随着中长红外高光谱成像技术的突破性进展，军用高光谱成像系统凭借其独特的特征识别能力和隐蔽侦察优势，在现代战场态势感知领域展现出了显著的战略价值，例如实时目标识别、反伪装侦察及全球军事目标动态监控。本研究面向航空探测应用需求，基于320×240像素双色制冷型红外探测器，设计了一种工作于中波红外（3.7~4.8 μm）和长波红外（7.7~9.5 μm）的双波段Offner型光谱成像系统。该系统采用折射与折反射混合光学结构，实现了32 mm、200 mm、800 mm三视场切换式变焦功能。光学系统采用Offner分光结构，有效抑制了系统初级像差；其次，通过引入二次成像中继系统，实现了100%冷光阑匹配，有效降低了冷反射效应。实验测试表明，该系统在各波段及不同焦距状态下均表现出优异的成像性能：在特征频率17 lp/mm处，调制传递函数接近衍射极限，且温度变化对成像质量变化影响不大；光学像质满足指标设计。该光学系统兼具宽光谱响应、大变倍比（25×）和快速视场切换等特点。光谱分辨率达到25 nm，其成像质量与光谱分辨能力满足航空光电侦察的技术需求，在军事侦察、安防监控及环境监测等领域具有重要的应用价值。

车载激光雷达受杂散光干扰会导致信噪比降低和探测效率下降。因此，本文提出了一种基于光谱功率密度函数和总积分散射的表面散射建模方法，拟合了不同材料表面的双向反射分布函数（BRDF）。模型计算结果与实测BRDF数据高度吻合，验证了该方法的有效性。基于此模型，本文系统分析了车载激光雷达长焦接收镜头的杂散光来源及传播路径，包括机盒内壁、镜片边缘、隔圈表面散射等。根据仿真结果，本文提出了多项杂光抑制措施，如采用低散射材料结构件、镜片表面镀增透膜、透镜非工作区涂覆消光油墨等，并且从光学设计、信号处理及工程优化等多维度评估了该激光雷达接收光学系统的杂光抑制水平。实验结果显示，优化后系统杂散辐射水平显著降低：成像视场外的点源透过率（PST）从1e+0降至1e-5，视场内PST从1e+2降至1e-1，杂散光与目标信号对比度控制在10e-4以下。此外，探测回波信号强度提升显著，有效提高了激光雷达的探测性能。本研究为车载激光雷达的杂散光抑制提供了理论模型和实用解决方案，对高灵敏度光学系统的设计与优化具有一定的参考价值。

针对轻量化AR眼镜对搭载摄像头的大视场与高紧凑性的需求，本文提出了结合弯曲像面的设计方法。首先，由高斯光学理论对弯曲像面成像系统进行理论分析，推导各光学系统Petzval像面曲率特性，并通过双系统仿真对比，重点分析弯曲像面的性能优势。然后，采用分段多目标优化策略，设计了一款大视场紧凑性的光学系统。最后，对光学系统进行像质评价和公差分析。该光学系统由5片非球面塑料透镜和一片后置滤光片组成，系统焦距为3.1 mm，视场角可达80°，系统总长仅4.07 mm。设计结果表明：在223 lp/mm处，各视场的调制传递函数均优于0.32，全视场最大RMS光斑半径为2.41 μm，最大畸变为2.5%，相对照度均优于45%。研究成果可为曲面传感器的应用奠定基础，并为大视场紧凑型镜头的设计提供技术参考。

为了模拟真实工作场景下激光对可见光成像系统损伤效应，将滤光片和背照式CMOS探测器共同构成探测器组件作为靶材，探讨两种不同波长的纳秒脉冲激光对探测器组件的损伤效应。首先，通过实验的方式获得532 nm及1064 nm纳秒脉冲激光对CMOS组件的典型损伤效应数据。然后，利用有限元仿真方法建立激光与探测器相互作用的模型，以解决实验中无法实时观测探测器内部的温度与应力变化和分布的问题，在获得损伤效应数据的同时将传统实验难以观察的温度/应力集中现象“可视化”，提供可靠的参考阈值数据。通过仿真及实验研究表明损伤机理为热-力联合损伤，并得了如下的损伤阈值，532 nm波段下各阶段损伤阈值为30.06 mJ/cm²、38.93 mJ/cm²、56.20 mJ/cm²和102.17 mJ/cm²，1064 nm波段下为38.62 mJ/cm²、50.09 mJ/cm²、116.31 mJ/cm²和137.73 mJ/cm²。

