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。

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。

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。

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。

讨论了红外光纤传像束的学术意义和制备工艺，制备了一种硫系玻璃红外光纤传像束并进行了专门的性能测试。选用As40S58Se2、As40S60作为芯棒和皮管玻璃组分，采用管棒法拉制成纤，利用人机结合的排丝工艺制备出了单丝直径为50 μm，纤芯直径为40 μm，576元正方形排列的红外光纤传像束。搭建了相应的实验测试平台， 对光纤束排列规则度、断丝率、光学效率及传像束引起系统调制传递函数（MTF）下降量等指标进行了测试。测试表明，传像束断丝率为2.7%，衰减损耗低于0.5 dB/m，光学效率约为31%，在红外光纤传像系统中光纤传像束引起的MTF下降量小于10%。最后，利用研制的红外传像束完成了红外成像实验，结果表明，红外光纤传像束能够实现良好的红外成像。

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中, 由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行, 从而导致系统探测灵敏度下降的问题, 分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量, 设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件, 并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明: 优化设计的光学接收组件接收角为4.9°, 光学效率为78.24%, 与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高, 适用于实际检测过程。

设计了用于太阳能聚集的全内反射(Total-internal-reflection, TIR)聚光器并采取措施进行优化, 将多个TIR聚光器进行叠加放置在光波导板组成波导聚光模块。太阳光线经TIR聚光器阵列收集后照射到光波导板上并在其内部传播, 由末端的光伏电池吸收。由实验结果可知, 在光波导板长度为400 mm增至4 800 mm的过程中, 光学效率由88.6%降低为40.2%, 而辐照度由212 W/m2增长为980 W/m2。这样根据不同需求选取不同长度的光波导板, 并在保证较高的输出功率的前提下大大减少所需使用的光伏电池面积, 同时TIR聚光器只需水平放置在光波导板上, 避免了透镜阵列与光波导板的严格对准要求, 降低了制造与装配成本。