为了解决空间激光通信系统中单探测器复合轴结构的粗精解耦难题，通过分析二维关联控制矩阵，得出粗精跟踪解耦的必要条件，提出了一种单探测器复合轴结构的工作方式.在跟踪过程中，相机直接配合子轴执行器完成精跟踪工作，而主轴的跟踪信息由子轴的角度偏转器来提供，同时所有的图像处理算法、位置检测算法、以及粗精伺服控制算法都在现场可编程门阵列中实现，完成了系统的轻小型化设计.实验搭建了测试系统，并对现场可编程门阵列硬件和系统跟踪性能进行测试，结果表明单探测器复合控制系统可以实现跟踪准确度优于3 μrad，为工程化奠定了良好的基础.

基于相位噪音和相控阵理论，运用线阵天线原始方向图函数和光纤链路噪音系数公式，根据天线波束指向实际误差进行合理近似，推导了光延迟线链路噪音系数、天线阵元数与波束指向误差的理论公式.采用常规光纤链路参量进行了仿真研究，结果表明: 相控阵天线波束指向误差均方差随光纤链路噪音系数增大而增加，随天线阵元数增加而减小，指向误差与光纤延迟线链路噪音系数的1/2次方成正比，与阵元数的3/2次方成反比.在相控阵天线工作频段内，低频波段受噪音系数影响更加明显.

随着宽带接入技术的发展，以太无源光网络是光纤到户的一种备选方案.而光网络单元数量众多，其成本成为限制以太无源光网络技术实施的重要影响因素.本文提出了一种低成本以太无源光网络单元实现方式: 采用带柔性电路板的单纤双向光纤组件直接安装在光网络单元的电路板上.为了验证弯曲柔性电路板的高速性能没有恶化，采用有限元方法仿真了弯曲柔性电路板的小信号响应.由于该方式没有独立的光收发模块，无法采用比特误码分析仪进行测试，因此提出了采用网络测试仪搭建光网络单元的光信号性能测试系统的方案并实现了对光信号的性能测试.结果表明: 对于发射机，在0℃~70℃的范围内得到了超过10 dB的消光比和1 dBm的平均发射功率; 对于接收机，估算灵敏度为-27 dBm.

针对图像抖动导致光电成像系统的成像分辨率降低的问题，提出了一种基于成像分辨率的光电成像系统抖动要求分析方法.根据抖动频率将抖动分为高频抖动与低频抖动，高频抖动按高斯、正弦、线性等三种抖动分布考虑，低频抖动按线性抖动分布考虑，给出了各抖动分布对应的调制传递函数模型，进而建立了含抖动全系统调制传递函数模型.基于成像分辨率要求与调制传递函数模型，给出了抖动要求定量分析方法，并给出了相应分析流程与算法.根据流程，结合特定系统参量，进行了仿真分析，结果表明: 在一定成像分辨率条件下，低频视轴抖动可允许值最大，其次为高频线性抖动可允许值，最后为高频正弦与高斯抖动可允许值.

针对传统爬山搜索算法受调焦评价函数局部极值的干扰而不能准确聚焦的问题，提出一种基于调制传递函数辅助正焦判断的自动调焦搜索算法.该算法对爬山法进行改进，在选择图像清晰度评价函数基础上，同时考虑图像的调制传递函数值，综合判断搜索方向; 采用改进的刃边法，在自动完成刃边区域选择的基础上，可精确计算图像的调制传递函数值，并给出了改进算法的原理和实现. 为了衡量改进算法的性能，验证调焦系统成像效果，分别考虑搜索算法对不同调焦初始位置以及环境变化影响，在经纬仪自动调焦系统平台上展开算法的调焦实验分析.实验结果表明改进的自动调焦搜索算法能有效地排除局部极值干扰，使系统准确、可靠的调焦.

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像，根据偏振成像原理，基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验，在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势，研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度，运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明，当环境照度大于10-2 lx时，偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息，改善微光成像质量.经过优化，该系统MTF在56 lp/mm处所有视场下均不小于35%.

