主要分析了拉盖尔高斯(LG)光束在中强度湍流大气中的传输特性。利用分步傅里叶法和相位屏法仿真了在水平通信链路和上下行通信链路情况下LG光束的强度分布、相位分布及螺旋谱分布情况。仿真发现大气湍流会影响LG光束的传输性质，而且拓扑荷和折射率结构常数越大，影响越大。另外，还发现上下行链路中LG光束受到大气湍流的影响比水平链路中受到的影响小。

卷云具有辐射强迫作用，而卷云的微物理特性是影响辐射强迫的主要参数。对基于微脉冲激光雷达和毫米波雷达联合反演卷云微物理特性的算法进行了研究。该算法首先利用微脉冲激光雷达探测到的卷云回波信号反演出消光系数，然后用该消光系数和毫米波雷达测得的卷云回波信号强度值共同反演出卷云的冰水含量(IWC)和粒子有效尺寸(GES)。使用微脉冲激光雷达数据和毫米波雷达数据对发生在寿县的一次卷云过程进行分析，得出卷云冰水含量分布在10-3~10-1 g/m3，冰晶粒子有效尺寸分布在1~200 μm，与经验值相符，其变化也符合卷云的演变规律，说明了该方法的有效性。

随着通信技术的不断发展和世界各国对空间领域的高度重视，空间光通信技术已经成为全世界的研究热点之一。目前地面光通信的发展十分迅速，放大技术中的各种难点都已经取得重大突破，特别是基于光纤放大器的技术应用已十分广泛，技术也十分成熟。由于光纤类器件对空间的辐射环境十分敏感，要想采用地面已非常成熟的外调制技术，就必须考虑外调制技术中的核心器件掺铒光纤放大器(EDFA)在空间环境中应用的可行性并分析相应的抗辐射技术。首先分析了空间的辐射环境，并对其对EDFA性能的影响进行了理论分析，提出了采用包括退色心抗辐射技术、预辐射和载氢抗辐射技术和光纤制作工艺的抗辐射技术在内的办法来有效提高EDFA系统空间抗辐射的性能，为EDFA在空间光通信领域的应用提供了理论基础。实验研究表明，采用上述抗辐射方法，理论上可以给1550 nm的掺铒光纤(EDF)大约减少0.8 dB/km的辐射衰减量。

通过热熔拉法将单模光纤拉制成亚微米尺寸的光纤，并借助光学显微镜的定位作用，在亚微米光纤的特定位置沉积金纳米棒（长度和中截面直径分别为80 nm和20 nm）。利用光纤倏逝波激发金纳米棒的局域表面等离波子共振（LSPR）。由于强的共振吸收和光热效应，当激光功率增加到30 mW时，亚微米光纤上沉积金纳米棒的位置会产生一个微米尺寸的气泡，激光在该位置将被等离波子共振吸收和气泡散射掉，在气泡后面位置的光纤中观察不到光的传输。靠近光纤的900 nm的聚苯乙烯颗粒被倏逝波所产生的梯度力捕获到光纤表面，并在散射力的作用下沿着光的传播方向运动，当颗粒运动到气泡位置时，将会停止向前运动。该技术可用于微米颗粒的定点输送。

基于非线性薛定谔方程对光纤中抛物线形脉冲对的传输过程进行了数值仿真，并利用分步傅里叶法对方程进行求解，研究了抛物线形脉冲对在单模光纤和色散管理光纤中的传输特性。仿真结果表明，抛物线形脉冲对在光纤中传输时几乎没有相互作用，主要面临的问题是维持其抛物线形和减小脉冲展宽带来的脉冲间的干涉。抛物线形脉冲在传输时的演化受到光纤色散的影响，在正常色散光纤和平均色散为正的色散管理光纤中传输时才能维持其抛物线形，但在正常色散光纤中脉冲展宽速度较快，而在平均色散为正的色散管理光纤中可以很好地抑制脉冲展宽的速度。这个结果对远程无中继光纤通信有很大的帮助。

