在激光焊接中，激光光斑半径的大小直接影响激光功率密度，不同的激光功率密度对熔池流场和小孔的三维形状有影响。然而，关于激光光斑尺寸对激光熔池和小孔行为的影响的研究很少。基于Fluent软件建立了激光焊接热-流耦合模型，研究了激光光斑尺寸下激光焊接过程的匙孔三维瞬态行为及熔池流场。研究结果表明，随着光斑半径的增大，匙孔的深度明显变小。光斑半径分别为0.1 mm和0.15 mm时，焊接过程中均会出现匙孔底部闭合的情况，当光斑半径为0.2 mm时，匙孔未出现闭合的情况，匙孔的稳定性有所提高。随着光斑半径的增大，熔池最大流动速度波动相对较小，熔池尺寸逐渐增大。

基于相位计算的光学三维形貌测量技术通过编码条纹图获取物体表面的三维形貌。而彩色高反光物体因表面颜色、曝光程度的不同，导致投射在物体表面的条纹出现调制度不同以及曝光程度不同的双重难题，传统条纹投影轮廓术无法对其进行有效的三维测量。论文提出一种采用多通道预处理二分选择曝光时间法测量彩色高反光物体三维形貌。该方法通过预处理选择曝光时间域，利用二分选择曝光时间,采集四组不同曝光条纹即可恢复物体表面绝对相位。然后采集对应曝光时间下的条纹图像，经过像素选择，实现对过曝像素的处理。将处理过的像素信息在三颜色通道下进行最优光强和颜色选择，生成彩色条纹图。融合各颜色通道内最优相位，从而获取彩色高反光物体表面的绝对相位。最后确定相位和深度之间的关系，即可得到物体表面的三维数据。实验结果证明所提方法可有效测量彩色高反光物体表面的三维形貌数据。

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模米散射多普勒激光雷达技术，分析了探测原理，并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域，由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数E_V随匹配误差的增大而迅速增大；频率匹配误差不变时，E_V随风速增大而缓慢减小；当频率匹配误差小于10 MHz时，E_V将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数，对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明：在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内，当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时，系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s；在无云条件下，系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。

液相外延是碲镉汞（MCT）薄膜生长领域最成熟的一种方法，被众多红外探测器研究机构和生产商所采用。然而由于MCT材料自身属性和具体制备工艺的原因，液相外延生长过程中不可避免地会产生各种缺陷，从而降低红外探测器的性能。为了增加对液相外延MCT薄膜中缺陷的认识，并对具体的生长工艺提供指导性建议，基于已报道的文献总结了液相外延MCT薄膜中所存在一些缺陷的特征以及形成机理和消除方法。对各类缺陷的形成机理和消除方法进行探讨和评估，有助于提高MCT薄膜液相外延的水平，为制造高性能MCT探测器做好材料技术支撑。

为了能有效评估中长波复合探测识别低特征水面飞行器目标的优势，通过建立某飞行器不同探测角度红外辐射模型，采用光线追迹结合反向蒙特卡洛法计算获得了其不同探测角度下中长波红外的辐射强度。同时基于侧迎头辐射强度计算结果，对海洋环境降雨、海雾等特殊条件下中长波探测差异进行了对比分析，并且通过实际外场复杂海背景下弱小目标探测试验等手段，获取了不同距离下中长波探测数据，统计分析了目标与海背景的等效温差变化。通过上述工作统计分析了中波和长波波段在不同气候海背景条件下的优势和劣势，充分验证了中长波复合探测技术的优势。

类B-2型飞行器因其独特的气动布局和较强的隐身能力，成为攻防对抗和预警探测识别工作中重点关注的目标之一。通过构建类B-2型飞行器的气动外形，基于真实可压缩气体模型和辐射平衡壁面边界条件预测典型飞行工况（12 km@0.8 Ma）下的绕流场、尾喷焰和壁面温度，结合窄谱带高温气体辐射物性数据库，采用视在光线法求解辐射传输方程，获得不同观测角度、不同波段条件下目标本体和尾喷焰的红外辐射特性。结果表明：类B-2型飞行器在俯视观测角度下辐射强度最强，本体在长波波段内的辐射强度较中波波段高出近两个量级。中波波段内目标辐射强度主要来自尾喷焰，长波波段内主要来自本体。研究可为类B-2型飞行器的目标特性识别提供理论参考。

