提出一种环形相位构造方法，并通过实验产生了一种可调谐手性结构光场。在螺旋相位的基础上引入径向相位与等相相位形成环形子相位，在平面波上加载该相位产生单环手性结构光场。进一步利用相位叠加原理，组合多个不同环形子相位构成一个环形相位，进而利用其调控产生多环形手性结构光场。研究发现，通过控制拓扑荷数、等相位因子、径向偏移因子，能够灵活控制螺旋强度瓣叶的数量以及手性方向。此外，通过引入等相位梯度实现了光场的动态旋转。所构建的可调谐手性结构光场有益于手性结构微加工，在光学微操纵及光学通信领域也有较大的潜在应用价值。

从几何光学焦散角度，利用谱相位调制原理，提出一种通用且高效的无衍射结构光场调控方法。利用驻相近似和焦散线原理建立了谱相位与光束横截面分布轨迹之间的数学模型。提出一种谱相位叠加的改进算法，实现构建任意结构的无衍射光束，理论模拟和实验结果相吻合。与现有方法相比，本文方法能够实现对无衍射光场形状分布的灵活调控，其丰富的结构及无衍射特性将极大地拓展其在光学微加工及微操纵等领域的应用。

提出并实验产生一种基于衍射突变的新型蝴蝶光束。根据突变理论，该光束的光场结构由状态变量和控制变量共同构成的势函数所决定。由于蝴蝶突变的高维性，蝴蝶光场的焦散理论上表现为4维空间的超曲面，映射该光场到低维空间，其展现丰富多样的光场结构。此外，通过操纵控制参数，发现蝴蝶光束能调控成不同的光场结构。研究了蝴蝶光束的频谱，发现其谱振幅能用多项式形式表示。所得数值模拟结果与实验结果吻合。该光束具有弯曲的传播轨迹和丰富的光场结构，在波前控制、光学微操纵与生物医学方面有潜在应用。

采用谱相位调制的方法,在理论上提出可调谐非傍轴自加速光束的产生方法,并通过实验对该理论进行验证。利用驻相近似和光学焦散线原理建立了谱相位与光束传输轨迹之间的数学模型。理论模拟和实验结果表明所提方法突破了传统傍轴近似的限制,产生了非傍轴自加速光束。这类轨迹灵活可控的自加速光束在光学微粒操纵、微粒运输和引导、超分辨成像等领域具有潜在的应用价值。

理论上提出并实验制备了一种环形阵列艾里涡旋光束(CAAVB),该CAAVB由按环形阵列分布的多个艾里光形成,并具有自聚焦特性。通过增加艾里光阵列数,能够有效提高自聚焦光束的光场强度。仿真结果表明,在相同的条件下,加载光学涡旋能明显提高CAAVB的自聚焦特性。此外,通过调节环形艾里光阵列的半径来改变光束聚焦的位置,实现对焦距的非机械调节。

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图, 加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束. 研究表明: 对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象, 且由于轴上涡旋的存在, 其中心呈现中空现象, 涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转, 拓扑荷数越大, 中空结构越大, 旋转角度也越大, 而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向. 理论分析表明, 离轴涡旋在初始平面处, 因与光轴中心距离较远, 并不会影响对称艾里光束主瓣的能量, 即中心并无光强为零区域, 但随着传播距离的增加, 离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外, 对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋, 能同时无损伤地捕获多个微粒. 该光束不仅具有自聚焦特性, 并且其中心呈中空结构, 同时还携带轨道角动量, 在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.

为了调控艾里光束的传播, 提出一种广义艾里光束.在传统立方相位基础上引入两个可变旋转角因子θ1和θ2,形成新改进的可调谐相位, 加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后可以产生广义艾里光束.基于衍射突变理论, 分析讨论了该光束的双曲抛物线传播行为. 重点研究了当旋转角θ1=π/3和θ2=7π/6时, 该光束在传播距离0、3、6、10cm处的无衍射传播特性; 以及旋转因子θ1=3π/2和θ2=π/4时, 该光束在传播距离0、3、6、10cm处的自愈特性.理论研究表明该光束并非傍轴波动方程的特解, 但数值模拟及实验证实其在一定程度上拥有无衍射及自愈特性. 该光束不仅可沿任意指定的抛物线轨迹传播, 同时还具有与传统艾里光束明显不同的空间强度分布, 使其在光学操纵与生物医学等方面有潜在的应用.

应用联合变换相关器对目标进行探测和识别时,由于实际探测到的目标相对于参考图像存在比例、旋转、平移畸变,因此在传统的光学相关器中很难实现目标的探测和识别。为了更好地探测到目标,提出了面积-极坐标的算法,该算法利用相似图形之间的尺寸与面积存在满映射函数关系,实现了比例不变光学探测,并结合极坐标变换实现旋转不变光学探测,最后,对变换后的联合图像进行小波边缘提取,既能提取到清晰的图像边缘,又能有效地抑制噪声,不但提高了相关峰,并使得相关峰更为尖锐,成功实现了大尺度混和畸变目标的探测和识别。作为实例,对混合畸变目标进行了计算机模拟和光学实验,验证了该算法在大尺度混合畸变光学相关探测中的可行性。

利用艾里光束自弯曲特性，提出一种新的艾里光阵列产生的局域空心光束。这些艾里光束阵列以环形排列，当它们向前传播的同时又以向内的方向加速传播，从而形成环形局域空心光束。通过调节在初始输入平面上环形艾里光束阵列之间的间隔距离，可以很灵活实现调控局域空心光束大小。与传统的高斯激光叠加相比，多艾里光束的无衍射特性及相干叠加使得输出能量大大提高。数值模拟结果表明通过环形艾里光束的自加速特性可以形成局域空心光束。该灵活可控的局域光束可以为原子捕获与生命细胞操控提供更好的灵活性。

为测量航天遥感相机因姿态不稳定以及各种扰动引起的图像运动,提出了基于光速处理的高精度光电混合相关探测测量方法.利用高速CCD和主CCD对同一目标进行成像,在曝光时间内高速CCD获取序列图像,利用联合变换相关器对所采集的图像序列进行光学运算,测量出相邻序列图像的运动位移.阐述了光学相关方法测量图像运动的原理,并模拟分析了噪声和不同运动条件下的测量精度.建立了相应的测量像移的实验系统,实验数字模拟及实验结果都证实了该方法的有效性,测量精度优于0.1像元,满足卫星遥感相机的使用要求.