平衡相干检测技术能够大幅度提高光通信系统的灵敏度, 在相干光通信和微波光子系统中得到广泛应用。作为相干检测的核心器件, 平衡探测器近年来已成为研究热点。阐述了平衡探测器的工作原理、器件结构和性能参数, 概述了平衡探测器的最新研究进展, 并对平衡探测器发展过程中存在的问题和发展趋势进行了分析。随着光通信技术的发展, 平衡探测器将在高速率、高射频功率、高响应度和高共模抑制比等方面不断优化, 封装模块将朝着高集成度、低成本和低功耗方向发展。

主动支撑系统能使大型光学望远镜的主镜具备面形控制及定位的能力, 单体镜面形主动控制技术及拼接镜共相位成像技术因而得到了迅速发展。回顾了近年来主动支撑系统及促动器在大型光学望远镜中的应用, 并对其进行了总结, 归纳出了几种常见的主动支撑系统及促动器, 比较了它们的特点, 陈述了主动支撑系统与促动器之间的内在联系。最后对未来应用于望远镜主镜的主动支撑系统及促动器进行了展望。

综述了近年来国内外阵列检测型、光栅扫描型、滤光片型、傅里叶变换型和阿达玛变换型等多种类型微型近红外光谱仪关键技术的研究进展, 详细讨论了各种类型的优缺点、适合的应用领域及存在的问题。最后, 对微型近红外光谱仪的应用和发展趋势进行了总结和展望。

布里渊光时域分析(BOTDA)技术是基于光时域反射(OTDR)和受激布里渊散射(SBS)效应的一种重要的分布式光纤传感技术。由于具有多参量传感、精度高、距离长等优势, 该技术特别适用于大型基础设施、石油化工、电力通信网络和海底光缆等长距离、大范围的高危领域的故障定位和健康监测。但传统BOTDA只能用于静态测量, 其应用场合和发展前景受限。综述了目前基于BOTDA的各项动态测量技术, 详细介绍了其测量原理, 讨论了影响其传感速度的基本因素和研究难点, 并展望了未来BOTDA技术的发展前景。

计算全息图(CGH)的快速生成技术是全息三维显示系统的关键技术, 基于点源模型的计算全息图由于模型简单、操作灵活而成为了计算全息方法中一个重要分支。但是使用点源模型计算全息图计算量庞大, 为了达到实时显示的要求, 提高全息图计算速度的方法被不断提出。对点源模型快速算法的发展历程进行了综述。从计算全息图的原理出发, 根据点源模型快速算法的研究方向, 将其分为算法和算法与高性能硬件结合两大类。通过分析各类算法的实现方法和存在的问题, 指出了其改进的方向, 介绍了高性能硬件对计算全息图的贡献, 最后对点源模型快速算法的未来研究方向进行了展望。

单晶光纤处于光纤和晶体介质之间的特殊结构使其同时具备光纤和晶体介质的优点。单晶光纤的增益高, 热管理简单, 非线性效应对其影响小, 在超短脉冲放大中得到了广泛应用。对单晶光纤放大器在超短脉冲放大中的研究进展进行了综述。介绍了单晶光纤常用的两种制备方法, 微拉伸法和激光加热基座法; 以提升单晶光纤放大器放大效率的各种方法作为主线, 分别介绍了Nd∶YAG和Yb∶YAG掺杂下的单晶光纤放大器以及一些具有特殊结构的新型单晶光纤放大器在超短脉冲放大中的研究进展; 对单晶光纤放大器的应用前景以及未来发展趋势进行了展望。

通过分析互补性氧化金属半导体(CMOS)相机的信号传递模型, 建立了CMOS相机信号与噪声间的传递函数模型, 推导了相机输出图像信号与图像噪声间的线性关系。搭建了相机性能参数测试系统, 对CMOS相机的转换增益、最大信噪比、时域暗噪声进行了测试, 并将实测值与指标值进行了对比。研究结果表明, 所提测试方法能较精确地测出相机的性能参数, 适用于大部分型号相机光电参数的测试。

基于Rudin-Shapiro(RS)非周期序列, 提出了一种能简易制作且可在轴向产生两个低色差图像的RS光子筛(RSPS)。基于角谱理论, 研究了光子筛筛孔的最小直径与对应波带片的最外环宽度的比值对RSPS聚焦特性的影响, 数值仿真结果表明, 当光子筛筛孔的最小直径是对应波带片最外环宽度的1.398倍时, RSPS能在轴向产生相同的高强度的双焦点。不同于RS波带片(RSZP)的环带结构, RSPS的孔状结构更容易制作。此外, 对比分析了RSPS、RSZP和Thue-Morse波带片(TMZP)的聚焦成像特性, 理论研究结果表明, RSPS在轴向两个焦平面产生的图像的色差比TMZP的色差低, 与RSZP的色差近似一样。因此, RSPS在多色成像, X射线显微等领域将具有广阔的应用前景。

