针对目前实现光场传输的两种算法无法同时满足运算速度和精细度的问题，提出了矩阵相乘算法，阐明了其实现思想，推导了其实现过程。结合激光相干合束实例进行了仿真分析，结果表明，对于六路高斯光束的相干合束，快速傅里叶变换算法耗时短，但无法得到精确的计算结果；积分算法和矩阵相乘算法均可获得远场准确的光强分布，但积分算法需耗时15.7 h，而矩阵相乘算法仅需2 s，提高了运算效率。证明了矩阵相乘算法具有快速、准确的优点。

分束角度是衍射型激光分束器件重要性能指标之一。目前对大角度衍射分束元件的研究局限于Dammann光栅，Dammann光栅依靠周期内相位突变点对入射光波进行调制，其分束均匀性对突变点精度非常敏感，现有加工技术无法满足设计精度的要求。针对这一问题，提出利用亚波长多台阶结构来实现大角度的激光分束，给出了一个1×16，入射光波长1.55 μm，衍射角29°的16台阶亚波长分束光栅设计实例。设计时利用标量理论获得一个多台阶结构作为初值，经严格耦合波理论结合遗传算法进行矢量优化后衍射效率达到89%，均匀性误差为4.53%。结果表明，亚波长多台阶结构能够实现大角度、高衍射效率以及高均匀性的激光分束。

针对传统的二次非球面折射型激光扩束器存在不易加工、装调困难、体积大、重量大，特别是难以获得高填充比阵列透镜等不足，提出了一种利用衍射型台阶化面型近似二次非球面的激光扩束器方案，结果表明：对于典型的束腰半径为2 mm的高斯光束，衍射型激光扩束器可实现2.8倍的理论扩束比。为了保持扩束过程中激光模式的稳定性，提出了不同区域给定不同台阶数的两类复合结构，解决了扩束过程中保真度和二元衍射元件加工特征尺寸无法同时满足的问题，改进后的系统保真度达95.82%，各区域最小光刻线宽均大于2 μm，能够满足现有光刻加工技术要求。对影响系统保真度主要误差的分析结果表明：离轴误差在-1~1 mm，目镜和物镜倾斜误差分别小于0.1 mm和1.68 mm时，系统保真度仍大于95%，方便装调。

提出了一种用衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的方法，解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论，设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列，推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了非成像型微透镜阵列光束匀化系统，并对其进行了实验验证。当衍射微透镜的口径为0.125 mm，相对孔径为0.1，相位台阶数为8时，测得焦斑在快轴方向的不均匀性为12.34%，能量利用率为96.6%；慢轴方向的不均匀性为5.42%，能量利用率为95.74%。实验结果与理论模拟的结果吻合，验证了衍射微透镜阵列光束匀化系统模型的可行性。

分析了多光束空间分布产生的误差对图形的影响,通过计算优化得到三光束产生的干涉图形在整个面内有着更好的图形稳定性。利用氦镉激光光源通过特定的光学系统形成空间分布近似旋转对称的三束光, 对光致抗蚀剂进行干涉曝光,制作出了周期600 nm、高度350 nm的蜂窝状点阵,测量结果表明该系统具有很好的图形重复性和稳定性,同时降低了对于光学光路的精密性要求。

提出了一种利用不同大小的高折射率介质方柱组成的梯度光子晶体来实现聚焦的方法。数值仿真计算证明,该聚焦器件能实现高能量利用率和接近衍射极限的聚焦光斑。在透镜两侧涂上一层增透膜,可以有效地抑制旁瓣和提高能量利用率。随着透镜填充因子的增大,焦点的能量随之增强。针对波长10.6 μm,设计了一个口径为100 μm,焦距为50 μm的梯度光子晶体结构透镜,利用时域有限差分方法得出透镜能量利用率在填充因子为44.7%时达到了48.5%,焦斑大小也接近衍射极限。

基于全息光学成像理论,提出了一种用于光纤耦合输出多波长激光的合束方法。该方法具有结构简单、合束效率高的特点。结合编程计算,设计了离轴型全息光学元件,给出了该元件的相位分布,并通过仿真软件Zemax和衍射的角谱理论对合束光束的发散角和光束质量进行了计算。结果表明,对635,808,975 nm 3种波长的光纤耦合输出激光进行合束,光束质量因子M2由23.5增加到47.9,理论效率95%。

单纳米粒子的LSPR光学生物传感器具有空间分辨率高, 可植入生物的细胞和组织里, 检测所需要的剂量少等优势。本文提出一种十字星形的纳米粒子结构以进一步提高单纳米粒子LSPR光学生物传感器的信号强度。模拟和分析表明, 十字星形纳米粒子的消光效率远远高于相同结构尺寸的菱形或三角形纳米粒子的消光效率, 为发展新型结构单或阵列式的金属纳米粒子LSPR光学生物传感器提供了参考依据。

金属纳米粒子的光学性质与金属纳米粒子的组成、形状、尺寸及周围的介电常数有关。利用时域有限差分法研究菱形纳米粒子的尺寸与其消光特性关系, 发现粒子尺寸的大小对其消光谱共振峰有较大影响, 随着粒子尺寸的增大, 消光谱共振峰可分裂成两个或多个共振峰。而且在可见光范围内波长大于480 nm的区域, 表面等离子体共振峰是偶极子激发模式; 而在波长小于480 nm的区域, 共振模式则比较复杂, 有偶极子模式, 也有多极子模式。计算表明, 波长为480~ 600 nm区间与波长大于600 nm的区间, 菱形纳米粒子的尺寸对消光光谱的峰值和谱线宽度影响不同。在波长为480~600 nm之间, 短轴为140 nm时, 其消光效率最高。

研究了被激波调制的光子晶体对入射光产生的频率转换效应。建立了弹性激波调制一维光子晶体的物理模型;提出了准静态带隙结构的概念,并采用FDTD和平面波展开法计算了其光子带隙;通过数值计算和微扰分析,发现该频率转换是一个量化累积过程,并对该频率转换效应及其量化累积现象提出一种基于光子-声子相互作用和表面衰减模的解释,同时,分析了该频率转换效应的特性。