金属纳米颗粒除了用作光学谐振腔，也是一类声学谐振腔，具有非常优异的声学振动性能。本文对金属声学谐振腔的相干声学振动及应用进行了概述。首先，介绍了金属纳腔相干声学振动的超快光学激发机制，并讨论了瞬态吸收光学显微镜对单个纳腔声学振动的探测；其次，阐述了几种简单金属声学纳腔（包括纳米球、纳米棒、纳米片）的振动模式、振动频率以及它们与纳腔尺寸、形状之间的关系；然后，重点讨论了金属纳腔间的声学振动强耦合现象，从多种纳腔耦合体系的实验出发，并从理论上分析了其中的耦合模式和耦合物理机制；接下来，对高频声学纳腔的应用进行了举例分析，详细讨论了高频声学振动在纳米流体学方面的应用；最后，对高频声学纳腔的未来发展趋势与应用前景进行了展望。

基于局域表面等离激元或电介质微纳结构米氏散射的超构光栅对衍射通道的直接调制为高效率、大角度光场调控提供了优良平台。对超构光栅调控衍射光场的物理机理及应用开发进行了概述。首先,从高衍射效率超构光栅的构建机理出发,分别介绍了反射式、透射式、对称型、非对称型及可重构超构光栅的典型实现方式;其次,介绍了通过结合高衍射效率超构光栅与位移编码型相位调制机制,实现任意大角度光波前高效调控的典型方法,概述了高数值孔径透镜、角度可调型多功能光器件、大角度全息超构光栅等方面的研究进展;然后,介绍了以超构光栅作为连接自由空间光与表面波的桥梁,自由空间光波前与表面光波前相互转化方面的集成光调控平台;最后给出了简要小结,并对超构光栅未来的发展趋势与应用前景进行了展望。

超材料与超表面因表现出天然材料所不具备的新奇性能而在光集成、光通信、微纳光学、隐身、超分辨成像与传感等众多领域显示出巨大的应用潜力，是国际学术前沿的热点研究领域，曾先后三次被 Science评为年度全球十大科技进展之一。主要介绍了超材料与超表面的构成、性能特点及其应用，并简单介绍近期在超表面方面的研究工作进展，主要包括光栅结构超表面在波前整形、灵活调控 Fano共振和远场超分辨成像等领域的应用。

为了解决奇异值最高位在几何攻击下易敏感性和零水印抗几何攻击性能差的问题,提出一种基于改进奇异值和子块映射的图像零水印技术。首先,对载体图像进行Arnold置乱处理,消除像素间的相关性。然后,进行Curvelet变换、分块以及奇异值分解以获得载体图像的稳定特征。同时,提出一种子块映射机制,将原始的版权图像划分成不同的子块,并通过对子块求和,使用不同的字符表示水印子块。最后,将载体图像的特征与水印子块按位进行逻辑运算生成零水印。实验结果表明,所提出的图像零水印算法在几何攻击、非几何攻击以及组合攻击下具有很强的鲁棒性,并且生成的零水印信息安全性更高。

土壤中不同浓度Cu2+含量映射到土壤光谱上的信息量十分微弱, 并且这些高光谱数据中也存在着难以避免的噪声, 因而本研究的关键是如何在土壤光谱复杂的噪声环境中提取微弱Cu2+信息。 经验模态分解算法(EMD)能够有效去除高光谱数据中的噪声, 且EMD是Hilbert变换对“非线性非稳定”信号时频分析的前提, 当引入Huang变换后, 可利用Hilbert-Huang变换(HHT)模型时频分析高光谱数据以实现降噪处理与信息提取。 通过时频的HHT分析不同浓度Cu2+污染下的土壤光谱, 完成从原始光谱经EMD分解出各本征模态函数(IMF)分量的包络线、 调制信号和频谱等曲线中挖掘土壤光谱的Cu2+污染信息。 研究结果表明, 相同浓度Cu2+污染时的土壤光谱HHT时频分析结果相同, 不同浓度时则不同, 所以也可依据IMF分量反演土壤Cu2+含量。 因此, 高光谱数据的HHT时频分析能为土壤光谱的信息挖掘、 光谱诊断和Cu2+含量反演等提供一种新的方法和思路。

