采用光传播数值模拟的方法，研究了长脉冲、短脉冲和连续波圆偏振激光传播至钠层并激发钠信标回波光子的分布及变化情况，并比较了Greenwood和Hufnagel-valley5/7（HV5/7）两种大气湍流模式下回波光子在钠层的分布及光子数的差异。结果表明相对于Greenwood湍流模式，长脉冲、短脉冲和连续波圆偏振激光在HV5/7湍流模式下传播至钠层的光强分布分散性增强且光强分布的峰值受到削弱；长脉冲和连续波激光与钠层作用可激发更多的回波光子，但是短脉冲激光却不能激发更多的回波光子。而且在两种湍流模式下短脉冲和连续波激光激发的光子数分布与光强分布具有很好的一致性，而长脉冲激光激发的光子数分布却没有这种特点。

利用经典系综模型，研究了椭圆偏振激光脉冲驱动的氙原子强场双电离。计算结果表明，Xe2+的末态动量分布强烈依赖于载波包络相位(CEP)。在该激光脉冲驱动下，双电离事件中同时存在次序双电离(SDI)和非次序双电离(NSDI)。SDI产率随CEP增大先减少后增大，NSDI产率随CEP增大先增大后减小，两者均呈周期变化，其周期为π。轨迹分析显示，NSDI事件仍然是由再碰撞而发生，并且该过程对应的物理机制能够由三步模型很好地解释；另外，SDI过程中两电子的电离时间以及NSDI过程中发生再碰撞的时间均强烈依赖于CEP，从而使得Xe2+的末态动量分布随CEP的改变而变化。

基于部分相干光理论研究了非相干单色LED光源的空间相干特性对无衍射Bessel光束形成的影响。部分相干光经过轴棱锥，光强分布函数中出现了高阶的Bessel函数项，其光强为各阶Bessel函数的线性叠加。数值模拟了部分相干光通过轴棱锥后的光场分布，发现空间相干长度越小，高阶项造成的影响越大，所形成的光束与理想Bessel光束的差异越明显，暗环处光强不再为零，截面光强分布图越模糊。通过一套可调控光束空间相干长度的实验室装置，产生了较为理想的Bessel光束，实验结果与理论模拟相符。

波分复用(WDM)光网络是航空机载网络发展的方向，采用波长路由和电交换相结合是解决目前机载WDM光网络互连的主要途径。其中的一个关键问题是如何对航空机载网络节点进行子网划分，将相互之间通信流量大的节点划入同一个子网，采用波长路由通信；将相互之间通信流量小的节点之间采用电交换互连。采用多维空间聚类的算法思想，将网络节点通信流量问题转换为空间聚类问题，进行节点流量位置预处理和节点流量位置聚类两个过程，解决了航空机载WDM子网划分问题，并通过实例验证了方法的可行性。

光载无线通信（ROF）技术是通信业宽带化和无线化的产物，该技术将光纤通信技术与毫米波通信技术进行融合，具有广阔的应用前景。目前世界众多国家在60 GHz毫米波频段相继划出免许可连续频谱，这使得60 GHz毫米波无线通信成为近距离无线通信领域的研究热点之一。为了降低ROF系统的成本，提高系统的性能，提出了一种改进的基于前向调制(FFM)技术生成60 GHz毫米波方案，分析了系统各光电器件的工作原理，仿真了不同的参量设置对系统性能的影响曲线。该方案结合了前向调制技术和光波分复用技术的优点，简化了整个系统的复杂程度，降低了ROF系统的造价成本，同时减小了误码率，提高了系统的性能。

利用相位调制器提升受激布里渊散射阈值，理论分析了相位调制器的调制深度及调制频率对受激布里渊散射阈值的影响。阈值提升量由调制深度确定，调制深度与半波电压有关。提出了外差法测量相位调制器的半波电压以便确定调制深度。实验测得相位调制器在调制频率50 MHz时的半波电压为3.7 V。实验研究了相位调制器调制频率为50 MHz，调制深度分别为1.435、2.631时的单模光纤受激布里渊散射阈值变化，其中调制深度为2.631时的受激布里渊散射阈值提高了6.7 dB，实验结果与理论计算值相符。在较小的驱动功率、较低的调制频率下获得了较高的受激布里渊散射阈值提升。

