超短激光脉冲作为产生阿秒激光与探索物质微观世界的重要工具，其时间特性的精确测量尤为重要。介绍了几种少周期激光脉冲的产生以及常用的表征技术，并将表征技术在广义上分为频域测量与时域测量两大类。在频域测量中，通过测量非线性过程产生的光谱信息来反演重构超短激光脉冲的包络及相位；在时域测量中，利用“超快门开关”直接对脉冲的光场信息进行采样，从而获取时间特性。两类技术在应用场景上各有侧重，频域测量因其装置简便快捷而被广泛应用在快速表征的实验场景中，而时域采样则因为可以直接获得光电场信息，常用于与光电场直接相关的超快物理实验。

高能激光器性能直接决定了激光定向能的毁伤能力和打击射程，为此美国相继启动多项计划，以研制出高功率、高效、紧凑、轻量化，用于战场的坚固型激光器。2019年，启动了激光器定标放大计划（high energy laser scaling initiative，HELSI），制定出最新的国家级激光放大路线图。首先介绍美国HELSI计划的启动背景、研究内容和实施阶段，其次分析HELSI计划第一阶段300 kW的研究进展，最后评述HELSI计划进展的后续影响。综合分析可知，目前洛·马公司的光谱合成光纤激光器技术在第一阶段率先胜出，不仅获得陆军300 kW作战光源的订单，而且还首先获得HELSI计划第二阶段500 kW的研制合同；HELSI计划的进展，使导弹防御局（missile defense agency，MDA）重新重视用于拦截助推段弹道导弹的定向能**；HELSI计划支持了4种技术路线进行竞争发展，不过未来何种技术路线会最终胜出并部署在战场上，还需要加强先期论证，突破“技术迷雾”。

耐高温陶瓷作为高熔点材料，具有优异的高温抗烧蚀性能，有可能满足未来抗激光防护的需求。为摸清ZrB₂陶瓷涂层抗激光防护性能，采用高功率固体激光器作为测试光源，搭建了激光烧蚀实验平台和激光耦合特性测量系统，重点对ZrB₂陶瓷涂层开展了激光烧蚀实验和涂层反射率测试。实验研究了不同激光参数条件下ZrB₂涂层抗激光烧蚀性能，以及掺杂相（SiC、MoSi₂）的影响。结果表明，相比于未掺杂ZrB₂涂层，掺杂后ZrB₂涂层抗激光烧蚀能力明显下降。分析认为掺杂相可提高ZrB₂涂层抗氧化性能，但不利于发挥氧化生成物ZrO₂的高反射和隔热作用，致使抗激光损伤阈值降低。激光损伤前后涂层反射率的测试结果，也证实了ZrO₂的高反射率是增强ZrB₂涂层抗激光损伤阈值的关键。同时，利用有限元软件建立了连续激光烧蚀下ZrB₂陶瓷涂层温度计算模型，并以基底发生熔化为判据，仿真得到了陶瓷涂层典型的抗激光烧蚀阈值参数。

近年来，随着大功率、高能量激光系统的不断发展，光学薄膜的抗激光能力成为制约激光系统高质量发展的瓶颈之一。基于不同的制备方法及工艺参数会对薄膜的损伤阈值产生重要的影响，就薄膜镀制前、镀制中以及镀制后三个方面对提高损伤阈值的方法进行综述，其中包括膜料优选、膜系设计、溶剂清洗、离子束清理、制备方法、离子束后处理、激光后处理等内容。

高功率固体激光在先进制造、能源、信息、医疗及**等领域有广泛应用。激光陶瓷材料具有掺杂浓度均匀可控、抗激光热损伤能力强、易于制备大尺寸和复合结构等优点，被认为是高功率固体激光的重要增益材料。报道了本课题组近年来在高功率陶瓷板条激光方面的主要研究进展。采用中国科学院上海硅酸盐所制备的大尺寸Nd:YAG陶瓷板条，实现了平均功率4.35 kW的1064 nm脉冲激光输出，脉冲宽度为160 μs，重复频率为400 Hz。此外，采用中科院上海硅酸盐所制备的大尺寸Yb:YAG陶瓷板条，实现了平均功率9.8 kW的1030 nm脉冲激光输出，脉冲宽度为560 μs，重复频率为160 Hz，光光转换效率为60%。这些研究表明，激光陶瓷材料具备实现高功率、高光束质量与高效率激光的潜力。

