光镊具有非接触、低损伤和适用范围广等特性,被广泛应用于生命科学、纳米科技等领域。光镊系统通过调制束缚光场操控机械振子的运动,借助光动量和角动量的检测获取振子的运动状态,以实现对振子物理参量的精密测量。与传统液体光镊系统不同,真空光镊系统中的机械振子可获得与外界环境近乎完全隔离的状态,具有超高灵敏度的探测能力,是精密测量和基础物理研究的理想平台。首先介绍了真空光镊系统相关的基础理论,然后介绍了真空光镊系统的实验配置方案及其在精密测量中的典型应用,最后总结了真空光镊系统的发展现状,并给出了未来的发展建议。

货架期是影响果蔬品质和供应安全的重要因素, 快速准确预测果蔬货架期已成为消费者、 生产者和管理者共同关注的问题。 猕猴桃含有多种有机物和氨基酸, 具有丰富的营养价值, 深受广大消费者的喜爱。 但由于猕猴桃表面颜色变化不明显, 人们仅凭感官难以准确判断猕猴桃的货架期和质量等级。 采用高光谱成像结合化学计量学方法对不同储存条件下的保鲜猕猴桃进行了货架期预测。 首先采集了4 ℃和(18±2) ℃下保鲜时间为0, 2, 4天各120个猕猴桃样本在400～1 000 nm的高光谱数据, 测定其硬度值和可溶性固形物含量(SSC), 获取猕猴桃切片高光谱图像。 对猕猴桃平均光谱提取并进行Savitzky-Golay卷积平滑预处理后, 通过光谱数据主成分分析(PCA), 发现不同货架期和储存温度的猕猴桃样本在前2个主成分空间形成一定的聚类, 4 ℃下猕猴桃样本出现少量重叠。 为了减少波长变量, 提高运算速度, 使用载荷系数法(XL)与连续投影算法(SPA)选择特征波长。 其中, 4 ℃猕猴桃样本的XL和SPA特征波长分别7个(481, 501, 547, 665, 723, 839, 912 nm)和10个(406, 428, 520, 617, 665, 682, 723, 818, 878和983 nm); (18±2) ℃猕猴桃样本XL特征波长为508, 545, 665, 672, 720, 839和909 nm, SPA特征波长为575, 622, 731, 756, 779, 800, 828, 865, 920和983 nm。 基于3∶1的光谱数据集划分三个货架期虚拟等级值1, 2和3, 以全光谱数据、 特征波长为输入, 建立非线性最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型。 结果表明, 对于4 ℃下3种货架期猕猴桃样本, 在全光谱和XL, SPA特征波长上的预测集准确度分别达到92.2%, 92.2%, 91.1%; (18±2) ℃时预测准确度均为100%。 猕猴桃切片图像PCA分析显示, 除PC5中有部分噪声影响外, 其他主成分图像均能完整反映猕猴桃切片信息, PC2图像可以明显呈现出猕猴桃切片在不同货架期的变化程度。 进一步分析猕猴桃硬度和可溶性固形物含量发现, 随着货架期延长, 猕猴桃可溶性固形物含量逐渐增加, (18±2) ℃时二者存在正相关性, 相关系数为0.557 6。 硬度则随货架期延长逐渐减小, 4和(18±2) ℃下硬度值和货架期之间存在负相关性, 相关系数分别为-0.335 6和-0.562 0。 结合猕猴桃光谱信息, 可以发现猕猴桃光谱反射率与其单个理化指标不成线性关系, 而是多个指标的综合反映。 因此, 采用高光谱成像技术可以全面、 准确、 快速的预测猕猴桃货架期, 为猕猴桃的生产、 销售提供技术指导。

