针对普通石英光纤质地较脆,应用在结构裂缝监测中易发生断裂的现象,本文运用塑料光纤代替普通石英光纤进行结构裂缝监测,并且考虑复合材料裂缝开裂方向的不确定性,对塑料光纤及其裂缝监测能力进行了研究.设计了一套塑料光纤传感装置,并通过裂缝模拟装置来研究塑料光纤分别与裂缝呈30°、45°、60°夹角时,光损耗与裂缝开度的关系.实验结果表明,随着裂缝的开展,光损耗逐渐增加;纤芯直径为0.5 mm时最大光损耗幅值为78.76 μW,而纤芯直径为0.25 mm时,最大光损耗幅值只有24.28 μW,纤芯直径较大的光纤在微弯时易发生较大的光损耗.塑料光纤传感装置在结构裂缝监测中应用是可行性的,而且塑料光纤裂缝传感器的灵敏性随着方位角的增加而降低.

提出并制作了一种马赫增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器,其中马赫增德干涉仪由两个球形结构组成,起分光器和耦合器的作用.分析了各项结构参量对灵敏度的影响,结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵敏度不同.实验测得马赫增德干涉峰对温度、折射率和液位的灵敏度分别为0.072 45 nm/℃、87.65 nm/RIU和 0.029 714 nm/mm;光纤布喇格光栅透射峰对温度的灵敏度为0.009 89 nm/℃,但对折射率、液位不灵敏,因此可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.该传感器可广泛应用于化学、生物和制药等领域.

采用化学和物理提纯法制备出透光性较好的高纯度Ge20Te20Se60和Ge20Se80玻璃,分别作为光纤纤芯和包层玻璃基质.利用硫系玻璃的流变特性和黏度对温度的依赖性,用平直模具挤压法制备了完整芯包结构、低结构缺陷、椭圆度较好的光纤.研究表明：对玻璃进行相应提纯后,光纤损耗明显降低,平均损耗为8.5dB/m;在4.25μm处光纤损耗达到最低,为6.8dB/m.平直模具挤压法克服了Te玻璃易析晶的困难,所得到的Te基硫系玻璃光纤芯包层界面清晰、均匀度较好、损耗值较低、满足红外光在理想结构光纤中传输和传感的需求,在中远红外光学领域有一定的潜在应用价值.

根据光纤布里渊频移量随温度变化的特性,提出一种基于布里渊光相干反射技术的分布式光纤温度传感器.利用噪声信号的无周期特性,采用高斯白噪声信号对系统的光源进行电流调制,克服了现有布里渊光相干反射技术无法同时兼顾传感距离和空间分辨率的问题.实验研究表明,该传感器在253m的普通单模光纤上实现了分布式温度测量,获得了54.6cm的空间分辨率和±1.07℃的温度测量准确度.

为研究环境温度对光纤光栅使用寿命的影响,从光纤光栅的成栅机理出发,分析了光纤光栅折射率调制度的形成及热致衰减的物理机理;并以热致衰减机理为基础、以峰值反射率为主要指标,建立了温度对光纤光栅使用寿命的影响模型,得到了光纤光栅峰值反射率随温度及时间的变化关系.物理实验与数值仿真验证了理论模型的合理性,即：在仅考虑温度影响因素的情况下,光纤光栅在常规应用温度条件下可长期正常工作.

喇曼散射的分布式光纤测温系统中,由于光纤色散效应,反斯托克斯光与斯托克斯光传播速度不同会引起采集信号错位,导致测量误差.本文提出了一种利用分段三次Hermite插值算法修正反斯托克斯信号,消除信号错位,降低系统测量误差的方法.该方法在1 km传感样机上进行了验证.未修正时,反斯托克斯信号与斯托克斯信号在光纤尾端错开1个点,导致升温峰前端出现－7.45%的误差,经过插值修正后,消除了信号错位,使系统的测量误差在±1.5%以内.

