随着光谱分析及荧光检测技术的快速发展, 单色荧光标记已无法对细胞样本进行精准判断, 必须采用双染色或多色荧光标记来分析细胞内部结构。 然而, 使用光谱测量方法进行多色荧光分析时, 由于通常使用多种标记物同时对待测细胞进行标记, 发射光谱会产生部分光谱重叠, 为了准确对其进行分析, 需将重叠峰分解为独立谱峰。 针对光谱重叠现象, 提出了遗传算法优化BP神经网络(GA_BP)的重叠峰解析算法。 首先确定了BP神经网络具体结构, 并对重叠峰信号进行二次微分预处理, 确定重叠峰中单峰个数及单峰位置, 将其作为重叠峰信号的特征值送入BP神经网络的输入层； 其次将BP神经网络权值及阈值初始化, 利用遗传算法全局搜索的优势, 进行算法初始种群及种群规模等最优参数的选取, 通过选择、 交叉、 变异等一系列遗传进化操作进行寻优计算, 得到包含BP神经网络最优权值和阈值的个体； 然后确定网络最优参数并进行相应网络训练, 使优化后的BP神经网络可从输出节点处获得独立单峰的峰宽及强度； 最后结合二次微分处理得到的重叠峰特征值, 即可分离出单个谱峰。 以随机生成的多组高斯重叠峰数学模型作为实验数据进行仿真实验, 结果表明该方法具有较高的精确度。 其中, 双峰重叠峰及三峰重叠峰分解后峰强度及峰宽的最大相对误差分别为0.30%, 3.57%和0.64%, 3.83%； 同时也可对四峰重叠峰进行较为准确的分解。 此外, 将GA_BP网络模型与未经优化的BP神经网络模型作对比, 结果表明GA_BP网络运行5步后即可达到预设的误差值, 而未经优化的网络模型则需19步方可达到, 进一步证明GA_BP网络模型收敛更快且误差较低。 由此可见, GA_BP算法在重叠光谱分析中有较好的效果, 并可应用于其他能谱重叠峰的分解, 与传统方法相比具有明显的优势, 具有一定的实用价值。

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题, 提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型, 理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置, 实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征, 得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系, 计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值, 重构出软体气动驱动器的变形形状, 验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明：将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层, 利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感, 3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1 %。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。

为了实现生物医疗领域软体手术机器人等柔性机构的曲率测量, 本文提出并设计了基于PVC(Polyvinyl Chloride, 聚氯乙烯)和硅胶复合基底的光纤布拉格光栅柔性曲率传感器。将光纤光栅植入到硅胶片中, 并将硅胶片粘贴在PVC基底的表面, 形成基于PVC和硅胶复合基底的曲率传感器。使用标准曲率校准块对传感器进行了校准实验, 测试不同曲率下传感器的反射光谱、波长漂移量等参数。为了证明PVC基底对植入在硅胶中FBG传感器的性能影响, 对基于PVC和硅胶复合基底和基于硅胶基底的传感器进行了灵敏度和重复性的实验测试。实验结果表明: PVC基底可以提高植入硅胶中FBG曲率传感器的灵敏度和重复性, 且基于PVC-硅胶复合基底的传感器灵敏度最高可达245.5 pm/m-1, 偏差指数不足3%。该传感器在生物医学等软体机器人和柔性机构的曲率测量中具有广阔的应用前景。

石墨烯对光的吸收率较低, 通过与光学谐振腔结合限制光场, 可有效提高石墨烯探测器件对入射光的吸收.以电磁场传输理论为基础, 推导了双层石墨烯光学谐振腔中的光场分布, 建立了谐振增强型光电探测器传输矩阵数理模型, 对Bernal-Stacked双层石墨烯的谐振增强型光电探测器结构参数进行数值计算, 并对探测器性能进行分析.结果表明, 设计的探测波长为1.06 μm谐振增强结构光电探测器, 双层石墨烯的光吸收率达到96.78%, 大幅提升了对微弱光信号的探测能力.

高端玻璃的内部应力精确测量关系其所在系统的安全性和可靠性。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法, 激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成, 待测样品放置在回馈外腔中, 通过回馈光对激光器内部增益调制产生的偏振跳变现象提取双折射信息, 进而获得应力。首先, 从理论上分析了回馈系统中激光器输出的正交偏振模式相位与外腔应力双折射的关系; 接着, 通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息; 然后, 采用标准四分之一波片对系统和算法的精度进行了测试。最后, 采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量, 并给出测量结果。实验结果表明: 该系统对应力的条纹数测量精度优于8.3×10-4, 满足高端玻璃的应力检测需求。

飞机载荷参数测试对保障飞行安全至关重要, 光纤光栅传感器凭由诸多优势在不断尝试应用在其中。为了实现对结构应变的精确测量, 同时排除温度带来的影响, 通过对基底及光栅刻写工艺的特殊设计, 实现了温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器, 并对基底进行有限元分析。在10～60 ℃的温度范围内, 该新型传感器温度灵敏度为45 pm/℃, 较裸光纤光栅增敏4.5倍, 线性度良好。在MTS拉伸试验机上测试拉伸试验件在0～700 με条件下传感器特性, 灵敏度为1.46 pm/με, 较裸贴方式增敏1.4倍, 线性度良好。传感器温度误差小于0.1 ℃, 应变误差小于3 με。实验结果表明, 传感器解耦性能良好, 与理论分析相符, 满足飞机载荷谱测试的应用背景。

为了研究一种星载光纤光栅传感解调系统, 通过高掺锗光纤载氢增敏和优化紫外曝光功率, 实现了栅区长度小于0.5 mm, 反射率大于40%, 3 dB带宽大于5 nm, 反射谱边缘有效线性区域大于2 nm的超短光纤光栅的写制。提出了一种将超短FBG作为传感器件, 利用其光谱线性区进行传感解调的方法。将中心波长位于光谱线性区域的稳频激光入射到超短光纤光栅, 随着超短光纤光栅光谱的漂移, 反射光的功率随之变化。由于稳频激光位于线性区域, 返回光功率与光谱漂移量呈线性关系, 因而可实现传感测量。将该系统用于应变和温度的测量, 结果表明, 光功率随应变、温度变化具有较好的线性关系, 线性度分别为0.997和0.999, 灵敏度分别为54.59 nW/με和230 nW/℃。该方法可用于温度及应变的精确测量, 并且具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等潜在优势。