在科研项目研发过程中发现经典光学文献上的洛匈棱镜（Rochon Prism）的分束角公式（是针对负晶体）是错误的，为此推导了准确的洛匈棱镜分束角表达式（分布针对负晶体、正晶体），并解决了科研项目中包含洛匈棱镜的光学系统设计错误问题。针对一般洛匈棱镜产品的输出2束光的夹角较小的问题，分析推导了分别由负晶体、正晶体构成洛匈棱镜的分束角表达式，另外对由异种晶体材料构成洛匈棱镜的分束角进行了分析以及推导出表达式。通过用实际数据计算和比较知道，由异种晶体材料构成洛匈棱镜的分束角比由同种晶体材料构成洛匈棱镜的分束角有很大的提高。对于在紫外波段的应用，具体给出一种由异种晶体材料构成洛匈棱镜的较大分束角的设计实例。这种由异种晶体材料构成洛匈棱镜，按照合适的晶体排列顺序，可以在合理的晶体厚度的限制下获得相对较大的分束角度，这显然是有利于偏振仪器设备的结构设计。

本文针对里德堡微波测量领域对1018 nm单频种子源迫切需求，研制了一种线宽为810 Hz、相对强度噪声低于−140 dB/Hz的宽调谐1018 nm单频光纤激光器。该激光器基于分布式布拉格反射（DBR）结构，使用8毫米长的掺镱光纤，激光器配有高稳定的主动温控系统以及压电陶瓷（PZT）快速频率调谐装置。温度控制范围为10 °C至80 °C，在25 °C控温2小时内DBR谐振腔的温度波动仅±0.0005 °C。经实验测试，激光器25 °C温度下保持单纵模输出，线宽为810 Hz，温度调谐范围超过0.9 nm，PZT快速调谐范围高达10 GHz，在调谐过程中不会出现跳模现象。单频激光在1 kHz低频段的相对强度噪声为−150 dB/Hz，当频率大于1.5 MHz时的相对强度噪声低于−140 dB/Hz。该结果表明激光器输出低噪声的同时实现了宽调谐。

折反式空间相机广泛应用于空间探测领域，但温度变化将会导致成像质量下降。针对该问题，本文对折反式空间相机进行了宽温度范围的无热化设计。首先对相关的光学元件、机械结构等部件进行了温度影响分析，并总结消热差的便捷方法。接着以工作在400 nm~1000 nm波段，焦距为525 mm，F数为3.5的空间相机为设计对象，通过选择合适的反射镜基底材料和支撑结构材料，只使用熔融石英一种透镜材料校正像差，从而确保折反式光学系统在空间环境运行的性能稳定性并实现宽温度范围无热化。最终仿真结果表明空间相机经过设计优化后可在−60 °C~150 °C温度范围内奈奎斯特频率77 lp/mm处的调制传递函数值优于0.4。该相机的材料物理性能稳定、成像质量好、高低温环境内成像质量稳定，在空间探测等领域具有广泛的应用前景。

为了解决现有超构表面位移测量技术无法同时测量多个物理量的问题，本文设计了一种超构表面级联结构，可用于同时测量径向角位移和纵向线位移。首先，根据级联超构表面对圆偏振光的联合相位调制阐述了位移测量的工作原理。接着，利用琼斯传输矩阵分析了相位延迟携带的位移信息，推导了角位移与线位移的数学表征。然后，以设计目标作为约束条件优化单元结构参数，构建超构表面模型。最后，采用时域有限差分法对超构表面结构进行模拟，验证方法可行性并分析器件测量性能。结果表明，在633 nm的工作波长下，角位移灵敏度为0.9716，理论分辨率为34.27 μrad，线位移灵敏度为0.0041，理论分辨率为8.12 nm。该方法提高了超构表面位移测量技术的测量自由度，并有望进一步扩展到六维，以此实现对待测目标的完全姿态确定。

在结构光三维测量系统中，相机离焦现象不可避免。在离焦的影响下，物体表面的复杂纹理会引入显著的相位误差，影响测量精度。本文针对该问题，分析并构建了该相位误差的理论模型，指出了其与纹理变化方向的关系，并由此提出了一种基于双向条纹点云匹配的复杂纹理误差校正方法。理论上，通过投影横纵条纹图案获得的双向相位信息应解出完全一致的点云。基于这一原理，本文提出以最小化横纵点云对应点距离为目标，修正每个点对应的相位，最终得到校正后的点云。为了消除标定参数误差导致的点云整体偏移，本文通过点云匹配进行了预校正。对比实验结果表明：对实际物体，相较传统方法，本文方法的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)最高可分别降低33.6%和39.1%。本文方法能够以更高的精度重建具有复杂纹理的物体。

针对现有大口径平面反射镜面形检测中数据处理方法存在通用性较低、检测中数据易受环境影响等问题，本文提出了一种结合光线追迹法获取灵敏度矩阵的数据处理方法，对瑞奇-康芒法检测获得的数据进行处理分析，实现了对大口径平面镜的高精度面形检测。首先，在Zemax软件中建立了瑞奇-康芒光学检测模型，并采用光线追迹算法获得了灵敏度矩阵，使用灵敏度矩阵计算并分离检测过程中存在的误差。其次，对基于灵敏度矩阵的数据处理算法进行了仿真验证。将该算法应用于口径200 mm平面镜的瑞奇-康芒法检测实验，通过与直接采用干涉仪检测结果的交叉对比，结果显示该方法相比直接采用泽尼克拟合去除像差的方法具有更高的检测精度，避免了近似拟合对数据处理结果的影响，验证了该数据处理方法的正确性。进一步将该方法应用于口径为2.2 m平面镜的制造流程中，最终获得的面形结果均方根误差优于1/50\begin{document}$\lambda $\end{document}。该方法为大口径平面镜的瑞奇-康芒检测提供了一种高效可靠的数据处理算法，具有明显的工程应用价值。

