为了实现对水下尾流的识别，本研究结合主成分分析（PCA）和不同的机器学习方法，使用激光前向传输信号特性对不同类型尾流进行识别。在处理前向传输的光信号时，首先计算时域和频域特征，再使用主成分分析对原始特征进行降维，最后通过机器学习处理降维后的特征，实现对水槽条件下不同水下推进器尾流的识别。同时，湖上试验也验证了该方法在实际应用中的可行性。结果表明，在水槽条件下，表现最优的机器学习方法为支持向量机（SVM），综合准确率为89.93%。而在湖上试验中，K近邻（KNN）和随机森林（RF）的识别性能更为优秀，综合准确率分别为96.39%和96.25%。随着尾流强度的改变和推进器类型的增加，不同尾流的差异程度逐渐减小，PCA特征边界出现混淆。此外，信号的时域特征和频域特征对不同识别任务的重要性具有显著差异。实验研究和湖上试验结果均说明该方法可以有效实现对不同水下尾流的识别。

随着低轨卫星轨道的快速发展，卫星通信在全球覆盖和高速数据传输中的作用日益凸显，数据传输精度要求不断提高。分光镜作为空间卫星通信光学系统的核心元件，其光谱特性和面形精度直接影响整个通信系统的传输精度。本文依据光学薄膜干涉理论，选取合适的基底和镀膜材料，以带通结构为基础膜系完成45°大入射角1550 nm高反射、1565 nm高透过分光镜的设计，并采用离子辅助电子束蒸发完成薄膜制备。结合镀膜设备实际配置，在传统单波长直接光控基础上，提出一种双波长监控方法，获得各膜层监控误差均小于1%的监控方案。基于双面应力平衡原则选择面形修正材料，通过建立基底矢高和面形修正层厚度的数学关系，精确计算面形修正层厚度，修正分光镜的面形。测试结果表明，在1550 nm处波长透射率为1.71%，1565 nm处波长透射率为98.51%，面形精度RMS达到0.0148 λ，优于λ/60（λ=632.8 nm），满足空间光通信系统应用需求。本文为具有入射角度高面形精度的分光镜膜系设计与制备提供一种有效方案，也对空间光通信光学系统优化具有重要意义。

针对柔性可拉伸微型LED阵列器件在高电流密度下热积累严重，以及传统导热填料易导致有机硅基体固化抑制的难题，本文提出一种基于铂金催化改性的光热分层封装结构，构建了集基底层散热反射、中层蛇形导电互连LED阵列及顶层透光功能于一体的4×4柔性可拉伸LED阵列。基底层采用AlN颗粒作为导热填料，并引入铂金催化剂作为固化补偿剂，实现了填充量20 wt%、粒径60 μm的AlN在Ecoflex 00-30基体中均匀分散与完全固化。实验表明，AlN/Ecoflex 00-30复合基底材料具备良好的热学与力学性能，其热导率达0.222 W/(m·K)，较纯Ecoflex 00-30提升了35.4%，且在300%的拉伸应变下仍保持结构完整。通过将高柔韧性的基底层与高拉伸度蛇形导电互连结构结合，有效释放了机械形变过程中的应力，保障了器件在动态弯曲下的电学连接可靠性。瞬态热阻测试表明，采用光热分层封装的LED发光单元在20 mA恒定驱动电流下的稳态结温较纯Ecoflex 00-30封装降低2.95 °C。验证了该方案在协同实现热管理与力学顺应性的可行性。

由于实际水环境中多离子共存时的原位拮抗与位点竞争导致传统线性传感模型失效，本文以一步水热法合成的氮掺杂碳点（N-CDs）为平台，通过构建二维交叉荧光响应矩阵，研究了Cu²⁺与Fe³⁺共存体系下的微观响应机制。首先，实验观测了不同干扰背景下的荧光猝灭演化规律。结果显示，在高浓度Cu²⁺背景下，Fe³⁺诱导的荧光响应表现出显著的非线性偏移与猝灭阻滞，证实两种离子在纳米界面存在激烈的排他性抢夺。随后，为解析该非线性过程，基于细致平衡原理构建了“四态物理动力学模型”，并推导出内含热力学协同因子($ \alpha $)的全局响应解析式。最后，利用理论模型对实验响应矩阵进行了全局曲面拟合。结果表明，理论拟合与实验数据高度吻合，提取出协同因子$ \alpha $ ≈ 0.015。该数值极低定量证实了由高价态离子构筑的极端物理屏蔽与静电排斥效应。本研究将交叉干扰转化为可量化的本征热力学参数，为复杂体系非线性信号解码及界面动力学研究提供了坚实的理论基础。

