提出一种新型椭球形共振光声池, 利用有限元分析软件建立其声学特征模型, 对光声池的共振频率、谐振腔内的声压分布进行仿真。根据乙炔 (C2H2) 气体在近红外区吸收谱线的分布, 选取 1532.83 nm 作为 C2H2 的测量谱线, 采用可调谐分布式反馈 (DFB) 半导体激光器作为光源。利用法布里-珀罗(F-P)光纤声波传感器对声压信号进行采集, 开展对椭球形光声池性能指标的测试。实验结果表明: 椭球形光声池信噪比为 34, 检测极限灵敏度达到 1.47×10-9, 品质因数为 45.5。由此得出, 该结构提高了系统的灵敏度, 使光声池的性能有了明显提升, 有助于提高光声光谱法痕量气体的检测灵敏度。

实时在线气体检测在石油化工、 现代工业、 环境、 医学诊断、 智能电网中变压器在线监测等领域具有非常重要的意义。 光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的气体检测技术, 由于其具有检测灵敏度高、 选择性强、 分辨率高、 检测范围宽、 可实时在线监测等优点, 已被广泛用于痕量气体检测。 在光声光谱系统中, 光声池是最重要的组成部分, 其性能的好坏对于系统检测灵敏度和分辨率有着直接的影响。 近些年来, 光声光谱气体检测系统主要采用标准圆柱形共振光声池, 系统的检测灵敏度和分辨率主要由微音器决定。 为了进一步提高光声光谱法对于痕量气体检测的灵敏度和分辨率, 对光声池进行深入研究分析, 提出一种高灵敏度的椭球形共振光声池。 结合气体热动力学和声学理论, 利用COMSOL软件中的热声学模块分别对椭球形光声池和传统的圆柱形光声池进行了有限元方法分析, 建立了其声学特征模型, 并且对光声池的共振频率, 光声池谐振腔内的声压分布情况以及声压级大小等声学特性进行了仿真研究。 模拟了椭球形光声池的共振频率和声压信号大小与光声池谐振腔长度和中心半径之间的关系, 从而优化了光声池的尺寸结构, 选取了长度为100 mm, 中心半径为5 mm的椭球形光声池最优结构, 与相同外部尺寸下的传统圆柱形光声池进行了对比分析。 结果表明, 椭球形光声池的共振频率为1 340 Hz, 处于共振状态时产生的声压信号达到了5.01×10-5 Pa, 声压级为11 dB, 品质因数为70; 圆柱形光声池共振频率为1 650 Hz, 共振状态下产生的声压信号大小为5.7×10-6 Pa, 声压级为-13.9 dB, 品质因数为66。 对比可知, 椭球形光声池的共振频率明显小于圆柱形光声池, 且最大声压信号是同尺寸圆柱形共振光声池的8.78倍, 声压级提高了24.9 dB。 由此可知, 设计的椭球形共振光声池体积小, 声压信号大, 检测灵敏度高, 光声池的性能有了明显提升, 对于光声光谱法用于微痕量气体检测的灵敏度提高有着重要意义。

采用随机抽样拟合相函数的蒙特卡罗仿真方法,模拟了偏振光经过椭球形粒子发生多次散射后的偏振特性,并通过实验验证了其正确性。以长、短轴比为1.5的椭球形酵母菌粒子为研究对象,研究了激光在椭球形粒子烟雾中传输时的偏振特性。研究了波长为532 nm的0°线偏振光、45°线偏振光以及左旋圆偏振光在椭球形粒子烟雾扩散过程中偏振态的变化情况。结果表明,椭球形粒子的浓度越高,偏振度变化的随机性越大,且圆偏振光的保偏性优于线偏振光。在相同浓度下,不同起偏角度的线偏振光对偏振态的影响差别不大。

实验用一种新的化学方法合成了a/b(横纵比)1.6的椭球形非球形粒子,且以这种粒子为介质,通过油雾机在烟雾箱里产生不同浓度的非球形粒子,在均匀条件下分别以不同波长的激光(532 nm,671 nm)为入射光,透过衰减片、偏振片和1/4波片,并以旋转偏振片的方式使入射光变为0°,45°和左旋偏振光。分别以波长,入射角,非球形介质体积浓度为变量,研究偏振度(DOP)、偏振角(AOP)和光强(I)的变化情况,得到了偏振传输特性的变化规律以及保偏性能的优劣,对非球形介质的偏振传输特性的研究提供了数据和理论支持。