金刚石晶体不仅具有极佳的光学性质，同时也拥有极高的热导率和低的热膨胀系数，这使得金刚石激光器成为实现不受热影响高功率激光输出的重要路径。但随着激光功率的进一步提升，金刚石拉曼激光器中仍然存在不可忽视的热效应等问题，这对金刚石激光器性能提升提出了挑战。针对高功率运转情况下金刚石拉曼激光器的热效应进行了理论研究，根据热传导方程并采用有限元分析方法，模拟了金刚石温度、热应力以及热形变分布，分析了泵浦参数、晶体参数对金刚石温度、热应力、热形变的影响。此外，基于石墨片横向导热特性，设计了一种新型的用于金刚石晶体的热沉结构。与传统单一铜片散热方式相比，在泵浦功率800 W、束腰半径40 μm条件下，金刚石中心温度下降了10.16 K，下表面平均应力降低了19.857 MPa，端面平均形变量减小了0.055 μm。数值模拟结果表明，该方法对缓解金刚石激光的热效应，实现金刚石拉曼激光器输出功率的进一步提升和高光束质量激光输出具有重要指导意义。

光纤传输是常用的激光传输方式，随着光纤制备工艺的提升，大芯径、大数值孔径的传能光纤被广泛应用于多模激光传输。高效的激光耦合是光纤稳定传输的前提，为实现宽波段、高功率密度的激光耦合，根据混合模类高斯光束传输变换特性和耦合装置初始参数，结合像差分析，设计了一套大芯径四合一集束光纤与单芯光纤之间的非球面镜耦合装置，并通过机械装置装调实验得到了最高60.6%的光纤耦合效率。搭配自研激光共振电离飞行时间质谱仪，实现了钕同位素三色三步光电离路径对应激光饱和功率密度的测量，验证了装置满足复色激光共振激发电离特定同位素的光谱实验需求。

太阳光泵浦激光器是将太阳光直接转化为激光的装置，具有能量转换环节少、效率高、结构简单可靠、性能稳定以及无污染等优点。对应用于空间环境（4 K）的全固态太阳光泵浦激光器进行了建模，并对泵浦太阳光收集阶段进行了热效应分析。先后考虑两种安装底座和四种太阳光线偏转情况，运用ANSYS Workbench^@热分析软件分别进行了稳态热分析。针对第一种情况得到的可行性验证，提出了下一步的改进优化意见，并初步设想进行实际模型搭建和测试。针对第二种不可行情况，提出了几种可能的改进措施，并对未来的工作进行了展望。该研究为太阳光泵浦激光器在空间环境中的实际应用提供了一种全新的、采用全固态传导冷却方式温控系统的可行方案，为未来空间太阳光泵浦激光器能够得到实际应用提供了研究资料。

损伤阈值测量装置是强激光技术的重要技术指标，主要用于强激光光学元件的研制和测试，而同步触发模块作为模块之间时序的控制器，是研制损伤阈值测量装置的关键技术之一。介绍了一种用于激光损伤阈值测量装置的同步触发模块及方法。设计了基于现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）为主控芯片的硬件方案，通过上位机操控软件设置同步触发参数，来控制各路输出同步信号的宽度和各路信号之间的时序，可极大提高同步触发的精度和效率。通过实验验证，同步脉冲信号之间的调节精度为2 ns，同步脉冲信号的最小宽度为10 ns，满足激光损伤阈值测量装置的要求。

在对Nd:YAG调Q激光器进行分析和设计时，研究人员通常选择忽略激光下能级寿命对脉冲波形的影响。当激光脉宽远大于激光下能级寿命时，这种近似一般不会带来太大偏差；而当脉宽达到纳秒量级时，Nd:YAG 晶体约30 ns的下能级寿命对脉冲波形的影响会变得非常严重。建立了Nd:YAG下能级寿命对输出脉冲波形影响的理论分析模型，并对窄脉宽的Nd:YAG调Q激光器的输出波形进行仿真研究。研究结果表明，在窄脉宽激光输出情形下，激光下能级寿命会导致调Q脉冲在主峰后出现尾峰，尾峰能量可达主峰能量的一倍以上。同时建立了Nd:YAG声光调Q激光器实验系统，在与仿真计算近似的条件下测量调Q脉冲波形，观察到与仿真结果一致的尾峰现象，实验验证了理论模型的正确性。

