随着新型荧光探针、先进激光、高灵敏光电探测器等相关领域的不断发展，突破衍射极限的超分辨光学显微技术为现代生物医学研究提供了新的有力工具，其中的单分子定位技术利用荧光分子的光开关效应，实现了亚细胞结构的纳米精度超分辨成像.本文介绍了单分子定位超分辨显微技术的基本原理与实现，例举了其在细胞生物学、组织生物学以及神经科学等方面的应用，讨论了该技术目前的发展趋势及可能的改进方向，为相关领域科学研究提供参考.超分辨光学显微技术的不断创新将推动生命科学的新发展.

为了解决阵列中每个发光点性能分布不均的问题，研究了微通道水冷封装的960 nm半导体激光器阵列，阵列包含38个发光点，腔长为2 mm，在驱动电流为600 A、占空比为10%的条件下，输出的峰值功率达到665.6 W，电光转换效率为63.8%，中心波长为959.5 nm.通过对应力的理论分析，给出了各个发光点应变的表达式；通过搭建单点测试系统获得阵列中每个发光点的阈值电流、斜率效率、光谱和功率等光电特性；结合应变理论分析可知，器件中发光点的性能与应变大小和类型密切相关，压应变会导致器件波长蓝移、阈值电流降低、功率和斜率效率升高，张应变会导致波长红移、阈值电流升高、功率和斜率效率降低.研究表明，影响器件内部发光点的性能不仅与热效应有关，而且与封装后残余的应变密切相关，通过应力的分布可以预测阵列性能的变化规律，可为高峰值功率、高可靠性的半导体激光阵列的研制提供参考.

实现了一种适合于相干拉曼光谱探测的宽带超连续谱光源的方法，使用1 064 nm飞秒激光泵浦全正色散光子晶体光纤，并用光栅对对脉冲进行压缩，最终获得了脉宽178 fs，频谱范围处于760~1 300 nm的超连续谱光源.对超连续谱脉冲的时间频谱结构进行了分析，未经过压缩的超连续谱的脉冲宽度达到1.43 ps，不同频率的成分之间延迟较大，但基本上呈线性平滑分布，因此可以使用光栅对进行色散补偿；此外，提高泵浦光的功率虽然能够增加光谱展宽，但会引入高阶色散，并不利于色散补偿.最后，使用该超连续谱搭建的三色相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，测量了苯甲腈溶液的相干反斯托克斯拉曼散射信号光谱，同时获得了3 200 cm^-1范围内的所有振动模式，验证了该超连续光谱的性能.

为了研究权重分布函数对镜片设计的影响，在构建最小化模型的基础上，使用样条插值方法对过渡区域权重函数进行处理，设计了三组连接高权重区域和低权重区域的过渡区域变化快慢不同的权重分布函数.根据不同的权重分布函数设计了相应的渐进多焦点自由曲面镜片，并进行了仿真、加工及评价.实验结果表明权重分布矩阵对镜片光学性能有影响，曲面的平均曲率和主曲率差的过渡区域权重变化越快，镜片的光学性能越优.因此，使用过渡区域较快变化的权重函数有利于降低镜片周边像散、优化镜片光焦度和散光分布.

设计了一种自由曲面车载抬头显示器（Head-up Display，HUD）光学系统.在HUD光学系统初始结构设计中，基于种子曲线扩展算法，对HUD中两个自由曲面上的采样数据点进行计算，并拟合成扩展多项式.将设计的HUD光学系统初始结构进行光线追迹，验证了设计结果.结果表明，在0.5 mm光线采样间隔下，初始光学系统的性能达到了衍射极限，可作为进一步全视场优化的起点.对系统进行优化，利用多重结构模拟人眼在孔径光阑移动范围（眼动范围）内的观察情况，对于不同的孔径光阑位置，光学系统的调制传递函数在6 lp/mm下均大于0.5，接近衍射极限，并且系统畸变小于2%.最后对系统中的自由曲面反射镜进行面形公差分析，两个曲面在其各自面形公差峰谷值分别为0.42 μm和0.62 μm下的调制传递函数均高于0.3，完全满足现在自由曲面加工精度.

提出了一种新型部分负曲率反谐振空芯太赫兹波导，波导包层包括两部分，一部分由介质圆管组成，为纤芯提供部分负曲率边界；另一部分由多个矩形介质层组成，多介质层可用来降低限制损耗.此波导结构在增加反谐振层的同时不引入新的包层节点，易于实现太赫兹波的宽带低损耗传输.采用全矢量有限元法对波导进行了数值仿真，研究了其宽带低损耗特性.基于此，利用3D打印技术制备了所设计波导，使用太赫兹时域光谱系统对其传输特性进行测试.实验结果表明，该负曲率太赫兹波导在0.29~0.42 THz的传输损耗低于10 dB/m，与数值仿真结果吻合较好.

