现有的基于深度学习的绝对相位提取算法，虽然在精度和效率方面有所改进，但仍存在网络参数量过大、对不连续相位求解精度低等问题，为此提出一种基于深度学习的结构光包裹相位展开网络，以简洁高效的编码器-解码器网络框架为骨干网络，并设计自适应时钟长短期记忆模块捕获上下文和方向敏感特征；通过引入并改进多尺度注意力机制，有效提高算法的信息获取能力和特征融合的稳定性及效率。为了评估该网络模型的有效性，首先借助包含随机噪声干扰、相位不连续跳变及混叠效应的三组模拟数据集，与当前主流深度学习相位展开模型进行比较实验和消融实验，实验结果表明所提网络的性能均优于对比网络模型；其次，借助公开数据集测试，所提网络的均方根误差为0.505 2，平均绝对误差为0.180 9 rad，结构相似性指数为0.997 1，表明该网络具有良好的泛化能力。

为评估封装对器件的潜在影响，亟需对封装器件表面形貌进行高精度测量。现有补偿方式覆盖封装厚度范围有限，存在厚度匹配误差引入的残余像差和色差，导致传统干涉显微技术复原封装器件的表面形貌存在系统误差或方法失效。提出一种基于双臂差分可调补偿的干涉显微测量方法。在测试光路中加入插片式平板补偿器，参考光路中加入厚度调节范围为4.8~5.2 mm的双楔板补偿器，形成双臂厚度偏差连续可调的补偿方案，能够连续补偿400 μm的厚度偏差，可覆盖0~5.2 mm封装厚度范围。以方便分离单色像差和色差影响因素的2.5倍Michelson型干涉显微物镜为例，重点分析了色散补偿问题。用不同厚度的K9玻璃平板覆盖标准粗糙度板和标准台阶板模拟封装器件，开展实验验证。结果表明：该方法能够准确测量封装层厚度为1 mm的RM1722粗糙度板的表面粗糙度和封装层厚度为5 mm的SHS-23008台阶表面形貌，前者粗糙度测量值为（0.63±0.003） nm，后者高度测量值为（9.272±0.021） μm，均与裸板测量值高度一致。该方法可应用于晶体管外壳封装光电二极管的检测，实现对封装芯片区域形貌的精确测量。

针对现有炸点时间测量系统存在的测量精度低、探测能力弱和成本高等问题，设计了一套高精度炸点时间测量系统。该系统选用峰值波长920 nm硅光电二极管BPW20和低噪声AD825跨阻放大器完成光电信号的采集，同时在系统的光学设计中引入聚光镜，增强光线聚焦能力，理论与实验结果表明系统探测能力提升了9倍。为提升系统的时间测量精度驯服本地时钟，基于全数字锁相环（All-digital Phase-Locked Loop ADPLL）算法，通过相位检测和PI自适应调整，将本地时钟对齐1 PPS，误差控制在50 ns以内，实现了普通晶振高精度守时，降低系统设计成本。室内LED实验和室外鞭炮爆炸实验，验证了本系统能够实现对炸点时刻的高精度测量。

构建了失调状态下（即人工晶状体存在偏心或倾斜时）的眼模型，基于初级像差理论，研究了人工晶状体眼的初级像差以及不同类型非球面单焦点人工晶状体的性能差异，并结合节点像差理论，阐明了偏心、倾斜对人工晶状体眼初级球差和初级彗差的影响机制。结果表明，当瞳孔直径3.0 mm且无偏心、倾斜状态下，较小二次曲面系数的人工晶状体对全眼轴上初级像差几乎没有影响，但可以有效地抑制偏心状态下初级彗差场中心的偏移，从而使得偏心状态下，植入0像差人工晶状体的眼模型的调制传递函数高于植入像差矫正型人工晶状体的眼模型。对于非球面单焦点人工晶状体的设计，适当地降低二次曲面系数，能显著减小因偏心而产生的初级彗差场中心偏移，从而改善偏心状态下人工晶状体眼的光学性能。该研究为未对准状态下人工晶状体的设计提供重要参考。

为了满足空间遥感相机对分辨率越来越高的要求，设计研究了一种具有较高空间分辨率的可见光与红外光一体化的空间光学系统，可同时实现多谱段成像功能。可见光分系统的工作波段为0.45~0.9 μm，焦距为5 m，F数为10，视场角为0.7°×2.3°，在500 km的轨道位置处成像幅宽大于20 km；中波红外分系统的工作波段为3~5 μm，焦距为1.5 m，视场角为0.2°×2°，F数为3，满足100%的冷光阑效率。两路光学系统共用前端同轴三反系统的主次镜，通过视场分割的形式实现双波段同时工作。整个系统用到了8个反射元件，设计结果满足各项指标要求。

