建立系统的计算流体成像(CFI)技术，并论证其为流动数值模拟与风洞实验相互佐证的重要手段。采用纯数值模拟技术重构得到流场计算阴影、纹影以及干涉图，主要技术包括复杂湍流模拟技术、三线性插值技术和流动图像重构技术等。同时将CFI技术应用于激波管内绕障碍物三维复杂流动计算图像重构，并与双向全息实验结果进行了比较分析。研究证明该CFI技术可以用于复杂几何边界、分区域、非定常流动图像重构，不仅能够为流场结构特征分析提供重要参考依据，而且能够用于数值模拟与风洞实验结果的比较印证。

后向散射系数是遥感传感器获取水体信息的来源，也是生物光学模型的重要输入参数。利用太湖春季和秋季实测数据，在生物光学模型的基础上结合光学闭合原理模拟了太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数，进而分析了其光谱特性及颗粒物后向散射概率的时空变化。结果表明，太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数与总悬浮物、无机悬浮物浓度均具有较高的相关性，而与有机悬浮物浓度的相关性则相对较低，颗粒物后向散射系数随波长变化指数n在太湖春季水体中的变化范围为0.66~1.84，平均值为1.29±0.25，而在太湖秋季水体中的变化范围为0.67~2.40，平均值为1.24±0.34；太湖春季水体颗粒物平均后向散射概率为0.030，而太湖秋季水体颗粒物平均后向散射概率为0.031，且无论是太湖春季水体还是太湖秋季水体，其颗粒物后向散射概率的波长依赖性均较弱。模拟吸收系数与实测吸收系数吻合较好，总体的平均相对误差均在18%以内。

采用复高斯展开法和维格纳分布函数(WDF)，推导出了截断光束的二阶矩矩阵通过大气湍流的传输公式。研究表明，将硬边光阑的复高斯展开函数引入z=0平面处的WDF中，能够避免截断光束二阶矩的积分发散问题，得到z=0平面处二阶矩的解析结果，并且保证了精度，从而方便地得到截断光束在大气湍流中传输的二阶矩矩阵。实验所得到的结果具有一般性，即无截断光束的二阶矩矩阵通过大气湍流传输和截断光束的二阶矩矩阵在自由空间的传输都可以分别作为特例给出。

基于Monin-Obukhov相似理论实现了用常规气象参数估算近地面光学湍流强度C2n的两种方法。主要输入的参数是两个高度上的气温、相对湿度和风速参量，并将结果与实际测量的C2n值进行了比较。两高度温差ΔT是模式中最敏感的参数，避免使用难以准确测量的下垫面粗糙度、地表面/海表面层上温湿度等参量作为输入参数，使将来采用各气象台站测量的常规气象参数历史数据估算湍流强度成为可能。

利用扩展惠更斯菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析，获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式，并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明，积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题，可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器(SH-WFS)子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键，通常采用相关算法来实现，并通过抛物线插值达到亚像元精度。子图像间的相对偏移量计算也可采用频域相移量估算的方法进行计算，频域算法还可通过迭代进一步提高算法精度。对频域迭代算法进行了理论分析、仿真和实验研究，结果表明，频域迭代算法在信噪比高于41时，具有比抛物线插值法更高的计算精度；在信噪比较低时，与抛物线插值法精度相近。

提出了一种用相位差异(PD)技术对自适应光学(AO)系统的非共光路静态像差进行校准的方法。相位差异技术通过采集焦面和离焦面的单帧或多帧短曝光图像来估算波前相位畸变，同时对目标图像进行恢复。在闭环工作条件下，自适应光学系统利用相位差异算法在线检测成像光路的静态像差，并将得到的像差系数转化为变形镜的初始化面形，从而补偿非共光路的静态像差。实验结果表明，校准后的成像质量显著提高，目标半峰全宽降低了约14%，系统残差降低了约72%。成像光路在线检测得到的系统残差与闭环回路实测残差的水平趋于一致，证实了相位差异技术应用于光学检测的能力。该方法具有在无需改变原有自适应光路以及高信噪比条件下便可精确解算系统像差的优点，是大口径光电成像系统较为理想的光学检测技术之一。

