制备并分析了SiC nip雪崩光电二极管（APDs）雪崩倍增的物理机制。与280 nm紫外光相比，在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现出更高的增益和更大的单光子探测效率。在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现为空穴主导碰撞离化过程，随着入射光波长增加到280 nm，电子和空穴共同主导碰撞离化过程。由于SiC中空穴的碰撞离化系数大于电子，空穴主导的碰撞离化过程将具有更大的光子雪崩概率和更高的增益。因此，得益于空穴主导雪崩倍增过程，SiC nip APD更适用于短波长紫外光探测。

为获得高增益的电子轰击型有源传感器（EBAPS），对EBAPS成像器件中电子倍增层的电荷收集效率的影响因素进行了研究。基于载流子输运理论，采用蒙特卡罗方法研究了钝化层种类、厚度、入射电子能量、P型基底厚度和掺杂浓度对二次电子分布及收集的影响。结果表明：为提高入射电子的入射深度进而提高电荷收集效率，宜采用密度小的SiO₂作为钝化层；为了减少钝化层对倍增电子的复合进而提高电荷收集效率，宜降低钝化层厚度和提高入射电子能量；为了降低倍增电子扩散过程中载流子的复合进而提高电荷收集效率，宜降低P型基底的厚度和掺杂浓度。

干涉测试是一种高精度的表面形貌无损测量方法。通常情况下，单色光干涉测试以激光作为光源，采用缩小成像方案测量表面面形。宽带光干涉测试能够有效避免单色光干涉测试时的2π相位模糊问题，常与显微成像技术相结合，测量阶跃型结构的表面微观形貌。当阶跃型结构样品的横向尺寸较大时，宽带光显微测试需要采用拼接手段，降低了测量效率。本文提出了一种缩小成像的宽带光干涉仪，该仪器可用于大尺寸阶跃型表面的形貌测量，其工作波段为480~750 nm，采用1 inch探测器形成了47.60 mm×35.76 mm的测量视场。系统组成包括照明准直镜、干涉腔和成像镜。照明准直镜采用科勒照明方案，可以提供数值孔径NA=0.015、视场直径Φ=59.6 mm的均匀照明物方视场；干涉腔集合了Mirau型等光程干涉与Fizeau型无中心遮拦的优势，由倾斜1.5°的分光平板和倾斜3°的参考平板组成；成像镜与准直镜形成双远心成像光路，成像放大率为0.25×，在宽谱段范围内的畸变校正达到0.24%。采用构建完成的宽带光干涉仪测试了USAF1951分辨率板，系统分辨率可达14 lp/mm；测试了校准高度分别为7.805 μm和46.554 μm的台阶板，对阶跃型结构测量的高度偏差优于0.4%。

全聚焦方法（TFM）具有成像分辨率高、缺陷表征能力强的优点，但其存在数据需求量大、计算复杂、耗时过长等问题。针对上述问题，并结合激光超声检测技术，进行了基于ZYNQ平台加速的激光超声全聚焦技术研究。首先建立了基于激光超声的全聚焦算法，并引入激光超声方向性系数进行优化；进一步，搭建了激光超声扫描检测装置进行实验验证，使用线激光源激发超声信号，利用多普勒测振仪探测回波信号；然后使用形成的激光超声全聚焦成像算法进行内部缺陷的检测和定位，并与合成孔径聚焦算法获得的结果进行比较，从而验证了算法的正确性和可行性；最后将形成的激光超声全聚焦成像算法移植到ZYNQ平台上，对激光超声全聚焦成像算法进行了并行优化及双核设计，实现了算法加速。研究结果表明：激光超声全聚焦技术相比于合成孔径聚焦技术，成像信噪比更高、定位更准确；基于ZYNQ加速的激光超声全聚焦成像算法不会降低成像质量，且耗时相比于计算机缩短了86%。

为了解决区域法在四波横向剪切干涉波前重构过程中噪声误差沿积分路径累积影响波前重构精度的问题，本文提出了一种路径导引的四波横向剪切干涉波前重构方法。首先分析了噪声环境下无积分路径导引的区域法波前重构存在噪声误差累积的缺陷，然后在此基础上建立了基于差分相位导数偏差的积分路径评价图模型，并给出了基于积分路径导引的波前重构算法流程。为了验证所提方法的有效性，本文进行了理论仿真研究，结果表明在不同信噪比噪声下所提方法能有效地阻止噪声误差的传播和累积。搭建了基于纯相位型液晶空间光调制器的实验验证装置，实验结果表明：所提方法重构波前与理论波前残差的RMS相比无积分路径导引区域法重构波前与理论波前残差的RMS降低了39.7%，且所提方法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差相对无积分路径导引区域法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差减小了1.6943λ。所提方法可为提高噪声环境下四波横向剪切干涉波前重构精度提供一种有效方法。