为满足空间主动光学系统对大扩束倍率与紧凑化的工程需求，并解决离轴三反系统由同轴向离轴过渡困难的问题，提出一种大倍率紧凑型的离轴三反无焦光学系统初始结构设计方法。与现有扩束方案相比，本方法在实现高扩束倍率的同时，能够有效兼顾系统的结构紧凑性。首先推导同轴三反无焦系统的消像差理论，构建了同轴初始结构；随后采用基于焦点传递原理的离轴化策略，在同轴结构基础上直接构建无遮拦的离轴光学布局；最后通过建立几何约束模型，完成了口径为500 mm、全视场为1 mrad、扩束倍率为20倍、外包络直径小于900 mm的光学系统设计。结果表明，所设计系统在实现大扩束倍率的同时具备良好的结构紧凑性，全视场均方根波像差优于λ/14（λ=632.8 nm），光束传输质量良好，同时公差分析验证了系统在加工与装调误差下的稳定性。所提方法为实现大扩束倍率光学系统的紧凑化设计提供了一种可行的技术路径。

平面抛光是400 mm × 400 mm口径平面光学元件的重要加工工艺，抛光垫修整是提高连续抛光加工效果的重要手段。抛光垫表面轮廓的高效、高精度的修整一直是行业的一个重要的研究方向和难点。提出一种金属锡抛光垫表面形貌的热场调控方法，在双金属热变形效应的基础上，对三种材料组成的复合抛光盘内部温度场以及热应力进行了分析，构建了金属锡抛光垫的表面形貌热场调控数学模型。利用ANSYS仿真以及实验对金属锡抛光垫表面形貌热场调控进行了验证。研究结果表明，通过调节热场温度参数t_cont使得抛光垫表面形貌产生热变形，当t_cont等于16 ℃时，抛光垫表面形貌的热变形最大，为16.9 μm；当t_cont等于19 ℃时，抛光垫表面的热变形最小，为2.2 μm。最后，进行9组元件抛光工艺实验，当t_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{t}}等于18 ℃时，平面光学元件抛光精度最高，面形精度峰谷值平均提升20%，均方根值平均提升15%。

中波红外干涉光谱成像仪在气体探测识别中独具优势，适配化工气体巡检预警与泄漏应急，然而传统构型在轻小型化、稳定性上局限显著，因此设计了基于阶梯微镜干涉调制的光谱成像光学系统，工作谱段为3~5 μm，F数为1.5，焦距为30 mm，视场为18°×14.4°，探测器选型为320×256像元阵列的中波制冷型探测器，通过折衍混合、非球面设计实现消色差和无热化，引入柱面镜抑制干涉分束系统导致的严重像散，为提升环境适应性保证成像质量，分析溯源视场内红外杂散辐射并进行抑制，完成样机装调后光谱成像结果显示，设计系统成像质量稳定良好且能够实现气体种类识别。

为扩大光谱共焦位移传感系统的测量范围并提高测量精度，设计了基于梯度折射率（Gradient Index， GRIN）光纤的二级色散物镜，并利用物理信息神经网络（Physics-Informed Neural Network， PINN）算法结合ZEMAX软件仿真，在扩大系统色散范围的同时，实现二级色散物镜与预色散GRIN光纤像差的综合补偿与校正。首先，根据GRIN光纤的折射率分布形式及柯西色散，建立了GRIN光纤预色散单元，推导了波长与轴向色散之间的关系，并仿真分析了不同节距数时GRIN光纤的色焦移，当GRIN光纤节距数m=5时，能够达到1.496 mm的轴向预色散，线性度R²约为95%；然后，根据计算获得的GRIN光纤预色散单元的等效物点位置及像差理论，推导了GRIN光纤的像差，设计了二级色散物镜，并利用ZEMAX进行了色散性能分析及像差优化；最后，为提高系统分辨率，校正系统像差，提出了采用PINN结合ZEMAX形成闭环验证的像差校正方法，通过ZEMAX建立“透镜参数-Zernike像差”数据集，结合预色散GRIN光纤的像差数据，利用PINN预测反馈并进行迭代优化，实现整体像差的综合补偿校正及轴向色散线性度优化。结果表明：系统的最大像差降至10 μm以内，综合轴向色散达到4.34 mm，线性度R²达99.84%，搭配纳米级光谱仪，理论分辨率可达25 nm。该研究对光谱共焦位移传感系统的设计和性能优化具有一定指导意义。