针对神光II高功率激光装置前端预放系统输出的能量设计了一种远程能量控制系统，包括半波片-偏振片组合衰减装置以及闭环负反馈控制系统的设计.在光学调整方案上，设计了半波片-偏振片组合衰减装置，对激光能量进行衰减控制.在控制算法上，实现了对能量控制的闭环比例积分微分调整.在调整准确度上，实现了调整准确度为1%，误差低于0.1%的精确控制.本文所设计的高功率激光装置前端能量控制系统利用能量计、步进电机与计算机软件之间的相互通信来实现对能量的闭环比例积分微分控制，适用范围广，可扩展性好，并具有简单易调整、控制精密、结果准确等特点.

利用Nd∶YAG/Cr∶YAG/YAG键合晶体，建立了具有高平均输出功率的LD侧面泵浦被动调Q激光器系统.当Cr∶YAG的初始透过率为85%、最大泵浦光功率为187.5 W时，1 064 nm激光的平均输出功率为83.68 W.通过KTP晶体进行倍频，在最大泵浦光功率下，产生了27.2 W 532 nm绿光激光脉冲，同时脉冲宽度和重复频率分别为210 ns和21.2 kHz; 绿光单脉冲能量和峰值功率分别为1.28 mJ和6.1 kW; 泵浦光(808 nm)到倍频光(532 nm)的光-光效率为14.5%.

利用飞秒激光加工热效应小、高精细、对材料无选择性等特点，针对柴油发动机高压共轨系统中关键零件——喷油嘴偶件喷油孔的加工需求，设计了一种利用三光楔扫描的飞秒激光加工装置，并进行了喷油嘴倒锥孔加工工艺研究.采用微孔三座标测量机(测量准确度1.2 μm)对倒锥孔尺寸准确度进行检测，通过喷油嘴高压液体流量试验台(测量准确度±0.1%)对批量制孔后的油嘴进行了流量测试，结果表明: 所设计装置加工的油嘴性能可以满足欧V排放法规的应用要求，对提升汽车制造业水平及柴油车排放标准具有重要意义.

激光陀螺光路稳定性决定着陀螺的性能，而谐振腔内外压差是影响陀螺光路稳定性重要因素之一.为了研究腔内低气压对激光陀螺光路变动及其损耗的影响，采用ANSYS仿真软件对激光陀螺在腔内低气压状态下反射镜的微小形变进行了仿真计算，结果表明: 低气压状态下，反射镜的中心发生最大形变，其中球面镜最大形变量为545 nm,平面镜最大形变量为31 nm，这不仅引起光路偏离光阑中心390 nm，同时引起球面镜曲率变化174 mm.进一步从理论上分析了这种变化对光路变形和谐振腔损耗的影响，结果表明: 上述变化综合引起谐振腔损耗变化2%~3%，其中球面镜曲率半径的变化是引起损耗变化的主要原因，增加球面镜槽深或降低腔内外压差都能有效减小这种光路的变化.通过搭建光路测试系统，进一步验证了计算结果的正确性.

为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点，基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型，在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构; 讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈，通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法，并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3 cm的扩展光源在距离30 m、直径10 m的照明区域内的照度分布，发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上，证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性，对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义.

提出了一种基于非均匀透镜阵列的对数极坐标传感器，通过建立数学模型，证明其具有非均匀采样与对数极坐标映射特性.通过仿真实验以及实例设计验证了模型的有效性，同时分析了非均匀透镜阵列的关键参量(盲孔半径r0，增长系数q，填充因子ηf)对系统性能的影响，结果表明: 1)盲孔半径r0在每环透镜数量N相同的情况下，随着环数M的增加而减小; 在M相同的情况下，随着N的增加而增大; 2)填充因子ηf随N的增加而增加，当N≥40，ηf趋于极限值π/4，选取N=40，得到较为合理的环间增长系数q=1.106.所获得的实验结果为实现对数极坐标映射的非均匀透镜阵列设计奠定了理论基础，有利于实现一种新型对数极坐标图像传感器.

