核酸分子碱基的光谱特征分析对生物遗传学研究具有重要意义。 探讨太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术和拉曼光谱（Raman spectroscopy）技术用于DNA和RNA碱基和稀有碱基的光谱检测的可行性。 分析了7种固体核酸碱基的太赫兹振动光谱和拉曼光谱, 对THz-TDS技术和拉曼光谱技术进行了对比研究。 实验结果表明, 在THz-TDS实验中, 胞嘧啶（cytosine, C)、 鸟嘌呤（guanine, G）、 腺嘌呤（adenine, A）、 胸腺嘧啶（thymine, T, DNA专有）和尿嘧啶（uracil, U, RNA专有）和稀有碱基［5-甲基胞嘧啶, 5-methylcytosine (m5C)、 1-甲基腺嘌呤, 1-methyladenine (m1A)］在0.2～2.0 THz频段内特征吸收峰和吸收强度差异显著, 可以直观地识别出7种碱基的差异; 拉曼光谱中, 7种碱基也表现出很多明显的不同特征峰, 而正是由于拉曼光谱的特征峰杂而多, 故不能直观的识别多种物质。 且其吸收强度的差异与粉末的厚度, 粒度和光聚焦的深度有关, 样品的荧光还会给拉曼光谱带来干扰, 同时激光还可能会损伤生物样品。 这说明此两种技术均能够识别7种常见和稀有碱基, THz-TDS技术在识别这7种碱基的能力上优于拉曼光谱技术, 表现出较为简洁, 快速和无损的检测性能。 THz-TDS技术不仅为DNA和RNA碱基和稀有碱基的识别提供了一种快速和准确的检测方法, 也为生物遗传学研究奠定实验基础。

皮革检测鉴定的市场需求缺口巨大, 不同种类皮革, 尤其是不同种类真皮革无损、 无标记检测具有重要的应用价值。 利用太赫兹时域光谱技术系统地测试了不同种类真皮革和人工革的太赫兹透射光谱, 计算了不同真皮革和人工革的太赫兹吸收系数和折射率。 在0.2~1.5 THz范围内, 不同种类皮革的太赫兹吸收系数和折射率数值大小具有明显差异, 真皮革大于人工革; 且真皮革中, 爬行类皮革>鱼类皮革>哺乳类皮革。 进一步地, 猪、 牛、 羊真皮革在25~80 ℃加热过程中太赫兹时域光谱振幅变化均在60 ℃左右出现拐点, 而人工革无拐点; 且猪、 牛、 羊真皮革变化趋势各异。 为了验证皮革太赫兹光谱产生差异的原因, 首先对代表性皮革牛皮革、 人造革和合成革的主要组成成分牛皮胶原蛋白、 聚氯乙烯（PVC）和聚氨酯（PU）进行了太赫兹光谱测试, 牛皮胶原蛋白的太赫兹吸收系数和折射率大于聚氯乙烯和聚氨酯; 并且在25~80 ℃加热过程中胶原蛋白出现变化拐点, 而聚氯乙烯无。 实验结果显示, 皮革主要组成成分的太赫兹光谱特征的数值差异和变化趋势与对应皮革相同, 表明不同种类皮革间差异性的太赫兹光谱特征主要来源于其组成成分的不同。 基于此, 太赫兹光谱技术有望用于皮革的快速、 准确、 无损、 无标记检测, 用于区分不同种类真皮革和人工革, 尤其是分辨来源于爬行动物、 哺乳动物和鱼类的真皮革。

利用搭建的基于光电导微探针的近场太赫兹(Terahertz, THz)系统对新鲜猪肉组织切片进行了成像检测研究, 结果发现近场THz成像可以很好地区分猪肉组织中的脂肪组织区域和肌肉组织区域, 其成像效果明显优于传统远场THz时域光谱成像系统。研究表明了基于光电导微探针的近场THz成像技术在生物样品检测方面的可行性, 展示出该技术在生物医学检测领域具有很好的应用前景。

为了获得更高的线性度和更强的抗干扰能力, 提出一种改进的相位生成载波解调算法.利用滤去直流量的干涉信号及其与基频相混频的信号来进行运算, 将两路信号倍频后的差分结果与其相乘后的微分结果相除来实现对被测信号的解调.该方法可有效消除光源扰动和直流分量对解调结果的影响.仿真结果验证了改进解调算法的可行性及优势, 与传统算法相比获得了更高的线性度和更强的抗干扰能力, 并打破了基频混频只适用于小信号的局限性.搭建实验系统进行验证, 结果表明改进算法的频率解调准确率较高, 且强度响应一致性较好.