在同轴两片反射镜光学天线的空间激光通信终端中, 入射高斯光束的中心最高能量部分被次镜及次镜支架遮挡, 导致部分能量损失。为了减小能量损失, 提高系统发射效率, 将非球面整形镜应用在发射端准直扩束系统中, 实现高斯光束到平顶光束的整形, 以减小次镜及次镜支架遮挡损失的能量, 同时对光束进行准直扩束。所设计的非球面整形系统入射面直径d=3 mm, 出射面直径D=12 mm, 波长λ=1550 nm, 玻璃材料为BK7, 输出面上的光强分布接近均匀, 发散角θ=1.216 mrad。对比分析传统球面扩束镜与非球面整形扩束镜可知：同等参数条件下, 采用非球面整形扩束镜的发射端的发射效率提高了11.1%。

光功率密度和温度监测在工业生产和日常生活中具有重要意义, 依据PbSe量子点具有较高热光系数的特性, 设计了一种PbSe量子点作传感材料的全光纤马赫-曾德尔型传感器, 并在不同光功率密度和不同温度条件下对该传感器进行测试。实验结果表明：对波长为473 nm的光源光功率密度灵敏度达到1.455 nm·(mW-1·mm2), 温度灵敏度达到0.67 nm·℃-1。不仅实现了高灵敏度温度传感器, 而且也为PbSe量子点制作热光型光器件打下了基础。

提出一种基于布里渊增益和损耗相互作用的光时域分析系统, 该系统将连续光与反向的斯托克斯和反斯托克斯脉冲同时输入光纤, 通过声光相互作用在布里渊增益谱中心频率处产生一个窄线宽的吸收峰。该吸收峰的线宽约为布里渊增益谱宽的1/5,并且其频率与布里渊频移相关。因此利用该窄线宽吸收峰可以提高布里渊传感器的频率分辨率, 从而实现高精度的温度和应变测量。实验结果表明, 与传统的基于布里渊增益谱的传感器相比, 该方案的温度测量精度提高了1倍多。

实验从时域上研究了切割超连续谱实现实时、高速全光量化的方案。利用光滤波器件对不同强度的光采样脉冲产生的超连续谱进行光谱分割, 从而实现对光采样脉冲的实时量化。具体来讲, 重复频率为10 GHz的光采样脉冲经功率放大后耦合到400 m的高非线性光纤中产生超连续谱, 采用3个可调谐的光滤波器对其进行不同波长的光谱切割, 实现采样率为10 GSa/s、量化精度为2 bit的实时全光量化, 量化后脉冲时序的消光比可达10 dB以上。

哈希方法是大规模图像检索中生成哈希码的有效方法。现有的哈希方法首先提取描述图像整体的特征, 然后生成哈希码, 但得到的哈希码并不精确。为了得到更精确的检索效果, 提出一种新的检索方法, 即采用卷积神经网络提取图像特征, 利用哈希算法与输入二进制噪声变量的生成对抗网络共同学习图像的二进制哈希码, 利用汉明距离对图像进行相似性比较, 最后完成对图像数据的有效检索。在标准图像数据集上进行实验, 结果证明, 该方法可以有效地进行图像检索, 相比现有的哈希方法, 该方法的检索性能也得到了提升。

为了提高图像目标的检测精度, 提出一种在残差网络下设计基于困难样本挖掘的目标检测算法。首先阐述基于深度学习的目标检测算法, 即超快速区域卷积神经网络(Faster R-CNN)的工作原理, 分析该算法存在的不足与改进方式。在Faster R-CNN的基础上, 为了使模型能提取更有效的深度卷积特征, 选取网络更深的残差网络替换原始的ZF或VGG网络。为了使学习到的网络模型有更强的泛化能力, 在网络训练过程中, 利用困难样本更新网络参数, 使网络训练更充分。在Pascal VOC2007、Pascal VOC2007+Pascal VOC2012和BIT这三个数据集中进行训练和测试, 实验结果显示, 融合了两种方法的Faster R-CNN在这三个数据集上的检测精度分别提升了3.5%、7.1%、6.4%, 提升效果明显。

针对双空间局部方向模式（DSLDP）人脸识别算法只是单一采用作差运算提取特征的问题, 提出一种双运算局部方向模式（DOLDP）的人脸识别方法。首先, 将图像3 pixel×3 pixel邻域像素灰度值与8个Kirsch模板算子卷积, 得到8个方向的边缘响应值; 然后, 将近邻边缘响应值按照逆时针方向分别作差和作和, 得到两组8个方向的边缘响应差值和和值, 将两组边缘响应值取绝对值, 取各自最大值的方向编码成一个二位八进制数, 构成DOLDP码。在YALE、ORL、AR和CAS-PEAL人脸库上的实验结果表明：该方法将和值空间和差值空间人脸特征信息结合, 取得了更好的识别效果; 和值空间人脸特征信息较强度空间起到了平滑作用, 对光照、表情、遮挡等情况表现出更强的稳健性。

为进一步提高教学视频的压缩比及其制作效率, 针对教学视频中有效信息暂留时间持续较长、信息展示区域固定等特点, 提出一种基于关键帧检测和指示符运动建模的智能教学视频压缩算法。首先检测投影区域作为每帧图像的有效区域, 减少知识冗余; 然后通过变化检测确定视频帧的类型, 并对光标和激光笔投影点建立指示符运动模型, 进一步减少教学视频特有的知识冗余; 最后针对关键帧编码及指示符运动模型设计了相应的播放算法用于视频回放。实验结果表明, 针对以幻灯片投影区域为有效信息的教学视频, 与H.264标准相比, 本文算法在相同峰值信噪比下, 可使码率平均降低约88%, 且编解码过程满足实时要求, 无需额外人工剪辑, 可大幅提高在线教学视频的制作与传输效率。

