利用冯·纽曼约化熵理论研究了多模相干态光场与两等同二能级原子简并多光子相互作用系统量子纠缠演化特性，得到了多模光场量子纠缠的解析表达式，并给出了双模光场与两原子相互作用时量子纠缠的数值计算结果.结果表明：量子纠缠随着光子简并度的增大而增强；随着初始平均光子数的增加，量子纠缠演化的周期性变得越来越明显;当场与原子远离共振时，量子纠缠随着频率失谐量的增大而减弱;当失谐量足够大时，场与原子几乎总是处于纠缠状态.这些结论对于纠缠态或纯态的制备及获取光学系统中的量子信息研究中有一定参考价值.

多维量子纠缠态比二维纠缠态可加载更多的信息，多维量子系统是量子信息处理中一个很重要的资源.本文采用已实现的光子四维纠缠态，给出了光子四维量子态的张量表达式，并描述了四维量子态隐形传输的一般表示方法；通过讨论光子四维量子态系统的量子通道参数矩阵和测量矩阵的特性，得到实现完全传输和非零概率传输的充要条件.最后，本文给出在多种量子通道下的四维态的量子隐形传态方案，这一过程在张量分析表示下十分清晰明了.

随着光网络规模的不断扩大以及网络体系结构的扁平化过程加速，网络传输的可靠性和实时性以及生存性路面算法本身面临新的挑战.本文在单点割集的松弛生存性约束条件下，结合动态业务下的IP over WDM光网络的特点，借助蚁群优化算法的强鲁棒性和记忆能力，通过改变与调整蚁群优化算法结构中的信息素结构与其更新机制，在动态路由选择过程中，引入网络可生存性约束信息改进路由选择概率计算机制，来实现IP over WDM光网络动态生存性映射的路由策略.与其他同类算法相比，该算法不再存储网络备用路由集和物理拓扑自身庞大的割集关系，在保证网络生存性效果的前提下，通过割集松弛条件有效降低了计算的时间复杂度，提高算法收敛速度，适应网络实时性要求.仿真结果表明：与传统最短路算法比较，该算法能有效提高动态光网络的可生存性映射性能和网络的资源利用效率，并降低业务阻塞率.

为了消除F-P滤波器的温度特性对光纤光栅波长解调系统准确度的影响，提出了一种采用F-P标准具作为波长参考计算波长的方法，设计了一种高准确度波长解调系统，并采用虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI实现了光谱数据的滤波、寻峰及波长计算算法.测试结果表明，该系统的重复性误差小于1.56 pm，稳定性误差小于1.13 pm.

本文分析一种由两层低折射率孔组成的大模场光纤的模式特性.采用多极法和有限元方法数值计算并分析了内层孔与外层孔尺寸变化对光纤基模与高阶模的束缚损耗与弯曲损耗的影响，设计获得了一种具有较高的高阶模和基模损耗比同时允许一定程度弯曲的大模场光纤.结果表明：当内层孔直径为34 μm，外层孔直径为24 μm时，其基模束缚损耗为0.000 17 dB/m，而高阶模束缚损耗为1.39 dB/m；光纤的基模模场面积为2 150.9 μm2，当弯曲半径为1.2 m时，弯曲损耗为0.106 dB/m.

本文探讨在背景噪音影响下,差分吸收激光雷达测量臭氧的不确定性:背景噪音对臭氧浓度廓线的影响正比于背景噪音强度、强吸收波长和弱吸收波长的回波信号强度比.理论计算结果表明：合适的回波信号强度比可以使激光雷达背景信号对夜间臭氧探测浓度的影响变得非常小,可以忽略不计.实验结果表明：用波长对（280 nm,285 nm）对大气臭氧进行观测时,适当调节两波长回波信号强度比为0.96时, 背景信号对臭氧浓度探测的影响小到可以忽略的程度.模拟分析和实验观测结果相接近，证实了理论推算的合理性.在背景噪音强度未知的情况下，通过调整强吸收和弱吸收两波长的激光脉冲的能量，在示波器上得到适合的回波信号强度比值，可以抑制背景噪音信号对臭氧探测结果的影响，确保夜间臭氧测量的准确性.

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法，对云雾散射回波进行了模拟仿真，并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明，回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大，且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和，峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化；脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱；发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.

气溶胶是影响气候变化和空气污染的重要因子.在深圳地区展开气溶胶观测实验,可以获得可靠的光学物理特征,进而有助于准确评估气溶胶在新型超极城市区域的气像和环境效应.本文利用2010年12月至2011年8月太阳光度计、黑碳和浊度计等气溶胶观测资料，分析了新型超级城市深圳地区的气溶胶物理光学特性.深圳地区气溶胶呈明显季节变化，冬、春季由于城市污染性气溶胶的影响，气溶胶光学厚度和Angstrom波长指数都较大，夏季受海盐气溶胶的影响，光学厚度较小，Angstrom波长指数也较小.光学厚度与Angstrom 波长指数对比表明城市综合性污染是引起深圳气溶胶高光学厚度的主要原因.深圳地区气溶胶的散射系数、吸收系数的平均值（标准偏差）分别为178.7×10-6 m-1（126.6×10-6 m-1）和32.5×10-6 m-1（18.1×10-6 m-1），均低于珠三角腹地多年观测平均值的二分之一和国内其他大型城市观测值.而单次散射反照率为0.81，与珠三角其他地区得到的结果接近.此外，气溶胶吸收、散射和单次散射反照率呈明显日变化，可能主要受大气边界层变化的影响.

