分别用980 nm和830 nm的半导体激光器作为泵浦源激发铋/铒共掺光纤，采用前向和背向泵浦方式分析放大的自发辐射谱特性.实验结果表明：随着泵浦功率的增大，荧光强度显著增强.利用980 nm半导体激光器，采用前向泵浦方式可激发以1 142 nm和1 536 nm为中心的两个辐射带，以1 142 nm为最高辐射峰的3 dB带宽是141 nm，以1 536 nm为最高辐射峰的3 dB带宽是29 nm.利用830 nm半导体激光器，采用前向泵浦方式可激发以1 421 nm为中心的荧光谱，3 dB带宽是447 nm.980 nm和830 nm激光器分别前向泵浦铋/铒共掺光纤时，随着光纤长度的增加，荧光先增强后减弱；分别背向泵浦铋/铒共掺光纤时，随着光纤长度的增加，荧光强度先逐渐增强后保持稳定.在25~80℃的温度范围内，铋/铒共掺光纤的荧光强度几乎不受温度的影响.使用980 nm和830 nm泵浦源同时激发铋/铒共掺光纤，结果表明铋/铒共掺光纤的发光中心具有相对独立性，发光范围存在部分重叠.

提出了一种椭圆型高双折射光子晶体光纤，并采用多极法分析各结构参量对模式基模模场、双折射、损耗特性的影响.结果表明：改变椭圆型空气孔的椭圆率和包层椭圆率的大小,在波长1 550 nm处, 该光纤可获得2.26×10－3的双折射，限制损耗为2.8×10－3dB/km，且此时x偏振方向和y偏振方向相差数十倍，有利于光信号偏振传输，可用于制造偏振单模传输的保偏光纤；在1 300~1 500 nm的波长范围内，该光纤有稳定的大小为10－6的低损耗.

基于多光束干涉原理，设计了一种基于光纤微腔的温度及折射率同时测量的反射型光纤传感器.该传感器将渐变折射率多模光纤的一端用氢氟酸腐蚀形成一个空气腔，带空气腔的渐变折射率多模光纤一端和单模光纤熔接，另一端切平构成传感头.实验选取渐变折射率多模光纤的长度为538.1 μm，空气腔长度为40.8 μm.结果表明：光纤微腔结构所形成的多光束干涉光谱条纹对比度与光纤微腔外的溶液折射率相关，干涉波峰移动与环境温度相关，通过监测条纹对比度和干涉波峰的移动，可以实现对折射率和温度的同时测量.当折射率在1.341 5～1.432 0RIU变化时，反射强度对折射率的灵敏度为57.24 dB/RIU；当温度在30 ℃～70 ℃之间变化时，谐振波长对温度的灵敏度为12.3 pm/℃，可检测到的最小温度变化为1.2℃，测得最小折射率变化为3.4×10－4.该传感器也可应用于其他参量的测量，具有良好的应用前景.

基于单模微纳光纤基模有效折射率色散方程和光纤布拉格光栅谐振方程，研究单层结构光纤布拉格光栅光谱特性，并用FH酸化学腐蚀法制得单层结构布拉格光栅.理论和实验结果表明：随着光栅半径减小，单层结构光纤布拉格光栅谐振波长蓝移，且谐振波长个数由5个减少到1个，直至最后完全消失；随着光栅外环境折射率的减小，截止半径缩短，当折射率降到1时，截止半径减为0.55 μm.

介绍了采用液晶空间光调制器产生部分相干光的基本理论和方法；用分离变量的方式对算法进行了并行优化，对部分相干光生成线程进行了并行序列优化并测试了生成速度；设计了双孔干涉实验检测本方法所产生的部分相干光相干长度的准确性.实验结果表明：针对256×256像素的液晶空间光调制器，生成相干长度为0.15 mm、0.9 mm以及1.5 mm的相位屏，图形处理器所用时间分别为0.9 ms、1.75 ms以及2.4 ms，相比于采用中央处理器所用的计算时间16.5 ms、37.8 ms以及52.4 ms，效率提升明显；考虑中央处理器读取、发送数据及液晶响应的时间，采用图形处理器并行加速的部分相干光实时生成方法的频率可达312Hz.实验生成相干长度为0.15 mm和1.5 mm的部分相干光束，光束相干度均方根误差分别为0.022 011和0.020 883，峰谷值分别为0.0743 25和0.072 998.