锶原子单态和三重态间的互组跃迁(5s2)1S0-(5s5p)3P1辐射率远小于一般的电偶极跃迁，共振跃迁荧光信号微弱。介绍了一种应用于探测该互组跃迁荧光谱的直流偏置探测器。该探测器选用极低输入偏置电流运算放大器作为前置放大，具有信噪比高、增益高、偏置可调等优点。此探测器探测增益为106 V/W量级，-3 dB带宽为1 MHz。实验中利用该探测器对锶原子互组跃迁(5s2)1S0-(5s5p)3P1微弱共振荧光进行探测，获得信噪比很好的共振荧光谱，且无直流偏置，并由此获得高信噪比的鉴频曲线。应用该探测器观测到了饱和荧光谱线以及对应的鉴频曲线，可用于689 nm激光锁频，应用于锶光钟系统。

采用一个极紫外投影光刻掩模衍射简化模型实现了三维接触孔掩模衍射场的快速仿真计算。基于该模型，得到了接触孔掩模衍射场分布的解析表达式，并对光刻成像时的图形位置偏移现象进行了解释和分析。简化模型中，掩模包括吸收层和多层膜两部分结构，吸收层的透射利用薄掩模修正模型进行计算，多层膜的反射近似为镜面反射。以周期44 nm、特征尺寸分别为16 nm和22 nm的方形接触孔为例，入射光方向发生变化时，该简化模型与严格仿真相比，图形特征尺寸误差小于0.4 nm，计算速度提高了近100倍。此外，考虑到多层膜镜面位置对图形位置偏移量的影响，得到了图形位置偏移量的计算公式，其计算结果也与严格仿真相一致。

光栅衍射波像差作为全息光栅重要的技术指标之一，直接影响光栅分辨率，其中曝光光学系统的调节误差是引起光栅衍射波像差的主要因素。采用q参数讨论了高斯光束在光栅曝光光学系统中的传播和变换，通过计算高斯光束经准直系统后的相位给出了叠栅条纹相位分布的解析表达式，由此系统分析了曝光系统调节误差与光栅衍射波像差的关系。理论分析结果表明：左右曝光光路准直系统的相对离焦对光栅衍射波像差的影响最为显著；相对离焦量相同时，光栅衍射波像差随曝光系统焦距的减小而逐渐增大；理论模拟的条纹分布与实验中获得的叠栅条纹能够很好吻合。

相比较于液晶空间光调制器，数字微镜晶片（DMD）具有开关速度快、显示精度高、偏振不相关、衍射效率高和宽带调制等优势。研究利用DMD的衍射效应作为波长选择器，将其应用于可调谐光纤激光器中，理论推导这种二维DMD光栅的衍射效率与入射光角度，像素间距等物理量之间的定量关系，重点讨论了两种不同像素间距的0.7″和0.55″DMD在单像素因子和多像素干涉共同作用下的衍射级数和强度分布。研究结果表明：0.7″DMD在光强不显著为零且满足实验约束条件下，允许出现4个干涉极大值，但由于极大值位置均远离闪耀条件，因此光强相对较弱。0.55″DMD仅出现1个干涉极大值，且接近闪耀条件，因此光强和效率均明显高于0.7″DMD的情况。由此可见，在可调谐光纤激光器中，利用0.55″DMD光栅作为波长选择器更有利于减小衍射损耗，提高系统稳定性。

提出了一种计算螺旋型波带片聚焦特性的方法。从衍射积分理论出发对螺旋型波带片的聚集特性进行了理论计算，推导出了级数形式的解析解，获得了螺旋型波带片“空心”焦点的场强分布。利用螺旋型波带片的聚焦特性，对其成像进行了数值模拟和理论分析。理论分析表明螺旋型波带片的空间分辨率与其“空心”焦点的环宽有关。通过验证实验证明理论分析与实验测试一致，为螺旋型波带片成像理论和模拟计算提供了一种有效手段。

介绍了一种基于光纤微加工的氢气传感技术方案。利用波长为800 nm的飞秒激光脉冲在普通单模光纤上加工马赫曾德尔（M-Z）干涉腔，并采用磁控溅射方法在加工后的M-Z干涉微腔上溅射钯（Pd）膜，制备了一种新型的光纤氢气传感器。分析了加工工艺对微腔干涉效果的影响，选择合适的加工参数以及加工后对微腔进行后续处理，可使微腔的透射光谱的分辨率得到提高。实验研究了腔长为40 μm的M-Z干涉传感器分别镀36 nm、110 nm Pd膜后，对氢气的响应。结果表明，在不同的氢气浓度下，镀Pd膜的M-Z干涉传感器都表现出对氢气的敏感特性，随着氢气浓度的增大，透射光谱会向长波长方向偏移，其中Pd膜厚度为110 nm比厚度为36 nm的传感器对氢气有更好的灵敏度。

