提出激光冲击处理增强渗碳的组合方法，提高了12CrNi3A钢渗碳层的质量和耐磨性能。采用球磨实验分析了渗碳和激光冲击增强渗碳两种工艺下材料的耐磨性能，采用扫描电镜(SEM)研究了激光冲击增强渗碳对12CrNi3A材料微观组织的影响。结果表明，激光冲击渗碳试样的比磨损率为2.69×10-14 m3/Nm，比渗碳试样降低了29%。从摩擦系数和微观组织两个方面分析讨论了这种工艺方法提高12CrNi3A耐磨性能的机理。一方面，激光冲击增强渗碳使试样的摩擦系数降低了25%；另一方面，激光冲击渗碳试样表层形成了大量细小的碳化物颗粒，并呈梯度分布，从而提高了12CrNi3A钢材料的耐磨性能。

在文物保护领域中，石质文物表面的污染物影响文物美观，更威胁文物保存，因而急需开展文物清洗技术研究以解决这一问题。激光清洗技术与其他清洗方法（化学清洗和微粒子喷射等）相比，具有无损、去污能力强、精确和环保等特点。利用激光清洗技术清除石质文物表面污染物。实验研究了砂岩在激光辐照下的损伤，并结合理论计算，得到砂岩在脉冲激光（波长为1064 nm）辐照下，10次脉冲的激光诱导损伤阈值为73.5 mJ，理论与实验值基本吻合。在激光清除砂岩表面墨迹污染物实验中，得到了激光清洗所需的最佳方式和参数。在此基础上，到四川绵阳碧水寺进行现场实验，结果表明激光能安全有效去除烟熏污染物。

导光板(LGP)作为液晶显示(LCD)技术的背光源，已得到了广泛的应用。导光板材料的反射面有大量反射点，目前照明用导光板多采用丝网印刷或激光雕刻制备这些反射点。丝网印刷的油墨反射点容易老化脱落，激光雕刻的优势在于更具个性化，生产灵活且环保等，是今后的发展趋势。传统激光雕刻方式效率低，且缺乏工艺优化。提出一套基于后动态聚焦振镜系统的激光打点方法及相应的工艺优化方法，该方法加工效果优异，加工效率显著提高。

扩张血管的直径和深度是鲜红斑痣(PWS)扩张血管的两个关键参数。最近，光学相干层析(OCT)已被用于PWS的临床检测和参数提取。然而，信号在深度上的衰减和散斑噪声是分辨OCT图像中PWS病变结构信息的两个主要制约因素。为了优化临床OCT样机获得的图像，提出了相应的OCT信号增强降斑算法。该算法基于动态规划分割PWS表皮层，并以边界曲线为基准，对真皮深层细节信息进行衰减补偿。对于增强后的信号，基于OCT散斑噪声的光学统计特性(瑞利分布)，建立了一个新的正则化变分模型以消除相应的乘性噪声。实验结果表明，所提出的算法能够较好地恢复OCT图像中PWS扩张血管结构的边缘信息，有利于精确分割并提取相应的关键参数。

提出了一种基于无芯光纤的单模多模单模（SMS）结构的折射率光纤传感器并对其进行了理论和实验研究。用一种新颖的无芯光纤来作为SMS结构中的多模波导，避免了常规SMS折射率传感器制作过程中的化学腐蚀所带来的问题，具有易于设计和制作的优点。制作了一支基于无芯光纤的SMS折射率光纤传感器，并用具有不同折射率的蔗糖溶液对其进行了实验测试，在1.356～1.392的折射率范围内得到了431.4 nm/RIU的平均折射率灵敏度，实验结果与模拟结果符合得很好。进一步的理论研究发现，通过减小无芯光纤的直径可以进一步提高传感器对折射率的灵敏度。

设计了一种基于可调谐滤波器的高精度宽量程光纤布拉格光栅(FBG)传感解调系统，通过动态跟踪与锁定的方法将法布里珀罗可调谐滤波器(FFP-TF)的输出激光锁定在传感光栅反射谱的-3 dB处，利用对温度不敏感的标准具对光栅反射波长进行校准，再通过插值拟合算法实现传感光栅中心波长的实时高精度解调。该解调系统解决了基于光学滤波器光栅解调系统所存在的精度与测量范围之间相互制约的矛盾。实验结果表明系统的静态波长漂移量在较宽的测量范围内为2 pm，多项式拟合精度达0.998。

