相移光栅是光子集成电路的基本元件之一，被广泛应用于多种领域中。与传统的反射型相移光栅相比，反向耦合型相移光栅无需光环形器，易实现大规模集成。提出了一种高Q值、超窄带宽的反向耦合型相移光栅。利用光栅的Moire效应，通过将不同周期的波导光栅组合在一起，实现了Q值为12893、3 dB凹陷带宽为0.12 nm的反向耦合型相移光栅。该相移光栅具有尺寸小、Q值高和凹陷带宽窄等优势，能被广泛应用于生物传感、激光器和波长滤波等领域中。

基于严格耦合波理论，分析GaAs/AlO_x高折射率对比度亚波长光栅（HCG）反射镜的偏振和反射特性，设计了横电（TE）偏振的HCG。当入射光由衬底垂直入射时，HCG在940 nm附近的最高反射率接近1。分析了光栅形貌误差和入射角偏差对其反射特性的影响。采用金属有机化合物气相沉积技术进行外延生长，通过电子束曝光、干法刻蚀、湿法刻蚀以及湿法氧化等方法制备出HCG，并进行理论与实验结果的对比分析。实验测试了入射光由光栅表面垂直入射的反射率，其中TE偏振光的最高反射率达到84.9%，与86.5%的理论值比较接近，且横磁（TM）偏振光的反射率低于40%，反射谱的变化规律也与理论结果基本一致，这验证了理论结果的合理性。该反射镜可以作为垂直腔面发射激光器的超薄反射器，具有低损耗、偏振稳定和单模工作的特性。

提出并研究了一种基于保偏光纤双折射特性的函数波形信号发生器。发生器采用正弦微波信号调制连续光波，光波经45°偏振控制后耦合进入保偏光纤，利用光纤双折射特性在快慢轴两个正交光场分量间引入可控时延差，经光电检测后的光电流表达式可由傅里叶级数余弦谐波项构成，结合宽带90°电桥亦可获得傅里叶级数正弦谐波项构成，因此模型具备可调谐函数波形输出特性。分析结果表明，通过控制发生器三个变量，即偏压相移φ、调制系数β和时延差τ，可对傅里叶级数各谐波系数进行灵活调控。分析并讨论了各变量之间的关系，利用光学仿真验证了方案的可行性。当限定均方根误差（RMSE）≤5%，可获得0~30%可调顶边梯形波和20%~80%可调对称三角波。

提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔，并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先，分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况，以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球，将其嵌入空心光纤，形成在纤式谐振腔结构，从而在微球中激发回音壁模式，并与空心光纤端面的反射光相互作用，产生法诺共振。实验结果表明，激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外，通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性，灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单，在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。

制作了敏感材料修饰的拉锥光纤与微腔级联的多参量光纤传感器，并用实验研究了其应变、温度和湿度特性。所提微腔由飞秒激光划线放电形成，并对其进行拉锥。传感器的反射光谱干涉峰对应变的变化敏感，实验结果表明应变灵敏度为4.8 pm/με。然而，该结构对温度与湿度均不敏感，在该结构的锥部涂覆了掺入石墨烯量子点的聚乙烯醇之后，温度和湿度的灵敏度明显提升，此时最大温度灵敏度为20.4 pm/℃，最大相对湿度灵敏度最大为14.6 pm/%。对Dip1、Dip2、Dip3进行分析，再利用三阶矩阵消除交叉敏感，能够同时测量应变、温度和湿度。

报道了基于掺Yb³⁺石英有源光纤的高峰值功率脉冲单频激光主振荡功率放大器（MOPA）。实验研究了主放大器中有源光纤长度对脉冲单频激光峰值功率、受激布里渊散射（SBS）阈值和光-光转换效率的影响，为优化激光器的转换效率和抑制SBS效应提供了依据。当使用的有源光纤长度为0.9 m时，21 W泵浦功率下脉冲宽度为2.4 ns、重复频率为20 kHz的1064.4 nm脉冲单频激光的平均输出功率为4.37 W，且没有明显的连续波放大自发辐射（ASE）成分，对应的单脉冲能量为0.22 mJ，峰值功率可达91 kW。最大输出功率时脉冲单频激光光谱线宽为279 MHz，光信噪比为45 dB，光束质量因子M²为1.44。