自发辐射(ASE)是掺铒光纤放大器(EDFA)的重要噪声源，对于由EDFA构成的光纤激光器有重要影响。理论与实践证明，它与抽运方式紧密相关，所以研究脉冲抽运时掺铒光纤(EDF)的自发辐射有重要的学术价值。同时，脉冲抽运对于EDFA锁模激光器的研究也有一定意义。从理论和实验两方面研究了小信号脉冲抽运时，抽运脉冲宽度和幅度对于EDF的自发辐射特性的影响，得到了小信号抽运时输出ASE噪声平均值的近似解析解。研究发现，小信号脉冲抽运时输出信号的幅度与抽运脉冲的宽度成正比。这个新现象可用于脉冲宽度的全光检测。

理论分析了保偏光纤双折射效应，应用有限元法建立了保偏光纤的三维模型，得到了其横截面上的应力分布及归一化的双折射参数。选择3种全光纤构成的纯光学系统进行对比拍长测试实验，实验结果和理论模型计算结果十分吻合，并对比研究了几种测试方法的优缺点。选定一种光路结构简单有效的双折射测试系统，对高双折射光子晶体光纤进行测试，测得了其归一化的双折射参数，并计算得其拍长约为1.2 mm。研究结果对不同复杂结构保偏光纤的建模理论分析和拍长性能测试及高双折射光子晶体光纤设计制作后的性能测试有一定的实用价值。

马赫曾德尔调制器的非线性会严重恶化星上微波光子系统的性能。建立了包括光源、马赫曾德尔调制器和光电探测器的双音调制理论模型，利用傅里叶级数展开、傅里叶变换和Gegenbauer加法定理，推导出了调制器非线性失真的严格通用解析解。根据该解析解，可精确地预计不同调制方式下星上微波光子系统的非线性失真，优化系统性能。分析结果表明，双边带和单边带调制条件下，将调制器输出信号保留至二次谐波能较好地近似计算三阶交调失真比和三阶交调截点，三阶交调失真比随调制系数的增大先增大后减小。当调制系数小于1.4674时，单边带调制三阶交调失真比至少比双边带调制小6 dB，适合于星上微波光子系统的应用。

为实现对相位物体的无损检测和成像，克服数字同轴全息相位物体成像技术在消除零级像和孪生像的干扰时存在的系列问题，提出一种基于Stokes参量的新的数字同轴全息技术。该方法区别于传统的利用干涉光场来记录原始像项的数字全息方法，通过测量物参光合成光束的Stokes参量来分别得到这两束光的振幅和相位差，从而准确、唯一地获得原始像项；再利用数字再现即可重构物光的振幅和相位信息。实验中对弱吸收的相位样品进行了测量，得到样品清晰的振幅和相位分布。结果表明，采用该方法对相位物体进行数字全息再现，可以克服传统同轴全息图中零级像和共轭像对相位物体信息的严重干扰，对于提取相位物体的振幅和相位信息是可行和有效的。

红外显微成像技术将红外光谱技术和显微技术相结合，不仅可以提供测试样品的光谱信息而且能够提供测试样品的空间分布信息。然而复杂样品的红外显微图像谱峰重叠严重，无法直接获得目标组分的分布信息。将因子分析与光谱分离技术相结合提出了主成分分析－二阶导数光谱成像方法。通过兔子动脉红外显微图像中胆固醇分布的成像实验，验证该方法的可行性和有效性。实验结果表明，该方法可以提高光谱分辨率，挖掘隐藏于重叠谱峰中的有用信息，是一种有效的红外显微图像分析方法。

为了验证简易高斯灰度扩散模型的适用性，与传统高斯灰度扩散模型进行了对比分析。将两种高斯模型做归一化处理，设定检验像素，分析检验像元灰度的归一化值的相对误差；进行星图模拟，得到4个不同高斯半径(σ)下灰度赋值相对误差与像点映射位置偏离值的关系曲线，整体上误差随σ的增大而减小；对星图模拟得到的系列星像点采用灰度重心法提取质心，质心误差随σ增大而减小，传统模型模拟像点的质心提取精度比简易模型高约2个数量级。无噪声条件下σ＝0.671时，简易模型模拟像点最大质心误差仅为0.033 pixel。仿真结果表明：单就像点外形仿真而言，当σ较小时，简易模型不再适用；但针对像点的质心定位及后续算法，简易模型带来质心误差量级可以忽略，运算量更小，适于应用。