对相位解调相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)系统中干涉衰落问题进行了研究。同一频率多次脉冲扫描显示出相似的衰落波形，而不同光频有不同的衰落波形。通过改进现有瑞利散射随机性和相干性物理模型，推出了瑞利散射系数是激光频率和有效折射率的函数，合理解释了上述实验现象。为了消除干涉衰落导致的系统误报问题，提出了一种基于多频率综合判决的方法，有效地区分并排除了误报，提高了整个φ-OTDR系统相位解调的准确性。

设计了一种基于相移光纤布拉格光栅(PSFBG)的应变传感器。将PSFBG和光纤布拉格光栅(FBG)通过光环形器连接在一起，并且沿着中线对称地粘贴在等强度悬臂梁上。两者共同作为探头的核心传感元件。它们粘贴的位置紧靠中线，从而承受着相同的应变，产生携带信息并且线宽极窄的传感光。通过边缘滤波法解调传感光，最终可以获取应变数值。理论模拟了由参数匹配的PSFBG和FBG产生的传感光谱，实验中获得了线宽仅为101 pm的传感光，实验结论与数值模拟吻合。在应变探头的实验验证中，解调结果与待测信号的线性关系良好，拟合度为0.994，探头的应变分辨率为1.5 με。基于该设计的应变传感器具有高分辨率、低成本、无啁啾等优点，具有很高的实用价值。

提出了一种新型的微结构纤芯的光子晶体光纤，在纤芯中引入10个呈矩形排列的小圆空气孔，包层空气孔呈阶梯渐增结构。采用全矢量有限元法，通过改变纤芯小圆空气孔的大小和二者之间的孔间距，研究了这种光纤的基模模场、双折射、限制损耗和色散特性。研究结果表明，当小圆半径r1=0.225 μm，孔间距Λ2=1.30 μm时，在波长1.55 μm处，双折射为3.22×10-2，限制损耗低至4.92×10-8 dB/m，且在0.6~2.0 μm之间可获得三个零色散点。另外，通过优化纤芯结构参数，在波长1.55 μm处，双折射最大值可达3.45×10-2,损耗最低达2.88×10-9 dB/m。该设计为在光纤通信、光纤传感方面的应用提供了理论基础。

在神光Ⅱ系列装置中，为降低成本和减少示波器、快响应光电管等设备的使用，采用紫外光纤对高功率紫外纳秒激光脉冲进行取样并束测量。对高功率紫外纳秒激光脉冲在光纤中的传输特性和保真传输条件进行了理论分析和模拟研究，并据此选取了不同芯径的阶跃型紫外多模光纤进行实验研究。结果表明，对于芯径为25 μm的光纤，传输纳秒量级的紫外激光脉冲时畸变小，能进行较长距离传输，可以作为紫外激光脉冲的取样传输介质。利用芯径为25 μm的光纤演示了光纤取样传输并束测量实验方案，验证了光纤并束测量的可行性。研究结果为神光Ⅱ高功率紫外激光脉冲时间波形的光纤并束测量提供了理论和实验依据。

采用高温熔融退火法制备了一系列Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃，通过测量玻璃样品的热差扫描(DSC)曲线、吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线，结合计算Tm3+离子的Judd-Ofelt强度参数、自发辐射跃迁几率和辐射寿命等光谱参数，对800 nm激光二极管(LD)抽运下Tm3+离子的1.85 μm波段红外光谱特性进行了研究。结果显示，Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃具有良好的热稳定性，并随着玻璃中Tm3+离子掺杂浓度的增加，Er3+离子1.53 μm波段荧光强度迅速减小，而Tm3+离子1.85 μm波段荧光强度相应增大。对Tm3+离子的1.85 μm波段发光过程分析表明，Tm3+离子红外荧光强度的增强归结于Tm3+3H4→ Er3+4I9/2、Er3+4I11/2→Tm3+3H5及Er3+4I13/2→Tm3+3F4能级间能量传递的结果，由此进一步计算了能量传递微观系数、临界半径和声子贡献比。研究表明，Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃有望作为1.85 μm波段光纤激光器的候选材料.

