针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求，本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列（FPGA）和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列，基于FPGA实现高阶调制与编码，并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角，大幅度延长了传输距离。在光接收端，设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管（APD）的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机，降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps 开关键控（OOK）信号和正交幅度调制（QAM）信号（16QAM信号）的12 m水下信道实时传输，二者的误码率（BER）分别为2.467×10^-4和3.467×10^-3。此外，该系统还实现了22 Mbps的非归零（NRZ）-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输（总长度为42 m），BER为3.619×10^-4。最后，实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收，提高了系统的鲁棒性。

LED阵列光功率受热学、电学影响：LED芯片的光电热（PET）参数耦合，而且LED阵列中热耦合关系复杂，给大功率光源的结构设计带来困难。基于PET理论提出了一个光功率计算模型：首先根据LED芯片的工作机理，构建其电功率、结温、热功率之间的耦合关系；其次，将LED阵列的热耦合仿真结果，作为训练样本，获得输入为布局间距和热功率，输出为LED结温的BP神经网络；最后，将神经网络获得的结温作为PET方程的温度条件，计算LED阵列的光功率。为验证该模型的准确性，进行实验验证，最大误差为7.6%。该模型可分析LED阵列在不同布局参数及热沉温度下的最大光功率工作点，解决LED阵列布局及热沉结构的优化设计问题。

为了给光遗传应用领域提供更大的光刺激面积以及区域可选择性的光刺激，本课题组研制了一套结构简单、可无线调控刺激参数、可独立控制的多通道光遗传刺激系统。采用μLED芯片作为光源，利用光刻技术与微焊接工艺制作了一个具有阵列式光源的蓝光刺激器，并结合无线通信模块实现了刺激器的无线控制功能。光刺激器的尺寸为46 mm×30 mm，重7.134 g。测试结果表明：光极表面的最大输出光功率为24.6 mW，满足ChR2激活神经元的条件；输出光频率的可调控范围为1~500 Hz，最大输出误差小于1%，占空比可调控范围为0~100%，无线通信距离可达50 m。本系统可应用于多点大面积的光遗传领域调控、细胞培养及大面积光照需求的场所，为部分神经环路的调控及研究提供有效工具。

提出了一种针对微尺寸LED阵列芯片的集成封装方法, 设计封装了6种发光单元尺寸不一的4×4微尺寸LED阵列芯片, 色温控制在6 300 K左右, 显色指数约为70。光电性能测试结果表明, 发光单元越小, 调制带宽越高。发光单元直径为60 μm的芯片在90 mA的注入电流下, 调制带宽达到了125.71 MHz, 而发光单元尺寸越大, 饱和光通量越高, 直径为160 μm的饱和光通量约为15 lm。这些结果将有助于制备可见光通信的白光光源, 在保证照明品质的前提下提高调制频率。

抗生素的大量使用对生态环境造成巨大的影响, 光催化技术具有操作简单且无二次污染等特点被广泛应用于污染物的降解。 在光催化降解抗生素过程中, 光源对其降解效率至关重要, 与传统的汞灯催化光源相比, 紫外LED技术具有更高的能源效率及更低的功耗, 使光催化工艺发生了巨大的变化。 首先建立基于紫外LED阵列的光催化平台, 采用光栅光谱仪和紫外照度计对LED阵列光源光谱特性及装置内光场分布进行测量分析。 结果显示紫外LED光源波长介于265～295 nm之间, 其主波长为275 nm, 由于光场叠加效果, 光照强度随着装置径向位置距离的增大而明显增大, 装置轴向位置光照强度分布较为均匀; 其次通过三维超景深显微镜、 UV-Vis光谱测量技术对P25型光催化剂的粒子结构进行表征分析, 同时使用半导体求导公式对TiO2粉末进行禁带分析, 结果显示TiO2为球形, 由于空气中相对湿度过大, 水在TiO2微粒表面的润湿性加强了微粒间的粘附力, 因此有团聚现象产生, 其禁带宽度为31 eV; 最后以紫外LED阵列和高压汞灯为催化光源, P25型TiO2为催化剂分别对甲基橙、 磺胺类抗生素进行光催化降解, 使用紫外-可见光分光光度计测量降解过程中的吸收光谱曲线, 进而对抗生素降解率进行分析。 结果表明, 甲基橙和磺胺二甲嘧啶在紫外LED阵列为光源条件下均能够被降解, 分别经过160和240 min的催化降解过程后, 降解率分别达到70%和36%, 符合一级动力学方程, 经计算LED阵列光源与汞灯对甲基橙的降解动力学常数分别为-0007 5和-0113 5 min-1, 对磺胺二甲嘧啶的降解动力学常数分别为-0001 9和-0019 4 min-1。 因此对甲基橙和磺胺二甲嘧啶进行降解时, 汞灯降解速率高于紫外LED阵列; 由于紫外LED阵列和汞灯系统在催化降解污染物过程中功率和其与反应器中轴线距离不同, 对两种光源的抗生素降解效率建立评价方法, 即对紫外LED和汞灯以单位功率为标准进行距离降解效率分析, 对于甲基橙, 汞灯在单位功率下的距离降解效率高于紫外LED, 但对于抗生素, 紫外LED阵列的距离降解效率明显高于汞灯。 依据以上各类光谱分析和应用结果, 紫外LED阵列是一种有竞争力的光催化应用替代光源, 此技术的广泛应用为抗生素的降解提供新途径。

人乳头瘤病毒 (HPV)基因芯片检测装置可读取与分析 HPV芯片的杂交点信号值, 进而区分不同的 HPV病毒类型, 而检测装置照明的均匀性关系到 HPV芯片图像处理算法的可靠性与难度。为实现均匀照明, 优化了矩形 LED阵列排布并配置匀光扩散板。首先, 分析单个 LED灯珠的辐射强度分布, 建立矩形 LED阵列的理论模型; 然后, 在仿真软件中建立 4行 8列的矩形 LED阵列模型; 最后, 搭建 HPV基因芯片检测装置进行实验测试。实验结果表明, 该照明系统能使 70 mm×20 mm的目标被照面的灰度均匀度达到 95.6%, 满足了 HPV基因芯片检测装置均匀照明的要求。

运动式太阳模拟器是编码式太阳敏感器在装星阶段用于现场测试的一种重要设备,为敏感器测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号。论述了运动式太阳模拟器的结构组成与工作原理,着重对其LED阵列光源和准直光学系统进行研究与设计。通过功率计算确定了LED数量,依据Sparrow判据分析了LED间距对辐照均匀性的影响,确定了阵列间距。基于边缘光线原理,建立了圆柱面镜的数学模型,设计了准直光学系统,借助LightTools软件进行仿真。实验结果表明:设计的运动式太阳模拟器在工作距离为50 mm处的辐照范围为10 mm×50 mm,最低辐照度为393 W·m ^-2,在-13°、0°、38°三种光线入射角下的辐照不均匀度均优于±7.3%,出射张角为0.78°,满足编码式太阳敏感器装星后现场测试的要求。