蓝绿LED通信被认为是解决水下近距离高速无线数据传输的有效手段。然而由于LED发散角较大,造成通信链路的几何损耗增加,制约了水下LED通信距离的提升。针对这一问题,提出了一种基于全内反射(TIR)透镜压缩水下LED通信阵列光源出射角的方法,将LED通信光源的出射角从130°压缩到7°;利用该光源研制发射样机,在大型水池中搭建测试系统,并对发射机的性能进行测试。结果表明,所设计的通信样机在水下传输距离为16.6 m时,最大可支持23 Mbit/s的传输速率;与未采用TIR透镜时相比,在同等速率条件下,传输距离增加9.3 m。这表明基于TIR透镜二次配光的方法,可有效减小发射机出射角,降低链路损耗,增强通信系统的传输能力。这为提升水下LED通信的传输性能提供了新的技术思路。

分别以1 083 nm和1 550 nm波段的窄线宽连续光源为泵浦光和信号光, 搭建基于掺MgO周期铌酸锂晶体(MgO∶PPLN)准相位匹配原理的差频非线性效应产生中红外激光实验系统.根据系统温度和信号光波长调谐特性进行实验研究.在泵浦光波长固定条件下改变信号光波长, 实现了窄线宽宽调谐中红外连续闲频激光输出, 波长覆盖范围为3 547.6~3 629.1 nm.当波长为1 082.8 nm的泵浦光和波长为1 549.7 nm的信号光功率分别放大到2.8 W和3.5 W时, 对波长为3 597.0 nm的中红外闲频光输出进行长时间功率扫描监测, 得到最大功率为3.2 mW, 功率抖动引起不稳定度小于±1.6%的高稳定的中红外窄线宽激光输出.该研究结果可为设计和研制多波长窄线宽中红外光源提供参考.

水下激光通信由于受水体吸收和散射的影响，信号传输过程中能量衰减严重。基于光子计数的激光通信具有极高的探测灵敏度，是抑制信号衰减、提高通信距离的有效方法。传统的光子计数通信是通过检测单光子探测器有无电脉冲输出来实现通信数据还原的，通信误码率容易受到背景光噪声的影响。针对这一问题，提出并研究了一种改进方法，首先在通信接收端利用单光子探测器将光子转换为电脉冲，然后通过统计单位比特时间内的电脉冲数目来还原通信数据。实验结果表明：提出的方法能够在通信波长为532 nm、通信速率为50 kb/s、信噪比为5.14的情况下，实现84.24 bit-1的探测灵敏度。所提出方法能够为高灵敏度水下激光通信提供一种新的技术思路。

为了降低离轴三反光学系统加工和装调难度，提出了一种无遮拦的两反射镜三反射光学系统。将传统的离轴三反射光学系统中的主镜和三镜改进为一块非球面反射镜，即用一块镜面实现两镜的设计，这既能够降低光学加工的复杂度，同时也减少了装调的难度。根据三反射系统像差设计理论，推导出同轴两反射镜三反射系统的初始结构参数计算公式，得出了适用于该系统的求解方程组。设计了焦距1000 mm，F 数为10，全视场2°×0.4°，无中心遮拦的离轴两镜三反射系统，两反射镜面型均为二次曲面。从调制传递函数、点列图、衍射能量分布图可以看出，系统成像质量好，能量比较集中。整体系统体积小、结构简单，重量轻。

实验验证了一种结构简单的10 Gbit/s非归零信号(NRZ)通过高非线性光子晶体光纤（PCF）的四波混频（FWM）效应实现了单抽运偏振不敏感和宽范围可调谐全光波长转换。利用50 m光子晶体光纤较高的双折射效应，固定抽运光的偏振态与高非线性光子晶体光纤的双折射轴成45°夹角入射，信号光与抽运光在光子晶体光纤中进行四波混频时，其变换效率对信号光偏振态的随机变化不敏感，闲频光输出功率几乎保持不变。实验结果表明，所搭建的全光波长变换器在28 nm变换范围内，闲频光偏振敏感度低于1 dB，随着10 Gbit/s的信号光偏振态的变化，波长变换效率优于-13 dB的偏振不敏感全光波长变换器，闲频光信号Q因子大于7。