为了解决随路遥泵系统采用传统二阶泵浦方式时出现自激的问题,提出了基于滤波隔离技术的降低多径干扰方案和基于混合型光纤技术的降低非线性系数方案.滤波隔离技术通过将滤波隔离单元放置于光纤线路中来有效改善多径干扰现象;混合型光纤技术通过采用大的有效面积光纤和普通光纤混合结构降低非线性效应.理论分析表明减少泵浦光的多次反射可减弱多径干涉;增加光纤有效面积可以降低非线性系数.实验结果表明：采用由波分复用器和隔离器组成的滤波隔离单元,进入远程增益单元的泵浦功率可提高1.2 dB;采用20 km EX2000和80 km G.652混合型光纤结构,进入远程增益单元的泵浦功率可提高1 dB.该研究对降低自激影响的随路二阶泵浦的研制和应用具有一定意义.

将小型双目立体视觉系统应用于小尺度测量,分析了CCD像素的不连续性对测量准确度的影响,探讨了系统结构参量基线距、焦距以及物距与测量误差之间的关系.当考虑像素不连续性时,视差值与测量距离之间呈阶梯状曲线关系,测量误差随基线距以及焦距的增大而减小,随物距的增大而增大.此外在实际测量中系统测量准确度达98.89%.该研究可为双目立体视觉小型系统的设计及搭建提供参考和指导.

为了解决传统N-FINDR算法计算量大,提取结果对噪声和初始端元选取敏感,且容易将异常点作为端元而造成误提取的问题,提出一种改进的快速N-FINDR端元提取算法.该方法通过光谱距离提取并去除高光谱图像中的冗余信息,减少N-FINDR提取端元的搜索范围,平滑噪声影响,并自适应剔除异常点,通过最大化光谱距离选取N-FINDR的初始端元,避免了随机选择的盲目性.采用合成数据和真实高光谱数据进行仿真分析并与现有算法进行对比,结果表明,本文算法能在噪声与奇异点干扰下正确提取端元,其提取效率和鲁棒性均优于现有算法.

建立了多光束干涉光刻干涉场内光强分布的数学模型,仿真计算了双光束、三光束、四光束干涉曝光情况下,入射光束存在角度偏差以及各入射光强不同时的干涉图样,并与理想状态的模拟结果进行对比.结果表明：光束入射角度偏差主要影响干涉图样的形状和周期;入射光的光强不同是降低图形对比度的主要因素.利用402 nm波长激光光源进行多光束干涉光刻实验.设定激光器输出功率32 mW,每两束光夹角为16°,通过控制曝光、显影工艺,双光束干涉光刻产生周期为1.4 μm的光栅、点阵和孔阵结构,三光束干涉光刻产生周期为1.7 μm的六边形图形阵列.该模型可为利用干涉光刻技术制备微细周期结构,提高光刻图形质量,提供一定的理论参考.

分析干旱地区近地面8.0 m高度处的温度、湿度、折射率结构常数、大气压强和能见度等参数的每月日变化情况,获取大气消光系数与大气湍流的可能变化特征,在此基础上,讨论波长为1.06 μm的激光在大气环境条件下传输距离为1 000 m和3 000 m的可能传输效果.结果表明：消光系数日变化起伏不大,各月的消光系数以冬季1月为最大,夏季7月最小,二者相差可达2倍,1 000 m的平均透过率约是3 000 m的1.16倍;冬季1月是湍流强度最弱的月份,春季4月和秋季10月是湍流较强的月份,3 000 m收到的湍流平均影响程度约是1 000 m的1.95倍;从传输总体效果上来看夏季7月的21时左右传输效果最佳,不同传输距离的能量分布特性也不同.

依据速率方程和边界条件,对高功率多点抽运全光纤激光器进行了研究.通过自制的级联侧面泵浦耦合器搭建全光纤激光器,级联耦合器的单点泵浦效率为96%,泵浦传输损耗为10%,信号光损耗分别是0.18 dB和0.87 dB;线性谐振腔结构中：前向抽运的光-光转换效率为69%,低于后向抽运中70%的光-光转换效率,与理论分析一致;双向泵浦方式中,在单臂输入975 nm泵浦功率为110 W的条件下,激光功率输出为311 W,中心波长为1 080 nm,光谱宽度为1.6 nm,光-光转换效率为70%,光束质量约为1.3.激光器性能稳定,若增加单臂泵浦功率或级联泵浦耦合器个数,可获得更高功率的激光输出.

