为了获得较好的激光性能，研究了直接与间接抽运对自倍频(SFD)激光性能的影响。建立了自倍频激光模型，并与已有的实验结果进行分析比较。利用该模型分析比较了直接与间接抽运下Nd3+YAl3(BO3)4(Nd3+YAB)自倍频激光性能。结果表明，当晶体的Nd3+浓度和长度的乘积低于一个特定值时，直接抽运获得的自倍频激光输出低于间接抽运，这表明直接抽运并不适用于任意浓度和长度的Nd3+晶体。给出了特定实验条件下适用于直接抽运要求的晶体浓度和长度。对其他自倍频晶体和不同的实验条件，采用类似的方法，也可以得到适用于直接抽运要求的晶体浓度和长度。

基于惠更斯菲涅耳衍射原理，以及相干与偏振的统一理论，研究了矢量随机电磁光束经圆环的衍射特性。研究表明在衍射场，随机电磁光束的光强分布、相干度以及偏振度分布都与圆环的拦截比以及光束的起始相干度有关。经衍射后随机电磁光束的光强分布出现奇特的链式分布，且链环存在逐级放大。入射光束起始相干度在x向与y向相等时，衍射光束的相干度和偏振度与入射光束是一样的，在衍射场光束的相干度和偏振度均匀分布。而当入射光束起始相干度在x向与y向不等时，衍射光束的相干度和偏振度与光强一样，在衍射场光轴上存在振荡，对比光强、相干度以及偏振度在衍射场光轴上的分布发现，在衍射场衍射光束光强分布为极大值时，相干度与偏振度反而为极小值。

利用大功率单芯片红色发光二极管（LED）辐射出的光，入射到螺旋相位板，获得LED部分相干涡旋光。通过调节光的传输距离，获得不同相干度的部分相干光，分析并观察相干度对红光LED部分相干涡旋光束的影响。此外，还研究了涡旋光束拓扑荷数对部分相干涡旋光束光强分布的影响。实验结果和理论模拟基本一致。

在传统能量测量的基础上，利用能量探测器、模数(AD)采集卡以及信号分析软件，建立了一套基于虚拟仪器的激光能量集成采集和处理系统。利用傅里叶变换得到了激光与不同探测器相互作用输出能量信号的不同计算方法。针对不同探测器选用不同能量算法，基于虚拟仪器编写了能量信号处理软件 ，并进行了界面设计。在对能量计标定实验基础上，实现了多路激光同步测量和处理，完成了对能量探测器的标定和激光信号的能量测量。实验结果表明，测量系统最大能量误差控制在5%以内，重复性较好，能够满足普通能量探测需求。方法简便可靠，为激光系统能量测量集成化和自动化奠定了基础。

基于严格的四层模型，对镀膜长周期光纤光栅在薄膜厚度增加时出现的模式重组现象进行了详细的研究。研究发现，随着薄膜厚度的增加镀膜长周期光纤光栅出现周期性的模式重组，每次的模式重组都伴随着一对相邻的包层模式进入薄膜层由薄膜导引。但这对包层模式并不是同时进入薄膜层的，每次都是HE模式进入薄膜层后再经过一定的厚度间隔，EH模式才进入薄膜层。在模式重组过程中，交流耦合系数随薄膜厚度的变化出现急剧变化，在HE模式进入薄膜层过程中，交流耦合系数急剧减小，而在EH模式进入薄膜层过程中，交流耦合系数则急剧增加。与两个相邻模式依次进入薄膜层相对应，镀膜长周期光纤光栅的谐振波长在重组过程中出现两次跳变。研究还发现，在模式重组过程中，镀膜长周期光纤光栅的折射率灵敏度与没有重组时相比有明显增加。

通过数值模拟双零色散波长光子晶体光纤(PCF)中超连续谱(SC)的产生，详细分析了在正常和反常色散区抽运时超连续谱的产生机理。模拟了四种不同结构参数的双零色散波长光子晶体光纤中超连续谱的产生，进而分析了两个零色散波长位置及间隔对光谱分布的影响。基于数值模拟，提出了通过优化光子晶体光纤的结构参数设计，实现控制超连续谱的谱宽和能量分布的方法。

