针对GaAs基和InP基材料的波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)中微机电系统(MEMS)应力集中引起结构损坏的问题开展研究。设计了蝴蝶结状MEMS悬臂结构, 在保证最大位移不变的情况下, 降低了悬臂固定端所受的米塞斯应力, 提高了器件的可靠性。采用COMSOL软件对蝴蝶结状悬臂结构的各项参数对力学特性的影响进行了优化与分析。结果表明: 优化后的蝴蝶结状MEMS悬臂结构固定端的最大米塞斯应力相比于等截面状悬臂结构最大降低了64%, 对于GaAs基材料的蝴蝶结状MEMS波长可调谐VCSEL自由光谱范围可达45 nm。

远距离检测主要用于人类不宜或不易接触的物品检测, 紫外拉曼光谱法是一种比较有效的远距离危险物品检测方法, 在反恐、禁毒和食品安全等领域具有广泛的应用前景。本文在分析远程拉曼光谱检测技术基本原理的基础上, 总结了紫外拉曼光谱检测技术的优势, 对远程紫外拉曼光谱检测技术的现状进行综合分析。从激光器发射、光学接收系统、光谱接收、光谱处理等方面分析了不同模块关键技术及研究现状, 分析了远程紫外拉曼光谱检测技术的研究难点和发展趋势。

基于纳秒Nd∶YAG激光器与卡塞格林式望远镜系统建立了一套25 m远距离激光诱导击穿光谱测量装置, 实现了对金属靶材的远距离测量.在此基础上, 利用铝合金标样开展了金属中微量元素远程定量分析, 研究了不同距离下铝合金中Pb、Fe、Ni三种元素的定量分析标定曲线与探测极限.实验结果表明, 在5 m至20 m三种测量距离下, Pb、Fe、Ni三种元素定标曲线的相关性系数均高于0.97; 尽管激光诱导击穿光谱的光谱信号随测量距离增加快速下降, 但是检测限随测量距离增加并无显著改变, 均在50 ppm以下.

被动傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术具有远程操作、在线分析和不需要 红外光源等优点。基于此技术 分析了被动遥测轧钢加热炉内燃烧过程中高温一氧化碳(CO)气体浓度计算的相关理论与方法。针对加 热炉辐射光谱测量包含两层均质红外辐射传输介质的情况,提出了采用炉膛外壁控温改变遥测背景红外辐 射,从而获得炉内CO特征光谱的方法。基于轧钢过程中的燃烧工况进行了CO浓度模拟计算与分析,讨论了CO温 度测量误差对测量浓度反演精度的影响,为该技术的实际应用提供了参考数据及技术方案。

远程激光诱导击穿光谱技术是一种利用脉冲激光和聚焦光路对远距离目标烧蚀击穿, 获取目标等离子体光谱, 定性或定量分析物质元素组成的光谱探测技术。 设计并搭建了一套远程激光诱导击穿光谱系统。 该系统结合卡式望远镜光学结构, 实现探测2～10 m距离的目标、 并可自动变焦。 基于该系统提出一种远程探测岩石主要元素含量方法。 通过对比实验, 研究了脉冲能量、 采集延时、 积分时间、 探测点累计探测次数对光谱信号的影响, 确定了岩石谱线获得的最佳条件。 选择48块岩石标本和6种常见国标岩石样品（页岩、 花岗岩、 安山岩、 玄武岩、 片麻岩、 伟晶岩)进行LIBS实验。 以原子光谱数据库为参考, 根据岩石的主要元素提取特征谱线（SiⅠ39055 nm, AlⅠ39440 nm, AlⅠ39615 nm, CaⅡ39685 nm, FeⅠ404 60 nm, SiⅠ50060 nm, MgⅠ51836 nm, NaⅠ58959 nm)。 利用偏最小二乘算法（PLS)建立岩石成分定量分析模型, 将48块岩石标本作为训练集进行求解, 并用六种国标岩石对模型进行检测, 预测岩石Si和Al元素含量, 平均误差分别为94%和96%。

