基于异向介质中包一到三阶非线性色散的非归一化扩展非线性传输方程，利用德鲁德电磁模型和线性稳定性分析法，导出了调制不稳定的色散关系和增益谱.以实际单位形式计算和讨论了传输方程系数、正负折射区及自聚焦和自散焦情况下调制不稳定增益谱随归一化角频率的变化关系.结果表明：随归一化频率增加，负折射区在自聚焦时的增益谱谱宽和谱峰都先增加再减为零；负折射区在自散焦时调制不稳定只出现在禁带附近，且谱宽和谱峰都单调减小.正折射区调制不稳定只出现在自聚焦情形，且谱宽一直增加，而谱峰先减小后增加.总体而言，三阶非线性色散的存在不利于调制不稳定的产生.

为了提高激光诱导击穿光谱质量，获得优化的实验条件，以不锈钢样品为靶材，采用高能量铷玻璃脉冲激光烧蚀样品，由多功能组合光栅光谱仪和计算机采集系统记录光谱，分析了激光等离子体在有或无碳室约束条件下的辐射强度变化情况.通过测量电子温度和电子密度，探讨了激光诱导等离子体辐射的增强机理.实验结果表明，当采用内径为4.0 mm、高度为9.0 mm的小型碳室约束激光等离子体时，其发射光谱强度和信噪比均有大幅提高，电子温度和电子密度也有所上升.可见，利用这种空间约束方法能够有效地改善激光光谱质量.

以稀土氧化钕和邻非罗林为原料，合成了两种新型钕离子络合物液体激光介质，实验测得该液体激光介质无毒、成本低、热稳定性好，并且易于工业化.在考虑交叉驰豫的情况下，测量了样品的吸收谱和荧光谱，得到Nd3+“绿色”液体激光介质激发过程中各能级粒子数的速率方程，并利用速率方程研究了4F3/2能级荧光强度和Nd3+浓度的关系.结果表明：随着浓度的增加，荧光强度出现先增后减的现象；分析了液体运行温度对样品荧光强度的影响，得到了荧光强度对温度的依赖关系——由于双声子辅助能量转移过程，随着温度的增加，液体荧光强度迅速下降.

利用薛定谔方程，理论分析了自由空间中无衍射艾里光束的自弯曲性质.研究了控制该性质的因素，并与实际物理量联系，提出采用梯度折射率材料实现控制艾里光束自弯曲性质的方法.数值模拟了一维和二维艾里光束在传播时出现的自弯曲效应，以及经过控制的艾里光束沿直线无衍射传播和反向弯曲传播的强度分布情况，讨论了艾里光束在梯度折射率材料中沿直线近似无衍射传播的距离与指数衰减因子、光束的主瓣宽度及波长之间的关系.结果显示：在艾里光束的中心波瓣强度衰减为最大强度18%的传播距离内，艾里光束能够保持近似无衍射传播；在实际应用中可以根据艾里光束近似无衍射传播距离的具体要求，通过衰减因子、主瓣宽度和波长三者分别与近似无衍射传播距离之间的关系曲线，综合考虑选取合适的参数值和梯度折射率材料，实现对艾里光束的最佳控制.

放大器的增益谱平坦性是波分复用系统设计中一项十分重要的参量.本文推导了N段光纤级联实现增益谱平坦的分析理论，得到每段光纤的有效作用距离和喇曼功率增益系数的约束条件.当喇曼增益谱拟合为线性时，简化了其实现增益谱平坦的条件，并给出了两段光纤级联信号光获得增益的最优值.以纯石英光纤和掺磷石英光纤级联的模型为例，利用Matlab进行了数值分析验证，结果表明：随着第一段光纤长度的增加，信号光获得的增益先增加再减小；当第一段光纤取7.15 km时，信号光获得了5.78 dB的平均最大增益和0.45 dB的增益平坦度，并得到泵浦光功率与信号光增益呈正相关性.最后，以三段不同材料光纤级联为例，利用Matlab进行了分析验证，信号光经过放大后获得了7.74 dB的平均增益和0.57 dB的增益平坦度，证明了理论分析的可行性.该方案为增益平坦化的喇曼光纤放大器设计提供了一种新的思路.

