为了提高低折射率化学物质监测的灵敏度，采用光子晶体光纤设计了一种在开环内镀有金薄膜的表面等离子体共振传感器。利用仿真软件COMSOL Multiphysics 5.6系统地研究了开环半径、内部气孔大小、金属膜层厚度对该传感器灵敏度的影响。最终在2800～4700 nm的工作波段内设计出折射率检测范围为1.26～1.31的低折射率传感器。该传感器平均灵敏度高达22 500 nm/RIU，最高灵敏度达33 000 nm/RIU。在七氟醚、卤代醚、含氟有机物等低折射率物质检测方向具有较好的应用前景。

光的传播通常是互易的，传统的互易性光学器件面临光学衍射极限等问题，限制了其性能的进一步提升。非互易性光学器件能够实现光的单向可控传输，非互易拓扑光子态具有抗背向散射、免疫障碍物和缺陷等多种优异的物理性质，因而在光集成电路、非线性光学等多个领域具有潜在的应用价值。本文聚焦并回顾了非互易拓扑光子学的应用价值和研究进展，分别介绍了通过旋磁材料光子晶体、基于磁表面等离子激元、利用光学非线性效应和基于时间调制等不同的途径和手段实现非互易光子拓扑态的理论依据和研究进展，比较各自特点，并对其未来发展趋势和面临的关键问题进行了分析和展望。

拓扑光子学是光学领域一个重要的新兴研究方向，它的奇异光学响应特性颠覆了人们对光传播的理解，为人工操控光的传播提供了一种全新方法。Floquet拓扑光子绝缘体是拓扑光子学的一个重要分支，它利用周期性的驱动来探索物质的相变过程，发现了很多违反直觉的新奇物理现象。本文综述了近十年来Floquet拓扑光子绝缘体的主要研究进展。根据实现方式将其分为基于时间调制、基于空间调制、基于耦合谐振调制的三个大类进行详细论述。对于每一类Floquet拓扑光子绝缘体，从基础理论和物理实现平台两个方面论述了Floquet拓扑光子绝缘体的独特光学特性和奇异物理现象，并讨论了其潜在的应用前景。最后，总结了该领域当前面临的主要挑战，并对Floquet拓扑光子绝缘体的未来研究方向进行了展望。

提出了一种基于光载微波干涉的测距方法，通过电光调制器将微波调制到宽谱激光上，光纤光栅反射部分载波波长的微波调制光实现分光，FBG的反射光与待测目标反射光在环形器中发生非相干叠加，由于两者光程不同，经过光电转换后探测到微波干涉信号，通过分析微波的频域干涉谱计算出光程差，进而得到待测距离。本文进行了多组测距实验验证该方法的可行性，结果表明，该测距系统具有较高的稳定性和精度，在150~450 mm的测距范围内，测距结果的稳定性为±2.7 μm，测距精度为±1.6 μm，为高精度测量领域提供了一种新的方法。

为了准确测量X射线脉冲星导航中的光子到达时间，提出了一种X射线探测器光子到达时间精度的测试系统，该系统主要由脉冲X射线发生器、任意波形发生器、雪崩光电二极管探测器和时间标记光子计数器组成。系统测量脉冲X射线发生器的控制脉冲信号与雪崩光电二极管探测器测量的输出信号之间的时间延迟，研究时间延迟的分布情况，该分布的标准差可以反映被测探测器的光子到达时间测量精度。实验结果显示，雪崩光电二极管探测器输出信号相比控制信号的时间延迟约9.03 ns，标准差为2.23 ns，即雪崩光电二极管探测器的光子到达时间精度为2.23 ns，表明其能够实现对X射线单光子的快时间响应与高精度标记。

