为了解决全光码型转换中结构复杂和速率限制的问题，提出了应用于全光网络，利用半导体光放大器的非线性效应和光带通滤波器滤出特定光谱成分来实现全归零码到非归零码的全光转换方案.基于超快半导体光放大器模型, 进行了40 Gbps归零码到非归零码全光转换的仿真与实验验证.实验结果表明：40 Gbps归零码到非归零码全光转换的功率损耗约为2 dB,与仿真结果高度吻合，验证了该方案的可行性与有效性.

为制作宽带稳定的光纤偏振控制器件，提出了一种具有宽带稳定偏振拍长的多孔光纤模型.该模型通过调节纤芯附近一对特殊气孔和本底气孔的大小、形状以及气孔的间距，在包层中引入特定非对称结构.由于多孔光纤的偏振拍长对这些特定的非对称结构参量的误差扰动不敏感，而利用这些特定非对称结构产生的具有不同变化趋势的双折射相互补偿可以抑制双折射的非线性变化，因此不仅能有效降低偏振拍长的波长敏感性，而且能够同时降低偏振拍长对包层结构参量误差的敏感性.研究结果表明：以偏振拍长的相对变化率小于±4%为限，在1 550 nm波长窗口附近工作带宽达到200 nm，同时包层结构几何参量的误差容限达到0.1 μm量级，为实际拉制具有宽带稳定偏振拍长的多孔光纤提供了较为可行的工艺结构参量.

组播业务的迅速增长对现有光网络的光路分配提出了更高的挑战.针对在大规模的光网络中，由于光组播路径中光信噪比过低导致传输层光链路无法正常工作，并由此带来“假性信令成功”的问题，提出了一种光信噪比受限的光组播路径分配机制.该机制充分利用光网络节点中光信噪比监测功能，在信令消息中携带光信噪比性能参量，并在光组播路径分配的信令过程中将光信噪比作为光波长分配的重要依据.通过该机制，控制平面在信令过程中充分考虑光信噪比因素，确保传输层的光组播路径得以顺利建立并正常工作.仿真结果表明，所提出的基于光信噪比感知的组播光路分配机制能够解决“假性信令成功”的问题，并有效降低光组播路径的阻塞率.

针对现有雷达脉内特征参量对噪音敏感，难以适应复杂体制雷达聚类分选的问题，应用双谱多类小波包特征实现了宽信噪比条件下未知复杂雷达信号的高准确率聚类分选.首先对接收到的雷达信号求得双谱归一化系数，然后利用多类小波包提取双谱归一化系数的特征参量，并选取最佳小波包特征作为分选参量，最后通过提取8类雷达辐射源信号的双谱小波包特征，采用核模糊C均值聚类算法实现聚类分选.仿真结果表明：提取的特征参量在宽信噪比范围内均具有很好的分离性和稳定性，可实现复杂雷达辐射源信号的准确聚类分选.

针对目前图像去噪方法噪音抑制不彻底、容易模糊细节等问题，提出了一种利用核模糊C均值聚类和正则化的图像稀疏去噪方法.该方法首先将图像分成大小相同的若干块，并采用核模糊C均值聚类算法对相似的图像块进行聚类，从而保证同一类图像块共享相同的稀疏去噪模型；然后，选择由经典图像库中图像训练而得的全局字典作为初始字典，很好地适应图像的多种特征；接着，对于同一类图像块，通过施加1/2范数正则化约束，实现该类图像块在字典下的稀疏分解，确保分解系数更为稀疏；最后，通过改进的K-奇异值分解算法完成字典的更新，并选择与原稀疏模型差异最大的图像块来替换更新字典的冗余原子，从而有效地去除图像噪音.实验结果表明，与小波扩散去噪法、固定字典去噪法、最优方向去噪法、K-奇异值分解去噪法相比，该方法能更有效地去除图像噪音，保留图像细节，改善图像视觉效果.

