研究了批量制备的锥形光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针的定量检测性能。在统一的制备条件下，基于静电吸附自组装方法批量制备的同一批次锥形光纤探针具有良好的互换性。基于相同检测条件，在同一福美双样品浓度下测得SERS光谱幅度的相对标准偏差（RSD）可达8%以下。不同批次的光纤探针存在互换性退化问题，难以满足实际定量检测应用对光纤探针数目的要求。为了解决该问题，提出并演示了一种将不同批次光纤探针的光谱数据同化至同批次光纤探针测量结果的同化方法。通过对同化后的大样本光谱数据进行统计平均和数据拟合，获得了福美双样品在2×10^-8~10^-6 mol/L浓度范围内的SERS定量关系曲线，福美双加标样品的测试回收率可达90%~110%。该研究结果对于实际SERS定量检测具有参考意义。

结构光三维成像中广泛使用的数字光处理（DLP）投影仪存在结构复杂、设备体积大及投影非线性等问题，制约了结构光三维成像在高探测精度、小探测场景领域的应用。提出了一种集成超表面阵列和微机电系统（MEMS）二维扫描平台的结构光投影芯片设计。设计了基于几何相位原理的超表面阵列，用于生成格雷码和相移法混合编码结构光条纹。通过二维扫描平台突破单一静态超表面的限制，实现了基于时间编码的结构光条纹投影。结果表明：所设计的超表面结构对入射光具有良好的线性相位调制能力，光源转换效率为88.61%；生成的相移条纹符合正弦分布特性，很好地解决了DLP投影非线性问题；产生的条纹宽度均匀，最小宽度为2 mm，探测精度可达亚毫米级。有限元分析结果表明：所设计的二维平台的最小模态频率为511.91 Hz，抗干扰能力强，响应时间为2.4 ms，帧率为333 Hz，投影速率高。芯片尺寸为3 mm×3 mm。最后设计了芯片的集成制造工艺流程，为高探测精度、高投影速率微型化投影设备的制造提供了理论模型和系统解决方案。

光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下，在可见光波段（400~700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差，又解决了大孔径超构透镜的加工难题，具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点，在图像采集领域具有重要的应用价值。

为分析车床加工百微米级口径微柱透镜时遗留周期性刀纹产生的杂散光影响，构建了周期结构模型，分析了表面周期性纹理结构对衍射杂散光的影响。利用傅里叶光学理论建立了该结构的衍射理论模型，计算了在不同深度下的衍射光场强度分布规律，所获得的理论结果与商业光学软件VirtualLab的物理光学仿真和实验测试结果基本一致，实现了对理论模型的理论与实验验证，为进一步解决该类光学器件中周期性加工刀纹产生的衍射杂散光问题提供了理论依据，对微柱透镜的高精度加工具有指导意义。

设计了一种基于金属铑（Rh）和二氧化硅（SiO₂）材料的紫外线吸收器，其单元结构由Rh衬底、SiO₂电介质层和Rh图案层构成。采用有限元方法（FEM）分析了该吸收器的吸收特性与入射波波长、入射角、方位角和几何结构参数的依赖关系。结果表明，该紫外线吸收器通过表面等离子体共振效应达到吸收目的。通过调整单元结构的几何参数，可以调整该吸收器的吸收特性。由于结构的旋转对称性，该吸收器具有偏振不敏感性。在所有结构参数均采用最优值的情况下，当入射角为0°~45°、波长为200~400 nm时，均能获得90%以上的高吸收率。吸收率为95%的波段为250~300 nm及325~400 nm。所设计的紫外线超宽带吸收器具有优良的吸收性能。采用的Rh金属为紫外波段内吸收材料的选择提供了新的选项。研究结果为紫外线吸收器的设计、制作和应用提供了参考。

