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。

针对高性能光学系统存在的结构复杂、成本高昂的问题，本研究提出了一种面向计算校正的光学系统简化与像差校正方法。在光学设计端，构建基于像差可校正性分析的光学系统简化设计准则：优先抑制神经网络难以补偿的像差，保留易于计算校正的部分，从而在保证成像质量的前提下简化光学系统结构。在计算处理端，设计了一个包含畸变校正、色差补偿、基于物理约束点扩散函数的单色像差校正和频域增强四个模块的多模块分阶段协同校正网络。该网络由时间阶段控制器（Temporal Stage Controller，TSC）驱动，利用其动态权重调度机制进行渐进式分阶段处理，有效抑制不同像差类型相互干扰的问题。实验结果表明，简易双透镜系统经过该网络校正后的图像峰值信噪比达到31.47 dB，结构相似性达到0.95，成像质量与传统六透镜双高斯系统相当，而光学系统复杂度显著降低。消融实验验证了TSC与多模块校正架构的有效性。该研究为简化光学系统实现高质量成像提供了新的技术路径。

针对Micro LED缺陷检测中可见光（RGB）与光致发光（Photoluminescence, PL）图像因模态差异较大而难以实现高精度配准的难题，本研究致力于开发一种具备亚像素级精度和高鲁棒性的多模态图像配准方法，从而建立芯片物理结构与电学性能之间的映射关系。提出了一种结合结构特征约束与双向残差优化的配准方法。首先，基于Micro LED规则阵列的几何特性，设计了差异化的特征检测策略：在RGB图像中，通过椭圆拟合和基于密度的空间聚类算法（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN）精确提取电极中心；而在PL图像中，则采用改进的分水岭算法结合亚像素精修技术来定位芯片中心。其次，在配准优化阶段构建了双向残差约束框架，并引入基于残差分布的置信度加权机制，通过迭代重加权最小二乘法求解最优仿射变换参数。实验结果表明，本方法的平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）为0.823像素，达到了亚像素级精度；与基线方法相比，MAE显著降低了94.2%。同时，均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）为0.996像素，最大误差（Max Error）控制在2.839像素以内，内点率达到75.0%，单次配准平均耗时仅为0.036秒，与互信息（Mutual Information, MI）等传统方法相比，运行效率实现了数量级提升。基于上述策略，本方法有效克服了多模态图像中的特征失配和异常点干扰问题，在配准精度、鲁棒性和效率方面均优于传统方法，为Micro LED芯片的精确缺陷检测与多模态分析提供了可靠的技术基础。

本文针对一种由微环谐振腔与法布里-珀罗腔耦合构成的集成结构，开展了传输光谱特性的理论与实验研究。该结构通过在单边耦合型微环的直波导中引入光栅反射镜形成法布里-珀罗腔，在双谐振结构中实现了新颖的多腔耦合传输谱形。成功建立系统理论模型后，分析了多腔耦合传输谱形出现的条件并进行了器件参数优化。在硅基芯片上成功制备了光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔器件，首次观测到与理论预测一致的多腔耦合传输谱形，包括嵌套类电磁感应透明和双法诺共振线形。实验结果表明，在3.43 dB/cm的波导损耗条件下，电磁感应透明的中心峰可实现1.40×10⁴的品质因子,双法诺共振的斜率最高可达到37.70 dB/nm。研究结果为集成光子耦合谐振系统的机理理解提供了新视角，并为实现高集成度、高性能的光子器件平台提供了可行技术路径，在高灵敏光学传感、窄带滤波及高速调制等领域具有重要的应用潜力。

