为了提高压电定位系统（Piezo-positioning system）的控制性能，对迟滞特性产生的影响及其补偿控制方法进行了研究。利用Hammerstein模型表征压电陶瓷定位器的动态迟滞非线性特性，分别以Prandtl-Ishlinskii（P-I）模型和Hankel矩阵系统辨识法求得的模型表示Hammerstein模型的静态非线性部分和动态线性部分。此模型对于200 Hz以内的典型输入频率具有较好的泛化能力。在此基础上，还提出了基于P-I逆模型与积分增广的滑模逆补偿跟踪控制策略。实验结果表明，相较于PID逆补偿控制和无逆补偿的滑模控制，滑模逆补偿控制具有更加理想的阶跃响应，无超调且调节时间仅为6.2 ms，在频域内系统闭环跟踪带宽达到119.9 Hz，且扰动抑制带宽达到86.2 Hz。所提控制策略实现了迟滞非线性的有效补偿，提高了压电定位系统的跟踪精度与抗扰性能。

涡旋光束阵列在自由空间光通信领域有很大的应用价值。本文采用多相位屏模拟大气湍流，研究了径向高斯涡旋光束阵列在大气湍流环境中传输的光场演化过程和轴上闪烁特性，分析了不同初始光束参数对径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数的影响，并将其与单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数进行对比。研究结果表明：在弱湍流区域，rytov指数小于0.5时，单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数一直保持在小于1的数值区域，远小于径向高斯涡旋光束的轴上闪烁指数；而在中等强度湍流区域，径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数小于单束高斯涡旋光束的轴上闪烁指数。此外，还发现径向高斯涡旋光束阵列的轴上闪烁指数会随着轨道角动量值的减小和径向阵列半径的增大而减小。研究结果对于大气湍流环境下的涡旋光通信具有一定的理论意义和应用价值。

快速反射镜的工作环境一般比较恶劣，容易受到振动冲击、温度变化等影响，导致故障。本文针对最为普遍的恒偏差故障，提出了一种基于线性矩阵不等式（linear matrix inequality, LMI）的故障观测器设计方法，旨在提高故障检测的可靠性，增强快速反射镜的稳定性以及抗干扰能力。首先，采用基于汉克尔（Hankel）矩阵的模型辨识方法得到了考虑耦合效应的两轴快速反射镜模型。然后，建立了快速反射镜系统的故障模型，采用基于LMI的方法对快速反射镜的故障观测器进行设计。最后，通过仿真与实验对该方法进行验证。结果表明，当快速反射镜的两轴发生执行器和传感器恒偏差故障时，基于黎卡提（Riccati）方程的故障观测器只能检测出其中一个轴的故障，基于LMI的故障观测器对X轴能在故障发生后0.1 s内检测出故障，对Y轴能在故障发生后0.06 s内检测出故障。上述结果表明本文设计的LMI故障观测器能够更加准确地实现对快速反射镜的故障检测。

本文设计了一种高灵敏度温度和压力传感器。该传感结构利用膜片将压力传递给双铰链杠杆结构，采用光纤布拉格光栅(FBG1)作为应变传感器实现压力的测量。此外，双铰链杠杆的引入有效提升了传感器的压力测量灵敏度。仿真和实验测量结果证实，该传感器在0~18 MPa的测量范围内，灵敏度达到453.16 pm/MPa。同时，将另外一支光纤布拉格光栅(FBG2)粘贴在杠杆上，以消除压力测量过程中的温度交叉敏感问题，从而实现温度和压力的同时测量。在25~65 °C测量范围内，温度灵敏度为10.41 pm/ °C。由于光纤传感器的抗电磁干扰特性，该类传感器可用于苛刻环境中的温度和压力测量。