针对远场激光光斑分布不均匀、形状不规则的特性，提出一种基于改进的Zernike矩的远场激光高精度中心测量方法。在传统Zernike矩亚像素边缘检测基础上，使用新型的logistic边缘检测模型和阶跃阈值自适应提取方法，在减少人工对阶跃阈值误判的同时，提高对实际边缘的识别精度，最后使用最小二乘法椭圆拟合得到高精度激光光斑中心。该方法在远场激光中心检测中，单帧误差在0.5 pixel左右，连续多帧中心偏差波动在1 pixel以内，拥有较高的精度和可靠的稳定性。

针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题，开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术实验研究，搭建了缩束激光的波像差及光束质量测量装置，开展了缩束组件装调误差对光束质量影响的实验。实验结果表明，随着装调视场角度的增加，1/3倍缩束组件在1.2°视场处M2测量偏差小于5%。搭建了偏振分光装置，研究了衰减组件对光束稳定性的影响。实验结果表明，随机偏振的准单模激光器的稳定性比多模激光更易受到衰减组件退偏的影响。搭建了高反式与楔板式高功率激光光束质量测量装置，对1 kW准单模激光进行光束质量测量。实验结果表明，在高反式测量装置中，待测光束通过高反镜时产生了退偏，从而导致光束质量测量结果偏小，楔板式测量装置的测量结果更能准确反映待测光的光束质量。

激光告警系统通过提取来袭激光的相关参数进行告警定位，其角度定位精度直接与战场生存能力相关。为了有效提高激光告警系统的角度定位精度，基于光栅衍射型激光告警原理，提出一种高精度测量来袭激光参数的算法。对激光告警系统进行标定，用高斯拟合法精确提取出衍射光斑标定图片的0级光斑中心，将来袭激光角度与对应角度的光斑中心进行拟合，根据拟合结果确定任意角度的光斑衍射图像对应的来袭激光角度参数。实验结果表明，方位角测量误差优于0.29°，俯仰角测量误差优于0.38°。该算法有效提高了激光告警系统的测算精度。

为解决激光应用中的光束指向抖动问题，提出一种基于高斯过程回归（Gaussian process regression）的激光光束指向稳定性优化方案。介绍了激光光束指向稳定系统装置构成及原理，论述了高斯过程回归方法的原理及其作为激光光束快速稳定控制算法的优势。经过该方法优化后，指向抖动达到水平方向2.3 μrad, 竖直方向3.3 μrad，将激光系统指向稳定性提高了1个数量级以上。指向性抖动为已有线性反馈系统的20 %，尤其对于高频噪声优化有显著效果。该研究对于激光光束指向性敏感的精密实验和精密加工具有重要意义。

复合折射透镜（compound refractive lens, CRL）因具有结构紧凑、焦距可调、准直方便等优点，被用作硬X射线自由电子激光（X-ray free electron laser, XFEL）装置的光束聚焦器件。面向XFEL光束高精度聚焦对高性能CRL的实际需求，从CRL的几何结构设计原理出发，分析了不同材料CRL的性能参数，证明了单晶金刚石材料是适用于XFEL光束聚焦的CRL优选材料。同时，考虑超硬金刚石材料的难加工特性以及低重频钛宝石飞秒激光不能实现大厚度材料高效加工的实际问题，探索了高重频光纤飞秒激光对大厚度单晶金刚石材料进行高效加工的可行性。研究结果表明，高重频飞秒激光精密加工技术是实现金刚石CRL制备的有效手段。

设计实现了一种激光加工过程中，用于激光自动焊接焊道偏移跟踪识别的系统。该系统由结构光传感器、水平偏移识别算法和实时数据平滑算法组成，在不同工况条件下实时自动提取多种形状的焊道特征点数据，通过对特征点数据进行计算处理，获得焊道实时偏移数据，经过实时平滑算法进行滤波处理后输出给激光自动焊接装置，最终实现对水平跟踪的自动控制。在现场实际焊接测试中，该系统能够实时采集焊道偏移数据，并准确指导焊接激光输出头对焊道进行水平跟踪，为实现激光自动化焊接奠定了基础。