采用包层中设计6个大空气孔的光子晶体光纤(PCF)简单模型，通过在纤芯的中心位置引入一个小空气孔，可以降低芯模的有效折射率，从而解决了表面等离子体共振(SPR)传感器的芯模与等离子体模相位匹配难以实现的问题。与此同时，利用损耗谱分析方法研究了光子晶体光纤SPR传感器参数的变化对传感的影响，优化了这些参数并且得到了最佳的光子晶体光纤SPR传感器的结构，同时计算了其灵敏度和分辨率。计算表明，所设计的折射率传感器最大光谱灵敏度为0.075 μm，若光谱仪的分辨率为1%，则折射率传感器的分辨率可以达到1.33×10-4，与现有的传感器分辨率相当，但结构更加简单化。

基于布里渊光时域反射(BOTDR)分布式光纤传感系统通常采用光相干外差检测获得自发布里渊散射信号，弥补了直接检测信号弱的不足。该系统通过微波源调制铌酸锂电光强度调制器来获得具有布里渊频移、信噪比(SNR)最大的1阶光波，然而由于电光强度调制器受到多个因素影响，导致参考光中1阶光波与后向散射光相干后的布里渊信号信噪比较差。因此，提出采用光纤布拉格光栅(FBG)对参考光进行滤波，分析了参考光波长较长1阶光波的信噪比变化，通过实验获得了高信噪比、高稳定性的参考光，并得到了高信噪比的布里渊相干信号,证明了此方案的可行性。

在布里渊光时域分析仪(BOTDA)中，需要检测由脉冲激励光和直流连续探测光的非线性作用产生的受激布里渊散射信号。根据激励光和探测光采用的不同频差，可分为激励光频率高于探测光的增益型和激励光频率低于探测光的衰减型。由于受激布里渊散射作用引起的功率损失影响，增益型BOTDA的传感距离和信噪比(SNR)受到一定限制。对于衰减型布里渊光时域分析，进行了增益型和衰减型传感模式的性能分析比较，并以100 km传感系统为例进行了系统研究。研究结果表明，衰减型BOTDA具有更好的传感距离和检测精度，在同样传感距离下衰减型的最差检测信噪比比增益型高10 dB以上，因此更适合于长距离分布式光纤传感器。

全光波长转换器在全光网络中的应用能够避免波分复用网络的波长信道使用冲突，改善网络传输效率，提高网络的灵活性和容量，目前已成为全光网络研究的热点。半导体光放大器是全光波长转换器的首选器件。基于半导体光放大器四波混频效应的全光波长转换技术在严格透明的全光网络中最有前途，但是它的转换效率低，输出光信噪比较小。用OptiSystem仿真搭建了基于半导体光放大器四波混频效应的40 Gb/s归零差分相移键控码信号的全光波长转换器。为获得更高转换效率、光信噪比以及较低的功率代价，详细讨论了半导体光放大器注入电流、波长失谐、信号光与抽运光功率等参数值之间的关系，得到了该全光波长转换器的最优参数和最佳工作环境。

研究了偏振切换正交相移键控(PS-QPSK)和双偏振正交相移键控(DP-QPSK)信号的产生原理，理论分析了PS-QPSK信号的性能优势。针对偏振切换归零正交相移键控(PS-RZ-QPSK)信号，提出了一种新的调制方案，方案在保持PS-RZ-QPSK信号优势的同时减少了发送端使用的马赫曾德尔调制器(MZM)的数量，大大降低了发射机成本。通过仿真结果分析得出在相同比特率(84 Gb/s)和相同波特率(28 GBd)条件下，PS-RZ-QPSK比双偏振归零正交相移键控(DP-RZ-QPSK)信号具有更好的传输性能，验证了该方案的可行性。

光散射材料的透射率和扩散率是一对矛盾的技术指标。建立了体散射型光扩散板的数值模型，采用米氏散射理论和蒙特卡罗数学方法，对多重光散射传导过程进行仿真模拟和统计分析，系统定量研究了影响透射率和扩散率的主要因素，包括掺杂散射粒子种类(相对折射率)、粒径、浓度等材料结构参数以及板厚、光源波长。得到了同时获得高透射率和高扩散率的光散射材料的技术路径，并给出理论解释。研究结果表明，其首要前题是选择合适相对折射率的掺杂粒子，优选范围为0.91~0.97或1.03~1.09，其次是优选掺杂粒子粒径、浓度及板厚，可进一步精确调整透射率和扩散率，抑制和消除波长色散，满足特定应用领域的需要。研究结果对于开发高效光散射材料具有实践指导意义。

