波长编码光纤位置传感器具有对光强变化不敏感、稳定性高等优点, 为了进一步简化结构和降低成本, 提出了一种新型波长编码光纤位置传感器。使用10阶二进制伪随机m序列作为传感器的编码基准, 以100 μm的栅距制作编码标尺并搭建传感系统,由工作通道的输出电压解调绝对位置信息; 同时, 阵列波导光栅(AWG)作为解复用器与多个光电二极管组成多波长检测系统, 简化了传感系统并提高了响应速度。采用单向定位精度为6 μm的步进电机作为位移量标准, 验证了设计分辨率为100 μm的传感器方案可行性。

提出了一种扫描白光干涉法, 用于获取LCOS芯片的相位调制特性曲线并对其进行相位校准, 而且实现了对LCOS芯片建立的相位光栅的像素级相位分析.将补偿玻璃平板紧贴于参考镜处, 克服了白光短相干长度的限制, 提高了干涉条纹间的对比度.利用Morlet小波变换法求取白光干涉信号包络曲线的峰值点进行相位值重构, 实现了0.01π的相位测量精度, 同时保证了横向分辨率为0.79 μm.利用Logistics函数对相位调制幅度为2π的二元光栅相位轮廓进行拟合, 得到其相位回程区宽度为11.49 μm.小像素LCOS芯片构建的闪耀光栅存在相位线性增长区和相位回程区.周期为40 μm的闪耀光栅相位回程区宽度为8.81 μm, 其衍射效率为71.9%.对不同周期的闪耀光栅的相位轮廓进行分析, 结果表明：闪耀光栅的周期越小, 相位回程区相对宽度越大, 衍射效率降低.

针对金属表面等离激元光镊热损耗问题, 设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064 nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理, 设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上, 增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象, 得到的电场增强倍数高达11.9倍, 形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析, 并在x、y、z方向上计算分析了直径为25 nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.

针对光纤光镊捕获颗粒时直接接触易产生机械损伤的问题,提出了一种基于光热效应的单光纤远距离捕获方法。采用功率低于20 mW的C波段光纤宽带放大自发辐射光源,实现了对中尺度二氧化硅(SiO₂)小球的远距离捕获和操控,捕获距离长达800 μm。为探明该捕获机理,采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,仿真模拟了光纤在SiO₂悬浮液不同高度位置处形成的温度场分布、对流速度场分布和粒子在溶液中的运动轨迹。研究发现,在光纤操控小球的过程中起主要作用的是热对流产生的曳力,同时调整光纤高度会改变捕获速度和捕获距离。这种光纤微流体装置结构简单、操作灵活,具备在低功率条件下大范围捕获大颗粒的条件。

针对金属纳米光镊结构进行捕获时存在的光热效应问题,设计了一种硅基双纳米球的光镊结构。采用基于三维频域有限元的算法,对比分析了硅基双纳米球与金基双纳米球结构的增强场分布以及在对聚苯乙烯颗粒捕获势能相同条件下的热效应,发现硅基结构具有发热小、在高光场强度下捕获稳定性好的优点。对所设计的硅基双纳米球结构对聚苯乙烯颗粒的捕获特性进行模拟分析,在稳态场下研究了不同直径颗粒在不同位置受到的捕获力情况。研究结果表明,硅基纳米光镊结构在对微粒进行稳定捕获的同时可有效降低结构热效应带来的影响。