针对单帧图像去模糊固有的不适定性，以及现有扩散模型推理延迟高、状态空间模型跨模态交互不足的问题，本文提出一种端到端的事件融合多头注意力网络EFMAN，利用事件相机的高频时空先验实现高质量复原。首先，构建跨模态自适应注意力机制，将异步高频事件流与同步RGB特征进行时空维度精确配准，弥补曝光空缺。接着，针对传感器固有噪声干扰，设计特征增强注意力模块FEA，通过全局上下文建模强化特征抗噪鲁棒性。然后，引入轻量级通道-空间注意力模块LCSA，在降低计算冗余的同时完成特征响应自适应权重校准。最后，构建涵盖像素、特征及梯度域的多维联合损失，协同优化多尺度约束以保证微观纹理与全局结构一致。实验表明，该方法在保持高效推理的同时显著提升性能。相比基线，在GoPro数据集上PSNR和SSIM提升1.19 dB和0.005；在REBlur上提升0.38 dB和0.003，已达先进水平。EFMAN有效解决了多模态对齐与噪声干扰问题，在质量与效率间取得平衡，适用于高动态及剧烈运动场景下的清晰图像重建。

星相机作为航天器姿态测量、惯性基准建立与交会对接等任务中的关键部件，其亚角秒级高精度指向对光机结构紧凑设计与多物理场耦合分析提出严格要求。本文提出一种采用同轴四反光学结构的星相机，主镜与三镜采用一体化设计，系统有效口径64 mm，焦距195 mm，借助四片非球面反射镜实现±2.5°视场，物方数值孔径0.26。系统光学性能优异，MTF＞0.7@40 lp/mm，接近衍射极限。80%能量集中分布于11 μm内，绝对畸变不超过0.1%。结构上使用Zerodur^®微晶玻璃与4J32因瓦合金组合，结合无凸台主镜与轴向50 mm紧凑布局，实现优良的热不敏感特性。采用有限元分析提取36项泽尼克系数进行拟合的耦合计算方式，分析得到在−40  °C至60  °C范围内，主镜面形均方根误差变化小于6.19 nm，刚体位移控制在±0.5 μm/10 K，MTF衰减低于20%，80%能量圆直径波动小于5 μm。杂散光抑制采用带多级消光锥的轻量化遮光环，长遮光罩使点源透射比在30°离轴条件下达3×10⁻⁹，杂散光抑制能力提升两个数量级，满足10等星暗弱目标探测需求。系统经热真空试验验证，质心定位重复性为0.08个像素，为高精度航天光学载荷设计提供了重要参考。

基于超表面的太赫兹（THz）波调控在太赫兹通信、成像及探测领域具有重要应用价值。本研究提出一种二硫化钼（MoS₂）超表面结构，可在极低驱动电压下实现太赫兹振幅调制,其单元微纳结构为二硫化钼层连接的非对称 “H” 型。仿真结果表明，通过电控调控 “H” 型连接处的相变，该调制器可在0.58 THz处实现大幅振幅调制，调制深度达98%，插入损耗低至20%，其调控机理可通过分析相变前后不同结构位置的电场分布与衍射图样得到解释。为验证设计方案，对厚度为 2 μm 的二硫化钼薄膜进行电学测试，结果显示：在0~±1 V的低驱动电压小幅变化下，二硫化钼薄膜电阻率变化近6个数量级，证实了界面型超表面调控的可行性。本研究可为太赫兹振幅调制提供一种新方法，有望推动太赫兹调控器件的实用化发展。

全铝合金光机系统理论上可实现无热化设计，并兼具低成本与快速响应优势，在空间遥感领域具有重要应用前景。然而在工程中，结构约束会使光机结构在力热载荷下引入寄生应力，导致系统性能失稳。针对该问题，本文提出一种针对光谱仪反射镜柔性支撑结构的光机集成优化方案。基于光机热集成分析与三向重力和5 °C温升工况下的尺寸灵敏度评估，构建了集成基频与光学响应的优化代理模型，实现了结构尺寸优化及最优结果的筛选。优化结果显示，系统基频提升14.2%至204.6 Hz，同时在重力和热载荷作用下的波前误差降低超过21%。实验结果表明，镜面面形均方根值达0.021 λ （λ = 632.8 nm），五个视场下的系统波前误差均稳定低于0.048 λ，完全满足稳定成像性能的技术要求。该方法有效提升了全铝光谱仪的热-力-光稳定性，可为精密光机系统的结构设计提供有价值的参考。

针对单光子激光雷达在水下广域探测中难以兼顾大扫描视场与系统小型化的问题，本文提出基于转镜扫描与环形隔水视窗密封相结合的技术方案。通过构建扫描角度、光束口径与转镜几何尺寸之间几何关系，结合环形隔水视窗构型，在满足大扫描视场的同时实现系统小型化；采用光线追迹方法建立光学系统初始结构，利用柱面光学元件的成像与补偿原理，改善激光束经环形隔水视窗跨介质传输后光束质量退化的问题，并结合望远系统开展一体化优化设计，进一步提升光束质量。实验结果表明，该系统可实现110°扫描视场，发射激光光束质量因子优于1.3倍衍射极限，发散角为0.084 mrad，传输效率为91.00%，在水质衰减系数为0.184 m⁻¹环境中的最大探测距离为24 m。该系统兼具大视场扫描能力和小型化结构优势，可为水下广域探测装备的工程化应用提供参考。

