为研究半导体激光器锁频系统的环境适应性,所采用的锁频方案是基于饱和吸收光谱的调制解调技术。分析了三种典型的锁频光路方案:消多普勒锁频(DFL)光路,原子气室端面反射锁频(CRL)光路以及反射镜增反锁频(MRL)光路。这三种方案均采用锁定调节模块进行光放大,通过调制解调技术将激光器锁定在饱和吸收峰上。在锁频基础上,利用声光调制器产生激光冷却原子实验中冷却光所需的激光频率。通过改变温度、振动频率和振动幅度等环境参数,测试了三种激光器锁频光路的频率稳定性,并讨论了每种方案的环境耐受性。实验结果表明,DFL方案的温度耐受性和抗振动干扰是最好的,CRL和MRL方案次之,说明DFL方案更适于复杂工作环境。然而,CRL和MRL方案可简化光路、缩小光路尺寸,便于激光单元的小型化和集成化。

旋转波片Stokes偏振仪是最常用的测量光束偏振态的仪器。 波片快轴方位误差是影响旋转波片Stokes偏振仪的主要误差源之一。 为了研究波片方位偏差对测量精度的影响, 提出了一种描述波片快轴方位误差向最终的偏振测量误差传递的数学模型, 并引入协方差矩阵法表征偏振测量误差。 根据这一模型, 获得最优的偏振仪配置参数。 在推导过程中, 假设波片方位误差服从同一高斯分布。 基于此误差模型, 得到如下结论: (1)由波片方位误差引入的测量误差与光强测量次数N成反比； (2)测量误差独立于入射光强度, 但是依赖于入射光偏振态(s1, s2, s3)和波片的位相延迟量δ； (3)波片位相延迟量在(10322°, 11613°)范围内时波片方位误差引入的测量误差最小。 最后, 经过仿真实验证明, 所得解析结果与仿真模拟结果相一致。

传统的偏振成像技术存在偏振成像实时性差、多光谱偏振成像困难和无法实现高光谱偏振成像等问题。针对这些问题，提出了一种新的基于信号调制解调理论的偏振成像理论，并根据该理论提出了一种基于光栅色散的光谱调制型高光谱偏振成像仪。该偏振成像仪首先测得被偏振调制过的光谱信号，再经过频域滤波与反演计算获得高光谱图像与偏振图像，因此该偏振成像仪可实现高光谱全偏振成像,并且可将高光谱成像与偏振成像完美融合。通过仿真实验验证了所提偏振成像仪在理论上的正确性。

非理想透镜组的偏振效应引起偏振测量系统的测量矩阵改变，导致系统最佳配置漂移。为了最大化气溶胶偏振探测仪的信噪比，利用Jones矩阵的方法计算前置光学透镜组的起偏度，并分别以系统分析矩阵的条件数和参数Tr(BBT)为优化参数对检偏器的放置角度进行优化。经过优化，得到检偏器的最佳方位角，在670 nm通道系统分析矩阵的条件数由1.836 0降为1.689 4，在1 641 nm通道系统分析矩阵的条件数由1.977 7降为1.771 4。结果表明，两种优化方法的结果基本一致，经过优化之后两个偏振测量通道的信噪比都提升10%左右。

根据分光测色仪的应用需要,对分光系统、光电接收系统及相关电路组成的光谱仪进行了模块化设计,以方便仪器的整体设计、装调和测试.考虑分光测色仪是非成像光学仪器,故提出用光纤来连接各光学模块.根据应用需求提出了光谱仪的主要技术指标,所设计光谱仪很好地完成了球差和彗差的校正.分析了用滤光片消除二级衍射光谱的方法,解决了光纤和光谱仪数值孔径不匹配的问题.研制了光谱仪系统,其外形尺寸为130 mm×90 mm×45 mm.实验测试显示,在狭缝宽度为50 μm时,光谱仪各波段的光谱分辨率都可以达到2 nm.对光谱仪进行了波长定标,定标精度小于0.2 nm,整个工作波段占401个像元,满足1 nm的波长输出间隔的设计要求.该光谱仪的可弯曲光纤和电子线路便于整机灵活布局与模块拆卸,同时方便单独测试.所述方法为分光测色仪的整机研制与测试打下了良好的基础.

为了确定非理想透镜组偏振效应和偏振片的透过轴角度误差对气溶胶偏振探测仪偏振测量 精度的影响,首先,利用Jones矩阵描述透镜组的偏振效应,结合入射光相干矩阵推导了气溶胶 偏振探测仪前置光学透镜组的起偏度；其次,利用Mueller矩阵方法推导了综合考虑入射光 偏振态、透镜组起偏效应和偏振片透过轴方位角误差影响下的气溶胶偏振探测仪的偏振 测量误差;最后,通过计算得到透镜组的起偏度和仪器的绝对偏振度测量误差。根据 计算, 0.67 μm通道透镜组最大起偏度和仪器最大绝对偏振测量误差分别是0.3143和0.2838; 1.64 μm通道透镜组最大起偏度和仪器最大绝对偏振测量误差分别是0.3249和0.2937。结果显 示,仪器的主要误差源是非理想透镜组的偏振效应,未经标定的气溶胶偏振测量仪存在严重的测量误差。

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、 大视场的观测要求, 通过分析现有Offner成像光谱仪, 给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。 并据此方法设计了一应用于400 km高度, 波段范围为0.4~1 μm, 焦距为720 mm, F数为5, 全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。 分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。 三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024, 像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。 通过ZEMAX软件优化和公差分析后, 系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62, 光谱分辨率优于5 nm, 地面分辨率小于10 m, 能很好的满足大视场应用要求, 该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。