癌症作为一种恶性化程度和致死率很高的疾病，是世界各国共同面对的难题。研究癌细胞的死亡过程，对于研究癌症的病理学机理以及探究有效的癌症治疗方法具有重要意义。本团队采用数字全息显微层析成像技术，对膀胱癌细胞内部的空泡进行了全息记录和衍射再现，获得了癌细胞在不同角度下的复光场数据；然后采用衍射层析重建算法结合非负约束条件，层析重构了癌细胞内部空泡的三维形态和空间位置，证实了数字全息显微层析技术在癌细胞内部空泡三维成像方面的优势和潜力。这一成像方式在研究癌细胞类凋亡过程中的形态变化以及探索新的癌症治疗策略等方面具有重要的应用价值。

针对动态观察活体细胞形态的数字全息显微应用, 提出了一种结合划线拟合和深度学习的自动相位像差补偿方法.首先在全息面提取中心十字线上的物光场相位值, 通过二次多项式数值拟合构建相位掩模完成相位像差初步补偿.然后在成像面运用卷积神经网络生成二值化图像掩膜, 提取物光场中无物体区域的相位值, 再次通过高阶多项式进行数字拟合构建相位掩模完成相位像差精确补偿.最后得到无相位像差的再现相位像.该方法通过在全息面划线取值和数字拟合有效补偿物光中的主要相位像差, 降低了成像面物光场的图像轮廓复杂性, 利用有限的训练数据集获得能够准确建立图像分割的深度学习模型, 从而实现了准确的无需人工干预的数字全息显微自动相位像差补偿.基于离轴数字全息显微成像系统对多种具有不同形态特征的活体细胞开展动态观察实验, 并进一步应用该方法进行子宫内膜癌细胞抗药性筛选.结果表明该方法可以很好地用于动态显微观察, 从而为生物学细胞动态研究提供实验依据.

针对光子晶体光纤的非线性问题，设计了新型准光子晶体光纤结构。所设计的准光子晶体光纤的纤芯采用圆形空气孔，中心孔作为缺陷，前3层通过小孔结构形式实现内包层。结构的电磁场分析表明：随着入射角的增大，横向磁场模式的禁带会明显变窄，横向电场模式的禁带会明显变宽。参数分析后得出以下结论：在光通信的1 550 nm波长附近,结构的色散曲线表现了高平坦的特性；通过控制孔间距或者空气孔层数能实现限制损耗的控制，进而将损耗限制到非常小甚至为0的阶段。

抑制数字全息中相干噪声可以获得更高质量的数字全息再现图像。本文提出一种结合双边滤波和小波邻域阈值的数字全息相干噪声抑制方法。对再现像进行小波变换，利用小波邻域方法对高频分量小波阈值去噪，对低频分量做双边滤波处理，最后做小波逆变换得到去噪再现像。通过仿真分析将该方法与中值、均值、维纳滤波等方法进行了比较，去噪后所得图像的峰值信噪比提高了 0.4 dB ～2 dB，与原始图像的相关性更高。利用全息实验数据验证了方法，结果表明本文方法能够有效抑制散斑噪声，同时更好的保留再现像的细节信息。

针对基于时间平均数字全息法的微振动原位检测, 提出了一种有效提高振动条纹模式对比度的方法, 进而可准确获得待测面振幅分布.首先针对实际振动过程中物体存在纵向微位移而引起的相位误差进行校正；然后去除记录过程中物光场散斑引起的相位噪音, 有效提高了被第一类零阶贝塞尔函数调制的条纹对比度；最后利用第一类零阶贝塞尔函数的变化规律和条纹级数, 定量估计全场的振幅分布.搭建了以声波作为激励源的时间平均全息测振实验系统, 采用频率分别为0、1 100、2 000和9 000 Hz的正弦声波激励簧片进行实验验证.结果表明, 以振动频率2 000 Hz为例, 本方法能够有效提高振动调制条纹质量, 并计算得到三级零点处的振幅值分别为109.4 nm、244.2 nm、356.4 nm, 与理论值相比较, 误差分别为6.31%、3.34%和3.78%, 在允许范围之内, 证明了该方法的有效性.

针对数字全息中不同再现距离获得的携带不同聚焦信息的再现像, 提出了一种基于数学形态学的多聚焦再现像融合方法, 以有效扩展成像景深。首先通过小波-Controulet变换获得源图像的高频和低频分量;然后, 针对数字全息中含散斑噪声的特点, 对高频分量采用基于数学形态学区域能量的方法进行融合, 对低频分量采用加权对比度法进行融合;最后, 将融合系数反变换得到融合图像。通过对算法的有效性分析和实验验证, 将本文提出的方法与不加入数学形态学的融合方法进行了对比研究。结果表明, 基于数学形态学的融合方法能充分抑制散斑噪声的影响, 保留更多细节信息, 有效扩展了成像景深范围达115 cm。其中, 对于表面粗糙且信息量较少的骰子, 基于数学形态学方法的空间梯度算子提高了118%, 熵值提高了27%;对于表面光滑且信息量较多的硬币, 其空间梯度算子提高了136%, 熵值提高了28%。

提出一种数字全息相干噪声抑制方法。首先在照明光方位角给定的前提下，通过在极向平面内连续旋转照明光，实现在多角度照明条件下记录离轴数字全息图。然后对所获得的全息图分别重构，同时利用倾斜相差补偿算法和数字图像自相关配准方法分别补偿再现像的相位倾斜及横向偏移。最后将重构像进行非相干叠加，从而有效抑制再现像的相干噪声。实验结果及相关统计评价数据皆验证了该方法的有效性。

相位恢复算法被广泛应用于去除同轴数字全息共轭像。其中，多采样距离相位恢复算法相比于基于单幅全息图的相位恢复算法，尤其是在两幅全息图的重建算法中，重建精度更高且收敛速度更快。针对采样距离和采样间隔对再现物光波前的精度的影响，通过记录不同采样距离的多幅数字全息图，进行相位恢复。通过分析比较再现相位像的标准化均方根误差，得到优化算法的最佳采样距离和采样间隔。结果表明，采样距离在130~160 mm范围内时误差较小，采样距离为150 mm、采样间隔为2 mm时误差最小，仅0.0096。