本文提出一种使用立方相位光栅测量涡旋光束高阶轨道角动量（Orbital Angular Momentum， OAM）模式的方法。将艾里光束特有的相位变化特性与光栅的结构函数结合，设计一种立方相位光栅，并将涡旋光束准直入射至立方相位光栅的不同入射点上以产生衍射图。数值仿真和实验结果表明，通过分析衍射图中的类厄米-高斯衍射图样可以较容易地测量入射光束的OAM模式。入射光束拓扑荷值的大小由衍射图中的亮条纹数决定，其正负值由亮条纹的分布走向决定。优化后的实验链路可简化实验操作，效果明显，可将检测的拓扑荷值最高可达到60。

在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。

挥发性盐基氮(TVB-N)是衡量肉品新鲜的重要理化指标, 利用可见/近红外(VIS/NIR)光谱对TVB-N含量进行定量检测具有重要意义。 预测模型是VIS/NIR光谱检测TVB-N含量性能的关键要素, 使其兼顾准确性与稳健性可有效改善TVB-N的定量分析结果。 以猪肉为例, 采集51组不同新鲜度样本的VIS/NIR光谱数据, 去除低信噪比区间200～450和900～1 000 nm, 选取有效波段450～900 nm的光谱数据用于建模。 随后利用主成分分析(PCA)对光谱信息降维, 构建一个反向传播神经网络(BPNN)模型。 在此基础上, 提出用平均影响值(MIV)方法从有效波段中优选与肉质TVB-N含量强相关的特征波长, 最终基于221个优选波长, 构建一个MIV-PCA-BPNN预测模型。 实验表明, 初步构建的PCA-BPNN非线性预测模型, 校正相关系数(RC)和校正均方根误差(RMSEC)分别为0.96和1.47 mg/100 g, 预测相关系数(RP)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.93和1.74 mg/100 g, 模型稳健性指标为1.18, 优于经典的线性预测模型主成分分析回归和偏最小二乘回归, 证明TVB-N具有较强的非线性效应。 最终构建的MIV-PCA-BPNN预测模型的RC和RMSEC分别为0.98和1.21 mg/100 g, RP和RMSEP分别为0.96和1.12 mg/100 g, 模型稳健性指标为1.08, 在所构建的预测模型中, RMSEC和RMSEP最小, RC和RP最大, 模型的准确性和稳健性最佳。 另外, MIV方法筛选出的特征波长集中在7个波峰附近, 皆分布于肉品中化学成分的吸收区内, 且与TVB-N中的含氢基团的特征吸收峰表现出高度一致性, 为利用MIV方法筛选波长变量提供了理论依据。 研究结果显示, MIV波长优选可有效改善预测模型的性能, 为利用神经网络剔除无关波长变量提供了新思路, 所构建的MIV-PCA-BPNN预测模型满足了肉质中TVB-N定量分析的需求。

光纤与光芯片的上表面耦合的倾斜角度是影响光耦合效率的关键因素之一，针对传统角规测量法效率低、精度差和不稳定等问题，采用坐标系重构方法和图像处理技术实现了对光纤倾斜耦合角度的快速精密测量。首先，在常规图像角度测量的基础上引入棋盘靶标进行坐标系重构，降低了CCD在光学放大获取微小光纤的图像信息时光轴轻微转动引起的误差。然后，为了在降低噪声影响的同时保障光纤直线特征的检测精度，对比了Hough变换和图像细化两种提取光纤直线参数的算法，结合直线元素在投影面的三角关系获得了光纤倾斜角度。实验结果表明: 基于Hough变换的直线提取算法误差在±0.1°，平均运算时间为0.370 s，实现了对微小尺寸下光纤倾斜耦合角度快速精确地测量。

涡旋光的拓扑荷数测量是涡旋光应用不可或缺的关键技术。将周期渐变型光栅的渐变性与环形光栅的完全对称性相结合,对环形光栅的结构附加周期渐变性并进行优化,研制了一种用于涡旋光束高阶拓扑荷数测量的新型环形渐变型光栅。经过数值模拟与实验测试,涡旋光束准直投射至环形渐变光栅形成远场衍射图案,其变化规律精准地对应涡旋光束轨道角动量状态。实验测量拓扑荷数达±30。该研究为涡旋光束的测量应用提供了新方法。

在阴影遮挡等非视距应用场景中,可见光通信系统的性能受限于严重的光功率衰减影响。基于仿生复眼的工作原理,设计了一种球面仿生复眼微透镜组和复合抛物面聚光器耦合的光学接收天线。利用TracePro软件分析球面仿生复眼的非成像特性,发现当探测面面积一定时,随着邻子眼光轴夹角减小,能量收集比率逐步提高,当邻子眼光轴夹角小于局部最优值时,能量收集比率达90%以上,接近最优。光轴夹角的局部最优值与探测器面积呈正相关。复眼的大视场特性随邻子眼光轴夹角的增大而逐步丧失,最终趋近于单透镜特性。对于可见光通信非视距链路的应用,可获得天线增益达56.45,视场角大于90°。利用MATLAB对室内信道进行数值分析,证明了仿生复眼多级耦合光学天线在阴影遮挡严重的场景下依旧能保持较高的馈入光功率,与普通的单透镜天线相比,平均功率提高了20 dBm,表明所设计的光学天线具有大视场和高增益的特性,可有效提高室内可见光通信系统的抗阴影遮挡性能。