方差加权信息熵作为稳健的红外背景复杂程度定量描述指标, 在红外弱小目标检测中取得了不错的效果, 但由于其计算复杂, 导致算法实时性差, 很难在工程上应用。为了能快速地在红外复杂天空背景中识别到弱小目标区域, 对传统的基于图像方差加权信息熵的滤波算法进行改进。先对图像进行显著性区域分割, 粗略地得到显著性区域, 然后对显著性区域计算双分析模板区域方差加权信息熵差值, 根据复杂天空中典型区域的双分析模板区域方差加权信息熵差值的特点将候选目标区域识别出来。实验表明, 用本文算法既可以排除大量的复杂天空背景干扰区域, 又大幅缩短了算法运行的时间。

为了灵活配置LED显示大屏幕的关键参数以满足不同的显示需求, 设计一种全新的现场可编程门阵列(FPGA)系统框架, 基于二级缓存时分编码寻址原理, 以最少的硬件资源实现2048 pixel×32 pixel LED像素点的点对点动态寻址, 实现灵活动态设定LED走线方式。以250 MHz高频时钟作为基准时钟, 采用灰度控制优先原则, 在保证显示效果的前提下, 完成LED控制信号生成。经过实验验证, 采用本文设计的FPGA系统架构LED接收卡, 能够成功驱动不同分辨率、不同扫描方式、不同LED走线方式的LED大屏幕, 增强了LED显示控制系统的兼容性与灵活性。

针对现有的以RGBW为主的多基色图像显示, 着重分析了RGBW子像素排列结构的工艺制造问题, 以及常见的RGBW排列结构显示成像时的诸多缺点, 并在此基础上提出一种新型的RGBWRGB子像素排列结构。在色域映射算法方面, 指出常见的RGB到RGBW的色域映射算法在面对复杂图像时的缺点, 并尝试在现有算法上进行改进以适配提出的新型子像素排列结构, 从而实现转换后图像色彩的还原和亮度的提升。

在10-4 lx环境下, 由多像素光子计数探测器利用光子计数原理点阵扫描得到光子计数图像。为了呈现更多细节, 获得更高清晰度的图像, 首先采用Bayes-Shink阈值及改进的新符号函数对光子计数图像进行处理, 然后在图像重构阶段将低频系数置零, 以处理后的高频系数进行图像重构, 并将其设置为虚拟通道, 使观测信号的个数与信号源个数相同, 从而满足快速独立成分分析无噪分离模型, 最后实现光子计数图像和噪声的盲源分离。实验结果表明, 该算法与小波软、硬阈值算法和符号函数算法相比, 图像的峰值信噪比分别提高了16.39%、10.18%、5.20%。同时, 滤除噪声后的图像较好地保护了边缘细节, 视觉效果良好。

传统随机抽样一致性（RANSAC）算法只能进行粗配准, 且配准效率低。针对该问题提出一种改进的RANSAC快速点云配准算法。该算法将内部形态描述子算法和快速点特征直方图(FPFH)算法相结合, 得到特征描述子, 然后采用预估计和三维栅格分割法改进RANSAC算法, 最后与传统配准算法采样一致性初始配准算法进行比较。实验结果表明, 本文算法能快速精确地剔除误匹配点, 进行仿射变换矩阵求解, 无需二次配准。本文算法相较于传统配准算法有很大优势, 在大规模三维点云配准中具有很好的稳健性, 并且在保证精度的同时可大幅提高配准效率。

针对复杂场景下大空间室内高精度导航应用, 提出一种基于工作空间测量定位系统(wMPS)和激光雷达的组合建图、定位算法。采用wMPS对激光雷达位姿进行精确估计, 融合激光雷达点云数据完成栅格地图的绘制, 使得机器人在导航时能够识别周围环境信息; 考虑到导航时容易缺失wMPS测量信息的情况, 根据雷达获得的实时数据与栅格地图通过粒子滤波算法反算雷达的位姿; 最后将粒子滤波的结果进行线性卡尔曼滤波处理, 并进行算法仿真与实验。仿真与实验结果表明：组合导航系统保证了地图的可靠性和动态导航精度, 大大提升了系统的整体性能。

搭建了激光超声检测实验平台, 采用热弹效应和激光干涉接收方式, 观测了点聚焦激发横波的指向性及内表面处缺陷对超声信号的影响, 完成了圆管工件的B-scan成像, 实现了对圆管型螺纹构件内表面裂纹的定位。结果表明, 点聚焦激光激发横波信号在作用点法向夹角为32.1°的方向上能量最强, 与理论分析相符合; 根据圆管构件B-scan成像实现了内表面裂纹的位置检测, 并结合峰值-角度变化进一步实现了缺陷宽度测量。该研究成果为激光超声工业应用推广提供了实验依据。