本文提出了一种基于金属-绝缘体-金属（MIM）波导耦合双D型谐振腔的多重Fano共振折射率传感器。采用有限元法（FEM）对其透射光谱和稳态磁场分布进行了仿真计算。结果表明，该结构中观测到了多重显著的Fano共振现象，这主要归因于上下D型谐振腔所产生的共振模式之间的模式杂化效应。同时，本文系统探究了D型谐振腔几何参数对Fano共振特性的影响。此外，对基于多重Fano共振的折射率传感器性能进行了评估。结果表明，该传感器展现出优异的折射率传感性能，其最大灵敏度（S）和品质因数（FOM）分别高达 1860 nm/RIU 和 68.77 RIU^-1。该研究工作为高性能纳米光子器件的设计提供了理论基础。

为提高事件星敏感器在高动态条件下的星点成像质量和质心提取精度，解决传统固定时间积分容易产生星点拖尾、自适应时间积分图像发布频率不稳定以及二值事件积分图像缺少连续响应层次等问题，本文提出一种事件星敏感器残差累积表面自适应积分方法。首先，设计渐进式时空去噪方法，采用空间域快速预处理与时空域聚类精化滤除背景噪声事件。接着，通过星点椭圆形态特征分析动态调整积分事件数量，提出固定发布频率与自适应事件数量相结合的积分策略，在保证事件帧发布频率稳定的同时抑制星点拖尾。然后，构建残差累积表面，通过指数衰减递归机制对事件触发频率进行连续编码，以形成由事件触发频率和时间新近性共同决定的相对伪灰度响应。最后，采用分段线性映射将残差累积表面转换为伪灰度星图，并通过高斯拟合完成亚像素质心定位。在真实星点事件流数据集上的实验表明，在焦平面像移速度为2272.7 pixel/s时（20°视场、1024×1024探测器配置下的像移等效角速度约为44°/s），本文方法平均质心提取误差约为1.56像素，平均星对角距误差约为3.35角秒，较固定5 ms积分方法分别降低58.3%与19.1%，且在焦平面像移速度284~2273 pixel/s的宽动态范围内均保持较高的质心提取精度。本文方法能有效抑制星点拖尾并形成可用于加权质心估计的星点伪灰度响应分布，可为后续星图识别与姿态解算提供高精度星点质心信息。

针对星载长波红外多普勒非对称空间外差干涉仪在低温真空环境下热致面型形变引起的干涉条纹畸变及风速反演误差问题，开展了像差机理分析与相位补偿方法研究。首先，基于光机热集成分析，建立−113 °C均匀稳态温度载荷下包含柔性胶层的光机有限元模型，并分析光学系统的面形变化，并采用 Zernike 多项式对面形误差进行拟合与建模，揭示热致面型形变主要引入球差和像散等低阶像差，然后分析上述像差通过引入附加光程差导致干涉条纹弯曲、对比度下降及空间分布不均匀，从而降低相位提取精度并引入风速反演误差。最后，提出基于 Zernike 多项式的相位域补偿方法，对干涉相位进行校正, 抑制热致面型形变对系统性能的影响。仿真结果表明：该方法能够有效恢复干涉条纹的空间特性，风速反演误差降幅约为 62.5%，从而抑制热致面型形变对系统性能的影响。保证了系统在极端低温环境下的测风精度。

随着大模型和云计算的快速发展，数据中心短距光互连对传输速率提出了更高要求。尽管光子-光子谐振(PPR)效应和失谐加载(DL)效应为提升直接调制激光器(DML)带宽提供了有效途径，但其实现通常面临结构的复杂性与调制响应的平坦性之间的权衡：获得高带宽和较平坦的小信号响应，往往需要对接生长等复杂工艺，而结构较简单的相同有源层(IAL)设计则容易产生起伏较大的小信号调制响应。本文针对这一问题，仿真研究了一种基于IAL结构的双卡帕光栅分布反馈(DFB)激光器。该设计无需对接生长工艺，同时改善小信号调制响应的平坦性，比较了其在单端调制和推挽调制两种方式下的性能。仿真表明，优化后的器件在单端调制下可通过多个PPR峰实现185 GHz的小信号仿真带宽；在推挽调制下可抑制低频滚降并获得94 GHz的小信号仿真带宽。两种调制方式在200 Gbit/s NRZ条件下均可得到清晰的仿真眼图，显示出其在高速调制中的应用潜力。此外，容差分析表明，该结构对典型工艺偏差具有较好的鲁棒性。研究结果表明，所提出的IAL结构的双卡帕光栅DFB激光器有望为未来短距光互连提供一种有前景的设计方案，但其功耗及实际电带宽限制仍有待进一步研究。