为了从理论上揭示离散多音调制可见光链路极限通信速率与信噪比和误码率水平的关系，分析了发送端/接收端的电光和光电转换关系式及广义可见光通信信道的传递函数.在充分考虑可见光信道时/频域响应的基础上，建立了完备的可见光通信系统数学模型，分析并得到了可见光链路极限通信速率与信噪比和误码率水平的数学关系.分析结果表明，当系统信噪比一定时，极限通信速率与误码率水平呈双e指数增长关系；当系统误码率水平一定时，极限通信速率与信噪比呈波尔兹曼函数关系.在通用的大功率白光发光二极管和PIN探测器参量下，当信噪比为25 dB且要求误码率小于10－3时，系统的极限通信速率为200~228 Mbps，该结果与实验报道结果（202~231 Mbps）具有较好的一致性.本文给出的理论分析方法和数学模型也可用来估计任意离散多音调制可见光通信系统的极限速率，从而在系统参量优化设计和元器件选型方面具有指导意义.

计算机辅助光学三维数字化技术作为一种有力的工具，可应用于文物三维原真信息的获取、存储和修复.本文提出一种获取可移动文物高准确度彩色三维数字成像法，包括基于光束平差的标定技术和相位辅助的主动三维成像技术.报道了可移动文物三维成像与建模的方法构建和实现过程，并利用该方法对典型薄壁结构的青铜器进行实验研究，验证了所提出真实感三维成像方法的有效性，建立了一种用于可移动文物三维成像的仪器原型.

基于带限剪切波变换理论，提出了一种带限剪切波与全变差相结合的去噪算法.根据剪切波变换在不同分解尺度的噪音标准差设置不同的阈值对噪音图像进行重构，以此重构图像作为全变差去噪的初始图像进行全变差最小化去噪，经过迭代后得到最终去噪结果.实验结果表明，与基于多尺度几何分析的其他去噪算法（曲波变换、非下采样轮廓波变换、剪切波变换直接硬阈值去噪）相比，视觉效果与峰值信噪比数值有明显的提高，且保留了更多的纹理、边缘等图像细节信息.

针对传统谱算法在人脸识别中的局限，提出一种基于多个再生核希尔伯特空间的多角度人脸识别算法.首先，利用landmark标记法对图像进行预处理，得到训练图像的角度；其次，通过人脸数据的多次核化迭代，使其在构建的再生核希尔伯特空间中呈线性，针对不同类型的人脸数据，建立多个再生核希尔伯特空间；最后，通过对比训练图像，判断待检测人脸图像的再生核希尔伯特空间归属，实现多角度人脸识别.选取FERET和CMUPIE两类数据集进行对比实验，实验结果表明：所提出的算法不仅在平均识别率上高于传统算法5%，平均识别效率也较传统算法提高20%.

针对智能车自主视觉导航需要快速准确地获取自身位置的要求，提出了一种鲁棒、高效、精确的立体视觉定位方法.计算中采用直接P3P位姿估计方法和RANSAC算法进行匹配内点检测和初始运动参量估计，极大地提高了计算准确度.利用基于一般相机模型序列正交迭代算法的立体视觉定位运动参量非线性优化法对立体相机的最近N帧运动参量和结构参量进行快速在线优化，与集束调整法相比，该方法的优化速度有较大提高，且能保证全局收敛，鲁棒性高.室外真实实验结果表明：本文方法计算速度快，定位准确度高，鲁棒性强，能满足导航定位的高性能要求.

为了克服三维人脸识别中光照、表情、姿态等变化带来的识别困难，本文提出了基于Gabor特征的核协作表达三维人脸识别算法.协作表达分类算法利用相似人脸数据共同协作表示测试人脸，通过2范数求解稀疏系数，根据重构误差将测试人脸正确归类.该方法通过Gabor滤波器提取三维人脸深度图的40个不同尺度和方向的Gabor特征，然后选择合适核函数将其映射到高维核空间进行非线性降维和特征选取，最后结合协作表达分类算法完成三维人脸的识别.Kinect人脸库和Texas三维人脸库实验表明，该方法能在较少训练样本的情况下取得足够好的识别效果.