基于邻域分析的相移法不适合阶跃场景测量且往往会造成相位误差的积累，为此提出了用于获取绝对相位的对称式和非对称式二元阶梯相位结构光编码方法.两种方法编码图案不同，对称式编码方法编码图案黑白条纹的宽度相等，非对称式不等.通过投影多帧二元结构光编码图案，结合相移法相位提取公式获得阶梯相位.测量时，基于传统正弦条纹投影和相移法获得高准确度包裹相位，并用阶梯相位确定对应包裹相位的级次.根据级次直接进行相位展开，进而获得绝对相位.以量块作为测量对象，两种方法的测量均方根误差达到0.072 mm.两种方法均能够有效还原阶跃场景，实现三维重构.

基于无穷远点与相机内参量关系，提出了一种相机内参量及像差系数与外参量解耦标定方法.首先，根据平面单应计算绝对二次曲线在像面的投影方程，线性求解相机内参量；然后，将重投影像点视为理想像点线性求解像差系数，并计算像点重投影误差；最后，将序列图像的平面单应作为待优化参量，以最小化像点重投影误差为目标函数，重复上述过程，输出最优的相机内参量和像差系数.在相同配置下，分别对本文方法和张正友平面靶板标定方法的标定准确度进行仿真与对比分析.基于不同姿态和位置的27幅棋盘格图片，分别利用这两种方法对相机内参量进行标定实验.实验结果表明：与张正友平面靶板标定方法相比，本文方法的标定准确度提高了至少1%；在实物实验中，张正友平面靶板标定方法和本文方法的重投影残差分别为0.064像素和0.008像素.

建立了蒸发器支撑板板孔精密测量系统，并提出了基于边缘约束条件的轮廓参量测量方法.首先采用图像处理技术将待测目标转化为二维离散坐标点，计算其最小外接矩形并对轮廓进行预定位；然后将轮廓分割成相互重合的“扩展邻域轮廓”，建立以曲率角为原则的边缘约束算法对各轮廓段精确定界，实现对轮廓参量的精密测量.实验和误差分析表明，该系统测量准确度优于0.02 mm，对具有复杂轮廓的零件参量测量有参考价值.

搭建了一套光电成像系统的最小可分辨对比度测试实验系统，并对MTV-1881-EX型低照度CCD和NOCTURN XL型超低照度CMOS成像系统的最小可分辨对比度进行了测量，分析了对应两款低照度成像组件在相同焦距、相同瞬时视场、相同视场条件下的作用距离，结果表明：1）超低照度CMOS成像组件具有更好的低照度成像质量；2）基于最小可分辨对比度的作用距离模型由于考虑了系统信噪比、调制传递函数和景物对比度等因素，可更有效地预测光电成像系统的作用距离；3）在相同瞬时视场或成像视场条件下，超低照度CMOS成像系统具有更佳的作用距离.本文方法对于拓展基于最小可分辨对比度的光电成像系统作用距离模型的应用具有重要的作用.

设计了一种基于受激布里渊散射和掺铒光纤混合增益的随机光纤激光器，该激光器选用两段长为20 km的单模光纤组成全开放腔结构，利用单模光纤的瑞利散射提供随机光反馈.研究表明，固定布里渊泵浦波长和泵浦功率分别为1 550.00 nm和2.19 mW时，增加掺铒光纤泵浦功率，可以实现两个波长的随机激光输出，一阶和二阶受激布里渊散射光与布里渊泵浦光波长间隔分别约为0.088 nm和0.174 nm，产生一阶和二阶受激布里渊散射对应的掺铒光纤泵浦功率分别为190 mW和370 mW；当掺铒光纤泵浦功率为433 mW时，激光器两端的最大输出功率为1.60 mW和1.68 mW.当掺铒光纤泵浦功率明显高于阈值功率时，获得的一阶和二阶随机激光输出稳定，3 dB线宽约为0.022 nm，峰值强度和位置基本不随时间而变化.

基于空泡生长和溃灭理论分析不同环境压强对空泡膨胀的最大泡半径、收缩的最小泡半径、膨胀与收缩速度的影响.同时，利用高功率激光与液体物质相互作用产生空泡，采用高速照相机、高频测量水听器实验研究不同环境压强下液体中空泡运动规律，并将实验结果与计算结果进行对比.结果表明:环境压强对空泡脉动特性有较大影响.相同激光能量击穿液体介质时，随着外界环境压强的增加，空泡脉动周期呈现递减趋势；空泡第一次脉动的最大泡半径同脉动周期的变化趋势一致，且数值由快到慢递减；随着外界压强的增加，空泡溃灭的速度越快.随着压强的增大，空泡膨胀与收缩更为剧烈，持续时间更短.

