研制了一台放电激励重复频率运转的高功率非链式脉冲氟化氘(DF)激光器，采用倍压式储能电路及自引发体放电激励方式，在SF6 和D2 的混合气体中实现了体积为1.65 L 的均匀辉光放电；凭借大流量离心风机提供的8.5 m/s风速实现了电极间工作气体的快速更新；运用介孔碱性分子筛完成对放电产物的吸附处理。实验研究了工作气体参数及充电电压对激光器输出性能的影响，在总气压8.1 kPa，SF6 与D2 工作气体配比为8∶1，充电电压为43 kV 时，获得了3.46 J的单脉冲能量，电光转换效率为3.12%，脉冲宽度为135 ns。在50 Hz时，获得了平均功率为150 W 的激光输出，其脉冲幅值差优于±8%。实测远场发散角在水平方向和垂直方向分别为7.92 mrad和9.58 mrad，并采用DF激光谱线分析仪测试获得了22条激光谱线。结果显示，放电激励非链式脉冲DF激光器是获得高功率中红外激光的有效途径。

不同偏振态激光诱导金属表面产生条纹结构的研究有很多，但对形成该结构的机理分析较少。通过在光路中插入1/4波片用于改变飞秒激光偏振态，使产生的偏振激光垂直照射到金属钨表面产生条纹结构，进而研究这种条纹结构的产生机理和激光偏振态对产生这种结构的影响。研究发现，不同偏振态的飞秒激光与对应诱导产生的条纹结构之间具有很好的一致性。当1/4波片周期性单向旋转时，激光偏振态随之周期性变化，金属表面形成的条纹结构的方向也相应地随之改变，最大偏转角度约π/4 。对这种条纹方向随波片旋转而变化现象的机理进行了理论分析，分析表明不同偏振态的飞秒激光诱导金属表面产生条纹结构的方向由激光进入双折射晶体(如1/4波片)后分解的电矢量分量决定。

为了研究面心立方金属在热力耦合作用下的微观组织，采用分子动力学方法对激光温喷丸在单晶铜内诱导的位错扩展进行了模拟，并使用中心对称参数研究了变形量对位错扩展的影响规律，以及温度对塑性变形诱导位错扩展的作用，进而从加工硬化的角度分析了其对激光温喷丸强化效果的影响。结果表明，激光温喷丸过程中，塑性变形以“空位簇-不全位错-堆垛层错”的方式诱导产生不全位错与堆垛层错。随塑性变形增加，激光温喷丸的硬化效果逐渐增加。并且，温度可以促进塑性变形过程中位错的形核与扩展，200 ℃以内，激光温喷丸的硬化效果随温度的增加而增强，温度增至250 ℃时，硬化效果由于位错湮灭而减弱。

以傍轴高斯涡旋光束为例，对部分相干涡旋光束的磁场在源平面的光谱Stokes奇点变化规律做了研究，并与部分相干光束电场的光谱Stokes奇点做了比较。研究结果表明，部分相干高斯涡旋光束在源平面内，存在着磁场和电场的光谱Stokes奇点。适当改变光束束腰宽度以及离轴量等光束控制参数会出现磁场和电场的光谱Stokes奇点的移动、产生和湮灭。与部分相干光束电场的光谱Stokes奇点比较表明，二者并不重合且拓扑电荷不同，但具有一定的对称性。磁场和电场的光谱Stokes奇点在变化过程中满足拓扑关系。

为获得能满足实际需要的高光功率输出，可以将已经成功应用于近红外波段半导体激光器的合束技术移植到量子级联激光器。讨论了量子级联激光器件的共水平面布局设计，这种设计有利于实现稳定可靠的室温连续工作；在量子级联激光器单管器件整形实验中，获得了光束质量因子M2优于2.3 的准直光束；在高效率光束合成的实验中获得了85%的合束效率。

报道了一种基于同一台光纤飞秒激光器的双路飞秒激光相干合成技术，获得脉宽只有4个光学周期(14 fs)的少周期飞秒脉冲。通过数值模拟证明了基于自频移孤子的相干合成为拓宽光谱、窄化脉冲提供了一个很好的方法，是获得少周期飞秒脉冲的可行方案。实验中，一台掺镱光纤飞秒放大系统输出脉宽为62 fs，中心波长为1040 nm的近变换极限脉冲，该脉冲分束后，一束作为基态孤子，另一束耦合到全固光子带隙光纤中产生自频移孤子，通过调整入射脉冲功率等参数获得了中心波长为1150 nm，脉宽为55 fs的近变换极限自频移孤子。将基态孤子与该自频移孤子相干合成，得到了脉宽仅4个光学周期(14 fs)的激光脉冲。

