光镊技术是激光技术的重大发明，能利用光的动量与物质相互作用产生光势阱效应，已成为微纳米微粒操控和皮牛顿力测量的重要工具。光镊技术不仅丰富和推进了光学领域的发展，也为光学与多学科的交叉融合架起了一座桥梁，彰显出了它独特而不可替代的作用。综述回顾了30 年来光镊理论和技术的发展，系统梳理了光镊在细胞生物学、单分子生物学、软物质胶体科学以及物理纳米科学等领域的应用，并列举典型的应用实例，探讨了光镊技术应用的特点，展望了光镊技术应用蓬勃发展的美好未来。

在Pound-Drever-Hall激光稳频方法中，有限元分析被广泛地用于优化光腔的加速度敏感度。在对腔体支撑进行建模时通常采用两种方式，即直接在腔体表面上取几块小区域进行约束或者使用刚性材料作为支撑。这里将有限元分析应用于更接近实际情况的采用软性材料支撑的腔体。采用软性材料支撑时，腔体受力后会出现较大的整体转动，干扰了腔长变化的计算。为此引入一种旋转坐标系的方法，该方法能够扣除掉腔体的整体转动效应。分析了一种软性材料支撑的长方体腔的加速度敏感度，并将之与直接在腔体表面上取几块小区域进行约束时的结果进行了比较，发现两者存在一定的差异。讨论了采用软性材料支撑时摩擦系数的设定和相应的支撑结构的建模方式。

针对全反射棱镜式激光陀螺在跳模前后性能下降的现象，系统地研究了全反射棱镜式激光陀螺稳频特性。在对小抖动调制下光强调谐特性和稳频伺服部件理论分析的基础上，建立了全反射棱镜式激光陀螺稳频系统数学模型。给出了稳频精度与加热器电压和环境温升的一般关系及最佳跳模门限的理论计算公式。分析结果表明，环境温升速率的增大和加热器电压的降低会导致稳频性能下降，最佳跳模门限随环境温度的升高而增大，在全温范围内固定跳模门限会导致跳模后稳频性能衰减。采用变增益Ⅱ型系统稳频与最佳跳模门限设置，可以有效消除在跳模前后陀螺性能下降的现象，陀螺精度相应提高了40%以上。此分析结果为提高全反射棱镜式激光陀螺的性能提供了重要参考。

在考虑中红外高反膜系的非均匀吸收情况下，利用ANSYS 有限元分析软件，建立了带高反膜系的变形镜模型。定量分析了连续激光辐照下，变形镜的温升、热形变及其对光束质量的影响。研究结果表明，在使用有限元软件进行分析时，高反膜系的非均匀吸收不可忽略；变形镜极头间距越窄，热形变带来的波前畸变空间频率越高；当入射波前峰谷(PV)值与变形镜热形变面形PV 值相差不大时，热形变带来的影响最明显；在总吸收能量一定的情况下，入射激光功率越大，热形变对光束质量的影响越明显。此外，针对不同的换热条件，讨论了变形镜热形变对光束质量的影响，进而针对热形变的产生机理，提出采用局部换热方式降低变形镜的热形变。

抽运耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件，可以将多路抽运光高效率地耦合进双包层光纤中，从而为光纤激光器提供所需的抽运功率，所以抽运耦合器是研制高功率光纤激光器首先要解决的问题。采用氢氧焰熔接方法，研制了一种高功率侧面抽运耦合器，在最大抽运功率为100 W 时，耦合效率94%，信号光插入损耗0.15 dB，附加损耗0.2 dB，主光纤分光比99%，方向性22.5 dB。利用该耦合器搭建了百瓦级光纤激光器，当总抽运功率为185 W 时，在1080 nm 处获得的激光输出为103 W，光-光转换效率为56%。该高功率侧面抽运耦合器可用于输出功率为百瓦级和千瓦级的高功率光纤激光器。

基于腔内振荡激光波前曲率半径自再现条件，研究了腔内元件离焦对非稳腔腔内振荡激光参数的影响。在4片薄片串接的放大率为1.8的虚共焦非稳腔中，根据实验测量不同抽运功率下薄片的离焦量，当单个薄片具有焦距为-100 m 离焦时，激光-增益区交叠效率会降低9%，腔放大率升高至2.3，并因腔内激光尺寸与薄片有效孔径失配新增30%的腔内损耗，这些影响均会导致激光光光效率的降低。对比了几种离焦补偿方法，发现腔内插入变焦透射元件可以在大动态范围内实现较好的补偿效果。实验中，在腔内插入特别设计的光焦度可在- 0.016 m-1 到0.060 m-1调节的变焦透镜组，在4840 W 抽运条件下，离焦补偿后输出激光功率可以提升2.33倍，并且通过检测单程探测光束的波面特性，对激光器动态补偿，实现了1~100 Hz重复频率下单脉冲能量10 J激光输出。