实验验证了一种结构简单、变换效率高的可调谐偏振不敏感全光波长变换器。光子晶体光纤由于其特殊的纤芯结构，能够保有较高的双折射效应。通过调节抽运光的偏振态,使之与光子晶体光纤的双折射轴成45°夹角入射,则此时信号光与抽运光在光子晶体光纤中进行简并四波混频过程时，其变换效率对信号光偏振态的随机变化不敏感,闲频光输出功率几乎保持不变。实验结果表明,所搭建的全光波长变换器在25 nm变换范围内,闲频光偏振敏感度低于0.6 dB,变换效率优于-15 dB(峰值可达-7.6 dB), 输出闲频光的光信噪比优于40 dB，长时间工作性能稳定，可实现开机自启动，是一种实用性强的偏振不敏感全光波长变换器。

结合Fournier-Forand和Henyey-Greenstein体积散射函数，利用Monte Carlo法建立水中激光脉冲传输特性分析模型。采用该模型分析了散射体相对折射率和尺寸分布对水中光脉冲传输特性的影响。研究表明：光脉冲在水中传输时，随着散射体相对折射率的增大和小尺度散射体相对含量的增加，脉冲展宽增加，光波前向散射减弱且空间分布扩展加剧，到达角分布更离散。与传统水中光脉冲传输仿真模型相比，此模型更加有效。

针对光放大器中高增益和低噪声系数之间存在矛盾的问题，利用掺铒光纤作为放大介质，采用两级掺铒光纤放大结构，并在两级之间加入前后向放大自发辐射（ASE）噪声抑制单元的实验方案，搭建了高增益、低噪声系数的掺铒光纤放大器。利用插值法，更加准确测量ASE噪声功率，分析了掺铒光纤放大器(EDFA)的增益和噪声系数等性能参数，并与商用的低噪声光放大器进行对比测试。实验结果表明，搭建的掺铒光纤放大器峰值增益为40.1 dB，噪声系数最低为3.8 dB，比量子极限高出0.8 dB，而且在相同输入功率和相同增益条件下，自行搭建的低噪声光放大器的噪声系数比商用低噪声光放大器低0.3 dB。

为探索舰船尾流后向光学检测方法，研究了尾流气泡对水中激光脉冲后向散射特性的影响。首先基于Fournier Forand 体积散射函数，利用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法理论分析了近距离尾流气泡对激光脉冲后向散射特性的影响。然后，采用蓝绿激光脉冲作为光源，实验研究了模拟尾流气泡对激光脉冲后向散射信号的影响。研究表明，尾流气泡的存在会使得激光脉冲后向散射信号前沿位置在时域左移，后沿位置在时域右移，信号时域宽度增加，能量增强，峰值增大且位置在时域左移。最后根据研究结果提出了一种基于激光脉冲后向散射信号特征变化的舰船尾流气泡后向检测方法。

基于Fournier Forand体积散射函数，建立了一种水中激光脉冲后向散射仿真模型.运用该模型可用Monte Carlo方法模拟光子在水中的传播过程,并得到光波后向散射的冲击响应.将初始激光脉冲与冲击响应进行卷积并求其傅里叶谱，即可得到激光脉冲后向散射信号的时域和频域特征.利用该模型分析了入射为高斯型激光脉冲时，水中散射体的尺度分布、散射体与纯水的相对折射率以及水体衰减系数对激光脉冲后向散射特性的影响.结果表明：随着小尺度散射体相对数量的增多、散射体与纯水相对折射率的增加、水体衰减系数的增大，激光脉冲后向散射信号能量增强，宽度增加，低频分量显著增大.