为了研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器参数对折射率测量灵敏度的影响, 采用双频激光外差干涉相位测量光路结合光纤型SPR传感器进行了折射率测量, 并对光纤SPR传感器不同纤芯直径对传感器灵敏度影响进行了分析。在光纤SPR传感器适应的折射率范围内, 分别使用纤芯直径为300 μm的光纤和400 μm的光纤, 测量不同质量分数下的甘油、蔗糖、氯化钠溶液的相位差, 并计算对应折射率; 分析了在传感器适用的折射率范围内, 各溶液质量分数与折射率之间的关系, 并对理论结果进行了实验验证。结果表明, 纤芯直径越小, 传感器灵敏度越高, 灵敏度可达10-5量级; 密度越高, 测量中的稳定性越高, 最大相位差标准差为0.145°; 分子量越大, 精度越高, 蔗糖的测量计算值与阿贝折射仪标定值之间的差值最大为0.52×10-4。该研究为光纤SPR传感技术的进一步研究及应用提供了较好基础。

密封药瓶内的药物在储存过程中, 时常会因为保存方式不当, 产品质量不合格等问题导致其气密闭性变差, 极易与空气中的各种气体发生化学反应引起药品变质, 影响其正常使用。 因此, 可以通过药瓶内部各种气体浓度的测量及时反映出药品的储存状态。 其中水汽(H2O)是空气中的常见气体且极易与药品产生反应, 药瓶中H2O浓度的测量是判断瓶内药物是否变质的重要依据之一。 实际检测药瓶内水汽浓度的传统方法或通常需要直接接触到样品才能做出判断, 很难做到无损检测, 样品处理过程较为繁琐, 耗时耗力, 难以实现对大量药瓶的实时无损测量, 所以需要一个实时快速非接触式检测容器密封性的方法。 为了高效检测并实时监控密封药品存储容器(药瓶)内的水汽浓度, 提出了一种可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的数字正交锁相解调算法, 并对该算法的可行性及有效性进行了实验验证。 药瓶采用长12 cm宽9 cm高64 cm的可透光聚乙烯(PE)材质; 中心波长为1 391 nm的分布式反馈(DFB)激光器作为光源, 搭建了基于数字正交锁相解调算法的TDLAS药品检漏测量系统, 以数字锁相解调代替了传统的锁相解调并且研究了不同的调制深度、 采样率对解调出的二次谐波信号(WMS-2f)幅值的影响。 在系统各项参数最优的情况下考察了不同光功率下WMS-2f信号稳定性, 并通过拟合结果推演出其他未知水汽浓度的WMS-2f信号。 研究结果表明: 与常规锁相放大器解调算法相比, 数字锁相解调可编译性强, 系统结构更为紧凑, 成本更为低廉。 Allan方差分析显示在160 s内的状态下, 水汽检出限为18 ppm, 验证了该方法的稳定性与可靠性。

波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响，故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法，采用双频激光外差干涉光路，利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片，可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响，从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构，测量稳定性高，信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外，所设计的测量系统中元件很少，结构简单，测量过程快捷。误差分析表明，在现有实验条件下，测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9'，快轴方位角的测量不确定度约为5''。实验比对结果表明，所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明，测量结果的标准偏差约为2'。

针对光学层析技术中的数据重建，提出了一种指数型滤波（EF）反投影解析法与迭代法相结合的迭代EF反投影算法，结合了前者重建速度快和后者重建质量高等优点，同时滤波函数采用指数型函数，抗噪性能好于传统滤波函数。算法以重建图像与真实图像的归一化均方距离d和归一化平均绝对距离r为优化目标，通过调整滤波函数指数因子减小投影数据噪声的影响，并建立了迭代计算模型。通过仿真实验，首先验证了单纯采用滤波反投影解析法时，EF函数相对于传统函数具有更好的重建精度，然后验证了本算法的图像重建质量高于EF反投影法，重建后的r减小了20%。进一步进行了折射率光学层析测量实验，分别采用本算法和EF反投影法重建了测量数据的折射率，并比较了仪器标定结果。结果表明：本算法具有更高的重建精度，与仪器标定结果的最大误差为7.9×10^-6，重建精度相较于EF反投影法提高了约21%。

温度场的精密测量对机械、航空航天、生物医学、食品化工、电力、能源和环境等诸多行业都有重要意义。提出了一种基于多步相移法和偏振干涉光学层析光路的三维温度场测量方法。首先,结合马赫-曾德尔干涉光路结构与光学层析技术设计偏振干涉光学层析测量系统,并利用偏振器件的旋转实现多步相移以实现高精度信号检测。然后,通过指数型滤波反投影算法还原得到被测介质的三维折射率分布,进而获得三维温度场分布。最后,推导了测量公式并搭建了实验系统。误差分析表明,现有实验条件下的系统测量不确定度约为0.8 ℃。测量实验和比对结果表明,所测得的温度场与实际情况吻合,与铂电阻温度计的标定温度比对结果小于2 ℃。

土壤呼吸是地气间碳氮流通的主要途径。实时原位测量不同土壤生态环境下的气体排放,是研究大气温室气体形成、转移和消耗等动态过程的有力手段,可以为揭示碳氮生态系统循环与环境演化的主要过程及其驱动机制提供关键的科学依据。以室温连续量子级联激光器(RT-CW-QCL)作为激光光源,结合长程光学吸收池和直接吸收光谱探测技术,建立了一套高灵敏度、高精度的激光光谱系统,并以不同生态环境下的土壤样品为研究对象,开展了土壤和空气中CO、N2O气体交换过程的实时监测分析研究。实验结果表明:4种不同生态环境(芦苇丛、池塘、有机培土和草地)的土壤表现出不同的CO和N2O释放、吸收过程。

研究了自适应补偿器(ANC)中两大补偿器——可变形镜(DM)和部分补偿镜之间的轴向距离标定技术，提出了一种多零位约束方法，利用一块校准镜，通过DM形变实现不同位置的零位检测，从而构建多个测量方程用以限制误差耦合，实现ANC空间间距自标定。通过仿真和实验验证了该标定方法的高精度。该方法摒弃了外部直接测量手段，使得ANC和整体干涉仪的集成化成为可能。

压强是工业生产过程中的一个重要参数, 其准确测量是过程控制的关键。 气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、 气压等因素, 利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应, 可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息, 实现压力计校准。 提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。 采用5.2 μm可调谐量子级联激光器, 基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。 室温下, 测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线, 线宽为0.084 21 cm-1, 重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1, 对应的压强大小为98.12 kPa, 检测灵敏度优于0.18 kPa, 与高精度压力计读数98.14 kPa一致。 利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1, 与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。 实验校准了一小量程压力计。 结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。