主动像元型(APS)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像性能已经接近电荷耦合器件(CCD)的成像性能，在光谱成像领域有很好的应用前景。讨论了CMOS器件用于光谱探测的若干问题，建立了光谱成像系统的噪声模型并进行了实际噪声测试，分析了基于CMOS探测器的成像光谱仪的灵敏度水平；结合CMOS器件的结构和特性给出了图像的校正方法。搭建了包括光学、电子学的完整光谱成像系统，进行了光谱成像试验，验证了灵敏度分析和光谱校正方法。结果表明，CMOS探测器可以满足高光谱成像的灵敏度要求，可用于高光谱探测。

只需要一幅调制图像的光栅投影测量方法主要有傅里叶变换轮廓术(FTP)、小波变换轮廓术（WTP）等。采用基于指数尺度间隔的连续小波变换与重构方法，提取调制图像的瞬时相位。针对指数尺度间隔连续小波变换，指出了足够大的噪声能够改变小波变换脊的位置，并且该脊向上移动的概率最大。因此，为了重构载频信号，选择脊及其紧邻的较大的那个尺度所对应的小波系数，采用灰度图像阈值分割中最大类间方差法（OTSU），剔除掉幅值较小的系数；针对斑点噪声的影响，对OTSU算法的结果进行了修正；使用修正后的系数集合重构载频信号,并计算该信号的瞬时相位。理论分析和实验结果表明算法有效且具有稳健性。

提出一种将三角法测距与多频光栅相结合的方法，充分利用数字投影的RGB通道，将多频光栅与点阵同时投影在物体表面，综合控制受高度调制的相位信息的提取，最终获取物体的三维形貌。仿真结果显示，在高度跳变使高频光栅位移达102量级个周期时，可以准确还原原始形貌。通过实验验证，本方法能够同时复原169 mm的陡峭高度跳变以及3 mm的微小细节，提高了传统双频光栅的性能，具有处理较大截断面和保证细节部分的测量能力，较好地改善了傅里叶变换轮廓术(FTP)的应用性能。

超强超短脉冲激光广泛应用于粒子加速以及新型X射线辐射源产生。较长的激光脉冲上升前沿直接影响激光应用效果。等离子体薄膜靶作为新型光学介质开关，可以有效降低超强激光脉冲前沿上升时间，优化激光等离子体相互作用参数。采用一维理论分析和粒子模拟方法研究了等离子体薄膜靶实现超强激光脉冲整形的机制。研究结果表明，薄膜靶通过对激光脉冲的非线性调制，可有效实现脉宽缩短和脉冲陡化；对比单层靶调制结果，选择参数优化的双层靶，可进一步优化脉冲整形效果，获得更短脉宽和更高振幅的激光脉冲；对于峰值振幅高于薄膜靶击穿阈值的超强激光，脉冲上升前沿可得到明显陡化，薄膜靶的击穿是产生这种脉冲整形效果的直接原因。

表面等离子体激元（SPP）微腔具有很高的品质因子和极小的模式体积，在光电子器件研究方面具有重要的应用价值。采用有限元法对表面等离子体激元的金属覆盖介质微盘谐振腔进行理论模拟，研究考虑微盘底半径、介质层厚度及金属膜厚度等参数对微盘表面等离子体模的品质因子及模体积的影响。研究表明，在光通信波段1550 nm附近获得高品质因子（1000以上），极低模式体积的表面等离子体微盘。最后研究了利用优化设计的微盘进行折射率传感的应用，获得了高达300 nm/RIU的折射率传感灵敏度。

采用激光技术聚焦击穿液体产生空泡，利用高速摄像系统开展激光空泡与自由液面的相互作用的实验研究。实验研究发现，空泡与自由液面之间的无量纲距离对水下空泡的脉动特性和自由液面的水冢现象存在影响。通过大量实验总结了无量纲距离与空泡半径、空泡脉动周期、自由液面水柱的最大高度和产生水冢时间的相互关系。实验表明无量纲距离越小，空泡脉动周期越短，自由面的水冢现象越明显。同时统计出了在不同无量纲距离范围内所出现的5种不同水冢现象的规律。研究内容为空泡与自由液面相互作用的理论提供了实验依据。

