在红外弱表观目标跟踪中，由于目标表观信息贫乏且受场景强噪声干扰，现有算法难以有效提取目标特征，实现对目标的准确跟踪.针对这一问题，本文提出一种基于时空方向能量的红外弱表观目标跟踪方法.该方法提取目标时空方向能量作为特征，建立方向能量直方图描述目标特征.在粒子滤波方法框架下，将粒子方向能量直方图与目标模板的相似度作为粒子滤波预测与更新阶段的观测输入.由于时空方向能量来源于目标的运动特征，因此本文方法具有较强的抗辐射突变性.实验结果证明，该方法能够稳定地跟踪弱表观目标，与传统基于灰度特征的跟踪方法相比，可靠性增强，且具有良好的适应性.

在激光惯性约束聚变研究中不对黑腔和靶丸做额外处理的条件下，靶丸的早期驱动对称性一直缺少直观的观测手段.介绍了基于神光III原型装置发展的双轴任意反射面速度干涉仪技术及相应的实验结果.通过在靶丸内部安装小反射镜的方式，获得靶丸赤道及极区的冲击波速度历程.根据材料的反射率及其受X射线的影响程度，确定Al为现阶段反射镜的合适材料.对汇聚几何效应下的数据判读问题进行了分析，发现靶装配精度对该技术的影响很大.通过实验完成了双轴VISAR诊断技术的探索，可为进一步发展双轴速度干涉仪和多轴速度干涉仪的工作提供参考.

为了进一步提高基于泛频振动的石英增强光声光谱测声器探测灵敏度，在一次泛频振动模式下采用一个比商用标准音叉外形尺寸大5倍的定制大音叉，并对其性能进行优化.通过理论和实验研究得出了音叉与激光的最佳作用位置，发现音叉的一次泛频振动有两个波腹点，且在距离音叉根部8 mm处，音叉振臂的振动幅度最大.微型声音谐振腔由三种不同内径的不锈钢毛细管加工而成，与音叉组成共轴配置石英增强光声光谱光谱测声器，用来进一步增强信号幅值.在最佳微型声音谐振腔配置下，获得了30倍的信号增益因子，有效提高了石英增强光声光谱光谱测声器的探测灵敏度.

为了评估惯性约束聚变实验中激光辐射驱动的对称性和均匀性，分析靶丸的运动过程，设计一种新型诊断单色X射线的弯曲晶体布喇格成像系统，该系统核心部件由色散元件球面弯曲晶体和探测装置组成.利用光线追踪软件对该成像系统进行模拟验证，并搭建了晶体布喇格成像系统进行X射线背光成像测试实验.实验获得了清晰的Cr靶单色X射线背光二维网格信息，石英球面晶体布喇格成像系统空间分辨率为83 μm，表明该成像系统可以用于等离子体X射线的背光成像诊断.

为了减小谱图的微缓形变对TDLAS气体分析仪精度的影响，提出一种传递复原方案.该方案通过比对校验气体的出厂校准谱图和现场测量谱图，得到其形变系数；由于校验气体与过程气体间拥有相同的形变机制，根据形变的传递性可将过程气体的实时谱图也复原到校准状态，从而维持分析仪的保真度.解决了动态过程气体谱图形变的复原问题，不需调节光学和电子系统硬件参数，通过信号滤波、特征提取、形变系数计算，使用拉格朗日插值公式或Sinc函数插值法复原.在仿真实验中，传递复原的谱图与校准谱图的相似度达到99.999%.实验采集不同程度形变的CO2气体谱图，采用拉格朗日插值复原算法的复原谱图与校准谱图的相似度达到99.9%.

针对具有复杂形貌的大面积组织体，基于空间频率域方法，提出并搭建了一种具有在线形貌矫正能力的绝对光学参数测量系统.首先利用相位轮廓术获取组织体三维表面轮廓，用余弦辐射公式法矫正由组织体表面复杂形貌引起的光照度的差异.然后，采用漫反射板代替传统方法中的参考仿体，基于空间频率域测量模式进行绝对光学参数测量，并利用提出的光学参数反演方法实现组织体吸收系数的重建.组织仿体实验结果表明，对于表面高度小于29 mm的仿体，经矫正后，吸收系数的测量相对误差从60%下降到13%.