受限于微透镜的数值孔径和像差问题，目前移动视差式立体显示屏存在多视场空间、视场区之间存在视场跳变、主视场空间角度小、显示效果模糊等问题.本文基于离散采样思想，分析了移动视差型三维显示系统的工作机理,结合加工工艺，设计了复合曲面反射层的双层微透镜阵列屏.仿真结果表明: 所设计显示屏的视场观看空间角可提升到60°，相对于传统的三维显示屏，双层微结构显示屏可有效提高视场角和显示性能.

根据深空探测任务中对着陆器相机要求宽探测范围的需求，设计了一种对焦结构可见/近红外相机光学系统.系统采用准远心光学结构，由前固定组和后对焦组组成，前固定组属于一个无焦系统，后对焦组放于固定组后，当对远近目标成像时，移动对焦组可在像面上获得清晰成像，并且不同距离的目标对焦过程中，系统的焦距不发生改变.实验测得系统焦距为50 mm，F数为8，谱段范围为400~1 000 nm，能实现探测范围从0.8 m到无穷远目标的清晰成像; 成像质量高，光学传递函数接近衍射极限，畸变优于1%.对光学系统的公差进行了分析，表明该光学系统公差在现有加工水平下均能保证良好的成像性能，具有工程可实现性.研究表明该光学系统可应用于月球、火星、小行星等深空探测中着陆器的中等焦距的立体测绘相机.

柔性铰链与高准确度驱动器的结合是实现光学元件轴向精密调节的重要方法.本文介绍了一种采用柔性铰链的轴向精密调节机构，推导并得出了其实现精密调节的原理.通过对应用柔性调节机构的一种典型光机系统的刚度分析，得到在不超过柔性铰链材料屈服应力情况下，光学元件的最大轴向位移可以达到200 μm以上; 同时，对一种典型参量的柔性结构做了模态分析，得到其一阶固有频率为185.1 Hz，证明了调节机构的固有频率满足工作要求.分析了驱动力在此种轴向调整机构中对镜片面形的影响，结果表明: 调整机构在接近最大允许驱动力作用下对镜片面形影响为4.41 nm，说明其对光学元件的面形影响较小.该研究结果为柔性光学元件轴向调节机构的应用提供了有力依据.

为了评估温度对望远镜的影响，针对某地基光电望远镜，建立了包括光学组件，跟踪架结构以及电控设备等在内的有限元热模型.在传导、对流、辐射以及热流等不同热环境下进行热分析，计算了望远镜光机结构的时间和空间温度分布.根据温度分布进行了热-弹性分析，得出了望远镜结构的热变形.分析表明: 温度变化对望远镜跟踪架以及主光学系统的影响很大，对主次镜造成的相对位移达到毫米级，必须进行严格控制.最后从防护圆顶、跟踪架以及主镜等方面入手给出了热控设计方案.

设计了一种采用长波480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统.该系统利用机械补偿法变倍原理和非球面、衍射面进行像差平衡，工作波长范围为长波7.7～10.3 μm，F数为2.62，变倍比达到15∶1.通过对连续变焦光学系统的传递函数、畸变、衍射元件、变焦曲线等性能的综合分析与评价，结果表明在变焦范围内下各个视场均可获得较好的光学性能，光学系统光路总长480 mm、后截距为28 mm、传递函数大于0.3、畸变小于5%.

利用折射/谐衍射结构设计了超宽温范围内的被动式消热差红外物镜系统.该系统由三片镜子组成，使用锗和硒化锌两种材料，引入一个非球面和一个谐衍射面,实现了消热差、消色差和结构简单轻量化.实验结果表明: 在焦距为54.68 mm，-120～100 ℃温度范围内,系统可以在3.8～4.2 μm和8.8～11.2 μm光谱范围同时工作，且光谱范围的调制传递函数分别优于0.42和0.35，成像质量良好，适用于像元尺寸为30 μm、像元数320×240的红外双色探测器.

