本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法，并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、 α=13°；NA=0.180、α=13°及NA=0.408 α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明：离轴角度与光谱分辨率大小成正相关，离轴角度越大，光谱分辨能力越强，但聚焦效率越低；数值孔径越小，相位分布的覆盖范围越小，会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数，最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

变形光学系统具有双平面对称性，其在两个对称面内的焦距不同。利用变形光学系统能够在使用常规尺寸传感器的情况下获得更宽的视场。本文根据变形光学系统的一阶像差特性，提出了一种设计折反式变形光学系统的方法。使用双锥面（Biconic Surface）面型设计了一个折反式变形光学系统。系统在 ${{XOZ}}$面内的焦距为500 mm，在 ${{YOZ}}$对称面内的焦距为1000 mm。系统F-number为10，全视场角为1°×1°。系统在80 lp/mm处的全视场调制传递函数均值高于0.3。系统整体结构紧凑，成像质量良好。

双层液晶显示器采用两层液晶面板叠加显示，可大幅提高对比度，但是两层液晶面板之间存在一定间距，在离轴观看时会出现伪影现象。目前针对该问题的处理方法无法兼顾计算时间与显示质量。将卷积神经网络用于双层液晶显示，使用卷积神经网络对输入图像进行处理，并构建残差块来提升输出图像的质量，输出的两幅图像分别对应双层液晶显示器的两层液晶面板，然后将输出的两幅图像在不同视角下重建，并从计算时间和显示质量上与其他方法进行对比。仿真结果表明，该方法与基于模糊处理的算法相比，在计算时间和显示质量上均得到了提升；与基于视角补偿的算法相比，在保证显示质量的同时大大减小了计算时间。本文方法在具有较高显示质量的同时大大缩短了计算时间，更具实际应用性。

宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。近年来，基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展，为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。首先，分析了大视场离轴反射系统的像差特性，指出当不断增加系统视场角，尤其是子午方向视场角时，与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加；像场连续性要求更加凸显。接着，提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法：在常规光学系统初始结构基础上，采用多重结构形式，使子午方向视场角离散化，光学系统特定曲面分解为两个子曲面；并构建系统约束条件，通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。最后，基于提出的方法，设计了一款焦距为1 000 mm，像方F数为10，视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。设计结果表明：该系统全视场范围内成像质量较好，50 lp/mm的特征频率下，400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26，证明该方法切实有效。

We report a wavelength-tunable multi-point pump scheme of the semiconductor disk lasers (SDLs). By designing an external cavity of SDL with an intra-cavity transmission grating, multiple pump gain regions share the same resonator. The effect of the intra-cavity grating on the output laser power, wavelength, and beam quality was investigated. The emission wavelength could be tuned over a bandwidth of ∼18nm. With multi-point pumping, we achieve the laser output power with almost no loss, and further improvement is limited by the thermal effect. The changes in the beam are due to the mode selectivity by the intra-cavity grating.

高功率半导体激光器在固体或光纤激光器泵浦、材料加工、激光雷达、空间通讯及**等领域具有重大需求，但传统器件面临发散角大、光束质量差、亮度低的难题，限制了其直接应用。宽区半导体激光器具有输出功率和转换效率高的优点，但其侧向模式受多种物理效应的影响，高电流下激射模式数很大，导致远场宽度随电流增大迅速展宽，光束质量非常差，成为制约半导体激光亮度提高的关键瓶颈难题。因此，需要对半导体激光器的侧向模式进行控制。本文首先从半导体激光器的侧向模式影响机制出发，分析了其侧向模式特性及光场分布与器件结构的关联关系；接着，介绍了目前主要的侧向模式控制技术，通过抑制高阶模式及侧向远场展宽，实现光束质量的改善及激光亮度的提升。采用先进的侧向模式控制技术，可从芯片层次发展新型的高亮度半导体激光器，有利于拓展半导体激光器应用领域及降低应用成本，具有重要的研究意义。

为了实现用于深空低冷目标探测的长波红外折反射式光学系统的进一步轻小型、低辐射和大视场，对局部制冷光学系统、拓扑优化金属基反射镜设计、增材制造、金属基光学加工与表面改性等进行研究。首先，设计完成了紧凑型局部制冷折反射式光学系统，口径为55 mm，焦距为110 mm，视场达到4°×4°；其次，利用拓扑优化理论，设计完成了主镜组件、次镜组件和连接筒，三阶和四阶模态达到1213.7 Hz；接着，采用增材制造、单点金刚石车削、表面改性、表面镀金等手段完成前组光学元件的研制，利用定心装配工艺完成光机装调；最后，对光机装调后的系统性能进行了测试。测试结果表明：光学系统全视场范围内调制传递函数均达到衍射极限，重量仅为96.04 g。金属基增材制造方法可以作为提升光学系统性能的有效手段。

使用单像素探测器实现成像需要大量采样。对于目标区域仅占场景一部分的情况时，我们提出了自适应Radon单像素成像方法，能够使用单像素探测器实现目标区域的定位和成像。本文对该方法的目标定位方式、编码采样算法、重建算法等进行研究，以减少单像素成像的采样数量。基于Radon变换的基本原理，使用图像在水平和垂直方向的投影信息，以获取场景中目标区域的大小和位置。建立自适应Radon-Hadamard单像素成像模型，仅对目标区域进行单像素采样，然后使用滤波反投影技术重建目标区域。研究结果表明：所提出的自适应Radon单像素成像方法能够实现对场景中目标区域的成像，采样数量远低于重建图像的分辨率，重建图像的结构相似性系数大于95%，有效的提高了单像素成像方法的成像效率。