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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

本文提出了一种基于微机电系统(MEMS)技术的光纤法布里-珀罗压力传感器，可用于冲击波等瞬态压力测量。该传感器敏感单元由深反应离子刻蚀(DRIE)后的单晶硅和BF33玻璃晶圆通过阳极键合制成，并通过激光熔接技术实现光纤与敏感单元的无胶化集成。通过搭建信号解调实验平台，对静态和动态压力环境下传感器性能进行测试。实验结果表明，该传感器在0~10 MPa压力范围内具有良好的线性响应，满量程非线性误差为0.41%，迟滞为0.37%，传感器的上升时间为8.5 μs。该传感器具备抗电磁干扰、可批量化制备、一致性高、成本低等优点，理论谐振频率为1.39 MHz，展示了其在爆炸场等恶劣环境下进行动态压力测量的良好应用前景。

量子噪声是影响激光干涉引力波探测的主要噪声之一。为应对量子噪声，进一步提高探测灵敏度，本文应用量子传递函数方法对传统迈克尔逊干涉仪的量子噪声源头归咎进行了重新推导，结果表明，对于辐射压噪声和散粒噪声这两类量子噪声，辐射压噪声可直接归咎于干涉仪暗口处真空涨落的正交振幅涨落，散粒噪声仅在一定条件下可完全归咎于暗口处的正交相位涨落。在明确量子噪声的源头归咎前提下，压缩光技术可提高探测器的灵敏度，但当采取不等臂干涉探测方案时，必须注意两不等臂臂长之间的长度差异关系。最后，本文也提及了如若在空间引力波探测中推广应用压缩光技术时可能需要注意的问题，包括弱光锁相放大技术的影响、不同干涉仪间的联系、数据后处理的影响以及压缩光的产生。

分焦平面偏振相机是一种应用广泛的集成化偏振成像系统，微偏振片阵列的像素间串扰是此类偏振成像系统特有的干扰因素，且串扰光强随入射光偏振特性变化而变化，给目标偏振信息的测量带来了误差。本文回顾了偏振串扰模型的发展历程，将相关研究中涉及到影响串扰的全部因素进行了归纳。以感光芯片参数和光学系统参数为系统关键因素，讨论了相机应用过程中的串扰原因-结果模型以及与时间噪声的关系，分析了串扰导致的各像素检偏参数的变化结果，重点总结了串扰的因素相关性、实验可重复性、误差随机性和参数可标定性，并对串扰模型的未来发展趋势进行了展望。

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。

为提高红外波段膜厚准确控制精度和波长精准定位等问题，本课题基于LabVIEW编程语言，在光学膜厚监控系统的基础上，进行变量耦合的动态监控光学膜厚补偿技术的研究。基于光的干涉以及光学薄膜设计理论，采用光电极值法构建数学模型，重点解决极值点判停误差和滤波除噪等问题，高度还原实时采集的光量值的监控数据，实时同步拟合膜厚监控的透射曲线，计算并拟合膜厚极值点以及任意目标厚度对应的停镀点，实现膜厚有效准确的判停。为了验证光控系统的可靠性和稳定性，通过制备1064 nm窄带滤光膜对系统进行验证，结果表明，制备的1064 nm窄带滤光膜单面峰值透过率为91.5%，通带半宽度为5 nm，经计算，监控系统误差小于0.01%。

有机-无机杂化非铅钙钛矿因其无生物毒性和环境污染性引起了广泛关注，其中MA₃Sb₂I₉兼具稳定0D结构和非铅的特点，具有应用于稳定、高效光电探测领域的潜力。本文利用MACl后处理的方法来改善反溶剂获得的MA₃Sb₂I₉钙钛矿薄膜的质量，促使MACl与钙钛矿薄膜之间出现Cl-Sb键相互作用，钝化了MA₃Sb₂I₉薄膜表面的I⁻空位及晶界缺陷。该处理不仅能够有效改善薄膜的表面形貌和结晶性，而且降低了薄膜表面缺陷态密度，提高了载流子提取和传输效率。基于优化薄膜制备的自供电光电探测器件的灵敏度由3.89 × 10⁷ Jones提升至5.72 × 10⁸ Jones，提升了一个数量级；上升/下降时间也由37/76 ms降低到31/37 ms，器件的响应速度也得到了提升。

有效的假设评估度量在精确的点云配准中起着至关重要的作用，能够在评估过程中识别出正确的假设。然而，目前的度量方法未能合理地对假设进行评估，相关研究仍然较为有限。传统的内点计数度量对参数变化和不同的应用场景较为敏感，而最新的基于点对的度量在低参数下表现不佳，且基于点云的度量计算时间较长。本文提出了一种创新的假设度量方法，将通过三角形投票方法获得的点对置信分数与基于点对的度量相结合。该方法核心观点是：一个好的假设应能将高置信分数的对应点精确对齐，从而产生更高的得分贡献。此外，本文还提出了两种改进现有的基于内点的度量有效性的方法：忽略具有较小变换误差的内点距离，以及抑制由大量低置信度对应点引起的错误高分贡献。在三个数据集上的对比实验表明，所提出的度量方法能够提升所有已知的基于点对的度量，并在默认参数设置下有1%~16.95%不同程度的配准性能提升和1.67%~10.79%的时间节约，在时间消耗、鲁棒性和配准性能之间实现了更好的平衡。特别地，改进的内点计数度量具有更加鲁棒和精确的配准性能。因此，本文所提出的度量能够在RANSAC的假设评估阶段识别出更正确的假设，从而实现精确的点云配准。