SG滤波器采用多项式最小二乘近似来平滑数据并估计导数，被广泛用于处理含噪声数据。然而，SG滤波器在数据边界和高频段的噪声抑制能力有限，导致信噪比（SNR）明显降低。为解决该问题，本文提出了一种将主成分分析法（PCA）与 SG滤波协同集成的新方法。这种方法避免了SG滤波较大窗口尺寸带来的过度平滑问题。所提出的PCA-SG滤波算法被应用于基于光腔衰荡光谱（CRDS）的CO气体传感系统。通过与移动平均滤波（MAF）、小波变换（WT）、卡尔曼滤波（KF）和SG滤波器进行对比，验证了PCA-SG滤波算法的性能。结果表明，与所评估的其他算法相比，该算法表现出更优异的降噪能力。衰荡信号的信噪比从11.8612 dB提升至29.0913 dB，提取的衰荡时间常数的标准差从0.037 µs降低至0.018 µs。这些结果表明，所提出的PCA-SG滤波算法有效提高了衰荡曲线数据的平滑度，证明了其可行性。

由于单块镜难以达到10 m级水平，拼接镜已成为现代天文研究中不可或缺的工具。然而，为了达到单块镜的成像能力，拼接子镜之间必须保持高度共相，piston误差作为影响分段镜成像质量的关键因素，亟需进行高效、精确的检测。针对目前圆孔衍射结合双波长算法易受偏心误差干扰，传统卷积神经网络（CNN）局部感受野难以捕捉大量程误差下全局特征的问题，本文提出了一种融合扩展杨氏干涉原理与Vision Transformer(ViT)的平移误差检测新方法。通过双孔对称布局抑制偏心误差的干扰，结合589nm和600nm的双波长消模糊算法将检测量程扩展至±7.95 μm，并基于ViT的自注意力机制建模干涉条纹的全局特征，相较于CNN依赖局部卷积核的局限性，ViT 显著提高了对干涉图中周期性变化的灵敏度。仿真结果表明，该方法在高斯噪声（SNR≥15 dB）、泊松噪声（λ≥9 photons/pixel）及子镜间隙误差（E_gap≤ 0.2）干扰下能够在[−7.95 μm, 7.95 μm]范围内实现5 nm的检测精度，同时保持95%以上的准确率，相较于互相关算法检测速度有较大提升。本研究为拼接镜误差检测提供了一种高精度、高鲁棒性的创新技术路线，为高精度天文观测提供了理论支持。

近年来，文化遗产保护、医疗等多个领域对物体三维(3D)形貌与颜色纹理同步获取的需求持续攀升。为响应当前技术需求，本文提出了一种三维形貌与颜色纹理同步捕获的新方法，首先构建了相机曝光时间与灰度值关联的线性模型；随后通过曝光时间校准，使投影红绿蓝(RGB)光与单色相机捕获的白光灰度值趋于一致；接着向物体投射三组彩色条纹，以筛选适用于3D重建的最优像素；同时投射三张纯色图像，通过图像合成获得颜色纹理。实验结果表明，该方法能够有效实现三维形貌与颜色纹理的同步获取，且测量速度快，精度高，同时使用黑白相机避免了彩色物体三维重建过程中常见的颜色串扰等问题的干扰。

本研究针对盖革雪崩光电二极管（Geiger-mode avalanche photodiode，GM-APD）激光雷达在动态扫描场景下相邻帧点云重叠率低、易强制配准非匹配点对的问题，提出了一种基于双向匹配机制和多分辨率邻域扩展的改进ICP算法，以提高点云配准精度和鲁棒性。首先，通过基于K-D tree的双向匹配机制提取相邻帧点云的重叠区域，利用重叠区域信息建立初始配准模型，解决了低重叠率场景下配准精度下降的问题。其次，采用多分辨率邻域扩展技术，结合局部曲率相似性加权求解变换矩阵，避免了动态配准中强制对齐非匹配点对的现象。最后，通过级联补偿机制实现全局点云的精确配准。实验结果表明，在2 km和400 m扫描成像中，平均距离误差分别为0.21 m和0.10 m。该方案有效解决了动态扫描场景下的点云配准难题，为三维重构提供了高精度数据支持，具有重要应用价值。

