针对基于法布里珀罗干涉仪的大气风场探测系统，推导了进行风速、温度反演的理论模型并在理论上进行了模拟验证。利用光学设计软件Zemax完成了法布里珀罗干涉仪系统结构的仿真。通过设定不同波长入射系统，得到对应干涉条纹，利用最小二乘拟合圆方法从条纹峰值移动距离可反演出风速，与理论值进行比对，得到风速仿真误差小于4.2%。针对温度探测理论建立了合理的光源光谱文件，给出理想仿真干涉圆环，进行数据分析完成温度反演，计算出温度的仿真误差小于7.5%。结果表明，仿真模型、反演理论、数据分析和处理方法是可行的。

提出了一种采用本征函数法求解光强传输方程的相位反演算法。相位可由拉普拉斯算子本征函数展开，各阶本征函数的系数可以由光强沿光轴的微分和本征函数两者的积分得到，由此实现相位恢复。给出了圆形区域和矩形区域拉普拉斯算子本征函数的解析形式，数值模拟了在这两种区域上采用该算法实现相位恢复的过程，结果表明该算法可以很好地实现相位恢复。

提供了一种能实时快捷地对光镊系统中四象限探测器位移探测信号进行校准的方法。实验研究表明了该方法的可靠、精确，其自身的不稳定性小于1%。利用该方法研究了校准系数随小球深度的变化情况，得出校准系数随小球深度的升高而减小。该方法可以用于光镊系统稳定性的监测。

采用射频磁控溅射，通过传统的紫外曝光和湿法腐蚀的方法，制备了不同电极间距的金属半导体金属(MSM)结构Mg0.2Zn0.8O可见盲光电探测器。研究了器件的暗电流和响应度随电极间距的变化关系，当施加的电压没有达到贯穿电压的时候，暗电流和响应度均随着电极间距的增加而减小，并对其具体的机制进行了研究。

基于飞秒激光对脉宽压缩光栅宽光谱和高衍射效率的要求，提出了一种金属介质膜结构的宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅，该光栅由基底、金属介质膜和表面浮雕结构组成。为获得宽光谱高衍射效率的脉宽压缩光栅，采用严格耦合波理论对金属介质膜光栅的结构参数进行优化设计。数值分析表明当金属介质光栅的槽深、剩余厚度、占空比和入射角分别为272 nm,10 nm,0.23和54°时，对于中心波长为800 nm的TE波，其-1级衍射效率在732~886 nm内优于97%，有效工作带宽达150 nm。

使用衍射光学元件（DOE）作为投影光刻照明系统实现离轴照明（OAI）的光束整形匀光器件，能够在保持较高照明效率的基础上精确控制OAI光束的形状及光强分布。在矢量角谱传输方法的基础上，建立了投影光刻用DOE的矢量分析模型，并对标量方法设计的DOE在偏振照明情况下的匀光与整形性能进行了分析。分析结果表明DOE在大角度衍射、单元尺寸与工作波长相近条件下，一般标量近似条件已不满足，仍采用标量迭代方法进行DOE设计，则计算结果存在较大误差。

刻线密度准确与否直接影响光栅色散及给定波长的衍射方向，进而影响光谱仪器结构设计。为了提高全息光栅刻线密度的制作精度，提出了平面全息光栅刻线密度的倍频式调整方法。将给定刻线密度的基准光栅放在干涉场曝光区域内，调节光束干涉角，干涉场曝光光束经基准光栅衍射后，根据调整光栅刻线密度的不同选择不同的衍射级次相互叠加形成莫尔条纹，以基准光栅刻线密度的倍数来确定待制作光栅的刻线密度。理论证明了基准光栅周期与光栅像周期之间存在倍数关系，指出了基准光栅刻线密度选择在倍频式调整方法中的等效规则，分析了基准光栅宽度不同对光栅刻线密度制作精度的影响。计算结果表明，当基准光栅宽度达到100 mm时，制作300 line/mm光栅其刻线密度误差小于1 nm，刻线密度越大误差越小，故以基准光栅的刻线密度来确定待制作全息光栅刻线密度的倍频式调整方法能够满足全息光栅的制作要求。

针对平行光栅对结构的压缩器和圆形入射光束，建立了光栅拼缝所引起的光谱剪切的数学模型，并模拟了该光谱剪切对压缩脉冲信噪比的影响。与双曲正割型脉冲相比，光栅拼缝对高斯型脉冲信噪比的影响较小。随着光栅拼缝宽度的减小与光束口径的增大，压缩脉冲信噪比得到提高。对于确定的拼接光栅压缩器和光束直径，当脉冲中心波长与光谱剪切中心波长（受到光谱剪切作用的波段的中心波长）相等时，可以得到最高的压缩脉冲信噪比。