本文介绍了多碱光电阴极的特点及其在微光像增强器中的应用，叙述了光致荧光的原理，探索了利用光致荧光方法来研究多碱阴极Na2KSb膜层电子跃迁几率的方法，并测量了两个不同灵敏度多碱阴极的荧光谱及同一个多碱阴极在工作和非工作两种状态下的荧光谱.测试结果表明，多碱阴极的荧光强度与其电子跃迁的几率及阴极灵敏度成正比，同时多碱阴极在工作状态下，荧光强度比非工作状态下有所降低，原因是一部分跃迁电子逸出多碱阴极产生光电发射，而这部分电子不再回到基态，因此不再发出荧光.另外本文还测量了多碱阴极在不同波长激光激发条件下的荧光谱.结果表明，长波激发与短波激发相比，长波激发所获得的荧光强度更高，这说明长波激发产生跃迁电子的几率高，同时荧光谱峰值波长与激光波长的偏移较小，因此跃迁电子数多且能量损失小，有利于光电发射.将多碱阴极的荧光谱与多碱阴极的量子效率相比较，看出跃迁电子数量和所处能级这两个对光电发射过程有影响的关键因素中，能级因素对光电发射过程的影响更大.但对多碱阴极而言，由于短波激发时的电子跃迁几率低于长波激发时的电子跃迁几率，跃迁电子扩散过程中的能量损失较大，因此短波的量子效率随波长的增加而增加.实践证明，光致荧光是研究多碱阴极光电发射过程的一种有效手段，通过对多碱阴极荧光谱的研究，进一步揭示了多碱阴极的光电发射的机理，为进一步改进工艺和提高多碱阴极的灵敏度提供了重要的参考价值.

采用磁光晶体薄膜、半波片、偏振分束器、偏振合束器和高速法拉第转子等元器件研制了一种具有新型光路的1×2全光纤磁光开关，以用于全光网络通信. 采用雪崩晶体管设计和制作了多种纳秒脉冲发生器，用于驱动法拉第转子中的微型螺线管. 对螺线管的尺寸和结构布局进行了优化设计，并分析螺线管的磁场强度和自感系数等性能参量，以提高磁光开关的开关速度. 磁光开关的性能测试结果表明，纳秒脉冲上升时间为2~5 ns、脉冲宽度为6~12 ns、脉冲幅值为30~150 V. 磁光开关的插入损耗为1.55 dB，串扰为23.69 dB，消光比为-23.69 dB，开关时间为100~400 ns. 该全光纤磁光开关的开关时间已达到纳秒量级.

为了提高联合变换相关器跟踪和识别目标的能力，且满足坦克瞄准镜的工作要求，针对1英寸红外CCD探测器，设计了8 ~12 μm波段折射式长波红外连续变焦系统.该系统采用机械补偿的方式，变焦过程中相对孔径不变，F数为2，变倍比为4∶1，在50~200 mm范围内可实现连续变焦，且变倍曲线和补偿曲线平滑，扩大了坦克瞄准镜的搜索范围.用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价，结果表明，在17 lp/mm空间频率处，全焦距范围内调制传递函数均在0.53以上，接近衍射极限，像面稳定性良好，满足光学系统的设计要求.

针对基于剪切干涉原理的光刻投影物镜波像差检测设备中相移测量的需求，设计了一种移相装置.该装置采用了桥式放大机构，获得了较大放大比和相对紧凑的结构.从原理上对桥式放大机构进行了分析和讨论，得到了输入位移与其放大比之间的函数关系，并得到了其关系曲线.经过非线性有限元分析，对该装置的变形、受力和模态特性进行了验证.验证结果满足检测平台移相要求.

针对激光二极管阵列提出了“组合模”概念，计算了组合模的远场分布.每个组合模在远场的空间分布呈双瓣结构.基于激光二极管阵列组合模的远场分布特征，设计了离轴外腔反馈的激光二极管阵列.运用此装置所获得激光二极管阵列的远场分布有了明显变化.与自由运转的激光二极管阵列相比，离轴外腔反馈的激光二极管阵列远场宽度减少了4.3倍.在抽运电流为16 A时，测得输出激光的功率1.82 W，这相当于相同电流下自由运转激光器输出功率的79%.组合模理论不仅可以用来指导设计一维离轴外腔反馈激光二极管阵列，而且也可以用于设计二维离轴外腔反馈激光二极管阵列.二维离轴外腔反馈激光二极管阵列可以产生高功率，高光束质量输出的激光.

