超透镜作为一种可在亚波长尺度灵活调控光场的人工微结构, 近年来在光学成像领域受到了广泛关注。在超透镜成像系统设计中, 通常只根据焦距和工作波长设计超透镜, 而不考虑成像过程, 这往往导致整个系统成像质量不佳。为提升成像质量, 文章通过将超透镜参数设计和图像恢复算法两个过程同时纳入成像系统的设计过程, 提出了一种联合优化方法来实现基于超透镜的高分辨率成像。方法不仅对超透镜参数进行了相应的优化以获得比较理想的点扩散函数, 还实现了2倍于输入图片分辨率的高质量图像重建。

在聚乙烯材料管道生产制造过程中，管道厚度精确测量是影响管道生产质量的一个重要技术问题，太赫兹非金属厚度透射测量过程中，通过测量两次透射信号的光程时间差与材料折射率计算 得到样品厚度参数，为了准确提取两次透射信号的光程时间差值，需要对原始时域信号进行信号表征。通过高斯滤波反卷积得到脉冲响应函数表征时域信号已经成为了一种成熟且有效的技术手段。 但一方面由于太赫兹波在聚乙烯材料中的传播存在明显的频散现象，同时其透射率高回波信号较弱，导致信噪比较低，在脉冲响应函数提取过程中放大了干扰信号的比重，造成信号失真、淹没，无 法准确提取信号。本文通过对带通滤波后的时域信号采用修正型自相关算法进行自相关性分析，再结合高斯滤波反卷积运算，得到改进后的脉冲响应函数。旨在解决太赫兹非金属测量领域时域信号 表征问题。改进算法实验结果显示加强了信号的清晰度，解决了因杂波信号干扰造成的脉冲响应信号失真或淹没情况，显著提高了脉冲响应信号信噪比。

变压器的维护至关重要。 变压器油中水含量的检测是变压器维护中很重要的一部分。 水在太赫兹频段独特的分子键振动模式使其对太赫兹波具有强烈的吸收性。 利用太赫兹时域光谱技术对变压器油进行水含量检测, 获得了不同水含量变压器油的吸收系数和折射率, 结合相关理论模型对获得的参数进行了分析验证。 试验结果表明, 变压器油的吸收系数和折射率与水含量呈线性关系。

光子晶体特殊的色散特性能导致负折射现象发生。用波束位移法对二维光子晶体平板的负折射现象进行理论计算和实验测量, 得到了入射光经平板光子晶体折射后的二维光场分布。测量结果表明, 横电(TE)光在光子晶体中发生负折射, 出射光沿出射面产生了反方向的横向位移, 由此计算出来的负折射率约为-0.44, 而横磁(TM)光没有发生负折射。实验结果与仿真结果吻合较好。

光在具有负等效折射率的二维光子晶体中传输时会产生反常Doppler现象, 为了分析光在该反常效应中传输时的相位变化, 首先用时域有限差分(FDTD)法仿真了光经过静止光子晶体时的负折射现象, 然后对光子晶体中沿光传输方向的Bloch波做快速傅里叶(FFT)处理。对滤波后的频谱, 用iFFT反演出各平面波分量, 并通过分析各平面波分量的相位演变, 分离出与负折射产生有关的后退波分量。然后, 将实验中的连续运动过程分解为各静止瞬间, 分析了各相邻时刻探测面上信号光和参考光的相位变化, 此处两束光的相位变化差随时间的变化量就是差频。静态FDTD方法仿真计算得到的差频与理论值的误差约为20%, 能较好解释反常Doppler效应发生过程中光的相位变化。本文的研究揭示了反常Doppler效应发生时光子晶体中起作用的分量的相位变化, 也为研究光在运动介质中的传输特性提供了新的思路。

采用时域有限差分（FDTD）方法研究了二维六边形排列结构的光子晶体近零折射率材料的相位特性，提出利用电场相位的空间频谱计算等效折射率的新方法，该方法可直观地反映电场相位的变化，解释了负折射的传播机理。利用该方法分析了横磁（TM）模波长和温度对等效折射率的影响。

利用时域有限差分法研究了光在三角形晶格二维光子晶体中的传播特性，从TM 波的反射着手，系统研究了不同入射光角度、波长以及温度的变化对于光子晶体减反特性的影响。通过仿真可以看到，设置合适的光子晶体参数，很大带宽波长和入射角度范围内光子晶体在TM 波反射端面都有较低的剩余反射率，具有较好的减反特性；温度的漂移对减反效果的影响小，具有较好的温度稳定性。

从理论上分析设计了三角晶格的光子晶体，利用时域有限差分法模拟横电模(TE 模)在二维光子晶体中的传播，并对模拟得到的电磁场数据作傅里叶变换得到其频谱。通过对各个频谱成分的相位作分析，计算出光子晶体的等效折射率。进一步发现不同的空间频率对应的相速度方向是不同的，正折射的频率对应的相速度方向与能量传播方向一致，负折射的频率对应的相速度方向与能量传播方向相反。对光子晶体内部电场的变化做了详细的分析，以期为探究光子晶体与电磁波作用的物理机理提供扎实的理论依据。

研究和开发基于超短波和低能量激光系统的高振幅、 宽频带的太赫兹系统一直是太赫兹应用领域的一个热点。与传统电光晶体材料相比, 以电光聚合物薄膜作为太赫兹波产生和检测的最大的优势在于: 一方面电光聚合物不具有晶格结构相应的不存在声子的吸收和太赫兹折射率的散射问题, 避免光谱间隙的产生; 另一方面电光聚合物薄膜与已用于宽频太赫兹系统中的超薄电光晶体材料相比, 更易于加工和处理。另外, 可以自行设计得到低相位失配和高电光系数的电光聚合物材料, 得到高效率和宽频带的太赫兹辐射源。可以预见, 电光聚合物在这一领域的应用必将有宽阔的发展空间和学术研究意义。介绍电光聚合物的电光效应及二阶非线性生色团合成等相关理论问题基础上, 综述了近二十多年来, 电光聚合物在基于全光技术实现太赫兹波产生与检测系统中的研究进展, 主要包括: 掺钛蓝宝石飞秒激光激发下, 共聚型和主客体型电光聚合物实现太赫兹波产生与检测; 光纤飞秒激光激发下, 主客体型电光聚合物实现太赫兹波的产生与检测。

探讨了光子晶体负折射效应在糖溶液浓度检测中的应用, 在软件中使用时域有限差分法对光在光子晶体中的传播进行了模拟实验。模拟显示: 糖溶液的浓度变化与输出功率变化接近线性关系, 而线性相关程度受介质柱半径常数的影响。进行了多组参数比对与优化, 最终获得了线性度最高的输出功率与糖溶液浓度的对应关系。基于这个对应关系, 提出了基于光子晶体负折射效应的糖溶液浓度检测方法并设计了相应的糖溶液浓度检测器。实验结果表明: 基于光子晶体的糖溶液浓度检测器具有结构简单、测量精度高、响应速度快、易于与激光器件集成且不受外界电磁环境影响等优点。