在Ⅳ型凹面全息光栅制作和使用过程中，各参数误差会影响其光谱性能。光栅均方根法优化函数表达式复杂且不能给出光谱的带宽。由费马原理推导出一种数值处理较为简单且能直接描述光谱带宽的光栅优化函数平方和法优化函数，验证了该函数的正确性。采用该函数对Ⅳ型凹面全息光栅使用参数和记录参数在参考平面内外的误差对光谱性能的影响及补偿做了定量分析，结果表明，Ⅳ型凹面全息光栅一个使用参数或记录参数在参考平面内的误差可通过分别调节其他使用参数或记录参数进行补偿，且当记录参数的误差不改变光栅常数时，可以通过调节使用参数对其进行补偿；而光栅记录参数在参考平面外的误差只能通过调节记录参数与参考平面的距离进行补偿。

为获得性能优良的三基色窄带滤光片，提出了一种基于减反射薄膜波导光栅结构的导模共振滤光片。该滤光片由亚波长光栅结构、波导层和基底组成。采用严格耦合波理论分析了亚波长光栅结构和波导层厚度对导模共振滤光片反射光谱性能的影响。数值分析表明λ/4-λ/2-λ/4结构能有效提高导模共振滤光片的性能。当光栅结构位于基底侧时，红绿蓝三基色滤光片旁通带截止带宽分别为447,349和279 nm，反射率均优于95%，反射带均小于0.2 nm。设计的三基色滤光片具有良好的窄带反射特性，在彩色合成与调制中有应用前景。

研究了超陷光黑硅表面圆锥阵列结构的设计。将圆锥结构分为五层，利用等效媒质理论进行了参数设计。考虑了硅材料折射率随波长的变化，用严格耦合波理论对不同入射角，圆锥阵列结构高度以及占空比时的反射率进行了计算分析。发现，圆锥阵列超陷光结构的周期为135 nm,高度为480 nm时，在0°~60°入射角范围内，对波长为300~1200 nm的入射光的反射率都小于5%。

国家同步辐射实验室新建了覆盖5~40 eV的低能区高分辨率角分辨光电子能谱光束线。其球面光栅单色仪包含了三块光栅，即300，600和1200 line/mm球面层式（Laminar）光栅。采用全息离子束刻蚀工艺，在硅光栅基片上成功地刻蚀出1200 line/mm、占空比0.35、槽深35 nm、有效刻划面积大于120 mm×20 mm的Laminar光栅。在角分辨光电子能谱光束线完成调试的同时，进行了初步的光谱标定及性能测试。波长的刻度和光谱测试直接采用波荡器辐射作为光源，用已知气体的吸收峰做标准来进行标定。测量结果表明：1200 line/mm光栅测量Ar的吸收谱，在29.2 eV附近可得到2.6 meV的能量分辨，分辨本领约为11000，满足了光束线设计要求。

星间相干光通信系统中，信号光与本振光的不同分布将影响外差混频效率。在假设信号光与本振光偏振一致、相位匹配、几何中心重合的前提下，详细推导了信号光振幅为平面波(Uniform)、高斯(Gauss)分布，本振光为艾里斑(Airy)、Uniform及Gauss分布时的6种外差混频效率关系式，其中4种得到了精确的解析式。在此基础上，通过数值仿真，全面对比分析了各种组合的外差混频性能，结果发现，Airy+Airy和Gauss+Gauss具有最佳外差混频性能，理论上可以达到100%外差混频效率；Uniform+Uniform的最大外差混频效率为72%，Guass+Uniform最大外差混频效率是82%，它们具有相似性；而Airy+Gauss组合是系统中常用的分布模型，其外差混频效率同时受探测器半径及Gauss束腰的制约。这将为设计星间相干通信系统提供必要的理论依据。

布里渊光时域反射测量(BOTDR)系统空间分辨率和传感距离存在相互制约的关系。相关序列脉冲编码技术可用于解决这一矛盾，但直接对编码脉冲的布里渊散射采样信号进行解码，会因采样时间间隔小于编码单位脉冲宽度而导致解码信号的失真，从而降低了系统空间分辨率和测量精度。分析了直接互相关解码对BOTDR系统空间分辨率的影响，提出一种基于重采样的互相关解码方法，该方法解决了直接相关运算造成的系统性能降低问题。实验中用512 bit 20 ns的互补序列在20 km光纤末端获得2 m的空间分辨率。实验结果表明，与直接互相关的解码方法相比，基于重采样的互相关方法是一种有效的序列脉冲BOTDR信号解码方法。