为了克服主客掺杂型有源材料均匀性和稳定性差的问题, 采用键合掺杂方法, 将高温热解法制备的油酸修饰掺铒氟钇钠纳米晶粒与甲基丙烯酸甲酯发生共聚反应, 形成键合型有源芯层材料。纳米晶粒均匀固定在聚合物分子链上, 抑制了高浓度掺杂时的团聚析出且材料更稳定。纳米粒子在聚合物中的质量百分比达到约1wt%, 具有良好的成膜性, 用原子力显微镜照片观察薄膜表面粗糙度为1.76 nm。用椭偏仪测量薄膜光学性质, 并用柯西色散模型拟合出薄膜折射率随波长的变化关系, 材料在1 550 nm信号光波长的折射率为1.485。设计嵌入式波导结构, 采用有限元方法进行模式分析和计算光场强度分布。采用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺制备凹槽形下包层, 填充有源材料制备条形波导放大器。实验结果表明, 当1 550 nm信号光功率为0.1 mW, 1 480 nm泵浦光功率为390 mW时, 在1.2 cm长的样品中得到了3.58 dB的信号光相对增益。

设计了一种高浓度稀土铒掺杂聚合物填充硅狭缝结构的平面光波导放大器(工作波长1 550 nm，泵浦波长1 480 nm)，能够在低泵浦下获得高增益，可以应用于硅基光互联的损耗补偿。通过扫描电镜照片观察发现，合成的铒掺杂聚合物材料具有良好的纳米狭缝填充能力。考虑铒离子的合作上转换和激发态吸收，利用铒离子四能级跃迁模型，建立原子速率方程和光功率传输方程，数值仿真分析了聚合物光学性质、狭缝波导结构参数及信号光泵浦光功率等放大器增益特性的影响因素。这种具有纳米截面尺寸的光波导放大器，获得4.5 dB的信号光相对增益仅需要1.5 mW 的泵浦光，展现了良好的集成光学应用前景。为了进一步提高增益，引入了多层狭缝结构，四层狭缝波导的重叠积分因子比一层狭缝的高42%。

光谱间微弱信息测度是当今高光谱遥感研究难点之一, 传统光谱测度方法难以区分光谱信息的微弱差异。 研究设计了不同浓度的铅(Pb)污染实验, 并测量了不同浓度铅离子（Pb2+）胁迫下玉米叶片的高光谱反射率、 叶绿素含量及Pb2+含量, 但是从所测结果得出, 不同浓度Pb2+胁迫下的光谱相似性相关系数均达到0.999, 难以区分不同浓度Pb2+胁迫引发的光谱间微弱信息差异和污染程度。 针对这一情况, 基于光谱微分处理、 正切函数增强、 光谱角量度与波谱分段检测等, 提出了一种新型的相似光谱测度方法, 即微分光谱角正切(derivative spectral angle tangent, DSAT)法。 为了验证DSAT在区分相关系数达0.99以上相似光谱的可行性和有效性, 将DSAT用于不同浓度Pb2+胁迫玉米叶片的整体波形与光谱区间子波形的信息差异性度量与检测。 实验结果得到, 波形差异信息与玉米叶片中叶绿素相对浓度与Pb2+含量显著相关。 进而也证明DSAT法在甄别较高相似性光谱间差异上具有更好的实用性和优越性。

无损检测是高光谱遥感应用研究热点之一。 苹果在采摘、 运输过程中易发生轻微机械损伤而影响其品质。 使用高光谱成像系统分别采集54个轻微损伤的“黄香蕉”与“烟台富士”苹果可见-近红外波段(400~1 000 nm)的图像, 提取苹果损伤区域的均值波谱曲线, 对其进行最小噪声分离变换和基于几何顶点端元原理提取端元波谱, 计算损伤区域波谱和端元波谱的光谱角, 构建了端元提取光谱角苹果轻微机械损伤检测模型。 通过设定光谱角阈值分别检测“黄香蕉”与“烟台富士”苹果轻微机械损伤, 并与MNF变换、 PCA方法检测精度进行对比分析, 结果表明EESA模型检测苹果轻微机械损伤的精度最高, 检测正确率分别达到94.44%和90.07%。