稀土类发光材料由于其丰富的光学特性而具有重要的研究与应用价值。其中，稀土上转换发光材料在近年来尤为受人瞩目，与之相关的研究成果遍布物理、化学、生物、材料和多个交叉领域。有别于大多数发光材料的共性，上转换材料的激发-发射谱峰波长呈现为反斯托克斯位移，因此能够在短波长谱带范围绕过背景噪声且传输发光信息。作为对这一光物理机制的理解运用，人们通过化学方法合成了纳米尺度的稀土上转换发光材料，并且在生物样品荧光显微成像中成功证实了上转换发光标记物的高信噪比检测。以上转换发光微纳材料的光物理性质研究为主题，介绍和梳理了稀土上转换纳米材料在偏振光谱解析、单纳米颗粒超分辨发光成像、微型激光器构筑方面的研究进展。

由于受到表面等离激元(SPP)固有偏振性的影响，基于表面等离激元的波导型调制器只支持横磁模式(TM)传播。本文提出了一种在垂直方向和水平方向上均构建混合(hybrid)波导结构的表面等离激元电光调制器，以实现调制器的低偏振灵敏性。在组合的混合波导中，垂直和水平偏振方向上的表面等离激元被限制在相应的混合波导中。通过调控介质和ITO界面处形成载流子积累层中载流子浓度可实现光吸收调制。在经优化的结构中两个偏振态的消光比差为0.005 dB/μm。通过3D-FDTD 模拟调制器的光场调控，清楚地显示了传统硅波导与偏振不灵敏调制器间的耦合传输特性。两种偏振态下，偏振不灵敏调制器与硅波导之间的耦合效率均达到了74%以上。此项研究将为表面等离激元电光调制器在偏振不灵敏光集成回路中的应用提供解决方案，为其与具有偏振随机态光纤回路的集成奠定了基础。

以随机电磁-双曲正弦-高斯(ShG)光束作为典型的随机电磁光束,根据广义惠更斯-菲涅耳原理推导出随机电磁ShG 光束在大气湍流中的交叉谱密度矩阵元的解析表达式,用以研究随机电磁ShG 光束在大气湍流中的横向偏振度的变化.研究结果表明,随机电磁ShG 光束在大气湍流中传输时,横向偏振度的分布随位置的不同而不同,结构常数C2n 越小,或Sh 部分参数Ω0 越大,或互相关空间相关长度σxy (σyx ) 越大,横向偏振度的分布变为双峰状、平顶状、单峰状的传输距离越长.

不同地区的平流雾和辐射雾具有差异化的雾滴谱分布，导致雾场对光辐射具有不同的衰减特性。Mie 散射适用于描述雾场气溶胶微粒的散射与衰减，光传播遵循动态的粒子数守恒过程。采用雾滴谱分布函数修正气溶胶微粒的相位矩阵，分析了红外光在雾场气溶胶微粒团簇中的散射光偏振性。结果表明，决定雾场气溶胶微粒退偏特性的因素主要包括雾滴谱分布、雾滴折射率、吸收系数以及入射波长等。在前向散射区域内，退偏性随能见度的增加而减弱，在大部分后向散射区域内，表现出相反的趋势。

人眼视网膜是一种具有高散射特性的生物组织。基于米氏散射理论研究光在视网膜组织中的传输过程对生物组织散射成像具有重要意义。根据解剖学上视网膜结构与细胞分布的特点，引入分子动力学领域的静态结构因子修正辐射传递理论，并采用离散坐标法求解视细胞对散射光偏振性的影响。结果表明散射光偏振性取决于视细胞尺寸与浓度分布等因素。在不同的极角和光程位置，散射光束的偏振性呈现波动性变化，视锥细胞核比视杆细胞核具有更强的散射特性，散射光束的偏振特性变化随散射角的增大而增大。

为了确定染料调Q的Nd3+∶YAG激光器发射的单次激光脉冲的偏振性,利用偏振分束立方体和双通道激光能量计,实验测量了激光脉冲经偏振分束后P偏振光和S偏振光的能量比,分析总结了激光器的偏振性。结果表明:激光器偏振性个体差异很大,不存在统一性;每一台激光器都有各自的偏振性,同一台激光器前后发射的激光脉冲的偏振性可能一致,也可能变化较小,也可能完全随机。产生偏振性的具体原因有待进一步研究。

用特征矩阵法研究了薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性。研究发现：随着入射角增大，s偏振光透射模和p偏振光透射模的波长逐渐分离，但分离的幅度较小；随着入射角增大，s偏振光透射模的透射率作幅度较大的震荡变化，而p偏振光透射模的透射率变化较小；当入射角以1°/100的间隔变化时，可以在透射模波长不变的情况下，使s偏振光透射模的透射率发生显著变化，而p偏振光透射模的透射率基本不变。薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性可以在角度变化的测量中发挥重要作用。

为了适应激光工程系统中光纤激光器和光纤器件的应用，设计研制了一种基于光纤器件超短脉冲测量的自相关仪。系统中利用了11偏振无关光纤分束器、光纤准直器、光纤偏振控制器、不同分束比的光纤耦合器和光纤隔离器等光纤元器件，以及光纤接口光谱仪。重点分析了光纤干涉仪中的光纤偏振效应、倍频器件的偏振要求和光纤准直器耦合效率等因素对自相关测量的影响，并给出了相应的解决方法。实验中对一个非线性偏振旋转光纤锁模激光器的输出脉冲宽度进行了测量，证实了光纤自相关仪的可行性。研究表明光纤自相关仪具有与光纤激光系统连接方便、结构简单、轻巧等诸多优点。

实验研究了偏振与非偏振激光对亚心形扁藻的促长作用、叶绿素含量以及色素粗提物吸收光谱等生物学效应的影响。采用488 nm,70 mW输出功率的氩激光,辐照亚心形扁藻,隔天取样进行细胞计数,培养至第6天提取叶绿素,测量叶绿素含量并扫描叶绿素的吸收光谱。实验结果表明,偏振激光与非偏振激光辐照对藻细胞密度、生长速率的促长作用区别不显著; 偏振性与否对叶绿素含量的累积没有明显的区别; 激光偏振性对色素粗提物的吸收光谱没有影响。激光偏振性与否均可对亚心形扁藻的生物效应产生有效的作用,激光偏振性与激光生物效应关系的研究有待于进一步深入。

采用相干性和偏振性统一理论, 推导出了部分相干电磁厄米-高斯(EHG)光束在湍流大气中传输时偏振度的解析式, 并给出了偏振度保持传输不变的条件。研究表明, 部分相干电磁厄米-高斯光束的偏振度由大气折射率结构常数、光束相关长度、厄米多项式阶数、光束初始偏振度相关常数和观察点位置共同决定。经过足够长的传输距离后, 光束的偏振度将趋于源平面处的初始值, 并与光束相关长度、厄米多项式阶数以及湍流的强弱均无关系。电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束通过湍流大气传输时光束偏振度的变化作为所得结果的特例给出。