研究了荧光猝灭分析中荧光强度的演变过程,发现样品对激发光的吸收分布会伴随内滤效应对荧光强度产生潜在影响.根据吸收分布影响荧光强度的物理机制,提出了利用荧光响应函数去除吸收分布影响的校正方法.通过分析五聚噻吩与富勒烯C70之间在不同激发波长处光致电子转移引起的荧光猝灭,对校正效果进行验证,结果显示:单独对内滤效应进行校正后,各激发波长处的荧光猝灭率与C70的吸收谱仍具有弱相关性,进一步对吸收分布的影响加以校正,所得荧光猝灭率则不再与C70的吸收谱关联.表明在荧光猝灭分析时增加对吸收分布的校正可有效提高内滤效应的最终校正准确度.

为了从活体细胞角度阐述脉冲电场对作物萌发期抗旱性的影响及其机理,采用渗透势为－0.1 MPa的PEG-6000溶液形成干旱胁迫,研究了场强为100 kV/m、脉冲宽度为80 ms、脉冲频率为1 Hz的脉冲电场处理对干旱胁迫下萌发的玉米种子自发发光和延迟发光的影响.结果表明,在玉米萌发过程中,自发发光和延迟发光积分强度逐渐增长,而在干旱胁迫下降低,脉冲电场处理使干旱胁迫下萌发玉米种子的自发发光强度和延迟发光积分强度有所回升.自发发光强度和延迟发光积分强度的变化与玉米萌发抗旱指数和贮藏物质转运率的变化一致,表明脉冲电场处理提高了玉米萌发期的抗旱性,萌发玉米自发发光和延迟发光积分强度的变化分别从细胞呼吸代谢和细胞伤害的角度反映了脉冲电场对萌发玉米抗旱性的影响.研究结果揭示了脉冲电场对作物萌发期抗旱性的影响机理,可对开发基于脉冲电场的农业物理新技术提供参考.

为定量描述柱透镜参数对三维成像过程中荧光分子轴向定位精度的影响,本文研究了柱透镜参数与点扩散函数椭圆率的相互关系.基于Olympus IX-83倒置荧光显微镜搭建成像系统,利用3个不同焦距柱透镜进行实验,通过柱透镜标定曲线的线性变化范围及该范围内曲线的斜率分析柱透镜参数选择上的优劣,优化并提高轴向定位的精度和深度.选择合适的柱透镜参数可实现标定曲线在焦平面上下1 μm范围线性变化,轴向定位精度为16 nm,并采用优化的标定曲线对肌动蛋白微丝进行三维超分辨成像.

用Spearman相关度分析法研究了3环带纯相位光瞳滤波器的加工质量与超分辨性能之间的显著度关系,并比较了不同环带光瞳滤波器的偏心对超分辨性能的影响.结果表明,环带的偏心与光斑半径、Strehl比的相关度系数均大于0.8,倒圆可使一级旁瓣强度的变化率高达29.04%,因此环带偏心和倒圆是决定元件性能的有效表面质量参量;外层环带偏心对超分辨性能的影响大于内层环带,需要更加严格的公差控制.该方法为微光学元件设计加工中的准确度控制提供了理论依据及可行的技术途径.

为了满足轻量化、微型化和大视场的要求,提出了一种焦距递减的多聚焦人工复眼,子眼以同心圆排布,同一同心圆上的子眼具有相同的焦距,从内到外焦距递减.采用光刻胶回流法制作该曲面人工复眼,通过光刻胶的用量与掩膜的设计将每个子眼的焦距控制在一个特定的范围,从而使所有的子眼能在同一平面聚焦.为了防止微透镜图形的破坏,采用了负压成型技术,制作了聚二甲基硅氧烷腔室用以在注胶时排除异物与空气.透镜材料Norland81具有良好的光学性能,且曝光时间比Norland61要快3至5倍.利用ZEMAX建立复眼模型并进行了模拟仿真,光线追迹结果表明该模型即使在大视场下也能获得清晰像点.

