对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真，得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响，研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现，当深扩散深度为2.3 μm固定值时，浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深，相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大，电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6 μm时，会发生倍增区外的非理想击穿，导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大，倍增区中心部分雪崩击穿概率越大，而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下，浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响，但深扩散Zn掺杂浓度越高，相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。

为实现有机光电探测器对三基色（红、绿、蓝）的全响应以及器件性能的改善，研究了在P3HT∶PCBM活性层中，掺入非富勒烯受体ITIC实现光谱拓宽以及通过改善迁移率的平衡性和活性层表面形态，进而改善探测器性能的方法，着重研究了ITIC受体含量对探测器光电学性能的影响。在此基础上，获得了一个覆盖400~800 nm波长范围的三基色探测器，并且在低偏压-1.5 V下三基色（波长为630、530和460 nm）的外量子效率EQE和比探测率D^*分别达到了56%、68%、52%和1.17×10¹² Jones、1.4×10¹² Jones、1.2×10¹² Jones。结果表明：在P3HT：PC₆₁BM中混入适量的ITIC，不仅可将光谱拓宽到400~800 nm，改善器件的光学特性，而且还可以提高激子解离率和载流子收集率，降低混合薄膜中的双分子复合，使器件电学特性得到了明显改善。本文研究为研发宽光谱高探测率三基色有机光电探测器提供了一种新思路。

为满足悬臂梁式传感器测量带宽大、灵敏度高的需求，采用F型梁增敏结构设计了一种光纤光栅加速度传感器。首先推导出传感器的谐振频率和灵敏度公式，在此基础上使用MATLAB优化传感器参数，并利用ANSYS对传感器进行模态分析和谐响应分析，得到了传感器的模态振型图以及两种不同阻尼比条件下的幅频响应，仿真结果与理论计算基本一致。制作了2个传感器实物，对直接封装的传感器1和填充硅油后封装的传感器2进行了幅频响应、灵敏度特性和横向抗干扰能力测试。实验结果表明：传感器1的谐振频率约为168 Hz，测量带宽为1.5~50 Hz，灵敏度系数为159.84 pm/g，横向抗干扰度为9.88%，谐振频率和灵敏度理论值与实际值误差分别为0.93%和3.29%；填充硅油后的传感器2的测量带宽为1.5~100 Hz，灵敏度系数为133.57 pm/g，横向抗干扰度为8.1%。实验证明在传感器内部填充硅油可以增大传感器工作带宽，提高横向抗干扰能力。

现存的管道泄漏监测技术空间分辨率有限，且常规的光纤布置方式难以达到所要求的分辨率。基于此，针对油气管线监测布线问题，在一维平铺式线监测的基础上，提出了正弦式表面监测的光纤铺设方式。以高空间分辨率的光频域反射分布式光纤传感技术为辅助手段，验证了正弦式光纤铺设方法的优越性，其能够全面地反映土壤整个面的温度分布，监测范围变广，漏检可能性降低。采用变量法分析了土壤容重、土壤含水率与土壤导热系数之间的关系以及热源温度对土壤传热的影响，验证了光频域反射分布式光纤传感技术能够精确地监测土壤温度场，并利用土壤温度场的变化规律为其他分布式测温技术在埋地光纤布置时提供指导。

针对激光混沌保密通信系统中混沌信号接收双方硬件参数难以完全匹配的问题，用长短期记忆神经网络对发射端产生的大量混沌加密信号和部分载波信号进行充分训练，最终得到一个与发射端激光器系统高度相似的神经网络模型，并用此非线性模型代替接收端进行解密，实现了2 Gbit/s的混沌同步通信。该方法明显降低了混沌同步的复杂性。探讨了不同节点数量、耦合系数以及信噪比对于同步通信的影响，结果表明同步系数可以高达0.999 966，均方根误差达到10^-3量级，误码率低至10^-10量级。最后通过图像传输系统验证了方案的可行性。

