为了降低空间相机的装调难度，开展了共基准一体化铝合金反射镜结构和工艺协同设计研究。首先，基于镜面、柔性结构、安装基准等多功能要素集成于一体的理念，开展一体化反射镜结构设计。然后，在结构设计的同时开展共基准工艺设计，建立了加工过程误差传递数学模型和精度分配方案。最后，针对所设计的反射镜开展了仿真分析和加工验证。结果表明：一体化反射镜在典型工况下面形误差变化小于RMS0.01λ@632.8 nm，加工面形精度可达到RMS0.016λ@632.8 nm，共基准一体化反射镜光学基准和机械基准偏差优于2″。本文设计的共基准一体化铝合金反射镜能够满足空间金属反射镜稳定可靠、面形精度高、光机基准一致性优异等要求。

针对复杂海况下舰船尾迹红外探测需求，提出基于微面元模型的动态舰船尾迹红外偏振特性分析方法，构建了复杂海面背景的尾迹红外偏振效应解析模型，基于P-M海谱模型与开尔文尾迹模型，引入微面元双向反射分布函数，分析了动态海面背景下舰船尾迹红外偏振特性规律，掌握了航速、吃水深度、风速和风向等参数对尾迹红外偏振度、偏振角、对比度等特性的影响。其中，尾迹红外偏振度图像的平均对比度较传统强度图像提升159%，偏振角图像提升258%。将数学仿真与计算流体力学仿真相对比以验证尾迹红外偏振效应解析模型的有效性，结果表明相似度优于95.7%。将尾迹实拍图与仿真结果进行对比发现，二者具有较高相似度，验证了采用该模型对海面背景下舰船尾迹红外偏振特性仿真分析的有效性。本研究为复杂海况下舰船高精度、抗干扰探测与识别提供了重要的理论基础。

虚拟染色技术通过深度学习可实现无标记成像到荧光特异性成像的转换，能够显著降低活细胞成像的复杂性和光毒性，从而实现多通道、高通量、长时程的高分辨率成像，对生物医学研究具有重要意义。现有方法多依赖配对数据的有监督学习，为降低虚拟染色对配对数据的依赖，并进一步提升生成图像的质量，本文提出一种融合掩码自监督机制的无监督虚拟染色框架MVS-CycleGAN。该方法无需配对图像，通过引入随机掩码重建任务，遮挡输入图像的部分区域并强制网络利用语义信息进行补全，使模型能够同时捕捉目标域的全局形态和局部纹理，有效施加语义约束，从而缓解传统无监督模型在跨域转换中常见的语义漂移问题。在三类细胞数据集上的实验表明，MVS-CycleGAN整体优于传统方法：FSIM在BJ-5ta细胞膜/细胞核分别为0.784和0.565，HEK293T为0.854/0.830，Neuromast为0.657/0.740（分别提升了1.03%、9.50%、1.07%、0.85%、1.08%、5.56%)。此外，下游分割实验进一步证实了虚拟染色图像在定量分析中的有效性。研究结果表明，该方法为虚拟染色技术在多样化生物医学场景中的应用提供一种可行的解决思路。

为了能够精确监测甲烷点源排放情况，本文研究了将法布里-珀罗（F-P）干涉仪用作空间成像光谱仪的分光元件，以实现高空间分辨率与高光谱分辨率的兼顾。围绕F-P腔的理论与物理模型构建展开研究，旨在实现高光谱分辨率，以满足甲烷排放点源监测的技术需求。首先，基于多光束干涉理论，构建了理想条件下的F-P腔干涉初始理论模型。在此基础上，考虑有限通光孔径效应，建立了相应的几何模型，并推导出有限通光孔径条件下的F-P腔理论模型。此外，通过引入表面缺陷分布函数，进一步构建了包含微观随机不均匀性缺陷和曲率缺陷的F-P腔理论模型，从而形成更完整的理论框架。在物理模型构建方面，根据初始理论模型，对F-P腔进行初步设计，使其匹配甲烷吸收光谱的监测需求。基于有限通光孔径F-P腔的理论模型，结合透射光强函数曲线及其斜率曲线，精确确定F-P腔的通光孔径尺寸。在此基础上，结合镜体背面楔角，对F-P腔物理模型进行了进一步优化。接着，以实现目标频谱特性和技术要求为导向，深入分析F-P腔两平行平板间隙间距的允许变动范围，从而确定了F-P腔间隙距离的公差范围。根据表面缺陷条件，设计F-P腔反射表面的表面粗糙度、面形精度及平行度。最终，优化后的F-P腔光谱分辨率达到0.29 nm，满足甲烷排放点源监测的技术要求。本研究通过构建更完整的F-P腔理论模型，并优化其物理设计，实现了高光谱分辨率和高空间分辨率的兼顾，为F-P干涉仪在空间成像光谱仪中的应用奠定了理论基础，同时为高精度光谱探测技术的发展提供了重要支撑。