激光二极管由于载流子泄漏严重，在波导区域发生非辐射复合，进而降低了输出功率和电光转换效率。本文设计了一种新型外延结构，通过在有源区两侧势垒和波导层之间分别插入n-Ga_0.55In_0.45P和p-GaAs_0.6P_0.4材料，调控能带结构，增大了阻挡载流子泄漏的势垒高度，抑制了载流子泄漏。研究结果表明，相较于传统结构器件，泄漏电流密度降低了87.71%。在25 °C注入电流密度为5 A/cm²时，新型外延结构的非辐射复合电流密度降低至37.411 A/cm²，输出功率达12.80 W，电光转换效率达78.24%。此外，在5 °C~65 °C温度变化范围内，中心波长的温漂系数为0.206 nm/°C，阈值电流随温度变化的拟合直线的斜率为0.00113。本文所设计结构为制备高功率半导体激光器提供了理论依据。

为提升低轨卫星与地面站间激光链路的通信质量，商业地面站内望远镜配备的大口径主镜需适应户外环境中恶劣的温度条件。针对某通光口径\begin{document}$\Phi $\end{document}500 mm的高精度主镜组件，提出一种使用室温硫化硅橡胶的中心支撑方案。镜体采用微晶材料，衬套和支撑筒均为钛合金材质。1 mm厚的胶层在卸载镜体自身重力的同时，可有效减小组件内部热应力。胶层的厚度和高度可通过仿真优化确定，特制的粘接工装可准确控制胶层形状和厚度，衬套上的通气孔促进了胶层的充分固化。仿真分析表明：主镜在40 °C温度均匀变化工况下的面形精度RMS值为4.199 nm；光轴竖直重力工况下的RMS值为13.748 nm；光轴水平重力工况下的RMS值为4.187 nm，镜体最大倾角和位移分别为4.722″和3.597 μm，组件基频达到53.45 Hz；实测主镜的面形精度为RMS 0.017λ (λ=632.8 nm)，经大范围高低温循环试验及真空镀膜后，主镜均可保持高精度面形。文中支撑结构可以显著提升高精度反射镜的温度适应能力，在地面大型光电设备中具有广阔的应用前景。

液晶光学相控阵被广泛应用于激光雷达、激光通信以及激光武器，进行激光光束的扫描控制。为了实现液晶相控阵的最优设计和激光光束高精度控制，本文重点研究了工作波长、像素数、像素尺寸及有效灰度数对光束指向精度的影响规律。首先，根据液晶相位调制原理，仿真分析了周期光栅法和变周期光栅法的有效扫描角度和衍射效率；然后，基于驱动电压灰度等分相位调制量，仿真分析了指向误差随工作波长、像素数、像素尺寸以及有效灰度数的变化规律，推导出多变量普适公式；接着，仿真分析了驱动电压灰度非等分相位调制量时的指向精度，并和等分相位调制量的结果进行对比分析；最后，实验验证了有效灰度数、像素数和指向误差的关系，初步证实了经验公式的有效性。本文的研究结果可为液晶相控阵的设计提供理论依据。

红外数据作为信息化数据库的重要组成部分，在夜视侦察、武器制导、远程预警等方面具有广泛应用。红外辐射特性测量系统在环境温度变化时会产生温漂，从而导致目标的红外反演精度受到较大影响。针对该问题，本文提出一种基于环境温度自适应修正的内外联合定标方法。通过自适应插值的方式对环境温度变化的影响进行修正。以高精度面源黑体作为目标进行辐射反演测量试验。实验结果表明：最小误差为6.82%、最大误差为10.21%。同时对水上动态目标开展辐射特性反演实验，得到高置信度的实测目标辐射特性数据。通过黑体以及水上动态目标的测量试验可以得到：本方法可以在海洋气候复杂环境下实现环境温度变化对辐射反演精度的影响修正。验证了所提出的定标算法的有效性，同时可以基于修正参数进行红外系统环境温度敏感性的有效评估测试。