为满足远紫外极光探测中对微弱信号（低至100 R）与高强度信号（高达30 kR）的高精度成像需求，针对极光N₂ LBH波段（160~180 nm）的成像特点，提出一种兼顾大动态范围与低杂散光的光学系统。通过采用同轴四反式光学结构，并结合多层膜技术抑制强背景的干扰等杂散光抑制技术，对系统性能进行了优化设计与仿真验证。测试结果表明，该系统在100 R至30 kR的动态范围内，其信噪比在100 R时优于1.5，在30 kR时优于30。在带内160~180 nm波段，杂光抑制水平达到10^-3，在带外200~1 000 nm波段，杂光抑制水平优于10^-9。结论证明所提出的光学系统成功实现了设计目标。

设计并制备了一种新型双重肋结构的高灵敏度光学麦克风，该传感单元由双重肋结构膜片、单模光纤与石英套筒构成。基于有限元仿真优化肋结构参数，并使用皮秒激光微纳加工技术实现双重肋结构膜片的制备。所研制的光学麦克风在15.58 kHz下实现了1 418.9 mV/Pa的高灵敏度和61.17 dB的信噪比，展现出优越的声信号获取能力、高灵敏传感特性和良好的方向性。该光学麦克风有望应用于电力传感领域，为电力运行设备的微弱声信号探测、局部放电检测、设备故障诊断与线路在线监测提供保障。

针对海洋湍流造成光强起伏恶化水下光通信性能问题，基于对数正态分布建立水下无线光通信弱湍流信道数学模型，仿真分析准循环低密度奇偶校验编码在不同调制格式、闪烁指数、编码长度等参数下的编码增益规律和通信特性。仿真结果表明，在10 m传输距离下差分相移键控调制加入编码后系统误码率下降至4×10^-5，对于开关键控和二进制相移键控在低信噪比时加入编码后带来的性能提升可能不足以抵消译码复杂度的增加，从而导致误码率升高。搭建了基于模拟海洋湍流水池的蓝绿光激光通信实验平台，进行通信距离1.5 m、通信速率10 Mbps的准循环低密度奇偶校验编码海洋湍流光通信多调制格式通信性能对比实验研究，引入闪烁指数{\delta }_{\mathrm{I}}^{\mathrm{2}}衡量湍流强度大小。实验结果表明当误码率为10^-5量级时，准循环低密度奇偶校验编码在自来水、温致湍流（{\delta }_{\mathrm{I}}^{\mathrm{2}}=0.056）、盐致湍流（{\delta }_{\mathrm{I}}^{\mathrm{2}}=0.034）环境下对开关键控调制的编码增益分别为0.46 dB、0.49 dB、1.31 dB；对差分相移键控调制的编码增益分别为0.83 dB、0.79 dB、1.63 dB。准循环低密度奇偶校验编码在弱湍流信道中对差分相移键控调制的编码增益较高，并在盐致湍流环境中有较高的编码增益，抗干扰效果更好。

提出一种基于MXene的双通道级联无芯光纤表面等离子体共振传感器。该传感器由多模光纤级联两段无芯光纤（No-core Fiber，NCF）构成，其中通道1的NCF区域仅涂覆金膜，通道2的NCF区域通过静电自组装法将MXene固定在金膜表面。理论分析表明，当通道1和通道2的NCF长度分别为5 mm和12 mm时，共振峰可见度最佳，且MXene厚度增加可扩大共振峰间距。实验结果表明，在1.333~1.366折射率范围内，MXene层数从0增至5层时，通道2的折射率灵敏度从2 016.31 nm/RIU提升至4 209.16 nm/RIU，增幅达108.75 %。综合考虑折射率灵敏度和品质因数（Figure of Merit，FOM），确定MXene最佳层数为4层，此时通道1和通道2的折射率灵敏度分别达1 894.27 nm/RIU和4 001.48 nm/RIU，FOM分别为16.86 RIU^-1和32.99 RIU^-1。该传感器结构简单、成本低廉且操作便捷，在双参数生化传感领域具有良好的应用潜力。

针对单帧条纹投影深度估计中传统数据增强与归一化方法适配性不足的问题，提出了一种结合区间裁剪幂次归一化与结构化条纹遮挡增强的数据预处理策略。区间裁剪幂次归一化通过裁剪极端亮度值、幂次变换与分段映射优化像素分布，强化暗部细节表现的同时，保持整体亮度均衡与对比度稳定。结构化条纹遮挡增强则通过规则化遮挡与条纹一致性填补增加样本的多样性。通过多组实验验证，所提出的归一化与增强方法的有效性。进一步分析发现，所提出的数据增强与归一化方法在多种网络结构中均展现出稳定的性能提升，体现出良好的通用性与适配性，同时对不同结构的网络呈现出一定的差异化适应特征。该策略兼具普适性与差异化适配能力，为单帧条纹投影深度估计的性能提升提供了一种切实可行的优化思路。