周视全息能够显示物体360°的再现像，因而极具应用价值.为提高平板型周视全息再现像的观看侧视角，并能够白光再现，结合计算全息，提出了制作大侧视角周视全息图的新方法——计算机与光学全息术结合两步法.研究了计算机制平板周视全息的算法原理，推导了物光波的传播规律，并得到它在记录面上的分布图样.讨论了参物夹角对全息图空间频率的影响，设计了第二步光学像面全息拍摄光路，推导了全息图空间频率与物体尺寸及观察视角的关系式，并计算出关系曲线；选用建模的三维灰度物体，用两步法制作了能够实现白光再现的大侧视角周视全息图，从而验证了原理和设计.对于平板型周视全息来说，该设计不仅可以突破光学全息对记录物体的限制，进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作，同时又可以提高再现像的侧视角.

设计了由半导体纳米线和半圆顶金属脊组成的混合表面等离子体波导.通过有限元法对这种波导所支持混合模式的深亚波长局域、传播损耗等特性进行了数值计算.结果表明，在工作波长为1.55 μm的情况下，混合模式的最小模面积仅为0.001 81(λ2/4)，同时保持20 μm的传播距离；与同类结构波导相比具有模场面积小，光传播距离远等优点，在光子集成元器件及光子集成电路等领域具有潜在应用价值.

狭缝波导在集成光波导器件和系统中有极为广泛的应用，分析狭缝波导物理过程的理论方法和理论模型对指导该类器件和系统的设计至关重要.本文通过分析狭缝波导的物理机理和模式特性，提出将狭缝波导五层对称结构中的波导和狭缝区域作为一个整体进行分析的理论方法，并引入导模和辐射模共同作用机制，在此基础上，建立了理论模型描述整个狭缝波导结构的电场分布.将得到的理论结果，分别与RSoft软件仿真结果、其他研究者的理论结果以及实际优化设计结果进行比较研究，验证了本文理论方法和模型的正确性、优越性、完备性和实用性. 最后，给出了本文理论模型适用范围的确定方法，以目前常用狭缝波导(基于SOI材料、波导尺寸180 nm×300 nm)为例，适用于狭缝宽度小于96.2 nm情况.本文理论模型作为一种补充，完善了分析光波导性能的耦合模理论体系.

针对高频电光调制器的应用需求，提出了一种基于绝缘体上硅微环谐振腔的PIN型电光调制器.利用散射矩阵法描述了微环谐振腔谐振特性机理，结合等离子体色散效应中载流子浓度对硅有效折射率变化的影响，系统分析了微环谐振腔电光调制器的理论模型.在此基础上，利用Rsoft仿真软件对脊型波导截面光场分布进行了仿真分析，得到了光场局域性能较优的脊型纳米波导微环谐振腔设计；结合Sentaurus TCAD仿真软件对不同掺杂浓度下的PIN型二极管性能进行了仿真计算，理论得出了Q值仅为5×103时频移量达58.74 GHz的微环谐振腔最优电光调制器结构，为电光调制器的深入研究提供了理论参考.

设计并制作了一种集成可变透镜的可变光衰减器.该器件以具有圆柱状通孔的精密套管为透镜腔，套管两端的侧壁上分别连接输入/输出光纤准直器.准直器的光轴穿过可变透镜边沿而非中心，可变透镜边沿模拟顶角可调棱镜，形成“输入准直器+可调液体棱镜+输出准直器”的结构.通过电湿效应形成顶角可调的棱镜效应，使输入光纤准直器发出的光偏离输出光纤准直器最佳接收位置，进而实现光纤准直器耦合光强的调控，达到光的衰减控制目的.实验结果表明，该光衰减器的衰减范围达到2~53 dB，可用于光通信实验的演示和学生实验等场合.

采用氢氧焰对单模光纤加热的方法制备了热扩芯光纤，利用所制备的热扩芯光纤制作了一种全光纤MZ干涉滤波器.将该MZ滤波器嵌入Sagnac滤波器中，构建了一种新型可调谐Sagnac干涉滤波器，其透射谱由Sagnac干涉与MZ干涉的非相干叠加而成.利用该Sagnac滤波器，搭建了宽带可调谐掺铒光纤激光器.通过调节Sagnac滤波器中的偏振控制器，实现了输出激光的可调谐功能.实验结果表明：激光器的输出波长在1 540.3~1 581.2 nm范围内可调.激光输出谱的平坦度优于2 dB，激光的边模抑制比超过45 dB，而激光的3 dB线宽小于0.1 nm.

