研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜，采用望远式显微内窥光学系统，同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现，低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用，激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先，体内的显微内窥成像光学系统，外径尺寸为8 mm，工作长度为250.3 mm，可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像；其次，采用3 mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描，摆动频率为100 Hz，实现快速共焦扫描；最后，激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接，减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证，本系统的成像视场为φ 600 μm，光学分辨率为2.2 μm，可采用手持式或者其他方式工作，进行体内组织的共焦扫描成像，实现微创、在体的荧光显微内窥术.

为了解决轴角编码器尺寸与角度分辨率之间的矛盾，同时提高编码器的响应频率，提出了一种基于线阵探测器的单圈绝对式光电轴角编码器.该编码器使用了一种新型单圈绝对式编码盘，整个码盘只有一个码道，粗码被直接刻在这个单圈的码道上，码盘图像经光学放大后被线阵探测器接收.利用FPGA控制电路将数据传送至计算机，并对数据进行译码处理，分别利用图像处理技术读取粗码和利用像素细分技术获得细码，两者相结合得到角度信息.通过该技术设计一个码盘直径为40 mm的绝对式轴角编码器，其分辨率为15位.

为了解决周视光电观瞄设备中光学消像旋齿轮传动所带来的误差大、间隙难以控制等不足,本文提出去掉光学消像旋的机械传动,将其变为无机械传动的位置控制系统.结合现代控制理论,在分析了光学消像旋位置控制系统中被控对象模型的基础上,设计以比例-积分-微分控制器为主,非线性控制为辅的融合控制算法.以单片机C8051作为控制核心,编码器作为位置传感器,光电转台方位角度作为控制信号,组成位置控制系统并进行调试、试验测试,测试结果表明其实现的光学消像旋性能优于含有机械传动的光学消像旋性能,最终实现光学消像旋高精度位置控制.

相对方形阵列波导光栅波分复用器芯片而言，采用曲线切割的复用器芯片可以成倍地增加单个晶圆上的复用器产出率，但是曲线切割复用器的中心波长更加容易受到热应力的影响，该热应力是由于封装盒与耦合到复用器芯片上的带状光纤之间的线膨胀系数差异所引起的.本文实验分析了封装热应力对复用器中心波长的影响,结果表明，封装热应力与复用器中心波长之间的变化成线性关系.即使采用比较软的硅橡胶将复用器上的带状光纤固定到封装盒上，对于热稳定封装的曲线复用器而言，当环境温度在－20~65℃之间变化时，其中心波长也会有46 pm的变化.通过在热稳定复用器封装用的加热片上贴一片高硼硅玻璃，同时将带状光纤用硅橡胶固定到高硼硅玻璃上的方法，既保证了带状光纤相对封装盒固定，又减小了它们之间线膨胀系数不一致导致的热应力.实验结果表明，在－20到65 ℃温度范围内，这种复用器模块的中心波长高低温变化典型值小于5 pm，而且光纤所受的应力典型值小于0.029 MPa.

通过K-Na离子交换技术制备了多模玻璃平面波导.采用棱镜耦合技术测量了波导的有效折射率，用IWKB方法拟合得到K-Na离子交换波导的折射率分布符合高斯分布，由色散曲线得到单模波导的制备条件（即扩散深度范围），从而得出单模波导的离子交换时间范围，制备出单模波导，并通过求解WKB色散方程得出单模波导的表面折射率.用普通数码相机，通过对离子交换平面玻璃光波导传输线进行数字成像，根据传输线上的光强分布拟合出光强传输衰减曲线，计算出单模波导的传输损耗大约为0.4 dB/cm.

报道了由两个N×N三维多模干涉耦合器和一段阵列相移波导组成的三维光开关.首先利用导模传输法分析了三维多模干涉耦合器的一般成像原理，并推导出了其成像位置以及相位矩阵.在此基础上，通过场传输矩阵法建立了光开关的传输方程.利用该传输方程计算得到了光开关工作时，阵列相移波导的相位条件，并通过三维有限差分光束传输法进行仿真验证，给出了光开关工作时的插损、串扰指标，以及光开关输出功率随相移波导相位变化的关系.

