设计了一种基于二维光子晶体自准直效应和光子禁带特性的新型紧凑型偏振分束器，器件尺寸为9 μm×9 μm，利用光子晶体的自准直效应实现TE偏振光和TM偏振光在自准直结构中的自准直传播，基于光子禁带特性实现TE偏振和TM偏振的正交分离。对于插入的偏振分束结构的空气孔排数为5时，1 550 nm处的TE偏振光的透过率为95.4%，对应的偏振消光比为23 dB，TM偏振光的透过率为88.5%，对应的偏振消光比为37 dB。对于覆盖100 nm带宽的TE和TM偏振光，TE偏振消光比和TM偏振消光比分别高于18 dB和30 dB。与以往的偏振分束器相比，结构更简单，尺寸更小，偏振消光比更高，更好地满足现代光通信、光集成系统的需求。

本文针对不同介质形成的周期性阵列结构进行了不同频率的波传输计算，发现波在阵列声子晶体结构中的传输特性与光在光子晶体中的自准直类似，具有波传播的自准直效应。进一步计算发现，波在声子晶体中传输的自准直特性与外部介质和阵列结构的材料属性密切相关，也与阵列结构单胞中金属柱的截面几何特性相关。波传播的自准直效应产生的频率范围随模量比的增加出现先增加后减小的现象，并且随密度比的增加而减小。设置合理的模量比、密度比等材料性质和截面几何性质，能够实现对阵列结构自准直效应中的波传播频率范围的控制，其中，等频线是周期性结构阵列自准直效应的重要设计依据。

针对传统检焦法复杂度高、稳定性差等问题,提出一种基于图像处理的自准直检焦方法。通过自准直法与图像处理相结合的方法来提高检焦系统的适应性与检焦精度;利用系统离焦距离增大引起成像分辨率降低特性,设计空间频率连续变化的辐射状靶标,避免靶标在系统离焦后对比度变化小的问题。仿真实验选用清晰度评价函数算子计算不同靶标离焦序列图的特征值曲线,结果表明辐射状靶标特征值曲线的灵敏度、无偏性、单峰性均优于Lena图和光栅靶标,且本文检焦法比传统自准直检焦法的检焦精度提高了约19.6%,满足光学系统对离焦量允许值的要求。

研制了一种基于共焦轴向层析定焦、自准直横向定焦的共焦自准直中心偏测量装置。利用共焦探测模块对被测球面镜的球心和顶点位置进行定焦, 从而测得被测球面镜的曲率半径; 利用光路自准直方法探测被测镜旋转过程中反射光在探测面上的路径获得被测镜的偏心量, 结合偏心量和曲率半径计算得出中心偏。与传统中心偏测量装置相比, 所提测量装置可以同时测得曲率半径和中心偏, 避免了重复装卡引入的测量误差, 有效地提高了测量精度、简化了测量过程、降低了测量成本。实验结果表明测量装置的中心偏重复测量不确定度可达0.065″。

为实现大口径折反式355 nm激光接收系统的装调,提出了局部针对性的调试方法。 两镜系统采用波长为355 nm和632.8 nm、镜间距一致的4D干涉仪自准直调试法;透镜组采用355 nm激光器 和干涉仪前置镜头组成的自准直检测光路调试法。调试后得到两镜系统波像差均方根(RMS)为 0.2026λ, 满足设计指标0.2λ(λ为632.8 nm)的要求;透镜组调试后,理论后截距与自准直检测 后截距差值在设计指标容差范围内。两镜系统与聚 焦透镜组系统组合调试后,像方与物方焦点重合,接收系统调试满足设计要求。所提方法降低了系统装 调难度,缩短了系统装调周期。

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调，利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测，并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题，提出一种动态检测方法。根据实际装调结果，建立空间直角坐标系，利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明，采用自准直检测及动态检测方法，主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm，系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm，二轴正交误差为2.06″。

文中以焦距4 000 mm、口径Φ400 mm的反射式平行光管精密调试、检测工艺方法为研究对象。作为某光学系统的检测与标定基准,该平行光管在成像质量、分辨率、出射光束平行性等关键指标都有极高的要求, 重点从主镜微应力粘接、主次镜光学间隔精确调节、主次镜光轴一致性调节和分划板位置精确标定等关键工艺环节入手进行了深入研究, 并利用自准直法进行了精密调试、检测。最终得到的平行光管系统分辨率≤0.8″, 出射光束平行差≤3″, 星点能量集中, 无明显像差, 十字分划板竖刻线与安装基准铅垂, 综合性能指标达到设计要求。

光电自准直经纬仪是一种集成了光电自准直仪和经纬仪双重功能的精密测量系统, 其光路由目视内调焦望远系统和光电自准直系统两部分组成。首先提出共光路光学系统的设计原理与方法, 优化设计成像清晰的内调焦望远系统和分辨率较高的自准直光学系统。然后对影响成像质量最大的多胶合棱镜进行公差分析和设计, 给出既满足成像要求又兼具经济性的加工公差值。最后对设计的光学系统进行精度测试。测试结果表明, 所设计的光学系统在±20″视场范围内自准直精度达到0.6″, 可以满足设计要求。

光子晶体传感器在溶液检测方面具有巨大的应用潜力,设计一种光子晶体液体折射率传感器,通过在光子晶体中构造法布里珀罗腔(F-P腔)并利用光子晶体的自准直效应来实现折射率的探测。通过二维时域有限差分法(2D-FDTD)对电磁波在光子晶体F-P腔中的传播的仿真实验,最终获得了高线性度的输出光功率与液体折射率的对应关系,并可基于此特性实现液体折射率的检测。相较于其他的检测方法,光子晶体的应用使其具有体积小、测量范围广、易于与激光器件集成并且不受外界电磁环境影响等优点。

提出并成功设计了基于自准直马赫-曾德尔干涉仪(SMZI)的空气孔硅光子晶体偏振无关3 dB分光器。介绍了采用偏振透射谱匹配的方法, SMZI可以实现偏振无关分束的基础理论。通过连续改变SMZI两臂的光程差, 基于匹配两个偏振的透射谱, 成功实现了在归一化频率下将TE偏振和TM偏振的入射自准直光束进行1∶1分光。最后, 利用时域有限差分数值模拟软件计算出来的TE偏振瞬时磁场分布图和TM偏振瞬时电场分布图验证了自准直光束的分光情况。结果显示: 如果将工作波长定在1 550 nm, 该偏振无关3 dB分光器大小仅为16.7 μm×16.7 μm。由于具有尺寸微小、结构简单并使用单一硅材料等特性, 该分光器有望应用于集成光路中。