现有报道的PCF-SPR折射率传感器的检测范围普遍较窄, 不能实现低折射率的检测, 且工作波段多数集中在可见光或通信波段, 这限制了传感器的应用范围。鉴于此, 提出了一种基于D型双芯PCF结构的SPR传感器, 使用氧化铟锡作为等离子体材料沉积在D型PCF抛光表面, 并对该传感器的理论模型进行了分析, 包括金属参数对传感性能的影响, PCF结构参数对传感性能的影响。计算结果表明, 该传感器可在波长1300~2600nm的近红外区域实现1.27~1.39的超宽范围的折射率检测, 最高灵敏度可达35000nm/RIU, 分辨率为2.85×10-6RIU。该传感器的超高灵敏度和超宽折射率检测范围可应用于血浆、白细胞、血红蛋白、人体肠粘膜、人体肝脏、丙酮等生物组织及医药和化学领域的检测。

针对万瓦级扩束型光纤连接器的准直聚焦透镜在不同冷却方式和不同尺寸参数的情况,进行了数值模拟。通过使用ZEMAX仿真设计,得到耦合透镜尺寸参数（直径为40~60 mm,边缘厚度为5~25 mm）。利用COMSOL Multiphysics模拟透镜的热分布,获得不同输出功率下,透镜使用该冷却方式的表面最高温度和使用该冷却方式透镜尺寸对温度的影响。对20组不同尺寸参数却有着相同光学性能的非球面透镜进行模拟分析,结果表明,在满足光学性能和功率密度的条件下,功率大于20 kW时,透镜可以使用侧面风冷的冷却方式,风速为9 m/s,透镜直径大于50 mm,厚度小于等于5 mm;功率大于7 kW时,透镜可以使用平面风冷的方式,风速为5 m/s,透镜直径大于30 mm,厚度小于等于5 mm;功率小于7 kW时,透镜可以使用边缘水冷的方式,水流速为1 m/s,透镜厚度小于7 mm。

通过对光纤耦合条件的理论分析,设计了扩束型光纤连接器的光学系统,并在ZEMAX软件的混合模式下实现仿真。定量分析准直镜和聚焦镜产生的对准误差所引起的光束质量和耦合效率的变化。模拟结果表明,准直镜和聚焦镜存在偏心或倾斜误差且在允许范围内,可调整两透镜的位置补偿像差和光轴偏移以确保光束质量和耦合效率达标,并对模拟结果进行实验验证。再模拟光纤连接器在不同直径时的对准误差允许范围,并推导对准误差补偿公式。在扩束型光纤连接器的设计和装调过程中,计算对准误差补偿公式,由于准直镜失调产生的对准误差可通过聚焦镜进行补偿,既增加设计精度又简化装调过程。最后根据对准误差分析结果,自行设计并制造12 kW@600 μm的扩束型光纤连接器。

为了研究部分相干双曲余弦高斯激光瑞利区间所受到的大气湍流作用的影响，采用解析分析和数值计算的方法，研究了自由空间中瑞利区间所受各种因素的影响，发现激光瑞利区间随光束相干强度、高斯束腰宽度和大气湍流内尺寸的增强而增大，随大气折射率起伏强度和激光波长的增加而减小。结果表明，湍流内尺寸对瑞利区间的影响较为显著，而湍流外尺寸对瑞利区间的影响作用有限，瑞利区间的大小取决于大气质量和激光本身特性。

海洋激光雷达在探测水下目标时，其探测深度会受到波动水面的影响。对于光子在目标平面上的空间分布，已经成为研究的热点。而已有工作多集中在光子径向分布半径较小的情形，对于光子在目标平面大范围的扩散情形研究较少。基于蒙特卡罗方法，通过对比舍选抽样法和变换抽样法，光子径向分布半径较大的情形得以分析。结果显示，对于相同半径，光子径向相对能量分布与风速满足一定的规律。这说明，由于风速影响所产生的随机性并不是完全随机，也有一定的规律性。同时，舍选抽样法和变换抽样法的对比显示，变换抽样法作为一种近似，其结果没有舍选抽样法精确。

机载海洋激光雷达在探测水下目标时，水面波动会影响向下传输的激光光束质量。基于蒙特卡罗方法定量分析了光子在目标平面上的空间分布，以及光子返回海气界面的空间分布和时间分布。模拟结果表明，随着风速的增加，光子在目标平面上的空间分布越来越偏离高斯分布；而光子返回海气界面的空间分布则严重偏离高斯分布，且风速的影响已经不再占主导地位。根据计算获得的光子返回海气界面的时间分布，发现当风速较大时，激光雷达的探测深度降低。