针对共形光学系统设计中理论指导不足、过度依赖试错优化的问题，本文提出一种基于平面对称系统像差理论的设计方法。通过建立全局面型参数与局域面型参数的转换关系，将现有像差理论拓展至共形系统，实现了各表面像差贡献的解析计算。基于该理论框架，构建了两步式设计策略：首先，通过分析整流罩外表面的像差贡献分布规律，选取像差贡献最小的万向节点位置作为系统初始结构；其次，在拱形校正器优化过程中，逐步引入与像差相关的自由曲面参数，并构建像差系数评价函数。为验证方法的有效性，对同一设计指标组合不同万向节点位置与优化方法，完成14组共形系统的对比设计。结果表明：采用本文方法设计的系统在42 lp/mm空间频率处全视场调制传递函数（MTF）优于0.4，成像质量接近衍射极限，性能达到传统设计方法的2.4倍。该方法为高性能共形光学系统设计提供了系统的理论指导。

拼接光栅是实现光栅位移量程拓展的重要方法，但拼缝和拼接误差的存在导致无法实现高精度连续的位移测量。因此，本文提出一种改进的拼接光栅位移测量方法，通过大光斑抑制方法减少拼缝过程中光信号强度的损失，利用波前梯度调制技术保证连续位移测量，建立拼接光栅波前与位移测量误差的映射理论模型，并使用单侧利特罗光路进行连续位移测量实验验证。实验结果表明，在满足波前梯度指标的前提下，理论模型误差与实际测量残差之间线性相关度大于0.9，修正后连续位移测量残差小于50 nm。充分验证了该方法能够实现高精度连续位移测量，高稳定的量程拓展，为光栅位移测量领域提供了新的量程拓展思路。

使用基于计算全息图（CGH）的子孔径拼接检测方法是检测柱面镜表面轮廓的常用方法之一。由于误差的累积放大，以及基于正交多项式的常规像差拟合方法无法有效分离误差和真实面形，拼接结果存在低频面形信息失真的问题。针对这一现象，本文提出了一种补偿修正柱面镜表面轮廓低频面形信息的新方法，先使用基于逐次拼接的切比雪夫多项式拼接方法进行拼接，再单独对镜面的拼接方向（即母线方向）轮廓进行检测，获取母线方向低频信息后，对拼接结果进行进一步的融合修正。通过对一通光口径为150 mm×210 mm，曲率半径为790.23 mm的柱面反射镜进行拼接检测实验验证，所提方法有效修正了柱面镜的母线方向轮廓，与使用全口径CGH 检测得到的全口径参考面形相比，柱面镜拼接检测结果残差均方根（RMS值）约为0.0103λ，与修正前相比，拼接残差RMS值降低了约37%，检测精度显著提升。方法具备操作简便、硬件要求较低、检测精度可靠等优势。

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。

空间引力波探测计划拟在太空中使用3颗卫星建立等边三角形的星座结构，通过激光外差干涉的方法实现中低频段引力波信号的探测。激光捕获跟瞄技术用于实现卫星间光束的高精度对准,实现三条双向激光链路的构建。差分波前传感（DWS）技术是激光跟瞄阶段的核心，是实现纳弧度级角度分辨的关键。为充分验证激光捕获跟瞄系统的在轨可行性，需对原理样机开展地面长距离验证实验。然而光束在大气中的传输会严重影响DWS技术的角度测量能力，亟需寻求干扰的抑制方案。为此本文首先通过数值仿真的手段，系统分析了大气对DWS的影响，首次提出引入自适应光学技术补偿大气对DWS信号的干扰，之后设计并搭建了基于DWS信号及波前测量的双控制回路激光跟瞄实验系统。引入了像差扰动开展实验，实验结果表明，在0.1 Hz−1 Hz频段，同频段性能可提升约10倍，充分说明了自适应光学系统可以有效提高DWS在大气环境下的测量能力，为后续的激光捕获跟瞄系统长距离大气环境地面验证奠定了基础。

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。

为了实现对生物分子的高精度质量检测，本文提出一种基于混合旋转光力系统的高分辨率生物分子质量传感方案。该系统中，一个旋转的回音壁光力腔在声子泵浦驱动下，与另一个具有光学增益的回音壁腔发生耦合。首先，利用旋转回音壁光力腔的顺时针或逆时针旋转产生Sagnac效应，从而实现对腔场频率的非互易调控。其次，引入光学增益回音壁腔构建宇称时间对称或破缺系统，增强透射谱的振幅强度。同时，采用声子泵浦对机械呼吸模式进行相干驱动，进一步增强系统的光学响应。通过求解系统的量子朗之万方程并利用输入-输出关系，得到探测场的透射谱表达式。当生物分子（如杆状病毒或冠状病毒）沉积在回音壁光力腔表面时，通过监测透射谱中机械边带峰的共振频移，即可反演待测分子的质量。数值结果表明，Sagnac效应、光学增益腔和声子泵浦共同使透射谱振幅强度显著增强，进而提高质量传感的灵敏度。与基于单腔光力系统的传统光学质量传感方案相比，本方案的质量灵敏度提高约一个数量级，最小可检测质量达到p克量级（~1 pg）。该方案实现了超灵敏、高分辨率的生物分子质量检测，为芯片级超高分辨率传感器件提供了新的物理平台。

