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。

针对空间引力波探测航天器的星间建链任务，研究了基于多源信息融合的光束精密指向控制问题。结合引力波探测航天器的结构和载荷特性，建立包含移动光学组件运动的全系统状态方程，利用误差四元数将非独立变量描述的非线性测量方程转化为独立变量描述的线性方程，并融合惯性传感器的测量信息进行滤波估计以提高卫星平台的定姿精度。此外，针对超远距离星间激光传输时间和两星之间高速相对运动导致的超前指向问题，推导了随时间变化的超前角解析表达式，并仿真分析了轨道周期内超前角的变化趋势，为星间链路建立与维持过程的超前角伺服补偿提供了理论依据。通过三星系统的闭环仿真验证了所设计的高精度指向估计算法在稳定性和估计精度方面的优越性，结合鲁棒抗扰控制器实现了光束的精密指向，为我国引力波探测计划的顺利实施提供必要的技术支撑。

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。

为了满足面向阿秒科学、精密加工及超快光谱学等领域对高性能超短脉冲的需求，本研究了一种高稳定性、自启动的全保偏少周期飞秒光纤激光器。以单壁碳纳米管薄膜作为可饱和吸收体构建了重复频率为100.45 MHz的全保偏掺铒光纤种子源；通过全保偏双向放大结构结合非线性光谱展宽与色散管理技术，进一步经保偏高非线性光纤非线性展宽和色散补偿后，基于自相关测量获得30.1 fs的主脉冲宽度，获得了仅含约5.8个光学周期的少周期脉冲序列，其放大输出平均功率超过200 mW。稳定性测试表明种子源连续运行10小时的功率均方根波动仅为0.4%，在引入温控与压电陶瓷进行重频锁定后，百秒艾伦方差达9.98 × 10⁻¹⁴，该种子源凭借其紧凑的结构和优异的运行稳定性，为后续产生跨倍频程超连续谱及实现高性能频率梳应用奠定了坚实的实验基础。

飞秒激光自组干涉协同近场增强效应和孵化效应能够实现深亚波长纳米刻蚀，然而其结构形成通常依赖表面随机散射中心以及多脉冲反馈，存在一致性差、重复性差、激光参数敏感等问题。本文提出时空协同的激光能量调控策略，以提升4H-SiC单晶表面纳米槽刻写质量。在空间域，采用单狭缝和双狭缝光束整形重构焦平面能量分布，抑制能量横向扩散，增强孵化效应和自组干涉效应；在时间域，引入GHz脉冲串调控能量注入时序，降低瞬时能量沉积强度并延长退火时间。通过静态定点辐照与动态扫描实验，系统探究不同调控手段下的表面形貌演化规律及纳米槽成形机制。结果表明，单狭缝整形后的椭圆焦斑可增强孵化效应和弱退火作用，获得一致性与边缘规整的62 nm最窄槽宽；双狭缝整形进一步增强了干涉场约束效应，降低了纳米槽成形对随机散射中心的依赖，将最小可控槽宽压缩至34 nm；在双狭缝整形基础上引入GHz脉冲串，400 ps间隔子脉冲的分步能量注入可降低瞬时强激发并抑制重熔堆积物和颗粒附着，使纳米槽最小可控槽宽进一步降低至24.5 nm。时空协同调控策略为第三代半导体表面高精度、低损伤、高重复性的纳米制造提供了有效技术方案与理论依据。

超快激光凭借高峰值功率和超短脉冲宽度，能够通过非线性吸收在透明玻璃内部实现高精度、局域化能量沉积，从而诱导折射率变化、纳米光栅、微空洞等多种微改性结构，并伴随近焦点区域的应力分布调制与元素迁移。这种独特的加工机制为玻璃材料内部三维微纳制造提供了重要基础。本文从超快激光与玻璃材料相互作用机理出发，系统梳理了不同改性类型及其对应工艺窗口，进一步总结了其在片上光子学器件制备、高精度切割、光波导写入、应力波片构筑、微通道加工以及Burst模式加工等方面的研究进展。最后，文章分析了当前技术在加工一致性、机理认知和产业化落地方面面临的瓶颈，指出反向工程对于优化工艺设计的重要意义，并展望了人工智能技术在复杂参数寻优与加工智能化中的应用潜力。

