设计了一种对称椭圆空气孔缺陷的光子晶体光纤,采用全矢量有限元法, 研究了该结构光纤基模的电场分布、双折射、色散、非线性及限制损耗等特性。结果表明：基模能量大部分限制 在光纤的纤芯。在λ=1550 nm, Λ=3.0 μm时,光纤基模的双折射达到了3.327×10-2, 并且色散值几乎为零,同时非线性系数值也达到 46.36 W-1·km-1,此外基模的 x 偏振和 y 偏 振的限制损耗分别达到为 4.907×10-7 dB/km和 6.819×10-7 dB/km。 在入射波范围为 0.60 ～1.80μm时, 该光纤在可见波段和近红外波段存在两个零点色散波长,且零点色散波长的位置随 Λ 的增大而向长波方向移动。 基于这种高双折射、高非线性系数、双零色散、低损耗的光子晶体光纤,在光纤传感、光纤通信、色散控制及非线性光学等领域都具有广阔的前景。

应用4×4传输矩阵法数值分析线偏振光在一维磁光光子晶体中的传输特性。 首先推导了4×4传输矩阵, 然后数值计算线偏振光在一维磁光光子晶体中传输时的透射谱和法拉第旋转角,结果表明:当施加外磁场时, 由于磁光材料的磁光效应,线偏振光中的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在一维磁光光子晶体中传播时的透射谱 不再重合,导致透射谱发生分裂。最后计算透射光的电场强度x分量和y分量的振幅和相位,得到透射光的表达式和法拉第旋转角。

设计了一种中心带有椭圆空气孔缺陷的光子晶体光纤，采用全矢量有限元法研究了该光纤基模的电场分布、双折射、色散、非线性及限制损耗等特性。结果表明，电场能量被束缚在光纤的纤芯。在λ=1.55 μm处，光纤的双折射为5.958×10-2，达到10-2数量级；在1.50~1.60 μm波段范围内，色散值在（-549.2±5） ps/(nm·km)范围内，具有高负平坦色散。此外，该光纤的x偏振基模的非线性系数为46.82 W-1·km-1，低损耗值为5.413×10-4 dB/km，并且在y方向上两个基模偏振态的限制损耗是x方向的6423倍。该光子晶体光纤具有高双折射、高非线性、高负平坦色散、低损耗的特点，在光纤传感、偏振控制、色散补偿及非线性光学等领域具有广阔的应用前景。

利用传输矩阵法研究了液晶染料填充一维阶梯型Double-period第四代准周期结构局域模的光学特性。计算了增益前局域模与外加电场方向和正入射波方向间夹角θ的变化关系,分析了增益系数与局域模透射率的关系以及局域模在空间位置的光场分布,讨论了增益后的局域模透射率与光场强度的关系。结果表明:随着夹角θ的增大,光子禁带变宽并且只向短波方向拓展;随着夹角θ的增大,增益前的局域模向短波方向移动,透射率逐渐增大,且局域模波长的调控量为237 nm。随着增益系数的增大,透射率先增大后减小。光场分布呈现局域现象,当夹角θ=434°,波长λ=5950 nm时,光强达到6个数量级。增益后的局域模透射率与光场强度呈正比关系。

利用传输矩阵法研究了含向列相液晶缺陷层的1维阶梯型双周期第4代准周期结构 缺陷模的电场方向调控特性。分析了外加电场方向和正入射波方向间夹角θ与缺陷模波长的位置、 品质因子、空间位置光场分布的变化关系,探讨了缺陷模的品质因子对光场强度的影响。 结果表明:随着夹角θ的逐渐增大,缺陷模的位置向短波方向移动,缺陷模波长的调控量为84 nm;随着夹角θ的逐渐增大, 缺陷模的品质因子逐渐增大;缺陷模在空间位置的光场分布呈现出局域现 象,随夹角θ的增大,空间位置的光场强度逐渐增强;缺陷模的品质因子与光场强度成正比关系。

