对于工作在成像光学系统中的衍射光学元件,一定的入射角度范围是其工作的常态,并且增透膜的引入会影响衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率。本文基于衍射光学元件的相位函数,修正了含有增透膜时的微结构高度;建立了在一定入射角度范围内工作时,单层和多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率与修正微结构高度之间关系的理论模型;并以工作在红外波段的衍射光学元件为例,对比分析了含有增透膜时采用带宽积分平均衍射效率最大化得到微结构高度的常用方法和利用修正微结构高度的修正方法设计得到的衍射效率和带宽积分平均衍射效率。仿真和计算结果表明:入射角度和增透膜厚度的改变都会引起含有增透膜的衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率下降;基于修正的设计方法,计算得到了以ZnSe为基底的单层衍射光学元件(入射角度范围为0°~30°)和多层衍射光学元件(入射角度范围为0°~20°)的复合带宽积分平均衍射效率分别达到95.528%和99.449%。该方法为衍射光学元件的优化设计提供了参考。

在系统装调过程中引入的倾斜误差会影响衍射光学元件(DOEs)的衍射效率。入射角度的增大也会影响DOEs的衍射效率。基于多层衍射光学元件(MLDOEs)的相位延迟表达式,提出了斜入射时衍射效率和带宽积分平均衍射效率(BIADE)与倾斜误差的理论关系模型。分析了斜入射时倾斜误差对衍射效率和BIADE的影响。建立了工作在一定入射角度范围内的复合BIADE与倾斜误差的关系。当工作在8~12 μm波段的MLDOEs的入射角度范围为0°~20°时,若要实现98%的复合BIADE,倾斜误差角度应控制在0.25°范围内。进一步分析了存在偏心误差和相对微结构高度误差等其他误差因素时,要达到一定的复合BIADE,所需对应的倾斜误差大小。该方法和结论可以用于指导混合光学系统中MLDOEs的设计与装调。

工作环境温度的改变会降低衍射光学元件的衍射效率,影响混合光学系统的成像质量。基于斜入射时衍射效率的表达式,在双层衍射光学元件的设计中考虑温度变化,提出了工作在一定温度范围内和入射角度范围内的双层衍射光学元件微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型。以工作在可见光波段的双层衍射光学元件为例进行分析。结果表明,当环境温度确定后,随入射角度范围的增大,最高带宽积分平均衍射效率对应的最优相对微结构高度误差逐渐减小。当双层衍射光学元件工作在0°~15°的入射角度范围内、环境温度范围为-40~80 ℃时,其带宽积分平均衍射效率最高为96.81%,对应的最优相对微结构高度误差为4.42%。该方法进一步完善了双层衍射光学元件加工误差的设计理论。

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质, 设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在 3.7～4.8 .m和 7.7～9.5 .m红外双波段光学系统。光学系统的焦距为 100 mm, F#为 2, 采用像元数为 640×512、间距为 15 .m的制冷型探测器。该系统在空间频率 33 lp/mm时, 中、长波红外 MTF分别高于 0.52和 0.16, 最大 RMS半径小于 9.88 .m, 波前像差小于 0.0705., 最大离焦量小于焦深, 在－40℃～71℃范围内实现了无热化设计。系统中采用的双层衍射光学元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率高于 99.15%。入射到衍射面上的角度为 0°～10°, 该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为 97.70%和 96.95%。

基于衍射效率与入射角度的表达式和正入射时微结构高度误差与衍射效率的表达式，建立了斜入射时衍射光学元件(DOEs)的微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率(PIDE)的数学关系。当相对微结构高度误差的绝对值相等时，负相对微结构高度误差高于正相对微结构高度误差对应的衍射效率和带宽积分平均衍射效率。该分析方法和结论为衍射光学元件的微结构高度加工公差的制定提供了理论参考。

法布里-珀罗(F-P)干涉仪是具有重要科研和实用价值的光学仪器，能广泛应用于光学鉴频、锁频以及光谱超精细结构的测量研究。然而，在实际应用中干涉仪的频谱特性将受到诸多因素的影响。从入射光束发散角、入射光频谱、干涉仪平板吸收损耗、平板表面缺陷和不平行度等因素对F-P干涉仪频谱特性的影响做了深入的研究。在考虑了上述诸多实际因素情况下，理论上导出了F-P干涉仪的透射频谱函数的一般表达式；定量给出了由发散角引起的透射频谱整体平移量；提出了等效发射激光谱宽的概念，将入射光束发散角、入射光频谱、干涉仪平板表面缺陷和不平行度等对透射频谱的展宽效应合并处理，给出了定量的等效关系式。这些结果可为法布里-珀罗干涉仪的设计与应用提供借鉴。

系统分析了PARAFAC法解析立方阵数据的实现过程。 以建立PARAFAC模型对湖泊水样三维荧光光谱数据进行荧光物质成分分解为例, 通过对核心阵元素分布、 核一致函数、 模型谱图与原始谱图拟合程度以及拟分解成分物理意义的分析, 确定PARAFAC法分解样品荧光物质成分的合理成分数, 实现PARAFAC法对荧光物质成分的合理分解与识别。

对基于法布里珀罗(F-P)标准具四边缘技术的双频率多普勒测风激光雷达进行研究。简要分析了F-P标准具四边缘双频率风速测量原理。详细介绍了基于F-P标准具四边缘双频率多普勒激光雷达系统结构。对发射激光双频率间隔、入射光束发散角、标准具有效口径和标准具干涉平板反射率等参数进行了详细的优化设计。 根据选取的系统参数，对多普勒激光雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明：晴天天气条件下，在±25 m/s的径向风速测量动态范围内，在满足径向风速误差小于2 m/s的情况下，当发射激光仰角为60°、距离和时间分辨率分别为60 m和1 min时，系统在晚间和白天的探测高度分别可达到8 km和6.5 km。系统在晚间的整体探测性能明显要优于基于F-P标准具双边缘技术的多普勒测风激光雷达系统。同时，系统的探测性能受天空背景噪声的影响较大，系统在白天工作时应采用窄带宽的滤光片以提高系统的探测性能。

针对光纤微缺陷检测问题，提出了一种基于激光的光纤微缺陷检测方法，分析了光纤微缺陷的基本结构以及激光检测法的原理，并以此搭建了实验装置，进行了缺陷检测实验.实验中用准直氦氖激光束横向入射光纤,在光屏上得到光纤前向散射图样的分布图像，然后对图像进行处理.通过与显微镜观察法的实验结果比较，发现激光检测方法可有效地进行缺陷检测，其检测结果与显微镜直接观察法一致，可以作为光纤拉制后、涂覆层前的缺陷复测.