浸没光栅是星载温室气体监测成像光谱仪光学系统中的核心分光元件，能够实现更高的光谱分辨率和更紧凑的结构尺寸。推导了浸没光栅的色散率公式，并对比了采用浸没光栅和普通平面光栅时的光谱分辨率。针对温室气体O₂-A带的探测需求，利用有限元计算方法开展了浸没光栅槽形结构的优化设计，得到了兼有高衍射效率和低偏振灵敏度的全反射型浸没光栅槽形参数，并分析了光栅结构参数和等效介质层的制造公差。设计结果表明，在750~770 nm波段范围内，该浸没光栅-1级平均衍射效率高于92%，偏振灵敏度低于1%。

基于传输矩阵法(TMM)研究了可见光波与棱镜耦合的多层光学薄膜间的相互作用, 实现了一种由于共振隧穿导致的带通滤波器。计算得到了复合结构的透射谱线, 重点分析了棱镜间空气层厚度对滤波特性的影响。在横电(TE)波入射下, 通过优化计算得到目标颜色对应的几何参数。同反射模式下的颜色滤波器不同的是, 结构会透过一种特定的颜色并反射光谱的其余部分。优化后得到了红绿蓝(RGB)三色滤波器优化的结构参数,获得了100%高透射率的光谱输出。红色、绿色、蓝色对应的滤波器谐振波长分别为683 nm、517 nm 和 444 nm。

针对石墨烯基的折射率传感系统中存在的大量程和高测量灵敏度无法兼得且仅能实现相对折射率测量的问题,提出了一种基于全内反射式的大量程绝对折射率测量方法。该方法仅通过一维线性运动,实现了大范围角度的精确调控。利用光学4f系统,保证了采样点位置不随入射角的变化而变化。不同入射角下的扫描测量方法的折射率测量范围理论上可以达到1~1.5168,通过对不同质量分数的氯化钙溶液的折射率进行测量,从实验上获得7.203×10 ^-4 RIU的测量灵敏度。

在理论上，全内反射透镜可对所有光线进行收集，因而是远距离准直照明系统二次光学设计的首选结构。利用光学软件进行仿真和实验测试，分析了基于该类型配光元件的扩展光源准直照明系统的照明特性，包括光强分布特性、光斑照度均匀性和光通量利用率，并揭示了出射光束发散特性的决定机制。研究发现：与同口径平凸准直透镜的配光效果相比，全内反射透镜的光通量利用率提升显著，但出射光束发散角也明显增大，使得二者出射光束光强无明显差别；且由于中心折射部分和边缘全反射部分的出射光束发散角不同，故全内反射透镜的照明光斑照度均匀性明显变差。

为了提高光导开关的光生载流子密度，延长器件的使用寿命，降低对光源的能量需求，实现设备的小型化，基于半绝缘4H-SiC材料建立了全内反射式光导开关数学模型，并分析了全内反射发生的条件及影响光导开关吸收效率和均匀度的因素。采用ZEMAX非序列模式建立了全内反射光导开关模型，并利用光线追迹方法进行分析。设计了一种高效率全内反射光导开关光学系统，结果表明，该光学系统能在获得高吸收效率的同时保证高均匀度，吸收效率可达90.78%，吸收均匀度达到74.56%。

为了有效地收集半导体发光二极管大范围的出射光以实现光能的高效利用,设计一款基于全内反射结构的多个自由曲面准直透镜,该透镜的初始结构是根据Snell定律和能量守恒定律等光学原理的算法设计而成。将该透镜的初始结构导入Creo软件中并进行360°旋转以得到3D实体模型,将其转入TracePro光学软件中进行蒙特卡洛光线追迹的模拟,在距离接收板20 m处接收到一个圆形光斑。对该透镜模型进行法矢修正,优化后的透镜经过模拟仿真,透射能力高达182 cd/lm,光束角为±1.621°。将优化后的透镜与传统的全内反射结构透镜进行对比,经验证发现优化后的透镜对窄光束的调控能力更好。

提出一种基于集成光波导沟槽耦合器的超紧凑折射率传感器。该结构包括入射波导、反射波导及透射波导,亚微米宽的沟槽位于入射波导与反射波导的交汇处。入射波导中的导波光在沟槽侧壁发生受抑全内反射,使得一部分光经消逝场耦合进入透射波导,另一部分光被反射进入反射波导。透射光强度取决于消逝场耦合效率,而后者依赖于沟槽填充物的折射率,这意味着这种集成光波导沟槽耦合结构可作为微纳传感器用于实时探测液体折射率或溶液浓度。以氮化铝脊型波导为例,对这种新型折射率传感器进行仿真设计和仿真验证,经过结构优化,其折射率灵敏度可达207.05 %/RIU。

近场是指局域在物体表面附近亚波长范围内的空间区域。倏逝波存在于近场区域,可利用其与物质的相互作用特性对位于近场区域的某些介质样品进行高分辨率成像,及对样品物性变化进行高灵敏度测量,其中,基于全内反射和表面等离子体共振的近场成像与测量方法已在许多领域获得广泛应用。将数字全息术与这类近场测量方法相结合,可进一步有效解决自近场区域反射光波的相位分布的高精度全场动态测量问题。重点介绍基于全内反射数字全息术和表面等离子体共振全息显微术的近场成像方法与测量应用研究进展。

蓝绿LED通信被认为是解决水下近距离高速无线数据传输的有效手段。然而由于LED发散角较大,造成通信链路的几何损耗增加,制约了水下LED通信距离的提升。针对这一问题,提出了一种基于全内反射(TIR)透镜压缩水下LED通信阵列光源出射角的方法,将LED通信光源的出射角从130°压缩到7°;利用该光源研制发射样机,在大型水池中搭建测试系统,并对发射机的性能进行测试。结果表明,所设计的通信样机在水下传输距离为16.6 m时,最大可支持23 Mbit/s的传输速率;与未采用TIR透镜时相比,在同等速率条件下,传输距离增加9.3 m。这表明基于TIR透镜二次配光的方法,可有效减小发射机出射角,降低链路损耗,增强通信系统的传输能力。这为提升水下LED通信的传输性能提供了新的技术思路。

多角度全内反射荧光显微镜层析成像技术是实现轴向超分辨的主要技术之一,其关键算法是基于交替方向乘子算法对逆问题模型求解。为进一步提高交替方向乘子算法的迭代速度及收敛性,提出将一种基于松弛因子的改进型交替方向乘子算法应用于逆问题的求解中,其核心思想是对拉格朗日函数的分解迭代过程进行过松弛求解。基于该算法,搭建了多角度全内反射荧光显微镜成像系统,采集不同照明角度对应的不同穿透深度的图像堆栈,利用改进型算法重构细胞微管的深度信息,给出了系统的轴向分辨率,并与传统交替方向乘子算法进行了收敛速度的对比,给出了改进型算法达到最优收敛的松弛因子的取值范围,最后通过对线粒体样品进行长时程拍摄,重构了其三维信息,并观测了其融合和裂变的连续过程。实验结果表明,改进型交替方向乘子算法可以实现40 nm的轴向分辨率,并能在保证图像重构质量的同时,使迭代过程的收敛速度提升20%以上。