针对直下式LED平板灯厚度大、光源密度大的缺点,设计了一种带有圆锥台光学元件的超薄直下式LED平板灯,利用漫反射背板和反光圆锥台结构增加LED的混光距离,提高平板灯均匀度.应用划分单元的思想,以一个六角形光源为单元进行研究,采用Taguchi实验方法设计正交试验组并借助Tracepro软件仿真;考量六角形光源的圆锥台元件上下表面半径、厚度、距LED高度以及LED间距5个因子对该灯具均匀度和光效率的影响,并运用ANOVA理论分析出因子对品质的影响程度,进而优化灯具的各项结构参量,最终设计出一款厚度仅15 mm,均匀度达95.3%,光效率达92.97%的直下式LED平板灯.

为校正飞机上双曲率面共形窗口在全扫描视场范围内引入的静态和动态像差,设计了一种静态校正器结构.该校正器由三个含有倾斜和偏心的旋转对称元件组成,且每个元件的表面面形为偶次非球面.校正器相对于共形窗口的位置是固定的,且结构紧凑稳定.基于矢量像差理论,对校正器进行光学设计,并阐述了该校正器的像差校正原理,结果表明：在各扫描视场位置,共形窗口与校正器引入的矢量像散可以相互抵消,使得共形窗口在全扫描视场范围内引入的静态和动态像散均得到校正,整个共形光学系统在可见光波段引入的波前像差均小于1个波长,调制传递函数曲线在50 lp/mm处值均大于0.8.

设计了一种可同时实现准直式和发散式太阳光模拟的多功能太阳模拟器光学系统.阐述了光学系统中聚光镜的设计与光学积分器的优化技术.采用Zemax软件中序列与非序列功能结合的方式对光学积分器的参数进行优化,并设计了准直物镜.利用LightTools软件对光学系统进行模拟仿真,结果表明：设计的光学系统实现准直式太阳光模拟功能时,辐照面可达Φ300 mm,且辐照不均匀度优于±6.1%;通过改变准直物镜的位置,发散式太阳光模拟功能时,辐照面可达Φ1 500 mm,且辐照不均匀度优于±6.7%.

从Maxwell方程组出发,得到三层各向异性左手材料对称平面波导TM模的色散方程及功率流方程;利用多台阶近似法得到该类劈形平面波导TM0振荡模的反射系数和传输系数方程;根据TM模的色散方程、反射系数和传输系数方程画出相应的特性曲线.分析表明：随着电磁波的传输,TM振荡模传输系数ct2逐渐减小,但在零附近出现振荡,同时出现双模反射特性;随着波导长度的增加,第一类反射系数ar12从零开始逐渐增加,最终趋于恒定;第二类反射系数ar22单调增加,最大可接近于1.增加多层结构左手材料中金属填充比或电磁波频率,传输特性曲线下移,传输能力下降;第一类反射特性曲线下移,反射能力下降,但第二类反射特性曲线上移,反射加强.

提出了一种基于反馈控制环路提高光电振荡器长期稳定性的方法.该方法用现场可编程门阵列和分频电路测量光电振荡器的信号频率,用光纤延迟线调节光电振荡器环路长度.对测量光电振荡器频率的分频方法的精确度进行了理论分析.基于单环结构的实验证明这种方法在有效提高光电振荡器的长期稳定性的同时不会降低系统的相位噪声性能,带有反馈控制环路的光电振荡器7小时的频率稳定性可以达到0.8 ppm.

采用4×4传输矩阵法研究了复合一维磁光子晶体隔离器的特性,当外加磁场与光路光轴方向夹角为19.95°时,用20.16 μm的总厚度实现了中心波长附近3.1 nm的宽带光隔离,当光线入射角为3.9°时,仍可实现1.06 nm的宽带滤波,且其透射谱平坦性良好.该光隔离器可以同时满足隔离宽度、透射谱平坦性以及对光线入射角宽容性的要求,在实际运用中具有重要的实用价值.