研究了传统时空条纹图法相位提取技术, 通过对移相条纹图存在线性载频时移相量的修正, 完善了该技术。将修正后的技术技术应用到光纤干涉条纹投影三维面形测量中, 并将其相位提取结果与传统的四步移相法、重叠四步平均法和改进迭代法进行对比, 结果表明：修正后的技术不仅有效抑制了光纤干涉条纹投影装置中移相器移相不准确和环境因素等引起的移相误差, 还能够消除杂散光等引起的高频噪声, 起到滤除高频噪声的作用。

基于激光陀螺抖动机构谐振频率随温度等环境因素的变化会导致抖动偏频不稳定的现象, 研究了基于锁相环的激光陀螺抖动机构谐振频率跟踪技术。在对抖动机构和锁相环传递函数分析的基础上, 应用自动控制理论, 给出了锁相环频率跟踪精度、同步范围等性能指标与抖动控制参数的一般关系。结果表明, 增大锁相环开环增益能减小频率跟踪稳态误差, 同时将导致锁相环同步范围减小。采用低开环增益启动陀螺、再采用高开环增益跟踪抖动机构谐振频率, 能保证100 ms内自动跟踪陀螺谐振频率, 在-40 ℃ 到 70 ℃温度范围内抖动机构谐振频率跟踪精度优于0.015 Hz。

利用COMSOL仿真软件建立了铜片双温模型, 通过控制变量, 数值研究了光斑半径和激光能量对电子与晶格温度的影响, 并预测了烧蚀形貌。结果表明, 单脉冲激光光斑半径越大, 铜片的烧蚀深度越小, 烧蚀面积越大; 激光能量越高, 铜片的烧蚀深度越大, 烧蚀面积越大。实验结果进一步证实了仿真的可靠性。

采用激光选区熔化技术成形了不同粒径的S136模具钢, 研究了粉末粒径对成形件相组成、组织、磨损性能和抗腐蚀性能的影响。结果表明, 粉末平均粒径为22.8 μm的成形件基本无孔隙, 摩擦系数和磨损率较小, 耐腐蚀性能最佳, 腐蚀失重为31.51×10-4 g·mm-2。粉末平均粒径过小时成形件易产生裂纹, 而过大时易产生孔隙。

探索了长短脉冲复合激光在铝材损伤方面的应用。基于激光与材料相互作用的热效应原理, 讨论了材料表面反射率、激光与材料耦合系数等对损伤机制的影响, 数值计算了长脉冲激光辐照对2A12铝材的热效应、短脉冲激光对铝材的冲击压强及损伤时间。设计了长短脉冲复合激光辐照实验系统。结果表明, 设计的长短脉冲复合激光器能够实现对2A12铝材的有效快速损伤, 损伤效果好于单独的长脉冲或短脉冲作用, 有效降低了损伤时间。

利用热力学方程进行了激光切割AZ31B镁铝合金的仿真实验。激光切割速度为8 mm·s-1时, 试样具有较好的切割质量。开展了光纤激光切割1.0 mm厚AZ31B镁铝合金的工艺实验, 获得了激光功率、切割速度、离焦量对激光切割质量影响的单因素实验数据, 并提出了三因素正交实验方案。1.0 mm厚AZ31B镁铝合金激光切割的优化工艺参数为：激光功率120 W, 切割速度0.5 m·min-1, 离焦量1.2 mm, 与理论计算值基本一致。

对机动变换的装甲目标进行快速精确检测是低空无人机的一项重要性能要求, 但目前主流检测方法自身的旋转不变性不能有效应对这一挑战。结合深度卷积神经网络（CNN）提出基于旋转不变Faster R-CNN的低空装甲目标检测方法, 该方法在Faster R-CNN框架的基础上引入旋转不变层, 通过在模型的目标函数上增加正则化约束条件来加强目标CNN特征旋转前后的不变性。实验选取三种典型的装甲目标缩比模型, 在室内外模拟不同场景条件下的低空侦察环境, 利用偏振高光谱相机获取目标的侦察模拟图像作为样本数据用于模型验证。在多模型对比实验中, 改进模型的平均检测准确率提升了2.4%, 取得了最好的检测效果, 初步验证了改进方法的有效性。

如何充分利用各级卷积特征是当前显著性检测研究的关键问题。就此提出一种基于融合全部卷积层特征的全卷积神经网络显著性检测方法。首先, 将全部卷积特征映射到内部的多个尺度中, 在每个尺度上联合各级卷积特征预测显著图; 然后, 融合各尺度的显著图, 得到融合显著图; 最后, 通过全连接条件随机场平滑显著图和优化显著边界。实验结果表明, 该方法在ECSSD和SED2数据库上具有较高的准确率、召回率和较低的平均绝对误差, 可为目标识别、机器视觉等应用提供更可靠的预处理结果。

基于机器视觉的疲劳检测方法具有非侵入性、快速、准确、全天候可操作等特点, 逐步成为国内外研究热点, 但该方法容易受复杂光照、驾驶员位姿变化的影响。针对此问题, 对复杂光照和位姿变化对驾驶员疲劳检测的影响进行了深入研究, 提出基于实时增强约束局部模型的多信息疲劳检测方法。对采集得到的图像进行实时高动态范围增强处理; 对增强后的图像进行驾驶员人脸建模, 提取驾驶员的视线、眼部PERCLOS特征; 最后建立基于贝叶斯置信网络的多信息融合的疲劳状态检测识别方法。实验结果表明, 该方法对于复杂光照和位姿变化情况下的驾驶员疲劳状态检测具有较强的稳健性。

