一个舒适健康的办公室照明环境，不仅可以提高工作效率，还可以避免不舒适的光环境对身体造成伤害。但是大多数办公室在照明节能和照明舒适度方面仍然存在一些问题。为了解决这些问题，本文提出了一个将日光照度和占用情况作为输入、灯具的调光系数K（0≤K≤1）作为输出的照明控制系统。该系统通过算法得出日光照度、占用情况、相邻灯具的照度分量与调光系数K之间的线性数学模型，采用Matlab最小二乘法求得每个灯具的最佳调光系数。采用DIAlux软件验证照明系统下的办公室光环境，结果表明，在该系统控制下被占用的工作面照度均达到500 lx，未占用的工作面照度均达到300 lx，照度均匀度大于0.7，解决了白天照度均匀度低的问题。在满足办公室光环境的基础上，该照明系统在白天和夜间的节能效率分别达到了66%和14%。

为了提高半导体激光器作为光纤激光器、固体激光器泵浦源的亮度，基于光束准直、空间光束合成、偏振光合成、光纤耦合等技术，提出了一种紧凑的光束整形系统来均衡半导体激光器快慢轴的光束质量，采用类似阶梯型棱镜和两个30°的直角棱镜填充快轴方向暗区，并用偏振合束器对慢轴光束宽度进行压缩的光束整形方案，设计出了一种紧凑的高亮度光纤耦合系统。该系统由8个mini-bar组成的半导体激光器叠阵耦合进芯径为100 μm、数值孔径为0.22的光纤中，其输出功率为272.4 W，光光转换效率为85.1%，亮度高达22.832 MW/（cm²·sr）。

根据惠更斯原理搭建了一台可分别测量晶体折射率各向异性的实验装置，并在室温至1200 ℃的温度范围内采用光位移法间接测定了蓝宝石在445 nm波长下的寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e，计算得到相应的热光系数为1.5793×10^-4 K^-1和1.5517×10^-4 K^-1。此外，基于第一性原理计算了蓝宝石的折射率等光学参数，相应的折射率变化规律与实验相近。实验与计算的结合验证了蓝宝石高温折射率数据的可靠性，为蓝宝石材料的开发应用和相关器件的性能优化设计提供了有效参考。

为满足精密测量等领域对半导体激光器的波长稳定性、相位噪声等指标的严苛要求，提出基于系统传递函数理论推导论证与仿真验证相结合的分析方法，并由此设计改进了一款半导体激光器的高稳低噪恒定电流驱动电路。绘制了电流驱动电路的交流小信号模型和交流通路，对电路参数和系统稳定性的关系进行了理论分析，并引入噪声抑制网络对电路进行改进，通过Tina-TI仿真验证了改善后的驱动电路在2 MHz带宽内的噪声抑制能力和稳定性。实验结果表明，恒流驱动电路在3 KHz~2 MHz宽带内交流噪声有效值为224 nA，连续驱动电流2.5 h稳定度优于1.904×10^-6，1 h光功率积分时间1 s时的稳定度为1.177×10^-5。仿真与实验基本相符，驱动电路具有较高的稳定性和噪声抑制能力，同时，该分析方法对半导体激光器的超低噪声的驱动电路设计和优化具有普遍的理论指导意义。

为解决硬X射线自由电子激光装置难以提供皮秒至纳秒区间时间分辨的问题，提出了面向目前在建的上海硬X射线自由电子激光装置分束延迟的系统设计。采用基于晶体衍射的延迟方法设计分束延迟光学系统，计算了延迟时间范围，模拟了系统光通量，搭建了一台样机并进行了光路对准实验。该设计采用空间分光方式，将入射脉冲分为两个部分，并通过路程差在二者之间引入时间延迟，具体的原理样机设计适用于光子能量在7~11 keV范围，最多能实现-15.4~503.3 ps的时间延迟。使用Shadow模拟了样机设计的光通量，两个分支光通量分别为33.54%和33.64%，符合1∶1的设计目标。使用绿光激光进行了样机的光路对准实验，证明该样机能使空间分光后的两束光重新复合，为后续X射线验证实验提供基础。该设计具有空间尺寸小、延迟范围大、入射能量和延迟时间连续可调的优点，为上海硬X射线自由电子激光装置的分束延迟系统研制提供参考。

针对战场态势感知、环境污染监测以及应急减灾等领域对全天候、全天时遥感信息的应用需求，提出了一种可见光/红外一体化空间遥感成像方案，工作谱段覆盖可见光全色/多光谱、中波红外和长波红外，不同谱段的空间分辨率分别可达到为2 m/8 m、8 m和16 m，成像幅宽大于15 km。分析确定了光学系统技术指标参数，提出了可见光/红外共口径模块化光学系统设计方案，完成了各模块光学系统和整体光学系统的设计与分析。设计结果表明，各模块光学系统和整体光学系统的成像质量均接近衍射极限，各模块光学系统可进行单独装调和测试评价，有利于实现可见光/红外复杂光学系统的模块化研制，有效降低多谱段、多焦距、一体化复杂光学系统的研制难度和研制周期，具有较高的工程应用价值。

为了有效简化表面光栅耦合器的制备工艺和降低制备难度, 设计了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的高效氮化硅表面光栅耦合器, 采用二维时域有限差分(2D-FDTD)算法对耦合器的结构进行了建模、优化和仿真, 计算并对比了不同结构的耦合器光谱特性。研究结果表明: 在标准绝缘体上硅(SOI)晶圆上, 借助于CMOS后道工艺, 所设计的氮化硅表面光栅耦合器在通信波长1550 nm附近的最高耦合效率为-3.36 dB, -3 dB带宽为101 nm。

为了有效提高半导体发光二极管（LED）光学系统的空间利用率，设计了一款基于负焦距透射结构的自由曲面准直透镜。该准直透镜分为透射准直和反射准直两部分，设计基于几何光学、斯涅耳定律以及能量守恒定律，通过使用Matlab软件编写算法迭代计算得到透镜的2D曲线数据，然后将2D曲线数据导入Solidworks软件旋转360°后得到准直透镜的3D模型，再导入光学建模软件Lighttools进行光线追迹，根据接收面上的光斑情况对准直透镜进行优化，优化后的准直模块经过模拟仿真，光能利用率为88.45%，光束角为±2.23°，具有优越的准直性能，相比传统的单透射自由曲面准直透镜，采取负焦距透射结构设计的准直透镜体积同比减少63.13%，能更有效地实现对LED光线的调控并减小透镜的体积。

为了实现对可见光波束的自由调控，提出了一种梯形单元结构的超表面。改变硅纳米微元的上下底和宽，对传输相位进行调制，实现了在目标波长下0到2π透射相位的调控。利用该结构设计的超构表面可以同时对线偏振光和圆偏振光进行调控，实现了在波长为640 nm线偏振光和圆偏振光入射下的聚焦。此外，研究了聚焦特性以及在线偏振光入射下晶格周期对聚焦特性的影响。该项工作为基于超表面结构设计的集成光学提供了新的思路。

抛物镜归一和重整化后的Offner补偿器设计可以被认为是在参数空间寻优的确定化问题。通过构建抛物镜Offner补偿器优化结构实例，获得其评价函数在参数空间的分布，得到Offner补偿器设计结果参照图谱，提出一种对补偿器设计初始结构选择和性能评价的方法，结果揭示了该问题可以通过数值方法得到较好解决。