细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)膜性能稳定，具有良好的非线性特性，并且M态的寿命可以调节，这使得bR膜有着广泛的应用前景。本文主要研究bR膜的稳态与动态特性及其在光子器件中的应用。 本文对弱光下细菌视紫红质膜的高阶自衍射特性进行了实验和理论研究。利用一般的正弦光栅的理论得到的高阶自衍射效率与测量结果相差较大，根据我们的分析，这是由于bR膜在小的入射光强下的非线性透射特性使得入射的正弦光强分布变为非正弦形，我们利用付里叶级数展开方法研究了非正弦形光栅及其对高阶自衍射强度的影响。理论计算得到1-5阶自衍射效率与实验结果较好的符合。这项研究改进了自衍射理论。 本文利用细菌视紫红质膜的自衍射演示了全光逻辑操作和具有3个输入端的半加器操作。根据写入光的偏振方向与衍射光强的关系，即当写入光偏振方向相同时，衍射光强大，当写入光偏振方向相互垂直时，衍射光强小，实现了同或门逻辑操作；利用两写入光与衍射光的偏振状态的关系，实现了逻辑非操作；利用读出光、写入光及衍射光的偏振状态的关系实现了三、二端输入半加器。我们提出和演示的这些全光逻辑操作器件具有简单和新颖等特点。 我们利用波长488nm、533nm、633nm和650nm的激光测量了bR膜的动态自衍射特性，讨论了对于不同的入射波长下衍射效率的变化规律，得出了对应于633nm的动态衍射效率为最大的实验结果；分析了488nm和533nm的动态衍射光强随时间变化特性不同的原因，用两个模型(一个考虑了吸收引起的振幅光栅，一个没有考虑，但都考虑了热效应的作用)理论分析和数值模拟了不同波长的动态自衍射规律，对于绿光光强小于13.52mW/cm2时，两种模型的计算结果相近，且理论计算结果和测量结果符合的较好；数值模拟了自衍射光强的动态特性与细菌视紫红质的膜参数的依赖关系，计算结果为动态全光逻辑器件和新事物滤波的设计及优化提供了有用的数据。 时控全光逻辑器件，是智能化光子器件的基本器件，本文基于bR膜的动态自衍射特性，设计和实验演示了时间依赖的全光逻辑门。我们设计了光强依赖的全光反转图像转换开关，图像从蓝光(441nm)光束在有效时间内传到绿光(533nm)光束，然后自动停止传送。以前报道的许多光子开关均不是智能型的，它的开启与关闭均受电子开关控制，或光源本身是脉冲型的，且这种脉冲型的光源开关时间常数完全依赖于脉冲时间。本文用连续光制作的时控开关属于全光操作智能型的开关，即此开关知道何时开启和关闭。时控全光逻辑器件是本文首先提出和设计的，目前还没有相关文献报道。 利用细菌视紫红质的蓝光(412nm)与黄光(570nm)相互抑制透射特性，设计了新型光子器件—新事物滤波器，并演示和数值模拟了此新型光子器件。建立了理论模型对细菌视紫红质的蓝光(412nm)与黄光(570nm)相互作用下的透射特性进行了数值模拟，并得出了95％以上蓝光被黄光抑制时的最小浓度厚度积。对不同输入图像的运动速度及不同bR膜分子浓度对新事物滤波器图像灰度的影响进行了数值模拟，总结了输入图像的运动速度及不同参数的bR膜对新事物滤波图像的影响，为设计高质量新事物滤波器提供了理论依据。理论分析了在输入图像的运动速度从0.2cm/s到2cm/s时，最佳bR膜分子浓度的范围和最佳bR膜厚度值。对不同bR分子的M态寿命对新事物滤波图像的影响也作了分析。对于实时跟踪的新事物滤波器，计算了在背景光强为0.1mW/cm2下，新事物滤波器的输出图像的最暗部分能达到的最高对比度为0.73，并给出了设计新事物滤波器时bR膜参数不能超过的浓度厚度积的极限值。我们的研究成果为设计不同运转条件下具有最佳性能的新事物滤波器提供了理论依据和数据。以往的新事物滤波器用相干光原理制作，本文从原理上进行了突破，提出和演示了新一类利用非相干光的新事物滤波器。 用三能级系统理论讨论了黑白视后像，研究了光与眼睛中的重要物质—视紫红质的相互作用，并对眼睛中的两个区域(接收来自像光源的光区域E1和接收来自背景光源的区域G1)受光照射后在M态上的视紫红质的分子浓度作了分析，眼睛接收的光越多，受激的视紫红质分子浓度就越大，所产生的电脉冲就越大，最终视觉神经的视觉反应也就越大。根据视紫红质在E1和G1区域受激分子的浓度差别，估算了正负视后像的相互转化的条件。虽然视后像还与锥细胞引起的神经系统有关，由于杆细胞与锥细胞功能上的差别与对视后像的贡献不同，单独了研究杆细胞对视后像的贡献，为定量描述视后像提供了有用的信息。 另外，我们提供了一种利用bR膜良好的非线性特性测量高斯光束束腰位置的新方法。