为了提高表面等离子共振系统的分辨率,提出了一种五层结构的表面等离子共振效应的激励模型：棱镜基底-银膜-电介质层1-电介质层2-待测介质.采用薄膜光学和波导理论,讨论了银和双电介质层复合而成的共振薄膜对表面等离子共振效应的激励机理与调制特性的作用.借助有限元分析方法,数值模拟得到双电介质表面等离子共振激励模型的共振光谱.分析结果表明,当待测介质折射率相同时,双电介质表面等离子共振激励模型共振光谱的半峰宽约为传统棱镜表面等离子体共振的0.1倍,理论计算得到双电介质表面等离子共振激励模型的系统分辨率相较于传统棱镜表面提高了5.4倍.以乙二醇溶液为待测样本,分析得到传感器的灵敏度约为7.2°/RIU,品质因数约为465,证明了该结构设计的可行性,为设计高分辨率和高品质因数的传感系统提供了理论参考.

在单颗LED中,以1℃/W~30.5℃/W范围的散热器热阻值和0.5 W~6.5 W范围的负载电功率作为优化变量,40 lm~460 lm范围的光通量和7 100 K~8 600 K范围的色温作为目标变量,通过光-电-热理论和多重光谱模型优化白光LED的光谱功率分布.计算获得白光LED的光通量和相关色温在系统中变化时所对应的光谱功率分布,目标值与理论值的误差在5%以内.该理论模型可为LED照明系统的设计提供参考.

针对实验方法获取光谱响应函数存在时效性差和过程复杂的特点,提出了一种基于惠更斯点扩散函数仿真光谱响应函数及光谱分辨率的方法,该方法综合考虑衍射及像差信息,在光学设计阶段即可获得任意标称波长处的精细光谱响应函数及光谱分辨率.对自行设计的工作范围为1 000 nm~2 500 nm的光栅光谱仪进行单波长及全谱段光谱响应函数仿真,并以几何光线追迹法作为对比.结果表明,基于惠更斯点扩散函数仿真的光谱响应函数带宽始终大于后者获得的带宽,在全波段范围内二者偏差介于2%~5%,且前者变化会同时受衍射及像差影响.两种方法对数坐标表示的光谱响应函数比较表明,相对强度在10－2~10－5时,衍射效应明显,而低于10－5时仿真结果中衍射的影响可以忽略.该方法对分辨率为10 nm的光谱仪仿真过程中产生不确定度为0.25nm.

设计了一种错位双光栅色散元件,与条纹相机耦合实现了0.1~5 keV范围X射线时间分辨谱的测量.该色散元件由2 000 lp/mm和5 000 lp/mm两块子光栅在空间错位排布而成,低密度光栅测量低能段软X射线(100~1 000 eV),高密度光栅测量中能段软X射线(1 000~5 000 eV),通过空间错位实现能谱拼接.在同步辐射源上使用单色能点对其进行标定,获得了错位双光栅衍射效率的实验结果.根据光栅的结构特性,结合标定结果与严格耦合波分析理论,计算得到了100~5 000 eV能区光栅的绝对衍射效率曲线,并给出了错位双光栅的解谱方法.该错位双光栅能够有效提升透射光栅谱仪的性能,为高温等离子体诊断提供宽谱X射线时间分辨谱定量测量.

在PH=7.4的PBS缓冲溶液中,利用荧光光谱研究了在依巴斯汀存在下牛血清蛋白的荧光猝灭特征.通过实验得到三个温度（298 K,305 K,312 K）下的猝灭光谱曲线组,根据Stern-Volmer方程计算各相应温度下的猝灭常数发现：依巴斯汀对牛血清蛋白的荧光猝灭机制属于静态猝灭.通过对依巴斯汀-牛血清蛋白体系的热力学参量的计算得出依巴斯汀与牛血清蛋白间的相互作用力类型为疏水作用力.通过拟合双对数方程计算出在以上三个温度下结合常数分别为3.27×104 L·mol－,4.11×104 L·mol－,7.59×104 L·mol－,结合位点数为0.98、1.02、1.08.依据Frster非辐射能量转移理论计算出荧光供能体（牛血清蛋白）与受能体(依巴斯汀)之间的结合距离为2.8 nm,利用同步荧光光谱及三维荧光光谱技术分析了依巴斯汀对牛血清蛋白构象的影响.