高硅氧发光玻璃是一种极具研究潜力的新型发光材料，制备过程中其分相温度是影响最终光致发光性质的重要因素。在不同分相温度下制备了多孔玻璃，并在相同吸附条件下制备了Eu2+/Dy3+共掺的高硅氧发光玻璃，测试了各多孔玻璃的比表面积参数和相应高硅氧发光玻璃的发射光谱。多孔玻璃比表面积参数测试结果表明，随着分相温度升高，多孔玻璃的比表面积先减小后增大。发射光谱测试结果表明，随着分相温度升高，烧结制备的高硅氧发光玻璃的发射特征峰峰值位置相同，发光强度先减小后增大。其中分相温度为620 ℃的多孔玻璃具有最大的比表面积，所制备的高硅氧发光玻璃具有最大的发光强度。

根据摩擦带传动的蠕变原理可知，V带传递功率与滑动角的大小密切相关。分析了传统滑动角计算公式的不足，并提出了优化滑动角计算公式。介绍了光纤传感器测量位移的原理，搭建了滑动角测量实验台，运用数据采集卡进行了数据采集，实现了瞬态滑动角大小的测量，获得了不同负载下滑动角的变化规律。优化后的滑动角计算公式比传统计算值大，与实验测量值的趋势相符，大小接近。

为了实现极紫外光刻(EUVL)投影物镜光学元件均方根(RMS)0.2~0.3 nm的面形检测精度要求，研究了超高精度光学元件检测方法。采用误差分解控制方法，设计了非球面补偿器检测系统。补偿器由提供透射球面波的前组元件及产生非球面分量的球面元件组成，可通过对补偿器前组的标定及后组元件的参数控制保证系统测量精度。分析了非球面补偿器检测系统的主要误差来源，提出了环境误差及补偿器前组波像差的控制参数，通过误差分类评估了系统检测精度。非球面补偿器的检测RMS达0.245 nm，能够实现超高精度的极紫外光刻非球面元件检测。

高倍率显微物镜具有小视场短焦距的特点，但利用常规测量方法难以准确测定其焦距。采用了一种基于放大率法多次基准传递的方法对高倍率显微物镜的焦距进行准确测定。该方法的原理是采用放大倍率法测试一枚远场共轭设计的低倍率显微物镜，获得该物镜的焦距，然后以此低倍率物镜测试高倍率显微物镜。利用该测试方法对一枚标称焦距为4 mm Nikon金相物镜进行了测试，并分析了测试误差，测试精度为0.0266 mm，相对标准差为0.664%。发现用于基准传递的物镜的选择会影响最终的测试精度，从理论上分析了选取合适基准物镜的标准。

研究了基于法布里珀罗(F-P)腔的干涉光纤瓦斯传感系统。利用微电子机械系统(MEMS)技术在硅片上制作含笼形分子A的聚合物，然后与光纤端面构成F-P腔。 基于笼形分子A的聚合物对瓦斯吸收和敏感的特性，通过分析干涉波长峰值的变化，获得浓度与波长的关系。从理论上分析了传感机理和通过瓦斯传感实验评价传感性能，以瓦斯气体样品验证其有效性。测量并对数据分析处理，解调出包含在干涉信号中的信息。实验结果表明，该传感器具有高的灵敏度和可靠性，并且该传感器具有较快的响应时间。

实际中激光测距回波信号常常含有脉冲性噪声，且具有较低的信噪比，这使得传统的激光测距算法性能衰退，甚至无法使用。提出了一种稳健性时间延迟估计算法用于激光调制信号测距，该算法用Alpha稳定分布建模信号噪声，首先采用分数低阶统计量分数低阶协方差函数抑制脉冲噪声提高信噪比，再利用相关函数求取回波信号与发射信号之间的时间延迟信息，从而得到距离信息。理论分析和计算机仿真实验结果表明，该算法既可以用于回波信号含有高斯噪声的情况，也可以用于含有脉冲性噪声的情况，具有较宽的使用范围和较好的实际应用价值。

