严格耦合波分析(RCWA)法在测量二维周期光栅的关键尺寸(CD)和获得其剖面结构中有着较为广泛的应用。在这个应用过程中需要对二维光栅周期单元的相对介电常数分布表达式进行傅里叶级数展开，而在以往的研究中只提出了几种规则光栅的傅里叶系数求解公式，从而使得能够应用RCWA方法进行衍射分析的光栅在形状方面受到了一定的限制。针对这一局限，运用矩形网格细分的方法得到了计算二维周期光栅的相对介电常数傅里叶系数的通用公式，它能够对任意形状的二维周期光栅相对介电常数分布进行傅里叶级数展开，并运用于衍射问题的RCWA方法分析之中。

采用耦合模微扰理论推导了旋转磁光布拉格光纤光栅（MFBG）的耦合模方程，利用打靶法数值分析了旋转导致的折射率变化对光栅光谱旁峰的影响，得到了与文献一致的结果。提出“磁圆相关损耗”的概念，并用于分析旋转磁光光纤光栅的磁场敏感性。研究表明，高速旋转（或各向同性）MFBG的磁圆相关损耗特性具有最佳的磁场敏感性；而适当低速旋转的MFBG可获得更高的磁圆相关损耗峰值，有助于提高光栅磁场敏感性的测量精度。与“偏振相关损耗”方法相比，“磁圆相关损耗”方法对线双折射的依赖性更小，理论分析也更简便。

一次写入长周期光纤光栅提高了写制的效率，解决了多次写入不重合的问题，具有重要的研究价值。经大量的实验研究发现，在适当的应力和能量辐射情况下，纤芯和包层发生有效折射率周期性调制和适当的物理形变，利用高频CO2激光器可以在普通单模光纤上一次成功写入长周期光纤光栅。实验结果表明，一次写入的长周期光纤光栅比多次写入的光栅透射谱特性好。

提出一种针对光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器的解调系统设计。基于直接数字合成器（DDS)原理，利用现场可编程门阵列（FPGA）构成可调法布里珀罗(F-P)滤波器的驱动电压，电压峰峰值可达10 V。提出利用FPGA控制多个模/数（A/D）转换器来流水线式读取数据构成采集模块，实现四通道检测。为增加解调的实时性，实现实时校准功能，摒弃常用的参考光纤，引入梳状滤波器。对FBG进行定标，并在30 ℃～100 ℃间对所设计的解调系统进行检测，利用电子温度计与光谱仪同时检测，比较两组数据来对设计的解调系统进行性能评估。平均温度误差为0.19129 ℃，最小温度差值为0.045 ℃，分辨率1 pm。

报道了短腔单频分布布拉格反射（DBR）Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤激光器中弛豫振荡噪声的抑制结果。基于光电反馈法，该噪声抑制电路将激光器1.15 MHz处弛豫振荡峰值幅度抑制26 dB至-121 dB/Hz；抑制后整个频带内相对强度噪声均低于-120 dB/Hz。实验结果表明，此噪声抑制回路对单频光纤激光器的其他光学性能无影响。

强度调制大气激光通信要求远场强度分布均匀平坦，而光强均匀度将会由于其空间相干性的退化而有所提高。实验研究了一种D形多模光纤的输出光场强度分布特性，比较了激光经圆柱形多模光纤和不经过光纤的输出光场强度分布，证明了采用D形多模光纤作为模式混合器，输出的光束具有相干度低和均匀性好的特性。

在基于偏振编码的BB84协议的量子密钥分发(QKD)系统中，偏振控制系统是关键的一个环节。为了能够高效快速地恢复并稳定因光纤链路抖动以及环境温度变化等因素而受损的偏振态，分析了电动偏振控制器（EPC）的性能，引入了旋转矩阵作为偏振控制器的Müller矩阵，提出了规避盲区的策略，设计了非理想情况下的实时偏振控制算法。该算法在局部控制过程中只使用两个控制自由度即可完成期望输出的偏振态，极大地提高了控制速度。仿真结果验证了算法的可行性。

