为了探索基于氧气A带吸收谱线利用多普勒差分干涉仪实现对流层大气风场探测的技术可行性，建立了从大气吸收谱线入瞳临边辐射到干涉曲线的仪器响应函数数理模型，仿真分析干涉仪光学参数、滤光片参数、系统噪声、仪器稳定性和标准具离轴效应等对视线风速反演结果的影响，确定光学系统参数的最优取值范围。结果表明，对中心波长位于769 nm的氧气吸收线，当干涉仪非对称量取值6.5~6.7 mm，光谱分辨率取值0.49~0.51 cm-1，带通滤光片半波带宽取值0.12~0.21 nm，标准具间距取值0.8~1.4 mm，精细度系数取值30~100，标准具离轴角小于0.2°，标准具透射峰偏移小于0.018 cm-1，干涉图信噪比大于40倍时，风速反演精度优于8 m/s，研究结果可为被动式对流层风场探测以及相关仪器设计提供理论参考。

提出了一种基于数字全息理论结合主动风向随动和复杂可编程逻辑器件驱动的纳秒尺度脉宽的脉冲激光调制技术，利用全域数字图像融合和局部亮度梯度方差算法的地形云观测方法。在六盘山地形云野外科学试验基地开展了长期的连续观测以获得地形云微物理参数。与该基地内基于光散射原理的测量仪器及前向散射能见度仪的观测数据进行比对，发现虽然两者长时间观测结果的变化趋势具有良好的相关性，但在2~4 μm和7~50 μm的云滴粒子区间，数字全息测量方法具有更强的观测能力。本文方法可为提高对云降水物理过程的理论认识和参数化方案的开发奠定数据支持，也可为天气、气候、人工影响天气和大气化学等领域研究提供重要的技术支撑。

大气湍流引入的波前畸变导致相干合成涡旋光束质量劣化，需进行波前畸变校正。基于相干合成涡旋光束光场分布的角向不变性，通过像清晰度函数提取明暗干涉条纹区域的总光强，构建角向条纹对比度评价函数，将评价函数应用于随机并行梯度下降算法，可以实现单环以及双环阵列结构的相干合成涡旋光束波前畸变自适应校正。仿真实验结果表明，相较于光强相关系数等传统评价函数，以角向条纹对比度作为评价函数的随机并行梯度下降算法具有校正性能好、收敛速度快的优点。此外，单环和双环结构相干合成涡旋光束的波前校正结果均验证了角向条纹对比度作为相干合成涡旋光束评价函数的有效性及优势。

基于微通道板的单光子探测器具有体积小、结构紧凑等优点，将其与位置灵敏阳极相结合能够准确记录光子到达的时间信息及位置信息。通过分析延迟线阳极探测器的原理，提出一种基于印刷电路板制备的新型二维交叉延迟线阳极。与传统的电荷直接收集方式不同，该阳极基于电荷感应技术，由高阻感应层代替阳极收集电子，消除了阳极电子再分配带来的噪声。搭建了一套基于交叉延迟线阳极的实验系统并对研制的位敏阳极探测器进行测试，测试结果表明探测器空间分辨率最优为107 um，暗计数为0.23 counts/(cm2?s)。研制的新型交叉延迟线阳极为大面阵单光子成像探测应用奠定了基础。

针对光纤激光中的高阶色散失配问题，基于传统光脉冲群延迟原理，提出了一种非线性啁啾光纤光栅的色散分析数学模型，推导了布拉格反射波长与色散参量及色散斜率的数值关系。同时，利用该模型研制了两款用于1 μm波段超快光纤激光的非线性啁啾光纤光栅，可将入射脉冲宽度分别展宽至150 ps或1 ns以上，并通过光谱干涉法获得了两款光纤光栅的色散曲线。研究结果表明，两款光纤光栅的色散参量实测值分别为-10.3 ps/nm和-107 ps/nm，色散斜率实测值分别为-0.013 ps/nm²和-0.087 ps/nm²，与设计参数具有良好的一致性。这可为啁啾光纤光栅的设计分析和生产测试提供新的解决思路和参考依据。

设计出一种工作在可见光波段宽入射角度范围具有高消光比的金属偏振分束光栅。采用等效介质理论对金属偏振分束光栅原理进行定性分析，利用严格耦合波理论和时域有限差分法对金属Al光栅进行数值仿真并详细分析了结构参数中周期、高度以及光波长和入射角度等参数对偏振特性的影响。结果表明：当Al光栅占空比为0.5，周期为0.15 μm，光栅脊高度为0.15 μm时，在0.4~0.7 μm波段和45°±10°入射角范围内，该金属偏振光栅对TM波高透射，对TE波高反射，光栅透射消光比平均35 dB，反射消光比平均12 dB，最后对制作的金属偏振光栅进行消光比测量，验证了设计结果的正确性。该研究结果对设计和制备高衍射效率、高消光比、宽波段宽入射角度范围的偏振分束器具有较好的实践指导价值。