在以准分子激光为光源的步进扫描投影光刻机中，为了精确控制曝光剂量，需要用能量探测器实时、精确地监测单个激光脉冲的能量。研制了一种主要由聚光镜、积分棒、特殊晶体、滤光片、光电探测器和信号处理电路组成的准分子激光脉冲能量探测器；提出采用二阶有源低通滤波电路对窄脉冲信号进行整形处理以降低后续信号处理的难度；搭建测试装置对所研制的能量探测器进行了性能测试。测试结果表明，能量探测器输出的脉冲信号时间参数的实测值与设计值的相对误差约为3%，且其响应时间满足4 kHz高重频的应用要求；采用双光束比对法消除准分子激光单个脉冲能量波动对测试结果的影响，得到能量探测器的测量重复性为0.26%，在入射光束脉冲能量为0.1~1 μJ 的动态范围内具有良好线性，其线性拟合方程为V=0.59841E-0.01508，相应的线性相关系数R2=99.976%。测试结果证明二阶有源低通滤波电路可以实现窄脉冲信号整形；设计的能量探测器具有良好的重复性和线性，可用于光刻机中高重频准分子激光单个脉冲能量的精确测量。

搭建了1018 nm 全光纤激光系统，实验研究了增益光纤长度、光纤布拉格光栅的反射率以及增益光纤的芯包比等参数对1018 nm 激光性能的影响。实验研究表明：对于双包层掺镱光纤，可通过减小增益光纤长度使短波长激光获得更大增益，进而实现1018 nm 激光输出；通过增加低反布拉格光栅反射率和增益光纤芯包比可以更好地抑制自发辐射以及提升激光器的效率。基于15/130 μm 的国产双包层掺镱光纤，在1018 nm 波段获得了大于150W 的激光输出，光光转换效率为71%，自发辐射得到了有效的抑制。

利用Nd:YAG 激光器产生的1064 nm 激光束(光斑直径为100 μm，脉冲能量为60 mJ，脉冲宽度为200 ps)聚焦击穿大气形成激光大气等离子体。采用全息干涉技术对激光击穿空气等离子体的电子密度分布进行了诊断，获得的无限宽条纹图直观反映了位移量的等位线，从有限宽条纹图获得了电子密度的分布，结果表明激光大气等离子体中各种离子和电子呈橄榄形分布，即沿激光束方向不对称，而垂直激光束方向对称分布，且最大电子密度为1018 cm-3量级。

设计了一种高效率、结构紧凑的高功率激光放大器。采用解析方法分析了对称结构Nd:YAG 双包层平面波导增益介质的内部热应力，获得了其可承受的最大抽运光强。针对不同厚度的内包层结构，采用TracePro软件模拟分析得到了最佳的抽运源结构和耦合系统。为了便于进行激光模式控制，掺杂区厚度取为100 μm。内包层和外包层分别为纯YAG和蓝宝石，整个波导尺寸为60 mm×10 mm×2 mm。半导体激光器阵列输出的抽运光从波导的两个端面进入，两个大面和铜热沉焊接来获得良好的散热条件。种子光从一个端面注入，单通放大输出。通过模拟计算，在3384 W的抽运功率下，进入波导芯层的种子光功率为0.1 W，放大输出功率可以到达1322 W，光光效率约为39%。

利用Fluent软件，以N-S方程和RNG κ-ε 模型为基础，采用离散相模型,对风刀吹扫去除传输镜表面颗粒物污染物的流场，以及吹扫去除过程中颗粒物的运动轨迹进行了模拟，并基于模拟仿真结果搭建了颗粒物污染捕捉和收集的装置，最终提高了传输镜表面污染物的清除效率和洁净度，并且在一定程度上避免了吹扫过程中污染物颗粒进入周围环境以造成对其他光学元器件的污染。

采用中心波长为852.3 nm、线宽为0.17 nm 的光纤耦合半导体激光器作为抽运源，室温下充入60 kPa 氦气和20 kPa 乙烷、5 mm 长的铯蒸气池作为激光增益介质开展了端面抽运铯蒸气激光实验研究。蒸气池工作温度为107.6 ℃时，改变输出镜反射率优化铯激光输出性能，获得最佳输出镜反射率为48.79%。连续抽运模式下，注入抽运功率为4.76 W 时获得1.16 W 的894.57 nm 连续激光输出，斜效率为28.8%，光光转换效率达24.4%；脉冲抽运模式下，注入抽运功率为14.1 W 时获得了2.5 W 稳定铯激光输出。

针对近红外(800 nm)及其二倍频(400 nm)飞秒激光脉冲在金属钼表面诱导产生周期性条纹结构的情况进行了研究，分析比较了入射激光能量、脉冲重叠数、激光中心波长和加工氛围等实验参数对金属表面自组织形成的条纹结构空间周期的影响，并利用中心波长为400 nm 的飞秒激光在水环境中于单晶钼表面制备出了空间周期仅约160 nm 的条纹结构。同时针对水中加工的情况,在理论上提出了入射激光与表面等离子体波发生干涉和表面等离子体波形成驻波两种机制相互竞争的物理模型，很好地解释了实验现象，对于深入理解飞秒激光在金属表面进行纳米尺度的加工制备具有重要意义。