针对非本征法布里珀罗干涉型（EFPI）光纤传感器外毛细管热胀冷缩引起的温度敏感问题，提出了通过在毛细管内部反射光纤表面镀温度补偿膜（实验中使用铜膜）来降低温度影响的方法，并推导了相关的数学模型，进行了实验研究。实验结果证明了该温度补偿方法的有效性和可控性。实验中，铜膜的轴向长度和补偿系数表现出了良好的线性关系，1 mm轴向长度的铜膜温度补偿系数达到了0.49 nm/℃。

以Kogelnik 耦合波理论为基础，从理论上分析了反射体全息光栅衍射效率的影响因素，提出了采用多光栅重叠衍射拓展体全息光栅角带宽的方法。针对衍射均匀性的要求，分析了多重光栅重叠衍射的物理过程，给出了相邻光栅拼接时的布拉格角偏移量，得到了多重光栅衍射角带宽随光栅重数和折射率调制度的变化关系。理论计算结果表明，多重光栅衍射角带宽与多重光栅数量和光栅折射率调制度均呈现出线性增加的关系。在合适的折射率调制度下，通过增加光栅数量可显著增加衍射角带宽。

提出一种用于顺电相晶体Kerr系数和透射率的数字全息测量方法。该方法是数字记录晶体在不同电压时的全息图，再现数字全息图，得到晶体的复振幅信息，即振幅和相位分布。由晶体的振幅分布获得晶体的透射率；由相位分布得到不同电压差时的折射率变化量，从而计算得到晶体的电光系数。对顺电相Mn0.25%KLTN晶体进行了测量，记录了不同入射光模式以及不同电压时的数字全息图，得到了晶体透射率T和电光系数R11、R12。研究结果表明，该方法可用于顺电相晶体电光系数和透射率的测量，并且对晶体形状，照明光斑大小没有要求。

在传统的基于表面积的图像分形维数计算中，不同尺度下的表面积计算均在原图像中进行。这与图像细节随空间尺度的变化而变化的事实不符，据此计算的同类地物的分数维变化范围较大，对基于分形的图像分割、分类产生不利影响。针对这一问题，提出一种基于面积加权的快速插值算法来模拟不同尺度下的遥感图像，进而计算图像的分数维。实验结果表明，对于大小为512 pixel×512 pixel的标准Lena图像来说，新算法的插值速度提高10倍以上，且得到的分数维具有更小的类内方差以及更好的抗噪性，因而更适用于基于分形的遥感图像分割、分类。

以小波变换和分数傅里叶变换为基本理论依据，介绍了一种基于小波变换的分数阶傅里叶变换多图加密技术，丰富了多图加密的方法。该方法充分利用了小波变换的多分辨率分解的特性，结合分数傅里叶变换，不仅有效完成了多图加密，而且实现了各图像独立的处理，加密后，每个图像都会有自己独立的密钥。分析了小波变换类型和变换级次对加、解密效果的影响，并对算法的应用做了分析和说明。数值模拟验证了该方法的可行性，表明该算法较好地解决了多图加密系统容量不足的问题，不仅增大了密钥空间，提高了安全性，还提高了算法应用的多样性和灵活性。最后，提出了一种可行实现装置来实现该方案。

为了在弱光条件下由光场的强度分布求得其相位分布，利用分数阶傅里叶变换与光学系统之间的关系，基于Gerchberg-Saxton算法研究了Zernike相差的恢复问题，并进行了数值模拟。通过研究分数阶傅里叶变换与菲涅耳衍射之间的关系，改进了Lohmann光学系统；基于小波理论初步分析了菲涅耳近场与远场输出面对高频和低频成分恢复效果的影响。数值模拟结果表明该算法有良好的收敛性和恢复精度，均方根误差(RMSE)值均保持在0.15λ(λ为光波长)以下，且位于菲涅耳衍射近场的输出面对相位的高频部分恢复效果较好，位于远场的输出面对低频部分恢复效果较好。