同时同频全双工技术可有效提升频谱利用效率，然而射频自干扰是该技术实际应用必须解决的首要问题。建立了微波光子射频干扰消除理论模型，分析了幅度失配与时延失配对干扰消除深度的影响，基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）进行了微波光子射频干扰消除控制算法研究，建立了互相关算法与粒子群算法相结合的快速寻优算法，提出了综合考虑微波光子功能单元调节精度与模数转换器采样精度的算法判据。实验测试了基于FPGA的微波光子射频干扰消除算法自适应控制功能，在中心频率2.4 GHz，带宽40 MHz条件下，干扰消除深度达到35 dB。

提出了一种基于聚乙烯醇（PVA）涂覆的U型超细光纤湿度传感器。光纤熔融拉锥机将单模光纤拉制成微米级的超细光纤，采用滴涂法将PVA溶液均匀的涂覆在光纤表面。为了减小传感器体积使其便于测量，将超细光纤固定为U型。实验发现，未涂覆PVA时，U型传感器的湿度灵敏度极低；涂覆PVA后，传感器在34%RH~90%RH的检测范围内湿度灵敏度高达146.1pm/%RH。温度实验表明，传感器在40℃~80℃范围内温度灵敏度为15.8 pm/℃。该传感器制备过程简单、灵敏度高、便于携带、成本低、温度串扰影响较小，在湿度检测领域有广泛的应用前景。

为了进一步提高人体姿势在生物医学和运动学中的识别精度，设计了一种基于光纤布拉格光栅柔性传感器人体姿势识别的智慧鞋垫，并结合K折交叉验证支持向量回归算法提升识别精度。采用COMSOL仿真软件分析足底受力分布，确定4个关键受力点布设光纤布拉格光栅传感器，采用波分复用方式进行连接。征集25名参与者分别完成8种不同人体姿势，记录该串光纤布拉格光栅传感器200组中心波长变化量并构建数据集。引入K折交叉验证支持向量回归模型进行数据处理，经K折交叉验证自动搜索支持向量回归惩罚因子和径向基函数参数的最优值分别为0.5和8。实验结果表明K折交叉验证支持向量回归模型的相关系数为0.999 6，均方根误差和平均绝对误差分别为0.050 2、0.044 6，较SVR回归模型的均方根误差和平均绝对误差分别降低0.460 4、0.087 7，有效提高人体姿势的识别精度。

提出了一种无波长校正的光纤布拉格光栅（FBG）传感系统，可在未对基于重构等效啁啾（REC）技术制造的扫频DFB激光器进行波长线性校正的情况下，识别波长变化，并解调出光栅传感器的温度变化。所提无波长校正FBG传感系统可以在200 ℃范围内进行精确的温度检测，测得的波长与温度的线性系数1－R²仅为0.004 4。该传感系统光源在1 kHz的锯齿波调制下，调谐范围可达2.5 nm，且测量过程中无需额外波长校正器件。

提出一种基于残差网络改进的卷积神经网络模型，应用于乳腺组织光学相干层析图像的辅助诊断。该方法采用残差网络作为基础框架，利用级联的小卷积层替换大卷积层，使用八度卷积替换部分卷积层，并且加入注意力机制，构造出一个具有双重过滤结构的残差网络模型。双重过滤结构不仅能够减少模型整体的参数计算量，还能使模型在特征提取时侧重于含有丰富结构信息的高频分量，降低低频分量占比，减少信息冗余，从而提高模型对于近似结构图像的分类识别能力。对比实验结果表明，提出的双重过滤残差网络模型对纤维脂肪、基质和肿瘤3类乳腺组织光学相干层析图像实现96.88%的分类精确度，且分类性能比目前经典的卷积神经网络模型更加优异，在乳腺癌切缘术实时诊断领域具有潜力。

在高光谱图像分类任务中，引入注意力改变提取到的光谱和空间特征权重，有效突出重要特征，提高分类准确率。将注意力机制、残差网络和特征提取模块集成到分类框架中，引入中心区域光谱注意力机制，在避免干扰像素对波段权重影响的同时，利用周围像素增强中心像素波段，增强光谱特征的鲁棒性进而提取有效的光谱特征。并在此基础上提出了光谱-空间注意力残差网络，该网络可以从高光谱图像中连续提取到丰富的光谱特征和空间特征，并通过残差网络连接特征提取模块，缓解了精度下降问题，保证网络良好的分类性能。在4个公开数据集上，所提出的分类算法和其他算法相比，各项指标均达到最优。