为了可靠地实现点模式匹配，提出了一种基于谱图理论与几何相容性分析的点模式匹配算法。利用拉普拉斯矩阵的特征向量获得待匹配点集间谱匹配代价的表示；结合以邻近关系表示的几何相容性，定义了一种混合形式的匹配目标函数；给出了基于松弛迭代的求解算法。仿真数据和真实图像上的比较实验表明所给出的方法具有较好的精度与时间性能。

在大视场摄像机标定中，常常会出现由于场景过于单一而很难达到自标定所需要的场景约束和运动约束条件、立体标定所需要的强立体条件或者平面靶板标定所需要的绝对共面条件，如指向高空区域的摄像机标定任务就很难满足上述要求，因而大视场摄像机标定需要较为弹性的标定算法。提出一种基于无穷单应的大视场摄像机标定方法，该方法最少只需要4个非共线控制点和摄像机粗略的位置即可求解无穷单应，并且提出一种坐标变换方法以保证线性求解和优化无穷单应时的稳定性。从无穷单应中分解得到摄像机参数初始值，通过Levenberg-Marquardt(LM)优化算法最终实现摄像机的标定。在优化过程中，通过假设图像中心为主点和采用一阶径向畸变模型，相对增加了优化过程中的剩余自由度，能够实现4个像点为观测值的参数优化。相比于强立体或共面的条件，此方法所需条件很容易满足。仿真和实际实验验证了此方法的正确性和高精度，以及重复测量实验的灵活易实施。

对于大尺度运动目标的参数测量，固定相机存在着视场与空间分辨率之间的矛盾，并且当测量空中或海上目标时相机的标定也十分困难。跟踪式相机（如光电经纬仪）能解决此问题，但存在体积大、成本高和操作复杂等缺点。结合两者特点取长补短，将相机固定在二维旋转平台上，尽可能实现同心放置，组成准同心广义经纬相机进行中远场高精度测量，测量过程中转台实时跟踪目标并为相机提供外参数。此方法并没有光电经纬仪非常严格的同心同轴的安装要求。在合理假设基础上建立了经纬相机成像模型，提出了线性求解及平差优化相机参数的方法。大量仿真与实际测量验证了模型和标定方法的正确性和高精度。广义经纬相机测量系统组合巧妙、装拆和操作简单、体积小、成本低、可全视场测量且测量精度高，有广泛且重要的应用前景。

利用传输矩阵法设计了由SiO2、TiO2组成的多层膜高透射率光子晶体结构，并分析了其透射谱特性，根据等效层原理改变多层膜一维光子晶体的自身结构来提高通带内特征波长附近的透射率，获得了最佳结构参数。研究结果表明，当晶格参数为150 nm，填充比为0.346，周期数为6时，400 nm波长附近吸收带处的透射率最低也可达96.5%，并且不论是TM模式还是TE模式，入射角在0°~45°范围内仍保持高的透射率，该结构可望用于空气净化装置以提高SiO2、TiO2光催化剂的光催化效率。

通过改变一个薄电介质层的折射率来研究其对金属电介质金属光子晶体（M-D-MPhC）强透射特性的影响。采用与CMOS工艺兼容技术制作了由折射率分别为[nd（SU-8）=1.6,nd（SiO2.1N0.3）=1.6和nd（SiO0.6N1）=1.8]组成的三个正方形晶格圆孔阵列M-D-MPhC结构，利用傅里叶变换红外光谱仪测量其透射光谱。实验结果发现，金SiO2.1N0.3金结构能够获得较强的光透射增强效果和较窄的透射峰，证明了M-D-MPhC强透射特性既与中间电介质折射率大小有关，又与其材料制作工艺差异有关。采用时域有限差分（FDTD）法模拟了在相同条件下折射率分别为1.6和1.8组成的M-D-MPhC透射光谱和电场强度密度分布，模拟结果较好地符合了实验发现。