提出一种红外图像与可见光的图像融合方法。硬件光学成像系统采用共轴光路，使用拉普拉斯金字塔变换方法对采集到的红外图像与可见光图像进行融合，并使用融合后图像与红外图像相结合在YUV通道中进行信息融合伪彩色化。实验结果表明，所提出的红外图像与可见光图像的融合方法能够显著增强图像信息，突出图像中的特定目标，且对于各种外界环境条件都能得到较好的融合结果。

粘接结构由于其结构简单、紧凑，应力分布均匀，温度适应性好等优点在光学仪器中应用广泛。对反射镜背部嵌套粘接金属衬套的支撑结构做了详细研究，选择弹性模量较低的粘接剂作为粘接结构用胶；从力学性能角度分析胶层厚度和粘接面积，从热学角度分析胶层的消热粘接厚度。对粘接结构对反射镜位置精度的影响进行分析，包括反射镜的偏心量和光轴方向的移动量。

为了测量离轴非球面镜的曲率半径、圆锥系数等参数，提出了一种使用激光跟踪仪快速测量二次非球面的方法。重点介绍了使用激光跟踪仪得到空间三维坐标后的数据处理方法。实验中对一离轴非球面反射镜进行了测量，通过非线性最小二乘拟合得到了其曲率半径及圆锥系数，拟合结果均方根误差（RMSE）约为1.6 μm，确定系数约为0.999999954，所得曲率半径及圆锥系数与已有测量方法相差很小。理论分析以及实验结果表明，该方法简单通用，易于实施，数据处理过程快速可靠，适用于二次非球面镜曲率半径等参数的测量。

为了实现复杂产品结构质量的准确快速检测，对于产品表面有多种结构体及空间尺寸的待检区域，采用变步长采样机制快速获取待测产品的周向方位图像序列，实现在有限方位下利用不完全数据对多个待识别区域的快速检测。首先采用垂直投影法确定各待检区域的旋转步长，为保证标准库中信息的完整性选一最小步长作为合格品的采样步长。其次采用尺度不变特征变换(SIFT)算法与折半查找法确定随机摆放的待检产品在标准库中的最优位置信息。最后通过相关度计算判别各区域有无缺陷。实验表明在保证检测准确率的前提下，采用变步长机制比固定步长检测平均可节省4.14 s。

报道了一种采用非对称布拉格反射波导结构的边发射半导体激光器，激光器n型波导采用分布布拉格反射镜，光场通过光子带隙效应限制在低折射率中心腔内，这可有效扩展光模式尺寸并保持稳定的模式特性。激光器p面则利用全反射原理进行光限制，减小了光场与p型区的交叠，从而使器件电阻和内部损耗降低。制备的3 μm条宽、未镀膜及未封装的器件在室温条件下，连续和脉冲工作总输出功率分别可超过160 mW和400 mW，最高功率受热扰动限制。激光器激射波长为995 nm，阈值电流特征温度为121 K。计算和测量的垂直方向远场光斑证明了器件工作于光子晶体缺陷模式。

为提高铸铁材料表面磨损性能，采用JMG-GY-300D脉冲激光器在两种介质(空气和水)中对QT500球墨铸铁表面进行冲击强化处理。对强化区的微观组织、显微硬度和摩擦磨损性能进行了测试与分析。激光冲击强化后，强化区显微组织含有大量的孪晶和滑移，强化区显微硬度明显提高。在M200摩擦磨损试验机上进行干摩擦磨损性能测试。结果表明，磨损的主要机制为粘着型磨损，在水介质下进行激光冲击改性的试样耐磨性能较好。

