为了研究旋转磁场激励下激光焊接裂纹磁光成像在频域内的特征，采用对激光焊接裂纹磁光图像进行2维离散傅里叶变换的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了旋转磁场不同励磁强度下激光焊接裂纹的频谱图数据。结合裂纹磁光图的空域特征，对所获裂纹频谱图灰度值为255的点进行统计分析。结果表明，激光焊接裂纹磁光图像的频域特征和空域特征有一定的对应关系;在一个变化周期内（885帧磁光图），对应频谱图上会出现先变小再变大、再变小再变大或相反的变化过程，最终回到初始状态。这一结果验证了旋转磁场下裂纹磁光成像规律的正确性，对激光焊接缺陷的无损检测是有帮助的。

提出了一种基于球面晶体的高光谱分辨全视场X射线荧光成像仪,并分析了该成像系统的空间分辨率、视场、能谱带宽、荧光收集效率。根据理论分析设计了一套用于V~Zn等典型中等原子序数金属的Kα线荧光成像系统,并采用解析的理论和本课题组编写的蒙特卡罗光线追迹程序对该系统性能进行了计算和仿真。理论分析和数值仿真的结果表明,这种X射线荧光成像技术具有较高的空间分辨率(优于80 μm)、较大的视场(大于6.5 mm)以及极高的光谱(能谱)分辨率(优于16.5 eV@4.6~9 keV)。

为了研究旋转磁场激励下焊接裂纹磁光成像规律, 采用工频旋转磁场对焊接裂纹激励并由磁光传感器获取裂纹磁光图像的方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了工频旋转磁场不同励磁强度下的动态磁光图像。结合磁光成像原理和旋转磁场理论, 对所获数据的灰度值进行了对比分析。结果表明, 旋转磁场工频励磁下任意1帧磁光图随励磁时间的推移都会发生变化, 并以初始3帧磁光图为一个循环周期依次向下一帧磁光图转换, 经过885帧磁光图后回到初始状态。该规律的发现有利于减少有效励磁时间, 提高焊接缺陷无损检测效果。

光栅作为一重要的分光元件, 广泛应用于各类光谱仪, 其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用, 一次实现宽光谱范围的记录。 商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数, 而不会提供光栅具体的变线距参数, 并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。 使用者往往只需要其中的一部分波段。 针对这种情况, 根据球面平场光栅聚焦、 分光原理, 利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。 并给出了利用这些参数, 根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。 根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。 研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪, 覆盖光谱范围230~280 nm。 采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1, 使用波段为170~500 nm。 推导了该光栅的变线距参数, 并针对230~280 nm波段对CCD的安装位置进行了优化。 同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。 波长标定采用参数拟合法, 整个波段范围内的标定精度优于0.01 nm。 光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08 nm@280.20 nm。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点, 适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构, 由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上, 电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置, 改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距, 进而改变系统的焦距, 实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于: 激光聚焦光路与信号光采集光路相同, 便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路, 适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜, 结构紧凑, 元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m, 聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验, 确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系, 得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明, 该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量, 并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。