提出一种基于点对点回归的轻量级红外小目标检测算法，将红外小目标检测建模为简单的点对点回归任务，实现了目标检测性能和数据标注效率的最佳平衡。首先，提出了非对称全维度动态特征提取模块，构建通道混洗和深度卷积等结构，高效地增强目标关键信息，同时抑制背景干扰。然后，设计高分辨率跨特征增强模块，利用多路高分辨率特征提取分支的交叉融合，简化了传统的多层级卷积堆叠结构，有效挖掘高层语义特征的同时保留目标细节信息。最后，构建自适应点回归检测头，准确定位目标中心位置。大量实验结果表明，所提方法仅需单点数据标注，就能实现优于多种前沿算法的检测精度，同时模型参数量仅为0.24 M。

针对光学遥感图像中背景干扰严重及目标尺度差异导致的检测精度低、漏检误检率高的问题，提出了一种基于自适应特征加权的遥感图像目标检测算法。在特征提取阶段中设计自适应通道加权模块，通过自适应通道加权增强目标相关特征、抑制背景噪声，并平衡多通道特征表达，有效缓解背景干扰的影响。同时，针对小目标和大目标的尺度差异，设计自适应多尺度融合金字塔，结合多尺度感知与上下文集成模块及自适应层间加权模块，动态优化多尺度特征融合，提升模型对小目标高分辨率细节捕捉和大目标低分辨率语义整合能力。在DOTA1.0和DIOR-R数据集上的实验表明，所提方法相较基线模型的平均精度分别提升2.36%和3.28%。可视化对比进一步验证了所提方法显著降低小目标的漏检和误检率。

针对薄膜晶体管型电润湿电子纸驱动功耗较高的问题，提出一种基于环境光动态补偿的电润湿电子纸低功耗方法。该方法根据电润湿电子纸显示亮度、对比度随环境光增强而增强的特点，通过校正电压-反射亮度曲线保证其他环境光下的相邻灰度亮度差值与标准环境光相邻灰度亮度差值保持基本一致，使得电润湿电子纸在不同环境光下提供舒适稳定显示效果的同时降低功耗。接着采用对比度受限自适应直方图均衡化对校正后的图像细节区域进行增强，进一步优化显示效果与功耗。根据脉冲幅度调制驱动方式灰度与电压的关系，计算出算法处理后最大像素值对应的驱动电压，将其作为该环境光下的最大驱动电压，实验结果表明：经过算法处理后电润湿电子纸显示功耗可降低至11.72 mW·in^-2，功耗减少38.06%。

薄膜铌酸锂作为新一代硅基光子集成平台，在光通信、非线性光学和量子光学等领域取得了显著进展。然而，芯片与光纤之间的低损耗耦合仍是限制其高性能器件实际应用的关键难题。为实现与光纤陀螺中光纤环尾纤的耦合，以及芯片的批量化低成本生产，设计并验证了一种基于深紫外光刻工艺的双层倒锥端面耦合器，研究了不同倒锥结构下耦合损耗的变化。通过最优化设计，利用电子束光刻工艺验证了该结构在1 310 nm波段可实现与模场直径为6 μm光纤低至2.3 dB/facet的耦合损耗。该耦合器结构简单、工艺复杂度低、耦合损耗小，针对上下层倒锥的对准误差，具备±300 nm的制造容差。该制备方案与常见的薄膜铌酸锂器件制备流程相兼容，借助成熟的批量制造工艺可实现器件的大批量制备，将有利于薄膜铌酸锂平台的集成度提升与相关器件的工程化应用。

系统研究了氮化硅波导在可见光全谱段（435~760 nm）的传输特性。针对偏振敏感和偏振不敏感的两种应用场景，分别设计了薄波导和厚波导平台。通过数值仿真方法，分析了两种波导设计的尺寸、弯曲半径及波导间距等关键参数对传输损耗的影响，并探讨了波导性能对制造误差和侧壁粗糙度的敏感性，为未来片上全谱段可见光器件的设计与制造提供理论依据。

