为了实现增强现实头戴显示系统全色显示功能，建立了多层全息平板波导显示系统，并对该系统所采用的衍射原理、光栅常数及对应衍射波长等技术参数进行了研究。首先，根据光栅方程及全反射理论，介绍了全息平板波导入耦合光栅常数与传输光波长之间的限制关系。其次，为了实现光瞳扩展，介绍了转折光栅、出耦合光栅与入耦合光栅之间的限制关系。在此基础上，以550 nm绿光为例仿真设计了单层全息平板波导显示结构。然后，以单层全息平板波导为基础，建立了以685 nm、550 nm和437 nm作为三基色的三层全息平板波导显示系统。最后，使用digital light processing投影系统为光源检验了三层全息平板波导加工样品的出光效果。实验结果表明，三层全息平板波导可以实现光瞳扩展和全色显示。多层全息平板波导能够实现增强现实头戴显示系统全色显示。

提出了一种在晶体极化声子共振区利用级联差频在MgO∶LiNbO₃平板波导中产生高频太赫兹波的方法。不同于传统的基于两束近红外光直接差频产生太赫兹波，本文首先利用两束近红外光在周期极化铌酸锂(PPLN)晶体中产生低频太赫兹波和一系列级联光，然后将上述级联光耦合导入平板波导中，通过改变平板波导的尺寸优化各阶差频的相位失配分布，经级联差频高效产生高频太赫兹波。借助MgO∶LiNbO₃晶体极化声子共振区巨大的非线性光学系数，以及MgO∶LiNbO₃平板波导中被降低的太赫兹波吸收系数，在室温下通过输入两束强度均为100 MW/cm²的差频光，得到了频率为5 THz的高频太赫兹波，太赫兹波强度为88.2396 MW/cm²，能量转换效率为44.12%。本文为产生高频、高功率太赫兹波提供了一种全新方法，可以推动高频太赫兹波在未来高速无线通信领域的应用。

基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究，采用双光束干涉法和相应的后处理工艺，在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅，并研究了不同曝光强度、折射率调制度、水洗时间对光栅衍射效率的影响。实验结果表明，经441.6 nm的He-Cd激光光源记录以及复杂的后处理工艺，最终制备的反射型体全息光栅衍射效率最高可达到61.8%，在可见光入射条件下产生了明显的分光效果。制备的全息实验样片在满足全反射的前提下可进行波导传输，为提高头戴式设备和增强现实等显示设备在传输过程中的衍射效率提供了一种新方法。

研制了一种基于聚合物平板波导-金纳米颗粒（AuNPs）的表面增强拉曼散射（SERS）基底，长程检测了罗丹明6G（R6G）的SERS信号，对基底的增强性能和重复性进行了分析。实验结果表明：SERS信号强度随着探测距离的增加先增大后减小，在探测距离为10 mm时SERS信号达到最大值；该基底对R6G的检测限为10^-7 mol/L，增强因子为4.3×10⁴；R6G各特征峰强度的相对标准偏差（RSD）在3%左右，具有较好的重复性。该聚合物平板波导-AuNPs SERS基底能够有效长程检测SERS信号，为生物样本分子的无损检测奠定了基础。

电磁波传播过程中的等离子诱导透明效应以其强烈的色散特性在慢光器件、光动态存储器件、高灵敏度传感器等方面有着广泛的应用前景,而亚波长周期超表面成为了实现此效应常用的手段之一。如何有效调控由亚波长周期超表面与外场相互作用而产生的等离子诱导透明效应则成为了研究的热点。采用太赫兹时域光谱技术对放置在平行平板波导中的等离子诱导透明超表面进行了系统研究。在外部横电模式的激励下,通过改变超表面的结构参数,在理论和实验上实现了基于平行平板波导-超表面系统的等离子诱导透明效应的有效调控。另外,还通过表面电流和电场绝对值分布的模拟对等离子诱导透明效应调控背后的机制进行了探究。所得结果可以为基于等离子诱导透明效应的可调控电磁器件的设计提供一种新的思路。

表面等离子体共振(SPR)技术在外界环境折射率测量上有着广泛应用。设计了一种对称平板波导结构，利用时域有限差分法对波导结构中SPR效应与外界环境折射率的关系进行数值模拟，对金属材料选择以及传感区域长度进行了优化，并研究了不同阶次的模式对传感器灵敏度的影响。仿真结果表明：当外界环境折射率为1.38时，相较于基模条件下4100 nm/RIU的灵敏度，三阶模传感器的灵敏度提高到6209 nm/RIU，最大灵敏度提高了51%；当外界环境折射率为1.34~1.38时，传感器平均灵敏度从2900 nm/RIU提高到4025 nm/RIU。

设计了一种基于矩形金属块阵列结构的等离子体颜色滤波器，该器件结合表面等离子体共振效应与平板波导的导波特性，利用非对称矩形金属块周期性阵列结构对入射光偏振敏感的特点，在可见光波段实现对透射谱的动态调控。采用时域有限差分法研究了阵列周期、填充因子、电介质层与金属层厚度、入射光偏振角等参数对透射谱及其滤色特性的影响。结果表明，通过改变矩形金属块阵列周期参数可静态调控透射谱；矩形金属块阵列周期不对称时，通过改变入射光偏振角可对透射谱进行动态调控。通过调节结构参数，得到滤波器在可见光范围内的透射率可高达75%，且可同步实现对滤出颜色的静态和动态调控。该研究为下一代颜色可调谐等离子体颜色滤波器的设计提供理论依据。

全息波导耦合元件是增强现实显示系统的关键光学元件,光束垂直入射至全息波导板中通过入耦合元件改变光束传播方向,在波导板中形成波导现象传输至出耦合元件处,通过出耦合元件再次改变传输方向从全息波导板出射至人眼。当入耦合元件与出耦合元件均为透射式或反射式耦合元件时,两次改变光束传播方向的角度值相等。根据全息波导的成像原理,结合k矢量圆理论与全息光学记录原理,设计了全息波导入耦合元件与全息波导出耦合元件的对称型周期结构。利用MATLAB软件模拟了全息波导耦合元件记录时的干涉光强模型,实验结果与所设计的耦合元件周期结构数据吻合;利用COMSOL软件模拟了全息波导耦合元件对光束传输角度的改变过程,实验结果与理论改变光束传播方向的角度值一致。实验证明了两个全息波导耦合元件以互为对称的结构排布在全息波导光学系统中,能够满足全息波导光学系统对光束传播方向的要求。

基于电磁理论及相关研究,提出了一个计算T型腔太赫兹平行平板金属波导消逝模共振频率的拟合公式,分别用拟合公式和COMSOL软件研究了不同参数下消逝模的共振频率。实验结果表明,两种方法得到的结果吻合程度较好,相对偏差均不超过0.3%。拟合公式提供了一种快速简单又能准确获得消逝模共振频率的计算方法。