针对光学相干层析成像（OCT）过程中，光线散射、目标微动和硬件抖动等原因引起的噪声干扰，尤其是视网膜OCT图像中存在的严重噪声干扰问题，提出了一种基于模块化降噪自编码器的渐进式OCT图像降噪方法。使用多层卷积和反卷积构建自编码器，以模块化深度神经网络的架构为基础搭建了具有多个自编码器模块的神经网络，每个自编码器模块可依次输出降噪程度逐渐升高的过程结果，以满足不同的使用需求。以均方误差、峰值信噪比和结构相似度作为降噪结果的评价指标，对编码器模块数量T的研究结果表明，所设计的编码器在T=4时具有最佳性能。利用所提方法和各种主流方法对正常眼和病眼的视网膜OCT图像进行降噪处理，结果表明所提方法在各项指标上均取得最优结果，可以有效地对视网膜OCT图像进行降噪处理和大幅提升图像的质量。

稀疏表示广泛用于高光谱图像分类任务中。针对字典原子空间信息和光谱信息未得到充分利用的问题，提出了基于空谱字典的加权联合稀疏表示高光谱图像分类算法。计算测试像元与字典原子的空谱联合距离，选择相似度最高的K个字典原子，并将被选择字典原子的超像素邻域扩充到新的字典中，形成空谱字典。在联合稀疏模型中，对测试像元的超像素邻域像元使用不同的权重，在空谱字典上构建加权稀疏表示模型。基于所选的两个高光谱数据集的实验证明所提算法能够有效地提高分类精度。

在光声内窥成像中，不均匀或不稳定的照明，以及生物组织的复杂光学特性均会导致成像平面内光通量分布不均匀，从而造成重建图像质量和成像深度的下降。提出了一种校正光通量变化的定量光声内窥成像方法，对光吸收能量分布进行稀疏分解，采用贪婪算法重构得到光吸收系数和光通量的稀疏表示，并通过稀疏矩阵分解实现光吸收系数与光通量分布的联合重建。仿真和体模实验结果表明，与一步法和基于模型的定量重建方法相比，采用所提方法估算光吸收系数的均方根误差（RMSE）可降低约48%，重建图像的归一化平均绝对距离（NMSAD）和结构相似度（SSIM）可分别降低约25%和提高约24%。与其他校正光通量的重建算法相比，所提方法估计光吸收系数的RMSE可降低约22%、NMSAD可降低约20%、SSIM可提高约10%。

光学相干层析成像（OCT）的图像质量会受到散斑噪声的影响，限制了OCT在临床诊断中的应用。叠加取平均是一种降噪的常用方法，作为相干噪声，散斑降噪的关键在于降低用于叠加的图像之间的散斑相关度。提出了一种基于纯随机相位板的散斑去相关OCT系统（PSD-OCT）。利用纯随机相位板调制样品光的波前相位以实现散斑去相关，从而为采用叠加取平均降低OCT 图像噪声的方法提供低相关数据。成像实验证明了纯随机相位板能够降低散斑相关度，提升叠加图像的散斑信噪比，使得生物样品的精细结构更为清晰明显。与传统OCT的相关叠加相比，PSD-OCT的去相关叠加可以大幅降低散斑噪声从而增强OCT图像的视觉可见性，且无需搭建复杂系统，具有广泛的生物医学成像应用前景。

提出了一种基于空间像的极紫外光刻掩模相位型缺陷检测方法，用于检测多层膜相位型缺陷的类型、位置和表面形貌。缺陷的类型、位置和表面形貌均会影响含缺陷掩模的空间像的分布。因此，采用深度学习模型构建含缺陷掩模的空间像与待测缺陷信息之间的映射，利用训练后的模型可从含缺陷掩模的空间像中获取待测缺陷信息。采用卷积神经网络（CNN）模型构建含缺陷空白掩模的空间像和缺陷类型与位置之间的关系，建立用于缺陷类型和位置检测的CNN模型。在获取缺陷的类型与位置后，基于测得的缺陷位置对空间像进行截取，利用截取后的空间像的频谱信息和多层感知机模型获取缺陷表面形貌参数。仿真结果表明，所提方法可对多层膜相位型缺陷的类型、位置和表面形貌参数进行准确检测。

波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响，故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法，采用双频激光外差干涉光路，利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片，可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响，从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构，测量稳定性高，信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外，所设计的测量系统中元件很少，结构简单，测量过程快捷。误差分析表明，在现有实验条件下，测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9'，快轴方位角的测量不确定度约为5''。实验比对结果表明，所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明，测量结果的标准偏差约为2'。