基于广义非线性薛定谔方程，数值模拟了具有3个零色散波长的光子晶体光纤中孤子的演化过程及其时频特性。结果表明，由于第2个反常色散区的存在，不仅在正常色散区得到了相位匹配的蓝移和红移色散波，还在低频反常色散区得到了高强度的色散波孤子，而且此孤子在高频正常色散区进一步辐射出了蓝移色散波。

低成本、低功耗和可集成是目前波长变换技术所追求的目标。提出一种基于法布里珀罗型激光二极管(FP-LD)中模式竞争机理的全光波长变换方案。通过在FP-LD不同模式中注入恒值探测光和信号光产生双模式竞争，从而实现波长变换。对波长变换产生的原理进行了分析，并对波长变换后信号的信噪比、消光比以及啁啾特性进行了实验研究。进行了10 Gb/s非归零（NRZ）信号在不同波长上的波长变换及其20 km传输实验。误码率测试数据结果表明波长变换后的功率代价小于1 dB，各个波长信号传输20 km后的功率代价均小于1 dB。

提出产生尺寸可调单个局域空心光束（bottle beam）的一种液体轴棱锥新模型。从几何光学角度分析了液体轴棱锥产生局域空心光束的原理， 同时利用衍射理论加以模拟验证。得出：注入液体折射率大于轴棱锥材料折射率时可产生单个局域空心光束。通过光学设计软件TracePro建立液体轴棱锥模型并模拟其光束传输变换特性。 计算和模拟不同折射率的液体对局域空心光束尺寸、位置的影响，结果表明，液体折射率越小，所获得的局域空心光束尺寸越小，理论分析与软件模拟结果基本吻合。

在原有鬼像焦斑空间分布研究的基础上，进一步考虑入射激光脉冲与透镜的鬼像之间发生的干涉叠加现象。参考神光Ⅱ系统，分别推导并计算了3~10 ns的入射脉冲引起最小像差型双凸透镜产生鬼像干涉的最大焦距范围，然后以单位矩形脉冲平面波作为入射光，讨论存在干涉的几种情况。结果表明，由于干涉叠加效应，鬼像焦平面存在较大的调制，焦平面附近的区域也有很明显的干涉调制。干涉后鬼像的功率密度大大地超出了原有鬼像光强的估算值，特别是对于高阶鬼像，问题更加严重。

针对低信噪比红外图像中弱小目标检测难的问题，在分析红外弱小目标各向梯度特征的基础上，提出了一种新的红外弱小目标检测算法。该算法基于红外弱小目标各向梯度均快速下降的特征，首先根据目标大小在待检测点上、下、左、右选取4个参考点，根据多步长下待检测点与参考点之间的最大梯度特征，判定潜在目标；然后通过连续3帧检测信息的融合，确定最终目标。该算法无需预测背景，计算简单，可在低信噪比、强度变化剧烈的图像中有效检测弱小目标。实验结果表明了算法的有效性。

考虑到加速度和高斯型包络对激光多普勒测速仪的影响，在引入加速度分量的基础上，研究了高斯包络型多普勒信号的参数估计。根据数理统计的理论，分析了多普勒圆频率及其一阶变化率估计方差的Cramer-Rao下限(CRLB)，给出了参数估计方差的CRLB计算公式，并讨论了各参数带修正的功率谱估计。理论分析及仿真结果表明：参数估计方差的CRLB与观测数据长度、信噪比和高斯包络的宽度有关，增加观测数据长度和提高信噪比可以减小参数估计方差的CRLB；当观测数据一定时，加速度越大，高斯包络的宽度就越窄，参数估计方差的CRLB越大；当信噪比增加到6 dB时，运用带修正的功率谱估计算法得到的多普勒圆频率及其一阶变化率估计值的方差收敛于相应的CRLB。所得参数估计方差的CRLB与此前其他研究者得出的结论是相互协调的。

以亚毫米尺度的铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)透明陶瓷片为导波层制备了对称金属包覆波导，并利用自由空间耦合技术激发了波导中的超高阶导模。根据衰减全反射（ATR）峰的移动，得到了在波导两侧所施加电压与光强反射率的关系，从而计算了PMN-PT透明陶瓷片的二次电光系数。

