设计并研制了一套用于激光切割的贝塞尔镜头及光束检测系统.此外，采用设计的贝塞尔镜头与中心波长为1 064 nm的皮秒脉冲激光器产生皮秒贝塞尔光束，对厚度为1 mm的硅酸盐玻璃进行了切割实验.结果表明，一定直径的高斯光束入射到此贝塞尔镜头上，产生的贝塞尔光束中心主瓣直径和无衍射传输距离分别达到3.4 μm和2.46 mm；切割实验中，玻璃分离前的表面微孔直径不超过设计的贝塞尔光束中心主瓣直径.本文设计的贝塞尔镜头及光束检测系统能够满足激光切割应用要求.

采用蓝光二极管（LD）离轴泵浦Pr：YLF晶体和谐振腔调控，开展了直接输出720 nm激光的空心光束和高阶横模特性的理论和实验研究.基于高阶厄米-高斯光束（HG）光强特征理论，数值模拟了厄米-高斯光束（HG）与拉盖尔-高斯光束（LG）之间的模态转换特性.实验中，采用442 nm蓝光LD作为激光泵浦源，在紧凑的平凹谐振腔内使激光起振.通过LD离轴泵浦Pr：YLF晶体和谐振腔调节手段，直接获得空心和高阶HG模式的720 nm激光输出.同时，理论分析了HG模式相干叠加产生不同空间模态的光强分布，实验结果证实高阶HG光束与理论计算基本一致.本文方法在粒子操控、光学微加工和光通信等领域具有潜在应用价值.

为将单晶硅的吸收限拓展至近红外波段以满足光通讯之需求，利用纳秒激光脉冲辐照单晶硅表面制得了表面结构化的硅.研究了能量密度从0.39 J/cm²到24 J/cm²的激光脉冲辐照后结构化硅表面的形貌差异.测试并分析了不同能量密度的激光脉冲辐照后结构化硅的反射率、透过率和吸收率等光学性质.研究发现，相比于单晶硅衬底，所有结构化硅样品都表现出近红外吸收增强特性，对1 500 nm的近红外光的吸收率高达55%.进而对改性硅样品的红外吸收的热稳定性进行了研究.在473 ~1 073 K的温度范围内对改性硅样品进行退火，通过分析改性硅的反射率、透过率和吸收率随退火温度的变化规律，发现热退火处理会轻微降低改性硅样品的红外区吸收率，吸收率降低幅度低于10%.最后，通过分析脉冲激光改性硅的拉曼光谱，获得了改性硅的晶体结构信息.经过纳秒激光脉冲辐照后，硅表面处于无序化状态，形成非晶或多晶相，但是后热退火工艺可以有效改善结构化硅表面的晶体质量.

为了研究光纤布拉格光栅柔性传感器与封装材料界面间的相对滑移引致的应变误差是否可以忽略，采用ANSYS有限件元仿真软，分析了滑移引起的纤芯各点轴向应变的相对误差与正向压力关系，通过分析影响传感器结构的敏感性参数包括纤芯材料、涂覆层材料、封装材料与尺寸，探讨相对滑移对光纤布拉格光栅轴向应变相对误差的影响.研究结果表明，正向压力在［0.1 N，10 N］范围时，纤芯各点轴向应变相对误差随着正向压力的增大而减小，且呈现纤芯小两端大的趋势.实际应用中应结合正向压力大小，选取弹性模量较小的纤芯材料和摩擦系数较大的封装材料，可使轴向应变相对误差小于10%；选择涂覆层弹性模量为2.4×10¹⁰ Pa，厚度为0.062 5 mm，可使轴向应变相对误差降低到8.57%；当光纤布拉格光栅半埋入长度大于40 mm时，纤芯的轴向应变相对误差总体低于20%，此时可认为涂覆层与硅胶之间为完全粘结，无相对滑移.

