长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而，由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题，其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法，并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型，设计样本定量重构算法，从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构，不依赖复杂的光学调制元件，结构简单、操作便捷。此外，本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱，实现了原位长时程成像。利用该系统，研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化，展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。

提出一种可用于非球面面形检测的同步环带子孔径干涉（SASI）检测方法。该方法利用双焦点透镜形成两个测量波前来匹配非球面不同子孔径区域，进而实现非球面的同步环带子孔径干涉测量。分析SASI检测非球面面形的原理，确定双焦点透镜的焦点间距选取原则，建立子孔径的基准统一模型，通过光学追迹软件辅助建模和坐标变换实现子孔径基准统一与非球面面形重构。结合实例对一个口径为90 mm、顶点曲率半径为317 mm的抛物面进行面形检测实验，SASI方法面形重构结果与Luphoshcan方法检测结果的对比，验证了SASI方法的正确性。该方法在一定程度上扩大了干涉仪直接检测非球面的动态范围，且无需复杂的运动机构就可以同步得到被测非球面两个子孔径区域的干涉图样，加快了检测速度、降低了运动误差对测量精度的影响。

设计并制备了一种基于树形结构的1×8硅基热光开关，该热光开关由1个2×2和6个1×2马赫-曾德尔干涉仪的基本单元结构组成。该1×8硅基热光开关采用与互补金属氧化物半导体兼容的工艺制造。通过氮化钛加热器来改变波导的温度，利用硅的热光效应实现光开关功能。实验结果表明：在1550 nm工作波长下，该热光开关的平均片上插入损耗约为1.1 dB；所有输出端口的串扰都小于-23.6 dB；开关响应时间小于60 μs。

表面增强拉曼散射（SERS）技术在痕量检测等领域中具有重要的作用，制备周期性微纳结构，构建表面等离子体耦合体系，是当前实现高性能SERS基底的主要方法之一。鉴于传统周期性微纳制备技术成本高、效率低等不足，提出了激光干涉诱导向前转移（LIIFT）技术，利用三光束LIIFT制备周期性Ag微点结构，并分析了结构基底的SERS特性。研究结果表明：基于LIIFT技术可以实现Ag微点结构的大面积、高效制备，并且通过调节三光束干涉光场周期，可以实现对Ag纳米颗粒的可控制备。最后，以典型食品添加剂罗丹明B（RhB）为检测对象，验证了Ag微点结构的SERS特性。该研究表明LIIFT技术是一种高效制备SERS芯片的有效途径，在食品、环境及生物工程等领域中具有潜在的应用价值。

提出了一种基于等效元件和相位补偿法的高精度任意波片相位延迟量和方位角同时测量的方法。在测量光路中的待测波片之前插入一个可旋转半波片，利用反射镜使测量光两次过该半波片和待测波片，相当于测量一个相位延迟量为待测波片两倍的等效波片，可以实现双倍分辨率检测。采用双频激光源和相位检测方式，旋转半波片补偿测量光相位，将测量光相对参考光的相位差变化先后调整为最大值和最小值，由二者之差即可得到任意待测波片的相位延迟量，同时根据最大值或最小值对应的半波片方位角即可确定待测波片的方位角。本方法所测量的波片相位延迟量从原理上避免了一般光强法所受到的光强波动的影响，以及许多方法所受到的双折射器件方位角定位精度的影响。系统采用双频外差干涉光路，具有共光路性质，稳定性高。测量系统结构简单、元件少，测量快捷。此外，由于测量光束两次通过待测波片的同一位置，因此所提方法还可以用于测量楔形结构的双折射器件。现有条件下的误差分析表明，相位延迟量的测量不确定度约为3.3'，快轴方位角的测量不确定度优于5.4''。实验对比结果表明所提方法与其他方法测量结果的一致性很好。

提出了一种渐进式训练方案来重新配置马赫-曾德尔干涉仪（MZI）前馈光学神经网络（ONN）的相移，从而对抗MZI的相位误差和分束器误差，提高识别准确率。为了验证所提方案，利用Neuroptica Python仿真平台搭建了3层MZI-ONN结构，并在考虑到MZI相位误差和分束器误差的情况下，利用Iris和MNIST数据集验证了所提方案的有效性。仿真结果表明：在Iris数据集下，对于3层4×4 MZI-ONN结构，所提方案的识别准确率能够提升64.15百分点；在MNIST数据集下，对于4×4、6×6、8×8和16×16规模的MZI-ONN，所提方案的识别准确率能够提升2.00~37.00百分点。所提方案极大地提高了MZI-ONN的抗误差性能，有助于未来大规模、高准确率MZI-ONN的实现。

提出了一种基于光强迭代的单幅干涉图相位提取方法，实现了对单幅干涉条纹图的高精度相位提取。首先通过对原始干涉图进行预处理得到初始相位；将初始相位引入到干涉条纹图的强度表达式中，利用最小二乘法初步得到背景光和调制光；再将初步估计的背景光和调制光代入最初干涉图的强度表达式中以求解待测相位，比较得到的待测相位和初始相位，若不满足迭代精度要求，则重复上述相位求解过程并实现迭代，若求解的相位与初始相位的均方根差值满足收敛条件，则停止迭代。进行仿真和实验研究，得到的Φ100 mm口径平面元件的测量提取结果与实际相位一致。结果表明，该方法在具有较高检测精度的同时能够有效地保证算法的稳定性。