利用表面等离子激元的新颖特性，设计了二维间隙表面等离子波导.以这种结构为基础通过变形和组合形成90°直角弯曲波导、T型光功率分配器和光开光，采用时域有限差分法研究了它们的传输特性.结果表明：不同于介质光波导的弯曲损耗来自于辐射泄漏，90°直角弯曲间隙表面等离子波导的能量损耗主要来自于金属中的欧姆热损耗.在间隙达到40 nm以上后，当直行段的长度适当时，弯曲段的透射率较相同长度的直波导的透射率要大.T型光功率分配器在两输出波导的间隙宽度比达到0.6及以上时，不同于传统介质波导的分光原则，能量主要沿等效折射率较小的输出臂流出.当两输入光的相位反相时，T型光开关处于输出截止的状态，当两输入光的相位同相时，T型光开关处于输出导通的状态.所有波导间隙均小于衍射极限，实现了超衍射极限传播，可用于未来了超大规模集成光路中.

针对Z切割铌酸锂晶体在中心波长为800 nm、重复频率为76 MHz的飞秒脉冲激光下，利用放大倍数为40、数值孔径为0.65的会聚透镜聚焦，研究了扫描速度和扫描次数的变化对刻写光波导结构的影响，分析了波导结构变化的原因，并测试了1×2光波导功分器的通光性能.实验结果表明：在采用横向扫描、聚焦深度为350～400 μm、扫描速度为100 μm/s和激光功率为250 mW时，获得较理想的铌酸锂光波导，1×2光波导功分器的输出功率分布基本达到均分.

旋波近似条件下，运用全量子理论研究了与双模相干光场依赖强度耦合多光子通道中原子比特周期量子回声的产生和控制. 采用数值计算的方法，讨论了双模相干光场平均光子数分布形式、分布范围及原子跃迁时吸收（或发射）的光子数k对原子比特态保真度演化的影响，获得了产生和控制原子比特周期量子回声的系统参量；根据纠缠理论，分析了原子比特态保真度演化与原子约化熵演化的关联. 结果表明：在k=1的双光子过程中，调控光场平均光子数呈对称或不对称分布，当它的取值在一定范围内，原子比特保持良好的相干性和保真度，产生周期量子回声; 对于k≥2的多光子过程，原子比特与双模相干光场始终处于最大纠缠，因此导致了原子比特始终处于部分失真状态，不产生周期量子回声. 本研究揭示了周期量子回声产生的物理实质是原子比特与光场周期性退纠缠.

针对现有量子信息直传协议在有噪音量子信道下传输效率低及可靠性差的问题，提出了一种有效利用纠缠资源的量子安全直传通信方案.通过收发双方共享纠缠粒子作为辅助比特，采用纠缠辅助量子低密度校验码对量子态信息进行前向纠错保护，以提高系统在噪音环境下的传输可靠性.同时采用自动请求重传策略对量子态信息进行检错编码保护，当因窃听或强噪音导致译码获得的信息不正确时，则请求发端对该组信息进行编码重传操作.文中对所选用纠缠辅助量子低密度校验码在量子退极化噪音信道下的迭代译码性能进行了仿真，最后对方案的安全性进行了分析论证.

扇形滤波器在图像的方向检测中是非常重要的.本文基于极傅里叶变换和一个楔形滤波器,设计出具有任意方向的二维扇形滤波器.首先，楔形滤波器被变换到极傅里叶域，再利用极傅里叶变换的旋转特性，楔形滤波器可以通过将其极傅里叶变换沿着水平方向进行移动来实现旋转,得到一系列具有任意方向导向的扇形滤波器，它们能够检测图像中所包含的任意方向信息.由于整个设计过程不涉及二维优化，因此所提出的设计方法具有设计简单的优点.为了验证扇形滤波器的方向敏感性，将所设计的扇形滤波器应用于图像的纹理方向检测,结果表明，具有任意方向的扇形滤波器在图像纹理方向检测中具有很大的潜能.