针对双光束光阱轴向光阱刚度小、捕获稳定性差的缺点,提出利用四光束光阱捕获和操控微粒。采用射线模型对比分析了双光束光阱与四光束光阱在力学特征上的差异,设计制备了四光束光阱芯片。用其捕获半径为5 μm的聚苯乙烯微球,并采用均方位移法对其轴向光阱刚度进行标定。仿真和实验结果均表明,四光束光阱中轴向光阱的刚度与双光束光阱的横向光阱刚度相当,且远大于双光束光阱的轴向光阱刚度。四光束光阱在保持双光束光阱横向捕获稳定性的同时,提高了轴向捕获稳定性,对微纳颗粒的稳定操控有重要意义。

双光纤光阱利用两相向传输的光纤捕获微粒, 将微粒发射到光阱区域实现捕获是光纤光阱技术中的基本问题。提出一种利用光力实现自动捕获的双光纤光阱芯片, 以实现通光即捕获微粒的功能。通过几何光学模型对光阱芯片中不同物理量进行了分析比较, 选定了能够满足自动捕获要求的芯片参数, 如捕获室尺寸、光束对准精度及束腰半径等。理论与实验结果表明, 在选取最佳化参数的情况下, 芯片能够实现对微粒的自动稳定捕获。该光阱芯片作为光阱技术的一种便捷的工具, 可促进相关技术在生物医学领域提供更广泛的应用。

激光扫描技术是以激光扫描仪为核心发展迅速的一种新型空间数据获取手段。利用低成本的二维激光扫描仪实现针对目标物体的三维重建，为此对基于二维激光扫描技术的三维重建过程中所涉及的相关技术进行了研究分析，为后续开展三维重建的实验研究奠定理论基础。同时在构建基于二维激光扫描仪（LMS291）的三维重建实验系统的基础上，研究分析了LMS291在平动和转动两种不同工作模式下的工作特点并通过Matlab编写程序进行数据处理，利用Matlab和Fledermaus软件生成三维重建效果图，得出并分析了重建结果。通过以上内容验证了构建的模型和所用方法的可行性及工作系统的可靠性，对进一步展开相关研究具有一定意义。

基于T矩阵方法，建立了双光束光阱中米氏微粒的光阱力计算模型。分析了光束相干性对光阱力的影响，即当捕获光为相干光时，两束光产生干涉，形成驻波，虽然能增加光阱力的大小，但由于形成包络峰，使得光阱力线性区域大大减少，不利于对光阱力进行分析以及标定。研究了在非相干条件下，被捕获微粒尺寸、光束辐射角、相对折射率和捕获激光波长对光阱力的影响。通过仿真，得出知被捕获微粒半径为1~5 μm、捕获波长为980~1064 nm、光束辐射角为40°~60°时，双光束光阱的捕获效果最好，且随着相对折射率的增大，光阱阱深减小，捕获范围增加。

光纤光镊技术利用光纤出射的光束捕获和操控粒子，其飞速发展对光阱力的理论研究提出了更高的要求。采用射线光学模型对光纤光阱中的米氏微球所受到的光阱力进行数值模拟，讨论了光阱力计算中可采用的近似条件及其应用范围，比较了在近似条件下与直接计算情况下结果的差异，分析了微球与光纤端面之间的距离对近似计算的影响。理论分析和模拟计算表明，当微球与光纤端面之间的距离大于临界值时，可对计算模型中光束在微球表面的入射角、入射点的方位角等角度参量作近似处理，该结论为简化光纤光阱力计算提供了理论依据。

机抖激光陀螺内在的温度特性对陀螺各方面带来的影响，制约了陀螺性能的进一步提高。为提高陀螺性能，研究了陀螺零偏的温度补偿方法。利用单温度点比较不同温度补偿模型对陀螺零偏的补偿效果，建立了零偏的温度补偿模型；研究了机抖激光陀螺零偏和多温度点的关系，根据测温点对补偿效果的影响大小，适当精简模型中两个测温点的温度数据，可将其作为冗余备用；设计了分段数据实验，验证了该模型的实用性。结果表明，多温度点补偿效果优于单温度点的补偿效果；模型简化大大减小计算量，并能满足补偿要求；利用精简后的模型补偿陀螺零偏，相比补偿前精度提高了1.6倍以上，且补偿后零偏稳定性均为10-3(°) /h量级。