提出一种特征匹配融合结合改进卷积神经网络(CNN)的图像识别方法。针对局部二值模式(LBP)算子提取的特征信息局限以及不能准确描述图像轮廓信息的问题, 使用梯度方向直方图(HOG)和LBP分层特征融合的方法在卷积神经网络中对训练集进行特征提取, 再将匹配提取的特征图像输入改进的卷积神经网络进行训练、识别。以ReLU为激活函数, 输出层用Softmax分类器, 并通过TensorFlow框架进行训练, 在ORL、YALE和CAS-PEAL人脸库上进行人脸识别仿真, 该方法识别率分别达到了99.2%、98.7%、97.2%, 高于其他对比算法。

为提高虹膜定位的准确性与实时性, 提出了基于二次圆周补偿的虹膜边界定位算法。所提算法以近似半径补偿与近似圆心补偿为核心, 对虹膜内及其外边缘进行定位。定位内边界时, 利用最小灰度均值法进行粗定位, 并在提取内边缘图像后采用近似圆心补偿法进行细定位; 定位外边界时, 采用近似半径补偿法进行粗定位, 再根据近似圆心补偿法进行细定位。实验结果表明, 从CASIA虹膜库中随机选取了2000张不同虹膜图像进行了验证, 算法平均定位时间为0.29 s, 定位准确率为98.1%。所提算法在准确度与实时性方面都较对比方法有所提高。

采用有限元数值模拟方法, 对一维In0.3Ga0.7As太阳能电池在1070 nm连续激光辐照下的输出特性进行了研究。通过计算零偏压下太阳能电池内部的载流子复合速率分布, 验证了模型的有效性。基于该模型研究了偏压对载流子复合速率分布的影响及太阳能电池结构对光电转换性能的影响。计算得到了在100 mW/cm2激光功率密度下太阳能电池的电流密度-电压曲线。研究结果表明, 随着正向偏压的增大, 空间电荷区的复合速率迅速增大, 因此正向偏压是影响激光电转换效率的主要因素; 电池的短路电流随着pn结深的增大呈指数衰减, 而开路电压随着基区厚度的增大先增大后趋于饱和。这些研究为太阳能电池的设计提供了参考。

荧光分子断层成像是一种高稳定性、低副作用的分子影像技术, 一直是生物光学领域的研究热点, 当激发平面位置与荧光目标位置接近时, 光源的重建结果会更好; 为了确定激发平面的位置, 提出了一种混合高斯方法, 该方法首先使用少量激发光源来获得发射光的生物体外表面分布, 再使用带剪枝策略的混合高斯模型对该分布进行拟合, 最后利用拟合后的峰值自动确定激发平面的个数和位置; 基于新激发平面的激发光源可以获得荧光分子断层成像逆问题, 进而利用该逆问题对荧光目标进行重建。实验结果表明：基于重新定位的激发平面的荧光分子断层成像光源重建结果在定位精度上显著优于原始激发平面对应的重建结果。

基于所制备的高品质法布里-珀罗(F-P)光学微腔, 研究了一种基于激光信号的腔内高灵敏度熔解(HRM)曲线检测方法, 即将F-P光学微腔作为微激光腔, 将嵌入式饱和染料作为增益介质, 以产生的激光信号作为检测信号, 通过温度扫描, 实现了对碱基错配DNA分子的高灵敏度检测与筛查。分别研究了25个碱基对和50个碱基对的目标DNA及碱基错配DNA的熔解曲线, 理论及实验结果表明：基于激光信号的HRM检测技术具有低的熔解温度和高的信噪比。

从Smoluchowski方程和Nernst-Planck方程出发, 推导出负极化纳米悬浊液中有效折射率与光强呈e指数关系, 提出了利用Airy光束在负极化纳米悬浊液中诱导弯曲波导, 分析了所诱导的波导结构的波导尺寸。由于负极化纳米悬浮液的饱和非线性, 所诱导弯曲波导结构可以非常稳定。为了验证所提方法, 数值仿真模拟了不同Airy光束在负极化纳米悬浊液中诱导的弯曲波导, 讨论了波导性质与诱导光束和负极化纳米悬浊液参数之间的关系。结果表明, 通过控制入射Airy光束的传播行为, 综合考虑选取合适的诱导光束和负极化纳米悬浊液, 能够实现诱导不同尺寸的弯曲波导。研究结果为在介质中建立波导结构提供了一种新的途径, 所提方法在实际中有潜在的应用价值, 特别是在光束相干合成、光子集成、光学操纵等领域。

