长周期光纤光栅是对周围环境比较敏感的一种无源光学器件, 由于其具有无后向反射、对折射率灵敏度高、体积小、易于集成化、不受电磁干扰、耐酸碱腐蚀、不需要参比电极等诸多特点, 在折射率传感领域备受关注。自从2000年Bentley研究组第一次将长周期光纤光栅用于抗原的检测以来, 经过十余年的发展, 长周期光栅在生物物质的检测方面取得了很大的进展, 已被用于抗原抗体、细菌病毒、蛋白质、DNA、酶及核酸等诸多生物物质的检测。本文对长周期光纤光栅近年来在生物传感领域的研究进展和应用进行了总结和评述, 并对长周期光纤光栅在生物物质检测方面的未来发展趋势做了展望。

本文设计了一种单端面长周期光栅透射模式折射率传感器。首先, 将2×2单模光纤耦合器输入端的一个光纤接头与光源相连接、输出端的两个光纤接头分别与光谱分析仪和长周期光栅的一个光纤接头相连接。然后, 在包含长周期光栅的光纤另一个端面溅射反射银膜。最后, 以一系列不同折射率的甘油水溶液为待测液体介质研究了直接透射模式与单端面镀银膜模式下长周期光栅的响应光谱的异同。实验结果表明: 单端面镀银膜的长周期光栅的响应光谱仍然以透射谱的形式出现。对于同一种液体, 单端面镀银膜的长周期光栅与直接透射模式的长周期光栅的响应光谱有着近乎相同的谐振波长值, 但它们的光损耗存在一定的差异。在0~80%的甘油溶液中, 直接透射模式下的光损耗从-1292 dB变为-1628 dB, 再逐渐变到-1322 dB; 单端面镀银膜模式下的光损耗从-1313 dB变为-1374 dB, 再逐渐变到-1145 dB。与直接透射模式相比, 单端面镀银膜的长周期光栅的相对光损耗与甘油浓度的线性关系更加良好。本研究设计的长周期光栅测量系统采用单端面探头的方式检测环境介质, 因而在测量中操作更加灵活方便, 非常适合于远距离、恶劣环境或深层液体环境中的折射率测量。

为了实现长周期光栅透射谱测量模式的远距离监测, 设计了单端面镀反射膜的测量装置系统, 对单端面镀银膜长周期光栅的传感原理做了分析,并从实验的角度分别对单端面镀银膜模式系统和直接透射模式系统的长周期光栅在不同折射率的环境介质中的响应进行了研究, 比较了它们的异同。首先, 采用2×2单模光纤耦合器分别连接光谱分析仪、光源、长周期光栅。然后, 在包含长周期光栅的光纤的另一个端面制备反射银膜。最后, 通过测量一系列不同折射率的环境介质, 比较了直接透射模式与单端面镀银膜模式下的长周期光栅的响应光谱。实验结果表明: 采用波长解调表达时, 对于同一种环境介质, 两种模式下长周期光栅的响应光谱的谐振波长基本相同; 采用功率/峰值解调表达时, 随着甘油浓度从水变为80%的甘油溶液, 直接透射模式下的光损耗从-6.05 dB变为-9.22 dB, 单端面镀银膜模式下的光损耗从-8.03 dB变为-11.33 dB。与直接透射模式相比, 单端面镀银膜的长周期光栅光谱中的相对光损耗明显增加, 谐振峰更尖锐, 更有利于谐振波长和谐振峰光损耗值的识别。本研究设计的单端面镀银膜的长周期光栅测量系统不仅保留了长周期光栅透射谱的感应模式, 而且使长周期光栅在对环境介质的测量中操作更加灵活方便, 尤其是在远距离、恶劣环境或深层液体的折射率测量中具有独特的优势。

本文研究了甘油及甲醇补料策略对重组毕赤酵母细胞生长及猪α-干扰素(pIFN-α)表达的影响。结果表明, 甘油采取不同的补料策略, 以及甲醇浓度控制于不同水平时, 细胞生长速度不同, pIFN-α抗病毒活性水平也明显不同。高密度发酵阶段, 甘油采用指数方式流加控制时, 相较于40 g/L/h、10 g/L/h, 恒速流加组的细胞浓度最先达最高水平132 g/L, 后一直保持稳定, 且发酵液中几乎无残留甘油; 与之相应的pIFN-α抗病毒活性水平最高。诱导表达阶段, 甲醇浓度须控制并恒定于12 g/L时, pIFN-α抗病毒活性最高水平能达到5.95×106 IU/mL, 而当甲醇浓度稳定于3.5 g/L、16.0 g/L、或者浓度波动较大(10.2～13.8 g/L)时, pIFN-α抗病毒活性均远低于最高水平。