磨料水射流抛光技术作为一种非接触式超精密加工方法，凭借其稳定的材料去除函数、无亚表面损伤特性及强形状适应性，在光学元件加工领域具有重要应用价值。本研究通过计算流体动力学（CFD）数值模拟方法，系统分析了射流压力、喷嘴直径及入射角度对抛光流场压力分布、速度分布及壁面剪切力分布的作用规律。基于Box-Behnken实验设计，构建了响应面回归模型，系统研究了工艺参数对熔石英玻璃的材料去除率（MRR）和表面粗糙度（Ra）的影响机制。实验结果表明：通过增大射流压力和喷嘴直径可显著提高MRR，该规律与流场仿真揭示的剪切应力分布特征一致；但增大射流压力和入射角度会导致Ra增大，不利于表面质量提升。通过遗传算法（GA）多目标优化建立Pareto解集，成功实现了加工效率与表面质量的协同优化，在射流压力2 MPa、喷嘴直径0.3mm和入射角度30°的参数组合下MRR达169.05 μm³/s、Ra低至0.50 nm；实验验证表明，模型预测值与实测值误差仅为4.4%（MRR）和3.8%（Ra），验证了模型的可靠性。本研究建立的参数优化体系为复杂曲面光学元件的超精密抛光提供了理论依据与技术支持。

为实现肿瘤标志物的早期诊断，本文设计了一种适用于流动相样本的单分子免疫检测系统，并对其光学荧光成像平台及图像检测计数算法进行了研究。首先，为满足低浓度、高通量样本的即时检测需求，提出了一种基于流动相的单分子免疫检测方法。其次，结合微流控芯片的规格要求，设计了一套光学荧光成像检测平台，通过滤光和分光元件的合理配置，利用多模块集成实现荧光样本的高分辨率成像。最后，在离焦粒子的图像检测计数算法的基础上，优化了特征匹配方法，以高效处理非焦面荧光粒子信号。实验结果表明，本系统在单分子免疫标志物样本检测中的下限可达到0.001 pg/mL，在0.001～1 pg/mL的理论检测范围内，精度小于10% CVs，可在一小时内完成最多十份样本的检测。本系统满足了单分子免疫检测的稳定性、高灵敏度和高通量检测需求，在癌症早期筛查领域具有重要的应用前景。

利用直拉法成功合成了具有高光学质量的Yb:CaGd_0.33Y_0.625AlO₄ (Yb:CGYA) 激光晶体。引入的Gd³⁺离子有助于保持原始结构，并有效诱导Yb³⁺离子发射光谱的非均匀展宽。Yb:CGYA 晶体的荧光发射峰波长为 1053 nm，对应的半峰全宽为 93 nm。通过使用双折射滤波片实现了从 1017 nm至 1073 nm的可调谐激光输出，这是迄今为止在短腔中报道的最宽调谐范围。这种紧凑型激光器为其在1 μm波段附近的应用提供了巨大优势。

为了解决基于光学游标效应的光纤应变传感器中传统光谱跟踪解调方式测量精度不足、测量范围小的问题，本文提出了一种改进型互相关算法并将其应用于游标型光纤应变传感器信号解调。该算法通过互相关操作从采集的光谱数据中识别出与待测光谱最为相似的光谱，然后通过加权计算得到预测应变值。由于该算法使用了被测量光谱中包含的全部信息，因此可以得到更准确的结果和更大的测量范围，经过实验验证，获得了0.1038\begin{document}$ \mu \varepsilon $\end{document}的低平均绝对误差，并且消除了光谱范围对测量范围的限制。此外，与光谱跟踪技术相比，由于其可以使用低分辨率光谱进行解调，该改进互相关算法还具有提高测量速度的能力，因此该算法进一步提高了基于游标效应的光纤应变传感器解调性能。

超疏水表面作为一种有效的被动防冰方法，可以减少低温环境下金属表面的结冰。然而，由于其通常采用的有机物修饰在恶劣环境下易老化，从而导致防冰性能下降或完全失效等严重问题。本文采用飞秒激光掺杂制备微结构方法在对铝合金表面进行微观形貌和化学成分的同时改变，实现材料表面无有机涂层的超疏水防冰效果。与未加工铝合金和传统氟硅烷改性的铝合金表面相比较，激光掺杂加工后的铝合金表面具有较低的热导率和仿生蚁丘群结构，使得其具有良好的延迟结冰时间（803.3 s）和较低的冰附着力（16 μN）。此外，这种本征超疏水金属表面在防冰性能方面也表现出优异的环境耐久性。这些研究结果证实了我们获得的无有机涂层超疏水样品在防结冰方面的有效性。

光学系统的偏振特性会改变入射光的偏振态，从而对成像质量、探测精度等产生影响。对于望远镜、光刻物镜等光学仪器，偏振特性是决定系统性能的重要因素之一。因此，抑制光学系统偏振特性的不利影响是实现高性能现代光学系统的关键之一。本文总结了光学系统偏振特性影响抑制方法的研究现状，并将已有方法归结为三类：偏振定标、偏振补偿和低偏振优化设计。介绍了上述三种方法的基本原理，并结合应用实例对各种方法进行了分类与讨论。最后，分析了三种方法的联系及其相互之间的协同应用，并对光学系统偏振特性影响抑制方法的未来发展进行了讨论与展望。