基于星载曲面镜的转发式激光时间传递具有零时延、高可靠性和高准确度等优势，但由于缺少合适的卫星试验平台，该技术目前仅限于理论分析，尚未获得有效试验数据及性能评估结果。本文将相邻的两套卫星激光测距（SLR）系统作为试验台站，以激光卫星上搭载的反射器作为转发载荷，开展了转发式激光时间传递试验研究。首先，介绍了转发式激光时间传递的基本原理及理论；然后，对上海天文台SLR系统进行适应性改造，搭建了转发式激光时间传递试验系统，并开展了不同激光卫星的实测试验；最后，分析获得的时间传递结果，研究影响该技术性能的主要因素。试验结果表明：该技术可以获得优于100 ps的精度以及ns的准确度，单向工作模式可行，为转发式激光时间传递的发展提供了有力支撑。

红外数字全息具有强穿透性，可以透过烟雾成像，但研究发现在烟雾环境下，红外数字全息重建像存在部分阴影区域，不能满足对成像质量的要求。为此提出了一种透烟雾红外数字全息像的亮度增强算法。该算法首先使用双边滤波器去除图像的散斑噪声，然后利用二值化、边缘提取、形态学算法分割阴影区域，最后使用基于Tent优化的麻雀搜索算法寻找阴影区域与明亮区域的类间方差最小值，实现增强阴影区域亮度的目的。在烟雾环境下进行实验，拍摄一系列红外全息图后，选取一个完整烟雾周期内的六张样本图像进行处理。实验结果表明，经提出的算法处理后，图像的峰值信噪比（PSNR）、均方误差（MSE）和特征相似度（FSIM）值都优于其他图像增强算法，验证了此算法对透烟雾红外数字全息图像阴影区域亮度增强的有效性与优越性。

铌酸锂晶体是一种多功能、多用途的人工晶体材料，具有温度稳定性好、易于光学冷加工、性能易调控等优势。作为典型的光折变晶体，铌酸锂被广泛应用于高密度光存储、激光物理、信息处理和计算等研究与应用领域。伴随海量存储及动态全息三维显示的巨大需求与快速发展，基于铌酸锂晶体的三维光存储及动态显示再次成为研究热点。针对上述研究与应用，综述了铌酸锂晶体光折变全息存储及显示的原理、研究历史和最新进展，并对未来可能的发展方向进行了展望。

大数据时代海量数据的产生和积累对存储性能提出了更高的要求，因此实现低能耗、长期安全、高效的数据存储是数字化社会建设的当务之急。聚焦以玻璃作为存储介质的光存储技术，概述了该技术的研究进展和维度复用情况，并对其面临的挑战和机遇进行了展望。同时探讨了光场调控技术与深度学习技术在光存储领域中的潜在应用，以期为该领域的研究者提供相关参考。

随着信息时代全球数据量爆发式增长，需要存储的数据量与日俱增。面对大数据存储的挑战，全息光存储技术将信息以数据页的形式并行记录在体全息介质中，可以实现大容量数据的存储与高速读写，具有独特优势。本文从全息存储的原理和关键技术入手，详细介绍了面向商业化应用的全息光存储系统和全息光存储介质的研究现状，探讨了实现大容量和长寿命数据存储的技术途径。

信息技术的发展使得信息加密变得日益重要。光学加密作为一种信息加密手段，具有多维度和高并发速度等优势。然而，传统的光学加密方案往往需要复杂和笨重的光学元件，这导致器件难以小型化和便携化，同时也降低了加密效率。超构表面是一种人工设计的二维平面结构，能够在亚波长尺度上实现对光场的灵活调控，为光学加密提供了一个灵活的平台。近年来，基于超构表面的光学加密方法不断涌现，其利用光在输入端和输出端的多维度来增加加密的复杂度和安全性。基于此，根据加密的端口类型，分别从单一输入端、单一输出端以及输入-输出端联合三个方面对这些方法进行了分析和讨论，并对超构表面光学加密的未来发展趋势进行了展望。

随着大数据时代的来临，利用飞秒激光在透明硬质材料中写入数据形成永久光存储的技术成为高容量、长寿命冷数据的一种理想存储方案，具有广阔的应用前景。本文从飞秒激光永久光存储发展存在的问题出发，梳理了近20年来超快激光与透明硬质材料相互作用的机制，总结了飞秒激光诱导相变的类型和过程，展示了其在光存储方面的应用；同时，从写入速度和容量角度出发，介绍了最新的脉宽调制效应和热调制高重复频率直写技术，阐述了五维永久光存储目前面临的挑战以及可行的解决办法。