对理论聚光比为676的菲涅耳聚光系统下单片砷化镓太阳电池及由六片砷化镓电池的串联组件的输出特性进行分析。建立三结砷化镓电池输出特性的单指数数学模型，并与实验进行了对比。理论计算与实验吻合较好，误差在7.6%以内。实验结果表明，在相同理论聚光比下，单片电池系统能流聚光比为390，六片电池组件系统能流聚光比为281;聚光后单片电池的短路电流与峰值功率分别放大322倍与316倍，六片电池组件系统的短路电流与峰值功率分别放大275倍与272倍;电池表面能流密度为0.321 MW/m2时电池的输出功率达到最大，电池表面温度高于323 K将影响其工作稳定性;聚光系统的透射率每增加0.01系统效率升高约0.227%。全天累积直射辐照度为17.212 MJ/m2条件下测得单片电池全天发电量为0.015 kW·h，六片电池串联组件的全天发电量为0.076 kW·h。

漫反射光谱人体成分检测研究中，光纤探头接收漫反射光子穿透深度及传输路径对检测效率及灵敏度影响较大，而传统的检测光纤探头无法实现对特定深度漫反射光子选择性接收。针对人体成分检测需要，提出了采用一定入射接收角度及半球透镜耦合的漫反射测量光纤探头结构。在三层皮肤模型基础上，结合光纤探头形式改进Monte Carlo程序，计算光纤探头接收漫反射光子穿透深度，有效光子比例，有效信息载荷以及真皮层检测灵敏度。结果表明，设计的光纤探头可实现真皮层漫反射光子选择性接收，检测效率以及测量光谱受非目标层组织结构及光学参数影响较小，可有效提高人体成分无创检测灵敏度。

在离子束抛光工艺中，为了提高驻留时间求解算法在工件边缘处的求解精度，通常需要对原始面形误差数据进行边缘虚拟延展。要求原始面形误差数据与虚拟延展面光滑拼接，并在延展区域具有可控的不确定性。非均匀有理B样条(NURBS)曲面常用在机械制造领域对复杂形状物体进行三维建模。引入非均匀有理B样条曲面并结合泽尼克(Zernike)多项式拟合对一典型的圆形光学元件面形误差自由曲面数据进行延展。通过对典型面形误差曲面延展前后的等效功率谱密度曲线分析可以看出，延展后在面形误差频率大于0.05 mm-1时其面形误差改善量均大于70％;将该典型延展面应用于特定驻留时间求解算法中，使得预测加工精度的均方根值由1.18 nm改善至0.19 nm。这表明，采用非均匀有理B样条曲面延展光学元件面形误差能够获得光滑拼接的虚拟延展曲面，并能大大改善离子束抛光工艺中驻留时间算法的求解精度。

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良，广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800 nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数（MTF）的测量结果出发，结合泛卡塞格林光学系统的结构特点，分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜，提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论，分析了施密特非球面镜的面形方程，计算出最小色差条件及相应的中性带高度，进行光学设计的优化改进，取得了良好的效果。结果表明，改进后光学系统的色差由原来的31.4 μm减少为4.25 μm，且光学系统的MTF值达到0.6以上（40 lp/mm），像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。

基于两点耦合和光波干涉控制相移思想提出U型波导耦合单微环的谐振滤波器结构。利用传输矩阵法推导了此结构的数学模型，采用Matlab模拟了输出端口谱线形状。当微环与U型波导的两个耦合点之间的距离为微环周长的整数倍时，此新型微环谐振滤波器比传统的双直波导耦合单微环滤波器的自由光谱范围增加1倍。针对该结构参数，同时讨论了耦合系数对输出谱线的影响，得出当耦合系数为0.018时，输出谱线具有最佳的消光比，同时保持窄的带宽和高的品质因子。

基于LiNbO3晶体的双折射和电光效应设计制作了一种2×4的90°相移自由空间光学桥接器。该桥接器利用晶体的双折射效应进行信号光和本振光的分光/耦合，电光效应引入相位调制，在给定电场条件下实现2×4 90°空间光学桥接器的功能。对空间光学桥接器进行了实验测量和分析。实验结果表明该桥接器性能良好，相位连续可调，相位误差可通过电压调制补偿，应用于相干接收系统。

提出并研究了一种带隔热槽的马赫曾德尔干涉结构聚合物波导可调耦合器。仿真分析了热光电极作用下有、无隔热槽的耦合器波导温度分布，表明设置隔热槽可以降低热光调谐所需的功耗。研究了铝电极作用下不同上包层厚度对光传输损耗的影响，确定了上包层厚度。根据隔热槽与电极之间距离对热光调谐功耗的影响，结合隔热槽对导波光模式的影响及波导制备工艺，确定了隔热槽的位置。最终设计的带隔热槽聚合物波导可调耦合器实现1~0的分束比所需功耗为2.20 mW，是无隔热槽的47.4%。