检验质量（TM）在轨存在高能粒子充电效应，从而干扰引力波探测。本论文针对天琴计划的电荷管理需求，首先建立静电力模型，确定检验质量的电荷阈值上限为 2×10⁻¹³ C；然后设计基于紫外LED光源的电荷管理系统，并研制工程样机；最后构建基于精密扭摆的地面测试系统，用于评估电荷管理样机性能。实验结果表明：在2V、1 mHz的调制作用下，电荷测量的分辨率优于 2×10⁻¹⁴ C，电荷控制的分辨率约为 6×10⁻¹⁴ C，满足空间引力波探测需求。上述研究成果为天琴计划的实施提供了关键技术。

针对空间引力波探测中传统静态噪声叠加方法未考虑多物理场与控制系统之间动态耦合、难以满足高保真度任务仿真需求的问题，本文提出并设计了一套空间引力波探测全链路动态仿真系统，建立了多物理场与控制系统之间的闭环反馈能力。该系统采用动态闭环架构，包含航天器多物理场仿真模块、全链路噪声仿真模块、无拖曳控制仿真模块及数据处理分析模块。其中，物理场状态基于控制作用后的航天器状态计算生成，噪声由物理场状态经全链路噪声模型映射生成。该系统实现了全链路噪声的物理源头追溯与动态仿真。仿真实验发现，可移动光学组件（MOSA）运动与燃料消耗引起的自引力加速度扰动在观测频段（0.1 mHz~1 Hz）内可达10⁻¹³ m·s⁻²· Hz^−1/2量级以上，需通过高精度在轨测量与标定等方法进行补偿或扣除。所构建的系统能够捕捉静态模型忽略的动态耦合效应，为空间引力波探测的任务设计、噪声溯源与灵敏度评估提供高保真度仿真平台。

针对空间引力波探测地面验证中普通实验室环境下高Q值扭摆系统的信号重建问题，提出了一种课程学习驱动的傅里叶特征网络方法（FouCLNet）。现有硬件隔振策略对场地与经费要求严苛，难以在普通地面实验室实施。传统物理信息神经网络在高Q值振荡系统中存在谱偏置、梯度冲突及输出衰减至接近零等固有局限。本文采用对数间距傅里叶特征映射，将频率参数均匀分布于0.003–0.02 Hz区间，以匹配扭摆0.007 Hz固有频率；构建4层全连接网络，设计硬振幅约束损失函数防止微弧度量级信号衰减；通过三阶段课程学习策略渐进引入弱物理约束，将偏微分方程残差权重退火至1e-8量级。以地震噪声激励下的扭摆时序响应为研究对象，以四阶Runge-Kutta积分结果为真值标签，随机抽取80%时间点训练，20%时间点做同分布验证。实验结果显示：训练集相关系数达0.9988，峰值误差小于0.4%满量程，振幅匹配度100%，功率谱密度在0.007 Hz共振峰处与参考解重合；同分布离散验证集相关系数为0.9958，单点推理延迟仅0.524 ms。消融实验反映，去除傅里叶特征或硬振幅约束将引起模型性能严重退化；纯数据驱动配置在离散验证集上精度良好，但在连续时段重建中相关系数降至0.511，而完整方法保持0.986，表明弱物理约束对连续时序一致性具有稳定作用。时序外推实验提示，超出训练域后相关系数降至 0.019，出现虚假低频漂移；且对于训练域内未参与训练的连续时段，模型同样失效（R≈0.029）。本方法不适用于超出训练时间范围的外推预测，使用时须严格限定于训练域内的插值场景。此方法可为普通实验室环境下的扭摆系统提供训练分布内的高精度插值重建参考，并为开发因果性实时振动抑制算法提供参考。