为提高测量系统的稳定性及精度，实现航天器超近距离高精度对接，本文提出了一种基于单相机及合作靶标的相对位姿测量系统，用于双星间相对位置及姿态的高精度测量。通过设计追踪星视觉相机及目标星LED合作靶标，在双星距离为50米到0.4米的范围内，实现了高精度的相对位姿测量。首先，通过设计的远近场LED靶标，实现了相机与靶标间的协同工作，保证在50米到0.4米的距离均能清晰成像；其次，根据设计的靶标特性，提出了多尺度质心提取算法，利用斜率一致性约束与间距比筛选，在复杂光照下稳定获取特征目标；最后，结合靶标几何约束的初值估计，实现了目标星相对于追踪星的位姿解算，为进一步提高测量精度，引入非线性优化方法对位姿结果进行迭代优化，有效降低了测量误差。试验结果表明，系统测量精度由远及近逐渐提高，在距离为0.4米时，位置测量精度优于1毫米，姿态测量精度优于0.2度，满足超近距离对接任务需求。本方案为空间在轨目标相对位姿测量提供了高精度、高稳定性的技术支撑，具有重要的工程应用价值。

为了有效提高检测灵敏度和实用性，本文提出了一种基于游标效应增敏的Lyot-Sagnac传感结构与Fabry-Pérot干涉仪（FPI）级联的光纤温度传感器。其中，Lyot-Sagnac传感结构是通过90°旋转熔接不同长度保偏光纤（PMF）制作的，FPI是利用空芯光子晶体光纤作为F-P腔制作的。理论分析结果表明，通过90°旋转熔接方法制作的Lyot-Sagnac传感结构输出光谱包络良好，并与FPI级联利用游标效应能够显著提高传感器温度检测灵敏度。实验结果表明，级联传感器分别以Lyot-Sagnac传感结构中不同长度的PMF作为传感部位时，温度检测灵敏度为12.56 nm/°C和 92.77 nm/°C。相比于单独的Lyot-Sagnac干涉结构，本文提出的传感器灵敏度提升了约57倍。此外，在同一测量带宽情况下，PMF₁模式的测量范围是PMF₂模式的9.3倍。因此，相较于传统游标效应光纤温度传感器，本文提出的双响应模式温度传感器不仅具有良好的检测灵敏度，而且利用同一光谱检测设备可有效适配不同检测范围与灵敏度需求的应用场景，为性能可调式光纤温度传感器的研发提供了一种新思路。

超构表面透镜存在离轴像差和材料色散，在成像探测领域无法同时兼顾视场和工作带宽。本文基于单片超构表面构建可见光大视场消色差超透镜。采用二次型相位实现大视场探测，进一步通过粒子群算法(particle swarm optimization, PSO)优化超构表面单元结构传输相位实现连续波段色散调控，因此在满足大视场下拓展工作带宽。对于单片超构表面透镜数值孔径0.351，在0.55 μm~0.65 μm波段内实现了±20°视场角的消色差光场聚焦。在工作波段和视场范围内焦距纵向误差≤3.2 μm(~0.08f₀)，入射角探测偏差≤1.34°。本文提出的可见连续波段大视场消色差单片超构表面透镜有望在轻小型、集成化光学系统成像探测等领域发挥作用。

由于大气背景辐射对多普勒非对称差分（DASH）干涉仪风场探测成像质量产生影响，本文对其进行研究并设计杂散光抑制结构。基于轨道参数和观测几何，分析不同高度下大气背景辐射对系统信噪比（SNR）影响。随后，结合系统参数和信噪比变化规律设计遮光罩，并通过点源透过率（PST）评估抑制效果。结果表明，随着高度降低，大气背景辐射逐渐增强，从而导致信噪比逐渐下降。从PST曲线可知，系统视场内PST保持稳定，遮光罩未影响对目标光线的探测；视场外PST随离轴角增加而降低，在杂散光抑制角1.07°附近降至10⁻⁸以下，所提抑制设计满足系统对大气背景辐射的抑制要求。

为实现穆勒矩阵的高速测量，本文提出一种基于过压驱动的穆勒矩阵高速测量方法。首先，建立基于液晶的穆勒矩阵仿真模型，仿真分析了待测物穆勒矩阵测量的可行性。其次，给出液晶相位延迟器的过压驱动方法，并利用过压驱动技术缩短了偏振态的切换时间。最后，实验测量了空气、偏振片及1/4波片的穆勒矩阵。实验结果表明：6个偏振态的生成频率从71 Hz提升到417 Hz，穆勒矩阵的测量频率从10 Hz提升到60 Hz，提升约6倍；同时，穆勒矩阵测量均方误差（MSE）优于0.0004，消光比优于750∶1，椭偏度低于1.06%。因此，过压驱动方法能够实现穆勒矩阵的高速测量，进一步推动其在动态偏振分析、光学元件在线质检、生物医学成像等实时检测领域的应用。