随着计算机可视化技术与激光技术的不断发展，我国“数字化林业”建设进程不断向前推进。三维(3D)激光扫描作为一种可以快速获取目标三维点云数据的新兴测绘技术，已在林业勘查规划、林分结构研究以及单木模型三维重建等方面得到了初步应用。为了探究该技术在森林测树应用中的测量精度，通过将野外三维激光扫描林分结构因子数据与传统经典测树学方法所得实验数据进行对比发现：基于三维激光扫描数据构建的测树因子模型精度较高，其中，扫描胸径平均误差-0.16%，扫描树高平均误差-0.35 %，扫描胸高断面积误差为-0.11%，误差均满足林业测树精度要求。说明三维激光扫描技术在古树保护、森林资源调查规划、森林采伐等林业应用领域具有较强的可适用性与应用前景。

黑体的温度越高,太赫兹波段辐射量越大,测试信噪比越高，但红外辐射量增大的幅度远大于太赫兹辐射量，难以滤除，滤除效果不好则会降低黑体太赫兹辐射测试的准确度。为了准确测试黑体的太赫兹辐射量,选择了合适温度范围的黑体，设计了其太赫兹辐射量测试方法。首先，根据普朗克公式计算温度范围在3～600 K的黑体在太赫兹宽波段和红外波段的辐射出射度以及在不同太赫兹窄带波段的辐射出射度，分析了相对变化趋势；其次，提出了黑体太赫兹辐射锁相探测方法,选择的太赫兹黑体温度范围为223～273 K。实验结果显示，在此温度范围内，黑体在100～3000 μm波段的太赫兹相对辐射量与实测相对值的误差范围为0.1%～2.0%，且曲线变化趋势一致,说明该方法能够实现黑体太赫兹宽波段辐射量测试。

为了克服现有激光冲击强化离线检测方法的缺点，对基于激光等离子体冲击波效应的在线检测系统进行了研究。激光被工件表面的吸收层吸收，在约束层的约束下形成高温高压的等离子体，并以冲击波的形式向外传播。该系统对空气中传播的冲击波进行采样、存储、数字滤波和波形数据分析，提取声压水平因子，来判断激光冲击强化的效果。提出了具体的实施方案，设计出了结构简单、实现方便的激光冲击强化在线检测系统，并通过测量工件表面的残余应力验证测量数据的可靠性。实验表明设计开发的激光冲击强化在线检测系统反应灵敏,检测结果可靠。

为了研究光纤激光器工作中的自发辐射现象，从掺Yb3+光纤的能级结构和速率方程出发，建立主振荡功率放大（MOPA）光纤激光器的数学模型，对系统内各参量进行了数值计算。分析结果显示：在抽运工作稳态条件下，放大器的系统储能和自发辐射受到抽运强度和粒子掺杂浓度的影响；对于低重复频率的脉冲信号，放大过程中的自发辐射非常严重。为了减弱自发辐射，将连续抽运换成适当脉宽的脉冲抽运，即在信号脉冲前进行一段能够刚好让上能级粒子数充分恢复的脉冲抽运，可以在不影响信号脉冲放大的前提下，明显削弱连续抽运情况持续存在的自发辐射。数值模拟表明该方法在适当的抽运脉宽和强度下是可行的，实验数据则较为完好地印证了计算结果。

报道了单脉冲能量大于10 μJ的腔倒空锁模皮秒激光器。通过实验完成了光纤耦合激光二极管端面抽运Nd:YVO4晶体、半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模的大功率皮秒激光振荡器后，在锁模腔内插入BBO电光晶体，实现重复频率1 Hz~10 kHz连续可调的电光腔倒空锁模运转。在抽运功率17.9 W时，获得了单脉冲能量12.5 μJ、重复频率10 kHz、脉冲宽度24.7 ps的激光输出。

为了可以同时测量车辆的纵向和横向速度，提出了一种基于Janus配置的三光束激光多普勒测速仪(TLDV)。给出了TLDV的测速模型和测速公式，对其测速的相对误差进行了理论分析和数值仿真。结果表明：TLDV对车辆颠簸、摇晃不敏感，测速误差只受上下颠簸角的影响，与左右摇晃角无关；当车辆上下起伏速度一定时，测速误差随着上下颠簸角的增大而增大，当上下起伏速度为0.2 m/s，颠簸角为10°时，测速误差小于0.3%。最后，给出了一种TLDV光束方向的最佳配置方案。

