基于光学相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁和光波导结构,提出一种可重构的2×4模式复用光开关器件,用来提高光通信容量。该器件由两个含倾斜波导结构的1×2复用开关单元和一个结构对称的2×2复用开关单元构成。首先通过模式耦合理论分析波导中的模式传输特性,然后采用三维时域有限差分法对光开关器件进行建模,最后使用模型进行实验研究。研究结果表明,当工作波长为1550 nm时,1×2开关单元在相变材料为晶态和非晶态下的插入损耗分别低至0.60 dB和0.06 dB,消光比分别高达19.55 dB和27.58 dB;2×4模式复用开关在整个C波段(1530~1565 nm)插入损耗的最小值为0.23 dB,消光比的最大值为19.12 dB。

对金属的复介电常数虚部进行了Kawabata-Kubo(K-K)修正,定量描述了表面等离激元产生的光学散射和吸收特性;利用米氏理论和电偶极子理论计算并分析了光入射到单个椭球状金属纳米微粒产生的消光特性;建立了椭球状纳米微粒周期阵列分布的光学偏振结构模型,利用COMSOL软件模拟计算了可见光到近红外波段的偏振光输出特性。以椭球的有效半径替代球半径,将K-K修正应用于金属椭球阵列结构的有限元模拟。修正后的金属纳米椭球阵列的透过率减小,消光光谱带宽增大,这与实验中单个金属颗粒的宽带强吸收特性趋势一致。

为了实现可见光入射时亚波长尺度内的聚焦, 设计了以氮化镓(GaN) 纳米柱为基本晶胞的超透镜, 该透镜能够改进传统成像系统的笨重低效, 可应用于微型成像系统。超透镜表面由宽度渐变高度不变的GaN纳米柱阵列构成, 分析GaN在亚波长尺度内对相位的调控能力和机理, 并基于时域有限差分法模拟仿真了在蓝光波长为460 nm入射时透射场的高效率聚焦, 对比超透镜尺寸为3.75 μm × 3.75 μm、6.75 μm×6.75 μm、8.75 μm × 8.75 μm、10.75 μm × 10.75 μm时超透镜的聚焦能力, 得出聚焦后透射场焦点处的半峰全宽分别为1, 0.8, 0.5, 0.3 μm, 给出了强度分布、聚焦光斑等仿真模拟结果, 发现实际焦距与设计值存在偏差, 且随超透镜尺寸的变化而变化。文中所设计的超透镜能够在微米级别实现聚焦, 有效降低了传统成像系统的复杂度。

采用分振幅双光束干涉法和“二步法”热处理工艺, 在光热敏折变微晶玻璃中制备了周期2.1 μm的透射型体布喇格光栅, 研究了不同曝光剂量与光栅衍射效率和角度选择性之间的关系.当曝光剂量逐渐增至为0.6 J/m2时, 光栅的衍射效率最高达80.02%; 随着曝光剂量的继续增加, 光栅的衍射效率逐渐下降, 并最终保持稳定.当曝光剂量达到1.5 J/cm2及以上时, 光栅对测试光的吸收变化小于5%, 此时光栅的衍射效率趋于稳定.曝光剂量的变化对光栅角度选择性没有明显的影响.分析结果表明随着曝光剂量增大, 光栅中的含银胶团对532 nm测试光的吸收加剧, 从而使透过的衍射光强减弱, 出现衍射效率降低的现象.

利用Kogelnik耦合波理论对超短脉冲激光经透射型体Bragg光栅的时域衍射特性进行了研究, 讨论了透射型体Bragg光栅的群延迟色散和光栅结构参数之间的关系, 分析了群延迟色散和频谱剪切对衍射脉冲时域强度分布的影响.结果表明: 当入射超短脉冲脉宽为100 fs时, 经透射型体Bragg光栅衍射后的脉冲展宽主要源自光栅对入射脉冲的频谱剪切, 当入射超短脉冲脉宽为10 fs时, 衍射脉冲的展宽量不仅受频谱剪切的影响, 而且与光栅的群延迟色散密切相关.

