模式转换器承担着波导基模到高阶模的转换任务，是片上多模光传输、模分复用传输的重要器件。基于薄膜铌酸锂平台，提出一种利用V形硅阵列的薄膜铌酸锂波导模式转换器，转换结构主要包括沿光传输方向排布的V形硅阵列，位于薄膜铌酸锂波导顶部。基于上述结构进行详细的设计与优化分析，在中心波长为1550 nm、转换长度仅为11 μm的情况下，实现了输入TE₀模到输出TE₁模的高效转换。模式转换效率为96.8%，串扰为-28.6 dB，插入损耗为0.78 dB。进一步对转换结构进行横向扩展，实现了输入TE₀模到输出TE₂模的高效转换。模式转换效率为91.3%，串扰为-14.3 dB，插入损耗为1 dB。若继续扩展，可获得其他高阶模。本器件及设计方法有望在薄膜铌酸锂波导多模光传输方向发挥优势，推动薄膜铌酸锂光子集成器件及回路的发展。

近年来，红外微光学器件由于在红外传感与成像、红外探测等领域中具有重要的应用价值而得到了飞速发展，直接在硬脆材料衬底上制备的红外微光学器件更是在苛刻环境应用领域中具有不可代替的作用。针对此需求，已经有研究人员提出了多种高精密制造方法。其中，飞秒激光加工由于真三维加工等独特优势已经被广泛应用于各种复杂三维微纳结构的制备，也为解决硬脆材料红外微光学器件的制备问题提供了新的思路。从飞秒激光加工技术、常用红外光学材料以及基于飞秒激光加工的硬脆材料红外微光学器件的制备和应用方面入手，梳理了近些年此领域的发展情况，重点介绍了折射器件和衍射器件等红外微光学器件以及飞秒激光加工技术在红外传感与成像、红外探测等领域中的应用，并对飞秒激光加工硬脆材料红外微光学器件的发展趋势进行了展望。

模式转换器能够完成波导基模到高阶模的转换, 是片上多模光传输、模分复用传输的重要器件。文章基于薄膜铌酸锂（TFLN）波导, 提出了一种利用纳米线加载结构设计的模式转换器, 转换结构主要包括沿光传输方向以锥形方式排布的硅纳米线光栅及利用相变材料构建的矩形纳米线, 两者分别位于TFLN光波导顶部的两侧。基于上述结构进行了详细的设计与优化分析, 在中心波长为1.55μm, 转换长度仅为6μm的情况下, 实现了输入TE0模到输出TE1模的高效转换（模式转换效率97.6%, 串扰-19.7dB, 插入损耗0.31dB）; 进一步对转换结构进行横向扩展, 实现了输入TE0模到输出TE2、TE3以及TE4模的高效转换, 若继续扩展, 可获得其它高阶模。本器件及设计方法有望在TFLN光波导多模光传输方向发挥优势, 推动TFLN光子集成器件及回路的发展。

飞秒激光加工具有精度高、无污染、材料适用性广、热效应小等特点，在加工微光学元件方面有着独特的优势。通过对飞秒激光进行时间和空间整形，调控电子动态及其后续的电子-声子作用过程，能够有效提高加工精度和加工效率，解决微光学元件在实际加工中的质量和成本问题。本文以微透镜、光栅和波带片为例，综述了常见微光学元件的飞秒激光加工现状，介绍了时空整形飞秒激光调控电子动态的基本原理，总结了飞秒激光进行时空整形的主要实现途径，展示了这些方法在加工微光学元件上的典型应用和研究进展，最后分析讨论了时空整形飞秒激光用于加工微光学元件所面临的挑战和今后的研究重点。

设计了一种用于产生多轴非对称结构光束的新型多轴非对称指数型锥器件,器件由非对称结构和多轴结构复合而成。利用理论计算、数值模拟和实验测量方法,验证了多轴非对称结构光束在传播过程中会产生多个焦点并且具有独特的能流特性。利用这一特性设计并开展了利用聚焦多轴非对称结构光束操控聚苯乙烯荧光微球的实验,结果表明,多轴非对称结构光束使得聚苯乙烯微球在被捕获过程中表现出“加速-减速-再加速”的运动规律,与模拟计算结果一致。多轴非对称指数型锥器件及其产生的多轴非对称结构光束在药物传输、微粒筛选等领域中有着重要的应用价值。

设计了一种光纤通信波段的纳米抗反射结构。采用有限时域差分(FDTD)优化模拟算法,寻找在1250 nm到1650 nm波长范围内能够显著降低反射率的蛾眼纳米结构。开发了一种多目标优化算法,将宽带反射率在0°到30°的入射角范围内进行了优化。对结构中纳米柱的几何排列、半径、高度和周期组成的参数空间进行了完整的搜索。在波长为1550 nm时,仿真得到接近零的反射率为0.012%。对该设计采用了纳米压印进行实验验证,对于最佳设计的样品,在1550 nm处测量获得了低至0.157%的反射率。分析了模拟结果与实验测量之间的差异,并结合反射率对波长的变化进行了分析。

介绍了一种基于计算全息的非对称多台阶衍射光学元件印模制备方法，研究了相位型计算全息的工作原理和设计方法，建立了相应的光学系统和衍射光波模型，设计了求取相位型印模微结构的算法流程。在理论分析的基础上，以叠心图案为例，利用MATLAB分别仿真了2台阶、4台阶、8台阶、16台阶衍射光学元件的相位信息以及表面微结构形貌，并对比了其再现图像的质量，发现台阶数越多，再现图像的质量越好。获得印模空间高度数据以及表面结构分布后，利用单点金刚石车削技术，采用快刀加工方式，分别加工了元件尺寸为6 mm×6 mm，最小特征尺寸为30 um的2台阶和4台阶印模，并获得了实际加工的台阶轮廓曲线以及表面结构轮廓。最后采用紫外固化纳米压印技术实现了4台阶印模的复制过程，并对复制样品进行了图像再现，结果表明该方法能用于非对称低台阶数衍射光学元件印模的制备。

为了解决飞秒激光加工硬质材料所带来的表面质量差的问题, 提出了离子束刻蚀与飞秒激光复合加工技术.利用飞秒激光加工技术在碳化硅表面制备微纳结构图形, 然后通过离子束刻蚀技术对碳化硅微纳结构进行刻蚀, 以调控结构的线宽和深度, 使结构表面粗糙度由约106 nm降低到11.8 nm.研究表明, 利用该技术制备的碳化硅菲涅尔波带片展现出良好的聚焦和成像效果.