利用有限元数值分析方法研究了椭球状石英毛细管微气泡回音壁模式特性及其折射率传感性能.计算分析了不同半径与内壁厚度情况下空芯和液芯椭球形微气泡模式特征, 包括品质因数、有效折射率和能量比等, 并探讨了微气泡在高灵敏度和高分辨率折射率传感方面的应用潜能.研究结果表明微气泡膨胀至350 μm, 且内壁厚度为1 μm 时分辨率和灵敏度最佳; 在该厚度范围附近, 微气泡分辨率不会因为半径尺寸的改变而发生太大变化; 二阶径向模具有较高品质因数, 其灵敏度略高于一阶基模, 且使用二阶径向模可降低在制造时对结构壁厚控制精度的要求, 可用于实际传感应用中.研究结果对微气泡的进一步实验研制具有理论参考价值.

为提高凝视型共形光学系统的成像质量，提出了采用共形整流罩内表面设计与Zernike Fringe Sag 面固定校正板设计相结合的固定校正方法。根据建立的入射光线与出射光线方向的偏离角与整流罩参数的关系，设计整流罩内表面参数，减小共形整流罩引入的部分像差。在此基础上，利用Zernike Fringe 多项式各项与像差的对应关系，构建Zernike Fringe Sag 面固定校正板。基于该设计方法设计了一个凝视型共形光学系统，其F 数为1，焦距f 为30 mm，观察视场为±35°。分析了校正前后系统的像差特性。设计结果表明，该方法有效地减小了共形光学系统存在的主要像差，整个观察视场范围内调制传递函数(MTF)曲线在17 lp/mm 处均达到0.748以上，成像质量良好。

椭球形窗口的检测技术严重阻碍其成功应用。首先简要介绍了目前普遍使用的非球面检测技术，并针对椭球形窗口大倾斜、大偏心、深非球面的特点，基于零位补偿检测法原理，设计了一种适合椭球形窗口检测的改进型Offner零位补偿检测系统。检测系统包括补偿镜、场镜和标准球面参考镜，检测系统工作原理为：干涉仪出射平行光线通过补偿镜及场镜产生修正波前，通过椭球形窗口照射到标准球面反射镜，并按原光路返回与参考光线干涉，其干涉结果显示出椭球形窗口的面形偏差。实现了对椭球形窗口的高精度全口径一次检测并给出了完整的设计结果。检测了长径比为1.0，口径为110 mm的椭球形窗口，其波前残余波像差均方根值为0.0052λ。设计结果为实际使用提供了一定的参考。

应用椭球形整流罩的飞行器具有良好的空气动力学特性，但由于头罩的非旋转对称结构特性，后续红外搜索/跟踪成像系统难以同时实现大扫描视场与良好成像质量.为解决这一难题，提出一种基于拱形校正元件和动态校正器的椭球形整流罩光学系统设计方法，使用该方法设计的中波红外头罩光学系统具有±54°的超大扫描视场，且成像质量在整个扫描和瞬时视场内接近衍射极限.

提出了一种可用于指导非旋转对称、折反射式光学系统设计的Wasserman-Wolf曲面设计方法，并将其用于设计椭球形整流罩光学系统，得到的系统具有结构尺寸小的优点。利用最小二乘拟合的方法使系统初始结构兼顾各个扫描视场的像差校正需求，克服了以往只针对零视场计算校正元件初始参数致使扩展至整个扫描视场时系统评价函数难以收敛的弊端。同时，从平面对称的矢量像差理论出发，分析了平面对称反射镜的像差特性，阐述了在不同扫描视场中，利用反射镜倾斜来进行动态像差补偿的原理。设计了一套工作波段为中波红外的椭球形整流罩光学系统，该系统的调制传递函数(MTF)在整个扫描视场内接近衍射极限。

提出了一种基于非球面固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理，推导出非球面校正元件的像散表达式，在此基础上，以消像散和正弦条件作为非球面校正元件像差评价参数，采用最小二乘法拟合出满足消像散及彗差的非球面面形方程。并建立以泽尼克(Zernike)多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数，克服了采用传统光学设计方法设计椭球形窗口光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题。成像光学系统设计时通过比对不同材料匹配实现了光学系统的无热化。给出了完整的椭球形窗口光学系统的设计，设计结果表明，系统的调制传递函数在整个扫描视场范围内接近衍射极限。