透镜作为光学系统中的核心部件之一，其加工质量极大影响着光学系统的使用性能。其中，透镜中心厚度的偏差对整个光学系统成像质量的影响最大。现有的非接触式和接触式测量设备都存在着一些缺点，因此本文提出了一种口径自适应光学透镜中心厚度测量方法，并基于此方法设计和搭建了一套透镜中心厚度测量装置，进行了测量精度对比和重复性测量实验。结果表明，本文所研究的测量装置误差与产线上所使用的测量装置误差相当，满足对光学透镜的检测要求。本装置具有结构简单可靠、操作方便、测量精度高且可以节省光学透镜生产成本等优点，已在生产线得到应用。

设计并搭建了重复频率长时精确锁定的783 nm飞秒光纤激光器。该激光器基于全保偏非线性干涉环镜(NALM)，实现掺铒光纤振荡器锁模脉冲输出，由与脉冲分离器级联的环境稳定掺铒光纤双级放大器进行功率放大，实现了平均功率1.30 W、脉冲宽度130 fs、重复频率77.1 MHz、1560 nm脉冲输出；通过周期极化铌酸锂(PPLN)光学晶体倍频，获得了平均功率为0.52 W、脉冲宽度为140 fs、783 nm脉冲输出。通过重复频率监测及锁相环技术，进一步将掺铒光纤振荡器的重复频率溯源至参考铷原子钟，12 h内频率抖动峰-峰值为5 mHz、标准偏差为1.2 mHz。该激光器系统具有稳定性高、集成度高、体积小的特点。

为了实现高速度切割碳化硅（SiC）晶圆，采用自行研制的高能量皮秒脉冲光纤激光器进行了隐形切割实验。依据切片的截面形貌、表面热损伤区和边缘直线度，分析了皮秒激光器的切割结果，并探究了单脉冲能量和扫描速度对切片质量的影响。结果表明，当使用中心波长为1030 nm、重复频率为100 kHz、单脉冲能量为20 μJ、脉冲宽度约为100 ps的皮秒脉冲隐形切割360 μm厚度的SiC晶圆时，切片的质量能够满足实际应用要求，且激光的扫描速度可达400 mm/s，相应的切割速度为44.44 mm/s，高于其他相关报道。

为了对现有的时间传递系统进行管理和控制，保障系统的灵活性、完备性、安全性和高可用性，设计了一整套光纤时间传递监控系统。在系统结构上采用集中式的结构，在功能上包括故障管理、性能管理、配置管理、安全管理和数据存储与管理5个部分，并对各个功能的具体实现方法作了详细的说明。监控系统对时间传递系统各节点进行集中管理和分散控制，并将获取到的数据存储在数据库中。最后在基于双向时分复用同纤同波的点对点时间传递系统上测试了监控系统，实验表明该系统能够对系统实时监控并对故障做出一定的处理，具有较高的可靠性。

针对待测晶粒大的情况，为解决晶粒双面检测时双面之间产生光程差导致的的成像清晰度问题，提出了一种基于偏振分光成像法的半导体制冷器件晶粒相邻双面同时成像缺陷检测的装置。利用偏振分光器与直角转像棱镜对采用偏振分束器与偏振相机的晶粒天面和侧面同时等光程共焦成像检测装置进行了光学设计，完成了晶粒相邻双面同时等光程偏振成像缺陷检测的实验验证。结果表明，该偏振分光成像检测技术可以实现晶粒相邻面的同时缺陷检测，并能很好地满足相邻面等光程成像缺陷检测的性能要求。当晶粒相邻面等光程共焦时，检测分辨率可达到110 lp/mm以上，而当晶粒相邻面离焦（准共焦）仅±0.20 mm时，分辨率则降至45 lp/mm以下。本检测装置具有双面成像清晰度好、成像光路共焦调整方便、检测装置结构简单可靠，以及提高的缺陷检测性能等优点。

针对直角棱镜大面测量中可以消除多重干涉背景干扰的倾斜入射测量系统，设计了一种能直接进行直角棱镜大面测量的正置式倾斜入射干涉仪装置。该装置包括相移干涉仪主机、一体化载物工作台以及一对参考平晶。讨论了直角面参与反射带来的光线簇造成的多重干涉背景误差，采用3D偏折的方法来避免全内反射光干扰直角棱镜大面测量。实验部分，组装了基于倾斜入射的正置式相移干涉仪，并完成光路调校与参数标定，实现了直角棱镜大面面形的测量；使用白光轮廓仪对被测棱镜大面进行比对测量，结果一致。解决了直角棱镜条的测量问题，实现了微棱镜工业化在线测量，在直角棱镜加工中具有重要的应用价值。

为了实现酶标仪的全波段和快速检测，设计出一种基于反射式成像光路的全波段蛋白检测仪，采用反射式光学检测的方式进行成像，将一维成像光程扩展为二维，提高维度减少空间，同时提高了视场范围。分别进行了Human Pentraxin 3/TSG-14（PTX3）酶联免疫吸附实验以及二喹啉甲酸法（BCA）蛋白浓度检测实验，检测波长分别为450 nm和562 nm，并完成了对生物显色实验溶液的图像采集，利用图像处理比色算法进行分析处理，完成了蛋白浓度的测定。PTX3实验和BCA实验均基于四参数拟合模型绘制拟合曲线，拟合优度分别为0.999 6和0.999 7，与商用酶标仪绘制的标准曲线基本一致。PTX3实验使用42份未知样本，BCA实验使用40份未知样本，基于图像处理比色算法的质量浓度测量结果与商用酶标仪检测的质量浓度误差在5%以内，验证了全波段蛋白检测仪的可行性。

针对地面与飞行器之间通信“黑障”问题，采用垂直极化的太赫兹波实现了地面与飞行器的通信。利用放电装置产生等离子体来模拟飞行器表面的等离子体鞘套，使用全光纤耦合式太赫兹时域光谱仪产生0~1 THz的太赫兹波，从实验的角度研究了垂直极化太赫兹波在不同电子密度的均匀非磁化等离子体中的传输特性。实验结果表明：电子密度越大，垂直极化太赫兹在等离子体中的传播速度越快；随着电子密度的增大，衰减会越小。所进行的研究为实现地面与飞行器之间的通信互联提供了重要的实验参考。

针对大功率光学器件和设备的热严重影响其稳定性、性能和使用寿命的问题，提出了一种基于能量回馈的智能高效热电散热系统。利用基于改进的增量式比例积分微分（PID）算法快速实现高精度温度控制，通过能量回收机制实现热电制冷器（TEC）制冷效率的提升。采用光伏充电为主、电源充电为辅的电源管理策略，通过上位机监测与控制实现对两组蓄电池的高效充放电切换。同时，利用Python+PyQt5为散热系统搭建可视化图形操作界面。研究表明，设计的实验系统实现了对TEC器件的电路信息监测与温度高效控制，可为解决大功率光学器件和系统的散热问题提供参考。

提出了一种半导体制冷器件晶粒相邻面同时准共焦成像检测的光学装置。选择晶粒天面成像光路中直角反射转像棱镜到玻璃载物转盘之间的距离调节来实现双面准共焦成像。设计了晶粒相邻面缺陷同时准共焦成像检测的光学系统，完成了晶粒相邻面缺陷同时准共焦成像检测的实验验证。结果表明，该检测装置可以实现晶粒相邻面缺陷同时成像检测的功能，满足晶粒相邻面缺陷成像检测的性能要求。具有提高检测速度、简化结构且提高系统可靠性等优点，可在晶粒缺陷智能检测筛选系统中获得应用。