目前1.5 μm LD泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体被动调Q微型激光器广泛应用于激光测距、激光雷达等领域。随着激光器输出能量和重频的增加，玻璃面临突出的热效应问题，晶体的热导率是玻璃的10倍以上，有望能够实现比玻璃基质更大脉冲能量和更高重频的激光输出。文中报道了一种采用LD脉冲端面泵浦、铒镱共掺焦硅酸镥晶体为增益介质的1 537 nm被动调Q微型激光器。通过优化泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体初始透过率相匹配，实现激光输出重频与泵浦重频一致。最终实现了输出重频为1 kHz、单脉冲能量35 μJ、脉冲宽度7 ns、峰值功率为5 kW、光束质量因子M²=1.33的激光输出。以及输出重频为10 kHz、单脉冲能量10 μJ、脉冲宽度10 ns、峰值功率为1 kW、光束质量因子M²=1.51的激光输出。结果表明，Er³⁺/Yb³⁺:Lu₂Si₂O₇ 晶体是实现高重频1.5 μm激光输出的优良介质。文中研究结果对LD脉冲端面泵浦的kHz铒镱共掺晶体被动调Q人眼安全微片激光器具有重要的参考意义。

空间三轴激光陀螺是一种将三个敏感环路正交集成于一块微晶玻璃基体上的空间激光陀螺，在航空、航天、**等领域得到了广泛应用。随着军用装备对高性能激光陀螺长期通电性能稳定性的要求不断提高，提高激光陀螺长期通电性能稳定性、延长激光陀螺工作寿命已成为国内外激光陀螺专业领域研究人员共同关注的重要课题。国外多项专利提到了微晶玻璃中的Li⁺在电场的作用下发生迁移并影响激光陀螺工作寿命，但未见具体研究。文中对空间三轴激光陀螺开展了通电寿命试验，并结合飞行时间二次离子质谱分析技术，研究了放电区微晶玻璃LAS (Li₂O-Al₂O₃-SiO₂)表面的Li⁺迁移现象，结果表明：微晶玻璃中Li⁺在激光陀螺电场及谐振腔内等离子体的作用下向谐振腔方向迁移，并脱离微晶玻璃进入谐振腔，然后随等离子体流动，最终沉积在阴极表面。该结果对提高激光陀螺长期通电性能稳定性、延长工作寿命等相关研究具有重要推进作用。

红外谱段（8~12.5 μm）作为红外对地光学载荷的主要探测谱段，在对地遥感领域发挥着重要的作用。以红外成像仪载荷的杜瓦组件为研究对象，宽幅高分辨率红外系统的光机结构作为输入边界，分析了关键面对系统杂散光的影响。为了抑制杂散光和降低背景辐射，利用柔性波纹管隔热实现200 K窗口和窗口帽低温设计。进一步分析了杜瓦组件窗口、窗口外壳、冷屏结构及表面处理工艺等对杜瓦内部杂散光的影响。冷屏采用三级挡板设计，滤光片为三波段集成，同时在考虑装配和加工精度的情况下，冷屏和滤光片支架采用分离方式。卫星红外成像仪载荷在轨运行良好，成像效果较好。为杜瓦设计和加工选择提供了一定依据。

为了使2.16 m望远镜具备线偏振测光观测能力，开展了偏振光度计研制。该系统采用双通道分时偏振成像方案，具有偏振定标单元、偏振测量单元，可实现偏振定标、偏振测量和多色测光。完成系统研制后，将其安装在2.16 m望远镜上开展实测，依照该偏振光度计偏振观测流程拍摄了一系列非偏振标准星、偏振标准星、流量标准星；按照偏振定标和偏振态解算数据处理方法，对获取图像进行数据处理。结果显示：该偏振光度计视场为4.63′×4.63′，像元比例尺为0.54 (″)/pixel，偏振度测量精度优于0.01，60 s曝光时间可以拍摄到V波段信噪比约为141的15.3等星。该偏振光度计使2.16 m望远镜具备V波段线偏振测光和快速多色测光观测能力。