磁流体的有效介电常数εliq 与磁性粒子体积分数P和外加磁场因子α∥ 有关。计算了水基MnFe2 O4 磁流体的有效折射率随纳米磁性粒子体积分数P和外加磁场强度因子α∥ 的变化关系,发现通过调节α∥ 的大小可实现不同纳米磁性粒子体积分数的磁流体具有相同的有效折射率。应用传输矩阵法, 数值模拟了水基MnFe2 O4 磁流体中P为0.745时结构为(AB)8C(BA)8的一维磁流体掺 杂光子晶体的透射谱。结果表明:缺陷模磁流体nc的增大出现红移现象,即缺陷模中心 波长随nc的增大而变长,最大改变量为36.6 nm。讨论了缺陷模品质因子Q, 发现缺陷模半峰值带宽不变,Q与缺陷模波长 随nc的变化具有相同的线性变化特性,即Q 随有效折射率的增大而增大。

基于液晶的电场调控特性，利用时域有限差分（FDTD）法和完美吸收边界条件（PML）数值计算了：三角格子周期性排列的圆空气孔构成的完美二维光子晶体的禁带结构；纤芯填充5CB液晶光子晶体光纤在外加电场方向与x轴夹角θ分别为0°, 30°, 60°, 90°时的波谱图；以波长2504 nm和θ分别为0°, 30°, 60°, 90°对应的局域模波长作为波源时的光场分布。结果表明：完美二维光子晶体存在范围为2334~2438 nm的禁带；纤芯填充5CB液晶光子晶体光纤的局域模波长随着夹角θ的增大向短波方向移动，当夹角θ在（0°，90°）范围内变化时，局域模波长的最大调控量为73 nm；对于波源为禁带范围外的光波，光场能量不局限在光纤纤芯；对于光源为局域模波长的光波，夹角θ越大，光场能量越集中于纤芯区，且光场能量分布越均匀。

基于液晶折射率对温度和电场的特性，采用传输矩阵法，研究了含一缺陷层一维液晶填充光子晶体 缺陷模电场和温度调控特性。研究结果表明:当温度T在273～330 K内一定时，随着垂直入射光与电场方向 间夹角θ在(0, π/2)内增大， 缺陷模波长向短波方向漂移，最大调控波长为37.3 nm。当夹角θ在(0, π/2)内一定时，随着外界温度T在273～330 K内升高，缺陷模波长发生改变， 变化量先负后正，最大调控波长为21.9 nm。当θ=0.7505时，不管外界温度T在273～330 K内如何变化，缺陷模波长保持不变。温度对缺陷模波长的影响 比垂直入射光与电场方向间夹角θ对缺陷模波长的影响更弱。

由于水的表面易出现抖动或波动情况，而传统的显微镜成像需要精确的光学焦聚过程，因此不适于观察漂浮于水表面的血吸虫尾蚴.本文论述了用同轴数字全息检测血吸虫尾蚴的基本原理.通过对再现像进行小波分析发现，偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多.针对这一特点，本文对小波变换清晰度评价函数进行了改进，将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据.在模拟实验结果中清晰度评价函数极大值出现在再现距离与记录距离相等处，说明了该算法的准确性.建立了用于血吸虫尾蚴检测的实验装置，可方便获取普通显微图像及数字全息图.实验结果表明，本文提出的算法能实现实际情况下的数字全息自动聚焦，其再现像的分辨率与装有1倍显微镜头的数码显微镜分辨率相当，足以清晰地分辨出血吸虫尾蚴的尾部分叉特征.利用同轴数字全息技术可在水面与图像传感器之间的距离不确定的情况下实现对血吸虫尾蚴的检测.

由于数字全息采用相干光成像，当再现距离偏离焦点时，再现像的边缘会出现振荡现象，采用传统的清晰度评价函数不能准确实现自动聚焦。通过对再现像进行小波分析可以发现，偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多。针对这一特点，对拉普拉斯算子和小波变换清晰度评价函数进行了改进，将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据。为便于同时观察到数字全息三维空间内的目标，还提出了将不同层面上的再现像进行融合的算法。进行了模拟数字全息自动聚焦及再现像融合实验和用数字全息观察生物标本的实验。实验结果表明，改进后的清晰度评价函数可以准确实现数字全息的自动聚焦；提出的融合算法可以将数字全息再现后得到的一系列再现像融合到一幅图片中。