旋转式大气色散校正器（Atmospheric Dispersion Corrector，ADC）在大口径天文望远镜的大气色散校正中得到了广泛应用。为得到旋转式ADC最佳优化设计方法、有效补偿色散并抑制由ADC引入的光轴偏移，本文基于传统的旋转式ADC大气色散补偿理论，建立了旋转式ADC光线路径的矢量模型，进而推导了色散补偿及光轴偏移矢量模型。基于该数学模型仿真分析了ADC不同参数对色散补偿效果、棱镜旋转角度及光轴偏移的影响。仿真结果表明：不同材料组合和不同胶合型式的旋转式ADC，在补偿相同的大气色散时，棱镜组对旋角度相差不大，其差值随天顶角的增加而增加；选择折射率在中心波长附近位置相同的材料，可以降低ADC出射光色散残差，提高色散补偿效果。ADC旋转补偿不同天顶角的大气色散时，系统光轴偏移角度随胶合面数量的增加而减小；每增加一个胶合面数量，光轴偏移角度可下降一个数量级。实际应用设计ADC时，可通过控制胶合数量及材料选取的方法有效补偿色散并抑制光轴偏移。

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。

本文利用基于光束传播方法(Beam Propagation Method，BPM)的有限元仿真模型研究了氮化镓(GaN)平面光波导的传输损耗特性，针对传统GaN波导损耗较大的问题提出了工艺优化方案。通过构建完整的传输损耗模型，系统分析了波导几何参数对传输特性的影响，重点研究了顶部刻蚀和背后减薄两种优化工艺的改善效果。研究表明，这两种工艺均可显著降低波导传输损耗：顶部刻蚀工艺可将损耗从2.29 dB/mm降至0.19 dB/mm，背后减薄工艺可降至0.24 dB/mm。此外，本文还量化分析了制造工艺引入的侧壁夹角和表面粗糙度等缺陷对传输损耗的影响，并通过参数优化确定了实现可见光单模传输的关键结构尺寸。研究成果为设计和制备低损耗GaN平面光波导提供了理论依据和工艺指导。

与传统光电位移测量技术相比，基于数字图像处理方法的位移测量技术具有更高的容错性、灵活性，因而成为当前的研究热点之一。为了实现高精度、高可靠性角位移测量，建立了基于曼彻斯特编码的图像式角位移测量系统。首先，以M序列伪随机编码为基础，采用曼彻斯特编码方式设计单码道光栅码盘，并采用数字图像传感器设计了光栅码盘上图案的获取光路。然后，基于所使用的编码图案，提出了译码识别算法。其次，为进一步提升位移测量的分辨力提出了边沿定位算法和编码标线边沿图案拟合的亚像素细分算法。最后，对所提出的方法进行实验验证。实验结果表明：在光栅码盘为100 mm时，实现21-bit的分辨力和1.73"的精度。所做的研究，为高可靠性、高性能光电角位移测量技术的研究奠定基础。

太赫兹分子指纹谱是一种非常有潜力的无标记检测方法，在实际应用往往需要对微量甚至痕量样品检测。然而太赫兹波的波长远远大于待测分子的尺寸，导致波与痕量物质之间的相互作用较为微弱，需要额外结构来增强样品对电磁波的吸收。本文在金属基底上构造了倒置的非对称介质光栅结构，该结构利用导模共振(Guided-mode resonance，GMR)和连续域束缚态(Bound state In Continuum，BIC)显著提升了薄膜样品的太赫兹吸收谱。同时仅需测量反射吸收信号就可以得到薄膜增强吸收谱，而且样品涂覆于倒置的介质光栅平坦的背面，易于制备。当该结构用于0.2 μm厚的α-乳糖薄膜时，吸收谱幅度增强达到236倍。该结构为太赫兹波段痕量分析物的检测提供了一种新的方法。

具有较高信息容量的多功能超表面受到研究者的广泛关注。本文提出了一种基于太赫兹波段的2位可调谐解耦编码超表面，利用狄拉克半金属(DSM)的可调谐特性设计了一种新的多层结构，在超表面结构中引入几何相位和传播相位，可以有效地调控电磁波。当DSM的费米能级为6 mev时，电磁波由DSM贴片控制，在1.3 THz这一频点工作，当费米能级为80 mev时，电磁波由嵌在DSM薄膜上的金贴片控制，在1.4 THz这一频点工作，这两种模式都可以在左旋圆极化(LCP)波和右旋圆极化(RCP)波激励下实现轨道角动量(OAM)模式不同的涡旋波束的独立控制。这项工作为提高信息容量和无线通信中极化复用技术带来巨大潜力。

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。

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。

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。

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。

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。