基于多光束干涉原理，推导了斜入射状态下非平行角度调谐滤光片的高斯光束透射光强表达式。在此基础上研究了高斯光束的入射角以及非平行滤光片两端面间所存在楔角对透射光强分布的影响。计算和实验结果都表明，滤光片的透射光强分布不仅与入射角有关，非平行滤光片两端面间楔角的大小和正负特性还会在很大程度上影响斜入射时滤光片的光场分布、透射率和矩形度。要保证滤光片在斜入射时透射率和矩形度的稳定，就必须在切片时提高滤光片的平行度。

基于紫外固化胶和聚砜聚合物材料体系，采用脊形单模波导结构，理论设计并优化了聚合物波导环形谐振腔滤波器的波导截面参数、弯曲半径和耦合区波导间距等结构参数，分析了其滤波响应特性。并在此基础上，结合光刻、反应离子刻蚀等传统的微加工工艺制备了聚合物环形谐振腔滤波器，并进行了光谱测试，器件测试结果与设计基本符合。结果表明，该聚合物微环谐振腔滤波器在通信波段1550 nm附近的自由光谱范围为0.21 nm，3 dB带宽为0.04 nm，插入损耗为26 dB，消光比达到了11 dB，品质因子达到了3.87×104。该聚合物微环谐振腔滤波器可以用于光通信及光传感集成芯片。

分析了集成光学谐振式陀螺中克尔噪声的产生机理，利用导波光学理论建立了克尔噪声的数学模型，并基于此模型得出了克尔噪声对集成光学陀螺极限灵敏度影响的数学表达。分析了不同光源谱宽下谐振腔腔长与克尔噪声引起陀螺输出偏移之间的关系；针对集成光学陀螺中克尔噪声的主要产生原因谐振腔中顺、逆时针的光强不均衡，仿真分析了系统中集成光学调制器的Y分支波导分光比不均衡对陀螺输出的影响，给出了集成光学陀螺中克尔噪声的抑制方法，最后给出了实验装置并采用通过可变衰减器的方法调节入射到谐振腔的光强使两光路光强严格相等，有效地抑制克尔噪声，并给出了初步实验结果。

提出了一种新型的光纤激光器量子点光纤激光器（QDFL）。以CdSe/ZnS量子点作为激活增益介质，基于实验观测到的量子点的吸收和发射谱，建立了二能级系统的粒子数速率方程和光功率传播方程，并进行数值求解。应用遗传算法，以激光输出功率为目标函数，优化得到了QDFL的最佳掺杂浓度、光纤长度、出射镜反射率和抽运光波长。与传统的掺钕光纤激光器相比，QDFL掺杂的饱和浓度较低、光纤的饱和长度较短、抽运效率更高。当抽运功率为2 W时，模拟计算得到的激光输出功率可达1.5 W。通过多粒度掺杂，单波长的QDFL可发展为一种新型的多波长激光器。

采用金属有机化学汽相沉积（MOCVD）设备在LiGaO2（100）衬底上制备了结晶性能良好的非极性ZnO薄膜。研究了衬底温度对ZnO薄膜结晶性能的影响。X射线衍射(XRD)分析结果表明在衬底温度为500 ℃时可以获得高质量的（1100）晶面取向的非极性ZnO薄膜。采用原子力显微镜(AFM)观察ZnO薄膜的表面形貌及晶体尺寸，观察到500 ℃生长的ZnO薄膜表面更加平整，晶粒分布均匀，粗糙度均方根值（RMS）为0.626 nm。光致发光(PL)光谱结果显示，ZnO薄膜的带边发光峰均位于375 nm，但是在较低温度下（400 ℃）生长时黄光峰较强，说明低温生长时结晶性能较差，且缺陷较多。

提出了一种新型的纳米级旋转共轭希腊十字型手征结构，并对该结构上下两层希腊十字的旋转角度进行了优化；数值模拟了该结构对不同频率入射波的透射和反射响应，发现透射谱在频率为145和300 THz处存在两个明显的谐振点。通过对透射反射谱的反演，计算了结构的圆二色性、旋光角，得出该结构在谐振频率附近具有很强的旋光性，最大旋光角达到了95°。分析了折射率、相对介电常数、相对磁导率和手征参数，发现这一结构在谐振频率附近分别实现了左旋圆极化波和右旋圆极化波的负折射率，且进一步证明了手征结构实现负折射率的主要原因是大的手征参数。