将可见光集成光学器件的工作波段扩展至全可见光谱段具有重要意义，它可以增强微型光谱仪的检测精度与适用性、拓宽可见光通信的带宽、使生物传感器能够同时检测复杂样品中的多种生物分子等。波导是集成光学器件的核心基础元件，然而目前对全可见光波导的研究并不完善。本文提出了一种支持全可见光谱段（435−760 nm）的波导设计，使用数值仿真方法分析了不同波导结构的传输特性，发现波导内无法实现整个可见光谱的单模传输。在多模传输条件下，通过分析波导中传播损耗与模式分布，确定了可实现低损耗传输的最佳波导尺寸、弯曲半径与波导间距等参数。对于平板波导，厚度≥1 μm可确保偏振不敏感；对于厚度为1 μm的条形波导，宽度≥2 μm可显著降低由侧壁粗糙度引起的散射损耗；对于宽1 μm、厚2 μm的条形波导，弯曲半径≥10 μm，波导间距≥0.4 μm时，辐射损耗可以忽略，且光不会耦合到相邻波导。此外，评估了制备公差对波导性能的影响。与之前主要关注可见光谱内窄波段的研究不同，本工作中提出的设计能够在单个波导中传输全可见光谱，从而促进片上全可见光谱器件的带宽扩展和性能增强。

针对目前先进制造设备对于高精度平面位移测量的需求，本文提出了一种xz双轴光栅干涉仪，通过偏置分束镜配合直角棱镜反射镜搭建双侧Littrow入射光路结构。分析了出射光束平行性、光束间距与入射光位置、角度之间的关系。实验验证了所提干涉仪的可行性和测量性能，光栅干涉仪在x轴和z轴上分别实现4 nm、7 nm的位移分辨率，经海德曼算法修正后，将周期非线性误差抑制至±5 nm以内。10 mm行程范围内，x轴和z轴分别获得±30 nm和±100 nm的测量精度。最后讨论了由于非共点入射结构所引入的面型误差对测量结果的影响。

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。

虚拟染色技术通过深度学习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。

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。

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%。采用数学仿真与计算流体力学仿真相对比的方法对尾迹红外偏振效应解析模型进行验证，结果相似度优于95.7%，将尾迹实拍图与仿真结果进行对比，二者具有较高相似度，验证了该模型对于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。

反射镜是空间相机的核心部组件，其性能直接影响了空间相机在轨成像质量，铝合金反射镜凭借其良好的加工工艺性成为了空间相机反射镜的发展方向之一。目的：为了降低空间相机装调难度，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。过程：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：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″。结论：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。

在涡旋光束的实际应用中，拓扑荷的高精度检测具有重要意义。针对现有拓扑荷检测方法存在分辨率低、难以同时判别整数阶与分数阶拓扑荷的问题，本文从理论上提出了一种基于设计超表面的拓扑荷双重判别方法，并通过数值模拟进行验证。该超表面产生的内外衍射图样可分别用于判别拓扑荷的数值与符号，且所提方法的检测精度可达0.05。理论分析与仿真结果充分验证了该方法的有效性。该方法采用平面结构设计，无需额外光学元件，无需数据处理，检测精度高。此项工作有助于推动拓扑荷检测技术的发展及光学涡旋的实际应用。

彩色编码条纹图案已成为实现条纹投影轮廓术实时三维形貌测量的重要方法。然而，彩色相机中的色彩串扰现象仍然是限制测量精度的主要因素。针对这一问题，本文提出了一种精确的色彩串扰系数标定方法，以实现有效的色彩串扰校正。首先，设计了一种基于正交相位条纹的串扰系数估计器，从理论上推导了色彩串扰系数与相位误差的关系。同时，将设计的彩色正交条纹图案投影至标准平面靶标，实现R、G、B的彩色通道分离图案。最后，基于粒子群优化算法拟合通道串扰相位误差，从而实现高精度色彩串扰系数标定。基于标准双球球板的测量实验验证，两个球体的直径拟合误差分别为0.0191 mm和0.0160 mm，球心间距的计算误差低至0.0120 mm，证明该方法能够有效提高彩色相机在条纹投影技术中的测量精度和适用性。

