介电晶体光波导结合了波导紧凑型的结构和介电晶体的诸多优异性质，在集成光子学中具有广泛的应用。飞秒激光直写是一种有效的三维微纳精细加工技术，可以在多种透明光学材料中实现基于波导结构的微小型光子学器件的制备。综述了利用飞秒激光直写晶体/陶瓷材料光波导的制备、表征以及应用，并展望了飞秒激光写入晶体光波导研究的未来发展方向。

近年来，超强、超短、超快自由电子激光新技术在世界得到前所未有的发展，已成为探索光与物质相互作用的全新工具。在原子分子领域，短波自由电子激光的应用主要体现在多光子非线性和超快电子原子分子的反应动力学及控制等领域。从简单He 原子到复杂化学生物分子、外壳层到内壳层、单光子到多光子、单脉冲到时间分辨的抽运探测、深紫外到硬X 射线，能量谱到有时间分辨的动量谱，实验取得了一系列重大突破，让人们在飞秒时间尺度和原子空间尺度下探索操纵量子规律成为可能。本文系统介绍了本领域的最新实验进展，通过几个代表性研究成果，展示短波自由电子激光在电子、原子、分子量子特性研究中的重要突破。

抑制水体后向散射并提高目标分辨率是水下激光雷达探测的关键技术。基于最小递归二乘法(RLS)提出了一种对回波信号自适应滤波的方法。通过分析水下激光雷达探测信号特点，改进了传统RLS 中的遗忘因子，使其不仅可以区分回波信号和后向散射，还能根据不同距离目标回波的幅值变化进行动态调整。为了验证效果，在船池中进行了不同目标距离的水下探测实验。实验结果表明，提出的可变遗忘因子RLS 算法可以有效抑制水体后向散射，在目标信号出现时算法具有较快的收敛速度和跟踪速度，使目标回波信号凸显。与传统方法相比较，处理后的目标分辨率大大提升，在微弱目标回波信号的提取方面优势明显。最后，讨论了算法中滤波器阶数对于处理结果的影响。

自适应光学系统涉及到光学、电控等多个领域，因此分析和提高自适应光学电控系统的可靠性是非常必要的。引入基于故障树的分析方法，对自适应光学电控系统中影响成像的关键模块，例如波前探测单元、波前处理单元，建立了系统的故障树模型，并对其定性分析得到了系统的最小割集，定量分析得到了系统的故障概率以及底事件概率的重要度排序。根据分析结果，可以有效地提高系统的稳定性，优化系统设计。

海水温度是海洋动力学以及海洋与大气相互作用中起关键作用的基本参数，是研究海洋现象时最重要的依据。为了实现两点海水温度的同时测量，构建了由两段椭圆高双折射光纤萨尼亚克(Sagnac)环形腔的理论模型，利用琼斯矩阵方程对该结构进行理论上的推导，获得了该模型的透射光谱，并得到了透射光谱与该结构各个部分参数的关系。通过Matlab 编程进行模型的数值模拟，研究该结构两段椭圆高双折射光纤长度的比例变化、偏转角的变化以及温度的变化对光谱的影响。计算结果表明，两段椭圆高双折射光纤的最佳长度比为1∶2，两个偏振控制器的偏转角应该分别为π/6 和π/3，温度增加时光谱向短波方向移动。得到利用光谱峰波长移动计算两段椭圆高双折射光纤温度变化的公式。另外，两段椭圆高双折射光纤之间普通单模光纤的长度以及光源的偏振特性对透射光谱的形状以及温度灵敏度没有影响。该模型可以为椭圆高双折射光纤Sagnac 环形腔海水温度传感器的实际应用提供理论支持与指导。

借鉴线偏干涉型光纤陀螺系统的理论方法，分析了圆偏振光陀螺系统的光源偏振度、传感环中的耦合点、反射点以及轴对不准所带来的误差对系统的影响。理论研究表明，在线偏振系统中易于造成偏振误差的反射点和轴对不准，在圆偏振系统下不再导致系统偏振误差；而由于圆偏振光陀螺系统中耦合偏振误差随损耗系数呈指数变化，故选择高性能的单圆偏振保持光纤对于减小偏振误差至关重要。