为提升光电吊舱多通道光轴一致性，解决光轴标校复杂成像条件下靶标中心检测精度不足的问题，提出两种具有针对性的高精度检测方法。针对脉冲激光闪烁及灼痕干扰，提出基于分阶段加权质心法的脉冲激光中心检测方法，实现大光斑粗定位到灼痕精定位的逐级优化；针对红外十字靶标边缘模糊、噪声干扰等问题，提出基于多组霍夫直线筛选与方向约束的交点优化策略，提高弱边缘条件下的中心定位精度。通过对多组激光序列及十字靶标图像进行实验验证，结果显示：脉冲激光中心检测中，分阶段加权质心法的均方根误差为0.237像素，优于最小二乘圆拟合法和传统质心法；霍夫直线筛选法在15幅红外十字靶标图像上的平均误差和最大误差仅为0.499像素和0.974像素。实验结果表明，所提方法可实现亚像素级中心检测，具有良好的稳定性以及较强的工程应用价值。

由于传统ZnO/GaN异质结紫外光电探测器仍存在界面接触面积有限、载流子输运效率不足以及ZnO本征缺陷影响光电响应的问题，限制了器件性能的进一步提升。因此本文采用低温水热法在多孔p-GaN/Al₂O₃衬底上生长了不同Ga掺杂浓度的Ga+Al共掺杂ZnO纳米棒阵列，并制备了相应的Ga+Al共掺杂ZnO纳米棒/多孔GaN异质结，通过多孔p-GaN增强异质结界面接触与光吸收，并利用Ga+Al共掺杂调控ZnO纳米棒的缺陷状态和载流子输运性能，从而提高器件的自供电紫外探测性能。结果表明，在0 V偏压和365 nm紫外光照下，Ga掺杂浓度为3%时器件表现出最佳的紫外探测性能，其光暗电流比为8250、响应度（R）为0.158 A/W、比探测率（D*）为3.15×10¹² Jones、外量子效率（EQE）为53.5%。该研究为制备下一代高性能ZnO/GaN基异质结紫外光电探测器提供了一定的理论指导和实验数据。

与低阶艾里光束、皮尔斯突变光束相比，圆形燕尾光束已被证实具有更为优异的自聚焦能力与调控灵活性。基于全介质超构表面，利用时域有限差分法（FDTD）研究了携带幂指数相位涡旋的定向圆形燕尾（DCS）光束的生成方法，其中定向相位由光束在x和y方向的预设发射角共同调制。在此基础上，详细探讨了定向相位与幂指数相位对光束动态传输及轨道角动量（OAM）的影响。结果表明：通过选取不同的发射角，光束的自聚焦位置可沿预设轨迹进行自由调控；幂指数相位会诱导光束在传输过程中出现旋转行为，且同步演化形成阿基米德螺旋结构。更重要的是，与发射角相关的定向相位可等效为螺旋谱的叠加，它能将OAM模式扩展至更宽的多模态，且该情形下的多模态OAM的功率衰减幅度小于非定向情形。这意味着，多模态 OAM 谱在传输过程中的功率衰减可由各模式共同分摊，而非集中于单一模式，为抑制自由空间传输的轨道角动量衰减提供了可能。本文研究结果对微粒导引或捕获、OAM光通信、光成像具有潜在的应用价值。

为了实现飞秒激光成丝超连续辐射的光谱参数优化，使用了透镜阵列聚焦双色飞秒激光在熔融石英块中成丝的方法产生超连续辐射。对超连续辐射光谱功率密度的提高、光谱范围的拓宽、光谱分布特性的调节等方面进行研究。首先，比较了不同波长的飞秒激光输入对成丝超连续辐射光谱范围的影响。接着，以透镜阵列替代单透镜聚焦飞秒激光成丝，通过多丝阵列形成的光谱累积效应提升超连续辐射的光谱功率密度。然后，实验比较了输入激光功率对超连续辐射光谱分布的影响，实现了对超连续辐射高频区域（或低频区域）光谱功率密度的独立控制。最后，对该方法产生的超连续辐射光谱稳定性进行了评价。实验结果表明：该方法可以获得在高频光谱范围增强的超连续辐射，并且在380 nm~950 nm的光谱范围内功率密度均高于0.1 mW/nm。该方式产生的超连续辐射可以灵活优化光谱功率密度、光谱范围和光谱分布的特性，以适应超连续辐射光谱的实际应用需求。