针对多像素光子计数器(MPPC)各像素雪崩电流并联输出、存在光子间隔过小导致脉冲变形而无法分辨光子时刻的问题，结合光子分布与输出脉冲波形，通过数学反卷积，获得了激光测距接收端各探测光子分立时刻的解析解，从而实现了观测量倍增，有助于有效信号的分辨及提取。该方法将单脉冲响应函数近似为高斯形式，分析了MPPC 时间抖动的影响，研究了在时间抖动为50~250 ps 范围内，从三个入射光子输出的变形脉冲中解算出的分立时刻，得到分立时刻随光子间隔的统计分布图和峰谷分辨度随光子时间间隔、MPPC 时间抖动的变化关系。并验证了在1 s观测时间内，千赫兹激光测距系统经反卷积解算前后观测量对比效果。分析结果表明，当统计分布中峰谷分辨度大于10时，各光子分立时刻可以有效分辨，该方法的时间分辨力达到0.2~0.7 ns。

基于光纤延时自外差和相位解缠绕技术，提出了一种采用较短的光纤延时线测量单频激光器输出激光频率漂移的方法。从理论上给出了该测量方法的工作原理并分析了测量精度的影响因素；利用一台频率变化可知的激光器对该方法进行了实验验证，实验结果表明该方法能够准确测量激光频率随时间的实际变化曲线；基于此方法，采用6 m 的光纤延时线，对一台1550 nm 波长的单频激光器频率漂移特性进行了3 h 连续测量，得到该激光器长期频率漂移结果为75 MHz/h，与其频率稳定度出厂指标50 MHz/h基本相符。

研究了双纵模双频微片激光器两模式之间的竞争效应，确定了在具有不同反射率输出镜的双频激光器腔内，模式之间的自饱和与交叉饱和系数的量值。在研究过程中，待定自饱和系数β与交叉饱和系数θ，建立双频微片激光器的耦合速率方程，仿真获得具有不同反射率输出镜的双频激光器输出相对功率并绘制其包络曲线。在实验中，通过改变激光器的腔参数获得双频激光的输出功率图谱，对比仿真得到的功率包络曲线来确定自饱和系数和交叉饱和系数。结果表明，当输出镜反射率分别为86%，81%，61%时，对应的自饱和系数分别约为0.68，0.66，0.52。即当双频激光腔输出镜反射率较小时，双纵模模式竞争较强；反之，模式竞争较弱。为获取较大频差双频激光输出，应采用反射率较高的输出镜。

实验利用YAG/Nd∶YAG/Cr4+∶YAG 键合晶体和光子晶体光栅镜获得高峰值功率和高光束质量的被动调Q径向脉冲激光输出，激光器的输出功率达到435 mW，斜率效率为14.7%。在吸收抽运功率为6.8 W 时，输出激光脉冲的峰值功率达到15.7 kW，脉冲能量达到50.1 mJ，脉冲宽度为3.2 ns，重复频率为8.1 kHz，径向偏振纯度为95.8%。实验中的晶体均采用<111>的切割方向，输出径向偏振光束的均匀性得到提高。

种子注入单频脉冲光参量振荡器(OPO)是实现差分吸收雷达激光发射源的重要技术手段，且其输出光谱纯度直接影响探测气体对激光能量的吸收，进而影响该雷达系统的测量精度。就种子注入单频脉冲激光器而言，光谱纯度表征在其输出光谱中，种子波长成分所占的比例可以综合反映脉冲激光的输出线宽和频率稳定性等光谱特性。针对种子注入单频1.57 μm 脉冲OPO，理论上分析了光谱纯度的影响因素，设计并搭建了一套基于长程气体吸收池的光谱纯度测量系统。实验结果表明，当种子注入功率为26 mW，OPO 输出单脉冲能量为1.1 mJ时，种子注入单频脉冲OPO 的光谱纯度达到99.9%。

为了测量87Sr原子光晶格钟的钟激光频率和控制红冷却激光及光晶格激光的绝对频率，实验建立了一套掺铒光纤光学频率梳系统，并将其锁定到了氢钟参考信号上。光梳的可见光测量部分对689、698及813 nm 等特定波长功率进行了优化(在同一扩谱支路中不同时获得)，其输出光谱功率大于120 mW，单点频率下的功率在2 nm 宽度时大于200 μW。实验得到的外激光和光梳梳齿拍频信号信噪比大于30 dB(在分辨率带宽300 kHz时观测)，锁定后频率跟踪秒级稳定度优于60 mHz。