针对无扫描激光三维传感器成像分辨率较低、标定精度不高的问题，提出了一种基于双线性插值的低分辨率传感器标定方法。首先运用双线性插值算法，对低分辨率传感器所成图像进行升采样以提高图像分辨率，然后利用基于OpenCV标定算法对其进行标定，最后将标定结果与传统方法标定结果进行分析比较。实验结果表明，该方法能够将低分辨率传感器参数的标定误差缩小近1/2。运用双线性插值算法提高图像分辨率，可以提高对低分辨率传感器的标定精度。

使用有限元方法（FEM）分析了椭圆柱形金属线在0.5 THz太赫兹波下的表面等离激元的特性。这种场与圆柱形金属线表面等离激元类似，具有低损耗、低色散的特性。研究结果表明，随着长轴与短轴比值的增加，椭圆柱形金属线的场逐渐分裂开并越来越向椭圆的两个尖端区域集中，损耗也一直在显著减小，故传播距离始终在增大。由于这些特性，椭圆形横截面金属线适用于太赫兹波导、聚焦以及成像等领域。

设计了一种新型的亚波长透明金属结构，该结构由一层六角晶格排列的椭球形金纳米颗粒沉积在金膜上构成。使用时域有限差分法计算了该结构的透射特性，发现该金属结构具有强的光学透明现象。随着椭球纵横比或金膜厚度的增加，共振透射峰出现明显的蓝移，且透射率发生显著变化。此外还发现，金纳米椭球颗粒阵列位于金膜上表面时的透射率比位于下表面时的透射率要大。

研究了强非局域非线性介质中功率控制的高斯光束变换效应。通过自由传输与强非局域非线性传输的关系，得到了强非局域非线性介质出射端的场分布，并进一步得到了出射后高斯光束的解析表达式。随着功率的增加，出射后的光束束腰在出射面左右交替变化，束腰宽度也振荡变化。选取适当的功率区间，可通过功率调节对高斯光束进行连续可调的变换。

研究了用Zernike环多项式分析光电经纬仪主反射镜变形的方法。首先推导了将有限元分析的变形结果转换成基于波前坐标系的数据形式的转换公式，然后用Zernike环多项式对某光电经纬仪主反射镜的变形进行拟合，计算了主反射镜变形引起的面形误差的峰谷值(30.7 nm)和面形误差均方根值(6.3 nm)，与实际测量结果相比误差分别为9.2%和10.5%。根据Zernike环多项式系数与Seidel多项式系数的关系，得到了主反射镜变形对光学系统像差造成的影响。将Zernike环多项式系数导入光学系统分析软件Zemax中，可对主反射镜变形后的光学系统进行综合分析，为光学系统修正提供参考。

从非成像光学理论出发，提出了一种新的实现自由曲面透镜的局部优化设计方法。初始模型采用规则的二次曲线代替自由曲线，通过对TracePro软件中的Scheme编程语言和优化引擎的结合使用，对匀光透镜进行局部优化设计，最终实现了LED均匀照明。结果表明：当光源为1 mm×1 mm朗伯体发光的LED时，可以在1 m处实现发散角为±15°内的均匀照明，光能利用率达到80.89%，均匀性达到95%以上。与目前通用的全局优化方法相比较，在视场角和均匀性方面有明显的改善。此方法还有过程简单、对初始模型要求较低和通用性好等特点。

根据离体细胞光动力疗法实验研究对光源的基本要求，设计了一种基于LED的新型光源。以卟啉类光敏剂为应用对象，采用波长为627 nm的LED作为光源，利用TracePro对多个LED组成阵列光源后的光分布进行数值模拟，优化LED阵列的排列方式和间距，并对LED阵列光源进行二次光学设计。在数值模拟的基础上，设计并成功开发了应用于离体细胞光动力疗法实验研究的LED光源样机。测量结果表明：LED光源辐照在标准细胞培养板区域内的平均功率密度为13.7 mW/cm2，照度均匀性达到90%，可以满足离体细胞光动力疗法实验研究对光源的基本要求，有望得到推广应用。