为实现光纤结构参数的全面、高效及多目标精确优化，并进一步提升光通信系统的传输容量，本文引入粒子群优化算法（PSO）代替传统经验设计或局部扫描方法，设计一种基于沟槽辅助结构的同质弱耦合七芯光纤。在建立一个包含色散、截止波长、有效模场面积和涂层损耗等约束条件的多目标适应度函数的基础上，利用粒子群优化算法进行全局搜索，在标准尺寸约束下精确确定光纤的最佳结构参数。仿真结果表明：在光纤纤芯间距为45 μm时，优化后的光纤在1550 nm波长处实现了低于−90 dB/km的超低芯间串扰，有效解决了多芯光纤中串扰抑制与空间利用率之间的冲突，证明了粒子群算法在复杂光纤结构设计中的高效性与可靠性，为超大容量光纤通信系统的研发与制造提供了重要的理论依据和技术支持。

本研究探讨了旋转对称幂指数涡旋光束（RSPEPVBs）在生物组织中的传输特性。根据广义惠更斯-菲涅耳原理，建立了描述RSPEPVBs在生物组织中传输的一般表达式。通过数值模拟，研究了传播距离z、幂指数n、波长$ \lambda $和束腰宽度w对光强、光束宽度和光束发散角的影响。研究结果表明，增加传播距离和波长会导致更大的光束扩散和光束宽度增大。相反，较高的幂指数会使光强向中心集中，并减缓光束宽度的扩展。此外，较长的波长和较小的束腰宽度会导致更大的光束发散角。分析了相干涡旋和强度峰值位置随传播距离增加的演变情况，结果显示它们逐渐从光束中心向外偏移，并伴随着角度偏差和位置变化。特别是当拓扑荷l ≥ 4时，峰值点的位置在传输过程中会发生跃变。作为一种高阶模式光束，RSPEPVB在生物组织中的传输表现出多样性和可控性，为生物医学领域的微操作技术开辟了新的可能性。

光学图像处理具有运算速度快、可并行操作等优势。本研究设计了一种单层超表面结构，用于实现图像光学成像与边缘检测功能。该双功能图像处理无需借助4f系统，仅通过改变入射圆偏振光的手性即可实现切换。所设计的超表面由硅纳米柱构成，优化后的硅纳米柱可等效为透过率达87%的半波片。仿真与实验结果验证了超表面的性能表现。这种集成式光学超表面不仅简化了图像处理系统，更为超表面在并行图像处理与光学集成领域的应用开辟了新路径。

针对远距离暗弱目标探测中红外系统热辐射噪声抑制的关键技术难题，本文设计了一种复合探测系统并提出热辐射制冷抑制优化方案。通过R-C光学结构与分色镜-次镜中空设计，实现长波红外与激光双波段共口径探测。为解决热辐射噪声问题，结合普朗克公式与非序列光线追迹，分析230 K~320 K温度区间的热辐射特性，并建立结合噪声项的改进式探测距离模型。通过动态规划算法优化制冷策略，确定主镜/折转镜遮光罩制冷至220 K的最优方案。结果表明300 K环境下的探测距离从300 km提升至430 km，230 K~320 K环境下探测距离始终大于400 km。本研究提出的双波段复合探测方案与分区制冷方法，为远距离暗弱目标探测及冷光学设计提供了参考。

针对单光子深度成像中探测器受散粒噪声和背景噪声的干扰，以及无人机在飞行过程中姿态变化带来的单轴图像偏差问题，在经典的SPIRAL-TAP重建框架基础上，提出了一种融合多尺度图像特征与自适应阈值筛选的新型深度图重建方法，旨在提升深度图像在低信号背景噪声比（SBR）或高信号背景噪声比下的重建质量。该方法首先通过多尺度梯度与局部方差计算生成图像加权矩阵，以刻画图像纹理复杂度；随后结合基于 ROM（Rough Order Map）估计的尺度因子对阈值进行动态调整，以增强噪声鲁棒性；在阈值筛选阶段，提出自适应阈值策略，将尺度平滑与加权矩阵软调融合，限制阈值范围，使筛选更加稳定可靠。实验结果表明，在多种SBR和光子强度条件下，并考虑到无人机单轴姿态偏差影响下，本文方法均优于传统SPIRAL-TAP算法，具有更低的RMSE误差和更好的重建质量。在倾斜角为10°和15°时RMSE分别由0.32降至0.14和从0.43降至0.21。本文方法为无人机载单光子深度图像重建提供了有效的新思路，未来可用在机载高速单光子成像系统中。