光电混合的光学卷积神经网络（OCNN）通过结合光子元件的并行线性计算能力和电子元件的非线性处理优势，在分类任务中展现了巨大的潜力。然而，光子元件的制备误差即不精确性和执行后向传播的FPGA中电路噪声显著影响了网络性能。本文搭建了光电混合的OCNN，其中的线性计算由基于马赫-曾德尔干涉仪的光学计算层完成，而池化计算及训练过程在FPGA中完成。本文着重研究了在FPGA上的片上训练方案，分析了噪声对片上训练效果的影响，并提出了增强OCNN抗噪能力的网络优化策略。具体地，通过调整池化方式和尺寸以增强OCNN的抗噪性能，并在池化层后引入Dropout正则化以进一步提升模型的识别准确率。实验结果表明，本文采用的片上训练方案能够有效修正光子元件的不精确性带来的误差，但电路噪声是限制OCNN性能的主要因素。此外，当电路噪声较大时，例如当电路噪声造成的MZI相位误差标准差为0.003，最大池化方式与Dropout正则化的结合可以显著提升OCNN的测试准确率（最高达78%）。本研究为实现OCNN的片上训练提供了重要的参考依据，同时为光电混合架构在高噪声环境下的实际应用探索提供了新的思路。

本文针对油气井、发动机燃油系统和航空液压系统等高温密闭环境下压力监测的技术难题，提出了一种基于温度补偿的金属膜片式光纤压力传感器。该传感器采用金属敏感膜片与蓝宝石晶片构成温度-压力双法珀（Fabry-Perot, FP）干涉腔结构，并结合互相关信号解调算法与温度解耦方法，有效降低温度串扰对压力测试的影响。实验结果表明，该传感器在常温和300 °C的压力测量中最大非线性误差为0.75% FS和0.99% FS。经过温度解耦后压力测量精度可达1.7% FS。该传感器具有良好的静态压力响应、稳定性和可靠性，为某些高温压力监测场景提供了一种有效的解决方案。

作为量子领域的潜在能源供给系统，量子电池不可避免地经历由环境退相干诱导的提取功衰变过程。为了抑制能量耗散，本文提出了一种运动原子电池方案，其中原子所在的耗散腔与结构化环境发生耦合作用。本文通过开放量子系统方法，研究了量子电池最大提取功的动力学特性。我们发现，在非马尔可夫环境中，量子电池提取功的衰减显著减缓。相比于静止状态，当量子电池处于运动状态时，量子电池的存储性能得到了提升。这种能量保存效应在较高运动速度下更加显著。当环境记忆效应与运动控制同时作用时，两者有助于延长量子电池的放电寿命。此外，我们还研究了环境温度、随机噪声以及量子纠缠的影响。这些结论为开放量子电池提供了一种可行方案。

衍射光波导因其轻薄的外形、大视场角和大的眼动范围，成为实现增强现实（Augmented reality, AR）近眼显示技术最有前景的方案之一。目前商业化AR光波导仿真软件大多由国外公司开发，未见到有国产3D可视化的光波导仿真设计软件报道。据我们所知，本文工作为国内首款自主研发的基于光线场追迹的3D可视化光波导设计仿真模块。并应用该仿真模块设计了一款二维出瞳扩展的衍射光波导，展示了从光栅的k域分析、光波导中光栅各个区域的自动布局、光波导优化到光线场追迹仿真的完整设计流程。该仿真模块不仅能够对单个的波导器件进行仿真，还能够对整个近眼显示光学系统进行仿真，包括微显示屏、微型投影光机与人眼模型，实现从微观到宏观尺度仿真，体现了该光波导仿真模块的功能和优势。该光波导仿真设计模块为国内光学工程师提供了一种高效、稳定的光波导设计仿真工具，将助力我国AR光技术产业化的发展。

为了实现动态物体的三维轮廓测量，并克服传统傅里叶解调方法中由于不同载频频谱混叠而导致的测量精度的限制，以及彩色复合条纹投影技术中的颜色耦合问题，本文提出了一种基于快速迭代滤波的三频彩色条纹投影轮廓术。该方法首先通过CCD相机采集一帧彩色图像，其中\begin{document}$R$\end{document}、\begin{document}$G$\end{document}、\begin{document}$B$\end{document}通道分别携带了不同频率的变形条纹图像。然后，通过各分量互减去除干扰背景及噪音得到了频率混合的条纹图，接着利用快速迭代滤波将不同的频率条纹图进行分离和颜色解耦。随后，对由\begin{document}$R$\end{document}、\begin{document}$G$\end{document}、\begin{document}$B$\end{document}通道分离的单频率的条纹图分别进行傅里叶变换，提取包裹相位信息。最后，为了实现精确的相位展开，本文首先采用空域解包裹算法展开低频相位，并基于此依次展开中频和高频相位，从而完成整个相位解包裹过程。仿真和实验结果表明，本文方法的相位展开精度比传统傅里叶方法提高约7倍，且相比其他单帧解调方法，本文方法精度最高，抗噪性能强，为高精度、动态实时三维测量提供了一种有效的技术方案。

