多模光纤模间干涉传感器因其自身结构简单、成本低廉、重量轻、灵敏度高、集成度好、不受电磁干扰等优点成为光纤传感器的研究热点，广泛应用于大型结构安全监测中应力、温度、振动、位移等物理量的测量。多模光纤模间干涉传感器的研究主要以迈克耳孙干涉和马赫-曾德尔干涉为主。传感器的传感臂由单模光纤和多模光纤构成，通过不同光纤的熔接实现模式耦合。通过腐蚀传感光纤并涂覆相应的敏感材料，实现折射率、浓度、磁场等物理量的测量。光纤模间干涉传感器的制作主要是传感光纤、光纤熔接方式的选择及参数的优化。综述了近年来国内外多模光纤模间干涉传感器的研究进展并分析了各自的优缺点。

高功率掺镱光纤激光器长时间工作会产生光子暗化现象，导致激光器输出功率降低，因此研究掺镱光纤光子暗化现象对促进掺镱光纤激光器的进一步发展具有重要意义。从产生机理、产生的影响以及抑制方法三方面，详细介绍了掺镱光纤光子暗化现象的研究进展，为光子暗化现象的深入研究提供参考。

受衍射极限的限制，传统光学显微镜的分辨率只能达到入射光波长的一半。超分辨显微镜已有很多，但制作工艺复杂，适用样品有限，对成像条件要求苛刻，因此应用受到很多限制。研究表明，将直径为几微米至几十微米的透明电介质微球置于样品表面，能显著提高传统光学显微镜的分辨能力，在白光下即可实现超分辨成像，与其他类型显微镜结合使用时也能保持超分辨能力。这种新型透镜为纳米结构和生物样本的实时超分辨成像提供了一种简单、直接的方式。结合本课题组研究结果，介绍并总结了国内外微球透镜的研究进展。

黑硅材料具有良好的光学吸收特性，广泛用于太阳能电池和红外探测器的制备中。基于黑硅材料制备的探测器具有光谱响应度大、响应范围宽、响应曲线较为平直等优点，介绍了黑硅红外探测器国内外的研究进展，其中涉及的黑硅制备方法包括飞秒激光辐照、皮秒激光辐照、湿法腐蚀、离子注入结合准分子纳秒激光辐照。讨论了目前黑硅红外探测器制备中存在的问题，包括黑硅在退火过程中吸收率下降严重以及黑硅表面电极制备难、载流子横向输运能力差等问题。对存在的问题进行了分析，总结了当前的解决方法，展望了黑硅红外探测器的发展趋势和应用前景。

倾斜光纤光栅是一类特殊的布拉格光纤光栅，在光学滤波、光纤传感、光纤通信等方面具有重要的应用价值。简要介绍了倾斜光纤光栅中的模式耦合机理，全面回顾了其理论研究、制作技术以及应用研究的发展历史与现状。基于其滤波特性，指出倾斜光纤光栅是抑制大功率光纤激光系统中受激拉曼散射的一种非常有潜力的技术途径。

使用三波长双重差分吸收激光雷达（D-DIAL）与双波长差分吸收激光雷达（DIAL）探测臭氧时，模拟了气溶胶影响造成的误差，并分析了气溶胶的波长指数和气溶胶含量等对探测结果的影响；讨论了三波长双差分方法中C（为消去后向散射项及消光项误差引入的比值C）的取值对探测结果的影响。研究结果表明，存在最佳值C使误差接近于零，并模拟了C的最佳取值。在对流层分别使用波长对266 nm和308 nm (DIAL) 以及266，289，308 nm(D-DIAL) 进行多波长差分吸收激光雷达探测臭氧的误差模拟，在平流层中使用波长对308 nm和351 nm (DIAL) 以及308，339，351 nm (D-DIAL) 进行多波长差分吸收激光雷达探测臭氧的误差模拟。模拟结果表明：对流层气溶胶散射比R为2时，D-DIAL方法的误差小于1%，而DIAL方法的误差在10%~45%之间。在相同气溶胶含量下，平流层臭氧的探测误差要明显小于对流层臭氧的探测误差；当气溶胶含量很高时，用D-DIAL方法探测对流层臭氧误差最大可达6%，而在平流层误差最大只有3.5%。