为了满足快速、精确、定量地测量薄膜激光损伤阈值的要求，设计了平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统.介绍了损伤阈值测量的原理和方法，提出二分查找与顺序查找相结合的能量密度查找方式；根据分光镜的分光比及能量探测器示值求解辐照激光能量，用CCD成像法精密测量了作用在薄膜表面的激光光斑面积；基于小波变换法，通过图像处理精确识别了薄膜的损伤；建立能量密度与损伤几率坐标并进行最小二乘法拟合，对损伤阈值进行了标定.对45°高反射膜分别进行了高斯光束辐照和平顶光束辐照的测量实验，结果表明：高斯光束辐照测量的损伤阈值为9.95 J/cm2，平顶光束辐照测量的损伤阈值为13.98J/cm2，平顶光束诱导比高斯光束诱导的损伤阈值高40.5%.

反应产物基态HF分子对激态HF分子的碰撞弛豫是导致非链式脉冲HF激光器激光能量快速下降的重要原因.为解决该问题，理论分析了3A型分子筛去除基态HF分子的可行性，并开展了实验研究.实验结果表明，在不采用任何激光介质净化技术情况下，激光器重复频率50 Hz出光20 s的激光能量下降率高达52%，无法满足高功率重频HF/DF激光器的应用需求.在激光器循环管道中增加3A型分子筛吸附单元之后，激光器连续10余次重复频率50 Hz出光20 s的激光能量下降率小于15%，其中首次出光能量下降率仅为7.2%，提高了激光能量稳定性且延长了激光介质使用寿命.3A型分子筛不仅对基态HF分子具有良好吸附效果，而且具有再生活化功能，有望取代非链式脉冲HF激光器激光介质净化技术中常用的化学吸附法.

针对小口径弹药用脉冲激光周向探测系统的小体积和轻质量的设计难点，在全面分析脉冲激光周向探测系统的基础上，提出了采用激光发射系统解体分离技术和光学系统扁平化技术实现脉冲激光周向探测系统小型化的解决方案.将传统、较大尺寸、一体化结构的激光发射系统的激光器与激光器驱动电源进行结构分离，达到轴向尺寸压缩的目的，并利用灌封技术进行抗过载处理；选择平凸球面单透镜光学元件代替非球面透镜，经过理论计算和光学系统仿真，设计出扁平化激光准直系统，有效压缩轴向尺寸.针对结构小型化带来的空间电磁干扰问题，基于磁场屏蔽机理，采用特殊结构屏蔽体，有效抑制了电磁干扰.加工制作了原理样机并进行了目标探测试验.实验结果表明：样机能有效探测近程目标，且脉冲激光周向探测系统的有效尺寸显著减小，验证了小型化技术的可行性和实用性.

基于斯托克斯矢量，通过测量偏振度，研究不同入射偏振态的激光分别在不同浓度油雾介质中传输后偏振特性的变化情况.实验采用波长为671 nm和532 nm的水平、45°、－45°、90°的线偏振光，使它们分别入射到5种不同浓度的油雾介质中，计算四种偏振态偏振光的偏振度变化情况.结果表明，在相同油雾浓度下，对于不同波长的激光，波长越长，线偏振度越高，然而每种波长随浓度的变化趋势是一样的；在相同波长情况下，随着浓度的改变，水平与垂直线偏振光的偏振度变化较大，可达50%，135°与45°线偏振光的偏振度变化较小，约为20%.

为了解决增益介质的热效应问题，提出了一种浸没式构型液冷激光器方案，该构型激光器在10Hz重复抽运频率下，获得了615mJ的能量输出，光光转换效率为21%，斜率效率为23%.基于流体力学和热力学原理，建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型，利用软件模拟和有限元分析法，研究了在不同流速、泵浦功率条件下，整个增益区的温度场、速度场的分布特性；并基于增益区温度场的分布，分析了液冷条件下通过增益区的激光波前畸变特性.结果表明，增益介质的最大光程差为0.7666λ，冷却液最大光程差为－4.7331λ，说明该构型激光器有着良好的热管理性能.

提出并实验研究了一种2 μm波段全光纤间隔可调双波长光纤激光器.该激光器采用传统的环形腔设计，以最大输出功率33 dBm的1 565 nm光纤激光器为泵浦源，4 m单模掺铥光纤为增益介质，腔内为嵌入多模干涉滤波器的Sagnac环的复合滤波结构.该复合滤波器可实现间隔可调谐，高边模抑制比的双波长激光信号输出.通过泵浦功率的控制和对复合滤波器中偏振控制器的调节，实现双波长3 nm到80 nm间隔可调的激光输出，边模抑制比为60 dB，线宽为0.2 nm，功率稳定度为±1.5 dB/h，双峰能量差小于4 dB.

