提出一种倍频因子连续可调，且相位连续变化的微波光子移相系统.系统主要由两个集成双偏振双平行马赫增德尔调制器组成，在不使用光滤波器的情况下，调节双平行马赫曾德尔调制器及相位调制器的射频驱动和直流偏置电压，生成二倍频，三倍频，…，六倍频微波信号，同时实现输出微波信号相位0~360°连续可调.仿真结果表明，当射频信号频率为10 GHz时，可分别产生频率为20、30、40、50、60 GHz的微波信号.调节相位调制器的直流偏置电压与半波电压比值从-1到1变化时，对应微波信号的相位从-180°到180°变化.此外，分析了调制器消光比对输出微波信号光载波抑制比和电杂散抑制比的影响，以及90°电桥相位平衡对微波信号相位漂移和幅度波动的影响.

基于全矢量有限元法，研究了聚合物中空环芯光纤结构的椭圆、偏芯、直径不均匀等几何形变对光纤中轨道角动量模式性能的影响；此外，还研究了在保持轨道角动量模式稳定传输的条件下，光纤结构所能承受的最大形变.结果表明椭圆和偏芯会引起轨道角动量模式在传输过程中发生奇偶模间的模式走离，导致轨道角动量模式纯度降低，进而导致模式串扰增大；数值计算结果表明，当椭圆度或偏心度小于1%时，模式纯度大于99.02%，串扰小于-20.08 dB.光纤的直径不均匀仅对光纤中所能支持的轨道角动量模式数量造成影响，纤芯半径越大，光纤中所能传输的轨道角动量模式越多；直径不均匀度在-3%~10%内的光纤均可支持原有的26个轨道角动量模式.

通过脉冲星辐射信号特征研究和空间观测需求分析，提出了一种面向导航应用的X射线探测器测试方法.首先推导了X射线光子欠探测概率公式，分析了不同星源流量及不同探测器时间分辨率下对光子探测能力的影响.通过数值模拟方法建立了脉冲到达时间与脉冲轮廓相似度的关系.处理了我国硬X射线调制望远镜的Crab脉冲星观测数据，研究了不同能段脉冲轮廓差异.其次，系统地研究了面向导航应用的X射线探测器测试及处理方法，并利用地面测试系统完成了一款自主研发的聚焦型X射线探测器测试工作.通过数据分析得到，聚焦型探测器本底噪声为3.63×10^-5ph/（cm²·s^-1），工作能区为0.2~22.7 keV，时间分辨率为4.17 μs，空间响应约为5'，能量非线性为0.52%，能量分辨率优于200 eV@5.7 keV，典型探测效率为39.18%@4.51 keV.聚焦型X射线探测器在弱脉冲信号及强背景噪声下，均能还原出Crab脉冲星脉冲轮廓，在2 400 s内能够探测到辐射流量弱于背景噪声10倍的脉冲信号.结果表明，该款聚焦型探测器性能优秀，能够满足导航脉冲星（如PSR B1509）的空间观测需求，也验证了测试方法的可行性.

利用GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的栅控特性和锆钛酸铅（PZT）铁电薄膜的光伏效应，在HEMT器件的栅极处沉积一层PZT铁电薄膜，提出了一种新型的（光敏感层/HEMT）探测结构.为制备出光伏性能优异的薄膜，对不同的溅射功率和退火温度制备的PZT铁电薄膜进行表面形貌和铁电性能分析.发现200 W溅射功率、700℃的退火温度制备的薄膜表面晶粒生长明显，剩余极化强度为38.0 μC·cm^-2.工艺制备GaN基HEMT器件并把PZT薄膜沉积到器件栅极上.在无光和365 nm紫外光照射下对有、无铁电薄膜的HEMT探测器的输出特性进行测试.结果显示，在光照时，有铁电薄膜的HEMT器件相较于无光时，源-漏饱和电压最多降低3.55 V，饱和电流最多增加5.84 mA，表明新型感光栅极HEMT探测器对紫外光具有优异的探测效果.为实现对新型探测器的结构进行优化的目的，对栅长为1 μm、2 μm和3 μm等不同栅长的探测器进行光照测试.结果表明，在紫外光照射下，三种探测器的漏极饱和电流分别为23 mA、20 mA和17 mA，所以栅长越长器件的饱和电流越小，探测性能越差.