设计并制备了一种带有电流导引结构的新型倒装AlGaInP LED。实验结果表明，在20 mA直流电流注入下，器件的电压为2.19 V，输出光功率与普通倒装器件相比提高了17.33%。通过电流导引结构，使得器件注入电流被主动引导到电极以外部分，有效增大了上电极以外部分有源区中用于发光的有效载流子数目的比例，同时减轻了电流密度过大现象，大大提高了器件的出光效率。

设计加工了一个三层结构的表面等离子体光学吸收器件，表层结构为规则排列的金质椭圆形微粒。入射电磁波与椭圆形金粒作用激发表面等离子体共振时，由于沿长短轴方向谐振频率不同，使得该器件实现了在近红外谱段两个频率处对入射光近100%的吸收。实验样品用电子束曝光技术加工，实验测量与仿真设计结果一致。此外，由于改变器件表面介质的折射率可以有效调谐器件的谐振特性，通过在器件表面覆盖一向列型液晶层并由温度控制液晶层的折射率，实现了一种温控的可调表面等离子光学吸收器件，调节过程简单可靠并且可重复实现，调节范围达22 nm。该器件由于其高吸收效率和可调谐特性，可在太阳能电池以及未来光子集成电路等方面得到重要应用。

利用热光源获得了近似贝塞尔光束。对多波长光波同时入射轴棱锥的情形进行分析和数值模拟，结果显示轴棱锥后会形成近似贝塞尔光束，但受光场非相干叠加的影响截面光强对比度降低。实验采用卤素灯杯作为产生贝塞尔光束的热光源，针对热光源相干性差的特点设计出一套光学系统，提高光波的空间相干性，再使光波平行透过轴棱锥得到了近似贝塞尔光束。将实验结果与数值计算对比，发现实验所得贝塞尔光束的特性与理论基本吻合，但最大无衍射距离较理论计算所得的短，并对此进行了分析。

采用平面波展开法，研究了二维光子晶体点群对称对不可约布里渊区的影响。在单柱体二维光子晶体单胞中增加一个柱体，设计成不同点群对称操作数的对称结构，计算了最低5条能带的本征频率值在第一布里渊区的分布图。结果表明：在计算二维光子晶体的能带结构时，如果光子晶体的点群对称操作数为n，所取的不可约布里渊区应为整个第一布里渊区的1/n。

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法，建立了描述光束在空气棱镜界面反射的自旋堆积模型，揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现，当入射角小于布儒斯特角时，随着入射偏振角的逐渐增大，自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时，自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明，在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下，可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。

研究设计了一个有效的可扩展的二维刻槽离子芯片。为了减少激光在离子芯片表面的散射，使被囚禁离子更加稳定，并使激光容易控制和探测成行的被囚禁离子，在每两个平行的射频电极中间刻槽使冷却光和探测光路径可穿过芯片。把控制离子运动的直流电极跟射频电极分开，减轻了不同电压对被囚禁离子的干扰，改进了对离子的控制。用有限元分析的方法对芯片表面上方的电势分布做了计算模拟。模拟结果表明，在这种新型的刻槽可扩展芯片上可以生成一个可扩展的离子阱阵列。这种结构提供了一个新颖的刻槽二维平面离子芯片，被囚禁其上的线形离子阵列可用来进行大型的量子信息处理。

利用光纤光谱仪、扫描电镜及理论模拟软件对翡翠贻贝珍珠层的彩虹色及微结构进行系统的研究。结果表明，珍珠层具有由文石板片与有机质交替排列形成的典型的一维光子晶体结构；其中文石板片的厚度从生长区的392 nm逐渐增大到壳中区的537 nm，导致反射光谱中同级别光子带隙出现明显的红移现象；珍珠层彩虹色的主波长从480 nm（蓝色）增大到527 nm（绿色）。反射光谱测定及理论模拟表明，该珍珠层的2~4级光子带隙位于紫外区、蓝色和红色范围，从而导致珍珠层具有复杂的彩虹色。