随着航天红外技术向高定量化、高集成化方向的发展，传统基于CPU或DSP的黑体测控温系统无法满足高集成化和高精度的需要。针对上述问题，设计了基于FPGA的星载黑体高精度集成温控系统。该系统以FPGA为核心控制单元进行温度采集和控制，实现多功能高速并行处理。黑体测温模块采用三线制惠斯通电桥减小导线电阻影响，然后在信号调理部分采用集成运算放大器组成的三级有源滤波和放大实现了对电气输出的低噪声放大。与传统仪用放大器加无源滤波的信号调理方式相比，该方法具有更强的干扰抑制能力。同时，对铂电阻阻值与温度的非线性误差以及测温系统电路误差，提出了基于多项式模型及最小二乘理论的分级拟合校正方法，进一步提高了测温精度。控温模块采用新型模糊控制和增量式PID（FIPID）结合减小过冲，加快收敛速度。基于精密标准电阻的实测结果表明该系统测温精度在247~375 K范围内为0.035 K，比校正前精度0.383 K提高了90.9%。控温仿真实验表明与PID控温相比，FIPID的过冲为零，而PID算法有12.4%的过冲，且收敛速度提高了64%。地面热真空和在轨实际控温实验表明在256~367 K范围内实测控温精度为0.039 K，该方法已成功应用于某型号空间红外相机，且满足在轨高精度定标要求。该系统具有测控温精度高、动态范围大、易于集成化的优点，可推广应用于星上其他高精度主动温控。

物体微振动信号测量在磁场、建筑、生物成像及航空航天等方面具有重要的应用价值。但是，物体微振动产生的弱反射光不仅极其微弱，易受到探测距离、雨雾气等环境因素的干扰，而且低频振动的振动形式多变，易受到经典噪声影响，难以实现极端微弱反射光条件下的振动信号测量。针对以上问题，文中采用光学偏振控制方法，对信号光与本振光的偏振性进行控制，以减少光学噪声的干扰；采用平衡外差探测，将低频直流信号转变为高频交流信号，避免信号被噪声湮没的同时，克服了光电流共模噪声的影响。在赫兹（~10 Hz）频段，探测器的噪声水平达到了散粒噪声极限，并实现了阿瓦量级反射光条件下的微振动信号测量，测得的物体微振动振幅为11.44 nm，A类标准不确定度为0.25 nm，合成不确定度为0.34 nm，测量精度为±0.75 nm。该方案不仅为微弱多普勒频率测量、振动检测等测量领域的研究提供了实验支持，在弱反光、长距离、雨雾天气等复杂测量环境也具有广阔的应用前景。

近年来基于视觉的飞行器自主视觉定位技术发展迅速，是飞行器导航制导、态势感知和自主决策的关键技术之一。针对现有跨模态地理定位任务中存在模态差异大、匹配难度大、定位鲁棒性差等问题，提出了一种基于GCI-CycleGAN风格迁移的跨模态地理定位方法，通过将风格迁移算法、特征匹配算法和地理定位方法相结合，实现了飞行器跨模态地理定位。首先，获取无人机航拍的正下视实时红外图像和地理位置信息已知的可见光图像；其次，基于生成对抗网络图像风格转换的思想，设计新的生成对抗损失函数，构建并训练了GCI-CycleGAN模型，将可见光图像转换为红外图像；然后，利用SIFT、SURF、ORB、LoFTR、DFM匹配算法对生成的红外图像与实时红外图像进行匹配；最后，通过透视变换获得实时红外图像中心点在生成图像中的位置，再将该定位点映射到相应的可见光图像上，得到最终的地理定位结果。实验表明，GCI-CycleGAN相比CycleGAN网络可以有效提高图像风格迁移质量，与DFM智能匹配算法结合的匹配成功率最高可达99.48%，比原始跨模态匹配结果提高了4.73%，平均地理定位误差仅为1.37 pixel，取得了更加精确、鲁棒的地理定位结果。

在对空间碎片进行分析研究中，大视场的天基目标探测载荷成为提高探测效率的有效方式，在实际成像过程中，由于曝光时间长，加上卫星自身在轨姿态的运动、二维转台的转动等因素，会导致空间相机在图像上产生像旋。通过齐次坐标变换法对像旋进行分析，得出相机存在±2′的像旋，并利用柔性单元和压电驱动器设计了一种新型无摩擦、无磨损、免润滑的像旋补偿机构，带动空间相机反方向的旋转对像旋进行补偿。然后对柔性单元应力和系统固有频率进行优化设计，推导柔度公式和精度公式，并对结果进行有限元仿真分析。结果表明：仿真结果与理论计算模型的最大相对误差均小于 5% ，该机构能够实现大视场空间相机的像旋补偿，并且具有较高的精度。