提出了一种新的基于非周期高折射率差亚波长光栅(HCG)的光功分器(OPS)。该光功分器在实现光功率均分的同时保持高反射率。为实现上述功分器，通过严格耦合波理论分析(RCWA)周期性亚波长光栅在不同的周期和占空比下的反射率和相位分布，从而挑选合理的参数用于设计非周期亚波长光栅以获得特定的反射相移。最后借助于有限元法(FEM)进行数值分析，经计算光功分器的插入损耗为3.27 dB,波长变化范围为1.50~1.60 μm，且很容易与半导体器件集成。

针对未编码离散多音频调制(DMT)的阶跃折射率塑料光纤(SI-POF)通信系统传输容量的计算，采用均匀功率谱密度(PSD)注入的方法，对SI-POF 强度调制直接检测(IM/DD)的通信传输进行数学建模。借助一阶低通和高斯低通信道模型，推导出基于信噪比(SNR)间隔的信道容量和最佳使用带宽的数学计算模型。在不同使用带宽下对系统容量进行了理论分析与数值计算，并分别取不同长度的SI-POF 进行实物传输测试。理论计算和传输实验表明了该计算模型的准确性，且信道容量与等效信噪比呈正向分布，与传输距离呈反向变化；使用优化的传输带宽可以减小传输速率的损失。该模型可有效用于SI-POF 通信系统的容量计算和最优带宽预测。

阶梯式掺杂和多环式掺杂设计的掺铒光纤(EDFs)结构复杂，采用改进化学气相沉积法(MCVD)制备困难。为此，将两段铒离子分别为中心掺杂和环形掺杂的掺铒光纤级联构成四线偏振模信号光放大器。该结构放大器使中心模式信号光(LP01 模和LP02 模)和离心模式信号光(LP11 模和LP21 模)分别在中心掺杂铒光纤和环形掺杂铒光纤中获得主要增益。基于一种改进遗传算法(GA)，对该放大器两段掺铒光纤的长度和铒离子掺杂半径进行优化。结果显示，仅用270 mW LP11模抽运光对该级联结构放大器进行抽运，四线偏振模信号光可获得20 dB 的平均增益，且模式相关增益(DMG)不超过3.5 dB。

将物体波前中的振幅信息与相位信息同时作为焦平面判定准则，物体波前中含有振幅信息和相位信息，而强度是振幅的表现形式，较容易获得，因此目前主要提取物体波前的振幅信息来定位焦平面。采用相关系数(CC)法提出并验证了利用物体的振幅信息判定焦平面。分析相位信息将运用于相关系数法中，获得CC 曲线峰值确定焦平面距离。分析得到同一物体的振幅CC 曲线和相位CC 曲线峰值所确定的焦平面距离有差距的原因是因为物体波前振幅和相位信息的区别。运用线性加权法，将物体的振幅CC 曲线和相位CC 曲线峰值所确定的焦平面距离加权来确定物体的焦平面。运用一系列实验验证了该焦平面方法的可行性和有效性。

针对不存在天空区域的偏振遥感图像，提出基于独立成分分析的大气校正算法。根据大气光和场景光高频信息的独立性，由独立成分分析和互信息最优化原则估算大气偏振度，再结合源图像中的先验知识和大气散射物理模型估算无穷远处大气光强。通过实验对比分析，得到的大气信息结果与理论值相匹配，验证了大气信息估算的合理性。同时，为抑制大气介质造成的遥感图像退化影响，提出基于模糊规则修正线偏振度，校正大气光信息A ，改善了图像质量。校正后的偏振遥感图像更准确地反映了地物目标特征，提高了目标探测和识别能力。

针对增量视觉跟踪(IVT)算法无法对受遮挡目标进行有效跟踪的问题，提出了一种改进的IVT 目标跟踪算法。该算法对IVT 算法中目标外观模型表示单一的问题进行了改进，对目标外观采用混合表示方法。若目标未被遮挡则使用增量主成分分析与高斯观测噪声进行表示，反之则使用连续均匀概率分布进行表示，对混合模型进行能量最小化求解来实现对目标的跟踪。实验结果表明，该算法在跟踪过程中具有较好的抗遮挡性能，同时能够实现对目标的实时跟踪。