提出一种基于时间复用编码的高效、强鲁棒性结构光三维测量方法，通过在时间序列上重新设计排布相移与编码图案，充分利用高速记录的相邻图像时序信息的关联性，将重建一个三维结果所需的投影序列图案数量降至3幅，提高了测量的编码和重建效率。同时，利用通用分区间相位展开方法，提前避免级次跳变错误的产生，保证了测量的鲁棒性。分析比较了二值格雷码和多灰度格雷码两类编码方案在该方法下的优势以及适用场景。实验结果表明：所提方法每多获取3幅条纹图案就能重建一个新的三维结果，能实现3174 frame·s^-1的高速三维形貌重建；二值格雷码编码方法的鲁棒性和抗噪声能力更强，适用于拍摄速度远高于物体运动速度的复杂高噪声动态场景，而以四灰度格雷码编码方法为代表的多灰度格雷码编码方法的抗运动模糊能力更强，适用于重建运动速度较快但环境噪声较低的动态场景。

提出一种二进制编码条纹代替正弦条纹的方法，以降低三维测量系统的非线性误差。首先，通过对传统正弦条纹一个周期内呈正弦变化的光强值进行二进制编码，将所有二进制编码的每一位分别组合生成二值条纹，投影到被测物体表面。然后，将采集到的多幅二值条纹进行叠加，生成正弦条纹。最后，结合四步相移技术，并使用互补格雷码辅助相位展开进行实验验证。实验结果表明，所提方法相比于传统四步相移方法可以有效降低非线性伽马效应导致的相位误差，提高测量精度。对直径为50.8140 mm的高精度标准球进行测量，所得的局部点云与拟合标准球的平均距离为0.0697 mm。

目标Mueller矩阵反映了光波在传播过程中偏振态的变化，其包含与目标自身有关的起偏、退偏等偏振特性。为进一步研究目标Mueller矩阵特性，通过将光波传播过程转化为相关半正定二次型函数实现偏振态变化线性运算的方法，定义目标净退偏特性和可以综合评价目标起偏特性和退偏特性的偏振度PΔ，并证明了其在偏振探测目标识别和偏振特性分析中的有效性。最后利用实验测量了不同入射角、粗糙度铝板的Mueller矩阵，通过定义粗糙度对目标偏振特性的影响因子Q和目标偏振特性随入射角变化的稳定性S，分析了入射角和粗糙度对目标Mueller矩阵特性的影响。

光子集成技术的高速发展对功能器件的设计效率提出了较高的要求。逆向设计利用优化算法实现器件结构的智能设计，从而可有效降低设计复杂度，提升设计效率。利用基于伴随法的逆向设计算法对硅基平台上的光耦合器进行结构设计，通过优化器件的边界形状，实现了高效率、任意分光比输出。仿真验证了三种1×2光耦合器的性能，其分光比分别为1∶2、1∶4和1∶8（3 dB、6 dB和9 dB）。器件的设计尺寸仅为4 μm×2 μm，且可以通过一步刻蚀完成。在1550 nm波长处，所设计的耦合器均可达到设计目标，且最大插入损耗仅有0.12 dB。在1500~1600 nm波长范围内，三种耦合器的分光比相对于设计目标的误差均保持在±1 dB以内，并且三种耦合器的插入损耗均低于0.28 dB。针对制作工艺误差等问题，对器件的制作容差进行了分析。结果表明，当耦合器的整体宽度变化±20 nm时，三种耦合器在1550 nm波长处的分光比的误差仍能保持在±1 dB以内。此外，制造了分光比为1∶2的耦合器，且实验结果符合设计目标。

在785 nm激励的拉曼片上传感器结构中，氮化硅片上光栅耦合器的性能直接关系到激励光的耦合效果。首先建立了光栅耦合器的二维、三维结构模型，采用时域有限差分（FDTD）仿真软件对光栅耦合器进行数值分析。以耦合效率为主要性能指标，分析了光源入射角度、光栅常数、光栅高度、填充因子和光栅刻蚀深度各参数的影响。采用电子束光刻法制备了光栅耦合器。最后，对三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器进行了测试。结果表明，二维波导光栅耦合器的性能最好，其耦合效率可达39.64%，三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器在实际测试中的耦合效率能达19.91%。光栅耦合器能有效将光耦合进波导中，在波导传感中具有潜在的应用。

深度冷却是超冷原子制备过程的关键步骤，是探寻极低温度的关键技术。详细阐述了一种用于⁸⁷Rb原子深度冷却的集成化全光纤1064 nm激光系统的研制方案。激光器采用两级主振荡功率放大的方案，将单一种子源信号进行放大、分束和调控，输出4路具备独立控制的激光，作为制备超冷量子气体的交叉光阱的光源。经测试，激光器在功率、稳定性、噪声等各方面满足原子深度冷却的实验需求。在地面条件下进行的两级深度冷却预实验中，获得了10 nK以下的初步实验结果，这验证了激光器具备实现超冷原子深度冷却所需的全部功能。激光器集成了种子源、放大器和全功能光学平台的功能，其内部模块采用全光纤器件研制，具有集成化、数字化、高稳定、免调试、易维护等优点，经过简易改造能够应用于远程遥控和遥测的超冷原子项目中。