针对大口径太阳望远镜系统运行过程中由于静态位置失配误差、风载弯沉等准静态位置失配误差以及热变形等非失配误差引起的波前像差导致成像质量下降的问题，在对太阳望远镜系统波前像差时空分频的基础上，提出采用次镜刚体位移对太阳望远镜低时空频率波前像差校正的方法，建立起次镜刚体位移与像差校正量的关系，并通过数值仿真及实验验证了采用次镜刚体位移对上述来源像差的校正能力。数值仿真和实验结果表明：次镜刚体位移能够对望远镜系统运行过程中的低时空频率波前像差进行有效校正，其中，对位置失配误差校正后像差RMS值低于原值的9%，对非失配误差校正后像差RMS值低于原值的40%，对多源混合误差校正后像差RMS值低于原值的15%。

大口径离轴非球面反射镜进行高精度车削过程中，由离心力引起的微米级面形误差变得尤为重要。为了减小离轴非球面反射镜在车削过程中受离心力变形而引起的面形误差，对离轴非球面铝合金反射镜开展了单点金刚石车削工艺研究。通过分析离心力产生机理，构建了抑制离心力坐标变换加工模型；利用有限元仿真的方法优化了坐标变换的平移位移和旋转角度，最后基于优化结果对口径320 mm的RSA6061铝合金离轴非球面反射镜进行车削实验，获得了面形精度为RMS 0.198λ(λ=632.8 nm)的离轴非球面铝合金反射镜，验证了该优化加工方法的有效性。上述优化方式能够显著提高单点金刚石车削加工大口径离轴非球面反射镜的加工精度。

碳化钨合金因其具有高硬度、高耐磨性和高化学稳定性等优点，成为精密玻璃模压模具材料的首选。为了提高碳化钨合金模芯超精密磨削加工的表面质量，基于WC-6%Co碳化钨合金的物理特性，利用Abaqus建立磨削工艺仿真模型，分析了磨削深度、进给速度、砂轮转速及工件转速对WC-6%Co碳化钨合金磨削加工后表面粗糙度的影响规律，并讨论了磨削碳化钨合金的合理工艺参数范围。采用Taguchi法开展优化实验研究，确定出磨削碳化钨合金的最优工艺方案，在该方案指导下，完成了碳化钨合金的非球面模芯超精密磨削实验。最终得到的碳化钨合金模芯的表面粗糙度平均值为3.379 nm，验证了优化方案的有效性。

由于TeO₂声光偏转器（Acousto-optic deflector, AOD）具有超快的扫描速度、较宽的布拉格带宽以及大范围的偏转角度等优点，可以及时地改变光镊的位置，因此是获得无缺陷原子阵列的重要工具，在量子计算与模拟中具有重要的作用。但是，当声光偏转器输入含有多频率成分的信号时，会出现频率之间相互调制，导致衍射效率降低，出现不需要的衍射光且得到的衍射光强度分布不均匀等问题。基于此，对多个频率之间的相互调制过程进行了分析，通过对模型的计算分析得到了抑制频率互调的相位条件，并通过实验进行验证，再进行强度优化后得到强度分布相对均匀的光镊阵列。之后对互调过程进行仿真模拟，仿真结果显示与实验测量结果基本符合。对光镊阵列的参数测试显示，聚焦光镊的腰斑为1.5 μm，现有实验光路可获得间距3 μm的22×22的光镊阵列，满足中性原子阵列的实验需求。

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势，结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面，可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大，光学系统误差敏感度剧增，加工难度和装调敏感度也随之提高，耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度，误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松，在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此，降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30 000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比，结果表明，在光学系统构型无显著差异的情况下，使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异，调制传递函数（MTF）均接近衍射极限，两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现，局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。

激光光束整形技术在现代激光工业领域具有重要作用，为了克服传统激光光束整形自由曲面构造中存在法向矢量偏差的局限性，文中提出一种正交双向迭代的自由曲面设计方法。该方法基于能量守恒和斯涅尔定律建立光源与目标面的能量映射关系，通过正交方向坐标点迭代获得自由曲面数据点，同时利用相邻坐标点的均值进行曲面法向矢量修正，从而提高自由曲面的构造精度。设计实例表明，准直入射的激光光束经自由曲面整形反射镜，在特定目标区域内可形成高均匀度光斑。进一步从自由曲面的连续性、拟合精度与面形误差三个方面，与传统设计方法进行了详细对比分析。结果表明，所提设计方法得到的激光光束整形自由曲面连续性与平滑度更好，拟合精度更高；且在加工误差允许范围内，目标面的辐照度均匀性更稳定。