为实现稻种品质的快速鉴定，以稻种最重要的品质参数之一——发芽率作为主要评价指标，通过高光谱成像技术结合视觉词袋(BoVW)模型的方法进行稻种发芽率的分级评价。挑选Y 两优302、两优108 和内5 优8015 三个品种的杂交水稻种子各100 粒，在温度40 ℃、相对湿度100%条件下对三种稻种分别老化处理0、1、2、3、4 d，得到5 个活力梯度的稻种。采集300 粒稻种的高光谱图像，随机分为训练集(200 份)和测试集(100 份)。图像采集完毕后，进行稻种发芽实验，第14 天时计算发芽率。采用主成分分析(PCA)方法选取特征波长，利用密集尺度不变特征变换(SIFT)算法提取稻种图像局部特征，再根据K-means 算法聚类生成视觉词典。利用以径向基(RBF)核为核函数的支持向量机(SVM)分类器建立稻种发芽率分级预测模型，判别精度为95.65%。结果表明，采用高光谱成像技术结合视觉词袋模型进行水稻发芽率的快速、无损预测是可行的。

提出了一种基于结构光的牙齿三维轮廓测量系统。该系统由电荷耦合器件(CCD)相机和数字光处理(DLP)4500 投影模块组成。采用格雷码与相移法结合的投影方法。基于张正友标定法提出一种快速、精确的相机与投影仪联合标定的方法。在系统标定的基础上进行牙模扫描实验，得到了牙模三维点云轮廓。实验结果表明，该系统能够对牙模进行精确的三维测量，为其以后在牙科领域的应用奠定基础。

表面轮廓的测量可以评定零件表面的光滑程度，为了实现高精度测量，提出了应用电子直接调制激光束的频率和外差相干的方法对表面轮廓进行测量。采用差动多普勒的测量原理，实现数字测量及光路补偿；电子直接调制激光束频率的技术减小了系统体积，降低了成本；光纤传输提高了抗干扰的能力；测量信号的跟踪放大，提高了分辨率。通过电路调试并对产生误差的项进行分析补偿。实验表明，该技术的测量不确定度小于0.1%。

在全光网络中光码流的性能监控、强场物理中单次激光脉冲性能评估、干涉测速以及其他许多物理过程中都需要对瞬态光信号进行实时测量。提出了一种结合宽光谱抽运四波混频光-光采样和时间拉伸的瞬态光信号实时测量技术，拟利用特种光纤的超快非线性效应对光信号进行超分辨率采样，同时将单波长信号转换为宽光谱信号，进而利用光纤色散傅里叶变换对信号进行时间拉伸，可大为降低初始光信号带宽。对宽光谱四波混频和时间拉伸过程进行了理论分析，表明该方案是完全可行的。

干涉测量法是测量科学中最有效的手段之一，而无论是要增大其动态测量范围还是要检测面形的高频误差，都受限于检测的空间带宽，故干涉条纹带宽与波前频谱的关系就成为关注的重点。针对这一需求，结合傅里叶光学理论对干涉条纹带宽与波前频谱的关系进行了理论分析和仿真实验，得到了干涉条纹带宽与波前频谱的数值对应关系。结果表明，干涉条纹强度分布的空间频谱是波前分布函数的空间频谱基础上的扩展，扩展程度取决于波前分布的幅频积。频谱扩展程度与波前分布的幅频积呈正比，波前分布的幅频积越大，空间频谱扩展越宽。根据CCD 分辨率确定干涉图的总带宽，可以计算出能测的波前最大空间频率，对后续研究各种干涉方法的频谱特性以及如何进行频谱带宽的优化分配，从而进一步提高可测面形空间频率的测量范围提供了理论依据。

采用激光相变硬化技术对45 号钢拉伸试样表面进行处理，通过拉伸实验获得试样的强度极限，测量了硬化层深度和硬化表面硬度，并用电子显微镜(SEM)对断口表面进行了分形分析，断面具有分形特征，利用分形理论计算了断面的分形维数。研究结果表明，随着激光束功率的增大，试样表面硬化层的深度和硬度是增加的，导致拉伸强度极限逐渐降低，断面分形维数也随之增大。对于该种材料，拉伸强度极限与断口分形维数可以互相表征。

