随着精密机械制造、高性能半导体器件加工等领域对位移检测要求的不断提高, 对于高性能微型位移传感器件的需求日益迫切。基于微纳光栅光学自成像效应, 提出了一种双光栅结构的光学位移检测方法。研究了~6.5μm周期微纳光栅的光强空间分布, 分析了双光栅结构光强透过特性, 并在实验中实现了1mm位移范围内的正弦信号输出。通过对输出信号进行100倍电学细分, 最终实现灵敏度为64.5nm的位移检测。所提方法具有光路简单、结构紧凑、稳定性高的特点, 可用于集成化高性能微位移传感器件与系统等应用。

针对塔尔博特自成像光刻机对照明系统的特定需求, 基于成像照明光学设计理论,引入非成像光学理论思想, 建立照明系统的初始结构。利用光学设计软件Zemax对照明系统光学初始结构进行优化, 并在Lighttools中对该照明系统进行建模和大规模分布式光线追迹。追迹结果表明, 在照明面积60 mm×60 mm范围内, 照明不均匀度约为1.83%, 照明功率密度不小于1.15 mW·mm-2。对照明面在光轴方向上的位移容差进行分析, 结果表明该照明系统可以满足塔尔博特自成像光刻的需求。

提出了在一定的条件下，周期函数经过线性正则变换，结果仍然是周期函数，即利用线性正则变换可以产生泰伯效应，并从理论上给出了证明，得出了产生泰伯效应的条件。推导了特殊形式的线性正则变换（菲涅耳衍射、分数傅里叶变换和Gyrator变换）产生泰伯效应的条件，通过数值模拟验证了Gyrator变换的自成像条件，证明了该理论的正确性，从而将泰伯效应推广到了线性正则变换域。

研制了反射式光电编码器。介绍了光栅自成像原理，完善了高密度基准光栅的制作工艺，研制完成了32768刻线对光栅和高集成度光电读数头，最后制成了反射式高精度光电编码器。该编码器采用多参考点编码方式，加快和简化了确定基准零点的操作，初始化转动最大5.625°即可确定基准零点。采用自准直光管和23面棱体检测了编码器的测角精度，其单边读数头均方根误差为1.11″，对径双读数头均方根误差为0.75″；反射式读数使光栅与读数头间隙提高10倍达到2.0 mm。结果表明，研制成功的高精度反射式光电编码器结构简单，反射式读数头光电信号质量较高。该编码器为高精度测角应用提供了一种新的解决方案。

将相互耦合的3平行光子晶体单模波导看成一个多模干涉系统，通过研究二维正方晶格光子晶体波导多模干涉的自映像效应，优化设计了一种新型1×2光子晶体波导定向耦合分束器，采用时域有限差分法对其传输特性进行模拟分析。设计过程中，根据多模干涉耦合区中周期出现的双重像的位置确定两个单模输出波导的位置，通过改变输出波导和耦合区连结的一个介质柱位置构成波导微腔结构，改变耦合区中的模场分布，实现模式匹配，从而明显减小分束器的反射损耗。计算结果表明，移动介质柱距离输出单模波导和多模波导连结处1.85a位置处时，对于波长为1.55 μm的入射光，该分束器的透射率可高达99.04%。

基于标量衍射理论研究了二维周期物体自成像现象，进一步地扩展了二维周期物体的自成像条件。研究表明,只要两个方向周期长度的平方满足整数比，就存在相应的周期夹角满足自成像要求；另一方面，只要两个方向周期夹角的余弦值的平方是有理数，理论上也就能找到比例合适的周期长度实现自成像。分析了同一个二维周期物体用不同的周期长度及夹角组合来表示时，这些组合之间的数值关系。根据这些关系，给出了判断两个不同的周期长度及夹角的组合是否等价的方法。最后用数值模拟验证了相关的理论分析。

文章采用时域有限差分法和平面波法作为研究工具，在耦合长度L=7a的条件下研究了光在输出端口的透射率和反射率。结果表明，通过引入额外的介质柱改变耦合区电磁场的相位分布，可使3个输出端口的强度达到均分；并且这种结构的分束器具有很高的输出效率，最高可达到99.5%，这些特性使这种器件在波分复用等方面具有很大的潜在运用价值。

通过研究2维正方晶格光子晶体波导多模干涉的自映像效应，优化设计了一种新型1×2光子晶体波导分束器，采用时域有限差分法对其传输特性进行模拟分析。设计过程中，根据多模干涉耦合区中周期出现的双重像的位置确定两个单模输出波导的位置，通过在分束器输入和输出耦合区的连结处设置介质柱，改变输入和输出耦合区中的模场分布，实现模式匹配，从而明显减小分束器的反射损耗。计算结果表明:设置的介质柱归一化半径分别为0.08和0.177时，对于波长为1.55 μm的入射光，该分束器的透射率可高达93%。

研究了全内反射在光子晶体多模波导中的作用，利用常规的耦合模理论对对称入射时的多模干涉行为和自映射现象进行了讨论和分析.研究表明，输入光场依然能沿着多模导光区高效的传输，这种结构中的光场传输是由全内反射和布喇格反射的联合作用而决定的.设计了一种全内反射偏振无关型光分束器，这种分束器在集成光学中具有重大的潜在应用价值.

We experimentally demonstrate the phase locking of a two-dimensional (2D) array of four fiber lasers using an improved self-imaging resonator with a spatial filter. The high visibility interference round stripes of the coherent beam profile are observed. The coherent output power of the fiber array exceeds 134 W. The entire system operates quite stably, and no thermal effects observe in the spatial filter, indicating that the coherent output power can be increased using this method.