以LISA、太极计划和天琴计划为代表的空间探测计划面临的核心挑战之一是如何处理测试质量块复杂的噪声背景。引力参考传感器（GRS）的噪声包含布朗噪声、温度场耦合、磁场噪声、静电场噪声、驱动电压不稳定性及难以解释的1/f超额噪声等多种物理起源。本文提出一种“物理机理→噪声分类→双向时序建模→自适应剔除”的完整算法链条：基于LISA Pathfinder任务实测数据校准的物理噪声模型将出气效应等最新结果定量嵌入噪声合成管道；卷积神经网络（CNN）与双向长短期记忆网络（BiLSTM）在物理分类引导下互补捕获局部瞬态模式与双向长程依赖（链条第二环）；按物理类别依次执行自适应谱减法实现噪声的逐层物理剥离（链条第三环）。仿真结果表明，在输入信噪比为10.2 dB的条件下，该算法链条对注入信号的恢复保真度达0.97（归一化相关系数），优于传统匹配滤波及纯CNN或纯BiLSTM基线方法。本研究可为空间引力波探测中的噪声建模、数据管道设计提供有价值的参考。

针对近准直碟片多通放大器在高功率、高能量运行条件下面临的热致光焦度敏感、稳定工作区间受限等问题，本文开展了基于泵浦光强分布调控的热透镜效应抑制研究。首先，基于碟片光焦度实验测量结果，分析碟片光焦度变化与泵浦光强分布之间的关系；在此基础上，提出采用M形泵浦替代传统超高斯泵浦，并建立理论模型，对0~8.13 kW/cm²泵浦功率密度范围内两种泵浦方式下的碟片温度分布及光焦度变化规律进行对比分析。仿真结果表明，当M形泵浦中心凹陷区的超高斯阶数为8时，碟片光焦度变化量最小，水平和竖直方向分别为0.00283 m⁻¹和−0.00455 m⁻¹；与超高斯阶数为10的传统泵浦相比，两个方向的光焦度变化量分别降低了0.05171 m⁻¹和0.06355 m⁻¹，降幅达94.7%和93.3%。M形泵浦能够显著抑制碟片热致光焦度变化，为全泵浦功率密度范围内的模场匹配提供更有利的条件，大幅降低泵浦功率变化引发的光学元件损伤风险。

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。

为满足空间引力波探测用陶瓷基超稳结构的热形变测试需求，解决该类构件制备完成前测量链路难以验证的工程难题，本文搭建了一套适用于1mHz~0.1 Hz频段的地面真空热形变干涉测量系统。选用几何构型、安装接口及测量光路均与陶瓷基构件等效的 4J32 殷钢样件作为试验件，完成系统综合热膨胀系数标定、长期位移稳定性测试与低频噪声分析。试验将被测结构、光纤测量头、反射镜与温度传感器整体置于真空环境，利用腔体自然降温实现测量链路整体热响应标定；在mK级稳态温控下，采用Welch法获取位移噪声幅值谱密度，对比分析干涉仪本征噪声、热等效噪声与系统综合噪声。实验结果表明：系统综合热膨胀系数与殷钢本征值相对偏差约8.3%，可有效表征测量链路整体热响应；系统在mHz频段位移噪声幅值谱密度26.6 nm/√Hz，长周期测量稳定性较好；干涉仪本征噪声较系统综合噪声低约两个数量级，温度波动转换的热等效位移噪声仅占系统噪声的7.8%~14.1%，二者均远低于系统综合测量噪声，并非系统测量误差的主要来源。该系统与方法完成了全测量链路验证与噪声基准建立，可为后续陶瓷基超稳结构热形变测试提供等效验证基础与可复用技术方案。