研制了一种新型凹锥形表面增强拉曼散射（SERS）光纤探针，研究了光纤探针凹锥形结构的制备方法，分析了凹锥光纤探针形貌与腐蚀时间的关系，通过化学自组装法将金纳米颗粒固化到凹锥内表面，制成凹锥SERS光纤探针，并测试了其远程SERS检测性能。结果表明，凹锥形光纤探针具有更低的光纤拉曼光谱背底，约为同种光纤制备的锥形探针的1/3；在633 nm的激发波长下，固化金纳米颗粒的凹锥探针对于罗丹明6G（R6G）溶液的拉曼光谱远程检测浓度低至100 nmol/L。这种凹锥形结构使基底不易脱落，探针不易损坏。基于上述优点，该种凹锥形光纤探针可能在SERS远程检测领域具有潜在的应用价值。

为了得到远程物体的微米级振动的频率信息, 采用基于散斑图像的远程振动频率提取方法, 以波长为532nm连续激光器作为光源照射50m远处被测物体表面, 通过高速摄像机记录物体表面反射空间内的散斑图样提取物体的微振动频率。采用激光散斑图像的数据处理方法,进行了研究分析和实验验证, 利用长焦镜头对远程散斑图像进行适当散焦处理, 然后提取视频散斑图像间互相关系数峰值点与原点之间的矢量大小来获取散斑的变化信息, 同时对一定宽频率范围内的振动频率进行提取。结果表明, 用该方法得到的激光散斑远程微振动频率的提取准确度达99.22%。该数据结果为激光散斑应用于远程频率振动检测提供了一定的论证依据。

远程激光诱导击穿光谱技术(Remote LIBS)是一种利用高能激光和聚焦手段实现远距离分析物质元素组成的光谱探测技术,是远程探测的一种重要手段.本文对远程LIBS的三种探测方式(开放路径式、光纤光路式和便携式探针式)及相应的系统结构做了总结和分析.传统的开放路径式对激光器、光学系统和检测系统的性能和规格要求严格,一直是远程LIBS的研究热点;光纤光路LIBS优点主要体现在系统光学聚焦结构的简化和等离子体光的有效接收.本文综述了远程LIBS新技术的研究进展,着重分析了飞秒成丝远程LIBS技术及与Raman光谱探测相结合等远程LIBS新技术的特点和优势.新技术大大提高了探测距离,增强了物质识别能力,为扩大远程LIBS的应用做出巨大的贡献.同时,论文详细介绍了远程LIBS技术在深空探测、危害物质检测、工业冶金、文物检测修复等领域的研究现状和应用新进展.远程LIBS技术随着激光技术和光谱检测技术的发展以及对LIBS定标反演的研究,探测距离和应用范围不断扩大,检测精度和准确度也在提升。

为了满足斜拉桥拉索表面缺陷的远程检测要求，基于摄远型物镜结构原理设计加工了高分辨率视频摄远物镜光学及机械系统。根据物方300 m 外分辨4 mm 线宽的分辨率要求，按照焦距f′=320 mm 计算，确定摄远物镜像方分辨率为234 cycle/mm。选择适当初始结构，用光学设计软件OSLO 进行焦距缩放、替换玻璃、减少镜片等多步骤优化，最后得到相对孔径为1/5.7、视场角为2 ω =1.379°、分辨率达到250 cycle/mm 的摄远物镜光学结构。合理设计光机结构，加工装调实验样机。分辨率测试实验证明其实际物方分辨率可以达到300 m 远分辨4 mm 线宽。在斜拉桥工程现场成像实验表明该系统符合实际工程结构表面缺陷远程检测的要求。

为了对斜拉桥表面缺陷进行远程检测，设计了四片式高分辨率视频摄远物镜光学系统。图像传感器是像元尺寸为1.4 μm×1.4 μm、靶面尺寸为1/2.3″的1400万像素高分辨率互补金属氧化物半导体(CMOS)摄像机。为了匹配摄像机分辨率，设计的像方分辨率为357 lp/mm的摄远物镜，焦距为320 mm，相对孔径为1/6.95，视场角为1.379°。在物方可在228 m外分辨2 mm的线宽，能够满足对普通斜拉桥拉索检测的距离和分辨率要求。