从射影几何的角度分析了单目移动相机下场景运动矢量与摄像机运动之间的关系，基于摄像机光心坐标系，提出了一种快速极线估计算法.该算法中摄像机在此坐标系下永远静止，只有场景和运动目标在运动，将原来移动平台下运动目标检测的问题转换成静止平台下场景全局运动与运动目标独立运动的问题，并推导出光流约束的简洁形式.该算法框架能够根据KLT算法获得Harris角点光流场，并根据实际图像的运动场补偿摄像机的随机运动，同时在保证算法准确性与鲁棒性的前提下，与原来算法相比，计算速度提升了10倍左右.根据实际采集的图像序列进行了分析对比，真实的数据测试表明快速极线估计算法在保证算法准确性与鲁棒性的前提下，极大地降低了算法的计算量与计算时间，从而无需三维重建便可有效地解决单目移动摄像机下运动目标检测的问题.

为了增强多光谱图像的空间分辨率同时避免出现严重的光谱扭曲，对插值放大后的多光谱图像和原始全色图像分别作相同层数的非下采样轮廓波变换分解.在相应低频子带中，分别选取以待融合像素点为中心，大小为5×5的滑动窗口，计算待融合像素点的局部相关系数与四阶相关系数.如果局部相关系数大于四阶相关系数，说明该位置上的地物存在相似的光谱特征，因此用全色图像的高频系数替代多光谱图像的高频系数；反之，保持多光谱图像的高频系数不变.最后将多光谱图像的低频系数和替换后的高频系数进行非下采样轮廓波逆变换得到融合图像.采用Landsat 7遥感图像，对比给出了本文与现有同类最新文献融合结果及其主客观评价指标.实验结果表明，本文算法在提高空间分辨率与保持光谱信息两个方面都具有较好的效果.

基于位置和波长参量的并行复用,提出一种高加密容量的光学干涉多图像加密系统.加密时，待加密图像分为两组，每组均利用位置复用技术解析地加密到两个纯相位板中,将所获取的四个相位板再经波长复用技术融合到两个光学相位元件中.加密过程采用数字技术，无需使用迭代算法，而解密过程既可以采用数字技术也可以采用纯光学方法.实验中利用波长与位置的并行复用及相关系数对系统的加密容量进行评估，同时研究了系统对于噪音攻击和剪切攻击的稳健性.结果表明：加密容量较已有方法有较大提高；对于噪音攻击的稳健性较强，但是对于剪切攻击的稳健性较弱.

斯特列尓比通常被作为评价傅里叶望远镜成像质量的方法.该方法通过求得复原图像与理想图像的相关度来评价成像质量，主要用于计算机仿真分析.然而，在真实环境中往往因为不能预知被测目标的形貌特征，使斯特列尓比像质评价方法失去作用.本文针对实验室内傅里叶望远镜成像数据，采用了两种不需要参考图象对比的方法：灰度平均梯度法和拉普拉斯梯度模法描述复原图像包含细节信息的程度，分析了非参照图像评价方法的可行性.对同一复杂程度的目标，分别利用计算机仿真及室内实测数据成像，分析灰度平均梯度法、拉普拉斯梯度模法与斯特列尓比描述成像质量的一致性.结果表明，分析灰度平均梯度法、拉普拉斯梯度模法这样的评价与斯特列尓比评价趋势一致，证明了分析灰度平均梯度法、拉普拉斯梯度模法无参照评价方法用于分析与评价傅里叶望远镜图像质量的可行性.