针对桥梁加速度传感器原位校准时标准传感器的选取问题，提出了一种基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器。通过力学模型分析传感器谐振频率与灵敏度，根据桥梁原位校准要求对传感器结构进行参数优化，并进行静应力分析、模态分析和谐响应分析，最后制作传感器实物并进行标定。实验结果表明：传感器谐振频率为460 Hz，灵敏度约为43 pm/g，横向干扰能力程度5.7%，可用于桥梁上加速度监测。

提出一种非稳腔激光器光瞳位置提取的方法，用于光路自动准直中光瞳位置的提取。首先使用双边滤波对原始图像进行预处理，然后用系数β乘以大津算法的图像阈值得到图像的阈值，对图像进行阈值分割。得到二值图像后，对二值图像进行中值滤波。通过边缘提取算法提取二值图像中的轮廓，然后利用轮廓的中心和组成轮廓的点的数目这两个轮廓属性，找到光瞳图像的内轮廓。使用RANSAC椭圆拟合算法拟合内轮廓，以椭圆的中心作为光瞳的位置。本文提出的光瞳位置提取方法，在满足实时性要求的同时，减少了内轮廓噪声对椭圆拟合的影响，提高了光瞳位置提取结果的准确性和鲁棒性。在100帧仿真光瞳图像的内轮廓中添加40%幅值为0~13的随机噪声点的情况下，所提方法比直接椭圆拟合方法的提取结果具有更高的准确性和鲁棒性，提取位置偏差的AVG比直接椭圆拟合的结果小0.283个像素、位置偏差的最大值小0.660个像素、位置偏差的RMS小0.136个像素。

为解决低光照环境下机器视觉采集图像存在的对比度低、细节丢失等问题，提出了一种基于扩展大气散射模型的低光照图像增强算法。首先，将低光照图像三个颜色通道的最大值作为初始传输图，并使用伽马校正调整图像的可见性和边缘细节；接着，利用融合技术优化初始传输图，融合不同方法提取的主要结构和精细结构；然后，利用亮通道的暗像素计算逆大气光值；最后，根据传输图和逆大气光值对模型进行求解得到最终增强图像。模型中的校正项可以更好地抑制增强图像的过度增强与细节丢失，同时，算法采用图像融合对传输图进行优化，可以较好地再现图像中的轮廓和纹理细节。实验结果表明，相比于其他8种算法，该算法在提高图像对比度、自然度和突出细节方面表现出了更好的性能。

天基各类光学系统在成像过程中，受卫星轨道变化、姿态角变化等因素以及跟踪速度误差、平台及各运动部件颤振的影响会造成像移。像移会导致图像分辨率降低，图像模糊，严重影响最终的图像质量，因此如何抑制动态像移的影响已成为获取高分辨率清晰图像的瓶颈。目前已有的研究基本都是从单独的应用领域去分析像移的产生因素，没有系统全面的将天基光学系统像移的产生和补偿技术进行综合呈现。本文在简述像移影响机理及像移补偿技术的基础上，对天基成像按照用途分类，详细介绍近年来国内外在对地遥感、空间天文探测、火星探测和空间目标探测成像领域像移影响及补偿的研究进展。通过对国内外研究现状的跟踪分析，预测天基光学成像系统像移研究的发展方向，进一步提升对我国空间光学技术发展方向的理解，为我国航天光学技术和装备的发展提供指导。

为克服非相干光源照明条件下基于全息光学元件的视网膜投影显示系统存在的色散、出瞳小、无法获得单眼调焦深度信息等局限，提出了一种基于双全息光学元件的3D视网膜投影显示器。用全息光学元件取代玻璃透镜，用发光二极管取代激光。用反射型体全息光栅和反射型体全息透镜构成的光学结构对系统的色散进行补偿，获得了清晰的图像，系统分辨率达到11.6 lp/mm。结合双全息光学元件结构，利用时分复用技术和角度复用技术实现了具有密集视点的3D视网膜投影显示。该结构可有效扩展系统的出瞳，解决视网膜投影显示系统出瞳小的问题。同时在0.45~2.0 m的深度范围内，实现具有单眼调焦深度信息的真3D显示，显示范围覆盖人眼的辐辏调焦响应敏感范围，可有效缓解辐辏调焦矛盾引起的眩晕和视觉疲劳问题。该系统结构紧凑、价格便宜且避免了散斑噪音和安全隐患，具有良好的应用前景。