针对滑坡体深部位移这一重要指标，基于光时域反射技术，设计了一种蝴蝶结形式的复合光纤装置用于监测深部剪切位移. 该传感装置由方形聚氯乙烯树脂管、毛细钢管、光纤、砂浆组合而成. 首先在40 mm×40 mm×500 mm(厚2.0 mm)的聚氯乙烯树脂方管四周开挖导槽，将Φ1×500 mm毛细钢管放置在导槽中. 然后用光纤穿入毛细钢管,光纤一端固定，另一端绕制成蝴蝶结形式.最后在聚氯乙烯树脂管外围浇筑Φ110 mm的砂浆，制作成圆柱式复合光纤装置. 室内边坡模型剪切测试台测试结果表明：该装置对深部剪切位移初测准确度为1 mm，最大测量范围为40 mm. 分析表明该复合光纤装置具有灵敏度高、测量范围大、结构简单易于安装等优点，可以用于滑坡以及野外岩土结构工程等进行现场原位监测.

利用二氧化碳气体分子在4.25 μｍ处的基频吸收带，研制了一种差分式中红外二氧化碳检测系统.系统的光路部分由热辐射红外光源、双通道热释电探测器和球面反射镜构成，电路部分主要包括信号处理、光源驱动及主控模块.采用Tracepro软件对气室结构进行仿真和优化设计，使气体吸收光程达到30 cm，改善了系统的性能.实验研究了系统对不同浓度二氧化碳气体样品的传感特性.实验结果表明，由拟合曲线得到的浓度与实际浓度误差较小，在0~5 000 ppm范围内，测得二氧化碳浓度的标准差小于45 ppm，而在500 ppm以下，测量浓度的标准差小于5 ppm；对浓度为0 ppm的二氧化碳气体样品连续测量2h，测量结果的标准差约为2.8 ppm；根据Allan方差分析得到系统的1σ检测下限为2.5 ppm.在每个二氧化碳传感器上增加无线模块nRF24L01，构成传感器节点，在选定的日光温室大棚中构建了无线传感器网络，采集了温室大棚中的二氧化碳浓度信息，验证了所研制的传感器性能.

以铊掺杂自聚焦透镜作为光谱采集透镜，设计了一种小型可穿戴式光谱采集探头，在此基础上搭建了一种小型可穿戴式血糖喇曼光谱检测系统. 利用该系统对不同浓度的葡萄糖溶液、11只实验白鼠以及10位人体志愿者进行测试.以光谱特征峰面积作为主要计算参考，以峰强度作为辅助参考进行光谱定量分析.针对不同样本分别建立基于主导因子的非线性多变量偏最小二乘模型以计算葡萄糖水平.计算结果表明葡萄糖溶液、实验白鼠以及人体的准确度分别为98.1%、89.3%和84.4%，测试准确性得到提高. 该检测系统具有体积小、成本低、喇曼信号采集稳定、使用方便等优点，能够准确实现人体血糖的无创检测并具有较好的可重复性.

基于透镜色散原理，提出了运用分波段照明法扩大单透镜成像景深的方法.理论推导出物距和照明光波长之间存在正相关关系，据此选择相应波段的照明光源，通过照明光学设计，使不同物距的物体均能清晰成像在同一像面上.ZEMAX软件模拟结果与理论分析吻合.采用自行设计的图像采集系统，只用一个35 mm焦距普通双凸透镜进行实验测试.人眼主观和专业软件测试结果均表明：采用分波段照明方式比用白光照明景深扩大81.8%，分辨率最大提升200.3%；比只用单色光照明景深扩大了93.6%，分辨率最大提升189.7%.

报道了一种1 kHz窄脉冲宽度、高峰值功率的电光腔倒空1 064 nm全固态激光器.该激光器采用808 nm 脉冲LD侧面泵浦Nd:YAG 晶体棒的双凹型折叠谐振腔结构和同步延迟MgO∶LN晶体横向加压式电光腔倒空技术，通过优化设计谐振腔结构，在脉冲重复频率200 Hz时，获得了最大单脉冲能量46.7 mJ、脉冲宽度4.06 ns、峰值功率11.50 MW的1 064 nm脉冲激光稳定输出，脉冲宽度和能量的峰峰值不稳定度分别为±1.52%和±2.02%；在1 kHz时，最大单脉冲能量达到18.3 mJ,脉冲宽度5.02 ns,峰值功率3.69 MW，脉冲宽度和能量的峰峰值不稳定度分别为±2.75%和±3.52%，激光束因子为3.849和3.868，远场发散角为3.46 mrad和3.55 mrad，束腰直径为1 508.84 μm和1 477.30 μm.