研究了开关键控（OOK）调制下天空背景辐射对误码率的影响，介绍了通信端机收到的天空背景辐射的仿真方法。仿真结果表明：通信误码率一定时，天空背景辐射的上限值与接收信号光功率和雪崩光电二极管（APD）的电噪声大小有关。太阳直接辐射是大气激光通信系统接收到的主要背景辐射，大气散射相对于太阳直接辐射十分微弱。当太阳天顶角较小时，可以采取端机视轴规避太阳一定角度的方式，保证通信系统的误码率小于10-9。

为获取更精细的背景辐亮度分布信息，提出基于光纤光谱仪和二维转台对全天空背景光谱辐射进行测量的方法。可实现定点观测及全天空扫描两种工作方式。详细介绍了测量原理、系统的组成、定标的原理及方法等。经过一次全天空扫描可获得649个光谱辐射亮度采样样本，每个样本的光谱分辨率为0.5 nm。各个样本测量位置作为像素点，相应位置上各波段的辐亮度值作为灰度值，可得到各波段的全天空背景光谱辐射分布图。该方法为之后的科学研究提供了更详细的信息。

利用大气光束动态测试仪对近海面的光斑扩展进行实验测量，将海洋环境大气折射率起伏功率谱与传统Kolmogorov大气折射率起伏功率谱下的光斑扩展模型进行对比分析。结果表明，实测光斑扩展起伏幅度比海洋谱和Kolmogorov谱的光斑扩展起伏幅度大，而海洋谱下的光斑扩展理论计算值在使用了实测的内尺度数据后起伏幅度很小；随着大气折射率结构常数的增加，大气海洋谱光斑扩展模型较Kolmogorov谱光斑扩展模型更接近实测值；当链路距离为1 km时，海洋谱光斑扩展的理论计算值与实测值的差值为0.1~1.5 cm，当链路距离为2 km时，差值为0.1~1.8 km，相对误差均在0.1%~11.4%之间。

拉曼光谱检测中常用的CCD对温度较为敏感，降温可以有效降低其暗电流噪声。基于此，设计了一套制冷系统，采用有限元分析软件ANSYS分别模拟散热模块的导热情况及真空室内低、中真空度下气体流动热交换情况；实验测量了低、中真空度范围内不同真空度下温度随制冷时间变化的特性曲线,以及真空室内充入氩气、氖气、氮气作为保护气体时温度随制冷时间变化的特性曲线。结果表明氮气效果较好，并非真空度越高制冷效果越好，这与热模拟结果相符。测量了CCD在不同温度下的暗电流噪声，结果显示CCD温度对暗电流噪声影响较大，制冷可以有效减小暗电流噪声，且暗电流噪声变化与温度变化呈类指数关系。

提出了一种可以吸收宽光谱的晶体硅薄膜太阳电池结构，其中增透膜为三角形衍射光栅，背反射层由以晶体硅为背景的三角晶格的空气圆柱形光子晶体组成。采用严格耦合波理论和平面波展开法，模拟研究了衍射光栅和光子晶体对提高电池吸收率的影响。结果表明，入射角度在0°～60°之间，增透膜在380～1100 nm波长范围内存在高透射率，背反射层在800～1100 nm波长范围内存在高反射率。对于有源层厚度为20 μm的晶体硅薄膜太阳电池，在入射波为TM偏振状态下，自然光垂直入射时，三角形衍射光栅使光吸收率增加18%，二维光子晶体使光吸收率增加6%。有增透膜和背反射层的晶体硅薄膜太阳电池，当入射角度小于60°时，在380～850 nm波长范围内平均吸收率为87.6％，在850～1000 nm波长范围内平均吸收率为49％。