对单模光纤中的孤子自频移效应进行了数值仿真和实验研究, 分析和验证了光纤和孤子脉冲的各种参数对孤子自频移的影响。利用分步傅里叶方法进行数值仿真, 发现孤子频移量随孤子脉冲峰值功率与光纤非线性系数的增加而增加, 随孤子脉冲宽度以及光纤色散的增加而减小。对2 km单模光纤中的孤子自频移效应进行实验研究, 通过调节孤子峰值功率实现了5.44~26.64 nm的连续可调谐移频, 所得结果与数值仿真结果一致。研究表明, 通过灵活调节孤子脉冲和光纤的各个参数, 可以有效地调节孤子频移量, 这为孤子自频移的多种实际应用提供了指导。

为满足紫外波段对产品的检测与识别需求, 设计出一套宽光谱、较大视场、较大光圈、结构紧凑的紫外工业检测光学系统, 要求紫外工业检测镜头的工作波长为240~320 nm, 全视场角为40°, 系统焦距为15 mm, F数为3, 系统总长小于60 mm。该系统采用MS20-UV型紫外电荷耦合器件（CCD）, 其分辨率为1920 pixel×1080 pixel, 像元尺寸为5.48 μm×5.48 μm。从成本及像质方面综合考虑, 最后采用全球面透射式且非胶合方案。该系统采用反摄远物镜为初始结构, 利用Zemax光学软件进行设计; 结合工艺要求对设计结果进行公差分析, 确定公差误差的来源, 并进行相关结构的优化, 给出优化前后的蒙特卡罗模拟结果; 最终设计出全视场调制传递函数（MTF）在100 lp/mm范围内均大于0.5、场曲小于0.1 mm、畸变小于1.3%的紫外镜头。与其他紫外系统相比, 设计的系统具有成像质量高、分辨率高、畸变低、焦距短、结构紧凑的优点。

采用二次支撑面法(SQM)设计了一种均匀方斑透镜, 建立了Zernike正交多项式曲面插值重构算法。在初始基面上对每一个子面选择映射守恒点, 并按照相邻关系划分9点系统。针对9点系统, 利用多项式的低阶项建立了线性方程组, 并根据其唯一解构造了部分曲面。将所有部分曲面拼接, 得到了完整的连续光滑的优化曲面。该算法可在一定程度上简化SQM初始基面的后期优化, 得到良好的均匀方斑透镜设计效果。

有机-无机杂化钙钛矿纳米材料因其具有直接带隙、吸收系数高、载流子迁移率高等特点成为新一代优良的光电探测材料。诸多研究表明该纳米材料具有量子点、纳米线、纳米棒、纳米片等多种形貌。纳米线结构具有各向异性, 光生载流子沿其轴向高效传输, 有利于改善光电探测器的电荷提取效率。基于此, 采用自组装生长法制备了钙钛矿纳米线阵列, 当前驱体溶液质量分数从10%逐渐减小为0.2%时, 纳米线直径从微米量级减小至百纳米量级。将0.5%的前驱体溶液所得的纳米线阵列应用到光电探测器中, 器件在2 V偏压、660 nm红光照射下亮暗电流比高达3.7×104, 外量子效率高达180.88%, 而暗电流密度低至1 pA。器件光电探测性能的显著改善归功于自组装生长的纳米线在径向的均匀排布及其高结晶质量。

提出了一种基于金属-绝缘体-金属（MIM）表面等离激元波导的双短腔共振系统(DSR), 通过双短腔腔模之间的相互干涉, 实现了表面等离激元诱导吸收（PIA）效应。利用时域有限差分（FDTD）方法对其传输特性进行了数值仿真分析。对相位响应特性进行仿真分析, 发现PIA窗口会出现明显的反常色散现象, 该反常色散效应可应用于实现表面等离激元波导中的快光效应。另外, 还提出一种基于PIA效应的多开关功能应用, 并通过仿真分析了短腔腔长和折射率变化对PIA窗口的影响, 优化了开关功能的结构参数。具备这些特性的结构在表面等离激元光开关、滤波器等方面具有潜在的应用价值。

为了提高生物检测的灵敏度, 增强量子点的远场定向发光强度显得尤为重要。因此提出一种周期分布在SiO2隔层及金属银反射板上的金属银纳米屋顶结构, 其中每个屋顶结构的半径为162.5 nm, 且量子点位于中间两个屋顶结构的缝隙内。使用时域有限差分算法, 研究了量子点位于不同位置以及不同数量的金属银纳米屋顶结构对量子点远场发光强度的影响。计算表明当有四个纳米屋顶结构, 且量子点处于中间两个屋顶结构的缝隙内部时, 可以有效地提高量子点的远场发光强度, 相较没有屋顶结构时发光强度提高了4倍以上, 从而可以提高生物检测的灵敏度。

光镊技术是利用高度聚焦的激光束所形成的梯度力势阱对微纳粒子进行捕获和操控的技术, 在生物、物理、化学和医学等领域有着非常广泛的应用。基于4π聚焦系统, 理论研究了径向偏振高斯光束的紧聚焦特性及其对金属微粒的辐射力, 并与传统的单透镜聚焦系统结果进行比较; 还详细讨论了不同离焦和离轴距离对光阱刚度的影响。研究结果表明, 与传统的单透镜聚焦系统相比, 4π聚焦系统通过选择合适的光学参量, 可以获得具有三维球形结构的聚焦光斑, 显著增大了横向和纵向的梯度力, 从而显著增强光镊系统捕获金属微粒的稳定性。