傣医药是我国传统医药的瑰宝, 同时也是我国“四大民族医药”（藏、 蒙、 维、 傣）之一。 建立灯台树叶片（傣语习称“摆埋丁别”）、 嫩茎的傅里叶红外光谱和HPLC测定鸭脚树叶碱、 熊果酸、 齐墩果酸含量的方法以快速鉴别和区分不同药用部位, 探讨嫩茎对灯台叶整体质量的影响及红外光谱结合高效液相色谱技术在傣药材质量评价中的应用。 采集15批灯台叶和嫩茎红外光谱, 平行三次, 原始光谱经自动基线校正、 自动平滑、 纵坐标归一化、 二阶求导等预处理后进行主成分分析, 分别测定鸭脚树叶碱［乙腈-0.1%氨水（40∶60）, 检测波长287 nm］, 熊果酸和齐墩果酸［甲醇-0.1%甲酸水（88∶12）, 检测波长210 nm］的含量。 灯台叶及嫩茎原始光谱呈现相似的变化规律, 差异较小, 经自动基线校正、 自动平滑、 纵坐标归一化和二阶求导处理后在3 000～2 800和1 800～500 cm-1波段中吸收峰数目和强度差异明显; 由导数光谱数据的主成分得分图可得知叶片和嫩茎各为一类, 且不同批次叶片之间的变异大于嫩茎; 叶片中有效成分平均含量均明显高于嫩茎（鸭脚树叶碱含量为嫩茎中的3.8倍, 熊果酸含量为嫩茎中的5.1倍, 齐墩果酸含量为嫩茎中的4.2倍）; 叶片中鸭脚树叶碱、 熊果酸和齐墩果酸平均含量分别为0.79, 8.47, 7.51 mg·g-1, 嫩茎中三者的平均含量分别为0.21, 1.78, 1.67 mg·g-1, 熊果酸、 齐墩果酸含量均明显高于鸭脚树叶碱含量, 而熊果酸和齐墩果酸含量相对稳定。 灯台叶的整体质量优于嫩茎, 市售掺杂嫩茎的灯台叶不能直接纳入傣药应用, 应先进行一定的净选后再加以利用。 红外光谱技术结合液相色谱能快速对傣药不同药用部位进行定性定量分析, 系统评价药材整体质量, 可用于傣药的质量控制。

针对涡旋光束复用传输中拓扑荷测量的问题，根据广义惠更斯菲涅耳积分，利用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法，建立光束传播模型，对拉盖尔高斯光束经复用在真空中传输进行数值仿真。通过分析光束真空传输后的相位分布，发现两束光复用后的相位分布特征与参与复用的各光束拓扑荷值之间有可辨别的关联，具体规律是相位的中心扇叶片数和叶片旋转方向与复用光束中拓扑荷绝对值较小的光束相同，而相位的外边缘相位叉点的个数和旋转方向分别与复用各光束的拓扑荷数值差的绝对值﹑拓扑荷数值较大者相同。所得结果为涡旋光束拓扑荷数的测量提供新方法。

提出在非晶硅薄膜太阳电池吸收层的上下表面采用亚元对称光栅来提高薄膜电池吸收率。采用严格耦合波分析法研究发现，对于厚度为400 nm 的非晶硅薄膜，在600~750 nm 波长范围内，这种新型光栅能有效地减少从上表面反射的入射光和从下表面透射的泄漏光，并增强吸收层的吸收率。仅在上表面采用亚元对称光栅，优化后的吸收率可以增强71%；仅在下表面采用光栅，吸收率增强24%；在上下表面同时采用光栅，太阳电池的吸收率可以增强81%。本研究为设计易于制作的具有高吸收率的薄膜太阳电池提供了新的思路。

针对ZigBee无线传感器网络在移动过程中严重丢包和能量受限问题，通过分析簇算法、簇树(ClusterTree)与AODVjr混合算法，设计了一种基于ClusterTree+AODVjr协议的混合动态成簇路由算法。该算法采用动态成簇机制，能够使节点移动后及时响应拓扑变化，快速重建网络连接，减少丢包现象，提高网络有效分组递交率；同时利用减少RREQ(路由请求分组)的洪泛广播来降低能耗。利用网络仿真器NS2进行了仿真实验，结果表明与原ClusterTree+AODVjr算法相比，该改进算法可平均降低14%的能耗，提高8%的平均有效分组递交率。