本研究提出并构建了一种基于微流控技术的CdSe量子点“合成-表面配体修饰”一体化新策略，旨在实现对量子点发光性质的精准、高效调控，以满足显示、成像及光学传感等领域对量子点光学特性的特定需求。首先构建了适用于量子点材料合成的微流控平台，通过高通量精准控制多种反应条件实现高效合成，系统探究了反应温度、时间及前体配比对CdSe量子点生长过程及其发光性能的影响规律。得益于微流控合成的高效传质与传热，反应时间从传统配体修饰方法的1小时，高效缩短至5分钟。在此基础上，针对功能化配体修饰过程中量子点发光特性（如发光颜色、半峰宽等）易发生偏移的问题，本研究首次在微流控系统中引入油酸（OA）作为表面修饰配体，通过配体的高效稳定锚定，使量子点发光效率提升3倍，有效地抑制了量子点的再生长与团聚行为，显著保持了量子点发光波长和半峰宽的稳定性。本研究创新性使用的微流控技术，不仅为量子点尺寸与发光颜色的精准调控提供了可重复、可放大的平台技术，还实现了量子点发光效率与稳定性的协同优化，为量子点材料在发光显示、量子光源等领域的实际应用奠定了坚实的技术基础。

调幅扫频激光测距是一种通过确定同相频率以实现待测距离求解的测距方法，具备高测量精度及低系统复杂度。针对含同相频率信息采样波形的信噪比不佳、同相频率求解准确度受限等问题，提出基于奇异谱分析结合局部抛物线拟合(SSA-LPF)的鉴频方法。首先介绍调幅扫频激光测距的原理，接着分析其测距精度与同相频率求解准确度的关系。仿真对比相同采样波形经SSA法滤波后摇摆法、抛物线拟合、三阶及四阶拟合最小二乘法对同相频率求解准确性的差异，结果显示采用抛物线拟合法求解同相频率精度相较于摇摆法平均绝对偏差提升95.7%，相较于其他最小二乘拟合法提升65.6%。搭建测距系统进行实测分析，实验结果表明，SSA-LPF法在不同距离及不同扫频步长下测距均方差优于30 μm。以上结果表明调幅扫频激光测距采用SSA-LPF鉴频法可以在提升测距效率的同时保障测距精度。

为提高系统透过率，高精密成像光学系统表面常需镀制多层膜。然而在短波段光学系统中，多层膜不仅改变表面透过率，还会引入显著的相位效应和横向位移，从而导致系统产生额外的波像差。本文针对短波段小入射角系统，系统分析了多层膜对全视场成像质量的影响。首先，利用膜层断点追迹算法，将膜层效应与光线追迹过程相结合，比较了可见光、红外及极紫外（EUV）波段系统的膜层引起的波像差。然后，以数值孔径为0.25的六反EUV投影系统为例，分析了均匀的40层Mo/Si多层膜引入的波前变化。在此基础上，提出一种基于Gram–Schmidt正交化（GSO）的EUV系统波前全视场分析方法，对弧形视场下的Zernike像差分布进行分析。结果表明，膜层引起的波像差在长波段系统中确实可忽略，而在短波段系统中则十分显著；膜层对EUV引入明显的倾斜和离焦，使得波前RMS由0.016λ增至0.842λ；全视场分析表明，膜层引入了0.727λ全视场倾斜和0.034λ视场无关的离焦，倾斜主要引起平移、倍率和低阶畸变等视场相关波前变化。研究表明，膜层引起EUV系统剧烈的像面变形，应在设计阶段将膜层影响纳入考虑范围。

