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。按脉宽和倍频晶体是否位于谐振腔内分为纳秒腔内倍频、纳秒腔外倍频、皮秒腔外倍频及飞秒腔外倍频四大类别。纳秒腔内倍频采用KTP、LBO等晶体，输出功率升至51.1 W（单脉冲能量50 mJ，重频1 kHz），倍频效率为50%。纳秒腔外倍频以LBO为主，通过级联两块倍频晶体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17.9 dB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。

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。

在空间引力波探测中，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。本文通过数值仿真系统分析了大气对DWS的影响，首次提出通过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。

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。

为实现Yb:YAG单腔碟片再生放大器重复频率、脉冲宽度大范围双调节激光输出，本工作设计并搭建了双普克尔盒协同调控单腔Yb:YAG碟片再生放大器。依托双普克尔盒的时序配合与宽稳区谐振腔设计，保证高光束质量与高能量提取效率的同时，灵活实现了激光重复频率的大范围可调节输出，并通过调整两个压缩光栅之间的间距实现了输出激光脉冲宽度调节。实验结果表明：碟片再生放大器通过调节普克尔盒实现了1~50 kHz可调重复频率激光输出，并在50 kHz重复频率下，泵浦平均功率为503 W时，得到了最大输出功率为93.1 W，光束质量因子M_x²=1.18，M_y²=1.01，输出激光近衍射极限，在1 kHz重复频率下，得到了单脉冲能量为50.2 mJ激光输出，并通过改变双光栅压缩器间距，实现了1.34 ps至150.37 ps的脉冲宽度连续调节。碟片再生放大器成功实现了重复频率与脉冲宽度双参数可调激光输出。

在尖角焊缝焊接、高速焊接、高反射材料焊接的激光焊接检测过程中，针对视觉传感器检测光源窄宽度、高均匀性要求，本文分析了线激光宽度对于检测精度的影响，提出了一种基于衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)和鲍威尔棱镜的线激光整形设计方法。波长为405 nm的半导体激光器产生的光源通过扩束准直后使用DOE面整形为理想高斯光束，之后使用鲍威尔棱镜整形为线激光。在此基础上，搭建仿真模型模拟上述过程，并设计相应的实验验证线激光宽度与检测精度的关系。结果表明：经过该DOE面后得到高斯光束在x方向和y方向的M ²因子分别为1.040和1.038，瑞利长度分别为316.1 mm和321.1 mm。通过鲍威尔棱镜整形后在距离鲍威尔棱镜150 mm处光束宽度为19.433 mm，均匀性为96.93%，满足线激光视觉传感器光源窄宽度、高均匀性要求。

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。

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(VSF)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(PSF)，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(MTF)。在已知水体固有光学参数下，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。

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。

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。

激光频率噪声是空间引力波探测系统的最大噪声源，拟采用PDH (Pound-Drever-Hall)锁腔预稳、锁臂和时间延迟干涉的方法学可进行逐级压制。但随着皮米测量的发展，利用空间光不等臂干涉稳频，特别是可以有效利用现有空间激光干涉仪，无需额外超稳载体，是目前替代PDH锁腔预稳较为热门的方案。本文在太极计划第一代干涉仪光学平台的基础上，验证了利用现有干涉光路进行不等臂干涉仪稳频的有效性。实验结果显示，自由运行激光器频率噪声整体降低约一个量级，1 Hz处提升至3 KHz/Hz^1/2。通过噪声分析可以发现，在0.2 Hz~1 Hz频段，主要限制因素是干涉仪的背景噪声；在0.1 Hz~1 mHz频段内，主要为自由运行激光器的功率噪声。未来将进一步降低干涉仪噪声至1 pm/Hz^1/2，探索利用已有干涉光路稳频替代PDH锁腔方案的可能性。

针对单一偏振模式提取太阳子午线噪声大、精度低的问题，本文提出一种双偏振模式融合方法。该方法首先基于四分位距法对偏振场进行预处理，随后结合线偏振度的镜像对称性与偏振角的反对称特性，通过复数域变换及径向-角向分割分析，融合全局与局部偏振特征。最后，依据太阳运动规律和中性点约束进行时序滤波，从而提升提取精度。在晴天、多云、雾天、沙尘等多种天气条件下的实验表明，该方法相对于天文太阳方位基准的平均相对误差分别为0.02、0.051、0.053与0.017，优于单一特征方法。本研究不仅为自主系统提供偏振航向参考，也为融合全局与局部偏振特征提供一种可扩展计算思路。

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。由于存在误差的累积放大，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，导致拼接结果存在低频面形信息失真的问题。针对这一问题，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，对拼接结果再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的柱面反射镜的拼接检测实验，证明所提方法可以有效修正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。该方法具备操作简便、硬件要求较低、检测精度可靠等优势。

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。

为满足空间光学载荷高分辨率成像需求，解决探测器与结构外框在空间极端环境下的粘接可靠性难题，本文提出一种探测器组件协同优化粘接方案。首先，结合光学载荷空间环境适应性要求，系统对比常用粘接剂核心性能，确定环氧树脂胶为主粘接剂实现探测器与结构外框刚性可靠粘连，并辅以硅橡胶缓冲应力，构建复合粘接体系；其次，建立多物理场耦合仿真模型，分析静态力学载荷及PCB焊接热传导（200 °C）对探测器感光面的应力应变与位移影响，并实现点胶量精准量化；最后，通过环境试验验证方案可靠性与稳定性。结果表明，该方案经闭环设计，有效解决高精度粘接难题，环境试验前后经显影三坐标测量仪检测探测器共面精度为0.019 mm、直线精度0.0021 mm，搭接精度优于0.005 mm，满足空间光学载荷对于探测器组件拼接精度的要求，为该类型探测器组件精密粘接提供标准化技术基础，具有重要工程应用价值。

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。

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，分析了频谱中出现的高级频谱成分及其与基频成分混在一起产生混叠现象的原因。通过对投影仪进行离焦处理滤除频谱中的高级频谱成分，过滤出其中的一个基频成分并进行逆傅立叶变换，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，推导出在实际测量中进行相位展开后的误差表达式。仿真与实验验证了基本原理的正确性。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%、文献[1]提出的采样方法的44.83%、文献[10]的自校正方法的67.83%。实验结果表明，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。

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，本文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。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模块进行详尽的综合性表征测试，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。实验结果表明：封装模块的温度敏感性低于10⁻⁷/°C；其低频Z轴加速度敏感性低于10⁻¹⁰/g；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；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。该棱镜耦合封装方案具有紧凑、坚固、稳定的特点，其关键性能指标可满足高可靠性的应用需求。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。

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。结果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。

传统基于强度探测的折射率测量方法受经典衍射极限与散粒噪声极限的制约，难以进一步提升测量精度。本文提出一种纠缠相干态结合奇偶探测的折射率测量新方案。该方案利用量子纠缠的非经典关联特性，构建双模纠缠相干态光源，通过奇偶探测手段实现信号的高性能测量。理论推导与数值仿真结果表明，所提方案的测量分辨率突破瑞利极限，在全损耗区域内相较于传统相干态测量方法，分辨率提升$ \sqrt{N} $倍，在无损耗及损耗率低于 10% 的场景下，灵敏度超越散粒噪声极限。最后，对实验所面临的挑战进行了详细说明。该量子测量架构为精密光学检测、生物传感等领域提供了新的技术路径，具有显著的实用价值与广阔的应用前景。

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。实验结果显示：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。

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，以同时实现高空间分辨率与高光谱分辨率。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，同时兼顾了高光谱分辨率和高空间分辨率，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。

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。