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算，并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明，通过对参数进行调整，激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下，增益阈值可达0.47 μm-1，传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输，在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景，可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.

提出了一种基于高掺杂硅酸盐增益光纤、输出波长为1 064 nm的超短腔单频光纤激光器.该单频光纤激光器采用分布布拉格反射式腔型结构，有效腔长为2 cm，其增益介质为1.1 cm长的高浓度掺Yb3+光纤.通过恰当的温度控制，获得了线宽为4.8 kHz的稳定单频激光输出.当注入泵浦光为378 mW时，输出功率为13 mW，斜效率为3.4%.在频率大于1 MHz时，测得该光纤激光器的相对噪声强度值约为－132 dB/Hz.采用主振荡功率放大结构，对该单频光纤激光器的输出功率进行放大.当放大增益光纤长度选取为56 cm时，得到了325 mW的最大输出功率，其斜效率为52.8%.

设计了一种10 m掺铥光纤级联于3 m大模场光子晶体光纤末端的结构，利用400 fs、1 550 nm脉冲光产生孤子自频移，在入射光功率相同的情况下，掺铥光纤末端的孤子频移量比大模场光纤末端多100~150 nm，平均多30%左右.孤子与泵浦光在掺铥光纤末端的输出光谱表明，残留泵浦光作用于Tm3+，在1.8~2.1 μm范围产生受激辐射，从而增强了拉曼效应，导致孤子自频移增强.实验结果揭示了一种增强孤子自频移效应的方法，对于了解孤子在光纤中频移特性和提高基于孤子自频移的可调谐光源的调谐范围等具有参考意义.

采用离子注入的方法在氮化铝(AlN)薄膜中实现Er3+和Pr3+的共掺杂，以阴极荧光光谱仪为主要表征手段，对其发光特性进行研究.对于Er3+单掺杂的AlN薄膜，在 410 nm和480 nm可以观察到Er3+较强的发光峰, 在 537 nm、560 nm、771 nm和819 nm可观察到Er3+的较弱的发光峰；对于Pr3+单掺杂的AlN薄膜，Pr3+的最强发光峰位于528nm, 在657 nm和675 nm可以观察到Pr3+的较弱的发光峰；而对于Er3+和Pr3+共掺杂的AlN薄膜，在494nm观察到与Pr3+相关的新跃迁峰.根据实验现象，对AlN薄膜中Er3+和Pr3+之间的能量传递机制进行了深入分析，结果表明Er3+的4F7/2→4I15/2能级跃迁与Pr3+的3P0→3H4能级跃迁之间发生了共振能量传递，从而使Pr3+产生了494nm新的发光峰.

采用光致荧光发射谱(PL)和时间分辨荧光发射谱(TRPL)研究了GaAs间隔层厚度对自组装生长的双层InAs/GaAs量子点分子光学性质的影响.首先，测量低温下改变激发强度的PL谱，底层量子点和顶层量子点的PL强度比值随激发强度发生变化，表明两层量子点之间的耦合作用和层间载流子的转移随着间隔层厚度变大而变弱.接着测量改变温度的PL谱，量子点荧光光谱峰值位置(Emax)、半峰全宽及积分强度随温度发生变化，表明GaAs间隔层厚度直接影响到量子点内载流子的动力学过程和量子点发光的热淬灭过程.最后，TRPL测量发现60 mL比40 mL间隔层厚度样品的载流子隧穿时间有明显延长.

通过双离子束溅射方法在蓝宝石、硅衬底上制备了单层SiO2薄膜，分析了SiO2薄膜残余应力、表面形貌、微观结构以及光学性能(可见-近红外0.4~1.2 μm和中红外3~5 μm波段)在400 ℃~1 000 ℃温度范围内的演化规律.研究结果表明：在400 ℃附近，SiO2薄膜残余应力存在局部极小值；SiO2薄膜光学性能的演化与膜层表面质量、内部残余应力及微观结构变化密切相关；经1 000 ℃高温处理后，蓝宝石窗口表面SiO2薄膜红外透射性能仍能保持很好的稳定性，且膜层表面没有出现显著的气泡、开裂等损伤形貌.该研究结果可为恶劣环境下光学窗口头罩表面薄膜系统的设计提供指导.