镁/钛异种金属既不反应也不互溶的特性制约着两者之间的冶金结合和可靠连接。为解决这一问题，通过中间预置铝(Al)箔对镁/钛实施激光搭接焊。调整焊接工艺参数获得较好的焊缝成形，并对界面元素扩散及连接机理进行研究。结果表明，Al中间夹层的添加能很好地改善镁/钛界面的润湿铺展，促进了界面的冶金反应。当添加的Al中间层厚度为50 μm 时，接头载荷是未添加的1.8 倍，达到1010 N/cm。界面组织分析表明在激光直接辐照区形成了一定厚度的AlTi3相，其余部位为Ti基化合物( α -Ti)。焊缝中第二相数量随着Al夹层厚度的增加而增多，当形成网状结构时造成焊缝变脆，降低接头拉剪载荷。

针对激光填丝焊过程中的焊丝对入射激光能量的反射、匙孔不稳定、光丝对中精度要求高等问题，以铝合金为材料，对比研究了激光液态填充焊与激光填丝焊的填材熔化与填充特性。结果表明，激光液态填充焊中焊丝依靠电弧的作用熔化，液态金属依托底部固态焊丝的导向流入到熔池中，填充过程连续稳定，降低了焊丝对入射激光能量的反射。相比激光填丝焊，熔化的焊丝端部距离匙孔边缘较远，避免了填材对匙孔的直接冲击，而且熔池尺寸较大有利于气泡逸出，降低了铝合金气孔率，明显提高了高速焊、送丝精度的适应性。

为了满足微型塑料件(PMC)的高效率和高质量成型加工，提出了基于CO2激光定位辐照的微型塑料件融化成型方法。采用有限元软件Comsol数值模拟激光辐照过程中的试样温度变化，研究试样二维和三维瞬态温度场及其分布特征，分析激光参数对温度变化的影响，探讨工艺参数对成型质量影响规律。数值模拟和实验结果表明，选择适当激光参数可以满足试样温度在整体融化范围，温度越高则成型精度越好，成型压力远低于传统的注塑和热压成型；采用定位辐照融化方式可以获得复制精度较好的成型件，表明微型塑料件的激光融化成型具有可行性和有效性。

以TC4钛合金激光立体成形件及锻件为研究对象，采用不同热处理制度对TC4 钛合金激光立体成形件进行处理得到不同的热处理组织，并采用超声波无损检测方式获得超声波纵波声速和衰减系数，明晰超声参量和显微组织的相互作用机理。结果表明，不同的显微组织具有不同的超声波纵波声速和衰减系数；相比超声波纵波声速而言，衰减系数对TC4钛合金激光立体成形显微组织的变化更为灵敏。

采用同轴送粉激光近净成形系统，研究同轴送粉粉末分布特征，开展氧化铝(Al2O3)陶瓷薄壁件成形实验，结合粉末分布密度函数分析光斑直径和激光功率对激光近净成形Al2O3陶瓷薄壁件表面形貌的影响。结果表明，同轴送粉粉末成双重高斯分布，激光光斑大小影响光束直接辐照粉末量，进而影响薄壁件表面形貌，光斑大小与光束直接辐照粉末量成高斯积分函数；增大激光功率可减弱高斯分布粉末对激光能量分布的影响，有利于获得较好的表面形貌，但激光功率过大会导致薄壁件表面形貌变差；采用合理的工艺参数成形的Al2O3陶瓷件相对密度可达99.72%。

利用飞秒激光辐照结合湿法腐蚀方法，制备了高纵横比硅基狭槽。首先利用透镜聚焦飞秒激光至硅片表面，在硅内部诱导结构变化；再结合氢氟酸(HF)溶液选择性腐蚀去除结构变化区域，从而制备出高纵横比硅基狭槽；最后，通过光学显微镜和扫描电子显微镜对狭槽形貌进行表征，研究了狭槽纵横比对激光加工条件如激光功率、扫描速率和数值孔径的依赖特性。结果表明，激光加工条件对于制备高纵横比硅基狭槽存在最优选择。通过优化激光加工参数，可制备出深度为291 μm，纵横比为25.3 的硅基狭槽。相对于显微物镜，透镜的工作距离较大，加工过程可以避免镜片污染，且具有成本低，通光孔径大等优点。