为了提高量子点光栅尺的测量精度，提出了一种基于码道三角波骨架提取的位移测量方法。根据量子点光栅尺码道图案具有蜿蜒、连续的形状特点，利用不定长边缘跟踪方法快速检测出码道边缘。对码道中线进行三角波拟合得到码道骨架，提升测量稳定性以及位移值细分线性度。利用径向基神经网络对非线性测量误差进行补偿。所提出的测量方法比已有测量方法具有更好的测量精度和效率。

针对工业环境下粗糙金属表面微小振动的在线测量需求，提出了一种基于差动式双波混合干涉的微小振动检测系统。该系统将极性相反的高电压分别施加在两块硅酸铋晶体上以得到差动式双路振动解调信号，进而通过差分处理抑制对电压极性不敏感的噪声并提高灵敏度。为验证所提出方案的可行性，分别进行了仿真分析与实验验证。对一粘连在压电陶瓷上的紫铜片进行振动测量实验，并将振动测量结果分别与施加在压电陶瓷上的电压和激光测振仪的测量结果进行对比。结果表明，利用所提出检测系统可准确获得振动信号的频率、相位和幅值信息，与单路式结构相比，差动式双波混合干涉仪的灵敏度提高了一倍，信噪比从27.47 dB提高到了30.83 dB，相对误差的均方根值从3.07%降低到了1.42%。

针对一体化六光幕阵列测量模型，提取模型中光幕结构参数，在MATLAB中建立模型进行仿真，逐一分析各结构参数影响下的对弹丸飞行速度和坐标测量误差的影响规律，给出结构参数优化方法。基于优化的结构参数典型值得到了1 m×1 m矩形靶面范围内弹丸飞行速度和坐标的测量误差分布。实弹试验表明弹丸飞行参数测量与仿真分析具有一致性，横坐标测量误差不超过3.1 mm，纵坐标测量误差不超过4.8 mm，速度测量误差小于1.1 m/s。该结果可为光幕阵列测量设备的工程设计提供理论依据，也可为提高身管**弹丸飞行参数测量精度提供参考。

采用商用405 nm FP蓝光激光二极管，外加反射镜组成窄线宽外腔半导体激光器，在1 kHz调制周期下获得了无跳模连续调频范围1.5 GHz，相干长度大于10 m的激光输出。注入电流直接调制进行扫频，搭建空间光干涉仪组成调频连续波激光测距系统，采用10 m延时光纤辅助干涉仪对拍频信号进行重采样，以降低调制非线性对测距精度的影响。在水箱中模拟海水的衰减系数，在9.5 mW的探测信号功率下验证了5 m距离的探测，最大测量偏差0.051 m。

单周期的激光脉冲是通过高次谐波方法产生孤立阿秒脉冲的理想驱动源。基于空芯光纤的脉冲后压缩法是获得高时空质量单周期飞秒脉冲的重要途径。本文开展基于充气空芯光纤的脉冲后压缩理论研究，模拟并优化了空芯光纤中纤芯半径，传输长度，气体压强等参数，在充有氩气或氪气的空芯光纤中将光谱展宽达到一个倍频程，并通过色散补偿将掺镱激光器倍频的515 nm脉冲的脉宽压缩至近单周期，其压缩比达到100。该研究结果为基于高功率长脉冲的掺镱激光脉冲的高压缩比实验提供理论指导，为高亮度阿秒激光产生提供高性能驱动光源。

为解决传统接触式路面气象传感器寿命低、安装不便、易破坏路基等问题，用1 310 nm、1 430 nm两种波长的激光器作为探测光源，结合红外测温辅助，研究了一种非接触的路面气象传感方法。该方法通过测量不同路面状态下由光源照射形成的后向散射光强，得到水、冰介质膜在两个特征波长下的反射率；通过设定反射率和红外温度信号的判别逻辑，可以分辨多种路面状态，包括干燥、潮湿、积水、结冰和结霜；以朗伯比尔定律为基础建模实现积水、结冰厚度检测，利用反射率零点自动判别校准测量模型参数，无需现场标定即可在不同道路条件下实现精准测量。实验证明，该方法路面状态判别准确，水/冰厚度检测量程达到3 mm，精度均为±0.2 mm，具有结构简单、探测距离远、成本低等特点，有良好的实用价值。