研制了基于三分区镜的倒立式三视场施密特型望远镜，对其关键技术进行了分析。利用正三棱锥的几何对称性，推导了3个视场的视轴夹角与分区镜面夹角之间的关系式，设计了用于实现多视场观测功能的三分区镜；通过有限元法分析了倒立式施密特望远镜主镜重力形变对像质的影响，阐述了检测光路关键参数对施密特修正镜加工误差的影响程度，采用蒙特卡罗法对该光学系统的杂散光进行了分析。最后对整个光学系统进行了实验检测，检测结果表明：实际研制的三分区镜镜面之间的夹角为133.08°，可同时对相互垂直的3个视场进行观测；该望远镜光学系统的PV=0.614λ，RMS = 0.105 λ(λ= 632.8 nm)。该系统可用于地球空间姿态测量，拓展了施密特望远镜的应用范围。

针对现有的大多数超短焦投影设备成本高、体积大、垂轴色差和畸变校正困难等问题，设计了一款基于DMD芯片的超短焦微型投影镜头，并对其进行了公差分析和热分析。该系统由7片镜片组成，大大简化了结构并降低了成本。系统的F数为1.7，焦距为1.65 mm，系统总长79.39 mm，投射比达到0.16，具有大孔径、大视场、小型化等特点。设计结果表明：系统全视场的调制传递函数（MTF）在空间截止频率93 lp/mm处均大于0.65，接近衍射极限；系统的垂轴色差控制在1.2 μm以内，最大畸变为?2.17%，全视场相对照度大于0.95，满足设计要求。

近年来随着航空电子数字视频总线（avionics digital video bus，ADVB）的快速发展，ADVB逐渐替代了机载原有的数字视频接口（digital visual interface，DVI）、视频图形阵列（video graphics array，VGA）、低电压差分信号（low-voltage differential signal，LVDS）等视频传输方式，在先进战斗机、民机、直升机、教练机等新型试验机航电系统中成为重要的数据载体。面对新型视频总线测试，现有的试验测试方法已经不能满足要求。从基础协议研究出发，结合机载航电系统的接口控制文件（interface control document，ICD）结构特征信息，通过自适应识别、重采样、时序重构等技术途径，完成了高速率、多样化视频格式的自适应处理，实现了多型机的通用化测试；通过搭建试验平台，成功实现1 680×1 050@60 fps等非常规视频、2 560×1 024 @30 fps等高分辨率视频的采集记录。回放视频数据完整清晰，验证了本文方法的有效性。设计的测试系统兼容现有的视频测试现状，能够有效降低试飞成本，提高试飞效率。

连续变焦系统是一种能够进行连续视场变换的光电成像装置，可对目标进行连续探测和识别，具有快速、稳定的特点。针对其高精度，高稳定控制需求，提出一种分数阶PID（proportion integration differentiation）控制器设计方法，该方法利用内模控制策略构造含有3个整定参数的分数阶PID控制器，且这3个参数通过给定系统穿越频率和相位裕度获得，大大简化了分数阶PID控制器的设计，同时提高了控制器的可实现性。在Matlab平台同传统整数阶PID进行了控制效果对比，仿真结果表明：分数阶PID控制器将稳态误差由0.1 mm提升至0 mm，具有抗干扰性强、鲁棒性强、数字实现后无超调、静差小的特点。最后将数字分数阶PID应用于实际的连续变焦系统，系统可获得清晰稳定的图像，验证了控制策略的有效性。

随着光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感网络应用越来越广泛，对其复用性的要求也日益提高，但FBG复用可能会导致光谱重叠。针对重叠光谱影响FBG解调精度问题，提出了一种基于差分海洋捕食者优化算法的重叠谱解调方法。采用差分进化算法优化海洋捕食者个体更新位置策略，增强了其跳出局部最优解的能力。对2～4个FBG重叠谱进行了仿真研究，并对2个FBG重叠谱解调进行了实验验证。将所提方法与粒子群算法和海洋捕食者算法进行了性能比较，结果表明：本文方法可以有效降低陷入局部最优的概率，提高了算法的稳定性和可靠性。

