单晶光纤具有细长的晶体结构以及对泵浦光的波导传输特性，使其兼具晶体以及光纤的激光放大介质优点，其细长的晶体结构可以有效地进行散热，保证了在高功率运转下依然可以保证高光束质量，与传统的晶体棒相比，对泵浦光的波导特性使其具有更大的能量提取效率和放大增益，简单的行波放大结构使得系统易于集成。单晶光纤作为放大增益介质已广泛应用于高功率高能量超短脉冲激光放大技术中，并在科研、工业加工等领域具有重要的应用前景。本文重点介绍了单晶光纤的结构和制备方法，以及近年来1 μm波段基于单晶光纤的超短脉冲放大技术研究的主要方法及结果，包括本课题组取得的主要进展，探讨和展望了单晶光纤放大技术的前景和发展方向。

集成光子芯片是将激光光源、低损耗波导、调制器、探测器等多类光电器件结合在一起，实现功能化集成，在高速光通讯、量子信息处理、光学传感等领域有具有重要的应用。然而由于不同的光电器件基于不同材料体系，实现多材料体系的光电器件集成极其困难。传统的异质集成和单片集成方法难以同时解决定位精度不足、低拓展性、高损耗、低带宽等一系列问题。基于飞秒激光的双光子聚合技术具有高精度和高穿透的优势，可以实现多材料体系的片上微纳光学元件增材制造，具有极高的加工自由度。本文对片上光学元件的激光增材制造这一领域进行综述，探讨了光子引线键合和微空间光路元件两种技术路径，总结了现有技术的发展现状，并对未来的发展前景进行了展望。

非制式爆炸物因原料易得、破坏性大等特点，已成为暴恐分子施爆的首选方式。目前，国内外针对光学传感2，4，6-三硝基甲苯、2，4-二硝基甲苯等制式爆炸物的研究已经相对成熟，而对于非制式爆炸物，因其具有与制式爆炸物完全不同的本征特性，如多为不挥发离子晶体、分子构型差异巨大等，难以通过光学传感制式爆炸物的原理对其分析与识别，成为国际反恐的棘手难题。因此，针对非制式爆炸物的特性，设计特异性光学传感材料、提出光学信号增强策略、建立现场识别超痕量非制式爆炸物的有效方案，是实现追踪非制式爆炸物源头、截断非制式爆炸物转移路径与炸后残留定性分析的迫切需求。本文从光学传感的本质出发，系统总结了传感材料的设计方法和比色/荧光传感非制式爆炸物模式的发展趋势，旨在为光学传感非制式爆炸物领域提供思路和借鉴。

理论研究了飞秒光场中锂原子的三重电离问题。改进经典轨道蒙特卡罗方法获得了锂原子基态的稳定构型并数值计算了激光强度范围为10¹³W/cm2至10¹⁷W/cm2锂的电离率。分析电离后Li3+的动量谱，揭示了包括非序列三重电离与序列三重电离的电离机制。根据Dalitz图中绘制的电子能量分布的关联谱，发现在非序列三重电离过程中存在明确的（e，3e）电子关联效应，即率先电离的电子与母离子发生再散射，使得内壳层的两个电子同时电离。此外，模拟表明即使在强度高达10¹⁷W/cm2的序列三重电离区域也存在电子再散射过程。

从行为组织学开创了光子计算的先河以来，基于人工智能的光学计算已经发展了七十多年，这一历程对超快光子学的智能化研究产生了重要影响。近年来，因超短脉冲非线性多维相互作用的复杂化，让超快光子学方向的研究产生了巨大的发展潜力。智能超快光子学的研究，为超短脉冲数据的完整、准确和有代表性提供了新的推动力量。在这里，我们回顾了机器学习策略下超短脉冲光纤激光系统的最新进展。通过算法和控制元件两方面的设计，进一步概述了满足这些进展所需的技术条件。并对机器学习与超快光子学这一新兴交叉技术所存在的挑战与未来研究前景做出展望。

超分辨显微镜是探测分子尺度的亚细胞结构的有力工具，为生物学研究提供了新的途径。由于许多生物学问题都可以通过分析不同细胞结构间的相互作用进行研究，因此近年来发展了一系列多色超分辨显微技术。本文从生物样品制备和光学系统改进两个角度，对已有的多色单分子定位显微技术进行了总结，简要概括了每种技术的基本原理，分析了每种技术的优缺点及适用范围，重点归纳了近5年通过光学系统改进提升多色单分子定位显微技术性能的各类方法。最后，对快速发展的多色单分子定位显微技术领域进行了展望。

大气风场是理解地球大气系统动力学、热力学特性的重要参数，是气象预报、空间环境监测、气候学研究等必须的基础数据。基于测风干涉仪的被动光学遥感是中高层大气风场测量的主要技术手段。多普勒差分干涉测风技术是一种新型行星大气风场探测技术，该技术通过对干涉图相位的反演来探测大气气辉辐射谱线的多普勒频移，从而实现大气风场探测。经过近二十年的时间，多普勒差分干涉仪的基础理论、干涉仪设计、系统研制工艺、数据处理与风速反演等方面取得了一系列研究成果。本文回顾了大气风场探测多普勒差分干涉仪技术的国内外研究进展，讨论其技术特点和应用潜力，为未来大气风场被动光学遥感探测技术发展和我国大气风场探测领域任务规划提供参考。

固体材料在超快强激光驱动下的高次谐波辐射是凝聚态物理、材料学、光学与光子学等学科领域的交叉研究方向。目前固体高次谐波研究已经从金属、半导体、普通绝缘体等块体材料拓展到低维纳米结构，并且在拓扑绝缘体和拓扑表面态上也成功探测到非微扰的高次谐波信号。与气相原子、分子相比，固体材料具有更高的原子密度，且固体高次谐波的产生机制更为复杂，在新型光源、材料物性和微观动力学表征等方面拥有良好的应用前景。本文主要回顾了近年来固体高次谐波的实验和理论进展，并对其机制及潜在应用进行探讨和展望。

颅骨的高散射极大地限制了光学技术在活体脑成像中的应用。开颅窗和磨薄颅骨窗等基于手术的“颅窗”让皮层神经-血管观测成为可能，但各有局限性。近年来发展的活体颅骨光透明技术，以一种更方便、更无创方式建立光透明颅窗。本文主要介绍活体颅骨光透明的发展及应用：1）颅骨光透明方法；2）基于光透明颅窗的细胞及血管成像；3）透过光透明颅窗，实现皮层光操控，包括结合光动力效应打开血脑屏障或实施靶向栓塞、基于激光损伤的靶向出血性脑卒中建立、以及在光遗传学方面的应用等。最后，对活体颅骨光透明技术未来的发展和应用做出展望。

超快二维电子光谱是一种用于探测激发态动力学的重要手段，由于其具有时间分辨力高、可探测均匀展宽与非均匀展宽、可提供丰富的相干动力学信息等特点，近年来被广泛应用于光合作用、光伏电池材料、量子点与二维材料等的动力学研究中。本文从傅里叶变换光谱、瞬态光栅等与超快二维电子光谱紧密相关的基本概念出发，简要阐述超快二维电子光谱的基本原理。通过例举二维电子光谱在光合作用蛋白与光伏电池材料的应用研究，介绍二维光谱的特色以及应用范围。最后，对二维光谱研究存在的挑战以及未来研究方向进行探讨。