高反光表面复杂的反射性质会使面结构光测量时出现过度曝光和曝光不足的问题。为完整准确地重建被测表面，本文提出一种能根据被测表面反射强度预测曝光时间的多重曝光方法。首先，通过投射一系列不同曝光时间下的均匀灰度图像获得成像系统的相机响应曲线，同时计算得到能反映被测表面反射强度的辐照度图像。然后，通过模糊C均值聚类方法，自适应分割目标不同辐照度区域并获得各区域的中心辐照度，利用相机响应曲线预测不同反射区域的最优曝光时间。最后，结合多重曝光融合算法实现对高反光表面的三维重建。实验结果显示，所提方法能同时重建铝合金表面的强烈反光区域和过暗区域，重建误差小于0.5 mm，最大偏差降低了74.78%，标准偏差降低了48.96%。上述结果表明，所提方法能根据区域反射特性准确预测曝光时间，有效克服区域过曝和区域过暗带来的相位缺失和相位失真问题，完整准确地重建了高反光表面的不同反射区域。

为了满足强激光系统对于合束光栅的宽带、高衍射效率及偏振无关的需求，本文提出了一种具有双层梯形结构的偏振无关合束光栅。首先，基于严格耦合波理论，建立了一种以粒子群优化算法为核心的偏振无关合束光栅设计模型，通过随机生成特征波长实现效率特性寻优。然后，详细分析了单层梯形和双层梯形结构光栅的槽深、占宽比、侧壁倾角等结构参数对光栅衍射效率及带宽的影响。最后，对两种结构光栅的电场增强特性进行分析讨论。结果表明，双层梯形结构偏振无关合束光栅在51 nm（1038~1089 nm）带宽范围内实现99%以上的理论衍射效率，相比传统单层梯形结构具有更大的工艺容差，容差范围内均满足30 nm带宽和98%的高衍射效率，同时具有更低的光栅近场增强，可以拥有更强的抗激光损伤能力。本文提出的宽带高衍射效率双层梯形结构光栅可以提高激光系统的输出功率，在激光合束领域具有重大的应用价值。

粒化是柑橘类水果常见的一种内部病害，患有该病害的水果外部特征并不明显，难以从外观上直接识别出来。本文使用微型激光多普勒测振仪（micro-LDV）和共振喇叭搭建了一套声学振动实验装置，将其用于采集“爱媛38号”果冻橙的振动响应信号。然后，将一维的振动响应信号转换为振动多域图像，并构建了一个Resnet-Transformer（ResT）网络，用于提取振动多域图像中的深层特征，以识别果冻橙粒化病。本文中，使用振动多域图像分别训练ResT、Resnet50和Vision Transformer（ViT）模型，并将ResT的性能与Resnet50和ViT进行比较。最后使用振动多域图像纹理特征或振动频谱特征训练偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和支持向量机（SVM）模型，并与ResT模型进行性能对比。结果表明，使用振动多域图像训练的ResT模型可以精准识别果冻橙粒化病并且检测准确率为98.61%，模型的F1为0.986、精确率为0.986、召回率为0.986。由上述结果可知，提出的方法可在简单、快速、低成本的前提下准确识别粒化果冻橙。

为了实现对短距光纤数据通信系统接收端非线性损伤的低复杂度均衡，提出了一种基于全连接神经网络的接收端均衡算法。这是一种引入判决反馈结构的判决反馈神经网络。非线性畸变是由线性工作区与实验系统不匹配的光电探测器引入的，在此基础上实现了基于C波段直接调制激光器的56 Gbit/s PAM4信号的20 km传输验证实验，并对判决反馈神经网络和其他均衡方案的均衡性能进行了对比实验。实验结果表明，相比全连接神经网络，改进方案在传输距离为20 km时灵敏度提升2 dB。改进方案可以很好地均衡光电器件的非线性，且计算复杂度更低，具有很好的应用意义。