通过数值仿真研究了不同区域被阻挡时无衍射二维艾里光束的自愈特性。仿真结果表明，部分区域被阻挡时，光束在传输一定距离后能进行自我重构。同时研究了高斯噪声环境下无衍射二维艾里光束的自愈特性。结果显示，在一定的信噪比下艾里光束经过一定距离的传输后也能够自愈。这种自愈具有一定的稳健性。艾里光束的自愈特性能够应用于光镊系统、微粒自陷和操控、光无线通信等众多领域。

在光子晶体光纤（PCF）包层空气孔中填充磁流体，利用磁流体（MF）折射率可调节特性实现光子晶体光纤光学特性的调谐和传感。采用全矢量有限元法分析了填充MF对光子晶体光纤模式和损耗特性的影响，分析了结构参量对填充MF圆孔PCF损耗灵敏度的影响，比较了填充MF圆孔和椭圆孔PCF的损耗灵敏度特性，并对填充MF椭圆PCF的温度与磁场特性进行了研究。仿真结果表明，填充MF使光子晶体光纤模式有效折射率增大，模场面积增大，损耗增加；椭圆孔PCF中MF折射率改变引起的损耗灵敏度约为圆孔PCF的4倍；填充MF的椭圆空气孔PCF的温度和磁场灵敏度分别为-0.279 dB/℃、0.06 dB/Oe（1 Oe1000/4π A/m），为设计新型高灵敏度光纤传感器提供了参考。

基于国产分布式侧面耦合包层抽运(DSCCP)掺镱光纤，建立了一个全光纤、最高输出功率为106.7 W的光纤放大器，并对光纤放大器在前向、后向及双向抽运方案下的输出特性进行研究。研究表明，DSCCP光纤适用于采用双向抽运方案的光纤激光器系统。通过对比发现，双向抽运方案下放大器的斜率效率低于单向抽运方案下放大器的斜率效率。

提出一种复合结构微机电系统（MEMS）磁扭转微镜光纤电流传感器，传感部分由磁扭转微镜和双光纤准直器组成。介绍了MEMS扭转微镜的结构及电流传感原理。对电流传感器模型进行分析，结果表明， 选择合适的准直器端面与微镜的距离，可以避免信号失真。利用归一化光强峰峰值作为交变电流来测量输出信号时，电流测量灵敏度随电流测量值的变化而变化，且被测电流的电流强度接近0时，测量灵敏度也接近0。因此采用归一化光强线性矫正信号处理方法，得到了很好的输出线性响应曲线，使电流测量灵敏度不受电流变化的影响。最后实验验证了理论分析和模拟仿真结果的正确性，实验测得的归一化光强线性矫正响应灵敏度约为0.034 /A。

受激布里渊散射（SBS）效应是限制连续单频光纤激光最大输出功率的主要因素。为抑制增益光纤的SBS效应，通过改变增益光纤的掺杂浓度提出了一种展宽增益光纤的布里渊增益谱，降低布里渊增益系数，从而提高激光输出功率的方法。基于速率方程、热传导和布里渊增益谱计算模型，在增益光纤最高温度基本相同的情况下，对传统恒定掺杂和梯度掺杂方式下增益光纤中的热分布、激光器的输出功率和布里渊增益谱进行了数值模拟。结果表明：相比传统恒定掺杂光纤，设计的梯度掺杂增益光纤将布里渊增益谱展宽了1.2倍，布里渊增益系数降低了41%，SBS阈值功率提高了1.7倍，有效抑制了光纤的SBS效应；降低了增益光纤的熔点温度，提高了光纤激光器的稳定性。

为了用机器视觉检测技术精确检测微小零件的几何轮廓误差，设计了一套高分辨率非球面双远心物镜。根据检测要求确定系统的光学参数，运用架构分析法对系统进行整体光学初始结构设计。运用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化，在物镜设计中引入非球面，使结构简化，并有效地平衡系统像差，提高像质。这个结构实现了低畸变（最大畸变小于一个像素）、高分辨率[在奈奎斯特频率90.91 lp/mm处调制传递函数（MTF）值优于0.7，全视场400 lp/mm处MTF值达到0.15]和双远心系统的设计要求。