采用中心波长为940 nm的激光二极管泵浦，实现了Yb:YAG薄片的Cr4+:YAG被动调Q 激光输出.Yb:YAG薄片掺杂Yb3+离子浓度为10%，厚度为500 μm.理论上计算了Yb:YAG薄片在直接水冷方式与不同厚度SiC冷却方式下的温度分布.实验中采用厚度800 μm的SiC冷却方式，获得了最高功率2.8 W的1 030 nm连续激光输出，输出功率相比直接水冷方式提高了40%.通过Degnan理论优化了被动调Q晶体Cr4+:YAG的初始透过率和输出耦合镜，采用初始透过率为93%的Cr4+:YAG晶体和透过率为10%的输出耦合镜，在800 μm SiC冷却方式下，获得了平均输出功率1.95 W、单脉冲能量1.2 mJ、脉冲宽度74 ns、重复频率1.6 kHz的稳定调Q脉冲输出，斜效率为18.1%.光束质量因子M2x=1.622，M2y=1.616.

提出一种基于迭代反演的输运平均自由程估计及光源-检测器最小距离确定方法.该方法利用迭代估计思想，自适应地改变光源-检测器最小距离，提高光学特性参量的反演准确度.对29组仿真数据的研究结果表明：迭代反演对输运平均自由程初始值不敏感，具有较高的鲁棒性，可在一定程度上提高吸收系数和有效散射系数的反演准确度.在无噪声的条件下，吸收系数反演的平均相对误差为7.17%，有效散射系数反演的平均相对误差为5.73%，与传统方法给定的光源-检测器最小距离下反演的最佳结果相比，分别降低了1.73%和1.14%.在加入信噪比为40~80 dB噪声的情况下，该方法仍然能获得较高的光学特性参量反演准确度，吸收系数误差的变动范围为8.46%~10.05%；有效散射系数误差的变动范围为6.79%~8.76%.

理论模拟了I类自发参量下转换产生的相关光子光谱圆环的空间辐射角度及光强分布，搭建了相关光子圆环光强分布的实验测量装置，该装置利用355 nm连续激光器泵浦BBO晶体产生I类自发参量下转换相关光子圆环，使用CMOS传感器作为相关光子圆环探测单元，通过2×2维点阵扫描方法探测了完整的相关光子圆环，测量的光谱分布为430~860 nm.实验结果表明：测量的相关光子圆环直径与理论值符合较好；I类自发参量下转换过程产生的相关光子在空间呈同心圆环分布；相关光子光谱具有宽光谱分布特点.

为探讨有耗色散媒质光子晶体的特性，引入一种计算有耗色散光子晶体能带结构的方法，基于有限元法将能带结构的计算简化为求解关于Block波矢的二次特征值问题，可以有效地得到色散材料光子晶体的能带结构和特征模.分析了三角晶格介质光子晶体能带结构并与现有方法对比，结果表明两种方法在TM模和TE模下得到的能带结构完全相同，验证了该方法的有效性.分析了无耗及有耗色散光子晶体的能带结构,发现无耗光子晶体场强集中于色散媒质与空气的接触面，并呈现出明显的表面等离激元特性，具有对称性，而有耗光子晶体场强减小，表面等离激元变弱,对称性被破坏.相关结果可为有耗色散光子晶体以及表面等离激元的研究提供参考.

基于平面对称光学系统的波像差理论，给出了鱼眼镜头各类像差的波像差计算表达式，利用自相关积分法计算了它的调制传递函数，采用8节点的高斯-勒让德数值积分方法求解了其自相关积分；分析了鱼眼镜头倍率色差对确定空间频率光栅的相位改变量，给出了C(656.3 nm)、D(589.3 nm)、F(486.1 nm)离散光谱的倍率色差的调制传递函数计算表达式.利用本文方法和Zemax快速傅里叶变换法分别计算两个鱼眼镜头系统的调制传递函数,并进行了对比.结果表明，对于中小孔径的鱼眼镜头成像系统，本文方法和仿真得到的结果较好地吻合.

