为了探索微纳米物质在1维载体上的可控输运问题, 采用聚焦激光辐射输运载体获得温度梯度的方法, 进行了微纳米石蜡球在单根碳纳米线圈上输运问题的实验研究和理论分析。结果表明, 温度梯度可以驱动碳纳米线圈上的微纳米石蜡由高温区域向低温区域移动, 即发生输运现象; 调整激光的聚焦位置可以实现输运方向的可控, 调节聚焦激光输出功率可以实现输运距离和输运质量的可控; 激光电流为33.0 mA, 36.0 mA, 39.0 mA, 42.0 mA时, 微纳米石蜡球输运距离分别为0.69 μm, 1.40 μm, 2.00 μm, 2.50 μm。该研究为微纳米物质的可控输运提供了新方法, 对进一步研究微纳米物质输运问题是有帮助的。

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达, 采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法, 对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究, 取得了边界层内的大气温度数据。结果表明, 该激光雷达测量的大气温度在0km～2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性, 激光能量为100mJ, 测量时间约为17min, 垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K, 可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量; 如果要使测量的高度进一步增加, 可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。

由于气溶胶的影响, 传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限, 为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。 利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测, 由观测数据反演了温度廓线。 在基于N2和O2的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中, 分析了平滑窗口、 定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。 结果显示随着平滑窗口的增大, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加, 为有效去除信号中随机误差的影响, 同时保留温度廓线的垂直结构, 平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。 定标范围不同, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同, 相对变化约为0.07 K。 当定标常数a, b都增大或都减小时, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大, 当一个增大另一个减小时, 平均偏差相互抵消; a, b的变化不是等几率的, 在符号上总是相反的; 平均偏差对a的变化不敏感, 对b的变化也不敏感, 对a与b的整体变化敏感, 约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。 该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、 定标范围的选择提供了理论依据, 对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。

双光栅单色仪的透过率函数对转动喇曼激光雷达回波信号的模拟计算、温度反演灵敏度的分析、温度反演公式的选择等具有重要作用。为了研究双光栅单色仪透过率函数的算法，采用一个变量把衍射光斑占出射光纤横截面积的比表示出来，然后利用光斑与光纤横截面是相离、相交还是相切的关系给出了透过率函数，对532nm的双光栅单色仪的透过率函数进行了理论分析与实验研究。结果表明，532nm双光栅单色仪的透过率曲线的中心波长分别为529.0nm,530.3nm,533.8nm和535.1nm,带宽为0.48nm，模拟的回波信号与实测回波信号基本重合,双光栅单色仪透过率函数的计算方法是正确的。

脉冲Nd∶YAG四倍频激光(266 nm)泵浦D2的受激拉曼散射第二级斯托克斯光(316.39 nm)用作O3差分吸收激光雷达的λoff。为研究 D2的受激拉曼散射效应和定量解释其物理机制作了一系列的实验。通过调节泵浦能量和气体压强, 得到了各级散射光的能量转换效率, 找到了第二级斯托克斯光的优化条件。

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10-7的抑制比,能够很好抑制Rayleigh-Mie散射,得到纯度很高的转动拉曼谱,并且能够提高光的透过率,具有长期的稳定性.光纤、透镜、光栅参数的选择及焦板上光斑的精确定位是双光栅单色仪研制成败的关键.在合适的参数下计算出了双光栅单色仪的滤波函数,高低量子数回波信号强度比以及温度随高度的变化,计算出的温度与代入的温度相差约0.3 K,说明此双光栅单色仪的设计是合理的.

介绍了双光栅转动拉曼激光雷达的双光栅单色仪结构,并推导了相应的雷达公式.利用该公式把双光栅单色仪带宽对雷达反演温度带来的影响,简单地转化成双光栅单色仪带宽内包含的转动拉曼谱线对雷达反演温度带来的影响,结果表明多谱线比值反演的温度小于单谱线反演的温度,最大误差达13 K.

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10-7抑制比, 能够很好地抑制瑞利-米氏散射, 得到纯度很高的转动拉曼谱, 并且能够提高光的透射率, 具有长期稳定性, 但双光栅单色仪的光路结构复杂一直是系统中的难点。首先对两种光栅光路结构进行讨论, 得出光纤对称式光栅光路结构对于光栅效率的利用要优于光纤直线排列式光路结构, 并通过对光栅公式和转动拉曼光谱公式结合, 推导出光栅闪耀级次和衍射角关系方程。当光栅常数为600 line/mm时, 其第5级为最佳闪耀级次。

为有效地控制温室效应和气候剧变，准确可靠地监测CO₂气体的变化就变得十分重要。拉曼雷达测量大气中CO₂气体含量是一种技术先进的可靠方法。介绍了利用气体的拉曼散射效应来测量CO₂含量分布的拉曼激光雷达，分析了拉曼雷达的基本原理，设计了具体的实验检测系统，介绍了实验系统各工作件参数情况。对拉曼雷达的回波信号的反演方法进行了具体阐述，初步取得了大气中CO₂气体含量分布规律，合肥地区的二氧化碳气体含量大约在350～400ppmv范围内波动。