激光抛光是一种应用前途较广的特种加工技术，尤其适用于传统方法难以加工的高硬度且尺寸较小的零件。38CrMoAl 合金结构钢多用于制造高疲劳强度、高耐磨性、热处理后尺寸精确、强度较高的各种尺寸不大的渗氮零件，如活塞螺栓和车床主轴等。利用激光技术可更加高效、环保的对38CrMoAl 进行抛光加工。使用波长为1064 nm 的YAG 激光器在38CrMoAl 表面上进行激光微抛光实验，利用三维形貌仪测量了材料表面粗糙度Ra，结合抛光前后材料表面微观形貌特征分析了激光电压、脉宽、离焦量等因素对该材料表面粗糙度的影响规律，并获得一个较为理想的工艺参数，即在激光聚焦面上方3 mm 处，电压为790 V、脉宽为0.17 ms 时，抛光表面粗糙度最低，由抛光前的142.02 nm 降至79.10 nm，下降了44.3%。

掺铒光纤激光器(EDFL)从频域的角度可以分为单纵模(SLM)掺铒光纤激光器与多纵模(MLM)掺铒光纤激光器。MLM-EDFL 属于复杂的高维动力学系统，比SLM-EDFL 拥有更多的自由度与更复杂的激光动力学特性。为理论研究分析MLM-EDFL 的频域动态特性，建立了关于EDFL 多模激光频域动力学模型，模型中将MLM-EDFL 的各个模式光场强度及其享有的增益粒子数分别作为独立的物理参量来处理，并考虑由于增益介质中铒离子对的猝灭效应而对模型引入额外的自由度；所建多模激光频域动力学模型可有效描述频域内多个模式的个体行为及集群行为，在数值研究中重现了激光频域高维动力系统所特有的多模动态特性。

结温/热阻是反映激光器器件散热能力的综合参数，与封装焊料层的烧结质量关系密切。本文分别通过正向电压法和波长漂移法，测试计算得到激光器的工作结温，利用扫描声学显微镜分析了激光器焊料层中空洞分布；验证了结温测试方法的可行性，并确认了激光器结温与焊料层烧结质量之间的对应关系，相关结果将指导半导体激光器的研制改进和器件分筛。

为了研究基于旋磁材料一维光子晶体的传输属性，在麦克斯韦方程的基础上，利用磁性材料的相对磁导率张量，结合电磁场边界条件，推导出适合旋磁材料一维层状结构的传输矩阵计算公式。该公式没有经过任何理论近似，是一种精确算法，适合任何含旋磁材料一维光子晶体结构。

为降低荧光分子断层成像(FMT)重建的病态性，受压缩感知理论启发，提出一种结合自适应可行区域迭代收缩策略和分段正交匹配追踪算法的重建方法。通过选取高荧光产额节点所在区域，迭代缩小可行区域，使目标函数有一个全局最优解。数字鼠模型上单目标及双目标重建结果表明，贪婪算法结合区域收缩策略不仅可以显著提高荧光目标的定位精度和荧光产额的定量分布，还可以降低算法对参数选取的依赖。物理仿体实验进一步验证了该方法在实际FMT 应用中的可行性和稳定性。

运用非线性传输矩阵法对Sinc 函数型光子晶体非线性微腔光学双稳态特性进行了理论推导与数值分析。结果表明，随着周期数的增大，或者非线性微腔位置的变动，微腔内光场强度分布不同，实现的双稳态阈值也不同；随着非线性微腔线性折射率的增大，微腔内场强减小，双稳态阈值趋于增大。

为了对半导体光放大器(SOA)进行动态模拟，从超快非线性效应的传输方程和载流子速率方程出发，分别研究了载流子浓度脉动(CDP)、载流子加热(CH)、光谱烧孔(SHB)效应对SOA 输出增益和相位的影响，并改变输入脉冲峰值功率和SOA 的弛豫时间模拟CH 增益曲线的变化情况。结果表明，在超快恢复过程中，载流子加热效应对增益饱和的贡献较大，SHB 效应贡献的较少，CDP 效应则产生缓慢恢复过程。CDP 效应是产生非线性相移的最主要原因，SHB 效应对探测光相移的贡献可以忽略不计，CH 效应可以产生约0.8 rad 的相移贡献。CH 效应的强度大小可以影响增益饱和以及相位变化的程度，但不能够缩短超快恢复过程的时间。输入脉冲的能量能够改变CH 增益的饱和程度，随着弛豫时间的缩短，CH 效应的峰值时间和SOA 增益超快恢复时间都逐渐减小。