为了深入了解大气折射的相关进展，本文从其影响、公式发展以及修正原理等方面进行了介绍。针对大气折射的影响，本文根据研究领域涉及的波段不同，将其划分为应用于光学成像、激光传输和光电跟踪等领域的可见光到红外波段，以及应用于雷达测量和卫星探测等领域的无线电波段。这两个波段在实际处理过程中选取的计算公式是不同的。根据折射率公式的发展历史对折射率公式进行介绍，并指出了各公式的局限性。目前对于前者波段公式的最佳选择是Rüeger学者所总结的公式，而对于后者建议选择ITU-R P.453-13建议书中的无线电折射率公式。最后介绍了获取大气折射率的传统计算方法和光学测量方法。传统计算方法是基于大气模式或气象数据建立的模型，通过公式计算或模型拟合来确定特定区域的折射率。这种方法在单一环境或平均范围内具有一定的准确性。而光学测量方法不需要大气模型作为基础，更不用依赖气象参数，测量结果数据实时性高、更具路径代表性，能弥补一些传统方式的弊端，更符合未来的发展趋势。

目前中波红外变焦系统在大变倍比，长焦距变焦条件下，难以在极短总长的条件下具备较低敏感度。针对这一问题，本文通过合理分配非球面和衍射面，采用独立组元低敏感度设计方法，设计出一套无需折叠光路，总长仅有337 mm的低敏感度中波红外变焦光学系统。通过降低各个组元的像差从而降低系统公差敏感度。该系统具有30倍大变倍比，可实现30～900 mm的长焦距连续变焦。该系统具有变倍比大、长焦距变焦、极短总长以及低敏感度并且全焦距范围内像质良好等优点，在狭小空间目标识别、跟踪、探测等方面，具有较大的应用优势。

电润湿三液体透镜具有优秀的变焦性能，但其结构复杂度和设计难度较大，因此，本文提出了一种基于联合仿真的电润湿三液体透镜结构参数优选方法。在设计某三液体透镜时，利用Comsol和Zemax软件建立了不同结构参数下的三液体透镜仿真模型，得到了其在不同电压下的焦距，分析了高度和锥度对变焦范围和初始焦距的影响，确定了变焦范围最大且初始焦距最长的一组结构参数。为了验证该方法的可靠性，制备了不同高度和锥度的三液体透镜模型，并进行变焦实验。仿真与实验结果表明：三液体透镜的初始焦距与高度和锥度正相关；变焦范围与锥度正相关，但高度为主要影响因素；当高度为12 mm，锥度为20°时，透镜变焦范围最大，初始焦距最长。当锥度小于15°时，仿真与实验结果的吻合度较高。

在非厄密系统中，调节系统的增益或损耗可以使系统状态从PT对称向PT对称破缺转变，转变过程中存在一个特殊的状态转变点，使得系统本征值和本征态同时简并，该点称为奇异点。奇异点结合超构表面产生了许多有趣的光学现象：不对称传输、拓扑相位、非厄密趋肤效应等。然而引入增益的有源超构表面在实验上很难实现，因此利用系统损耗构建虚拟增益的无源超构表面成为非厄密研究的有力武器。本文将从无源非厄密超构表面奇异点的理论模型、研究进展、具体应用和实验设计4个方面进行综述，并对该领域未来的发展方向进行展望。

针对现有镜头畸变参数估计方法存在精度低、易陷入局部最优解的问题，提出了一种基于改进天鹰优化算法的折反射全景相机镜头畸变参数方法。首先，通过融合混沌映射、自适应调节策略和通讯交流策略，增强了天鹰优化算法的寻优能力，解决了其收敛速度慢且容易陷入局部最优解的问题；其次，通过空间中直线对应的畸变边缘和单参数除法模型推导并确定畸变参数分布范围；然后，构建包含畸变参数的优化目标函数；最后，采用改进的天鹰优化算法对优化目标函数寻优求得最佳畸变参数。通过对标准图库图像和全景图像的校正结果进行分析，本文提出的方法估计的主点误差在0.5 pixel以内，径向畸变系数误差在2.5%以内，能够有效估计镜头畸变参数并实现全景图像畸变校正。本文方法提高了视觉导航系统在环境感知任务下的图像质量，在工程应用中具有潜在价值。