提出并验证了一种基于深度学习的混沌激光同步优化方案，在共同外腔半导体激光器驱动注入同步系统中，引入生成对抗网络对初始的混沌同步信号进行优化。所提方案的主要优点在于：实现了混沌信号的时延标签抑制和复杂度提升；显著改善了混沌信号幅值分布的对称性；大幅降低了驱动端和本地端的相关性，提升了同步系统的私密性。此外，将优化后的混沌信号应用于物理熵源，在高质量混沌同步的基础上，验证了速率高达4.1 Gbit/s、误码率低于10^-3的高速同步物理随机数产生。

基于微机电系统（MEMS）的850 nm可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL），设计了一种双曲线梁结构，以提升器件机械和调谐特性。通过分析传统等截面梁结构的受力情况，提出了双曲线结构优化设计，将梁结构端面的面积增大从而降低最大应力。理论仿真结果表明：优化后器件上反射镜的最大偏移量基本保持不变，支撑梁上下表面的最大应力分别降低了23.4%和17.0%，谐振频率增大了7.9%；当MEMS-VCSEL分别为半导体腔主导（SCD）结构和空气腔主导（ACD）结构时，波长调谐范围分别为16.6 nm和42 nm。该优化方式的优势在于不需要改变激光器的结构，同时可与其他优化方式兼容，具有一定的应用前景。

双频激光干涉仪功能强大，50年来保持良好的发展势头，应用面（特别是在先进制造业）越来越宽广。本文以解决关键技术为线，概述笔者及合作者经40年坚韧研究完成的“可伐-玻璃组装式单频He-Ne激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪”的全链条技术。技术亮点有：开国内可伐-玻璃组装式He-Ne激光器之先，吹制工艺或成历史；开国内外内雕应力双频激光器之先，解大频差和高功率不可得兼之难，保持1 mW功率运转而频差可以在1~40 MHZ范围选择，还在源头上消除了干涉仪一直存在的测量非线性误差。目前，双折射双频激光器和干涉仪已在北京镭测科技有限公司批量生产。中国计量科学院测试结果表明，此双频激光干涉仪非线性误差小于1 nm，测量70 m长度时误差小于5 μm。

研究了由探测光和泵浦光同时驱动下的复合旋转光力系统中的非线性行为，如光学双稳态行为和四波混频（FWM）现象。通过操控光力腔旋转速率大小和方向能有效调控旋转诱导产生的 Sagnac频移大小，进而能有效操控光学双稳态行为。进一步研究了该系统中的FWM现象，发现光力腔的旋转方向和旋转速率都会影响系统的FWM强度谱线，同时FWM强度减小或增大会加剧或抑制系统共振区域的模式分裂现象。此外，还探讨了外力对复合旋转光力系统中FWM现象的影响，发现：外力会破坏系统FWM强度谱的对称性，并且在同一旋转速率下，外力的增强会使得FWM强度显著增大；在同一外力下，旋转速率的增大会降低系统的FWM强度。

为解决传统双光子显微镜进行脑皮层成像时，存在的视场小和视野与脑轮廓曲率不匹配的问题，提出了一种具有大视场弯曲视野的双光子显微物镜光学设计方案。所提方法根据赛德尔像差理论，推导出了一组用于求解同轴三反初始结构的解。在同轴的基础上，进一步优化为利用自由曲面的离轴三反成像系统。优化后系统的数值孔径达到了0.15，视野曲率半径达到了6 mm，视场角达到了9°×18°，视野大小达到了3.5 mm，系统光学性能良好。合理控制系统结构参数获得了无物理干涉下双物镜联合使用的设计方案，这有利于进一步扩大成像视野。

针对传统透射式光学系统初始结构优化设计效率低、结构选取过度依赖经验等问题，提出了一种基于深度学习的透射式光学系统初始结构自动优化设计方法。通过监督训练学习公开光学镜头库中参考镜头的结构特征数据，构建基于光线追迹的无监督训练模型，提升深度神经网络（DNN）模型的泛化能力。通过训练生成的网络模型输出包含真实玻璃的光学系统的结构参数，从而实现透射式光学系统初始结构的自动优化设计。设计结果表明：利用该网络模型优化设计的光学系统初始结构在全视场、全谱段下的像面点斑半径与参考镜头接近，并且能够根据不同焦距要求分别设计出光学系统初始结构；所设计的1×106组初始结构的成功率优于96.403%，表明所提网络模型具有良好的泛化能力。

