针对标签分布不平衡的涡旋光束轨道角动量(OAM)识别问题，提出了一种基于全局代价的合成少数类过采样技术（SMOTE）的深度极限学习机(DELM)的衍生模型。与典型的机器学习方法不同，本文所提方法能够获得映射模型解析表达，避免了反复的参数优化过程，使模型适用于工程应用。在数据生成阶段，利用协方差的逆矩阵去除量纲的影响，有效度量了同一类样本的差异性。在模型选择阶段，考虑了光信号在大气湍流中的传输特性，采用DELM表征光斑样本和标签之间的映射关系，并用快速迭代收缩阈值FISTA算法计算模型的解析表达式。在不同强度的大气湍流数据集上进行实验，对比了WELM、k近邻等代表性方法性能。实验结果表明，在不同的湍流强度下，所提方法均方根误差达到0.2049和0.0894，各项评价指标均优于对比方法。证明了所提方法能够充分挖掘了OAM光斑集合的特征，具有更好的识别效果。

本文提出一种针对涡旋光轨道角动量的拓扑荷差值检测技术。通过两束拓扑荷不同的涡旋光得到周期性的差值法强度分布图，读取其中一个周期的光斑个数，即可快速准确地计算出待测涡旋光的轨道角动量。相比干涉法和衍射法等需要接收完整涡旋光的传统检测方法，拓扑荷差值法只需接收小部分涡旋光即可进行测量，这在高阶、大尺寸涡旋光测量方面有非常大的优势，在涡旋光的远距离自由空间光通信方面具有潜在应用。

扫描干涉场曝光技术(SBIL)是制作单体大面积高精度光栅的有效途径，采用双频激光干涉仪反馈工作台位置进行干涉条纹的精确拼接，会不可避免地引入光栅刻线误差，导致光栅衍射波前质量降低。针对工作台的位移测量误差，分析了激光干涉仪自身结构因素引起的本征误差，提出了复杂环境下激光干涉仪本征误差的指标评价方法。建立了实际工况与经验公式相结合的死程误差和测量光程变化误差理论模型。通过构建平移和旋转算子，推导了工作台任意点旋转和平移之间的耦合关系，模拟了不同工作台姿态滚转角下的测量误差。进行了位移误差实验和光栅扫描曝光实验。实验结果表明，位移误差与理论计算结果一致，制作200 mm×200 mm光栅的衍射波前为0.278λ@632.8 nm。本文分析方法贯通了光栅衍射波前与测量误差的传递链路，为制作米级尺寸纳米精度全息光栅奠定了理论和实验基础。

为了解决同轴高次非球面的高精度面形检测问题，本文提出了一种基于CGH的同轴高次非球面零位补偿检测设计方法。利用所提方法，可以实现同轴非球面补偿设计中各衍射级次的有效分离，可实现对于待测镜面的零位补偿设计。结合工程实例，本文对一口径为260 mm的同轴高次非球面反射镜实现了零位补偿检测设计。从CGH设计结果可以看出，基于本文检测设计方法，其理论设计检测残差（RMS值）可以达到0 nm。此外，还完成了对于该同轴高次非球面反射镜的实际检测。针对检测过程中的误差源进行了误差分析，以验证本方法的可靠性与精度。

在相移轮廓术中，非标准相移轮廓术结合时域相位展开算法仅需较少的条纹图案就可进行测量，因而具备较高的测量效率。鉴于条纹频率对测量精度有显著影响，本文分析了非标准相移轮廓术的时域相位展开中的相位误差，并进一步评估其可靠性。研究发现，相位展开的可靠性与条纹频率分配密切相关。据此，本文引入了一种最优条纹频率分配策略。基于该策略，本文对非标准相移轮廓术的不同频率组合进行了对比实验。实验结果显示，相比于3f_h1+2f_h2+2f_h3外差法的非最优频率组合，本文提出的频率组合的平均错误率降低了62.96%；相比于2f_h+2f_m+3f_l分层法的非最优频率组合，本文提出的频率组合的平均错误率降低了49.23%。