激光在大气中传播时会受大气湍流的影响，而恶劣的大气环境条件会使信道估计的难度增加。根据Chadi Abou-Rjeily的编码思想，通过引入置换矩阵代替了实数域Alamouti码中符号的负数形式，采用二进制脉冲位置调制，提出一种无需信道估计且适合自由空间光通信的差分空时码方案。仿真结果表明，该方法和需要信道估计的Alamouti码相比，可以获得相同的分集增益，比较简单而且切实可行。

提出了一种基于充液毛细管代替多模光纤的可调谐反射式带阻滤波器，滤波器结构中重要组成部分是一段充入了溶液和汞的毛细管。毛细管的一端与单模光纤共轴对接，另一端用热熔胶密封。由于液体折射率大于毛细管折射率并且毛细管芯径较大，因此液体和毛细管相当于形成了一种大芯径的多模光纤。利用汞的高反射率，实现一种反射式的单模多模单模光纤滤波结构。由于毛细管液芯结构对温度的敏感性，在多模干涉原理的基础上，实现可调谐滤波，并从理论仿真和实验证实了可行性。该滤波器具有结构简单、成本低廉等特点，插入损耗为5.12 dB，3 dB带宽为3.3 nm，滤波范围可达到7 nm。

设计并制造了一种熔嵌式多芯高双折射中空光纤。由于该结构光纤中纤芯和包层的几何非对称性，因而具有高双折射的特性，可用于克服纤内集成干涉仪的偏振衰退问题。利用有限元法分析了不同尺寸下模式双折射的变化情况，得出了增加纤芯长轴长度或减小内包层厚度可有效提高双折射的结论，并在1310 nm波长处得到1.42×10-4的模式双折射。实验及分析结果表明，熔嵌式多芯高双折射中空光纤在纤内集成干涉仪的消偏振衰落方面具有一定的应用潜力，可用于制作具有保偏功能的纤内集成干涉仪。

相干光探测中，信号光和参考光光斑匹配以及光束特性直接影响探测效率。应用Matlab软件对高斯光斑与平顶光斑的光强分布分别进行仿真，给出两种光斑的数学特征；以声光偏转效应的相干光探测为基础，建立高斯光斑与矩形光斑叠加模型，分析了光斑大小匹配、光轴平移对相干光探测效率的影响。研究结果表明，在保证两束光的准直性及总能量相等的情况下，矩形光斑的能量密度为高斯光斑中心位置的0.8倍时，可获得最佳重叠效率79.6%；非准直状态下信号光与本振光在光敏面的探测效率将会降低，但高斯与矩形混频时在偏离光轴±0.5 mm内变化较平缓。

为研究施密特棱镜特性参数与偏振像差之间的关系，通过对施密特棱镜偏振和衍射双重效应得到的衍射积分的理论分析，确定了决定施密特棱镜偏振像差大小的4个关键因子，得到了施密特棱镜偏振像差校正所需要满足的条件。实验采用检测施密特棱镜Jones矩阵的方法，分别检测分析了3个不同施密特棱镜的Jones矩阵，明确了施密特棱镜偏振像差完全消除的条件是其Jones矩阵元b=0。实验结果表明，理论分析结论是正确的。

根据矩阵光学理论，轴对称傍轴光学系统可以由一个2×2矩阵描述，在确定系统的光学矩阵时必须得到组成光学系统所有元件的准确的光学参数及几何位置。提出了不需要知道系统内部元件的相关参数而通过数字全息实验确定系统光学矩阵元素的方法，并给出了实验证明。实验研究表明，该方法可以足够准确地获得矩阵元素，对于矩阵光学的应用有实际意义。

研究提出一种被动式太赫兹扫描成像的目标检测方法。用0.22 THz被动式扫描成像系统采集原始图像，在滤波去噪后用针孔像分析法获得太赫兹扫描成像系统的点扩展函数，进而用Lucy-Richardson算法重构图像，通过灰度变换和边缘检测增强图像对比度和目标分辨力。实验结果表明，算法能有效改善被动式太赫兹图像质量，提高成像系统探测隐藏可疑物的能力。