激光温喷丸工艺(WLP)结合了激光喷丸强化(LP)和动态应变时效(DSA)的双重优势。为了研究不同工艺温度对IN718合金WLP 后高温表面性能稳定性的影响，选取不同温度条件下，即LP(25 ℃)和WLP(230 ℃、260 ℃、290 ℃、320 ℃)的IN718 合金为研究对象，通过高温保持试验和纳米压痕试验，以残余压应力、纳米硬度和弹性模量为表征指标，探讨了温度效应对WLP 后高温表面性能稳定性的影响。结果表明，随着WLP 工艺温度的升高，残余压应力呈递减的趋势；随着保温温度的升高，LP 和WLP 处理后试样表面残余应力释放幅度均明显增大，但前者释放速度更快；通过载荷-位移曲线可进一步确定温度效应对IN718 合金WLP 后高温释放行为的影响，且260 ℃下处理的WLP IN718合金表面在高温下具有更好的稳定性。

随着石墨烯研究的不断开展，图案化的石墨烯成为石墨烯器件应用的重点需求。采用飞秒激光切割的方法对石墨烯进行图案化。研究了飞秒激光能量密度和扫描速度对石墨烯切割的影响，通过光学显微镜和拉曼光谱仪，分析了不同激光参数下石墨烯的切割质量。得到了飞秒激光切割单层和多层石墨烯的能量密度阈值，分别为1.0 J/cm2和0.8 J/cm2,最优的激光扫描速度为100 mm/s。通过切割区域残余石墨烯的拉曼光谱分析得到本方法切割石墨烯的机理为氧化烧蚀。基于优化的激光参数，通过对激光光束移动的控制，实现了不同复杂图案石墨烯的切割。本方法为石墨烯器件在未来的广泛应用提供了技术支持。

进行了2 mm SUS301L-HT不锈钢激光焊和惰性气体保护(MIG)焊试验，对比了两组焊缝在成形、显微组织、力学性能等方面的差别。两种焊接方法焊得的焊缝在成形上有较大不同，激光焊焊缝成形均匀稳定，接头角变形小，熔宽小，热影响区(HAZ)窄，优于MIG 焊缝。两种焊接方法焊得的焊缝的金相组织差异较大，激光焊焊缝组织由细小柱状奥氏体枝晶和枝晶间δ铁素体组成，HAZ 发生了回复和再结晶，晶粒有一定程度的长大；MIG 焊缝由粗大的块状奥氏体组织和少量δ铁素体组成，HAZ 组织变化丰富，组织随着与熔合线距离的改变而不同。两种焊接方法焊得的焊缝的力学性能差异明显，激光焊焊缝拉伸性能优于MIG 焊缝，激光焊接头拉伸断裂在焊缝，断口为典型韧性断口，接头抗拉强度达到979.1 MPa，延伸率达到48.2%。

研究了激光焊接热输入对纳米析出强化钢焊接接头熔深、显微组织及纳米力学性能的影响。利用体视显微镜和扫描电子显微镜对焊接接头的熔深、显微组织进行了分析，通过纳米压入实验对激光焊接接头各区域的纳米硬度和弹性模量进行了研究。实验结果表明：随着焊接热输入增加焊缝熔深逐渐增大，两者之间呈一元线性关系；当焊接热输入低于94 J/mm2时，焊缝为全马氏体组织；当焊接热输入超过125 J/mm2时，焊缝中出现贝氏体组织和铁素体组织；且随着热输入的增加，贝氏体和铁素体含量有所增加。随着焊接热输入的增加，焊缝区的纳米硬度逐渐降低，其原因为热输入增大致使贝氏体和铁素体的形成。焊接热输入对焊缝的弹性模量影响不明显，弹性模量在200 GPa左右。

激光冲击强化利用离子体力学效应在金属表面形成较深的残余压应力层，细化表层晶粒，大幅度提高金属抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀等机械性能。目前现有实验手段很难获取超高应变速率下塑性变形过程中微观结构演变的动态过程。本文采用LAMMPS 软件对在2×107 s-1应变率，15 ns的加载时间，300 K 温度下的多晶铜塑性变形行为进行分子动力学模拟，获得超高应变速率力学效应下多晶铜塑性变形微观结构的演变过程。超高应变率下力学效应作用下，形变孪晶是中层错能金属亚微米晶粒细化的主要变形方式。