采用低流量III族Ga束流在分子束外延中低温辅助清理GaAs衬底表面氧化物。采用高能电子衍射监控衬底表面氧化物清理过程并得出氧化物清理速率及氧化层对高能电子的吸收系数。根据清理速率对衬底温度依赖的Arrhenius关系，估算了Ga辅助清理过程中发生化学反应所需要的活化能。Ga束流辅助清理衬底表面氧化物技术在外延生长中具有实际可应用性。用这项技术清理外延GaAs衬底，仅通过生长十几纳米厚的GaAs缓冲层，就能够重复地获得高质量低密度InAs量子点。另外，采用这项技术良好地保持了外延衬底的原有表面特性，相信它在需要保持良好界面特性的器件结构外延再生长中也将具有特别的潜在应用价值。

利用扫描透射电子显微术（STEM）和变温光致发光光谱（PL）研究了In组分对InGaN/GaN蓝光LED的发光的影响。STEM发现两个样品量子阱结构相同，低温PL显示低In组分的样品的发光峰位随着温度的升高呈现出经典S(Red-Blue-Red)曲线。目前普遍认为蓝移是In组分分布不均匀造成的局域激子发光的主要原因，然而实验发现高In组分没有出现峰位蓝移，产生这一异常现象的原因主要是因为高In组分造成的势起伏较大，在80 K~160 K条件下造成很大的热势垒，从而阻碍了载流子从强束缚局域态向弱束缚局域态的跃迁。同时，在高温段160 K~300 K载流子的带填充过程在峰位蓝移方面起主要作用。这是由于高In样品的量子限制效应较低In组分的明显，导致高温段峰位整体红移减小。

为了研究中心对称光折变晶体中低振幅暗和灰空间孤子的时间特性，推导出了含时间参量的空间电荷场和光波的动态演化方程。采用数值方法，得到了中心对称光折变晶体中低振幅空间暗和灰孤子强度包络和强度半峰全宽的时间演化特性。结果表明，初始阶段形成的宽度较宽的孤子，其宽度随时间单调递减到一个最小值直至稳态孤子的形成；在相同的演化时间内，孤子的半峰全宽随着孤子峰值强度和暗辐射比值的增大而变小。暗和灰孤子有类似的时间演化特性。

基于探测器的测量原理，并针对卡塞格林光学系统的不足，分析了一种新型气体切伦科夫探测器的光学结构。该探测器采用3片90°离轴抛物镜和1片平面反射镜组成的离轴光学系统以减少对光线的阻挡，并将探测窗口置于光学系统的出瞳以提高光收集效率。分析了光学系统的光束限制和光线追迹结果。设计了探测器的集成结构，从提高探测器效率和减少信号干扰等角度分析了探测器的关键设计和制造要求。

液晶可调谐滤光片（LCTF）是多光谱成像中一种高效的分光元件，但其物理尺寸超出了一般商业镜头的法兰距，很难直接与商业镜头及工业相机结合进行多光谱成像。设计了一种工作在单位放大率下的中继成像系统，用以适应它们的接口关系。其工作波段为400~720 nm，工作F数为4.5，利用完全对称的结构，自动校正彗差、畸变和垂轴色差，设计结果满足多光谱成像的使用要求。该系统结构紧凑，生产成本低，适用于液晶可调谐滤光片型便携式多光谱成像仪的模块化设计。

提出了一种基于非球面固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理，推导出非球面校正元件的像散表达式，在此基础上，以消像散和正弦条件作为非球面校正元件像差评价参数，采用最小二乘法拟合出满足消像散及彗差的非球面面形方程。并建立以泽尼克(Zernike)多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数，克服了采用传统光学设计方法设计椭球形窗口光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题。成像光学系统设计时通过比对不同材料匹配实现了光学系统的无热化。给出了完整的椭球形窗口光学系统的设计，设计结果表明，系统的调制传递函数在整个扫描视场范围内接近衍射极限。

充分考虑鱼眼相机应用的空间环境特点，设计了一款基于1/3 inch(1 inch=25.4 mm)CCD的航天鱼眼相机光学系统，系统焦距2.1 mm，F数为4，视场角为210°，工作温度-40 ℃-+60 ℃。重点研究了环境因素对鱼眼相机光学系统成像质量的影响，分别从抗空间带电粒子、抗紫外辐照、温度和气压适应性方面进行了分析和研究，给出了相应的解决思路和方法。相机在严峻的空间环境下具有良好的环境适应性，为在轨获得超广角空域信息提供了保证。