为了探究同结构级联传感器的级联级数对传感器灵敏度的影响，对基于同结构二级与三级级联的马赫曾德光纤传感器进行了研究.实验中，分别采用放电熔接法制作了基于腰椎放大结构的和错位结构的二级级联和三级级联的M-Z光纤传感器.并对二级级联结构和三级级联结构的应变传感特性进行了研究.实验结果表明，双腰椎放大的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.76 pm/με，三腰椎放大的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.75 pm/με，应变灵敏度变化为0.01 pm/με；双错位结构的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.73 pm/με，三错位结构的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.77 pm/με，应变灵敏度变化为0.04 pm/με，因此，与二级级联结构相比，三级级联结构在灵敏度上并未有明显的提升.该研究表明多级级联的M-Z传感器并不能提高灵敏度.

为了解决传统激光雷达几何因子计算方法存在偏差的问题，通过几何光学推导出望远镜中全视场和半视场的视场函数，通过对均匀发射激光光束区域的视场函数二重积分与激光光束截面积的比值得到几何因子.考虑激光光轴倾斜失调的影响，推导出大气探测同轴激光雷达的几何因子计算公式.根据所提出的计算公式对典型大气探测同轴激光雷达的几何因子进行计算，并与传统方法进行了对比，结果显示最小全重叠距离一致.最后分析了与激发发射相关的激光光束直径、发散角和激光光轴倾斜角对几何因子的影响，结果表明激光发散角的影响比光束直径更大.该方法适用于均匀分布激光发射光束的激光雷达几何因子快速计算，可为激光雷达的光机设计提供参考.

针对水下无线激光通信中光斑易变形、易受湍流影响和易被遮挡的问题，采用均值漂移与无迹卡尔曼滤波器结合阈值判断的跟踪光斑算法，获取跟踪光斑实时位置坐标.分析得到光斑在被遮挡、变形和受湍流影响时，实际移动轨迹和跟踪移动轨迹的误差分别在 2.1%、4% 和1.2%左右，验证了算法的可行性.搭建接收机对准系统，利用跟踪光斑实时位置和中心位置的关系，控制接收机和发射机的实时对准.通过对比对准系统获得光斑的实际中心坐标和严格对准时光斑中心坐标之间的偏差，来反映系统的对准精度，实验结果发现接收机的运动角速度越大，对准精度越小.

采用双掺杂方法，实现了具有高陷阱浓度的有机光电倍增探测器.在优化的单掺杂（活性层为P3HT：PC₆₁BM：C₆₀）器件基础上，保持C₆₀的最优掺杂比例不变（1.0 wt%），同时掺杂C₆₀和DDQ两种电子陷阱，研究不同DDQ掺杂浓度对P3HT：PC₆₁BM活性层中陷阱浓度和探测器光电性能的影响.结果表明，双掺杂C₆₀：DDQ活性层的最大掺杂浓度为1.5 wt%，与单掺杂C₆₀活性层（最大掺杂浓度为1.0 wt%）相比提高了约1.5倍；双掺杂C₆₀：DDQ器件的陷阱浓度为2.02×10¹⁸ cm^-3，与单掺杂C₆₀器件（陷阱浓度为5.83×10¹⁷ cm^-3）相比提高了约3.5倍；在-2 V偏压下，双掺杂C₆₀：DDQ器件的外量子效率高达2015.32%，比单掺杂C₆₀器件（外量子效率为202.60%）提高了约10倍.采用双掺杂方法可以大大提高陷阱浓度，从而实现活性层的高浓度陷阱掺杂.

Si/Si键合可以在低温下获得高强度、零气泡的键合片，但极难获得无氧化层的键合界面，因此难以应用于光电子领域，本文从理论上研究了Si/Si键合界面氧化层厚度对键合Si/Si p-n结光电特性（电流、带宽和光谱）的影响.通过隧穿率、载流子浓度、电场分布、载流子速率、复合率等参数的变化揭示键合Si/Si p-n结性能影响因素，为超高质量Si基Si雪崩层及高性能Si基雪崩器件的制备提供理论指导.结果表明：随着氧化层厚度的增加，载流子隧穿率变小，p-n结光暗电流降低（光谱响应下降）、复合率下降、载流子在p-n结内出现堆积.其次，随着氧化层厚度的增加，器件RC时间常数变大，氧化层内电场增强，导致Si层内电场下降，3 dB带宽变小.