对基于彩虹原理的喷雾粒径分布及折射率测量进行了研究，提出了一种新的参数反演算法，用于同时测量喷雾液滴群的粒径分布和折射率。新算法基于正则化的非负最小二乘方法的参数反演，根据彩虹主峰位置、峰谷比值实时调整反演中的折射率和粒径分布范围，以实现在无粒径分布范围等先验信息条件下，粒径分布和折射率的同时测量反演，并有效地解决了解的多值性问题。数值模拟结果表明，当信噪比降至5 dB时，粒径分布的反演结果与假定分布在多数情况下仍相吻合，同时，表明此测量方法具有较好的精度和可靠性。

在光谱仪设计及误差分析理论的基础上，提出了一种基于数值模拟的系统装调误差分析方法。利用光线追迹方法分析了一米太阳塔多波段光谱仪系统中狭缝、光栅、准直镜和成像镜的安装误差对光学系统像质的影响。分析结果表明，狭缝倾斜0.5° μs范围内可以调整准直镜倾斜来校正其引入的彗差；狭缝自旋小于10″使谱线倾斜小于1 pixel；准直镜的离焦小于±10 mm，可以通过调整CCD的位置进行补偿，并给出了光谱仪观测结果。

在神光Ⅲ装置中使用了超过两百个监视CCD相机，需要对每一个监视CCD相机进行严格的测试以保证其具有高可靠性。为提高测试效率与速度，根据应用环境的特点，针对影响监视CCD可靠性的主要影响因子提出了可行的测试方法，并提出了自动测试模型，包括可靠性综合评价函数与自动测试流程。实验室测试结果表明，针对不同影响因子提出的测试方法以及自动测试模型能够有效地对监视CCD相机的可靠性进行综合评测，同时提高了测试速度与效率。

距离选通激光成像雷达能够同时获得目标的主动像和被动像，通过主被动像的数据融合可以获得更为丰富的目标信息，提高目标识别及抗干扰的能力。提出了适合距离选通激光雷达的图像融合方案和改进的基于小波的融合算法，将激光强度像与被动像融合成为复合强度像，在保留被动像丰富信息的基础上，滤除被动像中目标以外的背景，再将复合强度像与主动距离像融合，合成出三维距离像。实验结果表明，该方案能够在保留距离信息的同时，有效地提高距离像的清晰度，丰富图像信息。

离散傅里叶变换是数字信号处理中最核心的数学工具之一。传统基于数字电路的离散傅里叶变换方法受限于电子器件的速度，难以满足高速信号处理要求，尤其制约了太比特每秒超高速光处理技术的发展。基于并行光学向量矩阵乘法器原理的离散傅里叶变换方法，利用光传播的高速和低损耗特点，提出以相位空间光调制器为核心变换矩阵的全光并行离散傅里叶变换方法，并通过实验进行了验证。实验结果显示，所提出的全光并行离散傅里叶变换误差小于0.13，通过进一步的模块集成和性能提升，该方法将在高速光信号处理中有较大的应用潜力。

离散余弦变换(DCT)应用于图像压缩与编码具有实现简单、压缩效率高等优点，但是无法与快速、高效的嵌入式零块编码算法相结合。提出一种新的基于嵌入式零块编码的离散余弦变换系数分布模型，通过系数聚类使离散余弦变换后的图像系数能够具有小波变换后图像系数的分布特点。在编码过程中，对嵌入式零块编码中的四叉树分割框架进行了优化。实验结果表明，新算法不仅降低了嵌入式零块编码的编码复杂度，而且在相同输出码率条件下，峰值信噪比(SNR)高于联合图像专家组(JPEG)图像压缩标准。

提出了一种大规模人脸识别的新方法。将人脸识别运算中耗时最大的基于图像的相关运算由光学联合变换相关器完成，用电学的方法进行功率谱相减，实现1N识别。结合计算机模式识别精度高以及光学模式识别速度快的优点，有效提高了识别的速度和精度。同时建立评价标准，对该方法的识别性能进行评价。计算机仿真结果表明，该方法能消除中央零级衍射，锐化自相关峰，能够实现1N识别；当识别阈值在［0.61,0.62］之间时，错误匹配率和错误不匹配率均为0。