利用飞秒激光器具有超短脉冲和超高峰值功率的特性，对非金属可降解血管支架的切割加工进行了研究，实验证明利用飞秒激光切割非金属支架可以达到无热损伤的精密加工的目的。通过正交实验得到加工非金属血管支架各参数之间的关系，求出最佳加工参数：激光脉冲频率10 kHz，脉冲宽度412 fs，激光功率1.6 W，辅助Ar气压0.8 MPa，切割速度1.2 mm/s，达到对非金属材料聚乳酸切线精细平直、切边光滑，表面无碳化、无残渣残留的加工效果，加工出了相应的非金属支架样品。

提出了一种新型激光谐振腔，即“非稳腔稳腔耦合谐振腔”，其中心部分呈现出非稳定谐振腔结构，边缘部分呈现出稳定谐振腔结构。用Fox-Li的方法，模拟计算非稳腔稳腔耦合谐振腔的基横模。优化出腔长1.2 m的密封CO2激光器的谐振腔参数。数值分析结果表明，与稳定谐振腔相比较，其基横模的输出功率可提高约2倍，而聚焦中心光斑输出功率可增加约1.5倍。最后设计了另一种用具有球差的球面透镜与球面反射镜实现的非稳腔稳腔耦合谐振腔。

提出了采用基于非线性光纤环形镜(NOLM)的全光2R(再放大、再整形)再生器对星间差分相移键控(DPSK)信号进行放大、整形的方案。理论推导了再生器的工作原理，给出了对信号进行放大、整形的约束条件；仿真研究了再生器的输入输出功率特性和相位特性，分析了耦合器耦合系数对功率特性的影响。结果表明，全光2R再生器对基于自差探测的DPSK系统性能具有显著的改善作用，系统误码率较未使用再生器时降低接近两个量级。

采用光纤激光以振镜扫描的方式对四方扁平封装（QFP）器件进行了焊接实验研究，得到了激光钎焊参数配合SnAg3.0Cu0.5钎料的焊点抗拉强度的变化规律。基于振镜扫描的激光钎焊（11 W, 20 mm/s或8 W, 10 mm/s）不仅能够获得力学性能优良的无铅焊点，而且焊接速度大大提高。通过比较连续光纤激光钎焊、脉冲光纤激光钎焊和红外再流焊SnAg3.0Cu0.5钎料焊点的抗拉强度，表明连续光纤激光钎焊能明显地提高焊点的力学性能。同时对比研究了两种钎料SnAg3.0Cu0.5和Sn63Pb37在连续光纤激光焊的抗拉强度，表明SnAg3.0Cu0.5焊点的力学性能更加突出。焊点的拉伸断面显微形貌显示为塑性断裂，焊缝金相组织细密，界面过度平缓，生成了金属间化合物Cu6Sn5。

针对圆柱圆周表面激光淬火时出现的问题，提出了考虑激光淬火过程中已淬火区域残留温度场对淬火区域温度场形成产生的影响的圆柱圆周表面激光淬火温度场算法。在此算法中，假设激光光束为均匀能量分布，通过对基于半无限体移动面热源的瞬态温度场算法的改进，实现对圆柱圆周表面激光淬火瞬态温度场的计算。通过对不同直径的圆柱圆周表面激光淬火温度场进行计算，从而对温度场耦合对圆柱圆周表面激光淬火温度场形成所产生的影响进行分析。结果说明，圆柱直径的大小影响着温度场耦合的程度，进而影响着激光淬火温度场的形成。

为了满足深海探测的需求，设计了大相对孔径、水下专用的变焦光学系统。对水下变焦系统的特点和设计方法进行了研究。采用机械式变焦方式，设计了像面尺寸为8.8 mm×6.6 mm，变倍比为2×的变焦光学系统。变焦过程中光学系统相对孔径保持不变，相对孔径为1/1.4，短焦端的全视场为66°，长焦端的全视场为36°，有效焦距范围5.9～11.8 mm。变焦系统使用一片高阶非球面，系统总长为245 mm。水密窗口采用圆顶壳式水窗，抗静压能力强。在短焦、中焦和长焦位置，空间频率42 lp/mm 处的轴上视场和1.0视场的光学传递函数值均大于0.6，另外系统各变焦位置的最大畸变均小于5%。变焦系统结构紧凑，成像质量良好，可以满足实际应用的需要。