针对红外目标跟踪中红外图像模糊、存在噪声、目标特征少的问题，提出了自适应信息选择的变尺度相关滤波红外目标跟踪算法。首先，在提取的灰度特征中重新提取了梯度信息，用于增强特征感受野大小，丰富目标特征信息；其次，稀疏滤波器系数，减少滤波器信息冗余，并将其结合至滤波器训练过程中，不同通道下的空间信息保留程度不同，有效提高滤波器表达能力；最后，在原有保留尺度更新的基础上，加入变尺度滤波器，构建边界框比例不同的尺度池，有效应对边界框比例变化的情况。在LSOTB-TIR数据集和PTB-TIR数据集上做了对比和消融实验以验证算法的有效性，结果表明该算法在LSOTB-TIR数据集上精确度和成功率分别达到71.3%和59.4%，在使用手工特征的算法中获得了更好的表现。

针对红外与可见光融合图像存在纹理细节不丰富、对比度较低及目标信息损失等问题，提出了一种基于特征优化和生成对抗网络的图像融合算法。首先，设计一种自适应特征优化模块以增强原始图像纹理细节及对比度；然后，为使融合图像保留更多的多模态信息，将生成对抗网络引入到融合框架中。在生成器模型中，考虑到红外与可见光图像成像机理差异，构建了双支路特征提取网络，并设计多尺度密集连接模块以提取异源图像丰富的特征信息；其次，在融合层构造通道和空间注意力模型以增强局部特征之间联系，减小融合图像中目标信息损失；最后，为使融合结果尽可能保留可见光纹理细节的同时又能够较好突出红外目标，构造了双判别器网络结构。为验证所提算法优势，在TNO数据集上进行实验，并与6种经典融合算法进行主观和客观比较。实验结果表明，所提算法无论在主观还是客观评价上均具有明显优势，生成的融合图像纹理细节更为丰富、边缘及目标更加清晰且具有更好的对比度，客观评价指标信息熵、空间频率、相关熵、视觉保真度和梯度信息分别提高了16.11%、65.46%、7.96%、42.67%和33.24%。

钢球的球体几何特性令表面上的缺陷难以连贯成像引起漏检或缺陷畸变被误判，且钢球的镜面反射效应可能造成缺陷信号被周围环境的像和高反亮斑淹没，导致缺陷漏检。为此，提出了一种基于光学暗场线扫描技术的钢球表面缺陷检测方法，设计搭建了一套适用于高反射率钢球的暗场线扫表面缺陷检测系统，开发了图像预处理、畸变校正、缺陷提取、点云重建、分割和过滤等算法，建立球面图像点间的空间几何关系，成功将钢球表面缺陷在三维球面上重构，实现了轴承钢球表面缺陷的三维连贯检测。实验结果表明，对表面完好的无损球测量重复性为0.14%，对表面带有缺陷的磨损球测量重复性为0.11%。

为满足气候监测、微光辐射计量、单光子计量等定量应用需求，设计了基于相关光子自校准的紧凑型三通道微光辐亮度计，其光谱范围为460~1 550 nm，辐亮度测量范围为1×10^-9~1×10^-6 W/（cm²·sr·nm）。设计时考虑整机的集成化、小型化和模块化，将8个光谱波段集成为三通道结构。其中可见光近红外波段采用自由空间耦合，短波红外波段采用多模光纤耦合方式。通过设计优化分析，微光辐亮度计的第一、二通道的聚焦光斑满足Si单光子探测器光敏面300 μm像元要求，第三通道的聚焦光斑满足多模光纤62.5 μm芯径和0.22数值孔径要求，三个通道的聚焦光斑均可被单光子探测器光敏面接收，满足设计目标，可为后续的工程化应用提供参考。

设计了一种外置光阑的针孔相机镜头，可免去传统方法复杂的相机标定过程，采用影像仪和三坐标测量机实现测量系统各元件空间位置的几何标定，并依靠相移算法实现屏幕与相机像素的精准匹配。实验结果表明，本文提出的偏折测量结果与干涉仪测试结果偏差优于20 nm RMS，可满足光学镜面加工研磨阶段到抛光阶段的过渡测量需求，为光学加工车间提供了可靠、经济、高效的面型评估，具有广泛的应用前景。