拼接弧线电机凭借其高转矩比和低速稳定运行等优点，为大口径天文望远镜观测提供了高性能驱动技术支持。电机运行过程中存在的如参数畸变、谐波等其他内外部干扰，都对提高电机性能提出了挑战。因此，本文提出一种基于新型趋近律的积分滑模控制器，同时结合扩张状态观测器与负载观测器的混合控制策略，旨在优化传统滑模控制并增强系统的抗干扰能力。传统趋近律参数较为繁杂且不能很好地抑制抖振，新型的趋近律简化了参数，有效克服了系统抖振。其次，采用扩张状态观测器对反馈转速进行估计，然后结合q轴电流信息和估计的精确转速数据作为负载转矩观测器输入，进一步提高了负载观测性能，并将负载观测值转换为电流进行前馈补偿，用以提高电机的抗干扰性能。仿真和实验结果表明：所提出的双观测器方法能够精确观测电机的转速和负载，显著增强了电机的抗负载扰动能力；同时，采用新型滑模速度控制器降低了电机转速超调量，并在一定程度上抑制了滑模抖振，为弧线电机在大口径天文望远镜的高精度观测应用提供了理论和实验支持。

长周期光纤光栅因具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，广泛应用于生物医学、电力工业以及航空航天等领域。本文研制了一种基于周期微通道的长周期光纤光栅传感器。首先通过飞秒激光微加工在单模光纤的包层中刻蚀出一系列直线结构，然后通过湿法腐蚀技术对激光改性区域进行选择性腐蚀以获得周期性微通道结构，最后在通道中填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）以改善光谱质量。实验结果表明，该传感器可以进行温度、应力、折射率和弯曲等传感参数测量，具有良好的传感灵敏度。温度灵敏度为−55.19 pm/°C，应变灵敏度为−3.19 pm/με，最大折射率灵敏度为540.28 nm/RIU，弯曲灵敏度为2.65 dB/m⁻¹，且均表现出良好的线性响应。该传感器在精密测量和传感领域有良好的应用前景。

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，使其能够精准的感知微小振动事件，以降低系统误报率。

传统的多线激光三维重建技术中通常采用基于双目极线约束与激光空间方程相结合的方法。这种方法首先利用极线约束来识别多个潜在的匹配点，然后通过多线激光的空间方程来筛选出正确的匹配点，最终利用这些匹配点来实现三维重建的过程。然而由于多线激光线不可避免地会受到噪声的影响，检测的激光中心坐标往往存在一定的误差。这种误差会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的方法来实现多线激光的三维重建。首先通过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。相较于传统的方法，本文提出的算法在匹配度和精度方面表现更优，最终的三维重建的精度可以达到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。

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，目前国内对其的研究较少，泵浦的配置与放大器的性能关系还不够明晰。为此，本文实验测试了二阶泵浦种子光对三阶拉曼光纤放大器的性能影响。本文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，但相比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对三阶拉曼放大器带来显著的性能提升。

为了解决同轴高次非球面的高精度面形检测问题，本文建立了一种基于CGH的同轴高次非球面零位补偿检测设计方法。基于上述方法，可以有效的实现同轴非球面补偿设计中的各衍射级次分离，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，基于本文所述检测设计方法，其理论设计检测残差可以达到0 nm RMS值。同时对于该同轴高次非球面反射镜，文章也完成了实际检测。为了进一步的对检测结果进行分析，针对检测过程中的误差源进行了的误差分析，从而验证本方法的可靠性与精度。

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，测量误差会不可避免的引入光栅刻线误差，降低光栅衍射波前质量。针对工作台位移测量误差，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。本文的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。