针对集成成像3D显示观看视场范围小的问题和微透镜之间间隙的杂散光干扰导致的显示质量下降问题，提出了适合柔性显示及曲面显示器的曲面针孔/微透镜阵列结构.采用TracePro光学仿真软件对基于曲面针孔/微透镜阵列的集成成像3D显示的记录和重构过程进行仿真，结果显示：在记录和重构阶段，曲面针孔/微透镜阵列可以有效地减少透镜阵列之间杂散光引起的图像质量变差的问题；当记录和重构阶段均用曲面/针孔微透镜阵列时，记录三维物体的视角大，获得重构图像的视场角也相对较高.采用旋转接收屏法获取不同观看视角下的图像质量，当曲面针孔/微透镜阵列的曲面度数为30°时，重构图像质量最好.

运用全量子理论，对腔耦合系统构建的两个节点，考虑节点内腔模与量子位(qubit)的耦合，结合数值计算，用熵表示信源的不确定性，对信源发出的信息进行度量，研究了两个节点相互进行信息传输过程的熵演化.通过两能级粒子与腔模的耦合强度、腔-腔之间的跃迁耦合系数和失谐量三个参数对熵变化进行分析,结论表明在共振条件下，节点间相互传输信息过程中，耦合双腔构成的两个节点熵呈现准周期性坍塌与复苏振荡变化特征，节点1与节点2熵的峰值交替出现；两个节点之间用跳跃频率λ/2π的光子作为信息传送的数椐总线，失谐使两个节点内量子位的一个频率高，一个频率低，无论先操纵哪一个量子位，在系统稳定工作状态下，量子态演化的信息传递方向总是从频率快的量子位向频率慢的量子位传递，此特性可扩展至多量子位之间量子信息的传递.用于两个节点间的远程操控.

采用两种不同的纠缠度量方法(并发度和负值度)，研究了两Jaynes-Cummings原子之间的纠缠演化以及各子系统之间的纠缠转移，分析了两原子之间初始纠缠度对纠缠的影响.结果表明纠缠的幅值依赖于初始纠缠度，而解纠缠时间长度与初始纠缠度无关.制备了两个腔场之间的最大纠缠态，数值分析显示两原子之间的初始纠缠流入了其它各个子系统，导致演化过程中的纠缠突然死亡和纠缠突然产生现象.

利用全量子理论计算方法，研究NPS态光场与运动二能级原子相互作用系统和光场保真度的时间演化规律，分析原子初态、最大光子数、光场参量、原子运动速度、场模结构参量和跃迁光子数对系统和光场保真度的影响.结果表明：最大光子数越大或光场参量越小，保真度平均值越低；原子运动速度或场模结构参量增大保真度变大，振荡频率加快；跃迁光子数增大时，保真度周期性或无规则振荡；当原子初态处于叠加态时系统和光场保真度最大，且振荡规律相同.

提出了一种半监督稀疏多流形嵌入方法，并应用于高光谱影像分类.该方法充分利用少量标记和大量无标记样本，采用稀疏表示方法得到样本的稀疏系数，并选取来自同一流形的点作为近邻点，然后构建相似图来表征多流形结构，得到样本在每个流形上低维鉴别特征，增加来自同一流形的数据点聚集性，进而提升分类性能.本文方法在PaviaU和Salinas两个高光谱数据集上的总体分类准确度分别达到84.91%和89.74%，相较于其他方法明显提高了地物分类性能.

为了满足微光夜视仪室内性能测试的需求，对晴朗夜空满月光光谱和无月时星光光谱进行模拟.首先，对夜视仪的工作光谱范围进行研究，确定需要拟合的光谱波段.接着，对该波段的夜天光谱进行分析，选取合适的光源.采用简单夜天光谱拟合方法，根据目标光谱和光源光谱，得出所需的滤光片衰减曲线，找出该曲线近似对应的滤光片.提出基于遗传算法的光谱构造方法，根据光谱构造理论，采用现有的47种滤光片进行光谱构造，通过遗传算法求解该光谱构造函数，计算出不同滤光片的最佳匹配模式，并进行模拟.实验结果表明，采用基于遗传算法的光谱构造方法对夜天光谱拟合得到的光谱匹配度更高.

为了解决高光谱目标检测中高斯径向基核、光谱相似度量核难以同时描述光谱曲线整体及局部特性的问题，利用光谱信息散度与梯度角正切相结合的光谱区分方法构造了一种新的核函数. 对真实机载可见红外成像光谱仪高光谱数据进行高光谱核异常检测，得到二值图及接收机操作特性曲线. 结果表明，在低虚警率下,相比于高斯径向基核、光谱相似度量核， 本文所提出核函数在高光谱核异常检测中准确度与清晰度更高.