成像光斑中心精确定位是光栅衍射型超广角激光告警系统具有高定向准确度和高波长分辨能力的基础.本文分析了光栅衍射型超广角激光告警系统成像光斑特点.针对随激光入射角增大，系统成像光斑畸变为强度近似高斯分布倾斜光斑的问题，提出一种改进型高斯拟合法计算光斑中心，通过仿真模拟和实验测试研究了新方法的定位性能.模拟结果表明，高斯噪音标准差为0.01情况下，光斑长轴与x轴夹角由0°逐渐增大为90°过程中，本文方法的定位误差平均值小于0.005像素，误差标准差小于0.02像素.实验测试表明，实验图像经帧相减和高斯平滑滤波预处理后，光斑长轴与坐标轴方向一致时，本文方法与高斯拟合法的定位结果非常接近，明显优于灰度重心法.光斑倾斜时，本文方法求得的激光入射方向角的误差均值和标准差明显小于灰度重心法和普通高斯拟法.

利用两组串联五环谐振器以及它们与两信道波导的交叉耦合作用,优化设计并模拟了一种超低串扰2×2新型聚合物电光开关.为了表征器件的输出光功率特性,给出了器件结构、分析理论和相关公式.为了在下行端口（drop端口）得到箱型光谱响应以及极低的串扰和插入损耗,优化了微环谐振级数和耦合间距.对器件输出光功率和输出光谱的模拟分析结果显示,器件交叉和直通态间的切换电压为4 V,交叉和直通态下两端口间的串扰分别为－66 dB和－54.7 dB,插入损耗分别为2.34 dB和 0.24 dB.在1 GHz方波信号作用下,器件drop端口的上升和下降时间分别为15 ps和90 ps.由于聚合物微环的弯曲半径仅为19.45 μm,因此该器件具有超紧凑的尺寸,其长度和宽度仅为0.407 mm,约为马赫-曾德尔干涉仪或者定向耦合器等一般结构聚合物电光开关长度的1/10.依赖于小的封装尺寸和极低的串扰,该器件可以高密度地集成在光电子芯片上,在光片上网络中光信号的控制方面具有潜在的应用.

基于电路的设计方法，把N阶串联耦合微环谐振滤波器等价成为一个基带LC阶梯网络，通过求解LC阶梯网络的元件参量，求出微环滤波器的耦合系数.在此基础上设计出具有切比雪夫响应的微环滤波器，并与传统耦合模式理论方法和理想的切比雪夫响应进行比较，证明了这种方法的可靠性，最后讨论了耦合系数和环数对切比雪夫微环滤波器输出特性的影响.数值模拟表明，耦合系数的偏差率越大，通带的平坦性越差；耦合系数的值增大，通带的带宽加宽；当环数增加时，过渡带衰减速度变快，通带形状更接近方形.

为了解决可见光显微成像技术无法实现硅基芯片内部结构观测的问题，根据1 064 nm的红外激光对硅材料具有一定穿透深度的特性，设计了一种硅基半导体芯片激光红外显微成像系统.该系统采用数值孔径为0.42的长工作距显微物镜，通过音圈电机振动多模石英光纤消除散斑噪音，由系统观察CD-RW盘片道间距，表明系统分辨率可达到1.6 μm，接近理论值，实现了对芯片厚度为70 μm的静态随机存储器内部结构显微成像的观测.

中红外激光在激光医疗、激光光谱学和红外对抗等领域有着广泛的应用前景.为了获得结构紧凑、便携性好的中红外激光源,采用975 nm半导体激光器泵浦高掺铒氟化物双包层光纤实现了2.8 μm的中红外光纤激光输出.将光纤耦合输出的中心波长为975 nm的半导体激光,经过消像差非球面透镜系统耦合进双包层光纤,激光谐振腔由高反镜和具有4%菲涅耳反射率的光纤端面组成,当注入到增益光纤的泵浦功率高于0.37 W时,获得了中红外激光输出.实验结果表明:中红外光纤激光器中心波长为2.785 μm,谱宽0.9 nm；工作阈值为0.37 W,最大输出功率为0.98 W,斜率效率为17%,激光工作模式为单模.利用高掺杂浓度铒离子间的能量转移上转换,获得了高效率瓦级单模中红外光纤激光输出.

