设计并制备了一种具有较大变倍比及较高成像质量的充液式连续变焦微型柱透镜系统。该系统由埋入聚二甲基硅氧烷基片的两片对称弯月柱透镜及一片双凸柱透镜构成：两弯月柱透镜边缘位置胶合形成空腔，改变注入其中的液体折射率，可实现柱透镜系统的连续变焦；双凸柱透镜的优化设计可控制柱透镜系统整个变焦范围内的像差。当柱透镜系统中注入的液体折射率由1.3330变化到1.5530时，可实现系统后焦距由52.292~4.972 mm的连续平滑变化。整个变焦范围内，柱透镜系统径向弥散斑均方根半径始终小于5 μm，接近衍射极限。对柱透镜系统的可能公差进行了详细分析，证实了该设计的可行性，并完成了透镜系统的加工制备及后焦距、调制传递函数曲线的测量。该变焦系统具有变倍比高、体积小、结构简单稳定、成像质量高等优势，可用于集成化的微型设备中。

根据惠更斯原理搭建了一台可分别测量晶体折射率各向异性的实验装置，并在室温至1200 ℃的温度范围内采用光位移法间接测定了蓝宝石在445 nm波长下的寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e，计算得到相应的热光系数为1.5793×10^-4 K^-1和1.5517×10^-4 K^-1。此外，基于第一性原理计算了蓝宝石的折射率等光学参数，相应的折射率变化规律与实验相近。实验与计算的结合验证了蓝宝石高温折射率数据的可靠性，为蓝宝石材料的开发应用和相关器件的性能优化设计提供了有效参考。

为满足精密测量等领域对半导体激光器的波长稳定性、相位噪声等指标的严苛要求，提出基于系统传递函数理论推导论证与仿真验证相结合的分析方法，并由此设计改进了一款半导体激光器的高稳低噪恒定电流驱动电路。绘制了电流驱动电路的交流小信号模型和交流通路，对电路参数和系统稳定性的关系进行了理论分析，并引入噪声抑制网络对电路进行改进，通过Tina-TI仿真验证了改善后的驱动电路在2 MHz带宽内的噪声抑制能力和稳定性。实验结果表明，恒流驱动电路在3 KHz~2 MHz宽带内交流噪声有效值为224 nA，连续驱动电流2.5 h稳定度优于1.904×10^-6，1 h光功率积分时间1 s时的稳定度为1.177×10^-5。仿真与实验基本相符，驱动电路具有较高的稳定性和噪声抑制能力，同时，该分析方法对半导体激光器的超低噪声的驱动电路设计和优化具有普遍的理论指导意义。

提出一种可用于隧道照明的、基于自旋转原理的太阳光反射照明系统。基于采光系统和出射系统光学中心合一原理分析了系统光学特性，设计出了利于整体封装的高采光量反射照明系统。分析表明，该系统在全方位跟踪太阳光过程中，光学中心始终保持不变，通过设定出射光方向即可实现太阳光定向投射，调节不同安装位置系统的出射角可实现隧道入口太阳光照明的全覆盖，证明了该系统用于隧道入口加强照明的可行性。实验测试表明，由该系统采集投射的太阳光，最高利用率可高达60%，照明距离长达120 m，为目前太阳光直接照明领域相同传输距离下光能利用率最高的技术。该技术的研究和应用对提升高光能需求的公路隧道照明低碳节能环保技术水平，促进公路交通“碳达峰、碳中和”和可持续发展均具有积极的作用。

为解决硬X射线自由电子激光装置难以提供皮秒至纳秒区间时间分辨的问题，提出了面向目前在建的上海硬X射线自由电子激光装置分束延迟的系统设计。采用基于晶体衍射的延迟方法设计分束延迟光学系统，计算了延迟时间范围，模拟了系统光通量，搭建了一台样机并进行了光路对准实验。该设计采用空间分光方式，将入射脉冲分为两个部分，并通过路程差在二者之间引入时间延迟，具体的原理样机设计适用于光子能量在7~11 keV范围，最多能实现-15.4~503.3 ps的时间延迟。使用Shadow模拟了样机设计的光通量，两个分支光通量分别为33.54%和33.64%，符合1∶1的设计目标。使用绿光激光进行了样机的光路对准实验，证明该样机能使空间分光后的两束光重新复合，为后续X射线验证实验提供基础。该设计具有空间尺寸小、延迟范围大、入射能量和延迟时间连续可调的优点，为上海硬X射线自由电子激光装置的分束延迟系统研制提供参考。