在大地测量领域中，经常会遇到需要产生360°环形准直光束的情况，目前采用的方案是将半导体激光器光束准直，准直后激光束垂直入射到45°圆锥面，经圆锥面反射后形成环绕圆锥面的360°环形出射光束。为了解决当前方案结构复杂、装调不便等问题，研究设计了一种自由曲面反光镜，使得整个光学系统仅由半导体激光器和反光镜组成。先将光源当成理想点光源，通过微分几何分析得到自由曲面离散点坐标，继而拟合成自由曲面面型，最后利用软件根据实际光源尺寸大小进行优化设计。仿真结果表明，在半导体激光器发散角为20°、发光面半径为50 mm、焦距为30 mm 的情况下，在10 m 位置能得到亮度均匀、谱线宽度仅为30 mm 的准直光束。

星敏感器是一种高精度用于航天姿态测量的仪器，它主要由光学系统、图像传感器电路和控制与数据处理电路三部分构成，其中光学系统是用于成像的核心部分。设计了一个大相对孔径、大视场、宽光谱星敏感器光学系统，采用双高斯对称基本结构改进而成，并借助Zemax 软件实现了系统成像质量的优化过程。该系统焦距为60 mm，F数为1.5，视场角2ω = 20° ，光谱范围0.48~0.68μm，筒长比焦距为1.81，结构较紧凑，此系统设计结果可为星敏感器光学系统设计提供参考依据。

嫦娥卫星中的紫外月球敏感器是一种以月球为姿态参考源的大视场成像式光学姿态敏感器。为了提高敏感器的环形视场和中心视场的高同轴度和对称度，需要对敏感器中的八棱锥反射镜进行高同轴度的法兰孔(内孔)加工，并与广角物镜进行高同轴度的精密装配。目前八棱锥反射镜的法兰孔(内孔)加工采用修切垫圈的方法完成，该方法装调反复、精度低。提出一种八棱锥反射镜高精度光学定心加工方法，该方法能够快速准确地找出其均方中面，并实现法兰孔的精密加工。在完成广角物镜定心加工后，可实现二者的高同轴度装配。装调结果证明，八棱锥8 个反射像的误差达到17.3″，优于设计值30″，法兰孔的同轴度和安装端面的跳动量均优于0.005 mm。整机装调后，八棱锥反射镜8 个子视场和物镜中心视场的对称度达到0.01 mm。该敏感器的装调在卫星绕月飞行中得到成功验证。

设计了一种可调的等离子体诱导透明(PIT)效应的双槽谐振器的金属-绝缘体-金属(MIM)表面等离子体波导结构。利用微腔共振模式实现对表面等离子体在波导中传输操控。分别改变槽的长度，两槽之间的距离和槽填充材料的介电常数实现特定滤波效应，结合电场分布分析表面等离子体在波导中共振产生的电磁诱导透明现象，并设计动态可调的等离子体诱导透明效应器件。利用有限元法(FEM)对设计进行数值模拟。

透明导电膜电光开关通过合理的结构设计可以实现高效的热管理，是一种理想的高平均功率开关器件。建立了透明导电薄膜电光开关的模型，采用优化的开关设计参数分析开关的时间特性和热效应。仿真结果表明,开关上升时间达到标称时间要求；在高平均功率负荷下，晶体温升所导致的退偏损耗对开关性能的影响很小。该构型的薄膜电极电光开关可以应用于重复频率运转下的高功率激光系统。

