纳米薄膜与光纤的结合为新型感测提供了各种潜在可能。为了分析温度敏感薄膜的膜系设计及其对光纤温度传感器传感特性的影响，根据光学薄膜理论和光纤传感器的温度感测原理，探讨了光纤温度传感器中敏感薄膜的膜系设计，并构建了薄膜型光纤传感器的温度传感特性模型。以测试系统的参数、性能以及其对干涉光谱的要求为基础，设计了对称性较好的法布里-珀罗薄膜腔。通过对比不同膜层厚度法布里-珀罗结构膜系的传感特性，筛选膜系，分析了高、低折射率薄膜材料的热光系数和热膨胀系数分别对温度传感特性的影响权重，为光纤温度传感器敏感薄膜的镀制及工艺制定提供理论依据。

根据薄膜型光纤温度传感器的感温原理及光学薄膜的应力特性, 利用膜层干涉的特征矩阵分析了传感元件的传感特性, 建立了薄膜型光纤温度传感器的热应力特性及其对传感特性影响的理论模型。通过对薄膜和光纤的热光效应和热膨胀特性的分析, 对比了蓝宝石光纤、纯硅芯光纤和普通多模光纤三种光纤基底的热应力-温度特性, 设计了高温传感器传感探头的薄膜膜系, 分析了膜系中每层膜的热应力-温度特性, 以及临界载荷应力特性, 确定所选光纤基底脱膜的临界应力值。通过模拟不同应力作用下的光谱传感特性, 为传感器薄膜敏感探头的稳定性和可靠性提供理论依据和支持, 提高传感器研制的效率。

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上, 综合运用光学薄膜法布里珀罗腔(FabryPerot)干涉理论, 采用MATLAB 编程设计了纳米薄膜光纤法布里珀罗传感器的仿真分析程序, 模拟了薄膜型光纤法布里珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性, 分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重, 并进行了实验验证。验证结果表明, 传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致, 纳米薄膜光纤法布里珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系, 对传感探头的研制具有指导意义。

为了研制结构简单、成本低、可批量生产的微型光纤温度传感器, 分析了薄膜干涉型光纤温度传感器的原理, 选用ZrO2和Al2O3两种介质薄膜材料, 采用TFCalc膜系设计软件设计了薄膜干涉型光纤温度敏感探头的膜系, 由南光ZZS1100-8/G箱式真空镀膜系统采用电子束蒸发技术在普通多模光纤端面蒸镀介质薄膜, 形成法布里-珀罗(Fabry-Perot)薄膜干涉, 并搭建光纤温度传感测试系统, 测试结果表明: 在200~600 ℃范围内, 所设计的干涉型光纤温度传感器的测试光谱随温度变化产生一定的波长漂移, 且波长漂移的温度特性为线性, 线性相关系数为99.7%, 灵敏度为8.37×10-6/℃。基于法布里-珀罗干涉的薄膜型光纤温度传感器体积小, 成本低, 结构紧凑, 可批量生产, 适合安装位置狭小或对传感器集成化要求较高的场合。

采用电镀法和磁控溅射法设计了一种电镀增敏铜薄膜和耐海水腐蚀碳薄膜的微型光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器。当海水温度范围为0~50 ℃时，设计的FBG温度增敏传感器的布拉格波长与海水温度呈线性关系，线性系数高达99.99%。 温度灵敏度可由电镀时间和电流精确控制。将镀铜薄膜探头、镀铜薄膜和二氧化硅薄膜探头、镀铜薄膜和碳薄膜探头的温度特性和抗海水腐蚀特性作对比。结果表明，传感器的温度灵敏度系数随铜薄膜层厚度呈指数增长，铜薄膜层厚度随电镀时间呈线性增长，碳薄膜层的类金刚石结构可抑制增敏铜薄膜层在海水中的腐蚀。

根据光纤通信无源器件对光学薄膜的特殊需求，要求在光纤尾纤上镀制较复杂的波分复用滤光膜，针对光纤镀膜所存在的难点问题，利用TFCalc膜系设计软件采用解析法设计出一个初始的规整膜系，再结合梯度优化法在该规整膜系上有选择性的局部优化，并考虑镀膜设备所允许的膜层灵敏度，评估其鲁棒性和可镀制性，从而设计出满足光谱特性要求的滤光膜膜系。然后通过对德国莱宝APS1104型镀膜机进行内部结构改造并选择合适的冷镀工艺，最终采用离子源辅助沉积对所设计的膜系进行了实际镀制，获得了性能优良的光纤尾纤波分复用滤光膜。

针对红外图像信噪比和对比度低, 结合红外图像直方图分布的特点, 提出了一种基于高斯分布的自适应红外图像增强算法。该算法采用高斯分布函数平滑红外图像直方图中的主峰, 以抑制红外图像背景和噪声的加强。算法中的高斯分布函数可根据原红外图像直方图的分布情况自适应产生, 不需要人为设定, 将所生成的高斯分布函数对原直方图进行转换后再进行直方图均衡处理, 即可实现红外图像的增强。实验结果表明, 该算法能有效地突显红外图像的目标, 抑制其背景, 具有较好的增强效果。

为了不断改善和开发自聚焦透镜的性能, 实现光学仪器中自聚焦透镜分光的要求, 以Ta2O5和SiO2为介质材料, 运用TFCalc膜系设计软件, 采用解析法设计了一个初始膜系, 再结合变尺度优化法对初始膜系进行优化设计, 设计出具有较好光谱性能的1 470～1 610 nm波段95∶5自聚焦透镜分光膜。分析了设计膜系在自聚焦透镜端面沿径向折射率呈梯度减少时的拟合反射率曲线。通过大量实验选择合适的镀制工艺, 并采用德国莱宝APS1104型镀膜机对所设计的膜系进行实际镀制, 获得了性能优良的自聚焦透镜分光膜。

为了满足光通信中对光纤端面镀多层膜的特殊需求, 分析了光纤端面镀制截止滤光膜所存在的难点问题, 利用TFCalc薄膜设计软件, 采用解析法设计了一个初始膜系, 再结合梯度优化法对初始膜系进行优化处理, 成功设计出具有较好光谱性能的光纤端面截止滤光膜的膜系, 并对德国莱宝APS1104型镀膜机进行了内部结构和镀制工艺的改进, 最终采用离子源辅助沉积进行低温镀制, 获得了性能优良的光纤端面截止滤光膜。结果表明, 在光纤端面镀制多层的截止滤光膜, 虽然存在很多困难, 但选择合适的膜系和镀制工艺, 依然能获得符合实际要求的滤光膜。

基于红外探测器对红外增透膜的变角度使用需求，分析了入射角度改变对薄膜偏振效应的影响。通常会采用各种措施来减小这种偏振效应的影响，但基本上只能在单一入射角度较窄波段范围内实现消偏振。根据设计要求在所设计的初始膜系的基础上，运用TFCalc膜系设计软件采用梯度法和Needle法综合优化设计了3～5 μm宽波段红外增透膜。分析了该设计膜系在入射角为0°~60°的范围内所对应的p偏振光和s偏振光的透射光谱曲线，并模拟了膜厚改变2%对设计膜系透射率曲线的影响，实现了宽角度宽波段红外消偏振增透膜的设计。