通过计算机仿真技术，针对不同的光路分布结构进行了气体浓度场二维分布重建模拟，研究了光路的分布与重建精度的联系。并通过计算归一化平均绝对距离判据比较不同光路分布下的重建精度，得到重建精度较高的光路分布形式。结果表明，在光路数量较少的情况下，提高光路的利用率可以提高重建精度。通过计算评估优化后的光路分布下的重建精度，验证了结论的正确性。

由于衍射极限的限制，传统的光学显微镜无法获得纳米级别的分辨率。为了突破衍射极限，提出一种基于随机脉冲编码和分时复用的显微成像新方法。可以较高效地对点扩展函数模糊图像进行编码解码，重构出原图像。阐述了该方法的数学原理，并在不同稀疏度编码和不同图像帧数下，进行了仿真分析，结果表明，采用稀疏编码和1000帧左右图像，可以获得被测样品的超分辨率图像。该方法能够突破衍射极限,是一种适合活体细胞研究的有效方法。

相位板的加工精度直接影响着相位型星冕仪成像系统的性能。推导了六平台相位板的误差公式，并分析了相位板结构的微小变化对六平台相位板星冕仪的消光性能和消色差性能的影响。数值模拟结果表明，对特定波长的单色光，相位板相位水平高度的误差和倾斜角的误差都会降低六平台相位板星冕仪的消光性能。但是相比较而言，消光能力对相位阶跃处的倾斜角的误差更为敏感。在宽带范围内，考虑消色差性能，相位水平高度误差只会使其中心波长发生偏移；而相位阶跃处倾斜角的微小误差则会极大地降低其消色差性能。

将变焦透镜组的方法用于解决光纤低相干测厚系统中光束损失问题，介绍了一套基于光纤低相干干涉技术的测厚装置。根据光纤耦合条件与光纤出射光束能量分布规律，给出了关于光束耦合效率受光束横向尺寸与反射面曲率半径影响的分析；理论分析了变焦透镜组引入侧厚系统后耦合效率的提升效果。实验证明，引入变焦透镜后信号损失情况明显得到改善，该系统的相对测量误差小于0.05%。

槽式太阳能集热器集热管下方呈现一条中央为暗黑条纹的高亮光带，该光带是其主要光学特征。在研究集热器光带形成机理的基础上，经过理论推导得出，该高亮光带的弧长特性与抛物面聚光器的开口宽度、抛物面聚光器的焦距以及集热管的直径相关，这三个参数对光带弧长的影响各不相同。光带中央暗黑条纹的弧长也与以上三个参数相关。优化分析后认为，抛物面焦距与集热管直径的比值应远离12.5。

全场彩虹技术是一种有效地同时测量雾化液滴粒径分布及折射率的方法，但现有算法或多或少地存在一些不足之处，故提出一种基于最小二乘法及优化过程的全场彩虹技术反演算法。从拍摄的全场彩虹中提取若干特征信息来估计粒径分布范围及折射率的初始值，用于构建线性方程组；通过最小二乘法解方程组获得粒径分布，并根据结果重构全场彩虹；基于所提出的优化过程不断调整粒径分布范围及折射率，最终得到较为准确的粒径分布及折射率。通过数值计算和实验研究验证了该算法的可行性，结果表明折射率的反演误差在10-4量级，反演的平均粒径的误差小于3 μm，反演的粒径分布与真实情况一致。

利用有限元法对影响偏芯光纤倏逝场传感灵敏度的模场特性和倏逝场特性进行了理论研究与仿真分析。利用瑞利散射机理对偏心光纤倏逝场的分布式传感长度进行了理论计算。研究结果表明，若要在倏逝场传感中获得较高的传感灵敏度，其偏心距离的设计范围为8～10 μm；光纤涂层的折射率应尽量减小；估算偏心光纤倏逝场传感长度大约在16～160 m。

研究了高功率单频激光器中增益晶体所在分臂腔镜的曲率半径对激光器工作状态的影响。当增益晶体所在分臂腔镜的曲率半径增大时，如果腔长不变，则激光器最佳工作点对应的抽运功率和最大输出功率均降低；而适当调整腔长，又可以恢复激光器最佳工作点对应的抽运功率和最大输出功率。在自制的高功率单频激光器上进行验证，实验结果和理论预期比较吻合。

