自旋角动量是基本粒子和场的一个基本的动力学物理量，它在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中，光的自旋角动量与圆极化密切相关，通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用产生了许多新颖有趣的光学现象和光学应用，并诞生了自旋光学这一新兴学科。过去的研究中，研究人员主要聚焦在与平均波矢方向平行的纵向光学自旋。近年来，科研人员通过研究限制场如聚焦波、导波和倏逝波等的自旋轨道耦合性质，发现了一类新型的光学自旋，这类自旋与平均波矢方向垂直，因此被称为光学横向自旋。横向自旋具有自旋动量绑定的性质，一经发现便受到研究人员的广泛关注。横向自旋的发现拓展了光学自旋轨道相互作用的内容，并在光学操纵、光学精密检测、手性量子光学和光学自旋拓扑态等领域具有广阔的应用前景。本文从理论、实验技术和应用3个方面详细介绍自旋光学的最新进展。自旋光学的理论概念和框架可为研究人员进一步开拓基于光学自旋在光学成像、光学探测、光通信和量子技术等领域的应用发挥巨大的作用，同时也可拓展到一般经典波场，比如流体波、声波和引力波等。

强对流天气是发生最频繁、影响最广泛的气象灾害，造成了巨大经济损失，严重威胁人民和社会安全，更是航空航天和信息通信等技术领域的重大威胁。闪电作为全球性强对流天气的典型要素，对强对流具有重要指示作用，因此闪电探测和强对流预警预报成为天基遥感的重要任务之一。系统地总结了闪电危害，闪电探测体系的发展历程和现状，天基闪电光学探测的技术难点、实现途径和发展现状；同时详细阐述了我国FY-4A闪电成像仪技术实现途径及在轨应用成果。FY-4A闪电成像仪利用时间滤波、空间滤波、超窄带光谱滤波、星上时空域多维融合点目标检测等多维技术实现了天基闪电光学探测载荷的研制与在轨应用，国内气象部门和众多科研院所利用FY-4A闪电成像仪的闪电探测结果实现了强对流灾害的精确预警预报，产生了重大经济效益与社会效益。最后，针对目前闪电探测体系存在的问题，分析了我国未来天基闪电探测系统的发展趋势，为我国后续闪电探测发展提供了参考。

针对跨海桥梁或沿海机场等场所需要实时测算获取移动船只目标绝对位置和高程的现实需要，文中介绍一种高精度光电船只目标定位系统设计与实现方案。通过将高清高精度光学探测组件集成于高精度云台设备内部，可实时解算出目标点的绝对位置信息和高程信息并上报监控系统。结合雷达系统引导可实现无人值守情况下自动测算过往船只经纬度坐标及高程功能。经实际运行测试，该系统展现出良好的可靠性，具有较好的测量精度和应用前景。

提出一种外泌体检测新方法，通过将表面增强拉曼散射（SERS）纳米探针固定在核酸适体（DNA）功能化水凝胶中，实现对肿瘤源性外泌体的高灵敏度光学检测。SERS纳米探针被用于识别肿瘤源性外泌体并产生指纹光学信号。SERS活性DNA功能化水凝胶（简称“SD水凝胶”）作为传感器，不仅提供了用于生物识别的三维反应位点，而且可放大SERS纳米探针的光学信号。选择性地与靶外泌体结合后，SERS纳米探针脱离SD水凝胶，导致SERS信号减弱，从而实现光学检测。通过SERS信号变化，SD水凝胶可以定量、灵敏地检测肿瘤源性外泌体，浓度检测限（LOD）约为22 μL^-1。该SD水凝胶将为临床癌症诊断提供一种新的技术手段。

随着医学检验对核酸检测技术要求的不断提高，现场检测（POCT）已经成为该领域的研究重点和难点。为了规避目前使用的POCT核酸检测仪器的缺点，构建了一种直轴型多通道光学检测系统，兼顾实现了多通道核酸实时荧光检测与即地即检。首先，基于正交式几何关系搭建了光路；然后，设计了一种新的直轴型多通道集成与切换装置以实现多个荧光检测通道的实时切换；最后，通过仿真验证了光路设计的有效性，并将本系统集成于自主设计的聚合酶链式反应装置上，以新型冠状病毒标准品进行了实时荧光检测实验。实验结果显示：本系统的变异系数最小可达0.02%；通道分辨率最低可达0.49 μg/mL，且没有通道串扰。同时，拥有良好的现场检测能力，可以配合仪器完成“样本进、结果出”的现场检测，为核酸POCT的多通道实时荧光检测提供了一种新思路。

四波前横向剪切干涉（QWLSI）是一种精度高、动态范围大、分辨率高、抗干扰能力强的瞬态波前检测技术。本文结合国内外相关研究工作，重点阐述了本课题组在分束器件设计、多方向横向剪切干涉图处理、测量误差校准等QWLSI的关键技术研究方面取得的进展。以关键技术研究为基础，本课题组开发了QWLSI的原理装置，其绝对测量精度（RMS）达到0.0038λ（2.4 nm，λ=635 nm），重复测量精度（RMS）达到0.0004λ（0.25 nm，λ=635 nm）。QWLSI与商品化的夏克-哈特曼波前传感器的对比实验结果表明，两种仪器对含有第4~36项单项Zernike像差入射波前的测量结果基本一致。

MicroRNA（miRNA）是癌症等重大疾病检测过程中一类非常重要的标志物。定量实时聚合酶链式反应由于逆转录限制主要存在扩增偏差大的问题，Northern印迹杂交存在灵敏度低的不足，下一代测序和单分子阵列技术兼有检测限低及灵敏度高的优势。然而，扩增偏差大或缺乏简化的工作流程不利于即时点对点医疗诊断、治疗以及预后。基于此，提出一种基于单分子检测原理的miRNA检测方法。首先，依据泊松分布，利用三明治夹心结构形成复合物，链霉亲和素-poly-HRP与酪胺-Alexa Fluor 488分子通过催化沉积的方式生成并放大信号；然后，运用纤维蛋白水凝胶而非微流控芯片固定复合物；最后，进行单分子计数处理，通过样点寻址、样点筛选、图像重合及信息提取等4个步骤识别并统计阳性点个数，从而实现miRNA超灵敏定量检测。以人类miR-21为检测对象，检测下限是6 fmol/L。该方法在体外诊断检测miRNA方面有较好的潜在应用价值。

将混沌激光作为激光光源，利用混沌互相关信号具有类delta函数的特性，结合等角型扇形光束扫描技术实现了对组织仿体中异质物的尺寸、位置、光学特性和结构重建。等角型扇形束扫描系统包含1个准直混沌光源和2个光电探测器。准直后的混沌激光穿过组织仿体被光电探测器接收，通过混沌光源和光电探测器同步旋转，获取不同角度下出射光的时域信息；对出射光与参考光进行互相关运算，提取互相关峰值，得到光在组织仿体内的衰减信息，通过异质物与仿体背景衰减系数的对比，实现对组织仿体内异质物的检测。根据光在仿体中散射和吸收引起的衰减规律，建立了混沌信号互相关峰值作为投影数据的理论模型，采用滤波反投影算法实现图像重建。结果表明，基于混沌激光的等角型扇形束扫描成像方法有较高的检测精度，能够区分不同衰减系数的异质物。