为了提升大口径光学元件的加工效率，提出了采用多个加工单元分别同时负载单个工具并共同执行加工任务，以降低加工单元执行时间从而大幅提升加工效率方法。首先，根据光学元件提出一种多机器人协同加工布局，接着，针对三种潜在的可行轨迹进行了模拟加工。然后，在离散仿真基础上，得出了轨迹参数的选取原则，针对离散仿真无法体现轨迹连续性对面形影响这一局限提出并建立了运动模式适配的积分去除函数模型，此模型将轨迹连续性的影响引入模拟加工中，最后提出一种协同加工避障策略并采用最优轨迹进行了协同加工的效率提升验证实验。实验结果表明：将初始面形PV=18.310λ（λ=632.8 nm），RMS为1.788λ的元件收敛至PV=4.873λ，RMS=1.113λ，与此同时其直径120 mm的有效区间内PV=4.661λ，RMS=0.857λ，经加工后收敛至PV=2.465λ，RMS=0.622λ。总执行时间为3.943h,若采用协同加工策略单个加工单元最长执行时间为2.041h，相比单工具效率提升1.93倍。与单机器人加工相比，该方法使得加工效率显著提高，面形精度得到保证，有效缩短了加工周期，在大孔径光学元件制造中具有很强的适用性和潜力，同时也为未来使用更多机器人的协同光学制造提供了轨迹规划策略参考和奠定了基础。

采用热聚法结合室温溶液法制备了Bi₂O₃/Bi₂S₃异质结复合材料，并对其微观形貌、晶体结构和元素组成等进行了表征。结果表明Bi₂O₃/Bi₂S₃异质结复合材料整体呈现为块状形貌且有孔洞存在，表面相对粗糙。基于所制备的Bi₂O₃/Bi₂S₃异质结复合材料，构筑了光电探测器。在无外加偏压条件下，Bi₂O₃/Bi₂S₃探测器暴露在紫外光下的最大光电流（0.32 μA）和响应速度（65.65/80.56 ms）相比Bi₂O₃探测器均得到了明显增强。此外，该器件可将Bi₂O₃的探测波段从紫外拓宽至可见光，并且在可见光波段也具有快速稳定的自驱动探测能力。这主要是由于Bi₂O₃和窄带隙Bi₂S₃半导体成功耦合，形成了II型能带结构的异质结复合材料。值得注意的是，连续开/关蓝光100次的光电探测性能测试结果表明，Bi₂O₃/Bi₂S₃探测器具有良好的循环稳定性。

为测量大气相干长度这一表征大气湍流对自由空间光通信链路性能影响的重要指标，本文提出了一种将扩展目标作为信息源的新策略，即结合波前结构函数法与扩展目标偏移量算法直接对大气相干长度进行估计。现有的差分像运动监测器等方法通常依赖于导星目标，但在水平通信链路中难以设置合适的导星目标，其实际应用效果受到显著限制。因此，将扩展目标作为直接测量的信息源，为大气相干长度测量提供了一种可行的解决方案。本文首先回顾了现有主流算法的原理及研究现状，分析了现有算法对导星目标的依赖性及其在水平链路应用中的局限性。在此基础上，提出一种将改进归一化互相关算法与波前结构函数法相结合的测量方案，用于扩展目标场景估计大气相干长度。与传统测量方法相比，该方法能够在水平链路基于扩展目标条件下有效开展测量，同时显著减少了系统的复杂度和设备成本。为验证所提方法的有效性与测量精度，本文设计开展了仿真与实验研究。结果表明，该方法测得相干长度值与差分像运动监测器法及波前相位方差法高度一致，测量精度误差约为4%。这一结果证明了该方法在大气相干长度评估中的有效性，可为提升自由空间激光通信的可靠性提供有效参考。

为了实现空间目标的广域探测，本文设计并研制了一种宽光谱（400 nm−1000 nm）、大视场（61°）、小F数（1.38）、低畸变的光学系统。该光学系统具备六等星的探测能力，能够实现对空间目标的广域探测。首先，建立空间目标探测辐射特性模型与光学系统参数的映射关系，然后开展相应的光学系统设计理论分析，采用反摄远式结构作为初始的光学系统设计构型。通过优化设计，平衡并校正其大视场与宽光谱带来的严重色差，提高能量集中度的同时兼顾弥散斑圆整度，并通过空间光学仿真进行探测能力验证，其结果表明该光学系统能够满足六等星的空间目标广域探测需求。最后，对该光学系统进行实物探测能力实验验证。实验结果表明，该光学系统具备六等星的空间目标广域探测能力。该光学系统整体设计合理、结构紧凑，能够满足空间目标广域探测的应用需求。