现有场景分割方法主要依赖于图像亮度、颜色和纹理等特征，然而在雾天图像中提取这些特征将变得困难且不稳定.基于此本文提出了适用于雾天图像场景分割的特征矢量，以及相应的特征提取算法.特征矢量由目标偏振度、深度和颜色三部分组成.特征提取算法分别为：用去相关的方法从图像偏振度分离出大气偏振度和目标偏振度；根据雾天退化模型和雾天图像偏振表示形式推导出场景深度信息；利用两幅偏振图像求出非偏振彩色图像，从而得到场景的颜色信息.将这些特征构成的特征矢量用于基于图的分割算法中，并从两个方面比较了仅使用颜色特征和使用本文特征矢量的分割结果.最后得出结论：对于雾天图像而言，这些特征比通常的颜色特征更加有效和鲁棒.

本文提出一种采用非局部主成分分析的极大似然估计去噪方法.首先采用非局部主成分分析算法来计算像素邻域间的灰度值和纹理结构相似性，然后通过极大似然估计方法估计最优复原图像.本方法使用非局部主成分分析克服现有局部性去噪方法模糊边界等缺陷，引入极大似然估计方法来改进现有非局部均值的简单加权均值去噪处理,从而提高对图像细节信息的复原能力.最后分别使用本文方法、非局部均值和局部极大似然估计三种去噪方法,在不同噪音大小和不同几何纹理复杂度的图像中进行定性和定量的去噪实验.结果表明,本文方法可在保持图像细节和纹理信息的情况下有效去噪，较之现有方法效果更好.

从数学上分析了目前普遍使用的逆透视映射公式的误差,给出重新推导的逆透视映射数学公式.设计实验验证了采用本文公式进行逆透视映射的效果,并与现有两公式的效果进行了比较.实验结果表明：无论相机内外参量如何变化,本文推导出的公式其IPM变换效果均好于现有公式.在相机架设高度等参量确定的条件下,采用改进后的公式,逆透视映射变换的相对误差平均为0.85%,较现有的公式准确度有较大提高,能更好地满足智能导航和路面状况勘测等对近距离图像的逆透视映射变换应用要求.

利用短时傅里叶变换计算速度快的特点，先对瞬态位移干涉仪信号进行预处理，得到速度的轮廓范围.据此估计小波变换中尺度因子的范围，然后用连续小波变换的方法对信号再次进行处理，用此方法分析计算机模拟出的位移干涉信号，恢复的速度相对误差小于2%.对高速爆轰实验中的位移干涉信号分别采用短时傅立叶变换、小波变换和二者相结合的方式进行分析，并记录三者的计算速度.实验表明，第三种方法能准确地恢复出物体的速度历史，计算误差在系统要求的范围内.本文综合计算速度和计算误差两方面的考虑，选择了适合于瞬态位移干涉信号处理的方法.

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中，调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级，因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征，这限制了光学器件集成度的提高，严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展开方法计算了光子晶体线缺陷波导中的色散曲线.研究发现: 在色散曲线下边缘处，材料折射率的一个微小变化可以引起传输常数的较大变化，如果工作频率点选择在带下边缘附近，则可以大幅度减小相位移调制型器件调制区域的长度.本文使用时域有限差分方法进一步验证这种增强效应，计算结果表明，对于0.46%的折射率变化，光子晶体线缺陷波导中的相位调制长度仅为均匀媒质中相位移调制长度的11.7%.通过以进一步研究，这种增强效应有望应用与高密度集成光路.