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响，建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型，并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明，谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比；光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪，要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%，实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%，可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm，光谱带宽偏差应不大于0.1 nm，短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm，光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。

斯托克斯椭偏仪可以快速测量薄膜材料的光学参数，其仪器矩阵的精确度直接影响系统对薄膜反射光线斯托克斯参量的测量，间接限制了薄膜参数的测量精度。对线偏振光与标准薄膜片产生不同偏振态的机制进行理论推导，并根据四点定标法原理，利用线偏振光与标准薄膜片组合的在位定标方法实现对斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的精确测量，有效避免了传统定标方法中光学元件方位角及其不完美产生的误差，进而提高了薄膜光学参数的测量精度。实验表明，采用在位定标方法，薄膜反射光线的斯托克斯参量的测量精度达0.6%，薄膜厚度及折射率的测量偏差分别小于0.2 nm及0.003。

报道了成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)在快点火锥壳靶预热实验中的应用情况，对不同的金锥壳靶型在间接驱动条件下的预热情况进行了实验研究。结果表明，越厚的锥顶受X射线预热的影响越小。采用了5 μm和10 μm两种锥顶，其锥顶平面的预热速度最大分别为2.2 km/s和0.6 km/s，而其产生预热的时刻基本上与主激光峰值时刻一致。实验中获得了丰富细节的条纹图像，揭示了金锥在预热过程中的物理现象，表明成像型VISAR可以为自由面低速测量及快点火锥壳靶物理实验提供诊断基础。

时间间隔测量方法的优劣直接影响脉冲激光测距的性能。借鉴插值法的思想，提出了利用三角波参考信号的特点实现时间间隔测量的方法，具有测量范围大、测量精度高的优点。阐述了利用三角波参考信号实现时间间隔测量的原理，定量分析了影响时间间隔测量精度的因素，指出三角波参考信号的频率和噪声是影响测量精度的主要原因，并进行了数值仿真；设计实验方案验证了三角波参考信号中噪声对时间间隔测量精度的影响。仿真和实验结果表明，使用较低频率的三角波参考信号可以实现较高的时间间隔测量精度；提高三角波参考信号的频率或降低噪声，都可以有效提高时间间隔的测量精度。仿真和实验结果证实了时间间隔测量方法的可行性，为开展脉冲激光测距提供了一定的参考。

基于衍射理论和神光II升级激光装置的光路结构及光学元件波前像差，建立了激光装置光束波前像差传输计算模型，用以获取在实验中难以取得，但对激光系统设计和安全运行非常重要的变形镜校正面型、放大器动态波前像差、空间滤波器波前像差和焦斑形态等过程数据。利用该模型对激光装置常规运行时的静态传输、变形镜加压静态传输和大能量发射3种状态下的波前传输进行理论分析，计算结果与实验测量相一致，并在此基础上对变形镜未加压大能量发射波前传输进行计算。计算模型可用于指导相关器件的设计，优化激光运行控制模式，有利于提高激光装置输出波前质量。

利用TEA-CO₂激光对碲铬汞(HgCdTe)图像传感器的干扰和损伤现象进行了实验研究，分析了干扰和损伤机理。探测器上激光能量密度小于255 mJ/cm2时,饱和像素仅出现在光斑区域，激光能量密度为425.8 mJ/cm2时，像素被损伤，观察到了弥散斑和暗环等现象。建立了探测器的激光辐照模型，计算了探测器的温升，讨论了温升与载流子浓度、迁移率的关系。分析认为，弥散斑的出现是探测器升温产生的热激发载流子浓度扩散所致，暗环的出现是迁移率与载流子浓度扩散共同作用的结果，像素的损伤则是因为温升导致汞的析出。

开展了高功率板条增益模块在谐振腔内透射波前特性的实验研究，通过改变谐振腔参数完成了不同提取状态下板条增益模块透射波前的测量。实验表明，功率提取状态对板条的透射波前有着明显的影响。在抽运功率为10.8 kW时，相对于平凹腔和非对称输出的平平腔，采用双端对称输出的平平腔提取时，板条增益模块的透射波前畸变最小，其波前畸变峰谷(PV)值小于1.5 μm。

