为了改善用于铷原子钟的795 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的偏振稳定性，研究了不同氧化孔径和椭圆度对VCSEL偏振性能的影响。利用COMSOL Multiphysics的波动光学频域模块模拟了不同氧化孔径对有源区谐振光强的影响。结果表明，当氧化孔径为3.5~4.0 μm时，有源区的谐振强度最高。采用可实时观察的湿法氧化系统，研究了氧化温度对氧化速率和氧化孔椭圆度的影响。随着注入电流的增加，三种不同椭圆氧化孔的VCSEL表现出不同的模式特性、偏振特性和偏振角旋转特性。测试结果表明，带有长轴径为3.7 µm、椭圆度为1.7的椭圆氧化孔的VCSEL性能最佳。在85 ℃下，当注入电流为1.5 mA时，输出功率为0.86 mW，激光波长为795.4 nm，边模抑制比（SMSR）为43 dB，线宽为65 MHz，正交偏振抑制比（OPSR）为23.8 dB。在0.6~2.7 mA的范围内，VCSEL的主偏振方向保持不变。

相对于常见的多波长激光器，正交偏振多波长激光器可输出相邻波长偏振正交的多波长激光，可有效消除密集波分复用（DWDM）系统中相邻波长信道的干扰，在光纤传感、光纤通信和光谱检测领域中具有广泛应用。基于保偏光纤（PMF）中的受激布里渊散射（SBS）的轴向偏振牵引效应，设计并实现了具有单倍和2倍布里渊频移（BFS）间隔的偏振正交分插复用多波长布里渊随机光纤激光器（OPI-MWBRFL）。首先，采用3 km长PMF布里渊随机激光腔，实现了7个波长的单BFS间隔正交多波长激光输出，相邻波长偏振消光比不低于33 dB。其次，通过级联21 km长距离单模光纤（SMF）布里渊随机激光腔和3 km长PMF随机腔，实现了具有2倍BFS间隔的正交多波长（4个波长）激光输出，相邻波长偏振消光比可达34 dB。所实现的偏振正交方案由PMF中的SBS轴向偏振牵引的物理机理决定，因此不仅可以实现优良的波长间偏振正交，而且对系统的偏振准直要求低，具有良好的工作稳定性。系统监测实验验证了OPI-MWBRFL系统的良好稳定性。

利用强场近似理论开展了正交偏振双色场与氦原子相互作用产生高次谐波和阿秒脉冲的理论研究。正交偏振双色场由少周期的4 fs钛宝石驱动脉冲激光和与它偏振方向垂直的8 fs倍频控制脉冲构成。研究发现，通过合理选择两束脉冲之间的相对相位，能够控制高次谐波发射过程中长、短电子轨道的选择。当相对相位调整为1.2π时，平台谐波主要来自短轨道电子的贡献，由于其运动时间短、波包扩散少，且没有与长轨道电子谐波产生干涉，沿驱动脉冲电场方向的高次谐波谱具有较高强度和较小调制幅度的超连续平台区，通过对第120次到第180次超连续谐波进行傅里叶变换，可产生脉宽为54 as的高强度孤立阿秒脉冲。所提方案对组合脉冲相对相位的选取要求并不严苛，在0.3π的变化范围内皆可获得脉宽较短的孤立阿秒脉冲，同时控制脉冲电场强度的变化对上述数值模拟结果的影响也很小。

布里渊随机光纤激光器（BRFL）是基于受激布里渊散射（SBS）效应和随机分布式反馈谐振腔组成的新型激光器。笔者基于保偏光纤（PMF）中SBS的非线性轴向偏振牵引效应，提出并实现了一种可实现正交偏振嵌位的受激布里渊随机光纤激光器（PMF-BRFL）。首先对PMF-BRFL系统的偏振工作分区进行了理论分析，接着讨论了系统偏振嵌位的动态范围与系统参数之间的关系，最后采用3 km长PMF实现了PMF-BRFL系统。该系统可以实现偏振态稳定正交嵌位的窄带激光输出，实验结果与理论分析结果一致。

极地地区的海雾给极地科考和海冰研究带来了挑战, 但由于相关监测数据较少, 因此对极地地区海雾的研究还相对匮乏。基于 CALIOP 传感器可以观测垂直方向上云雾信息的特性, 使用准同步观测的 MODIS 中分辨率成像光谱仪对北极地区的云雾信息进行分析。首先使用深度神经网络模型反演云顶高度, 再根据云高确定是否为海雾。并且就不同波段对反演结果的影响进行了分析。结果显示使用深度神经网络反演的云顶高度平均绝对误差要比传统方法的结果低 1774.280 m, 可以更好地对云顶高度进行反演, 提高了海雾检测精度。