基于电介质-旋电介质的磁表面等离激元（SMPs）模型，从色散方程出发，理论分析了存在表面波时旋电介质介电张量和电介质介电系数的关系，以实现单向传输的SMPs。提出Ce∶YIG/Ag超构旋电材料，根据有效介电张量理论构造满足SMPs条件的旋电介质的介电张量。分析了电介质-旋电介质表面波的色散特性，利用有限元方法对电介质-超构旋电介质模型的传输特性进行了仿真计算，在施加常规磁场（0.2 T）情况下实现了工作于近红外波段的SMPs单向传输，并在该结构中引入缺陷。仿真结果表明该SMPs单向波导具有很好的鲁棒性。

结构色在光学伪装等领域具有重要的应用前景，但其存在严重的角度依赖性。提出利用随机微扰表面降低反射光谱角度依赖性的方法；研究了不同微扰特征的粗糙表面结构在不同入射角下的反射光谱；通过有限元法计算了横电波、横磁波的反射光谱特性和能量传播特性，并据此获得了等效自然光的反射光谱和角度依赖规律。分析发现在0°~40°入射角度范围内，平整表面结构的反射光谱峰值移动了34.0 nm，随机微扰表面结构的反射光谱峰值仅移动了10.0 nm，角度依赖特性降低了70.6%，结果表明微扰表面结构对于降低角度依赖性具有显著作用。

利用束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束同轴叠加，产生了一种双层花状光学涡旋晶格，通过实验与数值模拟对所提出的双层花状光学涡旋晶格进行分析研究。结果表明：由束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束叠加而成的光学涡旋晶格中的涡旋呈单层或双层分布，且不同层涡旋点的拓扑荷值大小相等，符号相反；当奇偶模因斯高斯光束之间的束腰半径差距逐渐减小，涡旋分布由双层变为单层；此外，可以通过改变奇偶模因斯高斯光束之间的相位差，实现涡旋符号的调控。该研究结果极大地丰富了光学涡旋晶格的空间模式分布，在微粒操纵领域有着潜在应用。

针对以往脉冲纠缠测距方案对光子损耗十分敏感的特点及量子干涉法测距中利用光路延迟测距时难以实现远距离传输的问题，利用量子压缩效应来提升时延估计精度，同时还提出一种基于量子照明原理的非经典纠缠导航测距方案，对目标存在的回波信号进行统计判断，从而确定距离参数。在相干探测的基础上，分别研究了相干态、热态和压缩态等3种高斯量子态的统计特性，并对量子照明测距方案中经典相干态与双模压缩真空态的信号检测性能进行了理论分析和数值模拟实验。结果表明，相较于传统测距方法，利用量子信号压缩和纠缠特性的方法能有效提高导航测距的距离分辨率，性能上优于经典方案，且在噪声光子数较多时具有更强的抗环境干扰能力。

量子-经典信号共纤传输技术对实用化量子保密通信网络建设具有重要意义。针对经典光在光纤信道中的拉曼散射（RS）、四波混频（FWM）以及交叉相位调制（XPM）等非线性效应对量子信号的噪声干扰，构建了量子-经典信号共纤传输连续变量量子密钥分发（CVQKD）系统的安全密钥率仿真模型，重点分析了经典光功率、信道间隔和探测方式对系统噪声和密钥率的影响。结果表明，在近距离传输时，FWM噪声占主导地位，在传输距离大于10 km时，XPM噪声大于RS和FWM噪声。系统总噪声与经典光功率正相关，与波分复用信道间隔反相关。零差和外差检测下，随着传输距离的增加，安全密钥率整体变化趋势接近，零差检测方式具有更大的极限传输距离。该研究工作可为实用化量子-经典信号共纤传输CVQKD系统的优化设计提供参考。

多基色显示是广色域显示技术的重要发展方向，但多基色显示系统目前面临着高分辨率、高帧率多基色驱动图像的获取问题。提出一种基于广色域RGB相机的多基色驱动图像生成方法。以实际多基色LED点阵显示系统为例，首先建立了显示系统的n基色空间与标准CIE XYZ空间的转换模型，即正向转换模型；在正向模型的基础上，建立了由3基色空间到多基色空间的逆向转换模型，从而将RGB相机摄取的高分辨率彩色图像转换为n基色显示系统的驱动图像。实验中，根据典型5基色LED点阵显示器的色度参数分别建立了正向和逆向转换模型，并将ColorChecker SG色卡的广色域图像作为目标图像，完成了基色转换和色差分析。