多光谱ZnS窗口作为复合光电探测系统的关键器件，可实现多波段、共光路设计。本文以多光谱ZnS为基底，设计并制备了适用于可见光、905 nm激光及长波红外多模探测应用的宽波段减反膜。系统讨论了YbF₃单层膜的应力特性、制备工艺、膜系设计及误差分析，通过研究不同离子源参数对YbF₃单层膜应力的影响，分析并确定了制备的最佳参数为偏压150 V，放电电流50 A。初步实验结果显示，可见光波段的平均透过率仅为73.35%，逆向分析表明，该偏差源于工具因子存在系统误差。通过修正工具因子偏差，并结合基于逆向光谱分析优化的监控方案，有效降低膜层厚度误差，实现了对高灵敏度膜层厚度的精确控制。归一化坐标分析发现，可见光与红外波段区间的光谱响应呈现显著的波长敏感度差异，本文采用针对性的单波段优化策略，并结合高灵敏度膜层的分段监控方法，以补偿多层膜沉积过程中厚度累积误差所引起的光谱偏移。测试结果表明，在0~15°入射角范围内，450~1000 nm波段平均透过率达到93.57%，8000~12000 nm波段平均透过率达到92.91%，满足性能指标要求。

柔性可拉伸平面微型超级电容器（FS-MSCs）在大变形下的性能不稳定和性能退化限制了其应用。选择合适的柔性电极材料并将其与可拉伸基底集成是解决该问题的关键，但简化器件制备流程并优化性能仍面临挑战。在此，我们报告了一种可编程的单一波长激光加工策略，该策略可同时对氧化石墨烯（GO）叉指电极薄膜进行图案化和还原处理，并对弹性基底规整性纹理化。通过预拉伸基底并将其与柔性电极适配，我们的器件展现出了优异的性能鲁棒性。该器件能够承受超过300°的弯曲角度和约为原始长度120%的拉伸程度。此外，通过优化基底表面形貌至有序网格，器件的电化学性能和稳定性得到了进一步显著提升。在不同拉伸条件下，其最大电容达到1.34 mF/cm²，波动仅为1.5%。即使电流密度从0.01 mA/cm²逐渐增加到0.05 mA/cm²，在不同拉伸强度下，器件的比电容波动仍保持在<7.4%。我们的工作为简化器件构建、并提高平面FS-MSCs在恶劣变形环境下的性能稳定性提供了一种有效解决方案，在可穿戴和便携式储能的未来应用中具有巨大潜力。

针对351 nm深紫外强激光诱导不锈钢金属产生等离子体冲击波动力学特性的研究中，迫切需要一种响应时间小于50 ns的超快动态压力传感器。为此本文阐述了一种制作在光纤端头基于Fizeau腔的超微型超快空气激波压力传感器。采用活塞式压力计和空气激波管，对该激波压力测试系统进行了静态和动态定标实验。当高速光电探测器的响应时间为8 nS、谐振频率点为20 MHz时，在2.4 MPa压力量程范围内，空气激波压力传感系统的定标结果为：线性度1.09% FS、重复性1.046% FS、回程误差1.117% FS、基本误差3.253% FS，动态响应时间小于50 nS。实测实验，该传感系统完美测取到351 nm深紫外强激光诱导不锈钢产生等离子体冲击压力波。据我所知，这是第一次利用冲击波压力传感器测取到高功率激光诱导不锈钢金属产生的超快等离子体冲击压力波。最后，指出该超快动态压力传感器潜在的应用方向。

空间引力波探测中，超前指向机构（PAAM）是实现星间激光链路高精度指向的关键部件，但其转动引入的抖动耦合（TTL）噪声严重制约干涉测量精度。为抑制PAAM角抖动引起的局部TTL噪声，本文提出一种成像系统方案，通过将探测器光学成像至PAAM等效旋转中心，从几何光路主动抑制噪声。基于激光外差干涉原理构建高对称等臂干涉仪测试平台，利用IFOCAD软件系统分析非理想条件（角抖动、旋转中心偏移、安装误差、热致形变）下成像系统的抑制性能。实现表明：理想对准时，成像系统可抑制98.9%的杠杆光程变化和98.2%的活塞光程变化；安装误差下TTL噪声抑制在$ 1\;\mathrm{pm}/\sqrt{\text{Hz}} $以内，引入热噪声后仍稳定在$ 10\;\mathrm{pm}/\sqrt{\text{Hz}} $以内。仿真验证了杠杆噪声与角抖动呈二阶相关、活塞噪声呈一阶相关，与理论吻合。本研究为高稳定度光束指向控制系统设计及噪声评估提供了理论依据与仿真实现。