基于光散射原理，研制了一套可以用于测量流体迁移性质的光学实验系统。该系统包含两路光路系统，分别是测量表面性质的表面光散射系统和测量体相性质的动态光散射系统。通过光路设计，可以实现两系统共用激光器、光子计数器、数字相关器等重要设备以及高压实验样品池。实验系统压力测试范围为0~10 MPa，温度测试范围为283 K~400 K，温度波动度小于±1 mK/h。采用光频外差的方法提取液体分子波动信息，并通过数值求解色散方程获得液体的迁移性质。利用参考物质正庚烷和R134a 检验了实验系统，获得的表面张力、黏度、热扩散系数、定压比热容值与文献值的偏差分别为2.29%、0.57%，0.12%，0.06%。通过不确定度分析，搭建的系统测量表面张力、黏度、热扩散系数、定压比热容值的不确定度分别为1%、2%、2 %、4.6 %(k=2)。

卷烟湿度及密度是衡量烟支品质的重要物理指标，适当的湿度和密度不仅可以提高烟支质量，而且可以降低残品率。以检测烟支湿度及密度为目的，利用时域谱(TDS)实验系统采集密度相同但湿度不同的3 组烟支样品(每组11 个样品)及湿度相同但密度不同的2 组烟支样品(每组14 个样品)的太赫兹时域波谱，建立了基于峰值衰减量ln E的湿度计算模型和烟支密度与太赫兹时域谱峰值的数学表达式。结果表明，利用湿度模型计算的结果与传统烘干称重法比较，在湿度20%以下两者的绝对误差小于2.5%；烟支密度与太赫兹时域谱峰值相关且相关系数约为0.9639。说明基于太赫兹时域谱的烟支湿度密度检测不但可行而且具有较高精度。

针对日益严重的水环境问题，水质化学需氧量(COD)的实时在线监测对水质污染预警具有十分重要的意义。依据紫外-可见光谱分析法可实现水质COD 参数在线、原位测量的原理，将无线传感网络(WSN)技术与光谱法水质COD 监测技术相结合，研究了一种适用于大面积水域水质COD 监测的信息采集与传输系统。基于Coxtex-A7 硬件平台，采用数据压缩和无线传感网络等技术实现了水质COD 的无线实时监测。实验测试结果表明，该系统能够实现水质COD 监测数据的采集与高效、可靠的传输。该系统不仅具有功耗低、流域覆盖面积广、响应速度快、易于维护等特点，还可为水体流域内水质环境的综合分析提供依据。

设计了一种基于线性渐变滤光片(LVF)的多光谱成像光谱仪。针对工作波段为600~1100 nm 的LVF，设计了一个宽光谱扫描型LVF 多光谱成像光谱仪的成像物镜，总长不超过85 mm，畸变小于0.01%，全视场各波段Nyquist频率下调制传递函数优于0.7，空间角分辨率可达1.02′。该多光谱成像光谱仪可以通过扫描和图像重构获得目标的准单色图像以及反射光谱。实验结果表明，该多光谱成像光谱仪的光谱分辨率与LVF 的光谱带宽相匹配，在600 nm处光谱分辨率可达9 nm。通过番茄成熟度辨别实验，验证了该多光谱成像光谱仪的成像性能。

采用双磁透镜设计时间展宽分幅变像管，对其空间分辨特性进行模拟和测试。采用2#分辨率板测试像管空间分辨率，以及大面积阴极测试像管在离轴位置的空间分辨能力。测试结果表明，双磁透镜像管的空间分辨率为74 μm；在图像缩小1 倍时，能有效分辨阴极距离中心轴位置30 mm 的信息。像管的空间分辨率和在阴极离轴位置的分辨能力都优于单磁透镜像管。因此，双磁透镜能有效提高时间展宽分幅变像管的空间分辨特性。

为了采集物体在不同视角的形貌图像信息，并实现同步化输出的显示系统，设计并验证了一种可供多视角同步观察的悬浮式动态图像显示系统。该系统中的投射式图像源融合了物体在不同视角的形貌图像信息，它能够被同步地投射至多视角成像装置内的空气中形成悬浮的虚像。推导了四视角悬浮式显示系统的结构参数；为了避免不同视角图像的错位和重影，定义了动态图像显示的误差容限，并推导了其与图像源空间和介质层厚的函数关系；实现了尺寸为60 mm×60 mm×30 mm 的微型化样品原型验证了理论分析。实验结果表明，该设计对各视角的信息能够同步化还原显示，有效抑制了几何像差和色差。这一系统既可实现大面积多视角悬浮式投射显示，也可实现微型化可携带式多角度展示装置，具有广阔的商业应用前景。