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在实际使用中表面常覆盖涂层，为实现CFRP表面涂层的无损去除，提高CFRP回收利用率，本文利用红外高重频脉冲激光器在不同离焦距离下对CFRP表面涂层的清洗效果和机制进行研究。首先，在离焦距离为40 mm时，调控功率和扫描速度对CFRP表面涂层进行清洗，并观察清洗效果，得到优化后的工艺参数。在此基础上改变离焦距离再对涂层进行处理。最后，对清洗后样品进行表面形貌、元素成分以及接触角测试分析，得到不同离焦距离下的清洗效果、接触角变化规律和清洗工艺。结果表明，随着离焦距离的增大，清洗过程由气化向热积累效应转化，适当的热量积累有助于涂层和树脂的完全去除。当功率、扫描速度和离焦距离分别为25 W、720 mm/s和40 mm时，可以在不损伤碳纤维性能且能有效改善基材表面润湿性的情况下完全去除涂层。

单光子探测器灵敏度高、抗干扰能力强，常与传统PPM调制技术相结合进行远距离激光通信，但通信速率较低。针对PPM调制速率受限问题，提出一种基于单光子探测器的宽带可重构脉冲采样数据传输方案，并基于该调制方式设计了一套自适应脉宽算法，以实现对单光子探测器数据的最优脉宽选取。发射端使用FPGA GTX高速收发器与实时串口发收改进了发射码型，接收端设计了误码率(BER)监测与自适应算法模块。对信道实际场景中的影响进行了链路仿真与自适应仿真，并搭建了1550 nm的单光子探测器实验系统进行验证。实验结果表明，该调制方式可以实现Kbps-Mbps速率的单光子激光通信，并基于雪崩光电二极管(APD)初步验证了Gbps量级速率通信的可行性。在Kbps、Mbps速率量级下，相比于默认脉宽，采用自适应脉宽调制算法使通信误码率分别降低了1、2个数量级。相较于传统单光子激光通信系统，该调制方式可以实现Kbps-Gbps宽速域调节和Kbps-Mbps速率下最优脉宽选取，为不同技术路线的单光子探测设备提供了一种新的解决方法。

多层介质薄膜结构会调制光场，因此在研究激光诱导损伤特性时，有必要考虑薄膜体系内部的能量分布以及由此引起的材料光学性质变化。以 HfO₂/SiO₂多层介质薄膜结构为例，基于激光诱导电离/电子倍增过程，在光场计算中引入Drude模型，将膜层折射率由静态常数扩展为由自由电子密度驱动的动态复折射率。在此基础上耦合热传导（及热应力）模型，计算纳秒脉冲激光作用下薄膜内部的热效应演化，并求得相应的损伤阈值为13.65 J/cm²，同时开展实验研究其损伤特性。可观察到HfO₂/SiO₂多层介质薄膜的损伤形貌为圆孔状，属于典型的热熔融型损伤，测得的损伤阈值为13.75 J/cm²，略高于理论分析结果，与理论模型结论吻合。本文建立的改进模型有助于从理论层面进一步分析强激光与多层介质薄膜的相互作用，并更好地研究光学薄膜的抗损伤能力。

本文提出了基于L波段激光差频的连续精调谐太赫兹辐射源。设计了一种全保偏光纤链路，包括保偏隔离器、保偏耦合器和保偏掺铒光纤放大器，以保持两束光之间的偏振态一致。利用L波段双激光差频激发InGaAs高性能光电导天线，在1568.8~1589.6 nm波长范围内产生0.1~2.7 THz连续太赫兹辐射。使用高莱盒探测器和太赫兹扫描法布里-珀罗干涉仪对太赫兹波分别进行功率及频率测试。结果表明，太赫兹波在25分钟内的功率不稳定度在4%以内， 0.5 THz、1 THz处的频率测量结果与L波段双激光的间隔频率高度一致。此外，在0.9~1 THz范围内，实现了1 GHz的高精度调谐，对应0.008 nm的波长间隔。该连续精调谐太赫兹辐射源在高精度光谱检测等领域具有较高的应用潜力。

