偏振度、拓扑荷以及横向相干长度对焦平面附近聚焦光束的光强分布和相干度的影响.结果表明：适当地选择相关参量，可在焦平面上得到椭圆形光斑的光强分布以及平顶光强分布.随机电磁涡旋光束在焦平面上同一点处两个相互垂直分量之间的相干度，不同两点处两个相同分量之间的相干度以及不同两点处两个相互垂直分量之间的相干度研究表明，入射光束的拓扑荷和横向相干长度对聚焦光束的相干性有着十分明显的影响.

采用蒙特卡罗方法对闪烁光纤阵列探测器在高能X射线入射下的串扰进行了模拟研究，并且分析比较了加铅层对串扰的影响.研究中采用对表征成像系统空间分辨率参量——调制传递函数进行模拟分析和比较，得到在光纤阵列之间加入不同铅层厚度后对系统调制传递函数参量曲线的影响.研究结果表明：在高能射线下，采用闪烁光纤阵列作为成像探测器存在严重的次级粒子相互串扰的现象，而在阵列之间加入铅介质能够减少这种效应; 但另一方面，若所加铅层太厚又会导致成像探测器像素过大而使得空间分辨率下降.通过模拟计算得出：只要在阵列之间加入适当厚度的铅介质，既可以有效抑止阵列之间次级粒子的串扰，同时又能提高闪烁光纤阵列探测器系统的空间分辨率.

基于非线性耦合模理论，利用逆向递推龙格库塔法，数值研究了在磁光耦合系数中引入洛伦兹函数微扰后对磁光光纤布喇格光栅线性透射谱和非线性双稳特性的影响.研究结果表明：给磁光耦合系数引入洛伦兹微扰能在线性透射谱阻带中打开线宽极窄的一个透射窗口，微扰宽度和微扰中心位置可以影响透射窗口的位置、宽度以及峰值大小; 当微扰宽度和微扰中心位置发生变化时，光栅的双稳特性表现出明显的差异，合理地选择微扰参量可以实现对其双稳特性的优化.

用积分直方图技术提出了一种低复杂度的粒子滤波跟踪方法和基于积分颜色直方图的观测似然模型.采用积分方向直方图建立一个检测响应图，用其上的观测信息构建建议分布函数，在状态空间中似然概率较大的子空间中进行粒子采样.仿真结果表明，在采用大量粒子跟踪大目标时，提出的跟踪方法的计算复杂度明显低于直方图直接提取的粒子滤波方法， 而且在光照变化的条件下，比采用传统颜色MeanShift的跟踪方法准确.