提出了一种基于轨道角动量全息(Orbital Angular Momentum, OAM)和频移的大容量光学信息加密方法。该方法实现了对多个图像信息的并行加密。首先，对多幅原始图像进行采样，采样阵列的采样间隔取决于具有不同拓扑荷数的螺旋相位的空间频率。然后，多个采样图像信息经过随机相位调制、傅里叶变换和频移相位调制后相干叠加构成轨道角动量保留全息图。最后，将不同拓扑荷的螺旋相位分别编码到轨道角动量保留全息图中，得到轨道角动量选择全息图，进行相干叠加后构成最终的单个加密全息图。解密时，轨道角动量复合选择全息图被加载到空间光调制器上，用包含特定拓扑荷数的涡旋光束照射，并经过傅里叶变换获得多个解密信息。该加密系统具有极高的加密灵活性和极大的加密容量，不仅可以在同一拓扑荷下，设计不同的频移因子来并行加密一组多个图像信息，还可以利用不同拓扑荷对多组图像信息进行加密。该方法将涡旋光束的模式设定为一个新的光学密钥，极大地提高了光学加密系统的安全性。此外，该光学加密方法中，待加密图像信息的尺寸不受空间光调制器的像元数量限制，极大地提高了光学实现信息加密的可行性和有效性。仿真实验结果表明该方法具有较高的安全性、抗噪性和抗剪切能力。

自由曲面为光学系统设计带来了新的设计自由度，可以实现性能与参数更高、结构更紧凑的系统，但自由曲面的加工与检测难度较大，应在设计过程中对工艺性进行实时表征与控制。使用正交多项式面型可以较为容易地实现自由曲面同基底曲面矢高差的控制，但目前常用的大多是在圆域内正交的多项式，对于自由曲面离轴非对称系统中曲面常用的矩形孔径或者方形孔径局限性较大。针对以上问题，提出了采用方域内具有正交特性的二维Chebyshev多项式以及二维Legendre多项式进行自由曲面成像系统设计的方法。提出采用正交多项式孔径边缘积分的约束方法，以及采用控制方域正交多项式系数平方和的方法，配合正交多项式系数的其他线性约束，在不明显降低系统成像质量的情况下，实现高效的自由曲面系统设计以及曲面检测难度的实时表征与控制。通过多个不同结构的自由曲面成像系统设计实例，说明了所提出的设计方法的可行性与效果。所提出的方法为常用的有矩形曲面孔径的自由曲面系统设计提供了新思路，可以有效提升整个自由曲面系统研制过程的效率。

文中针对激光前照灯的光学结构设计困难和能量利用率低的问题，以球面最优传输理论为基础，提出了一种新的自由曲面反射器设计方法。该方法基于支撑曲面的结构，针对扩展光源进行了优化，有效抑制了目标照明区外的照度，实现了清晰的明暗截止线。文中根据GB 25991—2010标准，设计了适用于激光前照灯（含近光灯和远光灯）的自由曲面反射器，并使用扩展朗伯光源进行模拟仿真。仿真结果表明，配光屏幕上各测试点和测试区域的照度均符合法规要求，反射面连续光滑，能量利用率分别为96.96%和97.80%。通过实现高能量利用率的结构，减少了汽车前照灯的功耗，利于汽车前照灯的散热设计，延长了激光光源使用寿命，并为设备的生产加工带来便利。

针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求，基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性，通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构，并在此基础上，通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件，从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例，设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm，仅由3个反射面构成，MTF优于0.2@114 lp/mm，畸变低于0.5%，相对照度高于95%，像面无暗角。该系统无遮拦，无色差，且相较于常规潜望式长焦镜头，在小型化、轻量化方面具备明显优势，为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。

