据统计, 2015年我国消耗了39.65亿吨煤炭, 而其中发电及热力供应占据了煤炭消耗总量的46.38%。发电及热力供应行业排放的CO2占据了我国温室气体排放量的很大比例, 因此对于燃煤电厂CO2气体排放的实时监测是非常重要的。利用测量精度高、响应迅速、非接触测量的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对CO2浓度检测。选用了中心波长在1 580 nm的分布式反馈激光器作为光源, 参考电厂尾部烟气CO2浓度配置实验气体, 分别使用直接吸收和波长调制方法对CO2浓度进行反演。对比研究结果表明, 直接吸收和波长调制法重复测量的相对标准偏差分别为0.94%和0.22%, 最大相对误差分别为2.64%和1.65%, 检测限分别为0.013 6%和0.001 4%。波长调制法比直接吸收法在测量性能指标上更具优势, 但由于波长调制法在现场应用时受定标方式的影响很大, 且谐波线宽会受到压力、温度等参数变化的干扰, 而直接吸收法无需标定, 且测量精度足以满足电厂CO2在线监测的需求。因此在电厂锅炉烟气等高浓度CO2的测量中, 直接吸收法是更好的选择。

设计了一款口径为30.48 cm高精度斐索激光干涉仪参考镜,其F数为0.82,参考面半径为224.99 mm。所设计的参考镜其透射波前峰谷值为0.095 λ,均方根值为0.028 λ,透射波前斜率最大值为11 μrad。理论分析了参考镜的回程误差对面形检测精度的影响,其最大值为0.29 nm。利用Zemax光学设计软件对参考镜进行了仿真分析,仿真与实验结果表明,该标准镜头可满足精度1 nm的元件面形检测需求。

影响高精度光学元件重要的因素之一是支撑结构。主要研究了在三点支撑下，自重变形量与口径和厚度的关系。采用数值分析、有限元法(FEM)模型与实验验证相结合的方法完成对三点支撑下自重变形量的研究。采用薄板理论推导了在三点支撑下，重力变形与口径、厚度的关系；采用有限元法分析了一系列不同厚度、不同口径的平面镜自重变形大小；利用实验验证了模型的正确性。在薄板理论模型基础上，完善了自重变形与不同材料、口径、厚度、形状的变形函数，为快速计算出三点支撑下的自重变形提供理论依据。

由于非共光路误差是菲索干涉仪进行高精度检测中最重要的误差因素之一，而非共光路误差是由于非理想的光学系统即干涉仪的出射波前不理想造成的，所以为了测量干涉仪的出射波前来评估干涉仪非共光路误差的大小，提出一种利用干涉仪猫眼位置绝对测量干涉仪出射波前的方法。该方法基于干涉仪自身的面形测量功能，操作非常简单，只需要一块反射镜就能够实现干涉仪出射波前的测量。该方法通过至少三个猫眼位置的测量得到干涉仪出射波前的自身剪切数据，然后通过基于旋转平移的绝对检测算法直接得到干涉仪的出射波前的二维波前数据。实验结果表明：该方面能够实现不包括Power在内均方根(RMS)值约为15 nm 的测量精度。该方法能够准确测量干涉仪出射波前，从而评估干涉仪非共光路误差。

考虑菲佐型波长移相干涉仪中波长可调谐激光器光强与调节电压之间的关系会对相位计算精度造成影响，本文提出了一种基于光强自标定的波长移相算法。首先，分析了波长可调谐激光器调节电压与输出光强之间的关系，建立了数学模型；然后，依据最小二乘判据，推导出了波长移相干涉仪的光强自标定移相算法。最后，实施了仿真实验，通过计算机生成背景光强具有一定变化的12幅干涉图，利用所提出的算法进行了相位恢复。结果表明，提出的算法可以很好地免疫激光器的光强变化，实现高精度的相位恢复。对口径为100 mm的平面镜的测量结果显示RMS为0.005λ，PV为0.073λ。与ZYGO干涉仪测量结果的比较显示，两次测量面形的偏差RMS为0.0014λ，PV为0.022λ。得到的结果证明了算法的可行性及在菲佐型波长移相干涉仪中的实用性。

针对开展环境空气中的痕量污染气体监测研究的需求, 综述了目前应用较广的光谱遥感监测技术。阐述了利用光学遥感技术监测大气环境的工作原理, 详细介绍了几种主流的大气监测技术, 包括傅里叶变换红外光谱技术, 差分吸收光谱技术, 激光长程吸收技术, 可调谐激光二极管吸收光谱技术, 差分吸收激光雷达技术, 指出了上述监测方法的特点并对它们的优缺点进行了分析与比较。

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、 热层、 极光和辉光的探测。 文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理， 提出了探测方案， 设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统， 并选择了平面光栅结构进行研制集成， 在国内首次获得了原理样机。 样机工作波段为120～180 nm， 望远系统采用离轴抛物镜， 光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构， 探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。 搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试， 测得光谱分辨率约为2 nm， 空间分辨率0.5 mrad。 这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。

为了实现对大气层中辐射波长分布在真空紫外和近紫外波段(115～300 nm)的粒子探测， 完善大气遥感， 设计了一种高分辨率成像光谱仪， 并开展了原理样机的研制。 根据国外已有载荷进行分析， 选用了以离轴抛物镜为望远系统、 Czerny-Turner结构为成像光谱系统的光学方案; 针对真空紫外波段辐射弱的特点选取了带有MCP的二维光子计数型探测器。 为了实现该光学系统的宽波段成像功能， 在像差理论的基础上引入了几何与一阶微分的数学方法， 解决了传统结构像差校正不均匀、 空间分辨率低的缺点; 最终设计得到了改进型的成像光谱仪。 对设计结果进行模拟和光谱分辨率计算分析可知这种成像光谱仪全视场全波段调制传递函数值在0.6以上， 光谱分辨率达到1.23 nm， 具有良好的性能。 这种方案工程实现性好， 性能优越， 设计方法和设计结果合理可行。

针对积分球开口光谱辐射特性测量的复杂性及紫外波段标准光源不确定度大的缺点，构建了一种基于紫外标准探测器的高精度绝对辐亮度计。用所构建的绝对辐亮度计，以3个波长为例，标定积分球开口光谱辐亮度，修正了250~400 nm波段积分球开口光谱辐亮度曲线。同时，利用该绝对辐亮度计对积分球输出稳定性、积分球开口均匀性以及朗伯余弦特性进行了全面测试。积分球开口3个波长280，313和352 nm处光谱辐亮度定标合成标准不确定度分别为3.2%，3.0%和3.0%，积分球输出稳定性、开口均匀性以及朗伯余弦特性3个波长处合成标准不确定度分别为1.7%，1.6%和1.6%。不确定度分析表明用绝对辐亮度计研究积分球光谱辐射特性与传统的积分球光谱辐射特性研究相比方便可行且精度更高。

星载光栅成像光谱仪中的光栅通常有着强烈的偏振响应, 为保证成像光谱仪测量结果的准确性, 加入退偏器是消除光学系统的偏振响应的一种常用方法。 对水平-垂直(H-V)型石英退偏器的退偏原理进行了理论分析, 根据成像光谱仪的偏振响应特点, 采用一片H-V型石英退偏器即可实现光谱仪的退偏要求。 重点分析了退偏器引入的双像对成像光谱仪像质的影响, 分析的结果表明, 加入退偏器后, 仪器偏振响应敏感度小于1%, MTF下降小于1.5%, 像质满足使用要求, 完全可应用于星载光栅成像光谱仪。