SiO2薄膜是光学薄膜领域内常用的重要低折射率材料之一。在文中研究中, 通过测量薄膜的椭偏参数, 使用非线性最小二乘法反演计算获得薄膜的光学常数。采用离子束溅射和电子束蒸发两种方法制备了SiO2薄膜, 在拟合过程中, 基于L8(22)正交表设计了8组反演计算实验, 以评价函数MSE为考核指标。实验结果表明: 对IBS SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为界面层模型, 对EB SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为Pore模型。同时确定了不同物理模型对拟合MSE函数的影响大小和反演计算过程模型选择的次序, 按照确定的模型选择次序拟合, 两种薄膜反演计算的MSE函数相对初始MSE可下降35%和38%, 表明拟合过程模型选择合理物理意义明确。文中提供了一种判断薄膜物理模型中各因素对于薄膜光学常数分析作用大小的途径, 对于薄膜光学常数分析具有指导意义。

基于模式耦合理论和传输矩阵法，使用三层结构圆光波导模型对长周期光纤光栅（LPFG）包层模（HE14）的响应特性进行仿真和分析。通过对比分析外部环境折射率呈梯度分布时与呈均匀分布时的LPFG透射谱，发现谱线中除了损耗峰发生漂移以外，主峰左侧旁瓣深度增加，主峰右侧旁瓣深度减小，且随外部环境折射率的升高，这种变化趋势愈加明显，分析了透射谱发生相应变化的原因。研究结果对使用LPFG进行折射率梯度传感设计具有一定意义。

基于光波导理论和传输矩阵法, 研究光纤包层被完全腐蚀后的高斯变迹光纤布拉格光栅(FBG)在非均匀外部介质环境下的反射谱特性。仿真过程中, 分别考虑高折射率区(1.43~1.45)和低折射率区(1.33~1.36)两种情况, 同时假设该非均匀外部介质折射率(SRI)呈不同的线性函数分布。仿真结果表明, 高斯变迹FBG的谱带宽、谱强度特性与SRI沿光栅轴向的线性分布梯度密切相关。随着SRI梯度增加, 反射谱的3dB带宽也逐渐增加, 此时高、低折射率区的梯度灵敏度分别为3.775×103nm·mm/riu和3.72×103nm·mm/riu。研究结果对高斯变迹FBG用于生化传感领域的非均匀介质测量具有一定意义。

通过模式耦合理论, 建立了基于长周期光纤光栅(LPFG)的二层圆光波导模型; 结合传输矩阵法, 仿真得到了外部介质折射率呈线性分布情况下LPFG的透射谱。仿真结果表明: 该结构下的LPFG透射谱特性强烈依赖于外部介质折射率梯度, 当外部介质折射率梯度升高, 透射谱的损耗峰深度逐渐降低, 损耗峰3dB带宽逐渐增加, 且增加量与折射率梯度的增加量呈较好的线性关系; 当外部折射率梯度由1.111 1×10-7 riu/mm增加到1.111 1×10-5 riu/mm时, 其梯度灵敏度可达到2.2×107 nm·mm/riu。这一结果使折射率梯度的高灵敏度测量成为可能, 为设计和制作基于LPFG的折射率梯度传感器提供了一定的理论依据,并有望用于生化反应中微小尺度下折射率呈梯度分布的液相介质的测量。

湍流对光在大气中的传播有重要影响。光波段折射率结构常数是描述湍流强度的物理量。通过风廓线雷达回波分析是研究湍流强度的新方法。利用风廓线雷达计算出湍流耗散率和平均风的垂直梯度，结合温度、气压等常规气象参数，可估算光波段折射率结构常数，计算的量级在10-18~10-13 m-2/3之间，符合实际情况，证明了方法的可行性。同时对不同等压面上压强梯度、温度梯度及湿度对折射率结构常数的影响进行了数值计算。结果表明，同一等压面上压强梯度改变对C2n影响很小，可忽略不计；而温度梯度改变对结果有较大影响，故对温度廓线的测量有较高的精度要求；相对湿度10%~90%的变化对光波段折射率结构常数的影响低于一个量级，因此在晴空大气条件下，湿度项可以忽略。