设计了一种在轴向能够实现焦点延长的双焦点超表面聚焦透镜.改变二氧化钛纳米微元的长宽比和旋转角度，对传输相位与几何相位进行同时调制，实现对一组正交偏振态入射光的分别独立控制.设计的超构表面能将左旋和右旋圆偏振光聚焦在轴向邻近位置实现焦点长度的轴向扩展.超表面在波长为650 nm的线偏入射光照明下，可以在实现焦点长度2倍扩展的同时，较好地保持焦点的横向宽度.若入射光为椭圆偏振态，还能够实现最终生成的焦点形状优化或两个焦点的切换.

采用射频磁控溅射与退火工艺相结合的方法，分别在石英和硒化锌（ZnSe）衬底上制备了掺铪氧化铟（IHfO）薄膜，掺杂比例In₂O₃：HfO₂为98wt.%：2wt.%.测试了薄膜的组成结构和3~5 μm红外波段的光电性质，分析了退火温度、薄膜厚度和氧气流速对薄膜性能的影响.X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱表明，制备的IHfO薄膜具有氧化铟的立方体结构，掺杂铪并没有影响氧化铟的生长方向，但是减小了晶格间距，铪与铟外层电子形成新的杂化轨道.傅里叶变换红外光谱表明，随着退火温度的增加，IHfO薄膜在3~5 μm波段的透过率逐渐下降，沉积在ZnSe衬底上的薄膜具有更平稳的透过率，厚度为100 nm薄膜在3~5 μm波段平均透过率为68%.测试霍尔效应表明，随着氧气流速的增加，IHfO薄膜电阻率逐渐增加，载流子浓度减小，霍尔迁移率变化不明显.晶界散射是影响IHfO薄膜迁移率的主要因素，当氧气流速为0.3 sccm时，薄膜最佳电阻率为3.3×10^-2Ω·cm.与透可见光波段的导电氧化铟锡（ITO）薄膜相比，制备的IHfO薄膜可以应用在3~5 μm红外波段检测气体，红外制导等领域.

探讨复合绒面ZnO：Al光栅对薄膜硅太阳能电池光俘获效率的影响.织构了由关联长度（l_cor）和平均高度（h_ave）表征的绒面，叠加到周期为980 nm和槽深为160 nm的一维正弦ZnO：Al光栅上，形成复合绒面ZnO：Al光栅.前电极AZO光栅，当l_cor较小和h_ave较大时，电池的短路电流较高.若l_cor取0.01，则短路电流随h_ave的增大而升高，由h_ave=0.05时的21.93 mA/cm²增加到h_ave=0.80时的23.80 mA/cm².置于背电极且l_cor=0.01时，短路电流随h_ave的增加而逐渐减小，由h_ave=0.05时的25.50 mA/cm²降到h_ave=0.80时的24.81 mA/cm².采用直流溅射和化学腐蚀方法分别制备了无绒面ZnO：Al光栅和l_cor=0.01，h_ave=0.14的复合绒面ZnO：Al光栅.反射率测试结果表明，复合绒面ZnO：Al光栅总反射率（8.3%）较无绒面ZnO：Al栅（10.2%）降低了1.9%，镜面反射率（4.7%）较无绒面ZnO：Al栅（6.8%）降低了2.1%.以实验制备的两种光栅为模型用严格耦合波方法进行模拟，计算结果表明与无绒面ZnO：Al光栅相比，复合绒面ZnO：Al光栅的总反射率和镜面反射率均显著下降.复合绒面ZnO：Al光栅由于具有较好的减反作用更适合用作薄膜电池前电极，从而得到更高的短路电流；而无绒面ZnO：Al光栅因具有较高的反射适用于背电极，能将到达背电极的光子重新返回硅吸收层而获得更高的陷光效率.

为提高黑体光源的入纤强度，采用球形端面光纤为接收光纤，建立球形端面光纤与黑体辐射腔光能耦合模型，分析球形端面光纤参数、黑体腔参数等对光能耦合效率的影响.搭建黑体腔与球形端面光纤的光能耦合实验系统，在800~1 000℃条件下开展了光能耦合实验，结果表明：随着球形端头直径的增加，耦合光能先增大后减小；当曲率半径约为85 μm时，光能耦合强度最高.相对于平端面光纤而言，耦合效率提高约60%.