测量了自发参量下转换的宽光谱分布和时间相关性，搭建了基于自发参量下转换定标的辐射计.在自发参量下转换定标探测效率的基础上推导了光子计数模式的辐亮度测量方程，根据定标原理辐射计可以实时监测和校正仪器的光电衰变.通过插入光学衰减片和更换探测器模拟了辐射计在光路衰变和电路衰变情况下能够修正自身衰变对观测结果的影响，观测辐亮度的一致性优于0.38%.测量结果为自发参量下转换定标技术应用在未来的气候观测星上定标器等空间平台提供实验依据.

传统的多变量分析方法是LIBS定量建模的主要手段，但光谱的输入维度较高，很多算法需要提前对光谱进行降维或特征谱线提取，导致部分信息丢失，影响准确率.针对该问题，本文引入以深度卷积神经网络Inception为基础的定量建模方法，算法设计时将原有常规的2D卷积网络改造为1D卷积网络以实现光谱信息的全谱输入和特征提取.该方法不仅不需要对原始光谱的降维操作，且其他的预处理如滤波等操作亦可以省略.经多次实验，训练次数为2 000次时具有较好的预测结果，同时并不会出现明显的过拟合现象.此时其平均决定系数（R²）为0.957 9，其均方根误差相比多元线性回归方法平均降低了61.69%，与深度学习方法AlexNet对比也获得较好结果.

针对布里渊激光雷达领域现在普遍使用的光源过于昂贵、笨重的问题，对可促成使用廉价紧凑光源的宽带布里渊信号的解谱算法进行了研究.在宽带布里渊光谱信号的处理过程中，首先构造了黎曼函数的一个变体，再利用该函数在布里渊频移处取极小值性质，从泵浦光-布里渊光的1：1混合光谱信号中复原出了泵浦光的频谱并得到相对应的布里渊频移.对测试数据集的实验表明，在没有噪声的理想情况下算法准确率接近100%；而非理想状态下只有当噪声小于-30 dB，且泵浦光和布里渊光幅值之比小于1.05时，算法才能得到准确结果.

针对高光谱遥感影像维数高、数据量巨大且地物分布复杂，导致背景与异常难以区分的问题，提出一种基于光谱空间重构的非监督最邻近规则子空间异常探测算法.首先通过基于结构张量的波段选择算法，去除噪声像元，选择更有效的波段.然后，通过光谱空间重构增加背景与异常的绝对光谱距离.最后，为了充分利用背景字典之间的空间相似性信息，将空间距离权重引入到非监督最邻近规则子空间算法中，提高检测精度.为验证所提算法的有效性，用四组真实的高光谱数据进行实验，研究了不同参数对检测结果的影响.结果表明，与其他异常检测算法对比，所提算法具有更好的检测效果.

浅海海水严重的后向散射是阻碍激光近海水下探测应用的关键问题，回波信号中的后向散射制约了水下目标探测深度、分辨率和对比度.针对该问题，研究了两种高散射抑制比海洋激光雷达——混沌脉冲激光雷达和相干双频脉冲激光雷达，这两种激光雷达信号具有内在的高频强度调制特性，而后向散射具有低频特性.因此，在目标信号光和后向散射光同量级条件下，可通过带通或高通滤波将海水后向散射滤除，从而提高系统信噪比.