液晶作为一种介于液态与结晶态之间的功能性软材料，可以同时表现出液体流动性和晶体的各向异性，被广泛应用于图像显示、集成光电子学、光通信等领域。近年来，由于液晶理论研究的深入及其加工技术的发展，液晶在几何相位、动态可调谐等光场调控方面的优势推动了光学器件的平面化、集成化、智能化和小型化。综述了液晶在光场调控方面的最新应用进展，具体讨论了其对光波振幅、相位、偏振等多维度参数的调控特性，进而探讨了液晶在多功能光学器件和光学加密系统中的应用。

首先简述了双光子聚合3D打印技术的原理及特点；然后介绍了3D打印的衍射光栅、光子晶体、仿生结构及单个微纳结构等代表性结构色方案，并重点回顾了立体、动态结构色信息的呈现方式及其在光学防伪、信息存储和光学传感等领域中的应用；最后总结了双光子聚合3D打印技术的研究现状及存在的问题，并对其未来的研究方向及应用前景进行了展望。

信息安全对人类社会极为重要，关系到个人和各类组织的财产与安全，因此一直以来受到人们的极大关注。其中，物理型信息安全技术因其物理载体和实现原理的多样性和隐匿性而具有极高的安全性。当前，通过引入特征尺寸小、功能丰富的光学纳米结构，物理型信息安全技术借助纳米尺度光场调控的新方法和新实践，在信息容量、安全性和功能性等方面都得到了极大提升。为厘清该领域的发展脉络与方向，本文将回顾近年来基于光学纳米结构的物理型信息安全技术的新发展，介绍该技术的基本原理、实现方法与优势特点，重点阐述其中的基于表面结构色图像、全息和轨道角动量的信息安全技术。此类信息安全技术不仅对于军用、民用机密信息防护具有重要意义，而且在商标防伪和身份认证等领域也有着巨大的应用潜能。

大数据时代对数据存储提出了新的需求，数据的存储安全关乎社会稳定与发展。全息加密光存储具有高存储密度、快读取速度、长保存寿命等特点，为海量数据存储提供了有效的解决方案，是保障数据存储安全的有力手段。聚焦于全息光存储领域，论述了以振幅、相位和偏振等作为调制变量的全息加密光存储的基本原理，介绍了常见的全息加密光存储技术及其性能影响因素，梳理了大量密钥的管理方法，最后总结了各技术特点，并对全息加密光存储的未来发展进行了展望。

超表面在光偏振调控方面具有卓越的能力，利用超表面结构的偏振控制实现信息编码与加密成为一种新兴的光学编码技术。本文旨在介绍超表面偏振光学及其在信息加密领域的最新进展。首先介绍对光束偏振态进行整体调控的各类超表面偏振光学元件，包括超表面波片、偏振器和偏振分束器，强调了超表面在偏振操控方面的卓越性能；接着深入介绍基于不同微型超表面偏振光学元件进行的像素化偏振信息编码，包括对近场偏振态空间分布进行逐点编码的马吕斯超表面，以及对远场偏振态进行空间编码的偏振全息和矢量全息超表面；然后阐述近场与远场像素化偏振空间编码超表面在信息隐藏与加密领域的应用示范；最后进行简要总结，并展望超表面偏振信息编码技术的未来发展趋势与应用潜力。

光子的轨道角动量（OAM）由于理论上的无限模式数而被广泛用于提高数据传输的信道容量。由光学薄膜和亚波长结构阵列组成的超表面可以操纵光学维度，实现高性能的光子集成，而利用超表面实现OAM复用有利于光学器件向小型化、多功能化方向发展。通过设计超表面的幅度与相位分布可以实现OAM全息，将OAM与偏振、波长、角度等其他光学维度结合可以获得多自由度大容量OAM复用全息。本综述将从这些方向展开，论述近年来利用超表面实现OAM复用全息的研究进展。提高OAM复用全息的自由度并改善成像质量，实现安全性、集成度更高的光学元器件，是未来OAM全息的发展方向。

