红外预解离光谱仪用于单一气相离子性质的检测, 其相比普通的红外光谱仪灵敏度更高, 波数范围更广, 配合飞行时间质谱, 对于气相团簇离子振动信息的研究具有重要的实验价值。本文要介绍的仪器装置的主要用途是由离子源产生团簇离子, 并通过飞行时间质谱和红外预解离光谱数据对离子振动结构进行检测。团簇离子由离子源产生并经过双场加速和质量选择和单场减速得到目标离子, 经过红外预解离激光照射解离, 再由双场加速得到第二次飞行时间质谱, 通过不同波数的质谱解离信息最终得到红外预解离光谱。本论文的主要内容是对这套仪器装置中的可谐调红外激光进行介绍, 对于仪器装置中用到的激光将会从仪器的整体配置及各部分装置的目的、原理、性能、实验参数设置等方面进行详细地介绍。

石蜡材料在造型及涂敷过程中, 长时间处于熔融状态, 与空气接触易氧化变质。为了准确研究石蜡内部结构, 利用光纤光栅传感器体积小、外形可变且易于埋入结构内部等特点, 设计了基于光纤光栅的石蜡熔-固态温度/应变无损监测系统。实验结果表明, 石蜡内部温度从90℃下降至40℃左右时, 应变仅改变170με; 从40℃下降至25℃时, 100min内应变改变750με, 并且温度和应变呈线性关系。

根据成像原理推导了运动透镜、运动45°直角棱镜, 以及旋转反射镜所引起的角度变化公式, 并对影响角度变化的参数(透镜的焦距、物距及光源的发散角等)和引入角度多样性的这三种方法进行了分析比较。实验结果与理论分析表明, 在相同条件下, 将45°直角棱镜运动20 μm和反射镜旋转0.02°就能实现两个完全独立散斑图样, 而运动透镜需要更大的位移, 这为设计运动方案引入角度多样性激光散斑抑制提供参考。

在显微成像下准确、稳定、高效、实时地对光纤, 尤其是抛剥涂覆层的光纤直径进行测量, 需要采用优异的自动对焦技术。对焦窗口的选择是自动对焦的前提, 为了避免光纤侧面显微成像下中间透光或衍射亮带对对焦窗口的影响, 提出了一种改进的定域椭圆取窗方法,并比较了不同窗口形状对清晰度评价和计算速度的影响。将定域椭圆取窗方法应用于125 μm标准光纤的测量,结果表明标准误差在0.3 μm内, 测量精度与VM2.22精密测量软件的微米级相比提高了一个数量级。这种定域椭圆取窗方法实用性强, 速度快, 通用性好, 可以作为光纤直径显微测量中一种有效的自动对焦窗口选择法。

基于叠加统计独立散斑图像的散斑抑制原理, 设计了一个具有N个透光孔的掩模板, 将其放置于成像透镜出瞳面上, 理论研究了产生统计独立散斑图像所需的条件。在简化光学系统中, 将散射片与探测面分别置于透镜成像共轭面上, 通过系统实验, 分析了多孔掩模板上相邻两个透光孔的不同中心间距以及单个透光孔孔径对统计独立散斑图像形成的影响, 其中单个透光孔孔径也会影响散斑颗粒的大小。在不考虑实验装置对测试精度的影响下, 实验结果与理论分析吻合。

为了有效提升光纤表面等离子体共振(SPR)传感器场增强效果的响应速度和场增强特性, 采用悬挂芯光纤结合表面等离子体共振增强检测机理来提高表面场增强程度, 提出了一种新型的光纤SPR-表面场增强芯片结构。采用有限元理论分析了上述结构的光场特性, 由分析可知, 当薄膜层在40nm~50nm附近时存在比较强的场增强; 场增强程度与激发SPR共振波长密切相关; 而缩小包层厚度、降低纤芯折射率对比度也有利于大幅度增加场增强强度, 但半径和包层厚度变化对穿透深度几乎没有影响。结果表明, 优化后的光纤芯片具有较高的场增强效果。该研究为高灵敏、快速流体检测应用提供了一种解决思路。

为了提升光纤拉曼检测系统的响应速度，提出一种基于结构牢固、易于气体扩散的开放式微结构光纤的气体拉曼检测系统。为了深入研究拉曼信号与微结构光纤结构参数的依赖关系，推导出基于前向/后向拉曼耦合的拉曼信号公式，并根据此公式完成对气体光纤拉曼检测系统的结构优化。通过优化光纤结构实现了增强系统灵敏度特性的目的。分析结果表明，拉曼信号强度与光纤结构之间存在一最佳值，最佳值(纤芯、悬臂厚度)取决于基底材料折射率、纤芯直径和悬臂厚度等具体的光纤结构参数。二氧化硅材料光纤的拉曼信号较强区域条件是纤芯厚度为120~150 nm。

为了改善纳米纤芯光纤的非线性与色散特性, 提出利用气孔填充非线性液体的新型纳米纤芯光纤结构来增强现有纳米纤芯光纤的非线性系数, 利用选择性填充方法来改进现有纳米纤芯光纤的特性调控能力, 实现改善光纤非线性和色散特性目的.分析结果表明采用选择性气孔填充方式和适当的光纤参量有助于实现光纤单模单偏振工作,可以大幅度地提升纳米纤芯光纤的非线性系数和改善光纤色散特性.

针对传统周期性气孔结构的微结构光纤光栅 (MOFG)写入过程中的高写入散射问题, 本文提出一种新型的大圆孔式微结构光纤光栅。其特点是用一填充适当折射率流体的大圆孔结构来代替部分周期性小气孔。当光束从外侧写入光栅时, 一方面会避免传统周期性气孔结构带来的高写入散射问题; 另一方面大圆孔也将起到一微透镜作用, 有助于进一步提高光束写入纤芯区域的能量比例。仿真分析结果表明：新型大圆孔式微结构光纤光栅的写入效率可达到传统周期性光子晶体光纤光栅、单模光纤光栅写入效率的 288%和 206%左右。同时本文也提出利用对称角度写入方法来保证光栅写入场的对称性, 从而改善单侧写入造成的写入场分布不均匀问题和写入致双折射问题。

针对传统微结构光纤光栅写入过程中的写入散射大的问题，采用时域有限差分法分析了大圆孔微结构光纤光栅的写入场分布特性，并用有限元法验证了分析结果。提出将适当折射率的流体填充至大圆孔区域，利用柱形流体的微透镜效应会聚高斯光能量至纤芯掺杂区域，从而改善写入效率。仿真结果表明改进后的光纤光栅写入效率分别是周期性光子晶体光纤光栅和单模光纤光栅写入效率的290%和210%左右，可以提高光纤光栅的写入效率，降低散射损耗。此外，还针对高斯光束写入角度误差对写入效率的影响进行了初步分析。