为满足太赫兹器件对多功能偏振调控与动态可调特性的需求，提出了一种基于石墨烯载流子调控的双功能可切换太赫兹手性超表面。通过改变入射波偏振态，并利用外加栅压连续调节石墨烯费米能级，该结构可分别表现出圆二色性(CD)和线二色性(LD)响应，从而实现不同偏振选择性吸收特性之间的切换。仿真结果表明，当石墨烯费米能级为1 eV时，超表面在2.65 THz处对左右旋圆偏振光产生显著选择性吸收，CD幅值达到0.89，在1.97至3.44 THz频段内CD幅值保持在0.6以上；当费米能级降至0.2 eV时，结构在1.91 THz处表现出明显的线二色性响应，LD幅值达到0.75。电场与表面电流分布分析表明，不同偏振态在谐振条件下激发的电共振强度差异是产生偏振选择性吸收的主要原因。此外，该结构对入射角和结构参数变化具有较好的稳定性，在圆/线二色性探测、偏振调控以及太赫兹光学器件等方面具有潜在应用价值。

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。

为了突破目前热光波导光开关开关速度慢、热量易积累、器件功耗高，电光波导光开关传输损耗高，以及现有传统光子集成电路波导光开关器件普遍存在的反馈控制复杂、难以实现大阵列规模应用且工作带宽较窄等问题，以满足未来片上全光交换技术对快响应、低功耗、宽带、低成本、可实现大阵列规模制备应用的光开关器件为需求，开展基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)驱动的硅基波导光开关器件研究。基于硅光波导技术和微机电技术交叉融合，设计并制备了一种可实现光信号路由功能的MEMS静电驱动2×2硅基波导光开关（硅光MEMS光开关）。通过电子束光刻配合互补氧化物金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺实现硅光波导和MEMS微执行器在硅晶圆上的一体化集成制备。器件在192 μm×192 μm尺寸下实现了2×2光开关功能，开关响应速度达到20 μs及15 μs，光信号上升沿及下降沿时间分别为15 μs和10 μs。在1550 nm消光比达到35 dB，插入损耗为−0.8 dB，在1500 nm~1600 nm波段消光比超过20 dB，器件在开启状态的保持功耗低于0.5 μW。测试结果表明该硅光MEMS光开关响应速度快、调制功耗低、宽带性能良好，在现有工艺平台下可实现大规模阵列化制备且控制方式简单，在未来片上全光交换领域具有较大的应用价值。

对于超短激光脉冲，精确表征其时域特性（脉宽和相位）对其产生和应用都至关重要。自参考光谱干涉法，于2010年首次提出，该方法利用待测光自身通过三阶非线性光学过程产生测量所需的合适参考光，并借助傅里叶变换光谱干涉算法解析重建光谱相位，具有单发、准确、灵敏度高等优势。本文对该方法的实现光路和重建算法两条主线进行了综述。在光路层面，从最早提出的基于交叉偏振波产生的自参考光谱干涉法（XPW-SRSI）,到基于瞬态光栅效应的自参考光谱干涉法（TG-SRSI）全反射紧凑构型，对实现光路的灵敏度、波段覆盖与紧凑性三个维度进行了不断迭代升级。在算法层面，从针对于近傅里叶转换极限的脉冲重建方法，到针对时域展宽超过傅里叶变换极限两倍的大啁啾脉冲重建算法，进行了三条演进路线论述：光谱拼接方案，引入监督深度学习的重建方案，以及嵌入物理正向模型的无需训练神经网络；后者在无需任何预训练数据集的条件下，实现了大啁啾与高噪声场景下的单次准确重建。面对不断涌现的新型光束表征需求，超短激光脉冲的时域测量在未来仍需要备受重视。