提出并设计了650 nm波段的全复合材料倒脊型马赫曾德尔热光开关，优化了该热光开关的主要参数，并利用COMSOL和Rsoft软件对器件传输效果进行了理论模拟。该有机无机复合材料为实验室自主合成。由于材料主体为Si-O-Ti刚性无机骨架，热稳定性效果得到提高，并具有较高的热光系数。改变材料中Ti的含量以改变材料的折射率，制得两种不同折射率的该材料，分别作为芯和包层。该材料具有好的成膜特性和可加工性，制作工艺简单。该器件损耗低，并且具有潜在的传感应用。对制作的热光开关进行了测试，得到了良好的近场输出光斑，插入损耗6.5 dB，传输损耗0.85 dB/cm，上升时间为190 μs，下降时间为350 μs，消光比8.5 dB。该热光开关在塑料光纤传输系统中具有广阔的应用前景。

对用于193 nm减反射膜的基底材料和薄膜材料的光学性能进行了解析，同时对沉积技术和主要沉积工艺参数进行了分析与优化选择，并在此基础上进行了193 nm大角度入射减反射膜的设计、制备及检测，实现了入射角为68°~72°范围内单面透射率大于96%，剩余反射率小于1%。同时计算了线宽压窄模块棱镜在镀膜前后的单程能量损耗，肯定了实现大角度减反射膜的必要性。

利用国内首个自上向下热蒸发反射膜的大型镀膜机ZZS3200，开展了2.4 m望远镜铝反射镜镀介质保护膜的研究。根据2.4 m望远镜主镜面型，结合ZZS3200型镀膜机真空室空间几何配置，分析了介质保护膜膜厚均匀性，设计了一款自上向下热蒸发保护膜材料的蒸发舟，开展了铝反射镜的介质保护膜工艺研究。结果表明：蒸发舟蒸发特性接近1， 2.4 m主镜介质保护膜膜厚不均匀性小于13.6%。脱膜清洗效果表明，相比于SiO2保护膜，MgF2保护膜更容易清洗，可减少脱膜对镜面造成的腐蚀，并有更高的反射率, 更适合于2.4 m望远镜主镜。完成2.4 m望远镜主镜镀铝加MgF2保护膜，陪镀片在350～1100 nm波段范围内，平均反射率为87.16％，实测2.4 m望远镜极限星等不低于23.5等。

为了提高临近空间激光通信的信噪比，避免杂散光的干扰，通常采用滤光片对信号进行过滤和采集。针对通信系统滤光片的参数要求，选择合适的薄膜材料，结合制备工艺，对膜系进行设计。采用电子束加热蒸发和离子辅助沉积技术镀制薄膜。采用与膜系评价函数和膜层敏感度相关的数学模型，优化出膜层敏感度较低的膜系，制备的滤光片满足临近空间激光通信链路光学系统的使用要求，并通过了环境测试。

光刻机光瞳整形普遍采用衍射光学元件(DOE)来产生各种照明模式。针对其光学特性的检测需求，提出了一种光刻机光瞳整形DOE远场多参数检测方法。该方法通过对远场光强分布进行转换，可同时获得DOE远场衍射图样的极平衡性、极张角、极方位角、半孔径角和径向光强分布等多种光学特性参数。实验中，对国外加工的产生四极照明模式的DOE进行了远场多参数检测与分析，结果表明该方法可以满足光刻机光瞳整形DOE的检测要求。

为克服测量波片相位延迟量过程中难以精确判定消光位置的缺点，提出相对角度法测量波片的相位延迟量。与传统测量方法相比，不需要通过寻找光强极值点位置来调整光学元件的方位角，消除了方位角定位误差对测量结果的影响，降低了测量难度，提高了测量精度。运用Mueller矩阵对该测量方法进行理论分析，推导出测量公式。实测了适用波长λ=532 nm的1/4波片的相位延迟量，测量结果的平均值和标准差分别为90.072°和0.42°，与波片的标称值和精度相符，很好地验证了测量方法的有效性。

光电振荡器的振荡频率与环路延时密切相关，同时其光学谐振腔由超长的光纤构成，因此有潜力实现大尺寸高精度的距离测量。光纤作为光电振荡器的核心元件之一，其长度不但影响振荡信号的谱纯度，还决定着距离测量的灵敏度。通过分析光电振荡器的工作原理及其进行距离测量的方法，分别得到了光纤长度与光电振荡器的谱纯度以及距离测量灵敏度之间的关系，并使用不同长度的光纤进行实验，验证了分析结果。在振荡频率的测量分辨力为1 Hz时，综合考虑距离测量时对测量灵敏度、振荡信号谱纯度、测量范围的要求以及环境扰动引入的误差，光电振荡器的光纤长度应该在1 km左右。