针对视场范围大、变形严重的鱼眼图像，提出了一种基于球面透视投影模型的鱼眼图像匹配算法。在仅估计鱼眼图像焦距和主点的情况下，该方法先将鱼眼图像上的特征点投影到球面透视图像上，通过估计球面透视图像之间的旋转矩阵和平移向量来建立鱼眼图像特征点的对应区域，并利用球面图像上反投影点误差和的最小化优化旋转矩阵和平移向量，根据优化的参数确定鱼眼图像之间正确的匹配点。实验结果表明，在畸变较大的鱼眼图像上，提出的方法能得到比较满意的匹配结果。

针对大尺寸物体形貌视觉测量中三维数据拼接问题提出了一种基于平面圆靶标的三维数据拼接方法。该方法将平面圆靶标放置在被测物前，三维测头分别在相邻两个测量位置拍摄平面圆靶标，然后以平面圆靶标为中介，利用圆特征边缘点集对应，实现前后两个测量位置的三维数据拼接。经实物实验验证，在x、y、z轴方向的拼接精度分别为0.067、0.035、0.134 mm，与相同实验条件下方格靶标法的精度相当。在被测物存在部分遮挡的情况下，方格靶标法因为角点误匹配而导致三维数据拼接失败，而本文方法可实现数据拼接在x、y、z轴方向的拼接精度分别为0.062、0.037、0.168 mm。

实验中采用高温熔融法制备了一系列高钆镥硼硅酸盐新型玻璃体系样品，研究了这种新型玻璃体系的玻璃形成区，测量了样品的玻璃稳定性和密度。结果表明，玻璃体系的玻璃形成区较广，玻璃稳定性良好（析晶温度与转变温度的差为262 ℃），且玻璃样品的密度达到5 g/cm3。以此种玻璃体系作为基质掺入Ce3+离子，测量其透过光谱、激发光谱、发射光谱、X射线激发发射光谱以及Gd3+离子的衰减时间。结果表明，玻璃的透过性能适合Ce3+离子的掺杂，并且Gd2O3和Lu2O3对闪烁体发光都具有积极的影响，同时研究了Gd3+离子和Ce3+离子的能量传递机理及最佳能量传递掺杂摩尔比。从玻璃的物理性能和光谱性能考虑，这种闪烁玻璃系统具有广泛应用于高能物理材料中的一定潜力。

在局域密度近似下，采用第一性原理方法系统地研究了高压对LaBr3晶体结构、电子结构与光学性质的影响。计算的晶格参数和体弹模量均与报道的实验结果吻合。能带结构计算表明，无压强作用时LaBr3为直隙绝缘体，其价带和导带分别主要由Br 4p态和La 5d态电子构成；施加压强后，其逐渐转变为间隙绝缘体，且带隙随压强增大而线性减小。分析光学性质发现在可见光和红外区域LaBr3的透射率均达到80%，表明其为理想透明闪烁材料。随着压强的增大，介电函数虚部两个峰值较高的峰位、光学吸收边及透射边均发生红移，且静态介电常数、折射率以及反射率均增大。研究表明，高压有效调制了LaBr3的电子结构和光学性质，计算结果为LaBr3光电材料的设计与应用提供了理论依据。

在谱域光学相干层析成像系统中，宽带光源的群速度色散会降低系统的轴向分辨率，导致成像分辨率和对比度的下降。分析了色散对谱域光学相干层析成像系统轴向分辨率的影响，提出了一种基于光谱校正的轴向分辨率提高方法，通过三步阈值迭代进行光谱坐标的二阶系数拟合，得到校正后的光谱数据并进行深度位置信息解调。以单层薄玻璃片和西红柿表皮组织为测量样品进行了谱域光学相干层析成像实验，结果表明，该方法与现有方法相比，能够有效补偿色散对系统轴向分辨率的影响，可将轴向分辨率有效提高10 μm，得到分辨率更高的二维扫描层析图像，该方法对于不同测量样品具有普遍适用性。