激光治疗的研究和临床应用缺少有效反馈指导，导致治疗效果高度不稳定，针对这一问题提出激光辐照与扫频光学相干层析成像(OCT)系统整合以实现组织光热作用过程中的实时监测。利用OCT 的M 模式成像，采集激光照射过程中皮肤样品同一位置随时间变化的干涉光谱信号，测量信号深度分辨复反射率，通过其幅度和相位变化分析来探测热效应诱导组织变形过程中光散射中心位置和轴向位移的变化，并基于OCT 散射模型获取组织在激光辐照过程中光衰减系数变化信息，从而实时监测热损伤边界和损伤程度的演变。实验结果显示在一定的激光功率辐射下，随着激光作用时间的增长，组织出现热凝固坏死，热损伤边界单调下移，伴随损伤加重组织光衰减系数非线性增加。通过与光学显微、组织染色切片检测的对比分析进一步验证了该技术应用于精确监测和指导光热治疗的可行性。

搭建红外波段双波长(1940 nm 和980 nm)激光诱发痛觉刺激系统，探索基线温度控制、激光吸收导热涂层、致痛区域控制对痛觉刺激效果的影响。利用热电偶测温模块实时监测基线温度控制及涂抹20%氧合血红蛋白溶液时离体猪皮皮肤表面温度的变化；利用滤光片实现致痛区域控制。利用1940 nm 激光模块实现了40 ℃基线温度控制，结合980 nm 脉冲激光模块完成了联合痛觉刺激实验；皮肤表面涂抹20%氧合血红蛋白溶液时温降时间(110 ms)远低于空白对照(1.2 s)和风冷散热(341 ms)，可提升痛觉信号质量；列举了三种不同尺寸滤光片下的温度场分布情况，证明了致痛区域的可控性。双波长红外激光诱发痛觉系统提出的三种技术对痛觉刺激效果有较好的促进作用，证明了这种痛觉刺激模式的可行性和可信性。

提出一种几何蒙特卡洛方法(GMC)，利用光子位置与物质界面间的几何关系在整个计算区域而非单个网格内计算光子传输。计算区域无网格离散，光在物质界面处的传播严格依据其实际过程进行，消除了网格蒙特卡洛方法(VMC)中的光传播误差并大幅提高了计算速度。对于包含单根血管的情况，采用10 μm 网格，GMC 的计算速度约为VMC 的25 倍。利用GMC 方法计算了激光在多根同轴血管簇皮肤组织模型中的能量沉积，发现血液体积分数不变时，血液能量吸收特性对血管分布的依赖性随着血管数量的增加而降低。当血管数量为20 根时，不同血管分布下血液能量吸收最大变动率不超过4%。这表明可以通过假设的血管分布开展研究而无需考虑真实的复杂血管结构，具有重要的实际应用意义。

利用平面波展开法计算GeSbSe 基质光子晶体带隙，研究光子晶体波导中带隙与空气孔(或介质柱)半径的变化关系，并结合光子晶体波导的工作波长，设计出周期为500 nm，半径为150 nm 的三角晶格空气孔型GeSbSe 光子晶体波导。采用时域有限差分法模拟所设计的直线型光子晶体波导和60°弯曲光子晶体波导的传输特性，模拟结果显示在传统结构光子晶体波导中，直线型光子晶体波导具有很高的光学传输效率，但在60°弯曲型波导中的传输效率较低，分析原因为光子晶体波导直线区域与弯曲区域光的传播模式不同。因此对60°弯曲型GeSbSe光子晶体波导进行了结构优化，优化后的光子晶体波导可以在较宽的波长范围内具有很高的传输效率。

针对通过双光纤直接拉伸法获得的腰区直径达到波长甚至亚波长尺度的微纳光纤耦合器(OMC)进行了制作与实验研究；实验结果显示，当OMC 的腰区直径小于2.5 μm ，其腰区耦合功能将消失，OMC 将成为具有合束和分束功能的四端口微纳光纤(FPOM)；通过在线监测样品拉制过程、工作稳定性测试、波长扫描等实验方法，分析并界定了OMC 和FPOM 的光学特性差异；采用基于光吸收制热效应的全光调制方法，分别对OMC 和FPOM 的光调制能力进行测试分析；FPOM 具备稳定的光学传输特性，其分束比对波长、温度、传输光功率波动等物理参量不敏感，可用于微纳光子器件的集成；而经过结构优化设计的OMC 不但可以用于温度、振动等传感研究，还具备作为全光调制器的潜力。

为改善微波光子链路的动态范围，提出了一种基于双波长双并联调制的线性化方法。仿真分析了激光器输出光功率漂移对该线性化链路无杂散动态范围的影响，结果显示基于现有的商用器件即可实现该线性化方法。此外，实验对比了单调制器基本链路和双波长双并联调制线性化链路的性能。实验结果显示，线性化后，链路的压缩动态范围提高了1.5 dB，无杂散动态范围提高了15.6 dB，其中无杂散动态范围可达到122.5 dB·Hz4/5。该线性化方法简单、易实现，为光链路动态范围要求较高的应用领域提供了一种很好的解决方案。