为获得薄膜金属玻璃在可见-近红外波段的光学常数，采用真空磁控溅射技术在Si基底上制备Zr基（ZrCuNiAl（64.13∶15.75∶10.12∶10%at））薄膜金属玻璃.使用椭圆偏振光谱仪测量了样品在三个不同入射角的椭偏参数，并用Drude-Lorentz双振子模型对测出的椭偏参数进行拟合，得到薄膜在可见-近红外波段的光学常数与膜厚.用掠入射X射线反射法进一步测量样品的膜厚以验证椭圆偏振光谱仪测量结果的可靠性.结果表明，两种方法测出的样品膜厚一致，Drude-Lorentz双振子模型很好地描述了Zr基薄膜金属玻璃样品在可见-近红外波段的光学特性.在可见-近红外波段，样品在同一波长的椭偏参数Ψ和Δ随入射角增大而减小，介电常数实部为负值且随波长增大而减小，介电常数虚部为正值且随波长增大而增大；样品折射率明显小于消光系数，且折射率在1 070 nm处出现极大值，消光系数则在1 070 nm附近出现拐点，表明金属玻璃兼具一般金属和玻璃的光学性能.本文研究结果对Zr基及其它薄膜金属玻璃光学特性的研究和测量具有一定指导作用.

利用光刻掩模和热蒸发沉积技术制备兼容电磁屏蔽红外窗口薄膜器件，实现3~5 μm波段红外信号高效增透，且能屏蔽12~18 GHz频段的电磁波信号.通过光刻掩模和真空热蒸发沉积技术在双面抛光Si基底上制备满足要求的十字交叉对称金属网栅结构，通过离子束辅助电子束热蒸发沉积技术制备3~5 μm波段高效增透的红外膜.为进一步改善金属网栅的透射率，在周期g为550 μm，不同线宽的金属网栅薄膜上沉积红外增透膜.结果表明：通过真空式傅里叶变换红外光谱仪测试得红外膜样片在3~5 μm的峰值透射率为99.8%，平均透射率为99.3%.矢量网络分析仪测试金属网栅12~18 GHz频段的电磁屏蔽效能，得到兼容电磁屏蔽红外窗口薄膜器件在12~18 GHz频段内总体电磁屏蔽效能优于27 dB，3~5 μm红外波段的峰值透射率为86.3%，平均透射率为86.1%.金属网栅薄膜上镀制增透膜在保证电磁屏蔽效能不变（≥27 dB）的前提下，网栅光谱（透射率）提高了37.6%（网栅周期g为550 μm，线宽2a为30 μm）.屏蔽效能的改善既可以通过调整网栅的周期和线宽，也可以选择电阻率较低的基底材料实现.

采用以算符为宗量的厄密多项式理论找出生成分数傅里叶变换的算符，即将分数傅里叶变换纳入量子理论.分析坐标—动量互换算符在分数傅里叶变换加法律中的作用.在推导过程中，充分利用了算符厄密多项式的广义母函数公式以及编好序的积分理论.算符厄密多项式理论的核心是H_n\left(Q\right)=:{\left(\mathrm{2}Q\right)}^n:，即把复杂的特殊函数结构算符用正规排序的幂级数来代替，极大地简化了运算过程.

为了提高纠缠态的内禀鲁棒性，并延长纠缠消退时间，探讨了幅值阻尼环境中量子比特基对两体纠缠鲁棒性的影响.展示了各种量子比特基下纠缠的退化特征和寿命，并给出各种情况下的最佳量子比特基.当纠缠态处于最佳量子比特基时，其纠缠退化的速率最慢，且不会在有限的时间内消失.结果表明可适时通过旋转量子比特基的方法来增强纠缠态的稳健性，将有助于提高基于纠缠的量子协议的实施质量或效率.