将非周期性帽子单瓷砖平铺结构引入到非线性光学超晶格结构中，设计并制备了二维平面帽子平铺超晶格结构，探究了这种超晶格结构的特性，并以铌酸锂晶体为例理论计算了其可实现的谐波波长。非周期性帽子平铺超晶格的倒空间结构具有较强的六重旋转对称性，同时强衍射点分布具有周期性。在共线条件下，可产生基波波长为858 nm、895 nm、932 nm、1 055 nm、1 100 nm的二次谐波；在非共线条件下，能够实现基波波长为892 nm、971 nm、1 089 nm、1 103 nm、1 389 nm的二次谐波频率转换。通过与周期性结构的衍射图对比，验证了非周期性帽子平铺结构可以提供丰富的倒易矢量，并且由于这种结构强衍射点在倒空间具有周期性，能够有效地提高非线性光子晶体的转换效率。最后，根据实验结果提出改进，计算出超晶格结构中帽子瓷砖对应的六边形边长扩大为32.2 μm时，最强衍射点对应倒易矢量能实现基频波为1 550 nm通讯波长的二次谐波。

聚焦分数阶衍射下两维表面带隙孤子的传输问题，采用数值计算方法，系统分析了自散焦Kerr非线性介质中位于大块介质与光学格子分界面处基本孤子和同相位偶极孤子的存在性、稳定性及传输特性。研究结果表明：表面带隙孤子可稳定存在于布洛赫第一带隙，且分界面处孤子呈现不对称形态。传输模拟和线性稳定分析的联合验证表明：除非分界面处的同相位偶极孤子在临近第一能带下边界的小区域内呈现不稳定外，其余表面带隙孤子在其整个存在区间保持稳定传输特性。当为表面带隙孤子引入相位倾斜因子时，较小的相位倾斜会引发孤子中心位置发生微小周期性震荡，但孤子的整体形态几乎无畸变；而较大的相位倾斜则会导致孤子中心位置产生无规律震荡，且其在传输过程中孤子逐渐失真。

研究了分数阶克尔非线性薛定谔方程中PT对称光学格子中缺陷孤子的存在性、稳定性和动力学特性。结果表明：光学格子的带隙范围随着Lévy指数的减小而变宽，随着晶格缺陷强度从负到正增加，半无穷带隙范围逐渐变窄，其他带隙范围则逐渐变窄。在分数衍射下，随着Lévy指数的增加，对于所有缺陷晶格，半无穷带隙和第一带隙内缺陷孤子的功率逐渐变大，孤子的稳定性越来越好。负缺陷和零缺陷情况下，缺陷孤子仅在半无穷带隙存在稳定区间，在第一带隙全不稳定，正缺陷情况下，缺陷孤子在半无穷带隙和第一带隙内均存在稳定区间。此外，在半无穷带隙内，随Lévy指数的减小，缺陷孤子包络的峰值增加，宽度变窄，随着传播常数的增加，缺陷孤子包络的峰值迅速减小；在第一带隙内，正缺陷情况下孤子包络的峰值随Lévy指数的减小而变小，随传播常数绝对值的增加而变大。

针对海洋湍流时变特性导致静态机器学习模型识别效能受限的问题，通过在线动态的方式提升轨道角动量光束模式识别技术在该环境下的高效性与准确性。提出采用在线序列极限学习机构建轨道角动量模式在线识别框架。该框架依托在线序列极限学习机的动态参数更新机制通过增量更新模型参数，快速捕捉湍流环境下轨道角动量光束的模式特征漂移，可实现权重的实时优化，且无需重复训练历史数据，能有效适配海洋湍流的时变干扰。实验结果表明，所提模型的分类准确率表现突出，以弱湍流场景为例，相较于支持向量机、增量贝叶斯分类器及朴素贝叶斯分类器，准确率分别提升约0.07、0.05和0.04，可为海洋湍流环境下轨道角动量模式识别及相关领域的工程应用提供更具适应性的解决方案。

基于飞秒激光成丝非线性传输模型和随机湍流相位屏模型，运用数值模拟的方法研究了空气湍流对飞秒激光成丝几率和成丝起点距离的影响规律。当初始激光功率低于成丝阈值功率时，湍流可以促进成丝现象的产生，充当触发成丝的开关。同时成丝几率随湍流强度的增大而提高。引入长焦距的透镜作为聚焦条件，可以有效提高湍流环境下的成丝几率。另外，初始激光功率选取为1.4倍成丝阈值功率时，不同湍流条件下成丝起点距离的平均值均得到缩短。湍流强度相对较弱时，成丝起点距离有几率得到延长；湍流相对较强时，成丝起点距离始终小于无湍流时的情形。基于横向相干长度r₀和Q值参数，分析了不同初始激光和湍流条件下，湍流对全光束自聚焦效应和相位调制不稳定性的不同影响规律，阐述了湍流影响成丝几率和成丝起点距离的作用机制。研究结果将为湍流环境下飞秒激光成丝控制提供参考，推进成丝在大气领域的实际应用。