介绍了一种采用新型调制解调方案的全光纤电流互感器。该方案采用归零方波调制相位调制器，以正弦波信号作为本振信号实现模拟相干解调，对采样信号做数字信号处理(有限脉冲响应滤波、滑动平均滤波)完成阶梯波反馈补偿并实现电流闭环检测。对实验结果的分析表明，该方案能实现大电流闭环检测，在室温条件下、额定电流1000 A 时达到IEC 60044-8:2002标准0.2级，具有实际应用价值。

大气湍流和天气条件势必影响无线光通信所传输的光信号质量，增加系统误码率，减小通信距离。实验基于现场可编程门阵列(FPGA)和AD9788设计了无线光副载波16进制相移键控(16PSK)调制模块，搭建了基于副载波调制的无线光通信系统，并在4 种不同天气条件(阴、小雨、中雨、小雪)下进行了通信实验。对比分析了接收端信号的星座图、误码率、眼图和功率谱，其中阴天星座图相位信息聚敛性明显，误码率约为2.9×10-3，而雪天相位信息弥散；四种天气下功率谱曲线在载频处功率均最大，且阴天和小雨功率谱曲线抖动小、更光滑。实验结果验证了所设计的16PSK 副载波调制无线光通信系统实现点对点通信的可行性。

根据实验现象，提出了计算力学剥蚀的模型和判据，将剥蚀过程分解为材料分层和层内断裂两个过程：对分层过程利用激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的热力学模型计算，对层内断裂过程用板壳模型计算。利用实验结果验证了模型的合理性，计算结果表明，力学剥蚀过程极大地降低了烧蚀穿孔所需的能量，对激光辐照效应影响很大；功率密度较低时，烧蚀效率较高。

针对高功率射频板条CO2 激光器铜电极表面放电氧化、受射频放电的电子溅射，致使电极表面不光滑，辉光放电不均匀，光波导损耗严重等问题。利用Al2O3波导介质膜具有的反常色散效应、耐高温能力强的特点，采用磁控溅射镀膜技术对激光器电极表面先镀Al，而后阳极氧化获得Al2O3 波导介质膜。分析了磁控溅射工艺对膜层结构的影响，测量了镀膜电极对CO2 激光的反射率，并进行了放电实验检测。结果表明，溅射功率为250 W 时可得到致密的镀膜层结构；厚度6 μm 的Al2O3 薄膜，对波长10.6 μm 的CO2 激光波导反射率最高达75%；电极镀膜后激光器输出功率在占空比为30%时为700 W，占空比为60%时达到了1300 W。

以离子束溅射沉积(IBSD)方法制备了Al2O3、Nb2O5单层膜，用红外可变角度光谱椭圆偏振仪(IR-VASE)测试了薄膜的光学常数。用原子力显微镜(AFM)测量了单层膜的表面形貌及表面粗糙度，计算了单个表面的总积分散射(TIS)。以Nb2O5 和Al2O3 为高低折射率材料设计并制备了2.7 μm 高反射膜。最后对单层膜进行了环境实验检测。结果表明，制备的薄膜在中红外波段具有高的折射率和低的消光系数，光滑的表面特性和极低的表面散射损耗；在2.7 μm 波段没有发现由于水吸收导致的消光系数的增大；制备的反射膜在2.7 μm 反射率达到了99.63%，接近于理论计算值。薄膜顺利通过了一系列环境实验，显示其优良的环境稳定性。

为了实现液晶可变延迟器(LCVR)对不同波长入射光相位延迟的精确控制，发挥其在光信息和光学测量领域的应用优势，对其双折射色散特性进行了研究分析。根据折射率椭球理论分析了LCVR 对入射光的双折射色散满足柯西色散关系；分别测量了LCVR 对532、635、670 nm 激光在不同驱动电压值下的延迟量；讨论和分析上述测量结果，求解出LCVR 满足的柯西色散经验公式的系数，利用归一化的方式确立了色散定标方法，并用650 nm 激光进行了实验验证。实验结果表明，LCVR 对不同波长的入射光存在双折射色散；650 nm 激光延迟量的实测值与双折射色散定标值偏差不大于0.007λ ，定标方法准确可行。

衍射波前质量是刻划光栅的重要性能指标之一，对于机械刻划光栅，刻划机的刻线定位精度直接影响光栅的波前质量。建立了刻划机固有存在的刻线位置和转角误差与光栅衍射波前误差间的数学关系，分析了各误差对衍射波前质量的影响。针对该误差设计了一种基于双频激光干涉测量的刻划机刻线位置和转角误差测量的光路，并提出了一种主动控制技术，即采用单压触动器校正刻线位置和转角误差的方法。根据该校正方法设计了刻划机的双层光栅承载工作台结构，并进行了尺寸为80 mm×60 mm、刻线密度为194 line/mm 的光栅刻划实验。实验结果表明，刻划光栅的衍射波前误差由0.23λ 降低至0.093λ (λ = 632.8 nm) ，并且原子力显微镜测试光栅刻槽质量符合理论设计要求。

