空间目标由于距地相对较远, 且散射光信号受到大气介质的强散射, 在地基测量中很难获取到目标的准确信息。 近年来光谱观测技术蓬勃发展, 由此为空间目标测量提供了新的方案, 但在采集的目标光谱信息中, 由于目标轨道高度、 材料组成等大多相近, 很难直接从光谱曲线中分辨出目标。 为此基于双向反射分布函数（BRDF）散射理论, 建立了空间目标散射光谱成像模型, 并由1.2 m口径地基观测平台与光谱视频成像系统实验测量了一组高轨道同步卫星（GEO）目标, 光谱范围为400～720 nm, 光谱分辨率为2 nm。 采用径向基神经网络算法对光谱数据中的BRDF进行解混, 实验测量了六种空间目标典型材料的BRDF。 由于目标相对较远, 已经超出探测系统的衍射极限, 因此目标可视为点目标, 但在地基测量中大气层是阻隔在探测系统和目标之间的重要屏障, 目标光信号穿过大气层时会受到大气介质的强烈散射, 这种散射虽然很大程度上削弱了光信号, 但同时光信号也被按原结构放大。 依据光学记忆效应, 目标光信号穿过均匀大气介质后其结构仍保持不变。 基于以上分析, 目标光斑图像应该保留有目标投影结构的信息。 为此采用针对目标光斑图像纹理区域分割反演的方法, 将目标光斑划分为10个纹理区域, 并提取对应光谱数据。 通过探测系统传递函数标定以及减噪处理, 获得了观测时段在轨目标空间几何角度下的光谱曲线。 再利用建立的典型材料光谱数据库进行拟合反演。 结果表明: 在2号、 5号、 10号纹理区域反演出了区别于其他区域不同的材料类型。 同时, 反演的各纹理区的材料面积比也有较大不同。 为进一步评估拟合结果, 采用非奇异矩阵对拟合效果进行评价, 分析了扰动方程, 拟合准确率最高为85.283 3, 最低为76.982 7。 这说明拟合结果是相对真实的, 目标散斑图像中含有可分辨的目标投影结构信息。 此研究为揭开点目标成像探测和散斑图像结构识别提供了新的方向。

光谱成像具有良好的多维信息获取能力，广泛应用在食品安全、医学诊断、环境监测、伪装识别及**遥感等领域。传统光谱成像系统受到分光器件的限制，其存在体积大、成本高和集成度低等问题。基于新型超构表面的成像光谱芯片可为传感器小型化、低成本提供有效解决方案。随着光谱分析需求的持续攀升，加速了超构表面成像光谱芯片的快速发展。本文综述了近年来超构表面成像光谱芯片研究进展。在此基础上，介绍了本团队最新研究成果，通过创新设计成像光谱芯片体系架构，可同时实现高能量利用率、高空间分辨率、高光谱分辨率，为芯片级光谱成像系统的应用打下良好的基础。最后论述了成像光谱芯片的发展趋势及应用前景，为实现光谱成像系统小型化提供参考。

采用1064 nm脉冲激光作为泵浦光，通过高压氘气的受激拉曼散射变频实现1.56 μm拉曼激光输出，并建立了计算受激拉曼散射与聚焦特征之间关系的模型，实现了对实验工作的指导。采用两次聚焦的设计，通过氘气气压以及聚焦参数等变量的优化，实现最高82.4%的光子转换率。为了提高1.56 μm拉曼激光的单脉冲能量，采用降低气压、提高泵浦光脉冲能量等方式，实现了最高245 mJ的脉冲能量，并通过倍频实现了780 nm激光输出，从而获得一种产生780 nm波长高峰值功率脉冲激光的方法。

