介绍了一种应用于空间超冷原子物理实验平台的二维磁光阱光机系统的集成优化设计方法，可获得高通量冷原子束流以满足后续三维磁光阱中冷原子的高装载率。二维磁光阱激光系统的主要光路包括冷却光、重泵光、推送光和缓冲光。首先，利用Zemax软件对光学系统进行设计和优化，使得成像系统的点列图均方根(RMS)半径均小于艾里斑，而且光学系统的调制传递函数(MTF)与衍射极限传递函数非常接近，系统具备优良的光学性能。在此基础上，利用Solidworks软件仿真完成了高稳定度、简单化、小型化光机结构的设计。针对4路光同时输入一个光机口的难题，提出了V-GROOVE光纤设计方案，进一步提高了所有光机组件的集成度。该系统在工程化的基础上实现了装载率约为1.89×10⁸ /s的连续冷原子束流。

相位解包裹是光学干涉测量的关键环节，要求计算速度快、精度高、适应性强。根据包裹相位不同级次间存在明显边界的特点，本文提出数学形态学区域分割的快速相位解包裹算法。首先，采用数学形态学提取边界并分割相位区域。然后，计算区域之间的相位差异以确定各区域的相位级次和抬升值，判断边界点归属以确定边界各点抬升值。最后，根据抬升值对各区域相位进行整体抬升，最终获得空间上连续分布的相位。仿真和实验表明：基于数学形态学的解包裹算法对于1 000×1 000 pixels像素的相位处理时间在1 s以内，仅为经典的最小二乘算法用时的1/4，且相位自身边界、无效区域、噪声等因素对解包裹效果并无影响。该算法具有速度快、适用性强、精度较高等优点，在动态光干涉、光全息、光栅条纹投影轮廓测量等对运算速度要求较高的测量场景中有广泛的应用前景。

实验参数的优化调整在冷原子实验中是最基础且最重要的工作,优良实验结果的获得离不开实验参数的不断优化。提出了一种基于人工神经网络的超冷原子实验多参数自主优化方案。首先,详细介绍了神经网络结构的设置、自优化的学习策略。然后,将神经网络与全局最优化模拟退火算法相结合搭建了相应的多参数自主优化系统。最后,进行了利用直接蒙特卡罗模拟方法模拟磁光阱中冷原子动力学行为的实验,对所提系统的性能进行了验证。实验结果表明,经过约30 h的优化迭代,所提方案有效完成了对冷原子动力学行为实验系统输入参数的优化,并得到了一个稳定、有效且最优的实验结果。

提出了一种利用红失谐高斯光束偶极力实现二维磁光阱长距离传输冷原子束的方案。利用二能级原子所受散射力公式分析并构造了 ⁸⁷Rb原子在光偶极阱二维磁光阱(2D-ODT MOT)中的受力公式,考虑了原子与背景气体碰撞的影响,利用四阶龙格-库塔法求解原子运动方程,获得原子的运动轨迹,统计并求出原子在不同高斯光束失谐以及功率条件作用下进入差分泵浦范围的原子数。实验验证了在红失谐高斯光束与原子束推送光相互组合的4种工作状态下科学实验腔中磁光阱冷原子装载情况。理论与实验结果表明:基于红失谐高斯光束的二维磁光阱长距离传输冷原子束的效果提升显著,科学腔原子装载效率明显提升、原子数目明显增加。

针对正弦移相干涉(SinPSI)中位相调制无法精确控制的问题, 提出了一种从时域频谱提取波面信息的任意正弦调制SinPSI方法(ASM-SinPSI)。首先,根据SinPSI信号频谱的第一、三个谱峰强度关系确定调制幅度, 并采用空间随机点的方法避免了分母零值的问题, 然后从SinPSI信号的前三个谱峰中获得波面位相的正切数值与符号信息, 最后以反正切计算波面位相。数值仿真表明: 在未知调制信息情况下, ASM-SinPSI的波面位相提取误差为0.016 rad。在调制幅度为1.6、2、2.5、3 rad时的测量实验中, ASM-SinPSI均可精确提取波面位相, 与真实波面偏差的最大值为0.058 7 rad。在1.5~3.5 rad区间内的任意调制幅度下, ASM-SinPSI无需精确预知调制信息即可高精度提取波面位相, 放宽了对移相器的严苛要求。

将不同脉冲数的飞秒激光作用于陶瓷材料表面, 研究了线偏振和圆偏振激光对氧化锆和氧化铝陶瓷材料烧蚀阈值的影响, 利用光学显微镜和扫描电子显微镜分析了烧蚀坑表面形貌, 利用激光扫描共聚焦显微镜确定了烧蚀坑深度.结果表明：两种材料在线偏振光下的饱和烧蚀阈值均小于在圆偏振光下的值; 当偏振态相同时, 氧化锆饱和烧蚀阈值小于氧化铝.随脉冲数增加, 线偏振和圆偏振光下氧化锆烧蚀坑表面结构均由无序向有序发展, 出现了周期性环形波纹结构和纳米孔洞阵列.与线偏振光相比, 圆偏振光对烧蚀坑深度的作用更明显, 且烧蚀坑表面形貌对能量密度变化比较敏感, 更容易产生周期性结构.

为提高光学表面的功率谱密度检测精度, 研究了白光干涉仪仪器传递函数(ITF)的产生机理和标定方法。将白光干涉仪作为非相干成像系统, 对正弦表面干涉光强进行Bessel函数展开, 通过干涉光强的频谱强度变化研究白光干涉仪对正弦表面高度的作用机理, 利用数值仿真计算了白光干涉仪对正弦表面的衰减程度。采用30、80、120 nm高度的台阶标准板对商品白光干涉仪的传递函数进行标定, 并提出了一种可靠的ITF计算方法。理论分析、数值仿真和实验结果表明: ITF随表面高度的增加而增大, 此时白光干涉仪对表面高度的响应表现出明显的非线性; 表面高度小于λ/10得到的ITF曲线与白光干涉仪光学系统调制传递函数非常接近, 白光干涉仪对表面高度的响应接近线性。文中对于白光干涉仪频域传递特性研究和光学表面功率谱密度检测具有重要意义。

针对移相干涉仪中移相器的标定，提出了一种基于干涉图计算移相量的迭代方法。该方法分为两步: 首先假设移相量已知，构建三元最小二乘方程计算位相; 然后假设位相已知，构建二元最小二乘方程计算移相量，同时依据三角函数关系和遍历原则，建立估算移相量计算误差的参数。利用计算机仿真和实验验证了提出方法的有效性。计算机仿真显示: 提出的方法比已有算法计算精度更高，而且误差估计值与实际计算误差偏离小于15%。在Fizeau干涉仪上开展了验证实验，利用两个电容位移传感器测量了镜架的位移。计算结果与电容传感器测量结果非常吻合，最大偏差仅为0.7 nm。另外，利用本文方法得到的误差估计值为0.52 nm，显示测量结果和计算结果的偏差在误差估计值范围内。所提出的方法可以高精度地提取移相量，且能给出移相量计算误差，是一种简单可靠的移相器标定方法。