为了更准确地反映湍流的实际特征，在光波的大气传输模拟中应采用修正大气折射率谱模型.本文针对该谱模型提出了一种高精度湍流相位屏生成方法.通过改变模型在低频区的采样设置，实现了基于修正大气谱的湍流相位屏高精度生成.通过与原始FFT法、次谐波法以及改进前的优化方法相比发现，本文提出的改进后的优化方法能将相位屏低频区域的最大相对误差从改进前的6.75%减小到1%，作为比较，原始FFT法在低频区的最大相对误差为22.99%，次谐波法为16.81%.利用该方法所生成的相位屏对高斯光束在湍流中的传输进行了模拟并对光束扩展和光束漂移等二阶统计特性进行了估计.结果表明，在弱扰动条件下，模拟结果和理论预测的结果是一致的；在强扰动条件下，随着距离的增加，模拟结果与理论结果偏差越来越大，其中光束扩展与理论预测的偏差最大可达6 cm，而光束漂移可达1 cm，这是由于理论模型无法预测漂移饱和现象而导致的.在与Von-Karman谱的模拟结果比较时发现，修正大气谱估计的光束扩展大于Von-Karman谱的估计且在光束漂移的预测中比Von-Karman谱更快的达到饱和，这正是修正大气谱高波数处存在"凸起"的结果.本文提出的方法生成的相位屏能够有效的表征实际大气的折射率扰动特性.

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测，针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10 min、高分辨率模式下探测周期小于1 h的要求，进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器，设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式，并合理设置了帧叠加数和像元合并数，达到优化成像周期的目的.1 s曝光时间条件下，该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515 s和3 315 s，图像信噪比均大于1 000，污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求，为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.

为提高星敏感器探测极限星等的能力，采用改进型卡塞格林系统、光阑校正球面透镜组和视场校正球面透镜组相结合的结构，设计了一种光谱范围为450~950 nm、半视场为1.4°、入瞳直径为250 mm、焦距为425 mm，且能够矫正像散、场曲和畸变的大口径折反式星敏感器光学系统.基于像差理论的系统初始结构参数计算和Zemax软件光线追迹的优化设计，光学系统的次镜遮拦比为0.43，成像点80%的能量集中在30 μm内，最大畸变为0.081%，光学传递函数在奈奎斯特频率34 lp/mm处大于0.75，最大倍率色差为1.138 μm，满足星敏感器对成像的要求.对光学系统进行公差分析，在20次蒙特卡罗分析结果中，第13个结构的绩效函数最好，为4.975 16 μm，第20个结构的绩效函数最差，达到7.799 57 μm.通过对20次蒙特卡罗结构的绩效函数分析，所选定的公差值能够很好地满足光学系统性能基本要求，为加工和安装过程中的误差提供依据.

为了减少相移干涉仪中压电陶瓷致动器进行相移时，其迟滞非线性对相移算法中的相位计算带来的误差，设计了一套压电陶瓷致动器的控制系统.利用高精度电阻应变传感器和基于锁相放大原理的信号调理电路检测压电陶瓷致动器位移，建立多项式数学模型描述迟滞非线性，然后提出了一种前馈开环控制方法补偿其迟滞非线性.最后，基于所提出的方案对压电陶瓷致动器进行了期望轨迹的跟踪控制实验，同时将补偿控制系统与干涉仪相结合检测光学元件表面形貌.实验结果表明：补偿后，压电陶瓷致动器的跟踪误差在-0.156 μm与+0.078 μm之间，迟滞非线性度由10.4%降到2.4%，且干涉仪所测得的光学元件表面面形起伏高度均方根和峰谷分别改变了0.795 nm和3.937 nm.该系统对于高精度的光学元件形貌检测具有重要的意义.