开发一种新型TiO2纳米线阵列干涉传感器。首先, 通过水热合成法在FTO导电玻璃表面制备了TiO2纳米线阵列薄膜。然后, 以此复合结构作为传感芯片, 利用Kretschmann 棱镜耦合结构, 构建了基于Kretschmann结构的波长调制型薄膜干涉传感器。最后, 以氯化钠水溶液为待测液体介质研究了该传感器对环境介质折射率的灵敏性能。结果表明: 该传感器对1333 5～1360 4范围内的折射率有很好的响应。TM模式下, 在0～3%与3～15%浓度范围内, 氯化钠浓度与该传感器的反射光强度分别呈现了良好的线性关系。TE模式下, 在0～3%浓度范围内, 氯化钠浓度与吸收强度存在良好的线性关系, 而波长基本不变; 而在3～15%浓度范围内, 随着氯化钠浓度的增加, 波长逐渐红移, 氯化钠浓度与波长也具有良好的线性关系。

对无人机（UAV）在动态战场环境中的协同搜索问题进行研究，在考虑目标存在概率、价值收益、UAV斥力代价及任务执行代价的情形下，建立了多UAV协同搜索的滚动优化模型。为了提高模型求解的效率，提出一种改进种群增量学习算法（PBIL）对该问题进行求解，采用混合编码的方法构造种群，同时采用了自适应的更新率，并利用自适应交叉和变异方式,将该算法应用于动态目标的搜索问题，仿真结果表明该方法能有效地搜索到战场目标，提高了搜索效率。

在研究数字脉冲调制时，对调制方式的功率谱分析十分必要。详细推导了随机双幅度脉冲位置调制（DAPPM）序列的功率谱密度，并分别对连续谱和离散谱进行了分析。数值结果表明，DAPPM的功率谱形状类似于一般的抽样函数，并且包含直流分量，幅度因子α只影响功率谱的幅度，不影响功率谱的形状；时隙基频分量存在与否与脉冲占空比有关；时隙基频幅度强弱依赖于调制阶数和脉冲占空比。当占空比为0.5时，时隙基频分量最大，调制阶数每增大1，幅度衰减约5 dB。同时指出，当调制阶数较大时，随机DAPPM序列难以直接提取时隙基频分量。

为了研究激光半模冲击成形在工业领域的实际应用，利用钛合金薄板作为试样进行波形零件的冲击试验，冲击过程中发现试样局部区域产生了反向变形，尤其在薄板中心区域反向变形现象更为严重。板料的反向变形使板料不能与凹模密切贴合，严重影响了冲击成形的质量。通过分析发现，由于激光能量较高，使板料与凹模凹陷处接触时的残余速度过高，从而导致板料与凹模发生剧烈碰撞。当板料因碰撞产生的反向运动速度大于板料反向屈服的速度阈值时将会产生影响成形质量的反向变形。通过调整激光能量避免了反向变形的发生，得到了理想的波形零件。实验与分析的结果表明，在满足半模冲击成形塑性变形量的基础上，采用较低的激光能量，既可避免反向变形的产生，又可保证半模冲击成形的质量。

为了研究激光冲击成形对板料表面光洁度的影响，采用0．5mm厚铝板和304不锈钢板料作为试样，选择光斑直径8mm、波长1054nm、脉冲宽度23ns的激光脉冲进行冲击成形实验，铝板冲击成形的激光能量为15．4J，304不锈钢的激光能量为18．92J。冲击成形后对板料表面光洁度进行检测，结果表明，激光冲击成形可使板料表面光洁度提高接近两个精度等级。通过理论分析可知，板料背面光洁度的提高有两个方面的原因，一方面由于应力波在板料背面的微尖峰中传播时产生一系列的反射波，当反射波强度超过材料抗拉强度极限时将引起微尖峰的断裂；另一方面由于板料的高速运动在板料背面的空气中形成高压区，当作用在板料表面的空气压力大于动态屈服强度时微尖峰发生塑性变形，因微尖峰断裂和塑性变形使板料背面光洁度提高。

为了验证激光冲击波冲孔工艺的可行性，采用Nd玻璃高功率脉冲激光器在0．4mm厚锻铝合金板料上进行冲孔试验。推导出激光冲孔工艺中板料脱离时所需理论最小板料运动速度，分析了激光冲击波冲孔技术的机理及其特点。结果表明，激光冲击波冲孔后，孔周围材料未发生扭曲变形、孔口光滑。激光冲孔技术为孔成形工艺提供了全新的加工方法。