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。

空间引力波探测采用激光外差干涉进行百万公里臂长间的测试质量微小位移波动检测，要求干涉系统在毫赫兹频段达到皮米级测量精度。干涉仪中测试质量的转动会通过转动-转动与转动-平动两类误差耦合共同限制系统灵敏度，本文旨在采取先抑制转动-转动耦合，再抑制转动-平动耦合的策略系统研究这两类误差耦合的耦合原理，建立耦合误差模型，并进行耦合误差消减。本文利用了激光外差干涉与波前传感技术，搭建了测试质量干涉仪系统，实现了位移与转角的高灵敏度测量和噪声分析；通过实验标定了偏摆镜与探测器之间的坐标变换关系，并将偏摆镜旋转至最小耦合角度以使偏摆镜与探测器之间的坐标系尽量重合，实现了转动-转动耦合的抑制；通过几何关系建立了光学模型及实验对参数进行标定，建立了实时补偿系统，实现了对转动-平动耦合实现动态抑制。经过抑制，转动-转动的耦合系数达到了约12.5 mrad/rad；转动-平动的耦合误差在时域消减了约90%，在频域上了降低约一个量级，为空间引力波探测干涉仪的多自由度解耦及噪声抑制奠定了理论和实验基础。

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。

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。

面向空间激光干涉的相位计，当锁相环路发生失锁时，现阶段普遍采用FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）测频法重新完成信号捕获，该方法存在测频精度偏低（100 Hz量级）、重锁耗时较长（约7 ms）等技术问题。本文提出一种与FFT协同部署的自动重锁技术，该技术采用瞬时频率值与频率变化率相结合的失锁检测策略，同时选取环路滤波器原始数据与CIC（Cascaded Integrator-Comb，级联积分器梳状滤波器）降采样数据两类数据源完成失锁判断，失锁发生后通过复位操作清除积分误差，并接收频率预测算法输出的预测值。该频率预测算法针对周期信号采用波形生成算法，针对非周期信号采用二阶多项式预测算法，同时结合插值技术生成对应的频率预测值。该自动重锁技术与FFT采用并行部署的方式且形成明确的功能分工，其中该技术依托信号自身的规律性开展频率预测，负责处理所有规律信号的失锁场景（无论失锁时长）以及短时（<1 s）非规律信号的快速重锁，FFT则负责处理非规律信号以及长时复杂失锁场景下的信号重新捕获，二者形成优势互补的工作模式。实验验证结果表明，在规律信号失锁的场景下，本研究提出的算法平均重锁时间为32 μs，最大重锁时间为60 μs，相较于FFT方法提升两个数量级，且重锁速度与失锁时长无关联，即在失锁时长达到10 s时仍能保持数十微秒量级的重锁速度，同时在−10~10 dB的信噪比范围内，频率估计误差稳定在10 Hz以下，即使信噪比低至−10 dB时仍可实现稳定锁定。这种与FFT协同部署的架构在保留FFT宽频捕获能力的基础上，显著提升了规律信号场景下的快速重锁能力，为空间引力波探测任务提供了高精度、快响应、强稳定性的相位测量技术支撑。

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。该极低数值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。

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。

色散扫描（Dispersion scan, D-scan）是一种基于色散调制与非线性频谱响应的超短激光脉冲表征技术，凭借其极简的光路设计和对宽带频谱及相位演化特征的高灵敏响应，已发展成为超短激光脉冲表征领域的重要工具。本文以D-scan技术持续适应激光脉冲表征实时性、鲁棒性等需求，以及向单周期、深紫外等极端参数拓展为核心主线，系统综述了D-scan技术在优化反演算法及实验方案拓展等方面的关键进展。首先，本文梳理了D-scan反演算法的发展过程，从早期的Nelder–Mead与差分进化算法，到目前作为标准的通用脉冲反演算法，再到实现毫秒级实时重构的深度学习技术。重点分析了各类算法在计算速度、鲁棒性及抗噪性能方面的提升。在实验技术方面，首先回顾了基于二阶非线性的二次谐波D-scan技术，详细讨论了其从传统扫描式方案向实时单发测量的技术跨越，同时介绍了基于二次谐波产生的D-scan在矢量光场表征中的最新进展。随后，针对二阶非线性在跨倍频程光谱重叠及深紫外波段相位匹配方面的物理限制，本文进一步探讨了基于三阶非线性效应及其衍生的D-scan技术，系统阐明了这些方法在拓展D-scan应用边界、实现单周期极限与深紫外波段表征方面的关键作用。最后，本文总结了当前D-scan技术在外部元件依赖性、长波长拓展及长脉宽测量方面面临的挑战，并对其在强场物理及阿秒科学中的未来发展方向进行了展望。