基于航位推算方法定位的车载测绘系统(VBMMS)可以有效地解决使用全球导航卫星系统(GNNS)定位带来的系统失锁问题。但当系统采集空间三维信息时，由于航位推算方法的误差积累，会造成较大的系统定位误差，严重影响最终的测绘精度。针对此问题，提出了利用同步定位及地图创建(SLAM)的算法对系统进行位姿矫正。从激光点云中提取出准确的特征信息是实现系统同步定位及地图创建的前提，结合室内结构化环境的特点，提出一种基于角度阈值的提取直线特征的算法。将算法应用到自主研发的车载移动测图系统中，实现了快速准确的直线特征提取，实验结果证明了该算法的有效性。

光学联合变换相关器因其高速并行光学运算特性在实时图像位移精密测量系统中有广泛的应用前景，然而位移测量亚像素误差是制约其精度的瓶颈。据此提出了一种在图像位移精密测量应用中提取相关峰位置的最优算法，使得系统亚像素误差达到最小，并研究了亚像素误差的补偿方法。通过仿真和实验分析，对比加权质心提取算法、抛物面拟合算法和高斯面拟合算法对亚像素误差的影响，得到最佳的相关峰位置提取算法是权值次数为2的质心提取算法；提出的亚像素定位补偿算法可将亚像素误差由±0.1 pixel减小到±0.04 pixel，大大降低了亚像素误差对位移测量系统的影响，提高了光学联合变换相关器位移的测量精度。

利用全息图获取光场相位信息是数字全息术的重要应用之一，其间通常必须进行降噪处理。在光场相位的空间变化频率较高时，传统降噪算法容易产生条纹断裂和细节丢失，引入剪切干涉原理可显著克服这些问题，但选用何种算法最有效还未做专门的研究。对剪切后的光场分别使用中值滤波和小波降噪两种算法的降噪效果作了比较，给出了相关的理论分析，并完成了模拟计算和实验验证，结果证明小波降噪算法的降噪效果最好。

探讨了离散物波计算全息与数字再现的编解码方法，分析了数字频谱面上零级像、原始像和共轭像的频谱位置特性，提出各像频谱分离的全息变换编解码方案，并实现了在同一幅全息图中记录多组物波数据。仿真实验结果表明，所提出的通过对原始物波数据预处理及编码参数控制来实现数字频谱面上零级像与原始像和共轭像频谱有效分离的方法简单易行，利用该方法所重建的原始像具有良好的再现质量。载频系数作为编码参数之一可以有效控制频谱面上各像频谱的移位位置，不恰当的编码参数将导致无法提取有效频谱，因此还可作为全息变换的加密参数来使用。

受目前电荷耦合器件(CCD)性能的限制，在数字全息技术中通常采用同轴数字全息记录光路来充分利用CCD的采样空间，以提高数字全息的测量性能，然而同轴数字全息存在再现像与直透光场及其共轭像重叠的问题。为实现同轴数字全息的实时高分辨记录测量，在单步相移倒频谱技术的基础上提出了基于双CCD的单曝光倒频谱相移同轴数字全息技术，并给出了该技术中两个CCD镜像重叠位置调节标定的方法和实现两个CCD并行π/2相移的光路结构方案这两个关键技术。实验结果表明基于双CCD的单曝光倒频谱相移同轴数字全息技术有效解决了再现像与直透光场及其共轭像分离的问题，初步实现了同轴数字全息的实时记录和再现。

根据多光束相互干涉理论，计算模拟了手性螺旋结构以及相关影响因素。模拟结果表明相干光束之间的夹角、偏振态、偏振方向以及光束相位差等参数，对于干涉形成的三维螺旋结构均有不同的显著影响。研究结果为螺旋结构的实验制备提供了理论指导，可促进手性超材料的研究及应用。

液晶相控阵的指向精度受到各种因素的影响。简单分析了影响液晶相控阵指向精度的几个关键因素，同时提出了一种指向精度修正算法。该算法利用单个电极内的相位近似斜率代替实际拟合波阵面斜率，通过不断调节电压台阶高度降低近似斜率与理想斜率的差距，从而降低精度误差，提高指向精度。仿真结果显示，在合理选择影响因子参数值来最大限度降低误差因素对指向精度影响的前提下，通过算法优化，归一化精度误差仍能降低95%以上，明显改善指向精度；同时液晶的最大相位延迟会限制相位的实现范围，对算法产生影响，适当调整最大相位延迟可进一步精确相位实现，提升算法的性能。