基于体元的扩散光学层析成像(DOT)重建算法和组织体光学特性分区均匀性自然假设，发展了稳态测量模式下基于区域标识的“粗粒度”扩散光学层析成像重建算法。在60 dB、40 dB和20 dB噪声水平下利用含有区域标记的光学数字鼠模型对该算法进行了模拟验证，实现了对数字鼠各组织区域吸收系数和约化散射系数的重建。利用简化的仿体模型进行实验验证，基本实现对仿体多个区域的光学参数重建。结果表明，提出的重建算法能够大幅度改善基于体元的扩散光学层析成像重建算法反演问题的不适定性，大幅度提高其成像分辨率和量化精度，并基本能从噪声数据中恢复相应区域的光学参数。

当前压缩感知中测量矩阵的优化是测量阶段和重构阶段采用同一矩阵的事前优化。采用了以行变换为主的测量矩阵优化算法和过渡矩阵将压缩感知的测量矩阵和重构矩阵相分离，在测量阶段采用单像素相机的0-1稀疏矩阵，在重构阶段采用近似矩阵，这是区别于传统思路的测量数据和测量矩阵的事后优化方法。理论分析和实验结果表明，优化矩阵的性能好于稀疏循环矩阵，近似矩阵和优化矩阵具有相近的性能。研究成果降低了测量矩阵工程设计和实现的难度。

为实现大气层外太阳光谱辐照度(SSI)变化的长期例行监测，设计了一种星载宽光谱太阳光谱仪结构。全系统仅使用单片折反式曲面棱镜实现太阳光谱250～2500 nm的分光，并通过棱镜转动实现谱平面上多探测器的同步扫描探测；同时基于Huygens子波点扩展函数（PSF）仿真了光谱仪的光谱响应函数（SRF）和光谱分辨率。分光棱镜在±2.5°扫描转角内的全谱段子午像差小于8μm；光谱分辨率在紫外谱段(250～400 nm)为0.7～3.5 nm，可见/近红外谱段(400～1000 nm)为3.5～35.0 nm，短波红外谱段(1000～2500 nm)内为28.5～41.2 nm。整个系统结构简单紧凑，性能稳定可靠，分光和像差校正能力满足大气层外太阳光谱辐照度长期监测需求。

针对紫外光固化技术领域中365 nm紫外LED光源进行了应用研究，提出了用菲涅耳透镜替代传统的柱透镜实现光源线聚焦的技术方案，给出了设计过程与仿真结果。从已有的平板菲涅耳透镜的结构设计公式出发，推导了在透镜通光孔径、焦距范围已知的情况下，平板基底厚度、焦距等参数的确定依据，设计出了相应的点聚焦和线聚焦菲涅耳透镜，组成紫外光固化LED线光源的光学系统。运用Tracepro软件建立了菲涅耳透镜系统模型和柱透镜系统模型，通过光线追迹分析了能量利用率、辐照度均匀性等重要指标。仿真结果表明：采用菲涅耳透镜的光学系统可以实现应用目标面上的光学技术指标，提高了能量利用率及辐照度均匀性。

低畸变大像场望远镜是实现宽波段高光谱成像系统图像数据高精度配准融合的关键。基于解析法和矢量波像差理论，分析离轴三反光学系统的畸变，提出了一种消畸变的离轴三反系统的设计方法通过解析法计算参数，建立同轴三反初始结构，再将初始结构做离轴处理，根据矢量波像差理论作定性分析与调整。给出了离轴三反系统的光学设计实例，系统焦距为1000 mm，穿轨方向视场角为5.6°，沿轨方向视场角为1°，F数为5，通过Zemax软件测得畸变仅为0.0628%。该方法可用于设计航天大视场高分辨率成像光谱系统的望远镜部分，也可应用于各种要求低畸变的场合。

受限于传统激光加工透镜焦深与焦斑大小的矛盾关系，分辨率与加工深度很难同时获得提升。提出一种通过对不同焦距的菲涅耳透镜相位采样组合形成长焦深、高分辨激光加工聚焦透镜的设计方法。针对10.6 μm的激光加工波长，采用自编的程序设计了一个通光口径为11 mm、中心焦距为47 mm的激光纸张打孔透镜，并开展了相应的实验加工与测试。结果表明，该透镜与具有相同口径和焦距的传统透镜相比，焦深增加了2倍，并且在整个焦深范围内焦斑尺寸保持着与普通透镜相近的分辨率。该透镜实现简单，为大深度、高分辨的激光加工提供了可行的途径,在激光加工领域有较好的应用前景。