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。

为了能在更简化的结构设计中实现更稳定的宇称-时间（parity-time，PT）对称，以提高光信噪比和边模抑制比，本文提出并实验验证了一种基于偏振调控PT对称的低噪声线偏振单纵模光纤激光器。该PT对称结构采用线性反射结构，由工作在慢轴上的保偏环形器、偏振控制器以及单模光纤布拉格光栅组成。当增益和损耗相等且超过耦合系数时，系统满足PT对称破缺条件，从而实现单纵模激光输出。实验结果与理论分析结果一致。激光器获得了稳定输出，其边模抑制比达到62.6 dB，光信噪比为64.32 dB，洛伦兹线宽为182.5 Hz。在4 h测试时间内，激光器的偏振度和偏振消光比分别保持在99.8%和30.8 dB以上。此外，对PT对称激光器的相对强度噪声和相位噪声进行了分析，并与其他光纤激光器和半导体激光器进行了对比，验证了PT对称激光器的低噪声特性。

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。

目的：为解决回音壁模式谐振器（WGMR）在实际应用中因环境敏感导致的长期稳定性差、环境鲁棒性不足等问题，提出一种新型棱镜耦合封装策略，旨在显著提升其工程实用性与可靠性。方法：首先，介绍一种全固态光学胶合工艺，结合主动温控与气密封装技术，构成完整的封装方案。其次，对独立的WGMR模块进行综合性详尽的表征测试，主要评估其温度敏感性与加速度敏感性。最后，将该封装模块分别应用于光学频率参考源和非线性光子学平台中，测试其短期频率稳定性和产生光学频率梳的性能。结果：实验结果表明：1）封装模块的温度敏感性低于10⁻⁷/°C；2）其低频Z轴加速度敏感性低于10⁻¹⁰/g；3）作为光学频率参考时，在2 ms积分时间内实现了2×10⁻¹³ 的短期频率稳定性；4）作为非线性平台，在100 mW泵浦功率下成功产生了克尔孤子微梳。结论：该棱镜耦合封装方案具有紧凑、坚固、稳定的特点，其关键性能指标有效满足了高可靠性应用的需求。该方案显著增强了WGMR在窄线宽激光器、便携式微梳等实际场景中的即时应用能力，有力推动了WGMR技术从实验室研究走向实际部署

针对传统磁性非互易器件体积庞大、成本高昂且损耗严重的问题，本文提出了一种基于基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）的时空晶体超表面天线，可实现紧凑、高效的无磁非互易辐射与波束调控。利用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）控制PIN二极管阵列在SIW表面实现等效动态行波调制，并基于Floquet-Bloch理论构建色散模型，阐明了时变系统中的动态色散及谐波模式选择机制。实验结果表明：在波导端口激励下，实现了频率-动量映射的多波束辐射；而在自由空间入射条件下，则观测到了确定性的非互易频谱跃迁现象，信号遵循谐波阶数倍增的规律发生频率上转换。实验在一阶及高阶谐波通道中均证实了时间反演对称性破缺，并实现了高达17.9dB的非互易隔离度。该研究验证了SIW时空编码技术在构建无磁非互易器件方面的有效性，为在下一代智能无线通信系统中实现频率转换、单向传输、伪多普勒效应提供了一种有效的技术途径。

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。

水体对光线的多次散射会形成水下光场，水下光场的存在使水下光电成像质量显著恶化，为了对水下光电图像质量退化进行定量分析，需要研究水下光场分布，建立严格的水下图像传输模型。假定水体体散射函数为球形对称，首先计算出理想点光源的水下光场分布，然后通过沿路径的亮度积分得到水体点扩展函数，最后借助于球谐函数与球面卷积等数学工具推导出球面空间中的水体调制传递函数。在已知水体固有光学参数的条件下，给出了水体调制传递函数以及对比度极限因子的图象。该算法模型解决了球形体散射函数条件下的水体调制传递函数推导问题，为解决非球形体散射函数及动态光场条件下水体调制传递函数的推导问题奠定了基础。

