激光退火技术有热预算低、瞬间温度高的特点，其温度场特性是材料电学性能的重要表征参数。准确实时测量瞬态小温度场对整体退火工艺过程的把控具有重要的参考价值。辐射测温法通过收集样品辐射光谱中特定波段的能量来实现温度的非接触在线测量，具有响应快、测温范围宽等特点。提出了一种基于InGaAs红外光电二极管的双色辐射测温系统设计方案，采用波长积分法对该测温系统进行精确标定，单波段带宽可达350 nm，能够对小于0.01 mm²的小视场进行稳定快速测量。去除标定热台稳定性后的测温重复性最大仅为0.05%oR（of reading，读数精度），精度小于1%，远超同类高温测量设备。在此基础上，结合有限元法热仿真结果，提出一种基于单个光电二极管测量温度场分布的方法，讨论了最高温度与读数温度之间的关系，为工艺参数评估提供了重要的数据支撑。

针对太赫兹被动成像系统前端功率探测器内部引入的低频噪声（1/f噪声）对成像精度的影响较为明显的问题，设计了一种高灵敏度调制解调系统来降低低频噪声对成像的干扰。通过控制外部信号源使功率探测器在正常工作与饱和状态之间快速切换，实现对目标信号的调制，从而将目标信号的频率调制到高于功率探测器引入的低频噪声频段以便将低频噪声滤除，进而降低该低频噪声对后续成像质量的影响。通过MATLAB软件仿真，可模拟出信噪比(SNR)为31.17 dB的功率探测器输出信号，同时通过对目标信号调制解调，目标信号的信噪比被提高到了268.13 dB。通过对所设计的高灵敏度调制解调系统实际测试，可得目标信号的信噪比由4.22 dB提高到了301.88 dB。研究结果表明，该高灵敏度调制解调系统能有效降低太赫兹探测器内引入的低频噪声对后续成像质量的影响。

大气悬浮微粒对激光传输透过率的影响是激光应用中应考虑的重要问题。为了提高激光传输透过率，对悬浮微粒的特性进行了研究。以激光传输和微粒特性为基础，基于Mie散射理论，建立激光透过率模型，并编写了计算透过率的可视化界面。针对不同悬浮微粒特性对激光透过率的影响做了系统的仿真分析。结果表明：激光透过率具有波长依赖性；悬浮微粒种类具有明显的地域性；不同种类的微粒对激光透过率影响程度不同，不可溶性粒子的影响较大；折射率对激光透过率的影响因悬浮微粒种类不同而出现正相关或负相关；粗粒子模态对激光透过率的影响较为显著。

提出并设计了一种用于低温环境下测量温度的光纤布拉格光栅(FBG)双头管式封装结构，探究了涂覆层材料和封装形式对光纤Bragg光栅传感器低温传感稳定性和精度的影响。同时，试验研究了封装长度对双头管式传感器中心波长与温度的关系，通过多次重复试验测定了传感器低温灵敏度和重复性误差。研究结果表明：由于高折丙烯酸酯涂覆层具有较高的热膨胀系数，因此在77~273 K液氮环境中其增敏效果相对于聚酰亚胺和裸光纤更为显著；采用双头管封装后，FBG中心波长与温度具有高度线性关系，且能有效解决无封装裸FBG易受荷载扰动特性；适当提高封装长度有利于提高封装体系灵敏度系数。重复试验结果表明，所设计的双头管式封装FBG低温传感器灵敏度可达14~20 pm/K，测试误差和灵敏度优于传统FBG低温传感器。

为了实现全光纤化轨道角动量（orbital angular momentum ，OAM）模式产生系统，设计了一种基于标准单模光纤和环芯光纤的双芯光纤耦合器结构。基于模式匹配法和相位匹配原理，仿真计算了双芯光纤耦合区中轨道角动量模式光场及相位的变化。结果表明：当单模光纤中的光场耦合到环芯光纤时，会在环芯光纤中激发出多种高阶矢量模式，引起模间串扰和降低产生的轨道角动量模式纯度，同时耦合产生的轨道角动量模式能量会在具有相反拓扑电荷数的同阶模式间震荡。通过调控波导间距，对耦合效应的强弱进行调控，实现了高纯度的一阶轨道角动量模式的产生，最大耦合效率可达99%，模间串扰＜ −20 dB。