针对热敏感基底（如环氧胶粘接结构件）在镀膜过程中的温升控制难题，本文提出一种低温电子束蒸发镀膜工艺。通过分段沉积-冷却循环的动态热管理策略，系统研究了该工艺在金属反射膜（以银膜为研究对象）的应力、附着力及光学等核心性能方面的表现，并结合环氧胶热失效阈值优化沉积流程。实验结果表明，在基片温度严格受控的条件下，该工艺使得反射膜残余应力显著降低，界面附着力满足国家标准中最严苛的03严酷等级；在可见光波段，其平均反射率与传统连续镀膜工艺相当（>99%@450~900 nm），且基片温升始终低于环氧胶临界阈值。通过离子辅助沉积与介质层封装协同作用，银膜抗氧化性与环境耐受性显著提升，满足航天光学器件在极端多物理场耦合环境下的长寿命服役要求。进一步理论分析表明，该工艺的热弛豫机制与结构调控原理具备跨场景适用性，为低温敏感基材的高性能镀膜提供了兼顾航天可靠性及工业普适性的创新解决方案。

为满足特殊环境下激光系统对轻量化结构与高能量脉冲输出的双重需求，本研究设计并实现了一种采用高温半导体激光器阵列(Laser Diode Arrays, LDAs)侧面泵浦Zigzag Nd:YAG晶体的无水冷高能脉冲激光系统。振荡光在晶体内呈现”Zigzag”路径以增加增益长度，LDAs分别对两个晶体采用轴对称式泵浦，以改善增益分布均匀性。通过隔热材料实现Nd:YAG晶体与LDAs的热隔离，并分别采用半导体制冷器（Thermoelectric Cooler, TEC）与强制风冷对Nd:YAG晶体和LDAs进行独立温控，确保热管理的稳定性与高效性。磷酸二氘钾晶体（Potassium Dideuterium Phosphate, DKDP）作为电光调Q晶体。在不使用水冷，重复频率为100 Hz（占空比为2.5%）的条件下，实现了129.2 mJ的脉冲激光输出，脉冲宽度为9.0 ns，对应的光-光转换效率为9.6%，斜效率为13.1%，输出能量稳定性优于2.26%，并在150 Hz重复频率下取得了87.6 mJ的能量输出。该激光系统为激光测距、激光照射等领域提供了一种环境适应性强、结构紧凑的新型光源解决方案。

本文构建了一种以相位调控机制为核心的超构器件通用伴随优化方法。该方法的核心在于建立了一个梯度-结构映射模型，将复数域的伴随梯度转化为物理可实现的结构更新量，从而在结构扰动与相位响应之间确立了稳定的迭代关系，最终实现对器件表面相位的逐点精确调控。其中伴随仿真始终采用单个电偶极子激励，无需针对不同设计任务重新构建伴随源；不同功能需求的差异完全可以通过结构更新映射的调整来实现，从而使该方法能够在统一仿真模型下高效处理多类型波前调控任务。在此基础上，完成了多类超构器件的数值设计验证。二维纳米柱超透镜实现了接近衍射极限的聚焦性能，衍射效率为 83.9%；基于线性相位梯度的超光栅实现了 30° 的输出偏折，+1 级衍射效率为 72.4%；设计的双焦点透镜汇聚效率达到 67.2%；全息超表面能够清晰重建中空三角形图案，对应能量集中度约为 60.3%。结果表明，所提出方法具有伴随源构建简单、计算效率高、结构类型适应性强等优势，可在统一框架下高效完成不同类型超构器件的逆向设计，为超构表面在成像、波前工程、紫外探测等领域的深入应用提供了一种可行方案。

