构建双锥干涉模型设计双周期渐变光子晶体（GPC）结构，基于该结构的渐变光强分布设计了介质柱尺寸渐变的GPC透镜，并研究了内外锥干涉角对GPC周期及透镜聚焦特性的影响。研究发现，干涉光束内外锥角正弦差决定透镜大周期，而外锥角则直接影响小周期。当透镜大周期固定时，小周期越小，聚焦效果越好；而小周期固定时，大周期越小，透镜数值孔径越大。所设计的透镜可实现亚衍射极限聚焦，该研究有助于透镜在光耦合、光集成、光显示以及成像方面的应用。

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用, 但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称, 所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1 μm(快轴)×200 μm(慢轴)且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管, 分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场(侧模)的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里, 设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长, 模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角, 再用自聚焦透镜进行聚焦, 最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm×0.17 mm的方形光斑, 且快慢轴方向发散角分别为3.3°×2.4°。同时, 通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布, 结果表明: 宽发射面激光二极管光束整形中, 通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。

大多数渐变光子晶体渐变透镜都是以正方晶格或三角晶格排布为基础, 并且多选择硅或二氧化硅等高折射率材料, 研究的波段多为红外波段。随着可见光通信技术的发展, 在可见光波段研究低折射率材料的自聚焦透镜变得很有意义。为了迎合这种需求, 提出了Sun-flower型渐变光子晶体自聚焦透镜。首先, 通过比较TE和TM两种偏振模式Sun-flower渐变光子晶体朗伯透镜在可见光波段的会聚强度, 发现TM型的会聚效果远远优于TE型。然后, 以TM型Sun-flower渐变光子晶体为基础设计圆柱形自聚焦平板透镜, 通过光场传输的模拟计算给出平板透镜在可见光波段自聚焦的拍长, 进一步优化平板透镜会聚光强设计透镜的层数, 结果表明在层数为22时效果最佳。最后, 讨论了列数的减少对平板透镜的影响, 结果表明随着列数的减少光强减弱。这对于制作出高性能会聚效果、短焦距、小体积的光学集成器件有重要的指导意义。

提出了一种基于自聚焦透镜耦合单模光纤测量调频小宽带脉冲时间波形的技术方案。理论分析和实验结果表明:自聚焦透镜耦合光纤的取样能量随透镜与光束夹角增大而减小，但同一角度下各级次光谱耦合效率一致，取样过程不会引入附加的调频-调幅(FM-AM)效应，耦合效率下降一半时允许的光束角漂量为1 mrad。该技术方案除具有便于集成、低成本、抗光束扰动能力和电磁干扰能力强等优点外，还通过自聚焦透镜扩大了取样面积，有效提高了取样能量，并抑制了光束截面能量起伏对测量系统的不良影响。该技术方案为高功率激光装置脉冲波形测量技术的改进研究提供了一定的理论和实验基础。

利用自聚焦透镜和单模光纤搭建了基于光纤旋转连接器的内窥式扫频光源光学相干层析成像系统.利用Zemax模拟了内窥探头的光学性能, 分析了光纤到自聚焦透镜的距离和自聚焦透镜节距对探头性能参量的影响.在综合考虑元器件成本以及成像要求后, 选择无需定制, 节距为0.24 Pitch的自聚焦透镜, 确定光纤与自聚焦透镜之间的距离为0.7 mm.经实验测得该系统的横向分辨率约为19.5 μm, 纵向分辨率约为9 μm, 工作距离约为7 mm, 成像深度为6.2 mm(空气中), 与理论值接近.为了验证该系统对生物组织的成像性能, 利用该系统对猪食道进行离体成像, 重建后的层析图中可以明显地观察到猪肠道的表皮层和固有层.测量系统的各项成像性能参量以及对生物组织的成像性能表明该探头在内窥成像中是可行的.

提出了基于曲线拟合的光纤透镜聚焦常数的测试方法，用于超小自聚焦光纤探头研制过程中聚焦常数的直接测试。基于自聚焦光纤透镜模型及其折射率分布特征，研究了测量自聚焦光纤透镜聚焦常数的二次多项式拟合和线性化拟合算法。论述了聚焦常数对超小自聚焦光纤探针传光性能的影响。利用光纤端面折射率测试仪测试自聚焦光纤的折射率分布轮廓曲线，根据二次多项式拟合和线性化拟合算法分别求得聚焦常数和中心折射率。实验结果显示，利用二次多项式拟合算法和线性拟合算法求出的聚焦常数分别为5.587 mm-1和5.513 mm-1，与厂家的标称值5.5 mm-1基本吻合，表明曲线拟合算法适用于对自聚焦光纤透镜聚焦常数的测量与分析。

卡塞格伦结构简单，安装方便，但次镜的盲区使天线的发射效率降低。基于此，设计了一种基于卡塞格伦望远镜的收发一体光学天线，充分利用卡塞格伦天线有效区域(盲区以外的部分)作为发射。通过4 个自聚焦透镜胶合光纤结构的端面环形离轴发射代替激光器高斯沿轴发射，可有效规避次镜盲区的影响；用大芯径塑料光纤接收信号，不但耦合效率高，且便于发射-接收对准。实际测试结果表明：该天线系统易于对准，发射损耗低，满足一般无线光通信系统的要求，最终实现收发一体。

光纤探头将发射光纤、接收光纤及自聚焦(GRIN)透镜集成为一体,可替代传统动态光散射装置的光路系统,能有效提高空间相干性,但目前尚缺乏光纤探头结构参数的最优设计方法.依据动态光散射光路系统空间相干性的要求,分析了光纤探头的结构参数,给出了优化设计的方法,确定了光纤探头两透镜间距和夹角的最佳取值范围.实验结果表明：光纤探头两透镜夹角为19°,间距为1.5 mm 时,可满足光路系统空间相干性的要求,接收信号的信噪比最高,相关函数的截距达到0.83,使用最优拟合累积分析法反演的颗粒平均直径相对误差小于2%.