在如今数字图像作为流行的信息传播形态之一,所具有的直观、形象和生动等特点使其被各行业所广泛的应用。尤其是在政治、经济和教育等行业,多媒体数字信息作为信息传递的载体在使用中更是占据很重的比例。不过,在较为特别的领域比如医疗、军事和商业等,对于数字媒体的保密级别较高,如若信息泄露,则将造成不可估量的损失。而国家也逐步在相应的政策中表明对信息安全的重视,并且大力推进信息安全的建设。正是各行业的需求和国家政策的发布,促使信息安全科技在近些年来逐渐成为具有吸引力的研究领域。其中,图像的加密和安全传输在信息安全科技中是关键技术的重要组成部分,好的加密算法所得出的加密效果可以适合其在开发应用中。由于混沌所具有不可预测性、初始条件敏感和伪随机等优势,将加密算法与混沌结合后突破了传统的密码学加密瓶颈,许多基于混沌映射(如Logistic映射、tent映射和超混沌系统等)的图像加密算法已经被实施和发表。然而,相比较传统的电混沌,光混沌信号具有高复杂度、高带宽和低损耗等独特的优势,使其可以更好的应用于图像加密、安全通信和随机数的产生等。随着对不同类型的半导体激光器(Semiconductor Laser,SCL)在不同的拓扑结构与外部扰动条件下复杂的非线性动力学行为的研究,可以清楚的分析与掌握SCL的非线性动力学,有利于其在研究中的优化与应用。而近些年来对于SCL混沌动力学特性研究的进步和高速数据传输的需求,也将更近一步的促进基于光混沌的图像加密与传输系统取代传统的加密与传输方法。所以,将高质量的混沌输出与图像加密和图像信息的安全传输相结合,可以实现在医学、商业和学术研究等中安全性较高的图像信息交互。故而,基于SCL产生的高复杂度的混沌信号,本文研究了一种新的彩色图像加密算法,并在保密传输系统中实现加密信息的传输。其主要的研究内容如下:首先,为了增加从激光器(slave laser,SL)输出光混沌信号的混沌复杂度,本文采用对主激光器(master laser,ML)进行光反馈,同时从驱动激光器(driven laser,DL)进行外部光注入扰动。为了产生光混沌并达到混沌同步,将ML的输出同时注入SL1和SL2两个从激光器,SL1和SL2可以产生高复杂度的混沌信号并用作混沌载波与密钥,来提高安全性,并在仿真结果中分析光混沌的输出特征、混沌同步和通信性能的参数指标。然后,通过从SL1(或SL2)生成的光学混沌信号中随机选择数据,来构造密钥和再次置乱操作中的新混沌序列。对于所构造的新的混沌序列,我们利用库仑定律的逻辑运算来构造并将其对图像加密进行再次置乱来提高简单地基于希尔伯特曲线(Hilbert curve,HC)置乱的安全性。另外,同时再利用Logistic混沌映射和数学操作完成彩色图像扩散的过程,实现彩色图像加密算法的优化。再者,通过数值分析与仿真在密钥空间、密钥敏感度、信息熵、直方图、像素相关性、像素改变率(NPCR)和一致平均改变强度(UACI)等安全分析中证明所提的加密算法的可行性。最后,利用混沌掩盖(the chaos masking,CMS)技术在10km单模光纤(single mode fiber,SMF)中对实现加密图像信息的传输。本文的研究内容对SCL的非线性动力学与光混沌在图像加密和保密传输方面有很好的理论与现实意义。