在介绍哈特曼波前分析仪工作原理的基础上，分析了哈特曼探测器微孔阵列面与CCD 面间距LH 参数校准的必要性，提出并讨论了用已知斜率的平面波校准LH 参数，并将平面波斜率值精确溯源至点光源位移量的校准方法。依据此校准方法，实际校准了一台哈特曼波前分析仪，给出了LH 参数的校准值。用校准过的哈特曼波前分析仪测量了三种不同曲率半径的球面波前，与软件构造的相同曲率半径的理想球面波前作比较，波前测量精度达λ/35 ，波前像差PV 值达λ/7 。该实验结果表明，哈特曼波前分析仪校准结果是准确的，校准方法是有效可行的。

椭圆偏振器是一种非常重要的偏振态调制器件。采用线偏器与波片组合方式设计，通过各部件间方位的补偿调整来满足不同波长或椭偏度的需求，波长调整范围大，输出状态稳定，具有较高的实用价值。由偏光矩阵和邦加球理论可知，器件间方位、相位以及波长间存在着规律性关系，匹配相关条件能够影响不同波长下的偏振光状态。此设计由一个宽频透射的偏光棱镜和两个完全一致的“零级”波片组成。棱镜保证了入射光偏振方向的稳定性，波片承担了波长的选择和椭偏度的改变。研究表明材料特性限制了应用范围。云母波片设计的应用波长范围为300～1400 nm，连续调整波长范围700 nm。

为了实现大空间几何量测量的全局定向和精度控制，需要在空间内构建精密三维坐标控制场。目前，利用激光跟踪仪单站建立坐标控制场是最有效手段，但面对局部更高的测量精度需求，必须减小全局定向过程中的转站误差，增强区域的控制场精度。利用激光跟踪仪干涉测距精度高的特性，并用跟踪仪靶球座配合碳纤维杆现场构造多个空间长度基准(微米量级精度)，长度基准可灵活布置于所需空间区域，作为约束加入到跟踪仪多站位对控制点的冗余测量过程当中，从而克服单站空间遮挡问题并优化跟踪仪测角误差，进一步提高所构建长度基准的控制点坐标精度，实现区域测量场的精度增强。实验结果表明，该方法可使全局定向精度在10 m 测量范围内优于0.04 mm，进一步满足现场大空间几何量测量的高精度要求。

提出了一种适用于彩色图像的局部不变特征配准方法。特征点提取阶段，提出了快速分割测试特征颜色差异(CDoFAST)特征点检测方法，计算图像的颜色不变量，以此为输入在尺度空间检测FAST 极值点，在极值点附近对高斯差分算子(DoG)值进行插值和拟合，以最终确定特征点的位置和尺度。特征描述符生成阶段，提出了一种新的彩色二进制局部不变特征(CBLID)，采样点邻域结构类似于人眼视觉的重叠，通过统计方向图生成二进制链码，具备旋转、尺度缩放、光照不变性和抗噪性能。通过计算汉明距离进行匹配并结合随机抽样一致性(RANSAC)算法去除误匹配点，计算出待配准图像间的变换关系。实验表明，所提算法针对彩色图像能够获得比传统的尺度不变特征变换(SIFT)、快速稳健特征(SURF)和DAISY 更高的配准精度，同时算法的运行时间也较短，在测试图片上耗时仅为SIFT的10%和12%。

提出了一种结合轮廓转动惯量和特征包(BoF)算法的激光主动照明目标识别方法。介绍了转动惯量的定义，并提出了一种多尺度轮廓转动惯量特征区域检测方法和轮廓转动惯量局部不变特征提取方法。多尺度轮廓转动惯量特征区域检测方法能够提取出包含轮廓的最小特征区域，而轮廓转动惯量局部不变特征能够很好地描述轮廓的大小、位置、规则度等信息，对于各种图像变换具有不变性，并且计算效率较高。使用BoF算法统计图像的轮廓转动惯量局部不变特征，生成归一化特征直方图作为整幅图像的特征向量，输入训练好的支持向量机分类器进行识别。实验结果表明与基于Hu 矩和BP 神经网络的目标识别方法相比，所提算法在旋转和仿射变换下的识别率分别提高7.33%和19.08%。

利用Nd:YAG 激光器产生10 Hz 的1064、532 和355 nm 激光束作为光源，研制了用于对流层大气气溶胶探测的全天时多波长激光雷达，实现了溶胶Mie散射信号在紫外、可见和红外三个波段的精细分离和提取。通过小孔光阑和窄带干涉滤光片对背景光的强烈抑制，实现了全天时探测。通过对三波长Mie 散射信号日间和夜间探测信噪比数值仿真和实际探测信噪比分析，得出日间探测时532 nm 的信噪比最低，夜间探测时355 nm 的信噪比最低，这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为1时的数据，得到该系统日间探测高度可达8~10 km，夜间探测高度可达10~12 km。对西安地区晴天、多云天和雾霾天的初步探测结果表明，该多波长激光雷达的性能完全能够满足对流层内气溶胶粒子的全天时和不同天气情况下的探测要求。