相邻障碍物的分割是无人驾驶领域的技术难点，低线激光雷达点云稀疏，无法聚类远距离物体，但激光雷达线束越多越昂贵。为了实现低成本聚类分割相邻障碍物，实验场景选取常用交通场景对象相邻的人/人、人/车，提出了一种基于多帧融合的相邻障碍物分割方法。基于惯性测量单元、激光雷达融合多帧点云，解决了低线激光雷达因分辨率低而无法聚类远距离相邻行人的问题。提出改进的欧式聚类，加入自适应阈值和向量角度约束两个新的分割标准，提高相邻障碍物的分割效果。实验结果表明，该方法具有成本低、聚类精准等特点，与单帧传统欧式聚类算法相比，该方法针对相邻障碍物分割的准确度提升约30.7%，对低线激光雷达在障碍物聚类以及后续的检测具有一定参考意义。

目标跟踪算法的性能通常和初始跟踪框的质量有关。在无人机对地侦察任务中，由于反应时间有限，操作员通常难以选取精确的初始跟踪框，导致目标跟踪结果较差。针对这一问题，提出一种半自动的跟踪框快速初始化和自适应优化策略，并给出基于视觉显著性和显著图像分割的自适应优化算法样例，在性能提升和运行时间上均具有优势。与优化前相比，在2个数据集上的跟踪成功率最高提升0.262、跟踪精度最高提升0.177；在运行时间方面，处理200像素×200像素的图像切片时，理论并行速度可达10帧/s。提出的跟踪框初始化和优化策略，结合了人的主观选择和视觉认知，可以有效解决无人机对地侦察任务中目标难以锁定的问题，并具备在嵌入式设备中的可移植性。

针对目前图像超分辨率重建算法中所存在的特征信息提取不充分、重建图像细节信息模糊等问题，提出了一种多尺度双阶段网络来实现图像的超分辨率重建。首先，考虑到单尺度卷积层会出现特征信息提取不充分的现象，故而以多尺度卷积层为大体框架，设计网络模型；其次，考虑到重建后的图像效果，将整体网络分为2个阶段，第1阶段根据输入的低分辨率图像进行特征信息的提取和重建，第2阶段对重建后的图像进行更深一步的特征细化，从而提高重建图像的视觉效果；整体网络中还引入了跳跃连接和注意力模块，以加强特征信息的有效传播；最后，以数据集Set5、Set14、Urban100、BSDS100和Manga109作为测试集展开实验，峰值信噪比和结构相似度作为图像质量的评价指标。实验结果表明，二者的值相比以往均有所提高，且重建图像视觉效果较好。因此，该算法在客观评价和主观视觉上都取得了较好的结果。

为了解决国内外能见度参数量值无法绝对溯源的问题，利用透射式能见度仪的工作原理、结构特点以及环境条件，提出了溯源至几何量的量值复现方法，设计了1套高透射比量具作为主标准器，实现了对透射式能见度仪的校准，促进了能见度参数量值溯源体系的发展。主标准器遮光体采用精密机械加工工艺，遵循几何量参数测量的绝对溯源法，可大幅减小透射比量值的测量不确定度；主标准器滤光片根据几何量测量和光学透射比参数测量相结合的溯源链，解决了现有技术中高透射比无法复现和准确测量的问题。此外，使用锥形遮光体，可避免引入除旋转因素外的其他不确定度来源，大幅提升了能见度仪分辨率的校准能力。

为攻克高陡度球面光学零件成型技术，以半球及超半球红外光学整流罩为研究对像，提出了一种子孔径铣磨加工方法。对传统范成法铣磨成型理论进行拓展，将球面离散为一系列子孔径环带，砂轮沿环带“步进”运动，拼接成型得到完整的球面。分析了成型球面与三轴机床位置坐标之间的转换关系，对加工运动轨迹进行仿真，开展半径误差补偿验证实验及变速进给参数优化实验，提出变半径铣磨法解决超半球加工材料过切问题。对长径比分别为0.5（半球）和0.55（超半球）的热压硫化锌、镁铝尖晶石整流罩开展成型工艺试验，加工表面各点矢高差<4 μm，表面粗糙度Ra<1.5 μm。实验结果表明：该方法为高陡度球面加工提供了有效的解决方案。