基于空间扫描或波长扫描的传统光谱成像设备体积庞大，无法获取动态的光谱信息。利用超表面可以实现丰富的光谱调制函数，结合计算重建和空分复用方法可以实现高光谱分辨率和空间分辨率的实时光谱成像芯片。本文介绍了超表面光谱成像的基本原理，分别阐述了基于规则形状和自由形状的超表面光谱成像芯片的设计方法与性能指标，以及基于神经网络的光谱图像快速重建算法，简述了超表面光谱成像芯片在活体大鼠脑光谱成像、人脸防伪识别、自动驾驶等领域的应用，最后讨论和展望了超表面光谱成像芯片未来的发展趋势和应用前景。

微纳结构的物理机理和独特的光电特性为探索新型光电子芯片提供了可能。回顾了本研究组在微纳结构光电子芯片领域的研究成果。总结了各种微纳结构中光与物质相互作用的机理,介绍了具有自由电子辐射、实时光谱成像、声子传感、光轨道角动量辐射、光量子态产生及操控等功能的光电子芯片。

传统鬼成像利用两路光的位置-位置或动量-动量关联特性实现。当光束沿单模光纤传输时,这些关联特性是无法保持的,因此传统鬼成像无法通过单模光纤长距离传输实现。在自发非线性参量过程产生的信号光子和闲频光子之间,以及在热光分束后形成的两束光之间存在频率关联特性,这种关联特性可以在光纤传输过程中稳定保持,基于此可以实现长距离光纤传送的时域鬼成像。这些工作拓展了鬼成像的实现方法,为大地理尺度下鬼成像的应用拓展了新思路。本文综述了基于频率关联的长距离光纤传输时域鬼成像的原理和实现方法,介绍了一种时域鬼成像的典型应用——量子安全鬼成像,最后对时域鬼成像的前景进行了展望。

类比于晶体中电子的能带结构，各种粒子、准粒子的能量-动量关系可以看作是一种“广义能带”。介绍了通过微纳结构对光子、声子、表面等离子激元广义能带的调控，获得的不同于传统材料的新颖光电特性及其在新功能器件中的应用，包括超小型宽带慢光波导光开关(带宽24 nm，尺寸8 μm×17 μm)、异质结构光声晶体悬臂微腔(声子频率高达5.66 GHz)、基于“双表面等离子激元吸收”的超衍射光刻,以及基于双曲超材料的无阈值切伦科夫辐射等。

空心布拉格光纤是具有一维光子晶体(1DPC)包层和空心芯区的新型光子带隙光纤。针对它在CO2激光传输中的应用，设计和制备了传输波段中心波长在10.6 μm的空心布拉格光纤样品。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)可以观察到光纤样品在10.6 μm具有明显的透射峰。使用CO2激光，通过截断法测量得到光纤样品在10.6 μm的传输损耗为2.35 dB/m。测量了不同弯曲曲率下光纤样品的弯曲损耗，结果表明弯曲损耗系数随曲率的增大而线性增长。在接近光纤输出端处，弯曲半径为10 cm的光纤90°弯曲引入的附加损耗约为2 dB。实验结果论证了光纤样品的CO2激光低损耗传输特性，展现了空心布拉格光纤在提升CO2激光操作灵活性上的应用潜力。

利用基于非对称的马赫曾德尔干涉仪(UMZI)的异质光纤环腔实现了双向双波长多模布里渊激光，激射光与抽运光拍频的中心频率分别约为10.49 GHz和10.54 GHz。实验测量了该结构在不同转速下双向斯托克斯光拍频中纵模的频移量。实验结果表明，频移量随转速线性变化，在实验测量范围内没有观察到闭锁效应，且根据环腔转动时拍频信号频率相对于环腔静止时拍频的频移可以明确判断环腔转动方向，提供了一种实现布里渊光纤陀螺(BFOG)的新思路。实验测得陀螺效应标度为1.0305 kHz/(°·s-1)，与理论分析吻合较好。

The formation process of silicon-nanocrystals (Si-NCs) in the amorphous silicon/silicon dioxide (a-Si/SiO2) multilayer structure during thermal annealing is theoretically studied with a modified model based on the Gibbs free energy variation. In this model, the concept of average effective interfacial free energy variation is introduced and the whole formation process consisting of nucleation and subsequent growth is considered. The calculating results indicate that there is a lower limit of the silicon layer thickness for forming Si-NCs in a-Si/SiO2 multilayer, and the oxide interfaces cannot constrain their lateral growth. Furthermore, by comparing the results for a-Si/SiO2 and a-Si/SiNx multilayers, it is found that the constraint on the crystal growth from the dielectric interfaces depends on the difference between interfacial free energies.

在空心布拉格光纤拉制过程中引入的光纤外径波动会造成不同位置光纤包层一维光子晶体结构的光子带隙不完全重叠，极大地影响光纤的传输特性。研究了外径慢变正弦波动下，空心布拉格光纤中各类模式的传输特性。理论计算表明，尽管各模式类传输特性不尽相同，同一类模式中，不同阶的模式损耗情况也不一样，但是，各模式的外径波动容限相差不大。在计算例中，TE0n模的外径波动容限大约为9％，TM0n，HE和EH模式的外径波动容限在6％～7％。采用的理论分析方法可以拓展到其他光纤结构参数组合和任意光纤波动情况。

在理论分析基础上,采用常规电弧放电熔接技术,在1550 nm波段对高非线性光子晶体光纤(PCF)与单模光纤(SMF)的熔接损耗机制进行了实验研究,指出模场失配是造成两者直接熔接损耗的主要因素；而熔接过程中因放电电流过大或放电时间过长所导致的光子晶体光纤的包层气孔形变以致塌陷,会引起超过10 dB的附加损耗。采用过渡光纤有效地缓解了两种光纤模场的失配；通过优化放电参数,有效地避免了光子晶体光纤包层气孔的塌陷,实现了高非线性光子晶体光纤和单模光纤的低损耗(<1 dB)熔接。