大视场星敏感器光学系统，由于畸变量较大，在轨标定过程中，直接采用最小二乘最优估计(LMS)或扩展卡尔曼滤波方法(EKF)无法精确求解其标定参数。在深入分析星敏感器测量误差因素的基础上，对考虑畸变和不考虑畸变两种情况的在轨标定结果进行了仿真对比；指出了标定焦距之前需先标定光学畸变的必要性，并介绍了4种可用于在轨校正光学畸变的方法；提出先标定主点偏差，再标定光学畸变参数，最后标定焦距的标定方法。仿真结果表明，可以采用像面旋转法求取主点偏差，利用高阶多项式方法求取光学畸变参数，畸变校正后，采用LMS和EKF标定算法估计焦距，标定精度达到了3.1 μm和2.2 μm。对100幅模拟星图处理后，星间角距统计偏差约为传统在轨标定方法的1/10~1/8。

利用时域有限差分方法，对非线性光学聚合物SU-8环氧树脂在激光作用下，其折射率会升高的过程进行了数值模拟与分析，得到SU-8薄膜与激光作用一定时间之后，其内部折射率的分布。分别对表面是平面及表面带有微透镜的SU-8薄膜进行了模拟。结果表明，利用折射率升高引起的自聚焦效应，可以在SU-8薄膜内自写入波导；写入的波导以自聚焦焦点为分界点，分为锥形波导和柱形波导。写入的波导长度随着与激光作用时间的增加而增长；在与激光相同的作用时间里，表面带有微透镜的SU-8薄膜，与表面是平面的SU-8薄膜相比，锥形波导的旁瓣更收敛，写入的波导长度更长；在微透镜底面半径保持不变以及曝光时间一定时，微透镜冠高与底面半径比例为0.08时比比例为0.24时写入的波导长度要长12.2%，其中锥形波导部分要长19.2%。

为得到高矩形度、低旁瓣、电光调谐逆向可导及通带带宽可调的电光可调谐滤波器，在x切y传的钛扩散铌酸锂（TiLiNbO3）波导上，对周期性分布的N级叉指电极组提供分立电压V，产生周期性电场，实现似TE模与似TM模的偏振转换，进而实现滤波功能。该结构构成有限脉冲响应（FIR）网络，网络传输矩阵H(z)与电压V具有一一对应关系。利用z变换原理，运用待定系数法求解H(z)，从而推导所需电压值V，实现了电光调谐逆向可导。加入不同电压，可以实现自由光谱范围（FSR）内不同通带宽度的可调谐滤波特性。通过仿真验证，该算法是可行的。当N为17时，边模抑制比（SMSR）可达到25 dB。并且滤波曲线的矩形度随着叉指电极组级联级数N的增大而增大。

从平面电介质金属薄膜电介质对称结构中表面等离激元的色散方程出发，建立模型推导得到了同轴电介质金属薄膜电介质结构中表面等离激元的色散方程，在这种结构中各阶模式都发生了分裂，形成了高折射率高损耗和低折射率低损耗的两种模式，该模型为理解同轴电介质金属薄膜电介质结构表面等离激元模式的传播提供了直观的图像。用色散方程计算了0.5~1.5 μm波长范围内各阶模式的等效折射率以及传输损耗，并将该结果与有限元方法数值模拟得到的结果进行对比分析，分析表明，两者吻合得很好。并分析了计算结果以及色散方程的适用范围。

通过高分辨率电子束光刻方法制备了不同形状的三层复合材料纳米颗粒，研究了这种纳米颗粒的形状变化对消光特性的影响。测试结果表明，当入射波偏振方向平行于短轴时，随着长宽比的增大，共振峰位置发生“蓝移”；当光源偏振方向平行于长轴时，随着长宽比的增大，共振峰位置发生“红移”。还用时域有限差分算法以及表面等离波子的Lorentz模型对纳米颗粒的消光特性进行数值计算，所得的消光频谱曲线、共振峰位置变化趋势与实验基本一致。此外，还研究了主体材料层厚度对消光特性的影响，发现其厚度在20~90 nm变化时，共振峰发生3~115 nm的“蓝移”。

考虑到实际入射光强的空间分布不均匀,基于Kretschmann模型并采用角谱方法分析模拟了两束高斯光干涉诱导表面等离子激元(SPP)驻波场。与理想平面波不同，高斯光诱导的SPP干涉条纹幅值大小不等，分布复杂，这表明光强空间非均匀程度会严重地影响到曝光深度的分布。还分析了金属薄膜的厚度、损耗以及光刻胶的介电常数对SPP驻波场的影响，并得出不恰当的金属板厚和细微损耗都会极大削弱SPP驻波场，而如果光刻胶的介电常数过大则有可能产生不了表面等离子体共振的结论。