为了研究1064 nm 激光刻蚀聚酰亚胺基底镀铝薄膜的作用机理，采用有限元分析软件ANSYS模拟了激光对聚酰亚胺基底上铝薄膜的刻蚀过程，分析了激光脉冲作用于铝薄膜表面时的能量传输及转化过程，获得了铝薄膜及聚酰亚胺基底中的温度场分布，进一步验证了在脉冲激光作用下由于基底材料易分解而产生的薄膜/基底界面分离机制。

传统的五分类血液分析仪一般与化学方法配合使用以提高白细胞的分类精度，增加了仪器结构的复杂程度和仪器的使用、维修成本。设计了一种特殊结构的光学系统，该系统引入了对后向散射光的检测，并采用直流(DC)信号、激光前向散射信号和后向散射信号相结合的方式实现了白细胞五分类。实验结果表明装有该系统的样机对LYM、MON、NEU、EOS、BAS 的分类相对偏差均小于5%，其性能与血液分析仪Mythic 22 接近。优化后的光学系统可完成对白细胞的原位检测和分类，且具有结构简单、性能稳定的特点。

光纤传输红外脉冲激光在密闭容器内爆炸式汽化液体形成汽化泡促使液体体积急剧膨胀，在喷嘴处形成高速液体射流。利用聚偏氟乙烯(PVDF)针式水听器探测不同激光参数和光纤位置条件下钬激光脉冲诱导高速液体射流的射流压力和汽化效应诱导声波信号，其电信号在示波器上显示并记录，分析射流压力和声波强度与激光脉宽和激光强度的变化关系。实验结果表明激光平均能量为426.3 mJ时射流压力与脉宽(494~967 μs)呈正相关函数变化关系，声波强度在光纤末端与喷嘴间距d=2 cm 和d=4 cm 时与脉宽呈负相关函数变化关系，d=6 cm 时声波强度随脉宽的增大呈先升后降的变化趋势，在736 μs 脉宽时声波强度达到最大值1.32 MPa；脉宽为480 μs 时射流压力和声波强度随激光能量(266.3~420.8 mJ)增大而增大；当激光参数恒定时声波信号和射流信号均随d 增大而增大。

基于非线性光纤环形腔镜(NOLM)及光子晶体光纤(PCF)的自相位调制效应(SPM)，实现了一种适用于光子神经元的全光阈值器。所使用的PCF 非线性系数为16.98 (W·km)-1，同时在NOLM 中引入可调隔离器。PCF 及可调隔离器的使用，缩短了NOLM 的腔长，同时降低了阈值器对输入光功率的要求。该全光阈值器对光信号的消光比可提高6 dB 以上。由于全光阈值器中所有的组成器件均为无源光器件，因此能够处理高速率光信号。该全光阈值器在其他光通信系统中也具有广阔的应用前景。

提出了一种应用于光纤时间频率传递系统中时间信号的校准和同步方案。分析了基于光学补偿方式和波分复用技术的时频传递系统中本地和远地时间信号同步方案的原理，并完成了实验室内50 km 光纤链路的验证实验，时间同步精度为1.6 ps。在110 km 的商用光纤链路上完成了时间信号的同步实验，理论计算的时间同步精度为30.0 ps，对时间信号的误差来源进行了理论分析。

聚焦光斑光强与光纤出射端总光强的比值(光斑聚焦效率)直接影响基于液晶空间光调制器(SLM)的单光纤数字扫描采样的信噪比。采用顺序坐标上升优化算法控制多模光纤输入端光场分布，实现多模光纤出射端光斑聚焦，通过理论和实验证明了归一化目标函数值与光斑聚焦效率的和近似为常数。为了提高光斑聚焦效率，必须尽可能降低归一化目标函数值。分析了多模光纤出射端总光强对归一化目标函数收敛性的影响，通过仿真和实验证明随着多模光纤出射端总光强的增大，归一化目标函数收敛速度变慢，光斑聚焦效率变差。

设计并制作了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构的低功耗聚合物热光开关。聚合物材料具有低热导率和高热光系数的优点，可以有效降低热光器件的功耗。在SiO2 衬底上，采用热光系数较大的Norland 紫外固化胶(NOA73)作为波导芯层，聚甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸环氧丙酯的共聚物[P(MMA-GMA)]作为波导的上包层，设计了热光开关器件，并对光场和热场进行了模拟，采用传统的半导体工艺完成了热光开关器件的制备。器件的测试结果表明，在1550 nm 工作波长下，热光开关器件的消光比为20.2 dB，驱动功率仅为9.14 mW，开关的上升时间为174 μs，下降时间为292 μs。