采用高温熔融法制备了组分为80TeO210Al2O310Cs2OxNd2O3(x=0，0.5，1.0)(mol%)的掺钕碲酸盐玻璃，测试了玻璃样品的折射率、吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命曲线.利用JuddOfelt理论计算得到光谱强度参数Ωλ(λ=2，4，6)，Nd3+从4F3/2能级到4IJ (J=9/2、11/2、13/2、15/2)能级跃迁的荧光有效线宽Δλeff，4F3/2能级跃迁几率AJ，荧光分支比β，相应的荧光寿命τrad和量子效率η及受激发射截面σemi.在该碲酸盐体系中，Nd3+离子掺杂浓度为0.5 mol%时，样品在1 060 nm波长处的σemi·τmeas为6.21×10－24cm2·s，荧光有效线宽为31.4 nm，量子效率达到89%.光谱特性对比分析结果表明，该掺钕碲酸盐玻璃是一种性能优良的固体激光材料.

采用熔融法制备了一种组分为80TeO2-10Al2O3-10Cs2O-xYb2O3(x=0~1.6)(mol%)的掺镱碲酸盐玻璃材料, 测试了该玻璃材料的密度、热膨胀系数和折射率随波长的变化关系, 分析了其吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命随Yb3+浓度的变化性质.利用McCumber理论计算了该玻璃系统中Yb3+离子从2F5/2到2F7/2能级跃迁的受激发射截面.实验表明: 当Yb2O3掺杂量为1 mol%时, Yb3+在1 004 nm波长处的发射截面为1.06×10-20 cm2, 荧光有效线宽为89.6 nm, 荧光寿命达到最大值为0.80 ms.激光性能评价结果表明, 该掺镱碲酸盐玻璃是实现超短脉冲激光的候选材料之一.

采用Kogelnik耦合波理论讨论了透射型体布拉格光栅(TVBG)的角度选择特性；结合分波面双光束干涉法和两步热处理法在光热敏折变玻璃中制备了周期为1 μm的TVBG，TVBG相对衍射效率可达91.1%；利用发散光束研究了TVBG的角度选择特性，验证了TVBG具有良好的角度选择特性，可以应用于角选择滤波，抑制中高频调制，提高激光的近场均匀性。

采用高温二次化料的方法制备一种多梯度折射率芯光纤所用掺镱锂硅酸盐玻璃，测量了玻璃样品的吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命，利用McCumber理论计算了该玻璃系统中镱离子的2F5/2→2I7/2能级跃迁受激发射截面。研究表明锂硅酸盐玻璃中Yb3+在1006 nm处的σemi为0.38×10-20 cm2，荧光有效线宽为82.4 nm，荧光寿命为1.31 ms。在530 ℃高温硝酸钠熔盐中，对玻璃Li+-Na+离子交换到达中心轴前后制作的梯度折射率透镜的成像和折射率分布特性进行了研究。光谱分析和离子交换实验结果表明，该玻璃是制作梯度折射率光纤的理想材料，可用于多梯度折射率芯光纤的制作，是大模场光纤的候选材料。

采用高温二次化料的方法制备了一种SiO2-Al2O3-ZnO-Na2O（F、Br）玻璃体系的光热敏折变（PTR）玻璃，通过紫外曝光、透射率光谱、X射线衍射(XRD)和差热分析等方法研究了其光热敏析晶机理。研究表明，PTR玻璃的光敏区为280～350 nm，工作区为 400～2700 nm，最佳成核温度和析晶温度分别为490 ℃和595 ℃，析晶组分为NaF晶体。采用双光束干涉方法与“两步法”的热处理工艺在PTR玻璃中制备了周期为1000 mm-1的布拉格体光栅，光栅的相对衍射效率达到91%，并验证了制备的布拉格体光栅具有角选择滤波能力。