光谱成像、片上通信及多功能集成光子学的快速发展，正推动光学系统向小型化与高度集成化方向演进，并对紧凑平台上多波段光束的独立空间调控提出了迫切需求。然而，传统多波段调控方案通常依赖多片器件或复杂光路，结构笨重且易产生跨波段串扰，限制了系统的集成度与可扩展性。针对这一挑战，本文提出了一种基于双波段双梯度相位协同构建的单层全介质超表面设计策略，可在单层结构中实现不同波段波前调控功能的方向解耦。为验证该策略的有效性，选取硅（Si）与二氧化硅（SiO₂）构建超表面，并以800 nm与1150 nm两个波段为示例验证策略。所构建的超表面单元可在各自工作波段实现完整的0~2π高效相位覆盖，通过梯度相位实现各自波段的定向偏折。将两类单元以旋转交错90°的方式排列形成复合周期结构，使双波段相位分布在同一平面内共存且互不干扰。结果表明，垂直入射条件下，器件将800 nm波段的透射光束相对于入射法线在一个横向方向偏折约14°，而对于1150 nm波段的透射光束，则在与其正交的另一横向方向偏折约24°，从而实现空间通道的清晰分离与独立调控。同时，器件保持偏振无关性与稳定波前控制，验证了双波段空间正交调控性能的可靠性。该设计策略为实现高集成度、多波段且具空间正交调控能力的片上光子器件提供了一种紧凑、高效且具有普适性的技术路径，在光谱成像、双波段通信及集成光子学系统中具有广泛的应用潜力。

为研究硅PIN光电二极管（简称PIN管）在氙灯辐照下的性能退化规律和损伤机理，本研究定义了PIN管的探测能力，搭建了50 kW氙灯损伤实验平台，以S5106型PIN管为对象，通过实时监测其输出光电流和表面温度的变化，探究了PIN管损伤时探测能力退化的影响因素和损伤阈值特性。基于一维热扩散理论建立了PIN管的损伤阈值模型，通过与实验阈值结果进行对比，验证了模型的准确性。根据探测能力是否可恢复，将PIN管损伤分为软损伤和硬损伤。软损伤时探测能力与辐照时间、表面温度均呈非线性负相关关系；硬损伤时辐照度阈值与辐照时间的平方根成反比，与损伤阈值模型一致，其损伤阈值对应的最小辐照度约为6.6 W/cm²（对应辐照时间约为382 s），此时表面温度范围为(385.77±4.16) °C。理论分析表明，软损伤源于热效应导致的载流子迁移率下降及漏电流增大，硬损伤源于热效应导致的光学窗口硅橡胶熔融开裂与PN结热失效。本研究明确了PIN管软损伤和硬损伤的影响因素及规律，并确定了其硬损伤阈值，为宽谱强光探测场景下PIN管的性能评估与防护设计提供了量化依据。

为提升关节内窥镜在临床手术中的成像性能并拓展其应用前景，设计了一种兼具大视场与高分辨率、可见光与近红外宽光谱齐焦成像特性的关节内窥镜光学系统。物镜通过大光焦度负透镜压缩主光线角度、减小轴外与轴上光线的光程差；并利用光阑共轭成像在转向棱镜内形成等效虚拟光阑，以在有限口径下兼顾大视场下的通光效率与高像质。中继镜采用三级近对称结构，通过光焦度与阿贝数分配有效抑制宽光谱传像过程中的轴向色差累积，从而实现齐焦成像。公差分析表明，该系统具有良好制造与装调可实现性。实验结果验证了所设计的宽光谱关节内窥镜在95°视场角下可实现可见光与近红外波段齐焦成像，角分辨力分别为4.34 C/(°)和2.74 C/(°)。本文所设计光学系统为低成本实现高性能荧光内窥镜提供了可行方案，具备重要的应用价值。

电光光束偏转技术具有低功率、小型化、可控性好等优点，相比于机械式光束偏转、声光光束偏转和液晶光束偏转技术，更容易满足空间激光通信快速、稳定的现实应用需求。本文系统总结了一些应用广泛的新型电光材料（铌酸锂、锆钛酸铅镧、钽铌酸钾）在光束偏转方面的国内外研究进展，根据不同电光材料的偏转特性，从应用模式和关键指标方面分析比较了各类材料光束偏转技术的特点，展望了各类电光材料光束偏转技术在空间光通信领域的应用前景，指出了目前亟待解决的困难，为下一步的研究工作指明了方向。