基于X射线衍射仪运行的稳定性和角度的精密控制能力，以平面季戊四醇(PET)晶体为样品，对晶体的积分衍射效率标定方法进行了实验研究。实验的光源是Cu靶X射线管，通过适当选取镍滤片和精细控制管电压，极大地抑制了Kβ线谱和韧致辐射，实现了Kα线能量单色化。正比计数器前端的狭缝是0.05 mm，采用0.001°的步进角度对源强和Kα线衍射峰分别进行扫描。数据处理后得出在Cu的Kα线能点(8047.823 eV)处，该平面PET晶体的积分衍射效率是(1.759±0.002)×10-4 rad。实验结果表明该方法可以在实验室条件下快速、方便地完成平面晶体积分衍射效率的标定。

探讨亚微米掺铝氧化锌（AZO）光栅的漫透射光谱特性。在AZO薄膜上涂布光刻胶，用325 nm激光双光束干涉曝光得到掩模图案。将其置于质量分数为0.5%的稀盐酸溶液中湿法刻蚀，制备出周期(780~1280 nm)和高度（60~300 nm）能独立调控的AZO一维光栅。正入射双向透射分布函数（BTDF）测试结果表明，400~900 nm波段内平均镜面透射率随光栅周期增大而降低，与紫外可见分光光度计测得的结果吻合；同时，周期越大被衍射到30°~80°范围内的漫透射比重和漫透射峰值均越大，而峰位角越小。根据光栅方程对实验结果给出了合理的解释。

制备了两种烷基取代喹吖啶酮衍生物C6DHQA和C16DMQA的X型Langmuir-Blodgett(LB)膜，采用紫外可见吸收、稳态荧光和时间分辨荧光的方法研究其溶液及LB的光学特性。研究结果表明，C16DMQA比C6DHQA的吸收谱整体红移，说明烷基链加长减小了分子的能级间隔；两者LB膜的吸收谱较溶液整体红移，说明在LB膜中形成了“J-聚集体”。两种材料的溶液及LB膜都有较强的荧光发射，溶液的荧光谱与吸收谱有很好的镜像对称关系，形成LB膜后，镜像对称关系被打破，两者第三个荧光峰相对强度差别很大。C6DHQA溶液中的荧光寿命为21 ns左右，C16DMQA溶液中的荧光寿命为22 ns左右，形成LB膜后，荧光寿命明显较少，两者第三个荧光峰对应的荧光寿命差别较大。其原因应归于C16DMQA分子在基板上的排列更密，分子间的相互作用力强，从而对能级结构的影响更大。

采用等离子体增强化学气相沉积技术，通过改变CO2流量制备了不同氧含量的非晶氧化硅薄膜。利用紫外可见吸收谱、傅里叶红外吸收谱和稳态/瞬态光致发光谱等技术研究了薄膜的微观结构和光学特性。实验结果表明，随着氧含量的增加，薄膜的带隙增大，光致发光强度增加、峰值朝高能方向移动、光谱半峰全宽展宽。时间分辨光谱显示薄膜发光峰值处的衰减时间随氧含量的增加从6.2 ns单调增加到21 ns，而同一样品的发光寿命随发射波长能量增加而减小。综合分析光学吸收、发射及发光衰减特性表明，薄膜的发光机制主要归结为非晶材料带尾态之间的辐射复合。

为研究CIECAM02三种环境参数(dark, dim, average)在三种相应照明环境下的跨媒体颜色复现性能，基于记忆匹配和成对比较的心理物理学实验方法,在灯箱照明打印样本与Dark, Dim, Average三种不同环境照明条件下液晶显示器显示色样之间进行了跨媒体颜色复现实验。实验数据分析表明，采用dim环境参数在三种照明条件下都能达到较优的颜色复现性能，而dark和average参数性能与测试颜色的明度和彩度存在一定相关性，较暗色样在Dark条件下采用dark参数设置复现良好，但在Average实验条件下采用average参数设置时性能很差；对于较亮色样的复现，dark与average参数设置在其相应实验条件下的颜色复现性能无显著差异。

用不同光泽纸张和不同色差等级彩色印刷样品的目视评价色差数据拟合色度椭圆，研究各均匀颜色空间在评价不同光泽度和色差样本时的表现，检验基于CIELAB，DIN99，OSA和CIECAM02共7个颜色空间的均匀性。用局部均匀性和全局均匀性因子分别检验不同颜色空间色度椭圆的椭圆度和空间中不同位置椭圆尺寸的一致性。结果表明，其他所有颜色空间的表现均优于CIELAB和OSA颜色空间，OSA-Gp-Eu和DIN99d颜色空间在评价印刷品颜色差异的表现上较为接近，同时优于其他的颜色空间。