Random lasers are a type of lasers that lack typical resonator structures, offering benefits such as easy integration, low cost, and low spatial coherence. These features make them popular for speckle-free imaging and random number generation. However, due to their high threshold and phase instability, the production of picosecond random lasers has still been a challenge. In this work, we have developed three dyes incorporating polymer optical fibers doped with various scattering nanoparticles to produce short-pulsed random fiber lasers. Notably, stable picosecond random laser emission lasting 600 ps is observed at a low pump energy of 50 µJ, indicating the gain-switching mechanism. Population inversion and gain undergo an abrupt surge as the intensity of the continuously pumped light nears the threshold level. When the intensity of the continuously pumped light reaches a specific value, the number of inversion populations in the “scattering cavity” surpasses the threshold rapidly. Simulation results based on a model that considers power-dependent gain saturation confirmed the above phenomenon. This research helps expand the understanding of the dynamics behind random medium-stimulated emission in random lasers and opens up possibilities for mode locking in these systems.

为了解决相位生成载波解调方案应用于激光测振技术时，系统中存在的非线性失真问题，提出一种改进相位生成载波解调算法。该算法采用低频、大幅值的相位调制和迭代重加权椭圆特殊拟合对两路含有非线性误差的正交信号进行校正以抑制非线性失真。其中，低频相位调制由三角波信号驱动压电换能器生成，确保小信号情况下椭圆拟合结果的准确性。迭代重加权椭圆特殊拟合可以减小离群数据的影响并避免拟合结果退化为双曲线，具有精度高、鲁棒性好和计算效率高的优点。实验结果表明改进相位生成载波解调算法可以有效抑制激光测振实验系统的非线性失真，在不同相位调制深度（0.8~3.4 rad）下解调信号的信纳比和总谐波失真稳定，对应的标准差分别为0.55 dB和0.03%。系统的响应线性度优于99.99%，动态范围可达103.9 dB @ 500 Hz，总谐波失真为1%且工作频宽为20~8 000 Hz。与传统相位生成载波解调方案相比，该算法不仅显著抑制了非线性失真，还克服了椭圆拟合算法在小信号下无法工作的缺点。

为了消除光束倾角带来的不确定性，本文建立了一种双路偏振式激光多普勒测速系统。该系统使用双光束双探头结构来探测物体的运动信息。首先，通过转动实验精确获得双光束间的夹角大小，对于任意光束倾角，本文采用双探头装置收集运动物体表面的散射光束，结合双路偏振式光路结构，得到两路干涉信号的多普勒频移。然后，创新性采用了细化分帧算法对两路干涉信号进行实时解调，通过两路速度分量的合成得到物体真实速度。实验结果表明：速度在10 mm/min~1500 mm/min范围内，测量值与理论值之间的平均误差可以达到1%~5%。在非平稳运动过程中，通过细化分帧算法修正后的v-t图像RMSE均值为1.19 mm/min。该系统结构满足速度测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

为缓解基于可变形镜（DM）的自适应自由曲面干涉仪存在的固有矛盾——不能同时兼顾大动态像差补偿与DM形变监测范围，前期提出了循环利用DM形变量去产生大畸变波前的自适应环形补偿器（ARCC），并得到了初步验证。为了推广其在自由曲面自适应检测中的应用，并结合校正光学系统的自由曲面多为低阶像差面的现实问题，对ARCC的低阶像差补偿特性做出了必要验证和研究。首先，通过Zemax建模对比了ARCC和传统单次往返补偿器(TSRC)对于像散、彗差和球差的补偿能力，得出ARCC补偿像散和彗差的能力近似为TSRC的2倍，补偿球差的能力也要显著大于TSRC，验证了ARCC的低阶像差补偿优势；其次，研究了ARCC的低阶像差类型补偿规律，得出ARCC结构中DM上的像差类型与补偿给被测面的像差类型是“一对多”或“多对一”的关系。结果证明：在实际中分别使用ARCC和TSRC对4块低阶像差自由曲面进行补偿验证，同样的DM形变量下，与传统补偿结构相比ARCC展现出更加出色的低阶像差补偿能力。

变焦物镜是偏振成像系统的重要组成部分，目前因变焦物镜使用较多非球面而导致价格较为昂贵。为了降低偏振成像系统变焦物镜的加工成本，设计了一款用于偏振成像系统的20 mm~200 mm变焦物镜。采用正组补偿，利用Zemax优化变焦系统，最终系统仅使用7片球面透镜，并达到良好像质，系统调制传递函数（MTF）在120 lp/mm处大于0.3，畸变小于4%，系统凸轮曲线平滑无断点。系统公差分析结果表明，公差范围设置为：镜片表面光圈公差为2，镜片或空气中心厚度公差为±0.02 mm，透镜表面中心倾斜公差为±0.025°，透镜装调公差为±0.025 mm，透镜折射率偏差为0.002，公差设置符合元件加工和系统装调工艺，对降低偏振成像系统成本具有一定的参考价值。

光学自由曲面因其表面自由度较多而难于进行检测。干涉检测法具有高精度非接触的特点，但传统干涉仪中的静态补偿器在自由曲面加工过程中未知面形不断变化的情况下，难以实现原位检测。因此，可编程控制的大动态范围自适应补偿器成为近年来自由曲面干涉检测中的研究热点。结合课题组在自由曲面自适应干涉检测领域的工作，介绍了光学自由曲面自适应干涉检测的最新研究进展，详细分析了基于可变形镜和空间光调制器的自适应干涉检测技术，介绍了针对干涉图目标的自适应控制算法，总结了两大类自适应检测方法的优点以及发展瓶颈，并对未来自由曲面的自适应检测技术进行了展望。