为了满足无损检测中复合材料在复杂载荷下多参数变量评估的需求，提出了一种基于光路复用的双功能数字散斑干涉系统，能够同时实现数字散斑干涉和数字剪切散斑干涉测量功能.通过控制其中一个反射镜-波片组合，当该组合离位时，构成数字散斑干涉测量光路，实现离面位移测量；当该组合在位时，构成数字剪切散斑干涉测量光路，实现离面位移空间梯度的测量.测量过程中只需简单切换该组合的位置就可以实现单次加载下被测物体表面离面位移及其空间梯度的同时测量.该系统光路结构简单、切换效率高，能够同时获得高质量的位移及空间梯度测量结果.实验证明，双功能数字散斑干涉系统既具备高抗干扰能力，又具备高灵敏度测试能力，适合复合材料无损检测现场使用.

为了在中红外区域实现气凝胶、七氟醚（麻醉剂重要成分）等物质的折射率检测，拓展折射率检测范围，提出了一种基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器.光子晶体光纤由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔构成，通过对光纤抛磨，最外侧大空气孔直接与待测物质接触，实现基于金属外涂覆的折射率实时测量.采用全矢量有限元法对该传感器的理论模型进行分析，结果表明，在1.12~1.37折射率范围内，传感器的共振波长位于中红外区域2 505~3 181 nm，最高灵敏度为12 000 nm/RIU，分辨率为8.33×10^-6.该传感器利用中红外波段实现了低折射率检测，并且获得了超宽的检测范围和较高的灵敏度，在化工检测、生物医学传感以及水环境监测等领域具有广泛的应用前景.

利用甲烷气体分子在3.3 μm处的主吸收峰，研制了一种基于非色散红外光谱技术的红外甲烷传感器.传感器的光学部分由峰值波长为3.4 μm的测量发光二极管、峰值波长为2.7 μm的参考发光二极管、截止波长为3.6 μm的光电二极管及球面反射面组成；电路部分包括发光二极管驱动电路、光敏信号处理电路、温度测量电路、微处理器.采用短脉冲供电控制逻辑的工作模式，降低红外光源的上电时间，将光学测量器件的功耗降至16 mW.实验研究了温度变化对传感器甲烷浓度测量结果的影响，通过数据分析及线性拟合，得出了温度补偿算法公式.补偿后的传感器及检测系统平台实验结果表明：传感器平均功耗为23.56 mW，在-20~50℃的温度范围内温度变化对测量值的影响不超过真值的3%，湿度影响不超过真值的4%，响应时间小于25 s，工作稳定性时间大于60天，性能指标均满足或优于AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器行业标准相关要求.与热辐射红外光源或激光检测原理的甲烷传感器相比，基于双窄带发光二极管的红外甲烷传感器功耗降低70%以上，能够满足便携式、无线化应用场合低功耗的技术要求.

采用氮和硫元素共掺杂的水热法合成了一种发蓝光的碳点.经过一系列的光学和微观结构表征分析，发现氮和硫元素可以通过杂原子掺杂和表面官能团的形式充分参与到碳点中，这决定了所制备的蓝光碳点拥有最高54.27%的量子产率.由于其高效荧光，该碳点可以用作传感探头检测金属离子，且对Ag⁺和Fe³⁺具有高灵敏度和选择性，通过Stern-Volmer方程拟合发现，随着离子浓度的变化，两种金属离子不同的淬灭机制和检测极限为在实践中有效检测和区分Ag⁺和Fe³⁺提供了一种可行的新方法.

为了探究二维材料在片上可调有源光学器件领域的应用潜力，通过干法转印将由机械剥离法得到的高品质单层二硒化钼转移到正面涂有150 nm厚聚甲基丙烯酸甲酯的双轴压电陶瓷上，制作出可应力调控发光性质的单层二硒化钼光源.对双轴压电陶瓷施加驱动电压，使电信号转化为应力信号，观察低温下（~5 K）二硒化钼光致发光光谱中本征激子态、带电激子态信号峰随应力变化的规律.结果表明：在应力由拉伸应力转变为压应力并逐渐增大的过程中，本征激子态、带电激子态信号峰分别出现了~3.8 meV、~3.7 meV的波长蓝移.增大压应力、拉伸应力都会导致本征激子态、带电激子态信号峰光强线性降低.同时，与泵浦光圆极化相关的圆偏振度也随应力变化表现出规律性改变.此项研究证明了应力调控与单层二硒化钼光学性质之间的紧密关系，为开发各类基于二维材料的片上可调有源光学器件提供支持.