为研究典型机场地物材质的偏振特性，提供偏振成像仪器研制所需的理论模型，本文以P-G模型为基础，首先分析了大角度光线入射，阴影遮蔽效应更严重的问题，通过将镜面反射点等效为三维球体的方法，利用球面三角学公式优化了阴影遮蔽函数；根据不同目标存在独特的色散特征，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，综合漫反射、体散射，构建了新的二向偏振分布函数(BPDF)模型。实验阶段，标定线偏振度精度，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。仿真阶段，以均方根误差(RMSE)作为精度指标，将修正BPDF模型、对照模型、实验结果三者对比，分析了探测角、方位角、入射角对偏振特性的影响，4种实验目标在探测角变化时，精度较对照模型分别提升了4.39%、4.00%、4.17%、5.26%，且大探测角下的RMSE也小于0.05，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。最后，仿真了拟合参量对目标偏振特性的影响，结果表明线偏振度与折射率成正比关系，与表面粗糙程度呈反比关系。以上，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。

针对标签分布不平衡的轨道角动量(OAM)识别问题，提出了一种基于全局代价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FISTA算法计算模型的解析表达。在不同强度的大气湍流数据集上进行实验，对比了WELM、k近邻等代表性的方法。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，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，这在高阶的、大尺寸的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的应用。

为了实现大口径稀疏孔径望远镜的有效共相调整，采用了多通道条纹跟踪方法，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，从而实现了检测效率的提高与系统复杂性的降低。在这里，我们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，通过实验揭示了多路径干涉过程的原理，得到了平场校准和非相干数字合成能够将条纹对比度提高到超过0.4，并且动态范围超过工作中心波长（1550 nm）的10倍，实现了比工作中心波长（1550 nm）好的分辨率。三光束干涉的同时实现提高了50%的检测效率，从而有效提高稀疏孔径望远镜的共相效率，满足了8-10米望远镜的观测要求，为观察遥远和暗淡的天体提供了技术基础。

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，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%。

针对航天星载遥感探测系统，由于航天器体积和重量限制，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。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。设计结果表明：该系统主镜口径1000 mm，在500 km轨高下，可见和短波波段空间分辨率优于2 m，中波优于3 m，长波优于6 m，全色优于1 m。且系统全视场达到2.3°，满足20 km幅宽探测。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，实现望远镜与光谱仪的光瞳匹配。此外，本文还提出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，能够实现全谱段高光谱信息同步获取，可广泛应用于星载对地探测成像等领域。

CMOS图像传感器是当今应用最普遍的传感器之一，广泛应用在航空航天，医学成像，工业检测，军事侦察等领域，CMOS图像传感器的激光干扰和损伤也随之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。仿真计算得到的点损伤阈值和实验结果比较吻合。

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，这表明通过控制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。

针对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，纹理细节模糊等问题，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，引入了从对比学习块进行浅层和深层的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。将提出方法与当前前沿融合方法进行了定性和定量的分析比较，实验结果表明，本文方法的8项客观评价指标在TNO、MSRS、RoadSence数据集上均比对照方法有显著提升。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。

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。

成功构建了一套基于热重-可调谐半导体激光吸收光谱技术（TG-TDLAS）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了系统的稳定性和灵敏度。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。分析了三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。

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。

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。可为快速、准确测出液相样品中的稀土元素种类、含量提供新思路。

受探测器材料和技术的限制，大尺寸的探测器需要进行拼接和集成才能有效成像。对于拼接式大靶面探测器，拼接平整度直接决定了能量利用率和图像清晰度。同时，由于拼接探测器的调整范围有限，还需要对基准构建进行约束。针对上述问题，本文提出了一种基于通道光谱色散的新型探测器平整度检测方法。通过测量共面调整的干涉条纹，将调整后的残差控制在300 nm以内，验证了整个技术的可行性，并为下一代大口径天文巡天设备和大型目标探测器的发展提供了重要的技术支持。