超疏水表面的制备及其抗结冰性能受到广泛关注，但超疏水表面的微观结构及浸润性能对其抗结冰性能的影响规律仍无定论。利用飞秒激光在金属铜表面制备了一系列具有不同微观特征的微纳米结构，这些表面经过化学修饰后都具有超疏水性，同时对水具有不同的粘附性。系统研究了这些超疏水表面的抗结冰性能，结果表明，这些超疏水表面在低温(-5 ℃，-10 ℃)下都能延缓表面水滴的结冰过程。超疏水表面对水的粘附性对其抗结冰性能有显著影响，粘附性较小的超疏水表面比高粘附的超疏水表面具有更为优异的抗结冰性能。

高温熔融法制备了Er3+/Nd3+共掺铋锗酸盐玻璃，研究了玻璃的吸收光谱和在808 nm 抽运下的荧光光谱。研究表明：对应于2.7 μm 发光，Er3+/Nd3+共掺铋锗酸盐玻璃具有大的自发辐射几率(58.46 s-1)和受激发射截面(8.34×10-21 cm2)。通过对铒钕离子之间能量传递微观系数和效率的计算得知，钕离子不但可以增加铒离子2.7 μm 发光上能级的布局数，而且可以减小其下能级的布局数，良好的2.7 μm 发光性质表明Er3+/Nd3+共掺铋锗酸盐玻璃是一种潜在的中红外发光激活介质。

基于热传导理论和实验相结合研究了连续CO2 激光辐照Ge20Sb15Se65 硫系玻璃作用下的损伤特性和机理。研究表明：Ge20Sb15Se65玻璃在高功率密度的CO2激光作用下，会出现陨石凹坑、微裂纹和空洞等损伤特征，其原因在于杂质吸收和多声子过程引起的热积累作用导致样品表面温度急剧升高，使得玻璃中熔点较低的Se元素组分气化蒸发，导致玻璃材料分解。当样品的光吸收系数为0.013 cm-1，厚度为3 mm 时，玻璃损伤阈值为74.3 kW/cm2，实验结果与数值分析基本相符。

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)孔隙率与光热辐射(PTR)信号的影响，建立了四层PTR 理论模型，并搭建了相应的实验平台。采用三种不同直径的激光束分别对9 种孔隙率的CFRP 样品进行了实验，以玻璃碳为参考材料，对所得PTR 幅值和相位信号进行了规格化处理。实验结果表明，在功率一致的条件下，相同调制频率下的PTR 相位随着激光直径的减小而增加，而幅值刚好相反。激光束直径为0.2 mm 时，低频率扫描的PTR 相位信号随着孔隙率的增加而降低。

基于表面热透镜技术搭建了光学薄膜弱吸收测量系统，使用不同功率的抽运光辐照样品，并通过光束质量分析仪记录经样品表面反射后的探测光强度的空间分布，以探测光强度最强点所对应的像素坐标为中心两边对称取多个像素点表示不同尺寸的接收器，从而分析不同尺寸光电信号接收器得到的光热信号强度。结果表明，随着接收器尺寸的增加，探测面积覆盖范围超过探测光束峰值区域，得到的光热信号与抽运光功率的比值逐渐偏离线性，从而引入的测量误差也就增大。因此，实际测量中应在保证测量极限的前提下尽量缩小探测器尺寸以提高测量的准确度。

所有的机械导轨运动副都具有三个回转自由度或称作为角运动误差,包括俯仰角、偏摆角和滚转角误差，其中滚转角由于其产生的特别原因，而最难测量。针对现有的以对称的双楔角棱镜和对称的双楔面反射镜组成的滚转角测量干涉仪，提出了利用单楔角和单楔面反射镜的高精密滚转角测量干涉仪系统。由于系统所需光学元件较少，在实现相同测量分辨率的情况下，更有利于光学元件的加工和安装调试。系统中不同频率的两束光的传播路径相互平行，因此能够有效地减小死程误差和排除其他自由度的干扰，系统稳定性更好。使用普通的2π/512 细分相位计，滚转角测量分辨率为2 μrad。