采用修饰的高分子网络凝胶法成功制备了Mn₂O₃复合Mn掺杂ZnO纳米复合光催化剂（Mn：ZnO/Mn₂O₃），并基于模拟太阳光照射下罗丹明B（RhB）及亚甲基蓝（MB）染料的光降解研究了催化剂光催化降解有机染料的特性。X射线衍射，扫描电子显微镜及BET比表面积测试结果显示，微量（0.1 mol%）Mn掺杂再复合微量（0.2 mol%）Mn₂O₃后，Mn：ZnO/Mn₂O₃的颗粒尺寸减小且分散性提高，有效比表面积增大。紫外-可见光吸收光谱表明，相对于纯ZnO，Mn：ZnO/Mn₂O₃在可见光区域的光吸收能力明显提高。光致发光光谱表明微量Mn掺杂和微量Mn₂O₃复合促进了光生电子-空穴对的分离。结合X射线光电子能谱，发现可见光吸收能力和光生电子-空穴对分离率的提高源于催化剂表面氧空位的增加以及Mn：ZnO和Mn₂O₃之间形成的Ⅱ型异质结结构。因此，Mn：ZnO/Mn₂O₃对RhB的降解展现出稳定且优越的光催化活性。然而，由于Mn₂O₃的带隙（E_g≈1.4 eV）过窄，其价带位置高于羟基自由基（·OH）的氧化还原电位，因此光生空穴的氧化电势过低，无法生成氧化能力更强的·OH，这导致Mn₂O₃复合ZnO光催化剂（ZnO/Mn₂O₃）对RhB和MB的光降解效率降低。此外，Mn：ZnO/Mn₂O₃对RhB和MB展现出选择性光降解行为，即对容易降解的MB的光降解效率明显降低。这种选择性光催化特性归因于光催化反应过程中活性物种之间的差异性以及催化剂零电荷点和初始染料溶液的pH值之间的关系。

细菌感染会造成伤口愈合延迟，增加患者和医疗卫生系统的负担，因此非常需要对伤口细菌进行及时检测和适当的处理。基于细菌自发荧光原理，设计了一种对伤口常见细菌快速检测成像的系统，可用于辅助识别伤口细菌负荷和判断感染情况，无需采样培养或染色鉴定。使用智能手机采集细菌荧光图像，以405 nm LED作为细菌激发光源，配合荧光图像信息提取和定量算法能够快速识别提取图像上的感兴趣区域并对荧光信号进行量化，定位细菌荧光信号区域。梯度浓度实验证实了荧光强度与细菌浓度高度相关，荧光强度与浓度之间存在线性关系，随着细菌浓度的降低，荧光信号强度呈下降趋势，系统最小检测限约为10⁵ CFU/mL。与传统细菌检测方法相比，本装置具有操作简单、检测速度快、成本低等特点，为伤口细菌检测提供了一种新的手段。

为了研究线性散焦宇称-时间对称双通道波导中分数阶衍射饱和非线性下孤子的模式以及孤子的传输与控制，通过改进的平方算子迭代法对含有线性势的分数阶饱和非线性薛定谔方程进行数值计算得到孤子模式，傅里叶配置法判断孤子线性稳定性，并利用分步傅里叶法模拟仿真孤子的传输。研究结果表明：在散焦饱和非线性中，该宇称-时间对称波导可支持稳定的双峰灰孤子模式。随着饱和非线性系数和传播常数绝对值的增大，双峰灰孤子的背景强度增大，灰度值减小，功率增大。Lévy指数、增益/损耗系数和饱和非线性系数的增加会导致孤子的横向能流密度变化增大，但在波导通道位置处接近于0。在聚焦饱和非线性下，线性散焦宇称-时间对称波导对亮孤子光束具有控制作用。当光束在波导中心输入，孤子以呼吸子的形式长距离传输；在非波导中心输入，光束以初始输入位置为边界振荡传输。随着饱和非线性系数的增大，光束的振荡频率增加，光束宽度变宽，峰值强度减小。宇称-时间对称波导势阱深度的增加会导致光束的振荡频率增加，峰值强度增加。该研究结果可为宇称-时间对称波导对光束的控制提供一定的理论参考。