研究了铋掺杂以及铋铒共掺铝钙锗酸盐玻璃的超宽带红外发光性质.采用传统的熔融-退火方法获得所需玻璃.铋离子掺杂钙铝锗酸盐红外发光峰可以分为1 265 nm和1 420 nm处的两个峰,1 420 nm处的峰强度较弱.X射线光电子能谱测试结果表明,玻璃中的铋离子以混合价态形式存在,三价的铋离子可能被还原为低价态铋离子.实验结果表明,铋离子红外发光源于低价态铋离子,可能源于一价Bi+;铒离子掺杂影响铋离子发光,随着铒离子浓度的增加,铋离子红外发光减弱,说明存在铋离子向铒离子的能量传递.

采用高温固相法合成了Ca3Y2－2x(Si3O9)2∶2xSm3+系列荧光粉，并表征了材料的发光特性.X射线衍射图谱表明:得到的样品为纯相Ca3Y2(Si3O9)2晶体;样品的激发光谱主要来源于Sm3+的特征激发;分别采用紫外、近紫外和蓝光作为激发源，样品均发射橙红光.在402 nm近紫外光激发下，Ca3Y2(Si3O9)2∶Sm3+发射光谱主要由3个峰组成，发射峰值分别位于565 nm、604 nm和651 nm，归属于Sm3+的4G5/2→6HJ/2(J=5, 7, 9)跃迁，其中发射主峰位于604 nm处.通过时间分辨光谱测得Sm3+的4G5/2能级的荧光寿命.随着Sm3+摩尔浓度的增加，样品发光强度先增强后减弱，当x=0.02时发光强度达到最大，浓度猝灭机理为电偶极-电偶极相互作用.

膨胀石墨是一种具有潜在应用价值的红外/毫米波无源干扰一体化材料.本文依次以硝酸和磷酸、硝酸和乙酸的混酸为插层剂，高锰酸钾为氧化剂，采用分步插层法制备了不同体积膨胀率的膨胀石墨.采用扫描电镜分析了膨胀石墨微观结构随膨胀体积的变化；采用静态测试方法测试了不同体积膨胀率膨胀石墨的毫米波衰减性能.结果表明：随膨胀体积的增大，膨胀石墨层壁更薄，片层被充分打开，其有更多的微小薄片的尺度分布介于几微米到几十微米之间；膨胀石墨对毫米波的衰减性能随膨胀体积的增大而增大，当膨胀体积从233 mL/g增大到450 mL/g时，其3 mm波衰减性能从5.7 dB增大到8.68 dB.

设计了太赫兹合束的空间几何模型，计算模拟出了单束、2×1双束以及2×2四束太赫兹束的空间合束图像，并研究了接收距离、高斯光束峰值间距与太赫兹束干涉强度的关系，以及束间相位差对合成的影响.结果表明:2×1、2×2合束模式的峰值强度增大倍数近于4倍和16倍；2×1模式和2×2模式对应的最优太赫兹合成的观测接收距离分别为0.325 m和0.223 m；光束间距与合成峰值光强成非线性反比关系，不存在最大值或最小值临界点.对2×1模式进行了存在束间相位的合束模拟，得到束间相位差与合成强度的关系，并于相位差为π时达到最小值，故束间相位差虽不可避免，但可以减小.

基于无偏压光伏光折变晶体, 理论研究了热电效应和光伏效应共同作用下的稳态空间孤子对.从非相干耦合波方程出发，推导了热电光伏孤子对的数值解；采用有限差分方法，数值模拟了各类孤子对的强度包络.结果表明：在自散焦光伏光折变晶体中，当正的热电场远大于光伏场时，亮-亮孤子对可以存在；当暗-暗或者灰-灰孤子对存在时，负的热电场可以增强自散焦效应，进而减小孤子的半峰全宽.各类孤子对的半峰全宽可以通过改变热电场的大小而加以操控.此外，非相干耦合热电光伏孤子对可以在一定条件下分别退化成热电孤子对或者光伏孤子对.借助晶体的热电效应，可以使光折变晶体LiNbO3从自散焦转变成自聚焦，从而灵活控制晶体中孤子对的特性.