面向光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调，提出一种结合幅值归一化与最小均方差的联合解调算法.采用幅值归一化实现返回光谱信号与模拟光谱信号的等幅，提高解调精度.仿真结果表明，相较于传统最小方差法，该算法的解调精度显著提升.实验结果表明，采用该算法可实现优于0.72 nm的高分辨率.

制作了一种利用普通单模光纤和石墨烯量子点材料共同构建的法布里珀罗湿度传感器.利用搭建的实验系统，在环境相对湿度11% RH~85% RH范围内进行了湿度响应实验，并对湿度上升和下降过程分别进行了测量.湿度上升过程中灵敏度为0.560 6 nm/RH%，线性度为0.999 47；湿度下降过程中灵敏度为0.565 5 nm/RH%，线性度达0.999 36.实验结果表明，该湿度传感器具有较高的响应灵敏度、较好的线性响应特性和测量重复性.另外对该传感头的温度响应特性进行实验研究，得到了较好的线性响应结果，温度响应灵敏度为0.035 nm/℃，残差平方和为0.012 41，灵敏度标准差为2.305×10^-4，湿度响应灵敏度约为温度响应的17倍.对其动态响应特性进行了典型测试，在相对湿度43%条件下得到了干涉光谱波长漂移的动态响应数据，得到了较快的动态响应，其响应时间和恢复时间分别为6.5 s和9.0 s.研究结果为研制低成本、易制作、高灵敏的光纤湿度传感器提供了一种有益的探索.

提出了一种基于全球导航卫星系统差分的天线阵大气相位扰动实时修正方法，以高稳定度的原子钟作为外频标，利用导航卫星载波相位的单差与历元上的双差，并通过星历扣除由于卫星运动引起的相位变化，在周跳检测和修正后，通过长周期的拟合消除卫星轨道和站坐标误差的影响，最后通过双频或多频信号实现两地电离层和对流层扰动的实时测量.在国家天文台北京密云站和云南昆明站分别部署了一套全球导航卫星接收设备，进行异地大气相位扰动实时修正方法的实验验证.利用双频载波相位测量数据对第三频率进行修正，结果表明，在不同天气条件下修正后的大气相位扰动均方根达到1.9 mm，表明该方法可用于射电天文和深空探测中天线阵的大气相位扰动修正.

基于惠更斯-菲涅尔原理和鬼成像理论，研究了反射式无透镜鬼成像在Kolmogorov海洋湍流中目标成像问题，得到了成像脉冲响应函数和可见度理论表达式。结果表明随着目标随机反射角的增大，关联重构的图像质量将会失真退化.为进一步分析海洋湍流对目标图像质量的影响，数值模拟了不同探测距离、不同海洋湍流情况下鬼成像的可见度，得到了海洋湍流作用下的鬼成像目标探测规律.该研究对远距离自适应水下鬼成像大规模应用具有重要的理论指导意义.

为了简化光学复用成像系统复杂度和降低对编码方式的要求，基于反射镜旋转完成通道编码，构建了结合分束镜和光学成像系统实现双通道混叠成像的实验装置.为实现混叠图像的有效解混叠，提出了利用特征点检测与匹配方法实现多幅混叠图像之间平移量的自动识别，进而构建出具有亚像素精度的双通道光学复用成像系统的系统复用矩阵，并采用梯度投影稀疏重建算法完成基于多幅图像的双通道图像重建，最终实验实现了光学成像系统视场角的2倍放大.此外，对所提方法在其他场景的适应性也进行了实验验证，表明了其可在不改变焦平面探测器的情况下实现光学成像系统视场角的有效放大，大大节约了大视场光学成像系统的研制成本.

像面非均匀性与镜头、探测器组件、空间杂散光、温漂等多种因素相关，单一方法无法有效区分误差源，需逐一校正，针对偏振成像仪通过积分时间调整的在轨工作模式，研究基于多参量校正补偿的探测器非均匀性校正方法.通过探测器综合测试设备，获取温度、暗电流、曝光时间、光谱响应率等敏感因素数据，经过暗电流、帧转移效应、温度补偿和环境参量的校正，对探测器非均匀性进行多点法校正，消除了像面低频不均衡响应差异和邻域高频差异.实验表明，95%满阱单帧数据像元响应不一致性由1.141%降至0.513%，校正后数据噪声表现为散粒噪声，校正后有良好的动态范围调节能力和线性度，基于多参量的非均匀性校正方法为仪器的定标校正和在轨快速计算提供了数据支撑，为后续偏振遥感仪器提供有效参考.