基于烧结工艺和丝网印刷技术，研发了一种新的沟槽形冷阴极.底部绝缘层由黑色绝缘浆料被烧结后制成,且在底部绝缘层中存在倾斜面.将银浆丝网印刷在条形电极上，依次经烘烤和烧结工艺后形成银电极.利用细砂纸，对银电极进行适当的抛光工艺，以便获得光滑的电极表面.由于特有的银电极形状，从而易于获得更大的场增强因子.将碳纳米管制备在银电极上，形成场发射极.致密的碳纳米管层完全覆盖银电极表面，特有的边缘场增强效应能够使得碳纳米管发射出更多的电子.顶部绝缘层则用于抑制碳纳米管的横向电子发射.结合沟槽形冷阴极，制作了三极结构的场致发射显示器，该显示器具有良好的场致发射特性及优良的发光图像均匀性.与普通冷阴极场致发射显示器相比，沟槽形冷阴极场致发射显示器能够将开启电场从1.86 V/μm降低到1.78 V/μm，将最大场致发射电流从1 537 μA增加到2 863 μA，且将最大发光图像亮度从1 386 cd/m2提高到1 865 cd/m2.该制作技术在场致发射显示器中具有较强的实际应用性.

设计了一种基于聚合物材料的延迟线阵列与热光开关的集成器件.利用Rsoft软件设计并模拟了多模干涉热光开关的性能，可实现输出光场强度随电极加热温度变化.设计了螺旋结构的延迟线阵列，利用BPM软件对螺旋结构波导进行数值模拟，综合考虑器件尺寸和损耗参量设计出螺旋结构的弯曲半径.将延迟线阵列结构与热光开关进行集成，能够实现热光控制的聚合物延迟线阵列，该器件可实现的最大延迟时间为399.4 ps，延迟间隔为9.2 ps.以SiO2为下包层，SU-8紫外固化光刻胶为波导芯层，聚甲基丙烯酸甲脂为上包层，采用旋涂、光刻、湿法腐蚀等工艺制备了1×4延迟线阵列与MMI热光开关的集成器件，测试得到了延迟线阵列的近红外输出光斑，插入损耗为15~19 dB.

为了提高反光膜的逆反射率，对正入射时微棱镜反光膜的无效光特性进行了研究.利用几何光学原理对单个角锥的无效光出射方式进行了分析，得到了单个角锥无效光的出射特性.在单个角锥的基础上，进一步分析了角锥阵列中无效光的传播特性，发现部分无效光能完成逆反射.分析了无效光在角锥阵列中的反射机理及无效光反射率随角锥阵列底厚变化的规律，利用Tracepro软件进行了仿真验证，得到单一无效区逆反射率变化曲线及小阵列逆反射率变化曲线.仿真结果证明了分析的正确性及底厚对无效光的重要影响，并给出了合理设计角锥棱镜阵列形状及底厚的建议，为提高微棱镜逆反射率、合理设计角锥棱镜底厚提供了理论依据.

根据位敏探测器的理想定位模型及其信号处理方式，建立了位敏探测器位移测量误差的数学模型,以获得高准确度的位移测量.所建模型显示系统的测量误差随光斑强度增大而减小，随电噪音增大而增大.为了验证理论模型的正确性，以单颗红外发光二级管作为靶标光源，用枕型位敏探测器及其测试电路板在暗室中搭建了实验系统，分别在9组不同光斑强度下对21个位置点进行位移测量实验，相邻两位置点的间距为0.3 mm.使用MATLAB的CFTOOL工具对每组测得位移值进行拟合，以均方根误差作为准确度的评价指标，结果表明: 位移实验的准确度值与模型计算的准确度值基本符合，准确度随光斑强度变化的趋势完全一致.