在波导耦合表面等离子体共振传感器结构中引入MoS₂材料，提出了一种全介质MoS₂薄膜混合耦合波导结构传感器，该结构使得低品质因数（FOM）波导中产生了频域较宽的宽共振，而高FOM波导中产生了频域较窄的窄共振，实现了双波导耦合，进而产生了Fano共振。对传感结构进行了数值模拟与分析研究，探究了MoS₂层数及各结构参数对传感性能的影响，并依据其影响将两波导厚度、相邻两层介质材料厚度、MoS₂层数作为输入参数，将FOM值作为输出参数，建立了基于深度极限学习机的优化算法。利用优化算法对权值参数进行优化，对比不同优化算法对光谱的优化能力，最终得到了GWO-DELM预测模型。结果表明，Fano形状可以通过改变结构参数进行动态调控。在最佳条件下，经过优化算法优化后的Fano共振的FOM值高达50000。

原子磁强计以其高灵敏度和成本低等优势受到了越来越多的关注，如今，进一步提高原子磁强计的芯片集成度已成为主要趋势，因为它有利于生物磁性测量与成像。但是，目前实现原子磁强计小型化的主要障碍是微加工原子气室的光学元件分立。鉴于此，笔者提出一种基于新兴超表面的超紧凑片上原子气室方案，该方案将超表面与各向异性腐蚀的单晶硅相结合，在保证高灵敏度的同时提高了原子气室的集成度。该方案能够对圆偏振入射光束进行光路操纵，效率可达到80%。超表面采用厚度为500 nm的硅设计而成，可以通过基本的微加工工艺直接在原子气室上制造。所设计的新型原子气室具有集成度高、可大批量制造的优点，为未来生物磁性传感系统的发展提供了参考。

激光耦合隧道结器件是国际前沿研究热点，伴随产生的电磁场局域增强或光整流等效应在等离激元光镊、单分子成像、单光子光源等领域有着重要的应用价值。为了解隧道结中的光电相互作用和特性，首先利用反馈电沉积制备获得了固态隧道结纳米器件，然后测定了激光功率、偏置电压、偏振方向和调制频率与光电流的关系，并结合有限元法和时域有限差分方法进行理论仿真，讨论了器件中光电流的组分及相关效应。结果表明，器件局部热膨胀效应、热伏效应和热载流子效应为光电流产生的主要原因，而光整流效应因受限于激光峰值功率，其结果并不显著。这些发现可为固态隧道结器件中的光学调控以及在纳米尺度上研究激光调制电子隧穿过程提供参考。

本文提出了一种一维四元周期性宇称?时间（PT）对称结构，系统地研究了增益?损耗系数、入射角和周期数对相干完美吸收激光点和奇异点这两类光学简并点的影响规律。当周期数一定时，通过改变增益?损耗系数可以在不同的入射角下灵活地调控相干完美吸收激光点和奇异点这两类光学简并点。对比分析了PT对称引起的奇异点以及与周期结构相关的Bragg共振点处的反射特性，结果显示：当光束分别沿着左右两边入射时，在奇异点处只有一个方向入射的反射率为0，从而表现为单向无反射特性；而Bragg共振点处的反射率在光分别沿着左右两边入射时都为0，从而表现为双向透明特性。进一步研究了周期数对两类光学简并点的影响，发现相干完美吸收激光点数目随着周期数的增加而增多，而奇异点数目则不受周期数的影响。最后，利用光学简并点的可控特性实现了光自旋霍尔效应等光学现象的操控。

设计了一种基于二氧化钒的动态可调谐的红外线超宽带吸收器。数值模拟表明：对于横磁（TM）波，当入射角由0?增加到60?时，在17~55 μm波长范围内，吸收器的吸收率可以保持在90%左右；对于横电（TE）波，当入射角由0?增加到55?时，在10~55 μm波长范围内，依然可以实现90%左右的高效吸收；当TM波或TE波垂直入射时，在16~60 μm波段，吸收率大于90%，吸收带宽可以达到54 μm。当二氧化钒的电导率从20 S/m逐渐变化到2×10⁵ S/m时，超宽带吸收器可转换为多峰吸收器。与之前报道过的基于二氧化钒的吸收器相比，所设计的吸收器的带宽和可调性得到了显著改善。该吸收器有望在偏振探测器、热辐射器、红外传感器等领域中得到应用。