文章在理论方面利用亚波长孔阵结构透射峰位关系公式, 针对光谱探测器件所需要的具备单峰窄带透射特性的介质-金属-介质的三层结构”双玻孔阵”结构模型的窄带单峰透射结果, 基于现有的加工工艺对较常出现的上沿过刻、孔底残留和孔底过刻三种实验误差进行了潜在失效模式分析, 与标准双玻孔阵模型对比结果, 分析得到加工误差对窄带单峰透射的各种影响及产生的机理。对利用双玻孔阵结构的异常透射原理对入射光进行选择性透过制备出的新型像素级滤光膜系的制备工艺有一定的指导意义。

小型化的光谱探测设备有低载荷、低成本、高集成度等诸多应用优势。而滤光/分光模块是光谱探测设备的核心组件。本文利用亚波长金属孔阵模型设计出一种有别于传统滤光片的滤光组件, 将对应的近红外波长的光进行选择性透过。一直以来基于超透射现象的亚波长金属孔阵滤光膜因上下介质的介电常数不同而产生两个强透射峰, 难以实现单通道滤光, 针对此缺陷设计了两层对称介质的双层玻璃透射形结构, 在近红外波段成功实现了单波长透射的特性。通过时域有限差分法进行仿真运算, 成功实现了1.25μm、1.40μm、1.55μm、1.70μm, 透射率约45(±3)%四种窄带透射, 半波峰宽度50nm的结果。并总结出结构参数的相应设计公式, 在1~2μm波长近红外区可以实现任一波长的滤光调制, 且透射率与频宽可调。

氮化硅陶瓷具有耐高温、 耐腐蚀和耐磨损等优异性能, 可应用于金属材料和高分子材料难以胜任的极端工作环境。 但具备这些优良特性的同时也给其加工带来了不便, 传统的磨削加工方法效率低, 设备损耗严重, 激光辅助加工为其提供了一种新途径。 将等离子体光谱法和显微成像法相结合, 对脉冲激光辐照氮化硅陶瓷的损伤阈值进行了测量, 并分析了损伤机理。 实验选用热压烧结氮化硅陶瓷为靶材, 参考ISO21254国际损伤阈值测试标准搭建试验系统, 采用1-on-1法利用Nd3+∶YAG固体脉冲激光分别在纳秒和微秒脉宽下辐照氮化硅陶瓷, 两种脉宽分别选取10个能量密度梯度进行激光辐照, 每个能量密度辐照10个点。 利用光纤光谱仪采集光谱信息, 利用金相显微镜获取显微图像信息, 将光谱结果与显微成像结果对比分析, 发现纳秒脉宽下材料一旦损伤光谱上就会出现等离子体峰, 通过分析光谱中等离子体峰, 元素指认是否含有材料中特征元素即可判断损伤, 为了区别空气电离击穿同时测量了空气等离子体光谱对比分析剔除干扰。 微秒脉宽下显微图像观察到刚开始损伤时, 光谱中只出现较强热辐射谱线并未出现等离子体谱线, 进一步增加激光能量密度, 光谱中会出现少量等离子体峰, 因此不能直接以等离子体峰判断材料损伤阈值。 利用金相显微镜观察损伤形貌, 纳秒脉宽下在损伤区域内部观察到明显的烧蚀冲击状损伤, 光谱呈现出大量等离子体谱线, 说明纳秒激光辐照氮化硅损伤机制主要为等离子体冲击波引起的力学损伤效应。 微秒脉宽在辐照区域边缘发现热烧蚀痕迹, 损伤区内观察到大量熔融物, 出现明显热辐射光谱, 说明微秒激光辐照氮化硅损伤机制主要是由于长脉宽热积累引起的热损伤效应, 随着能量密度增加热辐射谱上叠加有等离子体峰, 等离子体峰值强度与损伤程度一致。 利用零几率损伤阈值法对两种方法测得结果进行了拟合, 分析发现等离子体光谱法更适用于纳秒脉宽下损伤阈值测量, 得到结果为0.256 J·cm-2; 显微成像法适用于微秒脉宽下损伤阈值测量, 得到结果为6.84 J·cm-2。