介绍了一种基于聚合物分散液晶材料的连续调焦电控透镜.在聚合物分散液晶盒的上表面电极上刻蚀圆孔，形成一个非对称电极，在液晶盒上下极板之间，诱发一个非均匀电场，从而引起聚合物分散液晶材料的折射率非均匀分布，形成电控变焦透镜.阐述了聚合物分散液晶可调焦透镜的基本原理，分析了透镜孔径对聚合物分散液晶透镜焦距的影响,在直径3 mm和6 mm的圆孔条件下，分别测量了透镜焦距随电压的变化关系.结果表明:电压从50 V加到170 V的过程中，透镜焦距逐渐减短，刻蚀3 mm圆孔的聚合物分散液晶盒焦距从1.361 63 m到0.429 21 m，刻蚀6 mm圆孔的聚合物分散液晶盒焦距从1.769 92 m到0.548 43 m.

通过双探针近场光学扫描显微镜在银纳米线上实现近场激发和近场收集表面等离子体，用一个探针在银纳米线的一端近场激发表面等离子体，另一个探针近场探测银纳米线上的表面等离子体强度分布，得到强度分布图.强度分布图显示表面等离子体在银纳米线的一端被有效激发并且有一部分表面等离子体沿着银纳米线和基底的界面传播到了另一端.用有限元法对银纳米线内的传播模式进行数值模拟，结果显示银纳米线内存在两种表面等离子体传播模式，分别为基模和高阶模.沿着银纳米线和基底介质之间传输的基模表面等离子体由于传输环境稳定，散射损耗小，实际传输长度接近模式传输长度，达10 μm以上;而高阶模表面等离子体由于部分裸露在空气中受表面缺陷散射的影响，散射损耗大，实际传输长度远小于模式传输长度.研究表明: 以能量高度束缚的基模表面等离子体作为载体，不仅可以实现低损耗传输，还可以减小集成器件之间的信号串扰，有效提高信息传输的安全性，在集成光学中具有重要应用.

为满足移相干涉测量中纳米甚至亚纳米高准确度检测要求，需采用对误差敏感度更低的相移算法.基于扩展平均技术，在传统4步和3步算法的基础上分别推导了A类和5~13步相移算法公式，以5、6、7和13步算法为例，通过仿真及数值计算，比较了两类算法对相移器移相误差及CCD非线性误差的抑制特性.结果表明: 同类算法下，步数越多的算法，对这两项误差的抑制效果越好，但达到一定步数后对测量的影响可以忽略; 算法具有增强的移相误差抑制能力，在相移不准情况下可优先选用算法; A类算法对CCD非线性误差几乎完全免疫，而算法受一定CCD非线性误差影响，但对大多数高准确度CCD来说，其在常规检测中的影响可以忽略; 由相移噪音引入的随机性测量误差的极大值要略大于相移噪音本身，且不同算法对相移噪音的抑制效果差别不大，因此相移噪音对测量的影响不可忽略.文中给出了不同误差影响下各算法引入波面检测误差的比较数据，研究结果可为实际干涉测量中最适相移算法的使用和选用提供理论指导及数据参考.

液晶分子具有介电和光学各向异性，在外电场作用下，液晶指向矢将会重新分布，具有高效的光学相位调制能力.本文从实验和理论角度对电控液晶光阀的光学调制特性进行了研究，结果表明: 光阀阈值电压约为4V，且当外加电压高于阈值电压时，液晶光阀的透射强度随外加电压表现出非周期性特性.根据液晶连续体弹性理论，对电场作用下液晶光阀的指向矢分布特性进行数值分析，分析结果表明液晶光阀对透射光强的非周期调制特性取决于液晶体系的偏转状态，为研究液晶的偏振光调制特性提供理论依据及实验基础.