研究了可见/近红外漫反射与漫透射两种检测方式对赣南脐橙的可溶性固形物含量检测结果的影响.采用波长范围为350~1 800 nm的QualitySpec型光谱仪采集196个脐橙样品的可见/近红外漫反射和漫透射光谱，取其中148个样品作为建模集用来建模，剩余48个样品作为预测集用于预测模型.用多种预处理结合偏最小二乘回归法分别建立两种检测方式下单次光谱及三次光谱并求平均，得到光谱相对应的脐橙可溶性固形物预测模型，对比该模型可知漫透射方式明显优于漫反射方式；最优结果为漫透射三次光谱求平均所得光谱结合多元散射校正预处理建立的赣南脐橙的可溶性固形物含量预测模型，其校正模型及预测模型的相关系数分别为0.980和0.949，均方根误差分别为0.230°Brix和0.374°Brix.由此得出近红外漫透射光谱更适合用于检测脐橙的可溶性固形物含量.

基于贝叶斯条件概率公式并结合卷积定理，推导出一种能够利用系统输出和系统响应函数来反卷积求取系统输入函数的理论公式.根据光谱仪的性能参量，结合点扩散函数的主要来源（狭缝衍射、光栅衍射和光学系统像差）的理论公式，推导出光谱仪的点扩散函数，并对光谱仪的测量结果进行基于贝叶斯反卷积原理的光谱校正；利用反卷积前后的光谱数据差值，引入“光谱曲线标准差”概念，用于判断反卷积结果的数据准确度.实验结果表明，该方法能够有效地通过对系统输出进行迭代，消除点扩散函数的影响，将“模糊”后的光谱数据较好地恢复成原始光谱曲线，从而提高光谱仪的准确度.

从有效辐亮度出发，采用模拟人眼成像的电荷耦合元件成像仪和光谱仪相结合的方式，建立了发光二极管有效辐亮度测量系统.参照光生物安全标准中的测试要求，从理论上分析了传统亮度计在进行光生物安全测试时的不足，采用传统的亮度计和本文设计的模拟人眼成像的亮度计结合光谱仪系统测试两种典型发光二极管.测试时先进行模拟人眼成像，再结合光谱仪对有效辐亮度进行测量，最后两种亮度计的测试结果进行了分析.结果表明：采用传统亮度计测量白光发光二极管有效辐亮度值为81.8 W/m2·sr，平均强度为23.3 cd，蓝光发光二极管的平均强度仅为2.42 cd, 蓝光发光二极管有效辐亮度值为262 W/m2·sr；而采用成像仪和光谱仪结合的系统测得的白光发光二极管有效辐亮度为137.0 W/m2·sr.显然，白光发光二极管的有效辐亮度比蓝光发光二极管的有效辐亮度值小，采用传统的亮度计用于光生物安全测试会低估被测发光二极管的光生物危害性，采用新设计系统则会更加精确地测出发光二极管的有效辐亮度值，满足发光二极管的辐射安全测量要求.

太阳光中各光质对植物光合和生理调节效果不同，分波段光强检测是设施农业高效补光的基础.针对现有特定波段光强检测仪器存在价格高及不易扩展等缺点，提出一种新型定波段光照快速检测方法.以红、蓝光为例，通过实验测量计算不同太阳高度角下特定波段光强占太阳光的百分比，并采用Matlab运用最小二乘法进行函数拟合，融合太阳高度角计算公式，建立了特定波段光强在太阳光所占百分比与日期、时间、经度及纬度四个参量之间的多参量耦合模型，通过实时检测太阳光光强快速计算了特定波段光强值.实验证明本方法测量误差小于4.5%，可满足补光系统分波段光强检测需求.

设计了一种集激光光束质量分析、光电自准直、激光自准直和光轴一致性检测等多种检测功能为一体的多功能光电检测系统.系统工作波长范围为300～1 700 nm，准直准确度2″,角分辨力0.1″.设计了一种长焦距平行光扩束系统和三光轴系统，采用带有中心平面的、可移动的复曲面摄远物镜，物镜口径75 mm，扩展口径至400 mm，使系统实现了光轴一致性、出射激光指向及多参量集成检测功能，集成化程度高.利用光学设计软件ZEMAX进行系统仿真和优化设计，在全视场内，不同波长所对应的各焦距位置50 lp/mm处MTF>0.2.成功研制一台功能样机，并于加工装调后进行了测试试验，结果表明该仪器获取图像清晰准确，能够满足测试要求.

