光子化研究是相控阵雷达的发展趋势，光子晶体以其优异的集成度及光学特性在相控阵雷达光子化研究中具有广泛的应用前景。基于光子晶体波导慢光特性及热光调制原理，设计了应用于相控阵雷达波束形成网路的光实时延迟线。通过优化光子晶体慢光波导参数，所设计光子晶体光实时延迟线可实现延时量为0~36.69 ps的高精度调谐，得到23 GHz以上的延时带宽。通过优化实时延迟线群速度随温度的色散特性，温度每变化1 ℃，延时量变化量在0.36~1.57 ps/mm范围内。所提出的基于光子晶体波导的光实时延迟线，可实现延时量的高效、高精度调谐，相对于传统电域波束形成网络，具有集成度高、瞬时带宽大、调谐精度高等优点，为高频段宽带相控阵雷达波束形成网络的研发提供了理论基础。

针对温度波动对生物传感器探测性能的影响, 本文提出了一种三环型波导微环谐振器无热化生物传感器。传感器芯片以3个微环谐振器为一个传感单元, 3个微环谐振器并联排列, 且分别工作在1 500、1 550和1 580 nm波长, 以其中两个为基本探测微环, 另外一个作为备用微环。由于3个微环工作波长不同, 可通过运算消去温度对探测谱线变化值的影响项, 从而实现传感器的无热化探测。相对于传统的无热化方案, 本方案制备材料不受限, 且无需参考微环, 不存在浪费面积, 集成度更高。另外备用微环的设计可以防止部分微环工作失常时传感器无法工作情况的发生, 提高了系统的稳定性及可靠性。

利用荧光蛋白激活状态的可逆特性，提出了一种提高荧光显微镜纵向分辨率的方法。针对不同数值孔径的显微系统，通过合理选择带涡旋相位的轴对称偏振光作为激活光和退活光，并设计衍射光学元件对其进行调制，从而实现百纳米级的纵向选择激活。而且，通过调节激活光和退活光的光强比率R，可以控制荧光蛋白最大激活概率满足单分子荧光显微技术的需求，同时进一步降低纵向选择激活层半峰全宽(FWHM)至25.7 nm，并且约90%的激活荧光蛋白位于30 nm厚的激活层中(R=500)。

通过对分布式相位板和光谱色散匀滑技术联用的模拟计算，分析了联用实验中焦斑的变化，论证了非设计采样点光强的不可控性对焦斑匀滑质量的损害。模拟结果证实了光谱色散匀滑技术对色散方向上的焦斑均匀性的改善，焦斑不均匀性由58.30%降为19.50%。通过分析焦斑不均匀性与光谱色散匀滑积分时间的关系，发现5~6个光谱色散匀滑调制周期时得到最优匀滑效果。对焦斑频谱的分析显示，光谱色散匀滑技术可以有效抑制由非设计采样点光强引入的高频成分，26.3 μm内的光强调制被平滑，同时很好地保持了由分布式相位板决定的焦斑低频包络，在实验与模拟中均得到很好验证。为进一步的分布式相位板与光谱色散匀滑技术联用设计提供了理论依据。

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。

在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。