CMOS图像传感器是当今应用最广泛的传感器之一，已应用在航空航天，医学成像，工业检测，军事侦察等领域。然而，CMOS图像传感器的激光干扰和损伤随之也成为国内外相关领域的研究热点。为了研究脉冲激光对背照式CMOS图像传感器的影响，本文选用Sony IMX178背照式CMOS图像传感器作为靶材，基于热传导方程，利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对比计算了不同参数单脉冲激光辐照下CMOS图像传感器的温度分布。计算结果表明，传感器在532 nm (1 ns)、1064 nm (1 ns)、532 nm (30 ps)、1064 nm (30 ps)单脉冲激光作用下的点损伤阈值分别为61.12 mJ/cm²、75.76 mJ/cm²、31.83 mJ/cm²、37.43 mJ/cm²。同步开展了背照式CMOS图像传感器的激光辐照效应实验研究。结果表明：相比于1064 nm脉冲激光，532 nm脉冲激光作用下的图像传感器损伤阈值更低；相比于纳秒脉冲激光，皮秒脉冲激光有更高的峰值功率，更容易造成点损伤。本文仿真计算得到的点损伤阈值和实验结果比较吻合。

三阶拉曼光纤放大器因其较高的增益与较低的噪声指数被用于长距离无中继光传输中。三阶拉曼放大器作为拉曼放大的前沿技术，目前国内的研究较少，对于泵浦的配置与放大器的性能关系还不够明晰。为此，本文通过实验测试了二阶泵浦种子光对三阶拉曼光纤放大器性能的影响。首先用功率耦合方程定性分析了不使用二阶泵浦种子光的可行性，之后实验验证了在缺少二阶泵浦种子光的条件下，三阶拉曼光纤放大器仍能实现对信号光的增益，但较有二阶泵浦种子光时效率会降低。本文搭建了47波200 km的波分复用传输系统进行实验验证。结果表明：在没有二阶泵浦种子光的情况下三阶拉曼光纤放大器也可以实现对信号光的增益，但引入二阶泵浦种子光能显著提升性能，仅25 mW的二阶泵浦种子光就能使信号得到最少3.7 dB，平均6 dB的功率提升以及平均0.8 dB的光信噪比提升。省去二阶泵浦种子光能降低成本，但引入二阶泵浦种子光能显著提升三阶拉曼放大器的性能。

传统的多线激光三维重建技术由于多线激光线不可避免地会受到噪声的影响，导致检测的激光中心坐标存在一定误差，这将导致直接使用基于极线约束找到的匹配点进行三维重建时无法获得高精度的三维数据。为了解决上述问题，本文提出了一种基于几何估计方法来实现多线激光的三维重建。首先，标定出多线激光的二次曲面方程，结合双目极线约束的方法可以计算出多线激光的初始匹配点。在找到正确的初始匹配点之后，利用图像点与双视图极线的关系约束来建立一个几何距离最小化的估计模型。通过这个几何距离最小化的优化估计，可以重新计算出更加符合极线约束的新匹配点，从而提高激光图像点的匹配精度，最后根据这些新的匹配点来完成多线激光的三维重建。实验结果显示：相较于传统方法，本文提出的算法在匹配度和精度方面表现更优，最终的三维重建精度可以达到0.02 mm左右。通过这种方法可以显著提高双目多线激光重建的整体精度，从而获得更加精确和可靠的三维数据。

相位敏感型光时域反射系统（Φ-OTDR）的灵敏度受激光器的相位噪声、掺铒光纤放大器的自发辐射噪声、光电探测器的散粒噪声及热噪声等系统固有噪声和环境随机噪声的制约，因此，本文研究光时域反射数据的降噪算法，在不降低系统频率响应范围的条件下提高系统的信噪比。本文提出Savitzky-Golay平滑算法，选择固定长度的滑动窗口，对窗口内的光时域反射数据进行降噪处理，同时保持数据的采样频率，并搭建实验系统进行验证。实验结果显示：采用Savitzky-Golay平滑算法，系统的信噪比相对于原始信号逐差法的信噪比提高了5.41 dB，与常用的累加平均算法、滑动平均算法相比信噪比分别提升3.39 dB和5.05 dB。结果表明：Savitzky-Golay平滑算法可提高Φ-OTDR系统的灵敏度和准确度，使其能够精准地感知微小振动事件，以降低系统误报率。