针对中高轨碎片光电观测望远镜（简称中高轨望远镜）野外精度标定手段有限的难题，理论分析利用国产北斗导航卫星系统鉴定天文定位和轴系定位测量精度的方法，通过分析卫星覆盖性、轨道精度和亮度等因素研究方法的可行性.对定期公布的数据间隔约为5 min的精密星历进行拉格朗日插值处理，并进行坐标转换，解算望远镜观测时刻在天球赤道坐标系中卫星相对测站的视赤经和视赤纬以及卫星在测站坐标系中的方位值和俯仰值，作为理论真值鉴定天文定位和轴系定位测量精度.利用此方法检测某中高轨望远镜天文定位精度优于2″，轴系定位精度优于7″.

针对测量动态范围大、室外环境温度变化剧烈等因素，设计了宽温度范围（-40~60℃）紧凑型全量程激光甲烷探头.为减小传感器体积，电路采用层叠结构设计，通过单片机STM32F405实现激光器温度控制、波长扫描调制、数字锁相放大及浓度信息实时反演.电路系统和测量气室封装在仅Φ35 mm×60 mm的不锈钢外壳内，中间有窗片实现物理隔离，确保本质安全.低浓度时使用波长调制技术，保证探头测量精度和测量下限；高浓度时，使用直接吸收光谱技术，保证量程和线性度.在25℃标准大气压下，低浓度（<2%）测量误差小于±5.00×10^-4，检出限为2.24×10^-4，在允许基线校准或者背景扣除的条件下，测量下限可以提高到6.026×10^-5；高浓度（2~100%）测量误差小于真值的±5%.在-40~60℃环境温度下，分别使用1.2%和20%标准气体进行温度性能测试，最大相对测量误差为-3.3%和-3.15%，完全满足国家相关标准要求，可广泛应用于城市综合管廊、天然气管道及站场泄露监测、煤矿安全预警等场合.

为保持空间细节和减少光谱扭曲，同时针对改进的分量替换融合方法在构建强度分量时，容易存在系数为负或过小的问题，提出了一种结合光谱响应函数和全局方差匹配的遥感图像融合方法.该方法基于通用分量替换融合框架，使用全色和多光谱传感器的光谱响应函数反映的辐射能量响应的比例关系来构造强度分量，物理意义明确，数学形式简单明了.同时使用全局协方差和方差之比来计算空间细节调制参数，减少光谱畸变，满足通用分量替换融合框架的约束条件.选取两组不同卫星图像作为测试数据，并与多种成熟的融合方法相对比，结果表明，该方法得到的融合图像空间和光谱质量都较好.

为了解决红外图像对比度低、细节模糊的问题，提出了多尺度卷积结合双区间自适应亮度均衡化的红外图像增强方法.首先采用多尺度卷积对图像进行预处理；然后以最大化类内方差且最小化类间方差作为遗传算法适应度函数求解图像亮暗图层的划分阈值，并采用引入细节信息的双区间直方图进行均衡化，同时通过引入均方差和均值的灰度均匀化方式提高图像亮度；最后，将自适应受限拉普拉斯算子提取的细节图像与亮度提升的图像进行线性加权融合重构出细节边缘清晰、对比度较强的图像.采用不同场景下红外图像和细节丰富的灰度图像进行试验并与传统方法进行对比来验证该方法的有效性.本文方法处理后的图像信息熵（Entropy， En）、熵增强（Enhancement by Entropy， EME）和平均梯度（Average Gradient， AG）最大增幅分别由原来的5.039 1、13.446 1和7.845 0增加到7.163 3、90.252 5和53.617 7 ，表明该方法具有更好的性能.

