超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面, 重量轻, 易集成, 可实现多种功能, 被广泛应用于诸多领域。 传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦, 无法满足系统集成化需求。 不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差, 超表面依靠界面相位变化来进行相位调控, 可实现十分轻薄的光学系统。 研究传输相位型超表面, 使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。 将超表面引入光谱成像系统中, 通过优化亚波长结构尺寸, 进行结构排布, 开展超表面光谱成像系统研究, 实现多波长色散与聚焦独立调控。 利用该方法, 扫描不同单元结构参数对相位的影响, 依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布, 仿真实现了一个波段范围为510~720 nm, 焦距为2 mm, 谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。 通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布, 并分析了系统的成像性能。 相比于传统光栅或棱镜分光结构, 超表面光谱成像系统可有效减小系统体积, 其超轻、 超薄、 便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性, 为小型化、 轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。

基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统。装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响。利用几何光学方法研究了曲面棱镜谱线弯曲、色畸变的产生机理,构建了曲面棱镜光谱仪谱线弯曲、色畸变与曲面棱镜装调误差关系的数学模型,分析了曲面棱镜装调误差对高光谱成像仪光谱畸变的影响。通过几何光线追迹,对曲面棱镜装调误差的分析结果进行了验证。结果表明,谱线弯曲、色畸变和MTF对曲面棱镜装调误差的敏感程度存在显著差异。为了保证曲面棱镜装调误差引起的系统MTF下降容限在设计值的10%以内,进行了二次公差分配以得到最终公差分配结果,其中公差极限值最小的单项装调公差为X轴方向的倾斜误差,为实际系统的装调提供了参考。

凝灰岩石粉对聚羧酸减水剂（PCs）有一定的吸附性, 使得“有效减水剂”比例降低, 导致PCs性能大大降低。 PCs抗吸附特性具有重要的设计参考意义, 与PCs组成、 结构密切相关。 紫外可见分光光度法（UV）是用于吸附量检测的常用方法, 但对PCs测试还存在较多的不确定性, 给测试带来了困难。 为此, 采用紫外分光度技术及导数光谱处理的方法定量分析凝灰岩石粉对不同侧链长度聚羧酸减水剂的吸附量, 并对试验参数进行了分析与优化。 结果显示, PCs吸收光谱图中无明显紫外特征峰, 增大浓度、 降低溶液pH值时可在190~200 nm波长范围出现假峰, 并通过乙酸分析试剂光谱试验得到证实; 对光谱数据进行二阶导数处理后, 可获得PCs特征峰207 nm, 此特征峰对应的样品吸光度与其浓度间存在良好的线性关系, 相关系数r均大于099; 为了进一步论证紫外吸收光谱法的准确性, 与TOC测定法进行比较, 两者之间呈良好的线性关系, 相关系数r为0997, 这表明UV二阶导数光谱法可为PCs吸附性分析提供一种简单、 快速、 准确、 便宜且无需显色剂的定量测试方法; 从样品测试分析可看出, 凝灰岩石粉对聚羧酸减水剂的吸附随着PCs侧链长度减小而减弱。 研究成果为紫外可见分光光度技术快速检测弱紫外吸收有机物含量提供了新的途径。

为满足航空航天载荷宽谱段、小型化的探测需求,提出一种双通道曲面棱镜高光谱成像系统的设计方法,实现单台光谱成像仪可同时覆盖可见光和短波红外两个波段。可见光和短波红外两个通道共用一个离轴三反前置成像系统和部分光谱系统,通过在像面前放置的分色片进行分光,使得可见光由分色片全部反射,短波红外由分色片全部透射,反射光和透射光分别被不同的探测器接收。根据此方法设计了谱段范围为420~2500 nm的双通道光谱成像系统。结果表明,该系统结构简单,光学成像性能良好,光学总长度小于350 mm。与传统的宽谱段光谱成像方法相比,该方法可以满足系统的小型化和低成本需求,适用于航空航天遥感应用。

为了实现痕量气体在线测量与分析，设计了光纤环路光腔衰荡多组分气体浓度在线测量系统；基于非线性光腔衰荡技术，利用所设计的系统对气体浓度在线测量并进行了实验分析；得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律和1ppb的分辨率。实验表明该方法对痕量气体的在线测量是有效的。

在采用光腔衰荡技术实现痕量气体浓度测量时，设计了用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室。通过对双探测器的比较及对数线性化，利用所设计的系统及其气室对气体浓度在线测量并进行了实验分析。得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律与特性，实现了测量分辨力为10-9的测量结果。