激光的激射需要高浓度的增益介质，但增益介质浓度的过高又会带来浓度猝灭等不利因素，这些不利因素将会降低增益介质的发光效率。为解决这一矛盾，通过超分子策略，将有机非线性光学材料4-（4-二甲基氨基苯乙烯基）甲基吡啶对甲基苯磺酸盐（DAST）分子包覆于羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）分子的空腔中，并制备了DAST@HP-β-CD超分子水溶液。通过这种超分子包覆，可以大幅抑制DAST分子间的去活碰撞和分子内的Trans-Cis异构化，实现约6倍的荧光增强。不仅如此，在非线性光学效应方面，DAST@HP-β-CD超分子可通过多光子吸收而被激发。继而，以波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光泵浦超分子水溶液实现了二光子泵浦激射，激发阈值为平均功率620 mW。再者，以波长为1 570 nm的非秒脉冲激光泵浦超分子水溶液，实现了三光子泵浦激射，激发阈值为峰值功率0.3 GW。在多光子荧光显微、三维信息存储等方面，超分子体系展示了良好的应用前景。

超快激光在金属、电介质和半导体表面制备周期性纳米结构可以有效地改变材料的物化性质，如光学、电学、亲疏水性等。周期性纳米条纹取向通常依赖于激光的偏振，因此利用径向偏振的飞秒激光能够制备不同弯曲度的周期性纳米条纹。通过分析柱透镜聚焦的径向偏振光光场具有随空间变化的偏振方向，实验上获得了柱透镜聚焦的径向光场在不同位置诱导周期性纳米结构的形貌特征。随后利用5 mm的狭缝分离矢量光场中的各向异性偏振态来获得不同弯曲角度条纹的大面积制备。结果表明，利用这种方法在ZnO表面获得了弯曲可控的深亚波长（190～380 nm）周期条纹结构，并且成功制备了弯曲角度从0°到165°的大面积周期性纳米条纹。

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。

为了有效降低恶性肿瘤的死亡率，提高肿瘤筛查的普适性、稳定性和灵敏度，建立了近红外荧光标记蛋白芯片的多肿瘤标志物联合定量检测系统。对该系统的近红外荧光标记蛋白芯片免疫分析原理和用于蛋白芯片扫描分析的生物芯片扫描仪进行了研究。采用双抗体夹心的近红外荧光法检测，在固相载体上包被多种肿瘤标志物抗体，捕获被检者血清中对应肿瘤标志物的抗原，再结合生物素标记的二抗，并与近红外荧光标记的链霉亲和素结合，利用专门研制的生物芯片扫描仪进行扫描分析，进而获得被检者血清中肿瘤标志物含量的生物信息。最后，利用该检测系统和罗氏电化学发光免疫分析仪对10例样本血清中4项肿瘤标志物进行检测。实验结果表明，两仪器对肿瘤标志物CA125、CEA、CA19-9、AFP检测的线性相关系数分别为0.995、0.992、0.991和0.990。近红外荧光标记蛋白芯片的多肿瘤标志物联合定量检测系统可实现多人份多项肿瘤标志物的一次性检测，结果与罗氏单人份单指标检测结果高度相关。

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。

微流控技术作为建立微型分析平台的关键技术，从20世纪90年代发展至今不仅逐渐具备了功能化、集成化以及微型化的特点，而且与光学、微生物学、流体物理等研究领域实现了交叉融合。近年来更是涌现了诸多新型微型化芯片应用领域，其中结合光学系统的微流体分析平台得到了极其广泛的关注。结合微流控技术的概念简要阐明了微流控技术结合光学检测分析的多种前沿科研领域，如微流控光学器件、微流控生物免疫荧光检测以及微流控在光学检测方法中的应用，并对未来的发展方向进行展望。

激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）是一种具有诸多独特优势的物质成分分析技术，但该技术灵敏度低，限制了其在痕量元素定量分析方面的应用。提高LIBS的信号强度，改善其检测灵敏度，有利于拓宽该技术的应用领域。基于国内外学者对LIBS信号增强技术的研究，简述并总结了目前广泛应用的双脉冲法、火花放电法、微波增强法、空间约束法、磁场约束法、表面沉积纳米颗粒、加热样品和改变气氛这八种信号增强技术，在此基础上深入探讨了各技术的增强机理和内在增强因素，为更好地选用现有增强技术或为研究新的增强技术提供了参考。