微型软体机器人通常具有结构尺寸小、柔性可变形等特征，在生物传感以及靶向载药等方面具有广阔的应用前景。刺激响应型水凝胶材料对外界刺激具有膨胀收缩的能力，是一种优异的微型软体机器人本体材料。目前针对提升微型软体机器人变形能力的研究主要聚焦于材料性能的提升和加工工艺的优化上，而通过微型软体机器人关节结构优化来提升其变形性能的研究相对较少。鉴于此，笔者提出了一种基于双光子聚合加工的双层膜弧形关节的设计方法，有效提升了双层膜关节的形变能力。通过改变双光子聚合过程中的激光功率和扫描速度，可有效调节pH响应材料的溶胀响应特性，进而获得双层膜关节的变形或驱动能力。进一步，笔者制备了圆心角不同的双层膜弧形关节，结果表明：不同圆心角的双层膜弧形关节在pH响应下的形变能力具有明显差异，当圆心角为240°时形变率最大，形变率是传统直角形双层膜关节的6.73倍。基于双层膜设计和构建的弧形关节具有良好的稳定性和形变能力，为微型机器人的高效驱动提供了新的设计思路。

光子灯笼是一种将单模光纤和多模光纤的优势特点相结合的新型光子器件，在天文光子学、光纤通信模分复用、光纤激光模式控制等领域具有重要应用。本文主要介绍了光子灯笼的结构与模式演化理论，以及光子灯笼的制备与工艺，并基于光子灯笼的模式自适应控制，介绍了光子灯笼在高功率、大模场增益光纤激光放大器中抑制模式不稳定效应的应用，以及光子灯笼在大模场光纤中产生新型光束（如涡旋光束）的应用。

高功率可见光至近红外波段的超连续谱光源在光电对抗、光学相干层析成像和高光谱激光雷达等方面具有广泛的应用前景。最近几年，涌现了一些用于产生高功率超连续谱光源的新方法，推动了高功率超连续谱光源的进一步发展。本文从主振荡功率放大结构、随机光纤激光器结构以及多路非相干合成这三种用于高功率超连续谱产生的主流方案出发，着重介绍了近年来有代表性的高功率可见光至近红外波段超连续谱光源的研究进展，并综合分析了这三种方案的优缺点以及未来的发展潜力。

光开关切换延时线芯片中各光开关的驱动电压标定和控制需使用多通道光功率计、可编程多通道电压源阵列等分立仪器，存在成本高、扩展困难的问题。设计并制作了一套低成本、易扩展的光开关切换延时线自动标定与控制系统，其中多通道光功率计模块可探测-53~-7.7 dBm内的光功率，误差小于0.5 dB；多通道电压输出模块可高精度稳定输出0~10 V的直流电压，输出电压波动小于±0.5 mV；使用单片机控制各模块协同工作并连接上位机实现人机交互。使用本系统对5-bit光开关切换延时线进行了自动标定和控制，结果显示，在32级延时状态下，延时线芯片输出端的透射光谱在1 560 nm波长附近的波动均小于1 dB，对应的延时步进为3.110 9 ps/state。该结果与商用仪器标定电压下测得的3.062 0 ps/state的延时步进高度吻合。本文设计制作的标定与控制系统精度高、成本低、扩展性强，具有很高的应用价值。

转换效率是周期性极化铌酸锂（PPLN）波导的主要性能指标，其与温度具有很强的关联性。受限于工艺问题，波导各个通道之间的一致性很难保证。提出一种多通道波导的温度自动控制方法，该方法通过FPGA芯片获取与多通道波导对应的多个单光子探测器探测到的光子数，并通过相应均衡算法来处理各个通道的光子数，从而确定多通道波导的最佳温度工作点，达到自动调节波导温度的目的。通过FPGA实现半导体制冷片（TEC）驱动控制、具有主动淬灭和快速恢复功能的单光子探测器，并通过均衡算法实现多通道波导温度的自动控制，实现探测效率更均匀的多通道上转换单光子阵列探测器，极大地减少前期人力投入，避免人为因素导致的误差。