为了快速准确地测量半钢化玻璃的应力双折射大小, 实时监测产品质量, 结合半经典理论与三镜腔理论模型, 研究了基于激光回馈效应的半钢化玻璃应力双折射自动测量技术。测量装置由精密光学元件及运动平台组合搭建, 由偏振光低电平的占空比自动判断样品主应力方向, 测量效率较高; 采用降低输入电压变化梯度的方法, 将输出电压控制在较小的范围内波动, 提高了压电陶瓷位移稳定性。结果表明, 样品应力双折射的大小由调谐曲线上一个偏振跳变周期内偏振跳变点的位置决定, 多次测量的最大偏差为6.1nm/cm, 标准差低于2.0nm/cm。该技术具有测量周期短、精度高且重复性好等特点, 适用于实际生产中。

将光学波片放入激光谐振腔可使振荡模式发生分裂, 测量分裂模的频率差能准确测得波片的相位延迟。基于这一原理, 设计了光路沿竖直方向的相位延迟测量仪, 可根据频率差不同引起振荡模式的变化采用相应测量方法。对半外腔激光器、光强和频差探测单元、控制程序等部分进行了设计说明。为了实现自动化和高精度测量, 系统选定两正交偏振模的等光强点作为工作点, 并补偿初始相位延迟和波片倾斜误差。测试表明, 仪器能够对任意相位延迟的波片自动判定并测量, 对多级波片多次测量的标准差约0.01°, 总的测量不确定度为0.03°(优于λ/10 000), 且只需要测量激光频率差, 具有可溯源性。

为了解决传统双折射测量系统在调节光学元件的过程中,结构复杂、耗时长且不状态稳定的问题, 采用计算偏振跳变曲线中o光和e光低电平占空比的方法, 增加了自动旋转波片的功能, 优化出一套具有较高工作效率的双折射测量系统。该系统可自动调整波片快轴方向, 使其可对准激光器的本征偏振方向, 减少了人为判断波片快轴时可能引入的测量误差。结果表明,波片相位延迟的最大偏差为0.65°, 标准差降低28%。双折射测量系统的测量精度及稳定性满足工业化生产的要求。

激光回馈技术灵敏度高, 并且无须配合靶镜就能够测量诸如黑色、粗糙的目标的位移或形变。为了消除环境(气压、地基震动、温度漂移等)对测量精度的影响, 设计、构建了稳定的微片正交偏振激光器, 采用半导体激光器泵浦微片; 搭建了包括光学、电路的完整的正交回馈干涉仪系统, 系统工作稳定, 实现了远距离处测量。这一系统能有效地减小环境对测量的影响, 提高激光回馈干涉仪的精度。

应用光谱方法测量生物组织成分时, 信号的拾取一般有两种方法: 透射法和反射法。 其中, 根据光纤测头与生物组织接触与否, 反射法分为接触和非接触两种形式。 接触测量时, 只有携带了组织信息的深层反射光进入测头, 但接触测量中压力、 温度等变化会导致测量条件的变化, 进而影响光谱数据的稳定性; 非接触测量时, 虽然克服了接触压力、 测头温度等对测量的干扰, 却会导致不携带光与组织相互作用信息的表面反射光进入测头, 由于表面反射光强度高且集中, 将会影响检测器的动态范围。 因此非接触测量的最大问题是如何有效地消除生物组织表面反射光的影响。 针对非接触测量中生物组织表面反射光的消除方法进行了系统研究, 对课题组之前提出的正交偏振法进行了理论和实验分析。 首先, 以不同被测物为对象, 研究了表面反射光的偏振态, 结果表明表面反射光的偏振度与表面粗糙度密切相关, 表面粗糙程度越小, 偏振度越高, 由此推断出, 经表面光滑的Intralipid溶液反射后的表面反射光具有保偏特性; 然后, 以Intralipid-20%溶液为被测对象, 对正交偏振法消除表面反射光的效果进行了研究, 实验结果显示正交偏振法可以消除97%以上的表面反射光; 最后, 比较分析单波长下不同源探距离处的接触和非接触式光谱测量曲线, 二者高度重合, 这一现象进一步说明了正交偏振法消除表面反射光的有效性。 该研究通过评价正交偏振法消除组织表面反射光的能力, 旨在消除接触式漫反射光谱检测中测量条件变化对测量的影响, 以期推动近红外无创光谱检测技术的进一步发展。