为低成本、高效率表征EUV光刻胶，本研究构建了一套基于桌面级高次谐波产生（High-Harmonic Generation, HHG）源与反射式干涉仪的光刻评估系统。光束线采用515 nm飞秒激光激发氩气产生高次谐波，经轮胎镜聚焦和闪耀光栅分光后，由狭缝选取第11阶谐波（46.8 nm）作为EUV光源。以磺酸肟酯修饰的聚苯乙烯（PSOS）非化学放大型光刻胶为测试对象，分别采用劳埃镜和对称双镜进行干涉曝光。针对样品面与对称双镜间的对准难题，提出了一种基于衍射条纹反演计算的光学测距方法，实现了对称双镜的精确定位。实验结果表明：采用劳埃镜可实现周期125 nm、高对比度的清晰线栅图案，完成待测材料百纳米级分辨率的表征；经衍射条纹反演法精确定位后，利用对称双镜可制备出周期60 nm的线栅图案，显著提升了系统的分辨能力。本研究展示的评估系统为光刻胶材料的快速筛选、分辨率极限研究及相关工艺开发提供了一个成本低、可推广的实验平台。

为了利用少周期脉冲实现超短孤立阿秒脉冲产生，需要研究双光学选通门技术对少周期光场电场的精密调控。在传统实验中，双光学选通门的调控对象通常是多周期脉冲，在分析中不考虑激光脉冲在介质传播中的高阶色散、倍频效率及倍频电场的精确波形，但这种近似对于少周期脉冲不再适用。本文基于耦合波方程组模型精确模拟了少周期脉冲在非线性晶体中的传播与倍频过程，揭示了色散效应等因素对选通门波形的关键影响。研究表明，当驱动光场为少周期激光脉冲时，双光学选通门的传统电场估算方法已不再适用。少周期脉冲激光具有超宽的频谱，不同波长成分的光相位累计的差异导致的群速度失配、相位失配和色散等效应相比于长脉冲会明显很多。对于少周期脉冲，调整偏硼酸钡（BBO）晶体厚度为126.4 μm时，可以得到最佳选通光场。本文提出通过协同调节波片与BBO晶体厚度可以精细调节驱动场与倍频场相对延迟，实现选通电场及驱动电场的优化，为超短孤立阿秒脉冲的产生提供了有效的参数优化指导。

随着光电技术的发展，光学薄膜广泛应用于军事、医疗、通信等领域，膜层厚度是决定其光学性能的关键参数，膜厚监控系统的精度直接影响光谱性能。针对直控式光学膜厚监控系统光源发散、探测器响应信号弱的波段引起厚度控制误差大的问题，本文提出将光信号发射与接收端均放置在真空腔外，避免腔室的振动、温度、装配等对光信号的干扰，基于光纤耦合与准直聚焦的光信号调制方案，通过将光源外置并集成化设计，结合多模光纤与复合光路系统，利用Zemax软件以监控镜片和光纤接收端面的光斑尺寸及能量密度为目标，优化光信号发射和接收端光学系统元件的参数，提高光信号及电信号的稳定性。改进后光纤接收端辐照强度提升222.7%，信号强度提升156.6%，信噪比提高70.38%。通过制备波长2400 nm、半高宽40 nm的窄带滤光膜，重复制备三次中心波长偏移在1 nm以内，半带宽均为40 nm。从而验证该系统在探测器响应信号弱的波段实现高精度、高稳定性膜厚监控。

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。

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。

目的：为了从色散扫描轨迹中恢复脉冲信息，本文采用了一种差分进化算法。方法：生成一个部分相干脉冲序列，并使用传统差分进化算法及其改进版本进行测试。结果：传统差分进化算法和改进差分进化算法的恢复误差分别为7%和1%。结论：改进算法能够更准确地恢复部分相干脉冲序列的色散扫描轨迹。

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。