目前，电荷耦合图像传感器的像面尺寸不足以满足现代空间光学系统的需求，本文采用反射式光学系统拼接的方法来扩大光学系统的视场.针对光学拼接带来的渐晕和使调制传递函数变小的问题，研究了一种带有6个反射面的反射镜光学拼接系统，分析了反射镜拼接系统渐晕的特点,提出采用子子像面间渐晕补偿法消除子像面交界处的渐晕，并对像面边缘的渐晕进行补偿.另外，通过合成点扩散函数法来改善光学拼接系统的调制传递函数，结果表明：合成图像的调制传递函数与子图像的调制传递函数相比，虽然截止频率没有提高，但在同一频率处的值有明显的提高.

基于空间太阳望远镜已有的光机热集成研究，结合其运载轨道修改、观测视场扩大等因素的调整，获取了深空太阳天文台磁场望远镜主反射镜温度分布的定量结果.采用光机热集成分析法，结合主反射镜前期的支承方案，获取了主反射镜在装夹状态下的热变形定量描述.采用抛物面多项式和Zernike多项式拟合，获取了主反射镜表面热变均方差值大于λ/40(λ=533 nm)的热控准确度，无法确保系统获取0.1″的高分辨率成像目标，验证了预研阶段热控方案的局限性.提出修改主反射镜正三角的机框式支撑为六点支撑的建议，为深空太阳天文台磁场望远镜热控准确度的提高、热控方案的优化提供技术参考.

设计了一种用于深空探测的新型宽视场多光谱降落相机，通过两档切换，实现了1.5 m~+∞以及30 cm两档成像范围的目标探测.在1.5 m~+∞档，能实现着陆器下降过程中对被测星体表面的全色成像；在30 cm档，采用蓝绿、红色以及近红外三个独立的发光二极管光源阵列分别对着陆后近距离目标进行照明，通过对采集到的多光谱图像进行处理，可实现目标组成成分的鉴定.取降落相机设计谱段420~900 nm，方形视场49.5°×49.5°，F数5.4，当目标距离为1.5m~+∞时，焦距f′1为12.9 mm；目标距离30 cm时，焦距f′2为12.5 mm.系统中第一镜采用近似无光焦度的前置弯月透镜，利用镜片的开合完成不同成像范围的档位切换，使系统焦距在两档切换时变化不大，目标不易丢失.分析可知，镜头在35 lp/mm处，系统调制传递函数均达到0.6以上，成像质量接近衍射极限；全视场畸变优于1.2%；第一镜倾斜、偏心公差设计合理.该设计解决了以往定焦降落相机在着陆后无法对近距离目标清晰成像的问题.

大相对孔径凸非球面的检测一直是非球面制造的难点.本文结合两片大相对孔径凸椭球面透镜的检测，提出采用同种材料胶合的检测方法，并基于该检测方法加工得到了相对孔径分别为2.7和2的两块凸椭球面透镜.经检测，两块非球面透镜检测系统的最终波像差均方根值都优于1/30λ (λ=632.8 nm)，在实际光学系统应用中，系统的分辨率和弥散斑大小均满足系统的指标要求.产品的使用情况验证了本文采用的同种材料胶合的检测方法在理论和实践上是可行的，与传统的光学补偿法检测大非球面度、高陡度非球面相比，本文采用的胶合透镜法极大地简化了检测系统结构，降低了系统的装调难度，是一种有效的高准确度凸非球面检测方法.