为了探索二氧化钛（TiO₂）/聚对苯乙烯磺酸钠（PSS）纳米薄膜对Kretschmann型表面等离子体共振传感器的影响，系统地研究了沉积不同厚度TiO₂/ PSS纳米薄膜后传感器的光谱变化，并通过理论模拟分析了光谱变化的内在原因。首先，采用静电层层自组装技术在溅射了金膜的玻璃芯片表面原位沉积了不同层数的TiO₂/PSS薄膜，并实时记录了相应的反射光谱。然后，对原始反射光谱数据进行处理，使光谱曲线更加清晰可见。最后，用MATLAB软件编程对实验结果进行了模拟分析。结果显示，在450~900 nm的波长范围内，随着TiO₂/PSS层数的增加，传感器光谱中先后出现了4种不同类型的反射峰，这4类反射峰分别对应了传感器的表面等离子体共振模式、横磁模的一阶模式、二阶模式和三阶模式。研究结果表明通过控制TiO₂/PSS薄膜的厚度能调制Kretschmann型传感器的感应模式和反射光谱类型。

快速测定液相样品中的稀土元素（REEs）对离子吸附型稀土资源勘探与开发、萃取过程质量控制、稀土资源循环利用以及核工业废水监测等领域具有重要意义。为了降低激光诱导击穿光谱（LIBS）对液体样品中REEs的检出限，本研究采用超疏水阵列辅助电火花增强激光诱导击穿光谱法（SHA-SD-LIBS）测定液相样品中的REEs。选择最佳的实验条件，以La II 394.91 nm、Er 402.051 nm、Ce II 418.66 nm、Nd II 424.738 nm、Gd II 443.063 nm和Pr 492.46 nm作为特征谱线，对6种不同浓度的稀土元素（La、Er、Ce、Nd、Gd、Pr）溶液建立标定曲线进行定量分析。结果表明，各标定曲线拟合系数R²均达到0.99以上，相应的检出限分别为0.007 μg/mL、0.045 μg/mL、0.011 μg/mL、0.019 μg/mL、0.041 μg/mL和0.008 μg/mL。与常规LIBS方法相比，提出的方法可以在制样简单、低成本的前提下显著降低液相样品REEs的检出限。本文研究为快速、准确测出液相样品中的稀土元素种类、含量提供了新思路。

现有红外与可见光图像融合方法难以充分提取和保留源图像细节信息与对比度，导致纹理细节模糊。针对这一问题，本文提出了一种跨域交互注意力和对比学习引导的红外与可见光图像融合方法。首先，设计了双支路跳跃连接的细节增强网络，从红外和可见光图像中分别提取和增强细节信息，并利用跳跃连接避免信息丢失，生成增强后的细节图像。接着，构建了联合双分支编码器和跨域交互注意力模块的图像融合网络，确保特征融合时充分进行特征交互，并通过解码器重建为最终的融合图像。然后，引入了通过对比学习块进行浅层和深层属性和内容的对比学习网络，优化特征表示，进一步提升图像融合网络的性能。最后，为了约束网络训练以保留源图像的固有特征，设计了一种基于对比约束的损失函数，以辅助融合过程对源图像信息的对比保留。将提出方法与前沿融合方法进行了定性和定量的分析比较。在TNO、MSRS、RoadSence数据集上的实验结果表明：本文方法的8项客观评价指标均较对比方法有显著提升。本文方法融合后图像具有丰富的细节纹理、显著的清晰度和对比度，有效提高了道路交通、安防监控等实际应用中的目标识别和环境感知能力。

