上转换荧光材料由于具有独特的反斯托克斯发射、激发光成像深、自发荧光低、物理化学性质稳定等特点，因此作为影像药剂被广泛研究，在生物医疗领域的应用也得到了不断的发展，但较低的发光效率制约了其发展。金属纳米粒子具有独特的局域表面等离子共振效应，可以有效地增强上转换荧光。本文主要综述离散偶极近似仿真对金属调制荧光的理论指导、实验验证和生物应用。离散偶极近似仿真能够计算纳米粒子电磁特性，可以预测等离子共振峰的位置和强度，从而指导设计金属增强稀土荧光的结构，并对其荧光性能进行测试验证。综述中共涉及了六种不同的稀土-金属复合结构，都获得了金属增强荧光的效果，并实现了其在生物成像和治疗领域的应用。

光声信号强度与光功率成正比, 然而, 高功率激光光源存在功耗高、 驱动控制电路复杂、 低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点, 此类光源多集中在>6 μm波段, 难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。 而且, 基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大, 不能满足多点连续移动监测工作的需要。 利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、 带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法, 在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。 使用的ICL靶向乙烷(C2H6)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。 通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法, 结合波长调制光谱技术, 实现了高灵敏检测, 同时, 有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。 首先, 结合系统原理结构, 顺次介绍了设计方案以及光、 电等模块的设计细节。 分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况, 以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响, 最终确定系统工作气压为200 Torr。 然后, 通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C2H6进行单周期光谱扫描测试分析, 推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。 对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试, 系统线性性能良好, 相关度为0.999 65, 同时, 明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。 最后, 通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V, 由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。 介绍的新型中红外C2H6传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量, 而且, 使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积, 弥补了使用商用仪器占用体积大的不足, 为将来实现小型化、 移动式测量的目标奠定了一定基础。 此外, 对于功率消耗无限制的其他应用, 可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度, 并应用于更多场景。

根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。 详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理, 给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。 此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响, 使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。 结合原理框图, 通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案, 描述了自主研制的软、 硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考, 并给出传感器光学配置实物图。 而且, 为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽, 对气压和调制深度进行优化, 研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系, 最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1, 对应的调制信号幅度为~0.026 V。 此外, 基于优化后的气压和调制深度, 使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。 详细介绍了ICL扫描调制信号、 锁相放大及数据采集单元的参数设置, 并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。 通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号, 估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。 最后, 使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试, 并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。 而且, 使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。 结果显示, 该系统工作稳定, 积分时间为4 s时, 乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。 通过增加系统积分时间至63 s, 系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。

为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计, 结合锑化镓(GaSb) ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W, 并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明: CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0 nL/L和3.0 nL/L, 测量精度分别为1.4 nL/L和1.0 nL/L。此外, 相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测, 通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66 h的监测试验, 验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作, 基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

为了实现对地下岩层空间应力状态及其变化规律的有效监测，基于光纤光栅传感技术与平面应力状态测量原理，提出了一种平面应变花与光纤光栅传感技术相结合的监测方法。通过利用碳纤维层积复合材料对光纤光栅封装做成应变传感单元，九个应变传感单元分别组成两组直角应变花与一组等角应变花，三组应变花分别放置于三个圆柱形探头S1,S2,S3上，三个探头以一定的机械结构连接构成地层空间应力的监测的三维地应力传感装置。对光纤应变传感单元进行温度与应力的标定实验，在室内对整体传感装置进行了应力加载模拟实验。实验结果表明：光纤应变传感单元的应力分辨率为0.017 2 MPa；应力监测为0～60 MPa；探头S1最大主应力的监测平均误差为16.31％，探头S2最大主应力的监测平均误差为24.36％，S3探头的绝对误差为0.006 8 MPa；实际加载应力与传感器测量的应力空间角度误差平均值为1.24°。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致，可满足对地下岩层空间应力状态连续监测的要求。

稀土上转换荧光材料因为其独特的4f电子能级排布所带来的特殊光学、磁性等物理性质而受到研究人员的广泛关注。特别是其独特的反斯托克斯光学性质所带来的近红外激光响应及紫外至近红外光区内丰富的荧光发射性质, 更是被认为在荧光标记、生物成像、光学分析等领域具有重大的应用潜质。近些年, 伴随材料软化学制备方法的进步, 稀土上转换纳米材料的发光性质及其在多个领域内的应用研究取得了很大的进展。本文主要对稀土上转换荧光材料的发光性质调变及其在生物成像以及癌症治疗领域的应用研究进展加以阐述。

由于分布反馈式(DFB)激光器的工作温度会影响其激射波长, 降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力仪的磁场测量灵敏度, 以TMS320LF2812为核心控制器, 采用数字比例-积分-微分(PID)控制技术, 设计并研制了一种高精度、高稳定性DFB激光器温度控制系统。在硬件电路设计方面, 由温度控制前向通路和温度采集后向通路组成, 构成完整的闭环温度控制结构。软件设计中, 采用Ziegler-Nichols工程整定方法, 实现对P、I 和D三个参数的整定。以中心波长为852 nm 的DFB激光器为被控对象, 利用该温度控制系统对其进行了温度控制实验。实验结果表明: 系统的有效控温范围为5～60 ℃, 控温精度为±0.02 ℃, 稳定时间为20 s。并且在长时间(220 min)测试中, DFB激光器工作温度稳定性优于7.9×10-4(RMS), 为其在SERF原子磁力仪的实用化方面提供了性能保障。

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、 孔径高、 结构简单紧凑的优点, 同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面, 且物点和像点之间距离非常小。 现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。 为了解决实际中物点和探测器的安置问题, 对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计, 通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。 结果表明: 改进后的光学系统由于成像光束发生折叠, 物面和像面成功分离, 且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。