海洋是丰富的资源宝库, 对海洋资源的开发和利用尤为重要。水空跨介质探测、通信、水下目标确定等技术一直是相关工作者关注的热点, 同时也是技术难题。声波作为一种机械波, 是水中良好的传播载体, 因此通过提取水下声波信息进行水空跨介质探测及通信不失为一种好方法, 但目前仍缺少完整的水下声信号传播模型及试验基础。本文提出一种基于有限元方法的水下声信号产生水面波纹振动的仿真模型, 并运用激光多普勒测振技术对水面波纹进行检测, 通过试验与仿真两种方式均能在水面以上精准得到水下声波信息。在相同水下声信号参数的条件下, 试验与仿真得到的水面波纹振幅大小一致, 验证了激光多普勒测振技术用于获取水下声波信息的可行性及所建立仿真模型的正确性, 为实现水空跨介质探测及通信的突破提供了试验基础及理论依据。

脉冲激光清洗绝缘子表面污秽时, 作用机制主要有振动和烧蚀两种机制, 但不同激光参数下实际的作用机制会有所差异。通过COMSOL建立热-应力耦合有限元模型模拟温度场和应力场, 探究脉冲激光扫描一个周期脉冲功率不同时的振动和烧蚀机制及其清洗效果, 并通过激光清洗试验, 验证仿真结果的可行性。仿真结果表明, 振动与烧蚀机制共同作用的污秽去除阈值约为123 W, 振动量与烧蚀量都随着脉冲功率的增大而增大, 在150 W时清洗深度为污秽厚度的40%, 在200 W时清洗深度达到污秽厚度的92%; 在250 W时清洗机制达到临界状态, 清洗深度达到污秽厚度的100%; 大于250 W后为烧蚀机制主导, 以300 W为例, 绝缘子有明显损坏。试验结果表明, 在设备功率为200 W时, 脉冲激光对绝缘子表面污秽有明显的去除效果, 表面污秽向外喷溅, 并伴随明显烧蚀现象; 绝缘子基底只有少量污秽残留, 未见损伤。

针对固态成像型头戴夜视系统大视场、轻量化需求,对双目头戴夜视系统进行了物镜和目镜光学系统及机械装配结构设计,选用高强型碳纤维环氧树脂作为夜视系统壳体材料,利用Solid Works仿真软件优化设计了一款夜视系统壳体结构,并对壳体在极寒和高热条件下的热稳定性进行了有限元分析。仿真实验结果表明,在-40和50 ℃两种极端温度情况下夜视系统壳体的热应力均小于材料的屈服强度,最大应变对光学系统成像质量、显示性能和机械结构造成的影响极为有限,从而验证了壳体结构良好的耐温性和可靠性。

本文采用多级方法（MPM）对涂覆石墨烯的双椭圆和圆柱并行纳米线波导的基模的有效折射率进行了计算，并采用有限元法（FEM）对计算结果进行了验证。本文研究了两种计算方法的结果之间的相对误差随MPM展开项数的最大值、工作波长、费米能、椭圆柱形纳米线的半长轴及半短轴、纳米线表面之间的横向间距，以及圆柱形纳米线的相对高度等变化的规律。通过对照计算结果得到以下规律：随着级数展开项数增大，MPM的结果越接近FEM的结果；随着工作波长和费米能增大，有效折射率实部和虚部的相对误差均增大；随着圆柱形电介质纳米线的半径和椭圆柱形纳米线的半长轴增大，有效折射率实部的相对误差增大，而其虚部的相对误差减小；随着椭圆柱形纳米线的半短轴增大，有效折射率实部的相对误差减小，而其虚部的相对误差增大；随着纳米线表面之间的横向间距和圆柱形纳米线的相对高度增大，有效折射率实部和虚部的相对误差均减小。这些现象均可以通过场分布得到解释。在本文的计算范围内，相对误差均保持在10^-3量级。该研究工作为混合型电介质并行纳米线波导的设计、制作和应用提供了理论基础。

针对低频声波的衰减问题，设计了一种大尺寸月牙盘非对称薄膜型声学超材料结构，利用有限元法计算了其传输损失和位移场。其结构尺寸可达 100 mm，隔声频率降低至 10 Hz，并在 10~500 Hz 的低频范围内展现出良好的隔声性能。与对称型薄膜声学超材料结构的隔声频带和隔声量相比，通过在单胞中引入不对称性，使得结构的低频隔声频带拓宽了 23 Hz。通过模态分析发现，不对称性使薄膜声学超材料产生更多的振动耦合模式，Lorentz 共振与 Fano 共振的同时存在提升了月牙盘型非对称结构的隔声性能。同时，薄膜和质量块的尺寸与偏心量等参数变化可进一步优化隔声效果，为声屏障低频隔声效果的提升在结构优化设计方面提供了一种解决思路。

提出并研究了一种以硫系玻璃为基底材料的红外负曲率反谐振光纤，该光纤在4 μm附近可低损耗、单模单偏振传输光信号。利用有限元法对其性能进行数值仿真，结果表明：该光纤在3.99~4.00 μm波长范围内具有良好的单模单偏振特性，特别是在4 μm波长处，偏振消光比和高阶模式消光比分别达到491和649，表明其保偏性能具有很好的稳定性；该光纤具有低损耗传输特性，在3.92~4.01 μm波长范围内，x偏振基模均可维持在平坦且损耗很低的反谐振区域内，尤其在4 μm波长处，x偏振基模的损耗仅为1.8×10^-4 dB/m；该光纤具有良好的抗弯曲能力，在单模单偏振传输下，弯曲损耗始终小于10^-3 dB/m。该红外负曲率反谐振光纤不仅在中红外波段的通信和医疗系领域具有良好的应用前景，也为工作在4 μm波段的量子级联探测器提供了纯净光源。

设计了3类8种二极管侧面泵浦结构, 构建了相应的泵浦光学理论模型, 采用有限元分析方法, 计算了不同结构下的吸收效率和矩阵元素标准差。首先, 在给定泵浦总功率、芯片间距、掺杂浓度等前提下, 随着泵浦距离在0~5mm内递增, 8种泵浦结构中激光晶体的吸收效率呈降低趋势, 矩阵元素标准差也逐渐减小, 其中部分结构在近距离(0~0.3mm)泵浦时矩阵元素标准差变化程度较大, 在实际应用中应避免泵浦距离处于近距离区间。其次, 在相同结构参量下, 随着晶体掺杂浓度在0.6%~1.0%内增加, 激光晶体的吸收效率提高, 同时, 掺杂浓度提升也是造成截面中心峰值降低或半径方向上光场凹陷的原因。因此, 掺杂浓度和泵浦距离的匹配将是提升半径方向上均匀性分布的有效手段。