人工设计的光子学器件在现代光学的各个领域都有广阔的应用前景。传统光子学器件的设计通常是基于已知的物理模型，然后通过数值模拟方法对结构进行优化设计。由于器件结构很大程度上依赖于先验模型，所以传统优化设计的自由度是有限的。随着近年来对高性能光子学器件需求的日益增长，具有更高设计自由度的逆向设计方法得到了快速发展。逆向设计方法打破了传统方法的设计局限性，可以在全参数空间中实现高效的参数优化，因此更可能得到具有极限性能的器件结构。本文总结了光子学器件逆向设计的常用方法，并给出了逆向设计在各个光子学领域中的具体应用。随着计算机科学的不断发展，逆向设计方法展现出无与伦比的潜力，有望在各个光学领域中实现更高自由度的光场调控。

利用等效介质理论计算出区熔硅微纳米结构的几何尺寸，然后在有限元模拟的基础上建立了光学模型。研究了在长波红外（8~12 μm）范围内的抗反射效果，并分别分析了表面形貌和结构特征尺寸对透射率的影响。通过自由基等离子源刻蚀技术和低能量离子束刻蚀技术联合制备的方式，在硅表面形成了具有抗反射自清洁功能的微纳米复合结构。测得其透射率为78%，静态接触角为125.77°，并对所得结构进一步分析，实验结果表明：在长波红外范围微纳米复合结构的抗反射性能优于仅存在单一微米结构时，且纳米级别的微结构对红外波段减反射作用并不明显，微米结构是提升硅材料表面长波红外范围透射率的主要因素；具有微纳复合结构的材料表面张力大于单一微/纳米结构，与理论模拟结果一致，表明微纳米结构的存在能够有效改善硅表面的疏水能力。

为实现高灵敏度及高品质因数的折射率传感特性，设计了一种基于槽型相移布拉格光栅的微环谐振器结构。该结构由槽型直波导内嵌相移布拉格光栅耦合单实波导微环构成。结构中离散态光模式与连续态光模式相互干涉产生了Fano共振。利用传输矩阵法量化谐振器中各部分的光场分布，分析系统的传输原理。采用时域有限差分法对提出的器件结构进行仿真模拟，并对结构物理参数进行优化。模拟结果表明该结构的品质因数达到25 729，比传统微环谐振器提高了3倍以上，消光比为18.65 dB，高出传统微环谐振器6.46 dB，折射率灵敏度达到122 nm/RIU，且该谐振器结构简单。所提出的结构在传感应用中具有一定的优势。

利用双峰颗粒样品相关函数的相对衰减特性，提出基于衰减特性的长延时相关函数相继提取法。该方法分别定义小颗粒相关函数拟合窗口的起始点，间隔点和大颗粒相关函数拟合窗口的终止点。首先，将间隔点定义为相对衰减特性极小值对应的延迟时间；其次，以间隔点为界，根据相对衰减特性图纵坐标最大值与其他纵坐标值的比例关系，确定小颗粒相关函数拟合窗口的起始点与大颗粒相关函数拟合窗口的终止点。以此三个参考点作为相关函数拟合窗口的选取准则，对拟合窗口进行优化选择，减小窗口选择的盲目性，从而提高粒度反演结果的准确性。模拟数据与实验数据表明，改进的优化算法反演结果显著降低了颗粒粒径相对误差、峰值位置相对误差以及相关函数均方根误差，提出的基于衰减特性的长延时相关函数相继提取法优于传统长延时相关函数相关提取法。

