采用液体电极介质阻挡放电装置，对不同填充比环形等离子体光子晶体（APPCs）进行了系统研究。实现了等离子体柱半径动态可调、时空高度对称的APPCs，并能有效调控其基元微结构。基于实验结果，利用二维有限元计算，研究了不同APPCs的色散关系，分析了等离子体柱半径对能带位置和带隙宽度的影响。结果表明，随等离子体柱半径增大，能带结构由不完全带隙转化为完全带隙，带隙宽度随之增大。环形结构基元的设计使等离子体光子晶体（PPCs）具有易于实现宽带隙能带结构的优异特性，其形成完全带隙的等离子体柱半径阈值显著低于常规PPCs。在相同等离子体柱半径下，APPCs的带隙宽度明显大于常规PPCs。提出的等离子体填充比可调的APPCs，为能带结构的优化设计提供了更多可能，同时为设计新型可调谐光子晶体以及开发宽带隙、高度集成光子器件带来启示。

采用有限单元法, 分别对TE模式、TM模式下三角晶格等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算, 分析了等离子体填充比对能带位置和禁带宽度的影响。结果表明: TM模式下等离子体光子晶体在M-Γ、X-M两个方向上存在不完全带隙, 随填充比的增加, 带隙位置向高频移动, 禁带宽度增大直至达到一稳定 值。TE模式下等离子体光子晶体不仅存在禁带结构, 还在低频处形成了表面等离子体波的平带结构。随填充比的增大, TE模式等离子体光子晶体由X-M单一方 向的不完全带隙形成了完全带隙, 带隙宽度随填充比的增大而增大。本文提供了一种可调谐等离子体光子晶体的有效方法, 有望应用于微波、THz波的可调性 控制。

光纤耦合是半导体激光器集成光源进一步改善输出光束质量和远距离传输的重要手段。然而，由于半导体激光器单管体积和散热的限制，合成后激光光源的输出光束光参量积仍较大，不利于与单根多模光纤的耦合；直接与光纤束耦合又受到光纤束填充比的限制。针对多个半导体激光器单管集成的光源，采用倒置前端光学放大系统，对合成光束直径进行压缩；并采用六方排列的微透镜阵列作为耦合元件，使其光瞳成像在光纤端面，从而实现微透镜与光纤的一对一耦合，得到理论无损耗的高效光纤耦合系统。为了改善光场边缘像差影响，采用空心光管进一步匀化光场分布，且减小了边缘光线的发散角，提高了边缘光线的成像质量，优化后的系统耦合效率达98%。这一系统利用微透镜阵列将光束分束、成像，克服了集成光源输出光束光参量积较大不易与单根光纤耦合的缺点；通过使微透镜的入瞳成像在光纤端面，且光纤束的排列与微透镜阵列排列相同，提高了光束与光纤束的耦合效率。

针对传统LED显示屏光能利用率和图像画面填充比低的缺点，基于非成像光学理论，提出了一种提高光能利用率和画面填充比的全彩LED显示模块结构系统和设计方法。利用复合抛物面集光器CPC对LED管芯发出光线的发散角进行变换压缩，从而避免了外表面全反射损耗，大幅度提高了系统的光能利用率。利用积分方腔匀光原理和散射元件对光能的二次分配，提高了显示屏的画面填充比、单位像素均匀度及基色复用面积。作为实例，根据上述方法设计了一个P10 mm全彩LED显示模块，利用光学设计软件LIGHTTOOLS对该显示模块系统进行了仿真建模和光线追迹，并对设计结果进行了分析。结果表明，系统光能利用率大于70%，画面填充比接近100%，单位像素区域内均匀度好于85%。显示模块具有能量利用率高、高画面填充比、显示效果均匀柔和、易于生产和装调的优点。

本文讨论了平板式光子晶体能带结构的计算方法,并利用平面波展开法研究了聚苯乙烯材料制作的平板式光子晶体的能带结构与晶格类型、填充比两个主要结构参数之间的关系.计算给出了晶格类型及填充比发生变化时光子禁带的变化规律.研究发现,当填充比(r/a)介于0.1～0.5之间时,四边形晶格结构和六角形晶格结构奇模和偶模均存在光子带隙,蜂窝状晶格只有偶模存在光子带隙,而且只有当填充比r/a＞0.46时才出现光子带隙.本文所得结果对聚苯乙烯光子晶体的制作和进一步应用研究奠定了理论依据.