为了减少公路违章超速现象的发生，使交通安全监测体制更完善，设计并研制了一种可远距离工作的便携式激光多普勒测速系统.阐述了激光多普勒测速的基本原理和光束变换的实现方法，并利用双透镜类望远系统的结构搭建了用于公路超速检测的激光测速仪.理论分析与路边测试试验表明：该激光多普勒测速系统具有长工作距离和大景深的特点，并且可以较高精度获得车辆的行进速度.相比于传统激光测速仪，便携式激光多普勒测速系统提升了中心工作距离并增大了景深.新激光测速仪的中心工作距离为10 m，景深为±1 m，测速精度可以达到0.1%.

采用正向电压法测量不同衬底温度、不同电流驱动时，双荧光粉转换型白色LED的结温，同时采用光谱仪测量归一化光谱分布.选择芯片的蓝色光谱，计算其质心波长和半高全宽，得到质心波长、半高全宽、驱动电流和结温四者之间的变化规律图.然后根据实际点灯状态下芯片的光谱特征参数，结合规律图计算得到实际结温.研究表明：对于环境温度变化引起的结温变化，（B+Y+R）/B法与本文方法准确度相当，测量误差均为2℃左右，无统计性差异.对于电流变化引起的结温变化，本文方法误差仍然约为2℃，而（B+Y+R）/B法误差与电流正相关，变化率为0.048℃/mA.同时在点灯6周内，本文方法误差仅4℃.因此，本文方法不仅适合因环境温度和驱动电流变化引起的结温变化，且无需重新校准，能准确测量长时间点灯LED结温，具有明显的技术优势.

提出了一种基于L-K局域光流的空间视线面形测量技术.测量系统由一个投影仪和一个CCD摄像机组成，采用小投影角度的投影方式.通过投影光线与视线（观测光线）的交点坐标，直接计算得出被测物体三维面形高度分布，其中条纹图中观察位置的变化由L-K光流算法计算得到.建立了在点光源投影条件下投影光线与视线交点坐标、光流与被测物体面形高度之间的关系.模拟与实验结果证明该方法能够准确恢复被测物体高度.与传统面形测量方法不同，视线光流面形测量技术不需要采集多幅条纹图像，也无需计算条纹频率和物体相位值，只需两幅条纹图即可恢复物体面形高度分布.

针对现有光学加密方法进行彩色图像加密时加密容量低、解密图像失真度高等问题，提出一种基于压缩全息和空分复用的多彩色图像加密方法.在光学加密阶段，结合改进的Mach-Zehnder干涉仪与空分复用技术，通过不同的随机相位掩膜对多幅彩色图像进行同时加密，仅需单次曝光即可得到由多幅彩色图像加密的全息图.在解密过程中，由于记录全息图的过程可建模为压缩感知过程，使用两步迭代收缩/阈值算法即可求解.实验结果表明，提出的加密系统加密容量大，解密重建图像质量高，结合压缩感知理论，有效地消除了同轴全息中平方场项对解密重建性能的影响，解密图像平均峰值信噪比仅下降约2~5 dB；密钥安全性高，随机相位掩膜与传播距离均起到密钥的作用，在随机相位掩膜错误或传播距离仅偏移0.25%时，便无法解密出原始彩色图像；且对噪声与遮挡性攻击具有良好的鲁棒性，解密重建性能随噪声增大下降趋势缓慢，加密全息图80%信息受到遮挡性攻击时，仍可取得良好的解密重建结果.

采用有限元方法对单劈裂环-双劈裂盘纳米结构的表面等离激元共振进行了理论研究.当入射光垂直于结构表面时，亮磁模式和暗磁模式相互干涉会产生磁Fano共振.当双劈裂盘、空腔和单劈裂环的间隙同时沿x轴负方向偏移时，可产生高阶磁模式和双重磁Fano共振.在此结构的基础上，进一步调节单劈裂环的间隙宽度，可以在近红外区域增强磁模式的强度，并产生三重磁Fano共振；同样地，通过调节双劈裂盘的上劈裂角，在可见光区域可得到新的高阶磁模式，并产生三重磁Fano共振.此外，该结构的最大灵敏度和磁场增强分别达到1 400 nm/RIU和69.7倍.这些光学特性使得该结构在超灵敏度生物传感器和多控磁Fano开关领域具有潜在的应用价值.