铌酸锂脊形波导最近引起了广泛研究兴趣，它通常采用刻蚀钛扩散或质子交换铌酸锂条形波导或平板波导的方法制作而成。对由这两种方法制备的钛扩散铌酸锂脊形波导在1550 nm波长处的横电基模光场分布进行了仿真分析。结果指出，当钛扩散条件相同时，通过刻蚀钛扩散铌酸锂平板波导得到的脊形结构在横向和纵向上对导模均具有更好的束缚能力。这种脊形波导的制作工艺相对简单，它对导模的强束缚有利于减小铌酸锂电光调制器尺寸和提高光电重叠积分因子。实验制备了钛扩散铌酸锂平板波导，并基于微机电系统(MEMS)工艺在其表面制作出Cr膜马赫曾德尔干涉计(MZI)阵列图案，然后在SF6气氛中对平板波导进行反应离子刻蚀，初步得到了铌酸锂脊形波导MZI阵列。扫描电镜分析结果显示制得的脊形波导横截面呈梯形状，两侧面较粗糙，脊高约670 nm。

强锚泊混合排列向列相(HAN)液晶盒中，挠曲电效应会对液晶指向矢分布产生影响，这种变化可以通过改进的液晶全漏导模技术实验进行测量。基于液晶多层光学理论和液晶弹性理论，计算得到强锚泊混合排列向列相全漏液晶波导反射率和透射率随内角（光线射入液晶层的角度）的变化曲线，分析了挠曲电效应的影响。挠曲电系数取符号“-”或“+”，全漏液晶波导反射率或透射率变化曲线相对于不考虑挠曲电效应时右移或左移一段距离，并且挠曲电系数数值不同移动的距离也会发生变化。由移动距离可知挠曲电系数的数值，为实验确定挠曲电系数提供了理论依据。

由于菲涅耳基尔霍夫衍射公式、瑞利索末菲衍射公式1和2共存于标量衍射积分公式体系，3个衍射积分公式的优劣难以断定。为了比较3个衍射积分公式，基于小衍射源和衍射远场的特点简化3个衍射积分公式，给出计算衍射远场平面上的标量光场总功率和衍射远场半球面上的矢量光场总功率的函数表达式，并以被积函数的收敛性判断3个衍射积分公式的适用范围，以衍射源总功率为标准，判断3个衍射积分公式的计算精度。分析表明，3个衍射积分公式均适用于计算傍轴标量衍射场，而只有瑞利索末菲衍射公式1才适用于计算非傍轴标量衍射场；3个衍射积分公式均适用于计算傍轴和非傍轴矢量衍射场。其中，对于垂直入射至小圆孔的平面波受限非傍轴衍射，基于瑞利索末菲衍射公式2计算的衍射远场观察半球面上总功率的相对计算误差的绝对值最小。

具有正交振幅和正交相位分量量子关联的连续变量量子纠缠态光场是进行量子信息和量子计算研究的最基本的资源。随着量子信息和量子计算研究的深入开展，为了实现高质量的信息传递和高效率的量子计算，必须尽可能提高所利用的纠缠态光场的纠缠度。基于光学参变过程量子纠缠增强是提高连续变量纠缠态光场纠缠度的一种有效方法，详细讨论了连续变量纠缠增强与非简并光学参变放大器各实验参量的关系，讨论了这些参量对纠缠增强的影响。计算结果将为优化利用非简并光学参变放大器构建的纠缠增强系统，进一步提高量子纠缠增强效率提供参考。

大气气溶胶和卷云对地球大气之间辐射收支平衡有重要的影响，主要表现在它们的直接气候效应、间接气候效应以及它们之间的相互作用。为了深入研究大气气溶胶的微物理特性和卷云的物理性质，开发研制了三波长拉曼偏振激光雷达系统，它由发射、接收、控制与数据采集子系统组成。该激光雷达系统具有探测波长多、探测范围大、时间和空间分辨率高、灵敏度高和数据可靠等特点。由该激光雷达的数据可以反演355、532、1064 nm 3个波长上的后向散射系数，355 nm和532 nm两个波长上的消光系数以及532 nm波长上的退偏振比。个例研究结果表明该激光雷达系统数据可靠、可以对气溶胶和卷云进行微物理性质的探测研究。