利用激光干涉光刻和金纳米颗粒胶体溶液制备了宽度在100 nm以下且总面积达到平方厘米量级的金纳米线光栅结构.制备过程中，首先在表面镀有厚度约为200 nm的铟锡氧化物薄膜的面积为1 cm×1 cm的玻璃基片表面旋涂光刻胶，然后利用紫外激光干涉光刻制备光刻胶纳米光栅结构.有效控制干涉光刻过程中的曝光量、显影时间，获得小占空比的光刻胶光栅.再以光刻胶纳米光栅作为模板，旋涂金纳米颗粒胶体溶液.充分利用金纳米颗粒胶体溶液在光刻胶表面浸润性差的特点，限制旋涂后留存在光刻胶光栅槽中金纳米颗粒的数量，从而达到限制金纳米线宽度的目的.最后在250℃将样品进行退火处理5 min.获得了周期为400 nm且占空比小于1: 4的金纳米线光栅结构，其有效面积为1 cm2.以波导共振模式与粒子等离子共振模式间耦合作用为特征的光谱学响应特性验证了波导耦合金属光子晶体的成功制备,为小传感体积新型生物传感器的开发提供了性能良好的金属光子晶体芯片.

为了满足短焦投影市场的需求，利用ZEMAX光学软件开发设计出了一款适用于0.8英寸单片数字光处理投影机的短焦数字投影镜头.该镜头总长172.6 mm，全口径70 mm，采用反远距结构，由6组7片透镜组成，其中包括6片玻璃透镜和1片塑料透镜（两个偶次非球面）.镜头全视场达到80°，相对孔径为1/2.1，反远比（工作距离/焦距）为3.17∶1，投射比达到0.76∶1，在空间频率极限37 lp/mm处，0.707以内视场的调制传递函数值均大于0.6，垂轴色差小于3.5 μm，在0.5像素尺寸之内，全视场畸变低于1.1%.该镜头具有结构简单、体形小、易加工、成本低等优点.

理论分析了单层银纳米颗粒及其复合超材料的电磁特性，并采用MATLAB数值计算和CST模拟对理论进行了验证.结果显示: 4.75 nm银颗粒所形成的单层阵列的数值和模拟结果都有Lorentz共振效应出现，模拟结果相对于数值计算有红移现象，且有微弱的磁共振效应.进一步对采用4.75 nm颗粒复合而成的100 nm大颗粒模拟，结果表明: 在800~1 000 nm区间共振得到负的实有效介电常量、负的实有效磁导率和负的折射率，说明100 nm复合球形颗粒具有很强的磁共振效应，与理论分析相符.

针对非球面点衍射干涉检测中的欠采样问题，为了减小干涉条纹的密度，提出了一种基于最小反射会聚光斑半径求解最佳匹配球球心位置的方法.首先分析了获取最佳匹配球球心位置对实现非球面光学元件高准确度面形检测所起的重要作用，指出了以最小反射会聚光斑作为最佳匹配球球心位置的判断依据;然后运用光线追迹和迭代法推导了最佳匹配球球心位置的计算模型，并比较了各种非球面度定义下的最佳匹配球球心位置;最后分析了非球面参量对最佳匹配球球心位置及会聚光斑半径的影响.结果表明，基于最小会聚光斑半径求得的最佳匹配球面参量是适合非球面点衍射干涉检测模型的，并可以用于指导干涉仪的装调及后续波前重建参量的确定.

采用一种智能温度补偿电路对雪崩光电二极管的反偏电压进行温度补偿，抵消环境温度对雪崩光电二极管的影响，从而大大降低了系统的温度漂移.采用该温度补偿电路的系统可在0℃到60℃的环境温度范围内将温漂引起的测量偏差控制在±0.1℃之内.和传统的恒温装置相比，采用该温度补偿电路可有效地降低系统的功耗和成本.相对采用热敏电阻的温度补偿电路，该温度补偿电路的温度补偿线性更好，补偿系数设置更灵活.