采用数字光栅投影技术对强反射表面物体进行形貌测量时，由于采集的图像出现局部过明或过暗的现象，造成测量精度下降。基于此，提出一种改进的自动多次曝光图像融合技术，首先通过系统灰度响应曲线确定合适的测量灰度值范围，并根据基准点拟合出相机响应函数，计算出所需的曝光时长和次数；其次，将相机采集的不同曝光时长下光栅条纹图像与投射纯白图像下制作的掩膜图像相乘并进行线性变换叠加，采用对数变化提升叠加后光栅条纹图的暗部区域细节；最后通过解相计算出被测物的三维点云数据。实验结果表明，该方法可以准确计算出曝光时长和次数，融合后的图像条纹清晰完整，对于具有强反射表面的标准块、水泵压板护套和回程盘，点云重建率分别达到99.80%、99.20%、99.40%，提高了强反射表面的形貌测量精度。

为探究飞秒激光烧蚀金刚石的烧蚀特征及机理，进行了飞秒激光加工CVD单晶金刚石实验及温度场仿真模拟研究。研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区内纳米结构的影响。研究表明，金刚石被加工区域出现了沿着110晶向的微裂纹，在微槽边缘区域形成了周期为100~230 nm的纳米条纹，微槽中心区域形成了周期为460~640 nm的纳米条纹，且纳米条纹的形貌与激光加工参数密切相关。通过实验获得了金刚石的烧蚀阈值为3.20 J/cm²，且当激光能量密度为24.34 J/cm²时，金刚石的烧蚀速率为44.8 nm/pulse，材料去除率为4.34×10^-10 g/pulse。拉曼检测发现，微槽底部的金刚石发生了石墨化，理论计算的石墨层厚度为11.1 nm。根据不同激光能量密度下拉曼峰的频移计算飞秒激光辐照后金刚石微槽内的残余应力，当激光能量密度增加至24.34 J/cm²时，残余拉应力增大至1 389 MPa。温度场仿真结果表明，飞秒激光加工金刚石的材料去除主要是以金刚石升华为主，且飞秒激光辐照能量大多集中在金刚石的表层，几乎不会通过热传导扩散到金刚石内部。

以柠檬酸和尿素为前驱体通过水热法制备得到绿色荧光碳点，通过透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱、荧光光谱以及时间分辨荧光光谱对碳点进行表征和分析。碳点的粒径为6.5 nm，在252 nm、273 nm和410 nm处存在吸收峰，最佳激发和发射波长分别为400 nm和517 nm，根据已有研究推测碳点的荧光主要来源于4-羟基-1H-吡咯并［3，4-c］吡啶-1，3，6（2H，5H）-三酮。发现不同溶剂中的碳点具有不同的发光特性，包括荧光强度、发射峰位和荧光寿命，因此将碳点作为荧光探针检测质子溶剂乙醇和非质子溶剂二甲基甲酰胺中的水含量。实验结果表明随着水含量的增加，混合溶液中碳点的荧光强度下降，发射峰位红移，发射峰轻微加宽，荧光寿命缩短。碳点的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命三者与水含量之间均存在线性响应关系，检测范围宽至0~100%。本方法同样适用于甲醇和乙二醇，具有普适性，该碳点有望成为快速灵敏检测有机溶剂中水含量的潜在探针。

设计并制作了一款直径为1.1 mm、频率为31.11 kHz的MEMS压电微镜，用于需要高速扫描且小尺寸的应用场景。该器件所需模态为扭转模态，与其他模态分离情况好，不会出现耦合。实验结果显示，电压为32 V时光学扫描角40.66°，品质因子1 155。改变PZT极性，实验得到了薄膜材料的铁电性质影响。另外，完成了MEMS微镜在0 ℃~100 ℃不同温度下角度的变化实验，偏离不超过±1°。仿真模拟、实验结果和理论计算结果三者拟合情况好，表明该设计的微镜具有较高的可控性和稳定性，为实现高精度扫描提供了有力支持。该MEMS压电微镜在AR/VR等领域中具有潜在的应用前景。

目前商品化的显微物镜的适用波段范围无法满足360~1 000 nm波段范围的相关光子光斑的测量要求。从复消色差基础理论出发，研究了复消色差玻璃组合的选择方法，得到了二级光谱校正效果较好的玻璃组合。采用全球面折射式、无穷远校正的结构型式，设计出一款放大倍率为20倍、数值孔径为0.3、工作距离为10 mm、齐焦距为60 mm、视场为0.66 mm、工作波长范围为360~1 000 nm的平场复消色差显微物镜。调制传递函数曲线在80 lp/mm处接近衍射极限，场曲校正满足平场的国际标准，其余成像指标也接近衍射极限。公差分析结果表明，该显微物镜满足设计和实际加工要求。