有限光束矢量特性可以由全局化的特征单位矢量和广义琼斯矢量完整地描述，特征单位矢量平行于传播轴的光束为柱矢量光束。通过这种表示理论描述了在近轴近似条件下柱矢量光束的透射情况。在透射过程中光束的特征单位矢量发生了变化，透射光束的特征单位矢量既不平行于传播轴，也不垂直于传播轴。特征单位矢量的变化导致光束产生了一个与入射面垂直的横向位移，同时这个横向位移和光束的偏振椭圆率有关，不同圆偏振态（左旋和右旋）的透射光束所产生的横向位移的方向相反。这一结果和近年来在实验中检测到的均匀偏振光束的自旋霍尔效应类似，表明柱矢量光束在透射过程后也会产生光的自旋霍尔效应。

光纤中基于三阶(克尔)非线性效应的自发四波混频是制备量子关联光子对的有效方法之一。若采用商售高非线性光纤作为产生光子对的非线性介质，则有利于减小所需光纤的长度，从而缩小实验装置体积并降低对于抽运源的要求。利用脉冲光抽运20 m的高非线性光纤产生通讯波段的频率近简并关联光子对，研究了光纤的弱双折射特性对于光子对产生的影响。当抽运光沿高非线性光纤的偏振轴入射时，具有最大的光子对产生效率，且光子对绝大部分与抽运光偏振平行；抽运光沿与光纤偏振轴45°入射时，光子对的产生效率最小，约为最大值的80%。

目标漫反射产生的激光回波散斑效应严重影响合成孔径激光成像雷达（SAIL）的成像质量。在体系结构上提出了抑制散斑效应的系统性解决方案，建立了SAIL结构和工作模式设计的理论基础。研究了SAIL中与目标分辨单元尺寸、啁啾波长变化、目标相关性质和接收面光强随机分布有关的散斑统计特性。定义了SAIL光学接收天线的散斑孔径积分场复相干函数，它是天线孔径相关函数和目标分辨单元相关因子的卷积，其宽度就是可实现的孔径合成长度，给出了实现较大的孔径合成长度的发射口径、接收口径和实际孔径合成长度的设计原则，发现和分析了由啁啾散斑移动产生的拍频信号波动。最后建议采用滑动聚束模式来有效使用散斑效应造成较短的孔径合成尺度，因为其光束扫描宽度对SAIL移动距离有放大作用。同时也提出了具有多发射机/多接收机的多通道结构以提高回波散斑光场的探测率。

为了研究使用联合变换相关器(JTC)测量空间相机的亚像元像移时CCD离焦对像移测量精度的影响，基于菲涅耳衍射理论，推导了离焦引起的二次相位因子。分别通过计算机仿真和实验，研究了对JTC使用功率谱相减并以0值为门限二值化的处理方法时，离焦对像移测量精度的影响程度。结果表明，当离焦量小于透镜焦距的5%时，由此引起的像移测量误差不大于10%，具有较好的稳健性；继续增加离焦量，则像移测量误差会呈非线性显著增加。研究结果为解决空间相机像移的在轨准确测量问题提供了有益的探索和参考。

为了研究涂层与基底间的极化光散射，应用一阶矢量衍射理论推导出基底极化双向反射分布函数(PBRDF)。将理论分析结果与实验数据比较并数值模拟分析了在相关和非相关模型下，SiO2和TiO2涂层厚度对PBRDF的影响。考察了不同折射率对基底PBRDF的影响。结果表明随着SiO2涂层厚度的增加，相关和非相关模型下的PBRDF逐渐靠近同时逐渐和裸基底重合，即能逐渐复现基底的粗糙度轮廓；随着TiO2涂层厚度的增加，PBRDF逐渐变大，即TiO2涂层对基底有较好的平滑作用。折射率的实部和虚部对PBRDF的影响相反。因此通过对不同涂层PBRDF进行测量和计算可以反演出基底的光学信息。