为构建一套基于热重-可调谐半导体激光吸收光谱（TG-TDLAS）技术的煤热解HCN气体浓度检测系统，并结合波长调制技术进一步提高系统的稳定性和灵敏度，本文利用HCN在波长1531 nm处具有较高吸收强度且受烟气中常见气体干扰较小的特性，通过二次谐波信号处理获取HCN浓度信息。采用高精度的流量控制器，利用99%标准氮气稀释配比得到5×10⁻⁶ mol/mol到20×10⁻⁶ mol/mol的HCN，最后对测量数据进行校准。实验结果表明，HCN的线性相关系数R²为0.9978。基于该实验装置，深入探讨了不同煤种、升温速率和煤粒径大小对热解的影响，以及煤样失重率与HCN浓度释放量的关系。分析了3种不同煤化程度煤种的挥发分中HCN的释放特性和非等温热解动力学。通过划分热解温度阶段，建立了热解动力学模型，并计算不同煤种在不同升温速率下的活化能和频率因子。结果表明，HCN释放量与煤种煤化程度及含氮量密切相关，煤化程度越低，含氮量越高，其HCN释放量越多。在固定的热解终温下，升温速率的增加会导致HCN释放量的增多。随着煤样粒径的减小，热解反应释放HCN的时间会相对滞后，且HCN浓度有所减少。不同热解阶段HCN浓度释放量与煤样失重率之间存在不同的对应关系，热解反应越剧烈，HCN浓度释放量与煤样失重率的比重越大。本研究为进一步评估煤热解反应过程中HCN的毒性提供了重要的实验基础。

为研究典型机场地物材质的偏振特性，并为偏振成像仪器研制提供所需的理论模型，本文以P-G模型为基础，构建新的二向偏振分布函数(BPDF)模型。本文分析了当大角度光线入射时阴影遮蔽效应更严重的问题，创新性地提出将镜面反射点等效为三维球体的解决方案，并利用球面三角学公式对阴影遮蔽函数进行优化。同时，考虑到不同目标具有独特的色散特征，本研究引入色散模型代替受波长影响的传统二向反射分布函数(BRDF)参量，综合考虑漫反射、体散射，构建了新的BPDR模型。通过多角度BRDF实验，与基于动态TS算法的模型参量拟合，得到典型机场地物材质的线偏振度与模型六参量拟合结果。经过多组测试取均值，得到拟合参量中均方根粗糙度参量的测试值，验证了修正BPDF模型的有效性。在仿真分析阶段，以均方根误差(RMSE)作为精度评价指标，将修正BPDF模型、对照模型、实验结果三者进行对比，系统分析了探测角、方位角、入射角对偏振特性的影响。结果显示：4种实验目标在探测角变化时，修正模型的精度较对照模型分别提升了4.39%、4.00%、4.17%、5.26%，且在大探测角下的RMSE仍小于0.05，充分证明修正后模型可用于机场地物目标等粗糙材质的偏振特性研究。此外，通过仿真分析拟合参量对目标偏振特性的影响，发现线偏振度与折射率呈正比关系，而与表面粗糙程度呈反比关系。实验和仿真证明了修正BPDF模型的准确性，为机场地物目标的偏振特性研究提供了思路。

为了实现高精度、高可靠性的动态场景模拟，设计了一套短波中波多波段折反射式共口径光学系统。该系统结合了反射、折射和共口径光路的优势，该系统分为主光学系统、短波光学系统和中波光学系统，3个系统分别独立设计。通过理论计算得到光学系统的初始结构，再利用光学设计软件对光学参数作进一步细化，最后，按照光瞳匹配原则将各分系统组合在一起，并对系统的成像质量作进一步优化设计。利用调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）和畸变等定量评价指标，仿真验证了系统设计的合理性。结果显示：所设计的短波光学系统视场角为±0.107°、焦距为2500 mm、入瞳尺寸为300 mm，MTF达到衍射极限，畸变小于0.3%；中波光学系统的视场角为±0.65°、焦距为750 mm、入瞳尺寸为300 mm，MTF接近衍射极限，畸变小于1%。该系统成像质量好、体积小、实用性强，在光电跟瞄和空间探测等领域具有较大应用潜力。