空间引力波探测任务中，干涉仪臂长受轨道动力学影响而动态演化，传统等臂零差模型难以描述外差链路下量子噪声的传递特性。针对空间引力波探测中动态不等臂外差干涉仪导致的激光口噪声与暗口涨落发生非零耦合问题，本文推导了空间引力波探测全频段量子噪声演化模型并得到了最优压缩角自适应调控判据。从含时场算符出发，利用傅里叶变换将时域因果延迟转化为频域相位旋转，导出了频域噪声混合矩阵；结合光力耦合系数描述低频辐射压噪声，推导出了空间引力波探测全频段通用最优压缩角判据。数值仿真表明，在静态相位差达到最大时，传统固定压缩角方案无法抑制混叠噪声，其归一化方差为1.0；本文提出的自适应压缩角方案具有明显的降噪效果，在压缩度 r = 0.5（4.3 dB）和 r = 1.0（8.7 dB）时，可将归一化输出相位噪声方差分别压低至 0.9046 和 0.7483。利用此判据动态调整压缩方向，可在空间引力波探测全频段内提高量子噪声抑制水平，为空间引力波探测器在动态不等臂环境下的量子噪声抑制提供理论参考。

空间引力波探测任务要求星载激光具备极低的频率噪声，为此需通过激光稳频系统将自由运转激光的频率噪声（尤其是低频成分）抑制约5个数量级，达到低于30 Hz/√Hz（1 mHz～1 Hz）。这一指标对激光稳频系统的核心部件——参考腔单元的温度稳定性提出了严苛要求，须在其零膨胀温度点附近实现精密热控。本文针对星载激光稳频系统工程样机的精密热控需求，特别是参考腔单元的严苛热控需求，提出了一种“主动恒温+被动隔热”的级联精密热控方案，并完成了地面实施与验证。该方案通过构建“恒温笼”式一级主动恒温屏蔽层，耦合二级被动隔热层实现两级控温，将参考腔真空室的温度波动抑制在1 mK以下，保障光学参考腔的腔长稳定。文章详细阐述了热控总体设计、系统仿真、精细热控实施方案及地面等效验证结果。验证结果表明，在模拟星内±1 K环境扰动的条件下，设计的精密热控方案可以实现参考腔单元温度稳定在设定值，控温精度优于0.31 mK，且持续时间超过2000 s，满足空间引力波探测对星载激光稳频的精密热控指标要求，为后续工程研制提供了关键技术支撑。

传统三维数字散斑干涉通常依赖多光束、多波长或多相机同步结构获取三维位移矢量，存在光路复杂、维度耦合、动态过程同步困难等问题。针对上述限制，本文提出一种数字全息散斑干涉与事件视觉融合的三维动态位移场测量方法。首先利用工业相机结合空间相移技术记录全息干涉图样，实现物体表面法向微变形的高精度相位重建。然后引入事件相机异步感知表面散斑亮度变化获取面内位移场，结合事件流进行时序累积与块匹配算法进行位移求解。最后将高灵敏度离面相位信息与面内位移数据融合，实现完整三维位移场的重构。本文构建的数字全息散斑干涉-事件视觉融合系统能够稳定实现圆形薄板三维位移场测量；其中离面位移测量RMSE最低达到0.47 μm，面内位移测量RMSE最低达到0.18 μm，三维融合位移场RMSE_3D最低达到0.13 μm。该方法基本满足三维微小变形测量中高精度、稳定性好及抗干扰能力较强等要求。

针对窄视场、长焦距星敏感器易出现滚动轴精度退化和观测几何病态的问题，本文建立含观测权重的全局Fisher信息矩阵模型，基于A、D、E最优性准则推导多视场最优指向关系，并提出多传感器Wahba融合（MSWF）定姿方法。理论分析表明，等权条件下双视场正交、三视场正交及四视场正四面体构型可优化三轴信息分布。以双视场离轴三反星敏感器为例的仿真表明，单视场病态轴误差约为其余两轴的38倍；正交双视场结合MSWF后，总体定姿误差较单视场降低95.4%，较简单平均融合降低29.2%，并能在稀疏星场、随机丢星和动态模糊条件下保持较好的三轴均衡性。结果说明，多视场构型优化与加权星矢融合可有效缓解单视场观测几何限制，为高精度姿态确定提供参考。

2 μm波段超短脉冲激光凭借其人眼安全、处于大气传输窗口等独特优势，在国防、医疗、通信及科研等领域展现出巨大的应用价值。被动锁模技术作为产生此类超短脉冲的核心手段，已成为固体激光器领域的研究热点。本文系统综述了2 μm波段被动锁模固体激光器的最新研究进展。首先，阐述了被动锁模的基本原理，分析了包括克尔透镜锁模等多种锁模方案的物理机制，并介绍了Tm³⁺、Ho³⁺及其共掺体系作为增益介质的能级动力学特性。随后，重点围绕克尔透镜锁模、半导体可饱和吸收镜锁模以及低维纳米材料锁模三大主流技术路线展开详细论述。本文对不同锁模方案的性能及实现方法进行了比较，总结了各类被动锁模激光器的研究成果，同时对2 μm波段被动锁模固体激光器的未来发展进行了讨论与展望。

