借助于结构化的金属/介质界面所形成的人工表面等离激元，能够将太赫兹场束缚在亚波长量级，同时利用单元结构对几何参数的色散特性，可以在二维尺度上操纵太赫兹波，为集成化、小型化片上太赫兹功能器件的发展提供了解决途径。利用立体金属柱子结构的色散特性构建二维渐变折射率透镜，在此基础之上设计平面望远镜、波导耦合器、双功能透镜等二维太赫兹人工表面等离激元传输调控器件，并通过电磁仿真分析每种功能器件的工作性能。本工作不仅丰富了太赫兹表面波调控器件家族，并有望进一步发展表面等离激元链路的太赫兹片上系统。

高功率可见光至近红外波段的超连续谱光源在光电对抗、光学相干层析成像和高光谱激光雷达等方面具有广泛的应用前景。最近几年，涌现了一些用于产生高功率超连续谱光源的新方法，推动了高功率超连续谱光源的进一步发展。本文从主振荡功率放大结构、随机光纤激光器结构以及多路非相干合成这三种用于高功率超连续谱产生的主流方案出发，着重介绍了近年来有代表性的高功率可见光至近红外波段超连续谱光源的研究进展，并综合分析了这三种方案的优缺点以及未来的发展潜力。

本文综述了基于渐变折射率多模光纤可饱和吸收体的全光纤锁模激光超短脉冲与束缚态孤子产生机理与技术研究现状.采用这种新型全光纤结构的锁模调制器件，光纤激光器可输出传统孤子的单脉冲能量达nJ量级，同时可实现时空锁模运转.渐变折射率多模光纤作为全光纤非线性可饱和吸收体在激光器中具有重要的研究意义和广泛的应用，为更高能量超短脉冲的产生提供了一条重要技术途径.

基于对流扩散效应, 利用有限元分析法建立了一种光学渐变折射率微腔流体透镜。分析了微腔中芯、包层液体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分布情况, 即所谓的混合流体折射率分布。研究了对流扩散模型结构, 分别在一般情况下(芯层流体折射率大于包层流体折射率)和中心凹陷情况下(芯层流体折射率小于包层流体折射率), 沿流体流动方向的不同截面对流扩散后折射率分布情况。

为明确光在离子交换制备的条形波导中的传输行为, 建立了离子交换技术制备的折射率分布模型, 在对离子交换过程理论分析的基础上, 通过计算机仿真分析了波导的折射率分布特性, 得到了此类型波导中的折射率分布沿纵向、横向分别分布呈高斯及高斯误差分布的结论, 并对其受交换宽度、深度的影响进行了分析。据此建立波导模型, 并通过有限元法对波导中光的模式进行计算, 得到了不同折射率分布下光场模式传播, 并对其特性进行了分析。此研究为通过离子交换技术制备渐变折射率波导及相关模分复用功能器件的设计工作提供了必要的参考依据。

提出了一种新型的基于渐变折射率波导自聚焦效应的模斑变换器,分析了均匀折射率波导和渐变折射率波导的模式场分布及传输特性,研究了自聚焦效应的原理。利用时域有限差分法,计算得到了该变换器的插入损耗和回波损耗,所提模斑变换器与现有的最好模斑变换器的性能相当,但长度缩短至其1/6。该新型模斑变换器可用于集成光学系统中。

本文研究了一种适用于临床前研究的小型化(<0.4 mm)、低成本纤维束内窥镜装置。该装置包含有一个渐变折射率(GRIN)透镜, 它安装在光纤图像引导器的近端。提出了一种简化、低成本的装置连接方案, 并讨论了可应用的连接方案。装置中使用的纤维束表面包覆有聚酰亚胺, 其在长期和短期植入时都具有生物相容性。最终制备的装置能够承受化学清洗、消毒和高压灭菌, 满足普通实验室和临床程序的需求, 并且对整体性能有较小的影响。为了验证纤维束的成像质量, 本文使用标准测试靶标和荧光微球进行评估。结果表明, 光纤与自发荧光之间的串扰对成像质量的影响很小, 该纤维束无需复杂光路和激光扫描即可实现荧光样品分子级的分辨率。

为实现对微小位移的精确测量,提高位移精度,提出了基于表面等离子体共振的微位移光纤传感器。利用渐变折射率多模光纤中光束的传播角度随入射光位置的变化而变化的特性,结合表面等离子体共振传感器的共振波长对共振角度变化具有很高灵敏度的特性,实现对微小位移的精确测量。为满足共振条件,将渐变折射率多模光纤研磨成具有合适角度的楔形,精确控制渐变折射率多模光纤的长度,并将光纤探针浸入到一定折射率的液体中。通过630 nm单模光纤将白光光源从渐变折射率多模光纤的端面耦合到光纤探针中,搭建位移平台,精确控制单模光纤和渐变折射率多模光纤的径向相对位置,通过光谱仪检测共振波长随相对位置的变化规律。实验结果表明:当光纤研磨角度为12°,且液体折射率为1.350时,该传感器具有高达10.32 nm·μm ^-1的灵敏度,位移分辨率高达1.9 nm。

针对半导体激光二极管(LD)与单模尾纤(SMF)的耦合问题, 提出了一种基于渐变折射率光纤(GIF)的耦合机制。GIF被设计为SMF的前端耦合部分, 采用大芯径以匹配LD输出远场分布, 椭圆形的纤芯形状可有效匹配LD椭圆输出光束, 并实现有效聚焦与控制。基于有限差分束传播法对耦合过程进行的理论分析表明, 采用该方法功率耦合效率可达到88%, 1 dB插入损耗对应的GIF长度容差为75 μm,长轴与短轴方向的横向偏移容差分别为28 μm和10 μm。该方案对高功率LD耦合单模光纤设计有一定的参考价值。