依据双向反射分布函数理论, 推导出散射光谱的加和性原理。 散射光谱加和性是指对于材质质点之间无相互作用的平面漫反射体系, 在光源与入射面材质不存在干涉、 衍射、 荧光、 光谱上转换和光谱下转换等相互转换作用, 且无光化学现象及非线性效应发生的前提下, 且符合能量守恒定律的同时, 由单光源或多光源照射的材料的散射光谱, 等于该材料中每种材质的散射光谱的线性叠加。 实验上, 以几种材料的散射光谱为例, 通过改变探测条件、 照明条件和材质比例, 进行了散射光谱加和性的实验验证, 并且针对实验结果进行了误差分析。 单光源条件下的最大实验误差为2.64%, 多光源条件下则为2.35%, 加和计算偏差均在实验误差允许范围内。 由此证明了材料的散射光谱具有加和性, 不受组成的材质差异性、 材质的面积比例组合多样性、 以及实验条件多变性影响。 散射光谱加和性的首次提出, 不仅为基于散射光谱的复杂结构体的特征提取及识别研究提供了确切的理论依据和有效的分析方法, 而且对相关的实验分析和应用研究有着重要的借鉴和参考意义。

邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二乙酯是三种最常用的塑化剂,由于结构以及形态较为相似,使得其检测和分析比较困难。本文首先利用Gaussian03软件使用DFT三参数混合方法基于基组3-21G优化出了三种常用塑化剂邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯以及邻苯二甲酸二乙酯的空间结构,得到了理论拉曼光谱并对其特征频移及其振动模式进行了指认。同时实验测量了这三种常用塑化剂的分析纯级样品拉曼光谱并与其理论拉曼光谱分别做了对比,显示出很好的一致性。最后对三种常用塑化剂的晶格结构进行了分析与讨论。

采用地基光谱探测技术, 观测到了最低亮度为4.2星等的空间碎片其分辨率为0.5 nm的高精度散射光谱。 并对卫星残骸和火箭残骸的光谱数据进行了归一化处理和离散率分析, 得到了不同类别目标的明显区别。 火箭残骸的多帧散射光谱归一化后线型一致, 而对于卫星的多帧散射光谱归一化后线型不一致, 对归一化的空间碎片的每一帧光谱求离散率, 得到的结果为火箭残骸的离散率低, 都在0.978%～3.067%之间, 且波动差值及平均值较小; 而卫星的每帧归一化散射光谱的离散率高, 在3.1184%～19.4727%之间。 且波动差值及平均值较大。 原因是火箭残骸的结构简单, 组成材料较单一, 卫星的结构复杂, 组成材料较多。 因此散射光谱分析可以应用于空间碎片分类的研究。

近几年, 国内有关塑化剂的食品安全事件频发, 迫切需求加强对于食品中塑化剂的检测研究工作。邻苯二甲酸二辛酯是塑化剂的一种。理论计算和实验测量了邻苯二甲酸二辛酯的拉曼光谱。利用密度泛函理论DFT(B3LYP)的三参数混合方法对其进行了空间结构优化;然后分别用(Hartree-Fock)HF/3-21G和DFT/3-21G两种算法计算了它的拉曼光谱和红外光谱, 给出了光谱强度图。实验测量了分析纯级邻苯二甲酸二辛酯的拉曼光谱, 并和理论计算结果进行了对比, 显示了很好的一致性,与此同时由于计算方法的不同, 从图中可以看出Gaussian计算的HF和DFT算法无论是峰的位置还是相对强度等都均存在差别。还给出了常用塑化剂邻苯二甲酸二辛酯的各个键长、键角等空间结构参数, 并对邻苯二甲酸二辛酯分子在400～3 500 cm-1区间的振动谱做了指认。报道了常用塑化剂邻苯二甲酸二辛酯的拉曼光谱研究工作。这些工作将有助于拉曼光谱技术在食品检测领域的研究和应用。