基于单个双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM)，提出一种宽且平坦的可调谐光学频率梳(OFC)的产生方案，其结构简单、易于实现、成本低。对方案原理进行理论分析，利用Optisystem 7.0软件进行仿真研究。结果表明，产生的OFC梳线数目不多，但平坦度较好，中心频率和梳线间距均可独立调谐。可调谐光源的中心频率决定了OFC的中心频率。将基于光外差法产生的微波射频信号作为DDMZM的驱动信号，确定了OFC的梳线间距，最大可达150 GHz，有效频谱带宽为600 GHz。

开展了激光诱导等离子体屏蔽冲击波演化过程研究。利用光学阴影成像诊断技术, 分析了纳秒激光透过玻璃聚焦在铝靶表面上分别产生的等离子体与冲击波碰撞的时间和空间演化过程。随着玻璃与铝靶间距增加，冲击波碰撞时间增加。研究结果表明，冲击波相互碰撞时本身并不发生相互作用，而是等离子体与冲击波发生作用，出现冲击波波前畸变甚至破碎现象，存在等离子体屏蔽冲击波过程，最后探讨分析了等离子体屏蔽冲击波物理机制。

利用兆赫兹量级高重复频率皮秒激光对304不锈钢进行烧蚀，通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对烧蚀表面进行测量观察。结果表明：单脉冲峰值能量密度和重复频率共同决定不锈钢的烧蚀率，单脉冲峰值能量密度与烧蚀阈值比值越大，烧蚀率越大；在高频低峰值能量密度下能获得更优的表面烧蚀质量。随着扫描速度的提高，烧蚀深度呈对数函数关系逐渐减小，烧蚀后的表面粗糙度先减小后趋于稳定。扫描速度在1.0~1.7 m/s内变化时，烧蚀率变化不大。因此采用交叉扫描路径有利于提高烧蚀后的表面质量。

研究了光电反馈对1550 nm垂直腔表面发射激光器（1550 nm-VCSEL）中偏置电流沿不同路径连续变化而导致的偏振双稳特性的影响。研究结果表明：自由运行1550 nm-VCSEL的偏置电流在逐渐增加的过程中会产生Ⅰ类偏振开关（PS），而在电流逐渐减小的过程中会产生Ⅱ类PS，Ⅰ类PS和Ⅱ类PS的开关点电流具有不同的值，即自由运行1550 nm-VCSEL呈现出偏振双稳（PB）特性；引入光电正反馈后，Ⅰ类PS和Ⅱ类PS的开关点电流在不同的反馈强度下会有所改变，双稳环宽度随反馈强度的增加呈现逐渐减小的趋势；引入光电负反馈后，Ⅰ类PS和Ⅱ类PS的开关点电流随着反馈强度的增加变化比较复杂，双稳环宽度总体呈现下降的趋势，但下降过程中伴随着较大波动。

超声信号能引起SU-8材料的厚度变化，将一薄层厚度均匀的SU-8膜镀在盖玻片上，再镀一层均匀金属银制成光滑反射面，制作了一个光声传感器，并借助此传感器计了一套实时、动态的光声成像系统。该光声成像系统中，吸收性样品的光声信号引起光声探测器上SU-8材料厚度变化，当一束激光经过探测器反射面时，该厚度变化将会调制反射光的相位，系统借助光学相衬滤波法解调该相移，得到SU-8的厚度变化量，获取与样品光声信号的分布对应的光强分布，从而获得样品的动态实时光声像。对光声信号的产生（光致超声效应）、光声信号的调制、光声信号的解调（传感器的制作）进行了论述，并对SU-8光声探测器对光声信号的感应特性做了初步实验研究，结果验证了SU-8能够探测光声信号。