设计了一种应用于特定机载平台上的变焦距镜头。为了减小轴向尺寸，后镜组进行了2次折反，光学系统的轴向尺寸96 mm，满足了空间的要求。镜头变倍比为20倍，焦距6～120 mm,相对孔径1/5.6。采用了机械补偿方法和滑架导向机构。该镜头轴向尺寸小、精度高、变焦过程光轴晃动小。通过试验,检测出变焦过程光轴晃动不大于34″。通过飞行试验实现了短焦距搜索目标、长焦距跟踪目标的功能，并且变焦快速，像面稳定，视频跟踪图像清晰。

提出了一种基于一维缺陷光子晶体的可调谐偏振滤波器，将液晶膜层作为缺陷引入对称结构的一维光子晶体中，利用液晶电控双折射效应的动态可调节性，实现可调谐的偏振光窄带滤波。用传输矩阵法对这一新型滤波器的TM偏振光传输特性进行了数值计算，结果验证了此滤波器的可调节性。这种可调谐偏振滤波器具有结构简单易于制作、体积小易于集成、调谐方便、损耗很低、透射峰半峰全宽窄等突出优点，有望在光通信波分复用技术和光学精密测量技术中获得应用。

数字微镜器件(DMD)作为红外景象生成器，以其帧频高、空间频率高、灰度等级高、均匀性好等优势，在红外成像制导目标模拟器的研究中受到普遍关注。分析了DMD的工作原理，提出了红外成像制导目标模拟器的组成方案，在实现高模拟温度（大于400 ℃）的同时，灰度等级能达到214。完成了照明系统的光学设计和灰度轮设计。

基于准直流电弧放电热阻塞原理，以超燃燃烧室凹腔为研究对象，在凹腔后向台阶上部与凹腔底部靠近前壁面附近布置电极，脉冲控制方式产生丝状等离子体，分析了不同脉冲控制频率下壁面压力、剪切层、凹腔阻力以及质量交换率等性能参数的变化。结果表明：前后缘附近特征点的第一振荡特征频率都接近脉冲控制频率，之后的特征频率则与控制频率成倍频关系；丝状等离子体的存在破坏了凹腔内大回流区结构；等离子体对凹腔产生了预热效果；等离子体的存在减小了凹腔冷流阻力，且在较高控制频率下的阻力系数更低；凹腔质量交换率因等离子体的存在而大幅提高，较高控制频率下具有更高的质量交换率。

合成孔径激光雷达（SAL）的激光光源啁啾非线性会严重恶化距离向分辨率，无法清晰成像。针对这一问题，建立了存在非线性啁啾误差的SAL回波信号模型，分析认为非线性啁啾误差影响成像的本质为成对回波效应，并提出一种校正光源啁啾非线性的改进频率变标算法。该方法应用傅里叶变换时移特性估计非线性大小，基于剩余视频相位滤波原理“三步法”完成非线性啁啾的校正处理，实现目标的精确成像。仿真实验表明分辨率和成像质量获得明显改善，从而验证了该算法的可行性和高效性。

介绍了基于共振吸收法检测椭圆率变化的全光铯原子磁力仪的基本原理。为了降低工作介质碱金属铯原子的横向弛豫速率，延长自旋极化时间，使磁力仪达到较高的磁测灵敏度，通常将最外层电子排列稳定的惰性气体He和双原子分子N2作为缓冲气体充入铯原子气室中，这样既能有效地减少极化原子与气室壁碰撞的几率,又可以很好地避免辐射陷阱现象。分析了He和N2的压强对Cs原子极化程度及磁力仪输出信号的影响，给出了100 ℃时实现无自旋交换弛豫铯原子磁力仪的最佳压强：He约为3.9×104 Pa，N2约为3.6×103 Pa。