为了实现超低频段空间引力波的探测，望远镜和光学平台的集成结构需要具有极高的稳定性和可靠性。然而，望远镜悬臂梁式的设计对集成结构的研制提出了重大挑战，特别是依赖于玻璃-金属异质键合的粘接结构。为了应对这些挑战实现望远镜系统的高可靠性研制，本研究对集成结构粘合层进行了设计、分析和实验研究。研究表明，J-133粘合剂在粘接层厚度为0.30 mm、金属基板的表面粗糙度为Ra 0.8时具有最佳性能。这些发现显著提高了光学系统的可靠性，同时最大限度地降低了潜在风险。

作为观测大气风的先进技术，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。

由于GaN基紫外VCSEL中的空穴注入层p型掺杂效率较低，导致多量子阱中不能实现有效空穴注入，这极大的降低了紫外VCSEL的光电性能。因此本文设计了一种基于AlGaN的UV VCSEL中使用渐变HIL和EBL结构。该结构能够提高空穴注入效率，使空穴注入层中的空穴浓度增加，也能够使电子阻挡层和空穴注入层界面处的空穴势垒高度降低，从而利于空穴注入。我们使用商用软件PICS3D构建了该结构，并对能带结构以及载流子浓度等进行了模拟和理论分析。通过空穴注入层Al组分渐变引入极化掺杂增加空穴浓度从而提高空穴注入效率。在此基础上电子阻挡层渐变消除了空穴注入层和电子阻挡层界面的空穴突变势垒，使价带更平滑。这提高了多量子阱中的受激辐射复合速率，增强了激光功率。因此，渐变的p型层设计可以提升紫外VCSEL的光电性能。

本文首次阐述介绍了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。通过采用新颖的镀膜技术和半导体准直技术，获得了351 mW的275 nm基模深紫外激光输出。目前为止，这个首次基于掺镨氟化钇锂获得275 nm激光的报道。

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，分为主光学系统、短波光学系统和中波光学系统独立设计，根据理论计算得到光学系统的初始结构，再通过光学设计软件对光学参数进一步细化，最后，按照光瞳匹配原则，组合各分系统，并对系统的成像质量作进一步优化设计，通过调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）和畸变等指标的仿真验证了系统设计的合理性。所设计的短波光学系统视场角为±0.107°、焦距2500 mm、入瞳尺寸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750 mm、入瞳尺寸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。

精确计时对国民经济发展、科学技术进步以及国防军事安全等领域至关重要。基于双光子跃迁的光学频率标准因其稳定度高、复现性好和易于小型化等显著优势，有望成为实际可用的小型化光频标。本文简要阐述了双光子跃迁的基本原理，介绍了国内外基于双光子跃迁的铷原子光频标的研究现状和进展，最后分析总结得出未来基于双光子跃迁的铷原子光学频率标准的发展趋势为系统小型化、性能指标提升以及集成应用与工程化。

激光通信是以光波为载体实现信息传输的通信技术，具有高速率、高带宽、小尺寸、抗干扰和保密性好等优势，具备实现空间信息网络高速传输和安全运行的关键能力。本世纪以来，国内外主要研究机构致力于研究激光通信技术在实现组网过程中所需要解决的一系列问题，包括一点对多点同时激光通信、节点内多路信号全光交换与转发、节点动态随遇接入、网络动态拓扑结构设计等关键技术，并开展了众多演示验证实验，部分研究成果已经投入应用。本文在对空间激光通信组网技术进行分析探讨的基础上，概述了国内外的激光通信组网技术的发展现状，重点对卫星星座、卫星中继和航空网络等领域中激光通信组网技术的应用情况和发展现状进行了分析和总结，对国内相关研究技术方案、实验验证情况等进行了综述，最后对激光通信组网技术与应用的发展趋势进行了预测。

太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征，在探测领域被广泛应用，因此设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先，以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构，应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程，给出了系统初始结构参数求解函数和方法，再结合光学设计软件对系统像差进一步校正，最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由四块同轴折射透镜构成，焦距70 mm，F数为1.4，全视场角为8°，在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数（MTF）值均大于0.32，各视场内的弥散斑均方根（RMS）半径均小于艾里斑半径，最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明，本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点，满足设计要求，它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。