针对战场态势感知、环境污染监测以及应急减灾等领域对全天候、全天时遥感信息的应用需求，提出了一种可见光/红外一体化空间遥感成像方案，工作谱段覆盖可见光全色/多光谱、中波红外和长波红外，不同谱段的空间分辨率分别可达到为2 m/8 m、8 m和16 m，成像幅宽大于15 km。分析确定了光学系统技术指标参数，提出了可见光/红外共口径模块化光学系统设计方案，完成了各模块光学系统和整体光学系统的设计与分析。设计结果表明，各模块光学系统和整体光学系统的成像质量均接近衍射极限，各模块光学系统可进行单独装调和测试评价，有利于实现可见光/红外复杂光学系统的模块化研制，有效降低多谱段、多焦距、一体化复杂光学系统的研制难度和研制周期，具有较高的工程应用价值。

为了有效提高半导体发光二极管（LED）光学系统的空间利用率，设计了一款基于负焦距透射结构的自由曲面准直透镜。该准直透镜分为透射准直和反射准直两部分，设计基于几何光学、斯涅耳定律以及能量守恒定律，通过使用Matlab软件编写算法迭代计算得到透镜的2D曲线数据，然后将2D曲线数据导入Solidworks软件旋转360°后得到准直透镜的3D模型，再导入光学建模软件Lighttools进行光线追迹，根据接收面上的光斑情况对准直透镜进行优化，优化后的准直模块经过模拟仿真，光能利用率为88.45%，光束角为±2.23°，具有优越的准直性能，相比传统的单透射自由曲面准直透镜，采取负焦距透射结构设计的准直透镜体积同比减少63.13%，能更有效地实现对LED光线的调控并减小透镜的体积。

为了实现对可见光波束的自由调控，提出了一种梯形单元结构的超表面。改变硅纳米微元的上下底和宽，对传输相位进行调制，实现了在目标波长下0到2π透射相位的调控。利用该结构设计的超构表面可以同时对线偏振光和圆偏振光进行调控，实现了在波长为640 nm线偏振光和圆偏振光入射下的聚焦。此外，研究了聚焦特性以及在线偏振光入射下晶格周期对聚焦特性的影响。该项工作为基于超表面结构设计的集成光学提供了新的思路。

为了营造一个健康舒适节能的视觉显示终端（VDT）作业光环境，提出基于节律因子和群智能算法的动态照明调控方法。首先根据VDT作业空间的作业情况和补偿关系建立照明模型；再结合光照需求、人工光源和自然光源之间的补偿关系和节律因子，建立动态光照调控模型；之后提出结合粒子群算法和萤火虫算法优势的混合算法，并引入精英粒子思想对混合算法进行改进；将某时段的照明需求、自然光源补偿量和作业区分布情况作为照明优化模型的输入，并利用改进算法求解人工光源的光通量。将改进算法与其他算法进行对比实验，改进算法的寻优能力和稳定性明显优于其他相关算法；实验证明基于动态调控方法优化的VDT作业空间光环境，视觉效果更好，并具备较大的节能潜力。

提出了一种适用于二维面形加权叠加的方法，该方法可以针对扩展LED光源设计自由曲面对光分布进行调控。在光源面上取5个采样点作为5个点光源产生5个自由曲面，对每个自由曲面数据点分别乘以权重因子，对加权之后的自由曲面进行叠加，叠加后的自由曲面作为初始轮廓。使用粒子群算法对权重因子做进一步优化，获得最优权重因子，使用最优权重因子对5个自由曲面进行加权叠加。使用叠加之后最优的自由曲面构成的透镜对扩展LED光源进行光分布调控，模拟结果表明，使用该方法可使目标面的照度均匀度达到75%，比初始透镜在目标面产生的照度均匀度提高了15%。该方法具有优化变量少、面形连续性好、收敛速度快等优点。