基于1560 nm 激光单次通过PPLN 晶体倍频到780 nm 激光的实验，分析了准相位匹配倍频过程中非线性转换系数与温度之间的关系。详细计算了考虑晶体极化周期的热膨胀时，晶体非线性转换系数和匹配温度的变化。采用有限元的方法，计算了激光穿过PPLN 晶体时，整个晶体和出射端面的温度场分布，并由此给出了出射面的非线性转换系数的分布情况，重点分析了晶体尺寸、光功率及散热方式对热效应的影响。仿真结果表明：增加晶体的宽度、采用导热性能好的材料作散热材料，并采用四面包围的散热方式有利于晶体的散热。

机载LiDAR 中的一些工作参数既有控制误差，又有测量误差，如机载平台的飞行轨迹、姿态角和激光扫描仪的扫描角等，两种误差均会造成点云产品质量降低。为分析两种误差对点云产品精度的影响机理，从理论上分析了两种误差对点云和数字表面模型(DSM)精度的影响，通过数值仿真，模拟了机载LiDAR 的测量过程，以机载平台姿态角参数为例，定量评价及比较了姿态角的控制误差和测量误差对点云分布及DSM精度的影响大小。结果表明，机载LiDAR的测量精度取决于这两种误差的影响，其中控制误差主要造成点云分布区域及密度改变，继而导致DSM失真增大，而测量误差造成点云定位精度和重建DSM 精度降低。因此，需采取措施分别对两种误差进行抑制补偿。

提出了一种基于激光三角法光线折射补偿对透明平板厚度测量的方法，设计了基于单激光位移传感器的透明平板厚度测量装置，并应用于准分子激光投影光刻加工透明材料时的像面校准。首先构建了激光三角法测量情形下偏折光线和透明平板位置之间的关系，分析了散射光斑因折射发生的位置偏移量与平板厚度之间的关系，以及透明平板与散射基面的间距和散射基面位置的变化对测量结果产生的影响。然后设计了基于单激光位移传感器的透明平板厚度测量装置，实验验证了散射光斑偏移量和平板厚度之间的对应关系，测得了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)厚度测量的补偿系数为0.441。综合理论分析和实验验证，结果表明散射光斑偏移量与透明平板的厚度呈线性变化关系，透明平板与散射基面间距的大小对测量结果无影响，散射基面偏移量与传感器探头示数变化量相等。PMMA 平板厚度测量的平均绝对误差小于0.01 mm，平均相对误差为0.6%，能够满足准分子激光(KrF，248 nm)加工PMMA 基生物芯片的精度要求。

对于精密光学元件表面微米亚微米量级的表面缺陷，光在缺陷处会产生强烈的衍射和散射效应，其在像面的分布情况不能简单地使用几何光学进行解释。采用时域有限差分方法(FDTD)建立了光学元件截面为三角形、矩形的表面缺陷的电磁理论模型，模拟仿真得到了缺陷附近区域及像面的散射光分布情况。并使用电子束曝光、反应离子束刻蚀工艺制作了矩形截面的缺陷样本板，对样本缺陷进行了散射成像实验，得到了暗场图像的灰度分布情况，并与理论仿真结果进行了比对。实验中得到的表面缺陷的像面光强分布情况与理论模拟基本吻合，为光学元件的加工制造和缺陷检测的尺度标定提供了理论依据和参考。

干涉仪参考镜面形离焦误差难以精确标定，是导致拼接累积效应、制约平面子孔径拼接系统检测精度的主要因素。推导了参考镜离焦与拼接累积误差、拼接次数间的定量表达式，基于该表达式在拼接过程中标定并去除参考镜离焦误差，降低拼接累积误差。对450 mm×60 mm 的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测，与大口径干涉仪检测结果比对，去除参考面离焦误差前后拼接测量误差峰谷(PV)值从λ/10减小至λ/30，有效提高了拼接测量精度。结合绝对检验技术标定参考镜高阶面形误差，验证了离焦是引起拼接误差累积的主要因素，消除参考镜高阶面形误差并不能显著提高拼接检测精度。

旋转波片法成像斯托克斯偏振仪由可旋转的1/4 波片、固定的检偏器、成像光学器件和光电探测器构成，1/4波片的快轴方位角误差和相位延迟量误差是旋转波片法成像斯托克斯偏振仪的主要误差源，对其进行误差标定和补偿，可有效提高测量精度。为此，通过研究旋转波片测量法和傅里叶分析法，推导出入射光束斯托克斯参量与1/4波片参数误差之间的关系式，从而提出一种误差标定新方法，该方法以水平线偏振光作为标准参考光，对标准参考光进行测量，计算得到1/4波片的参数误差，并将其代入相应理论公式中，从而实现误差补偿。实验结果表明，通过误差标定和补偿，成像斯托克斯偏振仪的平均测量精度由原来的5.12%提高至1.78%，验证了该方法的有效性。