人类社会正处于信息爆炸的大数据时代，迅速膨胀的数据在持续高速增加，需要越来越大的存储容量来承载。高密度光存储技术具有非接触、抗电磁干扰、存储密度高等优点，为更好地存储、处理、分析每天产生的海量数据提供了优质方案。然而，光储存记录点的尺寸受到衍射极限的限制，传统光存储技术的存储密度难以大幅提升。近年来，随着多参量光场调控技术的发展，高数值孔径物镜聚焦下的结构化光场有了更新颖的结构、更丰富的维度和更小的尺寸，为高密度光存储提供了更多选择。本文将综述光场调控技术在紧聚焦焦场上的最新成果，介绍实现空间紧聚焦焦场的理论设计、模拟、实验、高效生成器件和应用。这些成果将会更好地服务于高密度光存储技术的研究与应用。

随着大数据时代的到来，空间光通信已被广泛应用于各种通信系统中，但随之而来的是容量瓶颈的挑战。基于光场频率、时间、偏振、横向空间模式等维度调控的信息编解码方法在解决容量问题方面展现了优异性能，但光场的纵向维度却未被应用于信息编解码。针对此问题，本文提出了一种基于电介质超表面的光场纵向维度信息编解码新方法，基于四原子结构的几何相位和传输相位联合调控，实现了透射场自旋相关的复振幅调控。同时，利用光学冻结波原理产生了轨道角动量模式叠加态的纵向可控变化，并验证了光场模态的纵向调控能够以指数级提升信道中的模态容量。纵向维度作为一个全新的编码自由度，有望进一步提高自由空间光通信性能。

光谱分离成像是一种可同时获取光谱信息、空间位置信息的探测技术，被广泛应用于地理、环境、生物、光学等领域，集成化是该技术的重要发展方向之一。提出了一种基于超透镜的光谱分离技术，采用选择性光谱响应单元结构对红、绿、蓝（RGB）三个波段的聚焦相位进行编码，基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息，简化了获取光学信息的过程，推动了小型化光谱分离成像器件的进一步发展。

超表面是一种具有灵活的偏振操纵功能的新型材料。为了获得远场偏振全息图像，通常需要添加透镜等光学元件。笔者利用超表面波带片的灵活偏振操纵及聚焦功能实现了一种新颖的远场偏振全息加密技术。在该技术中，两个自旋复用的超表面波带片被集成到单个介质超表面器件中，其中超表面的振幅（右旋圆偏振转化率）用来编码奇数和偶数环形区域的波带片，而其相位调制则用来编码透射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的两个全息图。此外，二维码（QR码）和振幅型/相位型全息图用于进一步隐藏加密信息，以提高信息的安全性。所提加密技术有望进一步提升数据安全性和隐私保护水平，推动光学信息加密和高密度数据存储等领域的技术发展。

为进一步增强加密或存储器件的实用性与安全性，设计并实现了一种多通道偏振复用的相变全息超表面，通过在多通道全息超表面设计中引入相变介质，实现了动态的可擦除功能。当耦合相变介质层处于非晶态时，所构造的编码超表面可以产生两个独立成像的全息通道。当相变介质变为晶态时，决定相位调控的交叉偏振被关闭，对应的相位编码“被擦除”。

通过调制具有不同编码单元的参考光，对信息光进行分页式加密存储。提出两种参考光编码加密模式，即扇形参考光编码模式和随机位置参考光编码模式，并对这两种方法进行验证。实验结果表明，这两种方式都通过正交相位编码完成加密解密的过程。对两种方法的加密性进行评估，不同密钥对应的加密信息之间的相似度均值分别为0.57和0.02，均方误差的平均值分别为537和1872。随机位置参考光编码模式下的同轴系统安全性更高。正交相位加密技术可以有效地防止存储数据被非法访问和窃取，保证了数据的安全性。

模式转换器是实现模分复用技术（MDM）的关键部件。基于伴随法对器件边缘进行智能优化，从而在绝缘体上硅（SOI）平台上设计了高性能TE₀-TE₁模式转换器。经仿真验证，在中心波长1550 nm处，模式转换效率达99.6%，消光比达31.2 dB，而损耗仅为0.01 dB。在1500~1600 nm带宽范围内，TE₀-TE₁的转换效率保持在96.6%以上，消光比保持在15.7 dB以上，而损耗保持在0.14 dB以下。当器件尺寸变化在±20 nm以内时，器件在1550 nm处的转换效率保持在97.2%以上，消光比保持在16.5 dB以上，插入损耗维持在0.12 dB以下。在片上设计了TE₁模式的测试装置，并利用商业流片对转换器进行制备。实验结果表明，在60 nm的带宽范围内，TE₀-TE₁转换器的转换效率保持在90%以上，插入损耗维持在0.4 dB以下。因此，所提出的转换器具有高转换效率、宽带宽、低插入损耗和高制作容差等特点，为高性能片上模式转换器的高效设计提供了新思路。