三十米望远镜(TMT)是一台Ritchey-Chrétien(R-C)式的30 m口径光学红外望远镜，其三镜为椭圆形平面镜，口径为3.594 m×2.568 m，重量达到1.8 t，三镜系统需要把来自次镜的光折转到望远镜两侧耐氏平台上的一系列科学仪器上，具有跟踪和快速定向功能。三镜支撑系统必须保证镜面面形优于λ/5(波长λ=632.5 nm)或者均方根(RMS)斜度小于1 μrad。支撑系统包括底支撑系统和侧支撑系统，底支撑系统采用18点Whiffletree结构，通过优化分析，面形RMS值达到118.5 nm。针对三镜在支撑结构作用下的面形不能满足设计要求的特点，提出了采用力矩进行校正的方法，使镜面面形满足了设计要求。

通过设计基于LED光源的自由曲面透镜实现均匀圆形光斑的实例，提出一种快速建立光学器件模型的方法。该方法根据几何光学和非成像光学理论建立透镜的数学方程，由Matlab实现透镜面型数据的数值计算，由TracePro编程完成透镜建模，以动态数据交换（DDE）协议为基础建立Matlab与TracePro间的会话，可在TracePro中自动创建透镜实体模型。仿真结果表明，光通量为100 lm，光源尺寸1 mm×1 mm，视角120°的LED朗伯型光源在5 m远处的目标面上形成半径为3 m的圆形光斑，光斑照度均匀性可达0.7，透镜效率为87%。与传统实现透镜实体模型的设计方法对比，本方法可以简化设计过程，节省设计时间，进一步证明其准确性和可靠性。

通过优化氮氧化硅薄膜的制备，获得均匀平整、掺锗浓度高的氮氧化硅薄膜。在优化光波导耦合器设计、载氢、紫外曝光等过程的基础上，利用 KrF 准分子激光，在掺锗氮氧化硅平面光波导中制备出了单模条形波导以及波导型耦合器和分束器。紫外光照射后重掺锗（锗掺杂原子数分数约为20%）平面光波导芯区的折射率最大增加约1.03倍，形成的条形波导传输损耗为0.28~0.32 dB/cm。实验表明紫外光曝光强度与掺锗氮氧化硅玻璃折射率的改变量是非线性的，折射率的变化可调整载氢压强和时间、紫外照射的光强度、材料掺锗浓度等参数来控制。

以平行排列液晶盒作为液晶空间光调制器的模型，求解Erickson-Leslie方程，得到相位调制量为2π时的响应时间公式。通过理论计算，作出不同电压下盒厚与响应时间的关系曲线，确定了最佳盒厚的存在，并且表明最佳盒厚与响应时间随驱动电压的增加而减小，且变化量逐渐减小；电压由5 V增至10 V时，响应时间的变化量达到最大，缩短了10.62%。实验测得三个不同厚度液晶盒的响应时间随电压的变化曲线，结果表明，驱动电压增加，响应时间缩短，在5 V增至10 V的过程中响应时间变化量与理论值接近，且电压增至15 V甚至更高电压时，响应时间基本不会再变化。此外，同一电压下，相对最佳盒厚相同厚度变化量，厚盒的响应优于薄盒。

研究了高增益砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射能量。从砷化镓光导开关中电流丝的非平衡载流子复合出发, 导出了电流丝的自发辐射能量公式，建立了电流丝自发辐射的理论模型。在电流丝达到稳定状态的条件下，计算了电流丝一端的辐射波长为875 nm和四个峰值波长的自发辐射能量，其中峰值波长890 nm的最大光输出能量与实验观察结果吻合，合理解释了电流丝的自发辐射现象，对应用这个模型计算其他辐射波长的光输出能量给予了支持，为进一步深入定量分析电流丝辐射的光致电离效应奠定了基础。