传统基于轨道角动量强度谱的检测方法虽能判断齿轮是否存在缺陷，却因相位信息丢失而无法识别缺齿的具体方位。针对这一局限，本文通过模拟发射不同拓扑荷值的涡旋光束扫描完好及缺陷齿轮，结合理想平面波四步相移处理，构建出包含螺旋相位信息的OAM复数谱，提取了各齿轮的方位角信息，从而实现了缺齿方位及序号的准确判定。本文扩展了非简单扇形目标如齿轮的基圆参数和齿高对缺陷测量影响的研究，发现缺损位置信号与相邻正常齿轮信号相对幅度差距大小与齿轮参数有关，在固定基模束腰半径为6 mm时，其中信号幅度差值随齿高从2 mm逐渐提升到4 mm而提升，随基圆从10 mm逐渐提升到14 mm时而降低。本研究为基于OAM扫描的无接触、高精度齿轮缺陷定位中提供了初步探索和应用途径。

针对激光三维成像雷达、高速光信号采集等光学系统中时间交织模数转换器（Time-Interleaved Analog to Digital Converter, TIADC）各通道间存在的失调、增益与采样时间失配误差引入杂散分量与非线性失真，导致激光回波信号采样精度降低、测距与解调性能下降的问题。本文提出一种基于多通道全相位快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）频率判别器的TIADC全数字校准算法，设计多通道全相位FFT频率判别器，利用全相位FFT的相位不变性与多通道采样的相位关联性，实现输入信号频率的高精度估计与区间判别，解决传统算法高频区间失效问题；最终结合LMS自适应滤波架构，完成偏置、增益、采样时间三类失配误差的同步联合校准。基于MATLAB与FPGA搭建采样率2 GHz的4通道TIADC实验平台开展验证，实验结果表明，所提频率判别器在−5 dB极低信噪比下仍保持96.7%的频率区间判别正确率；经所提算法校准后，系统无杂散动态范围从未校准的19.8 dB提升至81.2 dB，信噪失真比提升至73.8 dB。该算法无需专用校准信号，在低信噪比场景下具备优异的校准性能，可为激光雷达、高速光通信等光学领域的高速高精度采样系统提供核心技术支撑。

针对传统共轭涡旋光干涉微位移测量方法中干涉图样旋转角变化量小、亚纳米级微位移检测精度不足的问题，本文提出了一种对向双端面差分共轭涡旋光干涉微位移测量方法。该方法利用共轭涡旋光干涉图样旋转角与两臂相位差之间的线性关系，将待测微位移转换为花瓣状干涉图样的角向旋转。为克服相机像素分辨率和图样畸变对微小旋转角解算的限制，系统构建对向双端面差分光路，使两束共轭涡旋光分别作用于同一被测目标的相对表面，使相对光程差相比传统单端面反射结构翻倍，从而使相同位移下的干涉图样旋转角实现理论倍增。进一步地，采用基于圆谐波卷积的H-Nets模型对旋转图样进行等变特征表征，将连续角向变化映射为复数特征空间中的相位偏移，实现微小旋转角的稳定表征与位移反演。实验结果表明，在0-500 nm范围内最大绝对误差小于0.61 nm，平均绝对误差为0.37 nm。该方法通过差分光程增强与旋转等变解码的协同作用，有效提升了微位移测量的精度与稳定性。

针对高数值孔径显微物镜公差分析中的补偿器耦合问题，本文提出一种基于V矩阵余弦相似度的补偿器选择方法，旨在降低补偿器间的负相关性，避免慧差、像散等无法同时收敛的问题。以数值孔径为0.9的无限远共轭显微物镜为研究对象，通过一阶有限差分法构建结构参量与像差参量之间的灵敏度矩阵，利用V矩阵余弦相似度与加权贪心策略，确定了6个有效补偿器。实验结果表明：系统波前像差RMS小于0.07 λ的累积概率从47%提高至97.7%，加工公差与装调公差从Q1等级降低至Q2等级，显著降低了光学系统的制造公差，有效地提高了系统良率。装调仿真实验进一步验证了该方法在高数值孔径显微物镜中的可行性与有效性。这一结果表明该方法可以选取合适的补偿器，有效地降低补偿器间的负相关性。

硅基光电器件在近红外波段的光吸收和光电响应受限于硅材料本征带隙。通过皮秒激光诱导Se掺杂并构筑表面微纳结构，可有效改善硅材料的近红外吸收与光电性能。其中，激光能量密度作为影响微结构演化和掺杂效果的关键工艺参数，对器件性能具有重要调控作用。围绕这一关键参数，本研究选用镀有Se膜的单晶硅，采用0.85 kJ/m²、1.40 kJ/m² 和 1.71 kJ/m² 三种皮秒激光能量密度进行扫描处理，并制备Se掺杂N⁺-N型硅光电二极管，系统研究激光能量密度对样品微纳结构、光吸收及光电性能的影响。不同激光能量密度处理后，样品整体晶体结构保持良好，但表面微结构存在差异。这种差异进一步影响了光吸收特性，并导致器件光电性能随激光能量密度发生显著变化。在1.40 kJ/m²条件下样品表面微纳结构分布最均匀，光谱和器件测试表明，其近红外吸收率超过60%，制备的光电二极管在1064 nm激光照射下光响应度达到 2.28 A/W@ −6 V。皮秒激光能量密度对Se掺杂硅的表面微结构、光吸收及器件光电响应具有显著调控作用。本研究可为Se掺杂黑硅近红外探测器的制备与性能优化提供实验依据和技术参考。