为提高小规模训练集下CNN特征驱动的浮选工况识别效果，提出一种基于泡沫红外与可见光图像CNN特征提取及自适应迁移学习的工况识别方法.首先构建基于AlexNet的双模态CNN特征提取及识别模型，并通过RGB-D大规模数据集对模型的结构参数进行预训练；其次，用多个串联的双隐层自编码极限学习机代替预训练模型的全连接层，实现对双模态CNN特征的融合及逐层抽象提取，然后通过核极限学习机映射到更高维空间进行决策；最后构建浮选小规模数据集对迁移后的模型进行训练，并改进量子狼群算法用于模型参数优化.实验结果表明：自适应迁移学习能够明显提高小样本数据集下的识别准确度，采用双模态CNN迁移学习较单模态CNN迁移学习的工况识别精度提高了3.06%，各工况的平均识别准确率达到96.83%，识别精度和稳定性较现有方法有较大提升.

提出了一种基于最优分类特征的偏二叉树孪生支持向量机多分类算法（OCF-PBT-TWSVM），以实现针对齿廓图像边缘失真的非平稳瞬态随机信号进行有效分类，满足齿轮视觉测量实时性和失真补偿精度的要求.选择边缘动态分量信号最大值{\mathit{v}}_m、边缘失真信号位置q_u、边缘失真率r_lv构成特征向量，组成训练样本集和测试样本集；以失真补偿需求为目标定义变权值特征向量测度\gamma，按照\gamma递减原则自顶向下完成OCF-PBT-TWSVM算法构建；采用粒子群优化方法进行算法参数优化，使c_{\mathrm{1}},c_{\mathrm{2}},g参数的性能达到最优.试验结果表明：在小样本数据情况下，提出的OCF-PBT-TWSVM多分类算法的最终分类准确率达96.96%，与PBT-SVM多分类算法相比具有更好的分类效果、训练速度也更快，能够满足后续失真补偿测量精度和齿轮视觉测量实时性的需求.

研究了射频场的频率和不同的原子相干态对瞬态效应的影响.发现，即使共振射频场突然失谐，极化态上的原子仍然会经历较强的瞬态效应，且瞬态效应的振荡频率为\Omega =\sqrt[]{{\Omega }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}+{\delta }^{\mathrm{2}}}.此外，发现瞬态效应的幅度还取决于相干原子的布居，相干原子数越多，瞬态效应也就越强.最后，基于刘维尔方程计算了射频瞬态作用下原子对光强的吸收，发现实验数据与理论结果吻合良好.本文研究结果能进一步加深理解原子相干性与瞬态效应之间的关系.

研究了BBO非线性晶体温度变化对自发参量下转换相关光子输出角度和转换效率的影响，以此获取BBO非线性晶体适宜的工作温度，从而降低温度对系统长期稳定性的影响.根据实验需求设计晶体夹持和温控系统，通过ANSYS热分析保证系统的可行性和可靠性.之后改变晶体加热温度，在温控精度不低于±0.03℃条件下测量相关光子输出角度和不同光束质量下光子数率随温度变化曲线.结果表明随着晶体温度的升高，相关光子输出角度随温度增加呈正比例减小趋势，该结果与理论计算结果相符.同时晶体从25℃升温至55℃可提高较差光束质量光子数率约34%，55℃以后，温度增长在较小比例提高光子数率的同时会极大的提高测量的背景噪声.综合可知，BBO晶体在工作过程中使用温度以55℃为宜.

在多角度动态光散射纳米颗粒粒度分析反演算法中，加权贝叶斯算法具有较好的抗噪性能，然而初值敏感、耗时长等缺点限制了其广泛应用，本文提出非负最小二乘约束下的加权贝叶斯反演算法，利用非负最小二乘法的计算结果作为加权贝叶斯算法先验初值，并限制中值粒径和峰宽的寻优.对不同分布宽度的单峰颗粒系统在不同噪声下进行数据模拟，发现无论是宽分布还是窄分布的单峰颗粒系统，非负最小二乘约束的加权贝叶斯算法都可以显著提升迭代收敛速度和抗噪性能，在大噪声时收敛速度提升8倍以上且保证分布误差在0.070 9以内.实验结果证明本文算法能很好地应用于多角度动态光散射的粒度分析.