波长可开关光纤激光器可以选择多波长光纤激光器中的一个或多个波长输出，支持光网络中多个波长的动态分配，适应现代光纤通信系统信道数越来越多的波分复用和密集波分复用的发展方向.本文提出并实现了一种自激发多波长可开关掺铒光纤激光器.该激光器通过一个980 nm泵浦进行抽运，使用掺铒光纤作为增益介质，产生1 550 nm光谱，并通过一个环形结构返回，从而实现自激发的过程，降低了实验成本.实验使用一个含有两段保偏光纤的Sagnac环作为滤波器.通过调整Sagnac环形滤波器内偏振控制器的角度，改变Sagnac环形滤波器的腔内增益，可以让光纤光栅反射出来的波长选择性通过，从而实现波长的开关功能.实验证明，通过调整Sagnac滤波器的腔内增益而让多波长选择性通过，是一种有效的实现波长可开关功能的方法.

设计了一种以半导体材料InGaAsP作为核心结构的器件表面蒸镀二氧化硅膜层，在其上蒸镀金膜层，构成金属-电介质半导体微盘激光器结构，盘面的厚度为2 μm，盘面半径为6 μm，盘壁侧表面与底面的夹角为45°.使用有限元法对该结构器件的回音壁模式进行数值研究,利用所谓“偏微分方程的弱项形式”有效地抑制了许多局域不变性相关的“伪解”.通过数值求解弱项型矢量亥姆霍兹方程，得到微盘激光器回音壁模式的横磁场分布，在此基础上讨论了其品质因数（Q值）、模体积、不同金属和电介质膜厚度对器件品质因数的影响、盘的半径和其品质因素的关系等相关量.理论计算表明，这种结构的器件较直接在介质表面蒸镀金属膜层结构的器件的品质因数高2~3倍.实验还获得了基阶和高阶的表面等离子体波模式，以及品质因数最大达到约5 400的光学-电介质基模.

为了实现结构紧凑、高透射率的解波分复用功能，在二维三角晶格光子晶体平板上设计了一个ψ形的三通道解波分复用器.通过在该光子晶体结构中引入合适的线缺陷和点缺陷，使得在光子禁带中出现了局域缺陷态.利用该缺陷态模式，可以控制波的传播和耦合，从而实现解波分复用的功能.通过用平面波扩展法和时域有限差分法对此解波分复用器进行了能带和传输特性分析，找到了具有合适缺陷态频率的光子晶体结构参量，实现了透过率高达80%的解波分复用功能.

运用色散特性分析的方法，在六角形晶格光子晶体能带结构的布里渊区中心找到了狄拉克点，用等效媒质理论验证了在这一点上光子晶体的等效介电常量和等效磁导率同时为零，即存在狄拉克频点，用此六角形晶格光子晶体可以实现零折射率材料.随后运用有限元数值仿真方法，研究了此六角形晶格结构在狄拉克频点及其附近所呈现的零折射率特性.将此种六角形晶格光子晶体经过合理设计用以制作凹透镜，发现可以实现远场的亚波长聚焦.此外在凹透镜的入射面处引入防反射结构可以在一定程度上增强聚焦效果，提高了系统的分辨率.

以1 330 nm波段的超辐射发光二极管为光源，利用可调谐光纤法珀滤波器为滤光元件，设计了一套光纤煤矿瓦斯传感系统.该系统采用了参考测量方法和差分吸收技术：一路参考光被引出用以消除光源波动的影响；扫描光纤法珀滤波器获得信号光波长和参考光波长，在实现差分吸收测量的同时，避免了不同滤光元件性能差异和中心波长漂移的影响.实验结果表明，所设计的光纤煤矿瓦斯传感系统的最低可探测甲烷浓度为0.15%.

基于多层平面波导理论，采用自支撑共振光栅，提出了一种应用于生物探测领域的超高准确度传感器.理论计算表明，本文提出的生物传感器，其探测准确度于共振光栅的周期成正比，接近基于共振效应传感器的理论极限.采用单层共振光栅的归一化色散方程，计算了色散曲线随探测介质折射率的变化关系，从而证明了其探测准确度.此外，基于此共振光栅结构，设计了工作在近红外和中红外波段的生物探测器，分别应用于液体(1.3~1.7)和气体探测，折射率的分辨能力在近红外波段可以达到1×10-5，在红外波段优于1×10-6，能满足绝大多数生物材料的探测.相比于传统的基于导模共振效应的共振传感器，本文提出的生物传感器，其探测准确度有一至两个数量级的提高.

基于法布里-帕罗腔的干涉原理，采用微机电系统技术加工制作了一种光纤微机电系统压力传感器.采用浓硼扩散自停止腐蚀和磁控溅射的方法，制备厚度为6 μm、机械灵敏度为0.502 μm/MPa的传感器敏感膜.基于强度解调技术，利用干涉腔的反射功率与压力的关系对压力进行解调.分析了腔长变化对反射率的影响，确定传感器线性工作点的波长，建立稳定的压力传感测试系统.测试结果表明，该传感器压强最小分辨率为62 Pa,灵敏度达到0.51 nW/KPa，具有良好的线性度、灵敏度和重复性，适用于人体内压力测量和口腔义齿压力测量.