针对现有植物灯照度均匀性不高和效率低下的问题，本团队设计了一种LED鳞甲透镜植物灯。首先研究了红光和蓝光LED的配比和排列方法，采用9点法进行光谱测量，研究了光谱分布的均匀性；然后根据光学原理和非成像光学原理设计了一款鳞甲透镜，利用鳞甲透镜的鳞甲弧度将LED发出的光线均匀化，增加光线的耦合程度，进而提高出光面的光学效率和均匀性；最后将14颗1 W三星3535蓝光LED灯珠(型号为LH351H 450 nm L4A4B)和70颗1.6 W三星3535红光LED灯珠(型号为LH351H 660 nm V2 E7W410)作为植物灯光源，在尺寸为380 mm×220 mm的植物灯中均分为7行，每行12颗LED，通过TracePro软件进行仿真实验。仿真结果表明，当红光与蓝光光子数比8∶1时，红光LED和蓝光LED均匀排列方式的光谱均匀性优于蓝光LED均分两列排列方式的光谱均匀性。最后制作LED植物灯，整灯测试结果表明，当鳞甲透镜长为22 mm，宽度为16 mm，最大高度为6.68 mm，内表面的底面直径为6.26 mm，内表面高为2.98 mm，鳞甲凸起高度为0.1 mm，鳞甲宽度为0.35 mm，两个LED中心列间距为25 mm时，植物灯的光束角为90°，接收面距植物灯出光面0.5 m，在500 mm×500 mm的照明区域上可以得到光量子通量密度(PPFD)均匀性为93.12%、光学效率为90%的植物照明面光源。

荧光太阳集光器在光伏建筑一体化方面的潜在应用受到了广泛关注。本文采用CsPbBr3纳米晶作为集光器的发光中心, 采用硫醇-烯聚合物作为集光器的透明光波导基质。通过荧光发射谱、吸收谱以及荧光寿命谱等对集光性能进行研究, 发现将CsPbBr3纳米晶掺入硫醇-烯聚合物后, 发光峰位蓝移了11 nm、半高宽展宽了20.4 nm, 这可归因于硫醇-烯聚合物基质的介电约束效应。同时, 硫醇-烯聚合物基质大幅提高了CsPbBr3纳米晶的发光稳定性。当CsPbBr3纳米晶在硫醇-烯聚合物基质中的掺杂浓度为5.6%时, 荧光太阳集光器的集光效率可达8.9%。采用商用的多晶硅太阳能电池耦合在荧光太阳集光器的边缘, 在标准AM1.5的太阳光照条件下, 器件开路电压为0.47 V, 短路电流密度为7.14 mA/cm2, 填充因子为24.01%, 光电转换效率为2.30%。

为了分析复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Collector, CPC)的几何光学效率及影响因素, 为线性菲涅尔式聚光系统的优化设计和实际应用提供理论依据。根据用于线性菲涅尔式聚光系统的CPC特点, 在Matlab软件中建立模型并进行光线跟踪计算其几何光学效率。利用TracePro软件对几何光学效率模型进行验证。最后, 采用该模型分析吸热管外径公差、吸热管位置偏移和线型误差对CPC几何光学效率的影响。结果表明: 间隙为32.5 mm、接收半角为55°、截取比为0.3的CPC配合外径为70 mm的吸热管, 当吸热管外径公差小于-0.4 mm、水平方向存在偏移、垂直方向存在正偏移或线型轮廓增大等因素时, 其平均几何光学效率迅速减小。实际应用中应尽可能避免以上因素, 或者设计时减小CPC入射角的范围, 从而降低对CPC平均几何光学效率的影响。

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备, 可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 μm波段, 望远镜直径50 mm, 时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比, 验证了系统测量距离达到5 km。之后, 通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980, 标准差为0.235 m/s, 风向数据相关系数达0.993, 标准差为3.105°。表明该相干激光雷达具有优良的性能, 可以应用于大气边界层内的风场探测。

为了确保窄脉宽XeCl准分子激光系统获得高峰值功率紫外激光脉冲，实验研究了紧凑型四向电子束泵浦XeCl准分子激光器的输出特性。通过调节激光腔室气体介质的总气压和气体摩尔比、激光器的充电电压、二极管阳极钛箔厚度等参数，发现了激光能量随以上条件的变化规律，分析得到了激光器运行的最佳条件。在最佳条件下XeCl准分子激光器的脉冲能量大于100 J、脉宽约200 ns，电光效率约为5.81‰。另外，通过改变激光器内部Marx发生器的开关气压，研究了紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器输出激光脉冲的延迟抖动特性，发现激光脉冲的延迟抖动可优于20 ns。研究结果表明: 紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器可实现脉冲抖动小于20 ns、103 J的高能紫外激光输出，可满足窄脉宽XeCl准分子激光系统运行的需要。

考虑复合抛物面聚光器(CPC)的经济性和光学性能,对CPC结构进行了优化设计。根据参数方程,分析了相同面积内的截取比对CPC总弧长和接收管数量的影响。研究结果表明,CPC截取比取0.15~0.25时,可有效降低对CPC弧面材料的使用。基于Tracepro软件,实现了对CPC的二维光线追踪,提出了一种CPC直射光学效率的模拟计算方法。选择1月1日、4月1日、7月1日、10月1日四个季节日期为模拟日期,模拟结果显示,截取比为0.16的CPC相较于截取比为0.56的CPC,平均直射光学效率分别提高了13.77%,15.24%,9.30%,11.54%。太阳高度角的增加和方位角的减小有利于降低CPC的末端光线损失。增加CPC的长度有利于减小末端光线损失对CPC光学效率的影响。实验测试验证了模拟的正确性,所提方法可应用于以提高光学性能为目标的CPC结构优化设计。

对室温下零声子线(抽运波长为969 nm)抽运Yb…YAG激光器进行了理论研究,建立了969 nm抽运Yb…YAG的速率方程。在相同热负载状态下,通过数值模拟分别得到969 nm和941 nm抽运时Yb…YAG板条放大器的光-光转换效率和输出激光强度。模拟结果表明:941 nm和969 nm抽运的光-光转换效率基本相同;抽运波长为969 nm的抽运强度比941 nm提高了20%以上。

为了解决观看视角与光学效率的相互制约关系, 设计了一种基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示器, 建立了3D成像模型, 通过几何光学推导观看视角以及光学效率的计算公式; 详细阐述了如何通过改变透光孔的孔径宽度来调节观看视角以及光学效率; 研制了基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示样机, 通过液晶显示屏实现电控可变孔径针孔阵列, 通过实验验证了可以通过增大或者减小透光孔的孔径宽度来增大3D图像的亮度或者观看视角。

针对槽式聚光系统,设计了一种倒梯形管簇式腔体接收器,采用理论研究、TracePro软件模拟以及实验的方法对腔体结构设计中某些几何参数对接收器的光学性能的影响进行分析及优化,并对其安装位置偏移对光学性能的影响展开研究。结果表明:倒梯形上壁面为弧面反射面可使光学效率提高近4%;随着开口角度增大光学效率逐渐增大,随着圆弧半径增大光学效率先增大后缓慢降低,开口角度65°与反射圆弧半径90 mm的组合结构具有较高的光学效率、较均匀的集热管壁能流以及较好的光热转化效率;腔体接收器安装在焦距垂直向下5 mm范围内可获得优于焦距处的光学效率;运用归一化温差和测试瞬时集热效率的方法得到槽式聚光集热系统的光学效率为73%,与模拟的理想值较吻合。