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构，该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟，观察到双PIT透明窗口，通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明，当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5 μm、石墨烯费米能级为1.5 eV时，可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了Cu、Mn单掺及共掺LiNbO3晶体的电子结构和光学性质.结果显示，Cu、Mn掺杂LiNbO3晶体禁带中的杂质能级分别由Cu 3d轨道、Mn 3d轨道贡献；各掺杂体系的带隙均较纯LiNbO3晶体变窄.共掺晶体中Cu离子形成了较单掺时更浅的能级中心，并在2.87 eV处有较强的吸收峰；Mn离子在1.73 eV附近的吸收较单掺时减弱且中心略有偏移，在2.24 eV处的非光折变峰与Mn3+相关，这对吸收峰的变化被认为与Cu、Mn间电子转移相联系.相对Cu、Fe共掺LiNbO3晶体，Cu、Mn共掺LiNbO3晶体可以通过适当提高Cu离子浓度，来改善存储参量中的动态范围和记录灵敏度.由于同一深能级掺杂离子伴以不同浅能级掺离子将呈现出不同的吸收特征并影响存储性能，在共掺离子的配搭选择时对各待选配搭的模拟计算非常必要.

基于0.18 μm CMOS工艺技术，制作了单光子雪崩二极管，可对650~950 nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P+/N阱结构，P+层深度较深，以提高对长光波的光子探测效率与响应度；采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度，可以提高探测灵敏度；深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底，降低衬底噪声；采用P阱保护环结构以预防过早边缘击穿现象.通过理论分析确定器件的基本结构参数及工艺参数，并对器件性能进行优化设计.实验结果表明，单光子雪崩二极管的窗口直径为10 μm，器件的反向击穿电压为18.4 V左右.用光强为0.001 W/cm2的光照射，650 nm处达到0.495 A/W的响应度峰值；在2V的过偏压下，650~950 nm波段范围内光子探测效率均高于30%，随着反向偏压的适当增大，探测效率有所提升.

为改善量子点发光二极管器件载流子注入平衡，提出一种量子点发光二极管各功能层厚度的确定方法.首先选定量子点发光层厚度，基于隧穿模型进行仿真分析确定电子传输层厚度；然后采用空间电荷限制电流模型进行仿真分析确定空穴传输层厚度.采用CdSe/ZnS 量子点作为发光层、poly-TPD 作为空穴传输层、Alq3作为电子传输层，按照该方法仿真分析得到各功能层厚度进行旋涂-蒸镀法实物器件制备.对比实验结果表明：当poly-TPD、QDs及Alq3厚度分别为45 nm、25 nm及35 nm时，获得了较高的发光效率及色纯度，器件性能最好.该方法确定的各功能层厚度有助于减少载流子在发光界面积累，获得载流子的注入平衡，从而改善QLEDs发光性能.

设计并制作了一款应用于IEEE 200/400 GbE标准802.3 bs的阵列波导光栅.该阵列波导光栅使用2.0%的超高折射率差硅基二氧化硅材料，使得芯片尺寸及损耗较小.为了获得平坦化的接收光谱，将输出波导进行展宽，采用多模波导结构，激发若干个高阶模，数个模式叠加使得原本高斯状的光谱顶部产生平坦化，形成箱形接收光谱.设计的阵列波导光栅的中心波长为1 291.10 nm，通道间隔为800 GHz，芯片尺寸为11 mm×4 mm.经过等离子增强化学气相沉积和感应耦合等离子刻蚀工艺制备了芯片，测试结果表明最小的插入损耗为－3.3 dB，相邻通道间串扰小于－20 dB，单通道1 dB带宽在2.12~3.06 nm范围，实现了良好的解复用和平坦化效果，在实际光通信系统中有一定的实用价值.

针对大气CO2浓度探测差分吸收激光雷达的应用需求，采用稳定环形腔和模式匹配设计，搭建了一套单纵模1 064 nm激光泵浦的单谐振KTP晶体光参量振荡器，获得高斜率转换效率、基横模的2.05 μm波长纳秒激光脉冲输出.在8字形环形行波稳定腔中，将2块II类相位匹配KTP晶体以走离补偿方式放置，在20 Hz重复频率下，当泵浦单脉冲能量达到11 mJ时，获得了单脉冲能量为2.4 mJ的2.05 μm信号光输出，脉宽约24 ns，斜率效率达到53%.2.05 μm信号光光束质量因子在x、y方向分别为1.3和1.2.

