半透明介质广泛存在于航天器热防护材料、火箭发动机羽流、炉膛火焰、涡轮发动机耐高温组件等多个领域，日常生活中的水、玻璃、空气、生物组织等也都属于半透明介质的范畴。介质的光/热特性是光辐射传输分析、传热过程计算的理论前提，然而在很多情况下光/热特性无法直接测量，需要采用最优化理论重建得到。　　半透明介质光/热参数场重建对于半透明材料无损检测、生物组织医学成像、高温火焰燃烧诊断等具有重要的实际应用价值，深入开展半透明介质多宗量场重建研究具有深远的科学意义和广阔的应用前景。然而，目前在半透明介质光学参数场重建方面，仍存在成像质量差、计算效率低等问题，建立高效准确的光学参数场重建模型仍是目前亟待解决的技术难题。在光热参数场同时重建方面，目前国内外研究较为欠缺，测量信号关于光学参数和热物性参数敏感度相差较大导致同时重建误差大的问题尚未解决，亟需建立准确稳定的光热参数场同时重建模型。　　本文从激光与半透明介质的相互作用出发，对超短脉冲激光作用下半透明介质光学参数重建、脉冲激光加热下半透明介质光热参数同时重建及调制激光激励下半透明介质光热参数场快速同时重建进行系统的研究与分析。具体研究内容包括以下五个方面：　　首先，概述了求解辐射反问题的最优化理论，总结了群体智能优化算法及梯度优化方法在反问题求解中各自的优缺点；提出了改进磷虾群算法和改进群居蜘蛛优化算法，采用五个标准测试函数对比了各种智能算法的计算性能，结果表明改进磷虾群算法在计算精度和结果稳定性方面都明显优于其它算法；综述了梯度优化算法的基本求解思想，针对优化阶段后期计算速度下降的问题，引入了重启动共轭梯度法和携带Maratos效应应对策略的序列二次规划算法两种改进模型，提高了优化问题的求解效率。　　其次，研究了超短脉冲激光作用下半透明介质内时域辐射传输模型和频域辐射传输模型；分析了介质边界辐射响应信号与介质光学参数之间的敏感性关系，采用改进磷虾群算法重建了均匀半透明介质的光学参数，最大相对误差仅为0.02%；利用梯度优化算法重建了非均匀半透明介质内部光学参数场，对比了频域辐射传输伴随差分模型、频域辐射传输伴随方程模型和时域辐射传输伴随方程模型在光学参数场重建中的计算效率和精度，结果表明伴随方程法重建效率高于伴随差分法，时域辐射传输模型重建精度高于频域辐射传输模型，据此建立了基于时域辐射传输伴随方程法的高效、准确、稳定的光学参数场重建模型。　　再次，利用辐射源项耦合的方法描述了激光加热下半透明介质内的辐射导热耦合换热；采用改进磷虾群算法同时重建了均匀半透明介质的光热特性，并分析了测量误差对重建结果的影响，当测量误差增加至5%时，最大重建误差仅为2.51%，表明重建模型具有较强的鲁棒性；分析了边界测量信号对介质光热参数的敏感度，结果表明光响应信号对介质光学参数更敏感，而热响应信号主要对介质热物性参数敏感，在此基础上提出了多阶段优化策略，准确同时重建了非均匀半透明介质内吸收系数、散射系数和导热系数分布。　　然后，将锁相热成像技术引入到半透明介质光热参数场的反演，并与多阶段优化策略相结合，提出了更加高效的锁相定位重建方法，结果表明该方法可以大幅度提高光热参数场同时重建的计算效率和精度，并克服了传统优化方法对正则化约束的依赖性，具有更强的实用性；利用该技术准确重建了两种含异质体多孔陶瓷的吸收系数、散射系数和导热系数分布。　　最后，开展了半透明介质光热参数场重建的实验研究，重建了含异质体碳化硅陶瓷材料内吸收系数、散射系数和导热系数分布，结果表明理论模型和实验装置具有良好的可靠性；分析了异质体大小、深度、尺寸因子等几何参数对锁相热成像结果的影响，发现当尺寸因子小于2.0或探测深度达到5.0mm以上时，难以根据锁相热成像结果准确地确定异质体位置；针对尺寸因子较小的测试样品，建立了异质体位置及光热参数联合重建的计算模型，准确重建了半透明介质光热参数分布。