基于光纤光栅的模式耦合理论, 用传输矩阵法对长短周期级联光纤光栅的传输谱特性进行分析。先由耦合模方程分别得到长周期光纤光栅(LPFG)、连接光纤段和短周期光纤光栅 (FBG)的传输矩阵, 然后将它们相乘得到总的传输矩阵, 最后再结合边界条件求得长短周期级联光纤光栅(CLBG)的传输谱。进一步对CLBG的传输谱进行了数值模拟, 并通过实验进行了验证。实验结果表明, CLBG的传输谱中出现了由纤芯模和包层模耦合形成的两个谐振峰, 与模拟计算的结果一致, 证明了传输矩阵法求解CLBG传输谱的可行性, 为CLBG在多参量传感和测量领域的广泛应用提供了理论支持。

基于光纤光栅的模式耦合理论, 采用严格的数学模型, 给出了三层介质长周期光纤光栅(LPFG)的纤芯模和包层模的本征方程, 分析了长周期光纤光栅中的纤芯模式和包层模式的有效折射率随外界环境折射率变化的情形, 以及外界环境折射率变化对长周期光纤光栅谐振波长的影响。通过在长周期光纤光栅外涂覆折射率对外界环境变化敏感响应的特定薄膜可以显著提高其传感测量的灵敏度。研究结果可为长周期光纤光栅传感器结构参数的优化设计和实际应用提供理论支持。

基于耦合模理论, 采用三包层光纤光栅模型, 对镀有敏感薄膜的长周期光纤光栅的传感特性进行了分析。当敏感薄膜的光学参数(薄膜折射率和薄膜厚度)发生变化时, 长周期光纤光栅传输谱中谐振峰处的透射率不变, 但谐振峰会发生平移。进一步对薄膜折射率和薄膜厚度对其传感灵敏度的影响进行数值模拟, 得到了结构优化的高灵敏度长周期光纤光栅传感器典型薄膜光学参数值。计算结果表明, 该类型传感器对敏感薄膜折射率的分辨率可达10-9。研究结果为高灵敏度长周期光纤光栅传感器的结构优化及其传感应用提供了理论支持。

介绍了采用Denisov辐射器将96 GHz边廊模式信号转换为高斯波束的设计、仿真及测试结果.基于耦合波理论给出Denisov辐射器的设计方法.根据96 GHz TE6,2模式Denisov准光模式转换器结构布局的要求，优化得到 Denisov辐射器，输入半径6.4 mm，长52 mm，辐射器切割边缘电流幅值为汇聚中心点的10%，输出准高斯能量转换效率达96.51%.由其组成的准光模式转换器冷测输出高斯波束束腰直径22.4 mm，矢量转换效率大于95%.

为了实现蔗糖溶液浓度与温度的同步精确测量, 采用组合式光纤光栅, 通过线性折射率分区, 构成相应的系数矩阵。首先, 基于模式耦合理论, 采用光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPBG)形成组合式光纤光栅, 实现了双参数测量的光学传感器。此组合式光纤光栅结构中, FBG响应温度测量, LPFG同时响应蔗糖溶液浓度和温度测量。然后, 在两个线性折射率范围, 即133~142和142~144中, 校正温度和蔗糖溶液浓度的相关系数。最后, 构成两个敏感系数矩阵, 来讨论蔗糖溶液浓度和温度同时测量的方法。实验结果表明: 蔗糖溶液浓度测量灵敏度达到-2135 pm/RIU, 温度测量灵敏度达到1179 pm/K。因此, 组合式光纤光栅传感器作为光化学传感器具有高灵敏度的特性。

基于模式耦合理论和传输矩阵法，使用三层结构圆光波导模型对长周期光纤光栅（LPFG）包层模（HE14）的响应特性进行仿真和分析。通过对比分析外部环境折射率呈梯度分布时与呈均匀分布时的LPFG透射谱，发现谱线中除了损耗峰发生漂移以外，主峰左侧旁瓣深度增加，主峰右侧旁瓣深度减小，且随外部环境折射率的升高，这种变化趋势愈加明显，分析了透射谱发生相应变化的原因。研究结果对使用LPFG进行折射率梯度传感设计具有一定意义。

提出了可应用于3 mm波段回旋管的TE6, 2模式Denisov辐射器。以耦合波理论为基础, 给出Denisov辐射器的设计方法。结合3 mm波段边廊模回旋管的具体参数, 采用编制的数值计算程序, 优化得到该模式 Denisov辐射器, 辐射器全长52 mm。全电磁场仿真表明, 该辐射器切割边缘电流幅值降为汇聚中心点的10%。由其组成的模式变换器, 冷测结果好于Vlasov模式变换器。

应用几何光学理论分析了高阶过模Denisov辐射器的基本工作原理。以耦合波理论为基础, 给出了高阶过模Denisov辐射器的设计方法。结合3 mm波段边廊模回旋管的具体参数, 研究了3 mm波段工作模式为TE6, 2的Denisov辐射器。采用编制的数值计算程序, 优化得到可靠的最优波导壁扰动几何参量, 据此设计出了紧凑的96.4 GHz工作模式为TE6, 2的Denisov辐射器。经全电磁场仿真验证, 该辐射器壁电流发生了较好的汇聚, 在切割边缘电流幅值降为汇聚中心点的10%, 输出准高斯束能量转换效率为96.51%。

通过模式耦合理论, 建立了基于长周期光纤光栅(LPFG)的二层圆光波导模型; 结合传输矩阵法, 仿真得到了外部介质折射率呈线性分布情况下LPFG的透射谱。仿真结果表明: 该结构下的LPFG透射谱特性强烈依赖于外部介质折射率梯度, 当外部介质折射率梯度升高, 透射谱的损耗峰深度逐渐降低, 损耗峰3dB带宽逐渐增加, 且增加量与折射率梯度的增加量呈较好的线性关系; 当外部折射率梯度由1.111 1×10-7 riu/mm增加到1.111 1×10-5 riu/mm时, 其梯度灵敏度可达到2.2×107 nm·mm/riu。这一结果使折射率梯度的高灵敏度测量成为可能, 为设计和制作基于LPFG的折射率梯度传感器提供了一定的理论依据,并有望用于生化反应中微小尺度下折射率呈梯度分布的液相介质的测量。

采用半径微扰的光滑壁圆波导产生HE11模，避免了常规微波领域中采用的波纹渐变转换器在高功率微波领域应用时易发生齿间打火的不足。采用基于模式耦合理论的迭代综合方法优化了不规则的半径渐变轮廓，使输出产生组成HE11模的混合模式。并通过全电磁波仿真软件进行了对比, 输出波束标量高斯含量在9.1~9.7 GHz范围内均高于99.5%，功率容量4.9 GW。