采用相干态正交化法研究了非旋波近似下Tavis-Cummings(TC)模型中两非全同量子比特间的纠缠动力学问题, 分析了同一耦合强度下不同跃迁频率的量子比特和光场对两量子比特间纠缠演化的影响。研究结果表明, 在弱耦合情况下, 当其中一个量子比特的跃迁频率与光场频率相同而另一个量子比特的跃迁频率与光场频率对称失谐时, 量子比特间的纠缠完全相同; 当耦合强度较大时, 两对称失谐情况下的量子比特间的纠缠演化由于非旋波项的作用不再完全相同。

通过采用直接的量子反馈方法控制量子比特的量子相干性, 研究了与单模腔相互作用的量子比特的量子相干性的动力学演化。利用l1范数相干性和量子相对熵相干性描述量子系统的相干性, 分析了量子反馈和外部驱动对系统相干性演化的影响。研究结果表明, 两种相干性表现出相同的动力学特性, 量子反馈减慢了量子相干性的衰减, 在一定程度上保护了量子相干性。若考虑外部驱动, 在强驱动下, 长时极限的稳态的量子相干性为零, 而在非强驱动下相干性达到一个不变的最大值。

钠多普勒激光雷达通过发射单模窄线宽的589 nm脉冲激光, 激发80~110 km高度大气中存在的碱金属钠原子获得共振荧光散射回波信号, 可实现中层顶区域大气参数的探测。激光稳频和移频是窄带钠多普勒激光雷达实现中层顶大气风场和温度高分辨探测的关键技术。本文介绍了一种应用于钠激光雷达系统的种子激光稳频和移频方法, 利用归一化的饱和吸收光谱信号实现了589 nm种子激光频率的精确锁定, 频率长期稳定在2.2 MHz左右; 通过级联双通声光移频装置的设计获得了钠原子D2线光谱上三个工作频率的窄线宽激光输出。通过钠多普勒激光雷达的探测实验, 获得了高分辨率的钠层风场和温度探测结果, 并将温度探测结果与卫星探测结果进行了对比。

激光雷达强度值能在一定程度上反映目标反射特性, 但由于受到距离、入射角、大气衰减效应等因素的影响, 并不能直接作为目标分类的重要特征。针对常用车载扫描激光雷达, 在对激光雷达强度值进行理论分析的基础上, 通过实验的方式固定了其他因素对强度值的影响, 建立了激光雷达强度值和表征目标反射特征参数间的关系模型。经过实验研究发现, 半椭圆模型形式的角度因子能更好地描述目标漫反射强度值随入射角的变化规律, 激光雷达强度值与接收功率间为线性转换规律; 在盲区范围外, 目标漫反射强度值随距离的变化遵循负指数规律。在实际应用中, 可以结合雷达运动来获得同一目标在不同相对位置处的强度值, 并将其代入模型中反演与目标反射特性相关的参数, 以实现对不同目标的区分。

对于沿岸水体, 传感器接收到的水体辐射信号受到沿岸陆地高反射率的影响, 图像对比度降低, 邻近效应影响显著。有效剔除大气衰减和邻近效应, 准确获取水体表面反射率, 是水色遥感定量反演的重要前提。基于2016年4月29日太湖沿岸水体的实测光谱数据与同步过境的高分一号宽覆盖相机(GF-1/WFV)影像, 使用6S模型剔除大气衰减的影响, 并使用核函数表达大气点扩展函数, 进行邻近效应校正。实验结果表明, 邻近效应校正后的图像更清晰, 对比度增大, 水体细节信息更丰富。与6S校正结果相比, 3个同步实测样点的邻近效应校正结果的平均相对误差分别降低了10.8%, 5.24%, 10.39%, 邻近效应校正改进了水面遥感反射率的辐射探测精度。

美国新一代环境气象卫星NPP/联合极轨卫星系统（JPSS）增加了可见光红外成像辐射仪(VIIRS)白天/夜间波段(DNB)的微光昼夜成像通道, 继承了**气象卫星计划(DMSP)线性扫描业务系统(OLS)收集全球微光成像数据的能力, 并在性能上有大幅提升, 利用VIIRS DNB数据可以进行夜间城市灯光探测。针对中国中东部经济快速发展区域城市灯光产品的迫切需求, 综合考虑云层、月光、太阳照射、闪电、火灾等因素的影响, 对低质量数据和非灯光特征数据进行识别和剔除, 采用VIIRS DNB多天夜间数据进行融合, 将多天无月光的有效灯光辐亮度数据进行平均, 生成中国中东部地区夜间城市灯光的月合成产品。将本算法生成的产品与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)业务城市灯光产品的辐射亮度值进行对比验证后发现, 两者具有可比性。所开发的城市灯光融合产品算法为后端的衍生应用及其他夜间微光遥感产品的反演奠定了技术基础。

基于瑞利散射理论, 对天空光偏振分布模式进行了仿真。利用图像式全天空偏振模式测试系统对东海海域的天空光偏振分布模式进行了测试。提出了一种利用偏振方位角信息判断子午线的方法。研究结果表明, 当太阳高度角大于85°或低于25°时, 可利用偏振方位角定位子午线方向。该子午线方向与理论仿真结果一致。