将超表面与光学传感器结合可有效缩小传感器的体积并提升其对电磁场调控的能力。本文提出并制备了一种基于石英基底的圆盘双缺口硅阵列全介质多功能超表面光学传感器。通过引入呈45°分布的双非对称缺口打破结构对称性，该结构成功将无辐射的理想BIC态转化为极强光局域场的高Q值准BIC态，并于1617 nm处激发了超窄线宽Fano传感谐振峰。仿真研究表明，谐振峰的主要贡献极子为磁偶（MD）极子，品质因子（Q）理论最高可达1.6×10⁵，FOM最高可达36350；其具有363.5 nm/RIU的折射率传感与51.96 pm/ °C的温度传感性能。此外，可通过改变入射光的偏振态对超表面谐振峰的调制深度进行调控。传感实验分析可得，其不同折射率液体的灵敏度为268.7 nm/RIU。本结构可广泛应用于环境监测、生物医学检测及偏振型光开关控制等领域，并为多参数超表面传感器设计提供了参考，扩展了超表面在实际传感应用中的多功能性。

针对现有双视角X光安检图像违禁品检测方法在跨视角特征融合过程中自适应性不足、互补信息利用不充分的问题，本文提出一种结合YOLOv11改进的双视角融合检测方法（Dual View Fusion combined with YOLOv11，DVF-YOLOv11）。该算法采用参数共享的双分支YOLOv11骨干网络分别提取俯视图与侧视图的多尺度特征；设计跨视角注意力融合模块（Cross-View Attention Fusion，CVAF），通过通道注意力与空间注意力的级联机制实现双视角特征的自适应增强；采用自适应权重预测网络动态调整各视角融合权重，结合通道压缩卷积形成双路融合策略；设计由特征保留损失、互补性损失和权重平衡损失组成的联合损失函数引导融合学习。在DvXray数据集上，本文方法的mAP50达到94.02%，mAP50-95达到79.41%，较俯视图单视角分别提升2.99%和5.29%。实验结果表明，本文方法能够提升双视角X光安检图像中违禁品检测的精度与鲁棒性。

空间相机在轨运行过程中受到复杂热环境影响，结构温度场的非均匀变化会引起热弹性变形，从而导致视轴指向偏移，严重影响成像精度与稳定性。针对空间相机在复杂热环境下视轴指向稳定性分析过程中传统最小二乘方法（Least Squares, LS）鲁棒性不足的问题，本文提出一种基于迭代重加权最小二乘（Iteratively Reweighted Least Squares, IRLS）算法的空间相机视轴热指向分析方法。首先，建立空间相机热-结构耦合模型，分析温度场变化与视轴偏移之间的映射关系；其次，引入IRLS算法对模型参数进行稳健估计，通过构造加权残差函数，有效抑制异常测量数据对参数辨识结果的影响，提高热变形预测精度，并采用基于能量迭代的自适应窗质心定位算法方式，获得光斑质心随温度变化情况。针对在轨相机指向的热致漂移，开展热温度实验，结合仿真数据与地面热试验数据进行验证，对比传统最小二乘方法与IRLS方法在指向误差预测精度与收敛特性方面的差异。结果表明，所提出的IRLS热分析方法在存在测量噪声与异常点的情况下，能够显著提升视轴指向偏移预测精度，增强模型稳定性与鲁棒性，为高分辨率空间相机的在轨热变形补偿与精度保持提供了有效技术途径。

在对自由移动的动物进行脑神经实时观测时，微型头戴式荧光显微镜是当前最为前沿的脑科学观测仪器之一。但是，现今多数微型荧光显微镜为了达到体积和重量的严格限制，使得视场较小，无法同时观测多个脑区的神经活动，而少数视场大的产品重量较大，无法佩戴在小型动物身上。本研究使用轻量化、平面化和成像质量高的梯度折射率透镜，在保证大视场的前提下，减小了显微镜的重量。本文使用梯度折射率透镜进行大视场微型荧光显微镜设计，推导了倾斜光线入射梯度折射率透镜时的离轴像差公式，分析了梯度折射率透镜的折射率排布模型和像差校正情况，并据此设计了一款微型荧光显微镜，其视场为4 mm×4 mm，NA为0.1，样机重量仅为2.89 g，中心视场分辨率为13.9 μm，初步达到了自由移动小鼠的脑神经细胞分辨率。