受航天器体积和重量限制，航天星载遥感探测系统难以兼顾大口径、高分辨率以及高光谱信息同步获取的需求。针对这一问题，本文提出一种新型的高光谱成像系统，采用主次镜共用、多通道分离同轴五反光路设计，结合Offner凸面光栅光谱仪分光技术，实现从可见到长波红外的高光谱探测。该系统主镜口径为1000 mm，在500 km轨高下，可见和短波、中波、长波、全色波段空间分辨率分别优于2 m、3 m、6 m和1 m。且系统全视场可达到2.3°，满足20 km幅宽的探测要求。为提高系统的像差与畸变校正能力，设计中引入高阶非球面，形成像方远心光路，实现了望远镜与光谱仪的光瞳匹配。此外，本文还将光谱仪模块整体放入冷箱制冷，从源头上抑制光机结构背景辐射对成像质量的影响。最终设计结果表明，该系统成像质量优良、布局简单且体积轻便，而且能够实现全谱段高光谱信息的同步获取，可广泛应用于星载对地探测成像等领域。

本文创新性地采用蓝光半导体泵浦掺镨氟化钇锂晶体产生550 nm激光，并通过高效倍频技术，获得275 nm连续紫外激光输出。采用全新的快轴准直的蓝光半导体激光器作为泵浦源，结合折叠腔和新颖的镀膜技术，并采用布切的BBO晶体进行腔内倍频，获得了351 mW的275 nm基模深紫外激光输出。目前为止，这是首次基于掺镨氟化钇锂获得275 nm激光的报道。

作为观测大气风的先进设备，星载多普勒非对称空间外差（DASH）干涉仪也面临着与相位畸变相关的挑战，特别是在临边探测场景中。本文讨论了星载DASH干涉仪的干涉图建模和相位畸变校正技术。对临边观测中有与无多普勒频移的相位畸变干涉图进行了建模，并通过数值模拟验证了解析表达式的有效性。仿真结果表明，在使用洋葱皮反演算法处理相位失真干涉图时，误差会逐层传播。相比之下，相位畸变校正算法可以实现有效的校正。该相位校正方法可成功应用于星载DASH干涉仪干涉图中的相位畸变校正，为提高其测量精度提供了可行的解决方案。

本文提出了一种具有电场调控层的新型改进型单行载流子光探测器（MUTC-PD）。该光探测器中，崖层后新增的p型掺杂电场调控层能够优化收集层中的电场强度，从而使光生电子在收集层中以峰值漂移速度输运，同时能够增强耗尽吸收层中的电场强度，优化其中光生载流子饱和速度输运特性。此外，器件收集层中光生电子的峰值漂移速度输运特性可以进一步优化其寄生电容特性，从而显著提升光探测器的3 dB响应带宽。经过仿真优化设计，获得了响应度为0.502 A/W，3-dB带宽为68 GHz的MUTC-PD，可应用于100 Gbit/s光接收机。

本文提出采用多通道条纹跟踪方法以实现大口径稀疏孔径望远镜的有效共相调整，该方法允许同时进行多个光路的干涉测量，避免了传统干涉方法中沿镜面边界进行成对测量的需要，从而提高了检测效率并降低了系统复杂性。使用光学波前理论分析了多光束干涉过程的原理和基于光纤直接连接的共相检测模块构造，并对通过多路径干涉获得的系统面型进行了误差分析，探索了干涉方法的潜在应用。最后，通过实验验证实现了原理贯通，通过平场校准和非相干数字合成，实现了优于0.4的干涉条纹对比度，并且动态测量范围优于工作中心波长（1550 nm）的10倍以上，实现了比工作中心波长（1550 nm）更优的分辨率。实现三光束干涉的同时检测效率提高了50%，从而有效提高了稀疏孔径望远镜的共相效率，满足8~10 m望远镜的观测要求，为观察遥远和暗淡的天体提供了技术基础。