根据亚波长微结构的异常光谱特性，提出了一种“圆形铝盘-圆形SiO2盘-铝衬底”的二维周期性微结构可调谐红外吸波器.利用有限元算法对其红外光谱反射性质进行了数值模拟，发现该结构对入射的TE或TM光偏振态、在0°~60°大入射角范围内具有良好的吸波效果，共振波长调谐范围4~11 μm.用局域等离子体激元共振理论解释了红外吸波机理，证明了所提出的多层微盘结构具有更宽的调谐特性和更好的吸收效率.

根据全日日光色温和亮度的变化曲线，利用RGBW四色LED混光模拟全日日光色温和亮度的变化，并采用遗传算法优化混合光的显色指数.采用Matlab进行仿真，并基于Arduino开源平台搭建日光模拟系统对仿真结果进行验证.实验表明，该策略可准确模拟全日日光色温和亮度的变化规律，同时通过遗传算法的优化可使LED混合光兼具最优的显色性能，验证了所提策略的正确性和有效性.该策略可应用于密闭环境照明、植物照明等特殊照明领域的日光模拟仿真试验和工程实践.

为了克服时域有限差分算法中卷积完全匹配层对消逝波吸收效果差的缺点，提出一种在卷积完全匹配层后添加特殊吸收层的方法.在不增加物体与吸收层内层距离的情况下,通过调节特殊吸收层中两个衰减因子,使其为常数,并令吸收因子逐层从1增加到10，来增强吸收层对消逝波的吸收性能.平面波垂直入射到单层光子晶体的算例表明，添加了特殊吸收层的吸收边界在与散射体相距5个网格的情况下仍能够保持计算结果收敛, 而传统的吸收边界则需要相距80个网格才能保证结果收敛，说明该方法提高了对消逝波的吸收性能.进一步在结构中采用此吸收边界来计算多层光子晶体的传输特性曲线,并将其与常规方法计算所得结果做比较，两种结果吻合较好.数值算例验证了该方法的有效性和正确性.

将光学涡旋与计算全息技术相结合，提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征，并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图，利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列，并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量，且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.

为了满足精确快速获取雾的多次散射仿真需求，在近程雷达距离较近情况下，将雷达方程和Mie散射理论相结合，提出一种快速有效的激光多次散射计算方法.首先通过雾滴谱模型建立雾颗粒的几何模型，然后根据Mie散射理论获得的单个粒子的散射函数计算激光在雾模型中单个颗粒的一次散射和二次散射功率密度，结合雷达方程推导出雾的多次等效散射截面和散射系数计算函数.模拟计算表明：雾的激光二次等效散射截面与雾浓度的2/3次方成正比，二次散射系数随能见度增加的衰减比一次散射系数快.

利用飞秒激光泵浦探测技术，通过改变光学参数，如中心波长、功率，分别对未故意掺杂高纯n型砷化镓的差分反射谱进行研究，进而分析室温下砷化镓光生载流子动力学过程.首先，当泵浦光功率恒为100 mW，探测光功率恒为10 mW时，随着中心波长的增大，差分反射率峰值随之增大，信噪比也随之增加.其次，通过拟合不同延迟时间下泵浦光功率和差分反射率的实验曲线，并和理论模型比较后发现，在一定范围内的泵浦功率和差分反射率呈线性相关，未故意掺杂高纯n型砷化镓的饱和载流子浓度为(3.590 1±0.310 3)×1017 cm－3.在此基础上,把光生载流子动力学过程分为3个过程：804±67 fs的光激发过程、134 ~268 fs的初始散射过程、1 ps和3～6 ps的复合过程.研究表明，差分反射率与探测功率不存在显著的依赖性，但差分反射谱的信噪比与探测功率存在相关性.

基于飞秒时间分辨瞬态吸收和多元瞬态光栅光谱技术对全反式Astaxanthin (AXT) 在DMSO溶剂中的超快激发态弛豫动力学进行了观测.结果表明, 光激发后AXT/DMSO体系直接发生S0→S2 跃迁, 基态漂白对应光谱范围为420~550 nm. 由S2→S1的内转换过程发生的时间常数为120~160 fs. S1态激发态吸收对应的光谱范围为550~740 nm,基态漂白恢复过程对应的是S1→S0的内转换过程, 其时间尺度为4.50~5.50 ps.