在UNet框架中集成SENet权重标定学习机制，设计了USENet实现图像超分辨重构.网络以对称拓扑叠加残差运算，通过多尺度卷积窗口增强模型精度与泛化能力，为图像特征通道引入权重标定算法以提升兴趣区域的估算置信度.结果表明，该模型能够明显改善输入样本的细节特征，已将验证集与真实图像的结构相似性从平均0.770 2提升至0.942 7.根据实验组和不带标定层的对照组重建图像对比显示，标定层可进一步在全局图像中将兴趣区域从平均0.965 5提升至0.970 3.

针对低采样下重构图像的成像质量和成像速度问题，提出一种基于卷积神经网络的计算鬼成像方法.首先，利用关联计算方法重建的一组训练集图像和相应的无损图像训练一个卷积神经网络；然后，将通过关联计算重建的测试集图像作为卷积神经网络的输入层，使其能够学习传感模型并最终能够预测出相应的图像；最后，将经卷积神经网络还原的图像分别与计算鬼成像和结合压缩感知算法重建的图像进行详细的对比实验分析.实验结果表明：本文方法在0.08采样率下能优质量地还原出被测物体的像，且成像质量均高于其他方法；同时，在不牺牲图像质量的条件下，执行程序所需的单张图像重建耗时约0.06 s，极大地提高了图像重建的速度.分别通过数值模拟和光学实验，验证了本方法的有效性，对工程应用具有重要意义.

针对传统鬼成像对比度差、信噪比低的问题，提出了一种基于频域分解的融合鬼成像方法.该方法将参考光路中获得的散斑图进行频域变换，选取合适的阈值将其分解为高频散斑和低频散斑，通过分别对高低频散斑与桶探测器得到的值进行关联运算得到高低频鬼像，最后利用逆非下采样剪切波变换重构出最终的鬼像.以对比度和峰值信噪比为评价指标，通过4组实验仿真验证了融合鬼成像方法的有效性.仿真实验结果表明，融合鬼成像的峰值信噪比/对比度较计算鬼成像、差分鬼成像方法分别平均提高了41%/173%、27%/135%.

使用Zernike多项式表征镜面的变形，应用伴随变量法推导Zernike系数对拓扑优化设计变量的敏度，克服了差分法求解敏度时计算量大的问题，实现了基于Zernike系数直接建构具有成千上万设计变量的优化模型的目标函数以及设计约束.同时，在有限元数值离散的理论框架下，采用有限单元基函数以及单元数值积分的程序实现了结构变形以及Zernike系数的求解，简化了计算流程的同时还能保证计算精度.本文算法可以对目标函数或约束为线性组合的Zernike系数的一般结构拓扑优化模型进行优化，具有一定的泛用性.

为了研究怪波在周期背景中的激发和演化情况，以含有周期外势的自聚焦非线性薛定谔方程为模型，采用快速分步傅里叶算法，讨论了在两种周期势（实势和复势）的情况下，怪波的激发和演化情况.研究表明：在两种周期势背景下都能通过平面波加微扰来激发怪波；在实周期背景下，通过改变周期势的振幅和周期能够产生不同的光学现象；在复周期背景下，通过同样的初始波能够激发一种超大怪波，而且实部振幅对怪波具有能量耗散和减速作用，虚部振幅对怪波具有能量增益和加速作用，选择合适的实部振幅与虚部振幅可以产生强度不同的大怪波.研究结果有助于在光晶格中捕获和调节怪波，以及获得高功率波.