在光学线性调频连续波(LFMCW)激光雷达中，受半导体激光器本身性能限制，使用线性电信号调制并不能得到理想的线性调频激光输出，导致激光雷达拍频信号(BFS)频谱的畸变，因此需要对调频非线性响应特性进行研究。分析了半导体激光器调频特性，并且推导出激光雷达调频非线性响应公式。采用离散多项式相位变换(DPT)算法对调频非线性系数进行非线性参数估计和补偿，并搭建实验平台进行验证。实验结果表明采用DPT算法能有效估计激光雷达调频非线性系数，提高了激光雷达测距测速精度。

距离选通激光主动成像在动态环境下会产生错位畸变。针对错位畸变，采用Zernike矩不变量作为图像畸变评价参数，在运动成像条件下，计算不同成像帧频下矩不变量的标准差。通过矩不变量的标准差的相对变化，反映出图像的畸变程度。利用Vega仿真平台模拟激光成像雷达，获取距离选通成像的仿真图像。在实验室建立成像装置和车载平台以获取实验图像。仿真与实验结果都表明，成像帧频大于5 Hz时，合成图像无畸变。实验与仿真结果证明Zernike矩不变量可以对动态成像的畸变进行有效的评价。

研究了大气温度、湿度和压强的不确定性对于星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达系统测量大气CO2柱线浓度精度的影响。介绍了测量大气CO2柱线浓度的基本原理和CO2吸收截面计算方法，理论分析并模拟计算了吸收峰(On-line)波段范围不同大气温度、湿度和压强的误差对于大气CO2柱线浓度反演精度的影响。对于给出的优化工作波长，在吸收峰波数为6361.2250 cm-1，吸收谷(Off-line)波数为6360.99 cm-1，温度不确定性为1 K、湿度不确定性为10%以及压强不确定性为0.001的条件下，综合导致的CO2柱线浓度测量误差为0.296×10-6，为高精度反演大气CO2柱线浓度提供了重要参考数据。

红外搜索跟踪系统(IRST)工作时，宽视场(短焦)实现对目标的宽域搜索；窄视场(长焦)实现对目标的定位跟踪。较之于折射变焦系统，四反射变焦系统具有较好的消色差和消热差特性，结构紧凑，可满足机载平台对IRST温度适应性、小型化和轻量化的要求。介绍了一种基于最佳最小二乘法和赛德尔像差理论的变焦四反射镜设计方法。实例设计表明了该设计方法的正确性与可行性。在连续变焦过程中，光学系统调制传递函数接近衍射极限，像质良好。

激光近炸引信中由于半导体激光器发射的激光束具有较大不对称的发散角，会导致光束能量发散和作用距离偏近。通过分析半导体激光器的光场特性，结合半导体激光器的远场发散角特点，采用单级非球面透镜对光束进行准直和整形，并利用非球面光学设计理论和Zemax光学设计软件，设计出了激光定距系统单级非球面发射准直透镜。仿真结果表明，设计出的发射系统单级非球面准直透镜，两个方向的发散角分别被压缩至5 mrad和2 mrad，有效提高了半导体激光器发射光束整形质量，减小了发射光束发散角，并增加了系统作用距离。

等光通量图法中透镜构造的精度应该得到进一步的提高。首先分析了这种透镜构造方法的本质，得到了其与微分方程数值解法中的欧拉法几何意义相同的结论。然后以龙格库塔法为基础，对透镜构造方法做出了改进。在相同的条件下分别用两种方法设计两个发光角为60°的透镜，并在光学设计软件中进行了仿真。光线追迹结果表明，改进后的方法设计的透镜在目标面上形成的照度分布更接近设计预期。该方法实现了对透镜构造精度的提高。

直角全反射式(TIR)棱镜比传统TIR棱镜加工难度低，结构上体积减小50%，重量减小42%，从而降低成本。为了使结构便于加工，应用光学理论对直角TIR棱镜进行优化设计。最后运用光学软件对设计进行模拟，实验结果表明，系统效率从53%降低到48.3%，均匀性从68%上升到91%，证明了设计的直角TIR棱镜的合理性与可行性。