高功率高光束质量短脉冲/超短脉冲绿光激光器在工业、医疗、科研等领域应用广泛。为了明晰基于二次谐波产生（倍频）的绿光光源的研究进展，本文系统综述了千赫兹重复频率下二次谐波产生绿光光源的最新进展，按脉宽和倍频形式分为纳秒腔内倍频、纳秒腔外倍频、皮秒腔外倍频及飞秒腔外倍频四大类别。纳秒腔内倍频KTP、LBO等晶体，功率升至51.1 W（能量50 mJ，重频1 kHz），效率50%。纳秒腔外以LBO为主，采用两倍频晶体串联可将倍频功率提升至1.04 kW（能量1.04 J，效率89%）。皮秒腔外倍频平均功率功率最高可达1460 W（能量259 mJ，效率71%）。飞秒倍频通过采用薄晶体，功率提升至29 W（能量440 μJ，效率>52%）。基于二次谐波产生的绿光光源以及相关的应用技术进步，将不断拓展其在科研、工业、医疗等领域的应用边界。

针对高温环境下振动监测面临的传感器失效与信号失真问题，本文提出了一种全石英光纤法布里-珀罗高温振动传感器。设计了基于石英球透镜的准直耦合结构，实现了光纤与高温区振动敏感结构的一体化集成。利用微机电系统(MEMS)加工技术与热压键合技术实现传感器敏感单元批量化制备。采用三波长动态解调与光谱互相关解调相结合的方法，实现了对高温环境下振动信号的提取和温度补偿，消除了温度波动对振动灵敏度的干扰。实验结果表明，从室温（23 °C）至800 °C，传感器的灵敏度由1.051 nm/g降低到0.8915 nm/g；经温度补偿后，传感器的残差平方和最大为0.168，全量程误非线性误差不大于1.033%；在动态响应测试中，该传感器的特征频率远高于6000 Hz，在100−2000 Hz的频率响应范围内表现出较高的平坦度，其灵敏度在2000−6000 Hz之间逐渐增加，最大增量仅为0.177 nm/g。此外，传感器具有高一致性、全无胶化集成、抗电磁干扰等优点，为高温环境下的振动测量提供了一种新的解决思路，在高温振动领域具有广泛的应用前景。

针对激光在空海跨域下行传输过程中受到大气湍流、气-海界面扰动和海洋湍流等多源、多尺度复杂扰动的影响，研究了光束空间相干性的演化规律，并提出了一种基于复合扰动模型的分析方法。基于Kolmogorov理论、Pierson-Moskowitz（P-M）海面波动谱以及斜程海洋折射率空间功率谱，构建了空海跨域复合扰动模型；结合Rytov近似理论，建立了互相干函数与波结构函数的解析关系，并进一步推导了高斯光束在斜程海洋湍流中的波结构函数表达式。各模型组件均通过独立验证。结果表明，湍流强度、传输距离及环境参数的变化均会显著影响光束的空间相干性，从而对跨域空间光通信系统性能产生重要影响。与单一湍流近似模型相比，所提出的复合扰动模型能够有效修正近似模型空间相干性的预测偏差，修正幅度约为20%-30%，并揭示了多源扰动对光束空间相干性演化规律的作用机制。该复合扰动模型为空海跨域光通信链路的性能评估与系统优化提供了有效支撑，有助于提升实际环境中光通信系统的稳定性与可靠性。

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。

由于实际的离焦投影系统产生非线性效应，影响了相位测量精度，为此对二值条纹离焦投影的相位误差展开研究。基于该领域研究现状分析，给出了非线性系统中变形条纹图信号光强的分布表达式，分析了频谱中出现了高级频谱成份并与基频成份混在一起产生混叠现象的原因。采用了对投影仪进行离焦处理的方法滤除频谱中的高级频谱成份，过滤出其中的一个基频成份并进行逆傅里叶变换，得到空间域中的条纹光强表达式；采用相移算法与相位展开得到包含连续信号的连续相位，推导出了在实际测量中进行相位展开后的误差表达式。用仿真与实验验证了基本原理的正确分析，仿真结果表明，采用本文方法所得误差值分别为二值条纹离焦法的34.51%、参考文献[1]的44.83%、参考文献[10]的67.83%；实验结果表明，采用本文方法具有良好的相位恢复效果，且相对应的相位误差也比较小。

手性超表面在物理学、材料科学、药用植物学和通信领域发挥着关键作用。为实现高性能手性响应（如高圆二色性（CD）和高品质因数（Q因子）），基于BIC的超表面作为极具前景的平台已被广泛研究。然而，现有的BIC超表面大多依赖金属结构，其高电磁损耗与动态手性调节能力的缺失共同限制了实际应用价值。本文提出一种全介质手性BIC超表面。通过光照对称性破缺，该超表面展现出0.93的圆二色性值。此外，通过调节外部泵浦光能够实现圆二色性的动态调谐。该方案为动态操控手性超表面开辟了新途径，可用于实现更复杂的动态手性特性表征与应用。

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。