法布里-珀罗（F-P）微腔作为基础的光学谐振器，因其结构设计方法成熟、品质因子高等特性，在近现代光学领域中具有举足轻重的地位。近年来，随着微纳加工技术的不断成熟，F-P微腔进入了一个新的发展阶段，其结构展现出集成化、多样化、功能定制化的特点，其应用领域也得到进一步拓展。本文总结了近20年来F-P微腔在光场调控领域的研究进展，重点介绍了基于F-P微腔的分光结构及光谱探测应用、F-P微腔中光子与低维材料相互作用的研究，以及F-P微腔在参数精密测量、生物检测、多维光场调控等方面的潜在应用，并对未来F-P微腔的发展及新的应用前景进行了展望。

精确地测量增益及读出噪声对微型光谱仪性能评价及光谱数据处理十分重要。基于微型光谱仪的噪声原理, 推导出输出信号与噪声的函数关系, 从而提出了一种测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法, 并以此搭建了测量系统。对自主研制的微型光谱仪进行了测量, 得到其增益为2.02 e－/ADU, 读出噪声为68.92 e－。与光子转移曲线法和暗光谱法测得的实验数据进行对比, 进一步验证了该方法的可行性和有效性。该方法理论推导过程严谨, 操作过程简单, 可广泛应用于各型号微型光谱仪增益及读出噪声的测量。

为满足光谱仪微型化、便携化的要求，并克服基于台式电脑处理系统的光谱仪在户外使用不便的缺点，研制了一种基于Android系统的微型光谱仪。介绍了仪器研制过程中的光学、机械、电子学以及应用软件(APP)的设计。光学系统利用平场全息凹面光栅简化系统光路结构，机械结构使用3D打印技术一体化成型。选用线阵CCD（TCD1304DG）作为光电探测器，用全新的STC15系列嵌入式微控制单元(MCU)为控制核心，采用Android USB(系统通用串行总线)接口用于通信，完成了Android系统下高分辨率光谱数据采集系统的设计。编制APP用于实时处理光谱数据。运用电子快门技术，实现了Android设备对CCD积分时间的实时在线可调，满足了便携式光谱仪在不同环境下的工作要求。设计方案以Android系统作为数据处理平台，代替了传统台式电脑处理系统，体现了较好的便携性优势。

一般光谱仪的小型化是通过缩小元件尺寸和元件间距离实现的，会降低仪器的性能。为实现高光通量、高光谱分辨率的红外光谱探测，提出一种基于ZnSe平板波导的小型光谱仪的设计方法。说明平板波导结构压缩光束的原理，根据介质中光栅的衍射特性，推导出光谱分辨率与各个参数的关系，给出一个小型光谱仪的具体设计。仪器的光谱范围为8~14 μm，光谱分辨率为80 nm，数值孔径为0.3，光学系统是一整块ZnSe 平板波导，尺寸为70 mm × 70 mm × 4 mm。并与相同设计指标下一般Czerny-Turner 结构的光谱仪进行对比分析。结果表明基于ZnSe平板波导的小型光谱仪系统尺寸更小，光谱分辨率更高，光通量更大。

微型光谱仪是近年来光谱仪发展的主要方向。针对微型光谱仪数据采集系统的设计需求，应用TCD1304DG线阵CCD完成了以FPGA(EP4CE15)为控制核心的高分辨率数据采集系统设计，系统使用了集成Programmable Gain Amplifier(PGA)、16位模数转换功能的Analog Front End(AFE)芯片，开发了USB2.0高速数据传输电路并完成了光谱采集上位机软件的设计，实现了对光谱数据的实时处理。小型集成的电路设计方案满足了光谱仪对小型化、便携使用的特点和要求。

为实现红外光谱仪器的小型化, 通过分析现有小型光谱仪, 提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。 平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。 在平板波导光谱仪中, 光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播, 看起来像是整个光学系统被压扁了。 在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小, 从而显著减小光学系统的尺寸。 该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、 波导结构设计。 先根据像差理论设计Czerny-Turner结构, 目标是保证光谱分辨率及校正像差; 然后根据几何光学理论设计波导结构, 包括平板波导和两个柱面透镜, 目标是压缩光束并校正像散; 最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化, 以获得最优的光学系统。 据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪, 工作波段为8~12 μm, 数值孔径为0.22, 采用线阵探测器。 通过Zemax软件对结果进行分析和评价, 表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm, 工作波段内光谱分辨率达到80 nm, 满足设计指标要求。 证明了该优化设计方法是可行的, 所得系统尺寸小、 性能高。

结合微型光谱仪体积小、测量速度快的特点和双光路光谱仪的光束结构，基于双芯光纤和面阵探测器Czerny-Turner光学结构设计并研制成功一种微型双光束光谱检测系统——一双光束微型光谱仪.系统中第一根双芯光纤将光源光强均分成两路，一路作为参考光路，另一路作为检测样品的样品光路.参考光和被测样品光通过第二根双芯光纤传输并同时照明微型光谱仪的入射狭缝，两个纤芯沿狭缝长度(非色散)方向排列.为保证两路光的成像光谱不会发生重叠和串扰，在交叉对称Czerny-Turner光学结构中加入消像散柱面镜元件，运用光学设计软件对光谱仪系统进行了优化设计.光线追迹结果显示，双芯光纤传输参考光路与被测样品光路光束的成像光谱可以在300～800 nm范围内分离.依据设计结果加工并装调成功双光束微型光谱仪系统实验样机，实现了参考光谱和被测样品光谱在光谱仪上的同时显示与测量.实验表明，所设计的双光束光谱仪不仅具有双光路的光束结构，而且充分利用微型光纤光谱仪接口及配置灵活的特点，实现了真正意义上具有双光束光路结构的微型光谱仪系统.

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能。针对长波红外光 谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结 构的小型光栅光谱仪。首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测 灵敏度。然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计。最后 在光学软件Zemax中进行模拟和优化。设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14 μm,光谱 分辨率优于80 nm,光学系统尺寸约为100 mm×75 mm×45 mm,满足小型化要求。同时采用扫描光 栅配合单通道探测器的方式降低成本。

基于线阵电荷耦合器件(CCD)的小型光谱仪具有便于携带和快速探测的优点，故特别适于现场检测应用。介绍一种自行研制的小型光栅光谱仪，它采用Czerny－Turner式光学结构，并用线阵CCD作为探测器。该光谱仪光度特性的实验检测结果证明：实验样机的光度精密度优于±0．04Abs，光度准确度为±0．04Abs(0Abs～1Abs)。实验分析了光谱仪的杂散光、光度噪声和基线平直度等指标对仪器光度准确度的影响。最后针对小型光谱仪的特点提出改善其光度特性的措施。