针对现有适配可见光波段的光谱压缩感知重建算法难以实现中波红外尖锐气体吸收光谱高精度重建的问题，本文提出了一种物理驱动的中波红外光谱压缩编码与重建网络架构，旨在实现中波红外尖锐气体吸收光谱的高精度重建。该网络以双分支中波红外光谱重建网络为核心模块，能够分别通过平滑背景重建分支和特征吸收重建分支分别实现平滑背景对数光谱与尖锐气体特征吸光度的精准重建。通过信息融合、物理量转换与全连接层后处理实现中波红外气体吸收光谱的高准确度重建。在对3.7~4.8 μm波段45通道的实际场景气体吸收光谱进行重建的实验中，本文提出的方法达到了峰值信噪比大于28.159 dB、光谱角映射优于0.053 rad的性能指标，对于图像分辨率为320×256的数据立方体重建时间约为0.65 s。该方法有效突破了中波红外光谱高精度重建的技术瓶颈，兼具物理驱动的可解释性与数据驱动的泛化能力，为中波红外压缩感知光谱重建提供了可行技术路径，具有显著的实际应用潜力。

为解决大规模塔式定日镜场边缘区域光学效率低的问题，提出了三塔光热电站交叠式镜场布局的优化方法及重叠区域定日镜的多目标瞄准策略。首先，基于粒子群算法对单塔镜场布局进行优化，得到最优的单塔镜场布局；然后，将单塔镜场进行排列，通过优化三塔间的距离得到最优的三塔交叠式镜场布局；最后，根据定日镜瞬时光学效率对重叠区域的定日镜进行多目标瞄准策略优化。对三塔式镜场聚光过程进行了建模，比较了三塔交叠式镜场和三塔分布式镜场的光学效率，结果表明：三塔交叠式镜场比三塔分布式镜场的年均光学效率提高了0.24%，且镜场布置更紧凑，占地面积更小。

为了解决毫赫兹频段天基引力波探测中激光频率噪声和时钟噪声的抑制难题，并克服传统基于第二代时间延迟干涉(Time-Delay Interferometry，TDI)方案的复杂性与局限性，本研究提出了一种基于空间光钟(Space-borne Optical Clock，SOC)的探测器载荷设计与噪声抑制新方案。本文首先阐述了该方案的核心载荷设计，即在每颗航天器上配置星载光钟系统以替代传统的超稳晶振(Ultra-Stable Oscillator，USO)。接着，介绍了两种噪声同步抑制的实现机制，即通过将激光锁定在原子跃迁频率上，并利用光学频率梳将光钟频率下变频产生微波时钟信号。最后，基于最新研究中星载光钟的稳定度，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，在0.1mHz到1Hz的目标频段内对系统的噪声抑制性能进行了验证。理论与仿真结果表明：该方案在毫赫兹频段内将激光频率噪声和时钟噪声分别降低了两个和三个数量级；在全目标频段内，残余的激光和时钟噪声均远低于探测任务要求的本底噪声水平。此外，该设计使得第一代TDI技术即可满足任务要求，且无需加入额外的时钟噪声消除步骤。该方案在保证探测灵敏度的同时，显著提高了数据处理的简洁性与鲁棒性，并有效降低了对星间测距和时钟同步的精度要求。随着光钟小型化的发展，该方案在天基引力波探测任务中具有重要的应用前景。

基于弱值放大的弱测量技术为探测光子自旋霍尔效应中的微小自旋分裂提供了一种有效方法。然而，在强耦合或前选择和后选择近乎正交的条件下，其性能受到限制。本文基于微分干涉理论，建立了携带任意拓扑荷的涡旋光束在空气-玻璃界面部分反射下的自旋相关位移与放大位移之间的关系。该关系即使在强耦合条件下或前选择和后选择近乎正交时仍然有效，并且适用于任意入射线偏振态。本文系统分析了涡旋光束在空气-玻璃界面反射的特性，并阐明了入射角、拓扑荷、入射偏振态、后选择角和传播距离等关键参数对放大位移的影响。这项研究为涡旋光束在精密光学测量和光学微操控中的应用提供了重要的理论基础。

基于加权时延结构的微波光子滤波器同时利用了光学器件和射频器件的优势，具有可重构、低成本、大带宽的特性，在微波频段提供了灵活高效的信号处理能力。然而，由于加权时延结构的复杂性，系统中分立的光电器件均会对不同波长上的权重抽头产生干扰，如：光频率梳的包络和增益竞争、EDFA的增益不均匀性和非线性、调制器受限的滤波带宽。这些因素均会导致抽头的权重偏离理想值，从而导致微波滤波器的畸变。本文提出了一种端到端优化的方式，通过将微波光子滤波器作为一个黑盒系统，通过实时监控系统最后输出的光谱形状（即每个tap的权重值），计算并反馈波长的抽头分布与理想抽头之间的差值，用于实时调整波长整型器的滤波系数，使得输出的光谱权重始终保持在设计的状态。通过这种端到端优化的方法，我们实现了0.05 dB的光谱重构精度，并且完成了带外抑制比高达47 dB的射频低通滤波器。

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。