为监测及修正紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在发射以及在轨运行过程中的光谱位置的偏移，采用了一种全新的高精度在轨光谱定标方法。利用高分辨率参考光谱与仪器狭缝函数进行卷积，并将卷积结果与修正后的测量光谱进行匹配，建立了相关评价函数，计算参考光谱和测量光谱误差最小时的光谱偏移量。对于SBUS，利用此方法定标得出的光谱偏移量为0.10 nm。利用SBUS星上汞灯光谱验证了定标结果的最大误差为0.01 nm，满足仪器指标要求。实验结果证明了高精度在轨光谱定标方法的可行性及精度。

提出一种基于激光自混合效应的加速度传感器，并介绍了该系统结构及工作原理，分析了分辨率的影响因素及影响机理。该传感器利用双挠性梁支撑的摆片作为第一级敏感元件。有加速度输入时，摆片在惯性力作用下产生与加速度成比的位移信号，引起激光器外腔长度变化，使得被锯齿波电流调制的激光器输出相位差随加速度变化的自混合干涉信号；采用全相位谱分析算法进行自混合干涉信号相位解调，重构位移曲线，进而获得加速度值。通过系统仿真模型验证了加速度传感系统的可行性。对加速度传感系统进行测试。实验结果表明，加速度传感器分辨率为0.19 μg。实验结果和理论分析相吻合，基于激光自混合效应的加速度传感器可实现高分辨率。

研究了微管内壁涂覆介质层的折射率传感灵敏度增强效应，通过建立四层环状结构模型对薄壁微管和厚壁微管进行了模式场分布和传感灵敏度仿真计算。计算结果表明涂覆高折射率介质层有效增加了微管内部的光场能量，从而增强传感灵敏度，将薄壁微管的一阶径向模式折射率传感灵敏度提高近65倍，厚壁微管高阶径向模式的折射率传感灵敏度提高近302倍。随涂覆介质层厚度的变化，厚壁微管高阶径向模式的折射率传感灵敏度变化存在多峰特点，并对该现象从几何光学的角度进行了分析。

像面干涉成像光谱技术具有高光通量、高目标分辨率、高光谱分辨率等优点，主要应用于遥感光谱成像领域。为实现近场目标的探测，对近场像面干涉成像进行了理论分析，研究了成像质量的影响因素，计算了干涉光程差和最小可探测距离。研究了近场干涉图像中条纹调制度的影响因素，推导了调制度的物理表达式，并分析了干涉条纹调制度对信噪比以及复原光谱准确度的影响。为提高近场干涉图像的调制度和成像质量，提出了一种基于二次成像的像面干涉成像光谱方法。搭建了像面干涉成像光谱的实验装置，对近场目标进行了探测，并对获取的干涉图像进行了分析；利用二次成像的像面干涉成像光谱方法，对近场目标进行干涉成像实验，获取了调制度较高的近场干涉图像。

拉曼光谱信号，尤其是生物活体的拉曼信号，由于受到荧光背景噪声的影响，光谱复杂，在很大程度上影响了分析效果。依据荧光背景特点提出了一种基于信号极小极大值自适应缩放的消除荧光背景方法，从峰强与质量分数关系、单光谱与混合光谱关系两个方面验证可行性，并与传统基于多项式拟合基线校正的荧光背景消除方法进行对比，结果表明该方法优于传统方法。为了显示血液在活体小鼠耳朵组织中的二维和三维分布，选用血红蛋白的特征峰1549 cm-1来做拉曼成像，与以往数据处理的方法所得到的图像进行对比，结果表明此方法能够获得较好的拉曼光谱数据，特别是对一些较弱的拉曼特征峰，成像结果更好。

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的传感器系统性能受激光器特性、探测器特性、调制参数、激光器控制电路和信号采集电路等的影响。激光器和探测器特性与当前的生产制造水平密切相关，对于直接吸收法，调制参数主要指扫描幅度和扫描频率，而扫描幅度的确定以得到完整吸收信号为准。对扫描频率的选择和优化进行了详细的讨论。在一定的理论基础上通过实验分别观察各扫描频率对直接吸收信号的影响，通过分析检测信号的特征, 如幅值、半峰全宽、调整的判定系数、信噪比、积分吸光度及偏差等得出其变化规律，总结出扫描频率的选择依据。该研究为TDLAS直接吸收法中扫描频率的确定提供了实验依据。

