本文提出了一种一维四元周期性宇称?时间（PT）对称结构，系统地研究了增益?损耗系数、入射角和周期数对相干完美吸收激光点和奇异点这两类光学简并点的影响规律。当周期数一定时，通过改变增益?损耗系数可以在不同的入射角下灵活地调控相干完美吸收激光点和奇异点这两类光学简并点。对比分析了PT对称引起的奇异点以及与周期结构相关的Bragg共振点处的反射特性，结果显示：当光束分别沿着左右两边入射时，在奇异点处只有一个方向入射的反射率为0，从而表现为单向无反射特性；而Bragg共振点处的反射率在光分别沿着左右两边入射时都为0，从而表现为双向透明特性。进一步研究了周期数对两类光学简并点的影响，发现相干完美吸收激光点数目随着周期数的增加而增多，而奇异点数目则不受周期数的影响。最后，利用光学简并点的可控特性实现了光自旋霍尔效应等光学现象的操控。

提出和实验论证了基于量子弱测量系统的高分辨氨基酸种类识别方案，并探究了分辨率的提升规律。该量子弱测量系统利用氨基酸溶液的旋光角充当系统的后选择角，将放大后的光自旋霍尔效应位移作为探针识别氨基酸的种类，通过改变入射角可以提升该系统对旋光角的分辨率。通过合理设计BK7-介质结构界面，使其分辨率比单纯BK7玻璃界面有两个数量级的提升，可达9.7×10-6 （°）/μm。这些研究将为氨基酸种类的高精度识别提供理论基础，并拓展量子弱测量的应用范围。

提出了一种基于介质和石墨烯涂层的结构来进行古斯-汉欣位移调控, 利用传输矩阵法研究了该结构参数对共振角及共振角处反射光的古斯-汉欣位移的影响。数值模拟结果表明, 共振角随介质层厚度的增加逐渐增大, 而随石墨烯费米能级的增加逐渐减小; 古斯-汉欣位移大小随介质层厚度的增加先增加后减小, 而随石墨烯费米能级的增加单调减小。介质层厚度对共振角的影响较为显著, 而石墨烯费米能级对古斯-汉欣位移的影响较为显著。

利用常规材料构造了Fibonacci序列准周期结构, 运用传输矩阵法研究了该结构的空间传输特性, 并基于该结构优良的空间传输特性设计了小角度低通空间滤波器.数值模拟结果表明, 该小角度空间滤波器的角域带宽可通过改变序列的结构类型和序列数来调谐, 其调谐规律为: 随着Fibonacci 序列F(m,1)中m值的增加, 对应空间滤波器的角域带宽减小; 随着序列数的增大, 对应角域带宽也减小.在调谐的基础上, 还可通过改变构成准周期结构的介质折射率参量来精确调节其角域带宽.相比于基于超材料的小角度空间滤波器而言, 基于Fibonacci序列的小角度空间滤波器制备更简单, 且有望应用于新一代的高功率激光系统中.

从理论和实验角度，系统研究了基于动力学相位和几何相位来实现对光自旋霍尔效应中的自旋分裂的操控，利用推广的费马原理，理论上分析了这两类相位对光束传输行为的影响。结果表明，几何相位可以操控光束的自旋分裂，分裂的大小与超表面的空间旋转率有关，分裂的方向与几何相位的梯度方向一致。动力学相位能操控光束的整体平移，平移大小与动力学相位梯度相关，平移方向与动力学相位梯度的方向一致。基于空间光调制器和超表面搭建了一套实验系统，该系统证明了基于动力学相位和几何相位操控光自旋霍尔效应中自旋分裂方法的可行性。

基于平面波角谱理论研究了利用轨道角动量操控光子自旋霍尔效应中的非对称分裂。以光束在空气玻璃界面反射为例，建立了描述涡旋光束的光子自旋霍尔效应的传输模型，发现左旋和右旋圆偏振分量的横向位移是关于入射面不对称的，其中两个自旋分量位移的大小和方向是由涡旋光束的拓扑荷数所决定。轨道角动量诱导的非对称分裂可以看成是两自旋分量相对于入射面的整体偏移，这个轨道偏移本质上可以看成是线偏振涡旋光束的伊姆伯特费多罗夫(Imbert-Fedorov)效应。这些现象的物理机制归结于界面处的自旋轨道相互作用和轨道轨道转换，且与高斯光束所对应的对称分裂略有不同。研究结果表明轨道角动量为操控光子自旋霍尔效应提供了一个可选择的自由度。

利用最小二乘拟合法分析了光子晶体的能带结构，定量分析了二维光子晶体的色散参量.为了考虑脉冲各频率的作用，通过引入与频率分量相关的权重因子，从而解析了群速度和平均群速度色散，进而解析出脉冲波络渐变的理论结果.通过FDTD数值模拟后，发现数值模拟结果与理论解析结果完全相吻合.本文处理光子晶体的色散参量的方法，为制作光子晶体色散器件如光子晶体色散补偿器、脉冲展宽和压缩器有一定的借鉴作用.

运用光学传输矩阵理论, 研究了含负折射率材料1维光子晶体缺陷模的偏振特性。结果显示, 零均折射率带隙中缺陷模对入射角和偏振有较强的依赖。通过对缺陷层参数的优化设计, 得到了一系列的偏振无关非全向缺陷模, 这是传统1维光子晶体中不能出现的。应用这些缺陷模, 设计了低通、高通、带通空间滤波器。与传统光子晶体空间滤波器相比, 这些空间滤波器具有偏振无关的优点。

We propose a new type of wavelength division demultiplexer composed of a photonic crystal waveguide with asymmetric corrugated exit surface. The focus displacement for different symmetric corrugated surfaces is relative to the intensity of the excited surface mode. By systematically investigating the effects of the parameters of the corrugated surface on the focus shift, we demonstrate an on-axis focus by a photonic crystal waveguide with an asymmetric corrugated exit surface at a specific wavelength. The precise equivalences of surface modes at each side of the exit surface are broken. Thus, for the light source with other wavelengths, the emerging beams are off-axis focused at different directions, similar to the function of a wavelength division demultiplexer.

利用非线性时域有限差分法(NFDTD)理论,导出了含Kerr介质的二维NFDTD算法的离散表达式,并对含Kerr介质点缺陷的二维光子晶体波导传输特性进行了分析,得到了相应的透射频谱和光场分布图.研究发现,对于输入该波导的归一化频率为0.419的光信号,当入射光强小于2.8×104W/m2时,信号几乎不能通过;当入射光强大于2.5×106W/m2时,信号能通过.这些结果将有助于光子晶体光限幅、光开关等器件的设计.