随着生物荧光技术的迅速发展，对信号传输的精度要求也越来越高。滤光膜作为系统分光的核心器件，其光谱特性直接影响系统的传输精度。本文选用Nb₂O₅与SiO₂作为高低折射率材料，利用高斯变迹函数结合Optilayer膜系软件对多通道负滤光膜进行膜系优化设计。采用电感耦合磁控溅射沉积技术，在D263T基板上研制多通道负滤光膜。通过对膜层敏感度反演分析，解决了膜厚控制误差影响光谱偏移及通带透过率降低的问题。研究了工艺参数对膜层粗糙度的影响因素，通过调节ICP功率有效改善膜层表面粗糙度。所研制的多通道负滤光膜45°入射时，中心波长576 nm、639 nm、690 nm反射带半宽度分别为5 nm、6 nm和7 nm，平均反射率约为98%。透射区545~562 nm，597~624 nm，655~675 nm和708~755 nm，平均透射率达到92%。多通道负滤光膜通过耐环境测试与光谱稳定性测试，满足生物荧光系统中多通道负滤光膜的使用要求。

相比传统的单频连续域束缚态（BIC），双带BIC具有更高的自由度和功能性。因此，实现双带BIC的独立调控将进一步增强其优势，最大化其性能。本研究设计了一种在太赫兹（THz）波段实现双带BIC的全介质超表面。通过调节两种不对称结构参数，可以实现对两个对称保护BIC的独立控制。此外，通过改变硅孔形状，验证了该设计对几何形状具有较强的鲁棒性。最后，测试结果表明，两个BIC的优值（FOM）均可达到10⁹。本研究为双频BIC的实现与调谐提供了一种新的方法，并为多模激光器、非线性光学、多通道滤波及光传感等领域的应用提供了更多可能性。

条纹投影技术在三维测量和表面形貌重建中得到广泛应用，其相位质量是决定测量精度的关键因素。然而，输入光强和输出光强之间的非线性效应是导致相位误差的主要来源之一。为了解决这一问题，本文提出了一种新的系统非线性主动校正方法。该方法首先通过对标准平面投影少量的均匀灰度图像，获取输入光强与输出光强的变化规律。然后，将这一规律与系统非线性主动校正结合，建立了基于输入输出光强变化的系统非线性模型。利用遗传算法求解最优编码值，从而通过条纹编码主动校正了投影条纹。校正后的条纹有效减少了非线性效应带来的影响，大幅提升了相位获取的质量。为了验证所提方法的有效性，以三步相移为例进行了计算机仿真。结果表明，标准误差降低了88%，最大误差减少了85.5%。在实际标准平面实验中，校正后标准相位误差由0.0706 rad降至0.0168 rad，最大相位误差由0.4129 rad降至0.0960 rad。在人脸石膏模型实验中，校正后标准相位误差由0.0472 rad降至0.0102 rad，最大相位误差由0.2990 rad降至0.2408 rad。在复杂形貌人脸石膏件的三维重建中，校正后表面质量显著提升，影响相位质量的水波纹效应大幅减小。与现有的大步相移方法相比，本文提出的方法具有高质量的相位获取精度，而且在所需数据量和操作便捷性方面也具有明显优势，显示出广泛的应用前景。

针对高功率轴快流CO₂激光器射频放电阻抗匹配问题，本文设计了低反射率、高动态匹配范围的阻抗匹配网络，实现了射频激励轴快流CO₂激光器在不同放电结构下的射频功率高效利用。基于射频电路阻抗匹配理论，构建了多电极等效电路模型，提出向匹配网络中引入可调高压陶瓷电容的方法，设计了适用于高功率射频激励轴快流CO₂激光器的动态L型匹配网络。模拟的动态L型匹配网络可实现向16根放电管注入60 kW射频功率，在总负载阻抗12.81 Ω~49.94 Ω的范围内实现反射率小于1%；并搭建了单管射频放电实验装置，实验测得动态L型匹配网络在4 kW注入功率下反射率小于1%，与仿真结果相符。证明了引入可调高压陶瓷电容的动态L型匹配网络能够实现高动态范围内的阻抗匹配，基本满足高功率射频激励轴快流CO₂激光器匹配电路设计要求。

腔衰荡光谱仪器（CRDS）中腔镜微缺陷会导致测量精度下降。本文建立了基于Bobbert Vlieger BRDF 理论的腔镜微缺陷散射模型，分析了微缺陷在不同光源波长、入射角度、缺陷量级、缺陷类型、缺陷密度、基底膜层的散射光特性。腔镜微缺陷散射模型研究表明：微米至亚微米（100 μm~0.1 μm）量级缺陷会降低衰荡吸收精度；针对该量级微缺陷的检测，构建了腔镜微缺陷散射和微缺陷暗场检测的分析模型。CRDS腔镜微缺陷散射光模型的建立与分析，是实现腔镜微缺陷高精度检测和CRDS测量精度恢复的关键技术。