将差分吸收光谱法（DOAS）应用于NH3浓度反演。在传统的DOAS算法基础上，研究遗传算法、小波变换和卡尔曼滤波三种算法对低浓度NH3反演精度的影响。研究结果表明，对于信噪比较低的NH3吸收光谱信号，三种算法都具有良好的去噪能力。在NH3浓度低于7.6 mg/m3的情况下，三种算法的反演精度相对于传统的DOAS算法明显提高。其中传统的多项式滤波法结合卡尔曼滤波法差分吸光度残差标准差为0.1341%，峰峰值为0.6132%，反演精度最高，误差在±0.3%以内。

研究了一种新颖的具有紧密型半球凹坑阵列表面结构的玻璃基片。运用严格耦合波分析(RCWA)方法研究了此玻璃基模型在光垂直入射条件下的透射衍射，数值结果表明此类玻璃基片可以有效地衍射光线。当结构周期在2.6 μm附近时，玻璃基片在长波段（0.6~0.8 μm）具有较高的雾度。为了改善薄膜电池的陷光效果，考虑将此玻璃基片运用到非晶硅薄膜太阳能电池结构中，数值结果表明与平板结构薄膜太阳能电池相比，当结构周期为2.6 μm时，光垂直入射条件下非晶硅薄膜结构在0.3~0.8 μm波段平均吸收率提高18.7%，在0.6~0.8 μm波段吸收率提高17.9%~77.7%。

分别建立了真空镀膜机行星系统中平面光学元件薄膜厚度模型和修正挡板校正薄膜厚度非均匀性模型，并运用数值计算方法完成修正挡板优化设计；研究了使用修正挡板校正薄膜厚度分布时平面行星夹具上热蒸发薄膜材料的沉积效率。实验结果表明：依据修正挡板校正薄膜厚度非均匀性模型优化设计的修正挡板能使口径为310 mm、无倾斜放置的平面行星夹具上，由电子束热蒸发工艺制备的MgF2薄膜厚度均匀性优于99.6%，并且热蒸发MgF2薄膜材料的沉积效率高于87.4%。

采用双极脉冲磁控反应溅射结合快速热处理技术在硅衬底表面制备多层SiNx/Si/SiNx薄膜。利用拉曼光谱和光致发光(PL)光谱研究退火处理对薄膜微结构及其发光性能的影响。拉曼测试结果表明薄膜经高温度退火处理后会出现晶态比为30%的单晶和非晶共存的硅纳米颗粒，其尺寸约为6.6 nm；而光致发光谱的测试结果则表明薄膜中单晶硅和非晶硅纳米颗粒的尺寸分别为3.79 nm和3.03 nm；此外还发现薄膜的发光现象主要是由于缺陷态和量子点的量子限域效应的共同作用，并以缺陷态引起的发光为主。

基于膜系误差灵敏度主动控制的稳健设计思想，对比研究了一种新型正交偏振双频激光器中高性能偏振分光膜(PBS)不同应用方案的误差响应特性。发现了决定其膜层参数误差灵敏度的本质因素，找到了一种低误差灵敏度的高性能激光PBS方案，其膜系结构简单，易于低成本高成品率的批量生产，对该双频激光器的研制、工程化及应用将起到积极作用。

针对上海光源谱学显微光束线站的性能要求，对其核心部件单色器进行结构设计。阐述了单色器的扫描运动原理，论述了波长扫描机构的设计方案，具体分析平面镜和光栅的转角重复精度影响因素；描述光栅切换机构，着重分析其水平偏差、垂直偏差、滚角、摆角和投角的精度问题；采用六杆并联机构的方案完成镜箱调节机构的设计，分析其支杆的调节范围和分辨力情况。给出了单色器的结构，并且对其精度进行了测试。测试结果表明，平面镜和光栅的转角重复精度分别为0.166″和0.149″；光栅切换机构的滚角、摆角和投角的重复精度分别为0.08″、0.12″和0.05″。这说明了单色器的结构设计方案和机械精度满足技术要求。