受常规弹药空间及功耗限制，无法采用多个激光接收器实现大视场探测，且系统结构应简单易实现，故传统的四种大视场光束布局方式无法直接应用.为此，本文设计了一种新型的光学大视场旋转扫描接收方案，根据激光引信光学接收系统结构特点，应用Zemax光学软件，在非球面光学设计理论基础上，设计出多级光学聚焦整形接收透镜组.仿真结果显示相对于传统单级聚焦透镜，多级接收透镜组将光斑中心辐照亮度提高了近8倍，使光斑能量集中，尺寸减小.加工了非球面透镜组并进行了实验.结果表明该接收光学系统可有效汇聚激光回波能量，提高系统探测距离，实现目标周向360°大视场探测.

基于动态红外景象模拟技术的需求，设计了一个基于数字微镜器件的红外双波段投影光学系统：焦距150 mm，相对口径1∶2，全视场角为5.3°，工作波段为红外中波 (3~5 μm)和红外长波 (8~12 μm).系统采用共轴式，由三片球面透镜和一个投影棱镜组成，使用Ge、ZnS和ZnSe三种普通红外材料.引入一个二元光学衍射面，使系统具有结构简单、重量轻、成本低等优点.设计结果表明：在截止频率17 ly/mm、像距5.6 mm时，光学系统的红外中波的调制传递函数接近0.7，红外长波的调制传递函数大于0.5，设计结果接近衍射极限，能够满足红外景象模拟器的总体设计要求.

考虑到消像差和消热差，在谐衍射的基础上提出了双层谐衍射透镜的概念.采用Ge和AMTIR I两种红外材料组成的三片式折衍射混合结构设计了工作于3~5 μm和8~12 μm双波段、F/#为1.2的大相对孔径红外消热差光学系统.该系统在(－40~+60)℃范围内性能稳定，适用于像元尺寸25 μm，像元数640×480的凝视式双波段焦平面阵列探测器，可在2 km时分辨3 m范围的目标.它既保留了普通衍射透镜的独特性能，又可以在一系列分离的波长处获得相同的光焦度，且大幅度提高各波段的衍射效率.

提出了一种将数字光场成像技术应用到X射线闪烁体成像系统的方法.分析了闪烁体的发光原理和光强分布，设计了基于相机阵列的X射线光场成像系统，并用计算机模拟了闪烁体发光模型并进行了仿真.在3ds Max中采用相机阵列捕捉闪烁体发出的光线，获取不同视角的图像，合成了模拟微透镜阵列成像的光场数据，通过数字重聚焦方法得到闪烁体不同发光平面的图像序列.实验结果表明：未采用光场成像技术的X射线光学成像系统，景深较小，只能使闪烁体的一部分聚焦，其余部分会降低图像分辨率；而利用光场成像技术，在不改变光学系统基本结构的基础上，扩大了光学系统的景深，使整个闪烁体都在聚焦范围内，可以减小对闪烁体厚度的要求，获得比较好的图像质量，为实际模型的建立提供理论依据.

针对透射式近红外光手掌静脉成像技术中手掌不同区域厚度差异大而导致静脉成像质量差的问题，提出了一种对手掌分区域多次曝光获取静脉血管图像法.根据近红外光照明条件下人体手掌的光学模型，结合CCD对光强的动态响应，计算出照明光强和手掌厚度的指数关系.首先，在手掌不同厚度区域，使用波长为850 nm、光强大小不同的三种近红外光照明，分别获得三种光强的手掌静脉图像；然后，对得到的静脉图像分别进行分割增强处理；最后，用加权渐变拼接方法，得到完整清晰的手掌静脉图像.实验结果表明，该融合方法能够有效弥补透射法单一光强照明无法得到完整手掌图像的不足，所得到图像各部分的对比度都得到显著提高，同时也比反射法得到图像的对比度高.该方法可以很好地用在静脉穿刺、生物识别上，在未来信息化的安全性、身份识别功能上有重要意义.