量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。

在全球气候变化导致大气氧气浓度持续下降的背景下，为揭示青藏高原氧含量变化过程，利用氧气的顺磁性和法拉第磁光效应，研制了高精度磁旋转光谱大气氧气传感器。氧气测量选择近红外磁效应较强的13118.04 cm^-1波数处^PP（1）（J=1）跃迁谱线，结合Herriott光学多通池将有效吸收光程提高至7 m，使用通电螺线管线圈提供180 Gs（1 Gs=10^-4 T）直流磁场。基于噪声测量的信噪比分析显示装置中检偏器的最优偏转角为10°，此时系统总噪声为0.33 μV/Hz^1/2。最优光谱参数条件下的Allan方差评估表明，系统的探测精度为32×10^-6（1σ，60 s）。本装置通过使用稀土永磁体代替通电螺线管线圈，有望进一步提高磁旋转光谱信号强度，提升传感器性能。

为了使光谱仪能同时兼顾宽吸收光谱范围和高光谱分辨率两种特性，搭建了一台近红外虚像相位阵列光谱仪，单帧谱宽约为25 nm（140 cm^-1），光谱分辨率为4.5 pm（0.024 cm^-1），结合改进的旋转光栅结构，实现了1.26~1.50 μm的宽光谱检测。使用超连续光源及光学吸收多通池，在1.43~1.45 μm处，以CO₂为例开展了宽带高分辨光谱测量技术研究，使用图像增强算法提高了弱吸收的光谱提取精度，考虑光谱仪的仪器展宽进而提升了气体参数反演准确度。实测光谱与理论光谱的对比结果验证了系统测量的准确性与可靠性。

基于自主研发的气溶胶消光光谱仪, 在安徽省寿县观测站点进行了连续观测, 并对 2016 年 5 月至 12 月期间该地区的大气气溶胶光学特性开展了研究。结合不同大气因素分析了观测结果的时间序列变化及日变化规律, 对比了消光系数与 PM2.5 质量浓度、散射系数的相关性, 并探讨了风速风向对于寿县消光系数变化的影响。结果表明: 寿县地区大气消光系数时间序列变化与日变化特征明显, 且受到不同气象要素的影响。秋季和冬季的大气污染情况较为严重, 与其他季节相比, 污染天气的天数明显增多; 与清洁天气相比, 污染天气的消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数显著增大。特别在冬季, 污染事件频繁。在 12 月份出现过重度污染天, 其 24 h PM2.5 平均浓度超过 150 μg·m-3, 且该月消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数均达到观测期间月平均最大值。整个观测期间, 从日变化来看, 消光系数、PM2.5 质量浓度及散射系数均是白天波动较大, 午后出现最低值; 其中消光系数最大值出现于清晨 08:00 左右, 最小值则出现于下午 16:00 左右。此外, 消光光谱仪测得的气溶胶消光系数与 PM2.5 质量浓度和散射系数的相关系数分别为 0.91 和 0.83, 说明研制的消光光谱仪同其他仪器的测量结果具有很好的一致性。

吸湿性气溶胶会吸收环境空气中的水分, 其粒径会随相对湿度的增加而发生变化, 从而导致气溶胶的光学特性 (如消光、散射、吸收系数与单次散射反照率等) 发生显著的变化。气溶胶光学吸湿增长因子 (湿状态与干状态下光学参数的比值) 是衡量气溶胶光学吸湿增长能力的特征参数, 是计算大气能见度和气溶胶辐射强迫的关键输入量, 它的准确测量对于气溶胶环境和气候效应的评估具有重要意义。光学吸湿增长测量系统主要包括湿度调节系统和光学测量装置, 通过湿度调节系统改变样品的相对湿度, 再结合光学测量装置实时测量光学参数的变化, 从而实现光学吸湿特性的在线测量。鉴于气溶胶吸湿性研究的重要意义, 重点分析对比了现有的光学吸湿增长测量方法及应用, 并对下一步气溶胶光学吸湿增长特性测量技术和研究方向做了展望。

利用虚像相位阵列 (VIPA) 的强色散能力发展而来的 VIPA 光谱仪是一种新型的高性能光谱测量装置, 兼具宽光谱覆盖范围、高时间分辨率及高光谱分辨率等优点。基于 60 GHz 自由光谱区 (FSR) 的石英 VIPA, 研制了一台可用于红光波段光谱测量的 VIPA 光谱仪, 并测量了 633 nm 多模激光器的出射光谱。在 100 μs 的时间分辨率下, 获得了单次 3.1 nm 测量谱宽、2.0 pm (1.5 GHz) 的高光谱分辨率, 连续 4 h 运行显示光谱漂移小于 0.50 pm。通过采用衍射光栅扫描装置、更短曝光速度的面阵 CCD 和更大 FSR 的 VIPA , 有望进一步提高光谱仪性能。

光学多通池具有结构简单、光路对准容易、光谱通用性高、鲁棒性好及成本低等优势，是增加吸收光程最有效的手段之一, 可以显著提高吸收光谱的探测灵敏度。简要总结了不同类型光学多通池的基本原理, 重点介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所张为俊研究员团队使用光线追迹研制的 200 m光程像散镜池、59.7 m 光程 Herriott 池、大于 200 m 光程密集光斑型球面镜池以及带有便携稳定调节机构的 Chernin 池，详述了这些多通池的研制方法及其在激光吸收光谱探测中的应用。

针对现有的光时域反射仪(OTDR)在监测带有掺铒光纤放大器(EDFA)的长途多跨段光纤链路时, 为克服EDFA增益的波动需增加一个额外的补光来保持功率稳定的问题, 文章基于线性调频OTDR提出了一种无需补光穿越EDFA的长途多跨段光纤监测技术。该技术利用线性调频准连续光作为探测光, 可以避免EDFA增益的波动。同时通过分数域傅里叶滤波来去除级联EDFA累积的自发辐射白噪声, 从而提高接收信号的信噪比。实验结果表明, 该技术能够准确地测出中长途多跨段光纤链路中EDFA和连接点处的反射事件。