提出了一种利用柱透镜调控涡旋光束拓扑结构的方法.利用计算全息法制作的叉形光栅掩模板，实验获得了具有不同拓扑荷的涡旋光束，分析了涡旋光束通过柱透镜变换后的强度和相位分布.结果表明，涡旋光束经柱透镜变换后，其拓扑荷符号将发生改变，并且高阶涡旋光束退化为多个分离的一阶涡旋光束.利用高阶激光模式的线性叠加特性以及古依相移对实验结果进行了理论解释，并通过数值模拟对实验结果进行了验证.

良好的安全性对量子保密通信协议而言是不可或缺的，但信息泄露已成为量子对话的一个严重安全威胁.为了解决信息泄露问题，利用腔QED中原子的演化规律提出一个基于腔QED的无信息泄露量子对话协议，利用腔QED中两个Bell态纠缠交换后的测量相关性来克服信息泄露问题.研究表明：该协议能够通过安全检测探测到外部窃听者的主动攻击，如截获-重发攻击、测量-重发攻击和纠缠-测量攻击；在每轮通信可以安全交换4比特秘密信息；对信息泄露问题和外部窃听者的主动攻击，都具备良好的安全性.

利用全量子理论及数值计算方法，计算了由M个二能级原子和M个多模腔场构成的联合系统原子保真度和原子纠缠度，数值计算及分析表明：如果初始原子处于分离态，那么原子保真度与原子纠缠度始终存在相互反相的振荡现象，随着光场强度的增加，二者的振荡均会越来越频繁；在光场与原子强耦合的情况下，原子保真度更多趋于0、原子纠缠度更多趋于1；保真度较小不利于信息传输，但通过适当控制相互作用时间，可达到高保真度原子信息传输的目的.

光学系统性能的优劣与光学镜表面的散射情况息息相关.根据米氏理论并利用MATLAB软件，对可见光(0.632 8 μm)、近红外光(1.053 μm)和热红外光(10.6 μm)三种激光在干净、基本洁净(洁净度200)、轻度污染(洁净度500)及重度污染(洁净度750)四种光学镜面洁净度下镜面的双向反射分布函数进行了模拟计算.结果表明：光学镜面的表面粗糙度和表面洁净度影响镜面的双向反射分布函数.进而对光学系统的性能会产生显著的影响，且波长越短，双向反射分布函数越大，散射越复杂.这为光学工程中光学镜面的污染评估和镜面清洁提供有益帮助.

基于分段正弦基函数和矩量法，通过求解离散电流节点格林函数的封闭解得到金属纳米柱天线激发表面等离子体的阻抗矩阵.与使用其它基函数矩量法相比，该方法可以减少矩阵方程的维数.仿真结果表明：使用此方法只需求解很小的矩阵方程就可以求解出纳米天线表面极化电流,从而实现对纳米天线的散射特征及谐振模式的快速分析;其结果与时域有限差分仿真结果吻合良好且速度具有显著的优势，尤其在计算斜入射问题时计算优势更加明显.本文的方法对文中计算的模型有效,同样为其他形状纳米柱天线和碳纳米管器件散射特性仿真提供了快速有效的电磁分析方法.

基于0.5 μm标准Biplor、互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺设计了两种不同结构不同尺寸的光电探测器，包括传统的P+/N-EPI/BN+结构光电探测器和多叉指P+/N-EPI/BN+结构的光电探测器.通过仿真优化设计了光电探测器的结构参量和性能，测试结果表明：多叉指状P+/N-EPI/BN+光电探测器能够改善650 nm的响应度以及降低结电容.选择该结构大面积P+/N-EPI/BN+光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器的单片集成，采用0.5 μm标准Biplor、 互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺实现了一个用于650 nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.该光接收芯片的测试结果表明：对650 nm的入射光，在160 Mb/s速率的伪随机二进制序列以及小于10－9的误码率条件下，光接收芯片的灵敏度为－15 dBm，并能得到清晰的眼图.因此，本文设计的光电探测器可以很好地应用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.