提出一种基于时钟同源I/Q解调的相位敏感光时域反射系统解调方法.分析了调制信号与混频信号非同源不一致对解调结果的影响, 采用声光调制器调制信号、斩波信号与I/Q混频信号时钟同源的方法以消除残余频率的影响.实验采用双压电陶瓷作为扰动源, 通过I/Q解调实时获得后向瑞利散射光幅值和相位, 进而实现扰动的定位和还原.实验结果表明, 该系统能有效地探测到5 km和9 km处的正弦扰动, 定位信号信噪比分别达17.8 dB和16 dB, 相位解调结果准确还原正弦扰动, 与正弦曲线的拟合系数分别为0.994和0.991, 均方根误差分别为0.116和0.141.实验进一步验证了该方法能够测得不同扰动幅度下的相位正弦变化曲线, 并能准确得到不同扰动频率, 且扰动位置处相位变化幅度与扰动强度具有良好的线性关系, 线性拟合系数达0.992, 均方根误差为0.499, 均优于非同源解调结果.

基于扫频激光器和马赫-增德尔干涉结构的光纤传感系统, 针对扫频激光器的频率步进不够精细导致干涉臂长差解调结果不精确的问题, 提出了一种相似性解调方法.该方法通过在频率步进范围内进一步细分, 构造相应细分值的模拟函数, 与采集到的干涉信号进行相似性对比, 相似性最大时所对应的模拟干涉臂长差即为精确结果, 并通过仿真与实验验证了该方法的可行性.实验表明该系统中干涉臂长差的解调范围为2~17 mm, 该范围内解调结果最小分辨率为1 μm, 可以达到测试量程万分之一的分辨率, 且抗干扰能力强、精度高, 可实现信噪比大于6.87 dB时信号的解调.根据解调原理, 在不强调实时性的应用中, 可以通过提高细分的精细度, 进一步提高系统分辨率.

以聚苯硫醚（PPS）、 聚醚酰亚胺（PEI）及其玻璃纤维增强材料（PPS-GF30， PEI-GF30）为样品， 获得了在太赫兹频段的光谱特性。 首先， 利用太赫兹时域光谱系统， 在透射模式下， 测试了四种材料在自由空间的时域信号。 然后， 根据提取光学参数的物理模型及菲涅尔透射公式计算材料的折射率及消光系数， 同时对物理模型和菲涅耳公式解析法仿真， 保障了实验测试和算法的合理性与可靠性。 最后， 依据误差传输理论计算了由主要因素决定的光学参数误差。 在样品各自的太赫兹有效频段， 实验显示： PPS： n=1889~1945（误差0003~0012）， κ=0001~0047、 （误差0000 1~0002 6）， PPS-GF30： n=1654~1672（误差0003~0004）， κ=0002~0057（误差0000 1~0002 8）， PEI： n=1713~1733（误差0002~0012）， κ=0005~0035（误差0000 1~0003 0）， PEI-GF30： n=1688~1732（误差0003~0004）， κ=0036~0068（误差0000 2~0002 6）。 结果表明： 作为太赫兹超材料器件的基底， PPS适合低频， PEI适合高频， 玻璃纤维增强的PPS， PEI相比纯样品， 不仅力学性能得到改善， 并有利于信号探测， 而且在有效频段的高频部分， 探测灵敏度更强。 研究提供了PPS， PEI及其玻璃纤维增强材料在太赫兹频段的基础参数， 为太赫兹领域超材料器件的研究提供了重要参考。

为了实现对光泵原子磁力仪系统中发散的快速调制光信号的精密相位检测，解决现有平衡光电探测器存在的接光面积小、增益小、带宽小及相位性能不理想等问题，本文采用基于结点差分电流的平衡差分探测方法，分析了平衡探测器抑制系统共模噪声的机理，通过优化元件和提高带宽设计出具有低相位噪声且单管接光面尺寸达到10 mm的大面积平衡光电探测器，并进一步利用双板隔离式的制作方法避免了热噪声干扰，实现了其低相位漂移的特性。实验结果表明，该探测器-3 dB带宽达到1.1 MHz，信号跨阻增益达到0.91 MΩ，在175 kHz调制光信号下的相位噪声峰峰值不超过0.002 3°，能够满足碱金属原子磁力仪系统光信号精密相位检测的要求。