利用马赫-曾德尔点衍射干涉仪，通过一幅干涉图，直接恢复激光模式的强度和相位信息，重建模式复振幅。在理论上分析了利用快速傅里叶变换的点衍射干涉法重建激光复振幅分布的原理；推导了激光模式在自由空间中传输时强度和相位的分布情况。将模拟的分布与实验结果做了比较，结果表明，点衍射干涉法可以恢复激光模式的强度和相位信息。

本文采用共线和非共线两种大动态范围扫描三阶相关技术测量飞秒激光脉冲，并对其测量结果及其特征进行了理论和实验分析。实验发现，共线式扫描三阶相关方法由于存在基频光在空气中通过三倍频过程直接产生三次谐波的现象，导致实际能够测量的动态范围下降；而非共线式扫描三阶相关技术虽然对脉冲强度具有较高的动态测量范围，但非共线夹角和光斑的大小对测量脉冲宽度有很大的影响。理论计算和实验结果表明，非共线情况下，入射到和频晶体上的光束夹角和光斑直径越大，测量得到的脉冲宽度也越大。共线和非共线两种方式均不影响对次脉冲位置的判断，但由于非共线式三阶相关测量得到的脉冲宽度增加，主脉冲附近的小脉冲结构或者距离较近的两个脉冲将会难以分辨。

为了测量光学元件多层膜膜厚均匀性指标，基于面形检测对多层膜均匀性测量方法进行了研究。分析了均匀性的测量过程以及影响因素，评估了元件面形检测复现性对测量结果的影响，建立了多层膜结构的有限元模型，计算分析膜层内应力对基底面形带来的影响。基于高复现性面形检测装置进行了测量方法的实验验证工作，实验结果表明：元件面形测量口径范围内膜厚分布均匀性优于0.1 nm[均方根(RMS)值]；将测试结果转化为沿径向的轮廓分布结果，与基于反射率计的膜厚检测数据进行了对比，表明两种方法测试数据基本吻合，验证了基于面形检测方法评估光学元件多层膜均匀性的可行性。

针对传统方法抛光高功率激光实验中使用的长焦距列阵透镜单元遇到的检测困难、一致性差等问题，提出了采用环形抛光的新方法。对环形抛光系统的理论分析表明，抛光盘面形可以稳定在球面状态。利用这种特性，环形抛光法可以抛光小曲率球面。阐述了抛光盘面形的调节方法。利用0.69 m 环形抛光机对口径45 mm、曲率半径57207 mm 的列阵透镜单元进行了抛光，结果表明面形精度和一致性均优于平面摆动式抛光法。最后对环形抛光机可抛光的球面曲率半径范围进行了探讨，发现盘面尺寸越小球面抛光能力越强，直径0.8 m 的盘面可抛光的曲率半径可低至10 m。

针对计算全息彩色光电再现过程中，由成像区域中心点不重合引起的色差问题，提出一种基于数字透镜区域采样的补偿方法。通过改变数字透镜的采样区域，实现再现像位置的移动，再现像的偏移量与数字透镜采样区域的偏移量在水平和竖直方向等大反向。实验使用单个空间光调制器的空分复用法，以蓝色再现像为基准，调节红色和绿色再现像的位置，实现了计算全息色差的补偿，结果证明了所述方法的可行性。

提出了一种基于光学衍射的二值图像加密方法。该方法仅需记录单幅衍射强度图像，加密过程避免了干涉装置，提高了记录效率，且单幅密文的传输更为方便。在加密前，先提取原始二值图像的冗余数据作为密钥保存，再使用光学衍射图像加密方法对原始二值图像加密，得到的衍射强度图像即为密文。解密时使用相位恢复算法进行迭代运算，把先前提取的冗余数据作为输入平面的部分振幅支撑，使算法能够快速收敛，从而完全恢复明文。计算机模拟结果证实了该方法的有效性，也分析了其对剪切和噪音攻击的稳健性。