基于气体近红外选择性吸收理论和Beer-Lambert定律，研究了硫化氢气体的拉曼散射特性，同时采用宽带光源光谱吸收检测技术对H2S气体进行检测。将自聚焦透镜作为光纤准直透镜和聚焦透镜，并将其应用于透射型气室。同时，提出了在透射式气室中将多对自聚焦透镜组串联使用以增加吸收光程的方法，该方法可以明显提高气室的检测灵敏度。通过分析实验测得的H2S吸收曲线，得到系统的灵敏度为3.672×10-4 μW/(μL/L)，分辨率为122.5 μL/L。

针对近年来备受关注的注水肉问题，提出一种可以快速、准确检测出注水肉的新方法。采用近红外(NIR)光谱技术测量肉品的水分含量，并建立肉品水分含量模型。为了提高NIR光谱测量精度和准确性，克服肉品水分测量受肉品体积重量的敏感性影响，将肉品的图像信息和pH值作为模型的辅助参量，以水分、图像、pH值为特征数据，进行多传感器信息融合。最终，通过支持向量机(SVM)数据分类器对所测肉品是否为注水肉进行快速模式识别。

挥发性盐基氮（TVB-N）含量是评价肉制品新鲜度的重要指标。尝试采用遗传联合区间偏最小二乘（GA-Si-PLS）从高光谱数据之光谱信息中筛选出最优波长。再提取各波长所对应的灰度图像的纹理特征，纹理特征变量经主成分优化后，作为输入层，运用反向传播神经网络（BP-ANN）构建鸡肉的TVB-N含量的定量模型。实验表明，模型对训练集和预测集的均方根误差分别6.61和9.84，相关系数分别为0.9054和0.8030。研究表明可以利用高光谱中的图像信息对鸡肉TVB-N含量进行快速无损检测。

为提高激光诱导击穿光谱（LIBS）检测水体中铜元素（Cu）的检测灵敏度。采用实验室配置的不同质量浓度硫酸铜溶液分别用直接打击液面方式和滤纸富集方式对水溶液中的Cu进行LIBS实验，优化实验参数，比较不同方法下的检测结果。结果显示，应用LIBS检测水体中Cu最佳分析谱线为324.7 nm；最佳延迟时间为1400 ns；最优激光能量值为100 mJ。对两种方法下Cu元素的定标曲线进行线性拟合，其线性相关系数分别为0.97047和0.99901，检测限分别为74 μg/mL和1.5 μg/mL。结果表明采用滤纸富集的方法可以明显提高LIBS检测水体中铜元素的灵敏度，降低检测限。

为了实现利用光波导（OWG）分光光谱检测痕量二价汞离子（Hg2+），本文设计了一种基于Au纳米颗粒取代原理的光波导检测方法。不同于传统的光波导分光光谱检测手段，该方法采用对巯基苯胺（PATP）分子对Au纳米粒子进行修饰，并组装到光波导的表面，形成三维的Au纳米颗粒光波导表面消逝场探针。实时检测光波导探针的表面等离子体（SPR）共振吸收峰,当Hg2+存在时，Hg2+会取代Au纳米颗粒并与PATP的巯基进行配位结合使得Au颗粒表面的Au-S键断裂，从而引起光波导分光光谱的变化。该方法使光波导分光光谱检测实现了纳摩尔量级的高灵敏度以及选择性检测。

利用有限元分析软件ANSYS对蓝宝石基GaN薄膜的应力进行了模拟分析，并通过理论计算验证了其合理性。模拟出了蓝宝石基GaN薄膜应力的分布情况。分析了应力与沉积温度、薄膜厚度、衬底厚度的关系，同时研究了不均匀温度分布对应力的影响。模拟结果显示：薄膜上表面在径向上，中心处热应力最大，薄膜边缘应力发生了突降，其他部分应力分布比较均匀。研究表明沉积温度升高、薄膜厚度减小以及衬底厚度增大都会使热应力变大。衬底径向温度不均匀时，热应力有增大的趋势，且温差越大，热应力就越大。