基于通用的矢量电位和标量电位与介电常数张量无关的原理，由激发的电偶极子与位函数的关系得到了任意各向异性目标散射场的表达式。得到了通用的介电常数张量的变换关系，具体地给出了介电常数张量在球坐标系中的表达式，将目标的内外电场展为级数，得到了各向异性晶体圆锥体一级散射场的解析表达式。理论结果与文献一致，验证了算法的正确性。在光波波长与粒子尺寸相近的情况下，对所得结果进行了仿真，表明各向异性圆锥体的散射具有偶极辐射的特点。所得结果简单、通用，为研究形状更为复杂的各向异性目标、纳米粒子等的光散射研究提供了理论基础。

激光自混频技术可用于纳米颗粒和纳米流体的探测。在纳米流体自混频信号自相关函数的基础上，理论推导了功率谱函数的表达式。结果表明，纳米流体的激光自混频信号功率谱是洛伦兹线型和高斯线型的卷积，即佛赫特(Voigt)线型。通过数值计算研究了各种典型情况下激光自混频信号功率谱的频谱特征，颗粒定向运动速度决定了多普勒频移和高斯线宽，颗粒粒度决定了洛伦兹线型的宽度，颗粒粒度和速度与功率谱之间的对应关系为纳米流体的测量提供了理论基础。

为验证近红外光谱测量全血中胆固醇和甘油三酯的可行性，采用近红外透射光谱结合化学计量学方法建立胆固醇和甘油三酯定量分析模型。获取全血在近红外全波段800~2500 nm范围的透射光谱后，通过采用间隔偏最小二乘法（iPLS）进行特征波段的选择实现对分析模型的优化。经优化后的胆固醇、甘油三酯分析模型的特征吸收波段分别为1650~1730 nm和2260~2340 nm，预测相关系数分别为0.79和0.865，预测均方根误差分别为0.5 mol/kL和0.28 mol/kL。研究结果表明近红外光谱技术可用于测量全血胆固醇、甘油三酯的含量，运用间隔偏最小二乘法可确定特征吸收波段和优化分析模型。

使用单脉冲和再加热双脉冲激光对位于空气中的钢样进行烧蚀激发等离子体，对两种方式产生的光谱进行研究。再加热双脉冲激光诱导击穿光谱采用两束激光，一束烧蚀样品激发等离子体，另外一束激光对产生的等离子进行加热。通过对比发现：采用再加热双脉冲激发样品，增强了发射光谱的信号，增大了等离子体的连续光谱，提高了信号的稳定性，十次测量信号的相对标准偏差从5.0%降低到2.0%。另外，还对影响双脉冲信号增强程度的因素进行了分析，研究了光谱的增强程度随两脉冲间隔和采集延时的变化；激发上能级对光谱增强程度的影响,上能级越高增强程度越大。

以乙醇钽[Ta(OC2H5)5]和水蒸气为前驱体，采用原子层沉积（ALD）方法分别在基板温度为250 ℃和300 ℃的K9和石英衬底上制备了Ta2O5光学薄膜。采用分光光度计、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等手段对薄膜的光学特性、微结构和表面形貌进行了研究。结果表明，用ALD方法制备的Ta2O5薄膜在刚沉积和350 ℃退火后均为无定形结构，而250 ℃温度下沉积的薄膜其表面粗糙度低，聚集密度很高，光学均匀性优，在中紫外到近红外均表现出很好的光学特性，可以作为高折射率材料很好地应用于光学薄膜中。

理论分析了基于相位光栅分数塔尔博特效应的X射线相衬显微成像原理，采用菲涅耳衍射公式推导出相位光栅在两个不同距离处的成像结果公式。然后建立一个水合蛋白质细胞模型，对成像系统进行了参数设计，得出1~2 keV的中能波段X射线是兼顾大景深和高成像衬度的最优选择。针对10 μm厚的细胞模型，选取1.5 keV的中能X射线做模拟计算，采用多步相移法从模拟条纹图中恢复出了细胞模型的相位信息。模拟结果表明在相同信噪比下采用中能X射线得到的相衬图像比吸收图像具有更好的衬度和细节分辨率，为今后相关的实验奠定了基础。

基于X射线几何衍射的晶层模型，编写了用于柱面弯曲劳厄晶体的光线追迹软件。程序主体用C语言编写，在VC++环境下运行。利用程序分别对衍射光方向和能量带宽两方面不同的项目进行追迹，通过模拟结果与理论计算和实验结果的对比，显示出很好的一致性，从而验证了程序在追迹衍射光衍射方向变化和能量变化方面的正确性。利用该光线追迹软件，追迹得到衍射光的光路(即任意位置处光斑的大小和空间分布)以及衍射光能量带宽，通过对追迹结果的分析研究，得到劳厄弯晶聚焦、准直和色散等光学特性。