自由曲面光束强度与波前调控旨在借助多个自由曲面实现对光束强度与波前两个属性的精准调控，然而这一调控工作通常要求观测平面垂直于光轴，导致系统光路布局受限。针对这一问题，文中提出了一种可实现灵活光路布局的自由曲面光束强度与波前调控方法。首先设定一个垂直于光轴的虚拟观测平面，并建立目标离轴观测平面上的特定照明分布和该垂轴虚拟观测平面上相应照明分布之间的映射关系。结合斯涅耳定律、局部能量守恒定律和光程守恒约束，建立针对垂轴虚拟平面的带有非线性边界条件的光束调控Monge-Ampère (MA)方程，之后采用有限差分法求解该垂轴布局光束调控模型，进而得到非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控的数值解。采用该方法设计了一个用于调控点光源光束强度与波前的自由曲面透镜，借助蒙特卡洛光线追迹，验证了该方法在非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控中的有效性。

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求，设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式，并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下，实现了6.25°×5°的视场角，全视场RMS几何弥散斑半径＜6.0 μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金，各反射镜进行了柔性支撑设计，以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试，典型视场波像差＜RMS 0.7λ@632.8 nm。相比传统的离轴反射系统，文中系统采用“全自由曲面+全铝光机”新构型，能够用更紧凑的包络实现更大视场，且整机具有轻量化、低成本以及无热化的特点，在红外探测领域具有重要应用前景。

针对超大面阵红外遥感探测的需求，设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构，具有实出瞳并与冷光阑匹配，能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比，该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器，具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm，工作波段为1.5~5 μm，工作F数为5，视场为30°×25°。结构上，主镜采用偶次非球面，次镜和三镜采用XY多项式自由曲面，以校正大视场下的各种像差，系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4，满足大面阵红外探测器的成像质量要求。

增强现实（AR）近眼显示光学引擎是新型显示光学设计领域的研究热点之一，它将虚拟图像投射到现实物理环境中进行显示，在空间上增强、融合和补充了物理世界。AR 近眼显示光学引擎在光学系统集成化和微型化方面有较高要求，眼镜形态的AR近眼显示光学设备是未来必然发展趋势。光学超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上周期排布而成的人工结构阵列，通过单元结构和电磁波的相互作用实现对光场中振幅、相位和偏振的任意调控，同时具有体积小、效率高、结构紧凑等特点，在近眼显示应用中具有很大潜力。文中在AR光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构，该超表面单元引入了突变相位，通过对超表面的等相位面调控改变光经过波导耦出的角度，使出射光效率最高达到77%，并实现20°视场角，为AR光波导结构设计提供一种可行方案，有望为下一代人机交互显示平台提供解决方案。

随着应用光学领域的蓬勃发展，对于成像光学系统的像质需求越来越高。自由曲面的多设计自由度使其具有优异的像差补偿能力，常被用于高效像差补偿器件，而设计出具有良好像差补偿效果的自由曲面是提升系统像质的关键。这里基于矢量像差理论，介绍了一种针对成像系统像差补偿的Zernike型自由曲面设计方法。并以望远偏心系统作为实例，利用所提出方法设计了该系统的像差补偿自由曲面，并借助空间光调制器开展实验研究。仿真与实验结果均表明，所提出方法能够得到有效补偿望远偏心系统像差的自由曲面，像差补偿后光斑尺寸降低至补偿前的43.9%，其像差补偿效果优于传统标量像差理论优化法设计结果，该方法在自由曲面成像系统设计方面具有一定的应用研究价值。

中波红外成像在**侦察、遥感测绘、航天航空等领域发挥了重要作用。现有中波红外焦平面主要采用碲镉汞、二类超晶格、锑化铟等块体半导体材料，其性能优异、稳定性高。然而，其复杂的材料制备及倒装键合工艺限制了块体半导体焦平面阵列的批量化制备及低成本应用。胶体量子点作为一种新兴液态半导体材料，具有光谱调控范围“宽”、合成规模“大”、制备成本“低”、以及加工工艺“易”等优势，为新型红外焦平面阵列研发提供了全新的思路。碲化汞量子点采用“热注法”合成，并通过旋涂方法实现与硅基读出电路的直接电学耦合，阵列规模及像元间距为640×512及15 µm。在80 K工作温度下对焦平面阵列进行了性能测试，碲化汞焦平面阵列响应截止波长达到4.6 μm、比探测率为2×10¹⁰ Jones、噪声等效温差51.26 mK（F#=2）、响应非均匀性3.42%且有效像元率高达99.99%，展现了较好的成像性能，为非倒装键合体制中波红外成像焦平面的制备提供了新的方案。

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制，在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类，其中几何光学方法由于忽略了衍射效应，导致一些情形下的光束整形效果不够精细，但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件，同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法，然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展，最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。