提出一种通用式突变算子用于增强反馈式波前整形系统的调控效率，进而实现激光透过散射介质后的高效聚焦。为验证该突变算子提高聚焦效率的有效性，在经典优化算法，包括遗传算法、粒子种群算法、蚁群算法、模拟退火算法等四种算法的基础上引入突变算子，以优化结束后的增强因子和达到最高增强因子时的迭代周期数来表征聚焦效率。经过数值仿真和实验验证，该突变算子的引入使得四种经典优化算法的聚焦效率均得到大幅提升，增强因子提升了25%以上，同时迭代周期数减少了63%以上。当增加调控单元数量时，突变算子的高效性将更为显著。为进一步验证该突变算子的通用性，对二元振幅型调制以及多点聚焦进行了数值模拟分析，结果表明该突变算子有效增强了聚焦效率。该研究为反馈式波前整形的多种经典算法与多种调控方式提供了更高效的聚焦策略，实现了散射介质后更快更强的光斑聚焦，在光捕获、光遗传学等领域具有潜在的应用价值。

可见光高透射近红外高截止滤光片采用大口径超薄尺寸的玻璃作为基板，在两面同时沉积制备而成，因此对薄膜均匀性及成膜后基板面型有着较高的要求。以Nb/Si作为薄膜靶材，采用反应溅射镀膜的方法，从靶材磁场强度分布、公-自转系统、基板夹具遮挡角度三个方面分析膜厚均匀性的差异，采用对称膜系结构，实现红外截止滤光片上下表面薄膜应力平衡。最终制备的薄膜均匀性在300 mm范围内达到0.13%，基板翘曲度为0.085 mm，满足使用需求。

在250 ℃的低温下，以三甲基镓、四（二甲氨基）钛为前躯体源，O₃为反应气体，采用热原子层沉积制备了Ti掺杂Ga₂O₃（TGO）薄膜。Ga₂O₃和TiO₂的生长速率分别为0.037 nm/cycle和0.08 nm/cycle，TGO薄膜厚度低于理论计算值。X射线光电子能谱仪测试结果表明膜中Ti浓度随Ga₂O₃/TiO₂循环比减少而增加，O 1s、Ga 2p和Ti 2p的峰位置向较低的结合能移动，这是因为Ti原子取代了Ga原子的某些位点引起了结合能降低，表明Ti元素成功掺杂到Ga₂O₃薄膜中。TiO₂和Ga₂O₃的芯能级光谱分析表明薄膜中存有Ti⁴⁺和Ga³⁺离子。TGO薄膜的O 1s芯能级光谱中Ga-O键随着Ti-O键含量增加而下降，表明TGO薄膜中形成Ga₂O₃-TiO₂复合材料。掠入射X射线衍射图中没有出现衍射峰，表明沉积的Ga₂O₃和TGO薄膜为非晶态。原子力显微镜观察到薄膜表面平整光滑，均方根粗糙度为0.377 nm，这得益于原子层沉积逐层生长的优势。TGO薄膜在可见光区表现出较高的透明度，对紫外光强烈吸收。随着Ti掺杂浓度的增加，TGO薄膜的折射率由于化学变化从1.75增加到1.99，紫外光区消光系数增大引起透过率减小，吸收边缘出现了红移，光学带隙从4.9 eV减小到4.3 eV。分光光度法和X射线光电子能谱法测定薄膜光学带隙所得的结果一致。

基于原子层沉积技术提出了一种TiO₂∶Al₂O₃纳米复合薄膜作为微通道板导电层材料。根据微通道板的规格参数以及体电阻要求，推导出微通道板导电层薄膜的方块电阻范围为1.73×10¹³~5.20×10¹³ Ω/□；研究了TiO₂循环百分比与TiO₂∶Al₂O₃纳米复合薄膜方块电阻之间的关系，发现当TiO₂循环百分比在30.27%~37.06%时复合薄膜电阻率满足微通道板导电层要求；设计制备了20 nm的Al₂O₃过渡层以及100 nm的TiO₂∶Al₂O₃纳米复合薄膜，测量厚度约为122 nm，且薄膜表面平整光滑，实现了微通道板微孔内壁TiO₂∶Al₂O₃纳米复合薄膜导电层的制备。在1 000 V测试电压下，其体电阻为212.81 MΩ，增益为18 357，表明TiO₂∶Al₂O₃纳米复合薄膜作为微通道板导电层具有可行性。