针对超声速飞行器在大气中飞行时由于气动光学效应产生的成像偏移，推导了光线偏折角和流场折射率梯度之间的关系，给出了小入射角情况下，离散折射率场光线偏折角的一种计算方法；利用不同流场的计算流体力学数据计算出对应的折射率场；使用光线追迹法得到光线通过不同流场后的偏折角和传播路径上的折射率梯度分布。仿真结果表明，新的偏折角计算方法所得结果在入射角小于30°时与Runge-Kutta和Snell光线追迹法具有很好的一致性；同一高度下小入射角时，光线的偏折角并不随着飞行速度的增加而增加，而是基本保持稳定；光线通过流场的偏折是正负折射率梯度区域共同作用的结果，负的折射率梯度区域可以减少光线偏折，起到部分“校正”作用。

从经典电动力学出发，研究了由折射率梯度导致的反转光自旋霍尔效应。通过分析光从光疏介质入射到光密介质和从光密介质入射到光疏介质两种情况，揭示了光自旋霍尔效应中的横移与偏振态、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系。当入射角一定时，光从光疏介质入射到光密介质时的水平偏振横移绝对值大于垂直偏振横移，而从光密介质入射到光疏介质的情况正好与之相反，并且传输场的横移方向取决于折射率梯度方向，增大入射角能明显增强光自旋霍尔效应，对某一特定的线偏振光束，其左、右旋圆偏振光分量的横移等值反向。这些研究结果为调控光自旋霍尔效应提供了有效途径。

基于流场界面厚度(Interfacial-Fluid-Thickness,IFT)理论,建立了高折射率梯度门限模型来研究气动光学窗口光传输畸变。首先在光学窗口折射率梯度场基础上,提出高折射率梯度门限,忽略绝对值低于该门限的折射率梯度值,重构折射率场,并对其气动光学传输效应进行仿真。结果表明,当58.37%的梯度值被忽略时,得到的重构折射率场与原折射率场仿真光程差(OPD)最大相对误差不超过1.5%,验证了气动光学窗口高折射率梯度区域是产生光传输畸变的主要原因,也证实了该门限模型对气动光学窗口光传输效应进行仿真的可行性,对气动光学失真的机理、预测及校正有一定的指导意义。

研究结构化光纤Bragg光栅（FBG）在折射率（RI）呈线性分布的液相介质环境下的响应特性。数值仿真结果表明，结构化FBG的反射谱特性强烈依赖于液相介质折射率（RI）的线性分布函数的某些特征参数，比如液相介质的RI沿FBG轴向的分布梯度、RI在FBG两端的差值等。基于理论仿真结果，建立了结构化FBG在低RI区（1.330~1.360）对液相介质的RI梯度进行测量的线性近似理论模型。通过相关实验研究，证明了理论仿真和分析的合理性及基于结构化FBG的RI梯度传感器在现实应用中的可行性。

基于折射率界面厚度的描述建立了一种高折射率梯度门限的数学模型,在此梯度门限下,研究了高超声速流场中高折射率梯度区域的气动光学传输效应。提出了一种用折射率梯度的调和平均值描述高折射率梯度门限的方法。采用高超声速流场的计算流体力学结果作为分析折射率梯度和进行气动光学传输仿真的源数据,忽略绝对值低于该门限的梯度值重构折射率场,并采用变折射率介质中光线追迹算法仿真其气动光学传输畸变。不同流场状况、不同位置截面的仿真结果表明,采用本门限,重构折射率场和原折射率场的相关性达0.9以上,仿真光程差均方根的相对误差不超过±5%,验证了该高折射率梯度门限模型的有效性和适用性,同时从数值角度证实了高超声速湍流流场中高折射率梯度区域是气动光学传输畸变的主要成因。