随着光谱检测的重要性与日俱增，对高性能光谱仪的研究显得尤为重要和紧迫。提出一种基于平面光波导的二维光谱色散系统，它集合了平面波导微型化和光栅高色散的优点，能够将光谱在二维平面上展开。通过仿真发现，所提系统能够实现光谱在二维方向上展宽，带宽远远大于基于虚像相位阵列（VIPA）的二维色散系统。此外，所提系统的体积较小，更易于集成。

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题, 提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统, 利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力, 将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合, 并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明: 该系统不仅灵敏度高, 还实现了0.006 nm的波长分辨率；与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比, 该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。

多目标光纤光谱望远镜可以在一次观测中获得大量的不同天体的光谱数据。 从天体探测到的光在通过光纤之后, 再通过光谱仪狭缝, 然后在CCD传感器中成像为二维光谱图; 之后经过光纤光谱数据处理系统的一系列软件处理, 最终输出可供天文界使用的一维光谱并存储起来。 一维光谱是天文学家研究目标天体的主要手段, 它是通过处理二维光谱图得到的。 以LAMOST为例, 望远镜系统在一次观测后首先会得到32幅由250条光纤光谱组成的二维光谱, 然后经过一系列的处理得到一维光谱。 在这个过程中, 会有很多因素影响到最终一维光谱的精确度。 比如由于望远镜使用时间的增加, 某些元件会产生磨损、 老化或变形, 使得二维光谱中光纤形状会产生一定程度的弯曲, 这种弯曲在二维光谱的两侧表现得尤为明显。 在一幅常见的二维光谱中, 纵坐标方向代表了抽取的一维光谱的波长方向, 横坐标方向代表了抽取的一维光谱的流量方向, 这种弯曲形变的产生会影响到之后的波长定标和流量定标, 使得抽取的一维谱信息不准确。 目前初步的解决办法是通过与定标灯谱的比对来尽量减少其影响。 但这样不仅造成了时间和人力的浪费, 而且准确率和效率不高。 就这一现状, 提出了一种基于曲线距离法的思想, 将弯曲的二维谱线校直: 首先采用灰度重心法将一幅二维光谱中的250条光纤中心轨迹进行定位, 将异常点采用稳健的局部回归方法剔除; 然后将中心轨迹进行曲线拟合, 得到光纤中心轨迹的方程; 通过模仿曲线变弯的逆过程, 即保持轨迹上两点间的曲线距离不变, 再将弯曲的光谱映射到竖直的法线上, 完成校直过程。 在整个过程中保持各个对应点的灰度值不变, 通过边缘处理和插值运算解决产生的像素点稀疏问题。 最后采用累加法进行一维谱抽取, 并将校直后抽取的一维光谱与未校直抽取的一维光谱进行比对, 比对后可发现校直前后在一维光谱的两端差别较大, 其差值谱线也说明了这一点。 该方法实现了二维光谱的自动校直, 大大提高了抽取一维谱的效率和准确性。 二维光谱的预处理和校直方法首先在LAMOST数据上进行验证, 鉴于多目标光纤光谱望远镜系统原理的相似性, 该处理方法也适用于其他的多目标光纤光谱望远镜系统, 具有较好的参考和应用价值。

针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求, 分析了探测器与光路系统的匹配关系, 提出了面阵光谱探测系统的设计方法, 设计了具有高灵敏度、 低噪声等特点的二维光谱探测系统。 该系统包括主控单元、 探测器驱动单元、 信号处理单元、 数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。 以滨松S10141型CCD为核心设计的探测系统灵敏度高、 动态范围大、 信噪比高。 结合中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路进行光谱探测实验, 结果表明, 该探测系统能在200～600 nm宽光谱范围内获得高分辨率二维光谱图像, 在Hg灯253.652 nm处单色像斑覆盖5个像素, 分辨率达到6.3 pm。

基于质心提取的线性拟合法，提出了一种自动化快速处理中阶梯光栅光谱仪谱图的方法，解决了中阶梯光栅光谱仪无法直接通过交叉色散形成的二维光谱图标定入射光波长的问题。根据中阶梯光栅光谱仪光谱图背景光的分布特点，采用背景扣除法处理光谱图，提高了后续光谱图光斑提取算法的运算效率。利用基于质心的曲线拟合中心定位算法，将光斑位置的提取精度提高到亚像素量级。建立了中阶梯光栅光谱仪理论谱图与实际二维谱图的自动匹配模型，并根据光栅的线性色散特性，采用插值法计算谱图还原模型中未列出的坐标位置处的波长。实验结果表明: 该算法对整个谱图的处理时间不超过3 s，波长提取精度达10-2 nm，不仅实现了中阶梯光栅光谱仪波长的自动化提取，还提高了波长提取精度。

中阶梯光栅光谱仪通过交叉色散形成的二维光谱图,无法直接对入射光的波长进行光谱标定。为此，建立了C-T型棱镜透射式中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型，分别分析了棱镜和光栅色散方向的色散规律以及棱镜与光栅之间的相互作用关系，并且建立了波长与像面坐标的关系表达式。根据该类中阶梯光栅光谱仪的光路结构特点，以及光束在各个光学元件的传输特性，校正各光学元件引入的坐标计算误差，最终精确计算出波长所对应的像面坐标,完成谱图还原模型的建立。通过该方法建立的模型可快速准确地对该类型中阶梯光栅光谱仪二维谱图进行谱图还原及波长标定，模型的计算误差小于一个像元。

传统的罗兰圆光谱仪和Czerny-Turner型光谱仪常常采用刻线密的光栅和大的成像焦距,来提高其光谱分辨率,其结果导致成本高和仪器体积庞大.为了克服这一缺点,提出了一种中阶梯光栅和低色散棱镜相结合的光谱仪光学系统设计方法.具体分析了中阶梯光栅的基本原理和使用方法,给出设计基于中阶梯光栅的光谱仪基本步骤,并且实际设计了基于中阶梯光栅的高分辨光谱仪光学系统,焦距为400 mm,可在全谱工作波段180~800 nm 成二维光谱.Zemax光学设计软件对光学系统进行光线追迹结果表明,该系统环围能量在单个CCD像素(24 mm×24 mm)内达到50%~70%以上,200 nm 处分辨率可达0.00675 nm,完全满足设计指标要求.

研究了绿色硫细菌中捕光天线复合物Fenna-Matthews-Olson的一个子单元和反应中心的能量传递.通过细菌叶绿素分子的能量和耦合强度, 构建了包含反应中心的哈密顿量及约化模型.通过级联运动方程研究了不同分子间和反应中心的激子布居演化.计算了Fenna-Matthews-Olson及其约化模型的二维三阶光子回波谱, 获得能量传输过程中不同激子态间的相干性.结果表明在能量捕获过程中, Fenna-Matthews-Olson复合物存在冗余结构.

为了实现更宽波段范围内的全谱直读并获得较高的分辨率,对中阶梯光栅光谱仪的分光系统进行了研究。简述了中阶梯光栅与中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析了中阶梯光谱仪和普通光谱仪的区别,详细论述了一种利用中阶梯光栅作为主要分光元件,棱镜作为交叉色散原件的中阶梯光栅分光光路的设计方法,并最终在探测面上得到了可探测分析的二维谱图。通过对设计过程的详细论述,可以为今后从事中阶梯光栅光谱仪光学设计的研究者提供参考。