为了更好地分析光纤陀螺在动态环境下的性能，提出了采用动态Allan方差(DAVAR)的方法全面表征光纤陀螺的动态特性。DAVAR是一种最新提出来分析非平稳信号的方法，是Allan方差法的扩展和完善。针对高精度光纤陀螺进行分析，分别在振动和变温条件下获得实测数据，采用DAVAR计算每个样本的Allan方差，并求得五个噪声系数的二维表示，用来细化和辨识信号动态特征。实验结果表明，DAVAR法可以量化地分析光纤陀螺输出信号中各项噪声系数在动态环境下的变化情况，准确地反映陀螺的动态特性。采用DAVAR分析光纤陀螺信号，可为之后的噪声滤除提供理论支撑和实验依据。

将暗场照明应用到线扫描成像中，提出了一种用于光学元件激光损伤的检测技术。该技术基于相位差分原理，只对引起相位变化的激光损伤区域有响应，因此检测图像具有高对比度。分析了该技术的原理，并从实验上验证了该检测技术的特性。实验研究表明该技术能够获得高对比度和高分辨率的激光损伤图像，且具有快速检测大口径光学元件激光损伤的能力。

光学元件的亚表面损伤直接影响其使用性能和抗激光损伤阈值等重要指标，而造成这些危害的根本原因是损伤引入的光散射。针对K9玻璃光学元件建立损伤模型，结合时域有限差分(FDTD)算法，模拟研究了会聚入射光被光学元件亚表面缺陷如微裂纹、气泡等调制后的光场分布以及光沿纵深方向扫描时探测器所接收的亚表面损伤引入的散射光强变化。研究结果对探索光学元件亚表面损伤的测量方法有重要的理论指导意义。

为了解决机载光电平台与载机间存在相对角位移造成目标定位精度下降问题，设计了一种机载光电平台相对角位移实时测量系统。对现阶段使用的机载光电平台目标定位精度不高的原因以及基于改进的多控制点相机在线标定与姿态测量等理论进行研究。分析了机载光电平台目标定位误差的主要原因；对基于单目视觉理论的机载光电平台相对角位移测量方案进行研究，并以相机标定理论为原型给出了相对角位移测量的数学模型；结合多控制点立体靶标并使用随机并行梯度下降算法(SPGD)与直接线性变换方法(DLT)，给出了三步法求解机载光电平台相对角位移的方法；使用设计的方法对机载光电平台相对角位移进行了测量，给出了实验与仿真结果。实验结果表明：设计的机载光电平台相对角位移测量方法精度优于0.092°，单次测量平均耗时小于0.54 ms，完全满足现阶段机载光电平台相对角位移测量的精度与实时性等相关要求。

针对生物活细胞的观测，基于预放大离轴光路设计和构建了一套倒置式像面数字全息显微成像系统，该系统的全息图记录平面与物体的像面重合，无需光学衍射传播步骤，简化了再现过程。对于引入到相位像中的畸变，采用简单快速的曲面拟合法予以校正；并利用分辨率板对系统实际分辨率进行测定，该系统可以分辨的最小细节信息为0.87 μm。以老鼠的大脑海马区神经元活细胞为成像物体，实现了其在自然状态下的定量相衬成像，清晰观察到了海马区神经元活细胞的胞体、树突等形态结构，获得了细胞形态的基本参数。结果表明，数字全息术可用于神经元等活体细胞的定量形态检测，为生物医学领域的细胞形貌分析提供一种无损的相衬成像手段。

针对机载全波形数据，提出了一种基于随机森林法的点云分类算法。通过全波形分解获得振幅，回波次数以及回波宽度，结合提出的特征提取方法，构建一个多维特征向量并进行特征选择，利用随机森林法将激光点云分为植被,地面以及建筑物三类。通过对比分析随机森林和支持向量机两种分类方法，实验结果表明所提取的特征在随机森林分类中具有良好的稳定性以及高效性，能够在城市分类应用中取得较好的分类效果。

基于外腔半导体可调谐激光器(ECDL)设计了一种结构紧凑的移频激发差分拉曼光谱(SERDS)法的多波长光源，具有15 nm的波长调谐范围，优于0.2 nm的线宽以及最大80 mW的输出功率。提出用多重约束反卷积算法对SERDS差分光谱进行复原处理，可有效抑制噪声。应用SERDS方法对苏丹红I号、罗丹明B、三聚氰胺、乌洛托品等非法食品添加剂进行了测量，证明该方法不仅能很好地去除荧光背景，而且能大幅提高检测信噪比。