分析联合变换相关器(JTC)光学加密系统解密图像噪音大、质量差的原因，提出一种非线性JTC 光学加密系统。将JTC 加密图像除以密钥功率谱作为新加密图像。一方面，新加密图像能够消除密钥傅里叶谱振幅分布不均匀引起的噪音，提高解密图像质量。仿真结果表明，Lena 图像的消噪音解密图像和原始图像的相关系数可由0.4104增加到0.7190，均方根(RMS)从0.8154减小到0.7089。二值文本图像的消噪音解密图像和原始图像的相关系数由0.8458 增加到0.9785，RMS 从0.6887 减小到0.4583；另一方面，新加密图像能抵御唯密文攻击(COA)算法的攻击，仿真结果表明，利用COA 算法能从JTC 加密图像恢复出高质量的原始图像信息，但不能从新加密图像恢复出任何原始图像信息，有效提高JTC加密系统的安全性。

研究了Besinc相干涡旋光束的产生与传输。理论上采用范西特-泽尼克定理，研究环形可控非相干光源经自由空间传输后的空间相干性。理论研究表明经自由空间传输后，环形可控非相干光源发射出的光束由非相干光逐渐演变为部分相干光，且光束的部分相干项为Besinc 相干。实验上采用环形可控非相干光源以及螺旋空间相位板，产生空间相干可控的Besinc 相干涡旋光束，并采用双缝干涉验证拓扑电荷数。另外，基于广义惠更斯-菲涅耳原理还研究了Besinc相干涡旋光束在自由空间中的传输，考虑相干度调节对传输的影响。

利用双波长激光雷达观测合肥地区地表气溶胶的波长指数，根据观测期间的风向信息，选择了城市污染和乡村扬尘气溶胶作为两次典型个例，分析相对湿度(RH)对气溶胶波长指数(AE)变化规律的影响。观测结果表明，两次个例相对湿度对波长指数的影响均较明显，但是两次个例中波长指数与相对湿度之间的相关性明显不同。扬尘个例期间，当相对湿度在49.2%~91.9%之间变化时，波长指数的变化范围为0.75~1.98。污染个例期间，当相对湿度在58.7%~96.0%之间变化时，波长指数的变化范围为0.2~1.56。污染个例期间，相对湿度与波长指数之间呈负相关性，导致该现象的原因可能是，当粒子尺度谱满足Junge分布时，由于亲水型粒子吸湿增长，导致其粒径增大以及波长指数减小。值得注意的是，扬尘个例期间，相对湿度与波长指数之间却呈正相关性，导致该现象的原因可能是粒子尺度谱分布是由污染细粒子和扬尘粗粒子组成的多模态分布。

为了有效地测量风洞中的气体流速，以激光多普勒频移原理为基础，结合波长调制可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用HITRAN 数据库，选取氧气(O2)分子在13144.5 cm-1附近的吸收谱线作为研究对象。在软件中建立了气体流速测量模型，模拟分析了流速测量结果；在实验室中利用超声风洞装置，建立了一套基于波长调制-TDLAS技术的流速测量系统，通过实验，提取出O2的二次谐波信号，根据O2分子吸收谱线的二次谐波信号的频移量反演风洞中的气流速度。实验结果表明，在实验室环境下，系统测量流速达到707.6 m/s，符合超声风洞的设计，测量误差范围为5.47%。实验结果为基于波长调制-TDLAS方法测量流速的小型化系统研制以及飞行实验进行了前期准备。

高精度星相机是航天测绘、侦查相机实现精确定位测量的关键设备。分析了长焦距星相机光学系统设计难点，采用新型双高斯向远摄型过渡的结构型式，设计了精度达到亚秒级的星相机光学系统。光学系统焦距为200 mm，相对孔径为F/2，视场角为7.5°×7.5°，光谱范围为500~800 nm。针对恒星色温范围大的特性，在未采用特殊色散玻璃材料的情况下校正了光学系统的色差，实现不同色温恒星的质心位置一致性；采用负折射率温度系数的冕牌玻璃进行热补偿，实现光学系统对恒星探测的亚秒级无热化设计。设计结果表明：光学系统畸变优于0.003%，垂轴色差优于1.5 μm，2600 K~9800 K 范围内色温恒星的质心位置精度优于0.2″；在0 ℃~30 ℃范围内，焦距变化不超过5.1 μm，除1视场外质心位置精度均优于0.4″。

利用全量子理论，对多光子跃迁下Polya光场与运动二能级原子相互作用系统的保真度进行了研究。分析了原子的初始状态、场模结构参数、光场最大光子数、光场参数和跃迁光子数等物理参量对系统量子态和光场量子态保真度的影响。结果表明：原子的运动速度影响系统量子态和光场量子态保真度的振荡周期；跃迁光子数选取不同，系统量子态和光场量子态的保真度表现出不同的规律。