基于精确光强定义下非傍轴标量光束的二阶矩理论，计算了不同束腰及光阑孔径条件下截断非傍轴标量高斯光束的束腰半径、远场发散角以及质量因子等光束传输特性，并将截断非傍轴标量高斯光束与自由高斯光束和平面波圆孔衍射光束进行了比较.数值计算表明截断参量的不同对截断高斯光束的传输特性影响很大.当R>2ω0时，截断高斯光束与高斯光束在自由空间传输特性趋于一致，因此在精确光强定义下，对于非傍轴标量光束来说，当光阑孔径大于2倍束腰时，可以不考虑光阑对高斯光束的衍射作用.当R<0.3ω0时，截断高斯光束传输特性趋于平面波通过圆孔的衍射曲线.因此，在这种情况下，可以将高斯光束作为平面波处理.只有当光阑孔径介于0.3倍束腰和2倍束腰之间时，需要同时考虑光阑孔径和高斯束腰对衍射的影响.

相敏光时域反射系统异常灵敏,对环境中声波、空气流动及瞬时高频噪音等干扰源同时敏感,环境干扰与入侵非线性混叠时,实际入侵检测与识别困难,容易频繁误报.本文提出一种基于时间序列奇异谱特征的扰动检测方法,对每个滑动时间窗内空间各点的纵向时间序列信号进行相空间重构,对重构后的相空间状态矩阵进行奇异值分解得到信号能量的奇异谱分布,然后将奇异谱特征向量输入后向传播神经网络进行扰动事件检测.实验结果表明,该方法能够有效排除声波及瞬时高频噪音等干扰信号的影响,在微风等有干扰的环境下,在14 km处正确检测率为90%,误警率低于2%.

基于差分吸收法,研究了一种光纤瓦斯传感系统.采用双波长参考测量法,选取输出波长为1 551 nm的分布式反馈半导体激光器作为参考光源,输出波长为1 653 nm的激光器作为甲烷气体的吸收峰处光源,通过改变甲烷气体吸收峰处激光器的输出波长,使其扫描到甲烷气体的吸收峰,通过比较吸收峰处和没有吸收峰处的光功率,测得甲烷气体浓度的分辨率达到0.038%.实验结果表明该系统的分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强,可用于对煤矿瓦斯气体的检测.

以双镜系统为基础构建了Offner成像光谱仪，并利用光程函数来获得一种Offner成像光谱仪的初始结构.通过光学设计软件Code V对该初始结构进行了仿真与优化，优化后的光谱仪具有高成像质量，其均方根点列图直径明显降低，调制传递函数曲线在子午像与弧矢像上都获得了好的成像效果.该研究免去了过于复杂的像差推导过程，并在宽光谱400～1 300 nm条件下获得了具有高成像质量的Offner光谱仪结构，为光谱仪的搭建提供了理论基础.

柑橘黄龙病的传统诊断方法主要依赖于人眼经验及生化技术，前者凭经验，诊断快，但准确性低; 后者准确性高，但效率低和成本高.本文采用高光谱成像技术，获取5种症状柑橘叶片的高光谱图像，采用基于主成分分析和BP神经网络相结合的方法，对370～988 nm波段范围内的柑橘叶片高光谱图像进行了病状的无损检测. 研究结果表明，柑橘叶片的高光谱图像存在很大冗余，前四个主成分累积方差贡献率达到97.42%. 数据建模分类得表明: BP神经网络的分类准确率达85%以上，经主成分后再利用BP神经网络的分类准确率绝大部分达到90%以上.因此，利用高光谱成像技术进行柑橘黄龙病的早期诊断具有较高的可行性.

基于离轴腔增强光谱检测技术，以可调谐近红外半导体激光器作激光光源，以反射率为99.97%平凹镜组成的光学谐振腔作吸收池，建立了高灵敏度离轴腔增强光谱污染气体检测系统，获得了N2O气体在6 561.39 cm-1的吸收光谱.通过对不同浓度N2O样品气体吸收光谱测量，建立了气体浓度与光谱线强度的关系，讨论了气体压强与光谱线宽、检测灵敏度等问题.研究结果表明，离轴腔增强光谱检测技术的检测极限达到了86 ppm, 是一种设备成本低、操作方便、灵敏度较高、稳定性良好的吸收光谱技术，可以很好地实现微量气体的快速检测.