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术因具有动态范围大、灵敏度和信噪比高等优点在气体检测领域中日益受到重视，然而检测系统内水对太赫兹波的强烈吸收会对气体解调结果产生严重影响。在常温常压、检测系统内有水气存在的情况下利用THz-TDS技术对不同浓度的氨气进行定量检测，并提出一种比例法浓度解调方法降低了水气对氨气浓度解调的影响。为了验证提出算法的有效性，与直接差分法和湿度补偿法两种浓度解调方法进行了比较。结果表明,当氨气与太赫兹波的作用光程为96 mm时，利用比例法可以使气体检测灵敏度提高为33.0 mg/m3，浓度反演误差控制在48.2 mg/m3以内，相比直接差分法和湿度补偿法浓度反演误差降低达84.6%和77.4%。

设计了一种晶体光轴呈扇形分布的双折射型退偏器，并利用光波叠加的思想，研究了它对单色线偏振光的退偏性能，得到其退偏度的数学表达式。理论分析表明，在退偏器的楔角取值适当大的前提下，退偏度将随入射光振动方位角和光程差做周期变化：方位角为（N /2）π（N为整数）时，退偏度可达100%，不受光程差影响；方位角为（2N+1）π/4 时，退偏度最差；而改善退偏度，可以采用调整入射角的方法。实验测试结果与理论分析吻合较好，调整入射角为4°后，各方位角的退偏度均超过98.84%。因此，该设计具有可行性，而形式简便、意义清晰的分析方法可为该类型退偏器性能的分析提供新的参考。

设计了一套激光光束自动准直系统，能够高速、高精度地自动准直激光输出方向。该系统使用了由小孔衍射放大光束抖动的光路和互补金属氧化物半导体传感器组成的传感模块；系统的信号处理模块是以现场可编程门阵列芯片为核心的电路装置，可实现高速计算和反馈控制功能。软件方面，采用了自动定标的算法来确定自动准直过程中所需的驱动信号，可以使光路调节过程中的水平和竖直方向解耦合，提高了调节的精度和速度。该算法可以实现更高程度的自动化控制。设计了实验以验证自动准直系统性能，结果表明，该装置的调整精度为2.5 μm，反馈控制频率约为1 kHz，可显著降低频率在1 kHz以下的光束抖动。

为满足天基紫外跟踪观测需求，设计了一套紫外跟踪详查系统，该系统由跟踪相机与详查相机两部分组成。利用望远系统与中继透镜结合的方式实现双视场与双角分辨率。望远系统采用曼金卡塞格林结构，口径为100 mm，焦距为605 mm。跟踪系统波段范围为250~400 nm，跟踪相机视场为2.5°×1.9°，角分辨率优于180 μrad，详查相机波长范围为200~360 nm，视场角为0.15°×0.11°，角分辨率优于13 μrad。利用光学软件设计并进行分析，跟踪相机与详查相机各视场调制传递函数分别高于0.9和0.8，满足设计指标要求。

给出了偏振编码副载波复用量子密钥分发方案中的信号边带严格的表达式，并分析了调制过程中量子误码率的主要来源。基于此提出了一种基于双光纤布拉格光栅的量子密钥分发滤波方案，该方案采用两个光纤布拉格光栅反射端对向放置的结构设计，利用其极窄的反射谱将所需的信号频率从较强的杂波频率中滤出。仿真结果表明，该滤波结构能够有效地滤除副载波复用量子密钥分发系统中信号频率以外的互调边带，从而降低量子误码率。

采用基于稀疏限制的鬼成像技术(GISC)框架模拟研究了散斑场中散斑强度分布对成像质量的影响以及重建过程中所需要的采样次数与散斑尺寸和目标稀疏性的关系。数值模拟结果表明，光斑强度分布对成像分辨率影响较大，高斯散斑优于相同直径平顶散斑，且高斯分布散斑更适合于实际应用。当散斑尺寸小于图像的分辨率时，所需的采样次数只跟图像的稀疏度有关，而与图像的具体分布方式无关；当散斑尺寸超出目标自身的分辨率时，获得相同成像质量的图像(以较低分辨率图像为准)所需要的采样次数与散斑直径的平方成反比。模拟验证采样次数与目标稀疏性的关系，并给出和验证了具有灰度的自然目标图像的稀疏度计算公式。