研制了应用于中高层大气(15~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)的双模式数据获取系统(DMDAQ)。该系统技术指标达到国际先进水平，不仅满足了中高层大气多普勒测风激光雷达线性动态探测范围大、时空分辨率高的技术要求，而且以其集成度高、可重构的特性满足当前车载DWL 研制中小型化和更新升级的需要。为了验证该数据获取系统的性能，进行了风场观测对比实验。结果显示，车载DWL 系统对风场观测的结果与气球探测结果在重叠区域(15~35 km)上基本一致。同时，对车载DWL 系统的实时回波信号分析显示，在60 km 探测高度上的风速测量精度为6 m/s。

结合距离选通技术在机载激光主动成像中的应用，对距离选通模型参数的时序关系进行了分析，得出了大气后向散射范围和单位截面的脉冲前点和后点时刻；给出了大气后向散射光强计算方法，并对机载激光主动成像斜程探测距离进行了修正；利用散射截面上点的物像关系，建立了探测成像系统光路图，给出了散射截面反射点与增强电荷耦合器(ICCD)探测器面接收点位置光强的对应关系；通过数字仿真分别得到水平和斜程探测器面光强的变化规律，以及像面上的光强分布情况；搭建了外场实验平台，得到实测结果与仿真结果的数据相对误差基本控制在5%以内，具有很好的符合程度，实测结果验证了所建模型的实效性。

为实现室外模糊红外图像对比度增强，提出一种基于去雾模型的红外图像增强方法。结合红外图像特点，对可见光去雾增强方法进行改进优化。采用三级高斯金字塔分解扩展实现图像快速均值滤波，获取透射率粗估计；通过图像统计信息自适应细化透射率，恢复出无雾图像；针对无雾图像整体亮度较暗现象，进一步采用背景抑制的分段对比度增强。实验结果表明：增强后图像细节信息突出，层次感丰富，人眼视觉效果良好。客观测评结果表明，该算法能有效增强红外图像对比度。嵌入式平台测试耗时28ms，可以实现实时红外图像增强处理。

针对遥感图像融合中，不同地物区域对空间与光谱信息要求不同的问题，提出了一种基于显著性分析的自适应遥感图像融合算法。结合多尺度谱残差分析模型，将遥感图像分为纹理、边缘丰富的显著区域与纹理、边缘较少的非显著区域，对显著性不同的区域采用不同融合算法。针对居民区、道路等纹理、边缘信息丰富的显著区域，采用窗均值亮度色调饱和度(IHS)变换，较好地保留了空间细节；针对农田、山地等非显著区域，采用基于小波变换的融合策略保留较多光谱信息。实验结果表明，新算法能使融合结果中的显著区域保留更多空间细节，非显著区域保留更多光谱信息，为今后的遥感图像融合研究提供了一定的理论与应用价值。

为了减少机载激光雷达(LiDAR)系统中系统误差和随机误差造成的航带间三维(3D)空间偏移，提高数据精度，选取基于数据驱动的“六参数”航带平差方法，实现无人机机载激光雷达系统的航带拼接。在分析了机载激光扫描系统的数据特征的基础上利用改进的3D 正态分布变换(3D-NDT)进行航带配准，得到航带间的变换关系参数。通过具体实验对常见的迭代最近点(ICP)算法与3D 正态分布变换算法进行比较，验证了该方法实现航带拼接，具有速度快、精度高、稳健性好等特点，非常适合于工程实际应用。

基于大气分层时域信号生成模型(feuilleté model)进行非平稳信号的仿真。引入时-频域联合分析方法反演风速，对非平稳风速模型下的仿真回波信号进行算法处理研究。基于实际系统参数，分别在线性剪切风速和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真回波信号。对仿真信号作Wigner-Ville 变换，通过分析信号时频变换后的能量峰值在时频面内的分布来反演风速。采用多组脉冲累加平均的方式来减少因散斑噪声、交叉项等因素造成的反演风速的波动。结果表明，利用时-频域联合分析方法可以快速反演出风速信息，无需对探测范围进行距离门的划分；对多组信号的时频变换结果做累加平均处理后，反演风速的波动减小，与输入风速的一致性得到了明显的改善。

采用电解法制备新型、高效纳米银膜作为近红外表面增强拉曼散射(NIR-SERS) 基底，检测了22 例健康女性和22 例宫颈癌患者氧合血红蛋白的NIR-SERS 光谱。对比宫颈癌患者与健康女性氧合血红蛋白NIR-SERS 光谱，发现两者区别明显。利用多变量统计分析方法得到宫颈癌患者与健康女性氧合血红蛋白的NIR-SERS光谱在472、662、720和1209 cm-1谱峰处区别最为明显，诊断的特异性与灵敏度均为86.4%。由谱峰归属分析得知，宫颈癌患者血液中高铁血红蛋白吡咯环折叠振动、氧合血红蛋白吡咯环的对称变形振动、反对称变形振动和吡咯环间CmH 基团的变形振动等振动模式与健康女性相比有明显的减少。研究表明，NIR-SERS 技术结合多变量统计分析方法可以较好地区分宫颈癌患者和健康女性氧合血红蛋白，有望发展成为一种新型的宫颈癌临床诊断工具。