石墨烯是一种具有二维碳纳米结构的半导体材料, 其在太赫兹波段的研究成果已被用于光电子器件, 而其他二维硫属材料在太赫兹波段的研究却鲜有报道。从理论和实验两方面对高阻硅衬底的石墨烯以及类石墨烯MoS2、WS2在太赫兹波段的吸收机制进行研究。通过太赫兹时域光谱系统测量不同抽运光功率下透过类石墨烯材料的太赫兹光谱, 并进行计算分析, 得到它们的透射谱、光电导率和吸收光谱。结果表明：通过改变光场条件同样可以对这两类类石墨烯材料进行调制; 对于MoS2、WS2, 当施加光场时, 其吸收主要由二硫族化合物激子作用引起。

波段选择在降维的同时能够保留高光谱数据的物理意义, 在很多方面具有一定应用。近邻传播（AP）算法根据数据点之间的相关性进行聚类, 将所有数据点视为潜在的聚类中心。提出了一种基于AP聚类的波段选择方法, 利用光谱信息散度和光谱相关角（SID-SCA）与光谱信息散度和光谱梯度角（SID-SGA）改进AP算法中相似度的计算。将降维结果输入支持向量机（SVM）分类器进行分类, 计算分类准确性, 并通过数据集Indiana Pines进行验证。实验结果表明：所提方法能够更好地提取波段的信息, 得到更高的分类精度。

受传感器状态、成像机理、气候、光照等条件的影响, 高光谱遥感图像存在严重的畸变和失真。本征图像分解是计算机视觉及图形学领域广泛应用的图像处理技术, 采用该技术能够获得图像的本质特征。本研究将本征图像分解引入到高光谱图像处理中对原始图像进行本征图像分解。提出了一种基于自动子空间划分的高光谱本征图像分解方法。首先对高光谱图像进行子空间划分, 再对每个子空间应用基于最优化的本征图像分解方法进行分解, 然后对分解得到的反射率本征图像进行高光谱图像分类处理。实验结果表明：基于自动子空间划分的高光谱本征图像分解能够在较大程度上提高高光谱图像的分类精度。

微波产生形式会影响激光诱导击穿光谱(LIBS)中等离子体光谱信号的强度和稳定性。实验选择重金属镉(Cd)质量分数为1.5×10-5的叶菜样品作为研究对象, 对比分析了双针、单针、环形、双环4种微波探针和前、中、后3个探针位置处传导微波对等离子体光谱信号强度和稳定性的影响, 以优化微波辅助LIBS(MA-LIBS)实验中的微波作用形式, 达到更好的辅助增强效果。分析MA-LIBS光谱图发现, Cd元素的等离子体光谱信号增强了2.58倍, Si、P元素的等离子体光谱信号强度分别增强了2.70倍和3.08倍, 有较好的增强效果。这表明：选择合适形状的微波探针和微波加载位置可以提高微波辅助增强效果, 增强LIBS技术在低浓度样品检测方面的应用性能。

基于光学薄膜元件的热力学理论, 建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型, 分析了强激光辐照下不同种类的表面杂质诱导薄膜元件的热熔融损伤和热应力损伤的过程。统计了不同口径和不同表面洁净度等级的薄膜元件上可诱导薄膜元件热损伤的杂质数量, 定量分析了杂质诱导薄膜元件热损伤的总面积, 计算了薄膜元件上热损伤的面积超过总面积的3%时所需的曝露时间。研究结果表明, 在强激光连续辐照下, 尺寸处于一定范围内的杂质会诱导薄膜元件的热熔融损伤和热应力损伤, 热损伤的方式与杂质类型密切相关。薄膜元件的口径越大、表面洁净度等级越高, 处于可诱导薄膜元件热损伤尺寸范围内的杂质数量越多。单个杂质诱导薄膜元件热应力损伤的损伤点面积比热熔融损伤的更大。

提出了一种提高光电极值法中膜层厚度监控精度的新方法。通过提高判读点的精度, 避免了光学极值法中停镀时存在的随机误差; 通过算法的处理, 将监控信号和光学厚度间的非线性关系转变成了线性关系, 并推算出最佳起判时间, 避免了监控薄膜沉积时非线性误差对极值点判别的影响。

介绍一种新的高功率、便携式光纤飞秒激光系统。该系统以半导体可饱和吸收锁模光纤激光器作为种子源, 通过光纤布拉格光栅对波长进行选择。振荡器输出的种子光经过两级单模掺镱光纤、一级双包层掺镱光纤预放大后, 进入主放大系统。主放大系统采用大模场掺镱光子晶体光纤放大, 并通过控制放大过程中产生的非线性积累, 有效降低非线性效应对脉冲的影响。加入声光调制器, 使输出重复频率可调, 并通过透射式光栅对, 对输出的脉冲进行压缩, 最终获得平均功率为1.34 W、重复频率为300 kHz、工作波长为1030 nm、脉冲宽度为202 fs的激光输出, 对应单脉冲能量为4.5 μJ, 峰值功率为22 MW。整套激光系统便携、稳定、成本较低, 可以进行广泛的生产应用。