光诱导光子晶格是一种周期光学系统，其对光束传输的控制在全光交换、光开关等方面具有潜在应用。运用优化的交替隐式差分波传输法对非线性薛定谔方程进行数值仿真，研究了涡旋光束在光诱导自聚焦类方晶格中的传播特性、光子晶格对光束传输的影响以及形成涡旋孤子的条件。研究发现，不存在晶格时，涡旋光束会由于自聚焦效应而分裂成基态孤子；存在晶格时，离散涡旋孤子的稳定传输与外加电场、晶格深度、输入光强有关，非格点激励的一阶涡旋光束在合适的条件下能形成稳定传输的离散涡旋孤子。

实验中在p-GaN层制备单层密排的聚苯乙烯（PS）纳米球作为掩模，通过改变纳米球掩膜的直径，制作了周期性的占空比不同的GaN纳米圆台阵列结构。实验结果表明，在归一化激发光功率后， p-GaN层制备纳米圆台阵列的LED出光效率最高增加到参考样品的3.8倍。三维时域有限差分方法计算表明，周期性纳米结构破坏了p-GaN表面的全反射，增大了LED结构的光输出临界角，从而提高LED的光致发光效率。此外，利用可变的纳米球掩模刻蚀技术，可以在同一个周期下优化纳米圆台的尺寸从而进一步提高LED的出光效率，这可以用等效折射率与薄膜透射率理论来解释，计算结果与实验结果比较一致。

为了解决环形交叉路口的照明问题，基于非成像光学的光学扩展量守恒理论，提出了一种产生环形光斑透镜的方案。该方案对单个透镜和透镜阵列进行设计，并利用TracePro软件对其进行模拟，结果均能得到环形光斑。对于单个透镜，随着光源尺寸的增大，目标照明面的照度均匀性降低，光能利用率基本保持不变，当发光二极管（LED）光源尺寸为5 mm×5 mm时，目标照明面的照度均匀性为86.5%，光能利用率为90.3%。对于3种透镜阵列，通过设置合适的初始参数，得到目标照明面的照度均匀性在91%以上，光能利用率均在90%以上，符合道路照明设计标准。

浮游植物光合作用参数的快速测量对水华和赤潮灾害预警及水体生态研究具有重要作用。针对高速重复脉冲（FRR）光合作用参数测量技术中由窄脉冲光源激发引起的高数据采样率问题，采用单光脉冲实现单周转模式激发，应用脉冲积分法实现弛豫模式微弱光脉冲信号检测，设计了基于可变光脉冲诱导荧光的浮游植物光合作用参数测量系统，将数据采样率需求由10 MS/s以上降低至1 MS/s。实现了浮游植物光系统II（PSII）功能吸收截面、PSII最大光化学量子产率以及QA-（还原后的初级电子受体）再氧化时间常数的快速测量。实验表明，测量结果的相对标准偏差均小于3%。

用平面波展开法研究了介质矩形柱二维正方格子光子晶体的能带结构，正方晶格的晶格常数为a，当介质矩形柱边长为0.3633a，相对介电常数为11.56时，光子晶体的能带在布里渊区的中心点获得一个三重简并态，包括在同一频率接触构成狄拉克锥的两个线性能带，一个穿过狄拉克点的平的能带，光子晶体等效为介电常数和磁导率都为零的零折射率材料。用有限元法仿真电磁波在光子晶体中的传输特性，仿真结果表明，狄拉克点频率的电磁波通过光子晶体时相位不发生变化，传输特性与零折射率材料相同，用这种光子晶体设计的凹透镜可以实现焦点的半峰全宽为波长λ的0.63倍，焦距为λ的4.12倍的亚波长聚焦。

量子密钥分发采用单光子作为信息载体，结合经典保密通信系统中的一次一密体制，可在理论上实现绝对安全的保密通信。采用拉格朗日乘数法对只选择一种算子的主动相位补偿攻击模型的量子误码率进行了系统分析，得到了量子误码率的分布规律。在此基础上，对结合多种算子进行测量的攻击模型进行了理论模拟，结果显示，在选择不同算子进行攻击时，附加误码率随着比特比值（最终量子密钥中比特0和比特1的比值）的变化而变化，在比特比值接近1的情况下，窃听所引入的附加误码率也不同，这对基于经典交互过程的实际安全性问题的研究有一定的参考价值。