为了让温度传感器在集成化全光控制中找到实现途径，提出一种基于非局域空间光孤子传输的温度传感器的理论方案.以铅玻璃作为非局域空间光孤子的传输介质，通过研究圆柱形铅玻璃中, 中心入射光束在传输过程中的相移问题, 得出在环境温度0.32 ℃的改变就可以引起孤子π相移的结论.此温度改变对相移的调制有望为基于干涉仪原理的温度传感器提供一个可行且灵敏度较高的实现方案.

根据光纤布喇格光栅的光学传感原理,提出了一种基于悬臂梁及金属弹性膜片的光纤布喇格光栅沉降传感器结构,对其传感特性进行了实验研究.实验通过产生水的液位差来模拟地基沉降,分析结果显示,光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位差呈现良好的线性关系,线性度高于0.999,灵敏度可达－2.11 pm/mm.通过改变悬臂梁厚度和有效长度,可以对传感器测量范围和灵敏度进行调整,以满足各种应用场合.综合实验结果,该传感器在桥梁、铁路地基等沉降监测方面具有重要意义.

报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射率传感器具有损耗低、成本低、灵敏度高和线性度好等特点.

光镊所捕获的微球尺度常常落在中间尺度上，导致相关参量难于计算.OTT1光镊工具箱是一种基于广义Lorenz-Mie理论的T-matrix方法，它的发展使得对光镊系统的详细计算和评价成为可能.本文对光镊的轴向捕获特性曲线、线性性和刚度，以及杜克系列微球的互换性做了计算和评价.结果表明：光镊所用物镜的数值孔径越接近水的折射率捕获效果越好；0.8~1.2 μm的聚苯乙烯微球组成的光镊刚度较大；直径在2 μm以下的聚苯乙烯微球组成的光镊线性度较好；0.8~2 μm的Duke系列聚苯乙烯微球的互换性较好，便于纳米光镊的修正与实验；要避免米共振微球的直径要在2.5 μm以下.

针对传统的激光测距仪测量准确度低、实时性差等问题，结合正交相位检测和坐标旋转数字式计算机角度解算方法，设计了一种多频激光测距系统.系统中采用改进的正交算法对噪音环境下的测距相位差的正切值进行计算，再通过坐标旋转数字式计算机角度解算方法计算出测距相位差，该方法有效地提高了测距准确度并大大降低了系统的运算量.在采样频率500 MHz、计算字长16位、回波信噪比14 dB时，测量范围为150 m，相位测量误差为0.026 4°，距离测量准确度达到0.11 mm.

提出了一种适用于16-QAM的新型相位纠偏方法，克服了基于M次方算法的传统相位纠错方法不适用于高阶正交振幅调制的缺点.该方法结合正交频分复用调制方式，无需导频即可完成相位盲估计，且计算量较少.本文基于112 Gb/s 1 040 km的相干光正交频分复用传输系统进行了算法验证，并与传统的4次方纠偏方法进行了比较，实验证明该算法适用于正交频分复用和16-QAM调制平台，相位纠偏结果显著优于基于导频的4次方算法.

本文提出了基于楔形光纤以及端面成角度光纤的共路径光相干成像系统探头，实现背向散射信号在其端部的共路径相位干涉，从而获得待测件断面成像信息.首先，建立了共路径光相干成像系统光路及探头相位干涉的理论模型，分析了各光纤探头尺寸与干涉信号强度、系统性能的关系.其次，分别设计出楔形光纤、端面成角光纤探头，开展了共路径光路干涉实验，搭建了工作波长为1 550 nm的共路径光路测试系统.然后，根据不同待测样品的散射率，设计并研制了不同角度的楔形光纤探头，分析了不同尺寸的光纤探头对系统性能的影响，针对不同样品开展了固定探头探测实验.实验结果表明，楔形光纤端部可直接对输出光聚焦，照射在被测样品上，且其端面成一定角度时，可调节输出分光比，实现对参考信号的调节，提高了系统信噪比.为进一步开展共路径光相干成像系统的研究奠定了基础.