为了实现红外光学系统的被动式无热化，设计了挠性压圈，建立了有限元分析模型，对透镜表面的接触应力和挠性压圈结构参数的灵敏度进行了研究。首先，根据光机结构的无热化要求介绍了挠性压圈，对两种常用的挠性压圈进行了热变形分析；然后，在分析挠性压圈的灵敏度系数的基础之上，对单透镜组件设计了相应的挠性结构，说明了挠性构件在被动式无热化中能够减小透镜表面的接触应力以及增加对镜座材料的选择；最后，将挠性压圈应用在三片式透镜的光学系统当中。通过分析计算，当调制传递函数(MTF)的空间频率为10 lp/mm 时，挠性压圈作用下的三片式光学系统的MTF 能够达到0.5 以上；普通压圈在60 ℃和-20 ℃的像面离焦量分别为4.765 mm和-6.312 mm，而相同温度下挠性压圈的像面离焦量分别为1.261 mm 和-1.563 mm。基本满足了红外光学系统的被动式无热化要求。

为了研究不同杂质颗粒物对划痕的影响及其大小与划痕形貌之间的关系，在钕玻璃抛光过程中分别引入三种尺寸的金刚砂、氧化铈团聚物和用过的抛光粉作为杂质颗粒物，对抛光过程中产生的划痕形貌进行统计分析。结果表明，脆性划痕、塑性划痕和混合型划痕都存在，其中脆性划痕占很大比例；氧化铈团聚物和用过的抛光粉产生的划痕浅且少，金刚砂产生的划痕深且多；随着金刚砂粒径的增大，对应产生的划痕的数密度和长度也增加；不同粒径的金刚砂产生的划痕的宽度分布与其对应的粒径分布相似，呈高斯状分布。利用T. Suratwala提出的黏弹性模型，探讨了钕玻璃抛光过程中划痕产生的机理，得到了划痕的宽度与长度都随着引入杂质颗粒物粒径的增大而增加的结论。

晶体拼接技术能够解决光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程中非线性晶体口径受限问题，从而有效地提高放大器的输出能力。晶体加工误差补偿是晶体拼接要解决的核心问题之一。对拼接晶体加工误差对光束质量的影响进行了分析，设计了拼接晶体加工误差补偿方案，设计并加工完成拼接晶体加工误差补偿能动反射镜。通过实验验证了拼接晶体加工误差补偿方案的可行性和稳定性，同时证明了该系统满足晶体拼接要求。

中波红外激光器在痕迹量气体检测、激发惰性气体产生软硬X 射线辐射、激光定向干扰等方面具有重要应用价值。华北光电技术研究所采用硒化锌(ZnSe)晶片为基质材料，硒化亚铁(FeSe)粉末为掺杂物，通过热扩散掺杂技术获得了尺寸Φ22 mm×4 mm、铁离子掺杂浓度3.43×1018cm-3 的掺铁硒化锌(Fe2+: ZnSe)晶体样品。制备的Fe2+:ZnSe 晶体在3.0 μm 附近处出现了明显的Fe2+离子特征吸收峰，吸收峰峰值处透射率为5.4%，波长4.5 μm 处的透射率为50.6%，晶体测试结果如图1 所示。晶体加工成4 mm(宽)×4 mm(高)×2 mm(长)尺寸，两端抛光后镀2.9 μm 和4.5 μm 双波段增透膜。哈尔滨工业大学可调谐激光国家级重点实验室采用波长2.89 μm，脉冲重复频率1 kHz的ZnGeP2 光学参量振荡器(OPO)抽运制备的Fe2+:ZnSe晶体。当注入抽运功率为1.43 W 时，获得平均功率53 mW 的激光输出，脉冲宽度为25 ns，阈值抽运功率为0.34 W，斜率效率为4.8%。Fe2+:ZnSe 激光器输出谱的中心波长位于4.45 μm，范围为4.33~4.61 μm。实验表明Fe2+:ZnSe 晶体可实现宽波段中红外激光输出。

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、维护方便等优点，在科学研究、工业加工、****等领域具有广泛的应用前景。超荧光(放大的自发辐射，ASE)光源具有光谱覆盖范围宽、时间相干性低、温度稳定性好等特点，在光学层析成像(OCT)、高精度光纤陀螺传感、单光子产生等方面具有广泛应用。此外，超荧光与激光相比，还具有无弛豫振荡、无模式竞争、极高时域稳定性等突出特点。而基于掺杂光纤搭建高功率的超荧光光纤光源(SFS)，有望成为新型高亮度光源的技术方案。